塩水

塩水（ブライン、または塩水）は、水中の塩（通常は塩化ナトリウムまたは塩化カルシウム）の高濃度溶液です。さまざまな文脈で、塩水は約3.5％（食品の塩漬けに使用される溶液の下限である海水の一般的な濃度）から約26％（温度に応じて一般的な飽和溶液）までの塩溶液を指す場合があります。塩水は、地下の塩水の蒸発によって自然に生成されますが、塩化ナトリウムの採掘でも生成されます。[ 1 ]塩水は、食品の加工や調理（酸洗いや塩漬け）、道路やその他の構造物の凍結防止、および多くの技術的プロセスに使用されます。また、淡水化などの多くの産業プロセスの副産物でもあるため、適切に廃棄またはさらに利用（淡水回収）するには廃水処理が必要です。[ 2 ]

自然の中で

NASA の技術者がサンフランシスコの塩蒸発池で比重計を使用して塩水の濃度を測定しています。

自然界では、塩水は様々な方法で生成されます。蒸発による海水の変化は、残留流体中の塩分濃度を高めます。様々な溶解イオンが鉱物（典型的には石膏や岩塩）の飽和状態に達すると、蒸発岩と呼ばれる特徴的な地質学的堆積物が形成されます。このような塩分堆積物が水に溶解することでも、塩水が生成されます。海水が凍結すると、溶解イオンは溶液中に留まる傾向があり、極低温塩水と呼ばれる流体が生成されます。これらの極低温塩水は、生成時には定義上、海水の凍結温度よりも低く、冷たい塩水が下降して周囲の海水を凍結させる、 ブライニクルと呼ばれる地形を形成することがあります。

塩水泉として地表に湧き出る塩水は、「リック（licks）」または「サライン（salines）」と呼ばれます。[ 3 ]地下水中の溶解性固形物の含有量は、地球上の場所によって大きく異なり、具体的な成分（例えば、岩塩、無水石膏、炭酸塩、石膏、フッ化物塩、有機ハロゲン化物、硫酸塩）と濃度レベルの両方において異なります。地下水は総溶解性固形物（TDS）に基づいて分類されますが、その中でも塩水は100,000 mg/Lを超えるTDSを含む水です。[ 4 ]塩水は、井戸の仕上げ作業、特に井戸の 水圧破砕後によく生成されます。

用途

ヨウ素と臭素の採掘

人間の健康に不可欠なヨウ素は、ヨウ化物に富む塩水から商業規模で得られています。精製は、まずヨウ化物をヨウ化水素酸に変換し、次に塩素を用いてヨウ素に酸化します。その後、ヨウ素は蒸発または吸着によって分離されます。[ 5 ] 臭素も塩水から得られます。ヨウ素の製造と同様に、このプロセスでは臭化物が臭素に容易に酸化されることを利用し、ここでも塩素を酸化剤として使用します。生成物である臭素は、その揮発性を利用することで選択的に回収できます。[ 6 ]

リチウムとマグネシウムの採掘

リチウムの主な鉱床は塩水の形で存在します。[ 7 ]マグネシウムは、カリ生産など様々な資源からの廃塩水からも部分的に生産されています。粗マグネシウム酸化物と塩化物混合物は、電気分解 によって金属マグネシウムに変換されます。[ 8 ]

塩素生産

元素塩素は、食塩水（NaCl溶液）の電気分解によって生成されます。このプロセスでは、水酸化ナトリウム（NaOH）と水素ガス（H 2）も生成されます。反応式は以下のとおりです。

  • 陰極: 2 H + + 2 e − → H 2 ↑
  • 陽極: 2 Cl − → Cl 2 ↑ + 2 e −
  • 全体のプロセス：2 NaCl + 2 H 2 O → Cl 2 + H 2 + 2 NaOH

冷媒

塩水（主に塩化カルシウムと塩化ナトリウムをベースとした安価な塩水[ 9 ]）は、大型冷凍設備において熱エネルギーを輸送するための二次流体として使用されます。塩水が使用されるのは、水に塩を加えることで溶液の凝固点が下がり、低コストで熱輸送効率が大幅に向上するためです。NaCl塩水で得られる最低凝固点（共晶点と呼ばれる）は、重量比23.3%のNaCl濃度で-21.1 °C（-6.0 °F）です。[ 9 ]

腐食性があるため、塩ベースの塩水はエチレングリコールなどの有機液体に置き換えられました。[ 10 ]

一部の漁船では、魚を凍結するために塩化ナトリウムのブラインスプレーが使用されています。[ 11 ]ブラインの温度は通常-5°F（-21°C）です。エアブラスト凍結の温度は-31°F（-35°C）以下です。ブラインの温度が高いため、エアブラスト凍結よりもシステム効率が高くなります。高価な魚は通常、ブラインの実用的な温度限界よりもはるかに低い温度で凍結されます。

水の軟化と浄化

塩水はイオン交換樹脂の再生に用いられる。[ 12 ]処理後、処理水に含まれるカルシウムイオンとマグネシウムイオンで飽和したイオン交換樹脂ビーズは、6～12%の塩化ナトリウムを含む塩水に浸漬することで再生される。塩水に含まれるナトリウムイオンがビーズ上のカルシウムイオンとマグネシウムイオンを置換する。[ 13 ] [ 14 ]

料理

塩水は食品加工や調理において広く利用されています。塩水漬けは食品の保存や味付けに用いられます。野菜、チーズ、果物、そして一部の魚類には、ピクルスと呼ばれる工程で塩水漬けを施すことができます。肉や魚は、マリネ液に短時間漬け込むことで、柔らかさと風味を高めたり、保存期間を延ばしたりすることが 一般的です。

除氷

気温が低い場合には、塩水を使って道路の凍結を防いだり、凍結温度を下げたりすることができます。 [ 15 ]

焼入れ

焼入れは、鋼などの金属を鍛造する際に行われる熱処理工程です。鋼の硬化には、一般的に塩水、油、その他の物質が用いられます。塩水を使用すると、冷却プロセスと熱伝達の均一性が向上します。[ 16 ]

淡水化

淡水化プロセスは、海水または汽水から淡水を得るために水溶液から塩を分離することから成り、その過程で一般に塩水と呼ばれる排出物が生成されます。[ 17 ]

チリの海水排出物とその周囲の海洋生物

特徴

排出物の特性は、使用される淡水化技術、使用される水の塩分濃度と水質、環境および海洋学的特性、実施される淡水化プロセスなど、さまざまな要因によって異なります。[ 18 ]海水逆浸透（SWRO）による淡水化プラントの排出物は、最悪の場合、使用される海水の塩分濃度の2倍になる可能性のある塩分濃度を示すことが主な特徴であり、熱淡水化プラントとは異なり、温度と溶存酸素は使用される海水と実質的に同じです。 [ 19 ] [ 20 ]

溶解した化学物質

排水には、スケール防止剤[ 21 ]、凝集剤、凝集剤など、産業処理で使用される微量の化学製品が含まれている可能性があり、これらは排水と共に廃棄され、排水の物理的化学的品質に影響を及ぼす可能性があります。しかし、これらは処理過程で実質的に消費され、排水中の濃度は非常に低く、排出中に実質的に希釈されるため、海洋生態系に影響を与えることはありません。[ 22 ] [ 23 ]

重金属

SWROプラントで使用される材料は、主に非金属部品とステンレス鋼です。これは、運転温度が低いため、より耐腐食性の高いコーティングを施した淡水化プラントを建設できるためです。[ 24 ] [ 18 ]そのため、SWROプラントの排出物中の重金属の濃度値は、海洋生態系に環境影響を及ぼす急性毒性レベルよりもはるかに低くなっています。[ 25 ] [ 18 ] [ 26 ]

退院

排出物は、他の排出方法に比べてエネルギーと経済コストが低いため、一般的には水中排出口または沿岸放出を通じて海に戻されます。[ 23 ] [ 27 ]排出物は塩分濃度が上昇するため、周囲の海水に比べて密度が高くなります。そのため、排出物が海に到達すると、完全に希釈されるまで海底の水深線に沿って移動する塩水柱を形成します。 [ 28 ] [ 29 ] [ 30 ]塩水柱の分布は、プラントの生産能力、排出方法、排出地点の海洋学的および環境的条件など、さまざまな要因によって異なります。[ 19 ] [ 28 ] [ 27 ] [ 31 ]

海洋環境

塩水の排出により、塩分濃度が一定の閾値を超えて上昇し、特に浸透圧に敏感な底生生物群集に影響を与え、最終的にはその個体数と多様性に影響を及ぼす可能性があります。[ 32 ] [ 33 ] [ 34 ]

しかし、適切な緩和措置を講じれば、SWROプラントからの排出による環境への潜在的な影響は適切に最小限に抑えることができる。[ 23 ] [ 31 ]スペイン、イスラエル、チリ、オーストラリアなどの国では、緩和措置の採用により排出による影響を受ける地域が縮小され、海洋生態系に重大な影響を与えることなく淡水化プロセスの持続可能な開発が保証されている例がある。 [ 35 ] [ 36 ] [ 37 ] [ 38 ] [ 39 ] [ 31 ] [ 40 ]排出地域の周囲の環境に顕著な影響が検出された場合、それは通常、適切な緩和措置が実施されていなかった古い淡水化プラントに該当する。[ 41 ] [ 35 ] [ 42 ]スペイン、オーストラリア、チリでは、適切な対策を講じれば、排出地点から半径100メートル以内の範囲で塩分濃度が海の自然塩分濃度の5％を超えないことが示されている。 [ 37 ] [ 31 ]

緩和策

敏感な海洋環境への悪影響を防ぐために一般的に採用されている緩和措置は以下のとおりです。[ 43 ] [ 44 ] [ 45 ]

規制

現在、スペイン、イスラエル、チリ、オーストラリアなど多くの国では、建設段階と運用段階の両方において、厳格な環境影響評価プロセスの策定が求められています。 [ 46 ] [ 47 ] [ 48 ]その策定過程において、淡水化プロジェクトの持続可能な開発を保証するための予防措置と緩和措置を講じるための最も重要な法的管理ツールが、地方環境規制の中で確立されています。これには、一連の管理ツールと定期的な環境モニタリングが含まれており、周囲の海洋環境の状態を予防、是正、さらに監視するための措置を講じることができます。[ 49 ] [ 50 ]

この環境アセスメントプロセスの一環として、多くの国では、環境アセスメントプロセス中に確立された予防措置と是正措置の有効性を評価し、それによって重大な環境影響を生じさせることなく淡水化プラントの稼働を保証するために、環境モニタリングプログラム（PVA）の遵守を義務付けています。[ 51 ] [ 52 ] PVAは、物理化学的および生物学的情報に基づく一連の測定と特性評価を使用して、主に排出物のモニタリングに関連する一連の必須要件を確立しています。[ 51 ] [ 52 ]さらに、PVAには、海水取水の影響のモニタリングに関連する要件や、陸上環境への影響に関連する可能性のある要件も含まれる可能性があります。

廃水

ブラインは、淡水化、発電所の冷却塔、石油・天然ガス採掘の随伴水、酸性鉱山または酸性岩石排水、逆浸透膜廃棄物、塩素アルカリ廃水処理、パルプ・製紙工場の排水、食品・飲料加工の廃棄物など、多くの産業プロセスの副産物です。希釈された塩に加えて、前処理および洗浄用化学薬品の残留物、それらの反応副生成物、そして腐食による重金属が含まれている場合があります。

廃水の塩水は、塩分の腐食作用や沈殿作用、それに希釈された他の化学物質の毒性により、重大な環境危険をもたらす可能性がある。[ 53 ]

淡水化プラントや冷却塔から排出される汚染されていない塩水は、海に戻すことができます。淡水化プロセスでは、廃棄塩水が生成され、海洋生物やその生息地に損害を与える可能性があります。[ 54 ]環境への影響を抑えるために、廃水処理場や発電所の排水口など、別の水流で希釈することができます。塩水は海水よりも重く、海底に蓄積するため、下水道に水中拡散装置を設置するなど、適切に拡散するための方法が必要です。[ 55 ]その他の方法としては、蒸発池で乾燥させる、深井戸に注入する、灌漑、除氷、防塵目的で塩水を貯蔵して再利用するなどがあります。[ 53 ]

汚染された塩水の処理技術には、逆浸透膜や正浸透膜などの膜ろ過プロセス、電気透析や弱酸性陽イオン交換などのイオン交換プロセス、あるいは機械的蒸気再圧縮と蒸気を用いた熱塩水濃縮装置や晶析装置などの蒸発プロセスなどがある。浸透圧補助逆浸透膜や関連プロセスを用いた膜塩水濃縮の新しい方法は、ゼロ液体排出システム（ZLD）の一部として普及し始めている。[ 56 ]

組成と精製

塩水はNa +とCl −イオンの濃縮溶液です。様々な塩水に含まれる他の陽イオンとしては、K +、Mg 2+、Ca 2+、Sr 2+などがあります。後者3つはスケールを形成し、石鹸と反応するため問題となります。塩化物以外にも、塩水にはBr −やI −が含まれることがあり、最も問題となるのは硫酸塩SO2−4​精製工程では、酸化カルシウムを添加して固体の水酸化マグネシウムを石膏（CaSO 4 ）とともに沈殿させることがよくあります。石膏は濾過によって除去できます。さらに分別結晶化によって精製されます。得られた精製塩は、蒸発塩または真空塩と呼ばれます。[ 1 ]

参照

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