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科學家研發高效率分離油水鍍膜
油進到水中造成的汙染一直是石化工業﹑半導體製造與食品工業所需要處理的問題之一﹐也讓「油水分離」成為許多材料﹑化學﹑化工等科學家的挑戰。研究團隊成果揭露了一款奈米結構的不銹鋼鍍層搭配有機膜﹐可有效用於油水過濾﹐分離選擇性率超過99％﹐具有非常強大應用潛力。
廢水中油滴的大小會決定處理廢水的難易程度﹐油滴根據大小可以分成滴徑小於20微米(μm)的乳化油(emulsified oil)﹑滴徑在20~150 μm的分散油(dispersed oil)﹑滴徑大於150 μm的游離油(free oil)。其中滴徑最小的乳化油在與水分離時格外困難﹐因為油滴極小﹑濃度極低﹑而且乳化的穩定性較高。處理含油廢水需要兼顧有效率﹑節能又經濟﹐工業常用的分離油水的方法﹐包括重力分離(gravity separation)﹑撇油(skimming)﹑溶氣氣浮(dissolved air flotation)等方法﹐但是這些方法都難以有效的處理乳化油﹐特別是滴徑小於1 μm的乳化油。研究團隊將不銹鋼鍍層與多種商用有機膜材料結合做測試﹐包括玻璃纖維﹑聚醚碸樹脂(polyether sulfones, PES)﹑聚偏二氟乙烯(polyvinylidene difluoride, PVDF)﹑聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene, PTFE)以及混合纖維素酯(Mixed cellulose ester, MCE)結合。最終發現到混合纖維素酯濺鍍(sputter deposition)上一層金字塔奈米結構的不鏽鋼鍍層﹐應用於油水過濾效率極佳。不鏽鋼的鍍層本身展現出了良好的抗汙染﹑生物惰性﹐且強度﹑延展性﹑抗腐蝕性也相當持久。而混合纖維素酯的超親水表面﹑水下疏油性以及調節表面孔隙的能力﹐均使得混合纖維素酯加上不銹鋼鍍膜有良好的滲透力。
一般來說﹐薄膜分離時的孔徑大雖然能提高通量﹐卻也會導致分離效率變差﹐因此水通量與油水分離率存在著互相權衡的取捨關係。混合纖維素酯與不銹鋼鍍層每平方公尺每小時通量將近1600公升﹐並且油與水的分離選擇性超過99％。不只分離效率高﹑水通量也大﹐可說是薄膜分離界的一大突破。更特別的是混合纖維素酯與不銹鋼鍍層的真空鍍膜製程可在常溫下完成﹐有利於商業化大規模量產﹐可大幅協助解決工業油水﹑廢水的問題﹐並降低淨化水的成本。
國隊上將潔淨水與衛生列為17項永續發展目標(Sustainable Development Goals, SDGs)之一﹐在循環經濟的需求之下﹐研發出高效﹑節能﹑壽命長的汙水處理分離材料是非常重要的議題。研究團隊於新聞稿中表示﹐混合纖維素酯加上不銹鋼鍍層的發現﹐不僅是首度嘗試﹐更是現階段突破紀錄的最高分離效率﹐未來也將繼續研究﹐以瞭解相關應用於半導體產業的廢溶劑處理的潛力。
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