AFM 分析

為了解薄膜積垢特性，故以原子力顯微鏡（AFM）分析薄膜樣品，

由於儀器限制表面高低差不得超過 5 µm，因此本研究使用的 PSF 薄 膜無法進行 AFM 分析，故僅探討 PVDF 薄膜表面結構。

在各種不同過濾條件下，薄膜表面累積的溶質不同，也影響薄膜 表面呈現特性，從圖 4-21（b）可看出，與圖 4-21（a）相比較，薄膜 表面上有小碎片狀之物體，與乾淨薄膜上表面分子排列情形相異，推 測其為鈣離子的吸附累積，雖然前述計算所得到之鈣離子累積量僅為 6.1％，但從 AFM 圖可知，過濾含鈣離子水樣後確實有溶質累積在薄 膜表面，造成親疏水性、電性等表面特性的改變。

圖 4-21(c)表示腐植酸累積在薄膜上的情形，由於薄膜事先過濾 了含鈣離子水樣，但仍然有腐植酸的積垢產生，可以很明顯地觀察 到，薄膜表面有大分子的累積現象，可與圖 4-21(b)比較後觀察其具 有極大差異性，由於腐植酸分子屬於較大型的分子結構，所以在圖中 可以看出大分子結構的累積，雖大多屬於圓形顆粒累積結構，但也有 部份不規則的累積型態。

進而觀察圖 4-21(c)與圖 4-21(d)也可大略看出兩者不同點，圖 4-21(d)所表示的為累積在薄膜表面之積垢物質，其原水性質為含有鈣 離子及腐植酸之混合水樣，可以發現，其分子結構為較為緊密扎實的 球形結構，若是更仔細觀察可看出此球型結構上還有些許類似摺痕的 痕跡，應是鈣離子與腐植酸錯合之下，腐植酸分子之電雙層壓縮與鈣 離子架橋結果，使得腐植酸分子緊密聚集壓密而導致此現象。

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（a））） ） （（（（b））） ）

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（c））） ） （（（（d））） ）

圖 4-21 PVDF 薄膜之 AFM 分析（a）原始 PVDF 薄膜（b）過濾含鈣 離子水樣後之 PVDF 薄膜（c）先過濾鈣離子再過濾腐植酸之 薄膜（d）過濾腐植酸與鈣離子混合水樣之薄膜

（a） （b） （c）

圖 4-22 PVDF 薄膜 AFM 圖形分析（a）僅過濾含鈣離子水樣之薄膜

（b）先行過濾鈣離子水樣再過濾腐植酸水樣（c）過濾鈣離子 與腐植酸混合水樣之薄膜

圖 4-22 為以 AFM 圖形分析軟體所得到的大略粒徑圖，可從圖中 看出過濾完氯化鈣溶液後，殘留於薄膜上的粒子顆粒極小，大略在 336.19 nm 或更小的範圍內，而若是腐植酸的殘留積垢則在 577.18 nm 或更大的範圍，可從波動圖形看出其覆蓋的形體似乎所佔面積較大，

而在過濾鈣離子與腐植酸混合水樣後之薄膜，表面殘留之粒子顆粒大 約在 647.32 nm 左右，若從數字直接顯示會認為圖 4-22（c）的顆粒 粒徑較大，但若觀察其波動的圖形，圖 4-22（b）雖選稍微突起的範 圍做測量，但表面的高低差沒有比圖 4-22（c）來的大，故判斷其表 面累積的形態為層層疊上的情況，不像是圖 4-20（c）的粒狀顆粒沉 降的情形。

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（（a））） ） （（b）（（ ）））

（（

（（c））） ） （（d）（（ ）））

圖 4-23 AFM 3D 立體分析（a）原始 PVDF 薄膜（b）過濾鈣離子水 樣後之 PVDF 薄膜（c）先過濾鈣離子再過濾腐植酸之薄膜

（d）過濾腐植酸與鈣離子混合水樣之薄膜

而由圖 4-23 的 3D 立體表示圖更可明顯看出，在不同的累積條件 中，薄膜表面的物質堆疊情況，圖 4-23（a）表原始無積垢物之薄膜，

可見其表面較為平坦，無積垢物累積；而觀察圖 4-23（b），雖僅過濾 含鈣離子水樣，但可見細微的晶形粒狀物累積在表面上，改變了表面 的粗糙度與表面特性；接著比較圖 4-23（c）與圖 4-23（d），由立體 圖得知，先過鈣離子再過腐植酸的薄膜表面，其上累積物應為腐植 酸，而其呈現的累積狀態為大分子累積，而過濾腐植酸與氯化鈣混合 溶液的部份則可以明顯看出球狀堆疊的情形，這個結果映證了 Hong 和 Elimelech (1997)所提出的說法，在二價陽離子存在的條件下，在 溶液中的天然有機物呈現較為蜷曲及緊密的結構，對於薄膜的過濾而 言，會產生比較緊密且壓實的積垢層；反之，二價陽離子不存在時，

天然有機物呈現線性結構，另外在薄膜所造成的積垢，相對而言是比 較鬆散的。

在 PVDF 薄膜的 AFM 分析中，乾淨的薄膜粗糙度大約為 35.345 nm，而有了鈣離子累積的薄膜大約在 34.725 nm 相對的粗糙度較低，

而 Yan 等人(2006)在 AFM 分析提出粗糙度較低的薄膜，相對而言比 粗糙度高的對於積垢的抗性較高，而在先過濾鈣離子再過濾腐植酸與 過濾混合溶液的薄膜，粗糙度分別為 43.493 nm 與 51.932 nm，可知 當薄膜上若已累積腐植酸，由於不平均的吸附，則會增加薄膜表面的 粗糙度。