李岳憲

1-1 前言
薄膜分離技術應用層面廣泛，在水資源匱乏、環保意識抬頭、醫療需求殷切的今日，許多新的薄膜應用被開發出來，也製造出許多新型薄膜，並持續投入更多的研發能量在薄膜科技上。薄膜科技在21世紀，因其應用性廣及各項產業，例如水資源開發、再生能源創造、環境保護及醫療產業等，已躍升為全球矚目之重點產業。日常所見之濾水或逆滲透過濾器就是眾所皆知的薄膜裝置。在製造乳酪、啤酒等食品的過程中，也處處可見薄膜裝置的使用。化學工業與電子工業更是使用薄膜的大戶，舉凡廠區用水、無塵室的空氣濾清，以至於化學品的分離與回收，薄膜裝置都扮演著重要的角色。此外，醫療事業使用的薄膜數量更是驚人，靜脈注射與血液透析膜裝置必然使用薄膜，更為人所熟知。科技的進步改變了人類生活的步調，或許大家應該透過更多的學習，啟發更多關於薄膜設計及應用的靈感，也刺激人們尋求更高階的薄膜技術來滿足生活需求。

1-2 膜的定義
廣義的薄膜定義為：由一具有選擇性的阻礙層（selective barrier）分隔兩相物質。但它如何具有選擇性分離的能力呢？在西元1867年，近代電磁學理論的創始人馬克斯威爾（James Clerk Maxwell）提出了一個著名的假想實驗（圖1-1）。他假設在兩個連通的容器間有一個可以辨識分子的幽靈，幽靈手中掌握了連通口柵門的開關。容器中有兩種分子，一種運動速度快，另一種運動速度慢。當左邊容器中運動速度快的分子靠近連通口時，幽靈會把柵門打開讓運動速度快的分子跑到右邊容器中，然後馬上關上柵門；當右邊容器中運動速度慢的分子靠近連通口時，幽靈也會打開柵門讓運動速度慢的分子跑到左邊，然後關上柵門。幽靈持續管制分子的進出，時間久了之後，大部分速度快的分子會跑到右邊的容器中，而速度慢的分子則會集中到左邊容器中。
這樣的幽靈可以把原本混合均勻的兩種分子分開，因此系統變得較有秩序，亂度（entropy）因而減少。而且依據分子動力學，分子速度快的系統溫度較高，速度慢的系統溫度較低，兩容器將產生溫差。這樣的結果會違反熱力學第二定律，因此，馬克斯威爾提出，只要有上述的幽靈存在，熱力學第二定律（系統應朝向亂度高的狀態演變）就不成立。這種可以辨識分子並管制其進出的幽靈，就被稱為馬克斯威爾的幽靈（Maxwell’s demon）。
馬克斯威爾的假想實驗，或許只是想跟研究統計熱力學的學者開個玩笑，但卻也引發了許多後續的研究和討論。目前被大多數人接受的解釋是：馬克斯威爾的幽靈在進行分子的辨識和進出管制時，不可能如馬克斯威爾假想的完全不耗損能量或不增加亂度，只要把幽靈所需的能量或所增加的亂度納入考量，還是不會違背熱力學第二定律。不過這個假想實驗指出，以辨識分子並管制進出的方式分離原本混合均勻的兩種分子，是最節省能量的分離方法。理論上，以上述的方法分離兩種沒有交互作用分子的均勻混合物時，有機會在只使用最小能量（根據熱力學第二定律，就是補償分離後的亂度減小所需的能量）的狀態下，達成分離的目標。因此，馬克斯威爾幽靈的法力雖然無法高強到讓熱力學第二定律不成立的地步，但只要有可以辨識分子並管制進出的幽靈存在，就有機會在不違反熱力學第二定律的狀況下，以最小的能量分離混合物。當然，所需能量的大小和幽靈的法力高低有關。

一、自然演化的薄膜
具有辨識並管制分子進出能力的馬克斯威爾幽靈，事實上老早就存在於生物體內。在馬克斯威爾提出幽靈假想實驗的一百多年前（西元1748年），法國修道士（也是著名的物理學家）Jean-Antoine Nollet就觀察到豬膀胱壁會讓水透過，但卻幾乎不會讓酒精（乙醇）透過。後來法國生理學家Henri Dutrochet發現細胞膜也同樣具有選擇分子的能力，只讓水透過而不讓鹽透過，在1826年的一篇論文中稱這種現象為滲透（osmosis），且確認細胞膜是半透膜，從此開啟了人類對半透膜和滲透現象的研究。
隨著生物學和生理學的進展，科學家發現生物體內到處都有具選擇分子能力的半透膜，如腎小球處的血管壁可以讓尿素、尿酸等小分子透過，卻不讓血液中的蛋白質和血球透過；肺泡表面微血管則對氣體有很高的通透性。到了20 世紀，當科技進展到可以分析細胞膜的結構和功能時，人類更進一步認識到，生物經千萬年演化後，所發展出來的細胞膜具備幾近完美的分子辨識和篩選能力。
細胞因有維繫生存和展現功能的需求，確有需要發展出控制分子進出細胞膜的能力，可以從周遭的環境中選擇需要的分子，讓它進入細胞，而把不需要的物質阻擋在外或加以排除。細胞若能用最少的能量維持生命和功能，在生存的競爭中當然占有優勢。經過千萬年演化出的生物細胞膜，已發展出一套十分有效率的分子辨識和進出管制方法，細胞膜是目前已知法力最高強的馬克斯威爾幽靈。

1-1 前言
薄膜分離技術應用層面廣泛，在水資源匱乏、環保意識抬頭、醫療需求殷切的今日，許多新的薄膜應用被開發出來，也製造出許多新型薄膜，並持續投入更多的研發能量在薄膜科技上。薄膜科技在21世紀，因其應用性廣及各項產業，例如水資源開發、再生能源創造、環境保護及醫療產業等，已躍升為全球矚目之重點產業。日常所見之濾水或逆滲透過濾器就是眾所皆知的薄膜裝置。在製造乳酪、啤酒等食品的過程中，也處處可見薄膜裝置的使用。化學工業與電子工業更是使用薄膜的大戶，舉凡廠區用水、無塵室的空氣濾清，以至於化學品的分離與回收，...

本書能順利編撰完成，首先要感謝教育部第18屆國家講座計畫的支持。本書的構思以及編寫過程，得力於薄膜中心的成員以及已為人師的學生們外，要特別感謝新加坡國立大學鍾台生院士及浙江工業大學高從堦院士的跨海相助，特別向所有的作者群表達真摯的謝意，也謝謝蔡惠安教授的彙整、校稿等行政事務之幫助。四十餘年來待人接物上，努力以父親給我的名字「君義」自持，幸而獲得諸多的貴人扶持和幫助，中原大學熊慎幹校長、程萬里校長、傑出的企業家黃雅夫教授，也藉此一隅表達謝意。當然，一生相伴相持的內人賴陳靜枝女士和我親愛的家人們，給了我持續往前最重要的力量。
21世紀以來，資源、環保、能源、醫療等議題日趨重要，薄膜科技也精進發展許多新型的薄膜以及新的應用領域，從而躍升為全球矚目之重點產業。薄膜（membrane）為具有選擇性而分隔兩相物質的阻礙層，因具有選擇性分離的能力，應用層面廣泛。薄膜科技其實早就深入於我們的日常之中，例如家用的逆滲透濾水器、吸塵器附加的HEPA濾網、醫療用的腎透析設備等。
薄膜科技為高度跨領域的學門，從化學合成、材料結構設計、輸送現象與單元操作、模組設計、程序整合到經濟效益與成本評估等，而其應用領域更從傳統的物質分離純化橫跨到電化學、環境工程與生物醫學等。因此，筆者一路走來，就以建立跨領域合作以及團隊為職志。投入薄膜科技的研究四十餘年來，在教學與研究崗位上孜孜不倦，致力於推廣薄膜科技教育以及產業發展。透過中原大學薄膜中心的成立，在經濟部科專計畫以及教育部頂尖研究中心計畫的支持下，實現了跨領域與產學合作的團隊與平台，除以此團隊為核心積極參與薄膜科技的國際學術活動，從而奠立我國在國際學術社群的地位以及聲望外，也經由中原大學薄膜中心的業界會員制度，凝聚我國在薄膜科技產業相關的公司以及人員。基於更加齊聚我國在薄膜科技領域的學者以及業界的薄膜人的期望，進一步於2016年成立台灣薄膜學會，筆者忝任首屆理事長，在眾多前輩與後進的支持下，幸能順利地開展會務，為我國薄膜社群開展新的一頁。
薄膜科技的高度跨領域與學門的特性，特別需要人才的整合以及交流合作平台，讓有薄膜專才的人扎根物理化學與材料科學的能力，而攜手不同學科以及背景的人才加入薄膜科技領域，我習於將之稱為「薄膜化」。2018年從中原大學薄膜中心退休之後，筆者猶續任教於國立台灣科技大學，奔走台北中壢之間，只是以「薄膜化」為職志，盼多落下一些種子而已。然而，國內學界參與薄膜科技研究者雖不少，業界參與製膜與用膜領域相關者也眾，但在大專院校中的薄膜專業課程卻寥寥無幾，筆者雖在中原大學教授薄膜相關課程多年，也感於推廣此課程的困難。其中重要的環節之一，應為無一本適當的書籍作為系統課程的教科書以及自修者研讀學習所用之參考書，實不利於我國薄膜科技與產業的推動與發展。因此，撰寫一本薄膜科技的專門書籍，也成為近幾年來心頭的重大願望，並為「薄膜化」的重要推手。此生有幸，在諸多合著者以及學者的協助下，此書終於得以面世。
本書以18章涵蓋傳統薄膜科技以及新興薄膜領域，從基礎學理之說明到應用領域的解析，第一部分為薄膜科技基礎與學理篇，包括薄膜分離技術綜論、薄膜之材料、結構與模組、薄膜製備與成膜機制，以及薄膜結構鑑定技術等4章；第二部分以薄膜應用為範疇，首先依薄膜的結構與分離特性介紹微過濾與超過濾、奈米過濾、逆滲透，以及正滲透等系統，繼而橋接到緻密膜的應用課題，包括滲透蒸發以及氣體分離系統等；繼之，以特定的分離應用程序及新興的薄膜科技應用領域為題，分別論述薄膜蒸餾、薄膜生物反應器、支撐式液膜、電透析薄膜，以及應用於燃料電池的質子／氫氧根離子交換膜等；本書的最後3章，則以薄膜分離在生物科技與醫學上的應用為標的，具文闡析薄膜科技在血液淨化、藥物控制釋放系統以及組織工程等方面的應用和發展前景。除本文的內容外，在每一章結尾也提供習題俾使讀者便於自我探索閱讀的理解程度和評估自我修習的成效，所附之參考文獻也有利於讀者進行更廣泛而深入的閱讀。初學的人可以透過本書完整地認識薄膜科技，而學者也能夠由垂直深入以及水平連結，從而整合對薄膜科技的技術以及知識。
期待本書能成為人才培育「薄膜化」的平台和媒介，擴展薄膜知識的傳播，書中容有不足與錯誤之處，還請不吝賜知，而後老驥伏櫪，才俊接棒，俾能連木成林，有所建樹。

賴君義 謹識

本書能順利編撰完成，首先要感謝教育部第18屆國家講座計畫的支持。本書的構思以及編寫過程，得力於薄膜中心的成員以及已為人師的學生們外，要特別感謝新加坡國立大學鍾台生院士及浙江工業大學高從堦院士的跨海相助，特別向所有的作者群表達真摯的謝意，也謝謝蔡惠安教授的彙整、校稿等行政事務之幫助。四十餘年來待人接物上，努力以父親給我的名字「君義」自持，幸而獲得諸多的貴人扶持和幫助，中原大學熊慎幹校長、程萬里校長、傑出的企業家黃雅夫教授，也藉此一隅表達謝意。當然，一生相伴相持的內人賴陳靜枝女士和我親愛的家人們，給了我...

編著者序

第一章　薄膜分離技術綜論
1-1 前言
1-2 膜的定義
1-3 膜技術的演進
1-4 膜技術的應用概述
1-5 結語
習題
參考文獻

第二章　薄膜之材料、結構與模組
2-1 前言
2-2 薄膜的材料分類
2-3 薄膜的結構分類
2-4 薄膜的模組
2-5 結語
習題
參考文獻

第三章　薄膜製備與成膜機制
3-1 前言
3-2 薄膜製備
3-3 相轉換成膜法
3-4 薄膜的成膜機制
3-5 結語
習題
參考文獻
符號說明

第四章　薄膜結構鑑定技術
4-1 前言
4-2 薄膜的分類及其應用
4-3 分離薄膜的結構鑑定技術
習題
參考文獻
符號說明

第五章　微過濾與超過濾
5-1 前言
5-2 過濾機制與原理
5-3 膜材與模組
5-4 結垢與清洗
5-5 微過濾與超過濾技術應用
5-6 結語
習題
參考文獻
符號說明

第六章　奈米過濾
6-1 前言
6-2 奈米濾膜與奈米過濾的發展
6-3 奈米濾膜的種類及其特性
6-4 奈米過濾的理論模式發展
6-5 奈米過濾的應用
6-6 結語
習題
參考文獻
符號說明

第七章　逆滲透與海水淡化
7-1 前言
7-2 滲透與逆滲透基本原理
7-3 逆滲透膜、製備方法及分離機理
7-4 逆滲透技術的應用
7-5 海水淡化
7-6 結語
習題
參考文獻

第八章　正滲透
8-1 前言
8-2 滲透現象
8-3 膜滲透過程的分類
8-4 正滲透過程質傳
8-5 正滲透膜
8-6 汲取液與驅動質
8-7 正滲透過程的應用
8-8 結語
習題
參考文獻
符號說明

第九章　滲透蒸發
9-1 前言
9-2 滲透蒸發的分離機制與效能指標
9-3 滲透蒸發薄膜的種類與特性
9-4 滲透蒸發的應用
9-5 結語
習題
參考文獻
符號說明

第十章　氣體分離
10-1 前言
10-2 薄膜氣體傳輸理論
10-3 氣體分離薄膜的類型
10-4 氣體分離薄膜的製備
10-5 氣體分離薄膜的鑑定
10-6 氣體分離薄膜須克服的問題
10-7 氣體分離薄膜的應用
10-8 結語
習題
參考文獻
符號說明

第十一章　膜蒸餾
11-1 前言
11-2 膜蒸餾的傳送機制
11-3 膜材與模組
11-4 直接接觸式膜蒸餾模組的數學模式與最優設計
11-5 氣隙式膜蒸餾模組的數學模式與最優設計
11-6 鰭片式膜蒸餾模組
11-7 膜蒸餾應用於工業製程熱交換
11-8 結語
習題
參考文獻

第十二章　薄膜生物反應器
12-1 MBR 的原理與類型
12-2 薄膜分類
12-3 薄膜模組分類
12-4 MBR 操作影響因素與積垢去除
12-5 MBR 發展進程及技術現況
12-6 MBR 特性優點及適用範圍
習題
參考文獻
符號說明

第十三章　液膜分離
13-1 液膜分離技術簡介
13-2 液膜分離的原理與輸送機制
13-3 液膜組成
13-4 液膜的應用
13-5 數學模式與操作變數
13-6 液膜操作穩定性
13-7 發展方向
習題
參考文獻
符號說明

第十四章　電透析
14-1 前言
14-2 電透析工作原理
14-3 電透析薄膜製備
14-4 電透析薄膜性質鑑定
14-5 電透析及電解質膜的應用
14-6 結語
習題
參考文獻
符號說明

第十五章　燃料電池
15-1 前言
15-2 質子交換膜燃料電池
15-3 直接甲醇燃料電池
15-4 結語
習題
參考文獻

第十六章　血液淨化薄膜
16-1 前言
16-2 血液相容性薄膜系統
16-3 血液相容性薄膜製程
16-4 血液淨化薄膜
16-5 血液分離薄膜
16-6 結語
習題
參考文獻

第十七章　藥物控制釋放之應用
17-1 簡介
17-2 儲槽式薄膜藥物控釋系統
17-3 滲透壓幫浦式薄膜藥物控釋系統
17-4 薄膜藥物控釋系統之理論分析
17-5 結語
習題
參考文獻
符號說明

第十八章　薄膜在組織工程上之應用
18-1 人工胰臟
18-2 人工神經
18-3 皮膚工程
18-4 抗老化工程
習題
參考文獻

中英索引單字

編著者序

第一章　薄膜分離技術綜論
1-1 前言
1-2 膜的定義
1-3 膜技術的演進
1-4 膜技術的應用概述
1-5 結語
習題
參考文獻

第二章　薄膜之材料、結構與模組
2-1 前言
2-2 薄膜的材料分類
2-3 薄膜的結構分類
2-4 薄膜的模組
2-5 結語
習題
參考文獻

第三章　薄膜製備與成膜機制
3-1 前言
3-2 薄膜製備
3-3 相轉換成膜法
3-4 薄膜的成膜機制
3-5 結語
習題
參考文獻
符號說明

第四章　薄膜結構鑑定技術
4-1 前言
4-2 薄膜的分類及其應用
4-3 分離薄膜的結構鑑定技術
習題
參考文獻
符號說明

...