逆浸透膜（RO膜）とは：超純水製造に欠かせないろ過膜
semi-journal逆浸透膜(RO膜)とは
逆浸透膜(RO膜)とは「水分子のみを通過させ、イオンや不純物を阻止する半透膜」です。高濃度側(不純水)に人工的な高圧をかけることで、浸透圧に逆らって水分子だけを膜の反対側(純水側)に押し出す現象を「逆浸透」と呼びます。
砂ろ過・活性炭ろ過による前処理を通過した水は、次に「一次純水システム」へと送られます。
超純水製造プロセスの例
この一次純水システムの中で、最も多くの不純物を取り除く中心的な役割を担うのが逆浸透膜(RO膜)です。イオン除去率は95〜99%程度に達し、水中の大部分のイオン・シリカ・微粒子がここで除去されます。
浸透と逆浸透の原理
基本となる「通常の浸透」と、「逆浸透」を理解しましょう。
- 浸透(osmosis)
- 逆浸透(reverse osmosis)
濃度の異なる液体を半透膜で隔てると、濃度を均一にしようとする自然な力によって、低濃度側(純水)から高濃度側(不純水)へ水が移動する現象。この移動を止めるために必要な圧力が浸透圧(osmotic pressure)。
浸透圧を上回る人工的な圧力を高濃度側にかけることで、水の移動方向を強制的に逆転させる現象。自然の力に逆らい、不純水側から純水側へ水を押し出す。
半導体製造・純水製造では、この逆浸透を起こすために数MPa程度の高圧ポンプが用いられ、RO膜に原水を送り込んでいます。
RO膜の構造:スパイラル型エレメント
実際の産業用RO膜の多くは「スパイラル型エレメント」という形状で使われています。
スパイラル型膜モジュール・エレメントは、RO膜・給水スペーサー・透過水スペーサーを重ねてロール状に巻き、限られた容積の中に大きな膜面積を収める構造をしています。
原水はエレメントの側面から流れ込み、給水スペーサー（メッシュスペーサー）の隙間を通りながら膜表面を通過します。膜を透過した水(透過水スペーサー側)は中心の集水管に集められ、透過水として排出されます。一方、膜を透過できなかったイオンや不純物は、濃縮水として反対側から排出されます。
RO膜の材料：ポリアミド膜
現在広く使われている逆浸透膜（RO膜）の多くは、ポリスルホン等の多孔性支持膜の上に、界面重合によって極薄の「ポリアミド分離層」を形成させた複合膜構造となっています。
RO膜のポリアミド分離層・分離膜は、メタフェニレンジアミン（MPD）とトリメソイルクロリド（TMC）を用いた「界面重合法」によって合成されます。
この反応は合成繊維であるナイロン66と同様の縮合重合反応です。1分子あたり2つのアミノ基（-NH₂）を持つMPDと、3つのカルボニルクロリド基（-COCl）を持つTMCを反応させることで、網目状に強く結びついた3次元の架橋ポリアミド構造が形成されます。
生成されるポリアミド層は非常に薄いものの、水分子以外の透過をほとんど許さない非常に緻密な膜となります。
この薄膜だけでは強度を保てないため、ポリスルホンなどの樹脂からなる多孔性の支持膜(UF膜相当の孔径構造)の上に形成され、さらにその下を不織布などの基布が支えることで、膜全体の機械的強度が確保されています。
なお、MPDの代わりにピペラジン（PIP）を用いて同様の界面重合を行うと、架橋度が下がりやや粗い膜構造となるため、RO膜よりもやや分離性能が緩やかなナノろ過膜（NF膜）を作製することも可能です。
なぜ塩素の除去が必要か
活性炭ろ過の記事でも触れた通り、RO膜の手前では塩素・クロラミンを徹底的に除去する必要があります。その理由は、RO膜の主流素材であるポリアミドが、塩素による酸化に弱いという性質を持つためです。
ポリアミド膜は、分子同士を結びつける「アミド結合」によって緻密な網目構造を作り、これがイオンを阻止する性能の源になっています。塩素はこのアミド結合を酸化・分解してしまい、網目構造を破壊します。
もし塩素やクロラミンの除去が不十分なままRO膜に通水すると、ポリアミドの分子鎖が切断されて微細な孔が広がり、本来阻止すべきイオンまで通過してしまう「脱塩率の低下」を引き起こします。
網目構造が壊れると、本来阻止すべきイオンまで膜を通過してしまい、除去率(脱塩率)が低下します。一度酸化されたポリアミド膜は元の性能に戻らないため、前段の活性炭ろ過による塩素除去は、RO膜の寿命を守るうえで欠かせない工程なのです。
RO膜の性能を示す3つの指標
RO膜の性能を示す指標は、大きく以下の3つが挙げられます。
| 指標 | 意味 |
|---|---|
| 除去率(Rejection Rate) | 供給水中のイオンをどれだけ阻止できるかの割合(95〜99%程度) |
| 回収率(Recovery Rate) | 供給水のうち透過水として回収できる割合(残りは濃縮水として排出) |
| 透過流束(Flux) | 単位膜面積・単位時間あたりに透過する水量 |
回収率を上げるほど濃縮水(排水)は減らせますが、上げすぎると膜面での濃縮側イオン濃度が高くなり、後述するスケーリングのリスクが高まるというトレードオフがあります。
運用上の課題:ファウリングとスケーリング
RO膜は長期間安定して使うために、日々の運用管理が欠かせません。特に注意すべき劣化現象が「ファウリング」と「スケーリング」です。
- ファウリング（fouling）
- スケーリング（scaling）
有機物・微粒子・微生物などが膜表面に付着する現象
濃縮水側でカルシウムやシリカなどが飽和溶解度を超えて結晶化する現象
いずれの現象も、膜を目詰まりさせ、水の透過流速を減少させてろ過効率を低下させます。これらを防ぐため、半導体プラントでは定期的な薬品洗浄(CIP:Clean In Place)を実施し、膜面に付着した汚れやスケールを化学的に除去して性能を回復させています。
こうした運用管理のもと、RO膜は一次純水システムの中でイオン・シリカ・微粒子の大部分(95〜99%)を一括して除去する主力プレイヤーとなります。ただしRO膜だけでは超純水レベルの純度には到達できず、残る溶存ガス(CO₂など)は後段の脱気膜が、残留イオンやシリカはEDIが仕上げを担当します。
まとめ:RO膜の役割一覧
| 項目 | 内容 |
|---|---|
| 原理 | 高圧により浸透圧に逆らって水分子のみを透過させる |
| 構造 | 架橋ポリアミド系複合膜によるスパイラル型エレメント |
| 性能指標 | 除去率・回収率・透過流束 |
| 弱点 | 塩素によるポリアミドの酸化劣化 |
| 運用上の課題 | ファウリング・スケーリング(定期的なCIPで対応) |
| 後続工程 | 脱気膜(溶存ガス除去)→ EDI(残留イオン・シリカ除去) |
※ 設備・原水水質・膜の種類によって性能は異なります
