膜ファウリングとは？濃度分極との違い・原因・対策をわかりやすく解説

膜分離装置を運転すると、時間とともに透過流束が低下したり、同じ透過流束を保つための圧力が上昇したりします。その代表的な原因が膜ファウリングと濃度分極です。

どちらも膜面付近に物質が集まる現象ですが、同じものではありません。濃度分極は膜面近くにできる濃度勾配で、透過を止めると比較的速く解消します。ファウリングは、物質が膜表面・細孔入口・細孔内部に付着または堆積し、膜性能を低下させる現象です。

この記事では、両者の違い、透過流束が低下する理由、抵抗モデルと濃度分極式、ファウリングの種類、運転データからの見分け方、予防・洗浄方法までを例題付きで解説します。

膜ファウリングとは

IUPACは膜プロセスのファウリングを、懸濁物質または溶解物質が膜の外表面、細孔入口、細孔内部へ堆積することにより、膜性能が失われる過程と定義しています。

つまり、膜面の上に汚れの層ができるだけでなく、次のような現象もファウリングに含まれます。

• 粒子が膜表面にケーク層をつくる
• 粒子が細孔入口をふさぐ
• 小さな物質が細孔内部へ入り込む
• 有機物が膜材料へ吸着する
• 難溶性塩が膜面で析出する
• 微生物が増殖してバイオフィルムをつくる

ファウリングによって膜の水理抵抗が増えると、同じ圧力で得られる透過流量が減少します。また、ROやNFでは塩透過率の増加、供給側から濃縮側までの圧力損失増加などが現れることもあります。

MF・UF・NF・ROの違いを先に整理したい場合は、膜分離とは？MF・UF・NF・ROの違いを参照してください。

濃度分極とは

膜へ向かう流れに乗って運ばれた溶質や粒子は、膜に阻止されると膜面付近へ集まります。一方、膜面濃度が高くなると、濃度差による拡散でバルク液側へ戻ろうとします。

この2つが釣り合い、膜面濃度 \(C_m\) がバルク濃度 \(C_b\) より高くなった状態を濃度分極といいます。

• 膜へ向かう輸送：透過流による対流
• 膜から離れる輸送：濃度勾配による逆拡散

濃度分極は、膜表面に形成される薄い境膜内の濃度勾配です。透過を停止すると対流輸送がなくなり、撹拌やクロスフローによって比較的速く解消します。

ただし、膜面濃度が高い状態が続くと、ゲル層形成、凝集、結晶析出、吸着、微生物増殖が起こり、ファウリングへ移行しやすくなります。

ファウリングと濃度分極の違い

項目	濃度分極	膜ファウリング
本質	膜面近くの濃度勾配	物質の付着・堆積・細孔閉塞
生じる場所	膜表面近くの液側境膜	膜表面、細孔入口、細孔内部
透過停止後	拡散・混合で比較的速く解消	付着物が残ることがある
主な回復方法	クロスフロー、撹拌、透過停止	すすぎ、逆洗、物理洗浄、薬品洗浄
主な影響	膜面浸透圧上昇、見かけの阻止率変化	透過流束低下、TMP上昇、圧力損失増加

実際の装置では両者が同時に起こり、完全に切り分けられないことも多くあります。「短時間の停止や流速変更で戻る成分」と「洗浄しても残る成分」を分けて観察することが重要です。

抵抗モデルで透過流束低下を考える

MFやUFなどの圧力ろ過では、透過流束 \(J_v\) をDarcy型の抵抗モデルで表せます。

\[
J_v=\frac{\mathrm{TMP}}{\mu\left(R_m+R_f\right)}
\]

ここで、

• \(J_v\)：体積透過流束
• \(\mathrm{TMP}\)：膜間差圧
• \(\mu\)：透過液の粘度
• \(R_m\)：清浄な膜そのものの抵抗
• \(R_f\)：ファウリングによって加わる抵抗

です。全抵抗は、

\[
R_t=R_m+R_f
\]

と表せます。

定圧運転で \(R_f\) が増えると、分母が大きくなり、透過流束が低下します。定流束運転では、増加した抵抗に打ち勝つためにTMPが上昇します。

この考え方は、定圧ろ過とDarcyの法則にも共通しています。

RO・NFでは浸透圧も増加する

ROやNFの水透過流束は、理想化すると、

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

で表せます。\(\Delta P\) は圧力差、\(\Delta\pi\) は浸透圧差、\(L_p\) は水透過係数です。

濃度分極によって膜面の塩濃度が上がると、膜面の浸透圧も上昇します。その結果、正味の駆動力 \(\Delta P-\Delta\pi\) が小さくなり、透過流束が低下します。

さらに、膜面濃度の上昇は、難溶性塩の過飽和、ゲル形成、バイオフィルム形成を促進します。したがって濃度分極は、それ自体が性能へ影響するだけでなく、ファウリングやスケーリングのきっかけにもなります。

回収率と濃縮側濃度の関係は、膜分離の物質収支・回収率・濃縮倍率で詳しく解説しています。

境膜モデルで膜面濃度を表す

定常状態の境膜モデルでは、バルク濃度 \(C_b\)、膜面濃度 \(C_m\)、透過液濃度 \(C_p\) の関係を、

\[
\frac{C_m-C_p}{C_b-C_p}
=\exp\left(\frac{J_v}{k}\right)
\]

と表せます。\(k\) は液側物質移動係数です。対象溶質をほぼ完全に阻止し、\(C_p\approx0\) とみなせる場合は、

\[
\frac{C_m}{C_b}
=\exp\left(\frac{J_v}{k}\right)
\]

となります。

この式から、次のことが分かります。

• 透過流束 \(J_v\) が高いほど膜面濃度は高くなる
• 物質移動係数 \(k\) が大きいほど膜面濃度は低くなる
• クロスフロー流速や撹拌を強めて境膜を薄くすると、\(k\) が大きくなり濃度分極を抑えられる

ただし、実際には膜流路の形状、乱れ、スペーサー、濃度依存物性、ファウリングなどが影響します。この式は濃度分極の方向性を理解するための基本モデルです。

ファウリングの主な種類

粒子・コロイドファウリング

懸濁粒子やコロイドが膜面へ堆積し、ケーク層を形成します。膜の細孔と同程度の粒子が細孔入口をふさいだり、より小さな粒子が細孔内部へ入り込んだりすることもあります。

MF・UFで起こりやすく、原水の濁度、粒度分布、凝集状態、膜面流速が影響します。RO・NFのスパイラル膜は多量の固形物を処理する構造ではないため、上流での除濁が特に重要です。

有機ファウリング

天然有機物、たんぱく質、油分、界面活性剤、高分子などが膜へ吸着・堆積します。膜表面の親水性・疎水性、電荷、pH、イオン強度によって付着しやすさが変わります。

有機物が粒子や無機物を取り込み、複合的な汚れ層を形成することもあります。

スケーリング

濃縮によって難溶性塩が過飽和となり、結晶として析出する現象です。炭酸カルシウム、硫酸カルシウム、シリカなどが代表例です。

回収率を上げるほど濃縮側濃度が高くなるため、スケールリスクも高まります。pH調整、軟化、回収率制限、スケール防止剤などを検討します。

バイオファウリング

微生物が膜面や流路内で増殖し、細胞外高分子物質とともにバイオフィルムを形成します。圧力損失の増加、透過流束低下、透過液の汚染につながる場合があります。

バイオフィルムは物理的せん断や薬品から微生物を守るため、一度発達すると除去が難しくなります。栄養源の管理、衛生的な設備設計、適切な殺菌・洗浄が重要です。

可逆ファウリングと不可逆ファウリング

ファウリングは、回復方法によって便宜的に次のように分けられます。

• 可逆ファウリング：透過停止、すすぎ、クロスフロー、逆洗などで比較的回復する
• 不可逆ファウリング：物理洗浄では十分に回復せず、薬品洗浄が必要になる
• 回復不能な劣化：薬品洗浄後も性能が戻らず、膜の化学劣化・圧密・損傷なども疑う

「可逆」「不可逆」は絶対的な物質分類ではなく、採用する洗浄方法と観察時間にも依存します。同じ汚れでも、放置時間が長いほど強固になり、回復しにくくなることがあります。

運転データに現れる変化

運転方式・指標	ファウリングが進むと起こりやすい変化
定圧運転	透過流束・透過流量が低下する
定流束運転	必要TMPが上昇する
供給側から濃縮側の差圧	流路閉塞により上昇することがある
RO・NFの塩透過率	汚れ、濃度分極、膜損傷などで増えることがある
洗浄後の性能	回復度が小さければ不可逆汚れや膜劣化を疑う

原水温度が変われば粘度と透過性も変わります。供給濃度や回収率が変われば浸透圧も変わります。長期傾向を見るときは、膜メーカーの方法に従い、透過流量、塩透過率、差圧などを標準条件へ正規化します。

例題1：ファウリング抵抗を求める

同じTMPと液温で、清浄膜の透過流束が50 LMH、ファウリング後が30 LMHになりました。抵抗モデルから \(R_f/R_m\) を求めます。

清浄膜では、

\[
J_0=\frac{\mathrm{TMP}}{\mu R_m}
\]

ファウリング後は、

\[
J_f=\frac{\mathrm{TMP}}{\mu(R_m+R_f)}
\]

です。両式の比を取ると、

\[
\frac{J_0}{J_f}
=\frac{R_m+R_f}{R_m}
=1+\frac{R_f}{R_m}
\]

したがって、

\[
\frac{R_f}{R_m}
=\frac{50}{30}-1
=0.667
\]

です。ファウリングによって加わった抵抗は、清浄膜抵抗の約67%に相当します。全抵抗は清浄時の約1.67倍です。

例題2：濃度分極による膜面濃度を求める

対象溶質をほぼ完全に阻止する膜で、透過流束が20 LMH、液側物質移動係数が \(k=1.0\times10^{-5}\,\mathrm{m/s}\) でした。膜面濃度とバルク濃度の比を求めます。

まず、透過流束を \(\mathrm{m/s}\) へ換算します。

\[
20\,\mathrm{L/(m^2\,h)}
=\frac{20\times10^{-3}}{3600}
=5.56\times10^{-6}\,\mathrm{m/s}
\]

完全阻止の近似式へ代入すると、

\[
\frac{C_m}{C_b}
=\exp\left(\frac{5.56\times10^{-6}}{1.0\times10^{-5}}\right)
=\exp(0.556)
=1.74
\]

です。膜面濃度はバルク濃度の約1.74倍と見積もられます。

同じ流束でも、クロスフローを強めて \(k\) を大きくできれば、\(J_v/k\) が小さくなり、濃度分極を抑えられます。

ファウリングを予防する方法

前処理で膜へ入る負荷を減らす

原水に応じて、スクリーン、凝集沈殿、砂ろ過、カートリッジフィルター、MF・UF、活性炭、軟化、pH調整などを組み合わせます。RO・NFでは、スケール計算と適切な薬品注入も重要です。

前処理は「膜を汚さないための余分な設備」ではなく、膜装置を安定運転するための一部です。

透過流束と回収率を上げすぎない

高い透過流束は膜面へ運ばれる物質量を増やし、濃度分極と堆積を強めます。高い回収率は濃縮側の濃度を上げ、スケールや有機物析出のリスクを増やします。

膜メーカーの推奨範囲、原水水質、パイロット試験をもとに運転条件を決めます。臨界流束は原水と膜の組み合わせで変わるため、一つの値をすべての装置へ適用できません。

膜面のせん断を保つ

クロスフロー流速、撹拌、エアスクラビングなどによって膜面の境膜を薄くし、付着物を持ち去りやすくします。ただし流速を上げるとポンプ動力や膜への機械的負荷も増えます。

停止時の滞留を避ける

濃縮液を膜内に長時間残すと、析出や微生物増殖が進むことがあります。停止手順に従って低濃度水でフラッシングし、長期停止時には適切な保存処置を行います。

物理洗浄と薬品洗浄

方法	主な目的	主な注意点
リラクゼーション	透過を一時停止し、濃度分極や弱い堆積を緩和	生産時間が減る
フラッシング	膜面・流路の濃縮液や緩い堆積物を排出	適切な水質・流速が必要
逆洗	透過側から逆方向へ流し、堆積物を除去	対応するMF・UF膜に限定される
エアスクラビング	気泡とせん断で膜面堆積物をはがす	中空糸膜など対応装置に限定
薬品洗浄（CIP）	有機物、無機物、バイオフィルムなどを溶解・分散	膜材質、pH、温度、濃度、接触時間を守る

薬品は、汚れの種類に合わせて選びます。酸は無機スケール、アルカリは有機物に有効な場合がありますが、汚れの組成と膜材質によって適否が変わります。薬品を強くすればよいわけではなく、膜メーカーの洗浄条件を超えると膜を劣化させる恐れがあります。

ファウリング診断の基本手順

1. 供給流量、透過流量、濃縮液流量、回収率を確認する
2. 供給圧力、濃縮側圧力、透過側圧力からTMPと差圧を確認する
3. 供給水温度、濃度、pH、濁度などの変化を確認する
4. 透過流量と塩透過率を標準条件へ正規化する
5. すすぎ、リラクゼーション、逆洗後の回復度を確認する
6. 洗浄前後の性能と排出液の状態から汚れの種類を推定する
7. 前処理の異常、薬注切れ、原水変化、停止手順を確認する

洗浄しても性能が戻らない場合、ファウリングだけでなく膜の圧密、酸化、加水分解、シール不良、機械的損傷、計器異常なども検討します。

よくある間違い

透過流束が下がったらすべてファウリングと考える

水温低下、供給圧力低下、供給濃度上昇、回収率変更でも透過流束は変化します。標準化した値で比較します。

濃度分極とファウリングを同じ現象と考える

濃度分極は液側境膜内の濃度勾配です。ファウリングは物質の付着・堆積により膜性能が失われる過程です。ただし濃度分極はファウリングを促進します。

圧力を上げて流束低下を補えばよい

一時的に流量を回復できても、膜面への物質輸送と圧密を強め、ファウリングを加速する場合があります。原因を確認せずに圧力だけを上げるのは危険です。

薬品洗浄は強いほどよい

過度な薬品濃度、温度、接触時間は膜や接着部を劣化させます。汚れの分析とメーカー条件に基づいて実施します。

洗浄後の流束だけで判断する

透過流束だけでなく、阻止率、塩透過率、差圧、薬品使用量、洗浄間隔も確認します。流束が戻っても選択性が低下していれば膜損傷の可能性があります。

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

1 / 3

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

• 膜ファウリングは、物質が膜表面・細孔入口・細孔内部へ付着・堆積して性能を低下させる現象
• 濃度分極は、阻止された物質によって膜面濃度がバルク濃度より高くなる現象
• 濃度分極は比較的速く解消するが、ファウリングやスケーリングを促進する
• 抵抗モデルでは \(J_v=\mathrm{TMP}/[\mu(R_m+R_f)]\) と表せる
• 定圧運転では流束低下、定流束運転ではTMP上昇として現れやすい
• 予防の基本は、適切な前処理、過大流束・過大回収率の回避、膜面せん断の確保
• 診断では温度・圧力・濃度を考慮し、正規化した性能を比較する

膜ファウリング対策で最も重要なのは、汚れてから強く洗うことではなく、汚れの原因を膜へ持ち込まないことです。前処理、運転条件、洗浄を一つのシステムとして考えましょう。

参考資料

• IUPAC Gold Book: fouling in membrane processes
• IUPAC: Terminology for membranes and membrane processes
• U.S. EPA: Membrane Filtration Guidance Manual
• DuPont Water Solutions: Cleaning and Sanitization Introduction
• DuPont Water Solutions: Cleaning Procedures