親水型抗污材料與抗污快速檢測技術

 

刊登日期:2019/1/5
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在醫療、船舶與水下作業器具,生物沾黏是一件難以克服的問題,而抗污材料的修飾、塗層能有效地降低沾黏的問題。有機型抗污材料有良好的生物相容性與無毒的特性,在醫療、食品器具、飲用水過濾器具的應用上,有良好的競爭力。目前本研究選用濾膜作為抗污材料之載具,抗污濾膜有效地降低污堵的形成,降低操作時維護的成本。在抗污效能的評估上,除了建立小型過濾測試機,本研究也開發探針式快速檢測技術,有效且快速篩檢表面抗污的優劣,達到節省時間與成本,加速抗污材料開發的進行。

本文將從以下大綱,介紹親水型水下抗污原理與常見的有機型親水抗污材料。
‧親水性抗污材料的應用
‧濾膜抗污原理
‧濾膜種類與抗污材料簡介
‧過濾型抗污效能測試
‧探針式抗污快速檢測方法

【內文精選】
本文主要專注在濾膜的水下抗污的部分,濾膜的抗污除了要降低污染物的污堵外,還需要符合無毒、環境友善、不改變濾膜原有的過濾特性,才可有效地提高濾膜的使用效能。但濾膜抗污效能的測試上,在一般的水處理、再生場域,需要花費數月或是數年的時間,濾膜的抗污效能才能完全體現。為了加速濾膜的抗污效能評估,本研究開發以探針的接觸方式,快速篩檢濾膜抗污效果的優劣,僅需數分鐘的測量、分析,即可快速評估濾膜的抗污效果,有效加速抗污濾膜的研發流程。

親水性抗污材料的應用
小至醫療器材、植入性植體, 大到航行於海洋上的船隻,有機污染物的非特異性沾黏是一件令人困擾的事情。由先前的研究已知,親水性的表面可以有效減少有機污染物沾黏,然而親水性的表面卻無法預防細菌、病毒或其他微生物的沾黏。在醫療上,手術後防止細菌、微生物的沾黏是一件重要的課題,術後沾黏最主要原因為創傷後產生之發炎反應(包含細菌感染),會吸引組織周圍的纖維母細胞過來修復創傷部位,但同時也產生過多的纖維化組織,造成與周邊組織永久性沾黏。而沾黏的形成所引起的併發症以小腸阻塞與不孕症最為常見。在船舶的沾黏上,由於長期浸泡於海中,而導致船底附著許多海洋中的微生物、藻類、孢子、貽貝與藤壺類等大量的海洋生物沾黏,如圖一所示。生物附著會增加船隻的附載量,使得船隻的荷重降低,增加運送成本。

濾膜抗污原理

濾膜抗污的原理中,理論方面尚未研究到十分透徹。2012年Cao團隊在Water Research所發表的一篇文章中統整了四種抗污方式,如圖二所示,此四種方式簡介一些降低水中污染物沾黏的方法。第一種方式是增加表面水合層,在水中的污染物,常見的如蛋白質、腐植酸與聚醣類等溶解度、親水性較差的分子,當濾膜表面形成一層水合層,可以有效減少污染物的沾黏力,降低濾膜污堵的現象。第二種方式為使用靜電排斥,常見的水中污染物,如蛋白質、腐植酸等多為帶有負電的有機物,若在濾膜表面增加表面負電荷,可以有效的排斥帶有負電之污染物;但相對的,如果污染物為帶有正電的材料,會導致濾膜的污堵現象加劇。
 
圖二、濾膜抗污的四種方式
圖二、濾膜抗污的四種方式
 
過濾型抗污效能測試
初始的沾黏過程是由污染物與濾膜表面的自由能決定,以蛋白質為例,污染物在附著的過程中,第一層的沾黏是污染物與濾膜(Fouling-Membrane)的相互作用力。蛋白質附著在濾膜表面的過程中,蛋白質需進行構型改變、排除分子內部與基材表面的水分子,要克服較高的能量障礙(圖七),才能穩定的附著在膜材表面。在第一層蓋滿污染物後,污染物沾黏的驅動力由原本的污染物-濾膜作用力變成污染物-污染物(Fouling-Fouling)作用力,污染物間的作用力與污染物的溶解度、表面能有關。
 
圖七、(a)濾膜在蛋白質吸附過程時自由能變化;(b)蛋白質附著過程構型的變化
圖七、(a)濾膜在蛋白質吸附過程時自由能變化;(b)蛋白質附著過程構型的變化
 
探針式抗污快速檢測方法
新型態掃描模式的發明讓原子力顯微鏡(AFM)的功能大幅提升,已經可以得到與形貌解析度相近的表面力學特性,如變形量、軟硬度、黏性等。除了基本的物理力學特性外,在探針表面修飾不同的化學分子,讓AFM具有化學辨識特性,為分子辨識力顯微鏡(MRFM)。
 
探針式快速檢測方法可以有效的量測基材表面與污染物的黏性,快速鑑定基材的抗污效果。由加速實驗與探針式快速檢測方式作圖,發現使用帶有污染物的快速檢測探針與濾膜之間的作用力與濾膜的通量損失率呈現正相關(圖十)。由此結果得知,使用探針式快速檢測方式可以分辨基材的抗污效果…...以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
作者:吳家樂、高豐生、朱仁佑/工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」385期,更多資料請見下方附檔。

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