膜技術——全球水危機問題的救星
發布時間：2024-05-09 點擊：79
據稱全球69億人口中，有9億人無法正常獲得飲用水，26億人沒有污水處理等衛生設備。這種情況在水資源豐富的日本是無法想像的，缺水和水質污染等水問題已經成為與糧食和能源并列的、亟待人類解決的課題之一。
在水問題像如今這般備受關注之前，日本東麗公司就一直專注于水處理用分離膜＊1的研究（圖1）。該分離膜根據分離對象物質的大小備有4種，東麗在全球獨一無二地以自主技術開發出這4種分離膜。
圖1：非洲最大的海水淡化工廠
建在阿爾及利亞首都阿爾及爾近郊。每天的產水能力為20萬m3。2008年2月開始啟用。 照片提供：ge water & process technologies
＊1：水處理用分離膜 按照對象物從小到大的順序，分別為ro膜、nf（納米過濾）膜、uf（超濾）膜以及mf（精密過濾）膜。對象物的大小分別為0.5n～0.7nm以上、1nm以上，10nm以上以及100nm以上。
東麗堅持開發該分離膜的目的很明確，就是希望向全世界的人們提供便宜的安全放心水。為了穩定確保水的“質”與“量”，該公司一直堅持不懈地開展研究工作。[next]
從光滑側流向粗糙側
在4種水處理用分離膜中，分離對象（支持膜的微孔徑）最小的是ro（反滲透）膜。其大小實際上僅為0.5n～0.7nm。可以分離na（鈉）離子和cl（氯）離子等一價離子，以及硼和三鹵甲烷等限制物質＊2。
＊2：海水中也有硼。硼有可能會引起柑橘類疾病，或者使動物的生殖功能下降。
正如其名稱一樣，ro膜利用了反滲透這一物理現象。溶質濃度不同的兩種溶液經由半透膜接觸后，稀薄溶液側的水會向粘稠溶液側移動，以使兩種溶液的溶質濃度達到統一。這種現象叫做“滲透”，水移動達到明顯停止的平衡狀態時，半透膜承受的兩種溶液的水壓差叫做滲透壓。因此，如果向粘稠溶液側施加超過滲透壓的較大壓力，那么水就會朝著與滲透時相反的方向移動。這就是“反滲透”。實際上，對于鹽分濃度約為3.5％的100單位海水（粘稠溶液），通過施加5.5mpa的壓力可以獲得40單位的淡水（稀薄溶液）、60單位的濃縮海水。這就是海水淡化原理。
ro膜由三層構成（圖2）。底層是厚度為150μm的聚酯無紡布基材。其上面層疊了作為支撐層的45μm厚聚砜（uf膜），以及用作分離功能層的0.2μm厚交聯芳香聚酰胺（ro膜）。ro膜的手感像紙一樣，海水和污水的處理溶液，會從光滑的ro膜側流向粗糙的基材側。
圖2：ro膜的構成
采用從上開始分別為分離功能層（ro膜）、支撐層（uf膜）以及基材（無紡布）的3層構造。ro膜大小約為0.5n～0.7nm，支撐層帶有約10nm的微孔。基材中有幾μm的縫隙。中間支撐層的作用是使ro膜表面變得平滑。[next]
進行納米級膜設計
要想提高性能，ro膜孔的大小、分布以及數量控制尤其重要。東麗地球環境研究所所長邊見昌弘表示，“ro膜表面采用聚酰胺薄膜的褶皺構造。為了以高水平維持或提高非常難以去除的硼的去除率同時讓水順利通過，我們對褶皺的大小和表面積進行了設計”。
解析技術對此類膜設計提供了幫助。東麗在2005年開發出了將基于日本產業技術綜合研究所電子加速器設施的“正電子湮沒壽命測量法＊3”應用于薄膜的技術，并在全球首次確立了以非破壞性方式測量ro膜孔直徑的解析方法。由此，實現完善的ro膜設計成為可能。
＊3：正電子湮沒壽命測量法 利用正電子容易被缺陷捕獲的性質，測定正電子與電子碰撞并湮沒之前的時間，然后提取缺陷信息。東麗將其應用在了ro膜孔分析上。
邊見昌弘表示，今后，計劃“使性能比目前增加5成”。這一目標的具體內容是在維持硼去除率的同時，將產水量提高至1.5倍。據東麗介紹，提高產水量有助于節能，因此市場需求非常大。
以上主要是以海水和鹽水＊4為處理對象的ro膜，不僅如此，ro膜還可以用于處理污水。此時，抑制被稱為水生物污垢的膜污垢將成為一個重要因素。要想降低水生物污垢，即不易產生污垢，就需要使膜表面平滑且具有親水性。這樣一來，污垢就不易附著了，即使附著上也可用水輕松地洗掉。
＊4：鹽水 指海水和淡水混合后的水。包含0.1～1.0％的鹽分。
還將推進研究新型膜
海水淡化的主要方法，除了利用ro膜的反滲透法以外還有蒸餾法。將海水加熱產生蒸汽，然后將其凝縮獲得淡水。由于蒸餾法采用熱能，因此在能源價格較低的中東等地該方法是主流。
但是環顧全球，反滲透法的應用范圍正在迅速擴大，2000年代超過了蒸餾法。從生產1噸水時的二氧化碳排量來看，蒸餾法為10kg/m3，而反滲透法僅為其1/5的2kg/m3。另外，就產水成本而言，“在中東也是反滲透法更低”，因此估計反滲透法的應用范圍今后將越來越大。
與此同時，除了ro膜外，還將推進研究其他的新型膜。例如，碳納米管（cnt）。由于具有疏水性，因此水可以高速地通過cnt內。模仿向細胞供水的蛋白質、由約300個氨基酸構成的膜蛋白“水通道蛋白（aquaporin）”也是有力候補。由于可以只通過水而不通過離子，因此有望具備較高的水選擇滲透性。
這些膜技術的發展將造福35億人。
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在水問題像如今這般備受關注之前，日本東麗公司就一直專注于水處理用分離膜＊1的研究（圖1）。該分離膜根據分離對象物質的大小備有4種，東麗在全球獨一無二地以自主技術開發出這4種分離膜。
圖1：非洲最大的海水淡化工廠
建在阿爾及利亞首都阿爾及爾近郊。每天的產水能力為20萬m3。2008年2月開始啟用。 照片提供：ge water & process technologies
＊1：水處理用分離膜 按照對象物從小到大的順序，分別為ro膜、nf（納米過濾）膜、uf（超濾）膜以及mf（精密過濾）膜。對象物的大小分別為0.5n～0.7nm以上、1nm以上，10nm以上以及100nm以上。
東麗堅持開發該分離膜的目的很明確，就是希望向全世界的人們提供便宜的安全放心水。為了穩定確保水的“質”與“量”，該公司一直堅持不懈地開展研究工作。[next]
從光滑側流向粗糙側
在4種水處理用分離膜中，分離對象（支持膜的微孔徑）最小的是ro（反滲透）膜。其大小實際上僅為0.5n～0.7nm。可以分離na（鈉）離子和cl（氯）離子等一價離子，以及硼和三鹵甲烷等限制物質＊2。
＊2：海水中也有硼。硼有可能會引起柑橘類疾病，或者使動物的生殖功能下降。
正如其名稱一樣，ro膜利用了反滲透這一物理現象。溶質濃度不同的兩種溶液經由半透膜接觸后，稀薄溶液側的水會向粘稠溶液側移動，以使兩種溶液的溶質濃度達到統一。這種現象叫做“滲透”，水移動達到明顯停止的平衡狀態時，半透膜承受的兩種溶液的水壓差叫做滲透壓。因此，如果向粘稠溶液側施加超過滲透壓的較大壓力，那么水就會朝著與滲透時相反的方向移動。這就是“反滲透”。實際上，對于鹽分濃度約為3.5％的100單位海水（粘稠溶液），通過施加5.5mpa的壓力可以獲得40單位的淡水（稀薄溶液）、60單位的濃縮海水。這就是海水淡化原理。
ro膜由三層構成（圖2）。底層是厚度為150μm的聚酯無紡布基材。其上面層疊了作為支撐層的45μm厚聚砜（uf膜），以及用作分離功能層的0.2μm厚交聯芳香聚酰胺（ro膜）。ro膜的手感像紙一樣，海水和污水的處理溶液，會從光滑的ro膜側流向粗糙的基材側。
圖2：ro膜的構成
采用從上開始分別為分離功能層（ro膜）、支撐層（uf膜）以及基材（無紡布）的3層構造。ro膜大小約為0.5n～0.7nm，支撐層帶有約10nm的微孔。基材中有幾μm的縫隙。中間支撐層的作用是使ro膜表面變得平滑。[next]
進行納米級膜設計
要想提高性能，ro膜孔的大小、分布以及數量控制尤其重要。東麗地球環境研究所所長邊見昌弘表示，“ro膜表面采用聚酰胺薄膜的褶皺構造。為了以高水平維持或提高非常難以去除的硼的去除率同時讓水順利通過，我們對褶皺的大小和表面積進行了設計”。
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＊3：正電子湮沒壽命測量法 利用正電子容易被缺陷捕獲的性質，測定正電子與電子碰撞并湮沒之前的時間，然后提取缺陷信息。東麗將其應用在了ro膜孔分析上。
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以上主要是以海水和鹽水＊4為處理對象的ro膜，不僅如此，ro膜還可以用于處理污水。此時，抑制被稱為水生物污垢的膜污垢將成為一個重要因素。要想降低水生物污垢，即不易產生污垢，就需要使膜表面平滑且具有親水性。這樣一來，污垢就不易附著了，即使附著上也可用水輕松地洗掉。
＊4：鹽水 指海水和淡水混合后的水。包含0.1～1.0％的鹽分。
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與此同時，除了ro膜外，還將推進研究其他的新型膜。例如，碳納米管（cnt）。由于具有疏水性，因此水可以高速地通過cnt內。模仿向細胞供水的蛋白質、由約300個氨基酸構成的膜蛋白“水通道蛋白（aquaporin）”也是有力候補。由于可以只通過水而不通過離子，因此有望具備較高的水選擇滲透性。
這些膜技術的發展將造福35億人。
2013年6成報業單位報紙印量呈現負增長
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