柯家傑、童國倫／國立臺灣大學；黃冠勳／台灣應用材料股份有限公司
全球水資源與物質缺乏之困境是人類已經面臨的挑戰。啟發於昆蟲皮殼層表面之特殊結構，本研究團隊以化學水浴沉積法與低表面能改質，製備具有氧化鋅凹角結構之玻璃纖維全疏薄膜以及氧化鋁中空纖維全疏膜，同時探討全疏膜表面奈米結構（奈米柱與奈米顆粒）對薄膜全疏性質之影響，其全疏性質搭配薄膜蒸餾程序能有效處理低表面能之廢水。此技術有機會成為未來零排放（水資源、有價金屬回收）、碳捕捉甚至藥物高純度結晶等應用上之發展趨勢。
【內文精選】
前言
零排放已成為眾人矚目的重要課題，自古至今，人類生活品質提高的同時，往往造成環境汙染，如同現今的海水淡化廠、汙水處理廠及電子科技廠等，皆存在廢水排放問題；此外，水與物質的缺乏亦是人類需克服的困難之一。透過薄膜蒸餾技術可以從廢水中取得乾淨的水，甚至更進一步回收其中之有價物質，然而由於實廠廢水的組成複雜，低表面張力之特性會不利於進行薄膜蒸餾。在此，啟發於大自然、仿造昆蟲表皮層的特殊結構所設計出的仿生(Biomimetic)全疏型薄膜，可望在循環利用上盡一份力。
薄膜蒸餾
薄膜蒸餾(Membrane Distillation)，簡稱為MD，為一種以熱驅動的分離程序，其必須搭配多孔疏水膜進行分離，常見的膜孔大小約為數十至數百奈米，薄膜的疏水性可阻擋液體進入膜孔，只有氣體可穿透薄膜，並以薄膜兩側蒸氣壓差為系統驅動力，使蒸氣擴散至低蒸氣壓側冷凝。此程序除了被應用於海水淡化，也可以藉由這種機制去除液體中的高揮發性物質。
根據滲透端的收集方式，可分為四種常見的薄膜蒸餾：直接接觸薄膜蒸餾(DCMD)、空氣間隙薄膜蒸餾(AGMD)、氣體掃流薄膜蒸餾(SGMD)、真空薄膜蒸餾(VMD)，如圖一所示。而當液體濃度隨著蒸氣過膜上升至飽和濃度後，液體中的鹽類離子會開始產生晶體，是薄膜蒸餾的衍生應用，稱為薄膜結晶程序(Membrane Crystallization; MCr)。
圖一、薄膜蒸餾原理示意圖
仿生全疏型薄膜介紹
過去人們透過向大自然學習，從蓮花荷葉表面的微米結構中學習到如何製備疏水膜，而人類觀察到在極惡劣環境下還能生存的昆蟲，其皮殼層上具有特殊的奈米結構，因此從中學習到如何製備出能同時疏水且疏油的全疏膜，若能在薄膜表面上長出特殊奈米結構，勢必能提升薄膜蒸餾程序的效能穩定性。Menachem Elimelech在2014年發表全疏薄膜(Omniphobic Membrane)蒸餾技術於期刊論文，其全疏薄膜製備流程如圖三所示。其中利用熔膠凝膠法製備矽粒子，探討不同的薄膜材料與孔洞大小、不同的氟化疏水劑與薄膜製程條件對蒸餾系統的效能穩定性及水通量之影響，並與市場上的高分子有機膜材進行效能差異的比較。本研究團隊則使用由Kokotov和Hodes開發的化學水浴沉積法(Chemical Bath Deposition; CBD)，經特定化學品將奈米粒子沉積在多種幾何構型的無機薄膜表面。
玻璃纖維全疏膜
本團隊利用CBD技術於玻璃纖維膜上沉積奈米氧化鋅(ZnO)形成凹角結構，再以含氟矽烷與含氟高分子塗佈降低其表面能，製備出玻璃纖維全疏膜。圖四是傳統疏水薄膜和全疏薄膜的製備流程比較圖。傳統疏水薄膜的製備流程依序是在玻璃纖維(GF)上用含氟矽烷進行處理得到疏水膜(F1)，然後進行含氟高分子塗佈程序得到另一種疏水膜(F2)；全疏膜(OMNI)的製備流程依序是進行玻璃纖維活化程序得到活化的玻璃纖維、沉積ZnO、使用含氟矽烷進行處理，最後進行含氟高分子塗佈程序得到所述的全疏薄膜。
圖四、全疏膜與疏水膜的製備流程圖
圖五為不同薄膜的表面液滴接觸角，其中包含未改質的玻璃纖維(Pristine)、兩種疏水膜(F1, F2)以及全疏膜(OMNI)，在此利用兩種不同表面張力的液體（水(72.8 mN/m)與乙醇(22.1 mN/m)）測試薄膜的疏水與疏油性。由於玻璃纖維本身為親水，無論是水或乙醇皆會瞬間進入薄膜孔洞，故無法量測到液滴接觸角；F1與F2疏水膜之水接觸角皆大於150°，呈超疏水狀態，此為高表面粗糙度與低表面能所帶來的效果，但仍然無法抵擋乙醇入侵膜孔造成薄膜潤濕；反觀玻璃纖維全疏膜…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料》雜誌397期，更多資料請見下方附檔。