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- 2017年
- 565期－薄膜分離技術（1月號）
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2017-01-01薄膜科技解密
565 期
Author 作者
楊承道／淡江大學化學工程與材料工程學系碩士畢業，目前就職於旭然國際股份有限公司材料研發及應用部。鄭廖平／淡江大學化學工程與材料工程學系教授，畢業於美國哥倫比亞大學化工系博士。
「薄膜」材料在我們的日常生活中隨處可見，不論食、衣、住、行都離不開它，舉例來說，這幾年流行在家裡裝淨水器來取得更乾淨的飲用水，或許你不知道淨水器的過濾罐裡面就裝了許多薄膜；醫院裡為病患做洗腎所使用的血液透析裝置，就是靠薄膜將毒素從血液中分離出來；為了保留乳製品與果汁的生鮮風味與營養成分，許多廠家選擇用薄膜來濾除微生物，因為這個方法比加熱殺菌效果好得多。
事實上，最小的薄膜可能是每個人身上億萬個細胞中的細胞膜，沒有它來管制各成分的進出，身體又如何保持健康？薄膜用途之廣，超乎想像，那麼薄膜到底如何定義呢？就學術的角度來說，薄膜是「一種分隔兩相且具有選擇性的膜狀屏障物」， 這裡所提到的選擇性是指讓某些物質通過薄膜但卻阻隔其他物質，這個特點讓薄膜具有濃縮、純化、分配及分離等功能，因而被廣泛應用於民生工業中以提高現代化的生活品質。
將薄膜用在工業程序距今雖僅40餘年，它的演進卻可追朔到200年以前。根據文獻記載，18世紀時法國物理學家諾萊特（Jean-Antoine Nollet）利用豬膀胱進行滲透壓實驗時，就發現了半透膜的物質輸送現象；之後英國科學家格拉漢姆（Thomas Graham）深入而系統化地探討氣體分子在半透膜中的擴散行為；早期製作半透膜都是採用天然素材（例如動物的膀胱或是樹膠等）為原料，而德國植物學家浦菲弗（Wilhelm Pfeffer）首先用化學方法將亞鐵氰化銅沉積在多孔陶瓷中製作半透膜，並成功地用在滲透壓實驗中；到了20 世紀時，製膜技術來到突破期，德國科學家貝侯（Heinrich Bechhold） 推出新的成膜方法，將硝化纖維溶解在乙酸中形成製膜液，然後注入濾紙中製成複合型薄膜，這種硝化纖維薄膜也就在1937 年成為第一個具備不同孔洞大小的商業化薄膜，爾後普遍為微生物研究所採用；荷蘭人柯爾夫（Willem Johan Kolff）和柏克（Hendrik Berk）在1944年研發出薄膜血液透析裝置，此舉打開了薄膜在生物醫學領域的大門；1962年美國人洛布（Sidney Loeb）和索里拉金（Srinivasa Sourirajan）利用醋酸纖維素製作非對稱型逆滲透薄膜，發現它們在適當的操作條件下，可同時獲得高阻鹽率及滲透通量，對後續海水淡化工程的開展有關鍵性影響。
近年來薄膜生產技術突飛猛進，各類型高分子薄膜（如聚偏二氟乙烯、尼龍、聚醚碸薄膜等等）紛紛被開發出來並廣泛應用在廢水處理、海水淡化、食品飲料、醫藥衛生、能源環保、氣體純化等產業中，例如臺灣積體電路公司在製程中使用薄膜超過濾技術回收廢水，新加坡鳴春海水淡化廠利用逆滲透方法由海水中取得淡水、日本朝日啤酒用微過濾技術保有啤酒特殊風味、美商杜邦公司製作納飛安（Nafion）燃料電池隔膜等等都巧妙地發揮了薄膜特有的功能。可預期薄膜的用途隨著科技的腳步將越來越多元，對大家日常生活的影響越來越大，了解薄膜相關知識顯然是件有意義的事。
剖析薄膜構造
用於分離程序的薄膜多半是多孔的，可分為片狀與中空纖維兩種類型（圖一），片狀薄膜像一張厚厚的白紙，厚度隨用途不同而有差異，約在 100~200 微米左右，手感上是平滑、柔軟而帶點韌性，薄膜必須封裝成為模組才能用在過濾、透析、萃取等程序來分離或純化產品；中空纖維的外觀則是圓柱形的，類似白色的細小圓管， 它的外徑通常落在200~500微米之間，管壁厚度大約是50~200微米，白色不透明的特徵代表膜材是多孔的，就如同片狀薄膜一樣，中空纖維也必須封裝成模組，才能發揮在分離程序上的功能。
圖一 ：（左）片狀薄膜、模組與過濾罐（右）中空纖維、模組及過濾罐。（作者提供）
薄膜的孔洞大小與分佈情形決定了它的用途，若依照微／奈米的尺度來分析，薄膜可分為兩類：對稱型薄膜與非對稱型薄膜（圖二），前者的特徵是沿著截面不同深度的地方，孔隙大小不相同，而在表面附近通常有一層很薄俗稱皮層（skin layer）的緻密區域，厚度一般來說只有幾個微米左右，雖然只占薄膜的1/10不到，但卻主宰了薄膜的分離效益和適用範圍。
圖二：（ 左）對稱型薄膜（右）非對稱型薄膜。
物質能否穿透薄膜，主要是由皮層的緊密度來決定，當皮層非常緻密而沒有任何孔洞時，物質只能藉由分子之間細微的自由體積來穿透皮層，這種薄膜可用來分離小型分子，因此適用於透析、逆滲透、氣體分離。……【更多內容請閱讀科學月刊第565期】