JP6965680B2

JP6965680B2 - 海水淡水化方法および海水淡水化システム

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Publication number: JP6965680B2
Application number: JP2017199575A
Authority: JP
Inventors: 崇人中尾; 秀彦櫻井
Original assignee: Toyobo Co Ltd
Current assignee: Toyobo Co Ltd
Priority date: 2017-10-13
Filing date: 2017-10-13
Publication date: 2021-11-10
Anticipated expiration: 2037-10-13
Also published as: JP2019072660A

Description

本発明は、海水淡水化方法および海水淡水化システムに関する。

海水から淡水を生産する造水システム（海水淡水化装置）は、昇圧ポンプによって所定の圧力に昇圧された海水を逆浸透（ＲＯ：Reverse Osmosis）膜モジュールに供給し、ＲＯ膜を通過させることで、海水中の塩分等を除去して淡水を取り出すシステムである。残りの塩水は、濃縮塩水（ブライン）としてＲＯ膜モジュールから排出される。

ＲＯ膜で処理された水は、飲料水にも使用されるが、安全意識の高まりとともに、水質基準の遵守が求められている。ＷＨＯの水質基準値を達成するために、ＲＯ膜処理（高圧ＲＯ膜処理）した透過水を再度ＲＯ膜で処理（低圧ＲＯ膜処理）してホウ素等を除去する２段ＲＯ膜処理システムが知られている（特許文献１：特開２００４−９７９１１号公報）。

一方、特許文献２（米国特許出願公開第２０１３／０１６０４３５号明細書）には、ＲＯ処理において生じた濃縮塩水の浸透圧エネルギーを利用した浸透圧発電システムが開示されている。この浸透圧発電システムでは、正浸透（ＦＯ：Forward Osmosis）膜モジュール（発電用半透膜透過器）の半透膜の一方側に、淡水を取り出した後の濃縮塩水（ＤＳ：ドロー溶液）を流し、半透膜の他方側に、海水よりも浸透圧が低い低浸透圧水（ＦＳ：フィード溶液）を流すことで、正浸透現象によって濃縮塩水側の流量を増加させ、増加した流量で水流発電機を駆動させて発電を行う。このようなエネルギー回収装置によって効率的にエネルギーを回収することで、海水淡水化装置の消費エネルギーを低減させることができる。

特開２００４−９７９１１号公報米国特許出願公開第２０１３／０１６０４３５号明細書

従来の２段ＲＯ膜処理システムにおいて、１段目のＲＯ膜処理で生じる濃縮塩水（第１濃縮水）は、河川水や排水等の低浸透圧水と混合し、塩分濃度を薄めて海洋などに放流されていた。しかし、濃縮塩水と低浸透圧水との浸透圧差によって生じるエネルギーを回収し、海水淡水化装置のエネルギー消費量を抑制することが検討されている。ここで、エネルギー回収に利用される河川水等の低浸透圧水は、通常、凝集沈殿ろ過法、限外ろ過（ＵＦ）膜精密ろ過（ＭＦ）膜などの膜ろ過法などの前処理を施す必要がある。一方で、２段目のＲＯ膜処理で生じる濃縮水（第２濃縮水）は、利用されることなく排水されていた。

本発明は、２段ＲＯ膜処理システムにおいて、１段目のＲＯ膜処理で生じる濃縮塩水（第１濃縮水）を低浸透圧水で希釈した後に排水するとともに、濃縮塩水と低浸透圧水との浸透圧差を利用してエネルギーを回収する場合に、低浸透圧水の前処理量を低減し、かつ、２段目のＲＯ膜処理で生じる濃縮水（第２濃縮水）を有効利用することのできる海水淡水化方法を提供することを目的とする。

［１］第１逆浸透膜を備える第１逆浸透膜モジュールに海水を供給し、前記第１逆浸透膜を通過した第１透過水と、濃縮された前記海水である第１濃縮水とを得る、第１逆浸透工程と、
第２逆浸透膜を備える第２逆浸透膜モジュールに前記第１透過水を供給し、前記第２逆浸透膜を通過した第２透過水と、濃縮された前記第１透過水である第２濃縮水とを得る、第２逆浸透工程と、
前記第１濃縮水と、前記第２濃縮水を含む低浸透圧水との浸透圧差によって生じるエネルギーを回収する、エネルギー回収工程と、
を含む、海水淡水化方法。

［２］前記エネルギー回収工程では、前記第１濃縮水と前記低浸透圧水とを半透膜を介して接触させて、正浸透現象により前記第１濃縮水の水量を増加させ、水量が増加した前記第１濃縮水のエネルギーを回収する、［１］に記載の海水淡水化方法。

［３］前記第１逆浸透工程と前記第２逆浸透工程の間に、ｐＨ調整剤によって前記第１透過水のｐＨをアルカリに調整する、［１］または［２］に記載の海水淡水化方法。

［４］前記半透膜が中空糸膜である、［２］に記載の海水淡水化方法。

［５］前記低浸透圧水は、河川水または排水を含む、［１］〜［４］のいずれかに記載の海水淡水化方法。

［６］［１］〜［５］のいずれかに記載の海水淡水化方法に用いられる海水淡水化システムであって、
前記第１逆浸透膜を有する前記第１逆浸透膜モジュールと、
前記第２逆浸透膜を有する前記第２逆浸透膜モジュールと、
前記第１濃縮水と、前記第２濃縮水を含む前記低浸透圧水との浸透圧差によって生じるエネルギーを回収する、エネルギー回収装置と、
を備える、海水淡水化システム。

本発明によれば、２段ＲＯ膜処理システムにおいて、１段目のＲＯ膜処理で生じる濃縮塩水（第１濃縮水）を低浸透圧水で希釈した後に排水するとともに、濃縮塩水と低浸透圧水との浸透圧差を利用してエネルギーを回収する場合に、低浸透圧水の前処理量を低減し、かつ、２段目のＲＯ膜処理で生じる濃縮水（第２濃縮水）を有効利用することができる。

実施形態１に係る海水淡水化方法（海水淡水化システム）の構成を示す模式図である。実施形態２に係る海水淡水化方法（海水淡水化システム）の構成を示す模式図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を示す。

＜実施形態１＞
本実施形態の海水淡水化方法は、以下の第１逆浸透工程と、第２逆浸透工程と、エネルギー回収工程と、を含む。

［第１逆浸透工程］
本工程では、図１に示されるように、第１逆浸透膜１１ａを備える第１逆浸透膜モジュール１１に海水を供給し、前記第１逆浸透膜１１ａを通過した第１透過水と、濃縮された前記海水である第１濃縮水とを得る。

具体的には、まず、海水は、前処理されたあと、第１昇圧ポンプ３１に供給される。

次に、第１昇圧ポンプ３１により海水は所定の圧力に昇圧されて、第１ＲＯ膜モジュール１１へ供給される。ここで、所定の圧力は、海水の浸透圧（約２．５〜３ＭＰａ）より高い圧力であり、例えば、６〜８ＭＰａである。

第１ＲＯ膜モジュール１１は、第１昇圧ポンプ３１によって所定の圧力に昇圧された海水から第１ＲＯ膜１１ａを介して第１透過水を分離する。第１ＲＯ膜１１ａを通過することで、海水中の塩分の９９質量％以上、好ましくは９９．５質量％以上が除去された第１透過水（例えば、塩分含量４００ｍｇ／Ｌ未満）を得ることができる。第１透過水は、第２昇圧ポンプ３２に送られて、第２ＲＯ膜モジュール１２に供給される。

膜を通過せずに濃縮された海水（第１濃縮水）は、高い圧力を維持したまま、第１ＲＯ膜モジュール１１から排出され、その圧力は、例えば供給海水の入口圧力から膜エレメント内の送液圧力損失分（例えば０．２ＭＰａ未満）が下がった圧力である。第１濃縮水は、第１送液ポンプ３３によって、所定の圧力でＦＯ膜モジュール２の第２室２２に供給される。ここで、所定の圧力は、第１濃縮水と低浸透圧水の浸透圧差より低い圧力であり、例えば、２〜３ＭＰａである。第１送液ポンプ３３の上流に減圧装置を設置し、圧力を低下させるとともにエネルギーを回収することもできる。

［第２逆浸透工程］
本工程では、図１に示されるように、第２逆浸透膜１２ａを備える第２逆浸透膜モジュール１２に前記第１透過水を供給し、前記第２逆浸透膜１２ａを通過した第２透過水と、濃縮された前記第１透過水である第２濃縮水とを得る。

具体的には、第１ＲＯ膜モジュール１１の第１ＲＯ膜１１ａを通過した第１透過水は、第２昇圧ポンプ３２に送られて所定の圧力に昇圧され、第２ＲＯ膜モジュール１２へ供給される。ここで、所定の圧力は、第１透過水の浸透圧より高い圧力であり、例えば、０．５〜１ＭＰａである。

第２ＲＯ膜モジュール１２は、第２昇圧ポンプ３２によって所定の圧力に昇圧された第１透過水から第２ＲＯ膜１２ａを介して第２透過水を分離する。第２ＲＯ膜１２ａを通過することで、第１透過水に含まれていた塩分、不純物等がさらに除去された第２透過水を得ることができる。分離された第２透過水は、必要により次の精製工程等に送られて生産水（飲料水など）となる。

残りの濃縮された第２濃縮水は、第２ＲＯ膜モジュール１２から排出され、第２送液ポンプ３４によって、ＦＯ膜モジュール２の第１室２１に供給される。

第２ＲＯ膜モジュール１２の不純物等の除去効率を向上させるために、第１逆浸透工程と第２逆浸透工程の間に、第１透過水のｐＨ調整を行ってもよい。例えば、ｐＨ調整剤によって第１透過水のｐＨをアルカリに調整してもよい。ホウ素は中性付近で分子状態で存在するためにＲＯ膜による除去が困難であるが、ｐＨを９以上にするとホウ素は主にイオン状態（陰イオン）で存在し、一般的に負に帯電しているポリアミド等のＲＯ膜、ＮＦ膜での除去率を大幅に増加させることができるからである。これにより、生産水中のホウ素の含有量をＷＨＯの水道水質基準以下にすることができる。この場合、高ｐＨに耐えるＲＯ膜（例えば、ポリアミド膜など）を使用することが望ましい。

また、第２ＲＯ膜モジュール１２で処理する第１透過水の量は、第１透過水の水質によって適宜調節すればよい。

本発明において、ＲＯ膜（第１ＲＯ膜１１ａ，第２ＲＯ膜１２ａ）および半透膜（ＦＯ膜）２ａの形状としては、特に限定されないが、例えば、平膜、スパイラル膜または中空糸膜が挙げられる。第１ＲＯ膜１１ａは、好ましくは、中空糸膜である。第２ＲＯ膜１２ａは、好ましくは、スパイラル膜である。半透膜２ａは、好ましくは、中空糸膜である。なお、図１では、ＲＯ膜およびＦＯ膜として平膜を簡略化して描いているが、特にこのような形状に限定されるものではない。なお、中空糸膜（中空糸型半透膜）は、スパイラル型半透膜などに比べて、モジュール当たりの膜面積を大きくすることができ、逆浸透および正浸透の効率を高めることができる点で有利である。

ＲＯ膜およびＦＯ膜の材質としては、特に限定されないが、例えば、酢酸セルロース、ポリアミドまたはポリスルホンが挙げられる。ＲＯ膜（第１ＲＯ膜１１ａ，第２ＲＯ膜１２ａ）およびＦＯ膜２ａの素材は、同一であっても異なっていてもよい。酢酸セルロースは耐塩素性に優れるため、酢酸セルロースを用いた場合、各モジュールへの供給水に殺菌剤として塩素系殺菌剤を添加することができる。

また、ＲＯ膜モジュール（第１ＲＯ膜モジュール１１，第２ＲＯ膜モジュール１２）およびＦＯ膜モジュール２の形態としては、特に限定されないが、中空糸膜を用いる場合は、中空糸膜をストレート配置したモジュールや、中空糸膜を芯管に巻きつけたクロスワインド型モジュールなどが挙げられる。平膜を用いる場合は、平膜を積み重ねた積層型モジュールや、平膜を封筒状として芯管に巻きつけたスパイラル型モジュールなどが挙げられる。

［エネルギー回収工程］
本工程では、第１濃縮水と、第２濃縮水を含む低浸透圧水との浸透圧差によって生じるエネルギーを回収する。このエネルギー回収工程では、図１に示されるように、前記第１濃縮水と前記低浸透圧水とを半透膜２ａを介して接触させて、正浸透現象により前記第１濃縮水の水量を増加させ、水量が増加した前記第１濃縮水のエネルギーを回収することが好ましい。

図１において、正浸透処理に用いられる正浸透（ＦＯ）膜モジュール２は、半透膜である正浸透（ＦＯ）膜２ａと、フィード溶液（ＦＳ）が供給される第１室２１およびドロー溶液（ＤＳ）が供給される第２室２２とを備え、第１室２１と第２室２２とはＦＯ膜２ａで仕切られている。

上述のとおり、第１ＲＯ膜モジュール１１から排出された第１濃縮水は、第１送液ポンプ３３によってＦＯ膜モジュール２の第２室２２に供給される。また、ＦＯ膜モジュール２の第１室２１には、第２送液ポンプ３４によって、第２濃縮水を含む低浸透圧水が供給される。そして、第２室２２内の第１濃縮水には、正浸透現象により、ＦＯ膜２ａを介して第１室２１側から水が流入し、希釈された塩水（希釈塩水）として第２室２２の流出口から排出される。

ＦＯ膜モジュール２において増量した（圧力が高められた）希釈塩水は、エネルギー回収装置５に供給される。なお、エネルギー回収装置５でエネルギーが回収された後の希釈塩水は、排水処理が施された後、海洋へ排出される。

ＦＯ膜モジュール２から排出された希釈塩水は、塩濃度が第１濃縮水よりも低下しているため、高塩濃度水の排出による環境への影響を軽減することができる。

通常、河川水または排水は、ＦＳとして利用する場合（特に、半透膜として中空糸膜を用いた場合）、半透膜の目詰まりを防止するために前処理を行う必要がある。これに対して、本実施形態においては、ＦＯ膜モジュール２の第１室２１にＦＳとして供給される低浸透圧水は、ＲＯ膜を通過した第２濃縮水である。このため、特別な前処理を行うことなく、第２濃縮水をＦＯ膜モジュール２に供給することができる。

浸透圧差を利用したエネルギー回収方法としては、上記の正浸透膜を透過する水流により発電を行う浸透圧発電（ＰＲＯ）以外にも、濃度差エネルギーによるイオンの流れを直接電気エネルギーに変換する逆電気透析（ＲＥＤ）などを用いてもよい。

（エネルギー回収装置）
上記のエネルギー回収工程では、以下のエネルギー回収装置（ＥＲＤ）５を用いて、ＦＯ膜モジュール２において増量された（圧力が高められた）希釈塩水のエネルギーを回収する。

本実施形態においては、ＥＲＤ５によって回収されたエネルギーを、海水淡水化装置内の昇圧ポンプ（第１昇圧ポンプ３１または第２昇圧ポンプ３２）等に供給することで、海水淡水化装置全体のエネルギー消費量の増加を抑制することができる。

また、ＥＲＤ５によって回収されたエネルギーを主に電力として他の施設に供給する場合も、海水淡水化装置だけでなく電力供給施設等も含めた全体として、エネルギー消費量の増加を抑制することができる。

エネルギー回収装置（ＥＲＤ）としては、例えば、機械式のＥＲＤ、または、電気式のＥＲＤが挙げられる。

機械式のＥＲＤは、塩水のエネルギーを機械的に回収する装置である。機械式のＥＲＤは、電気式のＥＲＤよりもエネルギー変換ロスが少なく、エネルギー回収効率が高いという利点がある。したがって、ＥＲＤとして機械式のＥＲＤを採用することにより、昇圧ポンプ等の消費動力をより削減することができる。機械式のＥＲＤとしては、例えば、動力伝達式ＥＲＤまたは圧力伝達式ＥＲＤが挙げられる。

動力伝達式ＥＲＤは、希釈塩水の流量（圧力）エネルギー等を動力として回収する装置である。動力伝達式ＥＲＤとしては、例えば、ターボチャージャー、または、昇圧ポンプの駆動軸と同軸上に結合された水車が挙げられる。

なお、一般に、ターボチャージャーは、昇圧ポンプの駆動軸と同軸上に結合された水車などに比べて、処理可能な流量範囲が広いため、大量処理に適しているという利点がある。

また、ＥＲＤとして、昇圧ポンプ等の駆動軸（モータ軸）と同軸上に結合された水車を用いる場合、水車としては、緩衝水車、反動水車などを用いることができる。緩衝水車としては、例えば、ペルトン水車、ターゴインパルス水車、クロスフロー水車などが挙げられる。これらの中でも、回収効率やメンテナンスの容易性の観点から、ペルトン水車を用いることが好ましい。

なお、昇圧ポンプ等と水車（ＥＲＤ５）との間にクラッチを設けてもよい。これにより、造水システムを始動してから定常状態に至る初期状態において、クラッチを切ることで、初期状態においても水車が昇圧ポンプ等の負荷とならないようにすることができる。

圧力伝達式ＥＲＤ（Pressure Exchanger）は、希釈塩水の圧力を昇圧ポンプで昇圧される流体の圧力に変換する装置である。圧力伝達式ＥＲＤは、一般に動力伝達式ＥＲＤよりも変換ロスが小さくエネルギー回収効率に優れている。

電気式のＥＲＤは、電気としてエネルギーを回収する装置である。電気式のＥＲＤとしては、タービン等を用いた水流発電機などが挙げられる。電気式のＥＲＤは、発電した電気を昇圧ポンプ等へ配線を介して供給すればよく、電気を他の施設へ供給することもできるため、設計の自由度が高いという利点がある。

上述のＦＯ膜モジュール２およびエネルギー回収装置５により、第１ＲＯ膜モジュール１１から排出された第１濃縮水の流量（圧力）エネルギー（浸透圧エネルギーともいえる）を回収することができる。回収したエネルギーを用いて、昇圧ポンプ等の消費エネルギーを低減し、海水淡水化装置の消費エネルギーを低減することができる。

＜実施形態２＞
本実施形態の海水淡水化方法は、ＦＯ膜モジュール２に供給するＦＳとして、第２ＲＯモジュール１２から排出された第２濃縮水に加えて、河川水または排水を含む低浸透圧水を利用する点で、実施形態１とは異なる。それ以外の点は、基本的に実施形態１と同じであるため、重複する詳細な説明は省略する。

低浸透圧水は、河川水（湖沼水を含む）または排水（例えば、工業排水、生活排水（下水処理水）など）以外にも、例えば、海水よりも濃度の低い低濃度塩水（例えば、かん水、汽水）、不純物を含む淡水（例えば、下水処理水）などを含んでもよい。

図２を参照して、本発明の実施形態２に係る海水淡水化方法においては、第１昇圧ポンプ３１によって海水の浸透圧より高い所定の圧力に昇圧された海水を第１ＲＯ膜モジュール１１に供給し、第１ＲＯ膜１１ａを通過させることで、海水から塩分等のほとんどが除去された第１透過水、および、海水が濃縮された第１濃縮水が取り出される。続いて、第２昇圧ポンプ３２によって第１透過水の浸透圧より高い所定の圧力に昇圧された第１透過水を第２ＲＯ膜モジュール１２に供給し、第２ＲＯ膜１２ａを通過させることで、第１透過水に含まれる塩分、不純物等がさらに除去された第２透過水（生産水）、および、第１透過水が濃縮された第２濃縮水が取り出される。

第１ＲＯ膜モジュール１１から排出された第１濃縮水は、第１送液ポンプ３３によって正浸透（ＦＯ）膜モジュール２の第２室２２に供給される。ＦＯ膜モジュール２の第１室２１には、第２送液ポンプ３４によって、第２濃縮水と、河川水または排水とを含む低浸透圧水が供給される。第２室２２内の第１濃縮水には、正浸透現象により、ＦＯ膜２ａを介して第１室２１側から水が流入し、希釈された塩水（希釈塩水）として第２室２２の流出口から排出される。

ＦＯ膜処理において、ＦＳとして河川水または排水を含む低浸透圧水を使用することで、ＦＯ膜モジュールの第１室２１に安定してＦＳを供給することができるため、第１濃縮水は十分に希釈され、エネルギー回収の効率を高めることができる。また、ＦＳとして第２濃縮水と、河川水または排水とを含む低浸透圧水を使用した場合でも、従来のように河川水、排水などのみからなる低浸透圧水を用いる場合よりも、前処理を行う量を少なくすることができる。

今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１１第１逆浸透膜モジュール（第１ＲＯ膜モジュール）、１１ａ第１逆浸透膜（第１ＲＯ膜）、１２第２逆浸透膜モジュール（第２ＲＯ膜モジュール）、１２ａ第２逆浸透膜（第２ＲＯ膜）、２正浸透膜モジュール（ＦＯ膜モジュール）、２ａ半透膜、２１第１室、２２第２室、３１第１昇圧ポンプ、３２第２昇圧ポンプ、３３第１送液ポンプ、３４第２送液ポンプ、５エネルギー回収装置（ＥＲＤ）。

Claims

第１逆浸透膜を備える第１逆浸透膜モジュールに海水を供給し、前記第１逆浸透膜を通過した第１透過水と、濃縮された前記海水である第１濃縮水とを得る、第１逆浸透工程と、
第２逆浸透膜を備える第２逆浸透膜モジュールに前記第１透過水を供給し、前記第２逆浸透膜を通過した第２透過水と、濃縮された前記第１透過水である第２濃縮水とを得る、第２逆浸透工程と、
前記第１濃縮水と、前記第２濃縮水を含む低浸透圧水との浸透圧差によって生じるエネルギーを回収する、エネルギー回収工程と、
を含み、
前記第２逆浸透膜はポリアミド膜である、海水淡水化方法。
前記エネルギー回収工程では、前記第１濃縮水と前記低浸透圧水とを半透膜を介して接触させて、正浸透現象により前記第１濃縮水の水量を増加させ、水量が増加した前記第１濃縮水のエネルギーを回収する、請求項１に記載の海水淡水化方法。
前記第１逆浸透工程と前記第２逆浸透工程の間に、ｐＨ調整剤によって前記第１透過水のｐＨをアルカリに調整する、請求項１または２に記載の海水淡水化方法。
前記半透膜が中空糸膜である、請求項２に記載の海水淡水化方法。
前記低浸透圧水は、河川水または排水を含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載の海水淡水化方法。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の海水淡水化方法に用いられる海水淡水化システムであって、
前記第１逆浸透膜を有する前記第１逆浸透膜モジュールと、
前記第２逆浸透膜を有する前記第２逆浸透膜モジュールと、
前記第１濃縮水と、前記第２濃縮水を含む前記低浸透圧水との浸透圧差によって生じるエネルギーを回収する、エネルギー回収装置と、
を備える、海水淡水化システム。