濾過膜は、特定の駆動力の下で物質の 2 つの異なる相を分離する媒体を指します。駆動力の作用下で、混合溶液中のイオン、分子、および一部の粒子は膜の透過性によって分離できます。
膜は材料の種類により有機膜と無機膜に分類されます。有機膜は、分離効率が高く、装置が簡単で、形成プロセスが容易なため、水処理に初めて導入され、広く使用されています。しかし、寿命が短い、化学的安定性が低い、微生物に対する耐性が弱い、熱安定性が低いなどの固有の欠点が依然としてあります。
無機膜、特にセラミック膜が徐々に注目を集めている。 1990 年代以降、無機膜の年間成長率は 30% ～ 35% に達しており、セラミック膜はこの成長率の約 80% を占めています。
無機セラミックス膜の性能特性
セラミック膜は固体膜の一種であり、その支持体は多孔質セラミック材料で構成され、フィルタ層は微多孔質セラミック膜で構成されています。それらは、管状、平坦、またはマルチチャネル形状にすることができます。セラミック膜の表面には、通常 0.004 ～ 15 μm の範囲の孔径を持つ均一に配置された微細孔が特徴です。 Al2O3、TiO2、ZrO2、SiO2 などの材料から製造されるセラミック膜は、優れた化学的安定性、高温耐性、および長寿命でよく知られています。
1. 高温耐性
無機セラミック膜は耐熱性に優れており、ほとんどのセラミック膜は1000～1300℃の温度範囲で使用可能です。高温・高粘度流体の分離に適しています。食品、乳製品、製薬産業など、化学洗浄が不可能なシナリオや、温度を上げて材料の粘度を下げる必要がある場合など、
2. 優れた化学的安定性
無機セラミック膜は、酸、アルカリ、生物的腐食に対して耐性があり、耐食性の点で金属やその他の有機膜材料を上回ります。これらは、極端な pH 値の材料、特にアルカリ性材料の処理に使用でき、優れた抗菌特性と生分解に対する耐性も備えています。
3. 高い透過選択性
多孔質セラミック膜は細孔径が小さいため、透過選択性が高く、限外濾過や精密濾過に適用できます。さらに、セラミックナノ濾過膜はイオンの分離特性が異なるため、分離対象のイオンに応じてセラミック材料を選択できます。
4. 汚染がなく、掃除が簡単で、長寿命です。
セラミック膜は化学的安定性に優れており、分離プロセス中に相変化や化学反応が起こらないため、液体への汚染がありません。
セラミック膜の洗浄は非常に簡単で、酸性、アルカリ性、酵素洗浄剤による膜表面の不溶性沈殿物、油状物質、タンパク質の除去、蒸気や熱湯による滅菌、逆洗による汚れの除去が可能です。セラミック膜は非対称構造をしているため、膜の細孔が小さくなります。
セラミック膜は耐久性に優れており、一般的な寿命は 3 ～ 5 年で、適切なメンテナンスを行えば 8 ～ 10 年に達するものもあります。
5. 光触媒作用
TiO2 膜などの特定の種類のセラミック膜は、強力な光触媒特性を備えています。紫外線下では、飼料材料中の細菌やその他の微生物を殺すことができるため、水処理、空気浄化、滅菌用途に適しています。
廃水処理におけるセラミック膜の応用
1.食品産業廃水
セラミック膜は、高温耐性、化学的安定性、酸、アルカリ、生物的腐食に対する耐性を備えているため、果汁製造工場を中心とした食品産業排水のろ過処理や、ビール、醤油、酢、いちょう水、お茶などの生薬の濾過にも使用できます。
2. 繊維・製紙廃水
繊維および製紙廃水は、その大量、高着色、複雑な組成が特徴で、染料、パルプ、繊維不純物、重金属、その他の物質が含まれており、高い生物学的毒性を有し、深刻な汚染を引き起こします。セラミック膜は不溶性染料の処理に特に効果的であり、可溶性染料の場合は界面活性剤を添加することで除去率を大幅に向上させることができます。
3. 生化学廃水
細胞除去、滅菌水製造、低分子有機化合物の浄化、バイオリアクター膜など、生化学工学分野におけるセラミック膜の応用が近年大きな注目を集めています。セラミック膜を使用して発酵ブロスから細菌を分離することにより、複数の工業規模の設備が導入され、製品の生産性が向上し、設備の負荷が軽減されるだけでなく、廃水の排出量も大幅に削減されます。
4. 含油廃水
含油廃水は、石油化学、石油抽出、輸送、機械加工、皮革、繊維、食品、医薬品などのさまざまな発生源から発生します。化学的に酸素要求量が高く、大量の油を含んでおり、深刻な環境汚染を引き起こしています。油を含む廃水を効果的に分離することは、環境修復、油回収、水の再利用にとって極めて重要です。セラミック膜ろ過技術は、優れた分離効果と二次汚染がないため、研究のホットスポットとなっています。
5. 家庭および都市廃水
アルミナ膜は家庭および都市廃水の処理に使用できます。微細孔は詰まりにくく、洗浄が簡単で、捕捉された汚染物質は制御層の表面に留まります。洗浄後は保持率と有効流量をほぼ100%回復できます。 0.1～0.35μmの範囲の制御層孔径を有するアルミナ膜チューブの除去率は、BOD5については83%、CODcrについては67%、0.1μmを超える固体懸濁物質については100%です。
水処理におけるセラミック膜バイオリアクターの応用
水処理におけるセラミック膜の応用は、特に廃水、主に産業廃水の処理に広く普及していますが、家庭下水処理におけるセラミック膜の研究と応用はまだ比較的まれです。家庭下水処理におけるセラミック膜の主な用途は、膜分離と、膜分離とバイオリアクター技術を組み合わせたセラミック膜バイオリアクター (CMBR) の 2 つのタイプに分類できます。現在、膜分離は応用研究ではあまり見られず、主に嫌気性プロセスであるセラミック膜バイオリアクターに焦点が当てられています。
メンブレンバイオリアクター（MBR）は、膜分離ユニットと生物処理ユニットを組み合わせた革新的な水処理技術です。従来の活性汚泥法における二次沈殿槽を膜モジュールに置き換えることにより、分離効率が高く、これまでにない泥水分離効果と汚泥濃縮効果を実現します。さらに、膜は廃水中の懸濁物質、有機物、病原菌、ウイルスを効率的に保持し、処理水の水質を大幅に改善します。
従来の生化学的処理技術と比較して、MBRは、高い処理効率、優れた水質、コンパクトな装置、小さな床面積、容易な自動化、および簡素化された操作と管理という大きな利点を持っています。 1980 年代以降、この技術はますます注目を集め、水処理研究においてホットな話題となっています。現在、膜バイオリアクターは 、米国、ドイツ、フランス、日本、エジプトを含む10 か国以上で適用されています 。
都市廃水を集中処理する場合、処理すべき水の量が多く、汚染物質の濃度が比較的低いため、膜ろ過はエネルギー集約的であり、経済的に実現可能ではありません。ただし、セラミック膜バイオリアクターは、集合住宅での廃水再利用など、家庭下水の分散処理に使用できます。セラミック膜バイオリアクターは、安定した動作、最小限のメンテナンス要件、高い機械的強度、長い耐用年数、および化学的腐食に対する耐性を備えており、有機膜と比較して高い競争力を持っています。
要約すると、セラミック膜バイオリアクターは、その長い耐用年数、高い信頼性、一貫した処理効果、少ない操作とメンテナンスの要件により、工業用水処理において広く評価されており、分散型家庭下水処理において大きな応用の見通しを持っています。
