奈米碳管透膜

奈米碳管透膜(Carbon Nanotube Membranes)
國立臺灣師範大學化學系碩士班二年級 薛園馨

工業革命後，工廠排放的廢水越來越毒（如重金屬、有毒化學物質等），而舊型水處理 (water treatment) 的設備已不堪使用，因為舊型的設備對病原體的種類、溫度、pH 相當敏感，使得處理效率降低，甚至有些汙染完全無法解決；且舊型水處理的最終手段—消毒水，其主要成分是次氯酸鈉 (Sodium hypochlorite, NaClO)，會產生多種副產物（如鹵代酰胺，有致癌的可能性）；而消毒水所不能解決的污染我們就束手無策了。而奈米碳管的問世，讓我們有新的選擇來解決飲用水品質與海水淡化的議題。

將奈米碳管加入其他化合物做成奈米碳管透膜，可經由修飾官能基來提升吸附能力、細胞毒性的優勢，因而可以解決舊型水處理設備的不足。

1. 結構優勢
   奈米碳管會聚集在一起形成間隙孔有四個能吸附物質的地方，奈米碳管末端、奈米碳管間的孔洞、奈米碳管束的邊界、奈米碳管束最外層的表面，因此能有效阻止大型的生物汙染物（如細菌、病毒）通過。
   

   表一 奈米碳管可吸附物質的四個地方

2. 可官能基化優勢
   奈米碳管可以在壁上或是末梢藉由共價鍵或是化學作用力來接上官能基團，常見的官能基有羧酸基 (－COOH)、羥基 (－OH) 及胺基 (－NH₂) 等，接上官能基團，最主要的目的是為了增加奈米碳管對水的溶解性，溶解性上升才可以擴展更多的應用，親水的奈米碳管可以增加分散性，並更好的吸附生物活性分子，而分散性的提高有助於做成薄膜，但又不能完全分散，文獻證明適當的分散比完全分散或完全不分散更可以吸附細菌或小分子。

表二 奈米碳管分散度與吸附效率比較

官能基化也助於吸附金屬離子，藉由官能基對金屬離子的螯合(chelation)來提升對飲用水中有害重金屬離子的吸附能力(圖一)。

圖一 官能基化後吸附金屬離子示意圖 (作者繪製)

近期更有文獻利用奈米碳管薄膜來下降水中金黃色葡萄球菌、大腸桿菌含量的實驗，實驗結果十分優良，最短的不到十分鐘就可以把兩種生物汙染源的濃度下降到原本的 0.000001 倍。

表三 奈米碳管對金黃色葡萄球菌、大腸桿菌的吸附實驗

奈米碳管透膜這些優點不但能來淨化水源，還可以拿來海水淡化，目前的海水淡化手段如下，每個方法都有其優缺點，例如 UV 法不能去除重金屬與非活體汙染物，蒸餾則大部分汙染物都存留而且需要很高的能量，化學方法則需要添加很多其他的試劑，而最新的如超微過濾、超過濾、微過濾不是太貴就是太耗能，奈米碳管可以吸附鹽類、汙染物、病原體，並讓純水通過來達成海水淡化的結果。

圖二 奈米碳管薄膜淡化海水示意圖 (作者繪製)

奈米碳管還有很多很有趣的應用，正等待化學家們去突破、去創新、去發現更多對人類有益的技術。

參考文獻

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