薄膜結晶技術簡介與其應用發展 - 材料世界網

薄膜結晶是一個能夠應用於結晶程序的創新薄膜技術，主要處理對象為極高導電度之溶液。

薄膜結晶技術將濃縮液加熱後，使水蒸氣通過疏水多孔性薄膜被冷凝 ... 首頁 文章瀏覽 薄膜結晶(MembraneCrystallization;MCr)是一種處理極高導電度之水溶液的技術，由InstituteonMembraneTechnology-ItalianNationalResearchCouncil(ITM-CNR)的EnricoDrioli教授提出，為將濃縮液加熱後，使水蒸氣通過疏水多孔性薄膜被冷凝產生純水，而被提濃之濃縮液中的溶解物質達過飽和狀態則產生結晶，是目前唯一能從溶液中直接分離出結晶產物的薄膜過程。

薄膜結晶其原理主要是建立在薄膜蒸餾(MembraneDistillation;MD)技術的基礎上。

薄膜蒸餾或薄膜結晶技術是藉由溫度差為驅動力，利用薄膜材料的疏水性(Hydrophobic)和微孔結構及薄膜兩側因溫度差所產生的蒸氣壓差(VaporPressureDifference)，達到蒸餾產水目的。

仿生技術應用於薄膜結晶之薄膜材料由於薄膜結晶是一種針對極高濃度的廢液處理技術，因此在薄膜材料上可以利用親水材料製成的薄膜，並以濃度梯度所造成的滲透壓差進行驅動，此時薄膜便可利用仿生材料之技術—水通道蛋白(Aquaporin;AQP)。

在生物細胞中，水通道蛋白(AQP)，又名水孔蛋白，是一種位於細胞膜上的蛋白質，在細胞膜上組成「孔道」，可控制水在細胞的進出，就像是「細胞的幫浦」一樣。

這種只讓水分子通過的材料技術非常適合應用於薄膜結晶的薄膜材料上，除了可以有效避免薄膜上的結垢(Scaling)現象發生，更可以有效穩定產水。

薄膜結晶之技術原理薄膜結晶之技術原理主要建立在薄膜蒸餾的基礎上，藉由疏水性微孔薄膜將相異溫度的水溶液區隔於兩側，再利用溫度差所產生的蒸氣壓作為驅動力，而此蒸氣壓是藉由兩流體間的溫度梯度所造成，使高溫側所形成的飽和蒸氣通過薄膜孔洞傳輸到低溫側凝結產水。

由於薄膜結晶包含著將結晶物分離的過程，因此有非常大的機會在結晶物緩慢的成長中直接生成於薄膜表面之上，而這也是初期薄膜結晶程序的模組操作方法—In-situ式，如圖二所示。

隨著濃縮液緩慢提濃的過程中，在薄膜表面發生了極大的濃度極化效應以及溫度極化效應，在此效應作用下，在薄膜表面會率先發生過飽和的現象。

圖二、(a)In-situMCr；(b)Side-streamMCr薄膜結晶模組裝置之操作方式 薄膜結晶於再生水回收與海水淡化應用提升水回收率方面，利用電透析(EDR)進行廢水提濃，水回收率可達75%以上，但後端整合蒸發罐及結晶槽程序，雖使技術可行性大幅提高，但成本仍高。

故因應產業上實行近零液體排放所面對水回收率低、操作成本高等問題，希望藉由薄膜結晶技術開發取代高耗能、高成本之蒸發罐/結晶槽程序，使水回收率從目前75%左右逐年增加至≥98%。

此外，在薄膜結晶過程中，可直接從濃縮液中析出可回收的結晶產物，達到水再生與資源回收的高環保技術標的。

由於薄膜結晶技術建立在薄膜蒸餾之基礎上，相較於傳統蒸餾法，如：多效蒸餾及多級閃化法，雖然其產水量高，並且為目前化工廠最常見的製程，但需加熱進料至沸點，所以相當耗能。

在現今薄膜法中以逆滲透的技術可以有相當的產水量，其中逆滲透與新興薄膜蒸餾法的製水成本已可以達到每噸小於0.5美元，如圖三所示。

然而，逆滲透的過程相當耗費電能，且濃水排放量高，但正如上段所述，假如RO濃排水再與薄膜蒸餾與結晶技術相串連，則可達到水回收率提升之目的，並藉此取代傳統高耗能/高成本之蒸發罐/結晶槽程序。

圖三、薄膜蒸餾與傳統蒸發罐脫鹽成本比較 薄膜結晶於生化產業之應用Drioli教授團隊自從開發出薄膜結晶之技術後，便開始找尋於其他產業上的應用機會。

由於薄膜結晶是一種將溶解物系從溶液中緩慢析出的過程，雖然此過程可能會造成薄膜的結構導致產水通量的下降，但是假如此析出物結晶後價值可以有效的提升，遠大於產水的目的，薄膜結晶此技術便不會僅侷限於水處理的應用上。

傳統在藥物或蛋白的純化方面為了提升其純度會進行…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。

作者：胡發鈞/工研院材化所★本文節錄自「工業材料雜誌」367期，更多資料請見下方附檔。

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