薄膜蒸餾技術用於海水淡化以製造之純水可提供民生及工業使用，因其具有裝置設置簡易、低能耗、可操作於常壓、高介面面積等優點，故成為著墨研發的海水淡化技術之一。本研究之直接接觸式薄膜蒸餾式以多孔性之複合膜材做為介質，利用薄膜兩側之流體溫度差異而導致的飽和蒸汽壓不同，作為驅使水蒸氣經過薄膜之驅動力，達到分離之效果。然而，薄膜蒸餾系統會因流體流經模組產生之物理現象對系統產能有顯著的負面影響，此研究是針對其中溫度極化現象，以3D列印為紊流促進因子，結合數學模型理論，討論改善之效能。
本研究針對薄膜蒸餾效率改善研究，有以下幾點方向：
(1)設計新型紊流促進因子(Eddy promoter) ，以求有效改善系統內部的溫度極化現象進而提升系統產能，並歸納出經驗公式，描述此型式的紊流促進因子對於通道內部熱對流效應的影響。
(2) 探討設計參數及操作條件對於薄膜蒸餾系統之流體溫度分佈、溫度極化現象、純水透膜通量增加百分率與水力損耗提升百分率的影響。
(3) 藉由一維數學模型針對薄膜蒸餾設備的熱量與質量傳送機制進行研究，配合實驗分析以驗證經驗公式與數學模型的正確性。
    研究結果顯示，溫度極化係數會隨著流體進口溫度的增加而減少，隨著體積流率的增加而增加，逆流操作的透膜通量皆大於順流操作的透膜通量，平均約為13.9%。

The modeling equations for predicting permeate flux in direct contact membrane distillation (DCMD) modules with inserting the additive manufacturing turbulent promoter were investigated theoretically and experimentally. The DCMD module can be performed at middle temperature operation (about 45 °C to 60 °C) of hot inlet saline stream associated with a constant temperature of cold inlet stream. The existence of temperature difference in operating the DCMD module means that the membrane surface temperatures always contact with bulk temperatures which a temperature gradient was built up and called temperature polarization, may cause a considerable heat loss. The additive manufacturing turbulent promoter acting as an eddy promoter could not only strengthen the membrane stability for preventing from vibration but also enhance the permeate flux with lessening temperature polarization effect.  Attempts to reduce the disadvantage temperature polarization effect were made implementing turbulent promoters to elevate the flow characteristic in improving permeate flux productivity.  Experimental study has demonstrated its technical feasibility, and a considerable performance enhancement was achieved for the new design of the DCMD system.

目錄
中文摘要	I
英文摘要	II
目錄	III
圖目錄	VI
表目錄	X
第一章 緒論	1
1-1引言	1
1-2 薄膜蒸餾系統簡介	5
1-3 3D列印簡介	8
1-4 研究動機與方向	9
第二章 文獻回顧	12
2-1薄膜蒸餾	12
2-2紊流促進因子	13
第三章、理論分析	16
3-1	直接接觸式薄膜蒸餾之熱量、質量傳送機制分析	16
3-1-1 直接接觸式薄膜蒸餾質傳機制之理論分析	18
3-1-2 直接接觸式薄膜蒸餾熱傳機制之理論分析	22
3-2	努塞爾數經驗公式建立與模型	26
3-3 直接接觸式薄膜蒸餾系統一維理論模型之建立	30
3-3-1直接接觸式薄膜蒸餾系統一維理論模型	30
3-3-2理論數據取得與計算分析流程-朗吉庫塔數值解析	34
3-3-3實驗數據之取得與分析計算流程	40
3-4系統水力損耗	42
3-5 數學模擬參數之設定	45
第四章 實驗分析	48
4-1置入3D列印紊流促進器直接接觸式薄膜蒸餾系統	48
4-2 3D列印紊流促進模組設計與製備流程	58
4-3 實驗步驟	62
第五章 結果與討論	63
5-1 新型紊流促進因子之努賽爾數經驗公式迴歸分析	63
5-2 平板型直接接觸式薄膜蒸餾系統	66
5-2-1 系統操作變因對於透膜通量之影響	66
5-2-2 溫度分佈與溫度極化現象	66
5-3添加紊流促進因子之平板型直接接觸式薄膜蒸餾系統	78
5-3-1 紊流促進因子對於透膜通量之影響	78
5-3-2 溫度分佈與溫度極化現象	79
5-4 模組設計參數於透膜通量與水力損耗之影響	98
5-4-1 透膜通量增益程度與水力損耗提升程度	98
5-4-2 透膜通量與水力損耗提升程度之比較	100
5-5 計算流體力學(CFD)	109
5-5-1計算流體力學流程	109
5-5-2 模組速度分佈CFD結果	111
5-5-3 模組溫度分佈CFD結果	116
第六章 結論	121
6-1新型紊流促進因子之努賽爾數經驗公式	121
6-2 平板型直接接觸式薄膜蒸餾系統	122
6-3 添加紊流促進因子之平板型直接接觸式薄膜蒸餾系統	122
6-4 模組設計參數於透膜通量與水力損耗之影響	123
符號說明	124
參考文獻	129

圖目錄
圖1-1 世界人口預測圖[2]	1
圖1-2 世界海水淡化使用技術比例[6]	3
圖1-3 海水淡化成本[7]	3
圖1-4 薄膜蒸餾操作種類	6
圖1-5 3D列印製成流程圖[11]	8
圖1-6 研究架構圖	11
圖3-1-1 薄膜蒸餾系統熱量及質量傳送機制示意圖	17
圖3-1-2 薄膜蒸餾於薄膜內部之質量傳送阻力模式	20
圖3-1-3 薄膜蒸餾之質量傳送阻力示意圖	22
圖3-1-4 熱量傳送之阻力串聯模式	23
圖3-3-1 順流操作之平板型直接接觸式薄膜蒸餾系統示意圖	31
圖3-3-2 逆流操作之平板型直接接觸式薄膜蒸餾系統示意圖	33
圖3-3-3朗吉庫塔法求解聯立方程組之計算示意圖 (a)順流式 (b)逆流式	37
圖3-3-4順流平板型薄膜蒸餾系統運算流程圖	38
圖3-3-5逆流平板型薄膜蒸餾系統運算流程圖	39
圖3-3-6不同操作流態之溫度分佈示意圖	40
圖4-1-1 順流平板型直接接觸式薄膜蒸餾系統示意圖	49
圖4-1-2 逆流平板型直接接觸式薄膜蒸餾系統示意圖	50
圖4-1-3 3D列印紊流促進模組直接接觸式薄膜蒸餾系統實際圖	51
圖4-1-4溢流桶實際圖	52
圖4-1-5 3D紊流促進模組於直接接觸式模模蒸餾模組拆解圖	56
圖4-1-6尼龍纖維支撐層示意圖 (a)示意圖 (b)實際圖	56
圖4-1-7 支撐層種類示意圖	57
圖4-2-1 3D列印製備實際圖	58
圖4-2-2 3D promoters成品圖	59
圖4-2-3 示意圖(a) Type A圓形 (b) Type A矩形 (c) Type B圓形 (d) Type B矩形	60
圖4-2-4 實際模組圖	60
圖5-2-1 空通道於順流操作下進料側為純水時，各操作參數對透模通量之影響	69
圖5-2-2 空通道於逆流操作下進料側為純水時，各操作參數對透模通量之影響	69
圖5-2-5 空通道於順流操作下進料側為鹽水時各體積流率於主流區域與薄膜表面溫度分佈	73
圖5-2-6 空通道於順流操作下進料側為鹽水時體積流率對溫度極化係數	74
圖5-2-7 空通道於逆流操作下進料側為鹽水時各體積流率於主流區域與薄膜表面溫度分佈	75
圖5-2-8 空通道於逆流操作下進料側為鹽水時體積流率對溫度極化係數	76
圖5-3-1 Type A圓形promoters於熱側純水順流形式下，不同操作參數對透模通量關係圖	80
圖5-3-2 Type A圓形promoters於熱側鹽水順流形式下，不同操作參數對透模通量關係圖	80
圖5-3-3 Type A圓形promoters於熱側純水逆流形式下，不同操作參數對透模通量關係圖	81
圖5-3-4 Type A圓形promoters於熱側鹽水逆流形式下，不同操作參數對透模通量關係圖	81
圖5-3-5 Type B圓形promoters於熱側純水順流形式下，不同操作參數對透模通量關係圖	82
圖5-3-6 Type B圓形promoters於熱側鹽水順流形式下，不同操作參數對透模通量關係圖	82
圖5-3-7 Type B圓形promoters於熱側純水逆流形式下，不同操作參數對透模通量關係圖	83
圖5-3-8 Type B圓形promoters於熱側鹽水逆流形式下，不同操作參數對透模通量關係圖	83
圖5-3-9 Type A菱形promoters於熱側純水順流形式下，不同操作參數對透模通量關係圖	84
圖5-3-10 Type A菱形promoters於熱側鹽水順流形式下，不同操作參數對透模通量關係圖	84
圖5-3-11 Type A菱形promoters於熱側純水逆流形式下，不同操作參數對透模通量關係圖	85
圖5-3-12 Type A菱形promoters於熱側鹽水逆流形式下，不同操作參數對透模通量關係圖	85
圖5-3-13 Type B菱形promoters於熱側純水順流形式下，不同操作參數對透模通量關係圖	86
圖5-3-14 Type B菱形promoters於熱側鹽水順流形式下，不同操作參數對透模通量關係圖	86
圖5-3-15 Type B菱形promoters於熱側純水逆流形式下，不同操作參數對透模通量關係圖	87
圖5-3-16 Type B菱形promoters於熱側鹽水逆流形式下，不同操作參數對透模通量關係圖	87
圖5-3-17 順流狀態下且熱側流體為鹽水時，不同3D promoters於主流區域與薄膜表面溫度分佈之影響	96
圖5-4-1 Type A 順流 IN/IP水力損耗增益圖	107
圖5-4-2 Type B 順流 IN/IP水力損耗增益圖	107
圖5-4-3 Type A 逆流 IN/IP水力損耗增益圖	108
圖5-4-4 Type B 逆流 IN/IP水力損耗增益圖	108
圖5-5-1 模組繪製過程圖	110
圖5-5-2 模組網格化圖	110
圖5-5-3 Type A-Circle 熱側鹽水速度分佈圖	112
圖5-5-4 Type A-Circle 熱側鹽水速度分佈流向圖	112
圖5-5-5 Type B-Circle 熱側鹽水速度分佈圖	113
圖5-5-6 Type B-Circle 熱側鹽水速度分佈流向圖	113
圖5-5-7 Type A-Diamond 熱側鹽水速度分佈圖	114
圖5-5-8 Type A-Diamond 熱側鹽水速度分佈流向圖	114
圖5-5-9 Type B-Diamond 熱側鹽水速度分佈圖	115
圖5-5-10 Type B-Diamond 熱側鹽水速度分佈流向圖	115
圖5-5-11 Type A-Circle 熱側鹽水溫度分佈圖	117
圖5-5-12 Type A-Circle 冷側純水溫度分佈圖	117
圖5-5-13 Type B-Circle 熱側鹽水溫度分佈圖	118
圖5-5-14 Type B-Circle 冷側純水溫度分佈圖	118
圖5-5-15 Type A-Diamond 熱側鹽水溫度分佈圖	119
圖5-5-16 Type A- Diamond 冷側純水溫度分佈圖	119
圖5-5-17 Type B-Diamond 熱側鹽水溫度分佈圖	120
圖5-5-18 Type B- Diamond 冷側純水溫度分佈圖	120
 
表目錄
表1-1 不同操作形態之薄膜蒸餾應用領域[8]	7
表3-2-1經驗式參數表	27
表3-5-1 模組相關參數	45
表3-5-2 疏水性薄膜(聚四氟乙烯+聚丙烯複合膜)相關參數	45
表3-5-3 流體相關參數	46
表3-5-4 流體相關參數式[43,44,45,46]	47
表4-1 PTFE/PP複合膜之薄膜性	56
表4-2 3D列印機設定參數表	61
表5-1-1 努賽爾數經驗公式所需實驗數據之操作變因表	64
表5-2-1 順流操作下平板型直接接觸式薄膜蒸餾系統實驗值與理論值之相對誤差比較表	71
表5-2-2 逆流操作下平板型直接接觸式薄膜蒸餾系統實驗值與理論值之相對誤差比較表	72
表5-2-3不同操作流向對於平均溫度極化係數之影響比較表	77
表5-3-1 順流純水操作下嵌入Circle-type promoter直接接觸式薄膜蒸餾系統，實驗值與理論值之相對誤差比較表	88
表5-3-2 順流純水操作下嵌入Diamond-type promoter直接接觸式薄膜蒸餾系統，實驗值與理論值之相對誤差比較表	89
表5-3-3 逆流純水操作下嵌入Circle-type promoter直接接觸式薄膜蒸餾系統，實驗值與理論值之相對誤差	90
表5-3-4 逆流純水操作下嵌入Diamond-type promoter直接接觸式薄膜蒸餾系統，實驗值與理論值之相對誤差比較表	91
表5-3-5 順流鹽水操作下嵌入Circle-type promoter直接接觸式薄膜蒸餾系統，實驗值與理論值之相對誤差比較表	92
表5-3-6 順流鹽水操作下嵌入Diamond-type promoter直接接觸式薄膜蒸餾系統，實驗值與理論值之相對誤差比較表	93
表5-3-7 逆流鹽水操作下嵌入Circle-type promoter直接接觸式薄膜蒸餾系統，實驗值與理論值之相對誤差比較表	94
表5-3-8 逆流鹽水操作下嵌入Diamond-type promoter直接接觸式薄膜蒸餾系統，實驗值與理論值之相對誤差比較表	95
表5-3-9順流平均溫度極化係數比較	97
表5-4-1 順流鹽水操作下嵌入3D列印紊流促進模組直接接觸式薄膜蒸餾模組之理論透膜通量增益比例表	101
表5-4-2 逆流鹽水操作下嵌入3D列印紊流促進模組直接接觸式薄膜蒸餾模組之理論透膜通量增益比例表	102
表5-4-3 TypeA水力損耗提升程度比較表	103
表5-4-4 Type-B水力損耗提升程度比較表	104
表5-4-5 Type-A IN/IP比較表	105
表5-4-6 Type-B IN/IP比較表	106

1.	Meindersma, G.W., Guijt, C.M., de Haan, A.B., 2006, Desalination and water recycling by air gap membrane distillation, Desalination, 187 291-301.
2.	United Nations., 2019, Population Division-World Population Prospect, United Nations Population Fund
3.	World Water Assessment Programme, 2009,  Water in a Changing World
, United Nations Environment Programme
4.	Committee on Advancing Desalination Technology,2008, National Research Council, Desalination: A National Perspective, National Academy of Sciences 
5.	Lattemann,S ., Kennedy,M.D., Schippers, J.C., Amy, G.,2010, Chapter 2 Global desalination situation, Sustainability Science and Engineering, 2, 7-39.
6.	Pankratz, T.M., IDA Desalination Yearbook 2010-2011, Media Analytics Ltd, 2010.
7.	. Meindersma, G. W., Guijt, C.M., Haan, A. B. De.,2006, Desalination and water recycling by air gap membrane 
8.	El-Bourawi .M.S., Ding .Z., Ma .R., Khayet M., 2006, A framework for better understanding membrane distillation separation process, J. Membr. Sci.,285,4-29
9.	Atia E.K.,2015, Water and air gap membrane distillation for water desalination – An experimental comparative study, Separation and Purification Technology, 141, 276-84
10.	William E. F.,2014, Metal Additive Manufacturing: A Review, J.Materials Engineering and Performance,23,6,1971-28
11.	Noorani. R.,2006, Rapid Prototyping—Principles and Applications,JohnWiley & Sons
12.	Bikas. H., Stavropoulos.P., Chryssolouris.G.,2015, Additive manufacturing methods and modelling approaches: a critical review,The International Journal of Advanced Manufacturing Technology,83.1-4.389-405
13.	Wong.K.V., Hernandez A.,2012, A Review of AdditiveManufacturing, ISRN Mechanical Engineering,20870
14.	Ali.A., Macedonio.F.,. Drioli.E., Aljlil.S.,Alharbi.O.A.,2013, Experimental and theoretical evaluation of temperature polarization phenomenon in direct contact membrane distillation, Chemical Engineering Research and Design,1297,12
15.	Phattaranawik J., Jiraratananon R., Fane A.G., 2003, Effects of net-type spacers on heat and mass transfer in direct contact membrane distillation and comparison with ultrafiltration studies, J. Membr. Sci., 217, 193-206.
16.	Bodell B.R.,1963, Silicone rubber vapor diffusion in saline water distillation, United States Patent Application Serial, 285 32.
17.	Weyl P.K.,1967, Recovery of demineralized water form saline waters, United States Patent 3, 340 186.
18.	Findley M.E.,1967, Vaporization through porous membranes, Ind. Eng. Chem. Process Des. Dev., 6 226-230.
19.	Schofield R.W., Fane A.G., Fell C.J.D., 1987, Heat and mass transfer in membrane distillation, J. Membr. Sci., 33 299-313.
20.	Lawson K. W., Lloyd D. R.,1997, Membrane distillation.Journal of membrane Science,124(1) 1-25.
21.	Phattaranawik J., Jiraratananon R.,2001, Direct contact membrane distillation：effect of mass transfer on heat transfer, J. Membr. Sci., 188 137-143.
22.	Chen T.C., Ho C.D., Yeh H.M.,2009 Theoretical modeling and experimental analysis of direct contact membrane distillation, J. Membr. Sci., 330 279-287. 
23.	Schofield R.W., Fane A.G., Fell C.J.D.,1990, Gas and vapour transport through microporous membranes. II. Membrane distillation, J. Membr. Sci., 53 173-185.
24.	Martínez-Díez L., Vázquez-González M.I., Florido-DõÂaz F.J.,1998, Study of membrane distillation using channel spacers, J. Membr. Sci., 144 45-56.
25.	Phattaranawik J., Jiraratananon R., Fane A.G., Halim C.,2001, Mass flux enhancement using spacer filled channels in direct contact membrane distillation, J. Membr. Sci., 187  193-201.
26.	Srisurichan S., Jiraratananon R., Fane A.G.,2006, Mass transfer mechanisms and transport resistances in direct contact membrane distillation process, J. Membr. Sci., 277 186-194.
27.	Gryta M., Tomaszewska M.,1998, Heat transport in the membrane distillation process., J. Membr. Sci., 144 211-222.
28.	Phattaranawik J., Jiraratananon R., FaneA.G.,2003 Effect of pore size distribution and air flux on mass transport in direct contact membrane distillation, J. Membr. Sci., 215 75-85.
29.	Shakaib M., Hasani S. M. F. Ahmed, I., Yunus R.M.,2012, A CFD study on the effect of spacer orientation on temperature polarization in membrane distillation modules, Desalination, 284 332-340.
30.	Ho.C.D., Chang.H., Chang.C.L., Huang.C.H.,2013 Theoretical and experimental studies of flux enhancement with roughened surface in direct contact membrane distillation desalination, J. Membr. Sci., 433 160-166.
31.	Thomas.N., Sreedhar.N., Al-Ketan.O., Rashid.R.R., Abu.K., Al-Rub., Arafata.H.,2018, 3D printed triply periodic minimal surfaces as spacers for enhanced heat and mass transfer in membrane distillation, Desalination, 443  256–271
32.	Tsai.H.Y., Huang.A., Soesanto.J.F., Luo.Y.L, Hsu.T.Y, Chen.C.H, Hwang.K.J.,  Ho.C.D, Tung.K.L.,2019, 3D printing design of turbulence promoters in a cross-flow microfiltration system for fine particles removal, J. Membr. Sci.,573,647-56
33.	Da Costa .A.R., Fane A.G., Wiley D.E.,1994, Spacer characterization and pressure drop modeling in spacer-filled channels for ultrafiltration, J. Membr. Sci., 87 79-98.
34.	Ding Z.W., Ma R.Y., Fane A.G.,2003, A new model for mass transfer in direct contact membrane distillation. Desalination, 151 217.
35.	Banat F.A., Simandl J.,1998,Desalination by membrane distillation：a parametric study, Sep. Sci. Technol., 33 201-226.
36.	Iversen S.B.,. Bhatia V.K, Dam-Jphasen K., Jonsson G.,1997 Characterization of microporous membranes for use in membrane contactors, J. Membr. Sci., 130 205-217.
37.	Fuller E.N., Schettler P.D., Giddings J.C.,1996, New method for prediction of binary gas-phase diffusion coefficients, Industrial & Engineering Chemistry, 58 Phattaranawik 18-27.
38.	Sarti G.C., Gostoli C.,. Matulli S,1985, Low energy cost desalination processes using hydrophobic membranes, Desalination, 56 198277-286.
39.	Schwinge J., Wiley D.E., Fane A.G., Guenther R.,2000, Characterization of a zigzag spacer for ultrafiltration, J. Membr. Sci., 172 19-31.
40.	J.R. Welty, C.E. Wick, R.E. Wilson, Fundamentals of Momentum, Heat and Mass Transfer, third ed. John Wiley & Sons, New York, (1984).
41.	Kandlikar S.G., Schmitt D.,2005, Characterization of surface roughness effects on pressure drop in single-phase flow in minichannels, Physics Of Fluids, 17 100606.
42.	Bird R.B., Stewart W.E., Lightfoot E.N.,2007 Transport Phenomena, second ed., John Wiley & Sons, New York.
43.	Ozbek H., Phillips S.L., Thermal conductivity of aqueous sodium chloride solutions from 20 to 330°C, J. Chem. Eng. Data, 25 (1980) 263-267.
44.	Incropera F.P., DeWitt D.P., Fundamentals of Heat and Mass Transfer, fourth ed.,: John Wiley & Sons Inc., New York, (1996).
45.	Chenlo F., Moreira R., Pereira G., Ampudia A., Viscosities of aqueous solutions of sucrose and sodium chloride of interest in osmotic dehydration processes, J. Food Eng., 54 (2002) 347-352.
46.	Magalhães M.C.F., Königsberger E., May P.M., Hefter G., Heat capacities of concentrated aqueous solutions of sodium sulfate, sodium carbonate, and sodium hydroxide at 25 °C, J. Chem. Eng. Data, 47 (2002) 590-598.