ナノ濾過

ナノ濾過は、約1〜10ナノメートル未満の粒子が膜を通過できるナノメートルサイズの細孔を使用する膜濾過プロセスです。ナノ濾過膜の細孔サイズは約1〜10ナノメートルで、精密濾過や限外濾過で使用されるものよりも小さいですが、逆浸透で使用されるものよりわずかに大きいです。使用される膜は主にポリマー薄膜です。^[1]水の軟化、消毒、不純物の除去、医薬品などの化学物質の精製または分離に使用されます。

一般的に使用される膜材料は、ポリエチレンテレフタレートなどのポリマー薄膜またはアルミニウムなどの金属です。^{[2]孔の寸法は、現像中の}pH 、温度、時間 によって制御され、孔の密度は 1 cm ²あたり 1 ～ 106 孔です。ポリエチレンテレフタレート(PET) やその他の同様の材料から作られた膜は、「トラックエッチ」膜と呼ばれ、膜の孔の作り方にちなんで名付けられています。^[3]「トラッキング」では、ポリマー薄膜に高エネルギー粒子を照射します。これにより、膜に化学的に現像される、または膜に「エッチング」されるトラック、つまり孔が形成されます。アルミナ膜などの金属から作られた膜は、酸性媒体中でアルミニウムから酸化アルミニウムの薄い層を電気化学的に成長させることによって作られます。^[要出典]

歴史的に、分子分離に使用されるナノ濾過およびその他の膜技術は、完全に水性システムに適用されていました。ナノ濾過の本来の用途は水処理、特に軟水化でした。^[4]ナノフィルターは、スケールを形成する二価イオン（Ca ²⁺、Mg ²⁺など）を保持することで水を「軟水化」します。^{[5] [6]}

ナノ濾過は、牛乳やジュースの生産、医薬品、ファインケミカル、香料・香料産業など他の産業にも拡大されている。 ^[5]

ナノ濾過を軟水化法として用いる主な利点の 1 つは、カルシウムイオンとマグネシウムイオンを保持しながら、より小さな水和一価イオンを通過させるプロセスにおいて、イオン交換装置で使用されるような余分なナトリウムイオンを加えずに濾過を行えることである。 ^[7] 多くの分離プロセスは室温では動作しないため (蒸留など)、連続加熱または冷却を適用するとプロセスのコストが大幅に増加する。穏やかな分子分離の実行はナノ濾過と関連しており、これは他の形式の分離プロセス (遠心分離) には含まれないことが多い。これらはナノ濾過に関連する主な利点の 2 つである。ナノ濾過には、大量の処理が可能で、製品の流れを連続的に生成できるという非常に有利な利点がある。それでも、ナノ濾過は膜の細孔サイズがわずか数ナノメートルに制限されているため、産業界で最も使用されていない膜濾過法である。それより小さい場合は逆浸透が使用され、それより大きい場合は限外濾過に使用される。限外濾過は、より従来的であるため、ナノ濾過を使用できる場合にも使用できる。ナノテクノロジーに関連する主な欠点は、すべての膜フィルター技術と同様に、使用する膜のコストとメンテナンスです。^[8]ナノ濾過膜はプロセスの中で高価な部分です。膜の修理と交換は、総溶解固形物、流量、および供給成分に依存します。ナノ濾過はさまざまな業界で使用されているため、交換頻度は推定値のみを使用できます。このため、ナノフィルターは、主な使用が終了する前または終了した直後に交換されます。^{[引用が必要]}

膜の工業用途では、数百から数千平方メートルの膜が必要となるため、それらをパックして設置面積を減らす効率的な方法が必要です。膜が初めて商業的に実現可能になったのは、「モジュール」に収容する低コストの方法が実現されたときです。^[9] 膜は自立型ではありません。膜の性能を妨げずにNF膜を操作するために必要な圧力に耐えることができる多孔質支持体によって支えられる必要があります。これを効果的に行うには、モジュールは膜の透過を除去するチャネルを提供し、濃度分極の現象を軽減する適切な流れ条件を提供する必要があります。優れた設計により、供給側と透過側の両方で圧力損失が最小限に抑えられ、エネルギー要件も最小限に抑えられます。^[10]

濃度分極とは、分離能力を低下させる膜表面近くに保持される種の蓄積を指します。これは、粒子が溶媒とともに膜に向かって対流されるために発生し、その大きさは、溶媒フラックスによって引き起こされるこの対流と、濃度勾配（主に拡散によって引き起こされる）による膜からの粒子の輸送とのバランスによって決まります。濃度分極は簡単に元に戻すことができますが、膜の汚れにつながる可能性があります。 ^{[10] [11]}

スパイラル巻きモジュールは最も一般的に使用されているモジュールのスタイルで、「標準化された」設計であり、O リングで接続された複数のモジュールを直列に保持できる標準圧力容器に収まるように、さまざまな標準直径 (2.5 インチ、4 インチ、8 インチ)で利用できます。モジュールは、中央のチューブの周りに平らなシートを巻き付けます。膜は、透過スペーサー上の 3 つのエッジに沿って接着され、「葉」を形成します。透過スペーサーは膜を支え、透過液を中央の透過チューブに導きます。各葉の間には、メッシュのようなフィード スペーサーが挿入されます。^{[11] [12]}スペーサーがメッシュのような寸法になっている理由は、膜の表面近くに流体力学的環境を提供し、濃度の分極を防ぐためです。葉が中央のチューブの周りに巻き付けられたら、モジュールはケーシング層で包まれ、シリンダーの端にキャップが取り付けられ、高流量および高圧力条件で発生する可能性のある「伸縮」が防止されます^[13]

管状モジュールは、膜の活性面が内側にあるチューブの束を備えたシェルアンドチューブ熱交換器に似ています。チューブを通る流れは通常乱流であるため、低濃度分極が保証されますが、エネルギーコストも増加します。チューブは自立型か、穴あき金属チューブに挿入して支えることができます。このモジュール設計は、破裂するまでに耐えられる圧力によってナノ濾過に制限があり、最大流量が制限されます。^{[9] [10]}乱流の高エネルギー運用コストと制限された破裂圧力の両方のため、管状モジュールは、Fyneプロセスで飲料水を得るために原水を濾過するなど、供給物に粒子が含まれる「汚れた」用途に適しています。膜は、「ピギング」技術によって簡単に洗浄でき、泡のボールをチューブに押し込んで固まった堆積物を洗い流します。^[14]

これらの戦略は、濃度分極と汚れの程度を減らすために機能します。利用可能な技術は多岐にわたりますが、最も一般的なのは、スパイラル巻きモジュールで説明されているように、フィードチャネルスペーサーです。すべての戦略は、渦を増やし、膜表面近くの流れに高いせん断を発生させることによって機能します。これらの戦略には、膜を振動させる、膜を回転させる、膜の上にローターディスクを置く、供給流量を脈動させる、膜の表面近くにガス泡を導入するなどがあります。^{[10] [11] [12]}

膜の自然条件下での性能は膜に保持される溶質と膜を透過する溶質の比率に基づいているため、荷電溶質と非荷電溶質の両方の保持と透過測定は性能パラメータに分類できます。 ^{[引用が必要]}

荷電した溶質の場合、膜と溶液の界面付近の塩のイオン分布は、膜の保持特性を決定する上で重要な役割を果たします。膜の電荷と濾過する溶液の組成と濃度がわかれば、さまざまな塩の分布を見つけることができます。これを膜の既知の電荷とギブス・ドナン効果と組み合わせることで、その膜の保持特性を予測することができます。^[10]

非荷電溶質は分子量カットオフ（MWCO）だけで特徴付けることはできませんが、一般的には分子量や溶質サイズの増加は保持力の増加につながります。溶質の電荷と構造、pHは保持特性に影響を与えます。^[1]

膜の形態は通常、顕微鏡で調べられます。原子間力顕微鏡(AFM) は、膜の表面粗さを特徴付けるために使用される方法の 1 つで、小さく鋭い先端 (<100 Å) を膜の表面に通し、先端の端と表面の原子の間に生じるファンデルワールス力を測定します。 ^[10]これは、表面粗さとコロイド汚染の直接的な相関関係が確立されているため便利です。また、汚染と疎水性などの他の形態パラメータの間にも相関関係があり、膜の疎水性が高いほど汚染されにくいことを示しています。詳細については、膜汚染を参照してください。 ^[要出典]

多孔質膜の多孔度を測定する方法としては、異なる蒸気圧を利用して膜内の細孔サイズと細孔サイズ分布を特徴付けるパームポロメトリー法も見つかっている。膜内の細孔はすべて最初は液体で完全に満たされているためガスの透過は起こらないが、相対蒸気圧を下げるとケルビンの式に従って細孔内に隙間ができ始める。高分子（非多孔性）膜は、凝縮性蒸気が膜内でほとんど相互作用しないため、この方法論を適用することはできない。^[10]

より大きな孔径やより小さな孔径を持つ膜とは異なり、ナノ濾過を通過する溶質の通過ははるかに複雑です。^[要出典]

孔の大きさにより、膜を通した溶質の輸送モードは 3 つあります。これには、1) 拡散 (逆浸透膜で見られるように、濃度電位勾配による分子の移動)、2) 対流 (精密濾過などの孔径の大きい濾過のように流れとともに移動)、および 3) 電気移動 (膜内および膜付近の電荷による引力または反発) が含まれます。^{[引用が必要]}

さらに、ナノ濾過における排除メカニズムは、他の濾過形式よりも複雑です。ほとんどの濾過システムは、サイズ（立体）排除のみで機能しますが、ナノ濾過に見られる小さな長さスケールでは、表面電荷と水和（溶媒和シェル）などの重要な影響があります。水和による排除は誘電排除と呼ばれ、溶液中と膜基板内の粒子の存在に関連する誘電率（エネルギー）を指します。溶液のpHは表面電荷に大きな影響を与えるため、^[15]排除を理解し、より適切に制御する方法が提供されます。

輸送と排除のメカニズムは、膜の細孔サイズ、溶媒の粘度、膜厚、溶質の拡散率、溶液の温度、溶液のpH、膜の誘電率に大きく影響されます。細孔サイズの分布も重要です。NFの排除を正確にモデル化することは非常に困難です。ネルンスト・プランク方程式を適用することで実現できますが、通常は実験データにパラメータを適合させることに大きく依存する必要があります。^[1]

一般的に、NFでは荷電した溶質は荷電していない溶質よりも効果的に排除され、SOのような多価溶質は排除されません。²⁻⁴
_...（価数2）非常に高い拒絶反応を経験する。^[要出典]

NF は通常、浄化のための複合システムの一部であることを念頭に置き、NF ユニットの設計仕様に基づいて単一のユニットが選択されます。飲料水の浄化には、さまざまな構造、化学耐性、塩除去率を持つ化学ファミリーから多くの市販の膜が存在します。^{[引用が必要]}

飲料水浄化におけるNFユニットの塩除去率は、極めて低いもの（1001A膜では5%未満）からほぼ完全なもの（8040-TS80-TSA膜では99%）までの範囲です。流量はユニットごとに25～60m3/日の範囲である^ため、商業用ろ過では大量の給水を処理するために複数のNFユニットを並列に使用しなければなりません。これらのユニットに必要な圧力は、通常4.5～7.5barです。^[10]

NF-RO システムを使用した海水淡水化の典型的なプロセスを以下に示します。^{[引用が必要]}

NF透過液は飲料水やその他の浄水処理の最終製品として使用できるほど清浄なことはほとんどないため、上に示すように逆浸透（RO）^[8]の前処理ステップとして一般的に使用されています 。

限外濾過、精密濾過、逆浸透などの他の膜ベースの分離と同様に、透過流または未透過流（用途による）の後処理は、製品の商業的流通前の工業用NF分離の必須段階です。後処理で採用される単位操作の選択と順序は、水質規制とNFシステムの設計によって異なります。一般的なNF水浄化後処理段階には、曝気と消毒および安定化が含まれます。^[要出典]

ポリ塩化ビニル（PVC）または繊維強化プラスチック（FRP）製の脱気装置は、透過流から二酸化炭素や硫化水素などの溶解ガスを除去するために使用されます。 ^[16] これは、脱気装置内の充填材を通過する水に対して逆流方向に空気を吹き込むことによって実現されます。空気は水から不要なガスを効果的に除去します。^{[引用が必要]}

NF分離からの透過水は脱塩されており、pHが大きく変化する可能性があるため、配管やその他の機器部品に腐食の大きなリスクがあります。水の安定性を高めるために、石灰や苛性ソーダなどのアルカリ溶液の化学添加が採用されています。さらに、塩素やクロロアミンなどの消毒剤が透過水に添加され、場合によってはリン酸塩やフッ化物腐食防止剤も添加されます。^[16]

ナノ濾過（NF）技術の課題には、膜の汚れを最小限に抑え、エネルギー要件を削減することが含まれます。薄膜複合膜（TFC）は、微多孔性基板上で界面重合された多数の非常に薄い選択層で構成されており、工業用膜アプリケーションで商業的に成功しています。^[17]電界紡糸ナノファイバー膜層（ENM）は、透過流束を高めます。^[18] 一般的に使用されているスパイラル巻き配置に代わるエネルギー効率の高い方法は、前処理が少なくて済む中空繊維膜です。^{[19]膜の汚れを最小限に抑えるために、} 二酸化チタンナノ粒子が使用されています。^[20]

• ナノテクノロジーの応用 – 非常に小さなスケールでの技術の利用
• ナノ材料 – 粒子サイズが1～100nmの材料
• ナノテクノロジー – 1ナノメートルに近い機能を備えたテクノロジー
• 限外濾過 – 半透膜を通した強制濾過
• 逆浸透 – 浄水プロセス

• 再生可能エネルギーを淡水化に使用するプロジェクト ETAP-ERN。(スペイン語)
• 水質を改善するナノベースの方法 - Hawk's Perch Technical Writing, LLC