水質處理的五種方法，粒徑沉降、過濾膜表面電位與接觸角

目錄 1.水質處理的5種方法 2.水質處理沉澱過程粒徑表現 3.水質處理過濾膜的電位與接觸角   a.DOM(Dissolved Organic Matter)是什麼?   b.過濾膜的表面電位與接觸角的關係   c.過濾膜表面電位的量測方法

 

水質處理的5種方法

水質處理是指通過不同的方法來去除水中的雜質、污染物和微生物等物質，以提高水的品質和安全性。以下是幾種常用的水質處理方法：

1. 過濾法：通過使用不同孔徑的濾網或過濾材料，將水中的懸浮物、泥沙和微生物等物質過濾掉，以達到淨化水質的目的。
2. 消毒法：通過添加化學物質或使用紫外線等方法，殺死水中的細菌、病毒和其他微生物，以消除水中的病原體和污染物。
3. 沉澱法：通過添加化學混凝劑，使水中的懸浮物和微小的污染粒子凝聚成較大的顆粒，然後在水中形成沉澱物，最終通過濾過去除。
4. 活性炭吸附法：通過使用具有高度吸附能力的活性炭，將水中的有機物質、氯和其他化學物質吸附掉，以去除水中的污染物和異味。
5. 逆滲透法：通過壓力作用使水通過半透膜，將水中的溶解物、有機物和微生物等物質分離出來，從而達到淨化水質的目的。

這些方法通常會組合使用，以提高水質處理的效率和效果。例如，濾過法通常會與消毒法結合使用，以去除水中的雜質和病原體，同時沉澱法也會與濾過法或消毒法結合使用，以去除更小的污染物和微生物。近期更有使用奈米氣泡的淨化方法，不過目前一般奈米氣泡清潔運用於工業用需要高純度的水時使用。

下面簡單介紹其中兩種相關應用。

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水質處理沉澱過程粒徑表現

一般而言，我們都希望我的產品界達電位絕對值越大，能使樣品互相保有電荷斥力而互相排斥，今天我們介紹一個相反的應用。
在水質處理時不管是飲用水或是廢水處理，我們都希望裡面懸浮物消失。以增凝劑使其凝集而沉降。
不同對象物也要找到不同增凝劑及最佳添加濃度。跟一般希望分散的添加劑應用一樣，我們也可以藉由調配不同濃度的添加劑研究界達電位與粒徑之間的變化，不同的是這次我們希望界達電位是接近0，讓他可以順利沉降下去。
下面我們使用陰離子高分子電解質「聚苯乙烯磺酸鈉（PSSNa）」這種高分子類凝集劑，並使用氧化鋁粒子作為懸浮粒子來量測粒徑與界達電位，並藉此評價分散狀態。
溶劑使用1mM NaCl（pH值=6）。並使用超音波分散機進行10分鐘的分散流程。



氧化鋁粒子之等電點在pH值為9～10的範圍內，故pH值為6時為正電荷。氧化鋁粒子之界達電位在添加 PSSNa後就減少，並在添加濃度為2.5×10-4ｍM時趨近於零。
此外，若再繼續添加到2.5×10-4ｍM以上濃度，氧化鋁界達電位會增加負電荷，並在添加濃度為20×10-4ｍM時達到約‐40mV的恆定狀態。
由粒徑與界達電位之結果得知，凝集所需最佳為2.5×10-4ｍM。  
分散劑與凝集劑都有最佳濃度的使用方法，粒徑與界達電位為評價凝集劑之效果與最佳濃度時的有效方法。

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水質處理過濾膜的電位與接觸角

生活用水或飲用水等我們日常生活中使用的水源，大部分經過多道淨水技術。其中就包含過濾、增凝劑等材料化學技術，去除水中雜質，以獲得安全的水資源。日前我們介紹過增凝劑的使用方法，這次我們來介紹過濾膜的相關研究。
此篇技術資料是藉由表面電位(surface zeta-potential)與接觸角的關係探討探討奈米過濾膜(NF膜)進行水源淨化前後變化。此篇文章數據韓國江原大學環境工程學科Kangmin Chon老師提供。
詳細可見原論文，部分圖片採用原始論文中圖片。
Chon, K.; Cho, J. Fouling behavior of dissolved organic matter in nanofiltration membranes from a pilot-scale drinking water treatment plant: An autopsy study. Chem. Eng. J. 2016, 295,

DOM(Dissolved Organic Matter)是什麼?

※過濾膜使用前後示意圖。 生活用水處理過程中常見植腐物質、多醣類、蛋白質等等溶存有機物(Dissolved Organic Matter：DOM)吸附或沉澱於過濾膜表面。為了增加膜防汙性能，會加大過濾膜本身負電位強度與DOM物質產生電荷斥力。以親疏水為作用力，一開始僅特定電性的DOM,在使用過一段時間後，過濾膜表面吸附了DOM而產生電性改變，連另一種電性的DOM也開始產生吸附。如此，研究過濾膜表面電位(surface zeta-potential)研究為預測膜汙染程度的一個重要指標。
 

過濾膜的表面電位與接觸角的關係

此實驗使用ELSZ平板樣品量測技術，量測使用約一年後的NF膜，並分別以酸性、鹼性、DI水清洗，觀察表面電位與接觸角等指標，評斷過濾膜的親疏水性。
由結果可以觀察到未使用的過濾膜表面呈現負電，使用過後負電絕對值大幅減少，且接觸角變大，可以觀察到由親水性到疏水性的轉變過程。
之後分別以酸性、鹼性、DI水清洗，可以觀察到以鹼性水清洗的膜，負電回復最大。也可以觀察到其接觸角變化也最大。
因為使用過後無法完全回復到原始狀態(膜經過清洗後仍有部分殘留，詳細可見原論文內SEM照片)造成接觸角與原來不同，但是也能看得出趨勢。
洗淨效果以鹼性水最佳，酸性水最差。如此可藉由表面電位、接觸角、SEM等等不同方法相互佐證，研究奈米過濾膜的使用前後及清洗的效果等等研究。




📖  論文數據提供：
Chon, K.; Cho, J. Fouling behavior of dissolved organic matter in nanofiltration membranes from a pilot-scale drinking water treatment plant: An autopsy study. Chem. Eng. J. 2016, 295,
 

過濾膜表面電位的量測方法

大塚採用解析電滲流分析過濾膜表面電位方法，詳細分析膜層表面電位正負與電性產生的電滲流的結果。
藉由實測電滲流的過程，可得知Cell上緣及下緣的界達電位。
以此原理為架構，設計Cell上層開放式構造，讓固態樣品與量測模組一體化，量測固態樣品表面電位。
詳細請參考下面文章。
📖 界達電位量測原理介紹，固態樣品表面電位(surface zeta potential)量測方法與實踐


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