滤水新技术 毋须滤膜助降成本(组图)
发布 : 2022-10-03 来源 : 明报新闻网 用微信扫描二维码，分享至好友和朋友圈 | 加关注  明声网温哥华 微信公众号 |
陈俊均
明报记者 薛伟杰
摄影 黄志东
城市大学生物医学工程系博士生陈俊均（图）表示，滤膜、滤芯等传统滤水技术在过滤直径100微米或以上的微粒时，效率很高。但若过滤直径50微米或以下微粒时，这些技术的效率和成本效益就会大跌。尤其是那些高密度滤膜很容易因为阻塞而不能运作，需经常更换，令运作成本大升。可是，近年令各国头痛的「微塑胶」，部分直径就只有几微米至几十微米。所以他们就构思能否不使用滤膜，改用其他技术，也可以从水中分离出这些细小的微粒。他们留意到，在医学上，其实一直有使用一种「微流体晶片」（Microfluidic Chip）辅助诊断，例如从癌症病人的血液或尿液分离出癌细胞，以判断病情等助人工受孕等。这些「微流体晶片」的运作原理、性能、耐用度和成本效益，都十分适合用来分离水中直径50微米或以下的微粒。
无阻塞问题 可反覆使用
原来，当微粒在圆形和幼细的管道内随液体旋转流勾x??，会受到两个力量牵引。第一股力量是「迪恩拖曳力」（Dean Drag Force），指向圆形外围，普通人可以理解为离心力。另一股力量是「惯性升力」（Inertial Lift Force），其方向刚好和前者相反，指向圆形中央。
若事先知道那些微粒的大约直径，便可以设计合适尺寸的管道和「微流体晶片」，令那些微粒受到的这两股力量大致相等，从而保持在管道液体中的接近中央位置（以管道横切面计）。最后，再在「微流体晶片」的出口处分流，将管道分为5条更幼管道。那些微粒便会自动被分离到接近中央位置的两三条幼管道。这个现象称为「惯性微流体粒子分离技术」。在医学上，这种方法常被用来分离血液中的某些细胞。陈俊均觉得，这种技术其实也可以应用到水质研究和污水处理。他指出，这个方案的最大特点，是借助两股力量的平衡分离液体中的微粒，而不是靠管道的孔径比微粒更小来过滤。所以，原则上不会出现阻塞问题。
可分离直径小至2微米微粒
若要清洁的话，只需使用小量清水和施加小许压力，就可彻庾x??洁「微流体晶片」的管道，从而长时间重复使用。由于毋须频繁更换耗材，这便可以令分离微粒的成本大幅降低。
陈俊均表示，他们曾试验过用两款「微流体晶片」分离水中的微粒。第一款管道横切面阔500微米、高200微米（管道横切面为长方形），可以从水中分离出直径小至19微米的微粒。第二款「微流体晶片」较精细，其管道横切面只阔50微米、高20微米，可以从水中分离出直径小至2微米的微粒。这两款「微流体晶片」都很容易生产。只需将平时为液态的聚合物「聚二甲基矽氧烷」（PDMS）倒入模具中，然后放入焗炉内，以60至70度加热一至两小时，再脱模便行。
其中，第一款「微流体晶片」可以用金属模具制造。向金属模具厂订造每件金属模具的收费为2000多元。第二款「微流体晶片」的管道相对较为精细，故不能使用金属模具来制造，必须使用矽晶圆模具制造。不过，这些矽晶圆模具只需向微米级制程的晶圆厂订造已经足够有馀，毋须光顾纳米级制程的晶圆厂。可以说，不用担心被外国技术封锁的问题。现时，他们是以200元订购一片光刻菲林，然后借用城大实验室内的旧款光刻机制造「微流体晶片」的矽晶圆模具，暂时连光顾晶圆厂费用也省掉。
最大的问题反而是，单单一枚「微流体晶片」只能让很少污水通过，其处理能力十分有限。所以，若真的要应用于污水处理厂，就必须使用很多枚「微流体晶片」，以并行处理方式大幅提高从水中分离微粒的能力。
陈俊均表示，现时他和另一个同系博士生邹商杰，以及硕士毕业生李屿松，就正在研发这种设备，希望一至两年后可以造出原型，开始污水处理试验。城大生物医学工程系助理教授邱美娈则从旁指导他们的研究工作。他们的构??o?J??是那部设备除了以并行设计来大幅提高处理能力之外，还要非常自动化。例如将会内置电子显微镜，并且能够自动量化微粒的数量。