膜分離とは？MF・UF・NF・ROの違いを原理からわかりやすく解説

海水から飲み水をつくる、水中の微粒子を除く、乳製品中のたんぱく質を濃縮する――これらに共通して使われる分離操作が膜分離です。膜分離は、蒸留のように相を大きく変化させずに分離できるため、水処理から食品・医薬品・半導体産業まで広く利用されています。

しかし、初めて学ぶと「MF・UF・NF・ROは何が違うのか」「孔径が小さい順に覚えればよいのか」と迷いやすい分野でもあります。特にNFとROは、単純な“細かいふるい”だけでは説明できません。

この記事では、圧力を駆動力とする4つの膜分離法を、共通原理、透過流束と阻止率、分離対象、装置の流し方まで一つの流れで整理します。

膜分離とは

膜分離とは、ある成分は通しやすく、別の成分は通しにくい選択性を持つ薄い障壁を利用する分離操作です。膜に入る流体を供給液（feed）、膜を通過した流体を透過液（permeate）、膜を通らずに残る流体を濃縮液（retentate または concentrate）と呼びます。

圧力をかけた供給液は、次の2つに分かれます。

• 透過液：膜を通り抜けた側
• 濃縮液：膜に阻止された成分が濃くなる側

MFやUFでは、粒子や高分子が膜の細孔を通れるかどうかという大きさの違いが重要です。一方、NFやROでは、膜材料への溶解しやすさ、膜内での拡散しやすさ、電荷なども分離に影響します。したがって、4種類すべてを「孔径だけで決まるふるい」と考えるのは正確ではありません。

膜分離を表す基本式

透過流束

膜の単位面積を単位時間に通過する体積を透過流束 (J_v) といいます。

\[
J_v=\frac{Q_p}{A}
\]

ここで、

• \(J_v\)：体積透過流束 \([\mathrm{m^3/(m^2\,s)}]\) または \([\mathrm{L/(m^2\,h)}]\)
• \(Q_p\)：透過液の体積流量 \([\mathrm{m^3/s}]\)
• \(A\)：膜面積 \([\mathrm{m^2}]\)

水処理では \(\mathrm{L/(m^2\,h)}\) を使うことが多く、LMHと略します。透過流量を増やしたい場合、膜面積を増やすか、単位面積当たりの透過流束を高める必要があります。

圧力差で溶媒が透過する理想化した関係は、次式で表せます。

\[
J_v=L_p\left(\Delta P-\Delta \pi\right)
\]

ここで、\(L_p\) は膜の水透過係数、\(\Delta P\) は膜を挟む圧力差、\(\Delta \pi\) は浸透圧差です。MFやUFで希薄な懸濁液を扱う場合は \(\Delta \pi\) が小さいことも多い一方、塩類を分離するNFやROでは無視できません。

実際の装置では、流路内で圧力が低下し、供給側と濃縮側で濃度も変化します。そのため、膜間差圧は供給側と濃縮側の平均圧力から透過側圧力を引いた値として扱うことがあります。

阻止率

膜が溶質をどれだけ通さなかったかを表す代表的な指標が阻止率 \(R\) です。

\[
R=1-\frac{C_p}{C_f}
\]

百分率で表す場合は、右辺に100を掛けます。\(C_f\) は供給液濃度、\(C_p\) は透過液濃度です。

• \(R=0\)：供給液と同じ濃度で通過する
• \(R=1\)：理想的には完全に阻止する

阻止率は物質ごとに異なり、同じ膜でもpH、温度、圧力、濃度、イオン組成によって変化します。「ROだからすべて100%除去できる」という意味ではありません。

MF・UF・NF・ROの違い

4種類を初学者向けに整理すると、次のようになります。

膜分離法	日本語名	分離の目安	主な分離対象	代表的な用途
MF	精密ろ過	およそ0.1 µm級以上	懸濁粒子、細菌、油滴	除濁、除菌、前処理
UF	限外ろ過	およそ0.01 µm級、または分画分子量で表示	コロイド、高分子、たんぱく質、一部のウイルス	高分子濃縮、排水処理、RO前処理
NF	ナノろ過	およそ1 nm級、分画分子量200～1000 Da程度が一つの目安	多価イオン、小さな有機物	軟水化、脱色、有機物除去
RO	逆浸透	緻密な選択層で分離	一価イオンを含む溶解塩類、低分子	海水淡水化、純水製造、再利用水

※数値は分類を理解するための概略です。膜の境界は重なり、試験条件やメーカーによって表示方法も異なります。設計では対象物質に対する阻止率、孔径分布、分画分子量などの製品データを優先します。

図解｜MFからROへ、分離対象は小さく・必要圧力は高くなる

MF：精密ろ過

MFは4種類の中で比較的大きな細孔を持ち、主として懸濁粒子や微生物を大きさによって除去します。砂ろ過より細かな粒子を扱えますが、水に溶けた塩化ナトリウムのような小さなイオンはほぼそのまま透過します。

身近なイメージは、非常に目の細かいコーヒーフィルターです。水と溶解成分は通し、細菌や微粒子を捕捉します。ただし膜面に粒子がたまると抵抗が増えるため、逆洗や薬品洗浄が必要です。

主な用途は、飲料や医薬品の除菌ろ過、排水中の固形物除去、UF・NF・ROの前処理などです。

UF：限外ろ過

UFはMFより小さな領域を分離し、コロイドや高分子、たんぱく質などを阻止します。UF膜は、孔径よりも分画分子量（MWCO）で性能が示されることがあります。

分画分子量は「その分子量より大きければ必ず100%止まる」という絶対的な境界ではありません。分子の形、膜との相互作用、試験に用いた物質や条件によって阻止率が変わるためです。

UFは乳清たんぱく質の濃縮、酵素の回収、膜分離活性汚泥法、RO前処理などに用いられます。溶解した塩類は一般に透過しやすいため、脱塩が目的ならNFまたはROを検討します。

NF：ナノろ過

NFはUFとROの中間に位置します。特に、カルシウムイオンやマグネシウムイオンのような多価イオンを阻止しやすく、一価イオンは比較的通しやすいという特徴を持つ膜があります。そのため、水の硬度を下げる軟水化に利用されます。

NFの分離には、分子の大きさだけでなく膜表面の電荷も関係します。荷電した膜とイオンの相互作用により、同程度の大きさでも価数や種類によって阻止率が異なります。

ROより低い圧力で運転できることが多いため、完全な脱塩までは不要で、多価イオンや着色有機物を選択的に減らしたい場合に有力です。

RO：逆浸透

濃度の異なる溶液を半透膜で隔てると、溶媒は自然に希薄側から濃厚側へ移動します。これが浸透です。この移動を止めるのに必要な圧力が浸透圧です。

ROでは、濃厚側に浸透圧より大きな圧力を加え、自然な浸透とは逆向きに水を膜へ透過させます。そのため「逆浸透」と呼ばれます。

\[
\Delta P>\Delta \pi
\]

となって初めて、理想化した式では透過側へ正味の水流束が生じます。海水は塩濃度が高く浸透圧も大きいため、淡水を処理する場合より高い操作圧力が必要です。

RO膜は、一価イオンを含む多くの溶解塩類を高い割合で除去できます。海水淡水化、超純水の前段、排水再利用などで使われます。ただし、除去率は100%ではなく、ホウ素など条件により除去しにくい成分もあります。

なぜMFからROへ進むほど圧力が高くなるのか

MFからROへ進むほど、一般に水が膜を通過するときの抵抗が大きくなります。さらにNFとROでは、供給液と透過液の浸透圧差に打ち勝つ必要があります。

したがって必要圧力は、単に「小さい物質を押し込むため」ではなく、次の2つから考えると理解しやすくなります。

1. 膜そのものの透過抵抗に打ち勝つ
2. 浸透圧差に打ち勝つ

圧力を上げれば常に得になるわけではありません。圧密、ファウリング、透過液品質の変化、ポンプ動力の増加を考慮し、膜の許容範囲内で運転します。

全量ろ過とクロスフローろ過

膜への流し方には、主に全量ろ過（デッドエンドろ過）とクロスフローろ過があります。

項目	全量ろ過	クロスフローろ過
供給液の流れ	膜面にほぼ垂直	膜面に沿って流れる
供給液の出口	原則として全量が透過側へ	透過液と濃縮液に分かれる
堆積物	膜面にたまりやすい	平行流によって堆積を抑えやすい
特徴	装置が単純で小規模・回分操作に向く	循環動力は必要だが連続処理に向く

粒子を含む流体を全量ろ過すると、膜面にケーク層が形成され、時間とともに透過流束が低下します。この考え方は、定圧ろ過とDarcyの法則の記事で詳しく解説しています。

例題1：阻止率を求める

供給液中の溶質濃度が \(C_f=2000\,\mathrm{mg/L}\)、透過液濃度が \(C_p=20\,\mathrm{mg/L}\) でした。阻止率を求めます。

\[
R=1-\frac{C_p}{C_f}
=1-\frac{20}{2000}
=0.99
\]

したがって、阻止率は

\[
R=99\,\%
\]

です。これは「供給液中の全溶質量の99%が濃縮側に残った」という意味とは限りません。阻止率は濃度の比であり、回収率や各流量を含む物質収支とは別の指標です。

例題2：透過流束を求める

膜面積 \(A=120\,\mathrm{m^2}\) の装置から、透過液が \(Q_p=2.4\,\mathrm{m^3/h}\) 得られました。

\[
J_v=\frac{Q_p}{A}
=\frac{2.4}{120}
=0.020\,\mathrm{m^3/(m^2\,h)}
\]

\(1\,\mathrm{m^3}=1000\,\mathrm{L}\) より、

\[
J_v=20\,\mathrm{L/(m^2\,h)}=20\,\mathrm{LMH}
\]

です。必要な透過液量と設計流束が決まれば、この式を逆に使って必要膜面積を概算できます。

膜分離法の選び方

膜を選ぶときは、「最も細かいROを使えばよい」と考えてはいけません。必要以上に細かい膜は、圧力・エネルギー・前処理・洗浄の負担を増やすからです。

次の順番で整理すると選びやすくなります。

1. 何を除去し、何を透過させたいかを決める
2. 粒径、分子量、電荷、溶解状態を確認する
3. 必要な透過液品質と回収率を決める
4. 候補膜の阻止率・透過流束を実液で確認する
5. ファウリング、洗浄方法、膜の耐薬品性を検討する
6. ポンプ動力、膜交換、前処理、濃縮液処分を含めて比較する

例えば、水中の濁りだけを除くならMF、たんぱく質を濃縮して塩を透過させるならUF、硬度成分を減らすならNF、溶解塩類まで広く除去するならROが候補になります。

装置全体の流量と濃度を求めるときは、物質収支の基本が土台になります。

ファウリングと濃度分極

膜分離を安定して運転するうえで重要なのが、ファウリングと濃度分極です。

• ファウリング：粒子、有機物、微生物、無機塩などが膜面や膜内部に付着し、透過性能が低下する現象
• 濃度分極：阻止された溶質が膜面近くに集まり、膜面濃度がバルク濃度より高くなる現象

濃度分極が進むと、有効な駆動力の低下、見かけの阻止率の変化、スケール析出などにつながります。クロスフロー流速の調整、適切な前処理、逆洗、薬品洗浄などを組み合わせて管理します。

よくある誤解

孔径だけ見れば膜を選べる

孔径は重要ですが、膜には孔径分布があり、表示値の定義も同じとは限りません。NF・ROでは溶解拡散や電荷の影響も大きいため、対象物質の阻止率データを確認します。

ROならすべての物質を100%除去できる

実際の阻止率は物質と運転条件によって異なります。また、膜やシールの損傷があれば透過液品質は悪化します。

圧力を上げるほど効率がよい

透過流束は増えやすくなりますが、動力消費、膜の圧密、ファウリングの進行も考える必要があります。設計圧力を超えて運転してはいけません。

阻止率と回収率は同じ

阻止率は濃度による分離性能、回収率は供給液のうち透過液として得た水量の割合です。高い阻止率でも、回収率が高いとは限りません。

透過液だけ見ればよい

膜分離では濃縮液が必ず発生します。濃縮液の処理方法、スケール析出、環境への排出条件まで含めて装置を考えます。

確認問題

3問のミニテストで、ここまでの内容を確認しましょう。選択すると、その場で正誤と解説が表示されます。

QUICK CHECK

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分離工学・初級

このミニテストの回答結果は保存されません。学習記録を残す場合は化工演習室をご利用ください。

まとめ

• 膜分離は、選択性を持つ膜によって供給液を透過液と濃縮液に分ける操作
• 透過流束は \(J_v=Q_p/A\)、阻止率は \(R=1-C_p/C_f\) で表す
• MFは懸濁粒子、UFはコロイド・高分子、NFは多価イオンや小さな有機物、ROは一価イオンを含む溶解塩類の除去が主な領域
• NFとROは、単純な孔径だけでなく溶解拡散や電荷も分離に関係する
• ROでは膜間差圧が浸透圧差を上回る必要がある
• 実際の膜選定では、阻止率、透過流束、ファウリング、洗浄、動力、濃縮液処理を合わせて検討する

MF・UF・NF・ROは、名称を暗記するより「何を透過させ、何を阻止したいのか」から考えると整理できます。まずは対象物質の大きさと溶解状態を確認し、必要十分な分離性能を持つ膜を選びましょう。

参考資料

• IUPAC: Terminology for membranes and membrane processes
• IUPAC Gold Book: nanofiltration
• World Health Organization: Treatment methods and performance
• U.S. EPA: Membrane filtration guidance
• U.S. EPA: Treatment Technologies