奈米碳管透膜？ 工业革命后，工厂排放的废水越来越毒（如重金属、有毒化学物质等），而旧型水处理 (water treatment) 的设备已不堪使用，因为旧型的设备对病原体的种类、温度、pH 相当敏感，使得处理效率降低，甚至有些汙染完全无法解决；且旧型水处理的最终手段—消毒水，其主要成分是次氯酸钠 (Sodium hypochlorite, NaClO)，会产生多种副产物（如卤代酰胺，有致癌的可能性）；而消毒水所不能解决的污染我们就束手无策了。而奈米碳管的问世，让我们有新的选择来解决饮用水品质与海水淡化的议题。 将奈米碳管加入其他化合物做成奈米碳管透膜，可经由修饰官能基来提升吸附能力、细胞毒性的优势，因而可以解决旧型水处理设备的不足。 结构优势 奈米碳管会聚集在一起形成间隙孔有四个能吸附物质的地方，奈米碳管末端、奈米碳管间的孔洞、奈米碳管束的边界、奈米碳管束最外层的表面，因此能有效阻止大型的生物汙染物（如细菌、病毒）通过。 表一 奈米碳管可吸附物质的四个地方 可官能基化优势 奈米碳管可以在壁上或是末梢藉由共价键或是化学作用力来接上官能基团，常见的官能基有羧酸基 (－COOH)、羟基 (－OH) 及胺基 (－NH 2 ) 等，接上官能基团，最主要的目的是为了增加奈米碳管对水的溶解性，溶解性上升才可以扩展更多的应用，亲水的奈米碳管可以增加分散性，并更好的吸附生物活性分子，而分散性的提高有助于做成薄膜，但又不能完全分散，文献证明适当的分散比完全分散或完全不分散更可以吸附细菌或小分子。 表二 奈米碳管分散度与吸附效率比较 官能基化也助于吸附金属离子，藉由官能基对金属离子的螯合(chelation)来提升对饮用水中有害重金属离子的吸附能力(图一)。 图一 官能基化后吸附金属离子示意图 (作者绘製) 近期更有文献利用奈米碳管薄膜来下降水中金黄色葡萄球菌、大肠桿菌含量的实验，实验结果十分优良，最短的不到十分钟就可以把两种生物汙染源的浓度下降到原本的 0.000001 倍。 表三 奈米碳管对金黄色葡萄球菌、大肠桿菌的吸附实验 奈米碳管透膜这些优点不但能来净化水源，还可以拿来海水淡化，目前的海水淡化手段如下，每个方法都有其优缺点，例如 UV 法不能去除重金属与非活体汙染物，蒸馏则大部分汙染物都存留而且需要很高的能量，化学方法则需要添加很多其他的试剂，而最新的如超微过滤、超过滤、微过滤不是太贵就是太耗能，奈米碳管可以吸附盐类、汙染物、病原体，并让纯水通过来达成海水淡化的结果。 图二 奈米碳管薄膜淡化海水示意图 (作者绘製) 奈米碳管还有很多很有趣的应用，正等待化学家们去突破、去创新、去发现更多对人类有益的技术。 参考文献 Upadhyayula, V. K., Deng, S., Mitchell, M. C., & Smith, G. B. (2009). Application of carbon nanotube technology for removal of contaminants in drinking water: a review. Science of the Total Environment , 408 (1), 1-13. Kang, S., Herzberg, M., Rodrigues, D. F., & Elimelech, M. (2008). Antibacterial effects of carbon nanotubes: size does matter!. Langmuir , 24 (13), 6409-6413. Arias, L. R., & Yang, L. (2009). Inactivation of bacterial pathogens by carbon nanotubes in suspensions. Langmuir , 25 (5), 3003-3012. Akasaka, T., & Watari, F. (2009). Capture of bacteria by flexible carbon nanotubes. Acta biomaterialia , 5 (2), 607-612. Deng, S., Upadhyayula, V. K., Smith, G. B., & Mitchell, M. C. (2008). Adsorption equilibrium and kinetics of microorganisms on single-wall carbon nanotubes. Sensors Journal, IEEE , 8 (6), 954-962. Das, R., Ali, M. E., Hamid, S. B. A., Ramakrishna, S., & Chowdhury, Z. Z. (2014). Carbon nanotube membranes for water purification: a bright future in water desalination. Desalination , 336 , 97-109. 查看更多
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