◎微調膜材以提升液體過濾效能
根據印度的市場分析公司 Fortune Business Insights 的數據，2024 年全球過濾膜的年銷售額為 83 億美元，預計將以 7% 的年均複合成長率（CAGR）增長，至 2032 年達到 142 億美元。
在 2024 年 11 月 12 日於德國科隆舉行的 Filtech 過濾技術會議中，德國MANN+HUMMEL 公司的膜開發高級經理 Steffen Schütz 教授發表演講，介紹液體過濾膜技術的主要市場與應用、新興研發成果，以及在性能需求與環境法規之間所面臨的挑戰。
MANN+HUMMEL公司的 Bio-Cel膜生物反應器模組（MBR）
自然的標竿
造物者以人體細胞膜為我們提供了濾膜在設計、多功能性和選擇性方面無與倫比的標竿。濾膜是用於過濾與分離的半透性薄層結構，具有高選擇性的運輸能力，可從多組分混合物中分離出單一成分。濾膜已廣泛應用於九大液體處理膜分離的市場，包括：廢水處理廠、潔淨水與飲用水製造、食品、乳製品與甜味劑加工、化工業、紡織業、製藥與生物科技、電子業、汽車業以及金屬製造業。
常見膜材類型分為四種，其中最普遍使用的是聚合物平板膜。針對特殊應用，也會使用陶瓷、金屬或玻璃材質。其他膜結構包含擠出式管狀膜、中空纖維膜與多通道膜。可選擇微濾（MF）、超濾（UF）、奈濾（NF）等平板膜，通常結合不織布支撐層。中空纖維膜則同樣具備聚合物多孔膜層；逆滲透（RO）膜則結合非多孔上層與多孔膜層。
市面上亦有多種模組設計：中空纖維模組、螺旋捲繞元件、毛細管模組與膜生物反應器（MBR）模組。這些模組的操作方式分為濾餅過濾(dead-end filtration)與掃流過濾(cross-flow filtration)。通常一座典型的海水淡化廠可包含 10 到 2 萬個濾膜模組。
MANN+HUMMEL Bio-Cel膜生物反應器模組（MBR）
過濾組件製程
在濾膜模組的生產中，必須在初期投資與能源效率間取得平衡。關鍵性能指標包括：高抗汙染能力、精確的分離特性、製程穩定性與良好的可清洗性等。螺旋捲繞過濾模組可搭配多種膜層（如 RO、NF、UF、MF）或客製化膜層，並配合不同進料與產水間隔材料，以控制汙染、阻塞並提升清洗效率。
微濾膜分離範圍為 10–0.1 μm，超濾為 100–10 nm，奈濾為 10–1 nm。RO 膜則能去除雙價離子及單價離子，適用於海水淡化處理。膜層與間隔設計對過濾組裝效果極為重要，膜層間的間隔材料會直接影響分離效果。同時，膜材、模組的一致性及再現性亦為製程關鍵。
聚合物膜製造
聚合物膜常見的製造方式是「非溶劑誘導相分離」（NIPS），即從聚合物溶液鑄膜，再通過凝固水浴使其固化，形成多孔結構，後續進行沖洗、退火與乾燥等處理。其他相分離技術還包括熱誘導（TIPS）、蒸氣誘導（VIPS）與部分溶劑揮發結合 NIPS。亦有部分膜材採用擠出技術製作。
MANN+HUMMEL PureULTRA中空纖維超濾膜模組
Schütz 教授的研究項目主要集中在以下幾個領域：
◎ 分子接枝技術
Schütz 教授的研究涉及透過接枝功能性大分子層（如高分子）來改變超濾（UF）和奈米過濾（NF）膜的表面特性，從而提高膜的親水性、減少汙染、降低清洗頻率以及減少能源消耗。
研究團隊在膜的表面進行調控，透過接枝兩性分子（例如氨基酸）來調節膜的表面電荷，這可以提高膜的選擇性分離性能，特別是在乳品等高品質產品的製程中，這樣的膜可以達到更高效的蛋白質分離。
◎ 表面電荷與分離選擇性
表面電荷設計可促進蛋白質的高度選擇性分離，應用於乳品等高品質製品。LBL（層層自組裝）技術運用不同聚電解質塗層組合來控制通量與分離效率，並透過 Zeta 電位調整膜層特性。可進一步透過戊二醛交聯來增加離子排斥率與膜層穩定性。另一新興技術為氧化石墨烯塗層，可透過氣相沉積或噴墨列印製作。為提升選擇性，可控制層間通道高度，並利用碳通道中低摩擦的特性提升水通量。
◎ 仿生膜結構的開發
Schütz 教授的團隊正在開發仿生的超濾與奈濾膜結構，這些膜結構模仿水通道蛋白（Aquaporin）的結構，透過聚醯胺塗層固定水通道蛋白，達到高效的水流導通性。這些結構的水導通性可達每秒 30 億個水分子，與逆滲透（RO）膜相比，能在中等鹽濃度下提供類似的水通量。
◎ 逆滲透膜表面塗層
在水淡化 RO 膜中，功能性表面塗層的聚醯胺化學已成為主流，形成薄膜複合結構，以 UF 膜作為支撐。此類塗層常採界面聚合技術，透過不同胺類與氯酸單體調控透水率與鹽排斥率。最新研究聚焦於 PA 塗層的結構微調，以優化 RO 效能。
RO 應用中的典型權衡為水通量與鹽排斥率。塗層密度與厚度決定性能：密實 PA 層限制水通量，但可提高鹽排斥；反之則水通量增加，但排鹽率下降。目前頂尖膜材即使在海水淡化中，也能達到 99.9% 的鹽排斥率。此外，透過操控支撐層結構、添加犧牲性中間層、引入奈米填料提升親水性、創造奈米級「脊/谷」結構與添加表面活性劑，皆能進一步強化膜效能。
◎ 綠能應用中的膜技術
Schütz 教授也致力於將膜技術應用於綠色能源領域，包括在氧化還原液流電池中的應用，用作高容量、高功率的靜態儲能設備，以及離子交換膜在充電和放電過程中離子轉移的核心用途。現在的重點是開發無氟且成本和能源高效的新型薄膜概念。在綠氫經濟中，膜被用於水處理以提供高純度水，同時也是電解槽內節能離子轉移的核心部件。然後進一步利用它們去除水和氧氣殘留物，以實現安全的氫氣運輸和儲存。
膜過濾面臨的挑戰與機會
膜材的發展面臨諸多法規挑戰，例如 PFAS（永久化學物質）的禁用。PFAS 過去常用於膜材表面保護與防水塗劑。含氟聚合物如 PVDF 與 PTFE 也可能被禁用。歐盟 REACH 法規也即將限制常用溶劑如 NMP、DMF 和 DMAc 的使用，目前業界正探索綠色溶劑替代方案。這迫使產業重寫配方與製程參數，雖然已達到一定性能，但尚無長期工業實績。此外，食品與製藥等行業也必須進行新認證程序。另一可能被禁用的成分是雙酚 A（BPA），它是製作聚醚酮類膜材（如 PSU）時的聚合起始劑。
Schütz 教授總結表示，膜材將成為生命科學、環境保護與綠色能源系統中的關鍵技術。目前在膜表面化學、結構、替代材料與應用調校方面都出現重大創新。當前的關鍵挑戰是取代現行膜材以實現永續發展，並將科研成果轉化為量產產品，同時取得各行業必要認證。不過，能源應用所帶來的新市場、膜產品回收技術，以及新材料的開發，正在帶來大量未來的新機會。
資料來源： 1. Fine Tuning the Membranes for Performance of Liquid Filtration. https://www.filtnews.com/fine-tuning-the-membranes-for-performance-of-liquid-filtration/
台灣過濾與分離學會 Taiwan Filtration and Separations Society
