逆浸透膜処理水に還元剤を添加した後も、酸化性を示すのはなぜですか？

いつ 逆浸透 還元剤を添加した後でも給水が酸化状態のままとなるのは、残留塩素の単純な中和にとどまらない、水中での複雑な触媒酸化プロセスの発生が主な原因である。

一般的に使用される還元剤であるメタ重亜硫酸ナトリウム（SMBS）は、次の反応により遊離塩素を迅速に除去することができます。HSO₃⁻ + HOCl → HSO₄⁻ + Cl⁻ + H⁺。

理論的には、残留塩素が完全に還元されると、水の酸化力は消失するはずです。しかし、この時点で、水中の溶存酸素が新たな酸化剤源として現れます。通常の状態では、溶存酸素の酸化力は弱いですが、鉄や銅などの遷移金属イオンが存在すると、これらのイオンが亜硫酸水素イオン（SMBSの活性成分）と溶存酸素との間でフリーラジカル連鎖反応を触媒します。このプロセスにより、硫酸ラジカルや水酸基ラジカルなどの強力な酸化種が生成されます。

これらのラジカルの酸化還元電位は残留塩素のそれよりも著しく高いため、系内にSMBSが過剰に残っていても、水はポリアミド膜を直接攻撃できる明確な酸化特性を示し続ける。

Fe²⁺/³⁺イオンとCu⁺/²⁺イオンは、亜硫酸塩の自動酸化による活性酸素種の生成に必要な活性化エネルギーを大幅に低下させることができます。これらのイオンは電子伝達メディエーターとして働き、フェントン反応またはフェントン類似反応に類似した反応連鎖を触媒します。

Cu⁺ + O₂ → Cu²⁺ + O₂•⁻ (スーパーオキシドアニオン)

この段階を経て、亜硫酸塩酸化連鎖反応が引き起こされ、大量のフリーラジカルが発生することで、水域の酸化電位が持続的に高い状態を維持します。これが、SMBSを添加した後でも水が酸化性を示す主な理由であり、鉄イオンや銅イオンの存在がこの傾向を強める理由でもあります。

この現象は特に顕著で、 海水淡水化 主にNaCl、NaHCO₃、および銅イオン間の相乗的な相互作用によるシステム：

高濃度の塩化物イオン（NaCl由来）は、銅と安定なクロロ錯体（例：CuCl₂⁻、CuCl₃²⁻）を形成します。この錯体形成は、銅イオンの溶解度と安定性を大幅に向上させるだけでなく、酸化還元電位も変化させ、触媒活性を著しく高めます。Cu(I)/Cu(II)酸化還元サイクルにおいて、これらのクロロ錯体化した銅種は溶存酸素をより効率的に活性化することができ、フリーラジカルの継続的な生成につながります。重炭酸イオン（NaHCO₃）の存在は二重の機能を持ちます。一方では、緩衝能を提供し、フリーラジカル連鎖反応に適したpH範囲を維持します。他方では、HCO₃⁻イオンは銅と炭酸錯体を形成し、フリーラジカルによる酸化を受けて炭酸ラジカル（CO₃•⁻）を生成することもあります。後者は選択的酸化剤として作用し、酸化性物質の寿命を延ばす二次反応に関与する。

これら3つの成分の相乗的な相互作用により、自己持続的な触媒酸化サイクルが確立されます。海水に固有の高いバックグラウンド塩化物濃度は、銅イオンの安定した溶解と高い触媒活性を保証し、重炭酸塩は配位支持とアルカリ性を提供します。その結果、流入水中の残留塩素がSMBSによって完全に除去されたとしても、銅触媒による亜硫酸塩／溶存酸素システムは酸化性フリーラジカルを継続的に生成し続け、それによって水は持続的に酸化状態を維持します。

このような深刻な状況では、膜表面を攻撃する物質は次亜塩素酸ではなく塩素フリーラジカルであるため、従来の残留塩素測定では真の酸化電位を全く反映できません。一方、酸化還元電位（ORP）は、存在するすべての酸化性および還元性物質の動的平衡に対する包括的な応答を提供します。

ORP値の異常な上昇が観測された場合、残留塩素濃度がゼロのままであっても、膜を損傷する可能性のある活性酸素種が水中に蓄積していることを示しています。このような状況下では、還元処理の強化、金属イオンの除去、SMBS投与量の最適化など、直ちに介入措置を実施する必要があります。