研究新知
◎ 用於油/水乳液的高選擇性和高滲透性分離膜的可調控奈米結構不銹鋼塗層
感謝童國倫教授團隊葉佾叡同學撰稿
本學會童國倫常務理事跨領域與台科大及明志科大合作研發「油水分離膜」成果卓越，成功刊登在Nature期刊旗下的npj Clean Water專業期刊(Impact Factor 12.19)，此期刊為水處理和潔淨水方面的頂尖論文，相關研究成果亦獲得專利。
由於工業的快速發展，不斷增加的溢油事故造成了嚴重的經濟損失和破壞了生態環境，在2023年3月20日，科威特石油公司(Kuwait Oil Company)發生陸上漏油事件。在2023年3月26日英國最大陸上油田在當地時間驚傳發生漏油事故，約有200桶包含石油的儲油層液體洩漏至普爾港(Poole harbor)。在2023年2月28日，菲律賓一艘載有80萬升燃料油(thick oil)的油輪「皇后號」(The Princess Empress)約60%的燃料油已洩漏到海裡，散佈於面積超過162公里的水域中…等等溢油事件頻傳。含油廢水的處理也造成大量工業污染，造成環境污染迫在眉睫，其影響作物生產以及威脅到人類健康和水資源的危機資源(地下水和飲用水)。然而，傳統的處理技術，如撇渣、浮選、混凝和生物處理，不適合完全去除表面活性劑穩定的水包油乳液，主要因其體積小油滴(小於20 μm)。因此開發有效處理含油廢水的技術，在工業領域中具有重要意義。
「循環經濟」觀念的興起，高效的分離系統及材料是非常重要的議題。「膜過濾」的技術由於其高分離效率、低能耗及小尺寸，目前正被作為一種前瞻的工業處理方式。在機制中，理想的乳化液分離膜設計成具有優良的水通量和高抗油污能力的組合，從而提供高分離效率和長期運行穩定性。近年的發展趨勢朝向「超親水-水下超疏油性膜」的發展引起了極大的關注，因為它們不僅具有對水的親和力，導致高滲透通量，並且還顯示出超低甚至接近零的油黏附在膜表面、導致具有極佳的抗油污性能。因此全球執行水資源應用的研究人員都一直在尋找高效、省能、能有較長使用壽命的材料，應用在工業處理廢水，但大部分的材料無法同時符合業界需求更甚至於大面積製造。
為了解決工業上產品的需求及製造問題，台大、台科大、明志科大三校團隊跨域合作，近日透過「金屬鍍膜」有效提高油水分離過濾膜的效能。藉由物理氣沉積(Physical Vapor Deposition, PVD)的方式可於常溫下完成，有利於商業化大規模的量產，並且可控制微米及奈米級不銹鋼結構於無機和有機薄膜表面，藉由表面及縱面的分析，說明不鏽鋼金屬結構，有效的負載於混合纖維素酯(Mixed cellulose ester, MCE)來進行油水及乳化液分離的應用。
混合纖維素酯奈米結構的不銹鋼鍍層膜結構分析。表面結構分析 (a)光學影像 (b)低倍率掃描式電子顯微鏡影像 (c)高倍率掃描式電子顯微鏡影像。縱向結構分析 (d)電子顯微鏡影像 (e)穿透式電子顯微鏡影像 (f)高倍率穿透式電子顯微鏡影像。
藉由表面似三角形金字塔不銹鋼結構，讓複合薄膜整體呈現超疏油奈米結構，表面能更高達近80 mJ m-2，除此之外藉由最適化鍍膜參數，有效的減少高分子孔徑，讓表面孔洞由約2 μm縮小至約200 nm，此複合薄膜藉由「超親水結構」「孔洞大小」和「奈米級通道」之協同效應，打破傳統薄膜應用於乳化液分離的效能，可以有效分離多種乳化液及抗汙之能力，此研究成果在孔徑200 nm下，每平方公尺每小時的通量將近1600公升(甲苯/水 乳化液)，分離效率高達99%以上，不只分離效率高、水通量也大，更可以應用於高溫、酸性及鹼性環境下，是薄膜分離界的一大突破。
乳化液分離之應用 (a)分離應用之光學影像 (b)分離效率及通量之文獻比較 (c) 薄膜孔徑及通量之文獻比較 (d)彎曲測試 (e)抗汙測試。
台大等3校團隊研發「油水分離膜」，不銹鋼奈米結構複合薄膜可以利用半導體大面積製程生產，並附於薄膜表面超親水特性、奈米通道及高穩定的化學物性化性，對汙垢具有抵抗力，更可達到高通量及高分離率的薄膜結果，同時具有良好的可撓性，未來可以應用於半導體溶劑分離、一價鹽純化及奈米發電機等應用之潛力。
半導體油水分離有高效解方，台大等跨校團隊合影(a,b)。(a)圖為團隊成員如台大化工系教授童國倫（後排左一）、台科大材料系講座教授朱瑾（後排中）、台科大化工系教授江偉宏（後排右一）和學生們。（台科大提供）。
資料來源：
台灣過濾與分離學會 Taiwan Filtration and Separations Society
