JP2017051926A - Density difference energy recovery method and density difference energy recovery system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、正浸透方法を利用した濃度差エネルギー回収方法、および、それに用いる濃度差エネルギー回収システムに関する。 The present invention relates to a concentration difference energy recovery method using a forward osmosis method, and a concentration difference energy recovery system used therefor.
正浸透（ＦＯ：ｆｏｒｗａｒｄ ｏｓｍｏｓｉｓ）は、半透膜を介して、低濃度（低浸透圧）の処理対象水（フィード溶液）側の水が高濃度（高浸透圧）の溶液（ドロー溶液）に向かって移動する現象のことである。一方、逆浸透（ＲＯ：ｒｅｖｅｒｓｅ ｏｓｍｏｓｉｓ）では、人為的に強い圧力を加えることにより、正浸透とは逆に、高濃度の処理対象水から低濃度の溶液側に水を移動させる。 In forward osmosis (FO), water on the treatment target water (feed solution) side of low concentration (low osmotic pressure) is converted to a solution (draw solution) of high concentration (high osmotic pressure) through a semipermeable membrane. It is a phenomenon that moves toward. On the other hand, in reverse osmosis (RO: reverse osmosis), by applying artificially strong pressure, water is moved from a high concentration treatment target water to a low concentration solution side contrary to normal osmosis.
しかし、逆浸透工程は強い圧力を必要とするため、エネルギー消費量が極めて多く、エネルギー効率が低い。そこで、近年、エネルギー消費量が少なく、エネルギー効率が高い正浸透が、海水淡水化（造水）、浸透圧発電（ＰＲＯ：Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｒｅｔａｒｄｅｄ Ｏｓｍｏｓｉｓ）などに利用されている。 However, since the reverse osmosis process requires a strong pressure, the energy consumption is extremely high and the energy efficiency is low. Therefore, in recent years, forward osmosis with low energy consumption and high energy efficiency has been used for seawater desalination (fresh water), osmotic pressure power generation (PRO), and the like.
海水淡水化としては、例えば、国際公開第２０１３／０６５２９３号（特許文献１）には、溶媒が水である液体（フィード溶液）中の水を、正浸透により半透膜を介して誘導溶液（ドロー溶液）に移動させ、その後、ドロー溶液中から水を回収する淡水製造方法が開示されている。 As seawater desalination, for example, in International Publication No. 2013/0665293 (Patent Document 1), water in a liquid (feed solution) in which a solvent is water is converted into a guided solution (through a semipermeable membrane by forward osmosis). A method for producing fresh water is disclosed in which water is transferred to a draw solution and then water is recovered from the draw solution.
また、ＰＲＯとしては、例えば、特開２００９−４７０１２号公報（特許文献２）には、半透膜を介して淡水が海水等の高濃度のドロー溶液（ＤＳ）に浸透して生じる流動力により、水車を回転させて発電を行う方法が開示されている。 Moreover, as PRO, for example, in JP 2009-47012 A (Patent Document 2), the flow force generated by permeating fresh water into a high-concentration draw solution (DS) such as seawater through a semipermeable membrane is disclosed. A method of generating electricity by rotating a water wheel is disclosed.
本発明の目的は、同時に水を回収して造水を実施することのできる正浸透を利用した濃度差エネルギー回収方法、および、それに用いられる濃度差エネルギー回収システムを提供することである。 The objective of this invention is providing the density | concentration difference energy recovery method using the normal osmosis which can collect | recover water simultaneously and can implement water production, and the density | concentration difference energy recovery system used for it.
［１］ 水を含むフィード溶液と、ドロー溶質を含み前記フィード溶液より高い浸透圧を有するドロー溶液とを、半透膜を介して接触させることで、前記フィード溶液中に含まれる水を前記ドロー溶液中に移動させる正浸透工程と、
前記ドロー溶液の流動によりエネルギー伝達装置を作動させてエネルギーを回収するエネルギー回収工程と、
前記ドロー溶液から水を分離して水を回収する造水工程と、
を含み、
前記造水工程において水を回収することによって濃縮された前記ドロー溶液を、前記正浸透工程で再利用することを特徴とする、濃度差エネルギー回収方法。
[1] A feed solution containing water and a draw solution containing a draw solute and having an osmotic pressure higher than that of the feed solution are brought into contact with each other through a semipermeable membrane, whereby water contained in the feed solution is brought into contact with the draw solution. Forward osmosis step to move into the solution;
An energy recovery step of recovering energy by operating an energy transfer device by the flow of the draw solution;
A water making step of separating water from the draw solution and recovering water;
Including
The concentration difference energy recovery method, wherein the draw solution concentrated by recovering water in the fresh water generation step is reused in the forward osmosis step.
［２］ 前記フィード溶液は、蒸発残留物濃度が１重量％以上の塩水であり、
前記ドロー溶液の浸透圧は０．７ＭＰａ以上である、［１］に記載の濃度差エネルギー回収方法。
[2] The feed solution is salt water having an evaporation residue concentration of 1% by weight or more,
The concentration difference energy recovery method according to [1], wherein the draw solution has an osmotic pressure of 0.7 MPa or more.
［３］ 前記半透膜は、セルロース系樹脂、ポリスルホン系樹脂およびポリアミド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、［１］または［２］に記載の濃度差エネルギー回収方法。 [3] The concentration difference energy recovery method according to [1] or [2], wherein the semipermeable membrane is made of a material including at least one of a cellulose resin, a polysulfone resin, and a polyamide resin.
［４］ 前記半透膜、前記フィード溶液が供給される第１室、および、前記ドロー溶液が供給される第２室を有し、前記第１室と前記第２室とは前記半透膜で仕切られている、半透膜モジュールと、
前記ドロー溶液の流動によりエネルギー伝達装置を作動させてエネルギーを回収するエネルギー回収装置と、
前記ドロー溶液から水を分離して水を回収する造水装置と、
前記造水装置において水を回収することによって濃縮された前記ドロー溶液を、前記第２室に供給するための循環経路と、
を備える、濃度差エネルギー回収システム。
[4] The semipermeable membrane has a first chamber to which the feed solution is supplied, and a second chamber to which the draw solution is supplied. The first chamber and the second chamber are the semipermeable membrane. A semipermeable membrane module partitioned by
An energy recovery device that recovers energy by operating an energy transfer device by the flow of the draw solution;
A fresh water generator for separating water from the draw solution and collecting the water;
A circulation path for supplying the draw solution concentrated by collecting water in the fresh water generator to the second chamber;
Concentration difference energy recovery system.
本発明によれば、同時に水を回収して造水を実施することのできる正浸透現象を利用した濃度差エネルギー回収方法、および、それに用いられる正浸透現象を利用した濃度差エネルギー回収システムを提供することができる。 According to the present invention, there is provided a concentration difference energy recovery method using a forward osmosis phenomenon that can simultaneously collect water and carry out fresh water generation, and a concentration difference energy recovery system using the forward osmosis phenomenon used therefor can do.
以下、本発明の濃度差エネルギー回収方法および濃度差エネルギー回収システムの実施形態について説明する。なお、図面において、長さ、幅、厚さ、深さなどの寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜変更されており、実際の寸法関係を表すものではない。 Hereinafter, embodiments of a concentration difference energy recovery method and a concentration difference energy recovery system of the present invention will be described. In the drawings, dimensional relationships such as length, width, thickness, and depth are changed as appropriate for clarity and simplification of the drawings, and do not represent actual dimensional relationships.
［濃度差エネルギー回収方法］
本実施形態の濃度差エネルギー回収方法は、主に、正浸透工程と、エネルギー回収工程と、造水工程とを含んでいる。本実施形態の濃度差エネルギー回収方法によれば、エネルギー回収工程においてエネルギー回収を実施すると共に、造水工程において水を回収して造水を実施することができる。
[Density energy recovery method]
The concentration difference energy recovery method of the present embodiment mainly includes a forward osmosis step, an energy recovery step, and a fresh water generation step. According to the concentration difference energy recovery method of the present embodiment, energy recovery can be performed in the energy recovery step, and water can be recovered and recovered in the fresh water generation step.
（正浸透工程）
正浸透工程では、水を含むフィード溶液（ＦＳ）と、ドロー溶質を含みフィード溶液より高い浸透圧を有するドロー溶液（ＤＳ）とを、半透膜１０を介して接触させることで、正浸透現象によってＦＳ中に含まれる水をＤＳ中に移動（浸透、透過）させる（図１参照）。
(Forward osmosis process)
In the forward osmosis step, the forward osmosis phenomenon is caused by bringing a feed solution (FS) containing water and a draw solution (DS) containing a draw solute and having a higher osmotic pressure than the feed solution through the semipermeable membrane 10. To move (permeate, permeate) water contained in the FS into the DS (see FIG. 1).
フィード溶液（ＦＳ、処理対象水）は、水を含む液体であればよく、例えば、海水、汽水、かん水、坑井随伴水、湖沼水、河川水、工場廃水などである。特に淡水が得られ難い沿岸部等で淡水を得られることは有用であるため、ＦＳはこのような場所で容易に得られる海水、汽水、かん水、坑井随伴水などであることが好ましい。 The feed solution (FS, water to be treated) may be a liquid containing water, and examples thereof include seawater, brackish water, brine, well water, lake water, river water, and factory waste water. Since it is useful to obtain fresh water particularly in coastal areas where it is difficult to obtain fresh water, FS is preferably seawater, brackish water, brackish water, well associated water, etc. that can be easily obtained in such places.
坑井は、随伴水を排出するものであれば特に制限されないが、例えば石油、シェールガス、オイルサンド、ＣＢＭ（炭層メタン）等を採掘する坑井などである。随伴水は、坑井からの採掘目的物に同伴して排出される水であり、塩分、有機物、懸濁物などを含んでいる。 The well is not particularly limited as long as it discharges accompanying water. For example, the well is a well that mine oil, shale gas, oil sand, CBM (coal bed methane), or the like. Accompanying water is water that is discharged along with the object to be mined from the well, and includes salt, organic matter, suspended matter, and the like.
海水、汽水、かん水、坑井随伴水などのＦＳに含まれる物質（Ｎａ＋、Ｋ＋、Ｃａ２＋、Ｃｌ−、ＳＯ４ ２−など）は、例えば蒸発残留物濃度（ＴＤＳ）が０．１〜１０重量％（１，０００〜１００，０００ｍｇ／Ｌ）の範囲であるような量で含有されている。蒸発残留物濃度は、１重量％以上であることが好ましく、２重量％以上であることがより好ましい。 Substances (Na + , K + , Ca 2+ , Cl − , SO 4 2−, etc.) contained in FS such as seawater, brackish water, brine, and well-associated water have an evaporation residue concentration (TDS) of 0.1, for example. 10 to 10% by weight (1,000 to 100,000 mg / L). The evaporation residue concentration is preferably 1% by weight or more, and more preferably 2% by weight or more.
ＦＳの蒸発残留物濃度が１重量％以上の塩水である場合、ＤＳの浸透圧は、ＦＳの浸透圧より高い０．７ＭＰａ（７ｂａｒ）以上であることが好ましい。また、ＦＳの蒸発残留物濃度が２重量％以上の塩水である場合、ＤＳの浸透圧は、ＦＳの浸透圧より高い１．５ＭＰａ（１５ｂａｒ）以上であることが好ましい。また、ＤＳの浸透圧は、好ましくは１０ＭＰａ以下であり、より好ましくは７ＭＰａ以下である。 When the FS evaporation residue concentration is 1% by weight or more, the DS osmotic pressure is preferably 0.7 MPa (7 bar) or higher, which is higher than the FS osmotic pressure. When the FS evaporation residue concentration is 2% by weight or more, the osmotic pressure of DS is preferably 1.5 MPa (15 bar) or higher, which is higher than the osmotic pressure of FS. Further, the osmotic pressure of DS is preferably 10 MPa or less, more preferably 7 MPa or less.
ドロー溶質としては、前記浸透圧を発生するものであれば特に限定されず、例えば、塩化ナトリウム、炭酸（水素）アンモニウム、硝酸カリウム、磁性粒体、アルコール類、糖類、タンパク質、合成高分子などが挙げられるが、回収および再生のしやすさといった点から、刺激応答性高分子が好ましい。刺激応答性高分子としては、温度応答性高分子、ｐＨ応答性高分子、光応答性高分子、磁気応答性高分子などが挙げられる。 The draw solute is not particularly limited as long as it generates the osmotic pressure, and examples thereof include sodium chloride, ammonium hydrogen carbonate, potassium nitrate, magnetic particles, alcohols, saccharides, proteins, and synthetic polymers. However, a stimulus-responsive polymer is preferable from the viewpoint of easy collection and regeneration. Examples of the stimulus responsive polymer include a temperature responsive polymer, a pH responsive polymer, a photoresponsive polymer, and a magnetic responsive polymer.
温度応答性高分子とは、所定の温度を臨界点として親水性が変化する特性（温度応答性）を有する高分子である。温度応答性とは、言い換えれば、温度に応じて親水性になったり疎水性になったりする特性である。ここで、親水性の変化は可逆的であることが好ましい。この場合、温度応答性高分子は、温度を調整することで、水に溶解させたり、水と相分離させたりすることができる。なお、温度応答性高分子は、例えば、特開２０１５−４７５４１号公報に開示されている。 The temperature-responsive polymer is a polymer having a characteristic (temperature responsiveness) in which hydrophilicity changes with a predetermined temperature as a critical point. In other words, the temperature responsiveness is a characteristic that becomes hydrophilic or hydrophobic depending on the temperature. Here, the change in hydrophilicity is preferably reversible. In this case, the temperature-responsive polymer can be dissolved in water or phase-separated from water by adjusting the temperature. The temperature-responsive polymer is disclosed in, for example, JP-A-2015-47541.
温度応答性高分子は、モノマーに由来する複数の構造単位からなるポリマーであり、側鎖に親水性基を有していることが好ましい。 The temperature-responsive polymer is a polymer composed of a plurality of structural units derived from a monomer, and preferably has a hydrophilic group in the side chain.
温度応答性高分子には、下限臨界共溶温度（ＬＣＳＴ）タイプと上限臨界共溶温度（ＵＣＳＴ）タイプがある。ＬＣＳＴタイプでは、低温の水に溶解している高分子が、高分子に固有の温度（ＬＣＳＴ）以上の温度になると、水と相分離する。逆に、ＵＣＳＴタイプでは、高温の水に溶解している高分子が、高分子に固有の温度（ＵＣＳＴ）以下になると、水と相分離する(杉原ら、「環境応答性高分子の組織体への展開」、ＳＥＮ’Ｉ ＧＡＫＫＡＩＳＨＩ（繊維と工業）、Ｖｏｌ．６２，Ｎｏ．８，２００６参照)。半透膜は、高温で劣化し易い素材を用いる場合においては、低温の水に溶解している温度応答性高分子が半透膜に接触している方が望ましいため、本発明に用いる温度応答性高分子はＬＣＳＴタイプであることが好ましい。また、高温で劣化しにくい素材で構成された半透膜を用いる場合は、ＬＣＳＴタイプの他、ＵＣＳＴタイプも用いることができる。 The temperature-responsive polymer includes a lower critical solution temperature (LCST) type and an upper critical solution temperature (UCST) type. In the LCST type, when a polymer dissolved in low-temperature water reaches a temperature higher than the temperature inherent to the polymer (LCST), it is phase-separated from water. On the other hand, in the UCST type, when the polymer dissolved in high-temperature water falls below the temperature inherent to the polymer (UCST), it is phase-separated from water (Sugihara et al., “Environment-responsive polymer tissue "Development to", SEN'I GAKKAISHI (Fiber and Industry), Vol. 62, No. 8, 2006). In the case of using a material that is easily deteriorated at high temperatures, it is desirable that the semi-permeable membrane is in contact with the semi-permeable membrane by a temperature-responsive polymer dissolved in low-temperature water. The conducting polymer is preferably LCST type. In addition, in the case of using a semipermeable membrane made of a material that does not easily deteriorate at high temperatures, a UCST type can be used in addition to the LCST type.
親水性基としては、例えば、水酸基、カルボキシル基、アセチル基、アルデヒド基、エーテル結合、エステル結合が挙げられる。親水性基は、これらから選択される少なくとも１種類であることが好ましい。 Examples of the hydrophilic group include a hydroxyl group, a carboxyl group, an acetyl group, an aldehyde group, an ether bond, and an ester bond. The hydrophilic group is preferably at least one selected from these.
温度応答性高分子は、少なくとも一部または全部の構造単位において少なくとも１つの親水性基を有することが好ましい。また、温度応答性高分子は、親水性基を有しつつ、一部の構造単位において疎水性基を有していてもよい。なお、温度応答性高分子が、温度応答性を有するためには、分子中に含まれる親水性基と疎水性基のバランスが重要であると考えられている。 The temperature-responsive polymer preferably has at least one hydrophilic group in at least some or all of the structural units. Moreover, the temperature-responsive polymer may have a hydrophobic group in some structural units while having a hydrophilic group. In addition, it is considered that the balance between the hydrophilic group and the hydrophobic group contained in the molecule is important for the temperature responsive polymer to have temperature responsiveness.
具体的な温度応答性高分子としては、例えば、ポリビニルエーテル系ポリマー、ポリ酢酸ビニル系ポリマー、（メタ）アクリル酸系ポリマー、ポリオキシエチレン／ポリオキシプロピレングリコールコポリマーなどが挙げられる。 Specific examples of the temperature-responsive polymer include polyvinyl ether polymers, polyvinyl acetate polymers, (meth) acrylic acid polymers, polyoxyethylene / polyoxypropylene glycol copolymers, and the like.
（エネルギー回収工程）
エネルギー回収工程では、ＤＳの流動によりエネルギー伝達装置３を作動させてエネルギーを回収する（図１参照）。ＤＳは正浸透工程においてＦＳから移動した水の量だけ流量が増加しているため、この正浸透によるＤＳの流量増加によって生じたエネルギーを利用してエネルギー回収を行うことができる。なお、エネルギー回収工程においては、従来のＰＲＯシステムにおける希釈ＤＳやＲＯシステムにおける濃縮水からのエネルギー回収など種々公知の手法を用いることができる。
(Energy recovery process)
In the energy recovery step, energy is recovered by operating the energy transmission device 3 by the flow of the DS (see FIG. 1). Since the flow rate of the DS increases by the amount of water moved from the FS in the forward osmosis step, energy recovery can be performed using the energy generated by the increase in the flow rate of the DS due to the forward osmosis. In the energy recovery step, various known methods such as dilution DS in a conventional PRO system and energy recovery from concentrated water in the RO system can be used.
（造水工程）
造水工程では、ＤＳから水を分離して水を回収する。造水工程において水を回収することにより、正浸透工程で希釈されたＤＳを濃縮することができる。このように、造水工程では、水を回収すると共に、希釈されたＤＳを正浸透工程前の元の濃度に高めることができるため、ＤＳを再利用することが可能となる（図１参照）。
(Fresh water production process)
In the fresh water production step, water is separated from the DS to recover the water. By collecting water in the fresh water generation step, the DS diluted in the forward osmosis step can be concentrated. As described above, in the fresh water production step, water can be collected and the diluted DS can be increased to the original concentration before the forward osmosis step, so that the DS can be reused (see FIG. 1). .
ＤＳから水を分離する方法としては、造水（淡水製造）技術に用いられている種々公知の方法を用いることができる。濃度差エネルギー回収システムに隣接する施設（石油プラントなど）の排熱等を有効活用できる点で、蒸発法を用いることが好ましい。 As a method for separating water from DS, various known methods used in water production (fresh water production) technology can be used. It is preferable to use the evaporation method from the viewpoint that the exhaust heat of a facility (such as an oil plant) adjacent to the concentration difference energy recovery system can be effectively used.
また、ドロー溶質が温度応答性高分子である場合、ＤＳの温度を変化させることで、ＤＳに含まれるドロー溶質を水と分離またはＤＳを濃縮させることができる。この場合、ＤＳの温度を変化させるだけで、ドロー溶質（温度応答性高分子）を容易に水から分離させ、回収することができる。また、回収後のドロー溶質は、容易に再利用（ＤＳ等に再溶解）することができる。この場合も、濃度差エネルギー回収システムに隣接する施設の排熱等を有効活用できる。また、他の方法に比べて、ドロー溶質を容易に水と分離することができるため、純度の高い水を得ることができる。 In addition, when the draw solute is a temperature-responsive polymer, the draw solute contained in the DS can be separated from water or the DS can be concentrated by changing the DS temperature. In this case, the draw solute (temperature-responsive polymer) can be easily separated from the water and recovered simply by changing the DS temperature. Further, the drawn solute after recovery can be easily reused (re-dissolved in DS or the like). Also in this case, the exhaust heat of the facility adjacent to the concentration difference energy recovery system can be effectively used. Moreover, since a draw solute can be easily separated from water as compared with other methods, highly pure water can be obtained.
水と分離したドロー溶質の回収は、例えば、膜分離装置、遠心分離装置、沈降分離装置などを用いて行うことができる。このドロー溶質の回収工程後に残存する水を回収することで、水を得ることができる。なお、より純粋な水が得られるように造水工程は多段階の処理工程を含んでいてもよい。 The draw solute separated from water can be collected using, for example, a membrane separator, a centrifugal separator, a sedimentation separator, or the like. Water can be obtained by recovering the water remaining after the draw solute recovery step. In addition, the fresh water generation process may include a multi-stage treatment process so that more pure water can be obtained.
［濃度差エネルギー回収システム］
本実施形態の濃度差エネルギー回収システムは、上記の濃度差エネルギー回収方法に好適に用いられる濃度差エネルギー回収システムである。図１を参照して、濃度差エネルギー回収システムは、主に、半透膜モジュール１と、エネルギー回収装置３と、造水装置（ＤＳ再生装置）４と、循環経路６とを備えている。
[Density difference energy recovery system]
The concentration difference energy recovery system of the present embodiment is a concentration difference energy recovery system that is preferably used in the above-described concentration difference energy recovery method. Referring to FIG. 1, the concentration difference energy recovery system mainly includes a semipermeable membrane module 1, an energy recovery device 3, a fresh water generator (DS regenerator) 4, and a circulation path 6.
半透膜モジュール１は、半透膜１０、フィード溶液が供給される第１室２１、および、ドロー溶液が供給される第２室２２を有し、第１室２１と第２室２２とは半透膜１０で仕切られている。このような半透膜モジュール１において、ＦＳを第１室２１に供給し、ＤＳを第２室２２に供給して、ＦＳとＤＳとを半透膜１０を介して接触させることで、ＦＳ中に含まれる水をＤＳ中に移動させることができる。これにより、上述の濃度差エネルギー回収方法における正浸透工程を実施することができる。半透膜は、平膜型、中空糸膜型のいずれでもよいが、中空糸膜型半透膜を用いるのがモジュール容積あたりの膜面積を大きくすることが出来るため好ましい。 The semipermeable membrane module 1 has a semipermeable membrane 10, a first chamber 21 to which a feed solution is supplied, and a second chamber 22 to which a draw solution is supplied. The first chamber 21 and the second chamber 22 are It is partitioned by a semipermeable membrane 10. In such a semipermeable membrane module 1, FS is supplied to the first chamber 21, DS is supplied to the second chamber 22, and FS and DS are brought into contact with each other through the semipermeable membrane 10. The water contained in can be moved into the DS. Thereby, the forward osmosis | permeation process in the above-mentioned density | concentration difference energy recovery method can be implemented. The semipermeable membrane may be either a flat membrane type or a hollow fiber membrane type, but it is preferable to use a hollow fiber membrane type semipermeable membrane because the membrane area per module volume can be increased.
エネルギー回収装置３は、ＤＳ（正浸透によってＦＳから水を取り込んで増量された希釈ＤＳ）の流動により、タービンを回転させることによりエネルギーを回収するものであっても良いし、回転エネルギーに変換せずに機械的エネルギーを直接、等圧交換で回収するために、複数のピストンを交互に押し込む、いわゆるＤＷＥＥＲ（Ｄｕａｌ Ｗｏｒｋ Ｅｎｅｒｇｙ Ｅｘｃｈａｎｇｅｒ）や、複数の柱状空間に被エネルギー伝達水を押し込むことによってエネルギーを回収するＰＸ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｅｘｃｈａｎｇｅｒ）であってもよい。これにより、上述の濃度差エネルギー回収方法におけるエネルギー回収工程を実施することができる。エネルギー回収装置３で得られたエネルギーは、ポンプ５の動力として利用してもよいし、図１に示されるように、逆浸透装置に送液される被処理水の加圧に利用しても良い。なお、タービンが用いられる場合は、そのタービンとしては、ペルトン水車、フランシス水車、斜流水車、プロペラ水車、カプラン水車、クロスフロー水車、ターゴインパルス水車などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。 The energy recovery device 3 may recover the energy by rotating the turbine by the flow of DS (dilution DS increased by taking water from the FS by forward osmosis), or convert it into rotational energy. Without recovering mechanical energy directly by isobaric exchange, energy is obtained by pushing multiple pistons alternately, so-called DWEER (Dual Work Energy Exchanger), or pushing energy transfer water into multiple columnar spaces. PX (Pressure Exchanger) to collect may be used. Thereby, the energy recovery process in the above-mentioned concentration difference energy recovery method can be implemented. The energy obtained by the energy recovery device 3 may be used as power for the pump 5 or may be used for pressurization of the water to be treated sent to the reverse osmosis device as shown in FIG. good. In the case where a turbine is used, examples of the turbine include Pelton turbine, Francis turbine, mixed flow turbine, propeller turbine, Kaplan turbine, crossflow turbine, and targo impulse turbine. is not.
半透膜モジュール１内に流すＤＳの圧力は、ポンプ５などにより０．３〜３．０ＭＰａに調整されることが好ましい。次のエネルギー回収工程において、エネルギー伝達装置を稼動するために必要なＤＳの流量を確保するためである。 The DS pressure flowing in the semipermeable membrane module 1 is preferably adjusted to 0.3 to 3.0 MPa by the pump 5 or the like. This is to secure the flow rate of DS necessary for operating the energy transfer device in the next energy recovery step.
造水装置４では、ＤＳから水を分離することで水が回収される。これにより、上述の濃度差エネルギー回収方法における造水工程を実施することができる。 In the fresh water generator 4, water is recovered by separating the water from the DS. Thereby, the fresh water generation process in the above-mentioned concentration difference energy recovery method can be carried out.
造水装置４において、水を回収することによって濃縮されたＤＳは、循環経路６を介して、半透膜モジュール１の第２室２２に供給される。これにより、濃度差エネルギー回収に使用されたＤＳが正浸透工程で再利用される。 The DS concentrated by collecting water in the fresh water generator 4 is supplied to the second chamber 22 of the semipermeable membrane module 1 via the circulation path 6. Thereby, DS used for concentration difference energy recovery is reused in the forward osmosis process.
（中空糸膜モジュール）
上記の濃度差エネルギー回収システムにおいて、半透膜モジュール１として中空糸膜モジュールを好適に用いることができる。
(Hollow fiber membrane module)
In the above concentration difference energy recovery system, a hollow fiber membrane module can be suitably used as the semipermeable membrane module 1.
すなわち、上述の正浸透工程において、半透膜１０は中空糸型半透膜であり、ＦＳを中空糸型半透膜の外周面に接触させると共に、ドロー溶質を含むＤＳを中空糸型半透膜の中空部内に流すか、またはＤＳを中空糸型半透膜の外周面に接触させると共に、ＦＳを中空糸型半透膜の中空部内に流すことで、ＦＳ中に含まれる水をＤＳ中に移動させることが好ましい。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、正浸透の効率を高めることができる点で有利である。 That is, in the above-described forward osmosis step, the semipermeable membrane 10 is a hollow fiber type semipermeable membrane, the FS is brought into contact with the outer peripheral surface of the hollow fiber type semipermeable membrane, and the DS containing the draw solute is added to the hollow fiber type semipermeable membrane. The water contained in the FS is allowed to flow in the DS by flowing into the hollow part of the membrane or bringing the DS into contact with the outer peripheral surface of the hollow fiber type semipermeable membrane and flowing the FS into the hollow part of the hollow fiber type semipermeable membrane. It is preferable to move to. The hollow fiber type semipermeable membrane is advantageous in that the membrane area per module can be increased and the efficiency of forward osmosis can be increased as compared with a spiral type semipermeable membrane.
図２を参照して、中空糸膜モジュール１は、主に圧力容器１２と、圧力容器１２内に収容された中空糸膜エレメント１１とからなる。中空糸膜モジュール１としては、正浸透処理に用いられる種々公知のモジュールを用いることができる。 Referring to FIG. 2, the hollow fiber membrane module 1 mainly includes a pressure vessel 12 and a hollow fiber membrane element 11 accommodated in the pressure vessel 12. As the hollow fiber membrane module 1, various known modules used for forward osmosis treatment can be used.
このような中空糸膜モジュール１において、ＦＳを中空糸型半透膜の外部に流すことで、中空糸型半透膜の外周面にＦＳを接触させると共に、ＤＳを中空糸型半透膜の中空部内に流すことで、ＦＳに含まれる水をＤＳ中に移動させることができる。また、ＤＳを中空糸型半透膜の外部に流すことで、中空糸型半透膜の外周面にＤＳを接触させると共に、ＦＳを中空糸型半透膜の中空部内に流すことで、ＦＳに含まれる水をＤＳ中に移動させることができる。 In such a hollow fiber membrane module 1, by flowing FS outside the hollow fiber type semipermeable membrane, the FS is brought into contact with the outer peripheral surface of the hollow fiber type semipermeable membrane, and the DS is made of the hollow fiber type semipermeable membrane. By flowing in the hollow portion, the water contained in the FS can be moved into the DS. In addition, by flowing the DS outside the hollow fiber type semipermeable membrane, the DS is brought into contact with the outer peripheral surface of the hollow fiber type semipermeable membrane, and the FS is caused to flow into the hollow part of the hollow fiber type semipermeable membrane, thereby allowing the FS to flow. The water contained in can be moved into the DS.
中空糸型半透膜を構成する材料としては、特に限定されないが、セルロース系樹脂、ポリスルホン系樹脂およびポリアミド系樹脂の少なくともいずれかを含む材料であることが好ましく、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であることがより好ましい。 The material constituting the hollow fiber type semipermeable membrane is not particularly limited, but is preferably a material containing at least one of a cellulose-based resin, a polysulfone-based resin, and a polyamide-based resin. More preferably, the material contains at least one of them.
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。 The cellulose resin is preferably a cellulose acetate resin. Cellulose acetate resin is resistant to chlorine, which is a bactericidal agent, and has a feature that it can suppress the growth of microorganisms. The cellulose acetate resin is preferably cellulose acetate, and more preferably cellulose triacetate from the viewpoint of durability.
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。 The polysulfone resin is preferably a polyethersulfone resin. The polyethersulfone resin is preferably a sulfonated polyethersulfone.
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５４１８７３９号公報に記載されるような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分画性を規定する分離活性層となっているものも含まれる。 As an example of a specific hollow fiber type semipermeable membrane, a membrane having a single layer structure, which is entirely composed of a cellulosic resin, can be mentioned. However, the single layer structure here does not have to be a uniform film as a whole, and has a dense layer in the vicinity of the outer peripheral surface as described in, for example, Japanese Patent No. 5418739, and this dense layer is substantially In particular, the separation active layer that defines the fractionation property of the hollow fiber type semipermeable membrane is also included.
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。 As another example of a specific hollow fiber type semipermeable membrane, 2 having a dense layer made of a polyphenylene resin (for example, sulfonated polyethersulfone) on the outer peripheral surface of a support layer (for example, a layer made of polyphenylene oxide) A film having a layer structure may be mentioned. Another example includes a two-layered film having a dense layer made of a polyamide resin on the outer peripheral surface of a support layer (for example, a layer made of polysulfone or polyethersulfone).
本実施形態において、比較的高い浸透圧を有するＦＳを処理する場合には、より高い浸透圧を有するＤＳを用いる必要がある。このため、ＤＳの粘度が高粘度（例えば、０．１５Ｐａ・ｓ以上、好ましくは０．２０Ｐａ・ｓ以上）になる場合がある。このような高粘度のＤＳを用い、ＤＳを中空糸型半透膜の中空部に流す場合において、中空糸型半透膜の内径は、２５０μｍ超７００μｍ以下であることが好ましい。内径は、より好ましくは２５０μｍ超６５０μｍ以下であり、さらに好ましくは２５０μｍ超６００μｍ以下、最も好ましくは２５０μｍ超５００μｍ以下である。 In the present embodiment, when processing an FS having a relatively high osmotic pressure, it is necessary to use a DS having a higher osmotic pressure. For this reason, the viscosity of DS may be high (for example, 0.15 Pa · s or more, preferably 0.20 Pa · s or more). When such high-viscosity DS is used and the DS is allowed to flow through the hollow portion of the hollow fiber type semipermeable membrane, the inner diameter of the hollow fiber type semipermeable membrane is preferably more than 250 μm and not more than 700 μm. The inner diameter is more preferably more than 250 μm and not more than 650 μm, still more preferably more than 250 μm and not more than 600 μm, and most preferably more than 250 μm and not more than 500 μm.
一般に、中空糸型半透膜の中空部内を流れるＤＳの流量が少なくなると、ＤＳが中空部内を流れる間にＤＳ側へ透過する水の量が多くなる。これにより、中空部内を流れるＤＳの全体的な浸透圧が低下し、ＤＳとＦＳとの間の浸透圧差が小さくなるため、水の回収効率が低下してしまう。特に、一般的な正浸透用の中空糸型半透膜（内径５０〜２５０μｍ）の中空部に、高粘度のＤＳを流す場合、圧力損失が大きいため、中空糸型半透膜の内外での十分な有効浸透圧差を維持するために必要な流量を確保できず、正浸透によるエネルギー回収の効率が低下してしまう虞がある。もちろん、中空糸型半透膜の中空部に比較的低粘度（例えば、０．１Ｐａ・ｓ以下）のＤＳを流す場合、および中空糸型半透膜の外部に高粘度のＤＳを流す場合には、中空糸型半透膜の内径は、５０〜２５０μｍで足りる。 Generally, when the flow rate of DS flowing in the hollow part of the hollow fiber type semipermeable membrane decreases, the amount of water that permeates to the DS side while DS flows in the hollow part increases. As a result, the overall osmotic pressure of the DS flowing in the hollow portion is reduced, and the osmotic pressure difference between the DS and FS is reduced, so that the water recovery efficiency is reduced. In particular, when high-viscosity DS is allowed to flow through the hollow portion of a general forward osmosis hollow fiber type semipermeable membrane (inner diameter: 50 to 250 μm), the pressure loss is large. There is a risk that the flow rate required to maintain a sufficient effective osmotic pressure difference cannot be secured, and the efficiency of energy recovery by forward osmosis is reduced. Of course, when a relatively low-viscosity DS (for example, 0.1 Pa · s or less) is allowed to flow through the hollow part of the hollow fiber-type semipermeable membrane, and when a high-viscosity DS is allowed to flow outside the hollow-fiber semipermeable membrane. In the hollow fiber type semipermeable membrane, an inner diameter of 50 to 250 μm is sufficient.
これに対して、中空糸型半透膜の内径を２５０μｍ超７００μｍ以下の範囲にすることで、中空糸型半透膜による圧力損失が低下するため、中空部内を流れるＤＳの流量を多くすることができる。これにより、中空糸型半透膜の内外での十分な有効浸透圧差を維持するために必要な流量を確保でき、中空糸型半透膜の中空部内に高粘度のＤＳを流す場合でも、正浸透の効率（濃度差エネルギー回収効率）が低下することを抑制できる。 On the other hand, since the pressure loss due to the hollow fiber type semipermeable membrane is reduced by setting the inner diameter of the hollow fiber type semipermeable membrane to be in the range of more than 250 μm to 700 μm or less, the flow rate of the DS flowing in the hollow portion is increased. Can do. As a result, a flow rate necessary to maintain a sufficient effective osmotic pressure difference between the inside and outside of the hollow fiber type semipermeable membrane can be ensured, and even when a high viscosity DS is allowed to flow through the hollow portion of the hollow fiber type semipermeable membrane. It can suppress that the efficiency of osmosis | permeation (concentration difference energy recovery efficiency) falls.
上記の緻密層（分離活性層）の厚みは、好ましくは０．１〜７μｍである。緻密層の厚みは薄い方が、透水抵抗が小さくなるため好ましい。このため、緻密層の厚みは、６μｍ以下がより好ましく、５μｍ以下がさらに好ましい。ただし、緻密層が薄すぎると、潜在的な膜構造の欠陥が顕在化しやすくなり、例えば、１価イオンの漏出を抑えることが困難になったり、膜の耐久性が低下するなどの問題が発生し易くなる。このため、緻密層の厚みは、０．５μｍ以上がより好ましく、１μｍ以上がさらに好ましい。 The thickness of the dense layer (separation active layer) is preferably 0.1 to 7 μm. It is preferable that the dense layer has a small thickness because water permeability resistance is small. For this reason, the thickness of the dense layer is more preferably 6 μm or less, and further preferably 5 μm or less. However, if the dense layer is too thin, potential defects in the membrane structure are likely to be manifested. For example, it becomes difficult to suppress the leakage of monovalent ions or the durability of the membrane is reduced. It becomes easy to do. For this reason, the thickness of the dense layer is more preferably 0.5 μm or more, and further preferably 1 μm or more.
中空糸型半透膜の膜全体の厚みは、好ましくは５０〜２００μｍであり、より好ましくは６０〜１７０μｍである。なお、膜厚は（外径−内径）／２で算出できる。また、中空糸型半透膜の中空率〔（内径／外径）２×１００（％）〕は、好ましくは３０〜６０％であり、より好ましくは３５〜５５％である。なお、中空率は、中空糸型半透膜の横断面における中空部の面積の割合である。 The thickness of the whole membrane of the hollow fiber type semipermeable membrane is preferably 50 to 200 μm, more preferably 60 to 170 μm. The film thickness can be calculated by (outer diameter−inner diameter) / 2. Further, the hollow ratio [(inner diameter / outer diameter) 2 × 100 (%)] of the hollow fiber type semipermeable membrane is preferably 30 to 60%, more preferably 35 to 55%. In addition, a hollow rate is a ratio of the area of the hollow part in the cross section of a hollow fiber type semipermeable membrane.
中空糸型半透膜の長さは、特に限定されないが、好ましくは１５〜４００ｃｍ、より好ましくは２０〜３５０ｃｍである。 Although the length of a hollow fiber type semipermeable membrane is not specifically limited, Preferably it is 15-400 cm, More preferably, it is 20-350 cm.
中空糸型半透膜の孔径は、１００ｎｍ以下であることが好ましい。このような中空糸型半透膜としては、例えば、逆浸透膜（ＲＯ膜：Ｒｅｖｅｒｓｅ Ｏｓｍｏｓｉｓ Ｍｅｍｂｒａｎｅ）、正浸透膜（ＦＯ膜：Ｆｏｒｗａｒｄ Ｏｓｍｏｓｉｓ Ｍｅｍｂｒａｎｅ）、ナノろ過膜（ＮＦ膜：Ｎａｎｏｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ Ｍｅｍｂｒａｎｅ）、限外ろ過膜（ＵＦ膜：Ｕｌｔｒａｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ Ｍｅｍｂｒａｎｅ）と呼ばれているものが挙げられる。 The pore diameter of the hollow fiber type semipermeable membrane is preferably 100 nm or less. As such a hollow fiber type semipermeable membrane, for example, a reverse osmosis membrane (RO membrane: Reverse Osmosis Membrane), a forward osmosis membrane (FO membrane: Forward Osmosis Membrane), a nanofiltration membrane (NF membrane: Nanofiltration Membrane), a limit What is called an outer filtration membrane (UF membrane: Ultrafiltration Membrane) is mentioned.
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１〜２ｎｍである。 Usually, the pore size of the RO membrane and the FO membrane is about 2 nm or less, and the pore size of the UF membrane is about 2 to 100 nm. The NF membrane has a relatively low blocking rate of ions and salts in the RO membrane, and the pore size of the NF membrane is usually 1 to 2 nm.
上記の中空糸型半透膜を中空糸膜モジュールに組み込む方法としては、従来公知の方法があり、例えば、特許４４１２４８６号公報、特許４２７７１４７号公報、特許３５９１６１８号公報、特許３００８８８６号公報などに記載されている。具体的には、例えば、中空糸型半透膜を４５〜９０本集めて１つの中空糸型半透膜集合体とし、さらにこの中空糸型半透膜集合体を複数横に並べて偏平な中空糸型半透膜束として、多数の孔を有する芯管にトラバースさせながら巻き付ける。このときの巻き付け角度は５〜６０度とし、巻き上げ体の特定位置の周面上に交差部が形成するように巻き上げる。次に、この巻き上げ体の両端部を接着した後、片側のみ／または両側を切削して中空糸開口部を形成させ中空糸膜エレメント１１を作成する。得られた中空糸膜エレメント１１を圧力容器１２に挿入して中空糸膜モジュール１を組立てる（図２）。 As a method for incorporating the hollow fiber type semipermeable membrane into the hollow fiber membrane module, there are conventionally known methods, for example, described in Japanese Patent No. 4421486, Japanese Patent No. 4277147, Japanese Patent No. 3591618, Japanese Patent No. 3008886, and the like. Has been. Specifically, for example, 45 to 90 hollow fiber type semipermeable membranes are collected to form one hollow fiber type semipermeable membrane assembly, and a plurality of the hollow fiber type semipermeable membrane assemblies are arranged side by side to form a flat hollow shape. As a thread-type semipermeable membrane bundle, it is wound while traversing a core tube having a large number of holes. The winding angle at this time is set to 5 to 60 degrees, and the winding body is wound up so that the intersecting portion is formed on the peripheral surface at a specific position of the wound body. Next, after adhering both ends of the wound body, only one side or both sides are cut to form a hollow fiber opening, thereby creating a hollow fiber membrane element 11. The obtained hollow fiber membrane element 11 is inserted into the pressure vessel 12 to assemble the hollow fiber membrane module 1 (FIG. 2).
今回開示された実施の形態および実施例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。 It should be understood that the embodiments and examples disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
１ 半透膜モジュール（中空糸膜モジュール）、１０ 半透膜、１１ 中空糸膜エレメント、１２ 圧力容器、２１ 第１室、２２ 第２室、３ エネルギー回収装置、４ 造水装置（ＤＳ再生装置）、５ ポンプ、６ 循環経路 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semipermeable membrane module (hollow fiber membrane module), 10 Semipermeable membrane, 11 Hollow fiber membrane element, 12 Pressure vessel, 21 1st chamber, 22 2nd chamber, 3 Energy recovery device, 4 Water generator (DS regenerator) ) 5 pump, 6 circulation path
Claims (4)
前記ドロー溶液の流動によりエネルギー伝達装置作動させてエネルギーを回収するエネルギー回収工程と、
前記ドロー溶液から水を分離して水を回収する造水工程と、
を含み、
前記造水工程において水を回収することによって濃縮された前記ドロー溶液を、前記正浸透工程で再利用することを特徴とする、濃度差エネルギー回収方法。 A feed solution containing water and a draw solution containing a draw solute and having a higher osmotic pressure than the feed solution are brought into contact with each other through a semipermeable membrane, whereby water contained in the feed solution is brought into the draw solution. Forward osmosis process to move,
An energy recovery step of recovering energy by operating an energy transfer device by the flow of the draw solution;
A water making step of separating water from the draw solution and recovering water;
Including
The concentration difference energy recovery method, wherein the draw solution concentrated by recovering water in the fresh water generation step is reused in the forward osmosis step.
前記ドロー溶液の浸透圧は０．７ＭＰａ以上である、請求項１に記載の濃度差エネルギー回収方法。 The feed solution is salt water having an evaporation residue concentration of 1% by weight or more,
The concentration difference energy recovery method according to claim 1, wherein an osmotic pressure of the draw solution is 0.7 MPa or more.
前記ドロー溶液の流動によりエネルギー伝達装置を作動させてエネルギーを回収するエネルギー回収装置と、
前記ドロー溶液から水を分離して水を回収する造水装置と、
前記造水装置において水を回収することによって濃縮された前記ドロー溶液を、前記第２室に供給するための循環経路と、
を備える、濃度差エネルギー回収システム。 A semipermeable membrane, a first chamber to which a feed solution is supplied, and a second chamber to which a draw solution is supplied, wherein the first chamber and the second chamber are partitioned by the semipermeable membrane, A semipermeable membrane module;
An energy recovery device that recovers energy by operating an energy transfer device by the flow of the draw solution;
A fresh water generator for separating water from the draw solution and collecting the water;
A circulation path for supplying the draw solution concentrated by collecting water in the fresh water generator to the second chamber;
Concentration difference energy recovery system.
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