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レビュー論文

レビュー：かん水の解決策：現状、将来の管理、技術開発

Review: Brine Solution: Current Status, Future Management and  Technology Development

By Sumina Namboorimadathil Backer, Ines Bouaziz, Nabeela Kallayi,

Reny Thankam Thomas, Gopika Preethikumar, Mohd Sobri Takriff,

Tahar Laoui and Muataz Ali Atieh

Sustainability 2022;14:6752        2022.05.31

要約

　脱塩かん水は非常に濃縮された塩水である。様々な塩類、栄養素、重金属、有機汚染物質、微生物汚染物質が含まれている。淡水化かん水の従来の処分は、毒性と塩分の濃度を高める自然と海洋の生態系に悪影響を及ぼす。これらの問題は、ゼロ液体排出につながる可能性のあるかん水管理技術の開発を必要とする。塩水管理は経済的に実現可能な方法論を採用することで生産性を高めることができる。これにより、淡水、鉱物、エネルギーなどの重要な資源を回収できる。本レビューでは、様々な膜/熱ベースの技術を使用したかん水管理の最近の進歩と、それらの長所と短所を考慮して、水、鉱物、およびエネルギー回収への適用性に焦点を当てている。本レビューはまた、適切な未来の戦略としてこれまで採用される可能性のある金属回収とゼロ液体排出のためのハイブリッド・プロセスを例示している。本レビューで分析されたデータと見通しは、持続可能なかん水管理のための経済的に達成可能な将来の戦略の開発に確実に貢献する可能性がある。

1．はじめに

　水不足は人口爆発とその産業および国内用途への需要により、世界的な課題へと進化した。研究は増大する水需要を満たすための技術的および物質的側面に焦点を合わせてきた。淡水源の枯渇と豊富な海水または汽水により、研究はこれからの資源からのきれいな水の生産に焦点を合わせてきた。海水淡水化は水危機に対処する可能性のある重要な進歩であるが、この工程の利点には欠点もある。ほとんどの淡水化プラントは塩水を元の水源に廃棄するため、塩水、つまり淡水化プラントからの高濃度の塩の流れの大量生産が大きな懸念事項である。塩水に塩分が蓄積すると、海水の塩分濃度が上昇し、その結果、飲料水供給のための淡水化に必要なエネルギーが増加する。かん水には海洋生態系に悪影響を与える金属や化学物質も含まれている(表1)。塩水排出によってもたらされる脅威は、エネルギー需要、水ストレス、健康への悪影響などの社会経済的および社会政治的結果につながる。したがって、生態系のバランスを維持するために、増加する水資源の汚染を戦略的に管理する必要がある｡

しかし、かん水管理の開発と普及のために管理アプローチで対処する必要のある社会的政治的および法的な課題がある。それは、しばしば見過ごされがちな様々な社会的政治的要因によって深刻な影響を受ける。これらは世界中の多くのかん水管理プロジェクトの成功または失敗の主な要因であり、長所、短所、機会、および危険性の4つのカテゴリーに分類される。かん水管理と政治的安定、より良い健康、経済成長、および水の安全保障に対する社会の重要なニーズとの間には関連性がある。例えば、適切なかん水管理は、水、鉱物、エネルギーなどの重要な資源の商業化につながる可能性があり、それにより全体的なコストが削減され、国の経済的、社会的、環境的安定性を確実に確保するビジネス・チャンスが提供される。

　本レビューはかん水管理の進歩に焦点を当て、危機影響を及ぼす克服するための将来の戦略を提案する。廃棄物のエネルギーまたは付加価値製品への循環解決策を開発するために利用できるハイブリッド技術についても説明する。

この分野には、かん水管理と処理ベースおよび技術ベースの解決策に関する議論を紹介したいくつかの総説がある。Belloらは最近、かん水管理、脱塩技術、ライフサイクル・アセスメント、および回収方法の概要を説明した。一方、Al-Absiらは、回収オプションとしての吸着プロセスの使用に関する最新情報を提供し、様々なかん水管理戦略と技術について議論した。Mavukkandyらは、淡水化塩水から水、鉱物、エネルギーを回収することに関する最近の研究と技術開発をレビューした。Solimanらは様々な淡水化プロセスの現在の技術と、これらの技術の詳細なエネルギー消費と水生産コストの包括的なレビューを発表した。しかし、以前のレポートでは、持続可能なかん水管理を実現するための将来の見通しに関する詳細な分析が不足している。したがって、現在のレビューは、現在のかん水処理戦略、処理方法、金属回収のためのハイブリッド方法、およびゼロ液体排出に焦点を当てている。ゼロ液体排出に近いアプローチを達成しながら、注目に値する水回収と鉱物回収チャネルへの入口を開くことができるかん水管理のための持続可能なハイブリッド戦略の未来的な開発を分析することに、より多くの注意が払われた。

1.1.かん水溶液と特性値

かん水は様々な成分で構成される脱塩プロセスの副産物または最終製品である。脱塩かん水の典型的な物理的および化学的特性のリストを表1に示す。かん水の塩分濃度はストリーム内の総溶解固形物(TDS)の55,000 mg/Lを超えている。かん水排出の化学的特性は、給水と透過水の水質、脱塩プロセスのタイプ、前処理方法、使用する洗浄手順などの様々な要因によって異なる。各植物には様々な濃度と汚染物質の西軍が含まれている。重金属、有機汚染物質、強酸/塩基、スケール防止剤、凝固剤、および殺生物剤の存在は、かん水溶液の複雑さを増す。

1.2. かん水処分のための従来の方法

　脱塩プロセスからのかん水処分に関係する従来の戦略は、かん水の地理的な場所、品質、および量によって異なる。いくつかの従来の処分方法には、地表水排出、深井戸注入、土地利用、蒸発池、および従来の晶析装置が含まれる。かん水の量と質、排出地点の地理的位置、投棄場所の利用可能性と許可、運用コストと輸送コストなど、どの廃棄方法のオプションを採用できるかに影響を与えるいくつかの要因がある。これらはすべて、淡水化プラントを設置する必要がある場合に対処する必要のある重要な要素である。総費用のほぼ5％から33％がかん水の処分プロセスに費やされると報告されている。さらに、ミネラル回収、肥料などの付加価値製品への廃棄物など、かん水から得られる利益はより費用効果の高いモデルの代替手段である。将来のかん水処理戦略を表2に示す。

1.3. かん水の環境への影響

　かん水の不適切な処分方法は、空気と水質に悪影響をもたらすいくつかの環境上の危険を引き起こす可能性がある。かん水の廃棄によって課せられる毒性は、環境に取り返しのつかない変化を引き起こす有毒金属(水銀(Hg)、コバルト(Co)、銅(Cu)、鉄(Fe)、亜鉛(Zn)、ニッケル(Ni)など)、農薬、および酸など、含まれる潜在的な有害物質によって異なる。塩水を生態系に直接廃棄することも、pH、塩分、温度、富栄養化などを変動させることにより、水生生物に深刻な不均衡を引き起こした。重金属の直接的な影響が動植物に影響を与えたという報告がいくつかある。塩水処理の方法は、淡水化プラントの地理的な場所によって異なる。沿岸に位置する植物は通常、塩水を海水に戻し、前述のように塩分と海洋生態系に影響を与えるが、陸上の植物は地下水源と周囲環境の汚染をもたらす。特定の地質学的場所にある淡水化プラントからの塩水処理の環境への影響を強調したいくつかの報告がある。

　一般にかん水処理は最初に全ての有機物を除去し、さらに塩類や他の元素を除去するなど、組成に依存する。かん水を適切に処理し、工業用および灌漑用の付加価値物質に変換することは優れたかん水管理戦略となる可能性がある。前述のように、塩水は海水の少なくとも1.6～2.1倍の塩分濃度を持ち、50℃までの高温で周囲温度に比べて非常に高いため、海洋動植物に影響を与える可能性がある。それが引き起こす可能性のある最も壊滅的な影響は、魚、プランクトン、藻類、海草への「致命的な浸透圧ショック」であり、それらの細胞に取り返しのつかない損傷を引き起こし、絶滅につながる。閉鎖または半閉鎖の浅い場所など、海洋生物が豊富な水域は、塩分の変化と溶存酸素濃度の低下のために海洋生物に大きな影響を与えるため、処分場にすべきではない。イスラエル沿岸の淡水化プラントからの塩水排出の季節的および累積的影響は、既知の敏感な海洋生物指標である底生有孔虫を使用して研究された。別の研究では、淡水化プラントからの生およびカルシウムを減らした濃縮物の排出における3ヶ月間の魚の生存が報告されている。しかし、イスラエルの地中海沿岸にある2つのメガサイズの海水淡水化プラントでの6年間のごく最近の短期研究では、塩水の排出が海水の水質に大きな影響を与えないことが報告されている。この研究では、酸素飽和度、濁度、pH1、栄養素(全有機リンを除く)クロロフィルa、および金属濃度に影響を与えなかったこれまでのところが示された。環境リスク評価は、淡水化プラントに関連する環境への影響を評価するための前提条件である。それは緩和戦略と廃棄物処理方法、およびそれらが海洋および沿岸環境に与える影響を備えた淡水化プラントの設置のための適切な場所を研究および処理する。海洋の監視と評価は、プラントが稼働し、批判的にレビューされている限り継続する必要がある。規制は、周波数、サンプリング場所、および測定されたパラメーターについて定期的に再評価され、必要に応じて更新される必要がある。

2．かん水処理の従来の技術

　かん水再循環ループの基準を満たすように、適切なかん水管理を設計する必要がある。脱塩かん水を化学的/電気化学的凝固、化学的酸化、化学的沈殿、および生物学的同化にさらすことは、最新の技術が従来の技術に取って代わる前の除染/資源回収のためのかん水処理の伝統的な方法である。

　従来の方法では、化学的沈殿は主に無機物の除去にのみ使用されるが、他の方法は有機不純物に使用される。例えば、電気的/化学的凝固と化学的沈殿は密接に関連した技術であり、小さな不純物を大きな破片に凝集させて、それらが下部、上部、または標的部位に定着するのを助ける。凝固は凝固剤または凝集剤(金属酸化物など)と呼ばれる適切に添加された化学薬品に対して吸収されると、有機不純物、特に沈殿しない固体の静電荷中和を操作する。凝固剤の種類と投与量は、かん水の性質、濃度、および組成によって異なる。頻繁に使用される凝固剤は、Al³⁺、Fe³⁺ベースの塩類、重合無機金属塩などである。多数の電荷を含むポリアミンやポリジアリルジメチルアンモニウム・クロライドなどのポリマーも効果的な凝固剤として有用であることが分る。しかし、この分野で行われた最先端の進歩は、これまでのところ高用量の凝固剤(8.95 mM Fe³⁺)で最大58％の溶存有機物含有量(DOC)しか達成できなかった。これは、ほとんどのクラスのかん水が全ての範囲の分子量の有機不純物を含む高濃度の塩類で構成されているのに対し、凝固は高分子量の有機物を除去する場合にのみ有効であるためである。処理プロセスにおけるこれらの塩類(特にFeベースまたは古い明礬ベースの塩類)の過剰投与は、機械の機能障害を引き起こし、追加のメンテナンスが必要になることが観察されている。このためかん水処理には凝固/凝集はあまり使用されない。このため、かん水処理には凝固/凝集はあまり使用されない。金属ベースの凝固剤を使用することのもう1つの懸念は、生態系と人間の健康への悪影響である。したがって、完璧な凝固技術には、許容できる能力を達成するための長い道のりがある。Mohamedらは活性化シリカ、すなわち加水分解されたポリ塩化アルミノ第二鉄とケイ酸塩(PAlFeCl+Si)に含浸されたAl³⁺およびFe³⁺イオンが89％のCODの除去を提供する従来の凝固剤の優れた代替品であることを発見した。環境への影響を減らすために、リグニン、タンニン、デンプンなどの多くの生体高分子を利用して、多くの天然凝固剤の合成誘導体も開発されている。

　電気凝固法では、電極としてステンレス鋼とアルミニウムを使用して配置された電気化学反応器が使用されている。高食塩水の高い電気伝導率は、この方法で処理するのに非常に適しており、消費電力が少ないという利点がある。しかし、電極からの金属の溶解は、Ca、Srなどの帯電した不純物金属イオンまたはSiO₂などの非金属の凝固/凝集を引き起こし、全体的な性能に影響を与えるため、電極は定期的に維持または交換する必要がある。

　大量かん水処理プラントの作業性能をこれまでに遅らせる主な問題は、スケール形成物質の頻繁な堆積である。したがって、スケール前駆体イオンの存在、すなわち、Ca²⁺、Ba²⁺、Mg²⁺、Si、Sr²⁺などは、溶解度の限界が低いために機械部品に堆積物を形成する傾向があるため、非常に非効率的な水の回収の原因となる。この問題を解決するための古代の方法は、石灰ソーダ、灰などの化学薬品、いわゆる沈殿剤または軟化剤の助けを借りてそのようなイオンを除去することである。石灰軟化は高いスケール形成イオンを排除するために広く採用されている堅牢な技術である。いくつかの研究は、Ca²⁺を使用して水酸化物としてBaやMgなどの他の金属を含むシリカを除去することに長い間焦点を当ててきた。最近、Booらは熱応答性アミンによる塩基性条件によって駆動されるスケールを除去するための熱形態の親水性塩基誘導沈殿戦略を導入した。ジイソプロピルアミンを使用することで、超高食塩水の硬度を約80％除去し、温かい条件で再利用するためにアミンを回収することができた。

　化学的軟化法とは別に、特に硫酸カルシウムが豊富な低塩水かん水に適した、種スラリー沈殿として知られる別の前処理アプローチが存在する。ここでのメカニズムは、種結晶上への鱗片の成長を伴う。この手順では、種結晶から作られたスラリーがかん水に導入される。種結晶はシリカや硫酸カルシウムなどのスケール剤を堆積させるための核形成中心として機能する。ペレット反応器と呼ばれる便利なアプローチでは、同じ方法論が適用されたが、乾燥スラッジの形成という追加の利点を備えた不均一な方法であった。典型的な床流動床反応器は、スケール形成塩類の過飽和を防ぐための種プラットフォームとして充填カルシウム炭素結晶を含んでいる。

　上記の従来の方法は、ホルモン、医薬品、パーソナルケア製品、および可溶性微生物製品などの有機汚染物質を含む高塩分濃度のかん水処理には十分に適用できない場合がある。微量に存在するこのような有機汚染物質の除去には特別な注意を払う必要がある。扱いにくい有機汚染物質を処理する最も一般的な方法は、それらを実行可能な小さな断片に変換することである。O₃(オゾン化)、UV-H₂O₂/O₃、UVA-TiO₂、電気酸化、非熱プラズマ、フォトフェントン酸化による高度な酸化プロセスの様々な組み合わせなどは、多くのグループによって文書化されている。これらのスキームのほとんど全ては、光分解によるフリーラジカル形成の原理に基づいて機能する。しかし、培地に硫酸塩などの基が存在すると、ヒドロキシフリーラジカルが不活性化されてさらに酸化される可能性が高いため、この段階の前にかん水を前処理することが重要である。酸化方法論の十分な実績にもかかわらず、これまでのところ生成された低分子量フラグメント/副産物に関連する危険な結果のスケールアップと評価に実際に焦点を当てているグループはほとんどない。

　硫酸塩またはアンモニアを除去するための比較的安価で非効率的な、しかしはるかに古い技術は微生物工程によるものであり、有用な微生物はそれらを修復可能な形態に変換することによってそれらを吸収するが、低塩水のみがこの方法で処理できる。食塩水には微生物の増殖を抑制/低減できる多種多様な重金属が含まれている。この分野の研究のほとんどは、硝酸塩のN₂への還元、および硫酸塩の硫化物への還元に焦点を合わせている。典型的な例は、バクテリアの脱窒による硝酸塩含有量のアンモニアへの変換、そしてN₂への変換である。多くのグループが、硝酸塩除去の便利な処理方法として知られているウッドチップ・バイオリアクターを考案した。しかし、これらの方法では、変換効率を高めるために、エタノールやアセテートなどの電子供与基を追加または結合する必要がある。残念ながら、この手順によりDOCが増加し、深刻な環境への影響をさらに軽減する必要がある。この方法のもう1つの制限は、一貫性のないパフォーマンスである。これは、Díaz-Garcíaらによって明らかにされたように、細菌の増殖が原因で最初の数週間のパフォーマンスが向上するため、初期DOC含有量が高いことが原因である。この傾向は、木材チップ・リアクターを使用しながら交互の乾燥-再湿潤サイクルを実行することで最小限に抑えることができる。

３．かん水管理とゼロ液体排出

　コインの片面は塩水から有毒な成分/元素を除去した事例を示していると言われているが、コインの裏側は大量の再利用可能な水が排液の形で捨てられていることを示している。したがって、水分含有量の回収は、水不足を補うための解決策を提供し、また液体廃棄物処理に関する主要な懸念を軽減する。かん水管理と資源回収のための最先端技術はZLDスキームである。この概念の発明以来、アメリカで1970年代にさかのぼり(アメリカのコロラド川の塩分を規制するために提唱された)、ZLDは、特に過去10年間で驚異的な進歩を遂げてきた。これは廃棄物管理のための戦略的エンジニアリング・アプローチであり、供給廃水から液体とミネラルを完全に除去/回収し、固形廃棄物を処分することを保証する。一方、かん水と貴重な塩の液体部分は効果的に回収されて再利用され、循環サイクルに入ることができ、環境への効果的な正味ゼロの液体排出が可能になる。この革新の最大の推進力は、乾燥した土地での水の最大限の回収/再利用と、固形廃棄物の簡単で便利な処分の追求である。ZLDの主な効果、つまり固形廃棄物は、液化した汚染物質が主流に流入するのを防ぎ、処理を容易にする。ZLDの主な成果、つまり固形廃棄物は液化した汚染物質が主流に流入するのを防ぎ、処理を容易にする。したがって、ZLDは、一方では廃棄物/ドレイン/水の排出とそれに関連する水生環境汚染の脅威を回避する。一方でエネルギーを大量に消費する高度な技術が関与しているため、より大きな間接費が必要になる。ZLDの世界市場の概算では、年間最低1億ドルから2億ドルの資金が必要である。これにより、この技術の実行は北米やヨーロッパなどの経済的な第一世界の国々に限定され(100％実行ではない)、中国やインドなどの発展途上国での実装は迅速に行われるようになった。第一世界の国々では、工場は水の回収/リサイクルに投資しており、より良い持続可能性を達成するための規制の推進がなくてもZLDを実施している。ZLDは廃棄物管理と環境との間のより良いバランスを交渉するが、ZLD技術の経済化は、生産サイトで排水から液体/水を現場で除去/回収できる可能性があるため、より安価なZLDに近い/ZLDに近い技術によって打撃を受けることがよくある。液体廃棄物/水の回収の不完全な除去を伴うことが多い、ZLD技術に関連する経済的制約を妥協するために、ZLDに近い技術が主に提唱されている場合がある。それらは単にかん水量を減らす。したがって、最近の研究は明らかに経済的制約とZLDシステム全体の有効性との間のギャップを埋めることに焦点を合わせている。正浸透(FO)、電気透析(ED)、膜蒸留(MD)などの操作は、主に逆浸透(RO)と組み合わせて実行され、逆浸透かん水濃縮物を処理してZLDを実現する。これらの方法では、高塩分濃度のかん水を処理できるためである(200,000 mg/L以上)。理想的なZLDプロセスは、リソースを最大限に回収するように設計されている。兎に角、精製水はかん水処理プロセスの第一多くの動機である。正浸透、電気透析、膜蒸留、およびハイブリッド・プロセスは、淡水回収に採用される主要なアプローチであり、これらについては次のセクションで説明する。このステップ後に、次の段階でミネラル回収技術が続く。技術の注意深いスクリーニングが行わなければならず、逆浸透かん水の濃度と組成を得ることに注意する必要がある。

４．かん水管理：資源回収技術

4.1. 淡水回収技術

4.1.1. 正浸透

　正浸透は、その名前が示すように、浸透圧駆動の膜プロセスであり、逆浸透(油圧を使用)とは異なり、膜全体の浸透圧勾配を利用して給水を分離し、浸透させる。かん水処理では、この方法が主に水の回収に採用されている。原則として、図１に示すように、浸透圧勾配を達成するために、透過溶液と呼ばれる高食塩水が使用されている。プロセス中、給水(低食塩水)からの水は半透膜を通過して、浸透圧平衡を達成するために高食塩水である透過溶液(DS)に到達する。プロセスが続くにつれて、希釈された透過溶液と濃縮されたフィードがある。淡水と透過溶液は逆浸透/蒸発/機械的方法を使用した再生プロセスによって分離できる。残りの濃縮された透過溶液はさらに再利用できる。得られた濃縮かん水供給物は、ミネラル回収のために晶析装置/蒸発器にかけることができる。

　　　　　　　　　　　　　図１　正浸透の概略図

　正浸透では、その特性が膜を通過する水の輸送と飲料水の再生を制御するために、透過溶液に主要な役割が与えられた。従来、逆浸透再生では透過溶液としてNaClとMgCl₂が使用されており、有機溶質、無機溶質、揮発性溶質、高分子電解質、生体廃棄物、ナノ粒子の透過溶液が数多く研究されてきた。しかし、理想的な透過溶液を満たすには、いくつかの空白を埋める必要がある。理想的な透過溶液の主な要因は、有用性、費用効果、高流量、汚染の可能性の低下、逆溶質拡散の低さ、非毒性、および回復/再生の容易さである。したがって、現在の研究のほとんどは、正浸透技術のためのそのような理想的な描画ソルーションの開発に焦点を合わせている。

　透過溶液に関連する主な問題の1つは、回復/再生に使用されるエネルギーである。これを軽減するために、熱分解、機械的、および磁気応答性を備えた透過溶液の開発、またはそれらのハイブリッド解決策に関する研究が検討されている。最近では、液体肥料も透過溶液として使用されている。透過溶液としての液体肥料の主な目標は、再生の必要がないことである。希釈された透過溶液は灌漑に直接使用できる。この技術は肥料による正浸透と呼ばれる。この方法論は灌漑を介して作物に必須栄養素を供給するのに非常に効果的であることが分っている。正浸透関連の研究も効率的な正浸透膜への道を開いた。同じものの支配的要因は、性質、表面特性、厚さ変調、漏れ挙動、耐汚損性などである。正浸透技術を使用したかん水からの水の回収に関する最近の研究を表3に示す。

幾つかのかん水処理方法の中で、エネルギー効率の高い方法である正浸透は逆浸透と比較して費用対効果、低エネルギー消費、膜汚染の低減、高い水フラックス、および顕著な除去率などの多くの利点があり、高塩水(<200 g/L) に適用できる。一般的に正浸透技術は逆浸透(2～2.92 kWh/m³)や機械的蒸気圧縮(20 kWh/m³)などの他のアプローチと比較して、低エネルギーを利用する(エネルギー・コストは0.02 kWh/m³まで下げられる。)；Guliedらによって提案されているように、より濃縮された原料溶液を使用することで、さらなるコスト低減を実現できる。したがって、正浸透は現在、最も適したかん水資源回収方法と考えられている。

正浸透にはいくつかの目標があるが、実験室規模の実装がいくつかある。しかし、本格的な実装はまだ成長段階にある。ZLDに基づく世界初の商用正浸透プラントは2016年に中国で展開された(浙江省の長興発電所)。このシステムは廃水処理1 m³当り90 kWhのエネルギーを利用して630 m³/日の使用済み産業廃水を変換する。排煙脱硫からの供給廃水は、前濃縮逆浸透に続いて膜かん水濃縮器システムにかけられる。前処理により、濃度は60,000 mg/Lになり；正浸透膜かん水濃縮器システムは、NH₃/CO₂原料溶液を使用して逆浸透かん水を<220,000 mg/Lまでさらに濃縮する。回収およびパススルー逆浸透システムにかけられた膜かん水濃縮器原料溶液は、最終的に<100 mg/L総溶解固形物の高品質の製品水を生成する。実装された膜かん水濃縮器は最大23 m³/hまで回復でき、回復率は87％である。2019年には、別の正浸透プラントがカナダのForward Water Technologiesによって工業化された。彼等は廃水処理用に熱分解正浸透透過溶液を開発し、15 m³/日の処理を達成した。

4.1.2. 電気透析技術

　電気透析技術では、陽イオンと陰イオンの選択的な半透膜(イオン交換膜)の交互のシリーズが陰極と陽極の間に配置される。きれいな水はイオンの電気化学的分離によって生成され、すなわち、溶液中のイオンは電位の影響によって分離される。電気透析プロセスの原理を説明する模式図を図2に示す。かん水溶液を電気透析系の装置に通す。電圧勾配は、

　　　　　　　　　　　　　図２　電気透析の模式図

陽イオンと陰イオンが選択的膜を通って陰極と陽極にそれぞれ移動する。陽イオン交換膜(CEM)は、陽イオンが陰イオンをブロックすることを可能にする。同様に、陰イオンは陰イオン交換膜(AEM)を通過し、陽イオンはブロックされる。これは塩水中のイオンの完全な分離をもたらし、一方の側でイオン濃縮に終わり、他の側で淡水回収に終わる。Na⁺、K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺等の全ての陽イオン、および塩化物、硫酸塩、硝酸塩などの全ての陰イオンは、電気透析技術を使用して塩水から効果的に分離されることが判明している。

　逆浸透と比較して、電気透析は簡単な操作、高い水回収率、膜の長寿命、低い汚染(逆浸透として圧力駆動されないため)、前/後処理の必要がないなど、いくつかの利点を有する。電気透析中のイオンを輸送する性能は、交換膜の特性、供給物中のイオンの濃度および性質、イオン密度などに大きく依存する。電荷イオンを有するポリエチレン、ポリスルホン、ポリスチレンなどのポリマーはイオン交換膜として一般的に使用されている。アンモニウム・イオン、アミンなどの正電荷は陰イオン交換膜の調整に使用され、スルホン酸、ホスホン酸、ホスホリル、カルボン酸基は陽イオン交換膜に一般的に見られる。濡れ挙動、電気的、および表面特性に応じて、イオン交換膜は本質的に均質で異種である可能性がある。バイポーラー膜、1価選択膜などの新規ハイブリッド膜が出現し、かん水処理における電気透析の適用シナリオを拡張する。

　イオン交換膜の経時的な劣化/枯渇は、電気透析における主要な障害である。200 – 700Daの浮遊分子、金属陽イオンの表面堆積などにより、イオン交換膜の目詰まりを誘発し、全体的な分離効率を低下させる可能性があることが分っている。汚染およびスケーリングを低減するために、電気透析反転(EDR)および電気透析メタセシスとして知られる電気透析においていくつかの修正が採用されている。汚染による抵抗の増加は、電気透析の逆転によって克服することができる。電気透析反転では、一定時間間隔の間、電極の電気極性が逆転して、堆積したイオンが反対方向に移動する。その結果、分極境界層厚の低減により目詰まりを低減でき、」システムの効率が向上する。電気透析反転は電気透析/電気透析反転とされ、給水の最大15 kWh/m³のエネルギーを利用して、約>100,000 mg/Lの高塩分濃度の濃縮に使用可能であり、このエネルギーは従来の方法と比較して少ない。

　電気透析システムを用いると、給水にもよるが水回収率は70-90％であることが分かる。電気透析システムは逆浸透濃縮物の処理にも使用される。給水の塩分濃度が高いため、電気抵抗、電圧降下、およびエネルギー消費も高くなる。したがって、ほとんどの研究は、水回収プロセスのためのハイブリッド・システムを示唆している。最近、Baderらはかん水管理のためのパイロット規模の大電流密度電気透析-蒸発器ハイブリッド・システムを利用したクウェートでのケーススタディーを報告した。彼等は77％の水回収率を報告した。電気透析を用いたかん水からの水回収に関する最新の研究を表4に例示する。

　　表4　様々な塩水源からの水回収に利用された電気透析システムの報告書のまとめ

4.1.3. 膜蒸留

　膜蒸留において、熱駆動分離は疎水性微多孔膜を利用する供給物からの飲用水の製造をもたらした。膜の疎水性は水分子の動きを防ぎ、気孔率は蒸気の透過を可能にする。膜蒸留は1963年にボデルによって導入された。温度差によって引き起こされた膜全体の蒸気圧勾配は、この分析技術の背後にある原理である。従来の蒸留と比較して、膜蒸留を使用した淡水生産は膜汚染があっても経済的に実行可能である。膜蒸留プロセスでは、膜全体の蒸気圧差は熱い供給水と冷たい透過液溶液を使用して維持される。蒸気圧力および温度差は、供給水の蒸発を介して物質移動を誘発する。蒸気は膜の細孔を通って拡散し、透過側で淡水に凝縮する。膜蒸留は50～99％の除去率と適度な温度と圧力条件のために低コストで高品質の淡水回収率を持っている。

　膜蒸留には様々な構成が登場した。模式図を図3に示し、透過側でより低い蒸気圧を強制する。これらには冷たい透過液が膜と直接接触する直接接触膜蒸留(図3a)と、伝導損失を低減するために膜と透過側との間にインターリーブされたエアギャップを有するエアギャップ膜蒸留(図3b)が含まれる。掃引ガス膜蒸留(図3c)と透過側にコールドスイープガスと、最後に透過側に真空膜蒸留(図3d)と真空が加えられる。膜蒸留は低温条件(40～90℃)を利用しており、低品位の熱流や太陽光や地熱などのエネルギー源の利用が可能である。膜作製には、ポリスルホン/ポリエーテルスルホン、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリ(フッ化ビニリデン)などの疎水性ポリマーが用いられる。ポリマーとは別に、セラミック・ベースおよび疎水性材料コーティング、全知嫌悪、ヤヌス、およびサンドイッチされた多孔質膜も膜蒸留で使用するために出現している。

図3　膜蒸留の様々な構成の概略図は、(a)直接接触、(b)エアギャップ、

(c)コールドスイープガス、および(d)真空膜蒸留である。

[橋本1] 　塩水溶液を処理するための膜蒸留の有効性は既に確立されている。膜蒸留は低温条件(30～90℃)を使用するため、低品位の熱流や太陽光や地熱発電などのエネルギー源を利用することができる。2009年、Martinettiらは真空膜蒸留を用いた逆浸透かん水からの優れた水回収を報告した。著者らは2つの逆浸透かん水試料(7500 mg/Lおよび17,500 mg/L全溶解固形物)を給水として使い、PTFEおよびPPで作られた2つの0.22μm孔径平膜を使用した。供給水を40～60℃の加熱に供し、2Lの脱イオン水を透過液として20℃に冷却した。真空膜蒸留では塩水から62％および80％の淡水をそれぞれ7500 mg/Lおよび17,500 mg/Lの全溶解固形物で回収した。別の報告では、PP中空糸膜を用いた多段エアギャップ膜蒸留を用いて人工逆浸透かん水から82％の水を回収した。最近、Amandaらは分画プロセスを介して多段蒸留膜結晶化を使用して、合成リチウム・リッチかん水から95％の淡水を回収した。膜蒸留の主な欠点は、膜のスケーリングである。例えば、カルシウム系もしくはシリカ系化合物またはかん水由来の有機分子は、疎水性膜上に沈殿することができ、これは膜流束の劣化および低下をもたらす。これらは、水で油圧式膜洗浄するか、汚れに強い膜を開発することによって克服することができる。

4.1.4. ハイブリッド・プロセス

　ハイブリッド海水淡水化システムは、スタンドアロン・システムと比較して、性能を向上させ、より良い環境解決策を提供し、運用コストを削減するために、2つ以上の海水淡水化技術の統合である。ハイブリッド・アプローチを使用して、効果的なかん水管理

を達成することは実行可能である。エネルギー使用量を削減し、水需要目標を達成するための1つの選択肢は、2つ以上の処理プロセスの強みを組み合わせることである。最終製品の水回収率を向上させるために、個々のプロセスの利点を統合するための費用対効果の高い方法を確立するために多くの努力が払われてきた。このセクションでは、拒絶かん水を最小限に抑えながら全体的な淡水化効率を最適化するための主なハイブリッド技術について説明する。

　ほとんどの専門家達は、逆浸透は多段フラッシュや多重効用蒸発などの他の工業的に実装された方法と比較して、現在、利用可能な最もエネルギー効率の高い淡水化技術であると考えている。しかし、膜の拡大性と最大給水塩分濃度75 g/Lは、高い水回収のための逆浸透の利用を制限する。逆浸透供給水にわずかに溶けているシリカおよびその他の無機イオン(Ca²⁺、Mg²⁺、CO₃^2-、SO₄^2-、Ba²⁺、Sr²⁺など)は水回収率の増加に伴って蓄積し続ける。硫酸カルシウムや炭酸塩、硫酸バリウム、硫酸ストロンチウムなどの鱗片形成塩は逆浸透濃縮液中に存在し、溶解度を超えると逆浸透膜の表面に析出する可能性がある。これらの塩は透過液の流れを減少させ、最終的には膜の耐用年数を短くする。鱗片防止剤は、給水が激しく濃縮されているときに難溶性塩の沈殿を防ぐのに効率が悪い。さらに、逆浸透濃縮液中の高い全溶解固形物濃度は、逆浸透に対する高い浸透圧要件のために、逆浸透技術の利用をさらに制限する可能性がある。したがって、逆浸透かん水処理の前に、かん水は様々な前処理方法に供される。電気透析、イオン交換、種添加沈殿、および化学沈殿による化学軟化はこれらの方法の例である。表5および表6は、それぞれの水回収率の増加および塩水量の最小化を目標とする。低塩分および高塩分給水からの逆浸透との併用技術を使用した過去10年間のかん水管理に関する選択されたレビュー研究の要約を提示する。これらのハイブリッド技術については、以降のセクションで詳しく説明する。

表5 低塩分濃度のかん水処理のための逆浸透とのいくつかのハイブリッド技術の概要(低塩分濃度の水からのかん水：水500～30,000 mg/Lの全溶解固形物)

表6　高塩分濃度のかん水処理のための逆浸透とのいくつかのハイブリッド技術の概要(高塩分濃度の水からのかん水：水中の全溶解固形物30,000～50,000 mg/L)

4.1.4.1 逆浸透－低塩分水からの塩水との複合技術

(a) 化学沈殿－逆浸透：

(b) 種添加沈殿－逆浸透：

(c) イオン交換－逆浸透：

4.1.4.2. 高塩分塩水からの逆浸透かん水との組み合わせ技術

(a) 電気透析/逆浸透：

4.2. ミネラル回収技術

4.2.1. 吸着

4.2.2. 結晶化

4.2.3. 沈殿

4.2.4. その他

4.2.5. ハイブリッド・プロセス

4.2.5.1. ZLDアプローチを使用した資源回収用の逆浸透との組み合わせ技術

4.2.5.2. 水－ミネラル同時回収と炭素捕獲用のハイブリッド・プロセス

4.3. エネルギー回収技術

4.3.1. 圧力遅延浸透法

4.3.2. 電気透析反転

4.3.3. 容量混合

　以上の節省略。

５．かん水管理に関する結論と今後の提言

　かん水廃棄やかん水管理は非常に重要である。前述のように、その廃棄はスキャベンジャー殺生物剤や微生物消毒副産物や、塩化第二鉄、明礬、重金属(Fe、Cu、Cr、Ni、Moなど)などの凝集物を含むため、環境や生態系に深刻な影響を与える可能性がある。表層水、海水、深井戸注入、陸上廃棄、蒸発池への廃棄などの従来の廃棄方法は、富栄養化、塩分変動、pH変動、温度変化などを誘発する可能性のある上記の成分の存在により、海洋生態系および土壌品質に悪影響を及ぼす可能性がある。ゼロ排液技術の開発は、資源回収能力　を考えると大きな反響を呼んでいる。これまでに採用された様々なZLDプロセスの詳細な技術経済報告書を表11(省略)に示す。

　これらの技術の最先端技術はまた、ハイブリッド・プロセスがそのコストとエネルギー効率のために、表11から明らかなように、個々の技術を考慮すると、より有益である可能性があることを発見した。ハイブリッド・プロセスは個々のZLDプロセスのエネルギー消費量とコストを最大50～70％大幅に削減できることが報告されている。したがって、個々のZLDプロセスで逆浸透濃縮物を処理することの主な概念は、電気透析、正浸透、または膜蒸留プロセスのいずれかと組み合わせることによって対処することができる。電気透析技術は単純または複雑な設計において、逆浸透の二次段階の前に一次塩水の軟化を達成できる。膜蒸留を電気透析技術および逆浸透と統合して、塩分濃度の高い塩水溶液を処理し、ZLDの効率的な実装に向けた信頼性の高い技術的アプローチを開発することも可能であることに言及する価値がある。電気透析反転と逆浸透を統合すると、上記の利点だけでなく、塩水の高い塩分濃度が塩分濃度勾配からの発電を改善する可能性があるため、電気透析反転は随伴水の資本コストを削減すると言う利点も提供する。ハイブリッド電気透析/逆浸透システムの著しい進歩が達成されたにもかかわらず、結合システムのエネルギー・コストをさらに削減するためには、さらなる研究が依然として必要である。現在、高塩分水処理の設計改善、ハイブリッド・システムの性能の本格的な最適化、エネルギー回収と自給自足の海水淡水化システムへの技術活用に重点が置くべきである。

　金属回収技術は、リチウム、ルテニウム、セシウムなどの経験的価値の高い鉱物を回収するそれらの能力は本当に有益である。しかし、現状では、工業的観点から商業的に実施されている回収技術は非常に限られている。吸着、結晶化、および沈殿は、費用対効果の高い方法でミネラルを回収する上で有効な方法と考えることができる。それでも、システム内のいくつかのイオンの間には常に競合があり、分離の有効性、純度の考慮事項、および二次副産物が減少する。前述のように、電気透析や膜蒸留などの膜ベースのシステムには、常にエネルギー要件、ファウリング、スケーリングなどの障害があった。膜ベースの技術と低コストの熱技術、すなわち、軟化と資源回収のための廃棄物として化学物質を使用し、エネルギー源としての塩分濃度勾配電力と再生可能エネルギー・システムの統合を含むハイブリッド・プロセスの組み合わせは、組み合わせた技術の強みから利益を得て、淡水化産業におけるこのハイブリッド・アプローチの実現可能性を評価するために必要である。圧力遅延浸透、電気透析反転、および容量混合は、塩水からのエネルギー回収の観点から非常に関連性の高い方法である。これまでのところ、プラントの実装はほとんど実証されていない。しかし、これらはまだ経済効果と頑丈さを向上させるためにより多くの開発を必要とする｡したがって、技術的および経済的なポイントを備えた大規模な産業実装のための生産的方法論を開発するために、ハイブリッド・プロセスの開発にもっと焦点を当てる必要がある。

　1回の反応で2つ以上の汚染物質を処理するハイブリッド・プロセスは、費用対効果が高く環境に優しい戦略を使用して淡水化プロセスの効率を向上させ、かん水管理アプローチの持続可能性を確保するための効率的な解決策になる可能性がある。この文脈において、効果的なハイブリッド管理の枠組みは、世界の多くの国、特に図17(省略)に示すように水不足に苦しんでいる湾岸諸国におけるほぼZLDアプローチを満たすために策定され、開発され得る。経済的、環境的、社会的パフォーマンスは、開発された枠組みの中で考慮される。ハイブリッド・プロセス設計における廃棄物削減の検討は、持続可能な開発戦略の達成に不可欠な鍵である。今後の研究の焦点は以前の研究よりも多くの商業製品とより良い品質の処理水を生産しながら、少なくとも2つ以上の汚染物質を含む多段階の塩分処理を使用する複合ハイブリッド・プロセスの開発にあるべきである。高レベルのスケール・イオンおよび有機物による塩水の前処理は、播種および化学的沈殿によって行うことができる。例えば、マグネシウムおよびカルシウムおよび他のスケール・イオンを石灰およびソーダ灰などのアルカリ溶液で沈殿させ、追加の市販製品を回収できる。このステップでシール可能な製品の純度を慎重に検出することは、収益を生み出すことによってコスト削減に貢献するであろう。上記のように、かん水前処理用の化学薬品を購入するコストは、化学物質を廃棄物として使用することで節約できる。重金属、有機および無機汚染物質からの塩水のさらなる精製のために、限外濾過を適用して軟化した塩水を濃縮できた。次に、修正されたソルベー法をハイブリッド・プロセスに統合して、持続可能性アプローチを確保できる。したがって、廃棄物として二酸化炭素と共に高濃度の前処理された塩水は、ソーダ灰などの追加の販売可能な固体炭酸塩を製造するための原料となるであろう。製造された固体炭酸塩の量と品質は、処理コストと廃棄物の削減と共に、修正ソルベー法の研究中に以前に遭遇した前述のギャップに対処するために考慮する必要がある。限外濾過と化学軟化の統合、ならびに修正ソルベー法によるナトリウムの削減は、膜スケーリングを緩和し、追加の逆浸透かん水処理および／または電気透析を低コストで、人間の消費に適した水を得るための後処理ステップで可能になり、ほぼZLDアプローチを満たす。