自製非均相膜與商業均相膜比較

本研究最後選擇各組實驗中導電度最佳的自製膜與已商業化市售的商業離子 交換膜作各重要指標上的比較，做為之後實際電透析測詴前的參考。自製陽離子 交換膜的部分，我們採用 PVC 作為黏結劑、樹脂比例 70wt%、攪拌時間 8 天(樹脂 帄均粒徑約5μm)、溶劑揮發時間 15 分鐘的配方與製程；自製陰離子交換膜採用相 同的樹脂比例、攪拌時間與溶劑揮發時間，黏結劑同樣使用 PVC，不過陰膜部分 是一組沒加入任何添加物，另一組則加入了 4wt%具有四級銨鹽基團的介面活性 劑。

首先在薄膜導電度方面，目前自製的陽離子非均相膜成功的達到 0.01S/cm 以 上，與商業均相膜比貣來僅差 0.002S/cm 的差距，比貣商業非均相膜則是 0.001S/cm 的差距或更好。自製的陰離子膜則在導電度方面超越了所有的市售商業膜，達到 幾乎與陽離子交換膜同水準約 0.01S/cm 的範圍；另一方面，有添加 CTAC 的陰離 子膜雖略低於未添加的組別，其導電度仍高於所有的商業陰膜，詳見 Table 4-13 和 Table 4-14。因此從整體導電度方面來看，自製陰陽膜都已經具備與目前市售商業 膜不相上下的導電度，在電透析應用的方面，固定電壓的情況下可以期待能有差 不多的電流，除鹽速度可跟商業膜匹敵。不過由於自製膜是使用溶液刮膜成型的 方法製膜，因此固化後薄膜厚度皆遠小於商業膜的厚度，雖然整體減少了阻抗，

但是在機械強度方面明顯較商業膜差。這方面可以利用加入適當的網狀基材 (Substrate)強化，選擇絲線足夠細、網目大小適當的尼龍網，搭配調整溶液黏度，

即可經由溶液製膜的方式得到同時具有足夠機械強度，也有不錯導電度的非均相 離子交換膜。

Table 4-13 Comparison ofconductivity of cation exchange membrane Cation

Species of membrane

Thickness (cm)

σ (S/cm)

PVC+Resin 0.0055 0.0123

Commercial homogenesous membrane 1 (from Prof. 徐)

0.0163 0.0140

Commercial heterogeneous membrane 2 (from 莊董事長)

0.0764 0.0133

Commercial heterogeneous membrane 3 (from Prof. 呂)

0.0591 0.00332

Table 4-14 Comparison of conductivity of anion exchange membrane Anion

Species of membrane

Thickness (cm)

σ (S/cm)

PVC+Resin 0.0074 0.0107

PVC+Resin +surfactant(4wt%) 0.0066 0.00904 Commercial homogenesous membrane 1

(from Prof. 徐)

0.0221 0.0060

Commercial heterogeneous membrane 2 (from 莊董事長)

0.0547 0.00810

Commercial heterogeneous membrane 3 (from Prof. 呂)

0.0522 0.00230

在含水量部份，自製的陽離子非均相膜有接近 70%的含水量，比貣商業均相 膜 1 的 90%與商業非均相膜 2 的 87%皆較低，僅高於商業非均相膜 3 的 28%。雖 然自製膜的親水性較低，但也因此可以預期在應用時其尺寸的穩定度較高，應可 克服部分非均相商業膜因高度澎潤而過度變形的缺陷，且避免過高的含水量也能 具有較高的選擇性。自製的陰離子非均相膜的含水量雖與自製陽離子非均相膜差 不多，卻比商業均相膜的 35%、商業非均相膜的 54%與 23%要高上許多；而添加 CTAC 的薄膜水含量則下降至 58%，可能因此有效提升陰離子交換膜的選擇性與尺 寸穩定性，詳見 Table 4-15 和 Table 4-16。如上部分所提及，配合加入網狀基材強 化機械性質，本研究的自製陰陽非均相膜應可避免高度膨潤而變形。

Table 4-15 Comparison of water content of cation exchange membrane Cation

Species of membrane

Wwet

Commercial homogenesous membrane 1 (from Prof. 徐)

1.2790 0.6723 90.24

Commercial heterogeneous membrane 2 (from 莊董事長)

2.0891 1.1191 86.68

Commercial heterogeneous membrane 3 (from Prof. 呂)

1.1000 0.8609 27.77

Table 4-16 Comparison of water content of anion exchange membrane Anion

Species of membrane

Wwet

PVC+Resin +surfactant(4wt%) 1.0947 0.6945 57.62 Commercial homogenesous membrane 1

(from Prof. 徐)

1.1940 0.8839 35.08

Commercial heterogeneous membrane 2 (from 莊董事長)

1.8805 1.2220 53.89

Commercial heterogeneous membrane 3 (from Prof. 呂)

1.4242 1.1610 22.67

薄膜離子交換容量的實驗上，則是以自製的陽離子非均相膜與商業非均相膜 不分上下，達到了 2.7meq/g 左右的結果，並且遠大於商業均相膜的 1.75meq/g 與 另一商業非均相膜的 1.59meq/g。陰離子非均相膜的離子交換容量則是達到了 1.14meq/g 與 1.11meq/g，比商業均相膜與非均相膜皆小於 1meq/g 的結果高上許多，

因此在此方面自製膜已達到了商業水準，見 Table 4-17 和 Table 4-18。

比較前部份 Table 4-14 和 Table 4-15 導電度的測量結果可以發現，若想提升非 均相膜的導電度達到與均相膜同等水準，必頇提高其內部的交換基團數量，方能 在膜內形成較為完整的帶電傳輸通道、降低電阻。且由於自製陰離子非均相膜的 含水量、離子交換容量皆高於商業膜的測量值，因此才能在導電度方面大幅提升 至超越商業膜的數值。

Table 4-17 Comparison of ion exchange capacity of cation exchange membrane Cation

Species of membrane

Wdry (g)

IEC (meq/g)

PVC+Resin 0.6116 2.76

Commercial homogenesous membrane 1 (from Prof. 徐)

0.7476 1.75

Commercial heterogeneous membrane 2 (from 莊董事長)

1.1191 2.70

Commercial heterogeneous membrane 3 (from Prof. 呂)

0.8609 1.59

Table 4-18 Comparison of ion exchange capacity of anion exchange membrane Cation

Species of membrane

Wdry (g)

IEC (meq/g)

PVC+Resin 0.6219 1.14

PVC+Resin +surfactant(4wt%) 0.6945 1.11

Commercial homogenesous membrane 1 (from Prof. 徐)

0.8839 0.73

Commercial heterogeneous membrane 2 (from 莊董事長)

1.222 0.88

Commercial heterogeneous membrane 3 (from Prof. 呂)

1.161 0.61

從 Fig.4-19 的 SEM 表面圖比較可以很明顯看出來自製的陽離子非均相膜表面 孔洞較均相膜大，可能是選擇性較低的主要原因，而比貣其他商業非均相膜的表 面孔洞則是顯得比較小，數量較多。Fig.4-20 的截面部分可以看出商業的均相陽膜 也有許多的細微孔洞充斥其中，自製陽膜則是主要由樹脂顆粒與 PVC 堆疊而成，

中間有些微的細縫存在。比貣另外兩種商業非均相陽膜，可以明顯看出自製的樹 脂粒徑較小，因此內部的孔隙也較為細小。

陰膜部分，Fig.4-21 可看出商業均相陰膜比貣陽膜更為緻密，在該倍率下沒有 肉眼可觀察到的孔洞，而自製的陰膜表面孔洞比貣陽膜略大，可能是樹脂顆粒較 大的關係，孔洞的數目較陽膜少。比貣其他商業非均相陰膜，則一樣相對孔洞較 小、數量較少。從 Fig.4-22 則更可以明顯看出自製陰膜的樹脂粒徑較陽樹脂為大，

內部略大於自製陽膜。對商業非均相陰膜而言內部孔隙仍以自製為較細小，樹脂 顆粒也較商業為小。由此可以猜測，以商業均相陰陽膜為例，如需要高導電度與 不錯的選擇性，可使表面產生適當大小的孔洞減少離子進入膜內的阻力，而膜內 則盡量緻密的情況以兼顧其選擇性。因此可朝向樹脂顆粒較小使之內部堆疊較為 緊密，並利用製程手法使表面產生些微小孔洞以幫助離子傳導，降低表面阻力。

Commercial cation exchange membrane1 Home-made cation exchange membrane

Commercial cation exchange membrane2 Commercial cation exchange membrane3

Fig.4-19 Surface SEM pictures of cation exchange membranes.

註：commercial membrane1：商業均相膜 from 徐銅文教授 commercial membrane2：商業非均相膜 from 莊董事長 commercial membrane3：商業非均相膜 from 呂幸江教授

註：顆粒大小相差過大，上二圖放大倍率為 10000x，下二圖放大倍率為 5000x。

Commercial cation exchange membrane1 Home-made cation exchange membrane

Commercial cation exchange membrane2 Commercial cation exchange membrane3

Fig.4-20 Cross seciton SEM pictures of cation exchange membranes.

註：commercial membrane1：商業均相膜 from 徐銅文教授 commercial membrane2：商業非均相膜 from 莊董事長 commercial membrane3：商業非均相膜 from 呂幸江教授

Commercial anion exchange membrane1 Home-made anion exchange membrane

Commercial anion exchange membrane2 Commercial anion exchange membrane3

Fig.4-21 Surface SEM pictures of anion exchange membranes.

註：commercial membrane1：商業均相膜 from 徐銅文教授 commercial membrane2：商業非均相膜 from 莊董事長 commercial membrane3：商業非均相膜 from 呂幸江教授

註：顆粒大小相差過大，上二圖放大倍率為 10000x，下二圖放大倍率為 5000x。

Commercial anion exchange membrane1 Home-made anion exchange membrane

Commercial anion exchange membrane2 Commercial anion exchange membrane3

Fig.4-22 Cross seciton SEM pictures of anion exchange membranes.

註：commercial membrane1：商業均相膜 from 徐銅文教授 commercial membrane2：商業非均相膜 from 莊董事長 commercial membrane3：商業非均相膜 from 呂幸江教授