表面積垢物官能基分析

本研究利用 FTIR 分析在薄膜表面積垢物質的官能基，FTIR 圖譜 能很有效地指出薄膜上積垢物之羧基、氫氧基、酚等天然水體中常見 的特性官能基。但也可以藉由 ATR/FTIR 看出無機物質與有機物質在 薄膜上積垢關係。

實驗利用 FTIR 來作為判別在不同過濾時程表面積垢物質特性的 依據，利用圖譜上波峰的位置及強度判讀不同時程薄膜表面積垢物的 變化情形，FTIR 僅能穿透表面幾微米，所以只能分析 NOM 在薄膜 表面的官能基，無法分析至薄膜表面甚至孔洞狀況，下表 4-2 為本次 研究所使用的空白薄膜結構式，圖 4-7 及 4-9 為 PS 薄膜及 PVDF 薄 膜分別於不同過濾時程後的 ATR-FTIR 圖譜，可參照後表 4-3 所列出 之 FTIR 的特徵波峰以瞭解各波峰所代表之官能基，藉此了解薄膜表 面積垢物隨不同過濾時間變化情形。

Polyvinylidene-fluoride (PVDF)

－(CH₂－CH₂

)

n－

Polysulfone (PS)

表 4-2 聚砜膜(polysulfone, PSF)及聚偏氟乙烯(polyvinylidene difluoride, PVDF)組成單體示意

原水含有特性複雜的天然有機物及無機物，由樹脂分級及 EEM 光譜可看出，原水中的天然有機物特性，親水性有機物的含量比疏水 性有機物多，表 4-3 列出多醣類 (polysaccharide)、蛋白質 (protein) 及腐植質 (humic substances)的 FTIR 特徵波峰對照表，比對薄膜積垢 前及在不同過濾時程波鋒及波段的變化情形以了解在薄膜表面積垢 物的官能基及其特性。

表 4-3 多醣類、蛋白質及腐植質特徵波峰對照(Zularisam, 2006)

Bands (cm

^-1

) Functional group Polysaccharides group 3400 Alcohol

2940 Alkane

1480 Alkane

1370 1370(starch) 1170 Tertiary alcohol 1120 Secondary alcohol 1040 Aliphatic ether 1000 Primary alcohol

775 Ethyl

Protein group 3300 Alcohol 1640 Alkene in aromatic 1540 Mono substituted amide

1100 Ether

Humic substances 3400-3300 O-H stretching N-H stretching 2940-2900 Aliphatic C-H stretching 1725-1720 Carboxylic acids

1660-1630 C=O stretching of amide group 1620-1600 Aromatic C=C

1590-1517 COO

^-

,N-H deformation 1460-1450 Aliphatic C-H

1400-1390 OH deformation,C-O stretching of phenolic OH

1280-1200 C-O stretching, OH deformation of COOH

1170-950 C-O stretching of polysaccharide

圖 4-7 及 4-8 代表 PS 薄膜在不同時程下，薄膜表面積垢情形；由 底部開始 PS1 代表乾淨薄膜、PS2 為 PS 膜過濾 25 小時、PS3 為 PS 膜過濾 50 小時、PS4 為 PS 膜過濾 75 小時、PS5 為 PS 膜過濾 100 小 時及 PS6 為 PS 膜過濾 200 小時。

因研究採用 PS 薄膜，在波鋒 1070 及 1010 cm^-1分別為 C-O-C 及

C=O 環狀振動，在 1600-1500 cm

^-1附近有 2-4 個苯環的骨架振动，

1260-1000 cm

^-1附近為醇的特徵訊號，875 cm^-1附近為芳香碳所產生 的特徵峰，以上幾個訊號較強烈的特徵峰為薄膜本身表面官能基訊 號；由於為原始薄膜，本身特徵峰會較其他已經被積垢物覆蓋訊號來 的強，可做為比較基準。

比較 PS 薄膜過濾 25 小時以後的薄膜表面官能基，可知道薄膜表 面積垢物特性在長時間過濾後並未有大幅度的改變。比較空白薄膜與 積垢後之薄膜，1100~1500 cm^-1的空白薄膜波峰訊號比較不明顯，因 此區之特徵訊號被薄膜表面積垢物蓋掉；積垢的薄膜表面在 1000 cm^-1 附近有較大訊號的特徵峰，此處為 C-O 或 Si-O 所產生的特徵峰，可 能為醇類、醚類、多醣類及矽酸鹽類⁽Khatib et al., 1997; Howe et al., 2002;Zularisam et al., 2007;

Lee et al., 2006)；在圖譜上 3000~3400 cm^-1波段為-OH 所產生，通常多醣類

的存在會有此特徵波峰出現；在 3600 cm^-1附近的特徵峰為水中高嶺 土(Al₂

O

3‧SiO₂‧2H₂

O)所產生，在天然水體中常出現此種鋁矽酸。

另外在 870 cm^-1及 1040 cm^-1附近所出現較明顯的特徵峰為多醣類產 生，在 1540 及 1640 cm^-1附近為 amide I 及 amide II 所產生之特徵峰，

推測為蛋白質，在 850-750 cm^-1附近為親水中性有機物所產生的特徵 峰，而疏水性有機物的特徵峰在薄膜表面很微弱。

隨著過濾時程越長，可發現薄膜表面空白訊號越小，積垢物特徵

訊號越強烈，藉由不同時程薄膜過濾後進行 FTIR 分析可知，長時間 連續過濾進流水並不會使薄膜積垢物特性有太大的變化。

PS-FTIR

Wavenumber (cm^-1)

1000

Wavenumber (cm^-1)

600

圖 4-9 及 4-10 代表 PVDF 薄膜在不同時程下，薄膜表面積垢情 形；由底部開始 PVDF1 代表乾淨薄膜、PVDF2 為 PVDF 膜過濾 25 小時、PVDF3 為 PVDF 膜過濾 50 小時、PVDF4 為 PVDF 膜過濾 75 小時、PVDF5 為 PVDF 膜過濾 100 小時及 PVDF6 為 PVDF 膜過濾

200 小時。

本研究利用 PVDF 膜進行過濾後薄膜表面積垢物分析，未經過濾 之 PVDF 空白薄膜，由圖譜可知在 1000-1400 cm^-1附近有幾個較強烈 的波峰為 C-F 鍵產生，由薄膜聚合物單體可知此為原始薄膜所產生的 訊號；比較 PVDF 薄膜過濾 25 小時以後的薄膜表面官能基，可知道 薄膜表面積垢物特性在長時間過濾後並未有大幅度的改變，與過濾

PS 薄膜後的薄膜表面積垢物特性一樣，隨過濾時間變長，原本空白

薄膜的訊號漸漸被覆蓋，取而代之的是在 1000 cm^-1附近的 Si-O 及

C-O 鍵的波峰，且訊號越來越強烈。

經分析過濾 PS 薄膜及 PVDF 薄膜的薄膜表面積垢物，可知主要 造成薄膜表面積垢物質為原水中常見的矽氧物質及屬性較親水性的 多醣類及蛋白質類物質，PS 膜及 PVDF 膜過濾至 200 小時的表面積 垢物官能基特性非常相似，且由於 FTIR 屬非破壞性分析故只能分析 薄膜表面特性，即 FTIR 僅能穿透薄膜表面幾微米，但未有明顯薄膜 空白訊號產生，因此可由此推測薄膜經 200 小時過濾後的積垢層有一 定厚度，因 FTIR 只能分析積垢物在薄膜表面的官能基，不能分析到 薄膜表面甚至孔洞狀況，所以 FTIR 分析不能很有效地作為了解薄膜 孔洞阻塞物質之工具，故後續有不可逆積垢物特性探討。

PVDF-FTIR

Wavenumber(cm^-1)

1000

Wavenumber(cm^-1)

600

在文檔中 原水水質對UF薄膜積垢影響 (頁 59-67)