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濾水新技術 毋須濾膜助降成本

【明報專訊】過濾向來都是最常用的污水處理方法之一,可是,當微粒的體積小到某個程度之後,過濾速度就會顯著下降;而且因為濾膜容易阻塞,需要頻繁更換,成本效益不理想。有本地大學的研究生就提出,棄用過濾技術,改用力學原理分離直徑50微米或以下的微粒,這樣就毋須經常更換耗材。

明報記者 薛偉傑

攝影 黃志東

城市大學生物醫學工程系博士生陳俊均(圖)表示,濾膜、濾芯等傳統濾水技術在過濾直徑100微米或以上的微粒時,效率很高。但若過濾直徑50微米或以下微粒時,這些技術的效率和成本效益就會大跌。尤其是那些高密度濾膜很容易因為阻塞而不能運作,需經常更換,令運作成本大升。可是,近年令各國頭痛的「微塑膠」,部分直徑就只有幾微米至幾十微米。所以他們就構思能否不使用濾膜,改用其他技術,也可以從水中分離出這些細小的微粒。他們留意到,在醫學上,其實一直有使用一種「微流體晶片」(Microfluidic Chip)輔助診斷,例如從癌症病人的血液或尿液分離出癌細胞,以判斷病情等助人工受孕等。這些「微流體晶片」的運作原理、性能、耐用度和成本效益,都十分適合用來分離水中直徑50微米或以下的微粒。

無阻塞問題 可反覆使用

原來,當微粒在圓形和幼細的管道內隨液體旋轉流動時,會受到兩個力量牽引。第一股力量是「迪恩拖曳力」(Dean Drag Force),指向圓形外圍,普通人可以理解為離心力。另一股力量是「慣性升力」(Inertial Lift Force),其方向剛好和前者相反,指向圓形中央。

若事先知道那些微粒的大約直徑,便可以設計合適尺寸的管道和「微流體晶片」,令那些微粒受到的這兩股力量大致相等,從而保持在管道液體中的接近中央位置(以管道橫切面計)。最後,再在「微流體晶片」的出口處分流,將管道分為5條更幼管道。那些微粒便會自動被分離到接近中央位置的兩三條幼管道。這個現象稱為「慣性微流體粒子分離技術」。在醫學上,這種方法常被用來分離血液中的某些細胞。陳俊均覺得,這種技術其實也可以應用到水質研究和污水處理。他指出,這個方案的最大特點,是借助兩股力量的平衡分離液體中的微粒,而不是靠管道的孔徑比微粒更小來過濾。所以,原則上不會出現阻塞問題。

可分離直徑小至2微米微粒

若要清潔的話,只需使用小量清水和施加小許壓力,就可徹底清潔「微流體晶片」的管道,從而長時間重複使用。由於毋須頻繁更換耗材,這便可以令分離微粒的成本大幅降低。

陳俊均表示,他們曾試驗過用兩款「微流體晶片」分離水中的微粒。第一款管道橫切面闊500微米、高200微米(管道橫切面為長方形),可以從水中分離出直徑小至19微米的微粒。第二款「微流體晶片」較精細,其管道橫切面只闊50微米、高20微米,可以從水中分離出直徑小至2微米的微粒。這兩款「微流體晶片」都很容易生產。只需將平時為液態的聚合物「聚二甲基矽氧烷」(PDMS)倒入模具中,然後放入焗爐內,以60至70度加熱一至兩小時,再脫模便行。

其中,第一款「微流體晶片」可以用金屬模具製造。向金屬模具廠訂造每件金屬模具的收費為2000多元。第二款「微流體晶片」的管道相對較為精細,故不能使用金屬模具來製造,必須使用矽晶圓模具製造。不過,這些矽晶圓模具只需向微米級製程的晶圓廠訂造已經足夠有餘,毋須光顧納米級製程的晶圓廠。可以說,不用擔心被外國技術封鎖的問題。現時,他們是以200元訂購一片光刻菲林,然後借用城大實驗室內的舊款光刻機製造「微流體晶片」的矽晶圓模具,暫時連光顧晶圓廠費用也省掉。

最大的問題反而是,單單一枚「微流體晶片」只能讓很少污水通過,其處理能力十分有限。所以,若真的要應用於污水處理廠,就必須使用很多枚「微流體晶片」,以並行處理方式大幅提高從水中分離微粒的能力。

陳俊均表示,現時他和另一個同系博士生鄒商傑,以及碩士畢業生李嶼松,就正在研發這種設備,希望一至兩年後可以造出原型,開始污水處理試驗。城大生物醫學工程系助理教授邱美孌則從旁指導他們的研究工作。他們的構思,是那部設備除了以並行設計來大幅提高處理能力之外,還要非常自動化。例如將會內置電子顯微鏡,並且能夠自動量化微粒的數量。

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