JP6740843B2 - 水処理方法および水処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、溶媒として水を含む含水溶液から水を抽出する水処理方法および水処理装置に関する。

従来、海水、河川水、または工業排水などを被処理水（含水溶液）とし、被処理水よりも浸透圧の高い液体を誘引溶液（ドロー溶液）として、半透膜を介してドロー溶液と被処理水とを接触させることにより、被処理水から淡水を誘引溶液に透過させる水処理システムが知られている。

特許文献１には、曇点を有する溶質としてドロー溶液を用いた正浸透システムに海水を供給し、正浸透システムにおいて半透膜を介してドロー溶液と接触させることにより、海水中の水を浸透圧によって半透膜を透過させてドロー溶液に移動させる技術が記載されている。特許文献１に記載の水処理装置においては、海水中の水が移動されたドロー溶液を加熱した後、分離槽において水リッチ溶液と水分離ドロー溶液とに分離し、水分離ドロー溶液を正浸透システムにおけるドロー溶液として循環させて用いている。

特許文献２には、特許文献１に記載された水処理装置においてさらに、分離槽において得られた水リッチ溶液に対して最終処理を行って、分離処理ドロー溶液と淡水などの生成水とに分離させた後、分離された分離処理ドロー溶液を、正浸透システムにおいて循環させるドロー溶液に導入して再利用する技術が記載されている。

米国特許第８０２１５５３号明細書 国際公開第２０１２／１４８８６４号 国際公開第２０１５／１５６４０４号

上述した従来技術による水処理装置においては、水の膜透過速度であるろ過速度などの性能は、膜モジュールなどの浸透手段に供給される含水溶液およびドロー溶液の濃度によって変化する。そのため、水の回収率を向上させるために、含水溶液とドロー溶液との濃度について、ろ過速度を向上できるさらなる技術が求められていた。

また、従来技術による水処理装置においては、導入されるドロー溶液の使用量が多くなると、ドロー溶液を加熱する際に必要なエネルギーも大きくなるという問題があった。そのため、水の回収率を増加させ、導入するドロー溶液の使用量を低減することで、ドロー溶液の流量を低減させて、加熱に消費するエネルギーを低減できる技術の開発が求められていた。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、その目的は、水の回収率を増加させ、浸透手段に供給するドロー溶液の流量を低減させて、消費するエネルギーを低減できる水処理方法および水処理装置を提供することにある。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係る水処理方法は、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。

本発明の一態様に係る水処理方法は、上記の発明において、前記分離処理工程において分離された前記分離処理ドロー溶液を、前記第２正浸透工程における前記浸透圧が低い溶液として用いることを特徴とする。

本発明の一態様に係る水処理方法は、上記の発明において、前記第２正浸透工程において前記浸透圧が低い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。

本発明の一態様に係る水処理方法は、上記の発明において、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。

本発明の一態様に係る水処理方法は、上記の発明において、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。本発明の一態様に係る水処理方法は、この構成において第２正浸透工程を含む場合に、前記第２正浸透工程において前記浸透圧が低い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。

本発明の一態様に係る水処理方法は、上記の発明において、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。

本発明の一態様に係る水処理方法は、上記の発明において、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。

本発明の一態様に係る水処理方法は、上記の発明において、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。

本発明の一態様に係る水処理装置は、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、前記含水溶液より浸透圧が低い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、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、を備えることを特徴とする。

本発明の一態様に係る水処理装置は、上記の発明において、前記分離処理手段によって分離された前記分離処理ドロー溶液を、前記浸透圧が低い溶液として前記第２正浸透手段に供給することを特徴とする。

本発明の一態様に係る水処理装置は、上記の発明において、前記第２正浸透手段によって前記浸透圧が低い溶液が濃縮された濃縮溶液を、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。

本発明の一態様に係る水処理装置は、上記の発明において、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。

本発明の一態様に係る水処理装置は、上記の発明において、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。本発明の一態様に係る水処理装置は、この構成において第２正浸透手段を有する場合に、前記第２正浸透手段によって前記浸透圧が低い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。

本発明の一態様に係る水処理装置は、上記の発明において、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。

本発明の一態様に係る水処理装置は、上記の発明において、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。

本発明の一態様に係る水処理装置は、上記の発明において、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。

本発明に係る水処理方法および水処理装置によれば、水の回収率を増加させ、浸透手段に供給するドロー溶液の流量を低減させて、消費するエネルギーを低減することが可能になる。

図１は、本発明の参考実施形態による水処理装置を模式的に示すブロック図である。 図２は、第１比較例による水処理装置を模式的に示すブロック図である。 図３は、第２比較例による水処理装置を模式的に示すブロック図である。 図４は、本発明の第１の実施形態による水処理装置を模式的に示すブロック図である。 図５は、本発明の第２の実施形態による水処理装置を模式的に示すブロック図である。 図６は、本発明の第３の実施形態による水処理装置を模式的に示すブロック図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、以下の実施形態の全図においては、同一または対応する部分には同一の符号を付す。また、本発明は以下に説明する実施形態によって限定されるものではない。

まず、本発明者は、従来技術による上述した課題を解決するために、種々鋭意検討を行った。そして、本発明者が本発明を案出する過程において、分離槽において水リッチ溶液と水分離ドロー溶液とが分離された後に、水リッチ溶液からさらに生成水を分離する際に生じるドロー溶液を、水分離ドロー溶液が正浸透工程において希釈された後の希釈ドロー溶液に導入する方法を想到した。以下に説明する参考実施形態は、本発明者が本発明を案出する過程において想到した、水処理方法および水処理装置である。

（参考実施形態）
（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。

膜モジュール１１は、内部に半透膜１１ａが設けられている。半透膜１１ａは、水を選択的に透過できるものが好ましく、正浸透（ＦＯ：Forward Osmosis）膜が用いられるが、逆浸透（ＲＯ：Reverse Osmosis）膜を用いてもよい。半透膜１１ａの分離層の材質は、特に限定されるものではなく、例えば、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、またはポリベンゾイミダゾール系などの材質を挙げることができる。半透膜１１ａの構成は、分離層に用いられる材質を１種類（１層）のみから構成してもよく、分離層を物理的に支持して実質的に分離に寄与しない支持層を有する２層以上から構成してもよい。支持層としてはポリスルホン系、ポリケトン系、ポリエチレン系、ポリエチレンテレフタラート系、一般的な不織布などの材質を挙げることができる。半透膜１１ａの形態についても限定されるものではなく、平膜、管状膜、または中空糸など種々の形態の膜を用いることができる。膜モジュール１１は、例えば円筒形または箱形の容器であって、内部に半透膜１１ａが設置されることによって、内部が半透膜１１ａによって２つの室に仕切られる。膜モジュール１１の形態は、例えばスパイラルモジュール型、積層モジュール型、中空糸モジュール型などの種々の形態を挙げることができる。膜モジュール１１としては、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。

膜モジュール１１においては、半透膜１１ａによって仕切られた一方の室に、含水溶液である含水溶液を流すことができ、他方の室に吸水溶液であるドロー溶液を流すことができる。ドロー溶液の膜モジュール１１への導入圧力は、０．１ＭＰａ以上０．５ＭＰａ以下、参考実施形態においては例えば０．２ＭＰａである。含水溶液は、例えば海水、かん水、汽水、工業排水、随伴水、または下水、もしくは必要に応じてこれらの水に対してろ過処理を施した、溶媒として水を含む含水溶液である。含水溶液は前段の処理によって例えば５０℃程度の所定温度に温度制御される。

ドロー溶液としては、少なくとも１つの曇点を有する温度感応性吸水剤（ポリマー）を主体とする溶液が用いられる。温度感応性吸水剤とは、低温においては親水性で水によく溶けて吸水量が多くなる一方、温度の上昇にしたがって吸水量が低下して、所定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る。この参考実施形態においてポリマーは、少なくとも疎水部および親水部が含まれ、基本骨格にエチレンオキシド群とプロピレンオキシドおよびブチレンオキシドからなる少なくとも一方の群とを含む、ブロックまたはランダム共重合体が好ましい。基本骨格は例えば、グリセリン骨格や炭化水素骨格などが挙げられる。具体的には、例えば、エチレンオキサイドおよびプロピレンオキサイドの重合体を有する薬剤（ＧＥ１０００−ＢＢＰＰ（Ａ３）、特許文献３参照）を用いた。このようなポリマーにおいて、水溶性と水不溶性とが変化する温度は、曇点と呼ばれる。ドロー溶液の温度が曇点に達すると疎水性化した温度感応性吸水剤が凝集して白濁が生じる。温度感応性吸水剤は、各種界面活性剤、分散剤、乳化剤などとして利用される。この参考実施形態において、ドロー溶液は含水溶液から水を誘引する誘引物質として用いられる。

ドロー溶液の加熱手段としての加熱器１２は、ドロー溶液の流れ方向に沿って分離槽１３の上流側に設けられる。加熱器１２は、膜モジュール１１において希釈されて流出したドロー溶液（希釈ドロー溶液）を曇点の温度以上に加熱する。

水分離手段としての分離槽１３は、希釈ドロー溶液を、加熱器１２において加熱によって相分離された、水を主体とする水リッチ溶液とポリマーを主体として水リッチ溶液より含水率が低い水分離ドロー溶液とに相分離させる。

分離処理手段としての最終処理ユニット１４は、例えばコアレッサー、活性炭吸着ユニット、限外ろ過膜（ＵＦ膜）ユニット、ナノろ過膜（ＮＦ膜）ユニット、または逆浸透膜（ＲＯ膜）ユニットから構成される。最終処理ユニット１４は、分離槽１３から流出した水リッチ溶液において、残存するポリマーを水リッチ溶液から分離させて、生成水としての淡水を生成する。最終処理ユニット１４によって分離されたポリマーを含むポリマー溶液は、最終処理ユニット１４から加熱器１２の上流側に導入される導入経路に沿って、分離処理ドロー溶液として希釈ドロー溶液とともに加熱器１２に導入される。

（水処理方法）
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。

正浸透工程
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。

加熱工程
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。

水分離工程
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。

最終処理工程
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。

（参考実施例および比較例）
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）
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。

参考実施形態に基づく参考実施例と比較するために、分離処理ドロー溶液を廃棄する水処理装置の例（特許文献１参照）を第１比較例とする。図２は、第１比較例による水処理装置１００を模式的に示すブロック図である。また、分離処理ドロー溶液を分離槽の後段の水分離ドロー溶液に導入する例（特許文献２参照）を第２比較例とする。図３は、第２比較例による水処理装置２００を模式的に示すブロック図である。

（第１比較例）
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。

（第２比較例）
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。

表１は、参考実施例、第１比較例、および第２比較例において、含水溶液および濃縮含水溶液、並びに、希釈ドロー溶液、水分離ドロー溶液、分離前ドロー溶液、分離処理ドロー溶液、および混合ドロー溶液のそれぞれの流量および濃度の実験結果を示す。なお、参考実施例、第１比較例、および第２比較例において、含水溶液の種類、および最終的に生成される淡水などの生成水の単位時間当たりの造水量は互いに等しいものとする。具体的に、膜モジュール１１への導入圧力を海水の浸透圧（約２５ａｔｍ）以上の３４ａｔｍ、水リッチ溶液のドロー濃度を１％として流量を３７５Ｌ／ｈとし、最終処理ユニット１４における回収率を８０％として、最終的に生成される淡水の単位時間当たりの造水量を３００Ｌ／ｈにする。

第１比較例においては、最終処理ユニット１０４によって分離された分離処理ドロー溶液を廃棄している。そのため、処理コストが高くなるのみならず、水分離ドロー溶液を随時追加する必要があるため、低コスト化が極めて困難になるという問題がある。

第２比較例においては、分離処理ドロー溶液を分離槽２０３の下流側の水分離ドロー溶液に導入している。これにより、分離処理ドロー溶液を再利用できる反面、膜モジュール２０１に供給される混合ドロー溶液のドロー濃度は、分離槽２０３から流出した水分離ドロー溶液に比して低下している。そのため、混合ドロー溶液が供給される膜モジュール２０１におけるろ過速度は、水分離ドロー溶液が供給された場合の膜モジュール２０１のろ過速度よりも低くなる。これに伴って、膜モジュール２０１に供給する混合ドロー溶液の流量は大きくなり、膜モジュール２０１から流出する希釈ドロー溶液の流量も大きくなる。そのため、加熱器２０２における加熱に要するエネルギーが大きくなるという問題がある。

表１から、上述した第１比較例に対して参考実施例においては、最終的な造水量が同量である場合、水処理装置に供給する含水溶液の流量を低減できることが分かる。換言すると、第１比較例による水処理装置１００に供給する含水溶液の流量と、参考実施例による水処理装置１に供給する含水溶液の流量とを同流量にした場合、造水量は、水処理装置１００に比して水処理装置１の方が多いことが分かる。すなわち、参考実施形態による水処理装置１においては、従来に比して、淡水の回収率を向上できることが分かる。

また、上述した第１，第２比較例に対し、参考実施例においては、図１に示すように、分離処理ドロー溶液を加熱器１２の上流側の希釈ドロー溶液に導入している。これにより、膜モジュール１１に供給する水分離ドロー溶液のドロー濃度の低下を抑制でき、表１から、水分離ドロー溶液のドロー濃度を従来技術（第１，第２比較例）と同様の濃度に維持できることが分かる。

さらに、表１から、参考実施例においては、第１比較例に比して、膜モジュール１１におけるろ過速度を増加できることが分かる。すなわち、参考実施例においては、水分離ドロー溶液の流量が第１，第２比較例に比して低減されていることが分かる。具体的に、表１から、参考実施例は、第１比較例に比して、膜モジュール１１に供給される水分離ドロー溶液の流量が、１２４９Ｌ／ｈから９９７Ｌ／ｈに低減できることが分かる。同様に、参考実施例は、第２比較例に比して、膜モジュール１１に供給される水分離ドロー溶液（第２比較例では混合ドロー溶液）の流量が、２０７５Ｌ／ｈから９９７Ｌ／ｈに低減できることが分かる。水分離ドロー溶液の流量の低減は、ドロー溶液に含まれるポリマーの使用量の低減に寄与するため、ポリマーのコストの低減が可能になる。

また、表１から、第１比較例においては、希釈ドロー溶液が１６２４Ｌ／ｈの流量で加熱器１０２内を流動し、第２比較例においては、希釈ドロー溶液が２３７５Ｌ／ｈの流量で加熱器２０２内を流動している。これに対し、参考実施例においては、分離前ドロー溶液が１３７２Ｌ／ｈの流量で加熱器１２内を流動している。すなわち、表１から、参考実施例においては、加熱器１２内に流動させるドロー溶液の流量が低減されていることが分かる。ここで、参考実施例、および第１，第２比較例において用いられるポリマー水溶液の比熱および密度はそれぞれ、３．２ｋＪ／ｋｇ・Ｋおよび１．０５ｋｇ／Ｌであることから、ドロー溶液を４０℃から曇点以上の８８℃まで加熱する場合に必要なエネルギーは、以下の通りである。なお、比熱については、ポリマー水溶液における４０〜８８℃での平均比熱を使用しているため、ドロー溶液の濃度に依存しない。また、密度については、ドロー溶液の濃度および温度の寄与が極めて小さいことから、濃度および温度の影響は無視できるほど小さい。
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

すなわち、参考実施例においては、第１比較例に比して、約１６％のエネルギーを低減でき、第２比較例に比して、約４２％のエネルギーを低減できることが分かる。

以上説明したように参考実施形態によれば、膜モジュール１１のろ過速度を従来に比して増加させることができるので、膜モジュール１１に供給するドロー溶液の流量を低減でき、これに伴って加熱器１２内を流動させるドロー溶液を低減できるので、水処理装置１においては、従来に比して、ドロー溶液に要するコストを低減できるとともに、加熱に消費するエネルギーを低減可能となる。

本発明者は、上述した参考実施形態による水処理装置および水処理方法に対して、さらに鋭意検討を行った。そして、本発明者は、上述した参考実施形態において得られる分離処理ドロー溶液を用いて、含水溶液をあらかじめ希釈させる方法を想到した。すなわち、正浸透工程を行う膜モジュールに含水溶液を導入する前に、分離処理ドロー溶液から含水溶液に水を移動させて希釈含水溶液とし、この希釈含水溶液を膜モジュールに導入する方法を案出するに至った。

（第１の実施形態）
（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膜モジュール２２および半透膜２２ａはそれぞれ、水処理装置１における膜モジュール１１および半透膜１１ａと同様の構成を採用できる。すなわち、第２膜モジュール２２は、内部が半透膜２２ａによって２つの室に仕切られる。ここで、水処理装置２において、第１正浸透手段としての第１膜モジュール２１と第２正浸透手段としての第２膜モジュール２２とは、同様の構造の膜モジュールであってもよく、互いに異なる構成の膜モジュールであってもよい。また、半透膜２１ａ，２２ａは、互いに同様の構成や種類の半透膜を採用してもよく、互いに異なる構成や種類の半透膜を採用してもよい。

第１の実施形態による水処理装置２においては、参考実施形態と異なり、第２膜モジュール２２が、ドロー溶液および含水溶液の流れ方向に沿って、第１膜モジュール２１の上流に設けられる。これにより、水処理装置２に対して外部から供給される含水溶液は、第２膜モジュール２２の一方の室に供給される。第２膜モジュール２２の他方の室には、最終処理ユニット２５において分離させた分離処理ドロー溶液が供給される。その他の構成は、参考実施形態と同様である。

（水処理方法）
（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１正浸透工程）
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。

（第２の実施形態）
（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。

（水処理方法）
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。

（第３の実施形態）
（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。

（水処理方法）
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。

（第１，第２，第３実施例、および第１，第２比較例）
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。

表２は、第１〜第３実施例および第１，第２比較例における、含水溶液、希釈含水溶液、および濃縮含水溶液の流量および塩分濃度、並びに、水分離ドロー溶液、混合ドロー溶液、希釈ドロー溶液、分離前ドロー溶液、分離処理ドロー溶液、および濃縮分離処理ドロー溶液のそれぞれの流量および濃度の実験結果を示す。なお、第１〜第３実施例、第１，第２比較例において、含水溶液の種類、および最終的に生成される淡水などの生成水の単位時間当たりの造水量は互いに等しいものとする。具体的に、水リッチ溶液のドロー濃度を１％として流量を３７５Ｌ／ｈとし、最終処理ユニット２５における回収率を８０％として、最終的に生成される淡水の単位時間当たりの造水量を３００Ｌ／ｈにする。なお、第３実施例においては、第２膜モジュール２２に供給する一部の含水溶液の流量を７５Ｌ／ｈ、残部の含水溶液の流量を９２２Ｌ／ｈとする。これにより、第３実施例においては、第２膜モジュール２２から流出して、残部の含水溶液が導入される前の希釈含水溶液の塩分濃度は２．２％、流量は１３５Ｌ／ｈとなる。表２において第３実施例の希釈含水溶液の塩分濃度および流量は、残部の含水溶液が導入された後の希釈含水溶液の塩分濃度および流量である。

表２から、上述した第１比較例に対して第１〜第３実施例においては、最終的な淡水の造水量が同量である場合、水処理装置に供給する含水溶液の流量を低減できることが分かる。換言すると、第１比較例による水処理装置１００に供給する含水溶液の流量と、第１〜第３実施例による水処理装置２〜４に供給する含水溶液の流量とを同じ流量にした場合、造水量は、水処理装置１００に比して水処理装置２〜４の方が多いことが分かる。すなわち、第１〜第３の実施形態による水処理装置２〜４においては、従来に比して、淡水の回収率を向上できることが分かる。

また、図４および図５に示すように、第１，第２実施例による水処理装置２，３においては、第１膜モジュール２１の上流側に配置された第２膜モジュール２２によって、分離処理ドロー溶液から含水溶液に水を移動させている。そのため、第１比較例による水処理装置１００における膜モジュール１０１に供給される含水溶液の濃度に比して、第１膜モジュール２１に供給される含水溶液の濃度が低くなる。これにより、第１膜モジュール２１における希釈含水溶液とドロー溶液との浸透圧差が大きくなる。第１膜モジュール２１において希釈含水溶液とドロー溶液との浸透圧差を大きくすることによって、従来に比してろ過速度および水の回収率を増加でき、供給されるドロー溶液の流量を低減できる。具体的に、表２から、第１実施例は、第１比較例に比して、第１膜モジュール２１に供給される水分離ドロー溶液の流量が、１２４９Ｌ／ｈから７００Ｌ／ｈに低減できることが分かる。同様に、第２実施例は、第１膜モジュール２１に供給される混合ドロー溶液の流量が、第１比較例において膜モジュール１０１に供給される水分離ドロー溶液の流量に比して、１２４９Ｌ／ｈから１１００Ｌ／ｈに低減できることが分かる。水分離ドロー溶液や混合ドロー溶液の流量の低減は、ドロー溶液に含まれるポリマーの使用量の低減に寄与するため、ポリマーのコストの低減が可能になる。

また、表２から、第１比較例においては、希釈ドロー溶液が１６２４Ｌ／ｈの流量で加熱器１０２内を流動し、第２比較例においては、希釈ドロー溶液が２３７５Ｌ／ｈの流量で加熱器２０２内を流動している。これに対し、表２および図４に示すように、第１実施例においては、分離前ドロー溶液が１０７５Ｌ／ｈの流量で加熱器２３内を流動している。また、表２および図５に示すように、第２実施例においては、希釈ドロー溶液が１４６０Ｌ／ｈの流量で加熱器２３内を流動している。すなわち、表２から、第１，第２実施例においては、加熱器２３内に流動させるドロー溶液の流量が、従来（第１，第２比較例）に比して低減されていることが分かる。ここで、第１，第２実施例および第１，第２比較例において用いられるポリマー水溶液の比熱および密度はそれぞれ、３．２ｋＪ／ｋｇ・Ｋおよび１．０５ｋｇ／Ｌであることから、ドロー溶液を４０℃から曇点以上の８８℃まで加熱する場合に必要なエネルギーは、以下の通りである。
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

すなわち、第１実施例においては、第１比較例に比して、約３４％のエネルギーを低減でき、第２比較例に比して、約５５％のエネルギーを低減できることが分かる。同様に、第２実施例においては、第１比較例に比して、約１０％のエネルギーを低減でき、第２比較例に比して、約３９％のエネルギーを低減できることが分かる。

さらに、上述した参考実施形態に基づく参考実施例（表１参照）と、本発明の第１の実施形態による第１実施例とを比較する。参考実施例による膜モジュール１１における水の回収率が（（９９７Ｌ／ｈ−６９７Ｌ／ｈ）／９９７Ｌ／ｈ×１００≒）３０％であるのに対し、第１実施例による第１膜モジュール２１における水の回収率は、（（１０５７Ｌ／ｈ−６９７Ｌ／ｈ）／１０５７Ｌ／ｈ×１００≒）３４％となる。すなわち、第１実施例によれば、参考実施例に比して、水の回収率が４ポイント増加していることが分かる。

また、ドロー溶液を４０℃から曇点以上の８８℃まで加熱する場合に必要なエネルギーは、参考実施例においては、２．２１×１０⁵ｋＪ／ｈであるのに対し、第１実施例においては、１．７３×１０⁵ｋＪ／ｈである。これにより、第１実施例においては、参考実施例に比して、約２２％のエネルギーを低減できることが分かる。

すなわち、本発明の第１の実施形態による水処理装置２によれば、参考実施形態による水処理装置１に比して、第１膜モジュール２１における水の回収率のさらなる増加、および消費するエネルギーのさらなる低減を実現できる。

表２において、第１実施例および第３実施例を比較すると、第３実施例においては、第１実施例と同様の効果を得られることが分かる。さらに、水処理装置２，４に供給される含水溶液はいずれも９９７Ｌ／ｈであるが、図６に示すように、供給される含水溶液を分岐部によって分岐させて、第２膜モジュール２２に供給する含水溶液の流量を、第３実施例においては７５Ｌ／ｈとし、第１実施例に比して大幅に低減させている。これにより、第２膜モジュール２２における圧力損失を低減することができるので、第３実施例においては第１実施例に比して、水処理装置において消費するエネルギーを低減できる。

以上説明したように第１，第２，第３の実施形態によれば、第１膜モジュール２１のろ過速度を従来に比して増加させることができるので、第１膜モジュール２１に供給するドロー溶液の流量を低減でき、これに伴って加熱器２３内を流動させるドロー溶液を低減できるので、水処理装置２，３，４においては、従来に比して、ドロー溶液に要するコストを低減できるとともに、加熱に消費するエネルギーを低減可能となる。さらに、水処理装置４においては、第２膜モジュール２２において消費するエネルギーをより一層低減できる。

以上、本発明の実施形態について具体的に説明したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。例えば、上述の実施形態において挙げた数値はあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる数値を用いてもよく、本実施形態による本発明の開示の一部をなす記述および図面により本発明は限定されることはない。

１，２，３，４ 水処理装置
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)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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。
9. 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。
10. 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。
11. 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。
12. 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。
13. 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。
14. 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。
15. 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。
16. 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。

Images