首頁 > 生活處處皆過濾:無所不在的分離
:::

生活處處皆過濾:無所不在的分離

隨著科技的日新月異,過濾在生活及產業上擔任分離、回收、純化等重要角色,且應用越來越廣泛,但最複雜及精密的過濾系統卻是存在於人體中。
 
 
 
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。
推薦文章