膜ファウリング

膜ファウリングとは、膜分離活性汚泥法[1]、逆浸透[2]、正浸透[3]、膜蒸留[4]、限外濾過、精密濾過、ナノ濾過[5]などのプロセスにおいて、溶液または粒子が膜^表面または膜^細孔に沈着^し、膜^の性能が低下する^プロセスである。これは、この技術の広範な使用に対する大きな障害となっている。膜ファウリングは、深刻なフラックス低下を引き起こし、生成される水の品質に影響を与える可能性がある。ひどいファウリングには、強力な化学洗浄または膜の交換が必要になる場合がある。これにより、処理プラントの運用コストが増加する。ファウリングには、コロイド状（粘土、フロック）、生物学的（細菌、真菌）、有機物（油、高分子電解質、フミン酸）、およびスケーリング（鉱物沈殿物）のさまざまな種類がある。 ^[6]

汚れは、膜表面への粒子の付着強度に基づいて、可逆的な汚れと不可逆的な汚れに分けられます。可逆的な汚れは、強いせん断力または逆洗によって除去できます。連続ろ過プロセス中に溶質と汚れ層の強力なマトリックスが形成されると、可逆的な汚れが不可逆的な汚れ層に変化します。不可逆的な汚れは、物理的な洗浄では除去できない粒子の強い付着です。^[7]

膜汚染に影響を与える要因:

最近の基礎研究によると、膜ファウリングは、システムの流体力学、動作条件、^[8]膜特性、材料特性（溶質）などの多くの要因によって影響されます。低圧、低供給濃度、高供給速度では、濃度分極の影響は最小限で、フラックスは膜間圧力差にほぼ比例します。しかし、高圧範囲では、フラックスは印加圧力にほとんど依存しなくなります。^{[9]フラックス-圧力関係の直線からの偏差は、}濃度分極によるものです。供給流量が低い場合や供給濃度が高い場合は、比較的低圧でも限界フラックス状況が観察されます。

透過流束、^[3]膜間圧 (TMP)、透過性、抵抗は膜汚染の最良の指標です。一定透過流束運転では、TMP が増加して汚染を補います。一方、一定圧力運転では、膜汚染により透過流束が低下します。膜蒸留などの一部の技術では、汚染により膜除去率が低下するため、透過水の品質 (たとえば、電気伝導率で測定) が汚染の主な測定基準となります。^[8]

膜ろ過中に膜の汚れが付着するのは避けられない現象ですが、洗浄、適切な膜の選択、動作条件の選択などの戦略によって最小限に抑えることができます。

膜は物理的、生物学的、化学的に洗浄することができます。物理的洗浄には、ガス洗浄、スポンジ、ウォータージェット、または透過水^[10]または加圧空気^[11]を使用したバックフラッシュが含まれます。生物学的洗浄では、殺菌剤を使用してすべての生存微生物を除去しますが、化学的洗浄では、酸と塩基を使用して汚れや不純物を除去します。

さらに、研究者たちは、さまざまなコーティングが耐摩耗性に与える影響を調査してきました。日本のグローバルアクアイノベーションセンターによる2018年の研究では、PA膜を多層カーボンナノチューブでコーティングすることで、表面粗さ特性が改善されたことが報告されています。^[12]

膜の汚れを最小限に抑えるもう一つの戦略は、特定の操作に適した膜を使用することです。まず、供給水の性質を知る必要があります。次に、その溶液で汚れにくい膜を選択します。水ろ過の場合、親水性膜が好まれます。^[13]膜蒸留の場合、疎水性膜が好まれます。^[14]

膜ろ過中の操作条件も、ろ過中の汚れ状態に影響を及ぼす可能性があるため、非常に重要です。たとえば、クロスフローろ過はデッドエンドろ過よりも好まれることが多いです。これは、ろ過中に乱流が発生すると堆積層が薄くなるため、汚れが最小限に抑えられるためです (例:管状ピンチ効果)。多くの MBR アプリケーションなどの一部のアプリケーションでは、空気洗浄を使用して膜表面で乱流を促進します。

膜の性能は、汚れによる機械的劣化の影響を受ける可能性があります。これにより、溶質と溶媒の両方で、望ましくない圧力と流束の勾配が生じる可能性があります。膜の破損のメカニズムは、膜の物理的変化による汚れの直接的な結果である場合もあれば、汚れの除去プロセスによって膜が損傷する間接的な原因である場合もあります。

商業的に使用されている膜の大部分は、ポリフッ化ビニリデン（PVDF）、ポリアクリロニトリル（PAN）、ポリエーテルサルフォン（PES）、ポリアミド（PA）などのポリマーであり、一定の浸透圧に耐える望ましい特性（弾性と強度）を提供する材料であることに注意することが重要です。^[15]しかし、汚染物質が蓄積すると、膜構造の物理的変化を通じてこれらの特性が低下します。

汚れが蓄積すると、ひび割れ、表面の荒れ、細孔分布の変化が生じる可能性があります。^{[15]これらの物理的変化は、}硬い材料が柔らかいポリマー膜に衝突した結果であり、膜の構造的完全性が弱まります。機械構造の劣化により、膜は機械的損傷を受けやすくなり、全体的な寿命が短くなる可能性があります。2006年の研究では、きれいな中空繊維と汚れた中空繊維の両方を一軸で引っ張ることで、この劣化を観察しました。研究者は、汚れた繊維の相対的な脆化を報告しました。^[16]

直接的な物理的損傷以外にも、汚れは、それに対処するための戦略により、膜の機械的特性に間接的な影響を及ぼす可能性があります。逆洗は、粒子だけでなく膜にも強いせん断力を与えます。したがって、汚れの頻度が高くなると、膜は周期的な負荷にさらされ、疲労破壊につながる可能性があります。これは、膜の既存の欠陥（マイクロクラックなど）が複雑な応力状態のダイナミクスにより成長し、広がる可能性があるプロセスです。これらの影響は未知ではありません。2007年の研究では、周期的な逆洗パルスによる老化をシミュレートし、その影響による同様の脆化が報告されました。^[17]

さらに、汚れの化学処理を繰り返すと、膜は過剰な量の塩素やその他の処理化学物質にさらされ、劣化を引き起こす可能性があります。^[18]この化学的劣化は膜構成部品の剥離につながり、最終的には故障につながる可能性があります。

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