JP2005279540A - 淡水化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 逆浸透膜モジュールを用いて海水等を淡水化する淡水化装置の、上記逆浸透膜モジュールに供給する海水を加圧する為の昇圧ポンプの駆動電力を低減することのできる簡易な構成の淡水化装置を提供する。
【解決手段】 海水を逆浸透膜を介して淡水と高濃度水とに分離する逆浸透膜モジュールと、この逆浸透膜モジュールに供給する海水を加圧する昇圧ポンプ（加圧手段）と、浸透膜を間にして前記逆浸透膜モジュールから出力された高濃度水と、海水または低塩度水とが供給されて上記浸透膜を介して高濃度水の濃度を薄めて出力する浸透膜モジュールと、この浸透膜モジュールから出力された中濃度水を前記加圧手段に供給してその駆動源の一部として用いる補助動力系とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば海水やかん水を逆浸透膜モジュールを用いて淡水化するに際しての運転効率を高めた淡水化装置に関する。

逆浸透膜モジュールを用いた海水淡水化装置は、逆浸透膜での逆浸透圧作用を利用したもので、基本的にはポンプを介して高圧化した海水を逆浸透膜モジュールに供給し、逆浸透膜を透過した淡水と、逆浸透膜を透過することなく次第に高濃度化されていく海水（高濃度水）とを分離して取り出すように構成される。
尚、逆浸透膜モジュールは、例えば流路材を内包した袋状の逆浸透膜をメッシュスペーサを介してセンタパイプの周囲にスパイラル状に巻回し、その一端にブラインシールを設けた構造の複数の逆浸透膜エレメントを直列に接続し、これらの逆浸透膜エレメントを円筒状の圧力容器に収納した構造を有する。そして逆浸透膜モジュールに供給される所定圧力の海水を、各逆浸透膜エレメントにおける袋状の逆浸透膜内に順に導き、逆浸透作用により前記逆浸透膜を透過した淡水を上記センタパイプを介して取り出すものとなっている（例えば特許文献１を参照）。

一方、上記逆浸透膜モジュールから得られる高濃度水が正浸透圧エネルギを有していることに着目し、この正浸透圧エネルギを利用して発電すると共に、高濃度水を希釈して排出する発電システムが提唱されている。具体的には浸透膜を間にして正浸透圧エネルギを有している高濃度水と淡水（または低濃度の海水）とを供給すれば、淡水が浸透膜を介して浸透して高濃度水を希釈してその濃度を低下させる。またこれに伴って濃度が低下した海水（中濃度水）の流量が増えるので、この水流を利用して発電機を駆動することが提唱されている（例えば特許文献２を参照）。
特許第３３７５０７０号公報 特開２００３−１７６７７５号公報

しかしながら上述した如く逆浸透膜モジュールから得られる高濃度水が有する正浸透圧エネルギを利用しても、浸透膜を介して高濃度水を希釈して増量し得る流量は高々２倍程度であり、さほど大きな発電効果を期待することはできない。むしろ逆浸透膜モジュールに供給する海水を加圧する為のポンプの駆動電力の方が、上記高濃度水を利用して得られる電力よりも遙かに大きいと言う問題がある。また発電された電力をポンプに供給する場合、発電ロスが存在するのでエネルギ回収が十分でない等の問題がある。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、逆浸透膜モジュールを用いて海水等を淡水化するに際しての運転効率を高めることのできる淡水化装置、特に逆浸透膜モジュールに供給する海水を加圧する為のポンプの駆動電力を低減することのできる簡易な構成の淡水化装置を提供することにある。

上述した目的を達成するべく本発明に係る淡水化装置は、
<ａ> 例えば海水やかん水等の原水を逆浸透膜を介して淡水と高濃度余剰水とに分離する逆浸透膜モジュールと、
<ｂ> この逆浸透膜モジュールに供給する原水を加圧する加圧手段と、
<ｃ> 浸透膜を間にして前記逆浸透膜モジュールから出力された高濃度余剰水と、原水または低塩度水とが供給されて上記浸透膜を介して前記高濃度余剰水の濃度を薄めて出力する浸透膜モジュールと、
<ｄ> この浸透膜モジュールから出力された中濃度余剰水を前記加圧手段に供給してその駆動源の一部として用いる補助動力系と
を備えたことを特徴としている。

即ち、本発明に係る淡水化装置は、逆浸透膜モジュールにおいて原水から分離されて出力される高圧の高濃度余剰水を浸透膜モジュールに導き、その正浸透圧エネルギを利用して原水または低塩度水にて希釈した後、この原水または低塩度水にて希釈した中濃度余剰水が持つエネルギを、前記逆浸透膜モジュールに供給する原水を加圧する加圧手段の駆動源の一部として利用することで、該加圧手段の駆動負担を軽減するようにしたことを特徴としている。換言すれば高濃度余剰水が有するエネルギを、前記逆浸透膜モジュールに供給する原水の圧力を高める上で必要となるエネルギの一部として回収し、これによって加圧手段を駆動する為の外部エネルギを軽減することを特徴としている。

好ましくは請求項２に記載するように前記加圧手段は、モータにより駆動されて原水を所定の圧力まで加圧するポンプと、前記補助動力系を介して前記浸透膜モジュールから供給される中濃度余剰水により駆動されるタービンと、このタービンにより駆動されて上記ポンプに供給する原水を予加圧するコンプレッサとを備えて構成される。そして前記中濃度余剰水が持つエネルギにを直接ポンプに供給して原水を予加圧することで、該ポンプでの原水に対する加圧負担を軽減し、逆浸透膜モジュールに供給する原水を所定の圧力まで高める上での駆動エネルギ（電力量）を低減することを特徴としている。

上述した構成の淡水化装置によれば、逆浸透膜モジュールから排出される高濃度余剰水が有するエネルギを利用して上記逆浸透膜モジュールに供給する為の原水（例えば海水）を予加圧し、その上でこの予加圧された原水を前記逆浸透膜モジュールに供給するに必要な圧力まで高めるだけで良いので、その作業負担を効果的に軽減することができる。具体的には加圧ポンプに供給する原水の圧力自体を或る程度高めることができるので上記加圧ポンプに要求される仕事量を軽減することができ、よって加圧ポンプの駆動電力を低減することが可能となる。

また浸透膜モジュールを用いて高濃度余剰水（高濃度水）を希釈し、その流量を増大させて前記加圧手段を駆動する上での補助エネルギとして用いるので、特に前述したタービンを介するコンプレッサの駆動エネルギとして用いるので、そのエネルギ利用効率を十分に高くすることができる。しかも高濃度余剰水（高濃度水）を希釈して中濃度余剰水（中濃度水）として用いるので、これを排水として海に放出する場合であっても海水環境に大きな悪影響を及ぼす虞がない。尚、浸透膜モジュールにおける高濃度余剰水の希釈には、生活排水・河川水等を簡単にフィルタリングした飲料に適さない淡水を用いるようにしても良い。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係る淡水化装置について、海水から淡水を生成する海水淡水化装置を例に説明する。
図１は逆浸透膜モジュール１を用いて海水（原水）から淡水を得る海水淡水化装置の基本的な概略構成図である。前述したように上記逆浸透膜モジュール１は、例えば流路材を内包した袋状の逆浸透膜をメッシュスペーサを介してセンタパイプの周囲にスパイラル状に巻回し、その一端にブラインシールを設けた構造の逆浸透膜エレメントを円筒状の圧力容器に収納した構造のものからなる。そして逆浸透膜モジュール１の一端側に供給された所定圧力の海水を上記ブラインシールを介して前記逆浸透膜エレメントにおける袋状の逆浸透膜内に導き、逆浸透作用により前記逆浸透膜を透過した淡水を上記センタパイプを介して取り出すと共に、逆浸透膜を透過することなくその濃度が徐々に高められた高濃度水（高濃度余剰水）を前記圧力容器の他端側から排出するように構成される。

尚、ここでは１段の逆浸透膜モジュール１を用いた海水淡水化装置について示すが、逆浸透膜モジュール１を多段に直列接続してより純度の高い淡水を得るように構成することも可能である。また各段の逆浸透膜モジュール１を複数本ずつ並列に設け、その処理水量を大きくした海水淡水化装置とすることも勿論可能である。更には逆浸透膜モジュール１は、前記逆浸透膜エレメントを複数個直列に接続して円筒状の圧力容器に収納した構造のものであっても良い。

さて上述した逆浸透膜モジュール１に供給される海水（原水）は、後述する第１の昇圧ポンプ２および第２の昇圧ポンプ３を介して所定の圧力（例えば１０ＭＰa程度）まで高められた後、逆浸透膜モジュール１に送り込まれるようになっている。そして逆浸透膜モジュール１の逆浸透膜を透過して前述したセンタパイプを介して取り出される淡水は、該海水淡水化装置により淡水化された生成水として出力されるようになっている。

これに対して前記逆浸透膜モジュール１の逆浸透膜を透過することなく、次第にその濃度が高められて前記圧力容器から取り出される高濃度水（高濃度余剰水）は、浸透膜モジュール４に供給されるようになっている。この浸透膜モジュール４は、逆浸透膜に代えて正浸透膜を用いて、例えば前述した逆浸透膜モジュール１と同様に構成したもので、圧力容器の一端側から上記高濃度水（高濃度余剰水）を供給して正浸透膜の一面側に導くと共に、前述したセンタパイプを介して上記正浸透膜の反対面側に海水または低塩度水を供給するようにしたものである。尚、この浸透膜モジュール４への上記海水または低塩度水の供給は第３の昇圧ポンプ５を介して行われる。

するとこの浸透膜モジュール４においては、高濃度水（高濃度余剰水）が有する正浸透圧エネルギにより前記海水または低塩度水が正浸透膜を介して吸引されて高濃度水中に流れ込む。この結果、高濃度水が希釈されてその濃度が低下して中濃度水（中濃度余剰水）となると共に、前記海水または低塩度水により希釈された分、その流量が増大する。そしてこの流量が増大した中濃度水（中濃度余剰水）は、浸透膜モジュール４の前述した圧力容器の他端側から排出される。

ここでこの海水淡水化装置が特徴とするところは、前記逆浸透膜モジュール１から吐出された高濃度水を、上述した浸透膜モジュール４において海水または低塩度水により希釈した中濃度水を、前述した第１の昇圧ポンプ２に供給して該昇圧ポンプ２を駆動する水路系６を備える点にある。即ち、この水路系６は、前記第１および第２の昇圧ポンプ２,３により構成された加圧手段の駆動源の一部として前記中濃度水を用いる補助動力系をなしている。

具体的には、例えば図２に示すように前記第１の昇圧ポンプ２は、前記中濃度水により駆動されるタービン２ａと、このタービン２ａにより駆動されて海水を所定の圧力まで予加圧するコンプレッサ２ｂとからなる。また第２の昇圧ポンプ３は、電動モータ３ａによって駆動されて前記コンプレッサ２ｂにて予加圧された海水を更に加圧して前記逆浸透膜モジュール１に供給する加圧ポンプ３ｂとからなる。

そして第１および第２の昇圧ポンプ２,３により構成される加圧手段は、上述した水路系（補助動力系）６から供給される中濃度水が持つエネルギ（増大された流量）により第１の昇圧ポンプ２を駆動することで前記逆浸透膜モジュール１に供給すべき海水を或る程度の圧力まで予加圧しており、その上で第２の昇圧ポンプ３においては上記予加圧だけでは不足する海水の圧力分を更に加圧することで、前記逆浸透膜モジュール１に供給するに十分な圧力の海水を得るものとなっている。

かくして上述した如く構成された海水淡水化装置によれば、浸透膜モジュール４を介して求められる中濃度水を用いて第１の昇圧ポンプ２を駆動し、これによって逆浸透膜モジュール１に供給すべき海水を予加圧しているので、第２の昇圧ポンプ３においては前記逆浸透膜モジュール１に供給すべき海水の圧力Ｐ１と上記予加圧された圧力Ｐ０との差ΔＰ（＝Ｐ１−Ｐ０）に相当する分だけ上記海水を加圧すれば良い。従って第２の昇圧ポンプ３にて海水を直接圧力Ｐ１まで加圧する場合に比較して、その仕事量である電動モータ３ａの駆動電力を低減することが可能となる。

しかも第１の昇圧ポンプ２を駆動する中濃度水は、逆浸透膜モジュール１から排出された高濃度水を前記浸透膜モジュール４において海水または低塩度水を用いて希釈し、その流量を増大させたものであるので、上記高濃度水をそのまま用いて第１の昇圧ポンプ２を駆動する場合に比較して遙かに高い流体エネルギにより上記第１の昇圧ポンプ２を効率的に駆動することができる。従って第１の昇圧ポンプ２での予加圧量を十分に大きくすることができ、その分、第２の昇圧ポンプ３での仕事量（昇圧負担）を軽減することが可能となる。

更には第１の昇圧ポンプ２を駆動した中濃度水は、前述したように浸透膜モジュール４を用いて高濃度水を希釈したものであるので、これを海に放出してもその海水環境に悪影響を及ぼす虞がない等の利点もある。また高濃度水の希釈に海水を用いるようにすれば、淡水を得る為の海水の一部をそのまま利用することが可能となるので、海水淡水化装置の全体構成の簡素化を図ることが可能となる等の効果も奏せられる。

尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば図３に示すように第１の昇圧ポンプ２を駆動した中濃度水（中濃度余剰水）の流れを利用して発電機７を駆動し、この発電機７から得られる電力を前記第２の昇圧ポンプ３および／または第３の昇圧ポンプ５を駆動するに必要な電力の一部として利用することも可能である。また中濃度水（中濃度余剰水）にて駆動されるタービン２ａの回転力を用いて図示しない発電機を駆動し、その発電機から得られる電力を前記第２の昇圧ポンプ３等を駆動する電力の一部として利用することも可能である。

またここでは流路材を内包した袋状の逆浸透膜をメッシュスペーサを介してセンタパイプの周囲にスパイラル状に巻回した構造の逆浸透膜モジュールを用いた海水淡水化装置を例に説明したが、複数本の中空糸状逆浸透膜を束ねた構造の逆浸透膜モジュールを用いることも勿論可能である。更には浸透膜モジュール４による高濃度余剰水（高濃度水）の希釈量等についても、高濃度余剰水（高濃度水）の濃度やその圧力等に応じて定めれば良いものである。その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

本発明の一実施形態に係る海水淡水化装置の概略構成図。 加圧手段を構成する第１および第２の昇圧ポンプの構成例を示す図。 本発明の別の実施形態に係る海水淡水化装置の概略構成図。

符号の説明

１ 逆浸透膜モジュール
２ 第１の昇圧ポンプ（加圧手段）
３ 第２の昇圧ポンプ（加圧手段）
４ 浸透膜モジュール
５ 第３の昇圧ポンプ
６ 水路系（補助動力系）

Claims (3)

1. 原水を逆浸透膜を介して淡水と高濃度余剰水とに分離する逆浸透膜モジュールと、
   この逆浸透膜モジュールに供給する原水を加圧する加圧手段と、
   浸透膜を間にして前記逆浸透膜モジュールにて前記原水から分離された高濃度余剰水と、原水または低塩度水とが供給されて上記浸透膜を介して前記高濃度余剰水の濃度を薄めて出力する浸透膜モジュールと、
   この浸透膜モジュールから出力された中濃度余剰水を前記加圧手段に供給してその駆動源の一部として用いる補助動力系と
   を具備したことを特徴とする淡水化装置。
2. 前記加圧手段は、モータにより駆動されて原水を加圧するポンプと、前記補助動力系を介して前記浸透膜モジュールから供給される中濃度余剰水により駆動されるタービンと、このタービンにより駆動されて上記ポンプに供給する原水を予加圧するコンプレッサとを備えたものである請求項１に記載の淡水化装置。
3. 前記原水は、海水またはかん水である請求項１〜２のいずれかに記載の淡水化装置。

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