膜分離の基礎|省エネ分離の選択肢【駆動力は3種類】

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ここまで見てきた分離操作——蒸留、吸収、抽出、晶析——は、すべて相の変化か、相間の分配を使っていました。

膜分離は違います。大きさや電荷の違いで、通すか通さないかを決める。相変化を必要としないので、一般に省エネルギーな分離法といわれます。

この記事は分離工学シリーズの1本です。蒸留との関係は蒸留の完全ガイドにまとめています。

1. 大きさで並べると全体が見える

膜分離を理解する近道は、相手の大きさで並べることです。文献の表現を借りればこうなります。

膜による分離では、分離の対象としている微粒子・分子・イオンの大きさによって使用する膜が異なり、使用する膜の名称がそのまま膜分離の方法を表している。

対象物のうち最も小さいのは気体分子で、これは気体分離膜で分けます。大きいほうには赤血球や白血球などがあり、こちらはろ過膜で分けられる。

つまり「何を分けたいか」の大きさが決まれば、使う膜がほぼ決まる。これが膜分離の入口です。他の分離操作が「平衡関係を調べる」ところから始まるのに比べると、ずいぶん直接的です。

2. 6種類の膜を1枚の表で

この表の読みどころは駆動力の列です。

• 圧力差：押し込む。ろ過系と逆浸透。ポンプの動力がそのまま運転費
• 濃度差：勝手に移動する。透析。動力が要らない代わりに速度が遅い
• 電位差：電気で引っ張る。イオン交換膜。電力が運転費

蒸留の駆動力が熱ひとつだったのに対して、膜には3つの選択肢がある。工場のどのユーティリティが安いかで方式を選べるということでもあります。

3. 「ふるい分け」だけではない

膜というと「細かいザル」を思い浮かべますが、表の分離機構の列を見るとふるい分けは4系統のうちの1つにすぎません。

3行目の溶解・拡散が膜らしいところです。穴が開いていない膜でも分離ができる。分子が膜の材料に溶け込み、濃度勾配に沿って拡散し、反対側で出ていく。「溶けやすさ×拡散しやすさ」の積で選択性が決まるので、穴の大きさとは別の原理で選べます。

これは抽出の溶解度と同じ発想です。膜材料を「固体の溶媒」と見なせば、極性の考え方がそのまま効く。

逆浸透膜の選択吸着も直感に反します。海水から真水を取り出すとき、塩を止めているのではなく水を選んで通している——だから膜の表面と水の相互作用が性能を決めます。

4. なぜ省エネなのか、どこまで省エネなのか

膜分離が省エネといわれる理由ははっきりしています。相変化（蒸発）を必要としないからです。

蒸留は水1 kgを分けるのに水の蒸発潜熱を払います。膜は液のまま押し通すだけなので、払うのはポンプの動力。海水淡水化が蒸発法から逆浸透に置き換わっていったのは、この差が効いたからです。

ただし、いくつか条件が付きます。

• 浸透圧に打ち勝つ圧力が要る：逆浸透では、濃くなるほど必要圧力が上がる。濃縮の後半ほど高圧になり、回収率には上限がある
• 高純度が苦手：膜1段で得られる分離係数には限りがある。蒸留の段数に相当するものを作りにくい
• 前処理が要る：膜を傷めるものを先に取り除く工程が付く

2つ目が重要です。膜は「粗く大量に分ける」のは得意だが、「最後まで詰める」のは苦手。だから実務では膜＋蒸留や膜＋吸着のハイブリッドがよく組まれます。

典型例がパーベーパレーションによるアルコールの脱水です。エタノールと水は共沸するので蒸留では約95%で止まりますが、そこから先を膜で抜く。蒸留で共沸まで濃縮し、共沸の壁を膜で越える——お互いの得意を組み合わせた構成です。

共沸蒸留でベンゼンをエントレーナに使う古典的な方法に対して、第3成分を入れずに共沸を越えられるのが膜の強みです。

5. 運転費を決めるのは膜そのもの

膜プロセスの実務は、他の分離操作とかなり違います。装置ではなく、消耗品としての膜が主役だからです。

濃度分極は、吸収の境膜とまったく同じ話です。膜面に薄い層ができて、そこが抵抗になる。流速を上げれば境膜が薄くなるのも同じ。物質移動の問題として見ると、分離操作は互いによく似ています。

そして膜には寿命がある——これが他の分離操作と決定的に違う点です。蒸留塔のトレイは20年使えますが、膜は数年で交換します。膜の交換費が運転費の主要項目になるので、経済評価では必ず膜寿命の前提を確認してください。

逆に言えば、膜はモジュールを増やせば処理量を増やせるという利点があります。塔のように「太くするか高くするか」で悩まず、同じものを並べればよい。スケールアップのリスクが小さいのは、新規プロセスでは大きな価値です。

6. 分離方式を選ぶ順序

第6章の締めくくりとして、方式選定の考え方をまとめます。

1. まず蒸留を当たる。実績・データ・設計手法が圧倒的に豊富で、判断が速い
2. αを見る。1に近いなら段数が発散するので別方式へ。共沸があるかも同時に確認
3. αを変える工夫を検討する。減圧・抽出蒸留・共沸蒸留
4. それでも合わなければものさしを変える。沸点以外の何が違うかを探す

4番目の「ものさしを変える」が、この章で見てきたことです。

そして最後に、実務でいちばん効く一言を。1つの方式で全部やろうとしないこと。蒸留で粗く分けて膜で仕上げる、膜で濃縮して晶析で製品にする——得意なところだけを担当させる組み合わせが、たいてい最も安く付きます。

まとめ

膜分離は相変化を使わず、大きさや電荷で分ける操作です。膜の名前がそのまま方法を表しているので、対象物の大きさが決まれば使う膜がほぼ決まります。駆動力は圧力差・濃度差・電位差の3種類、分離機構はふるい分け・選択吸着・溶解拡散・電荷の4系統。蒸発潜熱を払わないので省エネですが、高純度が苦手なので蒸留や吸着とのハイブリッドが現実的です。そして膜には寿命があり、その交換費が運転費の主要項目になります。

これで蒸留・分離工学シリーズは完結です。全体像は蒸留の完全ガイドから辿れます。

参考文献

• 相良紘『分離精製技術入門 ―原理と実際―』日刊工業新聞社 第8章「膜で分ける」（分離膜の種類と特徴の一覧、対象物の大きさと膜の対応、気体分離と気体の分子径、パーベーパレーションとアルコールの分離）、第1章（分離技術の分類）　Amazonで見る
• 橋本健治『ケミカルエンジニアリング 夢を実現する工学』（膜分離法は相変化を必要としないため一般に省エネルギーな分離法といわれること）
• 化学工学会編『化学工学便覧 改訂五版』丸善（膜分離）　最新版をAmazonで見る