CN102674605A

CN102674605A - 淡水制造***

Info

Publication number: CN102674605A
Application number: CN2011104102388A
Authority: CN
Inventors: 横井浩人; 阴山晃治; 三宫丰; 田所秀之; 馆隆广
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2011-03-07
Filing date: 2011-12-12
Publication date: 2012-09-19
Also published as: WO2012120912A1; JP5575015B2; JP2012183492A

Abstract

本发明提供淡水制造***，其是使用渗透膜从包含海水等的盐的原水得到淡水的***，该***以更小的消耗能量制造淡水。该淡水制造***具备：正渗透膜处理装置，其经由正渗透膜从原水中除去盐分，得到向具有比原水的渗透压高的渗透压的溶液透过的透过水；分离装置，其从包含用所述正渗透膜处理装置所得到的透过水、溶质成分为Na₂HPO₄或碳酸乙烯酯中的任意一种的高渗透压溶液分离高渗透压溶液的溶质成分；逆渗透膜处理装置，其将用所述分离装置分离溶质成分后的溶液作为原水，由逆渗透膜进行脱盐处理，得到淡水；水泵，其向逆渗透膜处理装置供给原水；以及配管，其将用分离装置分离回收的溶质成分与供给正渗透膜处理装置的高渗透压溶液混合。

Description

淡水制造***

技术领域

本发明涉及使用正渗透膜从海水或下水道放流水得到淡水的淡水制造***。

背景技术

近年来，使用逆渗透膜进行过滤处理的海水淡水化装置有增加的倾向。逆渗透膜用纤维素或聚酰胺等原料制作，向该逆渗透膜施加海水渗透压(约2.5MPa)的两倍以上的压力，使水透过膜，使盐分不透过膜，这样能够得到淡水。用于向逆渗透膜施加海水渗透压的两倍以上的压力的高压水泵的动力占由逆渗透膜使海水淡水化的成本的大部分。

例如，在专利文献1中公开有使用逆渗透膜从海水得到淡水的方法。

其构成具备：使原水成为规定的高压力的高压水泵；具有浓缩形成为高压的高压供给水中的盐分的高压逆渗透膜的高压逆渗透装置；介装于将透过水供给向下游侧的透过水管线上，将起动初期的透过水暂时地从排水管线排出的第一排水阀；介装于第一排水阀的下流侧的透过水管线上，使透过水成为规定的低压力的低压水泵；具有浓缩由低压水泵形成低压的低压供给水中的盐分的低压逆渗透膜的低压逆渗透装置；以及介装于低压逆渗透装置的浓缩水侧的排出管线上，将供给低压逆渗透装置的起动初期的低压供给水暂时地排出的第二排水阀。通过实施高压和低压的逆渗透，能够制造高质量的水。

但是，为了得到高质量的水，实施高压逆渗透，因此，存在需要大动力这样的问题。

作为与此不同的另一方法，有经由用纤维素等原料制作的渗透膜将海水中的水暂时回收至高浓度(高渗透压)的溶液中，然后，从高渗透压的溶液除去盐的方法。在该方法中，向渗透压高的溶液侧即正方向使水流动，因此，称为正渗透膜法。不仅利用向正方向的驱动力，而且作为向高渗透压溶液添加的盐，通过选择容易从溶液分离的盐，可降低淡水制造相关的能量。

在非专利文献1中，示出了使用正渗透膜从海水回收水的方法。作为回收水的高渗透压溶液，使用溶解了NH₃和CO₂的NH₄HCO₃溶液。将高渗透压溶液的浓度设定为1.1～6mol/L的范围进行实验，测定将渗透压作为驱动力的通量或透过的盐(NaCl)浓度。通过该方法，能够分离模拟海水的NaCl溶液中的95％以上的盐。另外，提出了在最终的淡水回收处理中，从高渗透压溶液分离NH₃和CO₂的工艺。

在该方法中，存在产生NH₃由来的高pH的氨水腐蚀金属构造物或劣化渗透膜这样的问题。另外，也存在由正渗透膜除去的盐的除去率不是100％，因此，若循环高渗透压溶液长时间使用，则在NH₃和CO₂的分离工序中没有除去的盐被浓缩，得到的淡水的纯度降低，或形成海水中的阳离子和碳酸盐并在装置内析出这样的问题。

在专利文献2中，记载有淡水制造装置，其具备：使被处理水接触第一半透膜的一面，同时使溶解度依赖于温度的中介溶液以相对高温的状态接触第一半透膜的另一面，经由第一半透膜使中介溶液吸收被处理水的水分的水分吸收工序；使水分吸收工序后的中介溶液为相对低温，使所述中介溶液的溶质(中介溶质)析出的析出工序；以及以中介溶液的水分可经由第二半透膜放出的液压使析出工序后的中介溶液接触第二半透膜的水分放出工序。而且，记载有优选还具备：将在析出工序所析出的中介溶质的析出体从供给水分放出工序的中介溶液分离的分离工序，以及将分离的析出体与水分放出工序后的中介溶液进行混合而供给溶解工序的混合工序。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2010-125395号公报

专利文献2：日本特开2010-162527号公报

非专利文献

非专利文献1：J.R.McCutcheon，R.L.McGinnis，and M.Elimelech，J.Membrane Science，278(2006)，pp114-123.

发明内容

发明要解决的课题

在专利文献2所述的现有的技术中，记载有作为中介溶质，即高渗透压溶液使用明矾水溶液。该明矾水溶液例如AlK(SO₄)₂具有相对于温度上升的浓度缓慢上升的特性，由于需要使温度上升至40℃左右，因此，具有水温的调节幅度大，设备操作成本高这样的问题。另外，AlK(SO₄)₂的pH接近3，存在容易产生装置腐蚀这样的问题。

本发明的目的是提供淡水制造***，能够得到比规定的水质好的水质的淡水水质，降低运转成本。

用于解决课题的手段

为了实现上述目的，本发明提供淡水制造***，其具备：正渗透膜处理装置，其经由正渗透膜从原水中除去盐分，得到向具有比原水的渗透压高的渗透压的溶液透过的透过水；分离装置，其从包含用正渗透膜处理装置得到的透过水，溶质成分为Na₂HPO₄或碳酸乙烯酯中任意一种的高渗透压溶液分离高渗透压溶液的溶质成分；逆渗透膜处理装置，其将用分离装置分离溶质成分后的溶液作为原水，由逆渗透膜进行脱盐处理，得到淡水；水泵，其向逆渗透膜处理装置供给原水；以及配管，其将用分离装置分离回收的溶质成分与向正渗透膜处理装置供给的高渗透压溶液混合。

另外，淡水制造***中，作为从高渗透压溶液分离溶质的装置，使用结晶析出处理，使溶质成分析出，分离浆料和上清液。

还有，淡水制造***将使用分离装置所得到且向逆渗透膜处理装置供给的原水的渗透压设为比向正渗透膜处理装置供给的原水的渗透压低而进行运转。

另外，淡水制造***中，具有调节向正渗透膜处理和逆渗透膜处理供给的原水和高渗透压溶液的温度的装置，在溶质成分为Na₂HPO₄的情况下，将原水或高渗透压溶液的温度设定为25℃以下。

再有，淡水制造***中，具有分离装置或在其前段的温度调节装置，在溶质成分为Na₂HPO₄的情况下，将分离装置中的溶液的温度设定为10℃以下。

另外，淡水制造***中，具备：热交换装置，其回收从正渗透膜处理排出的高渗透压溶液的热量；另一热交换装置，其向从结晶析出处理装置排出的浆料或上清液供给热；以及在这两种热交换装置之间使成为热量的介质的流体循环的装置。

还有，淡水制造***中，具备：压力变换器，其将从正渗透膜处理装置排出的高渗透压溶液的压力传递给逆渗透膜处理的原水。

发明的效果

根据本发明，通过不使用高压水泵的正渗透膜处理能够从海水将水进行回收，在淡水制造流程中，能够减小水温的调节幅度，结果能够降低所需的能量。

附图说明

图1是本发明第一实施方式涉及的淡水制造***的方框图。

图2是本发明第一实施方式中的水处理的说明图。

图3是本发明第二实施方式涉及的淡水制造***的方框图。

图4是本发明第三实施方式涉及的淡水制造***的方框图。

符号说明

2前处理装置

3正渗透膜处理装置

4冷却装置

5结晶析出装置

6a，6b加热装置

7逆渗透膜处理装置

8切换装置

13氯化物离子传感器

14储槽

15水泵

31a、31b热交换器

41压力变换器

具体实施方式

下面，使用附图说明本发明的各实施方式。

〔第一实施方式〕

图1为本发明第一实施方式涉及的淡水制造***的方框图。本实施例的淡水制造***由取入海水的前处理装置2、连接于前处理装置2的正渗透膜处理装置3、经由冷却装置4与正渗透膜处理装置3连接的结晶析出装置5、经由加热装置6b、水泵15与结晶析出装置5连接的逆渗透膜处理装置7、与逆渗透膜处理装置7连接的切换装置8、安装于连接逆渗透膜处理装置7和切换装置8的配管上的氯化物离子传感器13、以及连接于切换装置8上的储槽14构成，结晶析出装置5经由加热装置6a与正渗透膜处理装置3连接，切换装置8与正渗透膜处理装置3连接。

前处理装置2将用未图示的水泵取来的海水1用MF膜(Microfiltlation，精密过滤膜)进行过滤处理，由此除去悬浮物，得到适合正渗透膜处理装置3的水质的海水。在前处理装置2中，测量MF膜的差压和过滤持续时间，在超过预先设定的过滤持续时间、或预先设定的差压中任意一个的时刻，执行规定时间的MF膜的逆洗。逆洗排出的污泥9在实施浓缩、脱水的处理后废弃。

在正渗透膜处理装置3中，在夹持正渗透膜的两侧分别具备箱室，向一个箱室供给用前处理装置2过滤的海水，向另一箱室供给高渗透压溶液。此时，能够由数式1算出各液的渗透压。

【数式1】

∏＝iRTC …(数式1)

在此，∏为渗透压，R为气体常数，T为绝对温度，C为溶液的摩尔浓度，i为范特霍夫因数。范特霍夫因数i为表示在溶质为电解质的情况下电离产生的影响的系数。

在正渗透膜间产生伴随两种溶液的渗透压的差及膜压的驱动力。使高渗透压溶液的渗透压比海水的渗透压大，从海水中将水回收至高渗透压溶液中。此时，不能除去海水中的离子的一部分，渗漏到高渗透溶液侧。

以高渗透压溶液的渗透压至少成为海水渗透压的两倍的方式调整溶质的浓度。该渗透压越高驱动力越大，因此，能够提高从原水回收水的回收率，能够增大膜的渗透流速。

作为溶质使用的物质期望是适于后段结晶析出处理，可得到高的渗透压的物质(即，能够提高摩尔浓度的物质)。具体溶质的种类在后面叙述。正渗透膜可应用醋酸纤维素或聚酰胺等材质。另外，正渗透膜处理装置3内部的液温为使膜的渗透阻力降低而保持在30℃左右。从正渗透膜处理装置3排出的浓缩废液10向海洋放流。

从由正渗透膜处理装置3排出的高渗透压溶液向冷却装置4分配考虑到淡水回收量和逆渗透膜处理装置7中的淡水回收率的需要量。冷却装置4设置于正渗透膜处理装置3的高渗透压溶液出口的后段。使溶液的水温降低至用于结晶析出处理的设定温度。水温取决于高渗透压溶液的溶质的溶解度，至少设定为20℃以下。

结晶析出装置5的内部构造与一般的结晶析出槽一样，由结晶成长部和固液分离部构成。超过所设定水温的溶解度的量的溶质析出成晶种。成长的结晶下沉，以规定的时间间隔取出。此浆料被送至加热装置6a。另一方面，在固液分离部分离的上清液溢流，送至与加热装置6a不同的另一加热装置6b。在加热装置6a、6b中，将各自的溶液加热至正渗透膜处理及逆渗透膜处理中的水温(50℃)。

在逆渗透处理装置7中，由水泵15从加热装置6a供给上清液，以逆渗透膜处理进行过滤，回收作为目标的淡水。另一方面，将浓缩废液从逆渗透处理装置7送至切换装置8。此时，用氯化物离子传感器13测定液体中的氯化物离子浓度。在氯化物离子浓度不足规定的浓度时，用切换装置8将浓缩废液向正渗透膜处理装置3的高渗透压溶液侧供给。另一方面，在氯化物离子浓度为规定的浓度以上时，用切换装置8切换至排水11侧，使其向工艺外排出，将新的高渗透压溶液从储槽14向正渗透膜处理装置3供给。

排水11在进行浓缩或脱水处理后废弃，或在高渗透压溶液的溶质中包含作为铝或铁等凝聚剂起作用的成分的情况下，也可以作为前处理装置2中的凝聚剂进行添加。

图2为本发明第一实施方式中的水处理的说明图。离子浓度在前处理装置2及正渗透膜处理装置3的入口与海水的浓度相等。高渗透压溶液设定为比此浓度高的浓度，经由膜使海水中的水移动至高渗透压溶液侧。然后，在用结晶析出装置5的结晶析出工序中，通过冷却高渗透压溶液，使固体析出，使离子浓度降低。此时，在使结晶析出的上清液中的离子浓度比海水的浓度低的温度条件下进行操作。由逆渗透处理装置7进一步除去离子得到淡水。

在现有的逆渗透膜处理中，虽然需要将海水的渗透压作为对象的高压水泵，但在第一实施方式中，通过使适于结晶析出的溶液存在，可减少逆渗透处理中所需的水泵压力。由此，不仅使水泵的动力减小，也使水泵的初期费用降低。

下面，对在本发明第一实施方式的处理中使用的高渗透压溶液进行说明。在高渗透压溶液中，选择满足(a)～(e)的条件的溶液。

(a)在正渗透膜处理的水温，离子浓度比海水的浓度高(用于正渗透膜处理的条件)。

(b)溶解度的温度依存性大(用于结晶析出处理的条件)。

(c)结晶析出处理后的离子浓度比海水的浓度低(用于逆渗透膜处理的条件)。

(d)金属的腐蚀性低。

(e)能够判断向高渗透压溶液混入海水成分的程度。

正渗透膜处理中的离子浓度之差影响渗透压差、即水的驱动力的大小。通过选定可以使离子浓度变高的溶质，能够减小正渗透膜处理装置3的膜面积。另外，通过选定溶解度的温度依存性大的溶质，能够减小正渗透膜处理和结晶析出处理时的温度差。结果能够降低加热装置及冷却装置的容量及操作时所需的能量。而且，逆渗透膜处理的原水的离子浓度越低越能够减小所需的水泵动力。

另外，通过选择腐蚀性低的物质，能够延长机器的寿命。另外，例如，通过选择不包含海水中的主要成分即氯化物离子及钠离子的物质，能够监测杂质浓度，能够抑制由于它们的混入导致各工序的处理效率的降低。

作为在本发明的第一实施方式中使用的高渗透压溶液的溶质，只要是满足上述条件的物质的任何一种都可以，例如，能够使用Na₂HPO₄、碳酸乙烯酯。表1表示由Na₂HPO₄的溶解度推定的各水温的摩尔浓度。海水中的NaCl的浓度约为0.513mol/L(3wt％)，至少在25℃～0℃的范围内满足上述(a)(b)(c)的条件。

【表1】

表1

Na₂HPO₄的溶解度

具体而言，在数式1中，若设定NaCl的i＝2，C＝0.5mol/L，则∏＝22.4atm(0℃)，24.5atm(25℃)。另一方面，在设定Na₂HPO₄的i＝4(最大值)的情况下，∏＝9.9atm(0℃，C＝0.11mol/L)，146.7atm(25℃，C＝1.5mol/L)，满足条件(a)(b)(c)。另外，Na₂HPO₄的pH接近7，即使考虑装置的腐蚀性及杂质也是能使用的物质。

Na₂HPO₄的溶解度如表1所示，在0～20℃时较低，在25℃以上急剧增加，在25℃与在0℃相比，变为10倍以上的浓度。即，在较低的温度(～25℃)下可得到比海水还高6倍的渗透压，因此，能够有效实施正渗透膜处理。在结晶析出操作中，仅将该溶液冷却至较高的温度(～10℃)，就能够回收大部分Na₂HPO₄的固体(水合物)。因此，若应用Na₂HPO₄，则在一连串的淡水制造流程中，能够减小水温的调节幅度，其结果能够降低所需的能量。另外，能够缩短过热或冷却所需的时间及能够使设备小型化，因此，具有可提高淡水制造的吞吐量及降低初期设备成本的优点。

上述的物质在淡水制造***的设想的温度范围(0℃～25℃)中，是作为单体以固体存在的物质。使它们溶解于水中，得到高渗透压溶液。除这样的物质之外，在上述的温度范围也能够将相变的物质用作溶质。例如，使用凝固点在该温度范围，以液体的状态与水相互溶解的物质的方法。在正渗透膜处理中，至少维持比该溶质的凝固点高的温度。而且，在结晶析出处理中设定为比凝固点低的温度，通过由液体向固体的相变实施溶质成分的析出或固体回收。通过使用这样的物质，可减小水温的调节幅度。作为这样的物质的例子有碳酸乙烯酯(1，3-二氧杂环戊-2-酮，C₃H₄O₃)。碳酸乙烯酯的凝固点为34～37℃，容易溶解于水。

淡水制造***中的主要消耗能量为来自水泵的送水能量、在结晶析出工序中用于调节水温的能量、通过逆渗透膜处理中的高压水泵进行过滤的能量。其中，就在结晶析出工序中用于水温调节的热能而言，调节的温度范围与蒸发法相比狭小，不需要蒸发潜热，因此，与蒸发法相比能够减小用于调节水温的热能。通过将在后述的实施例中记载的热交换及海水等用于冷却水，从而进一步提高效率。

另一方面，逆渗透中的高压水泵的能量设定为与原水的渗透压大致成比例。因此，通过使本实施方式的淡水制造***中的逆渗透膜处理的原水的渗透压至少比海水的渗透压低，可降低能量。即，可将在结晶析出工序所得到的高渗透压溶液的浓度设定为更低浓度。Na₂HPO₄及碳酸乙烯酯可将浓度调整为海水的1/5以下，有利于降低能量。另外，可使用供给时的压力(扬程)低的水泵，因此，也具有使初期的设备成本降低的效果。

另外，就前处理装置2而言，虽然记载了MF膜处理的情况，但只要是能够完成适于正渗透膜处理的级别的悬浮物除去性能(例如，SDI(泥砂浓度指数)≤2)的方法，也可以为凝集沉淀或砂过滤。

〔第二实施方式〕

图3为本发明第二实施方式涉及的淡水制造***的方框图。本实施方式的***为在第一实施方式的构成基础上，在结晶析出装置5和加热装置6a、6b之间设置有热交换器31a、31b的构成。

在热交换器31a中，从由正渗透膜处理装置3排出的高渗透压溶液中回收热量。回收的热量经由成为介质的流体移送至热交换器31b，与从结晶析出装置5排出的浆料及上清液进行再次热交换。成为热介质的流体在热交换器31a、31b之间循环，在连续进行结晶析出处理前的高渗透压溶液的冷却、及结晶析出处理后的浆料和上清液的加热时使用。在仅进行热交换未达到规定的水温的情况下，操作冷却装置4或加热装置6a、6b来调节水温。

作为热交换器的构造能够使用隔壁式多管圆筒热交换器，作为成为热介质的流体能够使用水。在该组合以外的热交换的方式中，有直接式、蓄热式、热管式，另外，作为流体，能够使用MEA(单乙醇胺)水溶液、油、重油、盐水(氯化钠溶液)、有机溶剂、氢氧化钠溶液。

若设为这样的构成，除了在第一实施方式中所述的效果外，还能够在***内循环使用在膜处理及结晶析出处理中调节水温所需的能量的一部分，因此，可降低制造淡水所需的能量。

本实施例为在热量的回收或再利用中使用通过流体的直接的热传动的例子。作为除此之外的有效利用热量的装置有热泵。热泵为将热能从低的温度提升至高的温度的装置，能够利用空气中或其它排热等未利用的能量。在由使用热介质的热泵引起的热移动中共同利用可逆的放热现象和吸热现象，可适用于加热或冷却中任意一个。因此，通过作为本实施方式的热量回收或加热或冷却的装置应用，可得到与热交换一样的效果。

〔第三实施方式〕

图4为本发明第三实施方式涉及的淡水制造***的方框图。本实施方式的***为在第一实施方式的构成的基础上，在连接正渗透膜处理装置3与冷却装置4的流路和连接加热装置6b与水泵15的流路之间设置压力变换器41的构成。

在压力变换器41中导入从正渗透膜处理装置3排出的高渗透压溶液。高渗透压溶液的压力传递至连接于压力变换器41的结晶析出装置5的上清水。在进一步从水泵15得到仅逆渗透膜处理所需的压力后，将加压的上清水供给逆渗透膜处理装置7。压力降低的高渗透压溶液经冷却装置4，导入至结晶析出装置5。

压力变换的方式没有特别限定，例如，可使用发动机轴直接连结型佩尔顿冲击式水轮机、涡轮增压器。

水泵15所需的性能由海水(渗透压＝p1atm)，正渗透膜处理的高渗透压溶液(渗透压＝p2atm)的渗透压及逆渗透膜处理的原水所需的渗透压(p3atm)的关系、以及压力回收器的效率(α)决定，理想的是，仅将(p2-p1)×α的压力给予逆渗透膜处理的原水，使用能赋予该压力值和p3之差部分的性能的水泵15即可。

若设为这样的构成，则除了在第一实施方式中所述的效果外，可以在***内回收使用逆渗透膜处理所需能量的一部分，因此，可降低淡水制造所需的能量。

这样，根据各实施方式，通过不使用高压水泵的正渗透膜处理能够从海水中回收水，另外，通过降低用于淡水回收的逆渗透处理时的原液浓度，能够减小高压水泵的电力消耗，因此，能够降低淡水制造的总能量。

另外，为了调节原水及高渗透压溶液的温度，设为利用***内的排热的构成，能够降低淡水制造的总能量。

还有，由于设为能将逆渗透膜处理所需能量的一部分在***内进行回收使用的构成，所以能够降低淡水制造的能量。另外，在这些处理中，应用腐蚀性低的高渗透压溶液，因此，容易维持设备机器的健全性。

Claims

1.淡水制造***，其特征在于具备：

正渗透膜处理装置，所述正渗透膜处理装置经由正渗透膜从原水中除去盐分，得到向具有比原水的渗透压高的渗透压的溶液透过的透过水；

分离装置，所述分离装置从包含用所述正渗透膜处理装置得到的透过水、溶质成分为Na₂HPO₄或碳酸乙烯酯中任意一种的高渗透压溶液分离高渗透压溶液的溶质成分；

逆渗透膜处理装置，所述逆渗透膜处理装置将用所述分离装置分离溶质成分后的溶液作为原水，由逆渗透膜进行脱盐处理，得到淡水；

水泵，所述水泵向所述逆渗透膜处理装置供给原水；以及

配管，所述配管将用所述分离装置分离回收的溶质成分与向正渗透膜处理装置供给的高渗透压溶液混合。

2.如权利要求1所述的淡水制造***，其特征在于，作为所述分离装置，使用结晶析出处理，使高渗透压溶液的溶质成分析出，分离浆料和上清液。

3.如权利要求1所述的淡水制造***，其特征在于，将由所述分离装置得到且向逆渗透膜处理装置供给的原水的渗透压设为比向正渗透膜处理装置供给的原水的渗透压低。

4.如权利要求1或2所述的淡水制造***，其特征在于，具有调节向所述正渗透膜处理或逆渗透膜处理供给的原水或高渗透压溶液的温度的装置，在溶质成分为Na₂HPO₄的情况下，将原水或高渗透压溶液的温度设定为25℃以下。

5.如权利要求1或2所述的淡水制造***，其特征在于，具有在所述分离装置或所述分离装置的前段的温度调节装置，在溶质成分为Na₂HPO₄的情况下，将所述分离装置中的溶液的温度设定为10℃以下。

6.如权利要求1或2所述的淡水制造***，其特征在于具备：

热交换装置，所述热交换装置回收从所述正渗透膜处理排出的高渗透压溶液的热量；

另一热交换装置，所述另一热交换装置向从所述结晶析出处理装置排出的浆料或上清液供给热；以及

在这两种热交换装置之间使成为热介质的流体循环的装置。

7.如权利要求1所述的淡水制造***，其特征在于具备：

压力变换器，所述压力变换器将从所述正渗透膜处理装置排出的高渗透压溶液的压力传递给所述逆渗透膜处理的原水。