正浸透：石油化学分野における省エネ・排出削減技術の新たな注目点

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　正浸透は新しいタイプの膜分離処理技術であり、超濾過、微濾過、逆浸透といった一般的な膜分離技術と比べて、最も顕著な特徴は、分離のための駆動力として外部の高圧ポンプなどの装置を必要とせず、溶液自体の浸透圧差だけで正浸透の分離プロセスが進行する点です。この技術による膜の汚染は比較的軽く、透過膜は洗浄を行わなくても長時間稼働し続けることができる。 アメリカ、シンガポール、ヨーロッパなどの地域では、既に逆浸透膜分離技術について多くの研究が行われており、海水淡水化、濃縮塩水処理、化学製品の分離といった分野で大きな応用価値が示されている。 　　技術研究が静かに盛り上がる　国際的に研究のホットスポットとなり、石油化学分野で次第に重要な役割を果たすようになっている技術であるオムニポーレーションが、国内で静かに注目を集めている。 　　“正浸透技術は、水資源や環境問題に対して低エネルギー消費で高効率な解決策を提供し、実用性の高い環境に優しい技術です。”中国工程院の院士であり、**海洋局杭州水処理技術開発センターの膜・膜プロセス研究室の主任である高従堦は、先日、中国化工報の記者のインタビューに応じました。“正浸透分離技術は、省エネで効率的かつ環境に優しいだけでなく、一部の製造工程において浸透エネルギーを活用して省エネを実現することもできる。ソーダ灰工場や塩素アルカリ工場では、大量の塩を溶解させる必要があり、同時に大量の高塩分含有の塩水を濃縮する必要がある。正浸透技術を用いることで、これら2つの工程を組み合わせ、浸透エネルギーを十分に活用することができ、無機化学工業における省エネ・排出削減の新たな手段となるだろう。”中国科学院上海高等研究院の研究員である何涛は、中国化工報の記者に対し、正浸透技術が化学工業分野で果たす役割についてさらに詳しく説明した。 　　報道によると、アメリカではペルミアン盆地におけるシェールガスの回収液濃縮プロジェクトで、正浸透膜技術を用いて試験が行われており、石油化学工業から出る廃水を処理してゼロ排出を実現している。処理後の水質は飲料水の基準に達する。この技術の適用は高い経済性を持ち、石油化学工業の廃水を低コストで飲料水レベルまで処理し、再び工業生産で循環利用するという画期的な成果をもたらしただけでなく、石油・ガス業界が自然環境に与える破壊や汚染も排除し、原廃水中の各種汚染物質を固定化することで、真の「ゼロ排出」を実現している。 　　正浸透は、海水淡水化、濃縮塩水処理、化学製品の分離などの分野においても、その潜在的な応用価値を示している。海水淡水化を例にとると、正浸透法により海水淡水化の生産効率を、現行技術の40％から85％まで向上させることができる。同時に、濃縮塩水内のブロム、マグネシウム、カリウムの濃度も上昇し、これらの資源の抽出・利用が容易になる。その結果、海水淡水化の運用コストが大幅に削減され、高塩分濃度の海水による環境汚染も軽減される。また、エネルギー消費量は現行の水処理技術の70％に過ぎない。英国のモダン・ウォーター社も、逆浸透膜を海水淡水化に応用しているとのことです。 　　現在、我が国の廃水処理は、エネルギー消費が多く、効率が低い、濃縮塩水の処理が困難であるという問題に直面している。国内の石炭化学工業などから排出される濃縮塩水はそのまま蒸発池に放出され、水量が多い場合や冬場に蒸発速度が遅くなると、汚水処理池として利用されることさえある。正浸透処理技術を用いることで、濃縮水の総塩分含有量を20％まで高めることができ、排出量を大幅に削減できます。投資額は少なくとも30％以上削減でき、運用コストは最大で70％削減可能です。 　　二つの核心技術の突破　「オームオスモス膜については、国内でも海外でも小規模な試験や中規模な試験が行われているが、国際的にはまだ大規模な工業的応用装置は存在しない。しかし、アメリカではオームオスモス技術分野へのベンチャーキャピタル投資が活発で、膜材料やその応用分野において世界をリードしていることがわかっている。」現在は資本市場からの投資が必要であり、継続的な試行と研究を通じて、透過型技術の最も優れた応用分野を見出し、膜材料の最適化を推進する必要がある。”何涛はそう言った。全体的に見ると、オムニポーレーション技術が早期にブレークスルーを達成するためには、オムニポーレーション水処理における2つの鍵となる核心技術であるオムニポーレーション膜と抽出液から取り組むことができ、国内外での研究開発の焦点は、より適した駆動液と浸透膜の探索にある。 　　抽出液――安定性を向上させ、再生にかかるエネルギー消費を削減　抽出液は正浸透プロセスに駆動力を与えるための重要な要素です。抽出液は、正浸透プロセスに駆動力を与えるための浸透圧差を生み出せるよう、原料液よりも高い浸透圧を持つ必要がある。正浸透の駆動力は膜間の浸透圧差であり、抽出液の選択は正浸透膜の性能に極めて重要な影響を与える。したがって、抽出液は正浸透プロセスの性能と効率を決定する。正浸透の重要な技術の一つとして、理想的な抽出液は水に対する溶解度が高く、かつ相対分子量が小さいことが求められ、これによって高い浸透圧が生じる；無毒で、水中で安定し、生成水に少量残留しても人体に害はない；正浸透膜と反応せず、正浸透膜の性能を損なわない；水から簡便かつ経済的に分離でき、繰り返し使用可能です。 　　異なる溶質が抽出液として用いられると、異なる浸透圧が生じ、物質移動過程においても異なる挙動を示し、濃度勾配極化の程度も異なる。高浸透圧、低エネルギー消費、安価、リサイクルが容易、低毒性または無毒性といった特性を持つ抽出液の設計・開発および選定は、一部の専門家によって正浸透技術の研究開発における鍵となる問題と見なされている。しかし、上記の要件をすべて満たす理想的な抽出液を開発するのは容易なことではない。 　　研究者たちは、揮発性ガス、無機塩溶質、有機溶質、および合成材料など、さまざまなタイプの抽出液について研究を行った。その中でも、SO2やNH3などの酸性またはアルカリ性を持つ高溶解度ガスは、得られる抽出液が浸透圧が高く、水の流速も大きいという利点がある。しかし、この種の抽出液の再生には大量の熱が必要でエネルギー消費が多く、また使用されるSO2やNH3などはいずれも腐食性のあるガスであり、一定の安全上のリスクがある；メチルイミダゾール系化合物や重合電解質などの水溶性有機物は相対分子量が大きく、逆浸透しにくいため、抽出液としても用いられる；温度感受性ポリマーで被覆された磁性ナノ粒子や、サクシニル酸ナトリウムとN-イソプロピルアクリルアミドの共重合体であるスマートゲルなど、新しい種類の合成材料も開発されており、エネルギー消費の削減に一定の効果がある。しかし、繰り返し使用すると凝集現象が起こり、水の流速が低下してしまう。 　　何涛は記者に対し、抽出液の最大の問題は安定性であり、運転中に抽出液の溶質が逆浸透して原料液に漏れ出し、コストが上昇したり膜の汚染を引き起こしたりする可能性があるため、シンプルで低コスト、かつ入手しやすい塩類を駆動剤として使用することを推奨している。何涛は、正浸透による抽出液は工程中の原料から得られ、その原料が正浸透プロセスを駆動して水を生成し溶解させることで工程が簡素化され、同時に工程内の廃水が再利用されると考えている。これにより、一方で環境汚染を削減でき、他方でエネルギー消費と設備投資を抑えることができます。 　　中国科学院プロセス工学研究所の研究員、李玉平氏によると、正浸透法では現在さまざまな抽出液が開発されているものの、これらの研究はほとんどが実験室レベルに留まっており、国際的には工業的な応用例は少ないという。抽出液の性能評価は、水透過量や溶質の逆浸透量といった要素によって行うべきであり、大規模かつ長期間にわたる正浸透システムの運用過程における安定性や操作性も、検討すべき重要な要素である。 　　李玉平は記者に対し、逆浸透技術の弱点は抽出液の再生にかかるエネルギー消費が比較的高いことだと説明した。ポリアクリル酸ナトリウムなどの高分子吸収液は、逆浸透率が低いという利点があるが、分子量が大きく溶解度も低いため、生成される浸透圧は強電解質や小分子よりもはるかに低くなる可能性がある。また、この種の高分子吸収液の再生に必要なエネルギーも少なくない。炭酸水素アンモニウム抽出液は溶解度が高く、水中での電離によって生じる浸透圧も高い。その大きな利点は、加熱によってガスに分解し再結合させることができるため、抽出液の再生が容易であり、技術的なリスクが低く、工業化が可能であることだ。ただし、アンモニウム炭酸水素塩の再生には高いエネルギーが必要であり、また膜の逆浸透によって給水側のアンモニア窒素濃度が基準を超えてしまう（膜の両側でアンモニウム炭酸水素塩の濃度差が極端に大きくなることが逆浸透を引き起こす）。濃縮廃水のアンモニア窒素濃度が基準を超えないようにするためには、通常、濃縮された廃水からアンモニア窒素を回収する必要があり、これによりさらにエネルギー消費が増加する。したがって、単純な正浸透アンモニウム炭酸水素塩抽出液再生プロセスにはコスト面での優位性はない。塩化ナトリウムなどの他の小分子強電解質は、単純な正浸透法により膜蒸留（MD）によって再生することができるが、廃水中にはしばしば有機物が含まれており、蒸留膜が親水性を変えて液体水が漏れ出すため、産業化が困難である。 　　正浸透膜――生産水量の向上と汚染耐性の強化　広州中科検査技術サービス有限公司の高級工程師、宗同強氏によると、理想的な正浸透膜は以下の特徴を備えているべきだ。すなわち、膜材料が親水性に優れており、それによって膜の純水透過量と汚染耐性が向上するのである；高い塩分保持性能を得るため、膜の選択透過層はより密な構造となっている；水の流れに対する抵抗を減らし、同時に濃度勾配電極化を軽減するため、膜の厚さはできるだけ薄くする；優れた機械的強度を持ち、一定の圧力やせん断力に耐えることができる；膜材料はある程度の耐腐食性を持ち、広いpH値範囲で使用できる。抽出液に対して安定であり、両者の間に化学反応や物理的吸着は起こらず、さらに酸・アルカリ洗浄液の影響にも耐えられる。 　　記者の調査によると、現在、国内外で研究されている正浸透膜には、三酢酸セルロース（CTA）膜、酢酸セルロース（CA）膜、ポリベンゾイミダゾール（PBI）膜、ポリアミド（PA）複合膜、および改質された複合膜やナノフィルトレーション膜などがある。何涛は記者に対し、現在最も多く応用研究が行われているのはセルロースアセテート系の膜であり、セルロースアセテートの正浸透膜はスケール発生率が低いものの、多くの問題も存在すると述べた。最も一般的な問題は、膜による実際の水生成量が期待値を大きく下回っていることだ。その主な原因は濃度差分極です。濃度差極化とは、給水側の原料液における溶質が蓄積されて原料液の濃度が上昇すること、および抽出液側で膜を透過した純水によって抽出液が希釈されて抽出液の濃度が低下する現象である。濃度差極化が生じる根本的な原因は、膜の表面の孔径が抽出液中の溶質分子よりも大きいため、孔内の溶質濃度が本体の濃度よりもはるかに低くなり、有効な駆動力が低下することにある。正浸透過程における濃度勾配分極の問題も、研究すべき重要な課題である。“これらの問題は国内外を問わず、業界全体の問題です。”何涛はこのように強調した。 　　何涛は、異なる膜材料の使用や製膜工程の変更などによって、水透過量が高く、pH範囲が広く、脱塩率が高く、安定性に優れた逆浸透膜を得ることができ、界面重合型逆浸透膜材料が商業的な成功の鍵となる材料かもしれないと考えている。主な理由は、この技術がかなり成熟しており、逆浸透膜の材料から借用できる技術が多いからです。しかし、正浸透膜材料には特有の内部濃度差分極現象があるため、支持材料に求められる要件は逆浸透よりも高い。また、逆浸透膜で処理される水は、多段階にわたる複雑な前処理を経た水ですが、より簡易な前処理だけで直接逆浸透工程に入れることが望まれています。このため、正浸透膜はコロイドや有機物、さらには有機溶剤系の汚染に対してより高い耐性を持つ必要があり、膜材料や膜コンポーネントの設計が重要な焦点となっています。 　　上海交通大学の講師であるチ・リナは、将来的な透過型膜の合成においては、より適切な材料を選択し、酸やアルカリ、塩に対する耐性がより高い膜を作成すべきだと述べている；より高い清浄性とより低いインピーダンスを持つ膜の合成；内部の濃度勾配による分極を減らすため、より高い強度とより薄い支持層を持つ膜を合成する；高い機械的強度を持つ対称性膜を合成する。 　　産業化、長期的な視野が求められる　技術開発と産業界での応用は膠着状態にある。”何涛は記者にこう語った。「技術がないわけではなく、推進力が欠けているのだ」。2009年から正渗透の「重要基礎研究」プロジェクトである「973プロジェクト」の研究に参加している何涛は、現在の国内における技術革新の成果を産業化するための環境は、先進国ほど整っておらず、資本市場も未熟だと考えている；国内企業は先端技術への投資に消極的であり、産業は研究開発に遅れをとることが多く、ある技術が成熟するのを待ってからようやく大規模な投資を行い、事業化している。また、情報の非対称性により、正浸透の産業化も投資家の関心を引き出すのが難しい。 　　長年にわたり正浸透の研究に従事してきた李玉平は、高塩分水処理において正浸透が一定の優位性を持つと考えている。正浸透の将来性は、その利点を十分に活用し、膜蒸留などの他のプロセスと統合することにある。吸収液とその再生プロセスが適切であれば、現在は量産化された膜製品が不足していても、正浸透技術のリスクはそれほど高くない。例えば、国内では炭酸アンモニウムの分解や合成に関する基礎理論や産業化の基盤が、海外よりも優れている。 　　了解によると、ホー・タオの研究チームは国内で初めての正浸透中規模実証プロジェクトを構築し、塩化ナトリウムを用いて塩化カルシウムの塩水を10％から15％～16％まで濃縮した；中空繊維膜コンポーネントを用いて、石炭化学工業における高塩分含有廃水の濃縮や灰水の濃縮などを試験した；中国石油の四川シェールガス採取施設の廃水を分析・検査し、シェールガス廃水から純水を得る。 　　何涛は記者に対し、投資にはリスクがあるものの、正渗透技術には優位性があり、3年で新たな段階に到達し、5年もすればその効果が現れると述べた。正渗透技術を扱う上流・下流の産業界や投資界がもっと長期的な視点を持ち、先見の明を発揮して、このような最先端の新技術にもっと注目し、新技術への投資を惜しまず、リスクを恐れずに取り組めば、技術の産業化という課題は必ず乗り越えられるだろう。 　　喜ばしいことに、国内でもすでに一部の企業が行動を開始しており、国中水务株式会社は博天環境集団株式会社と共にデンマークのAQP社と正式な協力契約を締結し、3社で出資して合弁会社を設立し、国内に水チャネルタンパク質膜の生産ラインを建設する予定です。国中水务の朱勇軍董事長は、水チャネルタンパク質膜製品が正浸透および逆浸透処理の分野で大きな応用可能性を持っていると考えている。同氏によると、合弁会社は資金、技術、市場などあらゆる面で準備が整っており、事業化の基盤が築かれているとのことだ。この技術は現在、産業化の初期段階にあるとされており、プロジェクトの初期段階では研究開発と生産のために2,000万ドルが投じられる。将来的には、年間500万～600万平方メートルの生産能力を持つ生産ラインを建設するために、合計で2億元が投資される見込みだ。 　　昨年10月、国内で初めて正浸透技術を導入した工業廃水ゼロ排出実験室および海水淡水化・総合利用実験室が北京で開設された。この研究所は、中工国際の子会社である北京ウォーターテクノロジー株式会社と中国石化撫順石油化学研究院が共同で設立したもので、工業廃水のゼロ排出を実現するほか、海水淡水化および総合利用の全工程シミュレーションや、各工程における個別の実験も行うことができる。2013年、ワトラー社はアメリカのOasys社に出資し、世界をリードする正浸透技術を導入しました。現在、同社が河北省黄骅市に建設した最初の正浸透技術を用いた海水濃縮プラントが稼働しており、海水淡水化や総合的な利用に関する研究に、信頼性の高い運用データを提供しています。