海水から淡水を作る方法には、蒸発させて水蒸気を冷やす方法だけでなく、膜を使う方法もあります。逆浸透膜を使う方式では、圧力をかけて水を膜の反対側へ移します。塩類などを通しにくい膜で水を分けるのであって、塩を何もないものへ変える装置ではありません。
装置の図を見るときには、真水側の出口だけを追わず、濃くなった水の出口も探してください。一つの入り口から入った海水が、二つの流れへ分かれます。物質の行き先を考えるには、両方を数えることが必要です。
自然の浸透と、逆向きに水を送る操作
水を通し、溶けている物を通しにくい膜を挟んで濃さの異なる液を置くと、水が薄い側から濃い側へ移ろうとする浸透が起こります。逆浸透では、濃い側へ十分な圧力をかけ、自然の浸透とは反対の向きに水を送ります。
したがって、膜を置くだけで、何のエネルギーも使わずに海水が淡水へ分かれ続けるわけではありません。ポンプで圧力をかけるための仕事が必要です。普通のろ紙で海水をこすこととも異なり、膜が何をどの程度通すかが重要になります。
実際の設備では、膜の前の処理や管理も必要です。以下では仕組みを考えるために、塩をまったく通さない理想膜を使います。現実の膜を通った水に成分が完全に0であることや、そのまま飲めることを保証する模型ではありません。
塩の重さと、液全体の重さ
水だけが取り出される理想模型では、取り残された側の塩の重さは変わりません。一方、その側の液全体は水が減った分だけ軽くなり、塩の割合は高くなります。塩の重さが増えたから濃くなるのではなく、割合の分母が小さくなる例です。
濃度を求めるときは、塩の重さを液全体の重さで割ります。水だけの重さを分母にしないでください。膜を使った図が付いていても、重さの百分率の定義自体は変わりません。装置の形に気を取られず、各流れに液の重さと塩の重さを書き込みます。
例題1｜水400gを取り出したとき、残りの濃さは？
塩の重さの割合が3％の液1000gを、理想膜で処理します。塩はすべて残る側へ入り、塩を含まない水400gを別の出口から得ました。漏れや蒸発はありません。残る液の重さ、塩の重さ、濃度を求めてください。
答え・解説： 初めの塩は1000×0.03＝30gです。残る液は1000−400＝600gで、塩30gを含みます。濃度は30÷600×100＝5％です。
ここで得られた水は全体の半分ではなく40％です。回収した割合は400÷1000で計算し、残る側の割合60％と分けて記録します。残る液600gの内訳は水570gと塩30gです。570gを分母にすると、この問題で定義した濃度とは別の割合になります。
取り出した割合と、塩を除いた割合は違う
原水からどれだけ水を取り出せたかという回収の割合と、水に含まれる塩の濃度がどれだけ下がったかは別の指標です。回収できた水が多ければ、必ず水質もよいと決まるわけではありません。二つの指標を同じ「効率」という言葉で済ませないようにします。
実物では少量の成分が透過する場合もあります。その場合、取り出した側に含まれる塩も収支へ入れます。「膜だから塩は0」と仮定してよいのは、その条件が問題で与えられている場合だけです。
例題2｜少し塩を含む水が出たら
別の仮想装置に、塩30gを含む液1000gを入れました。取り出した側の液は400gで、その中に塩が1g含まれていました。残る側の液は600gです。塩のほかの出入りがないとき、残る側の塩は何gですか。両方の出口の塩を足して確かめてください。
答え・解説： 残る側の塩は30−1＝29gです。取り出した側1gと残る側29gを足すと、初めの30gに戻ります。取り出した液400gのすべてが塩を含まない水ではない点が、例題1と違います。
この問題で400gは液全体であり、純粋な水の成分は399gです。文章の「水」が日常的な呼び名なのか、物質としての水だけを指すのかを見分けます。装置の性能を判断するには、処理後の濃度なども必要で、この数字だけで飲用の可否は決めません。
濃い側を、図の外へ捨てない
淡水化の記事では、得られた淡水の量に目が向きがちです。しかし、濃い側の水にも塩や水が残っています。装置全体の資源やエネルギーを考えるなら、こちらの処理や行き先も検討する必要があります。計算の上でも、出口を一つ省くと物質が消えたような結果になります。
逆浸透という難しい名前が出ても、まず使えるのは「入った量＝出た量＋中に残る量」という整理です。膜の性質、押す側、流れる向き、各出口の内訳を図にすると、新しい装置の問題でも既習の収支につなげられます。