目前薄膜分離技術被廣泛應用在能源、水資源、環保、醫藥等領域,因此未來人類永續生活勢必與薄膜科技環環相扣。隨著科技之發展,各產業所需用水量逐年增加而造成水資源短缺,因此水處理薄膜在目前及未來扮演很重要之角色。目前水處理薄膜技術依薄膜孔洞大小分成微米過濾(Microfiltration, MF)、超過濾(Ultrafiltration,
UF)、薄膜蒸餾(Membrane distillation, MD)、奈米過濾(Nanofiltration, NF)、逆滲透(Reverse osmosis,
RO)以及較新穎之正滲透(Forward osmosis, FO)程序。
在MF及UF程序中,薄膜分離機制是屬於篩分效應(Sieving effect),其示意圖如圖1,MF及UF係以薄膜孔徑作為基準,當物質大小大於孔徑則會被膜材所阻擋,反之則可透過薄膜到另一端,可應用於固液分離、油水分離、醫藥工業、食品工業及廢水處理等應用。
圖1 MF及UF之篩分效應
MF膜常見的材質為聚丙烯(Polypropylene, PP)、聚偏二氟乙烯(Polyvinylidene fluoride, PVDF)及聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene,
PTFE)等材質,其孔徑範圍為0.1 μm至10 μm,而平常最容易看見之微米過濾膜為家用RO飲水機之前置濾心(大部分為5 μm過濾器) (如圖2所示)。
圖3 對稱膜與非對稱膜之示意圖[1]
NF的膜分離機制包含篩分效應、道南效應(Donnan
effect),其薄膜屬於非對稱之複合膜(Composite membrane),主要是以UF膜作為其支撐材(Support
layer)並在UF膜表面製備一層較緻密之選擇層(Selective
layer),其孔徑範圍為0.001 μm至0.01 μm,而其道南效應主要是藉由選擇層的帶電性進行靜電作用力,可分離單價(Monovalent)離子與多價(Multivalent)離子(示意圖如圖4),因此可應用於硬水軟化、染整廢水、食品工業、廢水回收等領域。
圖4 奈米過濾道南效應過濾機制示意圖
RO為目前普羅大眾最常聽到的水處理技術,主要用於海水淡化、家用淨水器。RO薄膜孔徑小於0.001 μm而可幾乎移除所有水合離子。目前商品化的RO膜與商品化的NF膜幾乎一樣,主要差異在於選擇層的原料不同。RO膜的聚醯胺結構皆屬於交聯結構(Crosslinked structure),因此產生比NF膜更緻密的選擇層。逆滲透原理是透過半透膜,把高滲透壓溶液與低滲透壓溶液分隔開,並藉由外部壓力克服兩者溶液產生的滲透壓差,將水分子推動到低滲透壓側(意即淡水側)。
正向滲透(Forward Osmosis, FO)一樣是由半透膜分隔高滲透壓溶液(又稱汲取側,Draw side)及低滲透壓(又稱進料側,Feed side)溶液,而其操作不同於逆滲透,是藉由滲透壓差所產生的自然滲透現象,讓水分子自發性透過薄膜移動至汲取側,藉此達到濃縮進料側,正向滲透的操作是藉由自然的滲透作用驅動水分子移動,因此相較於逆滲透的高壓操作而言節能許多。正向滲透應用在水回收中,汲取側的汲取液(Draw solution)則扮演極為重要的角色。為確保汲取液可提供高滲透壓及高回收率,有許多學者使用高分子材料、金屬粒子、奈米微球及離子液體作為汲取液,其可藉由簡單之磁場、電場、過濾方式將水及[汲取液材料]分離,來達到水回收以及[汲取液]回收再利用的功效。
MD程序之分離機制有別於上述4種,其主要結合薄膜技術及蒸餾技術,透過疏水性微孔膜分隔高溫水溶液及低溫水溶液,藉由兩端水溶液的溫差梯度產生薄膜兩側的蒸氣壓差,使高溫側的蒸氣分子透過薄膜往低溫側移動,藉此達到廢液濃縮及水回收之作用。此程序之薄膜主要關鍵在於其疏水性及多孔性,以確保水蒸氣之流通性。一般常見的MD膜為PTFE及PVDF等高疏水性、耐高溫之高分子,而其常見薄膜結構為多孔型對稱薄膜,以減少水蒸氣之移動路徑及增加水蒸氣之質傳速率。MD操作模式可分為直接接觸式薄膜蒸餾(Direct Contact Membrane
Distillation, DCMD)、空氣間隙式薄膜蒸餾(Air Gap Membrane
Distillation, AGMD)、空氣掃掠式薄膜蒸餾(Sweeping Gas Membrane
Distillation, SGMD)以及真空式薄膜蒸餾(Vacuum Membrane
Distillation, VMD),其差異如圖5所示。薄膜蒸餾技術目前發展於水回收、脫鹽、液體濃縮等應用。
參考資料
[1] M. Mulder, Basic principles of membrane technology, 1991.
[2] 3M.com.tw
[3] Wenten, I Gede., Ultrafiltration in water treatment and its evaluation as pretreatment for reverse osmosis system, 2008.
[4] 材料世界網
撰寫人:許皓翔
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