中原大學化學工程學系學位論文
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自體血小板濃厚液注射治療為近年來備受關注的醫療技術，將高濃度血小板注射至患部並釋放出生長因子以達到治癒之效果。本研究利用帶相反電荷的高分子溶液以離子配對方式自組裝形成水凝膠並包覆血小板，而後利用此水凝膠的特性將其溶解於具有離子強度的溶液中以達到血小板與生長因子之釋放。 本實驗使用熱聚合方式合成出均聚物高分子以及共聚物高分子，分別為帶負電荷的聚甲基丙烯酸3-磺酸丙酯鉀鹽(Poly(3-Sulfopropyl methacrylate potassium salt);SA)與帶正電荷的甲基丙烯醯氧乙基三甲基氯化銨(Poly([2-(Methacryloyloxy)ethyl] trimethylammonium);TMA)以及其分別與聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯((Poly(ethylene glycol) methyl ether methacrylate);PEGMA)之共聚物。取帶相反電荷之高分子溶液相互混合形成四種水膠，分別為均聚物混合型水膠(SA100-TMA100)、共聚物混合型水膠(SA90P10-TMA90P10)以及相互混合型水膠(SA90P10-TMA100、SA100-TMA90P10)，接著對此四種水膠進行物理性質與生物性質檢測，結果發現共聚物混合型水膠(SA90P10-TMA90P10) 只需100秒(37°C)即能成膠，亦能在7天內瓦解70%水膠本體重量，而瓦解的高分子並無明顯的細胞毒性，最後相較於其他條件之高分子水膠更能釋放4倍以上的血小板和生長因子。
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轉子-定子旋轉盤反應器是製成強化中較新穎的裝置，並且可以解決旋轉填充床與旋轉盤反應器，反應物滯留時間過短且滯留時間不易控制的問題。先前測定轉子-定子旋轉盤反應器內氣-液有效質傳界面積，大多使用拍照的方式對反應器中的氣泡拍照，然而氣泡有時會上下重疊或呈現不規則形狀，使計算誤差變大。 本實驗使用化學吸收二氧化碳的方法測定轉子-定子旋轉盤反應器之有效質傳界面積(a)以及二氧化碳移除率(E)，氣提溶氧實驗測得系統之體積液膜質傳係數(kLa)，利用a以及kLa即可算出液膜質傳係數(kL)，並探討轉速、液體流率、氣體流率、層數、進出料方式對kLa、E、a、kL的影響。本次實驗使用三種不同的進出料模型：Model(1)氣液分別由上方進入，共同從底部流出。Model(2)氣液分別由底部進入，共同從上方流出。Model(3)液體從上方進入底部流出，氣體由底部外側進入，底部內側與液體流出。 從氣提溶氧實驗得知體積液膜質傳係數(kLa)與轉速、液體流率、氣體流率成正比，層數增加則不利於kLa增加，而Model(3)會有最高的kLa。E會隨著轉速、液體流率、層數增加而增加，隨著氣體流率提高而降低。Model(2)會有最高的E，Model(3)的E在0rpm時特別低，其餘則與Model(1)大致相同。a與轉速、液體流率、氣體流率成正比，層數增加則會使a減少。Model(3)會有最高的a，而Model(2)的a則略高於Model(1)。最後將kLa除以a可以算出液膜質傳係數(kL)，kL會隨著轉速、液體流率、氣體流率增加而增加，其中液體流率對kL造成的影響比氣體流率明顯，層數變化則對kL的影響不大。三種模型中Model(3)的kL最大，Model(2)的kL最小。
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近年因工業蓬勃發展，用水需求日漸上升，水資源又十分有限，因此廢水處理技術成為備受重視的議題；本研究將針對薄膜過濾程序及光觸媒氧化法進行探討，因其分別具有容易形成薄膜結垢及不易回收等缺點，故於實驗中將光觸媒材料固定於基材上，形成光觸媒薄膜反應器(Photocatalytic-membrane reactor, PMR)，提高觸媒回收率、降低膜汙染並提升系統穩定性，以實現連續處理程序。 本實驗利用溶熱法合成鐵基金屬有機骨架材料，MIL-53(Fe)，此材料具有良好光催化活性，為可見光觸媒材料(band gap=2.6 eV)，故可於照光180分鐘後達到約95%以上的苯酚移除率，但粉體觸媒回收率差，因此將MIL-53(Fe)塗佈不同次數於氧化鋁基材上，將其命名為xMIL@ (x為塗佈次數)，並在相同條件下光降解苯酚水溶液，其中以塗佈一次之效果最佳，可於照光180分鐘後達到98%以上的苯酚移除率，且具有良好的回收效率，在經過五次反應後，亦可以維持苯酚移除率約95%的穩定度。 接著，利用氧化鋁中空纖維膜(hollow fiber membrane reactor, HMR)過濾苯酚水溶液，僅達到約20%的移除率，且滲透通量穩定程度差，因此利用xMIL@與氧化鋁中空纖維膜以串聯的方式結合。並用金屬鹵素燈照射，形成光觸媒中空纖維膜反應器(Photocatalytic hollow fiber membrane reactor, PHMR)，可以發現相較於HMR系統，通量穩定度明顯上升，且再經過3次反應後依舊可達90%的苯酚移除效率且通量穩定，為4250±100 L/m2hbar，因此可以說明將光觸媒與薄膜結合具有實驗連續式廢水移除程序之可能性。 最後，利用xMIL@作為平板膜於金屬鹵素燈照射下，形成光觸媒平板膜反應器(Photocatalytic flat sheet membrane reactor, PFMR)，並在不同操作條件下進行掃流過濾程序，可以發現與單純氧化鋁平板膜之苯酚過濾程序相比，其苯酚移除率提升了2.6倍，在經過光源照射後，可以移除約73%的苯酚，且滲透通量亦更加穩定，反之，若xMIL@於PFMR中未經光源照射，則無法有效移除苯酚且滲透通量之穩定程度下降，故可以證明光催化反應的發生，有助於提升薄膜自潔效率。 因此，本研究成功將光觸媒與薄膜過濾系統相結合，所形成之光觸媒薄膜過濾反應器，可有效降低薄膜結垢且提升觸媒回收效率，並實現連續過程。
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近年來因為環保意識的抬頭，人們逐漸意識到能源的使用問題，因此開發再利用的能源變成一個各界所重視的議題，生產生物柴油會導致過多的甘油產生，導致價格下跌的問題，本研究製備出高比表面積及高鹼性位點之不同金屬摻雜鋅金屬有機骨架材料(ZIF-8)，並應用於甘油與二氧化碳羧化反應之應用。 首先找出甘油與二氧化碳反應之溫度、壓力、時間的最佳反應條件為175 oC、3 bar、6 h，接著再以最常見之脫水劑乙腈，使反應向產物碳酸鹽甘油移動，使之增加其轉化率，推論出5Mg-ZIF-8材料具有最佳的轉化率，高達75.7 %，接著再以XRD、SEM分析出所合成出之材料為鋅金屬有機骨架材料(ZIF-8)，且經過不同金屬的摻雜，其形貌及結晶結構不會因此改變，但在5Mg-ZIF-8材料中看到了金屬氧化物的產生，形成金屬氧化物與ZIF-8共存的結構；FT-IR與XPS圖譜分析出經過金屬摻雜後之材料的化學結構與金屬鍵結狀況；氮氣吸脫附曲線與Brunauer-Emmett-Teller計算則呈現了ZIF-8的高比表面積特性，且經過金屬摻雜後之材料的比表面積都有下降的趨勢，是由於金屬遮蔽了材料的表面所導致而成；程序升溫脫附分析中，證實出5Mg-ZIF-8材料具有高鹼性位點，可有效的提升甘油的轉化率。 接著再以對人體較為無害的不同無機脫水劑進行反應，碳酸氫鈉當作脫水劑成功的將轉化率提升至38.7 %，雖加入乙腈後轉化效率效果最為提升，但亦容易造成更多的副產物產生，而在加入碳酸氫鈉後，副產物僅有水之形成，屬物理反應，使得反應物的選擇性提升，且較易重複取得進行使用，且對人體與環境造成的傷害較小；在以相同摻雜重量百分比不同金屬的材料進行實驗，證實出5Mg-ZIF-8具有最高的轉化效率。透過不同反應時間與溫度可推論出此反應為二階反應，並利用阿瑞尼斯方程計算出活化能為38.6 kJ/mol，再以摻雜鎂不同重量百分比的材料進行比較，且經過重複性實驗，可觀察到每次重複實驗中甘油的轉化率保持了大約75 %至80 %。 在反應後之材料可以透過XRD、SEM、XPS分析其特性與結構，也證實出在反應的過程中，運用了本研究合成出之ZIF-8材料結構的鋅離子與氮原子，經過金屬的摻雜，增加材料本身的鹼性位點與缺陷，證實出本研究成功的在最佳的反應條件下，有效的將甘油的轉化率大幅提升，以解決生質柴油所造成甘油過剩的環境問題。
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本研究主旨於介紹以聚偏二氟乙烯（PVDF）和聚（2-甲基丙烯酰氧基乙基磷酰膽鹼-甲基丙烯酸丙烯酰氧基乙基丁基氨基甲酸酯）（PMBU）所製成的奈米纖維薄膜，用於促進急性與慢性傷口之癒合。通過靜電紡絲製程能夠製備模仿細胞外間質孔徑大小的結構。PMBU極大地改善了薄膜的水合能力，從而降低蛋白質與細菌的黏附並增強了血液相容性，且細胞存活率仍然保持接近100%。由於不具黏性，且擁有維持環境的濕潤、允許氣體通透並抵抗細菌生長的能力，該奈米纖維薄膜作為傷口敷材應用於小鼠的急性及慢性傷口。結果表明，兩性離子薄膜於傷口癒合動力學與新生組織質量上勝於商業敷料。組織病理學分析顯示發炎期縮減且增值和成熟階段加快，使得表皮再生臻於均勻。此研究揭示了抗沾黏兩性離子薄膜在生物醫學另一項有潛力的應用方向。
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本研究將親水性聚乙烯醇(polyvinyl alcohol, PVA)高分子，混摻入三醋酸纖維素(cellulose tri-acetate, CTA)溶液中，以自行組裝之紡絲機將其塗佈於PET 襯管上，製備CTA/PVA 管狀薄膜，應用於液-氣系統之管式薄膜接觸器 (membrane contactor)，進行30 wt.% PEG 300 水溶液脫水。透過改變製膜捲收速度及CTA 高分子濃度進行CTA 管狀薄膜之薄膜接觸器效能探討，當CTA 濃度為10 wt.%、製膜捲收速率為2.4 cm/s 時，CTA 鑄膜液具適中黏度，且所受之拉伸應力較小，製備之CTA 管狀薄膜膨潤度較高，膜內之質傳阻力降低，薄膜具較佳薄膜接觸器滲透通量。研究中，同時將分子量9,000~10,000 g/mol、水解程度分別為98-98.8%、86-89%及80%之PVA 混摻至CTA 溶液中，發現當混摻之PVA 水解程度降低時，高分子溶液相轉換速率減緩，使製備之CTA/PVA 管狀薄膜具較高之表面粗糙度，導致膨潤度上升，薄膜質傳阻力下降，有利於薄膜接觸器滲透通量提升。研究同時發現薄膜之親水性、膨潤度及滲透通量隨PVA 添加量上升而上升，當添加20wt.%水解度80%PVA 於CTA 溶液中時，CTA/PVA 薄膜對水的接觸角由原本未添加PVA 的69.65±0.84°降至53.98±0.81°，膨潤度則由40.85±2.72%提升至45.38±0.47%，且具最佳薄膜接觸器效能，滲透通量為6.79 kgm-2h-1。薄膜接觸器操作條件測試顯示：當管側氣體流量由2 L/min增至6 L/min時，氣體雷諾數由層流區改變至紊流區，故10 wt% CTA 中添加20 wt%水解度為80%的PVA 所製備的管膜(10CTA20PVA80)，薄膜之滲透通量隨操作流量上升而上升。當氣體流量為8、10 L/min 時，其氣體雷諾數皆大於4000，因此對於滲透通量之增幅效應並不明顯。當進料溫度由35℃上升至65℃時，因進料側蒸氣壓差的上升，導致薄膜之滲透通量隨操作溫度上升而上升，其透過端水濃度皆為100 wt%。經8 小時薄膜接觸器測試後，薄膜依然維持良好穩定性。
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二氧化碳為造成全球溫室效應的因素之一，科學家近年來進行如何將二氧化碳在利用，不但可以減少二氧化碳在大氣中的含量，亦可得到具經濟價值之產物。 二氧化碳甲烷化反應為一種二氧化碳再利用的一種方式，透過二氧化碳與氫氣反應產生具經濟價值之甲烷；若在此反應中加入對氫氣具親和力及對二氧化碳有良好吸附性之觸媒，可以降低反應所需之能量，在常壓低溫環境下即可產出甲烷；過去文獻中，通常使用反應性較佳的貴金屬釕、銠來扮演解離氫氣的角色，但這兩種金屬成本高昂，因此，選擇反應性佳、成本較低且在低溫下即能反應之鎳金屬，由於單金屬在升溫過程易造成金屬團聚失去活性，故逐漸開發出雙金屬觸媒，本研究選擇金屬鎳鐵，鐵的摻雜增加氣體的吸附及提升其活性位點，載體需具高比表面積、良好的還原能力及鹼性位點之特性。綜合上述，本研究製備氧化鋁氣凝膠負載鐵摻雜三氧化二鎳奈米粒子，透過鎳鐵與氫氣之親和力、氧化鋁易於吸附及還原二氧化碳之特性，達到在常壓低溫之環境下，得到具經濟價值之甲烷。 本研究將合成氧化鋁氣凝膠負載鐵摻雜三氧化二鎳奈米粒子，進行二氧化碳甲烷化反應，對反應參數進行探討，針對不同金屬之莫耳比、不同氣體流量、不同溫度下影響甲烷化反應之效果，藉由氣相層析儀進行分析結果，找出最適合此反應之操作參數，並透過多種材料檢測儀器來證明成功合成氧化鋁氣凝膠負載鐵摻雜三氧化二鎳奈米粒子。
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近年來工業廢水汙染日益嚴重，類芬頓程序是以異相觸媒催化氧化劑生成具有強氧化還原電位之自由基，進而將廢水中的有機染料降解與去除，其擁有高效且無二次汙染等優勢，近年來備受各界期待。 本研究將一水合乙酸銅、三聚氰胺、聚丙烯腈與二甲基甲醯胺作為前驅物，利用靜電紡絲法將其紡成乙酸銅/三聚氰胺-聚丙烯腈奈米纖維(Cu(CH3COO)2/Melamine-PANNF)並將其置於空氣300 °C進行預氧化，再以氮氣600 °C進行鍛燒，使三聚氰胺與PAN碳化轉變為氮摻雜碳奈米纖維，其中有無添加三聚氰胺，以及乙酸銅的含量會影響碳化過後銅化合物之組成。由於零價銅(Cu0)在過去文獻中可以藉由與過氧化氫氧化並在Cu0與Cu+之間進行電子轉移而產生Cu+，而Cu+對於催化過氧化氫之反應速率常數極高，因此本實驗以銅/氮摻雜碳奈米纖維(Cu/M-NCNF)作為異相觸媒 ，希望藉由金屬銅在類芬頓程序中可再生與光催化特性；氮摻雜碳奈米纖維一維的纖維結構、良好的分散性與高軸比等特性，並將其應用於光輔助類芬頓程序之中來降解羅丹明B，另外也針對操作參數如:染料濃度、氧化劑濃度、觸媒濃度，以及系統環境，如:系統酸鹼程度、自由基抑制劑等進行討論，以達到高效降解有機染料之目標。
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隨著工業的發展及全球人口數的增長，工業水汙染的問題近年來已成為各國所關注的一大議題，其中有機水汙染在各類工業、民生中是一大問題，因此本研究希望以類芬頓程序來解決有機水汙染之議題，因此本研究希望設計出一個適用於類芬頓程序之觸媒並設計出光觸媒反應器以利於達到該目標。 本研究利用成本低廉之低溫鹼性溶劑系統，成功使用纖維素及殼聚醣做為前驅物，佐以氧化銅做為摻雜物使用溶膠-凝膠法成功製備出氧化銅/纖維素氣凝膠，並且經由旋轉塗佈製程將其附載於多孔氧化鋁基板上，將其置於空氣環境下以300 oC鍛燒，使纖維素氣凝膠碳化後成功於多孔Al2O3基板上獲得氧化銅/碳氣凝凝膠，利用氧化銅本身對於氧化劑過氧化氫之高活性，且以氮摻雜碳氣凝膠結構增加其光觸媒之性能，成功設計出一個能在水樣環境為中性環境下、染劑濃度為10 ppm且氧化劑濃度3.5 wt%之光觸媒反應器；而反應器操作參數於光源及反應器距離5 cm、進口流量為5 ml/s且處理水量為600 ml的情況下獲得一個能於40分鐘內將有機汙染物移除，並且能再生使用3次後仍保持穩定的反應效能之反應系統。
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本研究使用一步法製備碳量子點(Carbon quantum dots, CQDs)/聚醚碸(Polyethersulfone, PES)混合基質中空纖維膜，應用於柴油/水乳化液之分離。研究中，將CQDs分散在2-吡咯烷酮(2-pyrrolidinone, 2P)中，而後加入PES高分子，配製成CQDs/PES鑄膜液，使用乾/濕式紡絲法製備CQDs/PES混合基質中空纖維膜，並且探討紡絲時芯液組成和氣距長度對薄膜結構和油水分離效能之影響。 藉由添加CQDs增加薄膜的親水性，研究結果顯示PES薄膜的水接觸角由未添加CQDs的62.02.7O下降至添加2,500 ppm CQDs的471.1O。PES中空纖維膜的柴油/水(1/99)乳化液透過通量，則由未添加CQDs的39.615.57 LMH上升至添加2,500 ppm CQDs的76.75.05 LMH，為未添加CQDs之PES中空纖維膜通量的兩倍。改變PES中空纖維膜紡絲參數研究發現，將芯液由蒸餾水置換成50 wt.% NMP/H2O和氣距調整為10 cm，使用SEM鑑定發現，中空纖維膜的內表面和外表面結構型態變為鬆散，外表面孔洞尺寸由99.62 nm增加至118.55 nm；而AFM的鑑定結果，中空纖維膜外表面的粗糙度由3.78 nm提高至5.75 nm，油水乳化液透過通量由76.75.05 LMH進一步提升至177.445.54 LMH，而對油的阻絕率仍然維持在99.9%。最後，本研究探討CQDs/PES中空纖維膜進行油水分離操作時的抗垢能力測試，未添加CQDs的PES中空纖維膜經過四個油水抗垢測試的循環，通量為初始通量的56.8%，而添加2,500 ppm CQDs的PES中空纖維膜經過兩個油水抗垢測試的循環，通量為初始通量的77.2%，研究結果顯示製備的CQDs/PES中空纖維膜具優異的通量回復率，適用於油水分離操作系統。