科技專案成果

工研院 ▶ 研發創新高效水氣分離技術

 技術特色 
將氧化石墨烯薄膜堆疊成數千層的1奈米間距流道，瞬間過濾空氣中的水氣，水氣分離效果高達99.99%。

 產業擴散  
技術移轉奇鼎科技，導入半導體製程氣體分析設備，可同時達成移除溼氣和潔淨造水雙重功效。

當世界都在尋求更多水資源時，其實空氣正是水氣的一大來源。全球空氣的水含量高達12,900立方公里，相當於38,500座翡翠水庫，如果能善用這個天然「水庫」，在缺水的關鍵時刻便可派上用場。

在經濟部技術處科技專案支持下，工研院研發「高效水氣分離技術」，只靠一層特製薄膜，就能直接從空氣中提取乾淨水源，可望在未來發展成高效造水設備，緩解缺水危機，創新技術榮獲2021年全球百大科技研發獎(R&D 100 Awards)的殊榮。
 

▲ 氧化石墨烯之層間距，只容許水分子通過，完全阻隔雜質。
 

打造1奈米流道 水氧瞬間分離

工研院綠能所技術副組長顏紹儀指出，目前商用的空氣造水設備，是採用除溼機的原理，以冷凝方式把空氣中的水氣凝結成液態水，相對能耗較大，過程中也會把病菌或有害物質一併抓下，必須再過濾及消毒後才能使用。而這項高效水氣分離技術採用創新材料「氧化石墨烯」過濾薄膜，完全能克服以上缺點。其中能自動分離水氣的關鍵，就在薄膜內隔僅1奈米的細微流道。

團隊透過材料合成技術，將氧化石墨烯碎片，堆疊成數千層的1奈米間距流道，形成氧化石墨烯薄膜，顏紹儀比喻，「就像瓦楞紙一樣，有層層的間隙。」當空氣接觸薄膜表面時，表面的親水性可以讓水分子迅速進入薄膜內層，「水分子喜歡手牽手，一個接一個溜進去。」而內層充滿疏水性的通道，讓水分子循著通道順利被分離出來。經實測，水氣分離效果高達99.99%，超越同樣研究水氣薄膜分離的美國國家實驗室。

由於通道僅1奈米，不管是空氣中的氧氣、氮氣分子，或是體積更大的細菌、灰塵，全都能阻隔在外。分離後的高濃度水氣，只需稍微壓縮就能得到液態純水，經全球知名的第三方檢驗測試認證機構SGS檢測，完全不含重金屬、病菌或有機汙染物，達飲用水程度。

找到支撐柱子 讓薄膜乖乖排列

看似簡單的運作原理，最大的挑戰，在於如何讓氧化石墨烯乖乖排列成1奈米間隙。研發過程也歷經層層關卡，比如氧化石墨烯化合物容易結成一團或沉澱在底部，無法規矩排列；在一般環境中，氧化石墨烯也容易膨潤變形，導致堆疊間隙的大小不一，影響水氣分離的效果。

研發團隊幾經尋覓，終於研發1奈米長度的有機化合物，並運用獨家專利結構技術，將有機化合物嵌在氧化石墨烯的層與層之間，「就像一根根柱子，支撐在間隙中間。」成功開發不需水源、冷卻介質或過濾消毒設備的造水技術，每平方公尺的薄膜面積可製造40公升的水，大幅減少能耗。

這項技術適用範圍廣泛，可用在溫度15~45°C、相對溼度20~99%的地方，涵蓋全球80%的區域。2019年技術移轉半導體精密製程微環境控制設備業者奇鼎科技，導入製程氣體分析設備，並於2021年成立研發中心，雙方就新一代空氣造水設備進行開發。由於半導體廠需要控制溼氣，也需要純淨水質清洗或製作產品，透過這套設備，可達雙重功效。未來透過高效率的空氣造水設備，也能作為民生的安全備用水源，在缺水時一解燃眉之急。
 

▲ 可直接由空氣分離製造出潔淨純水，無須再加設過濾與消毒裝置。
 

• 成果案例出處：2021科技專案執行年報