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逆浸透（RO）は、半透膜を用いて水分子を他の物質から分離する浄水プロセスです。ROは、均一な分布を促す浸透圧に打ち勝つために圧力を加えます。ROは、溶解または懸濁した化学物質や生物学的物質（主に細菌）を除去することができ、工業プロセスや飲料水の製造に利用されています。パキスタンのような発展途上国では、地下水汚染を克服し、基準を満たすプロセス用水を確保するために、繊維、製薬、製造業など幅広い分野で工業用逆浸透プラントが広く採用されています。
ROは溶質を膜の加圧側に保持し、精製された溶媒は反対側に通過します。通過する分子は、さまざまな分子の相対的な大きさによって決まります。「選択的」膜は大きな分子を遮断し、小さな分子（例えば、溶媒分子、水など）を受け入れます。[ 1 ]
逆浸透は、海水から飲料水を浄化し、水分子から塩分やその他の排水物質を除去する用途で最もよく知られています。 [ 2 ] 2013年時点で、世界最大のRO海水淡水化プラントはイスラエルのソレクにあり、 1日あたり62万4千立方メートル（1日あたり1億6500万米ガロン）を生産していました。[ 3 ]個人用のROシステムは、水道水や前処理済みの井戸水を浄化するためにも利用できます。[ 4 ]
半透膜を介した浸透のプロセスは、1748 年にジャン＝アントワーヌ・ノレによって初めて観察されました。その後 200 年間、浸透は実験室の現象に過ぎませんでした。1950 年に、カリフォルニア大学ロサンゼルス校(UCLA) が初めて浸透脱塩の研究を行いました。UCLA とフロリダ大学の研究者は1950 年代半ばに海水を脱塩しましたが、流量が低すぎて商業的に実現可能ではありませんでした。[ 5 ] UCLA のシドニー・ローブとカナダ国立研究評議会(オタワ)のスリニヴァサ・ソウリラジャン[ 6 ]は、非常に多孔質でかなり厚い基材領域の上に、実質的に薄い「スキン」層が支持された非対称膜を作る技術を発見しました。Filmtec社のジョン・カドットは、 m-フェニレンジアミンとトリメソイルクロリドの界面重合によって、特に高い流量と低い塩透過率を持つ膜を作ることができることを発見しました。カドットのこのプロセスに関する特許[ 7 ]は訴訟の対象となり、失効した。現在、市販のRO膜のほぼすべてがこの方法で作られている。2019年までに、世界中で約16,000の海水淡水化プラントが稼働し、1日あたり約9,500万立方メートル（1日あたり250億米ガロン）の水を生産していた。この生産能力の約半分は中東および北アフリカ地域にあった。[ 8 ]
1977年、フロリダ州ケープコーラルは、米国で初めてROを大規模に利用した自治体となり、当初の稼働能力は1日あたり1135 万リットル（300 万米ガロン）でした。1985年までに、急速な成長により、同市は世界最大の低圧ROプラントを運営し、1日あたり5680 万リットル（1500 万米ガロン）を生産するようになりました。[ 9 ]
順浸透では、溶媒は溶質濃度が低い領域（水ポテンシャルが高い領域）から膜を通して溶質濃度が高い領域（水ポテンシャルが低い領域）へと移動します。溶媒の移動の原動力は、膜の両側の溶媒濃度の差が小さくなることで系のギブズ自由エネルギーが減少することです。これを浸透圧と呼びます。溶媒がより濃度の高い溶液へと移動するにつれて、浸透圧は低下します。したがって、純粋な溶媒の自然な流れを逆転させるために外部から圧力を加えることが逆浸透です。このプロセスは、他の膜技術の応用例と類似しています。
ROは、流体の流れのメカニズムが逆で、溶媒が膜を通過して溶質が残るという点でろ過とは異なります。膜ろ過における主な除去メカニズムは、細孔が0.01マイクロメートル以上であるストレーナーによるろ過、またはサイズ排除であり、理論的には溶液の圧力や濃度などのパラメータに関係なく、完全な効率を達成できます。一方、ROは、非多孔質または0.001マイクロメートルの細孔を持つナノろ過を使用する膜を介した溶媒拡散を伴います。主な除去メカニズムは溶解度または拡散率の違いによるものであり、プロセスは圧力、溶質濃度、およびその他の条件に依存します。[ 10 ]
ROは淡水および汽水では2～17バール（30～250psi ）、海水では40～82バール（600～1200psi）の圧力を必要とします。海水には約27バール（390psi） [ 11 ]の自然浸透圧があり、これを克服する必要があります。エネルギー消費に関しては、海水ROシステムは通常2.9～5.5kWh/m3[12]を必要としますが、最新のシステムでは約2.3kWh/m3 [ 13 ]です。
膜の孔径は0.1～5,000 nmの範囲で変化します。粒子ろ過は1 μm以上の粒子を除去します。精密ろ過は50 nm以上の粒子を除去します。限外ろ過は約3 nm以上の粒子を除去します。ナノろ過は1 nm以上の粒子を除去します。ROは膜ろ過の最後のカテゴリーである超ろ過に属し、約0.2 nmより大きい粒子を除去します 。[ 14 ]
逆浸透は、家庭用および都市用飲料水の処理、水の再利用、工業プロセス用水の製造、食品および飲料の加工、その他溶解物質の濃度を低減した水を必要とする用途に使用されます。
ポイントオブユースROシステムは、飲料水や調理用水の処理に使用されます。システムには、RO膜の前または後に追加のフィルターが含まれる場合があります。米国疾病予防管理センター（CDC）によると、ROシステムは、寄生虫、細菌、ウイルス、鉛、銅、クロム、塩化物、ナトリウムなどの溶解性化学物質の一部を除去できます。また、ヒ素、フッ化物、ラジウム、硫酸塩、カルシウム、マグネシウム、カリウム、硝酸塩などの物質の濃度を低減することもできます。除去される汚染物質はシステムによって異なるため、個々の汚染物質低減に関する主張は、特定のユニットについて確認する必要があります。[ 15 ]
都市レベルでは、浄水場では塩水や再生水を飲料水として処理する際にROが使用されます。ROは通常、前処理や消毒も含まれる大規模な処理システムの1段階として使用されます。[ 16 ]
太陽光発電パネルで発電された電力は、RO海水淡水化システムの運転に使用できます。再生可能エネルギーを利用した海水淡水化は、特に遠隔地や電力網から切り離された場所に適していますが、断続的なエネルギー生産や水またはエネルギー貯蔵の必要性により、システム設計が複雑になる場合があります。[ 17 ]
移動式逆浸透水浄化システムは、軍事組織が野外で飲料水を生成するために使用されています。米国陸軍は、軍事作戦や人道支援および災害救援活動のために、逆浸透水浄化装置（ROWPU）を含むいくつかのタイプの移動式システムを運用しています。システムによっては、水源水として淡水、汽水、または海水が使用される場合があります。[ 18 ]
ROは、処理済みの廃水を高品質の再生水に変換する一部のシステムにおいて、高度な処理段階として使用されます。シンガポールのNEWaterプログラムはその一例です。その処理プロセスは一般的に、精密ろ過または限外ろ過、逆浸透、紫外線消毒を組み合わせたものです。得られた水は主に工業用および冷却用として使用され、一部は間接的な飲料水再利用のために貯水池に追加されます。[ 19 ]
ROの工業用途には、ボイラー給水の脱塩や低導電率プロセス水の製造などがある。[ 20 ] [ 21 ]
ROは、蒸発に必要な長時間の加熱なしに液体食品を濃縮することができ、熱に弱い成分の保存に役立ちます。用途としては、果物や野菜ジュースの濃縮、牛乳やホエイの予備濃縮、ブドウ果汁の改良、ワインのアルコール度数の低減などがあります。[ 22 ]
商業用メープルシロップ生産者は、蒸発器で煮沸する前に、メープル樹液から水分の一部を除去するために逆浸透膜（RO）を使用します。煮沸前に樹液を濃縮することで、蒸発に必要な時間とエネルギーを削減できます。[ 23 ]
ROは、従来の方法で醸造されたビールからエタノールの一部または全部を除去するために使用されるいくつかの工業的方法の1つです。これは、低アルコールビールまたは無アルコールビールを製造するための膜ベースの物理的方法に分類されます。[ 24 ]
RO脱アルコール処理中、水とエタノールはビールの多くの不揮発性成分よりも容易に膜を通過します。保持された濃縮物は、その後、目的のアルコール濃度に希釈することができます。[ 25 ]
ROは、電解水素製造用の供給水の準備における脱塩段階として使用できます。電解槽は高純度の水を必要とするため、RO透過水は通常、電解槽に供給される前に、イオン交換や電気脱イオンなどのさらなる精製が必要です。[ 26 ]
RO水は、海水水槽やリーフアクアリウムで人工海水を作るため、また蒸発によって失われた水を補充するために使用されます。RO水は溶解物質の濃度が低いため、水槽内で望ましくない成長を引き起こす可能性のあるケイ酸塩などの化合物の混入を抑えることができます。アクアリウムショップでは、ROで生成された淡水またはROで調製された海水のいずれかを販売している場合があります。[ 27 ]
プロの窓拭き業者の中には、ブラシを取り付けた伸縮式の給水ポールを通して供給される精製水を使用する者もいる。精製水は、逆浸透膜（RO）、脱イオン化、またはその両方の組み合わせによって製造される。溶解したミネラルのほとんどが除去されているため、すすぎ水は未処理の水に伴うミネラル沈着物を残さずにガラス上で乾燥させることができる。[ 28 ]
RO による処理は制限されており、高濃度 (電気伝導度で測定) での回収率が低く、膜の汚染が発生します。RO の適用範囲は、伝導度、有機物、および CaSO 4、Si、Fe、Ba などのスケール形成無機元素によって制限されます。低有機スケールには、2 つの異なる技術を使用できます。スパイラル巻き膜と、(高有機スケール、高伝導度、および高圧 (最大 90 bar) の場合) RO 膜を備えたディスク チューブ モジュールを使用できます。ディスク チューブ モジュールは、通常有機物で汚染されている埋立地浸出水の浄化用に再設計されました。 [ 29 ]クロスフローのため、フローブースター ポンプが供給され、濃縮物として放出される前に、フローを膜上で 1.5 ～ 3 回再循環します。高速は膜のスケール形成を防ぎ、膜の洗浄を可能にします。
地表水や地下水が限られている地域では、海水淡水化を選択することがある。ROはエネルギー消費量が比較的少ないため、ますます一般的な方法となっている。[ 30 ]
エネルギー消費量は約3 kWh/m 3 (11,000 J/L)であり、より効率的なエネルギー回収装置と改良された膜材料の開発により、さらに増加しています。国際海水淡水化協会によると、2011 年には、設置された海水淡水化容量の 66% (0.0445 / 0.0674 km 3 /日)で RO が使用され、ほぼすべての新規プラントで使用されています。[ 31 ]他のプラントでは、多重効用蒸留や多段フラッシュなどの熱蒸留法が使用されています。
海水逆浸透（SWRO）による海水淡水化には約3 kWh/m³のエネルギーが必要であり、廃水の逆浸透処理など他の給水方法に必要なエネルギー（0.1～1 kWh/m³）よりもはるかに高い。投入した海水の最大50%を淡水として回収できるが、回収率を低く抑えることで膜の汚染やエネルギー消費量を削減できる可能性がある。
汽水逆浸透（BWRO）は、海水よりも塩分濃度が低い水（通常は河口や塩水井戸から採取）の脱塩です。このプロセスは基本的にSWROと同じですが、より低い圧力とより少ないエネルギーを必要とします。[ 1 ]供給水の塩分濃度にもよりますが、供給水の最大80%を淡水として回収できます。
イスラエルのアシュケロン海水淡水化プラントは世界最大である。[ 32 ] [ 33 ] [ 34 ]
一般的なシングルパスSWROシステムは、以下の要素で構成されます。
ナノろ過膜はらせん状に巻かれた構造をしているため、前処理が重要です。この膜は一方向の流れを可能にするように設計されています。そのため、水による逆パルスや空気攪拌によって表面を洗浄し、蓄積した固形物を除去することができません。膜表面から物質を除去できないため、ファウリング（生産能力の低下）が発生しやすくなります。したがって、ROシステムやナノろ過システムでは、前処理が不可欠です。前処理には主に4つの要素があります。
高圧ポンプは膜を通して水を押し出します。汽水の場合、一般的な圧力は1.6～2.6MPa（225～376psi）です。海水の場合は、5.5～8MPa（800～1,180psi）になります。これには相当なエネルギーが必要です。エネルギー回収装置を使用する場合、高圧ポンプの作業の一部はエネルギー回収装置によって行われるため、エネルギー投入量が削減されます。
膜アセンブリは、供給水を押し付けるための膜を備えた圧力容器で構成されています。膜は、その圧力に耐えられるだけの強度が必要です。RO膜は様々な構造で製造されていますが、最も一般的なのはスパイラル型と中空糸型の2種類です。
膜に送り込まれた水のうち、膜を通過するのは一部のみです。残った「濃縮液」は膜の塩水側を流れ、塩分やその他の残留物を洗い流します。脱塩された水の割合は「回収率」と呼ばれます。これは塩分濃度やシステム設計パラメータによって異なり、一般的には小規模海水システムでは20%、大規模海水システムでは40～50%、汽水では80～85%です。濃縮液の流量は通常、供給圧力より3バール/50psi低いため、投入エネルギーの大部分が保持されます。
脱塩水の純度は、供給水の塩分濃度、膜の選択、および回収率によって決まります。より高い純度を実現するには、2回目の処理を追加できますが、通常はポンプの運転サイクルがもう1回必要になります。総溶解固形物として表される純度は、海水供給の場合、通常100～400ppm（百万分率、mg/リットル）の範囲です。飲料水の基準値は一般的に500ppmですが、米国食品医薬品局（FDA）は、 250ppm以上の固形物を含む水をミネラルウォーターと定義しています。
エネルギー回収により、エネルギー消費量を50%以上削減できる。投入エネルギーの大部分は濃縮液の流れから回収でき、エネルギー回収装置の効率向上によりエネルギー必要量が大幅に削減される。発明順に、使用される装置は以下のとおりである。
脱塩された水は、下流のパイプラインや貯蔵施設を保護するために安定化され、通常はコンクリートライニングされた表面の腐食を防ぐために石灰または苛性ソーダが添加されます。石灰材料は、主に効果的な消毒と腐食防止のために、飲料水の規格を満たすようにpHを6.8～8.1に調整するために使用されます。脱塩によって水から除去されたミネラルを補充するために再ミネラル化が必要になる場合がありますが、このプロセスは、一般的な淡水に含まれるような人間や植物のミネラル需要を満たすには、費用がかかり不便であることがわかっています。たとえば、イスラエルの国営水道会社の水には通常、20～25mg /リットルの溶解マグネシウムが含まれていますが、アシュケロン浄水場の水にはマグネシウムが含まれていません。アシュケロンの水は、トマト、バジル、花などの作物にマグネシウム欠乏症の症状を引き起こし、肥料で対処する必要がありました。イスラエルの飲料水基準では、カルシウムの最低濃度は20mg /リットルです。アスケロンの脱塩後の処理では、硫酸を用いて方解石（石灰岩）を溶解させ、カルシウム濃度を40～46mg /リットルに抑えている。これは、一般的なイスラエルの淡水に含まれる45～60mg /リットルよりも低い値である。
処理後の消毒は、膜の損傷や下流の問題に対する二次的な保護を提供します。紫外線（UV）ランプ（殺菌または殺菌とも呼ばれる）による消毒は、ROプロセスを回避する病原体を滅菌するために使用できます。塩素処理またはクロラミン処理（塩素とアンモニア）は、下流の配水システムに付着している可能性のある病原体から保護します。[ 41 ]
大規模な産業用・都市用システムでは、必要な高圧を発生させることができるため、通常、供給水の75%から80%、場合によっては90%もの水を回収できる。
家庭用RO浄水器は背圧が低いため、大量の水を使用します。家庭用RO浄水器は通常、使用可能な水1リットルと廃水3～25リットルを生成します。[ 42 ]残りは通常、排水溝に排出されます。廃水には除去された汚染物質が含まれているため、家庭用システムではこの水を回収することは現実的ではありません。廃水は通常、家の排水溝に送られます。1日に20リットル（5.3米ガロン）の処理水を供給するROユニットは、50～80リットル（13～21米ガロン）の廃水も排出します。このため、インドの国家環境裁判所は、水中の総溶解固形物（TDS）が500mg /リットル未満の地域ではRO浄水システムを禁止することを提案しました。デリーでは、家庭用RO装置の大規模な使用により、すでに水不足に悩まされているインドの首都圏の総水需要が増加しています。[ 43 ]
ROは有害な汚染物質と望ましいミネラルの両方を除去します。カルシウムとマグネシウムの少ない水の摂取と長期的な健康への影響との間に何らかの関係があると報告している研究もありますが、これらの研究の質は低いものです。[ 44 ]
目的とする製品に応じて、ROの溶媒または溶質の流れのいずれかが廃棄物となります。食品濃縮用途では、濃縮された溶質の流れが製品であり、溶媒の流れは廃棄物です。水処理用途では、溶媒の流れは精製水であり、溶質の流れは濃縮された廃棄物です。[ 45 ]食品加工からの溶媒廃液の流れは再生水として使用できますが、濃縮された廃溶質の流れの処分方法の選択肢は少なくなる可能性があります。船舶は海洋投棄を使用する可能性があり、沿岸の海水淡水化プラントは通常、海洋放流口を使用します。内陸のROプラントは、地下水や地表流出水の汚染を避けるために蒸発池または注入井戸が必要になる場合があります。[ 46 ]
現在使用されているRO膜である薄膜複合（TFC）ポリアミド膜は、透過性を向上させる方法を見つけるために研究されています。新しい画像化手法により、研究者は膜の3Dモデルを作成し、水がどのように膜を通過するかを調べることができました。彼らは、流量の低い領域があるTFC膜では水の透過性が大幅に低下することを発見しました。[ 47 ]膜の均一性を確保し、水が減速せずに連続的に流れるようにすることで、膜の透過性を30～40%向上させることができます。[ 48 ]
研究では、貴重な脱イオン製品の回収率を向上させたり、濃縮液の量を削減したりするために、逆浸透膜（RO）と電気透析を統合することが検討されてきた。
もう一つのアプローチは、低圧高回収多段逆浸透（LPHR）です。これは、比較的低圧で比較的多孔質の膜を通して出力を繰り返し循環させることで、濃縮塩水と淡水を生成します。各サイクルで不純物がさらに除去されます。出力が比較的純粋になったら、通常の圧力で従来の逆浸透膜に通してろ過工程を完了します。LPHRは経済的に実現可能であることが分かり、58～65 barの開放圧力で70%以上の回収率を達成し、総溶解固形物（TDS）濃度が35,000 ppmの海水から350 ppm以下に除去できます。
カーボンナノチューブは、RO膜の透過性と選択性の間の典型的なトレードオフを解決する可能性を秘めている。CNTは、機械的強度、電子親和性、および改質時の柔軟性など、多くの理想的な特性を備えている。科学者は、カーボンナノチューブを再構築し、他の化学化合物でコーティングまたは含浸させることにより、これらの膜を最も望ましい特性すべてを備えたものにすることができる。CNT膜に期待されているのは、高い水透過性と、水から除去される中性溶質の量を減らすこととの組み合わせを見つけることである。これにより、エネルギーコストと、膜による浄化後の再鉱化コストを削減することができる。[ 49 ]
グラフェン膜は、その薄さを利用して効率を高めることを目的としています。グラフェンは炭素原子の単層であるため、既存の膜よりも約1000倍薄くなっています。グラフェン膜の 厚さは約100 nmですが、現在の膜は約100 μmです。多くの研究者は、グラフェンの耐久性と、それがRO圧力に耐えられるかどうかを懸念していました。新しい研究によると、基材（ろ過を行わず、構造的なサポートのみを提供する支持層）によっては、グラフェン膜は57MPaの圧力に耐えることができ、これは海水ROの一般的な圧力の約10倍です。[ 50 ]
バッチ式逆浸透膜（RO）は、エネルギー効率の向上、機器の耐久性の向上、およびより高い塩分濃度許容範囲を提供する可能性がある。
従来のアプローチでは、分子は個々に膜を通過するとされていた。研究チームは「溶解摩擦」理論を考案し、分子は一時的な孔を通ってグループで通過すると主張した。そのプロセスを特徴づけることで、膜の開発に役立つ可能性がある。受け入れられている理論は、個々の水分子が膜を拡散するというもので、「溶解拡散」モデルと呼ばれている。[ 51 ]