研究新知
◎ 邁向永續未來的先進過濾技術
水對於所有生物都是不可或缺的必需品，據聯合國估計，美國平均每人每天使用590公升的水進行沐浴和飲用等活動，但在西非的馬利共和國，由於獲得清潔水困難和生活方式等因素，每天的用水量僅為11公升。因此，聯合國已將水和衛生設施的可利用性和永續管理訂為其永續發展目標之一。為解決世界各地社區和國家面臨的水資源挑戰，新加坡南洋理工大學(NTU Singapore)的研究人員正在開發創新技術，以淨化水並有效處理廢水，以下列出該校的5項研究近況：
1.重金屬過濾器
重金屬對水的污染是一個嚴重的環境和公共健康問題。由於採礦和工業活動，河流和地下水等水源越來越容易受到重金屬污染。新加坡南洋理工大學和瑞士蘇黎世聯邦理工學院(ETHZ)的科學家利用花生油和葵花籽油生產過程中產生的植物廢料，研發一種低成本的方法來過濾水中有毒重金屬，使其符合國際飲用水標準。首先從油籽中萃取蛋白質，並將其轉化為奈米級類澱粉微纖維(amyloid fibril)，這是一種由緊密纏繞的蛋白質製成的繩狀結構。用這些微纖維和活性炭製成混合膜，就像分子海綿一樣，類澱粉微纖維在重金屬離子穿過膜時將其吸附捕獲在水中，可去除高達99.89%的重金屬，尤其對去除鉛和鉑方面最有效，其次是鉻。研究人員估計，需要16公斤的葵花籽蛋白才能過濾一個鉛含量400 ppb的游泳池。
將花生油和葵花籽油生產過程中產生的植物廢料轉化為可去除重金屬的薄膜。
2.去除砷
新加坡南洋理工大學和尼泊爾的研究人員建造了一個生物砂濾系統，可以去除地下水中發現的有毒砷，為尼泊爾的兒童及其社區提供安全的飲用水。該淨水設施位於尼泊爾地下水中砷含量較高的納瓦爾布爾(Newalparsi)地區，由三個1,000公升的水箱按高低依序排成。沈澱池放在最高的架子上，使懸浮在水中的顆粒沈澱下來。水被轉移到中間水箱，使用鐵釘、磚屑沙子的組合進行過濾，水中的砷被鐵吸引並從水中去除，然後將乾淨的水儲存在第三個也是最低的水箱中，民眾可以透過水龍頭輕鬆取用。
生物砂過濾系統包括三個水箱。
3.脫鹽膜
在新加坡這樣的土地稀有國家，要獲得足夠的清潔飲用水是一項挑戰，因為沒有足夠的空間建造水庫收集和儲存水，因此，海水淡化是滿足日益增長的飲用水需求的重要工具。為了提高海水淡化的能源效率，新加坡南洋理工大學的南洋環境與水資源研究所(NEWRI)正在與新加坡國家水務機構(PUB)合作，測試可減少海水淡化過程中所用能源的新型膜。與用於海水淡化的商業膜相比，這些新型膜的透水性提高了40-50%，因此，可以使用更少的能源來得到純淨飲用水，有助於減少碳排放，這對於降低氣候變遷的影響非常重要。其中一種薄膜是嵌入了水通道蛋白的魚菜共生(aquaponics)系統，這些蛋白質使水能夠快速輸送到植物和動物細胞中，顯著提高膜對水的滲透性。另一種膜使用生物分子，也可以提高其透水性。由於水分子更容易通過這些薄膜，因此，在海水淡化過程中，泵水通過膜所需的能量比傳統海水淡化減少10%。
新加坡膜技術研究中心主任Wang Rong教授(左)和該中心研究員。
4.3D列印膜
隨著工業化和城市化的快速發展，越來越需要處理所產生的廢水，並在排放前將其造成的污染降至最低。新加坡南洋理工大學土木與環境工程院副教授Darren Sun開發了一種3D列印膜，可以比現有膜更快地過濾廢水，已由衍生公司Nanosun進行商業化。與使用傳統技術製造的傳統膜相比，傳統膜使聚合物形成多孔，因此可以作為過濾器，Nanosun膜利用3D列印數百萬個聚合物奈米纖維製成，每一根都比頭髮細五倍，經過層層疊疊，形成薄膜。此種膜的結構增加了捕獲或排斥汙染物的表面積，同時水分子通過速度比傳統聚合物膜快5倍。
含水通道蛋白的膜和測試其性能的設備。
5.使用細菌去除廢水中的磷
全球暖化導致氣溫上升，預計會阻礙從廢水中去除磷的過程，未經處理的廢水中的高磷含量可能會促進藻類的快速生長，導致水中氧氣耗盡並放出大量的毒素，使魚類等水生生物死亡。目前在廢水排放前去除磷的生物方法在25℃以上的溫度下可能會失效。新加坡南洋理工大學環境生命科學工程中心(SCELSE)和新加坡國立大學的科學家利用聚磷菌(Candidatus Accumulibacter)開發一種在25℃以上去除廢水中磷的方法。〞這種在廢水處理廠中發現的細菌可以從廢水中吸收超過生長所需的磷，並將其代謝為聚磷酸鹽顆粒儲存在細胞中。在中性pH值30-35℃的反應器中培養細菌，經過6個小時後，細菌從廢水中去除了大部分的磷，並維持了300多天，不僅可以幫助生物除磷，還可以儲存後重新導入農業系統。
SCELSE副中心主任Stefan Wuertz教授和進行細菌和廢水實驗的生物反應器。
資料來源：
台灣過濾與分離學會 Taiwan Filtration and Separations Society
