JACI NEWS LETTER No.91 2025.5

GSC話題：サステナビリティ課題解決に向けた排水からの有価物回収技術

オルガノ株式会社 恵良 彰

半導体産業では、サステナビリティ課題解決に向けた取り組みが推進されており、水処理設備においては、水のリサイクル率の向上、エネルギー使用量の削減、廃棄物の低減といった項目が重要な課題である。本稿では、半導体産業から排出される排水処理において、廃棄物を低減し、且つ、有価物回収が可能な技術について解説する。

1. 蛍石回収技術「エコクリスタ」

1.1 はじめに

フッ酸をはじめとする工業原料としてのフッ素化合物は、主に蛍石(フッ化カルシウム)から製造されている。蛍石は中国、メキシコなどから輸入されており、輸入依存度が高いことが問題である。

フッ酸及びフッ素化合物は半導体関連およびその周辺産業、鉄鋼業、金属材料、光学系材料産業等において使用されている。特に、半導体関連産業の工場では、ウェハの洗浄薬品やエッチング薬品としてフッ酸やバッファードフッ酸(主原料フッ化アンモニウム)が使用されており、廃液として引取り処分されるか、工場の排水処理設備で処理されるのが一般的である。

1.2 従来のフッ素処理技術

フッ素含有排水の処理は、従来から凝集沈殿法が行われてきた。
この方法は、排水にカルシウム塩を添加してフッ化カルシウムを生成させ、これに無機凝集剤と高分子凝集剤を併用添加してフロックを形成させ、沈殿分離する方法である。沈殿分離した汚泥は脱水して脱水ケーキとして廃棄物処理されている。

こういった状況の中で注目されている処理方法が、晶析法を用いたフッ化カルシウムの回収技術である。廃液や排水中のフッ素にカルシウムを添加して、フッ化カルシウムの結晶を生成させ、このフッ化カルシウムの結晶をフッ酸製造原料として回収するものである。この資源循環型のリサイクルシステムの概念図を図１．２に示す。
このリサイクルシステムの技術的要は晶析装置であり、以下に当社の晶析装置「エコクリスタ」について紹介する。

1.3 晶析装置「エコクリスタ」

原水中のフッ素イオンとカルシウム剤(塩化カルシウム、消石灰)を反応させ、フッ化カルシウムとして分離するのは、凝集沈殿法でも晶析法でも同様であるが、晶析法では、シード材(種晶)表面にフッ化カルシウムを晶析させ、粒状の結晶(ペレット)に成長させることで、高純度ペレットの形態でフッ化カルシウムを回収することができる。

2. 低消費エネルギー型廃液濃縮・回収技術「ORMEC」システム

2.1 はじめに

従来、数十％以上の塩濃度に濃縮するためには、蒸発器等が用いられるが、大量の熱エネルギーが必要であることが課題である。当社では、膜設備のみで構成された低消費エネルギーの濃縮回収設備「ORMEC」システムを実用化した。

2.2 ORMECシステムについて

ORMECシステムは、限外ろ過膜(UF)、ナノろ過膜(NF)、逆浸透膜(RO)及びOARO(Osmotically Assisted Reverse Osmosis)の組み合わせによって構成される。OAROは、逆浸透膜の１次側だけでなく、２次側にも１次側と同等程度の濃度の溶液を通水し、１次側と２次側の浸透圧差を小さく抑えながら１次側を加圧することで従来の逆浸透膜法では困難であった高濃度まで濃縮が可能な膜濃縮法である。

2.3 アンモニア排水処理への適用

半導体産業では、ウェハ洗浄等に高純度のアンモニアが使用されており、アンモニア含有排水が排出される。このアンモニア含有排水をアンモニウム塩とし、濃縮減容することで、有価物として利用することが可能となる。本システムにより、数千㎎/L～数％の硫酸アンモニウムを25％以上の高濃度にまで濃縮減容することができる。

3. まとめ

本稿で解説した「エコクリスタ」や「ORMEC」システムは、廃棄物を削減し、且つ、有価物回収を可能にすることで、サステナビリティ課題解決に貢献する技術である。排水中の成分を処理対象物質ではなく、資源と捉え、更に同様の技術開発に取り組んでいきたい。

研究最前線：粒子分散系の持つ浸透圧と直流電場を利用した新規正浸透プロセスの開発

法政大学 生命科学部 環境応用化学科 助教 北村 研太

低エネルギーで利用可能な正浸透による水処理技術が注目されている。正浸透は半透膜を介し浸透圧差のある溶液が接触すると、浸透圧の低い溶液から高い溶液(ドロー溶液)へ溶媒が移動する現象を利用し、溶液を濃縮・分離する技術である。この正浸透は、海水の淡水化への応用により水問題の解決に繋がる技術として期待されている。

しかしながら簡便な方法で水の分離、およびドロー溶液を再利用するという点については十分に達成されていないのが現状である。本研究では上記の課題を解決するべく、高い浸透圧をもつナノ粒子スラリーと直流電場による可逆的な分離技術を利用することで、簡便に淡水を分離する新規正浸透プロセスの開発を試みた。

1. はじめに

現在、全人類約60億人のうち、約３人に１人にあたる22億人が、安全に管理された飲み水を利用できていない。この問題に対し、国連の定めるSDGs目標６では「2030年までに安全で安価な飲料水への普遍的なアクセス」を掲げており、低コストで効率的な飲料水製造技術の開発が求められている。

この飲料水の製造方法の一つとして海水の淡水化がある。海水は地球上の水の約97.5%を占める豊富な資源であり、現在、蒸発法や逆浸透法(RO：Reverse Osmosis)を用いた淡水化が広く行われている。しかし、これらの方法はエネルギー消費が大きいことが課題であり、近年より低エネルギーで処理が可能な正浸透法(FO：Forward Osmosis)に注目が集まっている。正浸透法は、膜を介して浸透圧差のある溶液が接触すると、浸透圧の低い側(例：水源)から高い側(DS：Drawsolution、ドロー溶液)へと水分子が移動する現象を利用して脱塩し、その後ドロー溶液と水を分離することで淡水を製造する技術である(図２)。この方法では、適切なドロー溶液を用いることで、自発的に水を透過・回収できるため、低いエネルギーで淡水を製造することができるとされている。一方、正浸透法の実用化に向けては、高い浸透圧を持ち、かつ容易に再利用できるドロー溶液の開発が課題となっている。

この課題に対し、著者は、浸透圧を発生させることが知られているナノ粒子スラリー１)を利用し、新規正浸透プロセスの構築を目指している。本記事では、著者の提案するナノ粒子スラリーと直流電場を用いた新規正浸透プロセスについて、その要素技術となる粒子分散系の浸透圧、および直流電場を用いた液中粒子の分離について説明する。

2. 浸透と粒子分散系の持つ浸透圧

浸透とは溶媒と溶質を溶解した溶液が半透膜を介して接触した際に、溶媒が移動する現象であり、この現象が起こる際、溶媒が半透膜を通って浸透しようとする際の圧力が浸透圧である。この浸透圧は溶質の濃度に依存し、小さな分子やイオンを溶質とする溶液の浸透圧は、ファント・ホッフの式によって定量的に表現することができる。一方で、微粒子が分散した系においても、粒子のサイズや分散・凝集状態に応じた浸透圧が発生することが知られている¹⁾。この場合、粒子が小さいほど溶質の個数濃度が高くなり、結果として浸透圧が上昇する。そのため、粒子径の小さなナノ粒子スラリーは高い浸透圧を持ち、ドロー溶液としての条件を満たす。このため著者は、ナノ粒子をドロー溶液の溶質として利用できるのではないかと考えた。

しかしながらこのアイデアに対し、ナノ粒子はそのサイズが非常に小さいため、遠心分離では長時間の処理が必要となること、膜分離では膜の目詰まりを引き起こすことから高コストとなる点がある。また、これらの分離では、再分散が難しいなどの問題がある。これらの課題に対し、著者は直流電場による粒子の沈降促進技術を利用することを考えた。次章では、その内容について説明する。

3. 直流電場による粒子沈降促進

直流電場を利用した液中粒子の分離技術は、分離対象のスラリーに対し、沈降方向と垂直に直流電場を印加することで、スラリー中粒子の沈降を促進するというものである。この現象のメカニズムは、直流電場を印加することで粒子が泳動し、粒子のいない無粒子層が形成され、無粒子層とスラリー層の密度差によって流体が入れ替わることで沈降が促進するもの²⁾と考えている(図３)。

このメカニズムにより著者の所属研究室では、液中のサブミクロンサイズの粒子)、及び、ナノサイズの粒子を分離⁴⁾(図４)できることを報告してきた。

この方法であれば短時間かつ、少エネルギーで液中の粒子を分離することができるため、上記の問題を解決できるのではないかと考えた。次章では、これらの要素技術を組み合わせ考案した、新規正浸透プロセスの実現可能性について検討した内容を紹介する。

4. ナノ粒子スラリーと直流電場を用いた新規正浸透プロセス

上記で説明した二つの要素技術を用い、バッチ式の実験装置で吸水と分離を行った。装置の上部にアルミナのナノ粒子スラリーを投入し、膜を介して蒸留水と接触させることで吸水性能を評価した。その結果、時間の経過とともに気液界面が上昇し、水がスラリー側に浸透していることを確認した。

その後、ナノ粒子スラリーが投入された箇所に挿入されたカーボン電極間に、電源装置を用いて直流電場を印加した。その結果、時間の経過とともに粒子が沈降し、清澄層が形成されることを確認した。つまり、吸水された水を分離できたということである。

5. まとめ

本記事では、粒子分散系が持つ浸透圧、直流電場を利用した液中粒子の沈降促進技術、そして著者が提案するナノ粒子スラリーと直流電場を用いた新規正浸透プロセスについて紹介してきた。

今後の課題として、大量の飲料水を製造するために、吸水能力の向上およびさらなる分離効率の向上を図り、より実用性の高い技術へと発展させていきたいと考えている。また、本技術は淡水製造に限らず、製造業における溶媒の回収などへの応用も可能であり、幅広い分野での実用化を目指している。

参考文献

• T. Mori et al., J. Jpn. Soc. ColourMater., 90(9), 305-314.
• F. Koike et al., J. Soc. PowderTechnol. Jpn., 61(9).
• T. Mori et al., Miner. Eng., 133, 119-126( 2019).
• T. Mori et al., Colloids Surf. A, 648, 129387( 2022).

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