陳慶隆／明志科技大學；蔡翼澤、林冠佑／工研院材化所
水資源的匱乏與全球對淡水的需求日益增長，在各種開發新興水資源的方法中，以薄膜脫鹽技術最受重視，而薄膜特性為影響脫鹽效率之關鍵因子。相較於RO膜，仿生膜有較高選擇性和透水性等優點，其產水通量往往大於傳統RO膜數倍且於水處理脫鹽程序應用上極具可行性，因此仿生膜的開發與相關研究於近年有逐步成長之趨勢。本文就目前仿生膜發展現況與挑戰進行說明，期能提供各相關領域之研究人員及產業參閱。
【內文精選】
仿生膜發展現況
商售水通道蛋白薄膜已被證實其應用於水處理領域之可行性。丹麥哥本哈根的Aquaporin公司已成功將水通道蛋白(AQP)摻入了由多孔膜支撐的雙層(Bilayer Film)薄膜結構中，並已利用其專利技術開始生產水通道蛋白商業化薄膜Aquaporin Inside™。在Aquaporin Inside™膜之製作過程中，水通道蛋白表面由一層薄膜包覆，以確保在水處理過程中可以維持蛋白質的活性，而Aquaporin Inside™中空纖維膜組則是將蛋白質鑲嵌在中空纖維之內側以做為正滲透(Forward Osmosis; FO)的應用，其所生產的0.6 m2中空纖維膜組於小規格實廠應用下已證實可達99.99%脫鹽效能。
美國國家實驗室(Sandia National Laboratory)的研究團隊亦進行仿生膜的研究，在多孔陶瓷載體上利用原子層沉積(Atomic Layer Deposition)方式製作奈米多孔多肽仿生膜，並與陶氏(DOW)的FILMTEC™ SW30HR進行了比較。初步結果指出，這種仿生膜可減少跨膜流動阻力進而降低88%的能耗，對於每天處理10萬CMD的海水淡化廠，預估每年可節省約145萬美元。
仿生膜之結構
仿生膜的主要組成包含有：①水通道蛋白；②兩性之高分子聚合物；③多孔載體。雖然仿生膜中的水通道蛋白具有提供約10,000 LMH水通量的潛力，但在大規模實廠操作中要達到10,000 LMH以上的通量有執行上的難度。仿生膜的製作方式可大致分為兩類：①具有平面結構的仿生膜；②具有囊泡結構的仿生膜。
1. 平面結構之仿生膜
平面結構之仿生膜是指在多孔性的載體上嵌入水通道蛋白的雙層脂質。Langmuir-Blodgett方法為製作平面兩性膜(Planar Amphiphilic Membrane)的早期技術。Langmuir-Blodgett是將兼具親水和疏水的兩性分子分散在氣-液界面，經逐漸壓縮其水面上的面積（圖一(a)），使其排列成單分子層（圖一(b)），再將其轉移沉積到固體基底上所得到的一種膜（圖一(c)）。然而，合成過程當中使用過量的兩性物（界面活性劑），這可能會在單層沉積過程中引起缺陷並使氣-液界面中的蛋白質失去活性。因此，界面活性劑濃度過高往往被認為是造成仿生膜結構缺陷的原因。
圖一、Langmuir-Blodgett方法
仿生膜在脫鹽技術的應用
理想的仿生膜應具有良好的透水性，並能達到排斥溶質的最大效果。仿生膜須具備機械穩定性且能易於大規模的生產。依目前發展現況而言，製作技術雖已可生產高性能的仿生膜，但還是需要克服其應用於水處理脫鹽時之穩定性。
1. 仿生膜在RO/NF脫鹽程序之應用
目前，海水淡化技術還是以逆滲透為主，針對逆滲透的研究主要是降低其系統對於高壓之要求與減少膜結垢的問題。仿生膜的透水性比市售逆滲透膜大100倍以上，因此將仿生膜應用在RO系統，有助於在低壓條件下仍可獲得良好的水通量，並節省操作電費支出。表一為近期仿生膜在RO/NF脫鹽程序之應用。
表一、仿生膜在RO/NF脫鹽程序之應用
仿生膜的當前挑戰和未來展望
仿生膜在水處理的應用顯然可行。然膜材的放大與商業化仍然面臨一些挑戰，關鍵原因在於仿生膜在脫鹽程序中的耐用性和穩定性…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》403期，更多資料請見下方附檔。