JP6028645B2

JP6028645B2 - 水処理装置

Info

Publication number: JP6028645B2
Application number: JP2013061350A
Authority: JP
Inventors: 亮功刀; 渕上　浩司; 浩司渕上; 規人植竹; 剛志水上
Original assignee: JFE Engineering Corp
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 2013-03-25
Filing date: 2013-03-25
Publication date: 2016-11-16
Anticipated expiration: 2033-03-25
Also published as: JP2014184403A

Description

この発明は、例えば海水を半透膜を用い淡水を製造する装置に関するものである。

海水を半透膜を用いて淡水化する方法は種々知られているが、海水に浸透圧以上の圧力を加えて水を強制的に透過させる逆浸透法が主に開発されてきた。この方法は高圧に加圧する必要があるため、設備費および運転費にコストがかかるという問題点がある。一方、半透膜を介して海水より高濃度の塩溶液を存在させれば、加圧せずとも浸透圧で水をこの塩溶液に移動させることができる。そして、この塩溶液として揮発性ガスを溶解させた溶液を用いれば、この塩溶液を蒸留することにより揮発性ガスを蒸発、分離させて淡水を得ることができる。この正浸透法として、揮発性ガスとしてアンモニアと二酸化炭素の組合せを用いた方法が既に開発されている（特許文献１、２）。

特許文献１の方法は、半透膜を介して海水と反対側にアンモニアと二酸化炭素を溶解して得られる塩溶液を流して、海水中の水を半透膜を通過させて該塩溶液に移動させ、得られた希釈塩溶液を蒸留塔に送って淡水を得るとともにアンモニアと二酸化炭素と水を含む混合ガスを分離し、この混合ガスを半透膜の元の部屋に返送する方法である。

この方法に用いられる装置は、図２に示すように、第１室５２、半透膜５６、第２室５８、第３室６２および第４室６４よりなる。海水等の原水５０は第１室５２に流入して半透膜５６と接触し、原水５０中の水が半透膜５６を透過して第２室５６に入る。水分が透過して塩濃度が高まった濃縮液５４は第１室５２から出る。一方、半透膜５６の反対側に接している第２室５８には、アンモニアと二酸化炭素を溶解して得られ、原水より塩濃度が高い塩溶液があり、この塩溶液が半透膜５６を透過してきた水で希釈されて第３室６２に入る。第３室では塩が沈殿し、沈殿分離された塩６８は第２室５８に返送される。第３室６２で塩が沈降分離された液は蒸留塔である第４室６４に入って加熱されて残っている塩がその構成成分に分解され、分解で生じたガス６０は第２室５８に返送される。塩の分解除去によって残った淡水６６は第４室から取出される。

特許文献２の方法は、半透膜を介して海水と反対側にアンモニアと二酸化炭素を溶解して得られる塩溶液を流して、海水中の水を半透膜を通過させて該塩溶液に移動させ、得られた希釈塩溶液をイオン交換膜や蒸留塔等を用いてアンモニウムイオンと炭酸イオンを個別に分離して淡水を得、分離したアンモニウムイオンと炭酸イオンを溶解して半透膜の元の部屋に戻す方法である。

米国特許出願公開第２００５／０１４５５６８Ａ１号明細書特開２０１１−８３６６３号公報

正浸透法（ＦＯ法）によって海水淡水化や廃水処理を行う技術では、逆浸透法（ＲＯ法）のように処理前の原水の浸透圧に打ち勝つ水理的な圧力を加えるエネルギーが必要ない代わりに、原水がＦＯ膜を介して反対側にある高浸透圧の誘導溶液内に透過した透過水を塩から分離する工程が必要である。

誘導溶液と透過水の分離工程には、蒸留法やろ過法が用いられるのが一般的であるが、膜ろ過装置を小型化するためには、高濃度の誘導溶液を用いて処理量を大きくする必要があり、誘導溶液分離工程のエネルギーが増大して、処理コスト（透過水量に対するコスト）が増大する問題がある。

本発明の目的は、誘導溶液を高濃度化しなくても、浸透を効率化して正浸透装置の能力を高める手段を提供することにある。

ＦＯ膜による水処理方法では、原水が膜を透過する際に原水中の塩分の膜内濃縮、もしくは透過水による誘導溶液の膜内希釈が起こり、浸透圧差の数％しかろ過駆動力として利用できない。そこで、液濃度（浸透圧）と無関係に働く水理的な正圧力または負圧力を微少量（一般的なＲＯ法の１／１０以下）付加して透過水量を増加させる方法が考えられるが、一定時間が経過すると前記の原水の膜内濃縮と誘導溶液の膜内希釈がより顕著となることによってブレーキが掛かり、透過水量増加の効果が小さくなる。そこで、付加圧力を一定時間解除することによりブレーキが解消されることを見出し、圧力付加と解除を繰り返すことにより、高透過水量を得ることを可能とした。

本発明は、これらの知見に基いてなされたものであり、ＦＯ膜が装填された装置（膜モジュール）の原水側に水理的正圧力を加えるか、透過水側に負圧力を与える装置を具備し、その圧力を変化させることを特徴とする。

すなわち、本発明は、溶媒が水である液体と、前記液体よりも浸透圧の高い誘導溶液とを半透膜を介して接触させ、前記液体中の水を前記半透膜を通して前記誘導溶液に移動させる正浸透手段と、前記正浸透手段で得られる、水で希釈された希釈誘導溶液から淡水を分離する淡水分離手段と、前記淡水分離手段により淡水を分離された前記希釈誘導溶液から前記誘導溶液を再生する誘導溶液再生手段を有する水処理装置において、前記正浸透手段に供給する前記液体を間欠的に加圧する加圧手段および／または前記正浸透手段から流出する前記希釈誘導溶液を間欠的に減圧する減圧手段を設置するとともに、前記誘導溶液は、下限臨界温度を有する感温性物質を水に溶解して調製した誘導溶液であり、前記淡水分離手段は、前記希釈誘導溶液を加温して、前記感温性物質の少なくとも一部を疎水性化して析出させる加温槽を含むことを特徴とする水処理装置を提供するものである。

本発明により、正浸透膜装置を効率よく運転させて、透過水量を増加させることができる。

本発明の装置の構成の一例を示すブロック図である。従来の装置の構成の一例を示すブロック図である。

本発明で淡水を得るのに使用される液体（原水）は溶媒が水であればよいが、例示すれば、海水、湖沼水、河川水、工場廃水などである。

正浸透手段
正浸透手段は、前記液体である原水をそれよりも浸透圧の高い誘導溶液と半透膜を介して接触させ、前記液体中の水を前記半透膜を通して前記誘導溶液に移動させる手段であり、半透膜装置を用いる。

誘導溶液は、原水よりも浸透圧が高いものであればよいが、水が移動して希釈された希釈誘導溶液からの淡水の分離性を考慮すると溶質が揮発性のものが好ましく、例えば、所定量のアンモニアと二酸化炭素を水に溶解して生成する炭酸アンモニウム水溶液が好ましい。所定量とは、浄化対象液中の水を半透膜を通過させて誘導溶液まで移動させることができる濃度にする量であり、原水の塩濃度より高い濃度である。濃度の上限は、アンモニアと二酸化炭素の塩、すなわち、炭酸アンモニウム、炭酸水素アンモニウム、アンモニウムカルバメート等が半透膜面や、蒸留塔内で析出しないように定められ、これは実験で求めることができる。半透膜面や蒸留塔内に析出物が生じたか否かの確認方法の一つとして長時間運転をして安定稼動可能かどうかで判断する方法がある。アンモニアと二酸化炭素のモル比は１．５〜３程度である。このモル比も半透膜面や蒸留塔内でアンモニアと二酸化炭素の塩が析出しないよう配慮する。揮発性溶質としては、アンモニアと二酸化炭素の塩の外、ｔｅｒｔ−ブタノール等のアルコール類やケトン類も使用することができる。

その外、下限臨界温度を有する感温性物質も溶質として用いることができる。すなわち、下限臨界温度を有する感温性物質を水に溶解して調製した高浸透圧の誘導溶液を用いて順浸透膜処理を行い、得られた希釈誘導溶液を下限臨界温度以上まで加温して感温性物質を一部疎水性化して析出させ、これを分離することで、海水等から少ないエネルギーで安価で容易に淡水を得ることができる。

例えば、下限界臨界温度４０℃のポリオキシエチレンアルキルエーテルを誘導物質として用いる場合、常温（５〜２５℃）の希釈誘導溶液中で、感温性物質は、親水性を示し液中に溶解している。これを４０℃まで加温すると感温性物質は疎水化して凝集する。この際に溶液が白濁することから、一般に曇点現象として知られている。曇点は、溶液が白濁する温度として目視で判断される。白濁した感温性物質はやがて比重差により濃厚層と希薄層に分離する。この性質を利用して、最初に重力分離を行うことが望ましい。しかし、曇点をやや下回る温度において凝集粒子が白濁として目視確認できないサイズであっても、凝集反応は進行し、分子が互いに集まり見かけ上の分子数が大幅に減少するため、浸透圧が劇的に低下する。感温性物質が凝集した状態の溶液をＵＦ膜またはＮＦ膜ろ過すると、感温性物質は容易に膜で排除され、ろ液として純水が得られる。膜濃縮液は、疎水化した感温性物質が凝集した誘導溶液である。これを３０℃に冷却すると、感温性物質が再溶解して誘導溶液が再生される。感温性物質が再溶解した再生誘導溶液においては誘導物質濃度が高まり、所定の高い浸透圧が得られる。再生された誘導溶液を半透膜装置に導入し、被処理水と膜を介して接触させることにより、繰り返し被処理水から純水を得ることができる。

この感温性物質は、各種界面活性剤、分散剤、乳化剤などとして利用されており、例示すれば、アルコールまたは脂肪酸とエチレンオキサイドの化合物、アルコールまたは脂肪酸とプロピレンオキサイドの化合物、アクリルアミドとアルキル基の化合物、グリセリン脂肪酸エステル、ソルビタン脂肪酸エステルエチレンオキサイド付加物、アミノ酸およびその誘導体などである。本発明において使用する感温性物質としては、下限臨界温度が３０℃〜８０℃の範囲、特に４０℃から６０℃の範囲のものが好ましい。誘導溶液に含まれる感温性物質の濃度は、高浸透圧が得られるようなるべく高濃度にするのがよく、０．１〜１０mol／L程度、特に２〜５mol／L程度の濃度が好ましい。

半透膜装置に用いる半透膜は水を選択的に透過できるものがよく、市販のもの、特に正浸透膜を好ましく使用できる。材質は特に制限されないが、例示すれば、酢酸セルロース系、ポリアミド系、ポリエチレンイミン系、ポリスルホン系、ポリベンゾイミダゾール系のものなどを挙げることができる。半透膜の形態も特に制限されず、平膜、管状膜、中空糸などいずれであってもよい。

この半透膜を装着する装置は通常は円筒形あるいは箱形の容器内に半透膜を設置して、この半透膜で仕切られた一方の室に原水を流し、他方の室に誘導溶液を流せるものであり、公知の半透膜装置を用いることができ、市販品を用いることができる。

原水を流す室の入口は原水溜（これは海や河川そのものであってもよく、タンク等であってもよい。）に配管接続される。出口側は通常は濃縮液溜に配管接続される。両配管を結ぶ循環ラインを設けて、循環させることもできる。

誘導溶液を流す室の入口は誘導溶液再生手段に配管接続され、出口は淡水分離手段に配管接続され、これによって誘導溶液の循環ラインが形成される。

淡水分離手段
淡水分離手段は、前記正浸透手段で得られる、水で希釈された希釈誘導溶液から淡水を分離する手段であり、溶質が、揮発性溶質である場合は通常蒸留塔か、加温によって疎水化する感温性物質である場合は加温槽または熱交換器、沈殿槽、固液分離装置が用いられる。

蒸留塔は公知のものを用いればよく、棚段方式、充填方式等いずれのものであってもよい。蒸留塔下部には加熱器を設け、下部の浄水を熱することにより発生する蒸気を上部から落下してくる希釈誘導溶液と接触させて熱交換させる。加熱器にはリボイラーや熱交換等を用いることができる。加熱器の熱源は問わないが、発電所のタービンから出てくる復水前の蒸気や、排熱から回収される熱水などを用いることができる。熱源の温度が１００℃以上の場合には常圧で蒸留を行えるが、それより低い場合は減圧する必要がある。

一方、感温性物質の場合の加温槽は箱型や円筒形のものでよく、加熱器と攪拌機が付設される。加熱器は槽内外のいずれに設けてもよい。

加温槽では原水から水が移動して希釈された希釈誘導溶液を加温して、感温性物質の少なくとも一部を疎水性化して析出させる。この析出は、感温性物質の濃厚溶液が相分離したものである。加温する温度は、感温性物質の下限臨界温度以上で感温性物質の一部が疎水性化する温度が好ましく、具体的には、下限臨界温度より1〜10℃高い温度までの範囲、特に2〜5℃高い温度までがよい。従って、加温温度は下限臨界温度あるいはそれを越えて、下限臨界温度より10℃程度まで高く加温するのがよい。尚、下限臨界温度が曇点であると、下限臨界温度未満では分離が困難である。
この加温槽の熱源には、次の固液分離工程で分離された分離液の顕熱を使用することが好ましい。

加温槽で加熱されて感温性物質が析出している希釈誘導溶液は固液分離して析出した感温性物質を分離する。この固液分離手段は、ナノろ過（ＮＦ）膜や限外ろ過膜、精密ろ過膜を用いるろ過装置、砂ろ過装置、ろ布ろ過装置、遠心分離機、沈降分離槽などを利用することができる。好ましいものは、限外ろ過膜、精密ろ過膜および遠心分離が比較的低動力で良好な分離効率が得られるため好ましい。

固液分離装置で分離された水は、通常はそのまま淡水として利用できるが、必要によりさらに精製して使用する。

誘導溶液再生手段
誘導溶液再生手段は、前記淡水分離手段により淡水を分離された前記希釈誘導溶液から前記誘導溶液を再生する手段であり、冷却器が用いられる。

溶質が二酸化炭素とアンモニアの塩である場合には、蒸留塔の塔頂から、希釈誘導溶液温度調節手段を経由して塔頂ガス冷却再生手段に配管接続し、塔頂部から得られる二酸化炭素、アンモニア、水蒸気からなるガスを冷却して水溶液状態にする。冷却手段は問わないが、熱交換器を用いることができる。冷却する熱源としては、特に限定されないが、河川水、海水、空気などを用いることができる。他の揮発性溶質を用いている場合も同様である。

溶質が感温性物質の場合には、分離された感温性物質の濃縮液は感温性物質が親水性化する温度、具体的には白濁が消える温度まで冷却して誘導溶液に再生する。この温度は広い範囲で採用可能であるが、経済性を考慮すると下限臨界温度より５〜１０℃低い温度が適当であり、また、常温かそれより高い温度が好ましい。この冷却熱源としては、処理対象水あるいは順浸透工程において得られた希釈誘導溶液を用いることがエネルギーの効率利用の点で好ましい。

再生した誘導溶液はそのまま循環使用できる。

加圧、減圧手段
本発明では、このような装置において、前記正浸透手段に供給する前記液体を間欠的に加圧手段および／または前記正浸透手段から流出する前記希釈誘導溶液を間欠的に減圧する減圧手段を設置するところに特徴がある。

負荷する加圧あるいは減圧の程度は、０．０１〜０．５ＭＰａ程度、通常０．０５〜０．２ＭＰａ程度であり、１回の加圧あるいは減圧を負荷する時間は０．５〜１０分間程度、加圧あるいは減圧を負荷する間隔（加圧または減圧の終了から再び加圧または減圧を開始するまで）は０．５〜１０分間程度が適当である。この加圧または減圧は一方を行えばよいが、併用することもできる。加圧は液体を加圧するブースターポンプ、減圧には真空ポンプなどを用い、加圧あるいは減圧を間欠的に行う方法は、弁の開閉などで行うことができる。

本発明の一実施例である装置の構成を図１に示す。

この装置は、正浸透膜２が装着された膜モジュール１と、塩溶液貯留槽４と、塩分離装置３からなっている。

膜モジュール１の原水１１の入口側には原水供給ポンプ２１と原水を加圧する加圧装置２３が設けられている。この加圧装置２３にはブースターポンプが用いられている。膜モジュール１内で水が正浸透膜２を通って誘導溶液側に移動することによって濃縮された濃縮水１２の出口側には圧力回収装置２４が取付けられている。この圧力回収装置には、ＲＯ膜装置等に一般的に用いられている、ぺルトン水車型、シリンダーピストン型などの圧力エネルギー回収装置などが用いられる。

膜モジュール１内の正浸透膜２で仕切られた反対側の室には誘導溶液１４が流入しており、正浸透膜２の原水１１の流通側には水理的な正圧力３１が、誘導溶液１４の流通側には水理的は負圧力３２がかかっている。

膜モジュール１内で原水からの水の移動で希釈された希釈誘導溶液は負圧装置２５を通って塩溶液貯留槽４に入る。この負圧装置２５には真空ポンプが用いられている。

塩溶液貯留槽４からは希釈誘導溶液１５が塩分離装置３に送られ、そこで淡水１３が分離されて取出される。一方、淡水が分離されて濃縮された誘導溶液１６は塩溶液貯留槽４に返送され、塩溶液供給ポンプ２２により膜モジュール１の誘導溶液室へ送られる。

加圧しない場合のろ過速度を１００％としたときの、加圧パターンとろ過速度を次表に示す。

本発明により、海水等から淡水を効率よく製造できるので本発明は、海水等から淡水を製造する装置に広く利用できる。

１：膜モジュール
２：正浸透膜
３：塩分離装置
４：塩溶液貯留槽
１１：原水
１２：濃縮水
１３：処理水（淡水）
１４：誘導溶液
１５：希釈誘導溶液
１６：誘導溶液
２１：原水供給ポンプ
２２：塩溶液供給ポンプ
２３：加圧装置
２４：圧力回収装置
２５：負圧装置
３１：水理的な正圧力
３２：水理的な負圧力

Claims

溶媒が水である液体と、前記液体よりも浸透圧の高い誘導溶液とを半透膜を介して接触させ、前記液体中の水を前記半透膜を通して前記誘導溶液に移動させる正浸透手段と、前記正浸透手段で得られる、水で希釈された希釈誘導溶液から淡水を分離する淡水分離手段と、前記淡水分離手段により淡水を分離された前記希釈誘導溶液から前記誘導溶液を再生する誘導溶液再生手段を有する水処理装置において、
前記正浸透手段に供給する前記液体を間欠的に加圧する加圧手段および／または前記正浸透手段から流出する前記希釈誘導溶液を間欠的に減圧する減圧手段を設置するとともに、
前記誘導溶液は、下限臨界温度を有する感温性物質を水に溶解して調製した誘導溶液であり、
前記淡水分離手段は、前記希釈誘導溶液を加温して、前記感温性物質の少なくとも一部を疎水性化して析出させる加温槽を含むことを特徴とする水処理装置。