有機物質對薄膜積垢之影響

在天然水體中存在著不同種類的天然有機物，通稱為 NOMs，經 過人類活動或者環境中生物的代謝而形成複雜的結構物。水體中的天 然有機物會引起淨水程序上的問題及較差的飲用水品質，可能會引發 下列幾個問題：

( 1 )在淨水程序上需要增加加藥量消除有機物；

( 2 )水中的天然有機物可能會提供微生物生長，造成微生物在配水系

統滋長進而影響水質；

( 3 )水體引起色度和臭味，影響水質的外觀；

( 4 )可能會與水中的重金屬錯合，形成有機金屬錯合物，進而造成重

金屬污染；

( 5 )淨水場消毒過程中，水中有機物和氯反應形成消毒副產物

(DBPs )，如三鹵甲烷 (THMs)、鹵化乙酸 (HAAs)等鹵化有機物，

對人體健康造成影響。

水體中天然有機物由腐植質 (humic acids)、黃酸 (fulvic acids)、

親水性物質、多醣類、蛋白質、碳水化合物及氨基酸等組成。其中水 體中的類蛋白物質及多醣類有機物可與腐植質有效區分，但水體中的 黃酸及腐質酸很難被分離出來，雖然黃酸及腐質酸有類似化學特性，

但官能基特性相差甚大，如黃酸較腐質酸的含氧量高；腐質酸較黃酸 含有較多的芳香族含量，因此仍可藉由分子結構及官能基特性分離

(Her et al., 2008)。

SUVA為一種用來鑑定NOM特性的有效工具，特別是有機物的親

疏水特性：如pH、離子強度及鈣濃度等變因改變對NOM特性及水中 化學特性之影響⁽Lee et al., 2005)。

Kimura et al. (2004)利用不同材料的UF及 MF薄膜過濾天然原水，以了解造成不可逆積垢主要物質，利用NaOH

脫附薄膜上的有機積垢物，利用UV可見光分析可分析不飽和碳及色

度(Zularisa et al., 2006)，測量SUVA及DOC，證明較親水性物質(低UV吸收度)

為主要造成不可逆積垢之物質。

除了利用UV吸收度在254 nm做為定義有機物親疏水特性外，Her et al. (2004, 2008)也提出利用UV吸收度在210 nm與254 nm之比值判 別有機物中不飽和成分，定義UVA₂₁₀

/UVA

254

=URI (UV absorbance ratio index)，因在波長210 nm的UV吸收度容易受無機物 (e.g. NO

₃^-

, SO

₄^2-及PO₄^3-

)干擾，所以必須串連SEC以分離水樣中的無機物成分

^{(Her et}

al., 2008)；因不飽和有機物同樣受UV在210 nm及254 nm影響，通常含較

多的氨基在210 nm會較在254 nm有較高的吸收度因此會有較高的

URI值，由此可知含蛋白質及氨基之有機物的URI值會較含腐植質

高，若是含較多的芳香族有機物其URI值相對比較低，URI值介於中

間者通常為黃酸，URI值偏高者為芳香族含量較少之蛋白質；因此可 知URI為一個可有效從有機物區分出類蛋白質有機物的指標，且通常 與SUVA值成反比。

根據親疏水特性，Leenheer (1981)利用離子型樹脂及非離子型樹 脂的吸附特性藉由操作型定義，將水中組成複雜的天然有機物分離 為：疏水性鹼性物質(hydrophobic bases)、疏水性酸性物質

(hydrophobic acids)、疏水性中性物質(hydrophobic neutrals)、親水性鹼

性物質 (hydrophilic bases)、親水性酸性物質 (hydrophilic acids)及親 水性中性物質 (hydrophilic neutrals)等六大類有機物。疏水性有機物 的組成結構以芳香族為主體，分子量分佈在數百到數十萬dalton (Da) 之間在水中以穩定狀態存，不易被生物分解，其中腐植質在自然水體 中佔有很大的比例。親疏水性有機物造成薄膜積垢特性與有機物結構

(芳香族分子結構及直鏈脂肪族)、分子量分布、成分分布及帶電性有

關係。

在淨水處理程序中的高級處理，造成薄膜積垢主要原因為水中溶 解性天然有機物在薄膜表面造成阻塞及吸附，而通常疏水性物質較親 水性成分更容易造成薄膜積垢，通常是有機物與薄膜間的疏水性作用 及電性作用之間的交互作用造成積垢，增加薄膜的處理成本。(Zularisam et al. 2006;Fan et al., 2001)

Fan (2001)研究出各有機物組份中，造成薄膜積垢趨

勢為親水中性有機物 (hydrophilic neutral)＞疏水酸性有機物

(hydrophobic acids)＞嗜水酸 (transphilic acids)＞帶電親水有機物質

(hydrophilic charged)。嗜水酸 (transphilic acids) 和疏水酸相比有較少

的芳香族或脂肪族及較多的羧基 (carboxyl)，而親水中性物質則含量 較少。其中親水中性造成不可逆積垢，因其與薄膜孔洞內部結構有高 鍵結能力，親水中性有機物造成積垢的原因為少電荷或少芳香族有機

物成分在長時間過濾吸附下，造成通量下降。因此可知，帶負電薄膜 過濾親水物質(中性)、蛋白質(鹼性)及高負電物質(腐植質)會因吸附作 用使積垢更為嚴重。

在長時間薄膜過濾後，有機物成分中主要以不帶電及帶少量芳香 族物質以吸附作用造成通量下降；相對於含芳香族之有機物對薄膜過 濾效率之影響，腐植質與薄膜間的疏水性作用為薄膜過濾效率重要因 素。如決定腐質酸吸附於薄膜上之主要作用力為兩者：一是與薄膜電 性相斥力，另外為吸附質與薄膜間的疏水性作用，若後者作用力大於 前者，則腐質酸會吸附於薄膜表面。另外，關於親水性作用，Her et al.(2004)利用 HPSEC-UV-螢光光譜-DOC 及 FTIR 分析藻類釋出之有 機物 (algogenic organic matter, AOM)及過濾 NF 膜之積垢特性，發現 主要造成薄膜積垢物為多醣類及蛋白質，造成這種親水性作用如分子 偶極-偶極作用及有機物與薄膜產生氫氧鍵結。

Gray et al.(2008)研究利用MF薄膜過濾當地原水藉由反洗效率探

討親水性薄膜與疏水性薄膜的操作效能，發現親水膜在操作上較疏水 膜有優勢，且認為主要造成薄膜積垢物質為中性親水性有機物，其積 垢物質在220 nm也明顯的吸收度，此吸收度的有機物為類蛋白質之有 機物。就親疏水性有機物對薄膜積垢之影響，利用FTIR分析發現在 薄膜表面形成膠體 (gel)或濾餅形成之有機物為親水性有機物，而吸 附於薄膜孔洞內為疏水性有機物⁽Gray et al., 2007)，同樣Pontié et al.(2007)也 發現HPOA (hydrophobic acids)較容易停留於薄膜孔洞中，相對於TPIA

(hydrophilic acods)比較容易吸附於薄膜表面；此情形之主要原因與有

機物結構大小及特性對薄膜之影響相關。

Zularisam et al.(2007) 利用PSF薄膜過濾原水含較高的親水性有

機物有較快的下降通量但並沒有很有效的去除有機物，其主要機制為 孔洞吸附低分子量，分子為脂肪族直鏈狀帶中性或鹼性之親水性物 質，小分子且帶電量小，較易吸附造成積垢於薄膜上，在薄膜上造成 不可逆積垢使通量減小；當過濾較高含量的疏水性有機物因有較高的 帶電量及較大的分子量,芳香族結構有較小的通量下降速度，疏水性 有機物與較疏水的 PSF薄膜產生疏水性作用,使造成吸附使通量下 降，最後濾餅堆積形成於薄膜表面，有效的去除有機物。另一說法，

藉由界達電位分析可知：親水性有機物在天然水體大都帶中性或正電, 因此在帶負電的PSF薄膜表面易有吸附及沉積的現象；疏水性有機物 帶大都為帶負電荷的官能基與薄膜產生電荷排斥，因其間的電性排斥 作用抵銷掉其間之疏水性作用，故帶親水性有機物較疏水性有機物易 積垢。

不論任何種類的薄膜進行過濾處理，造成薄膜不可逆積垢的有機 物成分通常較偏親水性物質，通常含有多醣類 (polysaccharides)、脂 肪族成分及蛋白質等。(Kimura et al., 2006; Zularisam et al., 2006)而這些造成不可逆 回復似多醣類物質之來源通常是微生物活動所產生之物質，很難經由 混凝或一般吸附作用等預處理去除。⁽Gray et al., 2007)

在文檔中 原水水質對UF薄膜積垢影響 (頁 13-17)