工業用逆浸透システム
プロジェクト概要
逆浸透システムの原理
ある一定の温度において、半透膜を用いて淡水と生理食塩水を分離します。淡水は半透膜を通して生理食塩水側へ移動します。右心室の生理食塩水側の液面が上昇すると、左心室からの淡水が生理食塩水側へ移動するのを防ぐ一定の圧力が生じ、最終的に平衡状態に達します。このときの平衡圧力を溶液の浸透圧といい、この現象を浸透といいます。右心室の生理食塩水側に浸透圧を超える外部圧力を加えると、右心室の生理食塩水中の水が半透膜を通して左心室の淡水側へ移動し、淡水と生理食塩水を分離することができます。この現象は透過現象の逆であり、逆透過現象と呼ばれます。
したがって、逆浸透脱塩システムの基礎は
（１）半透膜の選択的透過性、すなわち、水は選択的に透過させるが塩は透過させない性質。
（２）生理食塩水室の外部圧力は、生理食塩水室と淡水室の浸透圧よりも大きいため、水が生理食塩水室から淡水室へ移動する駆動力となります。いくつかの溶液の典型的な浸透圧を以下の表に示します。
淡水と海水を分離するために用いられる上記の半透膜は、逆浸透膜と呼ばれます。逆浸透膜は主にポリマー材料でできています。現在、火力発電所で使用されている逆浸透膜は、主に芳香族ポリアミド複合材料でできています。
RO（逆浸透）技術は、圧力差を利用した膜分離・ろ過技術です。その孔径はナノメートル（1ナノメートル＝10⁻⁹メートル）と非常に小さく、一定の圧力下では、水分子はRO膜を通過できますが、原水中の無機塩、重金属イオン、有機物、コロイド、細菌、ウイルスなどの不純物はRO膜を通過できません。そのため、通過できる純水と通過できない濃縮水を厳密に区別することができます。
工業用途では、逆浸透プラントは逆浸透プロセスを促進するために特殊な装置を使用します。工業用逆浸透システムは大量の水を処理できるように設計されており、農業、製薬、製造業など様々な産業で使用されています。これらのシステムで使用される装置は、塩水から真水を生成する際に、逆浸透プロセスが効率的かつ効果的に行われるように特別に設計されています。
逆浸透プロセスは、海水淡水化において重要な技術であり、水不足地域や従来の水源が汚染されている地域に真水を提供することができます。逆浸透装置と技術の進歩に伴い、このプロセスは世界中の水不足と水質問題に対する重要な解決策であり続けています。
逆浸透膜の主な特徴：
膜分離の方向性と分離特性
実用的な逆浸透膜は非対称膜であり、表面層と支持層から構成され、明確な方向性と選択性を持っています。この方向性とは、膜表面を高圧塩水に浸して脱塩を行う場合、圧力の上昇に伴い膜の透水性が高まり、脱塩速度も向上することを意味します。一方、膜の支持層を高圧塩水に浸した場合、圧力の上昇に伴う脱塩速度はほぼゼロになりますが、透水性は大幅に向上します。このような方向性があるため、逆方向への適用はできません。
逆浸透による水中のイオンと有機物の分離特性は同じではなく、以下のようにまとめられます。
（１）有機物は無機物よりも分離しやすい
（２）電解質は非電解質よりも分離しやすい。電荷の高い電解質は分離しやすく、その除去速度は一般的に次の順序である。 Fe3+> Ca2+> Na+ PO43-> S042-> C | - 電解質の場合、分子が大きいほど除去しやすくなる。
（３）無機イオンの除去率は、イオン水和状態における水和物と水和イオンの半径に関係する。水和イオンの半径が大きいほど、除去されやすくなる。除去率の順序は以下のとおりである。
Mg2+、Ca2+>Li+>Na+>K+; F-> C|-> Br-> NO3-
（４）極性有機物の分離規則：
アルデヒド > アルコール > アミン > 酸、第三級アミン > 第二級アミン > 第一級アミン、クエン酸 > 酒石酸 > リンゴ酸 > 乳酸 > 酢酸
近年の排ガス処理技術の進歩は、環境問題への取り組みにおいて大きな前進を示すとともに、企業が持続可能で環境に優しい方法で発展するための機会も提供しています。この革新的なソリューションは、高い効率性、低い運用コスト、そして二次汚染ゼロという可能性を秘めており、排ガス処理と環境保護の分野に必ずやプラスの影響を与えるでしょう。
（５）異性体のペア：tert- > 異なる（iso-）> Zhong（sec-）> 元の（pri-）
（６）有機物のナトリウム塩分離性能は良好であるが、フェノール類およびフェノール系有機物は負の分離を示す。極性または非極性、解離または非解離の有機溶質の水溶液を膜で分離する場合、溶質、溶媒、膜間の相互作用力が膜の選択的透過性を決定する。これらの効果には、静電力、水素結合力、疎水性、電子移動が含まれる。
（７）一般的に、溶質は膜の物理的特性や伝達特性にほとんど影響を与えません。フェノールや一部の低分子量有機化合物のみが、酢酸セルロースを水溶液中で膨張させます。これらの成分が存在すると、一般的に膜の水の透過流束が減少し、場合によっては大幅に減少します。
（８）硝酸塩、過塩素酸塩、シアン化物、チオシアン酸塩の除去効果は塩化物ほど良くなく、アンモニウム塩の除去効果はナトリウム塩ほど良くない。
（９）相対分子量が１５０を超える成分のほとんどは、電解質か非電解質かを問わず、良好に除去できる。
さらに、芳香族炭化水素、シクロアルカン、アルカン、塩化ナトリウムの分離順序は逆浸透膜によって異なる。
（２）高圧ポンプ
逆浸透膜の運転では、脱塩プロセスを完了するために、高圧ポンプによって水を所定の圧力まで送る必要があります。現在、火力発電所で使用される高圧ポンプには、遠心ポンプ、プランジャーポンプ、スクリューポンプなどがあり、中でも多段遠心ポンプが最も広く使用されています。これにより、90%以上の効率を達成し、エネルギー消費を削減できます。この種のポンプは、高効率という特徴があります。
（３）逆浸透オントロジー
逆浸透膜本体は、逆浸透膜構成要素を配管で一定の配置で接続した複合水処理装置です。単一の逆浸透膜は膜要素と呼ばれます。一定の技術要件に従って、複数の逆浸透膜構成要素が直列に接続され、単一の逆浸透膜シェルに組み立てられて膜要素が形成されます。
1. 膜要素
逆浸透膜エレメントとは、逆浸透膜と支持材から構成される、工業用途向けの基本ユニットである。現在、コイル状の膜エレメントは主に火力発電所で使用されている。
現在、様々な膜メーカーが、様々な産業ユーザー向けに多様な膜部品を製造している。火力発電所で使用される膜要素は、大まかに以下の3つに分類できる。高圧海水淡水化逆浸透膜要素、低圧および超低圧汽水淡水化逆浸透膜要素、防汚膜要素。
膜要素の基本的な要件は以下のとおりです。
A. フィルムの充填密度はできるだけ高くする。
B. 濃度分極を起こしにくい
C. 強力な防汚能力
D. 膜の清掃と交換が簡単です
E. 価格は安い
2.膜殻
逆浸透膜装置本体に逆浸透膜エレメントを装填するために使用される圧力容器は膜シェルと呼ばれ、「圧力容器」とも呼ばれます。製造元はHaide Energyで、各圧力容器の長さは約7メートルです。
フィルムシェルの外殻は一般的にエポキシガラス繊維強化プラスチッククロスで作られ、外側はエポキシ塗料で塗装されています。ステンレス鋼製のフィルムシェルを製造しているメーカーもあります。FRPは耐食性に優れているため、ほとんどの火力発電所ではFRP製のフィルムシェルを採用しています。圧力容器の材質はFRPです。
逆浸透膜浄水システムの性能に影響を与える要因：
特定のシステム条件において、水透過量と脱塩速度は逆浸透膜の特性であり、逆浸透膜の水透過量と脱塩速度に影響を与える要因は数多くあり、主なものとして圧力、温度、回収率、流入塩分濃度、pH値などが挙げられる。
（１）圧力効果
逆浸透膜の入口圧力は、膜透過流束と脱塩速度に直接影響を与えます。膜透過流束の増加は、逆浸透膜の入口圧力と線形関係にあります。脱塩速度は流入圧力と線形関係にありますが、圧力が一定値に達すると、脱塩速度の変化曲線は平坦になり、脱塩速度はそれ以上増加しなくなります。
（２）温度の影響
逆浸透膜の入口温度が上昇すると脱塩率は低下します。しかし、水収流量はほぼ直線的に増加します。主な理由は、温度が上昇すると水分子の粘度が低下し、拡散能力が強くなるため、水流量が増加するからです。温度が上昇すると、逆浸透膜を通過する塩の速度が加速されるため、脱塩率は低下します。原水温度は、逆浸透膜システムの設計における重要な参考指標です。たとえば、発電所が逆浸透膜技術の転換を行っている場合、設計では原水の温度を25℃として計算し、計算された入口圧力は1.6MPaです。しかし、システムの実際の運転では水温はわずか8℃であるため、設計上の淡水流量を確保するには入口圧力を2.0MPaまで上げる必要があります。その結果、システム運転時のエネルギー消費量が増加し、逆浸透装置の膜部品の内部シールリングの寿命が短縮され、装置のメンテナンス費用が増加する。
（３）塩分含有量の影響
水中の塩分濃度は膜浸透圧に影響を与える重要な指標であり、塩分濃度の上昇に伴い膜浸透圧も上昇します。逆浸透膜の入口圧力を一定に保ったまま、入口水の塩分濃度を上昇させると、浸透圧の上昇によって入口圧力の一部が相殺されるため、フラックスが減少し、脱塩速度も低下します。
（４）回復率の影響
逆浸透システムの回収率の上昇は、膜要素の流入水の流れ方向における塩分濃度の上昇につながり、浸透圧の上昇を引き起こします。これにより、逆浸透の流入水圧による駆動効果が相殺され、水収量流量が減少します。膜要素の流入水の塩分濃度の上昇は、淡水中の塩分濃度の上昇につながり、脱塩率が低下します。システム設計において、逆浸透システムの最大回収率は浸透圧の制限に依存せず、多くの場合、原水中の塩の組成と含有量に依存します。これは、回収率の向上に伴い、炭酸カルシウム、硫酸カルシウム、ケイ素などの微量溶解塩が濃縮プロセスでスケール化するためです。
（５）pH値の影響
異なる種類の膜要素に適用できるpH範囲は大きく異なります。たとえば、酢酸膜の水透過量と脱塩速度はpH値4～8の範囲で安定する傾向があり、pH値が4未満または8を超える範囲では大きく影響を受けます。現在、工業用水処理で使用される膜材料の大部分は複合材料であり、広いpH値範囲に適応します（連続運転ではpH値を3～10の範囲で制御でき、この範囲での膜透過量と脱塩速度は比較的安定しています）。
逆浸透膜の前処理方法：
逆浸透膜ろ過は、ろ過床ろ過とは異なります。ろ過床ろ過は全ろ過、つまり原水がろ過層全体を通過する方式です。逆浸透膜ろ過はクロスフローろ過方式であり、原水の一部が膜と垂直方向に流れます。このとき、塩類や各種汚染物質は膜によって捕捉され、膜表面と平行に流れる残りの原水によって除去されますが、汚染物質を完全に除去することはできません。時間が経つにつれて、残留汚染物質によって膜素子の汚染が深刻化します。また、原水の汚染物質濃度と回収率が高いほど、膜の汚染は速くなります。
1. スケール制御
原水中の不溶性塩が膜素子内で連続的に濃縮され、溶解度限界を超えると、逆浸透膜の表面に沈殿し、「スケール」と呼ばれる現象が発生します。水源が特定されている場合、逆浸透システムの回収率が高くなるにつれて、スケール発生のリスクも高まります。現在、水不足や排水による環境への影響から、リサイクル率を上げるのが一般的になっています。このような場合、慎重なスケール抑制対策が特に重要になります。逆浸透システムでは、一般的な難溶性塩はCaCO3、CaSO4、SiO2であり、スケールを生成する可能性のあるその他の化合物にはCaF2、BaSO4、SrSO4、Ca3(PO4)2などがあります。スケール抑制の一般的な方法は、スケール抑制剤を添加することです。私の作業場で使用しているスケール抑制剤は、Nalco PC191とヨーロッパおよびアメリカのNP200です。
2.コロイド粒子および固体粒子の汚染の制御
コロイドや粒子による汚染は、逆浸透膜素子の性能に深刻な影響を与える可能性があり、例えば淡水生産量の著しい減少や、場合によっては脱塩率の低下を引き起こします。コロイドや粒子による汚染の初期症状は、逆浸透膜素子の入口と出口間の圧力差の増加です。
逆浸透膜素子内の水コロイドや粒子を評価する最も一般的な方法は、水のSDI値（汚染指数F値とも呼ばれる）を測定することであり、これは逆浸透前処理システムの運転状況を監視するための重要な指標の一つである。
SDI（シルト密度指数）は、単位時間あたりの水ろ過速度の変化を示す指標であり、水質汚染の程度を表します。水中のコロイド状物質や微粒子状物質の量がSDI値に影響を与えます。SDI値はSDI測定器で測定できます。
3. 膜の微生物汚染の制御
原水中の微生物は主に細菌、藻類、真菌、ウイルス、その他の高等生物です。逆浸透の過程では、水中の微生物と溶存栄養素が膜要素内で継続的に濃縮され、バイオフィルム形成に理想的な環境とプロセスとなります。逆浸透膜コンポーネントの生物学的汚染は、逆浸透システムの性能に深刻な影響を与えます。逆浸透コンポーネントの入口と出口の圧力差が急速に増加し、膜コンポーネントの水収量が低下します。場合によっては、水生産側で生物学的汚染が発生し、製品水が汚染されることがあります。例えば、一部の火力発電所の逆浸透装置のメンテナンスにおいて、膜要素や淡水パイプに緑色の苔が発見されることがありますが、これは典型的な微生物汚染です。
膜素子が微生物によって汚染され、バイオフィルムが形成されると、膜素子の洗浄は非常に困難になります。さらに、完全に除去されなかったバイオフィルムは、微生物の再増殖を招きます。したがって、微生物の制御は、特に海水、地表水、廃水を水源とする逆浸透膜前処理システムにおいて、前処理の最も重要な課題の一つとなります。
膜微生物の発生を防ぐ主な方法は、塩素処理、精密ろ過または限外ろ過処理、オゾン酸化、紫外線殺菌、亜硫酸水素ナトリウムの添加などです。火力発電所の水処理システムで一般的に用いられる方法は、逆浸透膜の前処理として塩素殺菌と限外ろ過による水処理技術です。
殺菌剤として、塩素は多くの病原性微生物を迅速に不活化することができます。塩素の有効性は、塩素濃度、水のpH、および接触時間に依存します。実用上、水中の残留塩素濃度は一般的に0.5～1.0mg以上、反応時間は20～30分に制御されます。水中の有機物も塩素を消費するため、塩素の投与量は調整によって決定する必要があります。塩素は殺菌に使用され、最適な実用的なpH値は4～6です。
海水系における塩素処理は、汽水系における塩素処理とは異なります。海水には通常、約65mgの臭素が含まれています。海水を水素で化学処理すると、まず次亜塩素酸と反応して次亜臭素酸が生成されます。そのため、殺菌作用は次亜塩素酸ではなく次亜臭素酸によるものとなり、次亜臭素酸はより高いpH値でも分解しません。したがって、海水系における塩素処理の効果は、汽水系における効果よりも優れています。
複合材料の膜要素は水中の残留塩素に関して一定の要件を持つため、塩素殺菌後に脱塩素還元処理を行う必要がある。
4. 有機汚染の抑制
膜表面への有機物の吸着は膜透過流束の低下を引き起こし、深刻な場合には膜透過流束の不可逆的な損失を引き起こし、膜の実用寿命に影響を与える。
地表水の場合、水の大部分は天然物であり、凝集浄化、直流凝集ろ過、活性炭ろ過を組み合わせた処理プロセスにより、水中の有機物を大幅に削減し、逆浸透水の要件を満たすことができます。
5. 濃度分極制御
逆浸透の過程では、膜表面の濃縮水と流入水との間に高い濃度勾配が生じることがあり、これを濃度分極と呼びます。この現象が発生すると、膜表面に比較的高濃度で比較的安定したいわゆる「臨界層」が形成され、逆浸透プロセスの効率的な実施を妨げます。これは、濃度分極によって膜表面の溶液透過圧が増加し、逆浸透プロセスの駆動力が低下するため、水収量と脱塩率が低下するためです。濃度分極が深刻な場合、微量溶解塩が膜表面に沈殿してスケールを形成します。濃度分極を回避するための効果的な方法は、濃縮水の流れを常に乱流状態に維持すること、つまり、流入流量を増加させて濃縮水の流量を増加させ、膜表面の微量溶解塩の濃度を最低値まで低下させることです。さらに、逆浸透水処理装置の停止後、交換された濃縮水側の濃縮水を速やかに洗浄する必要があります。
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