研究新知
◎ 貽貝激發新型奈米多孔膜的設計靈感
電透析 (Electrodialysis, ED) 技術是利用電場驅動的薄膜分離技術，可用來做為脫鹽、濃縮與純化等不同用途。電透析系統是讓水流經交替排列之陰、陽離子交換膜間，在直流電場作用下驅動離子通過滲透選擇性離子交換膜，如此離子可被去除或濃縮在另一水道。由於不是藉由壓力讓水通過薄膜，因此電透析系統相較於其他薄膜技術之操作壓力較低，對有機結垢之容忍度也較高。
最近在 Nature Water 期刊上發表的一篇研究論文介紹一種新型薄膜複合奈米多孔膜 (Thin-Film Composite Nanoporous Membranes, TFC NPM) 的製備與性質，其獨特的特性可應用於製藥、石油和天然氣、紡織和食品加工等產業的永續水資源管理。該論文由英國巴斯大學的學者以及中國、韓國、新加坡、澳大利亞和比利時的研究人員共同撰寫。研究人員在設計膜表面塗層時從貽貝身上獲得靈感，該塗層由聚合物聚乙烯亞胺 (PEI) 和聚多巴胺 (PDA) 組成，聚多巴胺是貽貝排泄的化合物，在潮濕條件下用來黏附在岩石或木材上。塗層的黏性使膜具有高度選擇性，允許水通過但阻擋其他化合物和有機材料。這種多階段過程可以改善水的過濾，並以高效、低能耗的方式單獨分餾或分離化學品。
研究人員在設計膜表面塗層時從貽貝中獲得了靈感。
整合壓力驅動奈濾 (奈米多孔膜，NPM) 和電透析法 (低/零壓電驅動) 的技術優勢，該研究設計一種使用 TFC 奈米多孔聚醯胺的新型電驅動膜系統 (PA) 膜 (截留分子量 (MWCO) 為200–1,000 Da) 作為陰離子傳導膜 (ACM) 來取代傳統電透析中使用的陰離子交換膜 (AEM)，既能減輕膜汙染又能加速離子轉移。由於膜的奈米孔結構，陰離子可以在直接電場下通過 TFC PA 膜的奈米通道遷移。然而，由於奈米孔 TFC PA 膜帶高負電荷，可透過靜電排斥大幅阻礙陰離子轉移，降低海水淡化效率。因此，為了調節膜的表面特性，研發出新的仿生聚多巴胺 (PDA) 的 PA 奈濾膜塗層，從分子角度調控奈米多孔PA膜的表面特性，增強電荷屏蔽效應，進而增強陰離子傳輸和溶質選擇性，同時有效分離有機物而不汙染結垢。
表面工程 TFC NPM 作為 ACM 用於有機物和 NaCl 電透析分餾的設計和表現。a：TFC NPM的多巴胺仿生塗層示意圖。b：新型電驅動分離過程的堆疊配置，使用 PDA/PEI 塗層 NPM 作為 ACM，用於有機物和 NaCl 的一步電透析分餾。c：鬆散TFC NPM基板的表面和橫截面SEM圖像。d：PDA/PEI 塗層 (NPM-6) 36 小時後 TFC NPM 的表面和橫截面 SEM 影像。e：TFC NPM 的表面親水性。f： TFC NPM 的 Zeta 電位。g：TFC NPM 的比面積電阻。h：聚乙二醇聚合物的分子量與其對 TFC NPM 的排斥之間的關係。
使用分子量為 682 ± 17 Da 的鬆散聚 (哌嗪醯胺) (poly(piperazine amide)) TFC NPM 作為基材，在 pH 8.5 下共沉積多巴胺和 PEI 來製造高陰離子傳導性 TFC NPM。將塗覆的TFC NPM暴露於多巴胺/PEI溶液中不同的持續時間，即6、12、18、24、30和36小時，多巴胺和 PEI 在鬆散的 NPM 基材上的共沉積是透過席夫鹼或/和邁克爾加成反應誘導，厚度 87.5 ~ 135.0 nm。由於帶有正電荷的 PEI分子與多巴胺共聚，塗層NPM的表面變得更加親水並且帶較少的負電荷，使塗層 TFC NPM 的比面積電阻從 10.47 Ω cm 降至 5.69 Ω cm，有利於增強電場下的離子電導率。同時，塗層TFC NPM 的孔徑顯著減小，這可以增強有機物的阻擋率，相對於無機鹽 (NaCl) 具有更高的有機物選擇性。
使用NPM-6膜作為ACM對頭孢曲松鈉/氯化鈉混合溶液 (鹽度~12 g/L NaCl) 進行分級的 18 循環電透析分離過程。a：濃縮液和稀液中電導率的變化。b：稀釋液中的 NaCl 含量及其脫鹽效率 (插圖：NPM-6 結垢前後的比面積電阻)。c：濃縮液中頭孢曲松鈉的含量及其回收率。d：頭孢曲松鈉和氯化鈉電滲析分級過程中 NPM-6 膜陰離子轉移的示意圖。
為了挑戰 PDA/PEI 塗層 NPM 用於分餾抗生素/NaCl 混合溶液的長期可行性，作者研究了 18 週期電驅動分離操作的 NPM-6 膜的汙染情形。在這個 18 個循環的電驅動分離操作中，觀察到抗生素 (即頭孢曲松鈉) 和NaCl 在每個循環中的分離性能幾乎相同，具有TFC NPM 優良的長期穩定性和穩定的高脫鹽效率 (99.3 –99.4%)。NMP-6 膜優異的整體分餾性能可以歸因於其相對較小的孔徑，充分保留了有機物，並透過其奈米通道的堵塞阻止有機物滲透到內部孔結構中，確保有效的陰離子轉移和有機物的回收 (>99.2%)。此外，NPM-6 膜的帶負電表面在一定程度上有助於有機物的靜電排斥，降低結垢傾向。
因此，在電滲析分離過程中利用仿生 PDA/PEI 塗層的 TFC NPM 作為 ACM 可以促進從含有抗生素的富含有機物的鹽溶液中有效地一步分離有機物和無機鹽（即 NaCl），顯著優於市售 AEM。這項概念驗證研究旨在有效篩選有機鹽和無機鹽，以便從各種富含有機鹽的廢液中進行資源回收，應用於廢液的永續管理。
資料來源：
台灣過濾與分離學會 Taiwan Filtration and Separations Society
