ナノ濾過とは何ですか?

膜プロセスにおける比較的最近の開発である Ken Sutherland は、急速に拡大しているナノ濾過の分野、その特徴、およびその応用について考察します。

ナノ濾過の背景

1960 年代初頭の高分子膜製造のための転相プロセスの開発に続いて、ろ過およびろ過関連の活動が急増したことにより、逆浸透、限外ろ過、そして最近では、3 つの膜分離プロセスが確立されました。精密濾過。 これらのプロセスにより、標準ろ過の従来のカットポイント限界である約 0.01 mm (10 μm) から、サイズが数ナノメートルの非常に細かい個別の固体まで分離スペクトルが取得され、溶液からの大きな分子の分離が可能になりました。 実際のサイズ範囲はソースごとに多少異なりますが、精密濾過は 10 μm ～ 0.1 μm の範囲をカバーするのに対し、限外濾過は個別粒子または分子量カットの観点から 0.1 μm ～ 0.005 μm (5 nm) をカバーするという点で一般的に一致しています。 - 溶解物質のオフ (MWCO) 数値は 300,000 から約 300 ダルトンまで減少します。 もちろん、逆浸透は非常に小さな塩化ナトリウム分子を保持するように設計されており、これは水以外は何も通過させないことを意味します。

これらの意図されたサイズ範囲では、実際には、限外濾過の範囲の下限 (約 100 ～ 300 ダルトン) での範囲にまだギャップが残っています。 膜の開発は 1970 年代から 1980 年代にかけてかなり急速に進み、「緩い RO」膜プロセスが誕生し、1980 年代の終わりには「ナノ濾過」という名前が付けられました。

この意味で、ナノ濾過は、膜分離プロセスの範囲におけるごく最近の開発であり、(分離サイズの点で) 逆浸透の上限と限外濾過の下限を取り込み、100 ～ 1000 の MWCO 値をカバーします。ダルトンズ。 液体中に浮遊する個別の粒子ではなく、液体に溶解している物質を扱います。 溶質と溶媒の分離は、膜の物理的な穴 (細孔) を介するのではなく、主に高い膜間圧力によって駆動される、膜材料の塊を通る溶媒分子の拡散によって起こります。 プロセス設計者の意図により、または膜材料内での溶質の拡散係数が有限 (ただし非常に小さい) であるため、一部の溶質分子は膜を通って拡散する場合もあります。

ナノ濾過と逆浸透の主な違いは、後者は一価の塩（塩化ナトリウムなど）を保持するのに対し、ナノ濾過はそれらを通過させ、硫酸ナトリウムなどの二価の塩を保持することです。 ロバート・ピーターソンは、エルゼビアのナノ濾過 – 原理と応用の序文の中で、逆浸透（特に水処理事業における）は食事のメインコース、おそらくステーキであるのに対し、ナノ濾過は「ワインメニューのようなものであり、...創造性と探求」。

前の段落では、ナノ濾過と呼ばれる一般的に受け入れられているプロセスの起源と性質について説明しました。ナノ濾過は、比較的高い膜間圧力で膜を使用して実行される、溶解固体を除去する液相分離です。 しかし、多くの濾過事業の進歩は、液体濾過とガス濾過の両方において、ますます微細なカットポイントに対する要求によって推進されており、現在、これらの要求は、濾材を製造するために対応してより細い繊維を使用することによって満たされている。 これらの繊維の直径は 1 マイクロメートルより大幅に小さくなり、そのためナノメートル単位で測定され、一般にナノファイバーとして知られるようになってきています。 これらは、より粗い基材上にナノファイバーのウェブが支持された複合フィルター媒体を製造するために使用されます。

これらのナノウェブ媒体で達成できる非常に微細な濾過により、効果的に精密濾過である分離プロセスがはるかに低いカットポイントに到達します。 これらの材料は、膜と呼ばれることもありますが、膜というと依然として最も一般的に考えられる半透性プラスチックシートとは形式が大きく異なります。 第 10 回世界濾過会議 (2007 年) では、合計約 250 件の個別の論文と 85 件のポスター発表のうち、ナノ濾過を特集したものが 12 件、フィルター媒体としてのナノファイバーに関するものが 14 件あったことは注目に値します。

ナノ濾過とナノファイバーによる濾過という 2 つのシステムは、混乱を避けるために十分に異なるものであることが望まれますが、この記事の残りの部分では両方について説明します。

「ナノテクノロジー」という用語は、現在非常に広く使用されており、非常に小さなものを含む科学、工学、製造活動全体を指します。 残念ながら、この用語は「未知への恐怖」という要素を伴って一般の意識に入り込んでいます。 ナノ濾過に関与する媒体はほとんど連続的であり、RO 膜や UF 膜と区別できないため、これはナノ濾過とは関係ありません。 しかし、それはナノファイバーの製造と使用に関係しており、ナノファイバーの製造者と使用者は懸念を拡大しないように注意する必要がある。

ナノ濾過として知られる膜分離プロセスは、液体（完全ではないが主に水）中の溶液からさまざまな無機および有機物質を分離するため、本質的には液相プロセスです。 これは、逆浸透の場合よりもかなり低い圧力差の下で、膜を通る拡散によって行われますが、それでも限外濾過の場合よりはかなり大きいです。 ナノ濾過がプロセスとして認知されるようになったのは、薄膜複合膜の開発でした。それ以来のナノ濾過の目覚ましい成長は主に、イオン性有機種や比較的低分子量の有機種を分離および分画するその独特の能力によるものです。

膜はナノ濾過システムの性能の鍵となります。 これらは、セルロース誘導体や合成ポリマーを含むさまざまな材料、無機材料、特にセラミック、および有機/無機ハイブリッドから、プレートおよびフレームの形、らせん状、管状、毛細管および中空糸の形式で製造されます。

NF 用膜の最近の開発により、非常に高いまたは低い pH 環境や非水性液体への適用における機能が大幅に拡張されました。 プラスチックメディアは高度に架橋されているため、より過酷な環境でも長期安定性と実用的な寿命が得られます。 NF 膜は表面がわずかに帯電する傾向があり、中性 pH では負に帯電します。 この表面電荷は、膜の輸送機構と分離特性において重要な役割を果たします。

他の膜プロセスと同様に、ナノ濾過は汚れの影響を受けやすいため、ナノ濾過システムは、適切な前処理、適切な膜材料、堆積したスライムを膜表面からこすり落とす適切なクロスフロー速度を使用して、その可能性を最小限に抑えるように設計する必要があります。および回転または振動する膜ホルダーを使用します。

ナノ濾過の産業用途は、食品および乳製品分野、化学処理、紙パルプ産業、繊維分野で非常に一般的ですが、主な用途は引き続き淡水、プロセス水、および廃水の処理です。

水の処理においては、従来のプロセスの最後の研磨にNFが使用されています。 水の淡水化には使用できませんが、主な硬度化学物質は 2 価であるため、水を軟化させる効果的な手段です。 一見すると、NF に必要な高い膜間差圧がほとんどのバイオリアクター システムでは利用できないため、NF は MBR プロセスにあまり居場所がないように見えますが、MBR には NF が活躍できる特殊な用途がいくつかあります。 Smith のレビューは、細菌、ウイルス、原生動物の嚢胞の 99.9999% の濾過に使用される Argonide の 2 nm アルミナの NanoCeram ファイバーへの言及を含め、ナノテクノロジーの全分野をよくカバーしています (現在は Ahlstrom の Disruptor テクノロジーとして利用可能です)。

NF 膜は、水からの天然有機物、特に味、匂い、色の除去や、大量の水流からの微量除草剤の除去にも使用されます。 飲料水中の残留量の消毒剤の除去にも使用できます。

食品産業への応用例は非常に多いです。 乳製品部門では、NF はホエーを濃縮するために使用され、他のホエー処理から浸透したり、定置洗浄溶液のリサイクルに使用されます。 砂糖の処理では、デキストロース シロップと薄い砂糖ジュースが NF によって濃縮され、イオン交換塩水は脱塩されます。 NF は、食用油加工部門における溶液の脱ガム、チーズの連続生産、および代替甘味料の生産に使用されます。

おそらく、化学部門全体 (石油化学や医薬品を含む) には、他の業界を合わせた数と同じくらい多くの異なるアプリケーションが存在します。 プラントで使用されているものよりも多くがまだ構想段階にありますが、NF は化学業界全体に貴重な貢献をしています。 天然塩水からの塩の製造では、精製プロセスとして NF が使用されますが、ほとんどの化学プロセスでは非常に有害な廃棄物が生成され、通常、NF を含むプロセスによって貴重な化学物質がそこから回収されます。 製薬およびバイオテクノロジー分野の多くの製品は価値が高いため、精製プロセスで NF を使用できます。

紙パルプ産業は、その生産プロセスで非常に大量の水を使用しますが、業界は主に「水循環を閉じる」ことによってその量を削減しようと努めています。このシステムでは、NF の浄化特性が重要な役割を果たしています。

これらの具体的に言及された用途はすべて水ベースですが、ナノ濾過は水性懸濁液の処理に限定されません。 実際、最大規模の NF プラントの 1 つは、石油の脱蝋のために石油精製所に設置されました。 Boam と Nozari は、有機溶媒ナノ濾過のレビューの中で、多くの有機系分離プロセスは非常にエネルギーを大量に消費し、対照的に OSN は (例えば蒸留と比較して) 非常にエネルギーを節約できる代替手段になり得ると指摘しています。

水系では、ナノ濾過では、ポリエーテルスルホン、ポリアミド、セルロース誘導体などの親水性ポリマー材料が使用されます。 これらの材料は有機溶媒と接触すると、すぐに安定性を失います。 したがって、水系と同様の性能を発揮する特殊な膜が開発され、現在では溶媒交換、溶媒の回収と分離、触媒の回収、重金属の除去に使用されています。

有機および無機の合成材料は、現在、溶融状態からさらに細い繊維へと紡がれていますが、この目的のために数十年にわたって使用されてきた材料と何ら変わりはありません（ただし、熱可塑性ポリマーの種類がますます拡大していることを除けば）。利用可能）。 変わったのはスピナレットの下流の装置であり、これにより広範囲の繊維径の製造が可能になりました。 40 年以上前、繊維直径が 10 μm 以上のスパンボンド媒体から始まり、フラッシュ紡糸およびメルトブローン (1 μm 強) から、繊維直径が 100 nm に近づくエレクトロスピニング材料まで、このリストは多岐にわたります。

これらの材料はそれぞれ、繊維のランダムな配列としてウェブとして製造でき、より強力な基材上に適切に支持されている限り、それ自体が非常に優れたフィルター媒体になります。 Tucker は、デュポンの液体またはガスろ過用の新しい HMT 媒体を紹介する際に、これらの材料について優れたレビューを行っています。 ユナイテッド エア スペシャリストは、ドナルドソンがウルトラウェブ メディアを開発したのと同様に、塵除去用のナノファイバーを開発しました。

細紡糸技術はカーボン繊維やセラミック繊維の製造に適していることが証明されており、明らかにフィルターメディア事業、特に空気濾過の主要分野を占めることになるでしょう。 これらの媒体は汚染物質を 0.1 μm 未満まで除去できるため、膜としてカウントされることになり、確かにナノ膜として知られています。

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