半透膜

半透膜は、合成または生物由来の高分子膜の一種で、浸透圧によって特定の分子またはイオンを通過させます。通過速度は、膜の両側にある分子または溶質の圧力、濃度、温度、および各溶質に対する膜の透過性に依存します。膜と溶質に応じて、透過性は溶質のサイズ、溶解度、特性、または化学的性質に依存します。膜が透過性を選択的にするようにどのように構築されるかによって、速度と透過性が決まります。かなり厚い多くの天然および合成材料も半透性です。その一例は、卵の内側の薄いフィルムです。^[1]

生体膜は選択透過性があり^[2]、分子の通過は膜に埋め込まれたタンパク質 によって調節される促進拡散、受動輸送、または能動輸送によって制御されます。

リン脂質二重層は、生物学的半透膜の一例である。これは、均一に配置されたリン脂質の平行で反対向きの2つの層からなる。各リン脂質は、1つのリン酸頭部と2つの脂肪酸尾部からなる。^{[3]すべての生物}細胞を取り囲む細胞膜は、リン脂質二重層の一例である。^[2]細胞膜はその透過性において非常に特異的であり、どの物質が細胞に出入りするかを注意深く制御する。細胞内外の水分含有量に引き付けられる（親水性）ため、リン酸頭部は細胞膜の外側と内側の表面に沿って集まり、疎水性尾部は膜の内側に隠れた層となる。コレステロール分子も細胞膜全体に存在し、膜の流動性の緩衝剤として機能している。^{[3]リン脂質二重層は、小さく電荷を帯びていない}溶質に対して最も透過性が高い。タンパク質チャネルはリン脂質に埋め込まれているか、リン脂質を貫通しており、 ^[4]総称してこのモデルは流動モザイクモデルとして知られています。アクアポリンは水を透過するタンパク質チャネルの細孔です。

シグナル分子が細胞膜の受容体に結合すると、情報は細胞膜を通過することもできます。シグナル分子が受容体に結合すると、これらのタンパク質の構造が変化します。 ^[5]タンパク質構造の変化により、シグナル伝達カスケードが開始されます。^[5] Gタンパク質共役受容体 シグナル伝達は、このようなシグナル伝達プロセスの重要なサブセットです。^[6]

脂質二重層は半透性であるため、浸透圧の影響を受けます。^[7]細胞周囲の溶質の濃度が増減すると、浸透圧によって水が細胞内外に流入して平衡状態になります。^[8]この浸透圧ストレスは、DNAやタンパク質系の機能や細胞膜の適切な構築など、細胞内の水の活性に依存する細胞機能を阻害します。 ^{[9]これにより、}浸透圧ショックや細胞死が発生する可能性があります。浸透圧調節は、細胞が浸透圧ストレスに対抗する方法であり、膜内の浸透圧感覚トランスポーターがK + ^[注1]やその他の分子の膜通過を可能にします。^[8]

人工半透膜は研究や医療分野で広く使用されています。人工脂質膜は簡単に操作でき、生物学的現象を研究するための実験に使用できます。^[10]その他の人工膜には、薬物送達、透析、バイオセパレーションに関係する膜があります。^[11]

浸透圧の差により選択透過性膜を通過する水のバルクフローは、浸透と呼ばれます。これにより、水を含む特定の粒子のみが通過し、塩やその他の汚染物質などの溶質は残ります。逆浸透のプロセスでは、溶液に高圧を加えて水を薄膜複合膜(TFC または TFM) に通すことで水が浄化されます。これらは、主に浄水システムや脱塩システムで使用するために製造された半透膜です。バッテリーや燃料電池などの化学用途にも使用されます。本質的に、TFC 素材は、2 つ以上の層状素材からフィルム状に構築された分子ふるいです。シドニー・ローブとスリニヴァサ・スリラジャンは、最初の実用的な合成半透膜を発明しました。^{[12]逆浸透膜に使用される膜は、一般的に}ポリアミドで作られており、主に水に対する透過性と、塩イオンや濾過できない他の小分子を含むさまざまな溶解不純物に対する相対的な不透過性のために選択されています。

逆浸透膜モジュールの寿命は限られているため、プロセスの性能を改善し、RO膜の寿命を延ばすための研究がいくつか行われてきました。しかし、供給水を適切に前処理しても、膜の寿命は一般的に5～7年に限られます。

現在、廃棄された RO 膜モジュールは世界中で不活性固形廃棄物として分類されており、再利用が制限されるままに埋め立て処分されることが多いです。推定によると、世界中で廃棄される膜の量は年間 12,000 トンに達しています。現在のペースでは、RO モジュールの廃棄は環境に重大な悪影響を及ぼし、その影響は増大しており、これらのモジュールの直接廃棄を制限する必要性が生じています。

淡水化工程で廃棄されたRO膜は、淡水化の強力な濾過基準を必要としない他のプロセスにリサイクルすることができ、ナノ濾過（NF）膜を必要とする用途にも使用できる。^[13]

再生プロセスの手順:

1- 化学処理

使用済み膜から汚れを除去することを目的とした化学的手順。次のようないくつかの化学薬品が使用されます。

       - 水酸化ナトリウム（アルカリ性）

      - 塩酸（酸性）

      - クエン酸やシュウ酸などのキレート剤

膜を化学薬品にさらす方法には、単純な浸漬、洗浄剤の再循環、超音波浴槽への浸漬の 3 つがあります。

2 - 酸化処理

このプロセスでは、膜を酸化剤溶液にさらして高密度芳香族ポリアミド活性層を除去し、その後多孔質膜に変換します。次亜塩素酸ナトリウムNaClO（10～12％）や過マンガン酸カリウムKMnO₄などの酸化剤が使用されます。^[14]これらの薬剤はRO膜から有機および生物学的汚染を除去します。また、膜表面を消毒して、細菌やその他の微生物の増殖を防ぎます。

次亜塩素酸ナトリウムは、浸透性と塩除去ソリューションの観点から最も効率的な酸化剤です。

透析チューブは、腎不全の場合に血液を浄化するために血液透析に使用されます。チューブは、浄化された血液を患者に戻す前に、半透膜を使用して老廃物を除去します。^[15]半透膜の孔のサイズなどの違いにより、除去される分子の速度と性質が変わります。従来はセルロース膜が使用されていましたが、患者に炎症反応を引き起こす可能性がありました。より生体適合性が高く、炎症反応が少なくなる合成膜が開発されました。^[16]しかし、生体適合性が向上したにもかかわらず、合成膜は死亡率の低下とは関連付けられていません。^[15]

その他のタイプの半透膜には、陽イオン交換膜(CEM)、陰イオン交換膜(AEM)、アルカリ陰イオン交換膜(AAEM)、および陽子交換膜(PEM) があります。

• Koros, WJ; Ma, YH; Shimidzu, T. (1996 年 1 月 1 日). 「膜および膜プロセスの用語 (IUPAC 勧告 1996)」.純粋および応用化学. 68 (7): 1479–1489. doi : 10.1351/pac199668071479 . S2CID  97076769.浸透膜、合成膜、陰イオン交換膜の定義については、このドキュメントを参照してください。
• Rozendal, RA; Sleutels, THJA; Hamelers, HVM; Buisman, CJN (2008 年 6 月)。「廃水のバイオ触媒電気分解におけるイオン交換膜の種類による性能、イオン輸送、pH への影響」。水科学技術。57 (11): 1757–1762。doi :10.2166/ wst.2008.043。PMID 18547927  。^{[一次資料以外の情報源が必要]}
• 「生理食塩水から水を分離するための高流量多孔質膜 US 3133132 A」。1964年5月12日。 2014年4月22日閲覧。^{[一次資料以外の情報源が必要]}

• European Membrane House は、 EU が資金提供した以前の欧州の膜研究者ネットワークである NanoMemPro で開発されたネットワークとパートナーシップの活動を継続するために設立された非営利の国際協会です。
• 短く非学術的な WiseGeek の記事「半透膜とは何か」