JP4304573B2 - 逆浸透膜による高濃度溶液の処理方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、高濃度溶液の逆浸透処理に関する発明であり、特に海水の淡水化などを目的とする分離方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
逆浸透法は、海水及びかん水の淡水化、半導体工業及び医薬品工業用の純水、超純水の製造、都市排水処理等の幅広い分野で利用されている。蒸発法、電気透析法と比較して省エネルギーの点で有利であり、広く普及が進んでいる。特に、中空糸膜逆浸透膜は、単位容積当たりの膜面積を大きくできるため、膜分離操作に適した形状であり、例えば、逆浸透膜による海水淡水化分野では広く用いられている。
【0003】
逆浸透法で処理された水は飲料水にも使用されているが、安全意識の高まりとともに、水質基準の遵守が求められている。そのため、逆浸透膜の透過水を一旦集めて、再度逆浸透膜で処理する2段法が検討されている。
【0004】
従来、1段目の逆浸透膜処理された透過水の全量が2段目の逆浸透膜で処理され、2段目の逆浸透膜の濃縮水を1段目の供給水に戻す処理方法が開示されている。しかしながら、この方法では、1段目の全量が2段目で処理されるので、消費エネルギーが大きくなること、また、原水の水質によっては透過水質が必要過度となる場合があり、好ましくない。
【0005】
一方、海水淡水化でのホウ素除去を目的として、1段目の逆浸透膜の濃縮側の透過水のみを2段目の逆浸透膜モジュールへ供給する2段法が開示されている。しかしながら、1段目の逆浸透膜モジュールからの透過水で供給側透過水と濃縮側透過水の取り出し部は区分されているものの、逆浸透膜モジュール内部での区分が明確ではなく、供給側透過水と濃縮側透過水の濃度は制御ができず、2段目への供給水を制御するのが困難であるという問題がある。また、濃縮側透過水の全量が2段目で処理されるため、2段目の透過水が必要過度の水質となったり、逆に水質が不足したりすることに対し、対応できないという問題がある。
【0006】
【特許文献1】
米国特許第4,574049号明細書(第3欄34行−第4欄4行、図1)
【0007】
【非特許文献1】
ニューメンブレンテクノロジーシンポジウム2002予稿集(第6-1-1頁−第6-1-10頁)
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
単純に1段目逆浸透膜の透過水を一旦集めて、2段目逆浸透膜に供給すると、必要以上に2段目逆浸透膜の規模が大きくなるという問題がある。また、1段目の透過水の一部を2段目へ供給する場合、2段目への供給水の水質が制御できないという問題がある。本発明は、このような点に鑑みてなされたもので、逆浸透膜で処理した透過水を部分的に再度逆浸透膜で処理する膜処理方法において、後段の逆浸透膜部分の規模を低減し、効率的な処理が可能な処理方法を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を克服すべく鋭意検討を重ねた結果、本発明に到達した。すなわち、本願発明は下記の構成を有するものである。
(1)高濃度原水を2段の逆浸透膜モジュールで処理し、高濃度の濃縮水と低濃度の透過水とに分離する処理方法であって、1段目の逆浸透膜モジュールで分離された低濃度の透過水が2段目の逆浸透膜モジュールに供給されるように配設され、1段目の逆浸透膜モジュールの透過水の10%から100%を2段目の逆浸透膜モジュールで処理することを特徴とする高濃度溶液の処理方法。
(2)1段目の逆浸透膜モジュールにおいて逆浸透膜モジュールが2連に配置され、1連目逆浸透膜モジュールに高濃度原水が供給され、2連目逆浸透膜モジュールに1連目モジュールの濃縮水が供給される構成をもつ(1)記載の高濃度溶液の処理方法。
(3)1段目の逆浸透膜モジュールの2連目の逆浸透膜モジュールの透過水と1連目の逆浸透膜モジュールの透過水を100:0から40:60の割合で混合して、2段目の逆浸透膜モジュールで逆浸透処理することを特徴する(1)、(2)いずれか記載の高濃度溶液の処理方法。
(4)中空糸型逆浸透膜が酢酸セルロース系高分子からなることを特徴とする(1)〜(3)いずれか記載の高濃度溶液の処理方法。
(5)2段目の逆浸透膜モジュールがポリアミド系素材の逆浸透膜からなることを特徴とする(1)〜(4)いずれか記載の高濃度溶液の処理方法。
(6)高濃度原水が海水であることを特徴とする(1)〜(5)いずれか記載の高濃度溶液の処理方法。
(7)高濃度原水に殺菌処理として間欠的に塩素を注入することを特徴とする(1)〜(6)いずれか記載の高濃度溶液の処理方法。
【0010】
本発明における高濃度原水とは、逆浸透処理が可能な溶質の溶解液体であり、濃度はその浸透圧から逆浸透処理が可能な範囲にあるものである。例えば、海水などがあげられ、回収率によっても異なるが、逆浸透膜では、5.4MPaから9MPaで淡水化処理が可能である。
【0011】
本発明における逆浸透膜とは、数十ダルトンの分子量の分離特性を有する領域の分離膜であり、具体的には、0.5MPa以上の操作圧力で、食塩を90%以上、除去可能であるものである。海水淡水化に使用される中空糸型逆浸透膜は、操作圧力が大きく、また、食塩の除去率は99%以上が一般的である。
【0012】
本発明における2段の逆浸透処理とは、原水を一度、逆浸透処理した透過水を再度、逆浸透処理する処理方法であり、1段目逆浸透膜モジュールと2段目逆浸透膜モジュールの間には昇圧操作が必要となる。本発明の場合は、部分的な2段処理のため、2段目の処理がなされない1段目の透過水は、2段目の処理水と合流して生産水として取り出される。なお、1段目の逆浸透膜モジュールと2段目の逆浸透膜モジュールは同一の特性でも異なる特性でもかまわない。2段目の逆浸透膜モジュールの除去率が1段目の逆浸透膜モジュールの除去率より高いほうが好ましい。また、2段目での除去性能を向上させるためや、2段目の膜特性を考慮して、1段目と2段目の間で添加剤を注入してもかまわない。例えば、海水淡水化の場合は、ホウ素の除去率は一般的には塩の除去率に比べて高くないが、アルカリを添加してpHを9以上にあげると、ホウ素の除去率は大幅に増加するため、アルカリを添加する場合がある。また、1段目の逆浸透膜モジュールが耐塩素性を有し、供給水、透過水に残留塩素が存在する場合、還元剤を注入する場合がある。アルカリの例としては、水酸化ナトリウム、水酸化カルシウムなどがあげられ、水酸化ナトリウムが最も好ましい。また、還元剤の例としては、亜硫酸水素ナトリウム、亜硫酸水素ナトリウム、チオ硫酸ナトリウムなどがあげられ、亜硫酸水素ナトリウムが最も好ましい。
【0013】
本発明において、逆浸透膜モジュールが2連に配置されるとは、原水を一度、逆浸透処理した濃縮水を再度、逆浸透処理する処理方法であり、1連目の逆浸透膜モジュールと2連目の逆浸透膜モジュールの間には昇圧操作は不要である。
【0014】
本発明において、2段目の逆浸透膜モジュールで処理される1段目の透過水の一部は、1段目だけでは透過水の水質が不十分である2連目逆浸透膜モジュールの透過水が主となる。しかしながら、2段法全体の透過水の水質から判断して、余裕がある場合は、2連目逆浸透膜モジュールの透過水の一部で良いが、逆に、不十分であれば、2連目逆浸透膜モジュールの透過水全量に、1連目逆浸透膜モジュールの透過水の一部を加えた混合液となる。2連目逆浸透膜モジュールの透過水の一部で良い場合は、その割合は20%〜100%が好ましく、より好ましくは50%〜100%である。さらに好ましくは70%〜100%である。この範囲内にあれば、2段法の効果が顕著となり好ましい。一方、1連目逆浸透膜モジュールの透過水の一部を加えた混合液の場合は、その混合割合は1%〜50%が好ましく、より好ましくは1%〜30%である。さらに、1〜30%であれば、2段目の処理の負荷を低く抑えることができ2段法のシステムが有効に作用する点で好ましい。
また、1段目の逆浸透膜モジュール内の供給水流量が大きくなり、膜表面の更新が促進されるような、2本の逆浸透膜モジュールが2連に直列に配置されている場合は、高回収率運転時等にはより好ましい。さらに、2段目の逆浸透膜モジュールに供給され、逆浸透処理される1段目の逆浸透膜モジュールの透過水は、1段目の逆浸透膜モジュールのなかでも透過水の濃度が高い2連目の逆浸透膜モジュールの透過水を主とするのが好ましい。1連目の逆浸透膜モジュールの透過水量が2連目の逆浸透膜モジュールの透過水量より多いことを考慮して、1連目の逆浸透膜モジュールの透過水と2連目の逆浸透膜モジュールの透過水の割合は、0:100から60:40の割合が好ましい。
【0015】
本発明における酢酸セルロース系高分子とは、酢酸セルロース、三酢酸セルロース、両者の混合物が例としてあげられる。性能面、性能の安定性等から三酢酸セルロースが好ましい。また、これらの素材は耐塩素性に優れるため、供給水に殺菌剤として塩素を添加が可能である。間欠的に注入するほうが、消毒物副生製物の発生量や薬品使用量が小さくなり好ましい。
【0016】
本発明におけるポリアミド系素材とは、線状ポリアミド高分子、架橋ポリアミド高分子等が例としてあげられ、除去性能が優れているものであれば、いずれでもかまわない。また、耐塩素性を有するものとそうでないものがあるが、運転管理上、耐塩素性を有しているものが好ましい。
【0017】
本発明における耐塩素性を有するとは、水道水程度の残留塩素の存在下での1年程度の連続使用が可能であることを意味する。耐塩素性を有するポリアミド系逆浸透膜の例としては、東洋紡績(株)製のHS(R)シリーズなどがあげられる。この2段目の逆浸透膜モジュールが耐塩素性を有すると、1段目の逆浸透膜モジュールへの供給水に塩素を用いて、透過水中に残留しても、そのまま、2段目逆浸透膜モジュールの処理が可能となるため、操作性、還元剤の薬品使用量の点から好ましい。
【0018】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態1を図1に基づいて説明する。図1は、一例として1段目の逆浸透膜として、2つの中空糸型逆浸透膜モジュールを2連に配置し、2連目の逆浸透膜モジュールの透過水のみを2段目の逆浸透膜モジュールへ供給して分離操作を行う場合を示している。高圧ポンプ4により昇圧された供給水6は1段目1連目の逆浸透膜モジュールに供給され、濃縮水8は2連目の逆浸透膜モジュール2に供給される。2連目の逆浸透膜モジュール2の濃縮水10は排出され、透過水9は昇圧ポンプ5によりで昇圧され、2段目の逆浸透膜モジュール3へ供給され濃縮水12は排出され、透過水11は1連目の透過水7と合流し生産水13として得られる。
【0019】
図2は図1と類似しており、1段目の1連目逆浸透膜モジュール1の透過水7と1段目2連目逆浸透膜モジュール2の透過水9とが連通しており、流量調整バルブ14,15、16で1連目、2連目の各逆浸透膜モジュールの透過水の割合を制御可能で2段目逆浸透膜モジュール2への供給水の流量、水質を変更可能である。例えば、流量調整バルブ14、15を開け、流量調整バルブ16を絞れば、1連目逆浸透膜モジュール1の透過水7の混合割合が増加し、逆に、流量調整バルブ14、16を開け、流量調整バルブ15を絞れば、2連目逆浸透膜モジュール2透過水の流量を減少させることが可能である。
【0020】
【実施例】
以下に、実施例を挙げて本発明を説明するが、本発明はこれらの実施例により何ら制限されるものではない。なお、実施例は、海水淡水化用の逆浸透膜の場合を示す。
【0021】
(実施例1)
1段目の逆浸透膜モジュールとして三酢酸セルロース製の中空糸型逆浸透膜エレメントが圧力容器内に2本装着された中空糸型逆浸透膜モジュールを用い、2段目の逆浸透膜モジュールとして耐塩素性ポリアミド製の中空糸型逆浸透膜モジュールを用い、図1に示すような、1段目が2連の2段のモジュール配置で海水を処理した。但し、2段目への供給水へNaOHを添加し、pHを9に設定した。運転条件は以下の通りであった。原水の温度25℃、TDS濃度3.5%、ホウ素濃度4.5mg/L、1段目の操作圧力70kg/cm2、2段目の操作圧力15kg/cm2、1段目の回収率53%、2段目の回収率85%。得られた2段処理としての生産水の水質はTDS143mg/L、ホウ素1.23mg/lであった。また、2段目の昇圧ポンプの消費電力は0.18kw/m3であった。1、2段目の水質等は表1にまとめて示した。
【0022】
(実施例2)
逆浸透膜モジュールの配置が図2であること以外、実施例1と同様に海水を処理した。但し、2段目逆浸透膜モジュールへの供給水が2連目逆浸透膜モジュールの透過水の80%とし、2段目の処理用の逆浸透膜モジュールの処理量が実施例1と同じ程度となるように、本数を80%にした。得られた2段処理としての生産水の水質はTDS166mg/L、ホウ素1.39mg/lであった。また、2段目の昇圧ポンプの消費電力は0.14kw/m3であった。1、2段目の水質等は表1にまとめて示した。
【0023】
(実施例3)
逆浸透膜モジュールの配置が図2であり、2段目逆浸透膜モジュールへの供給水が2連目逆浸透膜モジュールの透過水の100%と1連目逆浸透膜モジュールの25%の混合水であること以外、実施例2と同様に海水を処理した。但し、2段目の処理用の逆浸透膜モジュールの処理量が実施例1と同じ程度となるように、本数を150%にした。得られた2段処理としての生産水の水質はTDS116mg/L、ホウ素1.04mg/lであった。また、2段目の昇圧ポンプの消費電力は0.27kw/m3であった。1、2段目の水質等は表1にまとめて示した。
【0024】
(比較例1)
図2のモジュール配置で、1段目の1連目逆浸透膜モジュールの透過水、2連目の逆浸透膜モジュールの透過水がすべて2段目の逆浸透膜モジュールの供給水となるような、完全な2段法で実施例3と同様に海水を処理した。但し、2段目の処理用の逆浸透膜モジュール当たりの処理量が実施例1と同じ程度となるように、逆浸透膜モジュール本数を約3倍にした。得られた2段処理としての生産水の水質はTDS25mg/L、ホウ素0.4mg/lであった。また、2段目の昇圧ポンプの消費電力は0.59kw/m3であった。生産水質の濃度は非常に低いが、TDS濃度が低すぎる傾向があることと、2段目の昇圧ポンプの消費電力が非常に大きく、過剰な処理の運転であると考えられる。1、2段目の水質等は表1にまとめて示した。
【0025】
【表1】
【0026】
【発明の効果】
逆浸透膜で処理した透過水を部分的に再度逆浸透膜で処理する膜処理方法において、2段目の逆浸透膜モジュール部分の規模および消費電力を低減する方法を提供することができる。また、2段目の逆浸透膜モジュールへの供給水を変更して、全体のシステムの最適化が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の処理方法の一例で、1段目の2連目逆浸透膜モジュールの透過水のみ2段目の逆浸透膜モジュールに供給される場合の簡単な構成図を示す。
【図2】本発明の処理方法の一例で、1段目の2連目逆浸透膜モジュールの透過水と1連目の逆浸透膜モジュールの透過水の混合水が2段目の逆浸透膜モジュールに供給される場合の簡単な構成図を示す。
【符号の説明】
1:1段目の1連目の逆浸透膜モジュール
2:1段目の2連目の逆浸透膜モジュール
3:2段目の逆浸透膜モジュール
4:高圧ポンプ
5:昇圧ポンプ
6:供給水
7:1連目の逆浸透膜モジュールの透過水
8:1連目の逆浸透膜モジュールの濃縮水
9:2連目の逆浸透膜モジュールの透過水
10:2連目の逆浸透膜モジュールの濃縮水
11:2段目の逆浸透膜モジュールの透過水
12:2段目の逆浸透膜モジュールの濃縮水
13:生産水
14、15,16:流量調整バルブ
Claims (8)
- 高濃度原水を2段の逆浸透膜モジュールで処理し、高濃度の濃縮水と低濃度の透過水とに分離する処理方法であって、
1段目の逆浸透膜モジュールで分離された低濃度の透過水が昇圧され2段目の逆浸透膜モジュールに供給されるように配設され、
1段目の逆浸透膜モジュールにおいて逆浸透膜モジュールが2連に配置され、1連目逆浸透膜モジュールに高濃度原水が供給され、2連目逆浸透膜モジュールに1連目モジュールの濃縮水が供給される構成をもち、
1段目の1連目の逆浸透膜モジュールの透過水の50%以下が2段目の逆浸透膜モジュールに供給され、
1段目の逆浸透膜モジュールの透過水の10%以上100%未満を2段目の逆浸透膜モジュールで処理することを特徴とする高濃度溶液の処理方法。 - 1段目の逆浸透膜モジュールの2連目の逆浸透膜モジュールの透過水と1連目の逆浸透膜モジュールの透過水を100:0から40:60の割合で混合して、2段目の逆浸透膜モジュールで逆浸透処理することを特徴とする請求項1記載の高濃度溶液の処理方法。
- アルカリを添加して2段目の供給水のpHを9以上にあげることを特徴とする請求項1または2に記載の高濃度溶液の処理方法。
- 還元剤を添加して1段目の透過水に含まれる残留塩素を除去し、2段目の供給水とすることを特徴とする請求項1〜3いずれかに記載の高濃度溶液の処理方法。
- 1段目の逆浸透膜が酢酸セルロース系高分子からなる中空糸膜であることを特徴とする請求項1〜4いずれか記載の高濃度溶液の処理方法。
- 2段目の逆浸透膜モジュールがポリアミド系素材の逆浸透膜からなることを特徴とする請求項1〜5いずれか記載の高濃度溶液の処理方法。
- 高濃度原水が海水であることを特徴とする請求項1〜6いずれか記載の高濃度溶液の処理方法。
- 高濃度原水に殺菌処理として間欠的に塩素を注入することを特徴とする請求項1〜7いずれか記載の高濃度溶液の処理方法。
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