第三章 研究方法與實驗材料
3.4 薄膜與積垢物之分析方法
3.4.1 薄膜親疏水性分析
為了解兩種薄膜親疏水特性，因此利用接觸角分析儀進行分析。
液滴受固體表面作用力較強者 (較親水性)，液滴將平在固體表面，
接觸角約為零度；相反地，若液滴落在固體表面作用力較弱者 (較疏 水性)，其接觸角則可能到 90 度。接觸角的定義為液滴的接觸點切面 與固體表面所產生的夾角，一般定義小於 90 度為親水性之表面，疏 水性之表面為大於 90 度，圖 3-7 為親疏水示意圖。
實驗前需將薄膜乾燥，切取適當大小的薄膜黏貼平整於試片上，
再利用注射器滴入去離子水至薄膜表面，由程式求取接觸角度。
3.4.2 傅立葉紅外線光譜儀分析
傅立葉紅外線光譜分析，為化學物種因吸收或發射紅外線輻射而
在特定振動模式下產生振動及轉動能量的變化，藉由後來的紅外線分 析得知分子振動與轉動之頻率，進而得到光譜。利用這項技術，化合(a) (b)
圖 3-7 親疏水性接觸角比較：(a) 親水 (b) 疏水
物特性鑑定及含量可被決定。依分子振動特性可劃分出 (1)特性頻率 區(4000 ~ 1300 cm-1
)，在此區可顯現出分子的部分特性官能基的吸收
頻率，進而推斷出可能的分子結構，以及 (2)指紋區(1300 cm-1以下)，藉此區可找出分子結構的細微差異。
本次實驗所使用的 FTIR 的廠牌及型號為加拿大 Bomem，
DA8.3；可分段量測 10 ~ 15000 cm
-1之吸收光譜，一般 IR 在 500 ~ 4000cm
-1之間。 應用 FTIR 分析方法判別薄膜過濾過程薄膜上積垢物質之 變化，因薄膜本身不易被紅外線所穿透故欲得固體表面之光譜圖，故 使用單點式 ATR (attenuated total reflectance)，以 ZnSe 晶體最為空白 背景，即利用一次全反射的調減全反射方法做單晶繞射得到圖譜，最 後比對圖譜作為討論的依據。3.4.3 掃描式電子顯微鏡分析
掃瞄式電子顯微鏡可提供高解析度、試片微區表面化學分析、試 片製備簡易等優點，被廣泛使用在材料分析上。
掃瞄式電子顯微鏡 (scanning electronic microscopic, SEM)主要工 作原理是利用由電子槍經 0.2-40kV 電壓加速所產生之電子束，使經 過電子光學系統，讓電子束集中照射於試片表面上，利用掃描線圈偏 折電子束，使電子束在試片表面做二度空間的掃描，同時陰極射線管
(CRT)也進行掃描。電子束在試片表面相互作用後激發出之訊號 (二
次電子、反射電子、歐傑電子、特性 X 光等)將被放大後送至陰極射 線管，其亮度及對比根據陰極射線管所偵測到的電子訊號的強弱改 變，顯示出試片表面之影像；同時也可利用能量散佈光譜儀 (EDS) 分析試片表面釋放出的特性 X 光，以了解試片表面的化學成分。本實驗所使用 SEM 為日本 Hitachi 公司所製造，型號 S-4700，Type
II。由於薄膜不具導電性，故在進行 SEM 分析前需鍍上兩分鐘的鍍
金以做為導電層，進行掃描式電子顯微鏡分析觀測薄膜表面微觀型 態，了解薄膜表面級積垢物特性。3.4.4 感應耦合電漿質譜儀
本實驗利用感應耦合電漿質譜儀(inductively coupled plasma-mass
spectrometer)半定量原水及薄膜表面積垢物上無機物成分。
。。其廠牌及。 型號為美國 Perkin Elmer，SCIEX ELAN 5000。3.4.5 三維螢光激發-散射光譜
藉由 VARIAN 公司所生產的 Cary Eclipse 螢光光度計，測量水中 溶解態有機物的螢光特性，根據圖譜所表現出的特徵螢光圖譜以分析 及了解溶解態物質之組成。
樣品控制在 pH 7，抽取適量樣品置入石英比色槽中，實驗前須重 覆以去離子水清洗比色槽，並以去離子水做為樣品偵測，確定無汙染 即可進行實驗。實驗以散射光光譜模式進行 EEM 掃描，激發/放射波 長設定為 200-400 nm /250-550 nm，激發光波長以每 10 nm 間隔增加，
激發光與散射光狹縫設為 5 nm，光電倍增管 (PMT)偵測電壓設定在
800 伏特，光源濾鏡自動調整後可有效減少 Rayleigh 及 Raman 散射
對其他螢光訊號之干擾，數據以 3D-ASCII 格式儲存，再以 Perl 命令 稿以移除由溶劑所造成的 Rayleigh 散射。3-5 親疏水性對薄膜過濾試驗
3.5.1 有機物親、疏水性分離
有許多方法可以從原水中分離出親疏水性有機物，包括 Sephadex
gel-filtration、溶劑萃取法(solvent extraction)、離子吸附脫附法以及冷
凍乾燥法(freeze-dried form)。( Leenheer, 1981) 其中，樹脂分級技術利用吸 附原理的技術被廣泛應用，管柱中的樹脂吸附疏水性有機物質(hydrophobic)，親水性有機物隨著溶劑移動帶出管柱，故吸附於樹脂
上之疏水性有機物需再用適當的有機脫附劑脫附。本研究採用 DAX-8 疏水性樹脂進行水樣親疏水性分離，水樣過 濾樹脂之前須先用 0.45 µm 濾紙過濾以去除水中懸浮固體，避免樹脂 孔洞阻塞而影響其吸附效率。依照標準樹脂裝柱程序，為避免樹脂在 儲存過程中有乾燥情形，因此樹脂在裝柱前需先經過樹脂濕潤程序，
而後方可進行管柱填充，完成後可利用樹脂進行分級試驗，下面列出 其標準方法：
一、樹脂濕潤程序 (resin wetting procedure)
1.
樹脂置於 500mL 燒杯中，加入足夠的甲醇覆蓋超過數之 1-2inches。
2.
緩慢攪拌樹脂 15 分鐘以確保均勻混和。3.
小心的倒出甲醇，而以去離子水代替甲醇，緩慢攪拌均勻 5-10 分 鐘。二、填充管柱 (prepare of columns)
1. 在填充樹脂進管柱前，先於空管柱加入約 1 inch 的去離子水
排除，且應避免液面降至樹脂頂端以下。
3. 由管柱底部接水管，由蠕動幫浦緩慢打入去離子水，維持樹脂懸
浮於管柱，藉由水力重新排列樹脂顆粒及去除樹脂中多餘的氣泡，多 餘的水由管柱上方排出。完成填充後，靜置樹脂，且應使去離子水覆 蓋樹脂頂端 1 inch 以上。三、操作方法
利用 0.45 µm 濾紙過濾進流原水以去除較大顆粒，水樣過濾樹脂 前需先酸化至 pH 2 左右，過濾 DAX-8 樹脂後，利用血清瓶收集未被
DAX-8 吸附之親水性水樣；而後利用氫氧化鈉溶液配製 pH12 溶液脫
附 DAX-8 上之疏水性有機物，並利用血清瓶收集之。本研究利用本次實驗膜組所使用之進流原水過濾疏水性樹脂
(DAX-8)後，分別收集親疏水水樣後，利用急速冷凍乾燥法，即在 -50℃下真空濃縮成粉末後，將粉末配且調整固定水質參數後利用 stirred cell 測試以了解薄膜通過親疏水性有機物的阻塞狀況。經疏水
性樹脂分離水樣後，離子強度因 pH 調整而有很大的變化，且對 UF 薄膜進行過濾，水樣離子強度會影響過濾液的出流速度(Zularisam et al.,2006)，故在進行親疏水性有機物對薄膜積垢的影響前，需先調整水樣
的 pH 值、導電度及 TOC 等水質參數予以固定，以方便針對有機物 特性對薄膜積垢探討。
3.5.2 薄膜過濾測試
本實驗方法利用 dead-end 過濾薄膜，實驗裝置示意圖如圖 3-8。 利 用氮氣加壓以利於水樣在固定壓力通過薄膜，過濾過程電腦即時監測 並擷取數據以了解薄膜滲流率變化情形。此套膜組用來測試親、疏水 性有機物對薄膜滲流率變化情形及測試不可逆積垢經脫附後之清水
通量回復狀況。
N2
P
membrane module permeate
圖 3-8 薄膜過濾測試膜組 P