膜

精密ろ過は、0.08～2 μm より大きい粒子を除去し 、7～100 kPa の範囲で動作します 。^{[ 5 ]}精密ろ過は、残留懸濁物質 (SS) を除去したり、効果的な消毒のために水を調整するために細菌を除去したり、逆浸透の前処理ステップとして使用されます。^{[ 6 ]}

比較的新しい技術開発としては、精密ろ過と生物反応器を組み合わせた膜バイオリアクター（MBR）が挙げられる。

限外ろ過は、0.005～2 μmより大きい粒子を除去し、70～700 kPa の範囲で動作します。 ^{[ 5 ]}限外ろ過は、マイクロろ過と同じ用途の多くに使用されます。一部の限外ろ過膜は、タンパク質や炭水化物などの高分子量溶解化合物を除去するためにも使用されています。また、ウイルスや一部のエンドトキシンを除去することもできます。 

ナノろ過は「ルーズRO」とも呼ばれ、0.002μm以下の粒子を除去できます 。ナノろ過は、廃水から特定の溶解成分を除去するために使用されます。NFは主に膜軟化プロセスとして開発され、化学的軟化に代わる方法を提供します。

同様に、ナノろ過は、直接逆浸透の前処理として使用できます。NF前処理の主な目的は次のとおりです。^{[ 7 ]} (1) 濁度と細菌を除去することにより、RO膜の粒子状および微生物による汚染を最小限に抑える、(2) 硬度イオンを除去することによりスケールを防止する、(3) 供給水の総溶解固形物(TDS) 濃度を下げることにより、ROプロセスの運転圧力を下げる。

逆浸透は脱塩によく用いられます。また、ROは、精密ろ過による高度処理後に残った廃水から溶解成分を除去するためにもよく用いられます。ROはイオンを除去しますが、脱イオン水を生成するには高圧（850～7000 kPa）が必要です。ROは、熱プロセスに基づく技術を使用する蒸留と比較して、使用が簡単でエネルギーコストが比較的低いため、最も広く使用されている脱塩技術です。RO膜はイオンレベルで水の成分を除去することに注意してください。そのため、現在のほとんどのROシステムは、主にポリアミド層、ポリスルホン層、ポリエステル層の3つの層からなる薄膜複合材（TFC）を使用しています。^{[ 8 ]}

分子レベルで物質を分離するためにナノ構造チャネルを利用する新しいタイプの膜があります。これには、カーボンナノチューブ膜、グラフェン膜、固有の微細孔性ポリマー（PIMS）から作られた膜、および金属有機構造体（MOF）を組み込んだ膜が含まれます。^{[ 9 ]}これらの膜は、ナノろ過や逆浸透などのサイズ選択的分離だけでなく、従来は高価でエネルギー集約的な蒸留が必要だったパラフィンからのオレフィンや水からのアルコールなどの吸着選択的分離にも使用できます。

膜システムからの総透過流量は、次の式で表されます。

${\displaystyle Q_{p}=F_{w}\cdot A}$

ここで、Qpは透過流流量[kg·s ⁻¹ ]、F _wは水流束速度[kg·m ⁻² ·s ⁻¹ ]、Aは膜面積[m ² ]である。

膜の透過率（k）[m·s ⁻² ·bar ^{−1 ]は、次の式で与えられる。}

${\displaystyle k={F_{w} \over P_{TMP}}}$

膜間圧力（TMP）は、次の式で表されます。

${\displaystyle P_{TMP}={(P_{f}+P_{c}) \over 2}-P_{p}}$

ここで、P _TMPは膜間圧力 [kPa]、P _{f は}供給ストリームの入口圧力 [kPa]、P _{c は}濃縮ストリームの圧力 [kPa]、P _{p は}透過ストリームの圧力 [kPa] です。

除去率（r）は、給水から除去された粒子の数として定義できる。

$\displaystyle r={(C_{f}-C_{p}) \over C_{f}}\cdot 100}$

対応する質量保存方程式は以下のとおりです。

${\displaystyle Q_{f}=Q_{p}+Q_{c}}$

${\displaystyle Q_{f}\cdot C_{f}=Q_{p}\cdot C_{p}+Q_{c}\cdot C_{c}}$

膜プロセスの動作を制御するには、フラックスとTMPに関して2つのモードを使用できます。これらのモードは、（1）一定TMP、および（2）一定フラックスです。

膜中に除去された物質や粒子が蓄積すると、運転モードに影響が出ます。一定の膜間差圧（TMP）では膜を通過する水の流量が減少し、一定の流量ではTMPが増加して透過率（k）が低下します。この現象はファウリングと呼ばれ、膜プロセス運転における主な制限要因です。

膜には2つの動作モードがあります。これらのモードは次のとおりです。

• デッドエンドろ過では、膜に供給されたすべての供給液が膜を通過し、透過液が得られます。濃縮液の流れがないため、すべての粒子は膜内に保持されます。膜表面に蓄積した物質を洗い流すために、原水が使用されることがあります。^{[ 13 ]}
• クロスフローろ過では、供給水が膜に接線方向にクロスフローで送られ、濃縮液と透過液が得られます。このモデルでは、膜を通過する供給水のうち、透過液製品に変換されるのはその一部に過ぎないことが示唆されます。このパラメータは「変換率」または「回収率」（S）と呼ばれます。透過液がプロセスの維持、通常は膜洗浄にさらに使用される場合、回収率は低下します。

${\displaystyle S={Q_{透過液} \over Q_{供給液}}=1-{Q_{濃縮液} \over Q_{供給液}}}$

ろ過によって流れに対する抵抗が増加する。デッドエンドろ過の場合、抵抗は膜上に形成されるケーキの厚さに応じて増加する。その結果、透過率（k）とフラックスは固形物濃度に比例して急速に減少する。そのため、定期的な清掃が必要となる。

クロスフロープロセスでは、膜に対する結合ケーキの力が流体の力と釣り合うまで物質の堆積が続きます。この時点で、クロスフローろ過は定常状態に達します。したがって、流量は時間とともに一定に保たれる。そのため、この構成では定期的な清掃の頻度を減らすことができる。

膜システムの設計および運用において、汚染は前処理の必要性、洗浄要件、運転条件、コスト、性能に影響を与えるため、重要な考慮事項です。したがって、汚染は防止し、必要に応じて除去する必要があります。汚染を防止するには、運転条件を最適化することが重要です。ただし、既に汚染が発生している場合は、物理的または化学的な洗浄によって除去する必要があります。

膜の物理的洗浄技術には、膜の弛緩と膜の逆洗が含まれる。

• 逆洗またはバックフラッシングは、透過液を膜を通して逆方向にポンプで送ることから成ります。逆洗は、細孔閉塞によって引き起こされる可逆的な汚染のほとんどを効果的に除去します。逆洗は、膜を通して空気をフラッシングすることによっても強化できます。^{[ 16 ]}逆洗は、透過液の流れを反転させるのに適した圧力を達成するためにエネルギーが必要となるため、運転コストを増加させます。

• 膜の緩和とは、一定期間ろ過を一時停止することであり、そのため透過液の流れを逆転させる必要はありません。緩和によって、膜の化学洗浄を行う前に、より長期間ろ過を維持することが可能になります。

• 高周波逆パルス処理により、汚れ層を効率的に除去できます。この方法は、セラミック膜に最も一般的に使用されています。

最近の研究では、最適な結果を得るためにはリラクゼーションとバックウォッシングを組み合わせることが推奨されている。^{[ 17 ] [ 18 ]}

化学洗浄。運転時間の経過とともに膜表面に不可逆的な汚染物質が蓄積するにつれて、緩和洗浄と逆洗の効果は低下します。そのため、物理的洗浄に加えて、化学洗浄も推奨される場合があります。化学洗浄には以下が含まれます。

• 化学強化逆洗とは、逆洗中に低濃度の化学洗浄剤を添加する方法である。
• 化学洗浄では、主な洗浄剤として次亜塩素酸ナトリウム（有機汚染用）とクエン酸（無機汚染用）が用いられる。各膜供給業者は独自の化学洗浄レシピを提案しており、それらは主に濃度と方法の点で異なっている。^{[ 19 ]}

運転条件の最適化。膜の汚染を防ぐために、膜の運転条件を最適化するためのいくつかのメカニズムを実行できます。例えば、次のとおりです。

• フラックスの低減。フラックスを低減するとファウリングは減少しますが、膜面積の増加が必要となるため、設備投資コストに影響します。持続可能なフラックスで運転することで、化学洗浄が不要となるような、許容範囲内の速度でTMPが徐々に増加するフラックスを実現できます。
• デッドエンドろ過の代わりにクロスフローろ過を使用する。クロスフローろ過では、すべての粒子が膜上に保持されるわけではなく、濃縮液がそれらを除去するため、膜上には薄い層しか堆積しない。
• 供給水の予備処理は、供給水中の懸濁物質と細菌含有量を低減するために行われます。塩化第二鉄や硫酸アルミニウムなどの凝集剤や凝固剤も使用され、これらは水に溶解すると、懸濁物質、コロイド、可溶性有機物などの物質を吸着します。^{[ 20 ]}輸送現象を最適化するために、形而上学的数値モデルが導入されています。^{[ 21 ]}

膜の改質。最近の取り組みは、膜材料の表面化学を変化させて汚染物質が膜表面に付着する可能性を低減することで、膜の汚染をなくすことに焦点を当てています。使用される正確な化学的戦略は、ろ過される溶液の化学に依存します。たとえば、脱塩に使用される膜は、ミネラルの蓄積による汚染を防ぐために疎水性にすることができますが、生物製剤に使用される膜は、タンパク質/有機物の蓄積を減らすために親水性にすることができます。薄膜堆積による表面化学の改質により、汚染を大幅に低減できます。改質技術を使用する際の欠点の1つは、場合によっては、膜プロセスのフラックス速度と選択性に悪影響を及ぼしうることです。^{[ 22 ]}

膜の性能が著しく低下すると、廃棄されます。廃棄されたRO膜モジュールは現在、世界中で不活性固体廃棄物として分類されており、エネルギー回収も可能であるにもかかわらず、多くの場合埋立処分されています。しかし、廃棄物の発生抑制、直接再利用、リサイクル方法など、過去数十年にわたり、これを回避するためのさまざまな取り組みが行われてきました。この点において、膜も廃棄物管理の階層に従います。つまり、最も望ましい行動は、同じ用途での使用量を削減する膜の設計を改良することであり、最も望ましくない行動は廃棄および埋め立てです。^{[ 23 ]}

RO膜には、循環型経済の原則に準拠するために解決しなければならない環境上の課題がいくつかあります。主な課題は、耐用年数が5～10年と短いことです。過去20年間で、RO海水淡水化プラントの数は70%増加しました。これらのROプラントの規模も大幅に拡大し、1日あたり60万m³を超える生産能力を持つプラントもあります^。 これは、毎年1万4000トンの膜廃棄物が発生し、埋め立て処分されていることを意味します。膜の寿命を延ばすために、さまざまな予防方法が開発されています。ROプロセスと前処理プロセスを組み合わせて効率を向上させる、防汚技術を開発する、膜を洗浄するための適切な手順を開発するなどです。前処理プロセスは、海水供給における化学添加物の量が少なく、ROシステムに必要な運転保守が少なくなるため、運転コストを削減します。^{[ 24 ]}

RO膜には、(i)無機物（塩の沈殿）、(ii)有機物、(iii)コロイド（懸濁液中の粒子の沈着）、(iv)微生物（細菌と真菌）の4種類の汚染が見られます。^{[ 25 ]}したがって、これらの汚染の種類に対処する前処理手順と化学薬品の投与の適切な組み合わせ、および効率的な洗浄計画により、効果的な防汚技術の開発が可能になります。

ほとんどのプラントでは、毎週メンブレン洗浄（化学洗浄強化逆洗）を実施しています。この定期洗浄に加え、年に2～4回の集中洗浄（CIP）も推奨されています。

RO膜の再利用には、より緩やかな仕様の他の分離プロセスでモジュールを直接再利用することが含まれます。RO TFC膜から多孔質膜への変換は、ポリアミドの緻密層を分解することによって可能です。さまざまな酸化溶液による化学処理によるRO膜の変換は、MFやUFなどの用途での再利用を目的としたポリアミド膜の活性層を除去することを目的としています。これにより、寿命が約2年延長されます。^{[ 26 ]} ROの直接再利用の可能性について言及した報告は非常に限られています。研究によると、実施された剖検調査では、水力透過性、塩除去率、形態学的および地形学的特性、電界放出走査型電子顕微鏡および原子間力顕微鏡が使用されました。古いROエレメントの性能はナノろ過（NF）膜の性能に似ていたため、透過率が1.0から2.1 L m ⁻² h ⁻¹ bar ⁻¹に増加し、NaCl除去率が90%以上から35～50%に低下したことは驚くべきことではありませんでした。^{[ 27 ]}

一方、プロセスの全体的な効率を最大化するために、近年では、性能の異なるRO要素を同じ圧力容器内に組み合わせることが一般的になっており、これはマルチメンブレン容器設計と呼ばれています。原則として、この革新的なハイブリッドシステムでは、ろ過列の上流セグメントに高除去率・低生産性の膜を使用し、下流セグメントに高生産性・低エネルギーの膜を使用することを推奨しています。この設計は、圧力の必要性の低下によるエネルギー使用量の削減、または出力の増加という2つの方法で役立ちます。このコンセプトは、特定の用途に必要なモジュールと圧力容器の数を削減するため、初期投資コストを大幅に削減できる可能性があります。このオリジナルのコンセプトを、同じ圧力容器内で古いRO膜を内部的に再利用することで適用することが提案されています。^{[ 28 ]}

材料のリサイクルとは、材料またはその構成要素を物理的に変化させて、他の有用な製品に再生できるようにする一般的な用語です。膜モジュールは、さまざまなポリマー成分からなる複雑な構造であり、個々の成分は他の用途に再利用できる可能性があります。プラスチック固体廃棄物の処理とリサイクルは、機械的リサイクル、化学的リサイクル、エネルギー回収に分類できます。

機械リサイクルの特性：

• まず、目的とする成分を分離する必要がある。
• 洗浄工程中の物的劣化を防ぐため、事前に洗浄しておく。
• ポリマー材料を適切なサイズに粉砕する（材料の損失は5%）。
• 後方洗浄の可能性あり。
•  溶融および押出成形プロセス（材料の10％の損失）。
• リサイクル可能な膜構成要素（熱可塑性樹脂）：PP、ポリエステルなど。
• 膜シート：様々なポリマーと添加剤から構成されているため、正確かつ効率的に分離することが本質的に困難である。
• 主な利点: バージンプラスチックの生産を代替する。 • 主な欠点: すべてのコンポーネントを分離する必要があり、実行可能な量となるには十分な量のコンポーネントが必要である。^{[ 29 ]}

化学リサイクルの特性：

• 解重合および分解技術を用いて、ポリマーをより小さな分子に分解する。
• 汚染された物質には使用できません。
• 化学リサイクルプロセスは、特定の材料に合わせて調整されています。
• 利点：前処理を最小限に抑えつつ、異種ポリマーを加工できる。
• デメリット：機械的リサイクルよりも費用がかかり、複雑である。
• ポリエステル材料（透過液スペーサーや膜シートの構成要素など）は化学リサイクルプロセスに適しており、加水分解はポリマーの製造に使用された重縮合反応を逆転させるために用いられ、水を加えることで分解が促進される。

エネルギー回復特性：

• 容積を90～99％削減することで、埋立地への負担を軽減します。
• 廃棄物焼却炉は一般的に760℃から1100℃の温度で運転できるため、グラスファイバー製のケーシング内の残留無機充填材を除いて、すべての可燃性物質を除去することができる。^{[ 29 ]}
• 熱エネルギーは回収して発電やその他の熱関連プロセスに利用できるだけでなく、従来のエネルギー源からの温室効果ガス排出量を相殺することもできる。
• 適切に管理されない場合、温室効果ガスやその他の有害物質を排出する可能性がある。

治療後

• 選択した技術を適用した後、膜が再び正常に機能するように、後処理工程を実施する必要がある。
• 後処理の最初のステップは、装置から残留廃棄物をすべて除去することです。これにより、膜の性能に影響を与える可能性のある汚染物質が残らないようにします。
• 逆浸透膜からポリアミドやポリスルホンなどの貴重な材料を回収するために分離技術が用いられ、これらの材料はリサイクルされて新しい膜やその他の製品の製造に再利用されます。材料回収段階では、物理的または化学的な分離プロセスが実施され、これらの材料を分離・精製することで品質を確保し、生産工程への再投入を容易にします。
• 廃棄物除去後、膜はパイロットシステムで試験されます。この段階では、膜の性能が綿密に分析され、出力が規定のパラメータと制限を満たしているかどうかが判断されます。このステップは、処理後の膜が効率的かつ効果的に機能することを確認するために不可欠です。

• RO膜のリサイクルプロセスを導入するには追加コストが発生する可能性があり、多くの企業や組織は受け入れをためらうかもしれません。さらに、リサイクルされた膜は性能や効率が低下することがよくあります。しかし、リサイクルの大きな利点の1つは、原材料から新しい膜を製造する際に発生する環境負荷を軽減できることです。RO膜には、気候変動の原因となる温室効果ガス（GHG）の主要な発生源である石油由来のポリマーが含まれています。さらに、これらのポリマーは生分解性がないため、リサイクルが困難です。
• RO膜をリサイクルすることで、新規材料の必要性を減らし、環境負荷を軽減できます。石油由来ポリマーから新しい膜を製造すると、温室効果ガスの排出量が増加します。既存の膜をリサイクルすることで、本来であれば環境悪化の原因となる材料を再利用し、この影響を緩和することができます。
• 排水規制の強化に伴い、逆浸透膜（RO膜）の需要が急増している。この需要は供給を上回る可能性があり、既存のRO膜をリサイクルすることが、この課題に対処するための有効な解決策となるだろう。
• RO膜の需要増加に伴い、価格も上昇しています。一方、リサイクルプロセスは一般的に新品の膜を購入するよりも費用対効果が高いと言えます。このコスト面での優位性は、リサイクル事業の立ち上げに必要な初期投資を相殺するのに役立ちます。