JP2018001111A

JP2018001111A - 塩水の淡水化処理方法、および、塩水の淡水化処理システム

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Publication number: JP2018001111A
Application number: JP2016133280A
Authority: JP
Inventors: 昌平合田; Shohei Aida; 櫻井　秀彦; Hidehiko Sakurai; 秀彦櫻井
Original assignee: Toyobo Co Ltd
Current assignee: Toyobo Co Ltd
Priority date: 2016-07-05
Filing date: 2016-07-05
Publication date: 2018-01-11

Abstract

【課題】逆浸透法を用いた淡水化処理に必要な圧力を低下させることのできる、塩水の淡水化処理方法、および、塩水の淡水化処理システムを提供する。【解決手段】塩水から淡水を得る淡水化処理方法であって、半透膜と、半透膜で仕切られた第１室および第２室と、を備える半透膜モジュールの第１室に塩水の一部を流し、第２室に塩水の他の一部を流して、第１室を加圧することで、第１室内の塩水に含まれる水を半透膜を介して第２室内の塩水に移行させ、第２室から希釈された塩水である希釈塩水を排出する、膜分離工程と、希釈塩水から逆浸透法を用いて淡水を得る淡水化処理工程と、を含む、淡水化処理方法。【選択図】図１

Description

本発明は、塩水の淡水化処理方法、および、塩水の淡水化処理システムに関する。

海水等の塩水の淡水化処理の技術として、逆浸透（ＲＯ：Reverse Osmosis）法が知られている。ＲＯ法は、高圧ポンプによって浸透圧より高い所定の圧力に昇圧された塩水を逆浸透（ＲＯ）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方法である。

ＲＯ法は、従来から知られている蒸発法よりも、エネルギーの消費量が少ないため、近年検討が進められている。

なお、石油含有地層から石油を回収するための随伴水の処理において、随伴水の塩分濃度を調整するために、逆浸透膜の両側に塩水を流し、両側の流速および圧力を調整して、逆浸透膜を介して一方の塩水中の水を他方の塩水中に移動させる技術が知られている。

米国特許出願公開第２０１５／０２６００２８号明細書

ＲＯ法による淡水化処理では、高圧ポンプと耐圧性能の高い処理設備が必要であり、また、逆浸透膜への圧力負荷が大きいため、逆浸透膜の寿命が短くなるという問題がある。

本発明は、上記の課題に鑑み、逆浸透法を用いた淡水化処理に必要な圧力を低下させることのできる、塩水の淡水化処理方法、および、塩水の淡水化処理システムを提供することを目的とする。

［１］
塩水から淡水を得る淡水化処理方法であって、
半透膜と、前記半透膜で仕切られた第１室および第２室と、を備える半透膜モジュールの前記第１室に前記塩水の一部を流し、前記第２室に前記塩水の他の一部を流して、前記第１室を加圧することで、前記第１室内の前記塩水に含まれる水を前記半透膜を介して前記第２室内の前記塩水に移行させ、前記第２室から希釈された前記塩水である希釈塩水を排出する、膜分離工程と、
前記希釈塩水から逆浸透法を用いて前記淡水を得る淡水化処理工程と、を含む、淡水化処理方法。

［２］
塩水から淡水を得る淡水化処理システムであって、
半透膜と、前記半透膜で仕切られた第１室および第２室と、を有する半透膜モジュールを備え、前記第１室に前記塩水の一部を流し、前記第２室に前記塩水の他の一部を流して、前記第１室を加圧することで、前記第１室内の前記塩水に含まれる水を前記半透膜を介して前記第２室内の前記塩水に移行させ、前記第２室から希釈された前記塩水である希釈塩水を排出する、膜分離装置と、
逆浸透膜モジュールを備え、前記希釈塩水から前記逆浸透膜モジュールを用いて前記淡水を得る、淡水化処理装置と、を含む、淡水化処理システム。

本発明によれば、逆浸透法を用いた淡水化処理に必要な圧力を低下させることのできる、塩水の淡水化処理方法、および、塩水の淡水化処理システムを提供することができる。

本発明の塩水の淡水化処理方法の一実施形態を示す模式図である。

＜淡水化処理方法＞
本実施形態の淡水化処理方法は、逆浸透（ＲＯ）法を用いて塩水から淡水を得る淡水化処理方法である。

本実施形態の塩水の淡水化処理方法は、塩水から希釈塩水を得る膜分離工程と、希釈塩水から逆浸透法を用いて前記淡水を得る淡水化処理工程と、を含むことを特徴としている。以下、本実施形態の淡水化処理方法の詳細について、図１を参照して説明する。

（膜分離工程）
図１に示されるように、まず、膜分離工程によって、塩水から希釈塩水を得る。

本明細書において、塩水とは、少なくとも塩分と水を含む液であり、例えば、海水、かん水などである。塩水の蒸発残留物濃度（ＴＤＳ）は、特に限定されないが、好ましくは３〜１３質量％程度である。

なお、塩水に対して、塩水中に含まれる微粒子、微生物等を除去するための前処理を行ってもよい。前処理としては、海水淡水化技術に用いられる種々公知の前処理を実施することができ、例えば、ＮＦ膜、ＵＦ膜、ＭＦ膜等を用いたろ過、次亜塩素酸ナトリウムの添加、凝集剤添加などが挙げられる。このような前処理は、膜分離工程の前に実施されることが好ましい。

膜分離工程は、半透膜モジュール１を用いて実施される。半透膜モジュール１は、半透膜１０と、半透膜１０で仕切られた第１室１１および第２室１２と、を備える。

膜分離工程では、半透膜モジュール１の第１室１１に塩水の一部を流し、第２室１２に塩水の他の一部を流して、第１室１１を加圧する。これにより、第１室１１内の塩水に含まれる水を半透膜１０を介して第２室１２内の塩水に移行させ、第２室１２から希釈された塩水である希釈塩水が排出される。

これに伴い、第１室１１内の塩水が濃縮され、濃縮塩水である第１ブラインが第１室１１から排出される。

ここで、半透膜モジュール１の流入口において、半透膜の一方側と他方側に流入するブラインは、共に海水等の塩水であるため、基本的に浸透圧は等しい。このため、ＲＯ法のように、塩水と淡水との間の高い浸透圧差に逆らって逆浸透を起こさせるための高い圧力が必要なく、比較的低圧の加圧によって、希釈塩水を得ることができる（一部の塩水を希釈し、他の一部の塩水を濃縮することができる）。

ただし、半透膜の一方側に流される塩水と他方側に流される塩水で海水等の原液の塩分濃度が異なるような場合など、半透膜の一方側と他方側に流される塩水の浸透圧が異なる可能性がある。このような場合でも、その浸透圧差（絶対値）が第１室を加圧する圧力の１０％以下程度であれば、膜分離工程は実施可能である。このため、半透膜の一方側（加圧側）に流入する塩水の浸透圧と半透膜の他方側に流入する塩水の浸透圧との差は、第１室を加圧する圧力の１０％以下であることが好ましい。

なお、膜分離工程は、図１に示されるように１つの半透膜モジュールを用いた１段の工程であってもよいが、複数の半透膜モジュール１を用いた多段の工程であってもよい。膜分離工程において、半透膜の両側の希釈塩水と第１ブラインとの浸透圧差を、半透膜モジュールの第１室への加圧の圧力以上にすることはできないため、１段の工程（１つの半透膜モジュール）による塩水の希釈率には限界がある。このため、淡水化処理工程に供される希釈塩水をより低濃度にして、淡水化処理工程に必要な圧力をさらに低下させること等を目的として、膜分離工程を２段以上の工程としてもよい。

（淡水化処理工程）
次に、希釈塩水から淡水を得る淡水化処理工程が実施される。淡水化処理工程は、逆浸透（ＲＯ）法を用いて実施される。淡水化処理工程３では、希釈塩水から淡水が製造されると共に、第２ブライン（希釈塩水が濃縮された液）が生じる。

具体的には、高圧ポンプ（図示せず）により昇圧された希釈塩水を逆浸透（ＲＯ）膜モジュール２の第１室２１に供給する。これにより、圧力によって第１室２１内の希釈塩水中に含まれる水がＲＯ膜２０を介して第２室２２へ移行し、第２室２２から淡水が排出される。

これに伴い、第１室２１内の希釈塩水は濃縮され、希釈塩水より高濃度の塩水（第２ブライン）が第１室１１から排出される。

このような淡水化処理工程において、希釈塩水（膜分離工程によって希釈された塩水）と淡水との浸透圧差は、元の塩水（海水等）と淡水との浸透圧差より小さくなっている。このため、本実施形態においては、ＲＯ法のみで塩水から同量の淡水を得る場合に比べて、低い圧力の加圧で淡水を得ることができる。

これにより、高圧ポンプを必要とせず、通常（中圧〜低圧）のポンプを用いることができる。また、処理設備の耐圧性を高める必要もなく、設備投資のコストを削減することができる。また、高圧ポンプを使用せずに同率の回収率を実現することができ、電力消費量を下げることが可能である。

なお、ＲＯ法を用いた淡水化処理工程では、ＲＯ膜モジュール内において、塩水の流入口から流出口にかけて、ＲＯ膜の両側の浸透圧差が大きくなり、浸透圧差が塩水への加圧の圧力と等しくなると、それ以上逆浸透が進まなくなる。このため、ＲＯ法においては、ＲＯ膜モジュールの耐圧性やポンプの性能によって決まる塩水への加圧の圧力上限に応じて、塩水の濃縮率には上限がある。ＲＯ法における加圧の圧力は、例えば、１〜６ＭＰａ程度である。

ただし、塩水あたりの淡水の生産効率を高める観点からは、第２ブラインができる限り高濃度まで濃縮されることが望ましい。第２ブラインの塩分濃度は、特に限定されないが、例えば、３〜１０質量％程度である。

また、半透膜モジュール１から排出される第１ブライン、および、ＲＯ膜モジュール２から排出される第２ブラインは、いずれもＲＯ法のみで塩水から同量の淡水を生産する際に生じるブライン（濃縮塩水）より低濃度である。

半透膜モジュール１を用いた膜分離工程によって生じる第１ブラインの塩分含有率、および、ＲＯ法（ＲＯ膜モジュール２）を用いた淡水化処理工程によって生じる第２ブラインの塩分含有率は、通常、飽和濃度以下である。ブラインの塩分含有率が飽和濃度以上になると塩分（結晶化塩）が析出するため、半透膜（ＲＯ膜）の目詰まり等によって半透膜モジュール１、ＲＯ膜モジュール２等を継続的に使用することができなくなるからである。

＜淡水化処理システム＞
本実施形態の淡水化処理システムは、塩水から淡水を得るためのシステムである。本実施形態の淡水化処理システムは、上記の膜分離工程を実施するために膜分離装置と、上記の淡水化処理工程を実施するための淡水化処理装置と、を含む。

膜分離装置は、半透膜モジュール１を備える。半透膜モジュール１は、半透膜１０と、半透膜１０で仕切られた第１室１１および第２室１２と、を有する。

そして、膜分離装置は、半透膜モジュール１の第１室１１に塩水の一部を流し、第２室１２に塩水の他の一部を流して、第１室１１を加圧することで、第１室１１内の塩水に含まれる水を半透膜１０を介して第２室１２内の塩水に移行させ、第２室１２から希釈された塩水である希釈塩水を排出する装置である。

半透膜としては、例えば、逆浸透膜（ＲＯ膜：ＲｅｖｅｒｓｅＯｓｍｏｓｉｓＭｅｍｂｒａｎｅ）、正浸透膜（ＦＯ膜：ＦｏｒｗａｒｄＯｓｍｏｓｉｓＭｅｍｂｒａｎｅ）、ナノろ過膜（ＮＦ膜：ＮａｎｏｆｉｌｔｒａｔｉｏｎＭｅｍｂｒａｎｅ）、限外ろ過膜（ＵＦ膜：ＵｌｔｒａｆｉｌｔｒａｔｉｏｎＭｅｍｂｒａｎｅ）と呼ばれる半透膜が挙げられる。半透膜は、好ましくは逆浸透膜または正浸透膜、ナノろ過膜である。なお、半透膜として逆浸透膜または正浸透膜、ナノろ過膜を用いる場合、第１室の加圧の圧力は好ましくは０．５〜６．５ＭＰａである。

通常、ＲＯ膜およびＦＯ膜の孔径は約２ｎｍ以下であり、ＵＦ膜の孔径は約２〜１００ｎｍである。ＮＦ膜は、ＲＯ膜のうちイオンや塩類の阻止率が比較的低いものであり、通常、ＮＦ膜の孔径は約１〜２ｎｍである。半透膜としてＲＯ膜またはＦＯ膜、ＮＦ膜を用いる場合、ＲＯ膜またはＦＯ膜、ＮＦ膜の塩除去率は好ましくは９０％以上である。

半透膜を構成する材料としては、特に限定されないが、例えば、セルロース系樹脂、ポリスルホン系樹脂、ポリアミド系樹脂などが挙げられる。半透膜は、セルロース系樹脂およびポリスルホン系樹脂の少なくともいずれかを含む材料から構成されることが好ましい。

セルロース系樹脂は、好ましくは酢酸セルロース系樹脂である。酢酸セルロース系樹脂は、殺菌剤である塩素に対する耐性があり、微生物の増殖を抑制できる特徴を有している。酢酸セルロース系樹脂は、好ましくは酢酸セルロースであり、耐久性の点から、より好ましくは三酢酸セルロースである。

ポリスルホン系樹脂は、好ましくはポリエーテルスルホン系樹脂である。ポリエーテルスルホン系樹脂は、好ましくはスルホン化ポリエーテルスルホンである。

半透膜の形状としては、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。なお、図１では、半透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、浸透効率を高めることができる点で有利である。

具体的な中空糸型半透膜の一例としては、全体がセルロース系樹脂から構成されている単層構造の膜が挙げられる。ただし、ここでいう単層構造とは、層全体が均一な膜である必要はなく、例えば、特許文献１に開示されるように、外周表面近傍に緻密層を有し、この緻密層が実質的に中空糸型半透膜の孔径を規定する分離活性層となっていることが好ましい。

具体的な中空糸型半透膜の別の例としては、支持層（例えば、ポリフェニレンオキサイドからなる層）の外周表面にポリフェニレン系樹脂（例えば、スルホン化ポリエーテルスルホン）からなる緻密層を有する２層構造の膜が挙げられる。また、他の例として、支持層（例えば、ポリスルホンまたはポリエーテルスルホンからなる層）の外周表面にポリアミド系樹脂からなる緻密層を有する２層構造の膜が挙げられる。

なお、通常は、上記中空糸型半透膜の緻密層側に流される塩水が加圧される。緻密層側、すなわち中空糸型半透膜の内側（中空部）を流れる流体を加圧しても、圧力損失が大きくなり加圧が十分に働かないためである。

（淡水化処理装置）
淡水化処理装置は、逆浸透（ＲＯ）膜モジュール２を備える。淡水化処理装置は、上記希釈塩水からＲＯ膜モジュール２を用いて（ＲＯ法によって）淡水を得ることができる装置であれば特に限定されず。種々公知の装置を用いることができる。

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。

１半透膜モジュール、１０半透膜、１１第１室、１２第２室、２逆浸透膜モジュール、２０逆浸透膜、２１第１室、２２第２室。

Claims

塩水から淡水を得る淡水化処理方法であって、
半透膜と、前記半透膜で仕切られた第１室および第２室と、を備える半透膜モジュールの前記第１室に前記塩水の一部を流し、前記第２室に前記塩水の他の一部を流して、前記第１室を加圧することで、前記第１室内の前記塩水に含まれる水を前記半透膜を介して前記第２室内の前記塩水に移行させ、前記第２室から希釈された前記塩水である希釈塩水を排出する、膜分離工程と、
前記希釈塩水から逆浸透法を用いて前記淡水を得る淡水化処理工程と、を含む、淡水化処理方法。
塩水から淡水を得る淡水化処理システムであって、
半透膜と、前記半透膜で仕切られた第１室および第２室と、を有する半透膜モジュールを備え、前記第１室に前記塩水の一部を流し、前記第２室に前記塩水の他の一部を流して、前記第１室を加圧することで、前記第１室内の前記塩水に含まれる水を前記半透膜を介して前記第２室内の前記塩水に移行させ、前記第２室から希釈された前記塩水である希釈塩水を排出する、膜分離装置と、
逆浸透膜モジュールを備え、前記希釈塩水から前記逆浸透膜モジュールを用いて前記淡水を得る、淡水化処理装置と、を含む、淡水化処理システム。