JP6879228B2 - 水処理装置および水処理方法 - Google Patents
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Description
(水処理装置)
まず、本発明の第1の実施形態による水処理装置について説明する。図1は、この第1の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、この第1の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、最終処理ユニット14、冷却機構15、および熱交換器21,22を備えて構成される。
次に、以上のように構成された第1の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、含水溶液と再生ドロー溶液とを半透膜11aを介して接触させる。これによって、膜モジュール11内において、浸透圧差により含水溶液中の水が半透膜11aを通過して再生ドロー溶液に移動する。すなわち、膜モジュール11内の含水溶液が供給される一方の室からは、再生ドロー溶液に水が移動することによって濃縮された濃縮含水溶液が流出する。再生ドロー溶液が供給される他方の室からは、含水溶液から水が移動して希釈された希釈ドロー溶液が流出する。ここで、膜モジュール11においては熱交換も行われ、含水溶液の流入側から濃縮含水溶液の流出側に向かって温度が上昇する一方、再生ドロー溶液の流入側から希釈ドロー溶液の流出側に向かって温度が下降する。
流入側熱交換手段としての熱交換器21においては、流入側熱交換工程が行われる。すなわち、冷却機構15から供給される冷却液が熱交換器21に供給される。一方、熱交換器21には、分離槽13から流出した再生ドロー溶液が供給される。第1の実施形態においては、熱交換器21によって、再生ドロー溶液を、25℃以上50℃以下の例えば40℃程度の所定温度に調整する。再生ドロー溶液を所定温度に降温させるために、熱交換器21において熱交換に供される、冷却機構15から供給される冷却液の流量が調整される。すなわち、熱交換器21において、再生ドロー溶液は冷却液によって冷却される。一方、熱交換器21において、冷却液は再生ドロー溶液によって加熱される。なお、熱交換器21に調整弁としてのバイパス弁(図示せず)を設けて、熱交換器21に流入させる冷却液の流量を調整しても良い。熱交換器21において熱交換されて降温された再生ドロー溶液は、膜モジュール11の他方の室に供給される。一方、図1中、符号Bに示すように、熱交換器21において熱交換されて、35℃以上60℃以下の例えば45℃の温度に昇温された冷却液は、回収液として冷却機構15に戻される。
冷却手段としての冷却機構15においては、冷却液生成工程が行われる。すなわち、熱交換器21において、分離槽13から流出した再生ドロー溶液を冷却液によって冷却することによって、冷却液は昇温される。冷却機構15には、熱交換器21を通過した昇温された冷却液が、回収液として供給される。回収液の温度は、35℃以上60℃以下の例えば45℃であり、流量は、例えば2500〜4800L/hである。冷却機構15においては、回収液を、15℃以上45℃以下の例えば35℃まで冷却して冷却液を生成する。さらに、冷却機構15には、最終処理ユニット14から供給された分離処理排液が供給される。供給される分離処理排液の温度は、例えば30℃以上50℃以下の例えば45℃であり、流量は、例えば5L/h以上500L/h以下の例えば85L/hである。なお、最終処理ユニット14から供給される分離処理排液の流量は、冷却機構15において、ブローや蒸発などによって外部に放出される液体量に応じて調整制御される。
加熱手段としての加熱器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再生ドロー溶液が希釈されて得られた希釈ドロー溶液を、後述する流出側熱交換工程において昇温した後に、加熱器12によってさらに曇点以上の温度まで加熱する。これにより、温度感応性吸水剤の少なくとも一部が凝集されて、相分離が行われる。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、水の沸点以下であって、大気圧の場合に100℃以下が好ましく、第1の実施形態においては、曇点以上100℃以下の例えば88℃である。
水分離手段としての分離槽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、温度感応性吸水剤を高濃度に含む濃縮された再生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、例えば大気圧である。水リッチ溶液と再生ドロー溶液との相分離は、液温を曇点以上として静置することによって行うことができる。第1の実施形態において分離槽13における液温は、曇点以上100℃以下の例えば88℃である。希釈ドロー溶液から分離されて濃縮されたドロー溶液は、再生ドロー溶液として、熱交換器21を介して膜モジュール11に供給される。再生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、熱交換器22を介して最終処理ユニット14に供給される。水リッチ溶液は例えば、ドロー濃度が1%であって水が99%である。
流出側熱交換手段としての熱交換器22においては、流出側熱交換工程が行われる。すなわち、膜モジュール11から流出した希釈ドロー溶液は、まず、熱交換器22に供給される。一方、熱交換器22には、分離槽13において得られた水リッチ溶液が供給される。第1の実施形態においては、熱交換器22によって、水リッチ溶液を所定温度、具体的に30℃以上50℃以下の例えば45℃程度の温度に調整する。上述したように、分離槽13においては、液温を曇点以上100℃以下として水分離工程が行われる。そのため、分離槽13から流出する水リッチ溶液は、熱交換器21において降温され、さらに膜モジュール11において降温されて流出する希釈ドロー溶液よりも高温である。一方、後段の最終処理ユニット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、この第1の実施形態においては、例えば45℃である。そこで、熱交換器22において、水リッチ溶液を最終処理ユニット14の処理温度まで降温させる温度調整が行われる。すなわち、熱交換器22において、水リッチ溶液は希釈ドロー溶液によって冷却される一方、希釈ドロー溶液は水リッチ溶液によって加熱される。
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は、温度感応性吸水剤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排液となるポリマー溶液を分離させる。これにより、淡水などの生成水が得られる。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、外部の必要な用途に供給される。なお、最終処理ユニット14において、生成水と分離された分離処理排液は、ドロー濃度が0.5〜25%程度のポリマー溶液であり、少なくとも一部は、冷却機構15に供給される。冷却機構15に供給されない残部の分離処理排液が存在する場合、残部の分離処理排液は、外部に廃棄したり、加熱器12または熱交換器22の上流側において希釈ドロー溶液に導入したりできる。
次に、以上のように構成された水処理装置1の第1実施例および従来技術による比較例について説明する。なお、第1実施例においては、水処理装置を用いて、1時間当たり1100L(1100L/h)の海水から300L(300L/h)の淡水を生成する場合を例に説明する。
第1実施例においては、水処理装置1に外部から25℃程度の温度で導入された海水を膜モジュール11に供給する。海水は膜モジュール11において昇温されつつ濃縮される。濃縮された海水(濃縮海水)は、30℃程度の温度に昇温されて、715L/hの流量で膜モジュール11から排出される。すなわち、膜モジュール11において、水の移動が385L/hの流量で行われる。
第1の実施形態に基づく第1実施例と比較するために、従来の水処理装置として再生ドロー溶液を冷却する冷却機構を設けた例を比較例とする。なお、比較例においては、水処理装置を用いて、1時間当たり1100L(1100L/h)の海水から300L(300L/h)の淡水を生成する場合を例に説明する。図2は、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。
比較例:(3.2kJ/kg・K×1.05kg/L×1485L/h×(88℃−40℃)=)2.40×105kJ/h
この場合、加熱器102に必要な投入エネルギーは、66.5kWであった。
第1実施例:(3.2kJ/kg・K×1.05kg/L×1485L/h×(88℃−48.6℃)=)1.96×105kJ/h
この場合、加熱器12に必要な投入エネルギーは、54.6kWであり、比較例に比して、20%程度低減できることが分かった。
(水処理装置および水処理方法)
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。図3は、第2の実施形態による水処理装置2を示す。図3に示すように、水処理装置2は、第1の実施形態と同様に、内部に半透膜11aが設けられた膜モジュール11、加熱器12、分離槽13、最終処理ユニット14、冷却機構15、および熱交換器21,22,23を備える。
次に、以上のように構成された水処理装置2の第2実施例について説明する。なお、第2実施例においては、水処理装置を用いて、1時間当たり1100L(1100L/h)の海水から300L(300L/h)の淡水を生成する場合を例に説明する。
第2実施例:(3.2kJ/kg・K×1.05kg/L×1485L/h×(88℃−71℃)=)8.48×104kJ/h
この場合、加熱器12に必要な投入エネルギーは、23.2kWであり、上述した比較例に比して(23.2/66.5=)約1/3倍程度、第1実施例に比して(23.2/54.6=)約1/2倍程度になることが分かる。
(水処理装置および水処理方法)
次に、本発明の第3の実施形態について説明する。図4は、第3の実施形態による水処理装置3を示す。図4に示すように、水処理装置3は、第1の実施形態と同様に、内部に半透膜11aが設けられた膜モジュール11、加熱器12、分離槽13、最終処理ユニット14、冷却機構15、および熱交換器21,22,24を備える。
次に、以上のように構成された水処理装置3の第3実施例について説明する。なお、第3実施例においては、水処理装置を用いて、1時間当たり1100L(1100L/h)の海水から300L(300L/h)の淡水を生成する場合を例に説明する。
第3実施例:(3.2kJ/kg・K×1.05kg/L×1485L/h×(88℃−66.7℃)=)1.06×105kJ/h
この場合、加熱器12に必要な投入エネルギーは、29.5kWであり、上述した比較例に比して(29.5/66.5=)約2/5倍程度、第1実施例に比して(29.5/54.6=)約1/2倍程度になることが分かる。
(水処理装置および水処理方法)
次に、本発明の第4の実施形態について説明する。図5は、第4の実施形態による水処理装置4を示す。図5に示すように、水処理装置4は、第1の実施形態と同様に、内部に半透膜11aが設けられた膜モジュール11、加熱器12、分離槽13、最終処理ユニット14、冷却機構15、および熱交換器21,22,25を備える。
次に、以上のように構成された水処理装置4の第4実施例について説明する。なお、第4実施例においては、水処理装置4を用いて、1時間当たり1100L(1100L/h)の海水から300L(300L/h)の淡水を生成する場合を例に説明する。
第4実施例:(3.2kJ/kg・K×1.05kg/L×1485L/h×(88℃−75℃)=)6.49×104kJ/h
この場合、加熱器12に必要な投入エネルギーは、18.0kWであり、上述した比較例に比して(18.0/66.5=)約2/7倍程度、第1実施例に比して(18.0/54.6=)約1/3倍程度、第2実施例に比して(18.0/23.2=)約3/4倍程度、第3実施例に比して(18.0/29.5=)約3/5倍程度になることが分かる。
(水処理装置および水処理方法)
次に、本発明の第5の実施形態について説明する。図6は、第5の実施形態による水処理装置5を示す。図6に示すように、水処理装置5は、第4の実施形態と同様に、内部に半透膜11aが設けられた膜モジュール11、加熱器12、分離槽13、最終処理ユニット14、冷却機構15、および熱交換器21,22,25,26を備える。
次に、以上のように構成された水処理装置5の第5実施例について説明する。なお、第5実施例においては、水処理装置5を用いて、1時間当たり1100L(1100L/h)の海水から300L(300L/h)の淡水を生成する場合を例に説明する。
第5実施例:(3.2kJ/kg・K×1.05kg/L×1485L/h×(88℃−75℃)=)6.49×104kJ/h
この場合、加熱器12に必要な投入エネルギーは、18.0kWであり、上述した比較例に比して(18.0/66.5=)約2/7倍程度、第1実施例に比して(18.0/54.6=)約1/3倍程度、第2実施例に比して(18.0/23.2=)約3/4倍程度、第3実施例に比して(18.0/29.5=)約3/5倍程度になることが分かる。
11 膜モジュール
11a 半透膜
12 加熱器
13 分離槽
14 最終処理ユニット
15 冷却機構
21,22,23,24,25,26 熱交換器
Claims (24)
- 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前記ドロー溶液を希釈させた希釈ドロー溶液として流出するとともに、前記含水溶液を濃縮させた濃縮含水溶液として排出する正浸透手段と、
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前記ドロー溶液とに分離する水分離手段と、
液体を空気により冷却して冷却液として流出する冷却手段と、
前記冷却手段から流出した前記冷却液と前記水分離手段から流出したドロー溶液との間で熱交換を行う流入側熱交換手段と、
前記正浸透手段から流出した前記希釈ドロー溶液と前記水分離手段から流出した前記水リッチ溶液との間で熱交換を行う流出側熱交換手段と、を備える
ことを特徴とする水処理装置。 - 前記水リッチ溶液から生成水を得る分離処理手段をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の水処理装置。
- 前記水リッチ溶液の流れ方向に沿って、前記流出側熱交換手段の下流側かつ前記分離処理手段の上流側に、前記水分離手段から流出した前記水リッチ溶液と、前記冷却手段から流出した前記冷却液との間で熱交換する、最終処理前熱交換手段を備えることを特徴とする請求項2に記載の水処理装置。
- 前記分離処理手段が、前記生成水と分離させた分離処理排液を前記冷却手段に供給可能に構成されていることを特徴とする請求項2または3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、ナノろ過膜、または逆浸透膜からなることを特徴とする請求項2〜4のいずれか1項に記載の水処理装置。
- 前記水分離手段から流出したドロー溶液と前記正浸透手段から流出した前記希釈ドロー溶液との間で熱交換を行う後段熱交換手段をさらに備えることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の水処理装置。
- 前記希釈ドロー溶液の流れ方向に沿った前記流出側熱交換手段の上流側において、前記水分離手段から流出したドロー溶液と前記正浸透手段から流出した前記希釈ドロー溶液との間で熱交換を行う前段熱交換手段をさらに備えることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の水処理装置。
- 前記冷却手段と前記流入側熱交換手段との間において、前記冷却液を循環可能に構成されていることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の水処理装置。
- 前記正浸透手段から流出した前記希釈ドロー溶液を分岐させて、少なくとも2つの熱交換器が並列して構成された並列熱交換手段によってそれぞれ熱交換可能に構成され、分岐されて前記並列熱交換手段によって熱交換された前記希釈ドロー溶液を、前記加熱手段の上流側において合流させるように構成されていることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載の水処理装置。
- 前記並列熱交換手段において、前記希釈ドロー溶液が分岐された一方の希釈ドロー溶液が前記水分離手段から流出した前記水リッチ溶液と熱交換されるとともに、前記希釈ドロー溶液が分岐された他方の希釈ドロー溶液が前記水分離手段から流出したドロー溶液と熱交換されるように構成されていることを特徴とする請求項9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1〜10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1〜11のいずれか1項に記載の水処理装置。
- 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前記ドロー溶液を希釈させた希釈ドロー溶液として流出するとともに、前記含水溶液を濃縮させた濃縮含水溶液として排出する正浸透工程と、
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ドロー溶液とに分離する水分離工程と、
液体を空気により冷却して冷却液を生成する冷却液生成工程と、
前記冷却液生成工程によって得られた前記冷却液と前記水分離工程によって得られたドロー溶液との間で熱交換を行う流入側熱交換工程と、
前記正浸透工程によって得られた前記希釈ドロー溶液と前記水分離工程によって得られた前記水リッチ溶液との間で熱交換を行う流出側熱交換工程と、を含む
ことを特徴とする水処理方法。 - 前記水リッチ溶液から生成水を得る分離処理工程をさらに含むことを特徴とする請求項13に記載の水処理方法。
- 前記分離処理工程の前に、前記水分離工程によって得られた前記水リッチ溶液と、前記冷却液生成工程によって得られた前記冷却液との間で熱交換する、最終処理前熱交換工程をさらに含むことを特徴とする請求項14に記載の水処理方法。
- 前記分離処理工程によって前記生成水と分離された分離処理排液を、前記冷却液生成工程に用いることを特徴とする請求項14または15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14〜16のいずれか1項に記載の水処理方法。
- 前記流出側熱交換工程の前に、前記正浸透工程によって得られた前記希釈ドロー溶液と前記水分離工程によって得られたドロー溶液との間で熱交換を行う前段熱交換工程をさらに含むことを特徴とする請求項13〜17のいずれか1項に記載の水処理方法。
- 前記水分離工程によって得られたドロー溶液と前記流出側熱交換工程において熱交換された前記希釈ドロー溶液との間で熱交換を行う後段熱交換工程をさらに含むことを特徴とする請求項13〜18のいずれか1項に記載の水処理方法。
- 前記流入側熱交換工程において熱交換された後の前記冷却液を、前記冷却液生成工程において冷却することを特徴とする請求項13〜19のいずれか1項に記載の水処理方法。
- 前記正浸透工程によって得られた前記希釈ドロー溶液を分岐させて、少なくとも2つの熱交換器において並列して熱交換を行う並列熱交換工程をさらに含み、前記並列熱交換工程の後かつ前記加熱工程の前に、前記分岐された希釈ドロー溶液を合流させることを特徴とする請求項13〜20のいずれか1項に記載の水処理方法。
- 前記並列熱交換工程において、前記希釈ドロー溶液が分岐された一方の希釈ドロー溶液を前記水分離工程によって得られた前記水リッチ溶液と熱交換するとともに、前記希釈ドロー溶液が分岐された他方の希釈ドロー溶液を前記水分離工程によって得られたドロー溶液と熱交換することを特徴とする請求項21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13〜22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13〜23のいずれか1項に記載の水処理方法。
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