膜スケーリング
逆浸透における現象
図1: スケール加工されていない新品のRO膜のSEM画像
図2: スケール加工したRO膜のSEM画像

膜スケーリングとは、逆浸透（RO）アプリケーションにおいて、1つまたは複数の難溶性塩（例：炭酸カルシウム、リン酸カルシウムなど）が沈殿し、膜表面に緻密な層を形成することです。 [1]図1と図2は、それぞれスケーリングなしとスケーリングありのRO膜表面の走査型電子顕微鏡（SEM）画像を示しています。膜スケーリングは、他の種類の膜ファウリングと同様に、動作圧力の上昇によりエネルギーコストが増加し、透過水生産量が減少します。[2]さらに、スケーリングは膜を損傷し、頻繁な膜洗浄により膜寿命を短縮する可能性があるため、 [3] ROアプリケーションにおける大きな運用上の課題となっています。

膜スケーリングは、RO濃縮液中の難溶性塩が過飽和状態、つまり濃度が平衡（溶解度）レベルを超えると発生することがあります。ROプロセスでは、濃縮液中の難溶性塩の濃度増加は主に、供給水から透過水を取り除くことによって起こります。供給水に対する透過水の比率は回収率と呼ばれ、膜スケーリングに直接関係しています。RO設備では、特定のエネルギー消費を最小限に抑えるために、回収率をできるだけ高くする必要があります。しかし、回収率が高いと、濃縮液中の難溶性塩の濃度が劇的に増加する可能性があります。たとえば、回収率が80%と90%の場合、濃縮液中の塩の濃度は、それぞれ供給水中の濃度の5倍と10倍に達する可能性があります。 RO 供給水中のカルシウムとリン酸の濃度がそれぞれ 200 mg/L と 5 mg/L の場合、RO 濃縮液中の濃度は 90% 回収率で 1000 mg/L と 50 mg/L となり、リン酸カルシウムの溶解限度を超え、リン酸カルシウムのスケールが発生します。

膜のスケーリングは過飽和度だけでなく、結晶化速度、すなわち核形成と結晶成長にも依存することに注意することが重要です。

ROで遭遇するスケール化合物

RO プロセスでスケールを発生させる最も一般的な塩は次のとおりです。

スケーリング予測方法

水溶液中の難溶性塩のスケーリング傾向を判断するための指標は数多く存在します。これらの指標は、スケール形成物質が不飽和、飽和、または過飽和のいずれの状態であるかを示します。化合物が不飽和状態の場合、スケーリングは発生しませんが、過飽和状態の場合、遅かれ早かれスケーリングが発生します。

RO アプリケーションにおけるスケーリングを予測するために最も一般的に使用される指標は次のとおりです。

  • 飽和指数（SI）

S 私 ＝ ログ ⁡ 私 あ P K s p {\displaystyle SI=\log {\frac {IAP}{K_{sp}}}}

ここで、IAPとK spはそれぞれ難溶性塩のイオン活量積と溶解度積です。例えば、硫酸カルシウムのSIは以下のように計算できます。

S 私 ＝ ログ ⁡ γ [ C 1つの 2 + ] γ [ S お 4 2 − ] K s p {\displaystyle SI=\log {\frac {\gamma [Ca^{2+}]\gamma [SO_{4}^{2-}]}{Ksp}}}

ここで、γは活量係数である。[Ca 2+ ]と[SO 4 2− ]はそれぞれカルシウムと硫酸塩の濃度（mol/L）である。

  • 過飽和比（S r）

S r ＝ √ 私 あ P K s p {\displaystyle S_{r}=\surd {\frac {IAP}{K_{sp}}}}

ここで、IAPとKspはそれぞれ難溶性塩のイオン活量積と溶解度積です。例えば、硫酸カルシウムのS r は以下のように計算できます。

S r ＝ √ γ [ C 1つの 2 + ] γ [ S お 4 2 − ] K s p {\displaystyle S_{r}=\surd {\frac {\gamma [Ca^{2+}]\gamma [SO_{4}^{2-}]}{Ksp}}}

ここで、γは活量係数である。[Ca 2+ ]と[SO 4 2− ]はそれぞれカルシウムと硫酸塩の濃度（mol/L）である。

LSIは炭酸カルシウムのスケール形成にのみ使用されます。一方、SIとS rはすべての化合物に適用可能です。

各SIおよびLSIの値が正の場合、ROにおいてスケーリングが発生する可能性があることを示し、負の場合、スケーリングは発生しないことを示します。同様に、S r >1の場合にはスケーリングが発生する可能性がありますが、S r <1の場合にはスケーリングは発生しません。

ROアプリケーションにおけるスケーリング制御

ROアプリケーションにおけるスケール防止には、RO供給水の酸性化、ROシステム回収率の低下、スケール防止剤の添加など、いくつかの方法があります。[4] RO供給水の酸性化は、ROプロセスにおける炭酸カルシウムのスケール防止に最初に用いられた方法の一つでした。[5]しかし、酸の使用に伴うリスクのため、この方法は一般的には使用されなくなっています。さらに、酸性化はすべての種類のスケールに効果があるわけではありません。例えば、炭酸カルシウムのスケール防止には非常に効果的ですが、硫酸カルシウムのスケール防止には効果がありません。[6]

スケール付着を防ぐもう一つの方法は、RO膜を低い回収率（透過水と供給水の比率）で運転することです。この方法では、RO膜の回収率を低くすることで、濃縮水の過飽和度を低飽和状態まで下げます。回収率を低くすることで、膜表面の溶質濃度が低くなり、スケール形成の可能性が低くなるため、濃度分極の悪影響を軽減できます。しかし、この方法はエネルギー消費量が高くなるため、あまり魅力的ではなく、経済的でもありません。さらに、濃縮水の廃棄量が多いという問題もあります。

RO 供給物へのスケール防止剤の添加は、スケール制御の点で最も広く適用されている戦略の 1 つです。[7]スケール防止剤は RO プロセスの回収率を高めるために使用でき、主に スルホン酸塩、ホスホン酸塩、またはカルボン酸 官能基などの有機化合物を含みます。[8] [9]スケール防止剤の添加は、結晶化プロセス、すなわち、スケール化合物の核形成および/または成長段階を妨げます。スケール防止剤は、閾値抑制、結晶改質および分散という 3 つのメカニズムによってスケールの形成を防ぎます。[10]閾値抑制は、スケール防止剤分子が結晶核に吸着して核形成プロセスを停止させるのに対し、結晶改質と分散は、スケール防止剤が結晶と粒子の成長および/または凝集を停止させる能力です。[11]シリカスケールの場合、シリカモノマーの重合を防ぎ、それによってシリカポリマーの成長を防ぐという追加機能もあります。[12] [13]市販のスケール防止剤は、栗田工業、アビスタ、BASFなどから様々な種類が販売されています。[14] [15] [16] ROシステムでは、スケール防止剤は原水の組成に基づいて選択され、その投与量は通常、スケール防止剤メーカーが作成したコンピュータプログラムを用いて計算されます。例えば、アビスタはAdvisorCI™と呼ばれる薬剤投与ソフトウェアを提供しており、[17] ROシステムにおける薬剤の正確な投与量を計算するために使用されます。

参考文献

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