工業用逆浸透（RO）システムのサイジング方法
ここでは、工業用逆浸透（RO）システムのサイズ決定に関わる主要なパラメータと計算方法について、段階的に解説します。
ステップ1：コア要件（「何を」行うか）を定義する
- 製品水流量 (Qp): これは主要な要件です。毎分何ガロン (GPM) または毎時何立方メートル (m³) 必要ですか？³継続的に必要な精製水の量は何GPMですか？（例：製造工場の場合、100GPM）。
- 製品水質：透過水中の最大許容総溶解固形物（TDS）濃度、または特定のイオン濃度（例：シリカ、ナトリウム、塩化物）を定義します。これにより、必要な塩分除去率が決定されます。
- 給水源と分析：これは最も重要なデータセットです。包括的な水質分析は必須です。主なパラメータ：
◦TDS、導電率
◦シルト密度指数（SDI）または濁度（汚損の可能性を測定）
◦カルシウム、マグネシウム（硬度）、バリウム、ストロンチウム（スケール形成物質）、シリカ、鉄、マンガンの濃度
◦pH、温度
◦遊離塩素（膜を保護するため、ゼロでなければならない）
- 稼働条件：1日あたりの稼働時間、1週間あたりの稼働日数、必要なシステム稼働率。
ステップ2：主要設計計算（「いくら必要か」）
上記の要件を満たしたら、以下の計算を実行します。
- システム回収率（%R）：供給水が製品水に変換された割合。
◦計算式：R（％）＝（製品流量／供給流量）×100
◦制限要因：回収率は、供給水のスケール生成能力によって制限されます。回収率が高くなると、濃縮液（排出液）の濃度が高くなり、膜上にスケールが析出するリスクが高まります。ダウ・ケマーズ社のROSAなどのソフトウェアを使用して、水質、スケール防止剤の添加量、pH調整に基づいて、許容される最大回収率をモデル化します。
- 濃度係数（CF）：回復に関連する。
◦計算式：CF = 1 / (1 - R) または CF = 飼料TDS / 濃縮物TDS
◦例：回収率が75％の場合、濃縮物は原料の4倍の濃度になります（CF = 1/(1-0.75) = 4）。
- 供給流量要件（Qf）：
◦式：Qf = Qp / R
◦例：製品（Qp）を100 GPM、回収率（R）を75%にする必要がある場合、必要な供給流量は次のようになります。100 / 0.75 = 133.3 GPM。
- 濃縮（排出）流量（Qc）：
◦式：Qc = Qf - Qp
◦例：133.3 - 100 = 33.3 GPM。
- 膜アレイの設計：
◦工業用システムは、膜表面全体にわたって適切なクロスフロー速度を維持し、ファウリングを最小限に抑えるために、「アレイ」（例：2:1、3:2:1アレイ）で構築されます。
◦圧力容器（ハウジング）と膜の数は、必要な供給流量とメーカーの流量仕様によって決定されます。
- 流量（GPD/ft）² またはLMH）：膜の単位面積あたりの透過液の流量。
◦必要な膜面積の総量を求める式：面積 = Qp / フラックス
◦流量ガイドライン：給水水質に基づいて選択（水質が悪い場合は、汚れの発生を抑えるために流量を低くする）。
▪RO透過水（2回目）：20～30 GFD
▪井戸水：12～18 GFD
▪地表水：8～14 GFD
▪廃水：7～12 GFD
ステップ3：前処置および後処置のサイズ測定（「サポートシステム」）
RO（逆浸透膜）は単独では機能しない。そのサイズによって、すべての補助機器のサイズが決まる。
- 前処理（給水分析に基づいて設計する必要があります）：
◦マルチメディアフィルター：浮遊固形物を除去するためのフィルター。標準的な使用流量5～10GPM/ftにおける供給流量（Qf）に合わせて設計されています。²。
◦軟水剤またはスケール防止剤の注入：スケールの発生を抑制するため。軟水剤は、供給流量（Qf）と硬度負荷に合わせてサイズが決定されます。
◦カーボンフィルターまたは亜硫酸水素ナトリウム注入：塩素除去用。Qf 用に設計されています。
◦カートリッジフィルター（5個）µ 安全フィルター): Qf 用にサイズ調整されています。
- 高圧ポンプの選定：
◦濃縮された供給液の浸透圧とシステム圧力損失を克服するために、必要な圧力でQfを供給する必要がある。
◦圧力は通常、汽水では150～300psi、海水では800～1200psiの範囲です。
- 治療後：
◦脱気装置または膜接触器：COを除去するため2 pHが調整された場合。
◦混合床式ポリッシャー（CEDI/EDI）：超高純度水用。Qpサイズ。
ステップ4：システムレイアウトとステージング
- シングルパス方式とダブルパス方式：シングルパス方式で十分な場合もあります。非常に低いTDS値が必要な場合（例えば、高圧ボイラーや半導体製造など）、最初のパスからの透過水が2番目のROシステムへの供給水となります。
- 濃縮液の段階的処理：全体の回収率を高めるため、最初の膜バンクからの濃縮液を2番目の膜バンクへの供給液として使用します。これが「2:1アレイ」の概念です。
概要：サイズチェックリスト
パラメータ記号 決定方法
製品フローQpエンドユーザープロセス要件
給水分析 - 実験室試験。設計の基礎となる。
システム復旧Rは、（ソフトウェアモデリングによる）スケーリングの可能性によって制限される。
供給流量 Qf Qp / R
濃縮流量 Qc Qf - Qp
流量J（給水源の水質に基づくガイドライン）
膜面積 Am Qp / J
膜の数（N Am）/膜1枚あたりの面積（例：400 ft²）²）
圧力容器の数 - N / (容器あたりの膜の数、通常6～7枚)
配列例：4:2:1 流量と速度のバランスを取るように設計
高圧ポンプ - 必要な圧力でQfを供給する必要があります
重大な警告と推奨事項
- 行き当たりばったりで進めてはいけません。前処理の規模が小さすぎたり、回収率が高すぎたりすると、膜の汚染やスケール付着が急速に進行し、慢性的な操業停止と高額な運用コストにつながります。
- プロフェッショナルなソフトウェアを使用してください。膜メーカー（デュポン、ハイドラノーティクス、LGなど）は、水質、回収率、透過流束、スケール生成といったあらゆる相互作用をモデル化する無料の設計ソフトウェア（例：ROSA、IMSDesign）を提供しています。
- 専門家にご相談ください。50 GPMを超える本格的な産業用途では、水処理システムエンジニアまたはシステムインテグレーターに相談するのが一般的です。彼らは実際の給水でパイロットテストを実施し、設計リスクを低減し最適なサイズを確保します。HIDはRO膜およびROシステムの専門メーカーです。専門的なソリューションやご提案については、HIDまでお気軽にお問い合わせください。