JP6649309B2 - 水処理システム及び作業媒体 - Google Patents

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Description

実施形態は、水処理システム及び作業媒体に関する。
溶質濃度の低い溶液と高い溶液とを浸透膜で隔離すると、低い濃度の溶液の溶媒は浸透膜を透過して高い濃度の溶液側に移動する。この溶媒が移動する現象を利用することにより、海水淡水化などの脱塩を行う脱塩システム、タービンを回して発電する浸透圧発電システムが知られている。また、これを利用した食品、汚泥を濃縮する濃縮システムも知られている。このとき濃度の高い側に使用されるのが作業媒体（ドロー溶液：Draw solution）で、これまで種々のものが提案されている。
ドロー溶液の溶質は、一般に食塩が用いられている。有機塩もドロー溶液の溶質として用いられている。しかしながら、有機塩のドロー溶液は水の透過流束が食塩のドロー溶液に比べて劣っている。
２種以上の溶質を混合したドロー溶液が提案されている。複数の無機塩の混合物は、相乗効果が観測されるが、無機塩とサッカロースの場合には逆効果で浸透膜を通過する流束が下がることもある。
特表２０１０−５０９５４０号公報
実施形態は、低コストで水を分離することができる水処理システム及び作業媒体を提供する。
実施形態に係る水処理システムは、被処理水を収容する第１チャンバーと浸透圧を誘起する作業媒体を収容する第２チャンバーとを区画する浸透膜を備える第１処理容器を有し、作業媒体が主鎖、側鎖、若しくは主鎖及び側鎖にカルボン酸基の金属塩構造を有する化合物、主鎖、側鎖、若しくは主鎖及び側鎖にホスホン酸基の金属塩構造を有する化合物、又は、主鎖、側鎖、若しくは主鎖及び側鎖にカルボン酸基の金属塩構造並びに主鎖、側鎖、若しくは主鎖及び側鎖にホスホン酸基の金属塩構造を有する化合物と無機塩を溶質として含む水溶液であり、無機塩は、アルカリ土類金属の塩又はアンモニウム塩であり、無機塩の濃度は、０．４ｍｏｌ／Ｌ以上１０ｍｏｌ／Ｌ以下である。
実施形態に係る水処理システムの概略図。 実施形態に係る溶質の化学式。 実施形態に係る水処理システムの概略図。 実施形態に係る水処理システムの概略図。 実施形態に係る水処理システムの概略図。
以下、実施形態の水処理システムと水処理システムに使用される作業媒体を説明する。
（第１実施形態）
第１実施形態に係る水処理システムを図１に示す概略図を参照して説明する。図１に示す第１実施形態に係る水処理システム１００は、被処理水Ａを収容する第１チャンバー１３と作業媒体Ｂを収容する第２チャンバー１４とを区画する浸透膜１２を備える第１処理容器１１を有する浸透圧発生器１において、作業媒体Ｂが浸透圧を誘起する。
このような水処理システム１００によれば、第１チャンバー１３内の被処理水Ａと第２チャンバー１４内の作業媒体Ｂとの間で生じる浸透圧差により第１チャンバー１３内の被処理水Ａ中の水Ｃが浸透膜１２を透過して第２チャンバー１４内の作業媒体Ｂに移動する。
実施形態の作業媒体Ｂを用いることで、第１チャンバー１３内の被処理水Ａ中の水Ｃを大きな透過流束で浸透膜を透過して第２チャンバー１４内の作業媒体Ｂに移動させることが可能になる点で、実施形態の水処理システムは好ましい。実施形態の作業媒体Ｂは、低コストで運転することができる水処理システム、及び水処理システムに使用される。
第１処理容器１１は、浸透膜１２によって、第１チャンバー１３と第２チャンバー１４とに区画が隔てられている。第１処理容器１１は、第１チャンバー１３に被処理水Ａを収容し、第２チャンバー１４に作業媒体Ｂを収容する樹脂製又は金属製の容器である。
浸透膜１２は、例えば正浸透膜（Forward Osmosis Membrane:ＦＯ膜）であっても逆浸透膜（Reverse Osmosis Membrane:ＲＯ膜）であってもよい。好ましい浸透膜は、ＦＯ膜である。
浸透膜１２は、例えば酢酸セルロース膜、ポリアミド膜などを用いることができる。浸透膜は、４５μｍ以上２５０μｍ以下の厚さを有することが好ましい。
第１チャンバー１３は、被処理水Ａを収容する第１処理容器１１内の領域であって、浸透膜１２によって区画が隔てられている。第１チャンバー１３には、被処理水Ａが導入排出される図示しない導入排出経路を設けてもよい。
被処理水Ａは、作業媒体よりも溶質濃度の低い液体である。被処理水Ａは、例えば塩水（海水等）、湖水、河川水、沼水、生活排水、産業廃水又はそれらの混合物を挙げることができる。被処理水Ａが塩水の場合、塩水の塩（塩化ナトリウム）濃度は例えば、０．０５％〜８％であればよい。被処理水Ａは、塩化ナトリウム、塩化マグネシウムや硫酸マグネシウム、硫酸カルシウム、塩化カリウムなどの塩や浮遊物質含み、水以外の物質が濃縮される。
第２チャンバー１４は、作業媒体Ｂを収容する第１処理容器１１内の領域であって、浸透膜１２によって区画が隔てられている。第２チャンバー１３には、作業媒体Ｂが導入排出される図示しない導入排出経路を設けてもよい。
第１実施形態の作業媒体Ｂは、主鎖、側鎖、若しくは主鎖及び側鎖にカルボン酸基の金属塩構造を有する化合物、主鎖、側鎖、若しくは主鎖及び側鎖にホスホン酸基の金属塩構造を有する化合物、又は、主鎖、側鎖、若しくは主鎖及び側鎖にカルボン酸基の金属塩構造並びに主鎖、側鎖、若しくは主鎖及び側鎖にホスホン酸基の金属塩構造を有する化合物と無機塩を溶質として含む水溶液である。作業媒体Ｂは、水溶液であるため、水を溶媒として含む。かかる溶質を含む作業媒体Ｂは、高い浸透圧の誘起作用を示し、かつ、無機塩の溶質損失を抑制するため好ましい。このため、第１チャンバー１３内の被処理水Ａ中の水が浸透膜１２を透過して第２チャンバー１４内の作業媒体Ｂに移動する際、高い透過流束（Ｊｗ Ｌ／ｍ２ｈ）を発生させることができる。
したがって、実施形態では、被処理水Ａの脱塩、濃縮等の処理を効率的に実施し得る、低コストにて運転可能な水処理システムを提供できる。実施形態の水処理システムは、回転体をさらに有し、浸透圧の誘起によって、水流が生じ、水流によって回転体を回転させて発電する水処理システムとして利用することも好ましい。
作業媒体Ｂに含まれる溶質は浸透膜１２を介して被処理水Ａ側に漏れ出す現象があり、この溶質の損失が被処理水Ａの水質低下を招き、さらには正浸透システムのランニングコストを上昇させる。
作業媒体Ｂに含まれる溶質の化合物に、主鎖、側鎖、若しくは主鎖及び側鎖にカルボン酸基の金属塩構造を有する化合物、主鎖、側鎖、若しくは主鎖及び側鎖にホスホン酸基の金属塩構造を有する化合物、又は、主鎖、側鎖、若しくは主鎖及び側鎖にカルボン酸基の金属塩構造並びに主鎖、側鎖、若しくは主鎖及び側鎖にホスホン酸基の金属塩構造を有する化合物と無機塩を含むと溶質逆透過流速（Ｊｓ ｍｍｏｌ／ｍ２ｈ）を小さくできることが分かった。これは、溶液中で無機塩の金属イオンに溶解した化合物のカルボン酸基とホスホン酸基が配位することで、キレート錯体を形成し、無機塩の金属イオンが浸透膜１２を透過しにくくなったと考えられる。従って、実施形態の作業溶液は、高い溶質濃度を維持することと、高い浸透圧を維持することを両立させている。
実施形態の主鎖、側鎖、若しくは主鎖及び側鎖にカルボン酸基の金属塩構造を有する化合物と主鎖、側鎖、若しくは主鎖及び側鎖にホスホン酸基の金属塩構造を有する化合物（分子）は、ＣｘＨｙＰｚＯｗＮｓＭｔで表される。Ｍは、金属である。透過流速を高くするため、２≦ｘ≦２０、８≦ｙ≦３０、１≦ｚ≦６、３≦ｗ≦１８、０≦ｓ≦３、２≦ｔ≦１０を満たすことが好ましい。また、溶質逆透過流速を小さくするため、２≦ｘ≦３０、８≦ｙ≦３５、２≦ｚ≦５、３≦ｗ≦１５、０≦ｓ≦３、２≦ｔ≦１０を満たすことが好ましい。そして、透過流速を高め、かつ、溶質逆透過流速を小さくするため、２≦ｘ≦２０、８≦ｙ≦２３、２≦ｚ≦５、３≦ｗ≦１５、０≦ｓ≦３、２≦ｔ≦１０を満たすことが好ましい。Ｍで表される金属は、カルボン酸基の金属塩の金属又はホスホン酸基の金属塩の金属である。金属塩の金属は、アルカリ金属が好ましい。金属塩の金属は、Ｎａ、Ｋ、又は、Ｎａ及びＫが好ましい。実施形態の溶質に含まれる元素又は構造は、液体クロマトグラフィーで分析し、それぞれのピークの化合物を分離し、ＮＭＲ又は有機元素分析装置で求めることができる。
主鎖、側鎖、若しくは主鎖及び側鎖にカルボン酸基の金属塩構造を有する化合物、主鎖、側鎖、若しくは主鎖及び側鎖にホスホン酸基の金属塩構造を有する化合物、又は、主鎖、側鎖、若しくは主鎖及び側鎖にカルボン酸基の金属塩構造並びに主鎖、側鎖、若しくは主鎖及び側鎖にホスホン酸基の金属塩構造を有する化合物は、図２の式（１）、（２）、（３）、（４）又は（５）で表される構造を有する化合物のカルボン酸基が金属塩構造、ホスホン酸基が金属塩構造、又は、カルボン酸基及びホスホン酸基が金属塩構造を有する化合物であることが好ましい。図２の式（１）、（２）、（３）、（４）と（５）で表される構造を有する化合物のカルボン酸基の一部又は全部は、カルボン酸基の金属塩である。図２の式（１）、（２）、（３）、（４）、（５）で表される構造を有する化合物ホスホン酸基の一部又は全部は、ホスホン酸基の金属塩である。溶質の化合物に含まれる側鎖の一部に塩ではないホスホン酸基やカルボン酸基が含まれていてもよい。
式（１）中のＲ１１〜Ｒ１３は、Ｃｎ１Ｈ２ｎ１（ｎ１は０から２までの整数のいずれか）のアルキル鎖である。式（１）中のＸ１１〜Ｘ１３は、それぞれ、−ＣＯＯＨ、−Ｐ（ＯＨ）２とＯＨからなる群のうちのいずれかである。一分子中少なくとも２つのＸは、−ＣＯＯＨ又はＰ（ＯＨ）２である。図２の式（１）で表される構造を有する化合物としては、ニトリロ三酢酸、Ｎ−（２−ヒドロキシエチル）イミノニ酢酸、ニトリロトリス（メチレンホスホン酸）が好ましい。図２の式（１）で表される構造を有する化合物のカルボン酸基、ホスホン酸基、又は、カルボン酸基及びホスホン酸基が金属塩構造を有している化合物としては、ニトリロ三酢酸２Ｎａ塩、Ｎ−（２−ヒドロキシエチル）イミノニ酢酸２Ｎａ塩、ニトリロトリス（メチレンホスホン酸）５Ｎａ塩が挙げられる。
式（２）中のＲ２１〜Ｒ２７は、Ｃｎ２Ｈ２ｎ２（ｎ２は０から２までの整数のいずれか）のアルキル鎖である。式（２）中のＸ２１〜Ｘ２７は、それぞれ、Ｈ、−ＣＯＯＨ、−Ｐ（ＯＨ）２とＯＨからなる群のうちのいずれかである。一分子中少なくとも２つのＸは、−ＣＯＯＨ又はＰ（ＯＨ）２である。一分子中少なくとも３つのＸは、Ｈ以外の官能基である。図２の式（２）で表される構造を有する化合物としては、ジエチレントリアミン五酢酸、ジエチレントリアミンペンタ(メチレンホスホン酸)が好ましい。図２の式（２）で表される構造を有する化合物のカルボン酸基、ホスホン酸基、又は、カルボン酸基及びホスホン酸基が金属塩構造を有している化合物としては、ジエチレントリアミン五酢酸３Ｎａ塩、ジエチレントリアミン五酢酸５Ｎａ塩、ジエチレントリアミンペンタ(メチレンホスホン酸)７Ｎａ塩が挙げられる。
式（３）中のＲ３１〜Ｒ３５は、Ｃｎ３Ｈ２ｎ３（ｎ３は０から３までの整数のいずれか）のアルキル鎖であり、Ｒ３１には水酸基があってもよく、エーテル結合を一つ以上介していてもよい。また、Ｒ３２〜Ｒ３５は、任意にカルボン酸基が含まれていてもよい。式（３）中のＸ３１〜Ｘ３４は、それぞれ、Ｈ、−ＣＯＯＨ、−Ｐ（ＯＨ）２とＯＨからなる群のうちのいずれかである。一分子中少なくとも２つのＸは、−ＣＯＯＨ又はＰ（ＯＨ）２である。一分子中少なくとも３つのＸは、Ｈ以外の官能基である。図２の式（３）で表される構造を有する化合物としては、Ｎ−（２−ヒドロキシエチル）エチレンジアミン−Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−三酢酸、１，３−プロパンジアミン四酢酸、１，３−ジアミノ−２−プロパノール−Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−四酢酸、グリコールエーテルジアミン四酢酸、エチレンジアミンジスクシン酸、エチレンジアミンテトラメチレンホスホン酸が好ましい。図２の式（３）で表される構造を有する化合物のカルボン酸基、ホスホン酸基、又は、カルボン酸基及びホスホン酸基が金属塩構造を有している化合物としては、Ｎ−（２−ヒドロキシエチル）エチレンジアミン−Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−三酢酸３Ｎａ塩、１，３−プロパンジアミン四酢酸４Ｎａ塩、１，３−ジアミノ-2-プロパノール−Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−四酢酸２Ｎａ塩、グリコールエーテルジアミン四酢酸４Ｎａ塩、エチレンジアミンジスクシン酸３Ｎａ塩、エチレンジアミンテトラメチレンホスホン酸５Ｎａ塩が挙げられる。
式（４）中のＲ４１〜Ｒ４９は、Ｃｎ４Ｈ２ｎ４（ｎ４は０から２までの整数のいずれか）のアルキル鎖である。式（４）中のＸ４１〜Ｘ４６は、それぞれ、Ｈ、−ＣＯＯＨ、−Ｐ（ＯＨ）２とＯＨからなる群のうちのいずれかである。一分子中少なくとも２つのＸは、−ＣＯＯＨ又はＰ（ＯＨ）２である。一分子中少なくとも３つのＸは、Ｈ以外の官能基である。
式（５）中のＲ５１〜Ｒ５４は、Ｃｎ５Ｈ２ｎ５（ｎ５は０から２までの整数のいずれか）のアルキル鎖である。式（５）中のＸ５１〜Ｘ５４は、それぞれ、Ｈ、−ＣＯＯＨ、−Ｐ（ＯＨ）２とＯＨからなる群のうちのいずれかである。一分子中少なくとも２つのＸは、−ＣＯＯＨ又はＰ（ＯＨ）２である。一分子中少なくとも３つのＸは、Ｈ以外の官能基である。図２の式（５）で表される構造を有する化合物としては、３−カルボキシ−３−ホスホノヘキサン二酸が好ましい。図２の式（５）で表される構造を有する化合物のカルボン酸基、ホスホン酸基、又は、カルボン酸基及びホスホン酸基が金属塩構造を有している化合物としては、３−カルボキシ−３−ホスホノヘキサン二酸５Ｎａ塩が挙げられる。
したがって、主鎖、側鎖、若しくは主鎖及び側鎖にカルボン酸基の金属塩構造を有する化合物は、ニトリロ三酢酸２Ｎａ塩、Ｎ−（２−ヒドロキシエチル）イミノニ酢酸２Ｎａ塩、ジエチレントリアミン五酢酸３Ｎａ塩、ジエチレントリアミン五酢酸５Ｎａ塩、Ｎ−（２−ヒドロキシエチル）エチレンジアミン−Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−三酢酸３Ｎａ塩、１，３−プロパンジアミン四酢酸４Ｎａ塩、１，３−ジアミノ−２−プロパノール−Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−四酢酸２Ｎａ塩、グリコールエーテルジアミン四酢酸４Ｎａ塩、エチレンジアミンジスクシン酸３Ｎａ塩、3-カルボキシ−３−ホスホノヘキサン二酸５Ｎａからなる群のうちのいずれか１種以上であることが好ましい。
したがって、主鎖、側鎖、若しくは主鎖及び側鎖に複数のホスホン酸基の金属塩構造を有する化合物は、ニトリロトリス（メチレンホスホン酸）５Ｎａ塩、ジエチレントリアミンペンタ(メチレンホスホン酸)７Ｎａ塩、エチレンジアミンテトラメチレンホスホン酸５Ｎａからなる群のうちのいずれか１種以上であることが好ましい。
したがって、主鎖、側鎖、若しくは主鎖及び側鎖にカルボン酸基の金属塩構造とホスホン酸基の金属塩構造を有する化合物は、３−カルボキシ−３−ホスホノヘキサン二酸５Ｎａからなる群ののうちのいずれか１種以上であることが好ましい。
金属塩の置換数はｐＨによって変化する。例えば、ジエチレントリアミン５酢酸の３Ｎａ塩は弱アルカリ性であり、５Ｎａ塩は強アルカリ性である。ＦＯ膜の耐性の観点から、中性付近の作業媒体Ｂを用いることが望ましいが、浸透圧の観点からは置換数が多いほうが好ましい。そこで、実施形態の作業媒体ＢのｐＨは、２以上１２以下であることが好ましい。作業媒体ＢのｐＨは、堀場製ガラス電極式水素イオン濃度計でマニュアル記載の方法で測定することによって求められる。
主鎖、側鎖、若しくは主鎖及び側鎖にカルボン酸基の金属塩構造を有する化合物、主鎖、側鎖、若しくは主鎖及び側鎖にホスホン酸基の金属塩構造を有する化合物、又は、主鎖、側鎖、若しくは主鎖及び側鎖にカルボン酸基の金属塩構造並びに主鎖、側鎖、若しくは主鎖及び側鎖にホスホン酸基の金属塩構造を有する化合物に含まれるカルボン酸基とホスホン酸基の総数は、５以上であることが好ましい。カルボン酸基とホスホン酸基が多く含まれることで、キレートが安定化し、溶質損失の低減の効果が顕著になる。
また、主鎖、側鎖、若しくは主鎖及び側鎖にカルボン酸基の金属塩構造を有する化合物、主鎖、側鎖、若しくは主鎖及び側鎖にホスホン酸基の金属塩構造を有する化合物、又は、主鎖、側鎖、若しくは主鎖及び側鎖にカルボン酸基の金属塩構造並びに主鎖、側鎖、若しくは主鎖及び側鎖にホスホン酸基の金属塩構造を有する化合物に含まれる塩構造のカルボン酸基と塩構造のホスホン酸基の総数は、５以上であることが好ましい。塩構造のカルボン酸基とホスホン酸基の総数が多いほど、キレートが安定化し、溶質損失の低減の効果が顕著になる。
主鎖、側鎖、若しくは主鎖及び側鎖にカルボン酸基の金属塩構造を有する化合物、主鎖、側鎖、若しくは主鎖及び側鎖にホスホン酸基の金属塩構造を有する化合物、又は、主鎖、側鎖、若しくは主鎖及び側鎖にカルボン酸基の金属塩構造並びに主鎖、側鎖、若しくは主鎖及び側鎖にホスホン酸基の金属塩構造を有する化合物（溶質）の作業媒体Ｂ中の濃度は、０．０５ｍｏｌ／Ｌ以上１．０ｍｏｌ／Ｌ未満であり、０．０５ｍｏｌ／Ｌ以上０．６ｍｏｌ／Ｌ以下であることが好ましい。濃度が低すぎると、浸透圧の誘起が小さくなり好ましくない。また、濃度が高すぎると、溶質の損失が大きくなり好ましくない。より好ましい濃度範囲は、０．２ｍｏｌ／Ｌ以上０．６ｍｏｌ／Ｌ以下である。
作業媒体Ｂ中の無機塩（溶質）は、アルカリ土類金属の塩又はアンモニウム塩であることが好ましい。アルカリ土類金属のイオンやアンモニウムイオンは、溶液中で、主鎖、側鎖、若しくは主鎖及び側鎖にカルボン酸基の金属塩構造を有する化合物、主鎖、側鎖、若しくは主鎖及び側鎖にホスホン酸基の金属塩構造を有する化合物、又は、主鎖、側鎖、若しくは主鎖及び側鎖にカルボン酸基の金属塩構造並びに主鎖、側鎖、若しくは主鎖及び側鎖にホスホン酸基の金属塩構造を有する化合物との安定的なキレートを形成し、溶質損失が少なくなるという利点がある。無機塩（溶質）は、炭酸塩、硝酸塩、スルホン酸塩、リン酸塩とハロゲン元素との塩からなる群のうちのいずれか１種以上であると、低コストであるという理由で好ましい。具体的な好ましいアルカリ土類金属は、Ｍｇ，Ｃａ、又は、Ｍｇ及びＣａであり、Ｍｇがより好ましい。具体的な好ましいハロゲン元素は、Ｃｌである。無機塩としては、スルホン酸塩又はＣｌ塩がより好ましい。
無機塩（溶質）の作業媒体Ｂ中の濃度は、０．０５ｍｏｌ／Ｌ以上であることが好ましい。無機塩が少なすぎると、キレート錯体の形成が少なくなってしまい、溶質損失の低減効果が少なくなってしまう。より具体的には、無機塩（溶質）の作業媒体Ｂ中の濃度は、０．４ｍｏｌ／Ｌ以上１０．０ｍｏｌ／Ｌ以下が好ましく、０．４ｍｏｌ／Ｌ以上５．０ｍｏｌ／Ｌ以下がより好ましい。また、作業媒体Ｂ中の無機塩（溶質）の濃度は、主鎖、側鎖、若しくは主鎖及び側鎖にカルボン酸基の金属塩構造を有する化合物、主鎖、側鎖、若しくは主鎖及び側鎖にホスホン酸基の金属塩構造を有する化合物、又は、主鎖、側鎖、若しくは主鎖及び側鎖にカルボン酸基の金属塩構造並びに主鎖、側鎖、若しくは主鎖及び側鎖にホスホン酸基の金属塩構造を有する化合物の濃度よりも高い方がキレート錯体形成の観点から好ましい。
（第２実施形態）
第２実施形態は、実施形態１の主鎖、側鎖、若しくは主鎖及び側鎖にカルボン酸基の金属塩構造を有する化合物、主鎖、側鎖、若しくは主鎖及び側鎖にホスホン酸基の金属塩構造を有する化合物、又は、主鎖、側鎖、若しくは主鎖及び側鎖にカルボン酸基の金属塩構造並びに主鎖、側鎖、若しくは主鎖及び側鎖にホスホン酸基の金属塩構造を有する化合物の代わりにカルボン酸基の金属塩構造を有するアミノ酸を用いること以外は、第１実施形態と共通する。
アミノ酸は低分子であるため、溶質が被処理液Ａ側に移動して、溶質損失を生じさせ易いが、無機塩と併用することで、錯体を形成する。従って、実施形態では、アミノ酸を浸透圧を誘起する溶質として用いても浸透膜１２と透過しにくいという利点を有する。アミノ酸塩は、安価であるため、溶質損失の少ない実施形態の水処理システムは、ランニングコストの低減に効果的である。
カルボン酸基の金属塩構造を有するアミノ酸としては、アルギニンが挙げられる。カルボン酸基の金属塩構造を有するアミノ酸（溶質）の作業媒体Ｂ中の濃度は、１．０ｍｏｌ／Ｌ未満である。カルボン酸基の金属塩構造を有するアミノ酸（溶質）の作業媒体Ｂ中の濃度は、０．０５ｍｏｌ／Ｌ以上０．４ｍｏｌ／Ｌ以下が好ましく、０．０５ｍｏｌ／Ｌ以上０．４ｍｏｌ／Ｌ以下がより好ましい。
（第２実施形態）
次に、水処理システムの１つの例である脱塩システムを図３に示す概略図を参照して説明する。第２実施形態において、第１チャンバー１３、被処理水Ａ、第２チャンバー１４、作業媒体Ｂと浸透膜１２は、第１実施形態、第２実施形態と共通する。被処理水Ａは、海水などの塩水（塩化ナトリウム水溶液）である。第２実施形態に用いられる作業媒体Ｂは、第１実施形態又は第２実施形態の作業媒体Ｂである。図３以降では、水処理システム中の被処理水、作業媒体と水の符号は示していないが、これらの符号は、図１の水処理システムと共通する。
脱塩システム２００は、浸透圧発生器１と、希釈作業媒体タンク２と、逆浸透膜分離器３と、濃縮作業媒体タンク４とを備える。浸透圧発生器１、希釈作業媒体タンク２、逆浸透膜分離部３及び濃縮作業媒体タンク４は、この順序で接続されてループを形成している。浸透圧を誘起する作業媒体Ｂ（ドロー溶液）はこのループを循環する。すなわち、作業媒体Ｂは浸透圧発生器１、希釈作業媒体タンク２、逆浸透膜分離器３及び濃縮作業媒体タンク４をこの順番で循環する。なお、上及び下は、図面に表された方向であり、例えば、濃縮作業媒体タンク４は、希釈作業媒体タンク２の上側にあり、浸透圧発生器１は、逆浸透膜分離器３の左側にある。
被処理水タンク１５は、第１チャンバー１３が位置する処理容器１０の上部にパイプライン１０１ａを通して接続されている。第１ポンプ１６は、パイプライン１０１ａに設けられている。濃縮された被処理水Ａを排出するためのパイプライン１０１ｂは、第１チャンバー１３が位置する第１処理容器１１の下部に接続されている。
逆浸透膜分離部３は、例えば気密な第２処理容器２１を備えている。第２処理容器２１は、例えば逆浸透膜（ＲＯ膜）２２により例えば水平方向に区画され、左側に第３チャンバー２３が、右側に第４チャンバー２４がそれぞれ形成されている。
希釈作業媒体タンク２は、第３チャンバー２３が位置する第２処理容器２１の下部にパイプライン１０１ｅを通して接続されている。第３ポンプ２５は、パイプライン１０１ｅに設けられている。第３チャンバー２３が位置する第２処理容器２１の上部は、濃縮作業媒体タンク４にパイプライン１０１ｆを通して接続されている。第４チャンバー２４が位置する第２処理容器２１の下部は、純水タンク２６にパイプライン１０１ｇを通して接続されている。純水タンク２６には、作業媒体Ｂを濃縮する際に逆浸透膜２２を通って、第４チャンバーに移動した水（淡水）が収容される。純水タンク２６には、当該純水タンク２６内の純水を外部に送出して回収するためのパイプライン１０１ｈが接続されている。開閉弁２７は、パイプライン１０１ｈに設けられる。例えば、純水タンク２６内の純水が一定量を超えると開かれる。
濃縮作業媒体タンク４は、第２チャンバー１３が位置する第１処理容器１１の上部にパイプライン１０１ｃを通して接続されている。第２ポンプ１７は、パイプライン１０１ａに設けられている。第２チャンバー１３が位置する処理容器１０の下部は、希釈作業媒体タンク２にパイプライン１０１ｄを通して接続されている。
次に、図３に示す脱塩システム２００による脱塩操作を説明する。
第１ポンプ１６を駆動して被処理水Ａ（例えば海水）を被処理水タンク１５から浸透圧発生器１の第１チャンバー１３内にパイプライン１０１ａを通して供給する。海水の供給と前後して第２ポンプ１７を駆動して濃縮作業媒体Ｂを濃縮作業媒体タンク４から浸透圧発生器１の第２チャンバー１４内にパイプライン１０１ｃを通して供給する。このとき、第２チャンバー１４に供給された濃縮作業媒体Ｂの溶質濃度は、第１チャンバー１３に供給された海水の塩濃度に比べて高濃度である。このため、第１チャンバー１３内の海水と第２チャンバー１４内の濃縮作業媒体Ｂとの間で浸透圧差が生じ、海水中の水が浸透膜１２を透過して第２チャンバー１４内に移動する。第２チャンバー１４内の濃縮作業媒体Ｂは、第１実施形態又は第２実施形態の溶質を含む水溶液で、高い浸透圧誘起作用を示す。このため、第１チャンバー１３内の海水中の水が浸透膜１２を透過して第２チャンバー１４内の濃縮作業媒体Ｂに移動する際、高い透過流束を発生する。その結果、第１チャンバー１３内の海水中の多くの水を第２チャンバー１４の濃縮作業媒体Ｂに移動でき、塩水から水（純水）を取り出す高効率の脱塩処理を実行できる。
浸透圧発生器１において、海水中の水が第１チャンバー１３から第２チャンバー１４内の濃縮作業媒体Ｂに移動することにより、海水は濃縮海水として第１チャンバー１３からパイプライン１０１ｂを通して排出され、濃縮作業媒体Ｂは移動した水で希釈される。
第２チャンバー１４の希釈作業媒体Ｂは、希釈作業媒体タンク２にパイプライン１０１ｄを通して送出され、貯留される。希釈作業媒体Ｂが希釈作業媒体タンク２内に所定の水位まで貯まると、第３ポンプ２５を駆動して希釈作業媒体タンク２内の希釈作業媒体Ｂを逆浸透膜分離部３の第２処理容器２１の第３チャンバー２３にパイプライン１０１ｅを通して所望の圧力で供給する。所望の圧力で第３チャンバー２３に供給された希釈作業媒体Ｂ中の水は、逆浸透膜（ＲＯ膜）２２を強制的に透過して第４チャンバー２４に移動する。第３チャンバー２３内の希釈作業媒体Ｂは、水を第４チャンバー２４に移動することにより濃縮される。濃縮作業媒体Ｂは、第３チャンバー２３から濃縮作業媒体タンク４に送出される。濃縮作業媒体タンク４内の濃縮作業媒体Ｂは、第２ポンプ１７を駆動することにより浸透圧発生器１の第２チャンバー１４内に供給され、前述したように塩水から水（純水）を取り出す脱塩処理に利用される。
他方、第４チャンバー２４に移動した水（純水）は、パイプライン１０１ｇを通して純水タンク２６に送出される。純水タンク２６内の水が一定量を超えると、開閉弁２７を開き、パイプライン１０１ｈを通して外部に送出して水を回収する。
したがって、海水の脱塩処理（純水の回収）を効率的に実施し得る、低コストにて運転可能な脱塩システムを提供できる。
なお、図３に示す脱塩システム２００において、浸透圧発生器は第１処理容器１１を浸透膜により水平方向に区画して第１チャンバー１３、第２チャンバー１４を形成したが、第１処理容器を浸透膜により上下に区画して第１チャンバー１３を、第２チャンバー１４を形成してもよい。
脱塩処理を行うことにより、作業媒体Ｂの溶質濃度が低下した場合は、濃縮作業媒体タンク４などにおいて、溶質の添加を行うことが好ましい。
図３に示す脱塩システム２００において、希釈作業媒体Ｂの濃縮は逆浸透膜（ＲＯ膜）を備える逆浸透膜分離部で行なう場合に限らず、希釈作業媒体Ｂの水を除去するものであれば如何なる装置で行なってもよい。
（第４実施形態）
次に、水処理システムの１つの例である濃縮システム３００を図４に示す概略図を参照して説明する。第４実施形態に用いられる作業媒体Ｂは、第１実施形態又は第２実施形態の作業媒体Ｂである。
濃縮システム３００は、浸透圧発生器３１と、希釈作業媒体タンク３２と、膜蒸留分離器３３と、濃縮作業媒体タンク３４とを備える。浸透圧発生器３１、希釈作業媒体タンク３２、膜蒸留分離器３３及び濃縮作業媒体タンク３４は、この順序で接続されてループを形成している。作業媒体Ｂ（ドロー溶液）はこのループを循環する。すなわち、作業媒体Ｂは浸透圧発生器３１、希釈作業媒体タンク３２、膜蒸留分離器３３及び濃縮作業媒体タンク３４をこの順番で循環する。
浸透圧発生器３１は、例えば気密な第１処理容器４１を備えている。第１処理容器４１は、浸透膜４２（例えば正浸透膜：ＦＯ膜）により例えば水平方向に区画され、左側に第１チャンバー４３が、右側に第２チャンバー４４がそれぞれ形成されている。被処理水Ａ、例えば産業廃水等の原液を収容した被処理水タンク４５は、第１チャンバー４３が位置する第１処理容器４１の上部にパイプライン２０１ａを通して接続されている。第１ポンプ４６は、パイプライン２０１ａに設けられている。第１チャンバー４３が位置する第１処理容器４１の下部には、当該第１チャンバー４３内の濃縮した原液を外部に排出するためのパイプライン２０１ｂが接続されている。
濃縮作業媒体タンク３４は、第２チャンバー４４が位置する第１処理容器４１の上部にパイプライン２０１ｃを通して接続されている。第２ポンプ４７は、パイプライン２０１ｃに設けられている。第２チャンバー４４が位置する第１処理容器１１の下部は、希釈作業媒体タンク３２にパイプライン２０１ｄを通して接続されている。
膜蒸留分離器３３は、例えば気密な第２処理容器５１を備えている。第２処理容器５１は、例えば多孔質ラテックス膜からなる脱水膜５２により例えば水平方向に区画され、左側に第３チャンバー５３が、右側に第４チャンバー５４がそれぞれ形成されている。
前記希釈作業媒体タンク３２は、第３チャンバー５３が位置する第２処理容器５１の下部にパイプライン２０１ｅを通して接続されている。第１開閉弁６１、熱交換器６２及び第３ポンプ６３は、パイプライン２０１ｅに作業媒体Ｂの流れ方向に沿ってこの順序で設けられている。熱交換器６２には、例えば排熱ガスのパイプライン２０１ｆが交差され、パイプライン２０１ｅを流れる作業媒体Ｂが排熱ガスと熱交換して当該作業媒体Ｂを加熱する。第３チャンバー５３が位置する第２処理容器５１の上部は、循環タンク６４の上部にパイプライン２０１ｇを通して接続されている。循環タンク６４は、第１開閉弁６１と熱交換器６２の間に位置するパイプライン２０１ｅの部位にパイプライン２０１ｈを通して接続されている。第２開閉弁６５は、パイプライン２０１ｈに設けられている。
このような構成により膜蒸留分離器３３の第３チャンバー５３、循環タンク６４及びこれらの部材を接続するパイプライン２０１ｅ、２０１ｇ、２０１ｈによるループが形成される。すなわち、後述する第３チャンバー５３で脱水処理され、循環タンク６４に貯留された希釈作業媒体Ｂは第２開閉弁６５を開き、第３ポンプ６３を駆動することにより、パイプライン２０１ｈ、パイプライン２０１ｅ、第３チャンバー５３及びパイプライン２０１ｇを循環する、希釈作業媒体循環系を形成している。なお、希釈作業媒体Ｂの循環において、第１開閉弁６１を閉じることにより希釈作業媒体循環系は希釈作業媒体タンク３２と隔絶される。
循環タンク６４は、濃縮作業媒体タンク３４にパイプライン２０１ｉを通して接続されている。第４ポンプ６６は、パイプライン２０１ｉに設けられている。
第１純水タンク７１は、第４チャンバー５４が位置する第２処理容器５１の上部にパイプライン２０１ｊを通して接続されている。第４チャンバー５４が位置する第２処理容器５１の下部は、第２純水タンク７２にパイプライン２０１ｋを通して接続されている。第３開閉弁７３は、パイプライン２０１ｋに設けられ、純水の非循環時に閉じて純水を第４チャンバー５４内に滞留する。第２純水タンク７２は、第１純水タンク７１にパイプライン２０１ｍを通して接続されている。第５ポンプ７４は、パイプライン２０１ｍに設けられている。このような構成により第１純水タンク７１、膜蒸留分離器３３の第４チャンバー５４、第２純水タンク７２及びこれらの部材を接続するパイプライン２０１ｊ，２０１ｋ，２０１ｍによるループが形成される。すなわち、第２純水タンク７２内の純水は第３開閉弁７３を開き、第５ポンプ７４を駆動することにより、パイプライン２０１ｍ、第１純水タンク７１、パイプライン２０１ｊ、第４チャンバー５４及びパイプライン２０１ｋを循環する、純水循環冷却系を形成している。
第２純水タンク７２には、当該第２純水タンク７２内の純水を外部に送出して回収するためのパイプライン２０１ｎが接続されている。第４開閉弁７５は、パイプライン２０１ｎに設けられている。第４開閉弁７５は、前述した純水の循環時に閉じられ、第２純水タンク７５内の純水が一定量を超えると開かれる。
次に、図４に示す濃縮システム３００による濃縮操作を説明する。
第１ポンプ４６を駆動して被処理水Ａである原液（例えば産業廃水）を被処理水タンク４５から浸透圧発生器３１の第１チャンバー４３内にパイプライン２０１ａを通して供給する。原液の供給と前後して第２ポンプ４７を駆動して濃縮作業媒体Ｂを濃縮作業媒体タンク３４から浸透圧発生器３１の第２チャンバー４４内にパイプライン２０１ｃを通して供給する。第２チャンバー４４に供給された濃縮作業媒体Ｂは第１チャンバー４３に供給された原液の濃度に比べて高濃度である。このため、第１チャンバー４３内の原液と第２チャンバー４４内の濃縮作業媒体Ｂとの間で浸透圧差が生じ、原液中の水が浸透膜４２を透過して第２チャンバー４４内に移動する。このとき、第２チャンバー４４内の濃縮作業媒体Ｂは、実施形態の溶質を含む水溶液で、高い浸透圧の誘起作用を示す。このため、第１チャンバー４３内の原液中の水が浸透膜３２を透過して第２チャンバー４４内の作業媒体Ｂに移動する際、高い透過流束を発生する。その結果、第１チャンバー４３内の原液中の多くの水を第２チャンバー４４の作業媒体Ｂに移動でき、原液の濃縮処理が高効率になされる。
浸透圧発生器３１において、原液中の水が第１チャンバー４３から第２チャンバー４４内の濃縮作業媒体Ｂに移動することにより、原液は濃縮原液として第１チャンバー４３からパイプライン２０１ｂを通して排出され、回収される。濃縮作業媒体Ｂは、移動した水により希釈される。
第２チャンバー４４の希釈作業媒体Ｂは、希釈作業媒体タンク３２にパイプライン２０１ｄを通して送出され、貯留される。希釈作業媒体Ｂが希釈作業媒体タンク３２内に所定量まで貯留されると、パイプライン２０１ｅに設けた第１開閉弁６１を開き、パイプライン２０１ｈに設けた第２開閉弁６５を閉じ、第３ポンプ６３を駆動する。これにより希釈作業媒体タンク３２内の希釈作業媒体Ｂを膜蒸留分離器３３の第２処理容器５１の第３チャンバー５３にパイプライン２０１ｅを通して供給する。希釈作業媒体Ｂが第３チャンバー５３に供給される間、パイプライン２０１ｅを流通する希釈作業媒体Ｂはパイプライン２０１ｆが交差する熱交換器６２で当該パイプライン２０１ｆを流通する排熱ガスと熱交換されて加熱される。また、第２純水タンク７２内の純水を第３開閉弁７３を開き、第５ポンプ７４を駆動することにより、純水をパイプライン２０１ｍ、第１純水タンク７１、パイプライン２０１ｊ、第４チャンバー５４及びパイプライン２０１ｋに循環させて、膜蒸留分離器３３の多孔質ラテックス膜からなる脱水膜５２を第４チャンバー５４側から純水で冷却する。すなわち、純水循環冷却系により第４チャンバー５４側の脱水膜５２を冷却する。
このように加熱した希釈作業媒体Ｂを通して膜蒸留分離器３３の第３チャンバー５３にパイプライン２０１ｅを供給しながら、膜蒸留分離器３３の脱水膜５２を第４チャンバー５４内の循環する純水で冷却することによって、第３チャンバー５３内で希釈作業媒体Ｂ中の水が蒸発し、その蒸気は多孔質ラテックス膜からなる脱水膜５２を透過して第４チャンバー５４に移動し、循環する純水により冷却、凝縮してその中に取込まれる。すなわち、希釈作業媒体Ｂは第３チャンバー５３内で脱水処理される。第３チャンバー５３内の脱水処理された希釈作業媒体Ｂは、パイプライン２０１ｇを通して循環タンク６４に送出され、貯留される。循環タンク６４に貯留された希釈作業媒体Ｂは、前記脱水処理により、ある濃度まで濃縮される。
しかしながら、この程度の濃縮では濃度が低く、前述した濃縮作業媒体Ｂとして使用するには適切ではない。このため、脱水処理された希釈作業媒体Ｂが循環タンク６４に一定量貯留された時点で、第２開閉弁６５を開き、当該タンク６４内の脱水処理された希釈作業媒体Ｂをパイプライン２０１ｈに流出する。同時に、第１開閉弁６１を閉じ、循環タンク６４、パイプライン２０１ｈ、パイプライン２０１ｅ、第３チャンバー５３及びパイプライン２０１ｇからなる希釈作業媒体循環系を希釈作業媒体タンク３２と隔絶する。
このような希釈作業媒体循環系及び純水循環冷却系において、前述した第３チャンバー５３内での希釈作業媒体Ｂの水の蒸発、蒸気の脱水膜５２の透過、第４チャンバー５４への移動、及び第４チャンバー５４側での循環する純水による冷却、凝縮、をなす脱水処理を複数回繰り返すことによって、希釈作業媒体Ｂを濃縮作業媒体Ｂとして使用し得る濃度にする。このような希釈作業媒体Ｂの循環、脱水処理後に第２開閉弁６５を閉じて、濃縮作業媒体Ｂを循環タンク６４に貯留する。第４チャンバー５４に移動した水（純水）は、パイプライン２０１ｋを通して第２純水タンク７２に循環する純水と共に送出される。
濃縮作業媒体Ｂとして使用し得る濃度の濃縮作業媒体Ｂを循環タンク６４に貯留した後は、第５ポンプ７４の駆動を停止し、第４チャンバー５４への純水の循環を停止した後、第３開閉弁７３を閉じる。なお、第２純水タンク７２内の純水が一定量を超えると、第１開閉弁７５を開き、パイプライン２０１ｎを通して外部に送出して回収される。
第４ポンプ６４を駆動して循環タンク６４内の濃縮作業媒体Ｂを濃縮作業媒体タンク３４にパイプライン２０１ｉを通して送出する。濃縮作業媒体タンク３４内の濃縮作業媒体Ｂは、前述したように原液の濃縮処理に利用するために第２ポンプ４７を駆動して浸透圧発生器３１の第２チャンバー４４内に供給される。
したがって、浸透圧発生器３１において、第１チャンバー４３に原液を供給し、第２チャンバー４４に濃縮作業媒体Ｂを供給し、原液中の水を第１チャンバー４３から第２チャンバー４４内の濃縮作業媒体Ｂに移動させて、原液を濃縮して第１チャンバー４３からパイプライン２０１ｂを通して排出され、回収する。濃縮作業媒体Ｂは、移動した水により希釈され、その希釈作業媒体Ｂは希釈作業媒体タンク３２に送出され、貯留される。
浸透圧発生器３１による原液の濃縮操作の間、希釈作業媒体タンク３２に貯留された希釈作業媒体Ｂは膜蒸留分離器３３の第３チャンバー５３を含む希釈作業媒体循環系及び膜蒸留分離器３３の第４チャンバー５４を含む純水循環冷却系により濃縮操作がなされ、濃縮作業媒体タンク３４に送出され、第４チャンバー５４に移動した水（純水）は第２純水タンク７２から送出、回収される。すなわち、浸透圧発生器３１による原液の濃縮操作及び膜蒸留分離器３３による希釈作業媒体Ｂの濃縮を連続的に実行できる。
それ故、産業廃水等の原液（被処理水Ａ）の濃縮処理及び水の回収を効率的に実施し得る、低コストにて運転可能な濃縮システム３００を提供できる。
なお、図４に示す濃縮システム３００において、浸透圧発生器は第１処理容器４１を浸透膜により水平方向に区画して第１チャンバー４３、第２チャンバー４４を形成したが、第１処理容器を浸透膜により上下に区画して第１チャンバー４３、第２チャンバー４４を形成してもよい。
図４に示す濃縮システム３００において、浸透圧発生器３１の第１チャンバー４３内の濃縮された被処理水Ａ（例えば原液）をパイプライン２０１ｂを通して外部に送出、回収したが、より高濃度に濃縮された原液を得る場合には、パイプライン２０１ｂを被処理水タンク４５に接続して被処理水タンク４５、パイプライン２０１ａ、浸透圧発生器３１の第１チャンバー４３及びパイプライン２０１ｂのループを作ってもよい。この場合、浸透圧発生器３１における濃縮された原液と濃縮作業媒体Ｂの間の浸透圧差を考慮して原液の濃縮度合を決定することが望ましい。
図４に示す濃縮システム３００において、膜蒸留分離器３３の脱水膜５２は多孔質ラテックス膜に限らず、蒸気を透過する機能を有するものであれば如何なるものでもよい。
図４に示す濃縮システム３００において、希釈作業媒体Ｂの濃縮は脱水膜５２を備える膜蒸留分離器３３で行なう場合に限らず、希釈作業媒体Ｂの水を除去するものであれば如何なる装置で行なってもよい。
（第４実施形態）
次に、第４実施形態に係る水処理システムの１つの例である循環型浸透圧発電システム４００を図５に示す概略図を参照して説明する。なお、図５において図４と同様な部材は同符号を付して説明を省略する。第４実施形態に用いられる作業媒体は、第１実施形態又は第２実施形態の作業媒体Ｂである。
第５実施形態に係る水処理システムは、循環型浸透圧発電システムである。循環型浸透圧発電システム４００は、水流を発生させる浸透圧発生器３１と、浸透圧発生器３１で発生した水流で発電を行う回転体８２を備える。
循環型浸透圧発電システム４００は、水を収容する第１チャンバー４３と、浸透圧を誘起する作業媒体Ｂ（ドロー溶液）を収容する第２チャンバー４４と、第１チャンバーと第２チャンバーとを区画する浸透膜４２と、第２チャンバー４４に接続された圧力交換器８１と、圧力交換器８１に接続された回転体８２とを備える。このような水処理システムによれば、第１チャンバー４３内の水と第２チャンバー４４内の作業媒体Ｂとの間で生じる浸透圧差により第１チャンバー４４内の水が浸透膜４２を透過して第２チャンバー４４内の作業媒体Ｂに移動する。水が作業媒体Ｂに移動することに伴う水流により回転体８２を回して発電する。
第５実施形態は、作業媒体Ｂが実施形態の溶質を含む水溶液で、高い浸透圧の誘起作用を示す。このため、第１チャンバー４３内の水が浸透膜４２を透過して第２チャンバー４４内の作業媒体Ｂに移動する際、高い透過流束を発生させることができる。その結果、水が移動された作業媒体Ｂは高い圧力を持つ水流になるため、回転体８２をより高い速度で回して発電することができる。したがって、回転体８２を効率的に回転して発電し得る、低コストにて運転可能な水処理システムを提供できる。
回転体８２は、例えばタービン、水車を用いることができる。
循環型浸透圧発電システム４００は、浸透圧発生器３１の第２チャンバー４４が位置する第１処理容器４１の下部（作業媒体Ｂ出口側）に接続したパイプライン２０１ｂにおいて、圧力交換器８１及び回転体８２が作業媒体Ｂの流れ方向に沿ってこの順序で設けられている。また、第２チャンバー４４が位置する第１処理容器４１の上部と濃縮作業媒体タンク３４とを接続するパイプライン２０１ｃにおいて、第２ポンプ４７より作業媒体Ｂの流れ方向の下流側のパイプライン２０１ｃ部分が圧力交換器８１を経由して第２チャンバー４４が位置する第１処理容器４１の上部に接続されている。すなわち、浸透圧発生器３１において水が第１チャンバー４３から浸透膜４２を透過して第２チャンバー４４に移動したときに発生した流束を有する希釈作業媒体Ｂは、第２チャンバー４４が位置する第１処理容器４１の下部から圧力交換器８１が設けられたパイプライン２０１ｂを通して流出される。この間、濃縮作業媒体タンク３４から流出した濃縮作業媒体Ｂが流通するパイプライン２０１ｃは圧力交換器８１を経由する。このため、当該濃縮作業媒体Ｂは、圧力交換器８１で第２チャンバー４４から流出する希釈作業媒体Ｂと圧力交換され、希釈作業媒体Ｂは圧力を下げ、濃縮作業媒体Ｂは圧力を上昇する。
なお、循環型浸透圧発電システム４００において、被処理水タンク４５内には水が収容される。
次に、図５に示す循環型浸透圧発電システム４００による発電操作を説明する。
第１ポンプ４６を駆動して水を被処理水タンク４５から浸透圧発生器３１の第１チャンバー４３内にパイプライン２０１ａを通して供給する。水の供給と前後して第２ポンプ４７を駆動して濃縮作業媒体Ｂを濃縮作業媒体タンク３４から浸透圧発生器３１の第２チャンバー４４内にパイプライン２０１ｃを通して供給する。第２チャンバー４４に供給された濃縮作業媒体Ｂは、第１チャンバー４３に供給された溶媒のみの水に対して十分に高濃度である。このため、第１チャンバー４３内の水と第２チャンバー４４内の濃縮作業媒体Ｂとの間で浸透圧差が生じ、水が浸透膜４２を透過して第２チャンバー４４内に移動する。このとき、第２チャンバー４４内の作業媒体Ｂは、実施形態の溶質を含む水溶液で、高い浸透圧の誘起作用を示す。このため、第１チャンバー４３内の水が浸透膜３２を透過して第２チャンバー４４内の作業媒体Ｂに移動する際、高い透過流束を発生する。その結果、第１チャンバー４３内の多くの水を第２チャンバー４４の濃縮作業媒体Ｂに移動でき、水により希釈された高い圧力を持つ希釈作業媒体Ｂが生成される。なお、第１チャンバー４３内の水はパイプライン２０１ｂを通して排出される。
第２チャンバー４４の高い圧力を持つ希釈作業媒体Ｂは、希釈作業媒体タンク３２にパイプライン２０１ｄを通して送出され、貯留される。圧力交換器８１及び回転体８２がパイプライン２０１ｄに作業媒体Ｂの流れ方向に沿ってこの順序で設けられている。
このため、前述したように圧力交換器８１では濃縮作業媒体タンク３４からパイプライン２０１ｃを通して流れる濃縮作業媒体Ｂと第２チャンバー４４から（回転体８２を通って）パイプライン２０１ｄを通して流れる高い圧力を持つ希釈作業媒体Ｂとの間で圧力交換がなされ、希釈作業媒体Ｂの圧力を下げ、濃縮作業媒体Ｂの圧力を上昇させる。圧力交換により適正な圧力を持つ希釈作業媒体Ｂは回転体８２に流れ、それを効率的に回転させて発電する。また、圧力交換により適正な圧力を持つ濃縮作業媒体Ｂは第２チャンバー４４に供給される。
希釈作業媒体タンク３２に貯留された希釈作業媒体Ｂは、前述した図４に示す濃縮システム３００と同様に膜蒸留分離器３３の第３チャンバー５３を含む希釈作業媒体循環系及び膜蒸留分離器３３の第４チャンバー５４を含む純水循環冷却系によって濃縮される。すなわち、第３チャンバー５３内で希釈作業媒体Ｂの水の蒸発、蒸気の脱水膜５２の透過、第４チャンバー５４への移動、及び第４チャンバー５４側での循環する純水による冷却、凝縮をなす脱水処理を複数回繰り返すことによって、希釈作業媒体Ｂを濃縮作業媒体Ｂとして使用し得る濃度の作業媒体Ｂ（濃縮作業媒体Ｂ）として循環タンク６４に貯留し、当該濃縮作業媒体Ｂを濃縮作業媒体タンク３４に戻す。濃縮作業媒体タンク３４内の濃縮作業媒体Ｂは、前述したように回転体８２を回転させて発電するために第２ポンプ４７を駆動して浸透圧発生器３１の第２チャンバー４４内に供給される。
従って、浸透圧発生器３１による回転体８２の回転による発電操作及び膜蒸留分離器３３による希釈作業媒体Ｂの濃縮を連続的に実行できる。それ故、タービンなどの回転体８２を効率的に回転して発電し得る、低コストにて運転可能な循環型浸透圧発電システム４００を提供できる。
なお、図５に示す循環型浸透圧発電システム４００において、浸透圧発生器は第１処理容器を浸透膜により水平方向に区画して第１チャンバー４３、第２チャンバー４４を形成したが、第１処理容器を浸透膜により上下に区画して第１チャンバー４３、第２チャンバー４４を形成してもよい。
図５に示す循環型浸透圧発電システム４００において、浸透圧発生器３１の第１チャンバー４３内の水をパイプライン２０１ｂを通して外部に送出したが、パイプライン２０１ｂを被処理水タンク４５に接続して被処理水タンク４５、パイプライン２０１ａ、浸透圧発生器３１の第１チャンバー４３、パイプライン２０１ｂのループを作ってもよい。
図５に示す循環型浸透圧発電システム４００において、膜蒸留分離器３３の脱水膜５２は多孔質ラテックス膜に限らず、蒸気を透過する機能を有するものであれば如何なるものでもよい。
図５に示す循環型浸透圧発電システム４００において、希釈作業媒体Ｂの濃縮は脱水膜を備える膜蒸留分離器３３で行なう場合に限らず、希釈作業媒体Ｂの水を除去するものであれば如何なる装置で行なってもよい。
以下、実施例を説明する。
正浸透試験は以下の通り行った。ＦＯセルにＨＴＩ社製ＣＴＡ−ＥＳ膜をセットし、膜の活性面側に被処理水として純水を入れ、その後、支持層側に作業媒体を入れた。作業媒体を入れ終わった時間を０分とし、２０分静置した。試験後、活性面側の液体の重量を測定し、液体の比重を１として試験前後の差分から透過流束（Ｊｗ）を算出した。また、試験後の活性面側の液体中の全有機炭素濃度を全有機炭素計で、陽イオン濃度をイオンクロマトグラフで測定し、溶質の損失（Ｊｓ）を算出した。作業媒体に含まれる溶質とその濃度及び実験結果を表１に示す。
ＤＴＰＡ・５Ｎａ：ジエチレントリアミン五酢酸５Ｎａ塩
ＤＴＰＭＰ・７Ｎａ：ジエチレントリアミンペンタ(メチレンホスホン酸)７Ｎａ塩
表１から明らかなように複数のホスホン酸基を含む化合物をドロー溶液に用いた実施例１〜７は一般に用いられる無機塩に対して溶質の損失が非常に小さい。また、カルボン酸基を有するナトリウム塩を溶質に用いた比較例では、Ｊｓ／Ｊｗが実施例に対して劣っている。かかる特性を有する作業媒体を使用することで、浸透圧を利用した水処理システムのランニングコストを小さくすることができる。また、これらの浸透圧作用によって生じる水流を用いて発電することで、低コストに発電をすることができる。
明細書中、一部の元素は、元素記号のみで表している。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の種々の形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
Ａ…被処理水、
Ｂ…作業媒体、
Ｃ…水
１、３１…浸透圧発生器、
２、３２…希釈作業媒体タンク、
３…逆浸透膜分離器、
４、３４…濃縮作業媒体タンク、
１１、４１…第１処理容器、
１２、４２…浸透膜、
１３、４３…第１チャンバー、
１４、４４…第２チャンバー、
１５、４５…被処理水タンク、
１６…第１ポンプ、
１７…第２ポンプ、
２１、５１…第２処理容器、
２２…逆浸透膜（ＲＯ膜）、
２３、５３…第３チャンバー、
２４、５４…第４チャンバー、
２５…第３ポンプ、
２６…純水タンク、
２７…開閉弁、
３３…膜蒸留分離器、
５２…脱水膜、
６１…第１開閉弁、
６２…熱交換器、
６４…循環タンク、
６５…第２開閉弁、
６６…第４ポンプ、
７１…第１純水タンク、
７２…第２純水タンク、
７３…第３開閉弁、
７４…第５ポンプ、
７５…第４開閉弁、
８１…圧力交換器、
８２…回転体、
１００…水処理システム、
１０１…パイプライン、
２００…脱塩システム、
２０１…パイプライン、
３００…濃縮システム３００、
４００…循環型浸透圧発電システム

Claims (12)

  1. 被処理水を収容する第１チャンバーと浸透圧を誘起する作業媒体を収容する第２チャンバーとを区画する浸透膜を備える第１処理容器を有し、
    前記作業媒体が主鎖、側鎖、若しくは主鎖及び側鎖にカルボン酸基の金属塩構造を有する化合物、主鎖、側鎖、若しくは主鎖及び側鎖にホスホン酸基の金属塩構造を有する化合物、又は、主鎖、側鎖、若しくは主鎖及び側鎖にカルボン酸基の金属塩構造並びに主鎖、側鎖、若しくは主鎖及び側鎖にホスホン酸基の金属塩構造を有する化合物と無機塩を溶質として含む水溶液であり、
    前記無機塩は、アルカリ土類金属の塩又はアンモニウム塩であり、
    前記無機塩の濃度は、０．４ｍｏｌ／Ｌ以上１０ｍｏｌ／Ｌ以下である水処理システム。
  2. 前記作業媒体中の主鎖、側鎖、若しくは主鎖及び側鎖にカルボン酸基の金属塩構造を有する化合物、主鎖、側鎖、若しくは主鎖及び側鎖にホスホン酸基の金属塩構造を有する化合物、又は、主鎖、側鎖、若しくは主鎖及び側鎖にカルボン酸基の金属塩構造並びに主鎖、側鎖、若しくは主鎖及び側鎖にホスホン酸基の金属塩構造を有する化合物の濃度は、０．０５ｍｏｌ／Ｌ以上１．０ｍｏｌ／Ｌ以下である請求項１に記載の水処理システム。
  3. 前記主鎖、側鎖、若しくは主鎖及び側鎖にカルボン酸基の金属塩構造を有する化合物、主鎖、側鎖、若しくは主鎖及び側鎖にホスホン酸基の金属塩構造を有する化合物、又は、主鎖、側鎖、若しくは主鎖及び側鎖にカルボン酸基の金属塩構造並びに主鎖、側鎖、若しくは主鎖及び側鎖にホスホン酸基の金属塩構造を有する化合物は、ＣｘＨｙＰｚＯｗＮ ｓ Ｍ ｔ で表され、
    前記Ｍは、アルカリ金属であり、ｘ、ｙ、ｚ、ｗ、ｓとｔは、２≦ｘ≦２０、８≦ｙ≦３０、１≦ｚ≦６、３≦ｗ≦１８、０≦ｓ≦３、２≦ｔ≦１０を満たす請求項１又は２に記載の水処理システム。
  4. 前記主鎖、側鎖、若しくは主鎖及び側鎖にカルボン酸基の金属塩構造を有する化合物、主鎖、側鎖、若しくは主鎖及び側鎖にホスホン酸基の金属塩構造を有する化合物、又は、主鎖、側鎖、若しくは主鎖及び側鎖にカルボン酸基の金属塩構造並びに主鎖、側鎖、若しくは主鎖及び側鎖にホスホン酸基の金属塩構造を有する化合物は、式（１）、（２）、（３）（４）又は（５）で表される構造を有する化合物のカルボン酸基、ホスホン酸基、又は、カルボン酸基及びホスホン酸基が金属塩構造を有する化合物であり、
    前記式（１） 式のＲ１１〜Ｒ１３は、Ｃｎ１Ｈ２ｎ１（ｎ１は０から２までの整数のいずれか）のアルキル鎖であり、前記Ｘ１１〜Ｘ１３は、それぞれ、−ＣＯＯＨ、−Ｐ（ＯＨ）２とＯＨからなる群のうちのいずれかであり、一分子中少なくとも２つのＸは、−ＣＯＯＨ又はＰ（ＯＨ）２であり、
    前記式（２）中のＲ２１〜Ｒ２７は、Ｃｎ２Ｈ２ｎ２（ｎ２は０から２までの整数のいずれか）のアルキル鎖であり、前記Ｘ２１〜Ｘ２７は、それぞれ、Ｈ、−ＣＯＯＨ、−Ｐ（ＯＨ）２とＯＨからなる群のうちのいずれかであり、一分子中少なくとも２つのＸは、−ＣＯＯＨ又はＰ（ＯＨ）２であり、一分子中少なくとも３つのＸは、Ｈ以外の官能基であり、
    前記式（３）中のＲ３１〜Ｒ３５は、Ｃｎ３Ｈ２ｎ３（ｎ３は０から３までの整数のいずれか）のアルキル鎖であり、前記式（３）中のＲ３２〜Ｒ３５は、任意にカルボン酸基を含み、前記式（３）中のＸ３１〜Ｘ３４は、それぞれ、Ｈ、−ＣＯＯＨ、−Ｐ（ＯＨ）２とＯＨからなる群のうちのいずれかであり、一分子中少なくとも２つのＸは、−ＣＯＯＨ又はＰ（ＯＨ）２であり、一分子中少なくとも３つのＸは、Ｈ以外の官能基であり、
    前記式（４）中のＲ４１〜Ｒ４９は、Ｃｎ４Ｈ２ｎ４（ｎ４は０から２までの整数のいずれか）のアルキル鎖であり、前記式（４）中のＸ４１〜Ｘ４６は、それぞれ、Ｈ、−ＣＯＯＨ、−Ｐ（ＯＨ）２とＯＨからなる群のうちのいずれかであり、一分子中少なくとも２つのＸは、−ＣＯＯＨ又はＰ（ＯＨ）２であり、一分子中少なくとも３つのＸは、Ｈ以外の官能基であり、
    前記式（５）中のＲ５１〜Ｒ５４は、Ｃｎ５Ｈ２ｎ５（ｎ５は０から２までの整数のいずれか）のアルキル鎖であり、前記式（５）中のＸ５１〜Ｘ５４は、それぞれ、Ｈ、−ＣＯＯＨ、−Ｐ（ＯＨ）２とＯＨからなる群のうちのいずれかであり、一分子中少なくとも２つのＸは、−ＣＯＯＨ又はＰ（ＯＨ）２であり、一分子中少なくとも３つのＸは、Ｈ以外の官能基である請求項１ないし３のいずれか１項に記載の水処理システム。
  5. 前記主鎖、側鎖、若しくは主鎖及び側鎖にカルボン酸基の金属塩構造を有する化合物、主鎖、側鎖、若しくは主鎖及び側鎖にホスホン酸基の金属塩構造を有する化合物、又は、主鎖、側鎖、若しくは主鎖及び側鎖にカルボン酸基の金属塩構造並びに主鎖、側鎖、若しくは主鎖及び側鎖にホスホン酸基の金属塩構造を有する化合物は、ニトリロ三酢酸２Ｎａ塩、Ｎ−（２−ヒドロキシエチル）イミノニ酢酸２Ｎａ塩、ニトリロトリス（メチレンホスホン酸）５Ｎａ塩、ジエチレントリアミン五酢酸３Ｎａ塩、ジエチレントリアミン五酢酸５Ｎａ塩、ジエチレントリアミンペンタ(メチレンホスホン酸)７Ｎａ塩、Ｎ−（２−ヒドロキシエチル）エチレンジアミン−Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−三酢酸３Ｎａ塩、１，３−プロパンジアミン四酢酸４Ｎａ塩、１，３−ジアミノ−２−プロパノール−Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−四酢酸２Ｎａ塩、グリコールエーテルジアミン四酢酸４Ｎａ塩、エチレンジアミンジスクシン酸３Ｎａ塩、エチレンジアミンテトラメチレンホスホン酸５Ｎａ、３−カルボキシ−３−ホスホノヘキサン二酸５Ｎａからなる群のうちのいずれか１種以上である請求項１ないし４のいずれか１項に記載の水処理システム。
  6. 前記主鎖、側鎖、若しくは主鎖及び側鎖にカルボン酸基の金属塩構造を有する化合物、主鎖、側鎖、若しくは主鎖及び側鎖にホスホン酸基の金属塩構造を有する化合物、又は、主鎖、側鎖、若しくは主鎖及び側鎖にカルボン酸基の金属塩構造並びに主鎖、側鎖、若しくは主鎖及び側鎖にホスホン酸基の金属塩構造を有する化合物に含まれるカルボン酸基とホスホン酸基の総数は、５以上である請求項１ないし５のいずれか１項に記載の水処理システム。
  7. 前記主鎖、側鎖、若しくは主鎖及び側鎖にカルボン酸基の金属塩構造を有する化合物は、アミノ酸である請求項１又は３に記載の水処理システム。
  8. 前記主鎖、側鎖、若しくは主鎖及び側鎖にカルボン酸基の金属塩構造を有する化合物は、アルギニンである請求項１ないし３及び７のいずれか１項に記載の水処理システム。
  9. 請求項１ないし８のいずれか１項に記載の水処理システムは、回転体をさらに有し、
    前記浸透圧の誘起によって、水流が生じ、
    前記水流によって前記回転体を回転させて発電する水処理システム。
  10. 主鎖、側鎖、若しくは主鎖及び側鎖にカルボン酸基の金属塩構造を有する化合物、主鎖、側鎖、若しくは主鎖及び側鎖にホスホン酸基の金属塩構造を有する化合物、又は、主鎖、側鎖、若しくは主鎖及び側鎖にカルボン酸基の金属塩構造並びに主鎖、側鎖、若しくは主鎖及び側鎖にホスホン酸基の金属塩構造を有する化合物と無機塩を溶質として含み、
    前記無機塩は、アルカリ土類金属の塩又はアンモニウム塩であり、
    前記無機塩の濃度は、０．４ｍｏｌ／Ｌ以上１０ｍｏｌ／Ｌ以下であって、
    浸透圧を誘起する溶媒として用いられる作業媒体。
  11. 前記作業媒体中の主鎖、側鎖、若しくは主鎖及び側鎖にカルボン酸基の金属塩構造を有する化合物、主鎖、側鎖、若しくは主鎖及び側鎖にホスホン酸基の金属塩構造を有する化合物、又は、主鎖、側鎖、若しくは主鎖及び側鎖にカルボン酸基の金属塩構造並びに主鎖、側鎖、若しくは主鎖及び側鎖にホスホン酸基の金属塩構造を有する化合物の濃度は、０．０５ｍｏｌ／Ｌ以上１．０ｍｏｌ／Ｌ以下である請求項１０に記載の浸透圧を誘起する溶媒として用いられる作業媒体。
  12. 前記主鎖、側鎖、若しくは主鎖及び側鎖にカルボン酸基の金属塩構造を有する化合物、主鎖、側鎖、若しくは主鎖及び側鎖にホスホン酸基の金属塩構造を有する化合物、又は、主鎖、側鎖、若しくは主鎖及び側鎖にカルボン酸基の金属塩構造並びに主鎖、側鎖、若しくは主鎖及び側鎖にホスホン酸基の金属塩構造を有する化合物は、式（１）、（２）、（３）（４）又は（５）で表される構造を有する化合物のカルボン酸基、ホスホン酸基、又は、カルボン酸基及びホスホン酸基が金属塩構造を有する化合物であり、
    前記式（１） 式のＲ １１ 〜Ｒ １３ は、Ｃ ｎ１ Ｈ ２ｎ１ （ｎ１は０から２までの整数のいずれか）のアルキル鎖であり、前記Ｘ １１ 〜Ｘ １３ は、それぞれ、−ＣＯＯＨ、−Ｐ（ＯＨ） ２ とＯＨからなる群のうちのいずれかであり、一分子中少なくとも２つのＸは、−ＣＯＯＨ又はＰ（ＯＨ） ２ であり、
    前記式（２）中のＲ ２１ 〜Ｒ ２７ は、Ｃ ｎ２ Ｈ ２ｎ２ （ｎ２は０から２までの整数のいずれか）のアルキル鎖であり、前記Ｘ ２１ 〜Ｘ ２７ は、それぞれ、Ｈ、−ＣＯＯＨ、−Ｐ（ＯＨ） ２ とＯＨからなる群のうちのいずれかであり、一分子中少なくとも２つのＸは、−ＣＯＯＨ又はＰ（ＯＨ） ２ であり、一分子中少なくとも３つのＸは、Ｈ以外の官能基であり、
    前記式（３）中のＲ ３１ 〜Ｒ ３５ は、Ｃ ｎ３ Ｈ ２ｎ３ （ｎ３は０から３までの整数のいずれか）のアルキル鎖であり、前記式（３）中のＲ ３２ 〜Ｒ ３５ は、任意にカルボン酸基を含み、前記式（３）中のＸ ３１ 〜Ｘ ３４ は、それぞれ、Ｈ、−ＣＯＯＨ、−Ｐ（ＯＨ） ２ とＯＨからなる群のうちのいずれかであり、一分子中少なくとも２つのＸは、−ＣＯＯＨ又はＰ（ＯＨ） ２ であり、一分子中少なくとも３つのＸは、Ｈ以外の官能基であり、
    前記式（４）中のＲ ４１ 〜Ｒ ４９ は、Ｃ ｎ４ Ｈ ２ｎ４ （ｎ４は０から２までの整数のいずれか）のアルキル鎖であり、前記式（４）中のＸ ４１ 〜Ｘ ４６ は、それぞれ、Ｈ、−ＣＯＯＨ、−Ｐ（ＯＨ） ２ とＯＨからなる群のうちのいずれかであり、一分子中少なくとも２つのＸは、−ＣＯＯＨ又はＰ（ＯＨ） ２ であり、一分子中少なくとも３つのＸは、Ｈ以外の官能基であり、
    前記式（５）中のＲ ５１ 〜Ｒ ５４ は、Ｃ ｎ５ Ｈ ２ｎ５ （ｎ５は０から２までの整数のいずれか）のアルキル鎖であり、前記式（５）中のＸ ５１ 〜Ｘ ５４ は、それぞれ、Ｈ、−ＣＯＯＨ、−Ｐ（ＯＨ） ２ とＯＨからなる群のうちのいずれかであり、一分子中少なくとも２つのＸは、−ＣＯＯＨ又はＰ（ＯＨ） ２ であり、一分子中少なくとも３つのＸは、Ｈ以外の官能基である請求項１０又は１１に記載の浸透圧を誘起する溶媒として用いられる作業媒体。
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