膜技術

膜技術には、膜の構築と適用に使用される科学的プロセスが含まれます。膜は、媒体間の物質の輸送または排除、およびガスと液体の流れの機械的分離を容易にするために使用されます。最も単純なケースでは、膜の細孔が有害な微生物などの望ましくない物質の直径よりも小さい場合に濾過が実現されます。膜技術は、水処理、化学および金属処理、医薬品、バイオテクノロジー、食品産業、環境汚染物質の除去などの業界で一般的に使用されています。

膜の構築後、事前に決定することが難しい孔径、機能グループ、材料特性などのパラメータについて詳しく知るために、準備された膜の特性を評価する必要があります。このプロセスでは、走査型電子顕微鏡、透過型電子顕微鏡、フーリエ変換赤外分光法、X線回折、液液置換多孔度測定法などの機器が使用されます。

膜技術は、半透膜の助けを借りて2つの画分の間で物質を輸送するためのすべての工学的アプローチをカバーします。一般に、ガスまたは液体の流れを分離するための機械的分離プロセスでは、膜技術が使用されます。近年、吸着、酸化、膜分離など、さまざまな方法が環境汚染物質を除去するために使用されています。大気汚染、廃水汚染など、さまざまな汚染が環境で発生します。 ^[1]環境汚染の70％以上が産業によって発生するため、産業汚染を防止するための業界の要件に従っています。有害な化学物質の環境への放出を維持し、防止するために、1981年の大気汚染防止法^{の政府規則に従うのは彼らの責任です。 [2]}産業が廃棄物を環境に放出できるようにした後は、必ず予防および安全プロセスを実行してください。^[3]

バイオマスベースの膜技術は、低コスト、高効率、二次汚染物質がないことなどから、汚染物質除去手段として最も有望な技術の一つです。^[1]

膜製造プロセスでは、通常、ポリスルホン、ポリフッ化ビニリデン、ポリプロピレンが使用されます。これらの膜材料は再生不可能で生分解性がなく、有害な環境汚染を引き起こします。^[4]研究者は、環境汚染を回避する環境に優しい膜を合成する解決策を見つけようとしています。バイオマスベースの膜合成など、天然に存在する材料の助けを借りて生分解性材料を合成することで、汚染物質を除去できます。^[5]

膜分離プロセスは加熱せずに動作するため、蒸留、昇華、結晶化などの従来の熱分離プロセスよりもエネルギー消費が少なくなります。分離プロセスは純粋に物理的なもので、両方の画分（透過物と未透過物）を有用な製品として得ることができます。膜技術を使用した冷間分離は、食品技術、バイオテクノロジー、製薬業界で広く使用されています。さらに、膜を使用すると、熱分離法では不可能な分離が可能になります。たとえば、蒸留や再結晶によって同形結晶を形成する共沸液体や溶質の成分を分離することは不可能ですが、膜技術を使用すればそのような分離を実現できます。膜の種類に応じて、特定の個々の物質または物質混合物の選択的な分離が可能です。重要な技術的用途には、逆浸透による飲料水の製造があります。廃水処理では、膜技術がますます重要になっています。限外濾過/精密濾過は、廃水からコロイドや高分子を除去するのに非常に効果的です。これは、特に接触型水上スポーツやレクリエーション用に指定された敏感な水域に廃水を排出する場合に必要です。

市場の約半分は、血液透析により毒性物質を除去する人工腎臓や、血液中に気泡なく酸素を供給する人工肺などの医療用途です。

環境保護の分野では膜技術の重要性が高まっています ( Nano-Mem-Pro IPPC データベース)。現代のエネルギー回収技術でも、燃料電池や浸透圧発電所などにおいて膜がますます使用されています。

膜を介した物質移動には 2 つの基本モデルがあります。

• 溶解拡散モデルと
• 流体力学モデル。

実際の膜では、特に限外濾過の際には、これら 2 つの輸送メカニズムが並行して発生します。

溶解拡散モデルでは、輸送は拡散によってのみ発生します。輸送する必要がある成分は、まず膜に溶解する必要があります。溶解拡散モデルの一般的なアプローチは、供給流体と透過流体の化学ポテンシャルが隣接する膜表面と平衡状態にあると仮定し、溶液と膜の界面で流体と膜の相の化学ポテンシャルの適切な式を等しくすることができるというものです。この原則は、逆浸透や燃料電池で使用されるような、天然の細孔のない高密度の膜ではより重要です。ろ過プロセス中に、膜上に境界層が形成されます。この濃度勾配は、膜を通過できない分子によって作成されます。この効果は濃度分極と呼ばれ、ろ過中に発生し、膜透過流 (フラックス)の減少につながります。濃度分極は、原理的には膜を洗浄することで可逆的であり、その結果、初期のフラックスがほぼ完全に回復します。膜への接線方向の流れ (クロスフローろ過) を使用すると、濃度分​​極を最小限に抑えることもできます。

細孔を通した輸送は、最も単純な場合、対流によって行われます。そのためには、細孔のサイズが 2 つの別個のコンポーネントの直径よりも小さくなければなりません。この原理に従って機能する膜は、主に精密濾過および限外濾過で使用されます。これらは、高分子を溶液から、コロイドを分散液から分離したり、細菌を除去したりするために使用されます。このプロセス中、保持された粒子または分子が膜上にドロドロの塊 (フィルターケーキ) を形成し、この膜の詰まりが濾過を妨げます。この詰まりは、クロスフロー法 (クロスフロー濾過)の使用によって軽減できます。ここでは、濾過される液体が膜の前面に沿って流れ、膜の前面と背面の圧力差によって、前面の保持液 ( 流れる濃縮液 ) と背面の透過液( 濾液 ) に分離されます。前面の接線方向の流れによってせん断応力が生じ、フィルターケーキが割れて汚れが軽減されます。

操作の原動力に応じて、次のように区別することができます。

• 圧力による運営
  • 精密濾過
  • 限外濾過
  • ナノ濾過
  • 逆浸透
  • ガス分離
• 集中力を重視した運用
  • 透析
  • 浸透蒸発
  • 順浸透
  • 人工肺
• 電位勾配における操作
  • 電気透析
  • 膜電解、例：塩素アルカリ法
  • 電極イオン化
  • 電気濾過
  • 燃料電池
• 温度勾配における操作
  • 膜蒸留

膜プロセスには、クロスフロー（または接線流）ろ過とデッドエンドろ過の 2 つの主なフロー構成があります。クロスフローろ過では、供給フローは膜の表面に対して接線方向であり、保持液は同じ側から下流で除去されますが、透過液の流れは反対側で追跡されます。デッドエンドろ過では、流体の流れの方向は膜表面に対して垂直です。どちらのフロー形状にも、いくつかの利点と欠点があります。一般的に、デッドエンドろ過は、実験室規模での実現可能性調査に使用されます。デッドエンド膜は比較的簡単に製造できるため、分離プロセスのコストが削減されます。デッドエンド膜分離プロセスは実装が簡単で、通常はクロスフロー膜ろ過よりも安価です。デッドエンドろ過プロセスは通常、バッチタイプのプロセスであり、ろ過溶液が膜デバイスにロード（またはゆっくりと供給）され、駆動力を受ける一部の粒子が通過します。デッドエンドろ過の主な欠点は、膜の汚れが広範囲に及ぶことと濃度分極です。通常、汚れは駆動力が大きいほど早く発生します。膜の汚れと供給溶液中の粒子の保持によって、濃度勾配と粒子の逆流（濃度分極）も発生します。接線流装置はコストと労力がかかりますが、通過する流れのスイープ効果と高いせん断速度により、汚れの影響を受けにくくなります。最も一般的に使用される合成膜装置（モジュール）は、平らなシート/プレート、スパイラル巻き、中空糸です。

平板は通常、デッドエンド形状モジュールで使用される円形の薄い平らな膜面として構築されます。スパイラル巻きは、同様の平らな膜から構築されますが、高多孔性のサポートプレートで分離された2つの膜シートを含む「ポケット」の形をしています。^[6]次に、このようなポケットをいくつかチューブの周りに巻き付けて、接線流形状を作成し、膜の汚れを減らします。中空糸モジュールは、高密度のスキン分離層を備えた自立型繊維のアセンブリと、圧力勾配に耐え、構造的完全性を維持するのに役立つよりオープンなマトリックスで構成されています。^[6]中空糸モジュールには、直径200〜2500μmの繊維を最大10,000本収容できます。中空糸モジュールの主な利点は、密閉された容積内の表面積が非常に大きいため、分離プロセスの効率が向上することです。

• 
  中空糸膜モジュール
• 
  膜を通して空気を酸素と窒素に分離する

ディスクチューブモジュールはクロスフロージオメトリを採用しており、中央のテンションロッドで保持された圧力チューブと油圧ディスク、および2つのディスクの間にある膜クッションで構成されています。^[7]

目的の分離プロセスのための合成膜の選択は、通常、いくつかの要件に基づいています。膜は、大量の供給ストリームを処理するのに十分な質量移動面積を提供する必要があります。選択された膜は、特定の粒子に対する高い選択性（除去）特性を備えている必要があります。汚れに強く、高い機械的安定性を備えている必要があります。また、再現性があり、製造コストが低いことも必要です。一定の圧力降下におけるデッドエンドろ過の主なモデル化方程式は、ダルシーの法則によって表されます。^[6]

${\displaystyle {\frac {dV_{p}}{dt}}=Q={\frac {\Delta p}{\mu }}\ A\left({\frac {1}{R_{m}+R}}\right)}$

ここで、V _pと Q はそれぞれ透過液の体積とその体積流量（供給流量と同じ特性に比例）、μ は透過液の動粘度、A は膜面積、R _mと R はそれぞれ膜と汚染物質の堆積物の抵抗です。R _{m は}溶媒（水）の透過に対する膜抵抗として解釈できます。この抵抗は膜固有の特性であり、駆動力 Δp とは無関係でほぼ一定であると予想されます。R は膜汚染物質の種類、ろ過溶液中の濃度、汚染物質と膜の相互作用の性質に関連しています。ダルシーの法則により、特定の条件で目的の分離を行うための膜面積を計算できます。溶質 ふるい係数は次式で定義されます。^[6]

${\displaystyle S={\frac {C_{p}}{C_{f}}}}$

ここで、C _fとC _{p は}それぞれ供給水と浸透水中の溶質濃度である。透水性は抵抗の逆数として定義され、次の式で表される。^[6]

${\displaystyle L_{p}={\frac {J}{\Delta p}}}$

ここで、J は透過流束、つまり膜面積あたりの体積流量です。溶質ふるい係数と水力透過性により、合成膜の性能を迅速に評価できます。

膜分離プロセスは、分離産業において非常に重要な役割を果たしている。しかし、1970年代半ばまでは技術的に重要であるとは考えられていませんでした。膜分離プロセスは、分離メカニズムと分離された粒子のサイズによって異なります。広く使用されている膜プロセスには、精密濾過、限外濾過、ナノ濾過、逆浸透、電気分解、透析、電気透析、ガス分離、蒸気透過、浸透蒸発、膜蒸留、膜接触器などがあります。[ ^8]浸透蒸発以外のすべてのプロセスでは相変化は起こりません。電気透析以外のすべてのプロセスは圧力駆動です。精密濾過と限外濾過は、食品および飲料加工（ビール精密濾過、リンゴジュース限外濾過）、バイオテクノロジー用途および製薬産業（抗生物質製造、タンパク質精製）、浄水および廃水処理、マイクロエレクトロニクス産業などで広く使用されています。ナノ濾過膜と逆浸透膜は主に浄水目的で使用されます。高密度膜はガス分離（天然ガスからの CO2 の除去、空気からの N2 の分離_、空気または窒素流からの有機蒸気の除去）に利用され、膜蒸留にも使用されることがあります。後者のプロセスは共沸組成物の分離に役立ち、蒸留プロセスのコストを削減します。

工業用膜の細孔サイズは、製造元によって指定方法が異なります。一般的な区別方法の 1 つは、公称細孔サイズです。これは、最大細孔サイズ分布^[9]を表し、膜の保持能力については漠然とした情報しか提供しません。膜の排除限界または「カットオフ」は通常、NMWC (公称分子量カットオフ、またはMWCO、分子量カットオフ、単位はダルトン) の形式で指定されます。これは、膜によって 90% 保持される球状分子の最小分子量として定義されます。カットオフは、方法に応じて、いわゆるD ₉₀に変換され、その後メートル単位で表されます。実際には、膜の MWCO は、分離する分子の分子量より少なくとも 20% 低くする必要があります。

トラックエッチングされたマイカ膜^[10]を用いて、ベックとシュルツ^{[11]は、細孔内の分子の拡散阻害がランキン[12]}の式で記述できることを実証した。

フィルター膜は、孔サイズに応じて 4 つのクラスに分類されます。

膜の細孔の形状は製造プロセスに大きく依存し、特定することが難しい場合が多いため、特性評価のために試験濾過が行われ、細孔径は膜を通過できなかった最小粒子の直径を指します。

阻止率はさまざまな方法で測定でき、孔サイズの間接的な測定値を提供します。1 つの可能性は、高分子 (多くの場合、デキストラン、ポリエチレングリコール、またはアルブミン) の濾過であり、もう 1 つは、ゲル浸透クロマトグラフィーによるカットオフの測定です。これらの方法は、主に限外濾過用途の膜を測定するために使用されます。別のテスト方法は、定義されたサイズの粒子を濾過し、粒子サイズ測定器またはレーザー誘起ブレークダウン分光法(LIBS) で測定することです。鮮明な特性評価は、デキストラン ブルーまたは他の色の分子の阻止率を測定することです。バクテリオファージと細菌の保持、いわゆる「細菌チャレンジ テスト」によっても、孔サイズに関する情報が得られます。

孔径を決定するために、ポロシメーター（水銀、液液ポロシメーター、バブルポイントテスト）などの物理的方法も使用されますが、孔の特定の形状（円筒形または連結された球形の穴など）が想定されます。このような方法は、孔の形状が理想と一致しない膜に使用され、膜の特性を示す「公称」孔径が得られますが、必ずしも実際の濾過動作と選択性を反映するものではありません。

選択性は、分離プロセス、膜の組成、電気化学特性、および孔径に大きく依存します。選択性が高いと、原子力工学において同位体を濃縮（ウラン濃縮）したり、窒素などの産業ガスを回収（ガス分離）したりできます。理想的には、適切な膜を使用すればラセミ体でも濃縮できます。

膜を選択する際は、高い透過性よりも選択性が優先されます。これは、モジュラー構造でフィルター表面を増やすことで、低流量を簡単に補えるためです。気相ろ過では、さまざまな堆積メカニズムが機能するため、膜の細孔サイズよりも小さい粒子も保持できます。

バイオメンブレンは、合成膜と天然膜の2つのカテゴリーに分類されます。合成膜はさらに有機膜と無機膜に分類されます。有機膜はポリマー膜にサブ分類され、無機膜はセラミックポリマーにサブ分類されます。^[14]

グリーンメンブレンまたはバイオメンブレン合成は、非常に包括的なパフォーマンスを備えた保護された環境への解決策です。バイオマスは、セルロースベースのバイオマスであるココナッツ殻、ヘーゼルナッツ殻、クルミ殻、トウモロコシの茎などの農業廃棄物を使用するなど、活性炭ナノ粒子の形で使用されます。 ^{[4]これにより、表面の}親水性が向上し、細孔サイズが大きくなり、表面粗さが増して低くなるため、膜の分離性能と防汚性能も同時に向上します。^[15]

バイオマスベースの膜は、植物繊維などの有機材料から作られた膜です。^{[4]これらの膜は、}水ろ過や廃水処理の用途でよく使用されます。純粋なバイオマスベースの膜の製造は、多くのステップを含む複雑なプロセスです。最初のステップは、有機材料のスラリーを作成することです。次に、このスラリーをガラスや金属板などの基板にキャストします。^[16]次に、キャストを乾燥させ、得られた膜に化学処理や熱処理などのいくつかの処理を施して、その特性を改善します。バイオマスベースの膜の製造における課題の1つは、必要な特性を持つ膜を作成することです。^[17]

膜合成手順で使用される機器のリスト:

• 遠心
• 鋳造機
• 平面鋳造ガラス
• マグネティックスターラー
• ガラス製品：ビーカー、メスシリンダー、フラスコなど
• オーブン
• 乳鉢と乳棒

膜の鋳造と合成後、細孔サイズ、官能基、濡れ性、表面電荷などの膜パラメータに関する詳細を知るために、準備された膜を特性評価する必要があります。環境汚染の原因となる粒子状汚染物質を除去して処理できるように、膜の特性を知ることが重要です。^[18]特性評価には、以下のさまざまな機器が使用されます。

• 走査型電子顕微鏡（SEM）
• 透過型電子顕微鏡（TEM）
• フーリエ変換赤外分光法(FTIR)
• 原子間力顕微鏡
• 接触角計
• ゼータ電位（流動電位）
• X線回折（XRD）
• 液液置換ポロシメトリー（LLDP）

水処理とは、水質を改善して特定の最終用途に適したものにするプロセスのことです。 膜は、サイズ排除または電荷分離のいずれかによって水から粒子を除去するために使用できます。^[19]サイズ排除では、膜の細孔は、細孔よりも小さい粒子のみが通過できるサイズになっています。膜の細孔は、水分子のみが通過し、溶解した汚染物質が残るサイズになっています。^[20]

二酸化炭素（CO2）、窒素酸化物（NO）など_のガス分離における膜の利用
_x）、  硫黄酸化物（SO
_x）、有害ガスを除去して環境を保護することができます。^[21] バイオマス膜のガス分離は市販の膜よりも効果的です。^[22]

血液透析における膜応用は、半透膜を使用して血液から老廃物や余分な水分を除去するプロセスです。 ^[23]

ウィキメディア・コモンズには、膜技術に関連するメディアがあります。

• 粒子の沈着
• 合成膜

• 長田 勇、中川 孝文、膜科学と技術、ニューヨーク：Marcel Dekker, Inc、1992年。
• Zeman, Leos J.、Zydney, Andrew L.、「精密濾過および限外濾過、原理と応用」、ニューヨーク：Marcel Dekker、Inc、1996 年。
• Mulder M.,膜技術の基本原理、Kluwer Academic Publishers、オランダ、1996年。
• Jornitz, Maik W.,無菌濾過、Springer、ドイツ、2006
• Van Reis R.、Zydney A.バイオプロセス膜技術 J Mem Sci . 297(2007): 16-50.
• Templin T.、Johnston D.、Singh V.、Tumbleson ME、Belyea RL Rausch KD トウモロコシ加工ストリームからの固形物の膜分離。Biores Tech . 97(2006): 1536-1545。
• Ripperger S.、Schulz G. バイオテクノロジー用途における微多孔膜。Bioprocess Eng . 1(1986): 43-49。
• Thomas Melin、Robert Rautenbach、Membranverfahren、Springer、ドイツ、2007、ISBN 3-540-00071-2。 
• Munir Cheryan、Handbuch Ultrafiltration、Behr、1990、ISBN 3-925673-87-3。 
• Eberhard Staude、膜と膜プロゼッセ、VCH、1992、ISBN 3-527-28041-3。