奈米纖維在液體過濾技術的發展與應用：材料世界網

水源短缺是當今全球面臨的重大問題之一，如何尋找替代方式來提供更乾淨的水極其重要。液體過濾技術是永續水再生的一種途徑，受到越來越多關注。目前，許多研究學者正致力於改善膜滲透通量、防污性、耐化學性等方面的膜性能。靜電紡絲技術所生產之奈米纖維具有獨特的性質，例如高比表面積、大孔隙率和相互連接的孔結構，它可提供高滲透通量、防污性、高分離效率及低能耗等。本文將介紹靜電紡絲技術在液體過濾的發展趨勢。

靜電紡絲技術
靜電紡絲是一種可以輕易將高分子加工成奈米纖維的技術，其溶液的黏度、施加電壓、濕度、收集器的距離都是奈米纖維形成的重要參數。上述參數的變化，皆會影響奈米纖維結構和表面型態。此技術主要是藉由高壓電場使聚合物溶液被電場拉伸，且固化形成纖維的一種方式。聚合物溶液表面會被拉成錐狀，稱為 Taylor 錐，當液體表面的電荷斥力超過表面張力時，溶液從 Taylor 錐尖端噴射而出形成細射流，此噴射細流經電場加速後急速延伸細化，同時溶劑揮發、纖維固化，最後沉積於收集裝置上形成奈米纖維，如圖一所示。

圖一、靜電紡絲簡單示意圖

過濾膜技術
膜孔徑大小直接影響過濾性能，靜電紡絲奈米纖維膜不像篩網具有規則孔徑，纖維膜有較細纖維直徑，不僅具有更小的孔徑大小，也具有窄的孔徑分佈，通常纖維直徑與孔徑成正相關性。2012年 Chu等人所製備之聚丙烯（PAN）靜電奈米纖維膜較商業微過濾膜（Microfiltration; MF）通量高出 2至 3倍，並且具有高微粒和細菌的過濾效率，如圖二所示。靜電紡絲奈米纖維過濾獨特的物理和化學性質除了可以改善通量（Flux）性能，也可以保持對於污染物過濾效率。

圖四、三層複合膜結構

正向滲透技術
正向滲透（FO）是一種濃度驅動的膜分離技術，利用高濃度的溶液作為吸取液（Draw Solution），藉著吸取端與進料端兩端不同的濃度差，產生滲透壓差做為驅動力，使得進料透過半透膜達到分離效果。此技術具有低能耗、膜污染低、污染物截留效果好與回收率高等優點，在廢水處理與海水淡化的應用上非常具有潛力。

目前正向滲透技術使用的正滲透膜主要是非對稱膜與複合薄膜兩大類，其中，複合薄膜由於具有高的鹽截留率和水通量等優點，成為正向滲透膜發展的主流。複合薄膜由緻密層和多孔支撐層構成，目前複合薄膜研究中，由於膜分離過程影響最大的為內部濃差極化（ICP）現象，故當前研究主要致力於改善支撐層的性能，如具有薄的多孔支撐層與提高孔隙率，從而減小 ICP。

膜蒸餾技術
膜蒸餾（MD）過程中一般是採用疏水性多孔膜，膜材料必須具備良好的熱穩定性和化學穩定性，以確保膜蒸餾過程的長期穩定運行。目前，能滿足上述要求的膜主要是以聚偏氟乙烯（PVDF）、聚四氟乙烯（PTFE）和聚丙烯（PE）等聚合物為原料製成的平板膜或中空纖維膜。與傳統的製膜方法，如拉伸法和相轉化法相比，靜電紡絲技術提供了……以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。

作者：楊茵茹、蕭弘毅、黃泳彬 /工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」356期，更多資料請見下方附檔。

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