2016年12月29日

薄膜如何 用於生活?

作者/吳思恩(淡江大學化學工程與材料工程學系博士班研究生,專攻固液分離、薄膜技術與過濾器之結構設計等領域。)、蔡鴻源(國立臺灣大學化學工程學系博士班研究生,專攻固液分離、薄膜生物反應器、海水淡化前處理等領域。)

(shutterstock)
隨著新穎材料的研發與尖端技術的演進,薄膜分離的功能日益卓越,應用的範圍也跟著拓展。簡單來說,薄膜過濾就是使用一個多孔介質阻擋原物料中的特定物質,讓其他物質通過。過濾中使用介質的材料與型態沒有任何限制,可以是紗布、濾網、奈米纖維,甚至是沙子填充的河川沙床、呼吸系統的黏膜纖毛。而過濾的對象、目的與裝置也相當繁多,操作方式更是千變萬化,故此,必須因時與因地制宜,才能發揮過濾最大的效能。

從古自今,過濾在人類的生活中扮演非常重要的角色,從埃及的壁畫或祖先的歷史記載中可知,人類從文明發展以來就懂得利用過濾使生活過得更舒適與便利,在民生及工業上的應用隨處可見過濾的蹤跡,舉凡以漁網捕撈海產、以撈網取得食物、以菜籃瀝乾蔬果、以茶袋或濾紙去除茶葉與咖啡渣,目的都是為了達到分離的效果,以回收有價值的固體、液體或氣體。讓我們以生活中食衣住行為例,揭開日常中薄膜分離技術之神秘面紗。



食─飲品殺菌與淨水系統
薄膜過濾是一種純化產品的簡單方法,除了成本的考量外,更重要的是可以針對過濾的成分選擇所使用薄膜的孔徑,使得微細顆粒可以從產品中有效分離,因此可以用來製作無糖、無菌或濃縮的果汁,以及去除酸性物質,兼顧飲品營養成分與特殊風味的保留。巴西的飲料製作公司Citrosuco自從2010 年與Citrovita 公司合併後,已經成為世界最大的柳橙汁製造公司。每年製造的柳橙汁占世界供應量的25%,營業額高達11 億美元。此公司在1996 年就已經安裝板框式薄膜過濾機,並且克服了果皮油脂對裝置的酸蝕問題,成功使用於柳橙汁的製作。

為了有效去除鮮乳中的細菌與病毒,保留生乳營養,薄膜過濾早已是成熟的殺菌技術,乳品工廠利用超過濾進行乳蛋白的濃縮與乳清蛋白的回收,以及工廠內的廢水處理。臺灣已有許多食品公司推出低溫殺菌的鮮奶與水果牛乳,方法就是採用薄膜過濾技術以保存產品的風味。國內某家食品公司推出以72˚C 低溫殺菌,配合薄膜微過濾除菌技術生產鮮乳,取代傳統的130˚C 高溫殺菌法,除了可以保留完整的生乳機能營養,也可以有效降低生菌量。此外,水果牛乳的製程也是應用薄膜過濾技術,除了可以去除原料中的細菌,也保留果汁原來的新鮮風味。

另一種隨處可見的薄膜過濾應用是飲用水,古人用於淨化水質的方法是過濾和沉澱,但隨著現今薄膜分離與膜材製作技術的迅速發展,過濾逐漸取代傳統的淨水方式,而取得更高品質的飲用水。地球上的水有97.5% 是海水,淡水只占全球的2.5%,其中,又有將近9成的淡水是以冰層形式存在,或是位於無法利用的地底岩層內,而人類真正可利用的淡水資源僅占全球總量的0.25%,根據聯合國統計,全球70 億人口中有超過10 億是居住在缺乏水資源的地區,而這個現象隨著人口增加而日益嚴重。目前世界上每年用於水處理的微過濾薄膜產值有17.5 億美金,臺灣每年製造出口的過濾材料也有上百億臺幣的商機。

衣─奈米濾材與紡織纖維
薄膜過濾可分為固體分散在液體或氣體當中兩種型態,而在空氣過濾的過程中,主要以物理攔截的方式把粉塵阻隔在濾材外,以避免穿過濾材。因此,製作出壽命長且具備微小孔洞的濾材是基本的條件,而透過層層堆疊奈米纖維的方式,即可製備出具備良好過濾效果的纖維薄膜濾材。

隨著奈米纖維過濾的發展、科學技術的飛躍前進和人們生活水平的不斷提高,人們開始把膜材的應用轉向服裝方面,追求高檔、舒適、具有保健功能的穿著和衛生防護用品。許多紡織業者正擴充奈米技術在紡織與服裝上的應用,採用奈米材料開發出多功能化纖紡織服裝,尤其在軍用紡織品上有著不可取代的地位。此外,紡織產業綜合研究所在奈米技術用於紡織品領域也有著廣闊的視野與發展願景,開發了量產型電紡奈米纖維生產設備,建立業界唯一的1.6 米幅寬的奈米纖維不織布靜電紡絲量產製程,搭配快速聚乙烯醇熱交聯技術,完成國內最完整的奈米纖維不織布製程技術,可以快速量產奈米纖維膜。

臺東森林公園(舊稱黑森林)蘊藏著珍貴水源。(蔣維峻攝)
住─民生用水與海水淡化
「水」是農業的基本也是人類定居與文化的源頭,無論是在東、西文明歷史的發展,水一直都是讓社會穩定發展的必需品,也是產業經濟發展所需的基本資源。然而,隨著氣候變遷、全球暖化與極端氣候的影響,再加上人口增加、環境汙染、工業用水增加,水資源短缺早已成為大家關心與重視的世界性議題。臺灣地區年平均降雨量約為世界平均值的2.8 倍,根據2014 年聯合國世界農糧組織(FAO)公布的180 個國家的降雨量相較,臺灣排名在前13 位。但由於降雨時間分布不均、河川坡陡流急、河谷狹窄、水庫容量小與適合建壩地點有限等各種不利的環境因素,使得降雨量豐沛的臺灣無法將水資源有效儲存與利用。根據民國90~99 年的統計,臺灣地區年平均降雨量約為950 億噸,蒸發損失量約為200 億噸,滲入地下水量約為50 億噸,河道逕流量約為700 億噸。在河道逕流量中,水庫蓄水量約40 億噸,河川引用量約為110 億噸,逕流入海量約為550 億噸。也就是說,臺灣人民可分配到的用水量是水庫用水、河川引水及地下水,每年共約200 億噸,僅占年平均降雨量的21%。其中,20% 為生活用水、9% 為工業用水和71% 為農業用水。因此,雨量充沛且四面環海的臺灣,卻是個缺水的國家。

早在1940 年代,許多學者就開始研究如何在鹽水中取得純水的方法。美國加州大學洛杉磯分校是這方面的先驅,由兩個獨立的團隊展開研究工作,分別是著重在海水脫鹽技術的哈斯勒(Gerald Hassler)教授,以及著力於苦鹹水脫礦鹽研究的雷德(Charles Reid)教授。雖然兩個研究團隊未開發出理想的逆滲透膜,但累積了將近10 年的經驗,確立了多層膜的研發方向。在1960 年,洛布(Sidney Loeb)和索里拉金(Srinivasa Sourirajan)兩位博士成功開發出第1張高性能的非對稱型醋酸纖維素逆滲透膜。並1980 年的美國化學學會年會中,公開接受頒獎表揚他們對人類生活深具影響的偉大貢獻。

人類為了取得水資源,除使用太陽能進行海水淡化外,逆滲透及薄膜蒸餾也是可行的方式,在技術持續進步的同時,水資源的回收再利用也同時進行,而薄膜過濾是水處理的關鍵技術之一,隨著薄膜技術的發展,目前已有包括中原大學薄膜中心研發的鐵氟龍,以及許多世界知名大廠發展出便宜且耐侵蝕的薄膜產品,因此高成本的問題在未來會獲得有效的控制。此外, 根據BCC 研究機構(BCC Research)的分析,海水淡化廠每年以11.9% 的速率成長,到2018 年將達到72 億美元,這些都是過濾技術蓬勃發展的證據。

蘭嶼海洋一景,未來海水淡化可能成為獲取水資源的重要途徑。(蔣維峻攝)
行─空氣汙染與口罩防護
在各種交通工具數量的快速增加下,汽機車所產生出的懸浮粒子隨之增多,它們散布在空氣中,是環境汙染的主要來源之一,其中顆粒直徑≤10微米的懸浮粒子稱為可吸入懸浮粒子(PM10),直徑≤2.5 微米的稱為細懸浮粒子(PM2.5)。細懸浮粒子因為沉降速度慢,能夠在大氣中停留很長的時間,因此有很高的機會隨著鼻腔進入體內,累積在氣管與肺中而影響他們的功能。研究顯示,PM2.5 會導致動脈斑塊沉積,引發血管炎症和動脈粥樣硬化,導致心臟病或其他心血管問題,因此,空氣粉塵在薄膜過濾中的應用隨之增加,相關的口罩、過濾材料與空氣清淨機的年產值也跟著水漲船高。根據口罩的用途與特性,可以大致分類為一般型、活性碳、醫療用型與帶電濾材,口罩的分級與標示也有許多不同的標準,現今最常見的是為美國國家職業安全衛生研究所(NIOSH)驗證與歐盟FFP系列分級。 ......【更多內容請閱讀科學月刊第565期】



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