何謂薄膜(MembraneFilter) - 社會議題

By Harry
at 2006-12-11T00:00

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如題何謂薄膜(Membrane Filter) 從物理或化學的觀點說明之？

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By Ina
at 2006-12-13T09:12

薄膜系統為環工常用的分離技術之一，特別是用在分離及淨化方面。薄膜過濾為使單一進流液體分成兩道出流液體，一道液體中特定物質經半滲透性薄膜集中濃縮後，濃度明顯高於另一道液流。
薄膜系統具有將微粒自溶解性物質分離，或由溶解性物質自身分離之能力，故薄膜系統可應用在濃縮或純化最終產物。選用適當的薄膜，可隔離特定尺寸的溶解物，並允許其他類的溶解性物質滲透過薄膜。由於薄膜具有可靠度及成本效益，故用來進行選擇性分離使用，以增加產物之獲得，而毋須使用添加物、膠凝劑、預覆化學物質(pre-coat chemicals)等。另進流水水質變動幅度大時，對於過濾的品質僅有小幅度的影響，亦由薄膜過濾的優點之一。
薄膜種類
　　進流液體的特性為選擇薄膜種類的主要決定因素之一，例如：溶解性固體的成分、溶解性物質的分子重、及懸浮物質的特性及濃度。進流時的pH及溫度亦為選擇薄膜種類的因素之一。
由附表及圖得知逆滲透(reverse osmosis, RO) 可過濾最小的分子，其用途為水或下水方面的淨化。接著為奈米過濾(nanofiltration, NF)、超過濾(ultrafiltration, UF)，及最後的微過濾(mircofiltration, MF)，MF主要用在次微米微粒的過濾。從以上的過濾種類可知這些分離程序的不同主要為分離尺寸由數埃(angstroms, 10-10m)至數微米(microns, 10-6m )，薄膜內部壓力大小自高壓系統的1,000psi至低壓系統的15psi。
RO運用緊緻的薄膜過濾大部分的溶解性物質如低分子量有機物、糖及鹽類等，其系統壓力須大於含溶解性物質的水或溶劑的滲透壓，以穿透半透膜，故常用來處理廢水如掩埋場滲出水或濃縮柳橙汁、茶或咖啡等。
NF為介於RO及UF之間的過濾方式，常用於除礦化(demineralization)和濃縮去除分子量在100~500的物質。
UF在工業上的用途廣泛，如染整廢水及紙漿廢水，或果汁的澄清等。
MF則運用於較大尺寸的過濾，常用材質為陶製或聚合物(polymeric)，用途為廢水處理、食品、飲料、藥品及化學工業等。
薄膜外觀與材質
　　薄膜技術的發展主要為兩方面，其一為薄膜包裝的方式，如管狀式(tubular)、螺旋式(spiral)、平板式(flat-sheet)及中空纖維式(hollow-fiber)等各種不同幾何特徵，另一則為薄膜材質，薄膜材質常為聚合物或陶製物。
管狀式薄膜的主要優點可處理具高濃度懸浮固體的黏滯性液體，並可以化學或機械方式清理薄膜。管狀式聚合物薄膜通常裝置於不鏽鋼或塑膠模組內。螺旋式薄膜其優點為高裝填密度(high packing density)，將濾材如同三明治般包覆起來，因高裝填密度的緣故具有較高的可供過濾薄膜表面積，惟使用時需小心進行預過濾(pre-filtration)濾除懸浮固體，以避免阻塞。中空式纖維薄膜為在每一中空部分含有突出纖維(extruded fibers)之高裝填密度薄膜，過濾方式可由內向外過濾或由外向內過濾，可進行反沖洗。雖然其對懸浮固體的忍受度較螺旋式為高，但使用上仍常加上預過濾程序，以保護薄膜。薄膜在不間斷使用時壓力需小於30 psi。
實務上，聚合物製螺旋式薄膜通常用在高產物產量需求時；而聚合物管狀式薄膜適用於需較少的維護操作，及含有懸浮物質之高黏滯度流體狀態，其常以機械式清理。聚合物薄膜可使用於侵蝕性或酸性狀態下，如化學回收及廢棄物質減量方面。陶製薄膜的選擇受薄膜實際應用所處之環境、溶劑濃度、pH值範圍及其他因子所限，故常應用於UF及MF等較大尺度物質之過濾及分離。陶製薄膜的設置成本高於傳統聚合物薄膜，但其操作壽命較長，故可抵銷初期較高的設置成本。
依據污染防治、水處理工程等目的之不同，所採用的薄膜即有所差異。在實務應用方面，可藉由標準設計的方式，以最少的測試方式來設計薄膜單元；或另由工程師依薄膜用途、操作方式及設計準則進行初步評估(preliminary assessment)及廣泛的測試程序，以決定薄膜種類、建置設備容量、操作成本、期待被濾出的成分(desired composition of the "permeate")及殘留物(retentate)等，故如何有效應用薄膜分離技術投入污染防治、水處理工程及物質分離的領域，仍有待環保界貢獻心力。
　　　　　　　　　　　　　

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