新世紀的化學工程：薄膜水處理技術 童國倫 國立臺灣大學化學工程學系中原大學薄膜技術研發中心kltung@ntu.edu.tw n  化學工程與循環經濟 一般人對化工廠的負面刻板印象是製造污染和廢水的工業，實際上全球的化工業是最重視環保和水處理的，舉凡國際大廠BASF、Bayer、DuPont、DOW、DSM……等等，都是國際上最重視環保與水資源的模範生，國內也許多化學工業公司也都以環境永續發展為己任。為什麼是這些化學工業公司在推動環保，因為所有的基礎工程教育相關科系：土木、機械、電機、化工等四個系所，早期只有化學工程的教育將化學納入為核心課程之一，因此對於環境復育及永續具有環境化學所需的相關基礎專業知識，爾後由於環保意識日益升高，衍生出環境工程也投入了環保人才的孕育，也將許多化學相關課程納入其核心。 圖一：2020年化學工業發展願景[1,2] 近年全球興起循環經濟（circular economy）的概念[3]，其目標又遠高於一邊的環境保護概念，探討如何回收廢棄物中的有價物質，並設計新的化工單元程序將其再製成高值化的化學品，此實為具備化腐朽為神奇之工的化工人之專長，本世紀實為化學工程師的擅長時代。由圖一的化學工業發展願景來看，全球的化學工業已訂立了永續發展的宏願，未來再也看不到林立的煙囪，地面上都長出茵茵綠草，要完全的回收資源、能源及水，達到人類生活地球的永續運轉，這就有賴新的化學工業製程設計。本篇將以新的工業製程水處理膜過濾技術為例，介紹新世紀的化學工程教育中因應循環經濟發展所需而納入的新題材—膜過濾技術（membrane filtration technology），及其對基礎化學教育的倚賴，如何引進新的高效分離技術回收製程中的水，減少管末處理的需求，如圖二所示，甚至達到零液體排放（zero-liquid discharge, ZLD）的終極目標。 圖二、循環經濟（circular economy）發展的概念圖示 n  水資源的重要 我們知道地球表面超過70%的面積是為水所覆蓋，但這些水有超過97%是無法直接利用的鹹水，只有2.5%是不含鹽分的水，扣除兩極覆蓋的冰，只剩1.3%的地表水可茲人類使用。但近年來由於人口快速增加、地球暖化、產業蓬勃發展，水的問題在經濟發展上越來越重要，同時在食物及生質能源製造過程中耗用大量的水，更加速水資源缺乏窘境的惡化。目前全世界人口來到70億，以目前的水資源利用情形來看，到2025年有18億人不能享有基本的生活污水處理設施，將近2/3的人類會面臨水資源短缺的威脅。反觀臺灣，雖然年平均降雨量約是世界平均值的2.5倍，但由於地勢的關係，大部分的降雨都在兩天之內入海，無法有效利用，換算後每人每年所分配到的降雨量為全世界排名第18的缺水國[4]。因此，臺灣自2015年起推動相關的政策及法規，至今年（2016年）中正式全數通過包含再生水資源發展條例、自來水法修正案及水利法修正案等被外界稱為「節水三法」的重要政策，全面性的推動水資源開發與再利用。水資源開發重點包括多元化新水源的開發與工廠內部工業用水與廢水的回收再利用，多元化新水源的開發包括農業回歸水利用、大型廢污水回收與海水淡化等。 為因應近年全球與臺灣的對於水質以及水回收率要求的增加，發展新穎的高效能水處理技術是全球此領域專業人士的焦點。過去不管是自來水、生活污水或工業廢水處理，大都使用傳統的物理化學（如混凝、沈澱、砂濾）或生物（如活性污泥）處理程序，這些程序由於占地面積大、耗時耗能，且常需要加藥處理；因此，物理處理的膜過濾技術應運而生，但這些多孔性過濾膜的製作則仰賴高分子化學或無機材料化學科技。同時，因為近年膜製作技術的提昇，使得膜應用的設置與操作成本降低，因此薄膜在水處理及回收上的應用已經逐漸普及。本篇將以高分子膜為例，介紹常用於水處理之過濾膜材（membrane materials）及其化學結構，並簡介化學工程如何將這些高分子膜製作成模組（module）、設計出系統（system），再將其放大（scale-up）於實廠應用。 n  膜過濾技術 水處理用的膜過濾（membrane filtration）技術依其濾除物質與操作壓力大小可分為：微過濾（microfiltration, MF）、超過濾（ultrafiltration, UF）、奈米過濾（nanofiltration, NF）、及逆滲透（reverse osmosis, RO）[5-8]，實務操作上均是以壓力差驅動進流水，使其通過薄膜，以達到過濾分離效果。依水或廢水來源的不同，各種膜過濾技術可濾除之水體污染物種類可概分為懸浮固體微粒、病原蟲、細菌、病毒、膠體、有機物、染料、鹽類等，如圖三所示[8]。 MF薄膜多用來濾除粒徑大小在0.05~10微米（μm）間的懸浮顆粒，操作壓力約在0.5~2大氣壓（atm）；UF薄膜孔徑較小，多用來濾除粒徑較小的巨分子或所謂的膠體（colloids），大小在2~100奈米（nm），由於這些物質的尺寸都相當小，實用上又常以能阻擋之物質的分子量（molecular weight cut off, MWCO）來表示，約為2,000~500,000道爾吞（Dalton），UF的操作壓力約在1~5大氣壓。 NF則是近10年發展起來的膜分離技術，其〝膜孔〞介於超濾膜和逆滲透膜之間，膜的表面分離層由聚電解質所構成，可截留分子量在200-2000 道爾吞之間的有機物，並對二價和多價離子具有較高的截留率。可去除水體中的三氯甲烷前驅物質、低分子有機物、農藥、激素、砷和重金屬等有害物質，NF的操作壓力約在4~10大氣壓。 RO逆滲透是一般民眾最熟知的膜過濾程序，RO膜孔洞最小僅約0.2~0.4奈米（nm）只能讓水分子過，濾除其他物質，操作壓力受進水的滲透壓而異，一般家用的RO由於進水的鹽濃度相當低，操作壓力跟NF相近，約在6~10大氣壓力。而海水淡化用的RO操作，由於海水的鹽濃度約3.5%，其滲透壓力就約24~26大氣壓，因此一般海水淡化的RO操作壓力一般都高於50大氣壓，相當高的操作壓力，因此膜材料與模組的設計就必須考量其機械強度。 圖三：水處理用膜過濾技術分類圖譜（修改自日本Toray公司資料）[8] 一個好的膜過濾水處理程序端賴三個重要的關鍵環節，如圖四所示：1. 要有高透流率、高阻擋率、高抗污特性的過濾膜材（membrane）；2. 要有高填充密度（packing density）、高機械強度的模組（module）；3. 要有高穩定性、高可靠度的系統（system），近年的趨勢是於系統內加裝監測裝置（monitoring device）[9]。            圖四：水處理膜過濾技術的三個重要環節：材料設計、模組設計與系統設計。 在膜材料種類方面，有高分子膜（polymeric membrane）與無機膜（inorganic membrane）兩類，依膜材構造又可分為對稱膜（symmetric）與非對稱膜（asymmetric）兩類，如圖五所示。一般對稱膜的結構強度較高，而非對稱膜由於選擇層較薄，有較高的液體透過率。高分子材質或無機材質之MF/UF多孔膜材結構型態，依材料特性及加工製備方法不同而異。但微過濾膜（MF）大多製成如圖五（(a）的對稱膜結構型態，超過濾膜（UF）為儘量縮減選擇層厚度，則多製備為如圖五（b）的非對稱膜結構型態。而奈米過濾（NF）與逆滲透（RO）膜的孔洞最小，可預期的阻力也會最大，因此選擇層（selective layer）能越薄越好，一般厚度都控制在0.5微米（um）以下，因此表層多以界面聚合（interfacial polymerization）長成在多孔UF上，如圖五（c）所示。     （a）對稱膜（symmetric membrane）[10] […]

拉瓦節的化學革命 洪文東 美和科技大學護理系 hung3893@yahoo.com.tw n  前言 今天任何人都已認識物質是會在空氣中燃燒，有化學知識的人都理解燃燒就是物質與氧化合的現象。可是從瀰漫燃素論（Phlogiston Theory）的當時，一直到18世紀末法國天才化學家拉瓦節（Autoine Laurent Lavoisier, 1743-1794）的燃燒實驗，發現了氧，建構了新的燃燒理論，產生化學革命，的確要經歷一段相當漫長的時日。圖1為拉瓦節及拉瓦節伉儷。   圖1：近代化學之父—拉瓦節（左），拉瓦節伉儷，由大衛所繪（右） （圖片來源：https://zh.wikipedia.org/wiki/安托万–洛朗·德·拉瓦锡） n  化學革命：氧的發現與新的燃燒理論 在1773年，瑞典的謝勒（Karl Wilhem Schelle, 1742-1786）與在英國的普利斯特利（Joseph Priestley, 1733-1804）個別在實驗室中獨自發現了氧。兩人都一致認為「氧是支持燃燒的，而且與呼吸也有密切關係的氣體」。由於受到當時「燃素論」的影響，也都以為燃燒是氧與燃素的結合，而產生的物質才變成光與熱，或與物質逃離出的燃素相結合是氧。當時由於太相信燃素論，氧的發現對化學的進步也無多大的影響。 由於氧的發現，1774年拉瓦節進行了有關「錫」燃燒的實驗，如果以今日的化學語詞來表達，那就是富於定量的實驗，與謝勒和普利斯特利重質的定性實驗大不同。他先將一小片錫放在容器中封閉後加熱，結果錫變成「灰」，而容器內的空氣則被錫吸收；可是含有錫與空氣的容器重量並沒有任何改變。一打開容器的蓋子，發現空氣以強烈的趨勢被吸進去了，再蓋好之後稱其重量，結果發現，重量就增加了！其增加的重量剛好等於錫變成「灰」所增加的重量。 拉瓦節再以「水銀」進行同樣的燃燒實驗，也是發現相同的結果。他測量出實驗之前有50立方吋的空氣，已改變成為42~43立方吋的空氣，也就是大約有1/6的空氣被「水銀」所吸收。剩下在容器內的空氣則會使「燭火」熄滅，也會使老鼠窒息而死。他稱呼這種空氣為「Azote」（指氮氣而言）。其次，他把水銀燃燒後的紅色物質收集在長頸燒瓶中，加熱後，結果發現有7~8立方吋的氣體產生。這種氣體則能使「燭火」燒得更劇烈；恰與普利斯特利所發現「會燃燒的空氣」是一樣的氣體。後來由於此種氣體可以和「氮」、「磷」、「硫」等的氣體化合形成硝酸、磷酸、硫酸，因此他將此種可燃燒的氣體命名為「酸素」。 1777年拉瓦節根據錫與水銀的燃燒實驗，提出新的燃燒理論，認為空氣是由氮與氧形成的，金屬在空氣中燃燒會與氧結合成灰，燃燒就是與氧化合的反應。此種燃燒理論使化學家放棄「燃素」這種虛構架空的物質，而對化學進行革命性之改觀，奠定近代化學發展的基礎。圖2為拉瓦節的實驗室，收藏於法國工藝博物館。圖3為拉瓦節正在進行實驗的情形。   圖2：拉瓦節的實驗室，收藏於法國工藝博物館 （圖片來源：https://zh.wikipedia.org/wiki/安托万–洛朗·德·拉瓦锡） 圖3：拉瓦節正在進行實驗 （圖片來源：https://zh.wikipedia.org/wiki/安托万–洛朗·德·拉瓦锡） n  質量不滅定律 拉瓦節的燃燒理論最有力的依據就是反應前後質量的「定量性」，透過整個實驗，就各種各樣的反應，始終都使用天平非常徹底的觀察測量反應前後的質量關係，歸納實驗結果，建立了「質量不滅定律」。此一定律顯示：在化學反應前後，參與反應的物質，即使形態改變了，仍然在質量上不會發生變化。在拉瓦節的燃燒理論中，當金屬燃燒成為「灰」時，其質量所增加部份，非常正確的和所化合的「氧」的質量是相等的。此一定律確為化學反應最基本定律，化學家據此進行化學反應合成與分析，將所研發的產品供應各行各業的需要，普遍應用於日常生活中之日用品，提升生活品質。 n  化學命名法與元素分類表 1784年至1789年間拉瓦節和多位志同道合科學家共同發起化學命名改革工作，將化合物依其組成成分命名，取代以前依特性的命名方式。例如：「汞灰」叫做「氧化汞」，「金屬灰」叫做「金屬氧化物」。1787年出版「化學命名法」，現今所用的化學名詞，大多依此命名法而來。1789年出版「化學基本論述」，書中清楚陳述「質量守恆」的原理，並發展了英國科學家波義耳（Robert Boyle, 1627-1691）所提出的元素概念，指出元素是「用任何化學分析手段都不能再分解的物質」。他可說是第一位從許多物質當中，很具體的找出「元素」並進行明確分類的化學家。 根據拉瓦節「化學基本論述」觀點，「空氣」是「氧」與「氮」所形成，所以是混合物，而「氧」與「氮」都無法再分解成其他物質，所以是「元素」。又例如「氧化汞」加熱可分解成「氧」和「汞」，但不能再產生其他物質，所以「氧」與「汞」都是「元素」；而由「氧」和「汞」所反應形成的「氧化汞」就是「化合物」。根據此概念，在其論述中列出了包含33種元素分類表，如表1所示： 表1：拉瓦節的元素分類表 上表中元素名稱有小刮號（）者，並非是現在的元素，例如土狀元素之五種元素目前皆知是氧化物，只是由於在當時的化學技術無法分解出來的緣故。拉瓦節在表的後面有附註說明：「就我們目前所獲得的知識是無法再分解下來…。」換言之，他已預期此表再不久的將來會再修正的。他建立元素分類表旨在將化學「體系化」，他認為學問的體系化，必需考慮構成科學的事實，以及能使之聯想到事實之表象，並能有表達此表象之適當語言。 n  結語 拉瓦節說：「沒有理論，科學是不會進步的。欺騙我們的不是自然，也不是自然所提示的事實，而是我們自己的觀察。」拉瓦節的燃燒實驗，發現了氧，推翻「然素論」，建構了新的燃燒理論，產生化學革命。 他進一步根據實驗驗證建立了「質量不滅定律」，並先後出版了「化學命名法」、「化學基本論述」確立了「元素」概念，奠定了近代化學發展之基礎，今日我們特尊稱拉瓦節為「近代化學之父」。 n  參考資料 1.        洪文東、李文德、黃嘉崑、謝榮藏（2006）。 師院普通化學，臺北：五南圖書出版公司。 2.        科學名人堂20～拉瓦節，www.bud.org.tw/museum/s_star20.htm。 3.          安東萬–洛朗·德·拉瓦節，維基百科，https://zh.wikipedia.org/wiki/安托万–洛朗·德·拉瓦锡。  

加水來電：鎂電池 廖旭茂1, 2, *、廖心妍1、黃家均1、林群耀1 1國立大甲高級中學2教育部高中化學學科中心*nacl880626@hotmail.com n  影片觀賞 本文介紹介紹幾樣來自日本和中國的鎂加水電池。本影片提供購自日本科學未來館的鎂電池的元件介紹、組裝過程、運作等步驟，並在文章中介紹鎂電池陰陽極的反應、發電的科學原理。 影片網址：加水來電：鎂電池，https://youtu.be/pzWj2iwDuiI。 n  簡介 最近有一則可充電式的鎂電池的媒體報導：「由國立成功大學材料科學及工程學系洪飛義教授所組成的鎂電池研究團隊，已經獲得突破性進展，與傳統鋰電池的容量相較提高了8到12倍，充放電的效率提高5倍，以電動自行車來說，傳統鋰電池充飽電約需3小時，若改用新研發的鎂電池約充電36分鐘即大功告成。新ㄧ代鎂電池除了電容量高外，又較安全，即使車輛相撞，不像鋰電池，並無爆炸的危險。惟可充電式鎂電池使用的電解液，材料價格不斐，貨源掌握在他國手中，電解質化合物的合成，尚待突破。」（自由時報，2014-10-16）。 相較於可充電式的鎂電池，不可充電式的一次性鎂電池已悄悄進入我們的生活，日本技術發展的進度最快，因應突發的地震等天災，日本的古河電池株式會社（Furukawa Battery，簡稱FB）與凸版印刷（Toppan）聯手，推出紙盒包裝家用的鎂電池—MgBOX，以鎂金屬為負極，使用非貴金屬系列的碳素電極為正極材料，強調只要加水，就可為智慧型手機充電30次，或提供緊急照明等備用電源[1]。在中國亦有相關的產品的推出，還提供可替換的負極鎂板零件供消費者選擇。根據文獻探討，負極鎂在電解質中腐蝕過程所造成的極化現象，一直與鎂電池放電的效能有很大的關聯[2]。本文章提供簡易鎂電池的製作過程，以及在不同電解質下，電池放電效能比較。 n  藥品與器材 市售鎂電池兩種、20 × 55 × 0.5 mm鎂合金片、0.5 M硫酸鈉溶液、活性碳粉、化妝棉、糖果鐵盒、3 mm透明壓克力片、長尾夾、二氧化錳、海藻酸鈉、電壓感測器、電流感測器、Vernier數據收集分析平台。 兩種市售鎂電池包括購自日本科技未來館的的可組裝的鎂電池套件一組、購自淘寶網的水用照明電池。 1.        「鎂電池可組裝套件」一盒，其中包括組裝說明圖、外包裝盒、鎂金屬片（負極）、電解層、觸媒催化層、不鏽鋼片（正極），吸管、LED燈泡。相關套件如圖1所示。 圖1：鎂空氣電池套件 2.        「水用照明電池」一盒，不須自己組裝，直接在罐底加水處加水，透明壓克力中間有一LED燈泡。 圖2：加水電池手電筒 n  實驗步驟與結果 一、  日本市售鎂電池組裝和觀察 1.        取出塑膠袋內的各元件，依說明書的圖片上所載順序排列。圖示說明如圖3所示。 圖3：M為鎂片（負極）、P為分隔紙（電解層）、X為催化層、S為不鏽鋼片（正極） 2.        將四組單電池，依照圖3的順序依序疊合後，以黑色膠帶黏著固定，隨後將盒內所附的LED的金屬腳正確與電池的正負極相連接（LED長腳為正極與不銹鋼片連接，短腳為負極與鎂片連接），並以膠帶環繞固定。相關組裝如圖4所示。   圖4 鎂電池的組裝 3.        將組裝好的電池組合，LED燈泡朝前，放入塑膠圓筒中後，加入約3 mL的自來水，蓋上底蓋，觀察燈泡點亮的情況。隨後以三用電表量測電壓值。四個串連鎂電池測得的電壓約為3.2伏特。圖5為加水過程及燈泡點亮情形。   圖5：鎂電池注水孔的加水（左），點亮情形（右） 4.        以三用電表量測電壓值，量測完畢，5分鐘後，並撕開膠帶，一一攤開各層觀察金屬片。比較結果：反應後的鎂金屬表面呈現灰暗色。圖6為鎂金屬表面反應前後比較。 圖6：反應過的鎂金屬片有明顯發生腐蝕的現象（左），尚未反應的金屬片（右） 二、中國市售鎂電池的觀察 1.        取出中國市售的加水鎂電池，撕開電池的底部透明膠帶後，在加水孔加入約2~3 mL的自來水，貼上貼紙封住加水孔，觀察燈泡點亮的情況。圖7為鎂電池加水過程及點亮狀況。 […]

疑難問題集錦之一： 有關離子安定性和分子偶極的問題 施建輝 國立新竹科學園區實驗高級中學 教育部高中化學學科中心 schemistry0120@gmail.com n  疑難問題一：為何離子的安定性Pb2+ > Pb4+ 而Sn4+ > Sn2+？ 前言 《普通高級中學課程暫行綱要》（95暫綱）高中二下金屬元素之「錫、鉛及其化合物」這一小節，有一段文字：「錫與鉛的氧化態有+2和+4，其中Sn4+比較安定，因此Sn2+在氧化還原反應中提供電子，自身形成Sn4+，此處Sn2+做為還原劑；反之，Pb2+比較安定，所以Pb4+在氧化還原反應中得到電子，自身形成Pb2+，此處Pb4+做為氧化劑」。這段文字經常被學生詢問：「為什麼？」，大多數高中化學教師也覺得困惑，不知如何解釋清楚這段文字。此篇文章提供「惰性電子對效應」（The Inert-Pair Effect）的說法，可幫助教師向學生們解釋這段文字。 惰性電子對效應 「惰性電子對效應」是英國化學家N. V. Sidgwick（1873~1952）為了解釋ⅢA族（13族）、ⅣA族（14族）與ⅤA族（15族）某些元素的穩定氧化態與族數不一致而提出的說法。以ⅢA族（13族）為例，B2O3之硼的氧化態為+3，鋁離子為Al3+，其氧化態亦為+3，兩者皆與其族數同，但同族位於下方的鎵有Ga3+、Ga+、銦有In3+、In+、以及鉈有Tl3+、Tl+，此三個元素皆存在兩種氧化態，共同的特點是後者的氧化態的價數比其族數少2單位。這種離子之氧化態較其族數少兩個單位的趨勢稱為「惰性電子對效應」。 另一個「惰性電子對效應」的例子為ⅣA族（14族），將金屬錫在空氣中燃燒，生成的產物為氧化錫（SnO2），其中錫為+4價，但是原子序較大的金屬鉛只失去其2個p軌域的電子而生成氧化鉛（PbO），其中鉛為+2價。N. V. Sidgwick認為這個現象是因為這些族愈往下面的週期，其價軌域中s軌域與p軌域能量差距愈大。這是因為s軌域上的電子有較好的穿透性（penetration），且內層d軌域的電子對s軌域上的電子的遮蔽能力（shielding ability）較低，因此位於價軌域的s軌域比起p軌域能量明顯低甚多，使得s軌域的2個電子傾向於留在原子內而不游離，這就是「惰性」與「電子對」兩個名稱的由來。同樣地，為何ⅣA族（14族）錫與鉛這兩種金屬在空氣中燃燒時，位於第五週期的金屬錫易於失去4個價電子而以+4價的Sn4+存在，位於第六週期的金屬鉛則易於失去2個價電子而以+2價的Pb2+存在，就能獲得令人滿意的解釋。最後附上N. V .Sidgwick所提出之「惰性電子對效應」英文原文：「The inert-pair effect is the tendency to form ions two units lower in charge than expected from the group number; it is most pronounced for heavy elements in the […]

國內外化學教育交流（第十五期） 林靜雯                                       國立東華大學課程設計與潛能開發學系                                         jingwenlin@mail.ndhu.edu.tw n  內容摘要 一、第24屆國際化學教育研討會（The 24th International Conference on Chemistry Education-2016）於8月20日順利閉幕 二、第46屆IUPAC世界化學大會（The 46th IUPAC World Chemistry […]