DE69123644T2

DE69123644T2 - Verfahren und Vorrichtung mit einer Umkehrosmose-Membran zum Konzentrieren einer Lösung

Info

Publication number: DE69123644T2
Application number: DE69123644T
Authority: DE
Inventors: Norihiro Akashi-Shi Kawashima; Naoki Tarumi-Ku Kobe-Shi Masa; Koichi Miki-Shi Tada; Ken 6-Chome Chuo-Ku Kobe-Shi Yasukuni
Original assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd; Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd; Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 1990-06-25
Filing date: 1991-06-25
Publication date: 1997-04-17
Anticipated expiration: 2011-06-26
Also published as: US5238574A; PL173335B1; EP0463605A1; DE69123644D1; PL290803A1; EP0463605B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Behandeln von Salzwasser eines hohen Salzgehalts mittels dessen Durchleitens durch eine Mehrzahl von Hoch- und Niederdruck-Umkehrosmosemembran-Moduln.
Da Kohlengruben und Wasseradern zusammen miteinander vorkommen und die Wasserader dadurch geeignet ist, beispielsweise in Osteuropa durch eine Felsensalzschicht zu fließen, zeigt von der Kohlengrube abgegebenes Wasser übermäßig hohe Salzgehaltgrade von 30 000 bis 80 000 ppm. Daher verursacht der Strom dieses Salzwassers in Flüsse, Seen und Moore in gewissen Gebieten eine ernstliche Umweltverschmutzung.
Um das vorstehend beschriebene Problem bei gleichzeitiger Vermeidung einer sekundären Kontaminierung zu überwinden, ist es erforderlich, Salzwasser vollständig in solcher Weise zu behandeln, daß es in Trinkwasser oder Industriewasser und konzentriertes Wasser getrennt wird, das Salz in hoher Dichte oder festes Salz enthält, wobei gleichzeitig die Abgabe von Salzwasser in Flüsse, Seen und Moore vermieden wird.
Um das vorstehend beschriebene Ziel zu erreichen, könnte man es als durchführbar betrachten, ein reines Verdampfungsverfahren, ein Verfahren, das sich durch Kombination eines Einstufen-Umkehrosmosemembranverfahrens und des Verdampfungsverfahrens ergibt, und ein Verfahren anzuwenden, das sich durch Kombination eines Elektrodialyseverfahrens und des Verdampfungsverfahrens ergibt.
Andererseits wurde eine zum Erhalten von Frischwasser aus Seewasser geeignete Vorrichtung in der japanischen Patentoffenlegung No. 55-31459 offenbart. Nach dieser Offenbarung wird Seewasser, dessen Salzgehaltgrad etwa 35 000 ppm ist, durch einen Hochdruck-Umkehrosmosemembran-Modul geleitet, um entsalztes Wasser einem Niederdruck-Umkehrosmosemembran- Modul zuzuführen.
Eine andere Vorrichtung wurde in der japanischen Patent- Gebrauchsmuster-Offenlegung No. 58-108195 offenbart, in der ein Umkehrosmosemembran-Modul, der ein niedriges Salzsperrverhältnis aufweist, und ein Umkehrosmosemembran-Modul, der ein hohes Salzsperrverhältnis aufweist, in einem Gefäß miteinander derart in Reihe geschaltet werden, daß der Umkehrosmosemembran-Modul mit dem hohen Salzsperrverhältnis stromab des anderen in der Vorrichtung angeordnet wird.
Im Fall, wo nur das Verdampfungsverfahren angewendet wird, erhält man den Gesamtteil an Trinkwasser aus der Verdampfung und der Kondensation, wodurch das Auftreten eines übermäßig hohen Energieverlusts verursacht wird (da gemäß dem Verdampfungsverfahren die Phasenänderung auftritt, können die Energiekosten im Vergleich mit dem Frischwassererzeugungsverfahren mittels des Umkehrosmosemembranverfahrens od. dgl. nicht verringert werden).
Im Fall, wo das Einstufen-Umkehrosmosemembranverfahren und das Verdampfungsverfahren kombiniert werden, kann die Energieeinsparung bezüglich des vorher beschriebenen alleinigen Verdampfungsverfahrens relativ befriedigend erreicht werden. Jedoch ist der Konzentrationsgrad, der durch die Einstufen-Umkehrosmosemembran erzielt werden kann, unbefriedigend, woraus die Notwendigkeit folgt, eine beträchtlich große Wassermenge zu verdampfen. Daher kann der Energieverbrauch nicht befriedigend verringert werden.
Weiter können, wenn der Salzgehaltgrad von der Umkehrosmosemembran zugeführtem Salzwasser 60 000 ppm übersteigt, übliche Umkehrosmosemembranen zur Frischwassererzeugung aus Seewasser wegen der Beschränkung nicht verwendet werden, die durch den osmotischen Druck (weil der Druck übermäßig gesteigert wird) verursacht wird. Andererseits kann die Niederdruck-Umkehrosmosemembran kein entsalztes Wasser des Trinkwasserniveaus erzeugen.
Im Fall, wo das Elektrodialyseverfahren und das Verdampfungsverfahren kombiniert werden, wird übermäßig hohe Energie bei der Dialyse in einer dem Salzgehalt proportionalen Menge verbraucht. Obwohl die Elektrodialyse zur Konzentration angewendet werden kann, ist sie nicht vorzuziehen, da eine große Menge von Wasser mittleren Salzgehalts unerwünscht von der Entsalzungsseite der Elektrodialysevorrichtung abgegeben wird.
Das in der japanischen Patentoffenlegung No. 55-31459 offenbarte System ist ein System zum Erhalten von Frischwasser aus Seewasser. Daher ist der Konzentrationsgrad, der zur Zeit des Wasserkonzentrierens erreicht wird, im Vergleich mit dem gemäß der vorliegenden Erfindung verhältnismäßig niedrig. Was noch schlimmer ist, das konzentrierte Wasser wird verworfen.
Das im offengelegten japanischen Gebrauchsmuster No. 58-108195 offenbarte System ist in solcher Weise angeordnet, daß Salzwasser, dessen Druck auf ein vorbestimmtes Niveau erhöht wurde, nacheinander durch eine Mehrzahl von Membranmoduln geleitet wird. Jedoch enthält die oben gegebene Offenbarung kein technologisches Konzept der Verringerung des Drucks des konzentrierten Wassers mittlerer Dichte, das dem in der zweiten Stufe angeordneten Niederdruck- Membranmodul zuzuführen ist, und kein Konzept der Steigerung des Drucks grob entsalzten Wassers, das dem in der zweiten Stufe angeordneten Hochdruck-Membranmodul zuzuführen ist.
US-A-3 839 201 offenbart eine Umkehrosmose-Trenneinheit, in der Seewasser, das 36000 ppm gelöste Salze enthält, bei einem Druck von etwa 1380 p.s.i. ( 97 kg/cm²G) einer ersten inneren Stufe, die aus einer ersten semipermeablen Membran besteht, zugeführt wird, um Salzwasser zu erhalten, das 72 000 ppm gelöste Salze enthält, während eine semipermeable Zweitstufenmembran bei etwa 300 p.s.i. ( 21 kg/cm²G) zur Behandlung von Salzwasser betrieben wird, das etwa 5 400 ppm gelöste Salze enthält.
US-A-4 156 645 offenbart ein Vielstufen-Umkehrosmoseverfahren zum Behandeln von Wasser mit einem Salzgehalt von etwa 28 000 - 40 000 ppm, um Wasser zu erhalten, das weniger als 2000 ppm Salzgehalt enthält, indem man Betriebsdrücke zwischen etwa 300 und 550 p.s.i. ( 21-39 kg/cm²G) verwendet. Im Fall eines Einspeisungswassers, das 35 000 ppm gelöste Salze enthält, läßt sich errechnen, daß der Salzgehalt des endkonzentrierten Wassers 38 295 ppm gelöste Salze erreicht.

ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG

Demgemäß ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Behandeln von Salzwasser vorzusehen, die in solcher Weise eingerichtet sind, daß Salzwasser mit einer Anordnung behandelt wird, die durch Kombination einer Vielzahl von Umkehrosmosemembran- Moduln und einer Verdampfungsvorrichtung gebildet wird und geeignet ist, den Energieverbrauch zu verringern und eine wirksame Behandlungsleistung zu zeigen.
Diese Aufgabe wird durch die Verfahren und Vorrichtungen gelöst, wie sie mit den Ansprüchen 1, 2, 4 und 9 bzw. mit den Ansprüchen 7, 8 und 11 beansprucht werden.
Zusätzliche vorteilhafte Merkmale werden in den Unteransprüchen beansprucht.
Durch Hinzufügung einer oder mehrerer oben beschriebener Niederdruck-Umkehrosmosemembranen ist es möglich, konzentriertes Wasser zu erhalten, dessen Salzgehaltniveau 155 000 ppm ist.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 veranschaulicht systemmatisch ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zum Behandeln von Salzwasser gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 veranschaulicht systemmatisch ein anderes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 veranschaulicht systemmatisch ein weiteres Ausführungsbeispiel zum Behandeln von Salzwasser einer relativ niedrigen Dichte (44 000 ppm);
Fig. 4 veranschaulicht systemmatisch noch ein weiteres Ausführungsbeispiel zum Behandeln von Salzwasser einer relativ hohen Dichte (70 000 ppm);
Fig. 5 ist eine schematische Darstellung, die ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Konzentrieren einer Lösung durch Verwendung einer Umkehrosmosemembran gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
Fig. 6 ist eine schematische Darstellung, die ein anderes Ausführungsbeispiel derselben veranschaulicht;
Fig. 7 ist eine schematische Darstellung, die ein anderes Ausführungsbeispiel derselben veranschaulicht;
Fig. 8 ist eine Vertikalquerschnittsdarstellung, die ein Beispiel des in den Fig. 1 bis 7 gezeigten Umkehrosmosemembranteils und in einem Fall veranschaulicht, wo ein Spiraltypmodul verwendet wird;
Fig. 9 ist eine vergrößerte Querschnittsdarstellung nach der Linie IX-IX der Fig. 8;
Fig. 10 ist eine vergrößerte Teildarstellung der in Fig. 9 gezeigten Umkehrosmosemembran;
Fig. 11 ist ein Diagramm, das schematisch die Beziehung zwischen der Dichte einer Rohflüssigkeit und der Dichte der konzentrierten Flüssigkeit sowie der durchgegangenen Flüssigkeit beim Konzentrieren einer Lösung unter Verwendung einer Niederdruck-Umkehrosmosemembran veranschaulicht; und
Fig. 12 ist ein Flußdiagramm einer Versuchseinrichtung für Konzentrationsversuche gemäß den Versuchsbeispielen 1 und 2.

BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS

Wie in Fig. 1 gezeigt ist, wird eine Behandlung von Salzwasser gemäß der vorliegenden Erfindung in solcher Weise eingerichtet, daß der Druck von Salzwasser, dessen Salzgehaltniveau ein relativ niedriger Wert von 30 000 bis 60 000 ppm ist, durch eine Druckpumpe 14 auf 40 bis 70 kg/cm²G erhöht wird. Dann wird es durch einen Hochdruck- Umkehrosmosemembran-Modul 10 geleitet, so daß es in entsalztes Wasser eines Trinkwasserniveaus und konzentriertes Wasser mittlerer Dichte getrennt wird. Dann wird das mittelmäßig konzentrierte Wasser durch ein Druckreduziermittel 16 und einen Niederdruck-Umkehrosmosemembran-Modul 12 geleitet, so daß es in grob entsalztes Wasser und zu hoher Dichte konzentriertes Wasser getrennt wird, dessen Salzgehaltniveau 80 000 bis 120 000 ppm ist.
Weiter ist es durch Hinzufügen eines oder mehrerer Niederdruck-Umkehrosmosemembran-Moduln nach dem Umkehrosmosemembran-Modul 12 möglich, konzentriertes Wasser zu erhalten, dessen Salzgehaltniveau 155 000 ppm ist.
Das vom Niederdruck-Umkehrosmosemembran-Modul 12 gelieferte grob entsalzte Wasser wird dann einem Hochdruck-Umkehrosmosemembran-Modul 10 zugeführt.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel, das in Fig. 1 gezeigt ist, ist das Salzgehaltniveau des vom Hochdruck-Umkehrosmosemembran-Modul 10 zugeführten mittelmäßig konzentrierten Wassers 40 000 bis 70 000 ppm. Der Hochdruck-Umkehrosmosemembran-Modul 10 eignet sich zur Erzeugung entsalzten Wassers des Trinkwasserniveaus, dessen Salzgehaltniveau 1 000 ppm oder niedriger, vorzugsweise 500 ppm oder niedriger ist.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel, das in Fig. 2 gezeigt ist, wird Salzwasser einer relativ hohen Konzentration von 50 000 bis 80 000 ppm unter Druck, dessen Niveau 30 bis 70 kg/cm²G ist, durch einen Niederdruck-Umkehrosmosemembran-Modul 20 geleitet, so daß es in grob entsalztes Wasser und hochkonzentriertes Wasser getrennt wird, dessen Salzgehaltniveau 80 000 bis 120 000 ppm ist. Dann wird der Druck des so erhaltenen grob entsalzten Wassers durch eine Hochdruckpumpe 24 auf 40 bis 70 kg/cm²G erhöht, bevor es durch einen Hochdruck-Umkehrosmosemembran-Modul 22 geleitet wird. Als Ergebnis wird es in entsalztes Wasser des Trinkwasserniveaus und mittelmäßig konzentriertes Wasser getrennt.
Von dem Hochdruck-Umkehrosmosemembran-Modul 22 geliefertes mittelmäßig konzentriertes Wasser wird über ein Druckreduziermittel 26 dem Niederdruck-Umkehrosmosemembran-Modul 20 zugeführt.
Es ist vorzuziehen, daß die Anlage in solcher Weise aufgebaut wird, daß von den Niederdruck-Umkehrosmosemembran- Moduln 12 und 20 zugeführtes hochkonzentriertes Wasser, dessen Salzgehaltniveau 80 000 bis 120 000 ppm ist, einem Verdampfungsverfahren zugeführt wird, um Salz in der Form von Kristallen zu erhalten.
Dabei ist es möglich, konzentriertes Wasser zu erhalten, dessen Salzgehaltniveau 155 000 ppm ist, indem man einen oder mehrere Niederdruck-Umkehrosmosemembran-Moduln nach den Umkehrosmosemembran-Moduln 12 und 20 hinzufügt.
Gemäß dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Salzgehaltniveau des vom Hochdruck-Umkehrosmosemembran- Modul 22 zugeführten mittelmäßig konzentrierten Wassers 40 000 bis 70 000 ppm. Der Hochdruck-Umkehrosmosemembran- Modul 22 eignet sich zur Erzeugung entsalzten Wassers des Trinkwasserniveaus, dessen Salzgehaltniveau 1 000 ppm oder darunter, vorzugsweise 500 ppm oder darunter ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung bedeutet die "Hochdruckmembran" eine Membran, die ein Salzsperrverhältnis von etwa 98 % oder höher in einem Fall aufweist, wo Salzwasser, dessen Konzentration 1 bis 5 Gew.% ist, behandelt wird, wobei die Membran üblicherweise unter hohem Druck verwendet wird, dessen Niveau 50 kg/cm²G oder höher ist.
Andererseits bedeutet die "Niederdruckmembran" eine Membran, die ein Salzsperrverhältnis von etwa 98 % oder weniger in einem Fall aufweist, wo Salzwasser, dessen Konzentration etwa 0,1 bis 1 Gew.% ist, behandelt wird, wobei die Membran üblicherweise unter niedrigem Druck verwendet wird, dessen Niveau 30 kg/cm²G oder darunter ist.
Jeder der oben beschriebenen beiden Typen von Umkehrosmosemembran-Moduln ist in der Form eines Hohlfasertyps, eines Spiraltyps, eines rohrförmigen Typs, eines Riffeltyps, eines Flachplattentyps od. dgl. aus einem Polymermaterial, wie z.B. Celluloseacetat. Insbesondere wird der Niederdruckmembran-Modul üblicherweise aus einer Polymerverbundmembran hergestellt.
Die Niederdruckmembran wird gewöhnlich zum Entsalzen von Salzwasser niedriger Konzentration (dessen Salzgehaltniveau etwa 5 000 ppm ist) verwendet. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird relativ hoch konzentriertes Salzwasser, dessen Salzgehaltniveau etwa 50 000 bis 80 000 ppm ist, unter einem Druck behandelt, dessen Niveau etwa 30 bis 70 kg/cm²G ist, indem man die Eigenschaft ausnutzt, daß die Niederdruckmembran das niedrige Salzsperrverhältnis aufweist.
Als das Druckreduziermittel 16 und 26 wird ein Druckreduzierventil oder eine Drosselöffnung od. dgl. verwendet.
Es werden nun weitere Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Fig. 3 veranschaulicht einen Fall, wo Salzwasser, dessen Strömungsdurchsatz 16 000 T/D (= t/tag) ist und dessen Salzgehalt 44 000 ppm ist, durch ein System behandelt wird, das durch Kombination eines Zweistufen-Umkehrosmosemembranverfahrens und des Verdampfungsverfahrens gebildet wird.
Salzwasser wird zunächst in eine Vorbehandlungseinrichtung 13 eingeführt, in der feste Stoffe und in einer Spurenmenge im Salzwasser enthaltene Eisen- und Mangangehalte entfernt werden, bevor ein Ca-Gehalt entfernt wird und der pH-Wert auf etwa 6,5 justiert wird (pH-Wert vor der Behandlung ist etwa 7,5). Dann wird der Druck des Salzwassers auf etwa 65 kg/cm²G erhöht, bevor es dem ersten Hochdruck-Umkehrosmosemembran-Modul 10 zugeführt wird. Zu dieser Zeit ist der Strömungsdurchsatz 22 750 T/D, und der Salzgehalt ist 38 500 ppm.
Der Salzgehalt des dem Hochdruck-Umkehrosmosemembran-Modul 10 zuzuführenden Salzwassers wird auf 38 500 ppm gesenkt, da vom zweiten Niederdruck-Umkehrosmosemembran-Modul 12 zugeführtes entsalztes Wasser (dessen Strömungsdurchsatz 6 750 T/D ist und dessen Salzgehalt 26 000 ppm ist) damit vereint wird. Ein Teil von etwa 40 % des zugeführten Salzwassers strömt durch die Hochdruckmembran, so daß entsalztes Wasser von 9 100 T/D des Trinkwasserniveaus, dessen Salzgehalt 500 ppm oder weniger ist, erhalten wird, wobei das so erhaltene entsalzte Wasser dann einem Produktwassertank 19 zugeführt wird. Der restliche Teil, d.h. ein Teil von etwa 60 % des zugeführten Salzwassers wird auf etwa das 1,7-fache konzentriert, so daß konzentriertes Wasser, dessen Strömungsdurchsatz 13 650 T/D ist und dessen Salzgehalt 64 000 ppm ist, erhalten wird.
Das so von der oben beschriebenen Hochdruck-Umkehrosmosemembran 10 erzeugte konzentrierte Wasser wird unter einem Druck, dessen Niveau etwa 60 kg/cm²G ist, dann dem Niederdruck-Umkehrosmosemembran-Modul 12 zugeführt, der eine Kunststoffverbundmembran mit einer Eigenschaft niedrigen Betriebsdrucks und einem niedrigen Salzsperrverhältnis verwendet. Dabei strömt ein Teil von etwa 49 % der zugeführten Menge durch die Niederdruckmembran, so daß 6 750 T/D entsalztes Wasser, dessen Salzgehaltniveau etwa 26 000 ppm ist, erhalten wird. Der restliche Teil, d.h. ein Teil von etwa 51 % der zugeführten Menge, wird zu einem Salzgehalt von 102 000 ppm konzentriert, wonach das so erhaltene konzentrierte Wasser der nachfolgenden Verdampfungseinrichtung 15 (beispielsweise einer Vieleffekt-Verdampfungseinrichtung) zugeführt wird.
Durch den Niederdruck-Umkehrosmosemembran-Modul 12 erhaltenes entsalztes Wasser wird zur Zuführungsseite des Hochdruck-Umkehrosmosemembran-Moduls 10 zurückgeleitet, so daß es sich mit dem Salzwasser vereinigt, das der Vorbehandlung unterworfen wurde, bevor sie durch den Hochdruck-Umkehrosmosemembran-Modul 10 behandelt werden. Die Bezugsziffer 17 bedeutet eine Entbitterungsbehandlungseinrichtung, und die Bezugsziffer 19 bedeutet einen Produktwassertank.
Fig. 4 veranschaulicht einen Fall, wo Salzwasser, dessen Strömungsdurchsatz 5 000 T/D ist und dessen Salzgehaltniveau 70 000 ppm ist, durch eine Anlage behandelt wird, die durch Kombination des Zweistufen-Umkehrosmosemembranverfahrens und des Verdampfungsverfahrens gebildet wird.
Salzwasser wird zunächst in eine Vorbehandlungseinrichtung 23 eingeführt, in der feste Stoffe und auch in Spurenmenge im Salzwasser enthaltene Eisen- und Mangangehalte entfernt werden, bevor ein Ca-Gehalt entfernt wird und der pH-Wert auf etwa 6,5 justiert wird (der pH-Wert vor der Behandlung ist etwa 7,5). Dann wird der Druck des Salzwassers auf etwa 60 kg/cm²G gesteigert, bevor es dem ersten Niederdruck- Umkehrosmosemembran-Modul 20 zugeführt wird.
Der erste Membranmodul 20 verwendet eine Kunststoffverbundmembran mit einer Eigenschaft niedrigen Betriebsdrucks und einem niedrigen Salzsperrverhältnis, so daß ein Teil von etwa 50 % des zugeführten Wassers durch die Niederdruckmembran strömt und dadurch entsalztes Wasser, dessen Strömungsdurchsatz 3340 T/D ist und dessen Salzgehalt etwa 27 000 ppm ist, erhalten wird. Der restliche Teil, d.h. ein Teil von etwa 50 %, wird konzentriert, so daß Salzwasser, dessen Salzgehalt 110 000 ppm ist und dessen Strömungsdurchsatz 3 330 T/D ist, erhalten wird, bevor es einer nachfolgenden Verdampfungseinrichtung 25, beispielsweise einer Vieleffekt-Verdampfungseinrichtung) zugeführt wird.
Der Druck des durch den ersten Niederdruck-Umkehrosmosemembran-Modul 20 erhaltenen entsalzten Wassers wird auf etwa 65 kg/cm²G gesteigert, bevor es einem zweiten Hochdruck- Umkehrosmosemembran-Modul 22 zugeführt wird, der eine übliche Umkehrosmosemembran zur Erzeugung von Frischwasser aus Seewasser verwendet. Ein Teil von etwa 50 % des zugeführten Wassers strömt durch die Hochdruckmembran, so daß 1 670 T/D entsalztes Wasser des Trinkwasserniveaus, dessen Salzgehaltniveau 500 ppm oder weniger ist, erhalten wird. Der restliche Teil, d.h. ein Teil von etwa 50 % desselben, wird auf 1 670 T/D Salzwasser konzentriert, dessen Salzgehalt 54 000 ppm ist. Dann wird das so erhaltene konzentrierte Wasser der Zuführseite der ersten Niederdruck-Umkehrosmosemembran 20 zugeführt, in der es mit Salzwasser vereinigt wird, das der Vorbehandlung unterworfen wurde. Dann werden sie mit dem ersten Niederdruck-Umkehrosmosemembran-Modul 20 behandelt, bevor das vereinigte Wasser der Verdampfungseinrichtung 25 zugeführt wird. Die Bezugsziffer 27 bezeichnet eine Entbitterungsbehandlungseinrichtung, und die Bezugsziffer 29 bezeichnet einen Produktwassertank.
Da die vorliegende Erfindung, wie oben beschrieben, ausgebildet ist, können die folgenden Wirkungen erhalten werden.
(1) Da Salzwasser behandelt wird, um in entsalztes Wasser eines Trinkwasserniveaus und konzentriertes Wasser hoher Dichte, dessen Salzgehaltniveau 80 000 bis 120 000 ppm ist, getrennt zu werden, kann Salz in der Form von Kristallen im Fall erhalten werden, wo konzentriertes Wasser hoher Dichte im Verdampfungsverfahren behandelt wird. Zusätzlich kann der Energieverbrauch verringert werden.
(2) Die Tabelle 1 zeigt die jeweiligen Wassererzeugungsverhältnisse, die durch ein herkömmliches Verdampfungsverfahren, ein durch die Kombination eines Einstufen-Umkehrosmosemembranverfahrens und des Verdampfungsverfahrens gebildetes Verfahren und das in Fig. 3 gezeigte Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung erhalten wurden, wobei die Wassererzeugungsverhältnisse erhalten werden, nachdem Salzwasser relativ niedriger Konzentration, dessen Salzgehaltniveau 44 000 ppm ist, der Durchlaufbehandlung unterworfen und dann dem Verdampfungsverfahren unterworfen wird. Es läßt sich aus der Tabelle 1 ersehen, daß das in Fig. 3 gezeigte Verfahren ein merklich hohes Wassererzeugungsverhältnis aufweist. Tabelle 1
(3) Die Tabelle 2 zeigt die jeweiligen Wassererzeugungsverhältnisse, die durch das herkömmliche Verdampfungsverfahren, das durch Kombination des Einstufen-Umkehrosmosemembranverfahrens und des Verdampfungsverfahrens gebildete Verfahren und das in Fig. 4 gezeigte Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung erhalten wurden, wobei die Wassererzeugungsverhältnisse erhalten wurden, nachdem Salzwasser verhältnismäßig hoher Dichte, dessen Salzgehaltniveau 70 000 ppm ist, der Durchlaufbehandlung unterworfen wurde und dann dem Verdampfungsverfahren unterworfen wird (siehe Fig. 4). Es läßt sich aus der Tabelle 2 ersehen, daß das in Fig. 4 gezeigte Verfahren ein merklich hohes Wassererzeugungsverhältnis aufweist. Tabelle 2
(4) Es wird angenommen, daß der Energieaufwand zur Wassererzeugung 25 kWh/m³ im Fall des Verdampfungsverfahrens und 7 kWh/m³ (gemäß den von "Water Generation Promotion Center" herausgegebenen Daten) im Fall des Umkehrosmosemembranverfahrens ist. Dann wird ein Vergleich bezüglich der Energiekosten zwischen dem in Fig. 3 gezeigten und im Absatz (2) oben erwähnten Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung und dem in Fig. 4 gezeigten und im Absatz (3) oben erwähnten Verfahren vorgenommen. Als Ergebnis wurden die folgenden, in der Tabelle 3 gezeigten Resultate erhalten. Tabelle 3
Wie aus der Tabelle 3 ersichtlich ist, kann man im Fall, wo Salzwasser relativ niedriger Konzentration behandelt wird, feststellen, daß das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung, bei dem das Verdampfungsverfahren kombiniert wird, einen bedeutend befriedigenden Effekt aufweist, d.h. es kann festgestellt werden, daß Energiekosten um 40 % oder mehr eingespart werden können. Im Fall, wo Salzwasser einer relativ hohen Konzentration behandelt wird, können etwa 25 % der Energiekosten eingespart werden, obwohl dieser Effekt im Vergleich mit der Einsparung verhältnismäßig beschränkt ist, die im Fall erhalten wird, wo Salzwasser einer verhältnismäßig niedrigen Konzentration behandelt wird.
Es wird nun ein anderes Ausführungsbeispiel des Verfahrens und der Vorrichtung beschrieben, wobei eine Lösung mittels einer Niederdruck-Umkehrosmosemembran konzentriert wird. Insbesondere betrifft dieses Ausführungsbeispiel ein Verfahren und eine Vorrichtung zur weiteren Konzentration einer Rohflüssigkeit unter Verwendung der Niederdruck-Umkehrosmosemembran in einem Fall, wo die konzentrierte Rohflüssigkeit mit der herkömmlichen Hochdruck-Umkehrosmosemembran nicht behandelt werden kann.
Bisher wird eine Lösung industriell durch ein Verdampfungsverfahren, ein Elektrodialyseverfahren, ein Umkehrosmoseverfahren od. dgl. konzentriert. Da das Verdampfungsverfahren eine Phasenänderung bedingt, wird eine übermäßig große Energiemenge im Vergleich mit dem Elektrodialyseverfahren und dem Umkehrosmoseverfahren benötigt. Andererseits läßt sich, da das Elektrodialyseverfahren und das Umkehrosmoseverfahren keine Phasenänderung bedingen, ein Vorteil erzielen, indem der Energieverbrauch beträchtlich verringert werden kann. Jedoch läßt sich das Elektrodialyseverfahren nicht an Fälle mit Ausnahme des Falles anpassen, wo die zu behandelnde betroffene Flüssigkeit die elektrolytische Lösung ist. Im Gegensatz dazu eignet sich das Umkehrosmoseverfahren zur Behandlung einer Auswahl von Lösungen einschließlich der elektrolytischen Lösung.
Bisher wurde, wenn eine Lösung unter Verwendung der Umkehrosmosemembran konzentriert wird, eine Membran, die ein hohes Sperrvermögen für den gelösten Stoff aufweist, verwendet, um den Konzentrationswirkungsgrad zu verbessern. Dabei kann die Konzentration während einer Dauer wirksam durchgeführt werden, in der die Konzentration der zugeführten Rohflüssigkeit verhältnismäßig niedrig ist. Wenn jedoch die Konzentration der zugeführten Rohflüssigkeit hoch ist, wird der Unterschied in der Konzentration des gelösten Stoffes zwischen der Konzentrationsseite der Membran und der Durchgangsseite übermäßig vergrößert, was eine Erhöhung des Unterschieds im osmotischen Druck verursacht. Daher ergeben sich die folgenden Probleme:
(A) Da ein übermäßig hoher Druck zur Durchführung des Umkehrosmosevorganges verwendet werden muß, muß eine große Energiemenge verwendet werden.
(B) Die Membran, das Membranelement und der Behälter, in dem das Membranelement befestigt wird, müssen eine ausreichende Druckfestigkeit haben.
(C) Da die Flüssigkeitsmenge, die zum Durchgang durch die Membran geeignet ist, übermäßig verringert wird, kann die Konzentration nicht erhalten werden.
Dementsprechend muß, wenn man eine befriedigende Konzentration einer Lösung wünscht, die herkömmliche Technologie beispielsweise ein Verdampfungsverfahren anwenden, bei dem durch das Umkehrosmoseverfahren erhaltenes konzentriertes Wasser an einem Zwischenpunkt während der Verarbeitung behandelt wird, wobei das Verdampfungsverfahren od. dgl. eine übermäßig große Energiemenge verbraucht, auch wenn das Umkehrosmoseverfahren zuerst angewandt wird.
Es wurde ein Umkehrosmosebehandlungsverfahren in der japanischen Patentoffenlegung No. 55-1827 offenbart, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Temperatur "reicher" Flüssigkeit (zu behandelnder Flüssigkeit) höher als die "dünner" Flüssigkeit (durchgegangener Flüssigkeit) in einem Fall eingestellt wird, wo zu behandelnde Flüssigkeit durch die Umkehrosmosemembran behandelt wird.
Weiter wurde ein Verfahren zum Konzentrieren einer Lösung in der japanischen Patentoffenlegung No. 49-134576 offenbart, das dadurch gekennzeichnet ist, daß eine zu behandelnde Hochdrucklösung in die erste Kammer der Umkehrosmosemembranzellen eingeführt wird und Flüssigkeit (beispielsweise Salzwasser), die einen höheren osmotischen Druck als den der durchgegangenen Flüssigkeit von der ersten Kammer aufweist, in die zweite Kammer eingeführt wird.
In einem Fall, wo zu konzentrierende Rohflüssigkeit unter Verwendung der herkömmlichen Hochdruck-Umkehrosmosemembran behandelt wird, wird der zur Anwendung für den Zweck der Durchführung der Behandlung erforderliche Druck über das aushaltbare Druckniveau der Membran oder des Behälters aufgrund des Anstiegs des osmotischen Druckunterschieds zwischen der Konzentrationsseite und der Durchgangsseite entsprechend dem Anstieg der Dichte der Rohflüssigkeit gesteigert. Der oben beschriebene Druck ist üblich auf einem Niveau über 40 bis 70 kg/cm²G, obwohl er in Abhängigkeit von dem vorliegenden gelösten Stoff bestimmt wird. Daher kann, wenn die Konzentration das oben beschriebene Niveau übersteigt, die herkömmliche Hochdruck-Umkehrosmosemembran die Rohflüssigkeit nicht behandeln.
Gemäß der in der japanischen Patentoffenlegung No. 55-1827 gegebenen, oben beschriebenen Offenbarung wurde die Konzentration einer Lösung unter Verwendung der Umkehrosmosemembran beschrieben. Die Lehre dieser Offenbarung liegt darin, daß die Temperatur der Flüssigkeit auf der Konzentrationsseite der Umkehrosmosemembran höher als die der durchgegangenen Flüssigkeit gemacht wird. Als Ergebnis wird der osmotische Druck in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz zwischen der Konzentrationsseite der Membran und der Durchgangsseite derselben erzeugt (positiver osmotischer Druck wirkt von der Konzentrationsseite zur Durchgangsseite). Folglich wird der auf die Konzentrationsseite aufzubringende Druck gesenkt. Dabei kann der Grad der Konzentration gesteigert werden, wenn das aufzubringende Druckniveau gleich dem im Fall ist, wo keine Temperaturdifferenz eingerichtet wird. Wie oben beschrieben, kennzeichnet sich das Verfahren gemäß der japanischen Patentoffenlegung No. 55-1827 dadurch, daß die Temperatur zwischen der Flüssigkeit auf der Konzentrationsseite und der durchgegangenen Flüssigkeit verschieden gemacht wird.
Auch die Offenbarung gemäß der japanischen Patentoffenlegung No. 49-134576 betrifft das Verfahren zum Konzentrieren einer Lösung unter Verwendung der Umkehrosmosemembran. Das oben offenbarte Verfahren der Konzentration einer Lösung kennzeichnet sich dadurch, daß zu konzentrierende Flüssigkeit der Hochdruckseite (Konzentrationsseite) der Umkehrosmosemembran zugeführt wird und Flüssigkeit, die ein höheres Osmosedruckniveau als den osmotischen Druck der von der Konzentrationsseite zur Durchgangsseite durchgegangenen Flüssigkeit in die Niederdruckseite (Durchgangsseite) der Umkehrosmosemembran eingeführt wird.
Die beiden oben beschriebenen herkömmlichen Verfahren sind die gleichen wie die vorliegende Erfindung bezüglich der technologischen Aufgabe der Verringerung des Unterschieds im osmotischen Druck zwischen der Konzentrationsseite der Umkehrosmosemembran und der Durchgangsseite derselben. Jedoch unterscheidet sich die vorliegende Erfindung von der in der japanischen Patentoffenlegung No. 55-1827 offenbarten Erfindung, die den osmotischen Druck in Abhängigkeit vom Temperaturunterschied ausnutzt. Zusätzlich unterscheidet sich die vorliegende Erfindung von der in der japanischen Patentoffenlegung No. 49-134567 offenbarten Erfindung, bei der Flüssigkeit mit einem höheren osmotischen Druck als dem der durchgegangenen Flüssigkeit erzwungen in die Durchgangsseite der Membran eingeführt wird. Die vorliegende Erfindung nutzt die Eigenschaften der Niederdruck- Umkehrosmosemembran so, daß der Unterschied im osmotischen Druck verringert wird und man dadurch einen hohen Konzentrationsgrad erhält.
Demgemäß ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neues Verfahren und eine neue Vorrichtung vorzusehen, die dadurch gekennzeichnet sind, daß eine Umkehrosmosemembran so verwendet wird, daß eine hochkonzentrierte Lösung, die nicht durch das herkömmliche, das Umkehrosmoseverfahren ausnutzende Verfahren verarbeitet wurde, konzentriert wird.
Fig. 5 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Konzentrieren einer Lösung mittels der Niederdruck-Umkehrosmosemembran. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird Rohflüssigkeit hoher Konzentration durch eine Niederdruck-Umkehrosmosemembran geleitet, bevor man sie in hochkonzentrierte Flüssigkeit und mittelmäßig konzentrierte durchgegangene Flüssigkeit trennt. Die Bezugsziffer 110 bezeichnet einen Niederdruck-Umkehrosmosemembranteil, der sich zur Verwendung von Elementen eignet, die zu einem Hohlfasertyp, einem Spiraltyp, einem rohrförmigen Typ, einem Riffeltyp, einem Flachplattentpy od. dgl. geformt sind.
Der Begriff "hochkonzentrierte Lösung" bedeutet Flüssigkeit einer Konzentration des Niveaus, die durch die herkömmliche Hochdruck-Umkehrosmosemembran nicht behandelt werden kann.
Die Konzentration variiert in Abhängigkeit vom Typ der Lösung. Beispielsweise bedeutet im Fall, wo die betroffene Lösung Salzwasser ist, die "hochkonzentrierte Lösung" eine Lösung, deren Konzentration 5 Gew.% oder höher ist.
Ein anderes Ausführungsbeispiel, das in Fig. 6 gezeigt ist, kennzeichnet sich dadurch, daß ein Verfahren, bei dem konzentrierte Flüssigkeit, deren Konzentration noch höher als die oben beschriebene "hochkonzentrierte Rohflüssigkeit" ist, durch eine Niederdruck-Umkehrosmosemembran geleitet wird, was ein oder mehrere Male wiederholt wird. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird ein Niederdruck-Umkehrosmosemembranteil, der aus drei Stufen besteht, verwendet. Und zwar wird konzentrierte Flüssigkeit, die in einem ersten Niederdruck-Umkehrosmosemembranteil 110 erhalten wurde, durch einen zweiten Niederdruck-Umkehrosmosemembranteil 112 geleitet, bevor in diesem zweiten Niederdruck-Umkehrosmosemembranteil 112 erhaltene konzentrierte Flüssigkeit durch einen dritten Niederdruck-Umkehrosmosemembranteil 114 geleitet wird, so daß sie in hochkonzentrierte Flüssigkeit und durchgegangene Flüssigkeit getrennt wird.
Ein anderes Ausführungsbeispiel ist in Fig. 7 gezeigt, bei dem durchgegangene Flüssigkeit durch eine Hochdruck-Umkehrosmosemembran oder eine Niederdruck-Umkehrosmosemembran entsprechend ihrer Konzentration geleitet wird. Wie in Fig. 7 gezeigt, wird gemäß diesem Ausführungsbeispiel durch den ersten Niederdruck-Umkehrosmosemembranteil 110 durchgegangene Flüssigkeit durch einen Hochdruck-Umkehrosmosemembranteil 116 geleitet, um in konzentrierte Flüssigkeit und durchgegangene Flüssigkeit des Trinkwasserniveaus zu trennen. Dann wird die so erhaltene konzentrierte Flüssigkeit weiter durch einen Niederdruck-Umkehrosmosemembranteil 118 geleitet, um sie in konzentrierte Flüssigkeit und durchgegangene Flüssigkeit zu trennen. Im Fall, wo der Hochdruck- Umkehrosmosemembranteil 116 verwendet wird, läßt sich ein Vorteil dadurch erreichen, daß durchgegangene Flüssigkeit des Trinkwasserniveaus erhalten werden kann. Wenn jedoch die durchgegangene Flüssigkeit mit Trinkwasserniveau nicht benötigt wird, verwendet man den Niederdruck-Umkehrosmosemembranteil anstelle des Hochdruck-Umkehrosmosemembranteils 116. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die derart eingerichtete Anordnung beschränkt, daß vom ersten Verfahren erhaltene, durchgegangene Flüssigkeit behandelt wird. Vom zweiten oder nachfolgenden Verfahren erhaltene durchgegangene Flüssigkeit kann behandelt werden.
Unter Hinweis auf die Fig. 6 und 7 können konzentrierte Flüssigkeit der im wesentlichen gleichen Konzentration, durchgegangene Flüssigkeit der im wesentlichen gleichen Konzentration oder konzentrierte Flüssigkeit und durchgegangene Flüssigkeit im wesentlichen der gleichen Konzentration vereinigt werden.
Wie in den Fig. 6 und 7 gezeigt, ist der erste Niederdruck- Umkehrosmosemembranteil 110 zum Trennen hochkonzentrierter Rohflüssigkeit in konzentrierte Flüssigkeit einer höheren Konzentration und durchgegangene Flüssigkeit einer mittleren Konzentration über einen Teil 120 zum Abziehen konzentrierter Flüssigkeit mit dem zweiten Niederdruck-Umkehrosmosemembranteil 112 verbunden.
Die Fig. 6 und 7 veranschaulichen jeweils die Anordnung, bei der die drei Stufen der Niederdruck-Umkehrosmosemembranteile vorgesehen sind. Jedoch können auch zwei oder vier oder mehr Stufen der Niederdruck-Umkehrosmosemembranteile vorgesehen werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung bedeutet der Begriff "Hochdruckmembran" eine Membran mit einem Salzsperrverhältnis von etwa 98 % oder höher in einem Fall, wo Salzwasser, dessen Dichte 1 bis 5 Gew.% ist, behandelt wird, wobei die Membran üblicherweise unter Hochdruck verwendet wird, dessen Niveau 50 kg/cm²G oder höher ist. Andererseits bedeutet der Begriff "Niederdruckmembran" eine Membran mit einem Entsalzungsverhältnis von etwa 98 % oder weniger in einem Fall, wo Salzwasser, dessen Konzentration etwa 0,1 bis 1 Gew.% ist, behandelt wird, wobei die Membran gewöhnlich unter niedrigem Druck verwendet wird, dessen Niveau 30 kg/cm²G oder niedriger ist. Jeder der oben beschriebenen beiden Typen von Umkehrosmosemembranen ist in der Form eines Hohlfasertyps, eines Spiraltyps, eines rohrförmigen Typs, eines Riffeltyps, eines Flachplattentyps od. dgl. aus einem Polymerverbundmaterial, wie z.B. Celluloseacetat. Insbesondere besteht der Niederdruck-Membranmodul üblicherweise aus einer synthetischen Polymerverbundmembran.
Im Fall, wo der Umkehrosmosemembranteil gebildet wird, kann es als durchführbar betrachtet werden, ein Verfahren, das derart eingerichtet ist, daß ein Umkehrosmosemembranelement als ein Modul eingesetzt wird und die Konzentration nacheinander in Einheiten des Moduls durchgeführt wird, ein anderes Verfahren, das derart eingerichtet ist, daß eine Mehrzahl von Elementen in einem Behälter in einer Art einer sog. "Sperrserie" zur Bildung eines Moduls verbunden sind, worin die erforderliche Konzentration vollendet wird, und deren Kombinationen anzuwenden.
Die Fig. 8 bis 10 veranschaulichen ein Beispiel des Umkehrosmosemembranteils, der zu einem Spiralmodul geformt ist.
Bei Überlappung unter Bildung von Kreisbögen sind flache sackartige Umkehrosmosemembranen 126 über Abstandshalter 128 um ein Zentralrohr 124 mit einer Vielzahl von Öffnungen 122 gewickelt, so daß Umkehrosmosemembranelemente 130a, 130b und 130c gebildet werden. Eine Mehrzahl der so gebildeten Elemente werden in Reihe in einem zylindrischen Gehäuse 132 angeordnet. Die Bezugsziffer 134 bezeichnet eine Endkappe, die Bezugsziffer 136 eine Dichtung zum Abdichten konzentrierter Flüssigkeit und die Bezugsziffer 138 ein Verbindungsstück.
Zugeführte Flüssigkeit (hochkonzentrierte Rohflüssigkeit, konzentrierte Flüssigkeit oder durchgegangene Flüssigkeit), die durch einen an einem Ende des Gehäuses 132 gebildeten Einlaß 140 für zugeführte Flüssigkeit eingeführt wird, leitet man durch die Umkehrosmosemembran 126 des ersten Umkehrosmosemembranelements 130a. Durchgegangene Flüssigkeit wird im zentralen Rohr 124 gesammelt, und konzentrierte Flüssigkeit wird dem zweiten Umkehrosmosemembranelement 130b zugeführt. Durchgegangene Flüssigkeit wird dann im zentralen Rohr 124 gesammelt, und konzentrierte Flüssigkeit wird dem dritten Umkehrosmosemembranelement 130c zugeführt. Dann wird durchgegangene Flüssigkeit im zentralen Rohr 124 gesammelt, bevor sie durch eine Auslaßöffnung 142 für durchgegangene Flüssigkeit zusammen mit der oben beschriebenen durchgegangenen Flüssigkeit abgezogen wird, während hochkonzentrierte Flüssigkeit durch eine Auslaßöffnung 144 für konzentrierte Flüssigkeit abgezogen wird.
Obwohl Fig. 8 einen Fall veranschaulicht, wo die Umkehrosmosemembranelemente unter Bildung von drei Stufen verbunden sind, können auch zwei oder vier oder mehr Elemente verbunden werden.
Die Niederdruck-Umkehrosmosemembran wird üblicherweise in einem Fall verwendet, wo das Salzsperrverhältnis 98 % oder darunter ist und der Betriebsdruck 30 kg/cm²G oder darunter ist. Sie wird zur Behandlung verhältnismäßig niedrigkonzentrierter Flüssigkeit (im Fall von Salzwasser 1 000 bis 10 000 ppm) verwendet. Da eine Membran des oben beschriebenen Typs für den Zweck der Verringerung der Konzentration der durchgegangenen Flüssigkeit verwendet wurde, hat man die Anordnung, bei der sie zur Behandlung einer hochkonzentrierten Flüssigkeit verwendet wird, kaum verwendet. Und zwar bewegt sich, da ihr Salzsperrverhältnis zu niedrig ist, eine erheblich große Menge des gelösten Stoffes zur Durchgangsseite. Daher kann das gewünschte Ziel nicht erreicht werden.
Im Gegensatz dazu nutzt die vorliegende Erfindung die oben beschriebene Eigenschaft der Niederdruck-Umkehrosmosemembran so aus, daß eine hochkonzentrierte Flüssigkeit noch weiter konzentriert wird. Das Prinzip dieser Konzentration wird nun beschrieben.
Der auf die Umkehrosmosemembran auszuübende Druck setzt sich aus dem osmotischen Druck in Abhängigkeit vom Unterschied zwischen der Konzentration auf der Konzentrierseite der Membran und der auf der Durchgangsseite und aus dem physikalischen Flüssigkeitsdruckverlust zusammen, der beim Durchgang der Flüssigkeit durch die Membran erzeugt wird. Die Niederdruck-Umkehrosmosemembran weist ein verhältnismäßig niedriges Salzsperrverhältnis im Vergleich mit der Hochdruck-Umkehrosmosemembran auf. Weiter hat das oben beschriebene Salzsperrverhältnis eine umgekehrte Proportion zur Dichte des gelösten Stoffes. Daher wird, auch wenn eine hochkonzentrierte Lösung zugeführt wird, die Flüssigkeitskonzentration auf der Durchgangsseite nicht übermäßig gesenkt, wie es im Fall der Hochdruck-Umkehrosmosemembran ist, die ein hohes Salzsperrverhältnis hat. Als Ergebnis kann eine Lösung einer mittleren Konzentration erhalten werden. Daher wird der Unterschied zwischen der Konzentration auf der Konzentrierseite und der auf der Durchgangsseite nicht übermäßig vergrößert, und dadurch wird der Unterschied im osmotischen Druck auch nicht übermäßig vergrößert.
Der oben beschriebene Tatbestand wird schematisch in Fig. 11 veranschaulicht.
Fig. 11 ist ein Diagramm, das die bei der Niederdruck-Umkehrosmosemembran bei einem Druck eines vorbestimmten Niveaus gezeigte Konzentrationseigenschaft veranschaulicht. Und zwar werden, wenn Rohflüssigkeit, deren Konzentration a ist, zugeführt wird, konzentrierte Flüssigkeit, deren Konzentration b (b > a) ist, und durchgegangene Flüssigkeit, deren Konzentration c (c < a) ist, erhalten. Wenn konzentrierte Flüssigkeit, deren Konzentration b ist, der nächsten Umkehrosmosemembran zugeführt wird, werden weiter konzentrierte Flüssigkeit, deren Konzentration d (d > b) ist, und durchgegangene Flüssigkeit, deren Konzentration e (e > b) ist, erhalten. Durch Wiederholen der oben beschriebenen Arbeitsweise kann eine hochgradige Konzentration erreicht werden. Da Fig. 11 eine schematische Darstellung ist, muß der Grad der Konzentration jedoch unter Berücksichtigung der wirtschaftlichen Wirksamkeit bestimmt werden, da sich der Konzentrationswirkungsgrad verschlechtert (beim wirklichen Tatbestand verengt sich das Intervall zwischen der Linie, die für die konzentrierte Flüssigkeit steht, und der Linie, die für die durchgegangene Flüssigkeit steht, nach und nach), wenn die Konzentration der Rohflüssigkeit gesteigert wird.
Hiernach wird nun ein Versuchsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben.

Versuchsbeispiel 1

Ein Konzentrationsversuch wurde in der Weise durchgeführt, daß hochkonzentriertes Salzwasser, dessen Konzentration 6,8 bis 14,8 Gew.% war, welches bisher unmöglich konzentriert werden konnte, unter Verwendung eines Membranelements mit einer Niederdruck-Umkehrosmosemembran A mit den folgenden Eigenschaften konzentriert wurde:
Eine in Fig. 12 gezeigte Versuchsvorrichtung wurde unter den folgenden Versuchsbedingungen verwendet: Gemäß Fig. 12 bezeichnet die Bezugsziffer 150 einen Rohflüssigkeitsspeisetank, 152 bezeichnet eine Kühleinrichtung, 154 bezeichnet eine Hochdruckpumpe, 156 bezeichnet einen Umkehrosmosemembran-Modul, 158 bezeichnet ein Druckregelventil, 160 bezeichnet einen Durchflußmengenmesser für konzentrierte Flüssigkeit, und 162 bezeichnet einen Durchflußmengenmesser für durchgegangene Flüssigkeit.
Temperatur der zuzuführenden Flüssigkeit: 30 ºC
Druck der zuzuführenden Flüssigkeit: 65 kg/cm²
Strömungsdurchsatz des konzentrierten Wassers: 15l/min
So wurden die in der Tabelle 4 gezeigten Ergebnisse erhalten. Tabelle 4
Dabei sind die Salzsperrverhältnisse die aus der folgenden Gleichung erhältlichen Werte: Salzsperrverhältnis Dichte des durchgegangenen Wassers Dichte des Rohwassers + Dichte des konzentrierten Wassers

Versuchsbeispiel 2

Ein Konzentrationsversuch wurde derart durchgeführt, daß hochkonzentriertes Salzwasser, dessen Konzentration 9,8 bis 14,9 Gew.% war und das bisher unmöglich konzentriert werden konnte, unter Verwendung eines Membranelements mit einer Niederdruck-Umkehrosmosemembran B mit den folgenden Eigenschaften konzentriert wurde:
Eine in Fig. 12 gezeigte Versuchsvorrichtung wurde unter den folgenden Versuchsbedingungen verwendet:
Temperatur der zuzuführenden Flüssigkeit: 30 ºC
Druck der zuzuführenden Flüssigkeit: 65 kg/cm²
Strömungsdurchsatz des konzentrierten Wassers: 15 l/min
So wurden die in der Tabelle 5 gezeigten Ergebnisse erhalten.

Tabelle 5

Da die vorliegende Erfindung, wie oben beschrieben, gestaltet ist, kann man die folgenden Wirkungen erhalten:
(a) Gemäß dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung kann man hochkonzentrierte Flüssigkeit, die man nach dem Verdampfungsverfahren behandeln konnte, in Abhängigkeit vom zu behandelnden Flüssigkeitstyp konzentrieren. Daher läßt sich zur Vollendung der Konzentration erforderliche Energie einsparen. Da es jedoch bei dem gemäß der vorliegenden Erfindung erreichten Konzentrationsgrad eine Grenze gibt, muß das Verdampfungsverfahren angewendet werden, wenn eine weitere Konzentration gewünscht wird. Jedoch kann auch im vorstehend beschriebenen Fall Energie gespart werden, da die Verdampfungsmenge in einem Grad verringert wird, der der Steigerung in dem Ausmaß der Konzentration mittels der Umkehrosmosemembran entspricht.
(b) Zusätzlich zur Energieeinsparung kann, wenn das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung zur Konzentration von Fruchtsaft angewendet wird, ein befriedigendes Beibehaltungsverhältnis des aromatischen Bestandteils des Fruchtsafts im Vergleich mit dem Verdampfungsverfahren erreicht werden.
(c) Die vorliegende Erfindung kann zur Behandlung verschiedener Lösungen, wie z.B. verschiedener Salzlösungen, von Abflüssen aus Plattierverfahren (Erfassung brauchbaren Metalls durch Konzentration), eines organisches Material enthaltenden Abflusses, von Fruchtsaft und Zuckerflüssigkeit angewendet werde, die die durch die Umkehrosmosemembran zu behandelnden Stoffe sind.

Claims

1. Verfahren zum Behandeln von Salzwasser mit den Schritten:

Durchleiten von Salzwasser mit einem Salzgehaltniveau von wenigstens 30 000 ppm durch eine Mehrzahl von Umkehrosmosemembran-Moduln, um es in entsalztes Wasser von Trinkwasserniveau und hochkonzentriertes Wassser zu trennen, dessen Salzgehaltniveau 80 000 bis 120 000 ppm ist, wobei der anfängliche (10) der Moduln bei einem Druck von höchstens 70 kg/cm² G betrieben wird und das konzentrierte Wasser vom vorhergehenden Modul (10) zu dem bzw. den nachfolgenden Modul (12) oder Moduln ohne weitere Druckbeaufschlagung geleitet wird.

2. Verfahren zum Behandeln von Salzwasser mit den Schritten:

Steigern des Drucks von relativ niedrig konzentriertem Salzwasser, dessen Salzgehaltniveau 30 000 bis 60 000 ppm ist, auf 40 bis 70 kg/cm G;

dessen Durchleiten durch einen Hochdruck-Umkehrosmosemembran-Modul (10), um es in entsalztes Wasser von Trinkwasserniveau und Wasser mittlerer Konzentration zu trennen; und

Leiten des Wassers mittlerer Konzentration in einen Niederdruck-Umkehrosmosemembran-Modul (12), um es in grob entsalztes Wasser und hochkonzentriertes Wasser zu trennen, dessen Salzgehaltniveau 80 000 bis 120 000 ppm ist.

3. Verfahren zum Behandeln von Salzwasser nach Anspruch 2,

bei dem das von dem Niederdruck-Umkehrosmosemembran-Modul (12) gelieferte grob entsalzte Wasser dem Hochdruck- Umkehrosmosemembran-Modul (10) zugeführt wird.

4. Verfahren zum Behandeln von Salzwasser mit den Schritten:

Durchleiten von relativ hoch konzentriertem Salzwasser, dessen Salzgehaltniveau 50 000 bis 80 000 ppm ist, durch einen Niederdruck-Umkehrosmosemembran-Modul (20) unter Druck, dessen Niveau 30 bis 70 kg/cm² G ist, um es in grob entsalztes Salzwasser und hochkonzentriertes Wasser zu trennen, dessen Salzgehaltniveau 80 000 bis 120 000 ppm ist;

Steigern des Drucks des grob entsalzten Wassers auf 40 bis 70 kg/cm² G; und

Leiten des grob entsalzten Wassers in einen Hochdruck- Umkehrosmosemembran-Modul (22), um es in entsalztes Wasser von Trinkwasserniveau und Wasser mittlerer Konzentration zu trennen.

5. Verfahren zum Behandeln von Salzwasser nach Anspruch 4,

bei dem das von dem Hochdruck-Umkehrosmosemembran-Modul (22) gelieferte Wasser mittlerer Konzentration einem Niederdruck-Umkehrosmosemembran-Modul (20) zugeführt wird.

6. Verfahren zum Behandeln von Salzwasser nach irgendeinem der Ansprüche 1, 2, 3, 4 oder 5,

bei dem das hochkonzentrierte Wasser, das von dem Niederdruck-Umkehrosmosemembran-Modul (12, 20) geliefert wurde und dessen Salzgehalt 80 000 bis 120 000 ppm ist, einem Verdampfungsprozeß zugeführt wird, um Salz in der Form von Kristallen zu erhalten.

7. Vorrichtung zum Behandeln von Salzwasser, die aufweist:

Eine Druckpumpe (14) zum Steigern des Drucks relativ niedrig konzentrierten Salzwassers, dessen Salzgehaltniveau 30 000 bis 60 000 ppm ist, auf 40 bis 70 kg/cm² G;

einen Hochdruck-Umkehrosmosemembran-Modul (10) zur Aufnahme des Salzwassers, dessen Druck gesteigert wurde, um es in entsalztes Wasser von Trinkwasserniveau und Wasser mittlerer Konzentration zu trennen; und

einen Niederdruck-Umkehrosmosemembran-Modul (12) zum Trennen des Wassers mittlerer Konzentration in grob entsalztes Wasser und hochkonzentriertes Wasser, dessen Salzgehaltniveau 80 000 bis 120 000 ppm ist.

8. Vorrichtung zum Behandeln von Salzwasser, die aufweist:

Einen Niederdruck-Umkehrosmosemembran-Modul (20) zur Aufnahme relativ hoch konzentrierten Salzassers, dessen Salzgehaltniveau 50 000 bis 80 000 ppm ist, unter Druck, dessen Niveau 30 bis 70 kg/cm² G ist, um es in grob entsalztes Wasser und hochkonzentriertes Wasser zu trennen, dessen Salzgehaltniveau 80 000 bis 120 000 ppm ist;

eine Druckpumpe (24) zum Steigern des Drucks des grob entsalzten Wassers auf 40 bis 70 kg/cm² G; und

einen Hochdruck-Umkehrosmosemembran-Modul (22) zur Aufnahme des grob entsalzten Wassers, dessen Druck gesteigert wurde, um es in entsalztes Wasser von Trinkwasserniveau und Wasser mittlerer Konzentration zu trennen.

9. Verfahren zum Konzentrieren einer Lösung durch Verwendung einer Umkehrosmosemembran, das die Schritte aufweist:

Einleiten einer hochkonzentrierten Rohflüssigkeit, deren Salzgehaltniveau wenigstens 120 000 ppm ist, in eine Niederdruck-Umkehrosmosemembran (110), die bei einem Druck von höchstens 70 kg/cm² G betrieben wird;

deren Trennen in eine konzentrierte Flüssigkeit (120) einer noch höheren Konzentration, deren Niveau 150 000 ppm bis 155 000 ppm ist, und durchgeströmte Flüssigkeit mittlerer Konzentration; und

Einleiten der konzentrierten Flüssigkeit (120) von der Niederdruck-Umkehrosmosemembran (110) in eine folgende Niederdruck-Umkehrosmosemembran (112) ohne weitere Druckbeaufschlagung.

10. Verfahren zum Konzentrieren einer Lösung durch Verwendung einer Umkehrosmosemembran nach Anspruch 9,

bei dem eine oder mehr Stufen (112, 114) des Leitens konzentrierter Flüssigkeit, deren Konzentration weiter höher als die der hochkonzentrierten Rohflüssigkeit ist, durch die Niederdruck-Umkehrosmosemembran (110) hinzugefügt werden.

11. Verfahren zum Konzentrieren einer Lösung durch Verwendung einer Umkehrosmosemembran nach Anspruch 1 oder 2,

bei dem durchgeströmte Flüssigkeit durch eine Hochdruck- Umkehrosmosemembran oder eine Niederdruck-Umkehrosmosemembran entsprechend ihrer Konzentration geleitet wird, um sie in konzentrierte Flüssigkeit und durchgeströmte Flüssigkeit zu trennen.

12. Vorrichtung zum Konzentrieren einer Lösung durch Verwendung einer Umkehrosmosemembran, die wenigstens aufweist:

Einen ersten Niederdruck-Umkehrosmosemembran-Teil (110) zum Trennen von hochkonzentrierter Rohflüssigkeit in eine noch höher konzentriete Flüssigkeit und eine durchgeströmte Flüssigkeit mittlerer Konzentration; und

einen zweiten Niederdruck-Umkehrosmosemembran-Teil (112), der mit dem ersten Niederdruck-Umkehrosmosemembran-Teil (110) über einen konzentrierte Flüssigkeit extrahierenden Teil (120) verbunden ist.

13. Verfahren zum Konzentrieren einer Lösung durch Verwendung einer Umkehrosmosemembran nach Anspruch 10,

bei dem die hochkonzentrierte Rohflüssigkeit Salzwasser ist und das Salzgehaltniveau des konzentrierten Salzwassers 155 000 ppm ist.

14. Verfahren zum Konzentrieren einer Lösung durch Verwendung einer Umkehrosmosemembran nach Anspruch 11,

bei dem die hochkonzentrierte Rohflüssigkeit Salzwaser ist und das Salzgehaltniveau des konzentrierten Salzwassers nach Durchgang durch ein oder mehr hinzugefügte Stufen 155 000 ppm ist.

15. Vorrichtung zum Konzentrieren einer Lösung durch Verwendung einer Umkehrosmosemembran nach Anspruch 12,

bei der die hochkonzentrierte Rohflüssigkeit Salzwsasser ist und das Salzgehaltniveau des konzentrierten Salzwassers nach Durchgang durch die zweite Niederdruck- Umkehrosmosemembran 155 000 ppm ist.