研究新知
◎ 自組裝兩性離子共聚物作為具有優異抗汙染性的選擇性膜
膜過濾是一種節能、環保、模組化的分離技術，且佔地面積小及出水品質高。濾膜通常以膜的孔徑來表示，孔徑在 ~1 nm 範圍內的膜可用於紡織廢水處理、藥物純化和生物分離等。然而，在這個孔徑範圍內可用的商用膜非常少，而且由於孔徑分佈較寬，可用的膜在所需組分之間的選擇性不佳。這些膜通常還具有帶電表面，受到溶質大小、電荷以及溶質與膜之間的化學相互作用的影響會導致排斥。此外，大多數商用膜都存在低通量和高汙染問題，汙垢是進料成分在膜表面黏附和累積引起的膜滲透性的損失。結垢會導致通量下降，導致生產率降低和能源成本增加。
結垢的示意圖，包括塵餅/凝膠層、孔隙堵塞和吸附。
薄膜海水淡化技術以逆滲透法(RO)為主，是海水淡化技術的新主流，目前約有6成的淡化廠採用，且比重逐年提高。逆滲透法盛行的主要原因在於建廠快速、消耗能源較少、操作容易，大型逆滲透海水淡化廠的興建費用與產水成本已經低於其他海水淡化製程。而奈濾(NF)膜可在較低壓力下去除二價離子，以便於水的再利用和預防結垢。許多工業水回收和再利用應用需要選擇性去除二價離子（例如 Ca2+、SO42−），同時允許 NaCl 通過。因此，迫切需要具有更高選擇性和抗污染性的 RO/NF 膜。
美國塔夫茨大學(Tufts University)的Asatekin教授團隊利用兩性離子兩親共聚物 (ZAC) (其為疏水性和兩性離子單體結構單元的非晶共聚物)來開發自組裝水過濾膜。兩性離子是親水性分子，含有相同數量的共價結合的正電荷和負電荷。由於兩性離子的獨特性質，ZAC 可以自組裝形成約 1.5 nm 兩性離子奈米孔網絡。在多孔支撐物上方塗佈一層薄的 (~ 1 µm) ZAC 層製成複合膜，在水過濾過程中，兩性離子區充當親水性奈米通道網絡，用於傳輸水和小溶質。由於兩性離子的強烈水合作用，這些膜表現出前所未有的抗汙染性，在過濾含有高濃度油和生物大分子的廢水流時完全保持其滲透性。在 24 小時的蛋白質汙染實驗中通量維持不會下降。由與 2-甲基丙烯醯氧乙基磷酸膽鹼的共聚物製備的膜親水性最強，透水率最高，高於類似孔徑的商業膜。
兩性離子非晶共聚物自組裝以形成透水奈米通道網絡之示意圖。
Lounder進一步開發一種控制奈米孔徑的方法以實現新的分離，利用具有 ZAC 選擇性層和可交聯的疏水相的自組裝複合膜來調控的次奈米孔徑 (≈ 0.9 nm)，即透過控制奈米孔水溶脹的新型可延展性紫外光交聯方法，將奈米孔徑減小至次奈米孔徑，提高離子選擇性和對不可逆污染的抵抗力，應用範圍從去除大型有機物到去除硫酸鹽和水軟化皆可。例如，從鹽水流中選擇性去除 SO42- 離子，這對於各種石油和天然氣提煉過程、工業用水和廢水處理以及處理硫酸鹽含量高的地下水源極為重要。交聯度最高的膜具有最小的奈米通道，達到最高 Cl-/SO42- 選擇性，該膜對於單鹽溶液達到 S(NaCl/Na2SO4) = 101，對於人工海水達到 S(Cl−/SO42−) = 75，優於最先進的膜技術。同時，強水合的兩性離子基團提供對天然有機物和蛋白質優良的抗汙性。這些關鍵特性與高透水性和可調控選擇性相結合，使這種新型膜系列能夠解決各種分離問題，可應用於水回收、工業水再利用及高有機物含量廢水的處理等。
複合膜表面具有厚度∼300−500 nm的P(AMA-r-SBMA)選擇性膜
高度交聯的 ZAC 膜 具有優於文獻的 Cl-/SO42- 選擇性
資料來源：
台灣過濾與分離學會 Taiwan Filtration and Separations Society
