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逆浸透膜(ぎゃくしんとうまく)とは、ろ過膜の一種であり、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。

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。尚「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。

◆ 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)より数倍以上大きい。逆浸透膜で、酸素原子と同程度の大きさのナトリウムイオン(海水中の主要なイオンであり1個が0.12〜0.14ナノメートル)などが通過しにくくなるのは、水和によりイオンの周囲に水分子が配位することで見かけの大きが数倍から十数倍になったようにふるまうためである。また膜表面に付着する水分子の存在も孔を見掛け上小さくするように作用する(電気二重層も参照のこと)。水和する水分子の数は概してイオンの電荷が多いほど多数であり、元素の周期が大きいほど多数である。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パ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。

◆ 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、浸透圧が高まって膜を水が通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透過させ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、またはブライン (brine) 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、逆浸透膜装置は夏より冬の方が採水量が少なくなる。通常、逆浸透膜の透過水量は一定の水質の水と一定の圧力に対して水温が25℃の場合の数値で表されるため、水温が下がるときは水を加温するか、水温が下がる分だけポンプなどで加えることのできる圧力を高めておく必要がある。逆に、水温が上がると透過水量は増えるが、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。

◆ 歴史

逆浸透という現象は、1748年に、豚の膀胱の半透膜を通して水がアルコールの入った並行室に自発的に拡散する様子を観察することにより、フランスの科学者により発見された。とても興味深いこのコンセプト「浸透と対する逆浸透」は、その後約200年間は研究室のトピックにしか過ぎなかった。というのも、自然の半透膜は傷つき易く、信頼度の低いものでしかなかったためである。

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。

家庭用は、1968年に近代的なPOU(point of use)RO(reverse osmosis)システムの父と言われるドナルド・ブレイ氏によりアンダーシンクの概念が確立され、数多くの特許技術により、現代の家庭用ROが普及している。彼は、Desal社(現:GE社に吸収)、Mission Membrane社、Nimbus Water System社、Nimbus Water International社に関与し、そして現代では多くの後継者が、世界的に家庭用逆浸透膜純水器の普及で貢献している。

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