逆浸透膜の汚染の発生原因

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　　化学工学707ニュースサイトの報道によると、膜汚染とは、膜に接する溶液内の微粒子やコロイド粒子、または溶質の高分子が膜と物理的・化学的な相互作用を起こしたり、濃度勾配によって膜表面でのある溶質の濃度がその溶解度を超えたり、機械的な作用によって膜表面や膜孔内に吸着・沈着が起こり、膜孔のサイズが小さくなったり詰まったりして、膜の透過流量や分離性能に不可逆的な変化が生じる現象のことです。 　　汚染物、特にタンパク質などの高分子が膜表面や膜孔内に吸着することによって引き起こされるフラックスの減少および分離能力の低下が、膜フラックス減少の主な原因である。しかし、膜汚染によるフラックスの減少は、しばしば濃度勾配分極現象による可逆的なフラックス低下と混在し、膜分離効果をさらに低下させる。 　　逆浸透膜の汚染の原因　逆浸透システムが稼働している間、廃水（汚水）中の金属イオン、微生物、溶解しにくい沈殿物、有機汚染物質、バイオフィルム、コロイド、油脂などが長時間にわたって膜と接触することで膜が汚染され、膜の流量や分離性能が著しく低下し、圧力損失が増加します。その原因は主に以下の点にある：　　1）濃度勾配極化　　逆浸透脱塩システムにおいて、膜の選択的透過性により水分子が絶えず高圧側から膜を通過する一方で、溶質分子は元の溶液に残存し続けるため、膜表面の処理液と入口の溶液との間に濃度差が生じる。深刻な場合には非常に高い濃度勾配が生じ、この現象を濃度勾配極化と呼ぶ。濃度勾配による分極が溶液の浸透圧を上昇させ、有効な駆動力が低下することで、透水速度と脱塩率が低下する。 　　2）イオンスケール　CaCO3、CaSO4、BaSO4、SrSO4、CaF2、SiO2など、溶解度積が小さい塩類は、逆浸透過程で濃縮によりその溶解度積を超えて析出し、沈着物が膜表面や給水通路内に残ってスケールを形成する。J.H. Bruusらは、スラッジからCa2+を抽出すると、微粒子の数と濾過抵抗が増加することを発見した。 　　3）金属酸化物の沈着　　通常、低価数の鉄イオンやマンガンイオンを含む汽水領域の特定の井水水源はある程度の還元性を持っており、このような水源が膜の汚染を引き起こす主な原因は、鉄、アルミニウム、マンガンなどが膜表面でコロイド粒子を形成し、汚染させることである。鉄が酸化するのに必要なpH値は低いため、逆浸透システムで鉄による汚れが頻繁に発生します。膜面に可溶性の二価鉄および三価鉄が沈着する原因となり得る汚染物質としては、次のようなものが考えられる。すなわち、二価鉄を含む原水に酸素が混入すること、高アルカリ度の水源によってFeCo3が生成されること、鉄がシリコンと反応して難溶性のケイ酸鉄が形成されること、鉄還元菌の酸化作用によって生物膜の増殖や鉄スケールの沈着が促進されること、鉄を含む凝集剤の変化によってコロイド状の鉄が生じること、そして鉄、アルミニウム、マンガンなどによる金属汚染の特徴としては、産水量の減少や圧力差の上昇が見られる。 　　4）生物スラッジの生成　膜表面が活性の高い微生物スラッジで覆われると、膜によって除去された塩類は粘着層に留まり、水によって流れ去りにくくなる。これにより微生物の増殖に必要な豊富な栄養分が供給される。また、逆浸透の原水処理段階で添加されるスケール防止剤（ポリマレイン酸、アミノトリメチルリン酸など）や軟水剤なども、微生物の成長を促進する。有機物や無機物の溶存性物質、および粒子状物質は、効果的な前処理によって除去することができる。しかし、増殖可能な微生物の粒子は、前処理後でも0.01％が残っていれば、水中の生分解性物質を利用して自己増殖するため、これがあらゆるシステムにおいて生物汚泥が汚染を引き起こす主な原因の一つとなっている。 　　5）コロイド汚染　地下水や地表水には、鉄、アルミニウム、シリコン、有機物などの物質が含まれている。これらが、前処理時に加えられる凝集剤、助凝剤、スケール防止剤などとともにコロイドを形成し、膜表面に沈着してコロイド汚染を引き起こす。ケイ酸コロイドは水中で加水分解されてSi(OH)4を生成し、一定の条件の下で重合反応が起こります：mSi(OH)4-(SiO2)m+2mH2OとなってSiO2のコロイド核が生成され、段階的に電離してH+が放出され、負電荷を持つコロイドが形成されます。 　　コロイド汚染が処理しにくいのは、同じ電荷を帯びているため安定しやすく沈降しにくく、膜を汚染しやすいため、水の透過流量が低下するからである。一般的に、このような傾向は汚染指数（SDI）を用いて評価される。通常、SDI3の時に汚れが発生します。 　　6）「水槌」現象　逆浸透システムにおいて、設計上の不備や調整段階で、膜を収めるケーシング内に大量の空気が残っている場合、処理対象の液体が瞬時にケーシング内に流入すると、空気は圧縮可能であり、瞬時には完全に排出されない。ケーシング内の空気がある程度の圧力に達すると、突如として爆発的に放出され、逆浸透膜同士が衝突したり、押し合ったり、動き回ったりすることで「水槌」現象が発生する。逆浸透システムにおいて、ウォーターハンマーの害は、回復不可能な逆浸透膜要素の損傷を引き起こすことにある。 　　7）懸濁粒子による汚染　セキュリティフィルターに「ショート」や欠陥があってフィルター媒体や腐食片、異物（例えば細い綿糸など）が漏れ出したり、逆浸透装置を初めて使用する際の洗浄が不十分だったりすると、膜要素が汚染され、水の流れる通路が塞がったり、膜表面に非晶質の沈着物ができたりする可能性があります。このような状況はあまり遭遇しません。 　　8）その他の要因による汚染　炭化水素やシリコン系の油・脂が膜表面を覆い、膜が汚染される。また、膜の加水分解や有機溶剤、酸化性物質による侵食も、膜材料の本質的な変化を引き起こす