研究新知
◎ 活性過濾膜 (Living Filtration Membranes)
隨著全世界對安全用水的需求不斷擴大，膜過濾器在製造安全飲用水的應用上是非常重要的一環。然而，膜過濾器的操作容易受到汙染 (特別是生物汙染)，在過濾程序中，生物汙垢乃由於微生物附著和生長而導致過濾性能下降。此外，膜的相對昂貴的價格影響普及性，膜的製程中需使用有機溶劑也影響了可持續性。
受到生物汙染的逆滲透膜 (左) 和生物膜的掃描式電子顯微鏡 (SEM) 影像 (右)。膜過濾過程中可能發生的幾種孔隙堵塞的示意圖 (下圖)。
為了克服傳統聚合物膜的缺點，許多人從生物系統中尋找靈感，創造了幾類仿生膜，例如將水通道蛋白 (生物水通道) 結合到合成膜中，藉由高水導率提高膜的通量。然而，這些仿生合成膜通常基於傳統的膜製造技術，同樣存在有機溶劑危害的問題。另外，一些水過濾膜採用自修復材料來克服傳統膜的缺點，例如甲醛、環氧樹脂、丙烯酸和聚電解質等聚合物，但修復區域的滲透性不足，需要改善重複修復的性質。
美國蒙大拿理工大學 (Montana Technological University) 最近開發了活性過濾膜 (LFM)，由細菌纖維素 (bacterial cellulose) 和來自細菌和酵母共生培養物 (SCOBY) 的天然微生物組成。SCOBY 是在流行的發酵茶飲料康普茶 (kombucha) 的釀造過程中生產，僅使用茶、水、糖、醋和發酵劑即可在 10 天內培育出 LFM 膜。用於生產 LFM 膜的所有材料不僅價格低廉且隨處可得，而且可生物降解，甚至可供人類安全食用，這與大多數其他過濾膜的製造方式有很大不同。
活性過濾膜 (LFM) 特性：(A) 在空氣-水界面生長的 LFM 的照片；(B) LFM 在戴手套的手上的照片；(C) LFM 的掃描式電子顯微鏡 (SEM) 照片，顯示纖維素纖維結構。
將活性過濾膜 (LFM) 與市售混合纖維素酯 (MCE) 膜 (Millipore Sigma) 進行超濾實驗比較。從膜的表面特性來看，雖然兩種膜都是親水的，但 LFM 的疏水性明顯高於 MCE 膜，許多汙垢物具疏水性，因此推測 LFM 實際上可能更容易受到污染。同時， LFM 膜較為粗糙和不均勻的表面，以及較弱的電負性，也推測 LFM 膜會比 MCE 膜容易受到汙染。
實驗室規模的端點過濾 (dead-end filtration) 示意圖。
然而，端點過濾實驗結果顯示，LFM 膜由奈米纖維緊密堆疊生長，具有 30 nm 的孔徑，其選擇性優於 MCE 膜的 50 nm 孔徑。利用金和聚丙烯奈米粒子測量 LFM 膜的選擇性與滲透率，LFM 膜的90% 截留粒徑為 30 nm，可攔截 >98% 的 50 nm 顆粒和 >99% 的 100 nm 顆粒，因此，LFM 膜能去除大多數細菌和微生物。儘管存在一些不利的膜表面特性，但 LFM 的通量在測試的三種水源中優於商用膜約 19%、33% 和 40%。在 LFM 膜表面的活生物量較少，表示對生物汙垢具有抵抗力，可歸因於 LFM 膜中大量的原生醋酸桿菌能阻止生物汙染細菌的生長，醋酸桿菌氧化有機碳並產生乙酸，成為有效的抗生物膜和抗菌劑。在總有機碳 (TOC) 濃度較高的水中，與 MCE 膜相比，LFM 的性能優勢更大，活生物量明顯更少。在 LFM 膜的癒合測試中，先使用手術刀在膜上切出一個 4 毫米的切口或用大錐形針在膜上製造一個直徑為 2 mm 的孔，雖然缺口導致通量快速增加，但隨後在 4-17 天內通量減少到起始通量的 110-250% 以內，此趨勢表示經過適當的時間，LFM 膜將能恢復到其原始通量，具有良好的自癒能力。
活性過濾膜與市售聚合物膜的比較
活性過濾膜 (LFMs) 可以利用便宜和可持續的方式生產，儘管存在一些不利的膜表面特性，但由於 LFM 膜內部的大量的原生醋酸桿菌，對生物汙垢具有抵抗力，通量表現明顯優於商用膜，同時具有良好的自癒能力，未來可以持續研究增加滲透性、提高效率，拓展 LFM 膜作為超濾膜的應用潛力。
資料來源：
台灣過濾與分離學會 Taiwan Filtration and Separations Society
