吳家樂、陳怡真、朱仁佑／工研院材化所
原物料的純化與有價物的提取分離一直都是化學與材料重要的議題，使用不同物質間的熔點、沸點、極性、帶電性、溶解度、分子量差異都可進行物料分離。本文分享奈米過濾膜運用分子量的分選方式與其孔徑特點(MWCO = 200~1,000 Da)，應用在水處理、食品濃縮及高價物提純分離的案例。此外在分子截留量的檢測技術，因材料在分離純化對於濾膜孔洞的精準程度要求不同，工研院建立精準的過濾與截流量分析平台，可滿足小孔徑的UF、NF或RO分子截留量分析，在原有的分析方法，精準度無法滿足目前膜材的需求，此平台使用質譜對於分子量的精確分析優點，更準確地評估膜材的分子截留量與不同膜材的物料分選率。
【內文精選】
前 言
奈米過濾膜(NF)的孔洞大小是介於逆滲透(RO)和超濾(UF)之間的半透膜，屬於一種薄膜複合膜的過濾膜，通常是由聚醚或聚沉積在不織布支撐的多孔層（約50微米），最表層是由界面聚合得到的聚醯胺薄層(<200 nm)。由於NF屬於半透膜，孔徑無法用電子顯微鏡觀測，因此常會使用分子截留量(MWCO)作為孔洞大小的判斷依據。NF可以有效去除多價（鎂鹽、鈣鹽、鋇鹽）的鹽類，常用於將硬水軟化或有機物汙染物的去除。NF的分子截留量可控制在200~1,000 Da範圍，在許多純化(Purification)領域亦有相當多的應用。近年來與水相關的過濾與純化技術，對NF的需求漸漸變大，而因NF的分子截留量特點，除了常用的硬水軟化(Water Softening)、逆滲透膜與海淡型逆滲透膜(SWRO)的前端處理單元、汙水再生或減排單元，許多食品與藥品領域，亦開始使用NF進行產品的純化或濃縮，如特定食品級分子純化（多醣與單醣類分離）、高價值產品純化（胜肽藥物）與原物料脫水（蔬菜汁、果汁濃縮）。因其在分離過程不涉及相變化、化學變化，具有高效能、節省能源與低汙染的優勢，讓NF的應用慢慢被重視。
奈米過濾膜在水處理相關應用
目前濾膜應用以水處理所占比例最高。據聯合國統計，全球僅8%的淡水可供應用，當工業發展及都市化成長的需求逐年增加時，各國越來越重視水資源的有效果管理。2016年主要水處理膜薄膜市場中，RO及UF分別占40%及28%，為最常用的材料。UF-RO的串聯系統應用於再生水方面已多年且十分成熟，UF的功能主要可用來攔截水中的天然有機高分子，降低後端RO因汙染物而堵塞的可能。雖然UF解決了RO有機汙堵的問題，但在水質提濃(Concentration)的過程中，無法避免膜材表面結垢的現象。RO的結垢會降低膜材的產水量與脫鹽率，在每隔一段時間皆需要添加除垢藥劑，以改善膜材的使用效能，因此增加了許多藥劑成本與藥劑的汙染。
工研院在近幾年積極投入高分離率與硬水軟化用的NF開發，已建置膜材的製作與量測平台，可用於分析目前開發的膜材與市售膜材的效能比較。圖四為工研院自製的膜材與市售三種商品的平行效能測試，四種膜材以相同的測試條件進行比較。由圖中可看出，工研院自製之NF的分離率最佳，其分離效率約為市售商品3.9倍。由實際測試結果顯示，目前工研院自製NF在離子分離率有較好的分離效果，未來若應用於海淡前處理或是硬水軟化方面，將會有較大的應用潛力。
圖四、工研院自製NF與市售NF之(a)過濾效能；(b)離子分離效率比較
奈米過濾膜在濃縮與純化的應用
在工業上物料的保存與運輸上，目前熱處理仍然是減輕原物料淨重以及食品保存和濃縮最廣泛使用的方法。但是熱處理的濃縮會對營養成分產生負面影響（如食品的風味與香氣、營養成分、活性成分與酵素等）。近年來，膜處理技術已經成為傳統熱技術的替代技術，用於果汁的澄清和濃縮，廣泛應用於乳製品加工和飲料業。在果汁加工業，為了降低果汁的運送成本與延長儲存期限，會利用脫水濃縮的方式，降低原料的重量與造成腐敗因子，以達到降低成本的目標（圖五）。
圖五、柳橙汁的濃縮與原汁的運送
除了食品上的應用外，近年來由於新能源的開發與儲能需求增大，其中鋰電池因電子產品的發展，使全球市場對鋰的需求快速成長。2015年Sun團隊等人，利用市售NF探討在高鎂/鋰比的鹽水中回收鋰的方法，在這項研究中，除了研究在高鎂/鋰比的鹽水中分離和濃縮富集鋰的方法外，也模擬實際含豐富鋰資源的鹽水進行實驗…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》401期，更多資料請見下方附檔。