JP2018503514A

JP2018503514A - 塩水濃縮

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Publication number: JP2018503514A
Application number: JP2017558791A
Authority: JP
Inventors: ピーター・ジョージ・ニコル; ブライン・ジェームズ・ムーア
Original assignee: サリー・アクアテクノロジー・リミテッド
Priority date: 2015-02-02
Filing date: 2016-02-01
Publication date: 2018-02-08
Also published as: EP3253478A1; US11439953B2; WO2016124902A1; CN107206320A; ZA201705446B; US20180015415A1; US20200316526A1; CN107206320B; GB201501684D0

Abstract

フィード溶液から溶媒を分離するプロセスであって、溶媒に溶解した溶質を含むフィード溶液をナノろ過膜の片側に接触させる段階と、前記フィード溶液から溶媒および溶解した塩の一部が前記ナノろ過膜を通過して、前記ナノろ過膜の透過側に透過溶液および前記ナノろ過膜の保持側に濃縮溶液を提供するように、前記フィード溶液に液圧を印加する段階と、前記透過溶液から溶媒が逆浸透膜を通過して前記逆浸透膜の保持側に濃縮溶液を残すように、前記ナノろ過膜からの透過溶液を逆浸透膜の片側と接触させ、かつ前記透過溶液に液圧を印加する段階と、前記ナノろ過膜へのフィード溶液の少なくとも一部として前記逆浸透膜の保持側からの濃縮溶液を使用する段階と、前記ナノろ過膜の保持側から濃縮溶液の少なくとも一部を取り出す段階とを含む、プロセス。

Description

本発明は、フィード溶液から溶媒、例えば水を分離するプロセスに関する。特に、限定的ではないが、本発明は、水を浄化するプロセスに関する。

水の浄化および濃縮の様々な方法が知られている。そのような方法の例は、逆浸透である。逆浸透では、高溶質濃度の溶液の浸透圧を超える圧力を印加することによって、高溶質濃度の領域から半透膜を通して低溶質濃度の領域へと水が押し出される。逆浸透は、例えば海水から飲料水を得るために一般的に使用される。逆浸透はまた、例えば産業廃水流から水を分離するために使用される。逆浸透を使用して産業廃水流を処理することによって、処分またはさらなる処理を必要とする不要な廃棄物の容量を低減しつつ、産業廃棄物から比較的きれいな水を生成することが可能である。

逆浸透では、膜の高溶質濃度側に比較的高い圧力を印加しなければならない。例えば、従来の逆浸透技法によって海水を淡水化するためには、生成水の回収を増加させるために８２ｂａｒｇ程度の圧力が一般的に使用される。このことは、従来の逆浸透に依存する淡水化法に大きなエネルギー負荷をかける。さらに、海水より高い溶質濃度を有するストリームには、さらに高い液圧を印加する必要がある。多くの市販の逆浸透膜は、８２ｂａｒｇより高い液圧に耐えるには不適当である。したがって、このことは、市販の逆浸透膜を使用して処理することができるフィード溶液の濃度に制限を課し、逆浸透膜および圧力容器に定められた最大液圧に相当する浸透圧に対して濃縮されたフィードストリームの最大濃度を制限する。

本発明によると、フィード溶液から溶媒を分離するプロセスが提供され、前記プロセスは、
溶媒に溶解した溶質を含むフィード溶液をナノろ過膜の片側に接触させる段階と、
前記フィード溶液から溶媒および溶解した塩の一部が前記ナノろ過膜を通過して、前記ナノろ過膜の透過側に透過溶液および前記ナノろ過膜の保持側に濃縮溶液を提供するように、前記フィード溶液に液圧を印加する段階と、
前記透過溶液から溶媒が逆浸透膜を通過して前記逆浸透膜の保持側に濃縮溶液を残すように、前記ナノろ過膜からの透過溶液を逆浸透膜の片側と接触させ、かつ前記透過溶液に液圧を印加する段階と、
前記ナノろ過膜へのフィード溶液の少なくとも一部として前記逆浸透膜の保持側からの濃縮溶液を使用する段階と、
前記ナノろ過膜の保持側から濃縮溶液の少なくとも一部を取り出す段階と、
を含む。

ナノろ過膜の保持側から取り出された濃縮溶液は、直接または間接的に処分され得る。１つの例では、取り出された濃縮溶液は、処分の前に別の溶液と混合され得る。１つの実施形態では、取り出された濃縮溶液は、処分の前にさらに濃縮され得る。代替的に、取り出された濃縮溶液は、正浸透膜の片側と接触させて、正浸透によって、正浸透膜の反対の側でソース水から水を取り出すことができる。ここで、正浸透とは、圧力強化浸透、圧力補助浸透、および浸透圧発電などの任意の浸透駆動膜プロセスとして定義される。

本発明において、溶媒に溶解した塩を含むフィード溶液は、ナノろ過膜の片側と接触される。フィード溶液は、含塩地下水もしくは地表水、塩水、海水、または廃水流であり得る。ナノろ過膜は比較的高い溶質透過度を有する比較的「緩い」膜であるため、該膜が選択される。したがって、溶媒と同様に、フィード溶液から多量の溶質（例えば塩）がナノろ過膜を通過して、比較的高い溶質濃度を有する透過溶液が提供される。透過溶液が比較的高い溶質濃度を有するため、所望のレベルのナノろ過膜を通過する流れを維持するために必要な液圧は、例えばより低い溶質透過度を有する従来の逆浸透膜と比較して比較的低い。

いくつかの実施形態では、フィード溶液は廃水流である。フィード溶液は、多価のカチオンおよび／または多価のアニオンを含み得る。多価のカチオンの例は、二価のカチオンおよび三価のカチオンを含む。二価のカチオンの例は、アルカリ土類金属カチオン、例えばカルシウム、マグネシウム、ストロンチウム、およびバリウムを含む。三価のカチオンの例は、アルミニウムを含む。二価のアニオンの例は、硫酸および炭酸アニオンを含む。

フィード溶液は、フィードにおける一価のカチオンの濃度に対して高い初期濃度の多価のカチオンを含み得る。１つの例では、多価のカチオンの初期濃度は、フィードにおける一価のカチオンの濃度より高い。いくつかの実施形態では、多価のカチオンの初期濃度は、フィードにおける総カチオン濃度の少なくとも２０％、例えば少なくとも３０％であり得る。１つの例では、多価のカチオンの初期濃度は、フィードにおける総カチオン濃度の２０から１００％、例えば２０から９０％であり得る。

フィード溶液は、フィードにおける一価のアニオンの濃度に対して高い初期濃度の多価のアニオンを含み得る。１つの例では、多価のアニオンの初期濃度は、フィードにおける一価のアニオンの濃度より高い。いくつかの実施形態では、多価のアニオンの初期濃度は、フィードにおける総アニオン濃度の少なくとも２０％、例えば少なくとも３０％であり得る。１つの例では、多価のアニオンの初期濃度は、フィードにおける総アニオン濃度の２０から１００％、例えば２０から９０％であり得る。

フィード溶液は、フィードにおける一価のカチオンおよび一価のアニオンの総濃度に対して高い多価のカチオンおよび多価のアニオンの総濃度を有し得る。１つの例では、多価のカチオンおよびアニオンの初期濃度は、フィードにおける一価のカチオンおよびアニオンの濃度より高い。いくつかの実施形態では、多価のカチオンおよびアニオンの初期濃度は、フィードにおける総カチオンおよびアニオン濃度の少なくとも２０％、例えば少なくとも３０％であり得る。１つの例では、多価のカチオンの初期濃度は、フィードにおける総カチオンおよびアニオン濃度の２０から１００％、例えば２０から９０％であり得る。

好ましくは、本発明のプロセスは、フィード溶液をナノろ過膜に接触させる段階の前に、一価のカチオンおよび／または一価のアニオンをフィード溶液に添加する段階を含む。一価のカチオンおよび／または一価のアニオンは、固体塩（例えば塩化ナトリウム）の形態で、または塩溶液（例えば塩化ナトリウム溶液）として添加され得る。結果として得られるフィードがナノろ過膜を通過するときに、ナノろ過膜の透過側の透過溶液の浸透圧がフィード溶液の浸透圧の少なくとも５０％となるように、一価のカチオンおよび／または一価のアニオンが添加され得る。

ナノろ過膜は、典型的に、多価（例えば二価および三価）の溶質透過度に対して比較的高い一価の溶質透過度を有する。したがって、ナノろ過膜は、フィード溶液からの多価の溶質の膜の通過を制限し、それによりナノろ過膜からの透過溶液の浸透圧および溶質濃度を制限し得る。その場合、一価の溶質の溶液（例えば塩化ナトリウム）がフィード溶液に添加され得る。ナノろ過膜が一価の溶質に対する比較的高い透過度を有するため、ナノろ過膜からの透過溶液の溶質濃度および浸透圧は、一価の溶質の添加によって上昇し得る。ナノろ過膜からの透過溶液は逆浸透膜の片側と接触され、ナノろ過膜透過溶液における一価の溶質は逆浸透膜の保持側に保持され、ナノろ過フィードへと再導入され得る。

ナノろ過膜からの透過溶液は、逆浸透膜の片側と接触される。ナノろ過透過溶液からの溶媒が逆浸透膜を通過して逆浸透膜の保持側に濃縮溶液が残留するように液圧が印加され得る。逆浸透膜からの透過溶液は、溶質濃度が低下した生成物ストリーム（例えば生産水）であり得る。この生成物ストリームは、任意選択的に、例えば飲料水または家庭用用途の水を生成するためにさらに処理され得る。水はまた、例えば産業用または家庭用用途に使用され得る。

逆浸透膜の保持側からの濃縮溶液は次いで、ナノろ過膜へのフィード溶液の少なくとも一部として使用される。フィードの少なくとも一部としてこの濃縮溶液を使用することによって、ナノろ過膜の保持側の溶液の濃度が上昇し得、ナノろ過膜の保持側から高度に濃縮された溶液を取り出すことが可能となる。上述の通り、ナノろ過膜の保持側から取り出された溶液は、処分されるかまたは処分の前にさらに濃縮され得る。その高い濃度のために、処分または処理に必要な液体の量が低減される。したがって、取り出されたストリームに下流の蒸発装置または晶析装置における処理が行われる場合、それらの装置に必要な能力および／または熱が低減され得る。その高い濃度のために、ナノろ過膜の保持側からの溶液もまた、浸透駆動膜プロセスにおけるドロー溶液として使用されるかまたは取り出され得る。

直観に反して、本発明は、膜の保持側に高度に濃縮された溶液を提供するために、緩いまたは高い溶質透過（すなわちナノろ過）を採用する。特に、本発明は、低減された溶質濃度および高度に濃縮された溶液を含む生成物ストリーム（例えば生産水）を生成するために、例えば処分／さらなる処理を容易にするために、または正浸透プロセスのためのドロー溶液として使用するために、逆浸透膜と共にナノろ過膜を採用する。ナノろ過膜を使用することによって、本発明のプロセスによって生成することができる高度に濃縮された保持溶液の濃度は、同一の液圧限度の下で単独で作動する逆浸透を使用して生成することができるものより高い。さらに、逆浸透膜からの保持溶液をナノろ過膜へのフィードの少なくとも一部として再循環することによって、処分またはさらなる処理に必要な廃水の量を低減する高度に濃縮された廃水流を生成することができる。

本発明の実施形態の利点は以下の通りである。
（ａ）ＲＯ単独で使用する場合より高濃度の塩水流（ひいてはより低容量）を生成することができる。
（ｂ）ＲＯ単独で使用する場合より高濃度のフィード水を淡水化することができる。
かつ／または
（ｃ）同一濃度のフィード水をＲＯ処理する場合よりも高い生産水の回収率が実現される。

上述の利点はすべて、ＲＯ単独で使用する場合に採用される標準作動圧力まで上昇させずに達成することができる。

取り出されたときに、ナノろ過膜の保持側から取り出された濃縮溶液は、少なくとも９０，０００ｍｇ／ｌ、好ましくは少なくとも９５，０００ｍｇ／ｌの総溶解塩濃度を有し得る。１つの実施形態では、ナノろ過膜の保持側から取り出された濃縮溶液は、少なくとも１００，０００ｍｇ／ｌ、例えば少なくとも１２０，０００ｍｇ／ｌの総溶解塩濃度を有し得る。１つの例では、取り出された濃縮溶液は、少なくとも１３０，０００ｍｇ／ｌの総溶解塩濃度を有する。

取り出されたときに、ナノろ過膜の保持側から取り出された濃縮溶液は、少なくとも７５ｂａｒｇ、好ましくは少なくとも８０ｂａｒｇの浸透圧を有し得る。１つの実施形態では、ナノろ過膜の保持側から取り出された濃縮溶液は、少なくとも１１０ｂａｒｇ、例えば少なくとも１２０ｂａｒｇの浸透圧を有し得る。

好ましくは、ナノろ過膜の保持側から取り出された濃縮溶液は、加熱蒸発装置または晶析装置を使用してさらに濃縮される。

１つの実施形態では、逆浸透膜の保持側からの濃縮溶液はさらなる溶質溶液と混合され、混合されたストリームはナノろ過膜へのフィード溶液として使用される。さらなる溶質溶液は、例えば含塩地下水もしくは地表水、塩水、海水、または廃水流であってよい。

１つの実施形態では、ナノろ過膜からの透過溶液はさらなる溶質溶液と混合され、混合されたストリームは、逆浸透膜の片側と接触される。さらなる溶質溶液は、例えば含塩地下水もしくは地表水、塩水、海水、または廃水流であってよい。

１つの実施形態では、ナノろ過膜の保持側から取り出された濃縮溶液は、前記取り出された溶液をさらなる半透膜の片側と接触させることによって濃縮される。半透膜は、ナノろ過膜と同程度に透過度（例えば同等の平均孔径）かまたは低い透過度（例えばより小さい平均孔径）を有し得る。例えば、半透膜は、ナノろ過膜または逆浸透膜であってよい。前記取り出された溶液からの溶媒がさらなる半透膜を通過してさらなる半透膜の透過側に透過溶液およびさらなる半透膜の保持側に保持溶液を提供するように、取り出された溶液に液圧が印加され得る。さらなる半透膜の保持側の保持溶液は取り出され、処分される、例えば処分の前にさらに濃縮される、または正浸透によって、すなわち浸透駆動膜プロセスにおいて、正浸透膜の逆側でソース溶液から水を取り出すために正浸透膜の片側と接触される。さらなる半透膜の透過側からの透過溶液は、逆浸透膜の保持側からの濃縮溶液と混合され、ナノろ過膜へと再導入され得る。好ましくは、さらなる半透膜はナノろ過膜である。

１つの実施形態では、ナノろ過膜へのフィード溶液の少なくとも一部として使用される前に、逆浸透膜の保持側からの濃縮溶液は、追加の半透膜を通過して追加の半透膜の透過側に透過溶液および追加の半透膜の保持側に保持溶液を提供する。透過溶液は、ナノろ過膜へのフィードの少なくとも一部として使用され得る。追加の半透膜の保持側の保持溶液は取り出されて、処分される、さらに濃縮される、または正浸透によって、すなわち浸透駆動膜プロセスにおいて、正浸透膜の逆側のソース溶液から水を取り出すために正浸透膜と接触され得る。

ナノろ過膜の保持側から取り出された濃縮溶液は、追加の（またはさらに別の）半透膜を通過させ、前記溶液から溶媒が膜を通過して半透膜の透過側に透過溶液および膜の保持側に保持溶液を提供するように液圧を印加することによって、濃縮され得る。この保持溶液は取り出され、任意選択的に処分される、例えば処分の前にさらに濃縮される、または正浸透によって、すなわち浸透駆動膜プロセスにおいて、正浸透膜の逆側のソース溶液から水を取り出すために正浸透膜と接触され得る。好ましくは、ナノろ過膜の保持側から引き出され濃縮溶液は、逆浸透膜の保持側からの濃縮溶液と混合され、混合されたストリームは追加の半透膜を通過する。

追加のまたはさらに別の半透膜は、ナノろ過膜と同程度の透過度またはより低い透過度を有する。例えば、追加のまたはさらに別の半透膜は、ナノろ過膜または逆浸透膜であってよい。好ましくは、追加の半透膜はナノろ過膜であってよい。さらに別の半透膜が採用される場合、該膜もまたナノろ過膜であってよい。

ナノろ過膜の保持側から取り出された濃縮溶液がさらなる膜と接触される場合、さらなる膜は、ナノろ過膜の平均孔径または透過度の１００倍未満、好ましくは５０倍未満、より好ましくは１０倍未満の平均孔径または透過度を有し得る。ナノろ過膜の保持側から取り出された濃縮溶液は、ナノろ過膜の平均孔径または透過度の１０倍未満、例えば５倍未満の平均孔径または透過度を有するさらなる膜と接触され得る。例えば、さらなる膜は、ナノろ過膜と実質的に同一またはより小さい平均孔径もしくは透過度を有し得る。上述のとおり、さらなる膜はナノろ過膜または逆浸透膜であってよい。好ましくは、さらなる膜は、粒子ろ過膜、マイクロろ過膜または限外ろ過膜から選択されない。さらなる膜は、０．１ミクロン未満、例えば０．０５ミクロン未満の平均孔径を有し得る。

フィード溶液は、水溶液などの任意の溶液であり得る。フィード溶液は、塩溶液、例えば塩水溶液であり得る。いくつかの実施形態では、フィード溶液は、塩化ナトリウム水溶液である。適当なフィード溶液の例は、含塩地下水または地表水、塩水、および海水を含む。その他の例は、廃水流、湖水、河川水および池水を含む。廃水流の例は、産業または農業廃水流を含む。

ナノろ過膜へのフィード溶液の総溶解塩濃度は、少なくとも５，０００ｍｇ／ｌ、例えば５，０００から１４０，０００ｍｇ／ｌであり得る。１つの例では、ナノろ過膜へのフィード溶液の総溶解塩濃度は、少なくとも３０，０００ｍｇ／ｌである。フィードの浸透圧は、少なくとも４ｂａｒｇ、例えば４から１３０ｂａｒｇであり得る。

ナノろ過膜は、ナノろ過膜の透過側の透過溶液の総溶解塩濃度または浸透圧がナノろ過膜に供給される溶液の浸透圧の少なくとも３０％、例えば少なくとも５０％、または少なくとも７０％となる十分な量の溶解塩がナノろ過膜を通過するように選択され得る。

取り出されたときに、ナノろ過膜の保持側から取り出された濃縮溶液は、フィードの総溶解塩濃度の少なくとも１．１倍、例えば少なくとも２または３倍の総溶解塩濃度を有し得る。

取り出されたときに、ナノろ過膜の保持側から取り出された濃縮溶液は、フィードの浸透圧の少なくとも１．１倍、例えば２または３倍の浸透圧を有し得る。

ナノろ過ステップに採用される膜は、４から８０Åの平均孔径を有し得る。好ましくは、膜の平均孔径は、２０から７０Å、より好ましくは３０から６０Å、最も好ましくは４０から５０Åである。孔径（例えば平均孔径）は、任意の適当な技法を使用して測定され得る。例えば、差圧流量測定法（ＪａｐａｎＭｅｍｂｒａｎｅＪｏｕｒｎａｌ，２９巻、ｎｏ．４、ｐｐ．２２７−２３５（２００４年））または塩、非荷電溶質、および原子間力顕微鏡の使用（ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｅｍｂｒａｎｅＳｃｉｅｎｃｅ１２６（１９９７年）９１−１０５）を採用することができる。

ナノろ過ステップにおいて使用される膜は、例えばミクロ多孔性ポリマーシートで形成された支持体の上に「表面層」として配置され得る。得られた膜は、複合構造（例えば薄膜複合構造）を有し得る。典型的に、膜の分離性能は、「表面層」の孔径および電荷によって制御される。

適当なナノろ過膜の例は、ＥＳＮＡ−１（Ｈｙｄｒａｎａｕｔｉｃｓ，Ｏｃｅａｎｓｉｄｅ，ＣＡ）、ＳＲ９０、ＮＦ−２７０、ＮＦ９０、ＮＦ７０、ＮＦ５０、ＮＦ４０、ＮＦ４０ＨＦ膜（ＤｏｗＦｉｌｍＴｅｃｈ，Ｍｉｎｎｅａｐｏｌｉｓ，Ｍｉｎｎ）、ＴＲ−６０、ＳＵ６００膜（Ｔｏｒａｙ，Ｊａｐａｎ）、ならびにＮＲＴ７４５０およびＮＴＲ７２５０膜（ＮｉｔｔｏＥｌｅｃｔｒｉｃ，Ｊａｐａｎ）を含む。

ナノろ過膜は、平面であるかまたは管状もしくは中空繊維の形態をとり得る。例えば、管状構造の中空微細繊維膜が使用され得る。所望であれば、膜はメッシュ支持体などの支持構造体上に支持され得る。平面膜が採用される場合、断面がらせん状を画定するようにシートが巻かれ得る。管状膜が採用される場合、ハウジングまたはシェル内に１つまたは複数の管状膜が含まれ得る。溶液がハウジングへと導入され、溶媒が管からろ液として除去され得るかまたはその逆である。

ナノろ過ステップは、高圧で実施され得る。例えば、ナノろ過ステップは、２５から１２０ｂａｒ、好ましくは４０から１００ｂａｒ、より好ましくは５０から８０ｂａｒの圧力で実施され得る。上述のように、逆浸透ステップの選択膜の保持側からの溶液はナノろ過膜を通過する。この溶液は膜の高圧側にあるため、ナノろ過膜を通過するときに溶液にさらなる圧力を印加しなくてもよい。しかしながら、必要であれば、ナノろ過膜を通過するときに溶液にさらなる圧力を印加することができる。

本発明において、任意の適当な逆浸透膜が使用され得る。例えば、逆浸透膜は、０．５から８０Å、好ましくは２から５０Åの平均孔径を有し得る。好ましい実施形態では、膜は、３から３０Åの平均孔径を有する。孔径（例えば平均孔径）は、任意の適当な技法で測定され得る。例えば、差圧流量測定法（ＪａｐａｎＭｅｍｂｒａｎｅＪｏｕｒｎａｌ，２９巻、ｎｏ．４、ｐｐ．２２７−２３５（２００４年））または塩、非荷電溶質、および原子間力顕微鏡の使用（ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｅｍｂｒａｎｅＳｃｉｅｎｃｅ１２６（１９９７年）９１−１０５）を採用することができる。

適当な逆浸透膜は、一体膜および複合膜を含む。適当な膜の例は、ＭｃＣｕｔｃｈｅｏｎら（Ｄｅｓａｌｉｎａｔｉｏｎ１７４（２００５年）１−１１）の研究において使用されたものまたは類似のものなどの酢酸セルロース（ＣＡ）および／または三酢酸セルロース（ＣＴＡ）で形成された膜、およびポリアミド（ＰＡ）で形成された膜を含む。膜のアレイが採用され得る。

逆浸透膜は、平面であるかまたは管状もしくは中空繊維の形態をとり得る。例えば、管状構造の中空微細繊維膜が使用され得る。所望の場合、膜は、メッシュ支持体などの支持構造体上に支持され得る。平面膜が採用される場合、断面がらせん状を画定するようにシートが巻かれ得る。管状膜が採用される場合、ハウジングまたはシェル内に１つまたは複数の管状膜が含まれ得る。

逆浸透膜は、（液体）溶液を膜に通過させるために高圧で実施され得る。例えば、逆浸透ステップは、２５から１２０ｂａｒ、好ましくは５０から１００ｂａｒ、より好ましくは６０から８０ｂａｒの圧力で実施され得る。

本発明のこれらの、また他の態様は、添付の図面を参照して以下で説明される。

本発明のプロセスの第１の実施形態を実施するためのシステムの概略図である。本発明のプロセスの第２の実施形態を実施するためのシステムの概略図である。本発明のプロセスの第３の実施形態を実施するためのシステムの概略図である。本発明のプロセスの第４の実施形態を実施するためのシステムの概略図である。実施例１においてフローストリームを抽出および分析した地点を示す。比較例２を実施するシステムの概略図である。比較例３を実施するシステムの概略図である。

図１を参照すると、この図は、ナノろ過膜１０ａを含むナノろ過膜ユニット１０と、逆浸透膜１２ａを含む逆浸透膜ユニット１２とを備えるシステムを示す。使用の際には、溶媒に溶解した溶質を含むフィード溶液（例えば廃水）は、ナノろ過膜１０ａの片側と接する。フィード溶液に液圧が印加され、フィード溶液から溶解した塩の一部および溶媒（水）がナノろ過膜を通過して、ナノろ過膜の透過側に透過溶液１４およびナノろ過膜の保持側に濃縮溶液１６を提供する。

ナノろ過膜１０ａからの透過溶液１４は、導管１８を介して取り出され、逆浸透膜１２ａの片側と接触する。溶液に液圧が印加され、溶液から溶媒が逆浸透膜１２ａを通過して、逆浸透膜１２ａの保持側に濃縮溶液２０、および逆浸透膜１２ａの透過側に生成溶液２２を提供する。有利には、生成溶液２２は、比較的低い溶質（例えば塩）濃度を有する。

逆浸透膜１２ａの保持側から濃縮溶液２０が導管２６を介して取り出され、ナノろ過膜１０ａへのフィード溶液の少なくとも一部として使用される。本実施形態では、導管８における新規のフィード（例えば廃水）と混合することができ、混合された流れは、ナノろ過ユニット１０へと供給され得る。

ナノろ過膜１０ａの保持側からの濃縮溶液１６の少なくとも一部は、導管２４を介して取り出される。この溶液２４は、処分されるかまたは例えば熱的方法（図示せず）を使用してさらに濃縮され得る。溶液２４は高濃縮されているため、処理／処分を必要とする濃縮廃棄物の容量は、例えば逆浸透（ＲＯ）のみを使用した場合に生成される濃縮廃棄物の容量と比較して比較的少ない。

フィード（例えば廃水）は、二価のカチオンおよび／またはアニオン、例えばカルシウム、マグネシウム、ストロンチウム、および／またはバリウムカチオン、および／または硫黄および／または炭酸アニオンを含み得る。二価のカチオンおよびアニオンの初期濃度は、フィードにおける一価のカチオンおよびアニオンの濃度より高い。例えば、二価のカチオンまたはアニオンの初期濃度は、フィードにおける総カチオンおよびアニオン濃度の２０から９０％であり得る。

フィード溶液がナノろ過膜と接触する前に、ライン５０を介してフィード溶液に一価のカチオンおよび一価のアニオンが添加され得る。一価のカチオンおよび／または一価のアニオンは、固体塩（例えば塩化ナトリウム）の形態でまたは塩溶液（例えば塩化ナトリウム溶液）として添加され得る。フィードがナノろ過膜を通過するときに、ナノろ過膜の透過側の透過溶液の浸透圧がフィード溶液の浸透圧の少なくとも５０％となるように、一価のカチオンおよび／または一価のアニオンが添加され得る。

ナノろ過膜は、典型的に、多価（例えば二価および三価）の溶質透過度に対して比較的高い一価の溶質透過度を有する。したがって、ナノろ過膜は、フィード溶液からの多価の溶質の膜の通過を制限し、それによりナノろ過膜からの透過溶液の浸透圧および溶質濃度を制限し得る。その場合、一価の溶質の溶液（例えば塩化ナトリウム）がフィード溶液へと投入され得る。ナノろ過膜が一価の溶質に対する比較的高い透過度を有するため、一価の溶質の添加によって、ナノろ過膜からの透過溶液の溶質濃度および浸透圧は上昇し得る。ナノろ過膜からの透過溶液は、逆浸透膜の片側と接触し、ナノろ過膜透過溶液における一価の溶質は、逆浸透膜の保持側に保持され、ナノろ過フィードへと再導入され得る。

図２は、図１を参照して説明したプロセスの代替の実施形態を実施するシステムを表す。類似の部材には類似の参照符号を付した。図１と同様に、ライン５０を介してフィードに一価のカチオンおよび／またはアニオン（例えば塩化ナトリウム）が添加され得る。しかしながら、本実施形態では、逆浸透膜１２ａの保持側からの濃縮溶液２０が導管２６を介して取り出され、ナノろ過膜１０ａへのフィード溶液として全てが使用される。図１に示した実施形態とは異なって、濃縮溶液２０は、新たなフィード（例えば廃水）と混合されない。しかしながら、逆浸透ユニット１２へのフィードは、ナノろ過膜１０ａからの透過溶液（導管１８参照）によって一部が形成される。この透過溶液は、導管８からの新たなフィード（例えば廃水）と混合され、混合されたフィードは逆浸透ユニット１２へと導入される。

図３は、本発明のプロセスの第３の実施形態を実施するシステムを示す。該システムは、図１に示したものと類似しており、類似の部材には類似の参照符号を付した。図１と同様に、ライン５０を介してフィードに一価のカチオンおよび／またはアニオン（例えば塩化ナトリウム）が添加され得る。しかしながら、本実施形態では、ナノろ過膜１０ａの保持側から濃縮溶液の取り出された部分（導管２４参照）は、さらなる半透膜（例えばさらなるナノろ過膜）２８の片側と取り出された部分を接触されることによって濃縮される。取り出された部分（導管２４参照）は、さらなる半透膜２８と接触させる前に、新たなフィードと任意で混合され得る。次いで、液圧が印加され、取り出された部分から水がさらなる半透膜２８（例えばさらなるナノろ過膜）を通過して、さらなる半透膜２８の透過側に透過溶液３０、およびさらなる半透膜の保持側に保持溶液を提供する。さらなる半透膜２８の保持側の保持溶液は、導管３２を介して取り出され、処分されるかまたは処分の前にさらに濃縮される。透過溶液３０は、導管３４を介して取り出され、そこで導管２６における逆浸透ユニット１２からの濃縮溶液と混合されてナノろ過ユニット１０へと導入される。

図４は、本発明のプロセスの第４の実施形態を実施するシステムを表す。該システムは、図１に示したものと類似しており、類似の部材には類似の参照符号を付した。図１と同様に、ライン５０を介してフィードに一価のカチオンおよび／またはアニオン（例えば塩化ナトリウム）が添加され得る。しかしながら、ナノろ過膜１０ａへのフィードの少なくとも一部として使用される前に、逆浸透膜１２ａの保持側からの濃縮溶液２０が追加の半透膜４０（例えば追加のナノろ過膜）を通過して、追加の半透膜４０の透過側に透過溶液４２、および追加の半透膜４０の保持側に保持溶液４４を提供する。透過溶液４２は、ナノろ過膜１０ａへのフィードとして使用される。本実施形態では、ナノろ過ユニット１０へのフィードは、例えば未処理の廃水４６であるよりもむしろ、逆浸透ユニット１２および追加の半透膜４０において前処理された廃水４６である。

追加の半透膜の保持側の保持溶液は、導管４８を介して取り出され、処分されるかまたはさらに濃縮される。

本実施形態では、ナノろ過膜１０ａの保持側の濃縮溶液１６の取り出された部分は、導管２４を介して取り出され、前記取り出された部分を追加の半透膜４０に通過させることによって濃縮される。したがって、追加の半透膜４０へのフィードは、逆浸透膜１２ａの保持側からの濃縮溶液２０と、導管２４を介してナノろ過ユニット１０から取り出された濃縮溶液１６とから成る。液圧が印加されると、透過溶液４２が半透膜４０の透過側に、保持溶液が膜の保持側に提供される。先に説明したように、保持溶液は導管４８を介して取り出される。
追加の半透膜４０はナノろ過膜であってよい。

［実施例１］
本モデル化実施例では、総溶解塩（ＴＤＳ）濃度４３２１８ｇ／ｌおよび浸透圧３４ｂａｒｇを有する廃水流を、図１に概略的に示した発明の実施形態を用いて処理した。図５は、フローストリームを抽出および分析した地点を示す。以下の表１は、様々なストリームのＴＤＳ、圧力、浸透圧、および流量を示す。表１からわかるように、本発明の実施形態を使用して廃水流中の水の６８％が回収された（システム回収率＝（生産水のフロー）／（フィード水のフロー）または生産水に変換されるフィード水の割合）。

［比較例２］
本モデル化比較例では、実施例１において処理した廃水流を、図６に概略的に示したプロセスを使用して処理した。図６は、逆浸透膜の保持側からの濃縮溶液がナノろ過膜へのフィード溶液の少なくとも一部として使用されない点を除いて、図１および５に示したものと類似のプロセスを表す。代わりに、この濃縮溶液は、ナノろ過膜の保持側からの濃縮溶液と混合され、取り出されて処分される。以下の表２は、様々なストリームのＴＤＳ、圧力、浸透圧、および流量を示す。表２からわかるように、図６に示されたプロセスを使用して廃水流中の水の５８％のみが回収された。さらに、濃縮された廃水流のＴＤＳは、実施例１において達成された最大ＴＤＳより低い。

［比較例３］
本モデル化比較例では、実施例１において処理した廃水流を、図７に概略的に示したプロセスを使用して処理した。図７は、フィード廃水流が逆浸透膜と接触する標準逆浸透プロセスを表す。逆浸透膜の透過側に生産水を生成するために液圧が印加される。逆浸透膜の保持側の濃縮溶液は取り出される。以下の表３は、様々なストリームのＴＤＳ、圧力、浸透圧、および流量を示す。表３からわかるように、図７のプロセスを使用して廃水流中の水の４９％のみが回収された。さらに、濃縮された廃水流のＴＤＳは、実施例１において達成された最大ＴＤＳより低い。

上の実施例は、ＤＯＷプロジェクションによって直接提供されないストリームデータを決定するために単純な物質収支およびＤＯＷ膜ソフトウェアパッケージ（ＲＯＳＡ）を使用してモデル化した。全てのプロジェクションは３０℃で運転した。

８フィード溶液
１０ナノろ過ユニット
１０ａナノろ過膜
１２逆浸透ユニット
１２ａ逆浸透膜
１４、３０、４２透過溶液
１６、２０濃縮溶液
２２生成溶液
２８、４０半透膜

Claims

フィード溶液から溶媒を分離するプロセスであって、
溶媒に溶解した溶質を含むフィード溶液をナノろ過膜の片側に接触させる段階と、
前記フィード溶液から溶媒および溶解した塩の一部が前記ナノろ過膜を通過して、前記ナノろ過膜の透過側に透過溶液および前記ナノろ過膜の保持側に濃縮溶液を提供するように、前記フィード溶液に液圧を印加する段階と、
前記透過溶液から溶媒が逆浸透膜を通過して前記逆浸透膜の保持側に濃縮溶液を残すように、前記ナノろ過膜からの透過溶液を逆浸透膜の片側と接触させ、かつ前記透過溶液に液圧を印加する段階と、
前記ナノろ過膜へのフィード溶液の少なくとも一部として前記逆浸透膜の保持側からの濃縮溶液を使用する段階と、
前記ナノろ過膜の保持側から濃縮溶液の少なくとも一部を取り出す段階と、
を含む、プロセス。
前記ナノろ過膜の保持側から取り出された濃縮溶液をさらなる膜と接触させる場合、前記さらなる膜が、前記ナノろ過膜の平均孔径または透過度の１００倍未満の平均孔径または透過度を有する、請求項１に記載のプロセス。
前記ナノろ過膜の保持側から取り出された濃縮溶液が、
ｉ）処分される、
ｉｉ）処分される前にさらに濃縮される、または
ｉｉｉ）正浸透によって正浸透膜の反対側でソース水から水を取り出すために、正浸透膜の片側と接触される、
請求項１または２に記載のプロセス。
前記ナノろ過膜の保持側から取り出された濃縮溶液が、膜、熱蒸発装置、または晶析装置を使用して濃縮される、請求項３に記載のプロセス。
前記ナノろ過膜の透過側の透過溶液の浸透圧が前記フィード溶液の浸透圧の少なくとも５０％となる十分な量の溶解した溶質が前記ナノろ過膜を通過するように前記ナノろ過膜が選択される、請求項１から４のいずれか一項に記載のプロセス。
前記逆浸透膜の保持側からの濃縮溶液がさらなる塩溶液と混合され、混合されたストリームが前記ナノろ過膜のフィード溶液として使用される、請求項１から５のいずれか一項に記載のプロセス。
前記ナノろ過膜からの透過溶液がさらなる塩溶液と混合され、混合されたストリームが前記逆浸透膜の片側と接触される、請求項１から６のいずれか一項に記載のプロセス。
前記取り出された濃縮溶液をさらなる半透膜の片側と接触させ、前記取り出された濃縮溶液から溶媒が前記さらなる半透膜を通過して、前記さらなる半透膜の透過側に透過溶液および前記さらなる半透膜の保持側に保持溶液を提供するように、前記取り出された濃縮溶液に液圧を印加することによって、前記ナノろ過膜の保持側から取り出された濃縮溶液が濃縮され、前記さらなる半透膜の保持側の保持溶液が取り出され、処分されるかまたは処分される前にさらに濃縮される、請求項３に記載のプロセス。
前記さらなる半透膜の透過側からの透過溶液が、前記逆浸透膜の保持側からの濃縮溶液と混合され、前記ナノろ過膜へと導入される、請求項８に記載のプロセス。
前記さらなる半透膜がナノろ過膜である、請求項８または９に記載のプロセス。
前記ナノろ過膜へのフィード溶液の少なくとも一部として使用される前に、前記逆浸透膜の保持側から濃縮溶液が追加の半透膜を通過して、前記追加の半透膜の透過側に透過溶液および前記追加の半透膜の保持側に保持溶液を提供し、前記透過溶液が前記ナノろ過膜へのフィードの少なくとも一部として使用される、請求項１に記載のプロセス。
前記追加の半透膜の保持側の保持溶液が取り出され、処分されるかまたはさらに濃縮される、請求項１１に記載のプロセス。
前記取り出された濃縮溶液を前記追加の半透膜または別の半透膜に通過させて、前記取り出された濃縮溶液から溶媒が前記膜を通過して、前記半透膜の透過側に透過溶液および前記半透膜の保持側に保持溶液を提供するように前記取り出された濃縮溶液に液圧を印加することによって、前記ナノろ過膜の保持側から取り出された濃縮溶液が濃縮され、前記保持溶液が取り出され、処分されるかまたは処分される前にさらに濃縮される、請求項１１または１２に記載のプロセス。
前記ナノろ過膜の保持側から取り出された濃縮溶液が、逆浸透膜の保持側からの濃縮溶液と混合され、混合されたストリームが前記追加の半透膜を通過する、請求項１４に記載のプロセス。
前記追加の半透膜がナノろ過膜である、請求項１１から１４のいずれか一項に記載のプロセス。
前記逆浸透膜を透過する溶液が生産水として取り出される、請求項１から１５のいずれか一項に記載のプロセス。
前記ナノろ過膜の保持側から取り出された濃縮溶液が、取り出されたときに、少なくとも９０，０００ｍｇ／ｌの総溶解塩濃度を有し得る、請求項１から１６のいずれか一項に記載のプロセス。
前記フィード溶液が、一価のカチオンおよび一価のアニオンの濃度より高い多価のカチオンおよび多価のアニオンの初期濃度を有し、前記プロセスが、前記フィード溶液を前記ナノろ過膜と接触させる前に、一価のカチオンおよび／または一価のアニオンを前記フィード溶液に添加する段階をさらに含む、請求項１から１７のいずれか一項に記載のプロセス。
前記一価のカチオンおよび／または一価のアニオンを前記フィード溶液に添加して前記ナノろ過膜の透過側の透過溶液の浸透圧を前記フィード溶液の浸透圧の少なくとも５０％まで上昇させる、請求項１８に記載のプロセス。
前記取り出された濃縮溶液をさらなるナノろ過膜の片側と接触させ、前記取り出された濃縮溶液から溶媒が前記さらなるナノろ過膜を通過して、前記さらなるナノろ過膜の透過側に透過溶液および前記さらなるナノろ過膜の保持側に保持溶液を提供するように、前記取り出された濃縮溶液に液圧を印加することによって、前記ナノろ過膜の保持側から取り出された濃縮溶液が濃縮され、前記さらなるナノろ過膜の保持側の保持溶液が取り出され、処分されるかまたは処分される前にさらに濃縮される、請求項１８または１９に記載のプロセス。
前記さらなるナノろ過膜と接触させる前に、一価のカチオンおよび／または一価のアニオンを前記取り出された濃縮溶液に添加する、請求項２０に記載のプロセス。