順浸透

順浸透( FO ) は、逆浸透(RO) と同様に、半透膜を使用して溶解した溶質から水を分離する浸透プロセスです。この分離の原動力は浸透圧勾配であり、高濃度(供給溶液の濃度と比較して) の「抽出」溶液を使用して、膜を通過して抽出溶液に正味の水の流れを誘導し、供給水をその溶質から効果的に分離します。対照的に、逆浸透プロセスでは、分離の原動力として水圧を使用し、浸透から供給への水の流量に有利になる浸透圧勾配を打ち消す役割を果たします。したがって、逆浸透には、順浸透と比較して大幅に多くのエネルギーが必要です。

浸透圧と水圧と水（溶媒）流量の関係を表す最も単純な式は次のとおりです。

${\displaystyle J_{w}=A\left(\Delta \pi -\Delta P\right)}$

ここで、は水の透過率、Aは膜の水力透過率、Δπは膜の両側の浸透圧の差、ΔPは静水圧の差（の負の値は逆浸透流を示す）である。これらの関係のモデル化は実際にはこの式が示すよりも複雑であり、透過率は膜、供給溶液、抽出溶液の特性、およびプロセス自体の流体力学に依存する。 ^[1]${\displaystyle J_{w}}$${\displaystyle J_{w}}$

各溶質の溶質フラックス（ ）はフィックの法則によってモデル化できる。${\displaystyle J_{s}}$

${\displaystyle J_{s}=B\Delta c}$

ここで、は溶質の透過係数、は溶質の膜透過濃度差です。この支配方程式から、溶質が膜を透過して拡散できる場合、溶質は高濃度領域から低濃度領域に拡散することが明らかです。これは、供給水の溶質が生成水に拡散する逆浸透ではよく知られていますが、正浸透の場合は状況がはるかに複雑になる可能性があります。 ${\displaystyle B}$${\displaystyle \Delta c}$

FO プロセスでは、誘導溶液の組成、使用する膜の種類、供給水の特性に応じて、両方向に溶質が拡散することがあります。逆溶質フラックス ( ) は 2 つのことを行います。誘導溶液の溶質が供給溶液に拡散し、供給溶液の溶質が誘導溶液に拡散します。明らかに、これらの現象は、特定の FO プロセスの誘導溶液の選択に影響を与えます。たとえば、浸透膜バイオリアクターなどの環境問題や供給ストリームの汚染により、誘導溶液の損失が供給溶液に影響を及ぼす可能性があります。 ${\displaystyle J_{s}}$

逆浸透 (RO) プロセスと正浸透 (FO) プロセスのもう 1 つの違いは、RO プロセスから得られる透過水はほとんどの場合、すぐに使用できる真水であるということです。FO では、希釈された抽出溶液から真水を分離するための追加プロセスが必要です。使用されるプロセスの種類は、逆浸透、溶媒抽出、磁気、熱分解です。供給中の溶質の濃度 (抽出中の溶質の必要な濃度を決定) と FO プロセスの製品の用途によっては、分離ステップを追加する必要がない場合があります。FO プロセスの膜分離は、実質的に、供給溶液と抽出溶液の溶質間の「取引」をもたらします。

正浸透プロセスは浸透とも呼ばれ、多くの企業では独自の用語として「工学浸透」や「操作浸透」と呼ばれています。

このタイプの用途の 1 つの例は、「水分補給バッグ」に見られます。これは摂取可能な吸引溶質を使用し、希釈された飼料から水を分離することを目的としています。これにより、たとえば、 FO 膜によって容易に排除される病原体または毒素が含まれていると予想される表層水 (小川、池、水たまりなど) からの水の摂取が可能になります。十分な接触時間があれば、このような水は膜バッグを透過して吸引溶液に入り、望ましくない飼料成分は残ります。その後、希釈された吸引溶液は直接摂取できます。通常、吸引溶質はグルコースやフルクトースなどの糖であり、FO デバイスのユーザーに栄養という追加のメリットをもたらします。このようなバッグのもう 1 つの興味深い点は、尿のリサイクルに簡単に使用できるため、バックパッカーや兵士が乾燥した環境で生き延びる能力が大幅に向上することです。^[2]このプロセスは、原理的には海水などの高濃度塩分供給源にも使用できます。摂取可能な溶質を含むFOの最初の用途の1つは、海上での救命いかだでの生存でした。^[3]

第二のプロセスを使用して、希釈された抽出液/浸透圧剤溶液から淡水化水を生成することができます。これは、膜分離、熱処理、物理的分離、またはこれらのプロセスの組み合わせによって行うことができます。このプロセスは、汚れが問題となることが多い従来の逆浸透淡水化プラントとは異なり、最初のステップが正浸透であるため、本質的に汚れが少ないという特徴があります。Modern Waterは、ジブラルタルとオマーンに正浸透ベースの淡水化プラントを導入しました。^{[4] [5] [6]} 2010年3月、ナショナルジオグラフィック^[7] 誌は、淡水化のエネルギー要件を削減することが期待される3つの技術の1つとして正浸透を挙げました。

他に開発された用途としては、正浸透工程のみを使用する蒸発冷却補給水があります。この場合、冷却水が抽出溶液であり、蒸発によって失われた水は、海水、汽水、処理済み下水処理水、産業廃水などの適切な水源から正浸透によって生成された水を使用して単純に補充されます。したがって、補給水に使用される可能性のある他の「脱塩」プロセスと比較して、エネルギー消費はこれらのほんの一部であり、正浸透プロセスの汚れの傾向が低いという利点もあります。^{[8] [9] [10]}

目的の製品が抽出溶質を含まない淡水である場合、第 2 の分離ステップが必要です。浸透圧勾配によって駆動される FO の最初の分離ステップでは、大きなエネルギー入力は必要ありません (関係する溶液を加圧せずに撹拌するか、ポンプで送るだけです)。ただし、第 2 の分離ステップでは通常、エネルギー入力が必要です。第 2 の分離ステップに使用される方法の 1 つは、RO を使用することです。このアプローチは、たとえば、埋立地 浸出液の処理に使用されています。FO 膜分離を使用して、浸出液供給から塩水 (NaCl) 塩水に水を抽出します。次に、希釈された塩水を RO プロセスに通して、淡水と再利用可能な塩水濃縮物を生成します。この方法の利点は、エネルギーの節約ではなく、FO プロセスがRO プロセスのみよりも浸出液供給からの汚れに対してより耐性があるという事実にあります。^[11]同様の FO/RO ハイブリッドは、フルーツジュースなどの食品の濃縮に使用されています。 ^[12]

順浸透法による塩水濃縮は、高浸透圧の抽出溶液とそれを回収・再生する手段を使用することで達成できる。そのようなプロセスの 1 つに、エール大学^{[13] [14]}で Rob McGinnis が発明したアンモニア-二酸化炭素 (NH ₃ /CO ₂ ) 順浸透法がある。McGinnis はその後、この技術を商業化するために Oasys Water を設立した。^{[15] [16]} アンモニアと二酸化炭素は熱によって容易にガスに分解されるため、抽出溶質は効果的に回収され、閉ループ システムで再利用でき、熱エネルギーと浸透圧の変換によって分離が達成される。NH ₃ /CO ₂ FO 塩水濃縮は、当初、テキサス州パーミアン盆地地域の石油・ガス産業で生産水の処理に実証され、現在は中国の発電所や製造工場で使用されている。^{[17] [18]}

未開発の用途の 1 つ^{[19]は、循環塩水を冷却水で浸透希釈することにより、}多段フラッシュ(MSF) または多重効果蒸留(MED) プラントへの給水を「軟化」または前処理することです。これにより、スケールを形成する炭酸カルシウムと硫酸カルシウムの濃度が通常のプロセスと比較して低下し、その結果、上部塩水温度 (TBT)、出力、およびゲイン出力比 (GOR) が向上します。Darwish ら^{[20] は}、硫酸カルシウムのスケーリング指数を同じに維持しながら、TBT を 110 °C から 135 °C に上げることができることを示しました。

食品業界では食品（保存された果物や肉など）の浸透圧処理は非常に一般的ですが、^[21]飲料や液体食品の濃縮のための浸透圧処理は実験室規模でのみ研究されてきました。^{[22] [23] [24] [25] [26]}浸透圧処理には、飲料や液体食品を濃縮するプロセスとして、低温低圧での操作による感覚値（味、香り、色など）と栄養価（ビタミンなど）の高い保持、高い除去率、圧力駆動型膜プロセスと比較して膜ファウリングの潜在的低さなど、いくつかの利点があります。^[27]

1954年、パトル^[28]は、河川が海と混ざり合う際に失われる浸透圧という形で、未開発のエネルギー源があると示唆したが、選択透過膜を使用してそれを利用する実用的な方法がローブ^[29]と独立してジェリネック^[30]によって概説されたのは1970年代半ばになってからであった。このプロセスはローブによって圧力遅延浸透圧（PRO）と呼ばれ、1つの単純な実装が反対側に示されています。これを利用することが想定される状況としては、海に流れ込む低汽水河川、または塩水と海水の間の浸透圧差を利用することが挙げられます。浸透圧発電の理論的な潜在能力は世界中で1,650 TWh /年と推定されています。^[31]

最近では、ノルウェーの国営エネルギー会社Statkraftが、膨大な量の研究開発作業を実施し、資金提供している。ノルウェーに2～4kWの総出力を生み出すプロトタイププラントが建設された。HurumのStatkraft浸透圧発電プロトタイプを参照。オスロの北400kmにあるSunndalsøraに1～2MWの出力を持つはるかに大規模なプラントを建設することも検討されたが^[32] 、その後取り下げられた。 [ ^33] 日本の新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）は、浸透圧発電の研究に資金提供している。^[34]

順浸透（FO）は、多くの異なる種類の汚染物質を含む産業排水の処理や塩水の処理において多くの利点があります。^[35]これらの排水に中程度から低濃度の除去可能物質が含まれている場合、FO膜は非常に効率的であり、生産水に求められる品質に応じて膜を適応させる柔軟性があります。FOシステムは、他の種類の処理システムと組み合わせて使用​​する場合にも非常に便利です。他のシステムの欠陥を補うためです。これは、バイオガス生産プロセスなど、コストを最小限に抑えたり効率を改善したりするために特定の製品の回収が不可欠なプロセスにも役立ちます。

FO プロセスの主な欠点は、汚れがつきやすいことです。これは、飽和度の高い排出物を処理する際に発生し、膜が詰まり、機能しなくなります。つまり、プロセスを停止して膜を洗浄する必要があります。他の種類の膜処理では、膜を侵食する人工圧力がかかって汚れの影響が軽減されるため、この問題はそれほど発生しません。また、まだ開発されていない膜技術にも問題があります。これは、使用される膜が高価で、効率が高くなく、目的の機能に理想的ではないため、FO プロセスに影響します。つまり、多くの場合、膜ではなく、より安価でシンプルなシステムが使用されることになります。

現在、業界では FO 膜プロセス (および膜技術全般) がほとんど使用されていません。これは、複雑なプロセスで、コストも高く、多くの洗浄手順が必要であり、業界では必ずしも保証できない特定の条件下でのみ機能することもあるためです。そのため、膜の将来的な焦点は、技術を改善して、より柔軟で一般的な産業用途に適したものにすることです。これは、研究に投資し、これらの開発を徐々に市場に投入することで実現され、膜の生産が増えるにつれて製造コストが下がります。現在の開発が続けば、数年後には膜がさまざまな産業プロセス (水処理だけでなく) で広く使用され、FO プロセスを使用できる分野が数多く出現することが確実です。

FO の現在の研究分野には、磁場によるドロー溶質の直接除去が含まれます。小さな (ナノスケールの) 磁性粒子が溶液に浮遊し、希釈された供給物から水を分離するのに十分な浸透圧を作り出します。これらの粒子を含むドロー溶液が FO の水流によって希釈されると、磁石を使用して (水和バッグの側面に対して、または定常状態のプロセスでインラインのパイプの周囲に) 溶液から粒子を分離できます。

• Cath, T; Childress, A; Elimelech, M (2006). 「順浸透: 原理、応用、および最近の開発」(PDF) . Journal of Membrane Science . 281 (1–2): 70–87. doi :10.1016/j.memsci.2006.05.048. 2006-09-13 にオリジナル(PDF)からアーカイブされました。
• Duranceau, Steven (2012 年 7 月)。「飲料水処理における順浸透および圧力遅延浸透プロセスの出現」(PDF)。フロリダ水資源ジャーナル: 32–36。2013年6 月 14 日閲覧。
• ニコル、ピーター。「順浸透 - 簡単な紹介」。ウォータートゥデイ。 2020年2月12日閲覧。 {{cite journal}}:ジャーナルを引用するには|journal=(ヘルプ)が必要です