逆浸透膜
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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。孔の大きさは概ね2ナノメートル以下（ナノメートルは1ミリメートルの百万分の一）で限外ろ過膜よりも小さい。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。また逆浸透膜のうち、孔の大きさが大体1～2ナノメートルでイオンや塩類などの阻止率が概ね70パーセント以下と低いものを、英語でNanofiltration Membraneと言うことからナノフィルター、または頭文字をとってNF膜と呼んで区別することがあるが、その形態や原理、使用法は逆浸透膜と同様であり、本来の意味でのフィルターとは異なるものである。以下の本項の説明は全てこのNF膜にも当てはまる。広い意味で半透膜も逆浸透膜に含まれる。
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[編集] 原理
逆浸透膜の孔の大きさは水の分子（1個が差し渡し約0.38ナノメートル）より数倍以上大きく、海水中の主要なイオンであるナトリウムイオン（1個が0.12～0.14ナノメートル、水の構成原子である酸素原子と同じ大きさ）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の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、実際の分離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れば、水分子だけが濃度の高い側からから低い側に抜ける。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分離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「水と不純物とを分離するため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。
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20ナノメートルであり、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。
[編集] 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、膜を透過した水に残る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パーセントの海水から日本の飲料水基準に適合する塩分0.01パーセントの淡水を、水の回収率40パーセント(残りの60パーセント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5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膜を透過する水が少なくなってゆくため、処理は1回に処理する量をタンクなどに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水を透過させ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。
[編集] 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。
[編集] 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3～7ミリメートル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
- 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メートルのものまである。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
- 芳香族ポリアミド
- 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
