膜分離技術は測定方法によりいくつかに分類できます。
(1) 抽出剤による分類
分離するさまざまな生成物に基づいて、膜分離プロセスは精製、濃縮、分離、抽出の 4 つのカテゴリに分類できます。透過水が生成物である水処理における膜分離プロセスは精製と呼ばれます。残留物が生成物であるものは濃縮と呼ばれます。透過水と残留水の両方が生成物であるものを分離と呼びます。また、2 つの異なる保持液カットオフを備えた膜分離プロセスを組み合わせて、2 つのカットオフ カットオフ間の物質を取得するプロセスを抽出と呼びます。
(2) 膜材質による分類
半透膜は膜の材質により有機膜と無機膜に分けられます。有機膜材料としては、主にポリスルホン、ポリプロピレン、ポリアクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデン、ポリエーテルスルホン、酢酸セルロース、スルホン化ポリスルホン、芳香族ポリアミドなどの各種高分子材料が挙げられます。
無機膜材料は、金属や金属酸化物などの金属-ベースの無機膜と、セラミックやガラスなどのケイ酸塩-ベースの無機膜にさらに分類されます。
有機膜は調製が簡単で、膜要素の体積比が高く、安価で、低圧で動作しますが、化学的安定性、温度耐性、機械的強度、および洗浄耐性が劣ります。一方、無機膜はその逆です。
有機膜技術と無機膜技術は、それぞれの利点を活かして性能を向上させ続け、互いの強みを超えようとしています。現在、逆浸透膜材料のうち工業生産規模に達しているのは芳香族ポリアミドのみであり、限外濾過膜材料は非常に種類が豊富である。
(3) 分離精度による分類
さまざまな分離精度に基づいて、水処理の膜分離プロセスは、精密ろ過、精密ろ過、限外ろ過、ナノろ過、電気透析、逆浸透、樹脂床電気透析 (EDI または電気脱イオンとしても知られています)、および膜蒸留に分類できます。精密濾過、限外濾過、ナノ濾過、および逆浸透はすべて膜間の圧力差によって駆動されますが、電気透析および樹脂床電気透析は電位差によって駆動されます。精密濾過膜の分子量カットオフは 0.1 ～ 1.0 μm、操作圧力は 0.1 ～ 0.2 MPa です。限外濾過膜の分子量カットオフは 5000 ～ 200000 Da、操作圧力は 0.1 ～ 0.3 MPa です。ナノ濾過膜の脱塩率は 0 ～ 95%、動作圧力は 0.3 ～ 0.6 MPa です。逆浸透膜の脱塩率は 95.0% ～ 99.9%、最小透過塩分濃度は約 1 mg/L、動作圧力は 0.7 ～ 7.0 MPa です。
電気透析では膜を透過しない脱塩水が生成されます。最小透過塩分濃度は逆浸透膜の塩分濃度に近く、作動圧力は 0.1 ～ 0.2 MPa です。流路長と動作電流強度に応じて、脱塩率を0～98%の範囲で調整できます。
電気透析の脱塩水流路をアニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂で満たすことにより、樹脂床電気透析システムが形成されます。流入水の塩分濃度が 2 ～ 5 mg/L の範囲にある場合、樹脂床電気透析の透過水の導電率は 10 ～ 15 MΩ のレベルに維持できます。
(4) 膜構造による分類
多孔質膜と非多孔質膜の構造の違いに基づいて、分離膜は多孔質膜と緻密膜に分類できます。-多孔質膜には透過性の細孔が多数ありますが、緻密な膜には透過性の細孔がありません。
膜構造の均一性に基づいて、多孔質膜と緻密膜はそれぞれさらに均質膜と不均質膜に分類できます。均質膜の膜構造は膜面垂直方向で均一であるのに対し、不均一膜の膜構造は膜面垂直方向で不均一である。
精密濾過膜は多孔質の不均一膜です。膜を透過する際に細孔径は不規則に変化し、保持効率は主に平均細孔径と空隙率によって決まります。
限外濾過膜は多孔質で不均一な膜です。膜の供給水側は緻密な層となっており、供給水側の細孔径が小さく、精製水側の細孔径が大きくなり、水の透過性が向上します。典型的な緻密で均質な膜は、電気透析に使用されるイオン交換膜であり、水の透過性は限られていますが、正イオンまたは負イオンの透過性は非常に高いです。
芳香族ポリアミド逆浸透複合膜は、典型的な不均一緻密膜です。この膜は、より厚く高速透過性の多孔質支持膜を、高速透過性の極めて薄い複合層で積層したもので構成されており、高い透過性と高い透過率の両方を同時に実現しています。-
緻密で均質な膜は全方向に均一な構造を持ち、高い透過率を持っていますが、透過性が低いため、通常は単独で形成されず、複合膜の緻密な層となることが多いです。
(5) 元素構造による分類
膜エレメントは、シート状またはフィラメント状の膜を対応する構造コンポーネントと組み合わせて形成される膜作動単位です。{0}構造の違いに基づいて、膜エレメントはプレート、プリーツ、管状、中空、スパイラル巻きなどのさまざまな構造形態に分類できます。
さまざまな膜構造には、体積面積、流れのパターン、圧力サポート、および洗浄条件の点で独自の長所と短所があります。
精密濾過、精密濾過、および限外濾過膜は、プレートフィルターおよびフレームフィルターで使用するためにプレート構造に配置できます。プレートフィルターとフレームフィルターは体積面積が小さく、頻繁に膜材料を交換する必要があるため、断続的な運転しかできませんが、膜支持および通水用の構造材料は使い捨てではないため、膜交換時の材料コストが最も低くなります。
精密濾過膜と精密濾過膜をプリーツ構造に配置してプリーツフィルターを形成することもできます。これらは、プリーツ構造を利用して容積面積を増加させ、膜自体を使用して背圧サポートと水伝導チャネルを形成します。ただし、プリーツ膜を交換すると構造材料のコストが増加します。
プレート膜とプリーツ膜は両方ともフルフロー動作の特性を共有しています。-それらの共通の欠点には、大規模に連続的に生産できないこと、および洗浄できないことが含まれます。シンプルな設備と便利な操作により、主に小規模で低汚染のプロセス終末水処理環境で使用されています。-
管状膜は精密濾過、限外濾過、ナノ濾過、さらには逆浸透膜であり、内径 10 ～ 15 mm の内圧下で動作します。管状膜は逆洗できず、体積面積が小さく、設備コストが高く、設備効率が低い。ただし、徹底的に前方洗浄することができるため、高粘度、高濁度の液体の処理に適しており、特別な飼料濃度や産業廃水処理に優れた膜構造を備えています。-
中空濾過膜は精密濾過、限外濾過、ナノ濾過、または逆浸透で、内径は 25 ～ 1200 μm、外径は 50 ～ 2000 μm です。
中空濾過膜は圧力の方向により内圧式と外圧式に分類されます。内圧膜は体積面積が小さく、汚れ保持能力が低く、油圧で簡単に洗い流すことができ、給水品質に対する高い要件があります。-クロスフロー モードまたはフルフロー モードで動作できます。-外圧膜は体積面積が大きく、汚物保持能力が高く、水圧による洗浄が容易ではなく、供給水の品質要件が低く、ほとんどがフルフロー モードで動作するため、クロスフローの形成が困難です。-
中空濾過膜は、他の膜構造に匹敵しない非常に大きな体積面積を持ち、優れた順方向および逆方向の洗浄性能を備えています。
中空膜ファイバーの機械的強度には限界があるため、ファイバーの破損が大きな問題となり、特定の稼働期間内のファイバーの破損率が膜の寿命の重要な指標となります。
ロールアップ膜構造は主にナノ濾過膜や逆浸透膜に使用されていますが、近年ではスパイラル-アップ型限外濾過膜も登場しています。この構造は適度な容積面積を持ち、高い運転圧力耐性、低い供給水品質要件、大きな汚損容量、容易なクロスフロー、前方フラッシングを実行できる機能などの利点を備えています。
スパイラルアップ膜内の給水流路の断面は、均一な高さの直線状の流路と考えることができます。{0}{1}この構造により、局所的な汚れが可能になり、高い汚れ能力が得られます。ただし、すべての領域で良好なフラッシング効果を達成するのは簡単ではなく、局所的な汚れが発生しやすくなります。
さらに、スパイラルアップ複合膜は逆洗できないため、洗浄効果が低くなります。{0}膜の汚れによる性能低下はスパイラルアップ構造にとって大きな問題であり、特定の動作期間内の性能低下の程度が膜の寿命の重要な指標となります。