生活處處皆過濾：無所不在的分離
103/08/06
瀏覽次數
12042
周揚震｜
工業技術研究院綠能與環境研究所
生活中的古老工藝
分離技術在近代化學、能源及環保工業中擔任重要的角色，如食品精製、化工產品純化、高純度電子材料製造和生物技術。但過濾、壓榨、沉降等分離技術也是古老的工藝，從挖掘出距今五千年的大汶口文化時期古物中，就發現有應用過濾原理來釀酒的跡象。
釀酒的基本過程是把穀物蒸煮後，以酒麴使穀物分解並發酵成酒，經過濾去除酒糟後就得到酒。大汶口文化所挖掘出的古物，包括煮料用的陶鼎、發酵用的大口尊、濾酒用的漏缸、貯酒用的陶甕等，這些釀酒的器具及古代釀酒的過程，與古埃及壁畫中描繪的大致相同，都在釀酒後以過濾及壓榨的方式榨出酒來。
東漢時期蔡倫改良前人以大麻和少量苧麻纖維為原料，所製成質地粗糙且不便書寫的灞橋紙，也把過濾應用在紙張的製程中。他把破布、漁網、樹皮等原料切碎後，置於石灰水中熬煮成紙漿，再用細簾子撈取（過濾）紙漿，晾乾後揭下就成為紙張。明朝宋應星所著的《天工開物》中，記載紙張的製造流程包含斬竹漂塘、煮楻足火、蕩料入簾、覆簾壓紙、透火焙乾，其中蕩料入簾及覆簾壓紙都是過濾及壓榨的應用。
古文中也可見到過濾及沉降用於提取飲用水的應用。明初汪穎《食療本草》所述：「凡井水有遠從地脈來者為上，」是指雨水降至地表後，受到重力作用而往地下滲透，當水流經土壤及岩石的孔隙時，會濾除水中的各種雜質，獲得乾淨的水源。若水質混濁時，《食療本草》提出：「雨後水渾，須擂入桃、杏仁澄之，」其意是在水中加入凝聚劑，使懸浮物質凝聚後沉澱在水底。
清代章穆於《調疾飲食辨》中記載：「春夏大雨，山水暴漲，有毒。山居別無他水可汲者，宜搗蒜或白礬少許，投入水缸中，以使水沈澱凈化，」也是以沉降的方式去除水中懸浮物。此外，《食療本草》中提出：「其城市近溝渠污水雜入者成鹼，用須煎滾，停一時，候鹼澄乃用之，」則是同時以高溫殺菌、重力沉降等方式淨化水質。
應用廣泛的過濾
過濾的應用範圍相當廣泛，目的是為了回收有價值的固體、液體或氣體，進而達到分離的效果。從人類文明發展以來，在民生及工業上應用廣泛的應屬固液分離。根據分離機制的不同，可把固液分離分為「過濾」及「分離」兩大類。過濾是利用篩網、濾心、濾布或具孔隙的介質，分離液體中的固體顆粒。分離則是運用重力、離心力或電場等驅動力達到分離的目的。在工業應用上，固液分離主要是以前處理、稠化、澄清、過濾、壓榨、洗滌、脫液等方式，達到原料純化、產品分離、廢料處理等的目的。
固液分離在民生上的應用也非常廣泛，舉凡飲用水、酒、豆腐、豆漿、年糕、粿、番薯粉、紅糖等的製作，都需仰賴過濾、壓榨和其相關技術。
以豆腐的製作為例，需經過泡料、磨料、過濾、煮漿、加細、凝固、成形等過程。其中，過濾、加細及成形都是為了分離固體及液體。過濾是用棉網初步分離豆漿和豆渣的過程；加細是進一步以網目較細的棉網或紗網，過濾漿液中的微量雜質、鍋巴以及膨脹的渣滓；成形則是把凝固後的豆腐花置入模具中，利用重物壓榨的方式去除水分，依據壓榨程度的不同，可以得到水豆腐或豆腐乾等不同的成品。
傳統食品中年糕、湯圓、粿及麻糬的製作，都需先製作乾糯米糰後再加工為成品。乾糯米團的製作是把糯米浸泡後以磨漿機磨成漿液，脫水後就可得到乾糯米糰。傳統糯米漿的脫水方法，是把研磨後的米漿置於棉布袋中，束緊袋口後放在板凳上，再把扁擔或大石頭置於布袋上方，藉由扁擔綁緊在板凳上的壓迫力或石頭的重力濾除水分。
糯米漿脫水的原理和豆腐成形一樣，都是以壓濾的方式脫除水分。近年來為了大量生產，逐漸以離心分離或機械壓濾的方式取代傳統的壓濾製程，但各種固液分離技術依然在現代食品工業中扮演重要的角色。
傳統過濾再進化
生活中隨處可見過濾的例子，如以漁網捕魚、以撈網撈取鍋內食物、以洗菜籃瀝乾洗滌後的葉菜、以茶袋與濾袋濾除茶葉與咖啡渣。這些都是利用過濾介質孔徑小於固體顆粒的原理，把固體截留在過濾介質上。另一種隨處可見的過濾應用是過濾飲用水，根據前文所述，古人常用於淨化水質的方法是過濾和沉澱，現今隨著薄膜技術的發展，人造薄膜過濾技術逐漸應用於取得更高品質的飲用水。
1920年代在德國就開始利用微過濾薄膜（可濾除粒徑0.1～10微米粒子）濾除水中細菌，並在1925年建立世界上第一家微過濾濾膜生產公司。隨後，由於水汙染及水資源的問題日益嚴重，薄膜及其相關技術需求大增，因而於1954年在美國成立公司，加速各項薄膜技術在水處理上的應用。
Lobe和Sourirajan兩位學者在1960年提出非對稱醋酸纖維膜製程，進一步解決逆滲透（孔洞大小約4～10 Å，僅2～3 Å 的水分子能穿透）需要很高的壓降才能讓水透過的瓶頸，使得逆滲透程序得以商業化，連帶促使1970年代超過濾薄膜及其過濾程序（孔洞大小約5～100奈米，可濾除分子量0.5～50萬之間的分子）的發展。至此，用於飲用水的膜過濾程序已大致發展完成，爾後隨著過濾材料及程序的進步，薄膜的分離效果越來越好，價錢也越來越低。
近年來，飲水機及給水站隨處可見，大多數家庭的飲用水也會裝設濾水系統，多半是以粗濾、微濾、精濾等多級薄膜過濾模組組成。
自來水經過5 mPP棉紗濾心（孔徑約5微米）進行粗濾，初步過濾水中的泥沙、鐵銹、石灰、毛髮等較大固體沉澱物。再把水通過1 mPP棉紗或陶瓷濾心（孔徑約1微米）以及活性碳濾床進行微濾。1 mPP的濾心會進一步過濾水中細菌及更細微的粒子，活性碳會吸附水中的農藥、三鹵甲烷、臭氧分子等有機物。最後使水通過逆滲透模組進行精濾，有效過濾水中細菌、病毒、離子、有機物及各種化學有毒物質。
此外，為了不影響人體電解質的平衡，不需阻絕飲用水中所有離子，因此飲用水過濾系統所採用的逆滲透薄膜，膜孔較工業製程或海水淡化所使用的薄膜大，所需的操作壓力也較低，符合一般家庭的需求。
因應環境演化的過濾
隨著人口密集及工業發展，空氣中充滿著細菌、病毒、粉塵、塵蟎、飛沫、化學煙霧等雜質，惡劣的空氣品質會誘發各種呼吸系統疾病，各項空氣過濾產品應運而生，其中最普遍的方法是使用口罩過濾及空氣過濾器。
口罩的使用最早可追溯至西元前6世紀，主要是波斯瑣羅亞斯德教（古中國稱為拜火教）為了防止膜拜儀式時，呼出的不潔氣息觸及聖火。時至今日，口罩已成為個人的基本防護品，逐漸發展出活性碳口罩、醫療口罩、帶電濾材口罩等，以過濾各種油性及非油性懸浮顆粒（最小可過濾0.3微米粒子），甚至發展出可兼具過濾及殺菌效果的光觸媒口罩。
早期的空氣過濾器僅是使空氣流經不織布或活性碳濾網，達到初步過濾空氣中懸浮粒子的目的。近年來，不織布濾材發展迅速，已能量產高效率過濾網、超高效率過濾網等濾材，大幅擴展空氣過濾器的應用範圍。
高效率過濾網能過濾空氣中99.7 ％ 的0.3微米懸浮微粒，因此可完全濾除化學煙霧、細菌、塵埃微粒、花粉等雜質。超高效率過濾網則是專為製藥廠、半導體廠、手術室、無塵室等場所設計的濾網，過濾0.12微米粒子的效率可達99.99999 + ％。此外，使用高效率過濾網及超高效率過濾網時，需防止空氣繞過濾網而降低過濾效果，因此應考量整體空調系統再加以設計。把高效率過濾網及超高效率過濾網用在空調系統中，在達到過濾系統風道氣密要求的情況下，控制室內溼度及溫度，兼顧室內空氣品質。
最複雜精密的過濾系統
隨著科技的日新月異，過濾在生活及產業上的應用越來越廣泛，但最複雜及精密的過濾系統卻是存在於人體中。舉凡人類賴以維生的呼吸系統、消化系統及排泄系統中，都可看到過濾的影子。
以呼吸系統為例，在把空氣中的氧氣吸入肺部血液，以及把肺部血液裡的二氧化碳排出體外的過程中，就會經過一連串的過濾過程。首先，空氣通過鼻腔時，鼻毛和鼻腔內的黏液能阻擋和黏住吸入的粉塵，達到初步過濾的作用。當空氣通過氣管及支氣管時，氣管及支氣管的腺細胞及杯狀細胞會分泌黏液，黏附粉塵、細菌等異物，並溶解可能存在於氣體中的微量有害氣體，再藉由黏膜上纖毛的擺動把黏液送到咽部，藉由咳嗽排出體外，達到二次過濾的作用。
當空氣送至肺部進行氣體交換時，肺泡則扮演最後一道過濾的功能，讓氧氣以擴散通過呼吸膜的方式，從空氣中分離出來，再由紅血球輸送至全身組織。體內組織細胞代謝的二氧化碳，則以與上述相反的途徑排出。
消化、循環及排泄系統是人體內另一組精密的過濾系統。當食物和水分經攝取後，通過口、咽和食道輸送至胃，藉由胃蠕動使食物與胃液混合、磨碎及初步消化後，再緩慢送至腸道。食糜經小腸充分分解及消化後，各種營養素由小腸細胞過濾吸收，水分與電解質則由大腸吸收。
從消化道過濾吸收的營養素或其他成分，藉由微血管進入人體的循環系統後，會由肝門靜脈到達肝臟，經肝臟過濾及清除血液中的壞死細胞、細菌、病毒與化學物質後，才會經肝靜脈及下腔靜脈進入右心房與右心室。待經肺循環獲取氧氣後，再把營養素及氧氣從左心室供應至全身各器官。
從左心室流至腎臟的血液約占全身血流量的1∕4～1∕5，當血液流過腎元（腎臟的過濾單元，每顆腎臟約有100萬個）時，血液中較大的血球、蛋白質會留在血液中，水分、電解質、養分、廢物等會被過濾成原始尿液。但葡萄糖、鈉、鉀等有用物質及大部分水分，會透過腎小管的再吸收回到血液中，剩餘的水分、電解質及廢物如尿素則形成真正的尿液排出體外。
以人體為鏡發展多元應用
隨著生物學和生理學的進展，科學家發現生物經過千萬年的演化，體內已隨處可見高效率的過濾單元。這些過濾單元具有選擇分子的能力，可從環境中利用分子大小、濃度或親和性的差異，篩選、過濾及辨識需要的分子，讓它進入細胞中，而且可以把不需要的物質阻擋在外，或透過各種方式加以排除。這些過濾單元也在人體中組成一整套完整、複雜且精密的過濾系統，可以階段性地濾除不要的物質，以獲取維持生命所需的能量。
前述兩個例子，呼吸系統中鼻毛和鼻腔內的黏液，以及消化系統中的胃、小腸及大腸都是扮演「初濾」的角色，初步過濾空氣中的微粒與食物中無法消化吸收的廢物。氣管及支氣管表層的黏液、纖毛，以及過濾血液的肝臟則扮演「微濾」的角色，進一步過濾細菌及化學物質。肺泡和腎元是負責「精濾」的工作，用來獲得所需的氧氣及分離體內的廢物。
這一連串過濾流程和工業上以前處理、稠化及澄清、過濾、後處理等步驟進行固液分離有異曲同工之處，但體內的過濾系統明顯比工業處理程序更複雜、穩定及精確。未來在科學家不斷觀察及學習人體內各種過濾及分離機制的過程中，也許能突破目前過濾技術的瓶頸，發展更多元的應用。
