Gourt Home::Gourt :: 逆浸透膜
逆浸透膜（ぎゃくしんとうまく）とはろ過膜の一種で、水を通しイオンや塩類など水以外の不純物は透過しない性質を持つ膜のこと。広い意味で半透膜もこれに含まれる。英語ではReverse Osmosis Membraneといい、その頭文字をとってRO膜とも呼ばれる。
（「逆浸透フィルター」と呼ばれることがあるが、科学用語としては誤りである（フィルターの項を参照）。）
原理
逆浸透膜の孔の大きさは水の分子（１個が差し渡し0.38nm、1nmは1mmの百万分の一）より数倍以上大きく、ナトリウムイオンなどはそのままでは通り抜けてしまう大きさである。にもかかわらずナトリウムイオンを阻止できるのは、孔の中の膜素材の分子に水分子が水素結合することで、実質的な孔の直径を更に小さくすると共に水以外の分子やイオンを電気的に排除していることが寄与している。更にクロマトグラフィーのように膜の内部で水分子と不純物との拡散速度の差により分離が行われている点も無視できず、実際のろ過はこれらの働きが複雑に絡み合って行われていると考えられる。
逆浸透膜（または半透膜）で塩類濃度の高い水と低い水を仕切ると、その浸透圧の差によって濃度の低い側から高い側にへ水がひとりでに抜けてゆくが、逆に濃度の高い側に外から浸透圧の差を超える圧力をかけると、濃度の高い側からから低い側に水分子だけが抜けてゆく。この現象を逆浸透といい、「逆浸透膜」の名はここから来ている。上述のように逆浸透膜のろ過が単純な物理的阻止だけでは説明できないために原理について複雑な解説がなされることが多いが、要は「ろ過するのに浸透圧以上の圧力をかける必要があるので逆浸透膜と呼ぶ」というように理解すればよい。
尚、ウィルスで現在最も小さいとされるピコルナウィルスやバルボウィルスでも大きさは約20nmであり、逆浸透膜の孔より確実に一桁は大きいため、逆浸透膜は破損がない限り水から全ての病原菌やウィルスを除去できるものと考えてよい。
使い方
逆浸透膜では、膜を通過しなかった塩類を連続的に排出しないと、加圧側の塩類濃度が限りなく上昇し浸透圧が高まってろ過できなくなるため、通常のフィルターのように加えた水の全量をろ過して取り出すことはできない。また、この排出する水にある程度の流速を持たせて膜の表面に沿って流し続けること（クロスフローと呼ぶ）で、不純物の膜への付着を減らすこともできる。このため、逆浸透膜からは必ず常に、塩類や不純物が濃縮された水（濃縮水と呼ぶ）が連続的に排出される。
逆浸透膜は原液の塩類濃度が高いほど、ろ過された水の塩類濃度を低くしようとするほど、そして濃縮水を減らそうとするほど、膜の厚さを増したり複数の膜を連続して通すなどして高い圧力をかけてろ過する必要がある。例えば、平均的な塩分3.5%の海水から日本の飲料水基準に適合する塩分0.01%の淡水を、水の回収率40%(残りの60%は濃縮水として捨てるという意味）にて得る場合、2005年現在の最低水準で55気圧程度が必要である。また家庭用浄水器の場合でも、水の回収率や水温、水質によって大きく異なるが最低でも10気圧程度は必要で、水道の水圧だけでは不足であるため、ポンプで加圧してやる必要がある。
逆浸透膜の透過水量は水温が下がるほど減り、同じ水量を得るのに必要な圧力が高まる。このため海水淡水化装置や家庭用浄水器などでは夏と冬で採水量が変わる。しかし水温が上がるほど塩類の阻止率が低下するため、あまり水温を上げ過ぎるのも良くない。
一方、果汁や乳製品、化学薬品などの濃縮に使う場合は、目的物が濃くなるほど浸透圧が上がってろ過水が少なくなってゆくため、処理は1回に処理する量を貯めておいて目的の濃度になるまで膜との間を循環させながらろ過水を排出してゆく方が膜の利用効率がよい。これを回分処理またはバッチ処理と呼ぶ。
歴史と用途
1950年からアメリカの内務省が、将来の水不足の解消のため海水淡水化の研究開発に多額の国家予算を計上（最初の5年間で250万ドル、当時の為替ﾚｰﾄで約9億円と言われる）し、これを受けて1953年、コロラド大学のレイドとブレトンが、酢酸セルロース膜による逆浸透膜法の可能性を示した。その後1960年に、カリフォルニア大学のシドニー・ロブとソーリラジャンによって初めて、酢酸セルロース膜による海水淡水化が実用化された。
日本では1970年代に、東レ、東洋紡、日東電工などのメーカーがアメリカから技術導入を行って開発に取り組んだが、海水淡水化の分野では欧米に対して出遅れたため、1980年から財団法人造水促進センターが中心となって、それまで無かった逆浸透膜の一段処理を実用化し、世界の主導権を握るに至った。一方でこの頃から、逆浸透膜の用途がより付加価値の高い浄水処理（水道水を造ること）、工業用の純水や超純水の製造、下水の再利用、果汁や乳製品、化学薬品の濃縮などに広がると共に、海水淡水化用の膜は価格競争時代に入っていった。
2005年現在、海水淡水化用の逆浸透膜の国別シェアでは日本が世界のトップを占めているとみられ、性能面で改良が進んだにも関わらず、海水淡水化用の膜の面積あたり価格は1980年代の10分の1以下に下がっている。一方、浄水処理には日本国内での約200件をはじめとして全世界で使われており、また半導体や液晶ディスプレイなど電子部品の製造に使う超純水や、下水の再利用にとっても逆浸透膜は欠かせないものになっている。更に、水道水の水質が必ずしも良好でないアメリカで、1990年代から家庭用浄水器にも使われ始め、これが2004年頃から日本にも輸入されるようになってきた。
種類
膜の構造は高い圧力に耐えるよう改良が進められ、現在では以下の何れかとなっている。
- 中空糸膜（ちゅうくうしまく） - 直径3～7mm程度の太さで中が空胴の糸状に成型し、通常は糸の外側から内側へろ過する（逆のタイプもある）。
- スパイラル膜 - 1枚のろ過膜を、強度を保つための網など（サポートと呼ぶ）と重ね合わせ、2つ折りにして袋状に接着した後、縦一直線に切れ目を入れた集水管で袋の口を挟み、これを芯にしてロールケーキ状に巻く。ロールケーキの断面方向から加圧し、反対側の断面から濃縮水を、集水管から透過水を得る。
- チューブラー膜 - 中空円筒状で中空糸膜より太いもの。直径は最大数センチのものまである。濃縮水の流速を高くでき不純物の膜表面への付着を防ぎやすい反面、これが仇ともなってエネルギーコストが高くなる上、設置面積が大きくなる。
また、膜の材質は主に以下の4種類が使われる。
- 酢酸セルロース - 最初に逆浸透膜用に開発された素材で、主に海水淡水化に使われている。不純物、特に微生物や有機物の膜への付着を防ぐために、ごく少量の次亜塩素酸などの薬品を流しながら使うのが一般的であるが､次亜塩素酸は膜を殆ど通過しないため、透過水には出てこない｡
- 芳香族ポリアミド - 1970年代に実用化された。膜の操作圧（膜の透過側と給水側との圧力差から、浸透圧を差し引いたもの）が低い、塩類の阻止率が高い、膜からの不純物の溶け出しが少ない、などの特長を持つ反面、次亜塩素酸（日本の水道水には必ず含まれる）などの薬品や不純物の付着に弱いため、これらを予め除去しておくための念入りな前処理が欠かせない。浄水処理や工業用の純水・超純水の製造には不可欠な素材であるが、最近では操作圧の低さによるエネルギーコストの低減を狙って、海水淡水化や家庭用浄水器にも使われるケースが増えている。
- ポリビニルアルコール - 芳香族ポリアミドを不純物の付着に強くするための複合材として用いられる。
- ポリスルホン - 比較的堅牢だが塩類の阻止率が低いため、果汁や乳製品・化学薬品などの濃縮処理、および家庭用浄水器に使われたり、最近では孔を大きくして芳香族ポリアミドの膜サポート（重ね合わせて強度を増すための素材）や複合材としても多用されている。
関連項目
Umkehrosmose | Reverse osmosis | Osmose inverse | Reverse Osmosis | Osmosi inversa | Omgekeerde osmose | Osmose inversa | Thẩm thấu ngược | 逆滲透
"逆浸透膜"