工業材料雜誌七月號推出「仿生材料在水處理之發展與應用」及「生質纖維材料」兩大技術專題

 

刊登日期:2017/7/5
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德國化學家布朗嘉(M. Braungart)與美國建築師麥唐諾(W. McDonough)倡導「搖籃到搖籃」(Cradle to Cradle)的思維,提醒我們向大自然學習,所有東西皆為養分,皆可回歸自然。從產品設計階段就構想產品的結局,讓物質得以不斷循環,達到零廢棄!生物循環的產品由生物可分解的原料製成,最後回到生物循環提供養分;工業循環的產品材料則持續回到工業循環,將可再利用的材質進行回收,再製成新的產品;水的循環亦然。367期「工業材料雜誌」與讀者攜手探討在「仿生材料在水處理之發展與應用」、「生質纖維材料」兩議題上,科技可以怎麼師法自然、取自自然、回歸自然,達到永續循環。

仿生材料在水處理之發展與應用
善用科技來解決水資源匱乏問題,已成為21世紀最重要的議題之一。世界各國目前紛紛投入資源於水科技的研發。新興水源包括廢水回收再利用及海水淡化被視為解決全球水資源不足的必要手段,但廢水回收再利用或是海水淡化時,能源及水回收間一直存在奧妙的相互依存關係,如何降低水回收能源消耗是水回收再利用各國持續研發的重點。目前利用新興脫鹽技術,如電容脫鹽(CDI)、薄膜蒸餾(MD)及正向滲透(FO)等替代技術可以使能耗達到2.0 kWh/m3或更低一些,令人雀躍地,仿生材料的研發與應用將有機會再降低能耗至1.0 kWh/m3左右,被視為解決水回收再利用「能耗」困境之解方。本期技術專題針對仿生材料在水處理方面的未來發展及應用潛力進行介紹,讓讀者可以掌握創新低能耗水處理材料技術研發及應用之方向。

仿生CNT薄膜―啟發次世代水脫鹽和純化技術」一文介紹,在次奈米孔水通道設計和材料的研究中,可以從生物的水通道蛋白(Aquaporin)獲得靈感。水通道蛋白具有獨特的傳輸性質,不僅具有很高的水滲透性,而且選擇性亦極高,可排除離子、質子甚至小的中性溶質。奈米碳管(CNT)的疏水性內部類似於水通道蛋白的內腔,襯有疏水性官能基,促使水形成一維的氫鍵水鏈。水分子與疏水性壁面的弱交互作用加上壁面的平滑性,水能夠幾乎無摩擦地輸送。CNT薄膜設計成僅需較小能量即可排除水中的鹽類和一般污染物。面對全世界對海水脫鹽的需求,相信CNT薄膜應有光明的前景。

新穎材料—石墨烯,自從2004年被發現以來,因獨特材料特性引起各領域專家學者的矚目,成為研究與應用的焦點,包含電子、光電、能源儲存、環境生醫感測、功能性複合材料等。近期在仿生醫學材料領域,石墨烯亦展現其於人造皮膚、可穿戴式健康感應器與抗菌材料的應用潛力。基於石墨烯的特殊結構特性以及物理與化學性質,「石墨烯在水處理技術的應用與評估」研究顯示石墨烯不僅對於E. coli具備抑菌效果,且其抑菌效率可達96%。本文除了闡述石墨烯的材料特性,亦進一步探究其於抑菌、薄膜與其他水處理領域的應用潛力。

傳統的水處理薄膜程序使用之膜材主要為高分子膜,處理效能極佳,但通常無法兼具優秀的滲透性和選擇性。膜蛋白具有獨特的選擇性水分子滲透功能,若能開發出適合的水通道蛋白膜材,則能應用於脫鹽和水再生技術。「水通道蛋白仿生膜在脫鹽之應用」介紹水通道蛋白的基本性質,以及其仿生膜材之製備方法與特性。文章中亦詳述了水通道蛋白之功能機制,並回顧了近年水通道蛋白仿生膜於水處理之應用。仿生膜材製作的技術亦趨近成熟,但仍有不少的問題需要克服,包含:生產成本、尺寸放大、使用壽命等,預計核心關鍵技術突破後,在未來十年內水處理仿生膜將有機會拓展至實廠應用。

薄膜結晶技術簡介與其應用發展」一文介紹由義大利薄膜中心Drioli教授團隊提出的薄膜結晶技術,這是一個能夠應用於結晶程序的創新薄膜技術。主要處理對象為極高導電度之溶液。薄膜結晶技術將濃縮液加熱後,使水蒸氣通過疏水多孔性薄膜被冷凝產生純水,而被提濃之濃縮液中的溶解物質達過飽和狀態則產生結晶,是目前唯一能從溶液中直接分離出結晶產物的薄膜過程。薄膜結晶具備高倍率濃縮與回收晶體的優勢,是一個朝向近零液體排放的前瞻技術。主要可應用於環境、水資源、生化領域,達成脫鹽、淨水、濃縮及結晶體回收與純化等功能。於水資源應用方面,包含了再生水回收、海水淡化、半鹹水/鹵水脫鹽等。

生質纖維材料
化石原料做成燃料、塑膠等材料讓人類在生活方便之餘相對付出如全球暖化、極端氣候發生頻率提高等代價。針對此議題,世界各國都希望能找到取代化石原料、零碳排、生物可分解等環境友善材料,而纖維素材料來自木材、棉花、麻等植物,可以被微生物分解,燃燒後只產生二氧化碳(CO2)和水(H2O),不會有環保污染問題,是符合環境友善的材料。日本政府在「日本再興戰略」中,將纖維素列為未來發展的新興尖端素材之一,將推廣到醫療、建材補強材、車用輕量化複材、化妝品、電子元件基板、衣料纖維等應用領域,預估至2021年約有65億美元的年產值。本期多篇專文,探討纖維生質材料全球現況、市場前景、技術重點與研發進程,希望各位業界先進能一起共同投入研發,為企業永續努力。

植物纖維素改質技術及其應用」談到改質纖維素在透明木材、纖維素複材等複材技術領域的發展。纖維素為地球上年產量最豐富的天然高分子,具有便宜、可再生及可生物降解等優點。纖維素的百分比依不同植物有所不同,地球上大約30%的有機物質是纖維素。長期以來纖維素扮演多種產品的重要物質,是一個完全環保的材料。植物纖維素是豐富的可再生資源,近日因工業上使用植物纖維素作為塑料複合材料之填充物而備受關注,生質來源的植物纖維素具有成本低、高剛性與高比強度等特色,如何提高生質材料性能,增加生質材料的應用,降低成本以提升產業競爭力,值得國內化學、化工業者投入。

而隨著全球能源需求的開發與利用所帶來的環境壓力漸漸增高,溫室效應也不斷加劇,科學家們為了解決當前全球經濟發展所面臨的能源短缺及環境污染等問題,遂將生物能源做為新能源的革新重點之一。生質PEF聚酯纖維快速發展,而隨著其生產技術的日益成熟和成本的降低,生質聚酯纖維將逐漸取代常規聚酯纖維。「生質PEF聚酯材料及其纖維技術的應用發展」介紹新一代生質聚酯材料及其纖維技術、聚2,5-喃二甲酸乙二酯(PEF)的YXY技術、生質聚酯材料PEF、生質PEF聚酯纖維產業鏈等技術的最新發展。

天然纖維素和其衍生物在化妝品中的應用十分常見,大多利用其安定性,水溶可膨脹成凝膠進行穩定作用,作為乳化、分散或是懸浮劑使用,進一步在功效性上具備有保濕性、成膜性及穩泡性等用途,也可透過改質等成為去角質肌膚調理劑、織物型態成為面膜等,以不同形態廣泛使用。「生質纖維素材料於皮膚照護之應用與展望」針對近年來用量成長迅速且具有高度發展潛力之纖維素衍生物去角質產品、面膜、化妝品等皮膚照護應用和未來市場趨勢進行解析。

奈米纖維素逐漸受到重視,林業紙業主要生產國如日本、北美、北歐等國家更將奈米纖維素視為產業轉型的關鍵材料。奈米纖維素具有輕量、高強度、低熱膨脹等特性,這些新技術賦予材料具均一特性以及特殊機能性,因此在高附加價值的綠色產品應用極具潛力。「全球植物加工工業製品特蒐」由奈米纖維材料切入汽車部件、輪胎、清潔用品、包裝、生醫材料、塗料及油墨等實用化產品,最後介紹來自於植物的銀膠菊、蒲公英、黑辣椒、檳榔葉等可再生資源如何應用在輪胎、拖鞋等工業/民生製品。期能藉由此深入淺出的發展案例,帶動國內業者發展低碳排放綠色循環材料,共創低碳排綠色家園。

主題專欄
延續循環經濟主題,本期綠色環保專欄鎖定甫獲工研院2017傑出研究金牌獎的「廢液晶面板玻璃創新再利用—玻璃奈米孔洞吸附材料」技術,我國每年廢棄數千噸液晶面板,礙於無合適處理方式只能以掩埋去化,造成環境嚴重負擔。其中,液晶面板玻璃是一種無鹼玻璃,具高度耐酸、耐化特性,工研院材化所利用專利改質技術將其轉化為高比表面積的奈米孔洞吸附材料,對金屬離子具備極高的吸附能力,可用以處理國內大量的重金屬廢水,同時解決廢液晶面板玻璃之去化問題,兼具環保與經濟雙重效益。

而探討「鉛材料之應用與鉛酸電池回收冶煉技術」一文指出,鉛為重要的基礎金屬原料,每年全球用量超過一千萬公噸,因為屬於列管重金屬,應用領域相對特定。約80%金屬鉛應用在各式鉛酸電池,而鉛酸電池中則接近70%的材料為鉛。電池廢棄後的處理成為產業另一要點,大量的金屬鉛以及有價材料若能有效回收處理,將能降低金屬鉛由原礦開採之仰賴。由於台灣並無自然界的鉛礦產,金屬鉛原料均需進口,若能有效提升廢鉛酸電池的回收效率,內含有價金屬鉛達數十億台幣潛在商機,可大幅降低我國對於國外金屬鉛的仰賴,亦可降低廢電池中鉛重金屬對於環境的衝擊。

鋰金屬電池擁有高能量密度、輕巧等特性,然而無法穩定充放電循環以及金屬枝晶不規整沉積以致於短路發生,是鋰金屬電池難以商業化發展的兩大關鍵因素。鋰金屬在充放電過程中不但會劣化電解質產生副產物,導致電池內部阻抗增加,減少電池的循環壽命,鋰金屬之沉積/溶出也使得活物表面生成不規整沉積,容易形成樹枝狀枝晶穿刺隔離膜以致接觸對電極而導致短路失效。為了抑制枝晶的產生及提升庫倫效率,電池的設計必須同時兼顧電場均勻化與穩定SEI的形成,因此極具挑戰性。能源/儲能主題專欄「高活性金屬電極材料與結構」一文,探討工研院材化所透過抵擋枝晶的多道防線作法,未來可再結合如利用雲端監控電池內部安全性等,突破鋰金屬電池長久以來無法克服針對安全性的關鍵議題,邁向下一世代高能量金屬電池的開發。

近年來隨著智慧手持式電子產品蓬勃發展,電子產品開始走向輕薄短小、多功能化及高頻高速傳輸發展。輕量薄型化的基板容易產生翹曲,而影響到封裝製程的可靠度,目前最佳解決方法就是開發低漲縮的介電絕緣材料,來降低薄型基板受熱時與晶片熱膨脹係數不符合而產生的翹曲現象。構裝散熱專欄「低漲縮基板材料技術發展趨勢」針對低漲縮基板材料現況及未來發展趨勢做一介紹,並分享工研院材化所製備之一種低熱膨脹係數、高熱穩定度、低介電的絕緣樹脂材料,可應用在薄型化IC載板上。

為了兼顧經濟永續發展與落實環境保護,化學家們發揮最大的創意設計創新製程,綠色化學提供了一套可以依循的法則,從起始端的原料製程設計與改變反應程序的生產製程、生產過程中注重節省能耗和資源循環再利用。期望透過綠色化學概念來解決目前經濟發展與環境保護間的永續發展議題,進而改善人們在製造化學品時所產生的污染與浪費。「全球綠色化學品發展現況與趨勢分析」從綠色化學簡介、產業發展策略分析,引領讀者省思由綠色化學帶動整體化學產業升級,為環境盡一份心力。

全球人口結構加速朝少子化發展,導致人工成本上揚或人力短缺,機械新產品研發方向如自動化、客製化、智慧化已成為必備條件。而在先進製造及未來工廠所驅動的設備智慧化潮流下,國內外大廠競相投入具有智慧功能的機械傳動設備之開發。材料與技術專欄「智慧化故障診斷技術在機械傳動元件之應用概況」一文探討智慧化故障診斷技術在機械傳動領域之應用動向,提供業者進入智慧機械市場之布局參考。。

其他專欄
材料補給站專欄這個月由實踐大學設計學院院長與讀者分享「產品設計塑造材料性格」。設計師處理功能、材料、造形、結構的組成,賦予物件故事及意義,被選用的材料,經由美感體驗、心理聯想與感官認知,而從技術面的中性描述轉而擁有心理面的感性性格。設計塑造材料性格,反之亦然,材料的適當應用,將傳神地表達物件的內涵。設計師重要的任務之一,就是要瞭解材料、提出創新應用構想、適用材料並完善材料,塑造或凸顯出其具辨識性的獨特性格。文中分享的觀點與實例非常值得材料研發與產品設計雙方思量。

「專利前哨站」本期發表兩篇材化所獲證專利。電池系統已廣泛應用在各類電動車、不斷電系統以及相關的儲能裝置,其可對電池進行管理,以避免對電池過度充/放電或過熱等異常事件發生。傳統上,電池系統集中處理、儲存來自各電池組的資訊;隨著系統中電池組的數量增多,相關處理電路的運算量將大幅增加。當部分電池組被更換,需耗費相當的時間及人力成本以重新更新整體電池組之資訊,使得系統更新維護不易。「電池管理系統及應用其之電池系統」提出一種便於管理、維護的電池系統,其採用模組化之架構分散量測、分散處理不同電池組之電池資訊,藉此降低系統中主控電路的運算量,並簡化更換電池組的複雜度,進而提升系統的可維護性。

高性能的電催化觸媒材料是提升燃料電池效能的關鍵之一。現行燃料電池技術所使用的電解質分為酸性、中性與鹼性三種環境,在酸性或中性環境下,大多數的金屬材料會被腐蝕,必須要使用抗蝕性較佳且較昂貴的貴金屬做為電極,因此降低了電極材料的選擇性。白金(Pt)一直是耐腐蝕性及催化活性佳的電極材料之一,但價格昂貴,不利商業化要求。與之相比,雖然在鹼性環境中金屬電極較沒有腐蝕問題,成本低、選擇性也較多,但現行非白金電催化觸媒材料的催化活性及起始氧化電位卻仍不及白金。「電催化觸媒及其燃料電池」揭露一種非白金且具有較高起始氧化電位及催化活性的電催化觸媒,能提升燃料電池發電效率。

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