工業用膜は循環型経済にどのように貢献するのか？

長時間勤務の終わりに製造工場に立ち、数百ガロンのプロセス水が近くの処理システムに排出されるのを眺めたことがある人なら、「その廃棄物はどこに行くのか、もっと多くの廃棄物を活用できないだろうか?」と疑問に思ったことがあるかもしれません。あまりにも長い間、産業運営は水、化学薬品、さらには副産物を使い捨てとして扱い、生産を継続するために有限の資源を活用し、使用済みの材料を送り出してきました。産業用膜のサプライヤーとして、私は過去 12 年間、この直線的な「採取、製造、廃棄」モデルに不満を抱いている工場管理者、プロセス エンジニア、持続可能性リーダーと話をしてきました。良いニュースは？産業用膜は、あらゆる材料が無駄を最小限に抑えて再利用、リサイクル、再利用される循環経済を構築するための最も強力なツールの 1 つとなりつつあります。

循環経済が古い産業戦略と何が違うのかから始めましょう。線形モデルでは、原材料を取得して製品に変換し、販売または使用されないものはすべて廃棄します。循環モデルでは、材料をできるだけ長く使用し、その価値を最大限に引き出し、寿命が来た製品を回収して再生します。産業運営にとって、一部の部門では水の使用だけで工場運営コストの 20% を占め、化学薬品の損失により年間経費が数百万ドル増加する可能性があるため、この変化は地球にとって良いことであるだけではありません。それは競争上の利点です。ここで膜の出番です。これらの薄く選択的な障壁は、蒸留や蒸発などの古いプロセスのような熱やエネルギーのコストを必要とせずに、液体や気体から分子、イオン、粒子を分離します。循環性に最適なのは、失われたであろうリソースを回収して再利用できる能力です。

工業用水を例に挙げてみましょう。多くの工場では、水を冷却、洗浄、処理に使用し、その後処理に送り、少量の化学物質、重金属、有機物で汚染されているため、排出するだけです。従来の水処理は多くの場合、規制の制限のみを満たしており、再利用基準を満たしていません。膜はそれを変えます。逆浸透 (RO) 膜と限外濾過 (UF) 膜は、使用済みプロセス水から汚染物質の 99.9% を濾過し、生産サイクルで再利用できるほど純粋な水に変えることができます。欧州水協会による 2022 年の調査では、膜ベースの水再利用を採用している施設では、最初の 3 年間で淡水摂取量が最大 60% 削減され、廃水排出量も同程度減少したことがわかりました。毎日 100 万リットルの水を処理する食品飲料工場の場合、60 万リットルの水が新たに調達して処理される必要がなく、60 万リットルの廃棄物が下流に送られないことになります。

しかし、膜の循環能力は水だけに限定されません。また、廃棄されるであろう高価値の化学物質も回収します。たとえば、金属仕上げ産業では、酸、塩基、金属塩を含む溶液で部品がコーティングされることがよくあります。使用後、これらの溶液は有害廃棄物として処理され、環境とコストの両方に影響を及ぼします。膜はきれいな化学溶液を汚染物質から分離できるため、コーティング溶液は直接再利用でき、回収された金属塩は販売または再処理できます。私たちが数年前に協力した大手自動車部品メーカーは、新しいニッケルめっき溶液に年間 120 万ドルを費やし、さらに有害廃棄物の処理に 80 万ドルを費やしていました。当社の膜システムを設置した後、新たな化学物質の購入が 85% 削減され、有害な廃棄物の流れが完全に排除されました。それは単なる廃棄物の削減ではなく、コストセンターを収益源に変えることであり、これらはすべて膜技術によって可能になります。

もちろん、すべての産業環境が膜に優しいわけではありません。多くのプロセスストリームは高温で動作するか、標準的な膜材料を劣化させる可能性のある酸化性汚染物質を含んでおり、寿命が短く再利用が無効になります。そのため、当社は最も過酷な動作条件に対応できるように設計された特殊な膜ラインを開発しました。食品や飲料の殺菌、医薬品製造、発電所の冷却など、高温のプロセスの流れを扱う施設向けに、当社のPro-Therm 特殊高温耐性膜エレメント選択性やフラックス性能を失うことなく、120°C までの温度に耐えます。高温用途では 1 年以内にピンホールが発生したり効率が低下したりする可能性がある標準的なメンブレンとは異なり、Pro-Therm メンブレンは 3 ～ 5 倍長持ちし、交換の無駄を減らし、プロセスの一貫した稼働を維持します。

漂白、消毒、化学合成に使用される塩素、過酸化水素、過硫酸塩などの酸化剤も、膜の性能に対する大きな課題です。ほとんどの標準的なポリアミド RO 膜は、たとえ少量の酸化剤にさらされると破損するため、頻繁に交換する必要があります。私たちの酸化に強い独自の膜エレメント 8040は、最大 10,000 ppm 時間の濃度の酸化剤に連続的にさらされても劣化することなく耐えられるように設計されています。生地の加工で塩素漂白を使用する繊維工場は、この膜を使用することで漂白液を回収して再利用できるため、化学薬品の使用が 70% 削減され、廃水中の酸化剤負荷も同量削減され、かつて有害な化学物質が地元の水路に放出されていたプロセスのループを閉じることができます。

高温と耐酸化性の両方が必要な作業には、Pro-CR 特殊耐酸化膜エレメント両方の長所を提供します。一般的な酸化剤による劣化に耐えながら、最大 100°C の温度でも確実に動作するように設計されており、熱と化学純度の両方が重要であり、規制の循環性要件を満たすためにすべての材料を回収して再利用する必要がある製薬プロセスに最適です。産業システムで最も広く使用されている 8040 サイズのエレメントでさえ、循環性を考慮して構築されています。8040 高温に耐える独自の膜エレメントそして独自の耐酸化膜 8040洗浄とメンテナンスが容易になるように設計されているため、より長く使用でき、寿命に達した場合には、寿命を迎えた膜リサイクル施設で処理できるリサイクル可能な材料で作られており、膜自体のループがさらに閉じられます。

産業用循環膜のもう 1 つの見落とされがちな側面は、エネルギー循環における膜の役割です。多くの工業プロセスでは、プロセスの流れを加熱または冷却するためにエネルギーが使用され、廃熱は多くの場合大気中に失われます。膜システムは廃熱を回収するように最適化でき、プロセス加熱に必要なエネルギーを削減できます。たとえば、膜が液体の流れを 2 つの部分 (1 つは濃縮液、もう 1 つは透過液) に分離する場合、2 つの流れの温度を使用して入ってくる原材料を予熱することができ、プラントのボイラーやチラーにかかるエネルギー負荷を削減できます。当社と提携している紙パルプ工場ではこのアプローチを採用し、膜水の再利用と廃熱回収システムを統合することで年間エネルギー使用量を 12% 削減しました。これは、エネルギーが無駄にされずにシステム内に維持されることです。これが循環経済のもう 1 つの重要な原則です。

もちろん、メンブレン技術の採用には課題​​がないわけではありません。工場管理者からは、初期費用が障壁になる可能性があり、多くの人が膜システムを既存のプロセスに統合する方法がわからないと聞いています。しかし、計算はすぐに計算できます。新しい顧客と協力する場合、私たちはプロセス監査から始めます。既存の廃棄物の流れをテストし、どの資源を回収できるかを特定し、顧客のニーズに合わせたカスタム膜システムを設計します。ほとんどの施設では、水と化学薬品の購入量の削減、廃棄物処理コストの削減、および多くの場合、回収された材料からの新たな収益のおかげで、投資収益率は 2 ～ 4 年です。また、メンブレンの効率を維持し、メンブレンの寿命をできるだけ長くするために、定期的な洗浄や性能チェックなどの柔軟なサービスおよびメンテナンス プログラムも提供しています。

より循環的な世界経済に向けて移行する中で、産業用膜は廃棄物を価値に変える上で重要な役割を果たすことになります。これらは単なる機器ではありません。「無駄」の意味を再定義するツールです。後付けではなく、失われたリソースです。直線型から循環型への移行の準備ができている施設向けに、当社の特殊な膜ラインは最も困難な産業条件にも対応できるように構築されており、コストを削減し、持続可能性の目標を達成し、より回復力のある世界経済に貢献するのに役立ちます。

工業用膜がどのようにプロセスを変革し、貴重な資源を回収し、業務を循環性に近づけることができるかを探求したいのであれば、私たちがお手伝いいたします。特定のニーズについては、当社のチームにお問い合わせください。

参考文献:

1. 欧州水協会。 （2022年）。工業用水の再利用: 循環経済アプリケーションのための膜技術。ブリュッセル：EWA出版。
2. 国際水協会。 （2021年）。産業廃棄物の流れからの資源回収のための膜分離。ロンドン：IWA Publishing。
3. 国連工業開発機関。 （2020年）。産業における循環経済: 膜技術の役割。ウィーン：UNIDO。
4. 米国膜技術協会。 （2023年）。高温酸化工業プロセス向けの特殊な膜。アーリントン：AMTA。