薄膜主題

水處理薄膜的製備方法

薄膜製備方式可分為燒結(Sintering)、熔融拉伸(Melt Stretching)、軌跡蝕刻(Track etching)、摻合溶洗(Template leaching)、相轉換法(Phase inversion)、塗佈(Coating)以及靜電紡絲法(Electrospinning),而水處理系統中最常用之UF(超過濾膜)、NF(奈米過濾膜)及RO膜則皆是以相轉換法、塗佈法製備而得。

相轉換法為目前工業用膜最廣泛使用之方法,其具製程簡單、薄膜可塑性高、成膜後加工性高等優勢。相轉換法又可細分為非溶劑誘導相分離(Non-solvent induced phase separation, NIPS)[1]、熱誘導相分離(Thermal induced phase separation, TIPS)、蒸氣相分離(Vapor induced phase separation, VIPS)以及濕式誘導相分離(Liquid induced phase separation, LIPS),而一般市售超過濾薄膜皆是以濕式或非溶劑誘導相分離所製備而成。目前超過濾膜的材料大多為聚偏二氟乙烯(Polyvinylidene fluoride, PVDF)、聚丙烯腈(Polyacrylonitrile, PAN)、聚碸(Polysulfone, PSf)以及聚醚碸(Polyethersulfone, PES)等高分子。薄膜製備方式為先將高分子以溶劑(NMP, DMAc, DMSO等)進行溶解並塗佈於一個載具上,再將此載具置入非溶劑(Coagulant)槽中(如圖1所示)[1],非溶劑可能為水、醇類、酮類等,此時高分子會因非溶劑含量上升而由溶解態轉為非溶解態(固態),而薄膜結構會因為環境溫度、高分子濃度、非溶劑組成等因素而產生出手指型(Finger-like)薄膜結構、海綿型(Sponge-like)薄膜結構以及雙連續型(Bi-continuous)薄膜結構(如圖2所示)[2][3]。

 圖1非溶劑誘導相分離法[1]



圖2薄膜結構(a)手指型[2];(b)海綿狀[2];(c)雙連續型[3]


商售之奈米過濾膜及逆滲透膜則是在超過濾薄膜表面進行塗佈製備而成,其在超過濾薄膜進行表面塗佈進而製備出厚度僅為數十奈米至200奈米左右的選擇層,奈米過濾膜及逆滲透膜選擇層皆是以界面聚合法(Interfacial polymerization)製備而得(如圖3所示)[4],此方法主要為一個胺類(Amine)的水相單體及一個醯氯(Acyl chloride)的油相(有機相)單體在油水界面進行聚合反應之方法,聚合而成的高分子為聚醯胺(Polyamide),也就是逆滲透及奈米過濾膜主要之選擇層。

 
圖3界面聚合法流程[4]


薄膜分離技術具高選擇性、操作簡單且容易模組化等優勢而廣泛應用於水處理程序,應用範圍包含海水淡化、硬水軟化、染料回收等分離濃縮領域,近期因全球水資源及水回收議題,薄膜需求量逐年增長,說明薄膜技術對民生及工業之重要性。 


References

[1] D. M. Wang, J. Y. Lai, Curr. Opin. Chem. Eng., 2013, Vol. 2, 229-237
[2] 薄膜科技概論,賴君義,2019
[3] C. Y. Kuo, H. N. Lin, H. A. Tsai, D. M. Wang, J. Y. Lai, Desalination, 233, 2008, 40-47
[4] S. Habib, S. T. Weinman, Desalination, Vol. 502, 2021, 114939 


撰寫人:許皓翔
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