RO 膜はどのようにして 99.9% の塩除去率を達成するのでしょうか?

逆浸透膜（RO膜）は、自然の浸透圧プロセスに逆らうという基本原理に基づいて機能します。その動作メカニズムの詳細な分析を以下に示します。

天然浸透と逆浸透の物理的比較

自然浸透現象とは、半透膜（淡水と塩水など）の両側に濃度差がある場合、水分子が低濃度側から高濃度側へ自発的に流れ、両側の濃度が均衡するまで続く現象です。このとき、液面の高低差によって生じる圧力が浸透圧です。

希薄溶液の浸透圧 π は、π = iCRT です (ここで、i は溶質分子の電気分解によって生成されるイオンの数、C は溶質のモル濃度、R はモル気体定数、T は絶対温度です)。
たとえば、海水の浸透圧は 28 バールと高く、水の流れを逆転させるにはさらに大きな圧力が必要になります。

逆浸透の「高圧向流」とは、生理食塩水側に圧力（＞浸透圧）をかけることで水分子を逆方向に流し、「生理食塩水→純水」の逆濃度勾配移動を実現します。

逆浸透中、溶媒の浸透速度、すなわち液体の流れエネルギーNは、N=Kh(Δp－Δπ) （ここで、Kh は水力透過係数で、温度とともにわずかに増加します。Δp は膜全体の静圧差です。Δπ は膜全体の浸透圧差です）。

この時点で、純水側では、通過する水分子を集めます（浸透）、濃縮水側では、塩分、重金属、その他の不純物を保持します（濃縮）。

膜構造の極限精度

サンドイッチ構造：

支持層：不織布（厚さ≒120μm） - 高圧に耐える「鉄骨」。

多孔質層：ポリスルホン素材（孔径 0.01～0.1 μm） - 泥、砂、錆を遮断する「第一防衛線」。

アクティブ層: ポリアミドフィルム (厚さ ≈ 200 nm) - 真の「分子審判員」であり、孔サイズはわずか 0.1 ～ 1 nm (≈ 水分子の 2 倍のサイズ) です。

比較データ:

ウイルスの直径（0.02〜0.3μm）＞膜孔径の3000倍。

細菌サイズ（0.5〜5μm）＞膜孔サイズの5000倍。

古典モデル理論

• 溶解拡散モデル

基本的な仮定: 膜は細孔のない均質な構造であり、溶質と溶媒は膜材料への溶解と拡散によって移動します。

送信プロセス:

溶解：水分子と溶質は膜表面に吸着し、膜材料に溶解します。
拡散: 化学ポテンシャル勾配 (圧力差) の駆動力により、水分子は膜を介して優先的に拡散します。

脱着: 膜の反対側で純水として放出されます。

数式：水フラックス Jw = A(ΔP − DP）ここで、Aは膜透過係数であり、 DPは加えられた圧力であり、 DP 浸透圧の差です。

• 優先吸着-毛細管流動モデル

基本的な仮定: 膜表面にはナノスケールのチャネルがあり、水分子を優先的に吸着して「結合水」の単層を形成し、溶質は反発されます。

伝達機構：

選択的吸着：膜表面は水素結合（例：セルロースアセテートのカルボニル酸素）を介して水分子を選択的に吸着します。

チャネル輸送: 高圧下では、結合水は「水素結合ジャンピング」によってチャネルを通過しますが、溶質はサイズ排除により保持されます。

パフォーマンス：

塩除去率：98％～99.9％（脱塩後TDS

重金属除去率：99.9％以上（鉛、ヒ素など）。

主な影響要因

動作圧力
溶液の浸透圧以上である必要があります。通常、工業用途 (淡水化) の場合は 60 ～ 80 bar、家庭用の場合は 2 ～ 4 bar です。

温度：5～45℃（高温は膜孔の変形を引き起こします）

pH範囲：4〜11（ポリアミド膜）、5〜6（セルロースアセテート膜）。

汚染物質の種類

無機スケール（例：CaCO₃): pH=2のクエン酸洗浄が必要

生物学的汚染（例：細菌フィルム）：DBNPA 消毒剤で処理済み。

アプリケーションシナリオと膜タイプの選択

海水淡水化ポリアミド複合膜（TFC）高圧耐性（＞60バール）、99％の淡水化率

家庭用浄水器 スパイラル複合膜 低圧運転（2～4 bar）、エネルギー節約 30%。

工業用純水（電子チップ）超低圧複合膜 製品の耐水抵抗18MΩ·cm。