JP2022129709A - 正浸透法による脱塩方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】正浸透法による脱塩処理において、希薄溶液の膜ろ過工程を安定して行える手段を提供する。【解決手段】海水１を海水供給ポンプ２により正浸透膜モジュール３に導入し、正浸透膜４を介して感温剤水溶液１２と向流接触させ、海水中の水が正浸透膜４を通って感温剤水溶液１２に移動し、それによって濃縮された濃縮海水１３（正浸透膜濃縮水）が排出され、一方、水の移動によって希釈された希釈感温剤水溶液５は熱交換器６で曇点以上に加温されて、感温剤を主体とする濃厚溶液相と水を主体として少量の感温剤を含有する希薄溶液相に相分離し、重力分離槽７に送られ、そこで、濃厚溶液層と希薄溶液層に分層して別々に取り出され、取り出された希薄溶液８は熱交換器２１で曇点以下に冷却されて、ポンプ１４により回収膜ろ過装置１５に送られて膜ろ過され、回収膜ろ過水（処理水）１６が取り出される構成とする。【選択図】図１

Description

本発明は、正浸透法で海水や廃水等から塩類を除去する方法およびそれに使用される装置に関するものである。

海水から半透膜を用いて淡水を製造する方法は種々知られているが、海水に浸透圧以上の圧力を加えて水を強制的に透過させる逆浸透法が主に開発されてきた。しかし、この方法は高圧に加圧する必要があるため、設備費および運転費が嵩むという問題がある。そこで、半透膜を介して海水と海水より高濃度の溶液を吸引液として接触させ、加圧せずとも浸透圧により海水中の水をこの溶液に移動させ、分離、回収することにより淡水を製造する正浸透法が開発されている。

この正浸透法では、吸引液としてアンモニアと二酸化炭素を水に溶解した溶液が用いられてきたが、蒸発にかかるコストやアンモニアの安全性などの問題があるため、本出願人は、曇点を有する感温剤を用いる方法の開発に注力してきた。

この感温剤を用いた正浸透法では、海水と感温剤水溶液とを半透膜を介して接触させて海水中の水分を半透膜を通して感温剤水溶液に移動させる正浸透工程と、この水で希釈された希釈感温剤水溶液を曇点以上に加温して感温剤を主体とする濃厚溶液と水を主体とする希薄溶液に分層させてこれらを分離する加温工程および重力分離工程と、分離された濃厚溶液を曇点以下に冷却して海水を接触させる感温剤水溶液として循環使用する冷却・循環工程よりなっている。

そして、この希薄溶液を淡水として使用するために、そこに残存している感温剤を膜処理して除去する回収膜ろ過工程が設けられることも知られている（特許文献１～３）。

この代表的なプロセスを図３に示す。同図に示すように、この装置は、正浸透モジュール３、熱交換器６、重力分離槽７、熱交換器１１および回収膜ろ過装置１５からなっている。海水１は、海水供給ポンプ２により正浸透モジュール３に供給され、モジュール内で半透膜４を介して感温剤水溶液１２と接触し、海水中の水が浸透圧により感温剤水溶液側に移動する。水の移動により希釈された希釈感温剤水溶液５は熱交換器６でその曇点以上に加温されて重力分離槽７に入れられる。そこで分離された感温剤の希薄溶液８はポンプ１４により膜ろ過装置１５に送られて、感温剤等が分離され、淡水が回収膜ろ過水１６として取り出される。膜を通過しないで残った回収膜濃縮水１７は、返送されて、正浸透モジュール３から流出する希釈感温剤水溶液５に加えられる。一方、重力分離槽７で分離された感温剤の濃厚溶液９は熱交換器１１で曇点以下に冷却されて感温剤水溶液１２として正浸透モジュール３に返送される。

特開２０１５－５４２９２号公報 特開２０１５－５４２９３号公報 特開２０１７－１４８７３４号公報

本発明者らは、この正浸透法で海水等から淡水を製造する運転を続けていたところ、希薄溶液を膜ろ過する回収膜ろ過装置の膜の閉塞が発生する頻度が高くなることがあった。膜が閉塞すれば、それを薬剤で洗浄しなければならず、手間もコストもかかる。

本発明の目的は、正浸透法による脱塩処理において、希薄溶液の回収膜ろ過工程を安定して行える手段を提供することにある。

本発明者らは、上記課題を解決するべく鋭意検討を行い、被処理水の塩濃度や水温等の変動によって重力分離槽における感温剤と水との分離特性が変わり、希薄溶液の感温剤濃度が高くなった場合に、これが回収膜分離装置における膜の閉塞を引き起こしていることを見出した。

ところで、この希薄溶液に残留する感温剤濃度は、重力分離槽における分離温度に依存し、分離温度が高いほど希薄溶液の感温剤濃度が低下する。そして感温剤濃度が低い場合には回収膜ろ過装置における膜の閉塞は抑制される。そこで、希薄溶液の感温剤濃度を測定し、それに基いて重力分離槽の分離温度を制御するようにしたのが本発明である。従って、本発明は、
塩類を含有する被処理水と、曇点を有する感温剤水溶液とを半透膜を介して接触させ、前記被処理水中の水を半透膜を通して前記感温剤水溶液に移動させ、水で希釈された希釈感温剤水溶液と正浸透膜濃縮水を得る正浸透工程と、前記希釈感温剤水溶液を前記感温剤水溶液の曇点以上の温度まで加温する加温工程と、前記加温工程で相分離した感温剤を主体とする濃厚溶液層と、水を主体とし少量の感温剤を含有する希薄溶液層とに重力分離する重力分離工程と、前記重力分離工程で分離された濃厚溶液を前記感温剤水溶液の曇点以下の温度まで冷却した後、前記正浸透工程へ循環し、感温剤水溶液として再使用する冷却・循環工程と、前記重力分離工程で分離された希薄溶液を回収膜処理し、回収膜ろ過水と回収膜濃縮水を得て回収膜濃縮水を希釈感温剤水溶液に返送する回収膜ろ過工程を有する正浸透法による脱塩方法において、
前記希薄溶液の感温剤濃度を測定し、その濃度が設定範囲にとどまるように重力分離槽の分離温度を制御することを特徴とする正浸透法による脱塩方法と、
塩類を含有する被処理水と、曇点を有する感温剤水溶液とを半透膜を介して接触させ、前記被処理水中の水を半透膜を通して前記感温剤水溶液に移動させ、水で希釈された希釈感温剤水溶液と正浸透膜濃縮水を得る正浸透膜モジュールと、前記希釈感温剤水溶液を前記感温剤水溶液の曇点以上の温度まで加温する加温手段と、前記加温手段で加温され相分離した感温剤を主体とする濃厚溶液層と、水を主体とし少量の感温剤を含有する希薄溶液層とに重力分離する重力分離槽と、前記重力分離槽で分離された濃厚溶液を前記感温剤水溶液の曇点以下の温度まで冷却した後、前記正浸透膜モジュールへ循環し、感温剤水溶液として再使用する冷却・循環手段と、前記重力分離槽で分離された希薄溶液を回収膜処理し、回収膜ろ過水と回収膜濃縮水を得る回収膜ろ過装置と、該回収膜ろ過装置から排出される回収膜濃縮水を希釈感温剤水溶液へ返送する循環ラインを有する脱塩装置において、
前記希薄溶液の感温剤濃度を測定する計器と、該計器で測定された感温剤濃度が設定範囲にとどまるように重力分離槽の分離温度を制御する機構を設けたことを特徴とする正浸透法による脱塩装置
を提供するものである。

本発明により、海水等の被処理水を正浸透法で処理して淡水等を製造する方法において、膜ろ過を安定して行わせ維持管理することができる。

本発明の一実施形態の装置の概略構成を示す図である。 感温剤の濃度と屈折率の関係の一例を示すグラフである。 従来の正浸透法の装置の概略構成を示す図である。

本発明の方法で浄化される感温剤を使用して処理される被処理水は水を溶媒とし、塩類を含有する溶液であり、海水、かん水、廃水などである。

正浸透工程
正浸透工程は、必要によりろ過処理した被処理水と、感温剤を水に溶解した高浸透圧の水溶液を半透膜を介して接触させ、被処理水中の水を半透膜を通して感温剤水溶液に移動させ、水で希釈された希釈感温剤水溶液と正浸透膜濃縮水を得る工程である。

感温剤は、低温では親水性であり水によく溶けるが、ある温度以上になると疎水性化し溶解度が低下する物質であり、水溶性から不水溶性に変化する温度が下限臨界温度あるいは曇点と呼ばれる。この温度に達すると疎水性化した感温剤が凝集して白濁が起こる。

この感温剤は、各種界面活性剤、分散剤、乳化剤などとして利用されており、例示すれば、アルコール、アルキル基または脂肪酸と、エチレンオキサイドとプロピレンオキサイドの両方もしくは片方との化合物、アクリルアミドとアルキル基の化合物、グリセリンと、エチレンオキサイドとプロピレンオキサイドの両方もしくは片方との化合物、ペンタエリスリトールと、エチレンオキサイドとプロピレンオキサイドの両方もしくは片方との化合物、ヘキシレンングリコールと、エチレンオキサイドとプロピレンオキサイドの両方もしくは片方との化合物、などである。本発明において使用する感温剤としては、曇点が３０℃～８０℃の範囲、特に４０℃～６０℃の範囲のものが好ましい。

感温剤水溶液の濃度は、感温剤水溶液の浸透圧が、被処理液の浸透圧より十分高くなるように調整しなければならず、高い方が好ましいが、実用的観点から６０～９５質量％程度、好ましくは７０～９５質量％程度、より好ましくは７５～９５質量％程度である。

半透膜は水を選択的に透過できるものがよく、正浸透（Forward Osmosis）膜が好ましいが、逆浸透膜も使用できる。材質は特に制限されないが、例示すれば、酢酸セルロース系、ポリアミド系、ポリエチレンイミン系、ポリスルホン系、ポリベンゾイミダゾール系のものなどを挙げることができる。半透膜の形態も特に制限されず、平膜、管状膜、中空糸膜などいずれであってもよい。

この半透膜を装着する装置は通常は円筒形あるいは箱型の容器内に半透膜を設置して、この半透膜で仕切られた一方の室に被処理水を流し、他方の室に感温剤水溶液を流せるものであり、公知の半透膜装置を用いることができ、市販品を用いることもできる。

正浸透工程で被処理水を半透膜を介して感温剤水溶液と接触させると浸透圧の差によって被処理水中の水が半透膜を通って感温剤水溶液に移動して希釈感温剤水溶液となり、残った被処理水は水の移動によって濃縮されて正浸透膜濃縮水として排出される。

加温工程
正浸透工程で被処理水から水が移動して希釈された希釈感温剤水溶液を曇点以上の温度まで加温して、感温剤の少なくとも一部を凝集させる。この凝集とは、感温剤の濃厚溶液が分離したものである。加温手段は、希釈感温剤水溶液を加温できればよく熱交換器等を使用できる。加温手段における加温温度は、例えば熱交換器へ導入する熱媒体の流量や温度の調整で制御できる。

この加温工程の熱源には、次の重力分離工程で分離された濃厚溶液の顕熱を利用することができる。

重力分離工程
前記加温工程で相分離した感温剤を主体とする濃厚溶液層と、水を主体とし少量の感温剤を含有する希薄溶液層に重力分離する。この重力分離は曇点以上の液温で静置又は連続的に流通させながら行うことができる。その際、前記加温工程で凝集した感温剤の濃厚溶液は重力分離槽に投入されると、濃厚溶液の微細液滴は速やかに沈降し、液滴同士が合一して重力分離槽下部に濃厚溶液層が形成される。

重力分離された希薄溶液の感温剤の濃度は０．０１～２．０質量％程度、通常０．１～１．０質量％程度であり、感温剤は一部が溶解し、一部は懸濁状態になっている。

濃厚溶液の感温剤の濃度は７０～９５質量％程度、通常７５～８５質量％程度である。

冷却・循環工程
前記重力分離工程で分離された濃厚溶液を、感温剤水溶液の曇点より低い温度に冷却することで水に溶解させて感温剤水溶液に再生する。この温度は広い範囲で採用可能であるが、経済性を考慮すると常温かそれより高い温度が好ましい。冷却手段も熱交換器等を使用できる。この冷却熱源としては、被処理水あるいは正浸透工程において得られた希釈感温剤水溶液を用いることがエネルギーの効率的な利用の点で好ましい。再生した感温剤水溶液をそのまま正浸透膜工程に循環して再利用する。

回収膜ろ過工程
前記重力分離工程で分離された希薄溶液は、ナノろ過膜や逆浸透膜などの膜ろ過装置で回収膜ろ過して、そこに主に溶解して残存している感温剤を除去する。回収膜ろ過水は淡水であり、飲料水などに利用できる。膜ろ過されないで残った回収膜濃縮水は、感温剤が含まれているので、正浸透膜モジュールから流出する希釈感温剤水溶液へ合流させるか、あるいは感温剤水溶液へ合流させることもできる。

また、正浸透工程で得られた正浸透膜濃縮水は塩類を高濃度で含んでいるので、これを濃縮して塩類を析出させて分離し、有効利用することもできる。

本発明は、このような正浸透法による水処理方法において、重力分離工程で分離された希薄溶液の感温剤濃度の変動を監視し、その濃度が一定範囲を超えたときにその範囲内に戻るように制御するところに特徴がある。

希薄溶液は、重力分離槽内で分層されて取り出され、膜ろ過装置で膜ろ過されるので、重力分離槽内から膜ろ過装置の入口までの何処で感温剤濃度を測定してもよいが、通常は重力分離槽の出口配管でよい。

感温剤の濃度は、ＴＯＣ（Ｔｏｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃａｒｂｏｎ）濃度や屈折率などを計測し、予め求めておいた検量線などを利用して求めることができる。屈折率は、例えばアッベ屈折計を用いて測定することができる。アッベ屈折計を用い、２０℃で感温剤（ポリエーテルポリオール）の濃度を変えて屈折率の変化を測定した結果を表１に示す。図２はこのデータをグラフで示したものである。

希薄溶液の膜ろ過工程におけるろ過抵抗は感温剤濃度に依存し、感温剤濃度は重力分離槽における分離温度が高くなるに従って低くなるので重力分離槽の分離温度は高い程よいことになる。しかしながら、分離温度を上昇させるにはコストがかかるので必要最小限にとどめるのがよい。従って、使用する回収膜ろ過装置において予め分離温度と感温剤濃度との関係を求め，例えば希薄溶液の感温剤濃度が１，０００ｍｇ／Ｌ以下となるように分離温度を設定する。

重力分離槽における分離温度は、基本的にその前工程の加温手段で調整する。そこで、重力分離槽で分離された希薄溶液の感温剤濃度を上記濃度範囲と照合し、設定範囲内に収まるように加温手段の加熱量を調整する。

この本発明の一実施態様を図１に示す。

これは、海水から淡水を製造する装置であり、海水１は海水供給ポンプ２により正浸透膜モジュール３に導入され、正浸透膜４を介して感温剤水溶液１２と向流接触する。そこで、海水中の水が正浸透膜４を通って感温剤水溶液１２に移動し、それによって濃縮された濃縮海水１３（正浸透膜濃縮水）が排出される。一方、水の移動によって希釈された希釈感温剤水溶液５は熱交換器６で曇点以上に加温されて、感温剤を主体とする濃厚溶液相と水を主体として少量の感温剤を含有する希薄溶液相に相分離し、重力分離槽７に送られる。そこで、濃厚溶液層と希薄溶液層に分層して別々に取り出される。

取り出された希薄溶液８は熱交換器２１で曇点以下に冷却されて、ポンプ１４により回収膜ろ過装置１５に送られて膜ろ過され、回収膜ろ過水１６（処理水）が取り出される。

一方、ろ過されないで残った回収膜濃縮水１７は、循環ライン２２によって正浸透膜モジュール３から排出される希釈感温剤水溶液５へ返送されて合流する。

重力分離槽７で分層された感温剤の濃厚溶液９は、感温剤水溶液ポンプ１０により、熱交換器１１に導入され冷却されて感温剤水溶液１２に再生され、正浸透膜モジュール３に返送される。

こうして海水から連続して淡水が製造される。

本発明では、このような装置において、ポンプ１４から回収膜ろ過装置１５に送られる希薄溶液８の感温剤濃度を屈折率計１８で連続的に計測して、制御装置１９でその計測値とあらかじめ入力した範囲を照合して温度制御信号２０を熱交換器６に送って熱量を制御し、重力分離槽７に送られる希釈感温剤水溶液５の温度を設定範囲内になるように制御する。

本発明は、海水から淡水の製造や、廃水の脱塩などに広く利用できる。

１ 海水
２ 海水供給ポンプ
３ 正浸透膜モジュール
４ 正浸透膜
５ 希釈感温剤水溶液
６ 熱交換器
７ 重力分離槽
８ 希薄溶液
９ 濃厚溶液
１０ 感温剤水溶液ポンプ
１１ 熱交換器
１２ 感温剤水溶液
１３ 正浸透膜濃縮水
１４ ポンプ
１５ 回収膜ろ過装置
１６ 回収膜ろ過水（処理水）
１７ 回収膜濃縮水
１８ ＴＯＣ計
１９ 制御装置
２０ 温度制御信号
２１ 熱交換器
２２ 循環ライン

Claims (2)

1. 塩類を含有する被処理水と、曇点を有する感温剤水溶液とを半透膜を介して接触させ、前記被処理水中の水を半透膜を通して前記感温剤水溶液に移動させ、水で希釈された希釈感温剤水溶液と正浸透膜濃縮水を得る正浸透工程と、前記希釈感温剤水溶液を前記感温剤水溶液の曇点以上の温度まで加温する加温工程と、前記加温工程で相分離した感温剤を主体とする濃厚溶液層と、水を主体とし少量の感温剤を含有する希薄溶液層とに重力分離する重力分離工程と、前記重力分離工程で分離された濃厚溶液を前記感温剤水溶液の曇点以下の温度まで冷却した後、前記正浸透工程へ循環し、感温剤水溶液として再使用する冷却・循環工程と、前記重力分離工程で分離された希薄溶液を回収膜処理し、回収膜ろ過水と回収膜濃縮水を得て回収膜濃縮水を希釈感温剤水溶液に返送する回収膜ろ過工程を有する正浸透法による脱塩方法において、
   前記希薄溶液の感温剤濃度を測定し、その濃度が設定範囲にとどまるように重力分離槽の分離温度を制御することを特徴とする正浸透法による脱塩方法。
2. 塩類を含有する被処理水と、曇点を有する感温剤水溶液とを半透膜を介して接触させ、前記被処理水中の水を半透膜を通して前記感温剤水溶液に移動させ、水で希釈された希釈感温剤水溶液と正浸透膜濃縮水を得る正浸透膜モジュールと、前記希釈感温剤水溶液を前記感温剤水溶液の曇点以上の温度まで加温する加温手段と、前記加温手段で加温され相分離した感温剤を主体とする濃厚溶液層と、水を主体とし少量の感温剤を含有する希薄溶液層とに重力分離する重力分離槽と、前記重力分離槽で分離された濃厚溶液を前記感温剤水溶液の曇点以下の温度まで冷却した後、前記正浸透膜モジュールへ循環し、感温剤水溶液として再使用する冷却・循環手段と、前記重力分離槽で分離された希薄溶液を回収膜処理し、回収膜ろ過水と回収膜濃縮水を得る回収膜ろ過装置と、該回収膜ろ過装置から排出される回収膜濃縮水を希釈感温剤水溶液へ返送する循環ラインを有する脱塩装置において、
   前記希薄溶液の感温剤濃度を測定する計器と、該計器で測定され感温剤濃度が設定範囲にとどまるように重力分離槽の分離温度を制御する機構を設けたことを特徴とする正浸透法による脱塩装置。

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