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生活處處皆過濾:薄膜過濾家族

薄膜家族主要有4位成員,每位都各有特色及個性,可以單打獨鬥,也可以聯合作戰,主要目標是提升人類生活品質及保護環境。
 
 
 
過濾就在你我身邊

在日常生活中,大家常聽到「過濾」這兩字。其實人類很早就應用這項技術,在古埃及的壁畫中,已出現過濾及壓榨的操作圖。

客家人利用多孔磚來壓芥菜脫水製作鹹菜、夜市果汁攤販利用濾網使果汁和果肉渣分離、騎機車時戴口罩過濾空氣中的危害粉塵、冷氣機的濾網捕捉空氣中的固體懸浮微粒,以提升室內空氣品質等,都是廣義的過濾操作。

近年來,各產業隨著日新月異的科技不斷進步。從過去的石油、食品工業,到今日的精密陶瓷、材料科學、電子製程、汙染防治、生化、生醫科技等高科技產業,環境保護及能源回收再利用都是先進國家一致的發展重點。因此像薄膜過濾這樣既環保又省能源的分離技術,在各個產業中的應用會越來越多。

過濾是指分離懸浮在氣體或液體中固體顆粒的一種單元操作。在過濾領域中,薄膜過濾具有相當重要的角色,就好比利用一個篩網來分離紅豆與綠豆。篩網中有許多空隙,這些空隙大小剛好只容許小綠豆通過,較大顆的紅豆無法通過,因此達到分離的目的。

嚴格來說,薄膜就是介於兩流體間阻隔的界面,具有限制或調節某些物質通過的功能。在過濾蛋白質溶液的程序中,薄膜就像是多孔性的一面牆,只允許較小的水分子(稱為濾液)通過孔洞到達牆的另一側,而體積較大的蛋白質分子被薄膜阻擋滯留在原來的一側,得到濃縮蛋白質溶液而達到分離純化的目的。

薄膜的分類

薄膜主要分成兩種形式,一是平板膜,另一是管式薄膜。平板膜就如同一張紙,製作程序較簡單,使用上也較方便。管式薄膜就像水管一樣,因為有較大表面積的優點,在工業上的應用較平板膜廣泛,但製作過程較繁雜,必須組裝成殼管式模組才可進行過濾。

薄膜因為材質不同,應用的領域也有所不同。工業界主要使用人工合成的薄膜,不同的製作技術延伸出多樣化的種類。人工合成薄膜的發展已有相當長的時間,合成薄膜的材料非常廣泛,可歸納為俗稱塑膠的有機高分子薄膜與無機薄膜兩種。有機高分子薄膜發展較早,價格便宜,目前在商業化薄膜中占大多數,但高分子較不耐高溫。無機薄膜大多是陶瓷材料,價格昂貴,製作過程較困難,成本高,但有耐高溫、耐酸鹼、高機械強度等優點。

近年來,由於薄膜技術的發展,其種類越來越多,成本逐漸低廉。更重要的是可針對分離的對象選擇最佳的材質,選對了主角,才能進行有效的過濾。

在薄膜分離的方法中,讓物質透過膜的驅動力有壓力差、濃度差、溫度差及電位差。驅動力就是促使溶液分子往薄膜方向移動的力,其中薄膜過濾操作的驅動力是壓力差。薄膜過濾家族有4位主要成員,依薄膜孔洞由大到小可分為微過濾、超過濾、奈米過濾及逆滲透。

微過濾

微過濾在薄膜過濾家族中是孔洞較大的,儘管如此,微過濾已經可以很有效地濾掉許多物質,在工業界的發展最為長久。

若利用電子顯微鏡觀察微過濾膜,可以很清楚地在薄膜表面發現成千上萬的微米級小孔洞,範圍約為0.2~10 μm。只有小於這範圍的微米小粒子能通過,大於10 μm的粒子就會被薄膜阻擋,因此可以阻擋酵母菌體、微生物、細菌等微米級物質。早在20世紀初,在德國就開始利用微過濾濾除水中的細菌。

微過濾因為發展較久,在產業的應用上相當廣泛,如生技及食品、醫藥、化工、電子、環工產業等。在不同產業中,微過濾所扮演的角色也有所不同,但過濾的目的大都是純化、濃縮等。

現代人越來越重視飲食及營養保健,對於生技及食品業的要求只會越來越嚴格,不僅原料來源要純天然,產品的品質也必須符合法規。食物中微生物指標是必定要檢驗的,若生菌數超標,可能會引發一波食安問題。國內外,許多生技及食品業已把微過濾膜應用在濾除發酵液中的微生物,取代傳統的高溫高壓殺菌法。這不但節省能源,又能避免破壞酵素、蛋白質等營養成分。

另外,微過濾膜運用在啤酒製程上,可藉由薄膜過濾使啤酒安定化,保有原來的風味更久。醫院中常用微過濾膜來過濾空氣或水中的細菌,可避免患者再次受到感染。

超過濾

相較於微過濾,超過濾所能阻隔的粒子較小,可以說是更精密的薄膜過濾程序。在工業應用上,微過濾及超過濾如共同體般合作無間。一般來說,微過濾可以當作超過濾的前置作業,原物料先經第1道微過濾關卡移除微米級粒子後,再利用第2道超過濾進一步濾除更微小的粒子。在兩者的合作下,已經可以濾除大部分的微細粒子。

超過濾膜已可阻擋粒徑約2~100 nm的奈米級粒子,如病毒、蛋白質、胺基酸、碳水化合物高分子聚合物等。

超過濾的最初發展是為了處理廢水問題,傳統的廢水處理程序無論是物理、化學或生物法都會造成環境危害,若以超過濾程序取代,不僅可以回收廢水中的有用物質,同時處理後的水可循環使用,減少有害物質及廢水的排放量。

在果汁及乳品製造業中,超過濾可代替傳統程序中的許多步驟。不需加混凝劑等化學物質就能使果汁和果肉殘渣分離而得到濃縮果汁,不只有效率,又不需加熱,可以避免破壞果汁原有的新鮮風味及營養。超過濾在鮮乳製程上可配合低溫殺菌法有效去除鮮乳中的細菌與病毒,保留生乳營養。乳品工廠還可利用薄膜過濾進行乳品與乳蛋白的濃縮、乳清蛋白的回收,以及乳品工廠的廢水處理。

逆滲透

滲透就是用半透膜兩端溶液的濃度差進行分離,濃度差是指薄膜兩側溶液濃度不同,造成兩端溶液開始移動,直到兩端濃度平衡為止。

早在18世紀中葉,法國物理學家已發現水透過豬膀胱的速度大於另一側的酒類。豬膀胱就是一張生物薄膜,若它的兩側分別是純水及酒精的水溶液,會因為滲透作用開始移動,純水中的水分子可藉由薄膜中的小孔洞滲透到酒精側,酒精側的水分子也會滲透到純水側。雖然兩側水分子都會滲透,但純水中水分子的滲透速率大於酒精側,因此會觀察到純水透過豬膀胱的速度大於酒精中的水分。

以逆滲透膜隔開海水及淡水,則淡水側的水分子會因為滲透作用經由薄膜小孔洞往高濃度海水擴散,造成海水側水位上升。在海水淡化過程中,為了讓海水中的水分子反方向往淡水側移動,必須先克服滲透壓,若施加壓力大於滲透壓,則海水中的水分子可以通過薄膜往淡水側移動,造成淡水側水位上升,稱為逆滲透。

逆滲透所使用的薄膜相較於微過濾與超過濾膜,必須有高機械強度來承受兩側的龐大壓力差,在製備上較前述兩種薄膜困難許多,因此逆滲透膜發展較晚。

逆滲透系統中所使用的膜是薄膜過濾家族中孔洞最小的,只有比奈米級更小的粒子約2~3 Å的小分子才能通過。逆滲透在海水淡化過程中為了克服約24大氣壓的滲透壓,必須在海水側施加大於24大氣壓的壓力,才能使海水中的水分子通過薄膜。而海水中鈉離子與鎂離子被逆滲透膜擋住,水分子因為逆滲透,通過薄膜進入淡水側,最後成功地獲得淡水。

逆滲透也常使用在水中鹼金屬、鹼土金屬等微小離子的分離,在工業上主要是應用在超純水的製備、海水∕鹹水的脫鹽、飲用水的淨化等。

近年來,地球土地過度開發造成沙漠化,人類對於水資源的需求量逐年增加,尤其是中東地區。因此,海水淡化技術一直是近年來熱門的議題,許多先進國家利用逆滲透在高壓下進行海水淡化。臺灣的逆滲透技術發展也有一段時間,主要用在較缺水的外島地區。逆滲透是近年來諸多海水淡化技術中發展較快速的一種。

奈米過濾

在現行薄膜過濾中,孔洞尺寸在超過濾及逆滲透之間有一灰色地帶,這區域所涉及的分子大小屬於奈米級,也是薄膜過濾家族中最晚被定義的一位成員。1988年,艾力克森(Peter Eriksson)提到奈米過濾膜是介於超過濾和逆滲透之間的薄膜,只允許尺寸小於1奈米的微小分子通過,可有效阻擋二價鈣、鎂離子通過,而對於更小的一價鈉、鉀離子的阻擋率較不足,必須配合逆滲透系統才能得到超純水。

奈米過濾雖然發展較晚,應用範圍卻相當廣,如硬水的軟化、紡織工業中染料廢水的處理、食品工業或製藥廠中有機物的去除、工業上金屬離子及海水淡化中氯化鎂與氯化鈣的去除等。

在飲用水的淨化方面,過濾富含鈣、鎂等二價離子的硬水軟化是奈米過濾的重要工業應用之一。適度地飲用硬水可以補充身體所需的礦物質,但硬度過高的水喝起來不可口,所產生的水垢會附在加熱器表面上,延長加熱時間,浪費能源。奈米過濾程序一般用來軟化硬水,降低硬水中鈣離子和鎂離子的濃度。

超純水是半導體業用量非常大的必需品,非常接近理論上的純水,除了氫離子與氫氧離子,沒有任何電解質存在於超純水中,其中粉塵、有機物、細菌及其他雜質也儘量移除。在超純水的製程中,薄膜過濾家族可與其他如紫外線、臭氧、陰陽離子樹酯等處理技術合併成一套完整的水質淨化流程。這程序的優點是水質好且穩定、化學品用量少避免破壞生態、節省能源、經濟效益大,並易於管理與維修。

應用展望

30年前,薄膜分離程序並不是主流的分離技術,但目前化學工業對於分離程序的要求,正朝著操作簡單、節約能源、提高產品品質及降低化學汙染的方向發展,薄膜分離程序的特性正符合上述的趨勢。

近年來,薄膜分離方法逐漸取代部分傳統的分離技術如蒸發、蒸餾、溶劑萃取等,許多工業應用的例子證明薄膜分離技術比傳統分離技術更具效率與經濟價值。尤其在食品及醫療工業中,某些對溫度較敏感的物質,運用薄膜分離程序,可不必擔心其成分會被破壞。
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