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2017-01-01薄膜如何用於生活？ 565 期

Author 作者吳思恩、蔡鴻源

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℃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℃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（Food and Agriculture Organization of the United Nations, 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。

以過濾理論而言，粉塵的過濾主要有五種機制，分別為布朗運動擴散、攔截、慣性撞擊、引力吸引與靜電吸引。一般而言，當粒徑大於一微米時，攔截、慣性撞擊及引力吸引的效應會較大，因此不論何種材質或等級的口罩，會展現出較高的過濾阻絕效率；然而，粒徑小於0.6 微米的小粒子，其容易受到布朗運動擴散及靜電吸引力的影響，表現出的收集效果也會升高。因此，不同口罩的過濾效果有所不同，各型口罩過濾空氣中不同粒徑雜質的過濾效率，皆呈現出U型的曲線。一般認為，顆粒越大的雜質，被過濾掉的可能性越大，但粒徑很小的雜質，也非常容易經由布朗運動擴散及靜電吸引力的機制，被口罩過濾掉，由此可知，粉粒體特性、過濾的原理和薄膜的種類之間有著密不可分的關聯。

薄膜過濾的原理與種類

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目的。在薄膜過濾的操作中，大體可分為：垂直式（dead-end）與掃流式（crossflow）兩種。在垂直式操作中，施加壓力於進料，流體及伴隨粒子的運動方向與膜面垂直，被阻擋的粒子滯留於膜面，其餘通過濾膜成為濾液。隨著膜面粒子附著層的成長，流體流動阻力增加會導致固定壓力下操作濾速下降。而在掃流式過濾中，進料流動方向平行於膜面，有一部分通過濾膜成為濾液，另一部分則流出過濾室而濃度提高，因此稱為濃縮液，而因著掃流所導致的濾面切線剪應力作用會掃除部分傳輸至膜面的粒子，因此當粒子附著層成長至一定厚度時，就停止再成長，濾速也就不再明顯降低，可維持在高濾速下連續長時間操作。值得一提的是，在薄膜分離的方法中，讓物質透過膜的驅動力也變化多端，可以分為：壓力差、濃度差、溫度差及電位差，驅動力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。在過濾中所使用的介質若為薄膜，主要可分成四種形式：平板膜、管式膜、中空纖維式膜和螺捲式膜。平板膜有如一張紙，製作程序簡單，使用上也較方便。管式膜則像水管一樣，因為有較大的表面積，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。中空纖維式膜的結構與管式膜非常相似，將膜製造成中空圓管，進料可從管內流動，由管外收集液體，或是進料流經管外，則可由管內收集液體，但由於空間小的膜管內容易在操作時被懸浮粒子阻塞，而且清洗困難，因此需要考量進料的組成與膜面積的需求，進行選取。螺捲式膜是由平板式膜捲成，將兩片膜中間夾一多孔層，再將兩片膜間的邊緣以黏膠封住，形成膜袋與膜袋間流動的空間，螺捲式的單位體積之膜面積相當大，而且價格低廉。

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。人工合成薄膜已有相當長時間的發展，合成薄膜的材料非常廣泛，可歸納為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，因此價格也較便宜，目前在商業化薄膜中占大多數，但高分子較不耐高溫，亦不耐酸鹼，因此在應用上有許多限制。無機薄膜的原料大多是陶瓷材料，價格昂貴，製作過程比有機高分子膜困難，因此成本較高，但有耐高溫、耐酸鹼、高機械強度等優點，有許多研究早已著手開發具前瞻性的無機薄膜濾材。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，但是若能針對分離的對象選擇出最佳的薄膜材質，才是達到最有效的過濾性能的主要關鍵。

各式市售薄膜（作者提供）
		有機平板膜更換容易，操作方便，可用於板框式壓濾機。

		中空纖維式膜單位體積內有較高的過濾面積，適用於奈米過濾與逆滲透。
		無機平板膜成分為陶瓷與金屬，可用於高溫或酸鹼之操作。

		螺捲式膜處理量大，價格低廉，適用於奈米過濾與逆滲透。
		管式膜構造類似水管，適用於微過濾、超過濾與奈米過濾。

站在巨人的肩膀上展望未來

半世紀前，薄膜分離程序並不是主流的分離技術。傳統的過濾機械大致可分成過濾機與離心機兩大類，過濾機最常使用的是板框壓濾機，直接加壓過濾原料，固形物由濾布攔截，並收集過濾後的液體。雖然板框壓濾機兼具壓榨效果，但是一段時間後仍須停機、拆卸、清洗，以致無法連續操作，因此工業上通常以多臺過濾機切換輪流使用。離心機是一種有效率的固液分離裝置，可以配合密閉滅菌或溫度控制，而且可方便續操作。一般常用的離心機包含碟片式與臥式離心機，依照進料、出料的方式又有各種不同的設計，有些設計還能把液體再細部分離成輕液與重液，選擇多樣，一般而言，臥式離心機操作穩定、適用範圍廣、分離效率高，但是購置成本與操作成本也較高。

近年來，薄膜分離方法逐漸取代部分傳統的分離技術，許多工業應用的實例證明薄膜分離技術比傳統分離技術更具效率與經濟價值。隨著各產業日新月異的進步，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，由此可知，薄膜過濾技術已是生活上不可或缺，更是增進人類福祉的關鍵。