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人工膜、または合成膜は、通常、実験室または産業における分離目的のために人工的に作られた膜です。合成膜は、20 世紀半ば以降、小規模から大規模な産業プロセスで成功裏に使用されてきました。[ 1 ]多種多様な合成膜が知られています。[ 2 ]これらは、ポリマーや液体などの有機材料、および無機材料から製造できます。産業で商業的に使用されている合成膜のほとんどは、ポリマー構造でできています。これらは、表面化学、バルク構造、形態、および製造方法に基づいて分類できます。合成膜と分離粒子の化学的および物理的特性、ならびに分離駆動力によって、特定の膜分離プロセスが定義されます。産業における膜プロセスの最も一般的な駆動力は、圧力と濃度勾配です。したがって、対応する膜プロセスはろ過として知られています。分離プロセスで使用される合成膜は、さまざまな形状と流れ構成を持つことができます。また、用途と分離モードに基づいて分類することもできます。[ 2 ]最もよく知られている合成膜分離プロセスには、水の浄化、逆浸透、天然ガスの脱水素、精密ろ過および限外ろ過による細胞粒子の除去、乳製品からの微生物の除去、透析などがあります。
合成膜は、さまざまな材料から製造できます。金属、セラミック、均質フィルム、ポリマー、不均質固体（ポリマー混合物、混合ガラス）、液体などの固体を含む有機または無機材料から作ることができます。[ 3 ]セラミック膜は、酸化アルミニウム、炭化ケイ素、酸化ジルコニウムなどの無機材料から製造されます。セラミック膜は、腐食性媒体（酸、強溶剤）の作用に対して非常に耐性があります。化学的、熱的、機械的に非常に安定しており、生物学的に不活性です。セラミック膜は重量が大きく、製造コストも高いですが、環境に優しく、長寿命です。セラミック膜は一般的に、管状毛細管のモノリシック形状で作られます。[ 3 ]
液体膜とは、非剛性材料で作られた合成膜を指します。産業界では、エマルジョン液体膜、固定化（支持）液体膜[ 4 ] 、支持溶融塩膜[ 5 ]、中空糸含有液体膜[ 3 ]など、いくつかの種類の液体膜が見られます。液体膜は広範囲に研究されてきましたが、これまでのところ商業用途は限られています。膜液は蒸発したり、接触している相に溶解したり、膜支持体から漏れ出したりする傾向があるため、十分な長期安定性を維持することが重要な問題となっています。
ポリマー膜は、性能と経済性において非常に競争力があるため、膜分離産業市場をリードしています。[ 3 ]多くのポリマーが利用可能ですが、膜ポリマーの選択は簡単な作業ではありません。ポリマーは、意図する用途に適した特性を備えている必要があります。[ 6 ]ポリマーは、分離される分子に対して低い結合親和性を提供する必要がある場合があり（バイオテクノロジー用途の場合など）、過酷な洗浄条件に耐える必要があります。選択した膜製造技術と互換性がある必要があります。[ 6 ]ポリマーは、鎖の剛性、鎖間相互作用、立体規則性、および官能基の極性の観点から、適切な膜形成剤である必要があります。 [ 6 ]ポリマーは、非晶質構造と半結晶構造の範囲をとることができ（ガラス転移温度も異なる場合があります）、膜の性能特性に影響を与えます。ポリマーは、膜分離プロセスの低コスト基準を満たすために、入手しやすく、妥当な価格である必要があります。多くの膜ポリマーは、特性を向上させるために、グラフト化、カスタム修飾、または共重合体として製造されます。 [ 6 ]膜合成で最も一般的なポリマーは、酢酸セルロース、ニトロセルロース、セルロースエステル（CA、CN、CE）、ポリスルホン（PS）、ポリエーテルスルホン（PES）、ポリアクリロニトリル（PAN）、ポリアミド、ポリイミド、ポリエチレン、ポリプロピレン（PE、PP）、ポリテトラフルオロエチレン（ PTFE）、ポリフッ化ビニリデン（PVDF）、ポリ塩化ビニル（PVC）です。
ポリマー膜は、スルホン酸や第四級アンモニウムなどの高酸性または高塩基性の官能基を付加することにより、イオン交換膜に機能化することができ、膜は水チャネルを形成し、それぞれカチオンまたはアニオンを選択的に輸送することができる。このカテゴリーで最も重要な機能性材料には、プロトン交換膜とアルカリ性アニオン交換膜があり、これらは水処理、エネルギー貯蔵、エネルギー生成における多くの技術の中核をなしている。水処理における用途には、逆浸透、電気透析、逆電気透析などがある。エネルギー貯蔵における用途には、充電式金属空気電気化学セルや各種フロー電池などがある。エネルギー生成における用途には、プロトン交換膜燃料電池（PEMFC）、アルカリ性アニオン交換膜燃料電池（AEMFC）、浸透圧式および電気透析式の浸透圧発電またはブルーエネルギー生成などがある。
セラミック膜は、無機材料（アルミナ、チタニア、ジルコニア酸化物、再結晶炭化ケイ素、または一部のガラス状材料など）から作られています。ポリマー膜とは異なり、腐食性の高い媒体（酸、強溶剤）が存在する分離プロセスにも使用できます。また、優れた熱安定性を備えているため、高温での膜分離操作にも適しています。
合成膜の重要な特性の 1 つは、その化学的性質です。合成膜の化学的性質とは、通常、分離プロセスの流れと接触する表面の化学的性質と組成を指します。[ 6 ]膜の表面の化学的性質は、そのバルク組成とは大きく異なる場合があります。この違いは、膜の製造のある段階での材料の分配、または意図的な表面形成後修飾によって生じる可能性があります。膜の表面化学は、親水性または疎水性(表面自由エネルギーに関連)、イオン電荷の存在、膜の化学的または熱的耐性、溶液中の粒子に対する結合親和性、および生体適合性(生体分離の場合) など、非常に重要な特性を生み出します。[ 6 ]膜表面の親水性と疎水性は、水 (液体)接触角θ で表すことができます。親水性膜表面の接触角は0°<θ<90°（0°に近い）の範囲であり、疎水性材料の接触角は90°<θ<180°の範囲である。
接触角は、界面力のバランスに関するヤングの式を解くことによって決定されます。平衡状態では、固体/気体 (γ SG )、固体/液体 (γ SL )、および液体/気体 (γ LG ) 界面に対応する 3 つの界面張力が釣り合っています。[ 6 ]接触角の大きさの結果は濡れ現象として知られており、毛細管(細孔) 侵入挙動を特徴付ける上で重要です。膜表面の濡れの程度は接触角によって決定されます。接触角が小さい表面は濡れ特性が優れています (θ=0° - 完全濡れ)。場合によっては、非濡れ膜表面の濡れを促進するために、アルコールや界面活性剤溶液などの低表面張力液体が使用されます。 [ 6 ] 膜表面自由エネルギー(および関連する親水性/疎水性) は、膜粒子の吸着または汚染現象に影響を与えます。ほとんどの膜分離プロセス (特にバイオ分離) では、表面の親水性が高いほど汚染が低くなります。[ 6 ]合成膜の汚染は膜の性能を低下させます。そのため、さまざまな膜洗浄技術が開発されてきました。汚染は不可逆的な場合もあり、膜を交換する必要があります。膜表面化学のもう 1 つの特徴は表面電荷です。電荷の存在は膜と液体の界面の特性を変化させます。膜表面には電気動電位が発生し、電荷を中和する傾向のある溶液粒子の層の形成を誘発する可能性があります。
合成膜は、その構造（形態）に基づいて分類することもできます。分離産業では、緻密膜、多孔質膜、非対称膜の3種類の合成膜が一般的に使用されています。緻密膜と多孔質膜は、分離される分子のサイズによって区別されます。緻密膜は通常、小さな分子（通常は気相または液相）の分離プロセスで使用される、緻密な材料の薄い層です。緻密膜は、ガス分離や逆浸透などの用途で産業界において広く使用されています。
緻密膜は、非晶質または不均一な構造として合成できます。ポリテトラフルオロエチレンやセルロースエステルなどの高分子緻密膜は、通常、圧縮成形、溶媒キャスト、およびポリマー溶液のスプレーによって製造されます。緻密膜の膜構造は、ガラス転移温度に応じて、特定の温度でゴム状またはガラス状になります。[ 2 ]多孔質膜は、固体コロイド粒子、大きな生体分子（タンパク質、DNA、RNA ）、細胞などの大きな分子をろ過媒体から分離することを目的としています。多孔質膜は、精密ろ過、限外ろ過、透析の用途で使用されています。「膜の細孔」の定義には議論があります。最も一般的に使用されている理論は、単純化のために円筒形の細孔を想定しています。このモデルは、細孔が平行で交差しない円筒形の毛細管の形状をしていると想定しています。しかし実際には、典型的な細孔は、さまざまなサイズの不均一な形状の構造のランダムなネットワークです。ポリマー溶液中で「より良い」溶媒が「より貧弱な」溶媒に溶解すると、細孔の形成が誘発されることがある。 [ 2 ]結晶構造ポリマー を延伸すると、他のタイプの細孔構造が生成されることがある。多孔質膜の構造は、相互作用するポリマーと溶媒の特性、成分濃度、分子量、温度、および溶液中での保存時間に関係している。[ 2 ]厚い多孔質膜は、薄い緻密膜層を支持し、非対称膜構造を形成することがある。後者は通常、緻密膜と多孔質膜の積層 によって生成される。