逆浸透システムにおける給水塩分濃度の影響

給水塩分濃度は、通常、全溶解固形物（TDS）として表され、水中のすべての無機塩（ナトリウム、カルシウム、マグネシウム、塩化物、硫酸塩など）の濃度の合計です。これは、設計、運転、および経済効率において最も重要なパラメータの1つです。 逆浸透 システム全体に影響を与え、その影響は包括的かつ相互に関連している。

1. 浸透圧および作動圧力への直接的な影響

ROプロセスの本質は、水の自然な浸透圧を克服し、半透膜を通して水分子を通過させ、塩分を保持することにある。ファンデルホッフの式によれば、溶液の浸透圧はそのモル濃度（TDSと直接関係）に正比例する。

浸透圧 ≈ 0.8 bar / (1000 mg/L TDS)。これは簡略化された経験式ですが、非常に直感的です。供給水の TDS が 1000 mg/L の場合、理論上の浸透圧は約 0.8 bar です。供給水の TDS が 5000 mg/L (汽水など) に増加すると、理論上の浸透圧は約 4 bar に上昇します。海水の場合、TDS は約 35,000 mg/L で、​​理論上の浸透圧は約 28 bar にもなります。

有効な透過駆動力（正味駆動圧力）を生成するために、 ROシステム 必要な圧力は浸透圧よりもはるかに高くなければなりません。したがって、供給水の塩分濃度が1桁上がるごとに、必要な運転圧力はほぼ直線的に増加します。海水淡水化ROは通常55～80バールで運転されますが、通常の汽水ROはわずか10～25バールで運転されます。これは、消費電力の増加と、設備および材料に対する要求の高まりを意味します。

2. システムの脱塩速度への影響

RO膜の各種イオンに対する除去率は比較的安定している。しかし、供給水の塩分濃度の変化は、システムの脱塩性能に2つのレベルで影響を与える。

見かけ上の脱塩率の低下：脱塩率は（1 - 透過液の塩分濃度 / 原水塩分濃度）× 100% で計算されます。絶対的な塩透過率（単位時間あたりに通過する塩の量）が一定であると仮定すると、原水の塩分濃度が急激に上昇した場合、膜の物理的特性が変化しない場合でも、計算される「脱塩率」は低下します。

さらに重要なことに、高塩濃度は膜を挟んだ塩濃度勾配を大きくし、膜表面から透過液側への塩拡散の駆動力（濃度分極の悪化）を増加させるため、実際の塩透過量が増加します。極めて高塩濃度の場合、膜の脱塩速度は確かに大幅に低下します。

3. 透過水および回収率への影響

一定の運転圧力では、正味駆動圧力＝運転圧力－浸透圧となります。前述のように、塩分濃度が高いと浸透圧が高くなり、正味駆動圧力が直接的に低下します。

透過流量は正味駆動圧力に正比例します。運転圧力が一定の場合、供給液のTDS濃度が1000mg/Lから5000mg/Lに増加すると、正味駆動圧力が3～4バール低下し、透過流量が20～30%以上減少する可能性があります。

システムの回収率（透過水／供給水）が増加すると、膜素子末端における供給水の塩分濃度は指数関数的に上昇します。供給水システムの末端におけるTDS濃度の過剰な上昇による浸透圧の急上昇やスケール生成のリスクを回避するため、高塩分供給水システムでは、より保守的な回収率を採用する必要があります。

一般的な水道水の逆浸透（RO）回収率は75%に達することがあります。高塩分濃度の水のRO回収率は通常60～70%に設計されています。海水のRO回収率はさらに40～50%に制限されます。回収率が低いということは、濃縮液の排出量が多くなり、水の利用効率が低下することを意味します。

4. 膜の汚染およびスケール付着傾向の増加

塩分濃度が高いこと自体が直接的に汚損を引き起こすわけではないが、汚損やスケール付着を起こしやすい環境を作り出す。

濃度分極の増加：TDS濃度が高い水が膜表面に濃縮されると、塩類やその他の汚染物質（ケイ酸塩、硫酸塩、有機物など）の濃度は、バルク水流中の濃度よりもはるかに高くなります。これにより、溶解度の低い塩類（CaSO₄、CaCO₃、BaSO₄など）が溶解度積を超えて沈殿し、スケールが発生するリスクが大幅に高まります。

コロイド安定性の低下：高イオン強度はコロイド粒子の電気二重層を圧縮し、その安定性を損ない、膜表面への沈着を促進してコロイド汚染を形成する。

洗浄の困難さ：高塩分環境で一度汚染が発生すると、汚染層は通常より密度が高くなり、洗浄が困難になるため、膜の寿命が短くなります。

5. エネルギー消費と経済に決定的な影響を与える

全体的な影響は最終的に運転コストに反映される。逆浸透システムでは、電気エネルギーは主に供給ポンプによって消費される。運転圧力は一般的にエネルギー消費量に比例する。

塩分濃度1000mg/Lの汽水を同量の透過水に淡水化する場合、消費エネルギーはわずか0.8～1.2kWh/m³で済む。しかし、塩分濃度35000mg/Lの海水を淡水化する場合、消費エネルギーは通常2.5～4.0kWh/m³となり、3～4倍のエネルギーを消費する。

海水淡水化のコストが汽水淡水化よりも大幅に高くなる主な理由は、エネルギー消費量が多いことです。さらに、高圧運転はポンプ、配管、ダイヤフラムハウジングなどの材料に高い要求を課し、初期投資額の増加にもつながります。