JP6740843B2 - 水処理方法および水処理装置 - Google Patents
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Description
(水処理装置)
まず、参考実施形態による水処理装置について説明する。図1は、この参考実施形態による水処理装置1を模式的に示すブロック図である。図1に示すように、この参考実施形態による水処理装置1は、膜モジュール11、加熱器12、分離槽13、および最終処理ユニット14を備えて構成される。
次に、参考実施形態による水処理装置1を用いた水処理方法について説明する。
正浸透手段としての膜モジュール11においては、正浸透工程が行われる。すなわち、膜モジュール11において、含水溶液とドロー溶液とを半透膜11aを介して接触させることによって、浸透圧差により含水溶液中の水が半透膜11aを通過してドロー溶液に移動する。含水溶液が流入する一方の室からは、水が移動して濃縮された濃縮含水溶液が流出する。ドロー溶液が流入した他方の室からは水が移動して希釈された希釈ドロー溶液が流出する。なお、ドロー溶液は、含水溶液に対する温度制御、および含水溶液との接触時の熱伝導によって温度が調整される。この参考実施形態において、希釈ドロー溶液の温度は30℃以上50℃以下、具体的には例えば40℃程度の温度に調整される。
加熱器12においては、加熱工程が行われる。すなわち、正浸透工程によって含水溶液から水が移動して希釈された希釈ドロー溶液に、後述する最終処理工程において得られた分離処理ドロー溶液が導入された分離前ドロー溶液を、加熱器12によって曇点以上の温度まで加熱することにより、ポリマーの少なくとも一部を凝集させて、相分離する。加熱工程における加熱温度は、加熱器12を制御することによって調整可能である。なお、加熱温度は、100℃以下が好ましく、この参考実施形態において加熱温度は、曇点以上100℃以下の例えば88℃である。
分離槽13においては、水分離工程が行われる。すなわち、分離槽13において、希釈ドロー溶液は、水分を多く含有する水リッチ溶液と、ポリマーを高濃度に含む濃縮されたドロー溶液としての水分離ドロー溶液とに分離される。なお、分離槽13における圧力は大気圧である。水リッチ溶液と水分離ドロー溶液との相分離は、曇点以上の液温で静置することによって行うことができる。希釈ドロー溶液から分離された水分離ドロー溶液は、ドロー溶液として膜モジュール11に供給される。水分離ドロー溶液のドロー濃度は、例えば60〜95%である。一方、希釈ドロー溶液から分離された水リッチ溶液は、最終処理ユニット14に供給される。水リッチ溶液は例えば、水が99%、ドロー濃度が1%である。
最終処理ユニット14においては、分離処理工程としての最終処理工程が行われる。すなわち、分離槽13において分離された水リッチ溶液においては、ポリマーが残存している可能性がある。そこで、最終処理ユニット14において、水リッチ溶液から分離処理ドロー溶液となるポリマー溶液を分離することによって、淡水などの生成水を生成する。ここで、最終処理ユニット14における処理温度は、例えば20℃以上50℃以下、好適には35℃以上45℃以下、この参考実施形態においては、例えば45℃である。水リッチ溶液から分離された生成水は、含水溶液から得られた最終生成物として、外部に放出される。分離処理ドロー溶液は、ドロー濃度が0.5〜25%程度のポリマー溶液であり、加熱器12の上流側における希釈ドロー溶液に導入されて、加熱器12に供給される。
次に、以上のように構成された水処理装置1の参考実施例および従来技術による比較例について説明する。
参考実施例は、参考実施形態による水処理装置1を用いて、塩分濃度が4%の海水から、1時間あたり300Lの淡水を生成する実施例である。
図2に示すように、第1比較例による水処理装置100は、参考実施形態による水処理装置1と同様に、半透膜101aが内部に設けられた膜モジュール101、加熱器102、分離槽103、および最終処理ユニット104を備えて構成される。膜モジュール101、加熱器102、分離槽103、および最終処理ユニット104はそれぞれ、膜モジュール11、加熱器12、分離槽13、および最終処理ユニット14と同様である。一方、水処理装置1と異なり、水処理装置100においては、最終処理ユニット104において水リッチ溶液から分離された後の分離処理ドロー溶液は、廃棄される。
図3に示すように、第2比較例による水処理装置200は、参考実施形態による水処理装置1と同様に、半透膜201aが内部に設けられた膜モジュール201、加熱器202、分離槽203、および最終処理ユニット204を備えて構成される。膜モジュール201、加熱器202、分離槽203、および最終処理ユニット204はそれぞれ、膜モジュール11、加熱器12、分離槽13、および最終処理ユニット14と同様である。一方、水処理装置1と異なり、水処理装置200においては、最終処理ユニット204において水リッチ溶液から分離された分離処理ドロー溶液は、分離槽203の下流側において水分離ドロー溶液に導入されて混合ドロー溶液として膜モジュール201に供給される。
参考実施例:(3.2kJ/kg・K×1.05kg/L×1372L/h×(88℃−40℃)=)2.21×105kJ/h
第1比較例:(3.2kJ/kg・K×1.05kg/L×1624L/h×(88℃−40℃)=)2.62×105kJ/h
第2比較例:(3.2kJ/kg・K×1.05kg/L×2375L/h×(88℃−40℃)=)3.83×105kJ/h
(水処理装置)
次に、本発明者による上述した鋭意検討に基づいた、本発明の第1の実施形態について説明する。図4は、第1の実施形態による水処理装置2を模式的に示すブロック図である。図4に示すように、第1の実施形態による水処理装置2は、内部に半透膜21aが設けられた第1膜モジュール21、内部に半透膜22aが設けられた第2膜モジュール22、加熱器23、分離槽24、および最終処理ユニット25を備えて構成される。水処理装置2における第1膜モジュール21、半透膜21a、加熱器23、分離槽24、および最終処理ユニット25はそれぞれ、水処理装置1における膜モジュール11、半透膜11a、加熱器12、分離槽13,および最終処理ユニット14と同様である。
(第2正浸透工程)
次に、第1の実施形態による水処理装置2を用いた水処理方法について説明する。第1の実施形態においては、参考実施形態と異なり、第2正浸透手段としての第2膜モジュール22において、第2正浸透工程が行われる。すなわち、第2膜モジュール22において、含水溶液と、含水溶液より浸透圧が低い分離処理ドロー溶液とを、半透膜22aを介して接触させる。ここで、分離処理ドロー溶液の浸透圧は含水溶液の浸透圧より低くなるように設定されているため、浸透圧差により分離処理ドロー溶液中の水は半透膜22aを通過して含水溶液に移動する。これにより、含水溶液が流入する一方の室からは、分離処理ドロー溶液から水が移動して希釈された、希釈含水溶液が流出する。分離処理ドロー溶液が流入する他方の室からは、水が移動して濃縮された濃縮分離処理ドロー溶液が流出する。なお、第2膜モジュール22に供給する分離処理ドロー溶液において、温度を30℃以上50℃以下の例えば40℃とし、圧力は0.05MPa以上0.3MPa以下の例えば0.1MPaとする。
第2膜モジュール22の一方の室から流出した希釈含水溶液は、第1膜モジュール21の一方の室に供給される。第1膜モジュール21において水分離ドロー溶液と希釈含水溶液とが半透膜21aを介して接触して、第1正浸透工程が行われる。第2膜モジュール22の他方の室から流出した濃縮分離処理ドロー溶液は、希釈ドロー溶液の流れ方向に沿って加熱器23の上流側に導入される。濃縮分離処理ドロー溶液が導入された希釈ドロー溶液は、分離前ドロー溶液として加熱器23に供給される。その他の加熱工程、水分離工程、および最終処理工程については、参考実施形態と同様である。第1の実施形態に基づく第1実施例については、後述する。
(水処理装置)
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。図5は、第2の実施形態による水処理装置3を模式的に示すブロック図である。図5に示すように、第2の実施形態による水処理装置3は、第1の実施形態による水処理装置2と同様に、半透膜21aを有する第1膜モジュール21、半透膜22aを有する第2膜モジュール22、加熱器23、分離槽24、および最終処理ユニット25を備えて構成される。一方、水処理装置3は、第1の実施形態による水処理装置2と異なり、第2膜モジュール22から流出する濃縮分離処理ドロー溶液が、水分離ドロー溶液の流れ方向に沿って分離槽24の下流側に導入するように構成される。その他の構成は、第1の実施形態と同様である。
次に、第2の実施形態による水処理装置3を用いた水処理方法について説明する。第2の実施形態においては、第2膜モジュール22によって第2正浸透工程が行われ、分離処理ドロー溶液中の水が半透膜22aを通過して含水溶液に移動する。第2膜モジュール22において含水溶液が流入する一方の室からは、希釈含水溶液が流出して、第1膜モジュール21の一方の室に供給される。第2膜モジュール22において分離処理ドロー溶液が流入する他方の室からは、濃縮分離処理ドロー溶液が流出する。濃縮分離処理ドロー溶液は、分離槽24から流出した水分離ドロー溶液に導入される。水分離ドロー溶液に濃縮分離処理ドロー溶液が導入された混合ドロー溶液は、第1膜モジュール21の他方の室に供給される。第1膜モジュール21においては、希釈含水溶液と混合ドロー溶液との間で第1正浸透工程が行われ、希釈含水溶液から混合ドロー溶液に水が移動する。その他の加熱工程、水分離工程、および最終処理工程については、参考実施形態および第1の実施形態と同様である。第2の実施形態に基づく第2実施例については、後述する。
(水処理装置)
次に、本発明の第3の実施形態について説明する。図6は、第3の実施形態による水処理装置4を模式的に示すブロック図である。図6に示すように、第3の実施形態による水処理装置4は、第1の実施形態による水処理装置2と同様に、半透膜21aを有する第1膜モジュール21、半透膜22aを有する第2膜モジュール22、加熱器23、分離槽24、および最終処理ユニット25を備えて構成される。一方、水処理装置4は、第1の実施形態による水処理装置2と異なり、外部から水処理装置4に供給される含水溶液が、含水溶液の流れ方向に沿った上流側において分岐されるように構成される。水処理装置4においては、分岐された含水溶液の一部が第2膜モジュール22の一方の室に供給され、含水溶液の残部が第2膜モジュール22の下流側、かつ第1膜モジュール21の上流側に導入するように構成される。その他の構成は、第1の実施形態と同様である。
次に、第3の実施形態による水処理装置4を用いた水処理方法について説明する。第3の実施形態による水処理装置4においては、含水溶液の流れ方向に沿って供給される上流側に分岐部が設けられる。分岐部において、水処理装置4に供給される含水溶液が、一部の含水溶液と残部の含水溶液とに分岐される。ここで、第2膜モジュール22に供給される一部の含水溶液の流量を調整することによって、残部の含水溶液の流量が調整される。一部の含水溶液は、第2膜モジュール22の一方の室に供給されて第2正浸透工程が行われる。第2膜モジュール22においては、分離処理ドロー溶液中の水が半透膜22aを通過して一部の含水溶液に移動する。第2膜モジュール22において一部の含水溶液が流入する一方の室からは、希釈含水溶液が流出し、分岐された含水溶液の残部が導入された後に、希釈含水溶液として第1膜モジュール21の一方の室に供給される。第2膜モジュール22における他方の室からは、濃縮分離処理ドロー溶液が流出して、加熱器23の上流側において、第1膜モジュール21から流出した希釈ドロー溶液に導入される。その他の第1正浸透工程、加熱工程、水分離工程、および最終処理工程については、第1および第1の実施形態と同様である。第3の実施形態に基づく第3実施例については、後述する。
次に、それぞれの第1〜第3の実施形態に基づく、第1〜第3実施例について説明する。第1,第2,第3実施例はそれぞれ、水処理装置2,3,4を用いた実施例である。なお、第1比較例は、上述した図2に示す水処理装置100を用いた比較例であり、第2比較例は、上述した図3に示す水処理装置200を用いた比較例である。
第1実施例:(3.2kJ/kg・K×1.05kg/L×1075L/h×(88℃−40℃)=)1.73×105kJ/h
第2実施例:(3.2kJ/kg・K×1.05kg/L×1460L/h×(88℃−40℃)=)2.35×105kJ/h
第1比較例:(3.2kJ/kg・K×1.05kg/L×1624L/h×(88℃−40℃)=)2.62×105kJ/h
第2比較例:(3.2kJ/kg・K×1.05kg/L×2375L/h×(88℃−40℃)=)3.83×105kJ/h
11 膜モジュール
11a,21a,22a 半透膜
12,23 加熱器
13,24 分離槽
14,25 最終処理ユニット
21 第1膜モジュール
22 第2膜モジュール
Claims (16)
- 溶媒として水を含む含水溶液から半透膜を介して曇点を有するドロー溶液に水を移動させて希釈ドロー溶液とする第1正浸透工程と、
前記希釈ドロー溶液を前記曇点以上の温度に加熱する加熱工程と、
前記加熱工程において加熱された前記希釈ドロー溶液を、水リッチ溶液と前記水リッチ溶液より含水率が低い水分離ドロー溶液とに分離する水分離工程と、
前記水リッチ溶液を生成水と分離処理ドロー溶液とに分離する分離処理工程と、
を含む水処理方法であって、
前記第1正浸透工程の前に、前記含水溶液より浸透圧が低い前記分離処理ドロー溶液から半透膜を介して水を移動させて希釈した希釈含水溶液を、前記第1正浸透工程における前記含水溶液とする第2正浸透工程をさらに含む、
ことを特徴とする水処理方法。 - 前記第2正浸透工程において前記分離処理ドロー溶液が濃縮された溶液を、前記加熱工程の前の前記希釈ドロー溶液に導入する
ことを特徴とする請求項1に記載の水処理方法。 - 前記第2正浸透工程の前に、前記含水溶液を一部の含水溶液と残部の含水溶液とに分岐させ、前記一部の含水溶液に対して前記第2正浸透工程を行い、前記残部の含水溶液を前記第2正浸透工程において得られた前記希釈含水溶液に導入する
ことを特徴とする請求項1または2に記載の水処理方法。 - 前記水分離工程において分離された前記水分離ドロー溶液を、前記第1正浸透工程における前記ドロー溶液とする
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の水処理方法。 - 前記第2正浸透工程において前記分離処理ドロー溶液が濃縮された溶液を、前記水分離工程において分離された前記水分離ドロー溶液に導入する
ことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の水処理方法。 - 前記分離処理工程を、コアレッサー、活性炭、限外ろ過膜、ナノろ過膜、または逆浸透膜を用いて行う
ことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の水処理方法。 - 前記ドロー溶液は、少なくとも1つの曇点を有する温度感応性吸水剤を主体とする溶液であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の水処理方法。
- 前記含水溶液は、海水、かん水、汽水、工業排水、随伴水、または下水であることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の水処理方法。
- 溶媒として水を含む含水溶液から、曇点を有するドロー溶液に、半透膜を介して水を移動させて希釈ドロー溶液とする第1正浸透手段と、
前記希釈ドロー溶液を前記曇点以上の温度に加熱する加熱手段と、
前記加熱手段によって加熱された前記希釈ドロー溶液を、水リッチ溶液と前記水リッチ溶液より含水率が低い水分離ドロー溶液とに分離する水分離手段と、
前記水リッチ溶液を生成水と分離処理ドロー溶液とに分離する分離処理手段と、
前記含水溶液より浸透圧が低い前記分離処理ドロー溶液から半透膜を介して水を移動させて希釈含水溶液とした後、前記希釈含水溶液を前記第1正浸透手段に供給する第2正浸透手段と、を備える
ことを特徴とする水処理装置。 - 前記第2正浸透手段によって前記分離処理ドロー溶液が濃縮された溶液を、前記加熱手段または前記希釈ドロー溶液の流れ方向に沿った前記加熱手段の上流側の前記希釈ドロー溶液に導入する
ことを特徴とする請求項9に記載の水処理装置。 - 前記含水溶液の流れ方向に沿った前記第2正浸透手段の上流側に、前記含水溶液を一部の含水溶液と残部の含水溶液とに分岐させる分岐部が設けられ、前記一部の含水溶液を前記第2正浸透手段に供給する一方、前記残部の含水溶液を前記第2正浸透手段によって得られた前記希釈含水溶液に導入する
ことを特徴とする請求項9または10に記載の水処理装置。 - 前記水分離手段によって分離された前記水分離ドロー溶液を、前記第1正浸透手段に前記ドロー溶液として供給する
ことを特徴とする請求項9〜11のいずれか1項に記載の水処理装置。 - 前記第2正浸透手段によって前記分離処理ドロー溶液が濃縮された溶液を、前記水分離手段によって分離された前記水分離ドロー溶液に導入する
ことを特徴とする請求項9〜12のいずれか1項に記載の水処理装置。 - 前記分離処理手段が、コアレッサー、活性炭、限外ろ過膜、ナノろ過、または逆浸透膜からなる
ことを特徴とする請求項9〜13のいずれか1項に記載の水処理装置。 - 前記ドロー溶液は、少なくとも1つの曇点を有する温度感応性吸水剤を主体とする溶液である
ことを特徴とする請求項9〜14のいずれか1項に記載の水処理装置。 - 前記含水溶液は、海水、かん水、汽水、工業排水、随伴水、または下水である
ことを特徴とする請求項9〜15のいずれか1項に記載の水処理装置。
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JP2016196958A JP6740843B2 (ja) | 2016-10-05 | 2016-10-05 | 水処理方法および水処理装置 |
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