JP2011161361A - Water clarifying apparatus and water clarifying method - Google Patents

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森人 池田
Hirohiko Tsuzuki
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a water clarifying apparatus in which hydrated anions are recovered by using an ion permeable membrane, the hydrated anions are dehydrated to obtain water and thereby leakage of dehydrated anions to water to be clarified and deposition of salts can be prevented and clarified water can be efficiently recovered. <P>SOLUTION: The water clarifying apparatus has a dilution means for bringing the water to be clarified into contact via a semi-permeable membrane with an ion-containing aqueous solution containing nonvolatile cations and the hydrated ions that becomes volatile by dehydration and for diluting the ion-containing aqueous solution with water separated from the water to be clarified by the semi-permeable membrane, a separation means for separating the hydrated anions and the nonvolatile cations via an ion exchange membrane from the ion-containing aqueous solution diluted by the dilution means, a volatilization means for obtaining clarified water where dehydrated anions are removed and recovered by dehydrating and volatilizing separated hydrated anions, and a dissolving means for dissolving the dehydrated anions recovered and removed by the volatilization means in the aqueous solution containing at least the non-volatile cations. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、脱水和して揮発性となる水和性アニオン及び非揮発性カチオンを含むイオン含有水溶液を用いる順浸透法を適用した水浄化装置及び水浄化方法に関する。   The present invention relates to a water purification apparatus and a water purification method to which a forward osmosis method using an ion-containing aqueous solution containing a hydratable anion and a non-volatile cation that are dehydrated and become volatile is applied.

浸透圧差のある2種の水溶液間で水を選択的に分離し移動させる方法として、外部圧力を用いた逆浸透(RO)法と、浸透圧を利用して低エネルギーで分離を行う順浸透(FO)法が知られている。
前記順浸透法の一つとして、揮発性アニオン及び揮発性カチオンを含む揮発性イオン含有水溶液を用いる方法がある。例えば、図1に示すように、浄化対象水を、揮発性アニオン及び揮発性カチオンを含む揮発性イオン含有水溶液と半透過膜1を介して接触させ、該半透過膜1により前記浄化対象水から分離された水で前記揮発性イオン含有水溶液を希釈する希釈手段11と、
希釈された揮発性イオン含有水溶液から、前記揮発性アニオン及び前記揮発性カチオンを揮発させて、浄化水を得る蒸留塔7を含む分離手段15と、
気化分離したアニオンガス及びカチオンガスを、前記希釈された揮発性イオン含有水溶液に戻し、溶解するガス吸収器6を含む溶解手段14と、を有する水浄化装置が提案されている(特許文献1参照)。
As a method of selectively separating and moving water between two aqueous solutions having a difference in osmotic pressure, a reverse osmosis (RO) method using external pressure and a forward osmosis (which uses osmotic pressure to perform separation with low energy) The FO) method is known.
As one of the forward osmosis methods, there is a method using a volatile ion-containing aqueous solution containing a volatile anion and a volatile cation. For example, as shown in FIG. 1, the water to be purified is brought into contact with a volatile ion-containing aqueous solution containing volatile anions and volatile cations via a semipermeable membrane 1, and the semipermeable membrane 1 allows the water to be purified to be purified. Diluting means 11 for diluting the volatile ion-containing aqueous solution with separated water;
Separation means 15 including a distillation column 7 for obtaining purified water by volatilizing the volatile anions and the volatile cations from the diluted aqueous solution containing volatile ions,
There has been proposed a water purifier having a dissolving means 14 including a gas absorber 6 for returning the vaporized and separated anion gas and cation gas to the diluted aqueous solution containing volatile ions and dissolving them (see Patent Document 1). ).

しかしながら、前記提案の図1に示す水浄化装置では、揮発性カチオンとしてアンモニアを利用しているため、アンモニアが前記半透過膜1から前記浄化対象水に漏れ出すという問題がある。アンモニアは分子サイズなどの物性が水と非常に近いため、本発明で用いる半透膜のような水を選択的に透過する膜において、アンモニアの透過を抑制することは非常に困難である。結果として大幅なカチオンの補充が必要になるだけでなく、処理後の浄化対象水を介して大量のアンモニアが環境に放出されてしまうため、その改善が望まれている。   However, in the proposed water purification apparatus shown in FIG. 1, ammonia is used as a volatile cation, so that ammonia leaks from the semipermeable membrane 1 to the purification target water. Since ammonia has physical properties such as molecular size that are very close to water, it is very difficult to suppress the permeation of ammonia in a membrane that selectively permeates water, such as the semipermeable membrane used in the present invention. As a result, not only replenishment of a large amount of cations is required, but a large amount of ammonia is released to the environment through the water to be purified after the treatment, and therefore an improvement is desired.

また、前記図1に示す水浄化装置では、前記分離手段15を用いた分離工程において、二酸化炭素と水とアンモニアが接触して、炭酸水素アンモニウム、炭酸アンモニウム、アンモニウムカルバメート等の塩が蒸留カラム、蒸留カラム中の充填物、トレイ、配管などに析出して、浄水化処理の効率が低下したり、詰りが発生してしまうという問題がある。   In the water purification apparatus shown in FIG. 1, in the separation step using the separation means 15, carbon dioxide, water, and ammonia come into contact with each other, and a salt such as ammonium hydrogen carbonate, ammonium carbonate, or ammonium carbamate is distilled into a distillation column. There is a problem that the efficiency of the water purification treatment decreases or clogging occurs due to precipitation on packings, trays, piping, etc. in the distillation column.

また、非揮発性カチオンと揮発性アニオンを含むイオン含有水溶液を用いた水浄化システムが提案されている(特許文献2参照)。この提案の水浄化システムによれば、揮発性カチオンであるアンモニアを用いた場合に比べて、非揮発性カチオンの半透過膜から浄化対象水への漏れ出し速度は遅く抑えることが可能である。しかし、前記特許文献2の水浄化システムは、溶質の一部を非溶解成分として取り扱うため、そのハンドリング性が著しく悪いという問題がある。例えば非溶解成分をフィルターで除去する場合には、目詰まりによって除去性能を維持することが非常に困難になる上、フィルター上に残った非溶解成分を充分に回収することは困難である。また、非溶解成分を沈殿させる場合には、大幅な時間が必要となる上に安定的に取り扱うことができない。更に、遠心機等の大掛かりな設備が必要となる。   Moreover, the water purification system using the ion-containing aqueous solution containing a non-volatile cation and a volatile anion is proposed (refer patent document 2). According to this proposed water purification system, the rate of leakage of non-volatile cations from the semipermeable membrane into the water to be purified can be suppressed slower than when ammonia, which is a volatile cation, is used. However, since the water purification system of Patent Document 2 handles a part of the solute as an undissolved component, there is a problem that its handling property is remarkably poor. For example, when removing undissolved components with a filter, it is very difficult to maintain the removal performance due to clogging, and it is difficult to sufficiently recover the undissolved components remaining on the filter. Moreover, when precipitating an undissolved component, a long time is required and it cannot be handled stably. Furthermore, large-scale equipment such as a centrifuge is required.

したがって、上述したような非溶解成分を取り扱う必要がなく、浄化水を効率よく回収することができる水浄化システムの速やかな提供が望まれているのが現状である。   Therefore, the present situation is that it is desired to provide a water purification system capable of efficiently recovering purified water without having to handle non-dissolved components as described above.

米国特許出願公開2005/0145568号明細書US Patent Application Publication No. 2005/0145568 米国特許第6391205号明細書US Pat. No. 6,391,205

本発明は、従来における前記諸問題を解決し、以下の目的を達成することを課題とする。即ち、本発明は、膜の透過性が高い揮発性のアンモニアを使用せず非揮発性カチオンを使用して、イオン透過膜を用いることで水和性アニオンを回収し、該水和性アニオンを脱水して水を得ることで、浄化対象水へのカチオンの漏れ出し及び塩の析出を防止でき、浄化水を効率よく回収することができる水浄化装置及び水浄化方法を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to solve the above-described problems and achieve the following objects. That is, the present invention recovers a hydratable anion by using an ion permeable membrane by using a non-volatile cation without using volatile ammonia having a high membrane permeability, It is an object of the present invention to provide a water purification device and a water purification method that can prevent cation leakage and salt precipitation to the water to be purified by dehydrating to obtain water, and can efficiently recover the purified water. To do.

前記課題を解決するための手段としては、以下の通りである。即ち、
<1> 浄化対象水と、脱水和して揮発性となる水和性アニオン及び非揮発性カチオンを含むイオン含有水溶液とを半透過膜を介して接触させ、該半透過膜により前記浄化対象水から分離された水で前記イオン含有水溶液を希釈する希釈手段と、
前記希釈手段により希釈されたイオン含有水溶液から、イオン交換膜を介して前記水和性アニオンと前記非揮発性カチオンを分離する分離手段と、
前記分離された水和性アニオンを脱水和し、揮発することにより、脱水和アニオンが除去回収された浄化水を得る揮発手段と、
前記揮発手段により回収除去された脱水和アニオンを、少なくとも非揮発性カチオンを含む水溶液に溶解させる溶解手段と、
を有することを特徴とする水浄化装置である。
該<1>に記載の水浄化装置においては、希釈手段と、分離手段と、揮発手段と、溶解手段とを有する。
前記希釈手段により浄化対象水と、脱水和して揮発性となる水和性アニオン及び非揮発性カチオンを含むイオン含有水溶液とを半透過膜を介して接触させ、該半透過膜により前記浄化対象水から分離された水で前記イオン含有水溶液を希釈する。
前記分離手段により前記希釈手段により希釈されたイオン含有水溶液から、イオン交換膜を介して前記水和性アニオンと前記非揮発性カチオンを分離する。
前記揮発手段により前記分離された水和性アニオンを脱水和し、揮発することにより、脱水和アニオンが除去回収された浄化水を得ることができる。
前記溶解手段により前記揮発手段により回収除去された脱水和アニオンを、少なくとも非揮発性カチオンを含む水溶液に溶解させる。その結果、膜の透過性が高い揮発性のアンモニアを使用せず非揮発性カチオンを使用して、イオン透過膜を用いることで水和性アニオンを回収し、該水和性アニオンを脱水して水を得ることで、浄化対象水へのカチオンの漏れ出し及び塩の析出を防止でき、浄化水を効率よく回収することができる。
<2> 水和性アニオンが、炭酸(HCO)及び亜硫酸(HSO)のいずれかである前記<1>に記載の水浄化装置である。
<3> 非揮発性カチオン源が、分子量50以上500以下の化合物である前記<1>から<2>のいずれかに記載の水浄化装置である。
<4> 非揮発性カチオン源が、4級アンモニウム化合物である前記<1>から<3>のいずれかに記載の水浄化装置である。
<5> 分離手段が、イオン交換膜を用いた拡散透析、イオン交換膜を用いた電気透析、及びイオン選択的膜蒸留のいずれかである前記<1>から<4>のいずれかに記載の水浄化装置である。
<6> 揮発手段が、膜プロセスユニットである前記<1>から<5>のいずれかに記載の水浄化装置である。
<7> 溶解手段の少なくとも一部が、分離手段と結合している前記<1>から<6>のいずれかに記載の水浄化装置である。
<8> 半透過膜が、水を選択的に透過する順浸透半透過膜である前記<1>から<7>のいずれかに記載の水浄化装置である。
<9> 浄化対象水が、海水である前記<1>から<8>のいずれかに記載の水浄化装置である。
<10> 浄化対象水と、脱水和して揮発性となる水和性アニオン及び非揮発性カチオンを含むイオン含有水溶液とを半透過膜を介して接触させ、該半透過膜により前記浄化対象水から分離された水で前記イオン含有水溶液を希釈する希釈工程と、
前記希釈工程で希釈されたイオン含有水溶液から、イオン交換膜を介して前記水和性アニオンと前記非揮発性カチオンを分離する分離工程と、
前記分離された水和性アニオンを脱水和し、揮発することにより、脱水和アニオンが除去回収された浄化水を得る揮発工程と、
前記揮発工程で回収除去された脱水和アニオンを、少なくとも非揮発性カチオンを含む水溶液に溶解させる溶解工程と、
を含むことを特徴とする水浄化方法である。
該<10>に記載の水浄化方法においては、希釈工程と、分離工程と、揮発工程と、溶解工程とを含んでいる。
前記希釈工程で、浄化対象水と、脱水和して揮発性となる水和性アニオン及び非揮発性カチオンを含むイオン含有水溶液とを半透過膜を介して接触させ、該半透過膜により前記浄化対象水から分離された水で前記イオン含有水溶液を希釈する。
次に、前記分離工程で、前記希釈工程で希釈されたイオン含有水溶液から、イオン交換膜を介して前記水和性アニオンと前記非揮発性カチオンを分離する。
次に、前記揮発工手で、前記分離された水和性アニオンを脱水和し、揮発することにより、脱水和アニオンが除去回収された浄化水を得る。
次に、前記溶解工程で、前記揮発工程で回収除去された脱水和アニオンを、少なくとも非揮発性カチオンを含む水溶液に溶解させる。
その結果、膜の透過性が高い揮発性のアンモニアを使用せず非揮発性カチオンを使用して、イオン透過膜を用いることで水和性アニオンを回収し、該水和性アニオンを脱水して水を得ることで、浄化対象水へのカチオンの漏れ出し及び塩の析出を防止でき、浄化水を効率よく回収することができる。
Means for solving the problems are as follows. That is,
<1> A purification target water and an ion-containing aqueous solution containing a hydrating anion and a non-volatile cation that are dehydrated and become volatile are brought into contact with each other through the semipermeable membrane, and the purification target water is made to pass through the semipermeable membrane. Dilution means for diluting the ion-containing aqueous solution with water separated from
Separation means for separating the hydratable anion and the non-volatile cation from the ion-containing aqueous solution diluted by the dilution means via an ion exchange membrane;
Volatilizing means for obtaining purified water from which the dehydrated anion has been removed and recovered by dehydrating and volatilizing the separated hydratable anion,
Dissolving means for dissolving the dehydrated anion recovered and removed by the volatilization means in an aqueous solution containing at least a non-volatile cation;
It is a water purification apparatus characterized by having.
The water purification apparatus according to <1> includes a diluting unit, a separating unit, a volatilizing unit, and a dissolving unit.
The water to be purified by the diluting means and an ion-containing aqueous solution containing a hydrating anion and a non-volatile cation that are dehydrated to become volatile are brought into contact with each other through a semipermeable membrane, and the purification object is obtained by the semipermeable membrane. The ion-containing aqueous solution is diluted with water separated from water.
The hydratable anion and the non-volatile cation are separated from the ion-containing aqueous solution diluted by the diluting means by the separating means through an ion exchange membrane.
The separated hydratable anion is dehydrated by the volatilizing means and volatilized to obtain purified water from which the dehydrated anion has been removed and recovered.
The dehydrating anion recovered and removed by the volatilizing unit is dissolved in an aqueous solution containing at least a non-volatile cation by the dissolving unit. As a result, the permeable anion is recovered by using the ion permeable membrane by using the non-volatile cation without using the volatile ammonia having a high permeability of the membrane, and dehydrating the hydratable anion. By obtaining water, it is possible to prevent cation leakage and salt precipitation to the water to be purified, and it is possible to efficiently collect the purified water.
<2> The water purification apparatus according to <1>, wherein the hydratable anion is any one of carbonic acid (H 2 CO 3 ) and sulfurous acid (H 2 SO 3 ).
<3> The water purification apparatus according to any one of <1> to <2>, wherein the non-volatile cation source is a compound having a molecular weight of 50 or more and 500 or less.
<4> The water purification apparatus according to any one of <1> to <3>, wherein the non-volatile cation source is a quaternary ammonium compound.
<5> The method according to any one of <1> to <4>, wherein the separation means is any one of diffusion dialysis using an ion exchange membrane, electrodialysis using an ion exchange membrane, and ion selective membrane distillation. It is a water purification device.
<6> The water purification apparatus according to any one of <1> to <5>, wherein the volatilization unit is a membrane process unit.
<7> The water purifier according to any one of <1> to <6>, wherein at least a part of the dissolving means is combined with the separating means.
<8> The water purification device according to any one of <1> to <7>, wherein the semipermeable membrane is a forward osmosis semipermeable membrane that selectively transmits water.
<9> The water purification device according to any one of <1> to <8>, wherein the water to be purified is seawater.
<10> A purification target water and an ion-containing aqueous solution containing a hydrating anion and a non-volatile cation that are dehydrated and become volatile are brought into contact with each other through the semipermeable membrane, and the purification target water is made by the semipermeable membrane. A diluting step of diluting the ion-containing aqueous solution with water separated from
A separation step of separating the hydratable anion and the non-volatile cation from the ion-containing aqueous solution diluted in the dilution step via an ion exchange membrane;
A volatilizing step for obtaining purified water from which the dehydrated anion is removed and recovered by dehydrating and volatilizing the separated hydratable anion;
A dissolution step of dissolving the dehydration anion recovered and removed in the volatilization step in an aqueous solution containing at least a non-volatile cation;
It is the water purification method characterized by including.
The water purification method according to <10> includes a dilution step, a separation step, a volatilization step, and a dissolution step.
In the dilution step, the water to be purified is brought into contact with a water-containing ion-containing aqueous solution containing a hydrating anion and a non-volatile cation that becomes volatile by dehydration, and the purification is performed by the semipermeable membrane. The ion-containing aqueous solution is diluted with water separated from the target water.
Next, in the separation step, the hydratable anion and the nonvolatile cation are separated from the ion-containing aqueous solution diluted in the dilution step via an ion exchange membrane.
Next, the separated hydratable anion is dehydrated and volatilized by the volatilizer to obtain purified water from which the dehydrated anion has been removed and recovered.
Next, in the dissolution step, the dehydration anion recovered and removed in the volatilization step is dissolved in an aqueous solution containing at least a non-volatile cation.
As a result, the permeable anion is recovered by using the ion permeable membrane by using the non-volatile cation without using the volatile ammonia having a high permeability of the membrane, and dehydrating the hydratable anion. By obtaining water, it is possible to prevent cation leakage and salt precipitation to the water to be purified, and it is possible to efficiently collect the purified water.

本発明によると、従来の前記諸問題を解決することができ、膜の透過性が高い揮発性のアンモニアを使用せず非揮発性カチオンを使用して、イオン透過膜を用いることで水和性アニオンを回収し、該水和性アニオンを脱水して水を得ることで、浄化対象水へのカチオンの漏れ出し及び塩の析出を防止でき、浄化水を効率よく回収することができる水浄化装置及び水浄化方法を提供することができる。   According to the present invention, the conventional problems described above can be solved, and hydration is achieved by using an ion permeable membrane using a non-volatile cation without using volatile ammonia having a high membrane permeability. A water purification device capable of efficiently recovering purified water by recovering anions and dehydrating the hydratable anions to obtain water, thereby preventing leakage of cations and salt precipitation into the water to be purified. And a water purification method can be provided.

図1は、従来の水浄化装置の一例を示す概略図である。FIG. 1 is a schematic view showing an example of a conventional water purification device. 図2は、本発明の水浄化装置の一例を示す概略図である。FIG. 2 is a schematic view showing an example of the water purification apparatus of the present invention. 図3は、分離手段としてのイオン交換膜を用いた拡散透析を示す概略図である。FIG. 3 is a schematic view showing diffusion dialysis using an ion exchange membrane as a separation means. 図4は、分離手段としてのイオン交換膜を用いた電気透析を示す概略図である。FIG. 4 is a schematic view showing electrodialysis using an ion exchange membrane as a separation means. 図5は、分離手段としてのイオン選択的膜蒸留を示す概略図である。FIG. 5 is a schematic diagram showing ion-selective membrane distillation as a separation means. 図6は、本発明の水浄化装置の他の一例を示す概略図である。FIG. 6 is a schematic view showing another example of the water purification apparatus of the present invention.

(水浄化装置及び水浄化方法)
本発明の水浄化装置は、希釈手段と、分離手段と、揮発手段と、溶解手段とを有し、更に必要に応じてその他の手段を有してなる。
本発明の水浄化方法は、希釈工程と、分離工程と、揮発工程と、溶解工程とを含み、更に必要に応じてその他の工程を含んでなる。
(Water purification device and water purification method)
The water purification apparatus of the present invention includes a diluting unit, a separating unit, a volatilizing unit, and a dissolving unit, and further includes other units as necessary.
The water purification method of the present invention includes a dilution step, a separation step, a volatilization step, and a dissolution step, and further includes other steps as necessary.

本発明の水浄化方法は、本発明の水浄化装置により好適に実施することができ、前記希釈工程は前記希釈手段により行うことができ、前記分離工程は前記分離手段により行うことができ、前記揮発工程は前記揮発手段により行うことができ、前記溶解工程は前記溶解手段により行うことができ、前記その他の工程は前記その他の手段により行うことができる。   The water purification method of the present invention can be preferably implemented by the water purification apparatus of the present invention, the dilution step can be performed by the dilution means, the separation step can be performed by the separation means, The volatilization step can be performed by the volatilization unit, the dissolution step can be performed by the dissolution unit, and the other steps can be performed by the other unit.

<希釈手段及び希釈工程>
前記希釈工程は、浄化対象水と、脱水和して揮発性となる水和性アニオン及び非揮発性カチオンを含むイオン含有水溶液とを半透過膜を介して接触させ、該半透過膜により前記浄化対象水から分離された水で前記イオン含有水溶液を希釈する工程であり、希釈手段により実施することができる。
<Dilution means and dilution process>
In the dilution step, the water to be purified and an ion-containing aqueous solution containing a hydrating anion and a non-volatile cation that are dehydrated and become volatile are brought into contact with each other through a semipermeable membrane, and the purification is performed by the semipermeable membrane. This is a step of diluting the ion-containing aqueous solution with water separated from the target water, and can be performed by a diluting means.

<<浄化対象水>>
前記浄化対象水としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば海水、ブラキッシュウォーター、河川、湖、沼、池等の自然界から得られる水、工場や各種工業施設から排出される工業廃水、家庭や一般施設から排出される一般廃水などが挙げられる。これらの中でも、安定かつ大量に得られる入手容易性と、浄化の必要性の点で海水が特に好ましい。
本発明において、前記浄化水とは、塩等の不純物含有量が少ない水溶液を意味する。不純物含有量はその浄化水の使用する目的と不純物の種類によって適宜調整することができる。
<< Purified water >>
The water to be purified is not particularly limited and can be appropriately selected according to the purpose. For example, water obtained from the natural world such as seawater, British water, rivers, lakes, swamps, ponds, factories and various industrial facilities Industrial wastewater discharged from households, and general wastewater discharged from households and general facilities. Among these, seawater is particularly preferable from the viewpoints of availability that can be obtained stably and in large quantities and the necessity of purification.
In the present invention, the purified water means an aqueous solution having a small content of impurities such as salt. The impurity content can be appropriately adjusted according to the purpose of using the purified water and the type of impurities.

<<イオン含有水溶液>>
前記イオン含有水溶液は、脱水和して揮発性となる水和性アニオン及び非揮発性カチオンを含む。
<< Ion-containing aqueous solution >>
The ion-containing aqueous solution contains a hydratable anion and a non-volatile cation that are dehydrated and become volatile.

−水和性アニオン−
前記水和性アニオンとしては、脱水和して揮発性となるアニオン化合物が選択される。
ここで、前記揮発性とは、少なくとも特定の温度で水よりも揮発性が高い物質が選択される。前記揮発性の指標としては、物質の各温度におけるヘンリー定数や飽和蒸気圧が水の飽和蒸気圧より大きいことが挙げられる。前記ヘンリー定数とは、物質が大量の溶媒に溶けている溶液における、物質のモル分率と飽和蒸気分圧の関係を示す物性値であり、これが大きいほどその溶液中において揮発性が高いことを示してあり、書籍「化学便覧、丸善株式会社発行」や書籍「増補 ガス吸収、化学工業株式会社発行」などに記載されている。
前記水和性アニオンとしては、具体的には、炭酸(HCO)、亜硫酸(HSO)などが挙げられ、それぞれの揮発性の脱水和物として、二酸化炭素(CO)、二酸化硫黄(SO)、などが挙げられる。これらの中でも、脱水和物の揮発性の高さと化学的な安定性から、二酸化炭素(CO)が特に好ましい。
-Hydrating anion-
As the hydratable anion, an anionic compound that is dehydrated and becomes volatile is selected.
Here, a substance having higher volatility than water at a specific temperature is selected as the volatility. Examples of the volatility index include that the Henry's constant and the saturated vapor pressure at each temperature of the substance are larger than the saturated vapor pressure of water. The Henry's constant is a physical property value indicating the relationship between the molar fraction of a substance and the saturated vapor partial pressure in a solution in which the substance is dissolved in a large amount of solvent, and the larger the value, the higher the volatility in the solution. It is described in books such as “Chemical Handbook, published by Maruzen Co., Ltd.” and books “Augmented Gas Absorption, Published by Chemical Industry Co., Ltd.”.
Specific examples of the hydratable anion include carbonic acid (H 2 CO 3 ), sulfurous acid (H 2 SO 3 ), etc., and volatile dehydrates include carbon dioxide (CO 2 ), And sulfur dioxide (SO 2 ). Among these, carbon dioxide (CO 2 ) is particularly preferable because of high volatility and chemical stability of the dehydrate.

−非揮発性カチオン源−
前記非揮発性カチオン源は、アンモニアのような非揮発性カチオン源と比較して、前記半透過膜の透過性が低い傾向があるため、浄化対象水へのカチオンの漏れ出しの問題が解決できる。
前記非揮発性カチオン源としては、少なくとも特定の温度で水よりも揮発性が低い物質が選択される。前記揮発性の指標としては、物質の各温度におけるヘンリー定数や飽和蒸気圧が水の飽和蒸気圧より大きいことが挙げられる。前記ヘンリー定数とは、物質が大量の溶媒に溶けている溶液における、物質のモル分率と飽和蒸気分圧の関係を示す物性値であり、これが大きいほどその溶液中において揮発性が高いことを示し、例えば書籍「化学便覧、丸善株式会社発行」や書籍「増補 ガス吸収、化学工業株式会社発行」などに記載されている。
また、非揮発性カチオン源の分子量(又は原子量)が大きいほど半透過膜の透過性は抑制されるため、好ましい。一方、分子量(又は原子量)が大きすぎると、同じ質量%濃度において、前記希釈手段における希釈速度が遅くなるため、好ましくない。具体的には、分子量(又は原子量)は50以上500以下が好ましく、より好ましくは100以上200以下が好ましい。より具体的には、モノエタノールアミン(分子量61)、エチレンジアミン(分子量60)、ジエタノールアミン(分子量105)、2−(2−アミノエチルアミノ)エタノール(分子量104)、ジエチレントリアミン(分子量103)、トリエチレンテトラミン(分子量146)、トリス(2−アミノエチル)アミン(分子量146)、テトラエチレンペンタミン(分子量189)、低分子ポリエチレンイミン(分子量200〜500)などが挙げられる。また、pHを中性付近に調整でき、かつ水和性アニオンと結合体を形成しない、かつ塩基性が高いという観点から、4級アンモニウム化合物が好ましく選択される。より具体的には、トリ(2−ヒドロキシメチル)メチルアンモニウム(分子量139)、トリ(2−ヒドロキシエチル)メチルアンモニウム(分子量181)、コリン(2−ヒドロキシエチルトリメチルアンモニウム)(分子量121)が好ましく選択される。
-Nonvolatile cation source-
Since the non-volatile cation source tends to have a low permeability of the semipermeable membrane as compared with a non-volatile cation source such as ammonia, the problem of cation leakage to the purification target water can be solved. .
As the non-volatile cation source, a substance having a lower volatility than water at a specific temperature is selected. Examples of the volatility index include that the Henry's constant and the saturated vapor pressure at each temperature of the substance are larger than the saturated vapor pressure of water. The Henry's constant is a physical property value indicating the relationship between the molar fraction of a substance and the saturated vapor partial pressure in a solution in which the substance is dissolved in a large amount of solvent, and the larger the value, the higher the volatility in the solution. For example, it is described in the book “Chemical Handbook, published by Maruzen Co., Ltd.” and the book “Augmented Gas Absorption, Published by Chemical Industry Co., Ltd.”.
Moreover, since the permeability | transmittance of a semipermeable membrane is suppressed, so that the molecular weight (or atomic weight) of a non-volatile cation source is large, it is preferable. On the other hand, if the molecular weight (or atomic weight) is too large, the dilution rate in the dilution means becomes slow at the same mass% concentration, which is not preferable. Specifically, the molecular weight (or atomic weight) is preferably from 50 to 500, more preferably from 100 to 200. More specifically, monoethanolamine (molecular weight 61), ethylenediamine (molecular weight 60), diethanolamine (molecular weight 105), 2- (2-aminoethylamino) ethanol (molecular weight 104), diethylenetriamine (molecular weight 103), triethylenetetramine (Molecular weight 146), Tris (2-aminoethyl) amine (Molecular weight 146), Tetraethylenepentamine (Molecular weight 189), Low molecular weight polyethyleneimine (Molecular weight 200-500), etc. are mentioned. Further, a quaternary ammonium compound is preferably selected from the viewpoint that the pH can be adjusted to near neutral, a hydrated anion and a conjugate are not formed, and the basicity is high. More specifically, tri (2-hydroxymethyl) methylammonium (molecular weight 139), tri (2-hydroxyethyl) methylammonium (molecular weight 181), choline (2-hydroxyethyltrimethylammonium) (molecular weight 121) is preferably selected. Is done.

前記半透過膜の揮発性カチオンの漏れ速度に関しては、例えば前記イオン含有水溶液として、炭酸由来成分濃度が300mmol/Lで、揮発性カチオンであるアンモニア濃度が420mmol/L、浄化対象水として2mg/Lフミン酸ナトリウム水溶液、半透過膜として、Hydration Technology Inovations社製Expedition内蔵膜(以下、「HT膜」と称する)を用いた場合、漏れ速度は0.42mol/mhr.と非常に早い。このような速度で漏れが生じると、大量にカチオンの補充が必要になるだけでなく、処理後の浄化対象水を介して大量のアンモニアが環境に放出されてしまうため、実質的に実施不可能である。一方、同様にしてアンモニアの代わりに非揮発性カチオンであるモノエタノールアミンを用いた場合その1/10未満であり、同様にジエタノールアミンを用いた場合その1/15未満、トリ(2−ヒドロキシエチル)メチルアンモニウムを用いた場合その1/20未満と大幅に抑制される。 Regarding the leakage rate of volatile cations in the semipermeable membrane, for example, as the ion-containing aqueous solution, the concentration of carbonic acid-derived components is 300 mmol / L, the concentration of ammonia as volatile cations is 420 mmol / L, and the purification target water is 2 mg / L. When an aqueous membrane containing Hydration Technology Innovations (hereinafter referred to as “HT membrane”) was used as the aqueous sodium humate solution and semi-permeable membrane, the leakage rate was 0.42 mol / m 2 hr. And very early. If leakage occurs at such a rate, not only a large amount of cations need to be replenished, but also a large amount of ammonia is released to the environment through the water to be purified after treatment, which is practically impossible. It is. On the other hand, when monoethanolamine which is a non-volatile cation is used instead of ammonia in the same manner, it is less than 1/10, and when diethanolamine is used, less than 1/15, tri (2-hydroxyethyl) When methylammonium is used, it is greatly suppressed to less than 1/20.

前記イオン含有水溶液における水和性アニオンの含有量(濃度)は、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、前記浄化対象水から水を分離する速度を高める観点から高濃度であることが好ましい。
前記イオン含有水溶液における非揮発性カチオンの含有量(濃度)は、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、前記浄化対象水から水を分離する速度を高める観点から高濃度であることが好ましい。ただし、溶液中で塩が析出したり泡が発生したりしてしまうことを抑制するために、適宜濃度を下げてもよい。また、前記イオン含有水溶液が酸性やアルカリ性の場合には、前記半透過膜のような部材を劣化させてしまうため、前記水和性アニオンと前記非揮発性カチオンの比は、適宜調整することが好ましい。
The content (concentration) of the hydratable anion in the ion-containing aqueous solution is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose. From the viewpoint of increasing the speed of separating water from the purification target water, the concentration (concentration) is high Preferably there is.
The content (concentration) of the non-volatile cation in the ion-containing aqueous solution is not particularly limited and can be appropriately selected according to the purpose. From the viewpoint of increasing the speed of separating water from the purification target water, the concentration (concentration) is high. Preferably there is. However, the concentration may be reduced as appropriate in order to suppress the precipitation of salt or the generation of bubbles in the solution. In addition, when the ion-containing aqueous solution is acidic or alkaline, a member such as the semipermeable membrane is deteriorated. Therefore, the ratio between the hydratable anion and the non-volatile cation can be appropriately adjusted. preferable.

−半透過膜−
前記半透過膜としては、その素材、形状、大きさ、構造などについては特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、水を選択的に透過する順浸透半透過膜であることが好ましい。
前記順浸透半透過膜としては、半透膜性を有すれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、前記素材として、例えば酢酸セルロース、芳香族ポリアミド、芳香族ポリスルホン、ポリベンゾイミダゾール、などが挙げられる。前記形状として、例えば、平膜、平膜を用いたスパイラル型モジュール、中空糸型モジュール、チューブラー型モジュール、などが挙げられる。
-Semi-permeable membrane-
The semipermeable membrane is not particularly limited as to its material, shape, size, structure, etc., and can be appropriately selected according to the purpose, but is a forward osmotic semipermeable membrane that selectively permeates water. It is preferable.
The forward osmosis semipermeable membrane is not particularly limited as long as it has semipermeable membrane properties and can be appropriately selected according to the purpose. Examples of the material include cellulose acetate, aromatic polyamide, aromatic polysulfone, poly And benzimidazole. Examples of the shape include a flat membrane, a spiral type module using a flat membrane, a hollow fiber type module, a tubular type module, and the like.

<分離工程及び分離手段>
前記分離工程は、前記希釈工程で希釈されたイオン含有水溶液から、イオン交換膜を介して前記水和性アニオンと前記非揮発性カチオンを分離する工程であり、分離手段により実施される。
<Separation process and separation means>
The separation step is a step of separating the hydratable anion and the non-volatile cation from the ion-containing aqueous solution diluted in the dilution step through an ion exchange membrane, and is performed by a separation unit.

前記分離手段としては、水和性アニオンと非揮発性カチオンが少なくとも部分的に分離できれば原理や構成などについては特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、イオン交換膜を用いた拡散透析、イオン交換膜を用いた電気透析、イオン選択的膜蒸留などが挙げられる。   The separation means is not particularly limited as long as the hydratable anion and the non-volatile cation can be separated at least partially, and can be appropriately selected according to the purpose. For example, an ion exchange membrane is used. Examples include diffusion dialysis used, electrodialysis using an ion exchange membrane, and ion selective membrane distillation.

前記イオン交換膜を用いた拡散透析とは、図3に示すように、希釈されたイオン含有水溶液を陰イオン交換膜に接触させ、裏側に純水を接触させることによって、水和性アニオンの濃度勾配に従ってそれを選択的に膜透過させる方法である。この時、水和性アニオンの対イオンとしては、プロトンがそのサイズの小ささから選択的に膜を透過する。
このイオン交換膜を用いた拡散透析は、水和性アニオンの透過が外力を必要とせずに達成されるため、エネルギー的に有利である。また、前記拡散透析は、その陰イオン交換膜において、プロトンと非揮発性カチオン間における高い選択性が求められる。前記半透過膜において透過性の低い非揮発性カチオンは、拡散透析においても陰イオン交換膜でのプロトンとの透過選択性が高くなるため、より好ましく選択される。
As shown in FIG. 3, the diffusion dialysis using the ion exchange membrane is performed by bringing the diluted ion-containing aqueous solution into contact with the anion exchange membrane and bringing pure water into contact with the back side, thereby allowing the concentration of the hydratable anion. It is a method of selectively permeating it according to a gradient. At this time, as a counter ion of the hydratable anion, protons selectively permeate the membrane because of its small size.
Diffusion dialysis using this ion exchange membrane is energetically advantageous because permeation of hydratable anions is achieved without the need for external forces. The diffusion dialysis requires high selectivity between protons and non-volatile cations in the anion exchange membrane. The non-volatile cation having low permeability in the semipermeable membrane is more preferably selected because of its high permeation selectivity with protons in the anion exchange membrane even in diffusion dialysis.

前記イオン交換膜を用いた電気透析は、図4に示すように、希釈されたイオン含有水溶液を陰イオン交換膜と陽イオン交換膜で挟み、陰イオン交換膜の外側に陽極、陽イオン交換膜の外側に陰極を配置し、両電極間に電圧をかける方法である。より好ましくは、陰イオン交換膜と陽極の間、陽イオン交換膜と陰極の間に、陰イオン交換膜と陽イオン交換膜の二層膜(以下、単に「二層膜」と称する)をそれぞれ配置する。
前記電気透析では、両電極間に電圧を印加することによって、陽極側(陰イオン交換膜側)に水和性アニオンが、陰極側(陽イオン交換膜側)に非揮発性カチオンが引き寄せられることにより、それぞれの膜を選択的に透過させ分離することができる。この時、水和性アニオンの対イオンとしては、プロトンが二層膜の膜間界面から生じて引き寄せられ、揮発性カチオンの対イオンとしては、ヒドロキシイオンが同じく二層膜の膜間界面から生じて引き寄せられる。
前記電気透析は、前記拡散透析に比べるとエネルギー的な負荷は大きくなるが、拡散透析に比べると、求められる選択性は小さく、またその分離速度も充分に高めることができるので有利である。
As shown in FIG. 4, the electrodialysis using the ion exchange membrane includes a diluted ion-containing aqueous solution sandwiched between an anion exchange membrane and a cation exchange membrane, and an anode and a cation exchange membrane outside the anion exchange membrane. This is a method in which a cathode is arranged outside the electrode and a voltage is applied between both electrodes. More preferably, between the anion exchange membrane and the anode, between the cation exchange membrane and the cathode, a bilayer membrane of an anion exchange membrane and a cation exchange membrane (hereinafter simply referred to as “bilayer membrane”), respectively. Deploy.
In the electrodialysis, a hydratable anion is attracted to the anode side (anion exchange membrane side) and a non-volatile cation is attracted to the cathode side (cation exchange membrane side) by applying a voltage between both electrodes. Thus, each membrane can be selectively permeated and separated. At this time, protons are generated and attracted from the intermembrane interface of the bilayer membrane as the counter ion of the hydratable anion, and hydroxy ions are also generated from the intermembrane interface of the bilayer membrane as the counter ion of the volatile cation. Attracted.
The electrodialysis has an increased energy load compared to the diffusion dialysis. However, the electrodialysis is advantageous because it requires less selectivity than the diffusion dialysis and can sufficiently increase the separation rate.

前記イオン選択的膜蒸留は、図5に示すように、前記拡散透析と同様に希釈されたイオン含有水溶液を陰イオン交換膜に接触させる。この時、裏側には純水ではなく空気を接触させることによって、膜界面において脱水和した水和性アニオンを揮発させる。   In the ion selective membrane distillation, as shown in FIG. 5, an ion-containing aqueous solution diluted in the same manner as the diffusion dialysis is brought into contact with an anion exchange membrane. At this time, the hydrated anion dehydrated at the membrane interface is volatilized by contacting the back side with air instead of pure water.

<揮発工程及び揮発手段>
前記揮発工程は、前記分離された水和性アニオンを脱水和し、揮発することにより、脱水和アニオンが除去回収された浄化水を得る工程であり、揮発手段により実施することができる。
<Volatilization process and volatilization means>
The volatilization step is a step of obtaining purified water from which the dehydrated anion has been removed and recovered by dehydrating and volatilizing the separated hydratable anion, and can be carried out by a volatilizing means.

前記揮発手段としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば一般的な蒸留に用いられる蒸留塔、蒸留装置、膜プロセスユニット、マイクロリアクター等の微小流体の制御機構、などが挙げられる。これらの中でも、揮発界面を比較的容易に広く取れ小型化に適している点から膜蒸留ユニットなどの膜プロセスユニットが好ましく、水和性アニオンとして炭酸を用いた際には特に好ましい。
前記蒸留塔としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば棚段塔、充填塔、などが挙げられる。
前記棚段塔としては、例えば、書籍「蒸留技術、化学工学協会編」のp139〜p143、書籍「解説化学工学、培風館発行」のp141〜p142に記載の構造体、具体的には泡鐘(バブルキャップ)トレイ、バルブトレイ、多孔板(シーブ)トレイ、などが挙げられる。
前記充填塔に詰める充填物としては、規則充填物でも不規則充填物でもよく、例えば書籍「解説化学工学、培風館発行」のp155〜p157、書籍「増補 ガス吸収、化学工業株式会社発行」のp221〜p242に記載されている充填物の中から任意に選択することができる。
前記膜プロセスユニットとしては、例えば学術論文「Journal of Membrane ScienceVol.124,Issue1,p1〜p25」などに記載の膜蒸留ユニットを用いることができる。
前記マイクロリアクターとしては、例えば書籍「マイクロ化学チップの技術と応用、丸善株式会社発行」に記載のマイクロリアクターを用いることができる。
前記分離手段としては、これらの手段を単独で用いてもよく、複数組み合わせても構わない。
The volatilization means is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the purpose. For example, a control mechanism for a microfluid such as a distillation column, a distillation apparatus, a membrane process unit, or a microreactor used for general distillation, Etc. Among these, a membrane process unit such as a membrane distillation unit is preferable from the viewpoint that a volatile interface is relatively wide and suitable for downsizing, and is particularly preferable when carbonic acid is used as a hydratable anion.
There is no restriction | limiting in particular as said distillation tower, According to the objective, it can select suitably, For example, a plate tower, a packed tower, etc. are mentioned.
Examples of the plate tower include structures described in p139 to p143 of the book “Distillation Technology, Chemical Engineering Association” and p141 to p142 of the book “Commentary Chemical Engineering, Issued by Baifukan”. Bubble cap) tray, valve tray, perforated plate (sieve) tray, and the like.
The packing to be packed in the packed tower may be regular packing or irregular packing, for example, p155 to p157 of the book “Commentary Chemical Engineering, Bafukan Issue”, p221 of the book “Supplementary Gas Absorption, Chemical Industry Co., Ltd.”. ˜p242 can be arbitrarily selected from the packing materials described in p242.
As the membrane process unit, for example, a membrane distillation unit described in an academic paper “Journal of Membrane Science Vol. 124, Issue 1, p1 to p25” can be used.
As the microreactor, for example, the microreactor described in the book “Technology and application of microchemical chip, published by Maruzen Co., Ltd.” can be used.
As the separation means, these means may be used alone or in combination.

<溶解工程及び溶解手段>
前記溶解工程は、前記揮発工程で回収除去された脱水和アニオンを、少なくとも非揮発性カチオンを含む水溶液に溶解させる工程であり、溶解手段により実施できる。
<Dissolution process and dissolution means>
The dissolution step is a step of dissolving the dehydration anion recovered and removed in the volatilization step in an aqueous solution containing at least a non-volatile cation, and can be performed by a dissolution means.

前記溶解手段としては、特に制限はなく、一般的なガス吸収に用いられている装置を任意に使用することができ、例えば、書籍「増補 ガス吸収、化学工業株式会社発行」のp.49〜p.54、p.83〜p.144に記載されている装置、部品、条件を任意に選択することができる。具体的には、充填塔、棚段塔、スプレー塔、流動充填塔を用いた方式や、液膜十字流接触方式、高速旋回流方式、機械力利用方式などを挙げることができる。また、マイクロリアクターやメンブレンリアクターなどの微小流体の制御機構を利用して薄層気液層を構築して吸収させてもよい。
充填塔に詰める充填物としては、規則充填物でも不規則充填物でもよく、例えば書籍「増補 ガス吸収、化学工業株式会社発行」のp.221〜p.242に記載されている充填物を任意に選択することができる。充填物、塔、ディストリビューター、サポートなどの構成部品材料としては、例えばステンレス鋼、アルミキルド鋼等の鋼鉄系材料、チタン、アルミニウム等の非鉄材料、ガラス、アルミナ等のセラミックス、カーボン、合成ポリマー、ゴムなどの素材を、それぞれ任意に選択して用いることができる。
The dissolving means is not particularly limited, and an apparatus used for general gas absorption can be arbitrarily used. For example, the book “Additional Gas Absorption, Chemical Industry Co., Ltd.” p. 49-p. 54, p. 83-p. The apparatus, parts, and conditions described in 144 can be arbitrarily selected. Specific examples include a system using a packed tower, a plate tower, a spray tower, and a fluid packed tower, a liquid film cross flow contact system, a high-speed swirl flow system, and a mechanical force utilization system. Further, a thin gas-liquid layer may be constructed and absorbed using a microfluidic control mechanism such as a microreactor or a membrane reactor.
The packing to be packed in the packed tower may be either regular packing or irregular packing. For example, p. 221-p. The packing described in 242 can be arbitrarily selected. Component materials such as packings, towers, distributors, supports, etc. include steel-based materials such as stainless steel and aluminum killed steel, non-ferrous materials such as titanium and aluminum, ceramics such as glass and alumina, carbon, synthetic polymers, rubber Such materials can be arbitrarily selected and used.

また、本発明で用いられる溶解手段のより好ましい形態としては、前記分離手段と前記溶解手段を、交互もしくは同時に実施できる形態が好ましく選択でき、水の回収効率の観点から、更により好ましくは同時に実施できる形態が選択される。
このような分離と溶解が同時に実施できる形態としては、例えば図2に示すように、希釈されたイオン含有水溶液の片面に分離手段としての陰イオン交換膜21を接触させ、水和性アニオンを透過させると共に、その背面において揮発手段としての膜蒸留形態の膜プロセスユニット22を介して脱水和と続いて揮発した水和性アニオンのガスを溶解手段として膜蒸留形態の膜プロセスユニット23を介して吸収し、溶解させる方法などが挙げられる。
Further, as a more preferable form of the dissolving means used in the present invention, an embodiment in which the separating means and the dissolving means can be carried out alternately or simultaneously can be preferably selected. From the viewpoint of water recovery efficiency, it is more preferred to carry out simultaneously. A possible form is selected.
As an embodiment in which such separation and dissolution can be performed at the same time, for example, as shown in FIG. 2, an anion exchange membrane 21 as a separation means is brought into contact with one side of a diluted ion-containing aqueous solution, and hydrated anions are permeated. At the back of the film, dehydration is carried out through the membrane process unit 22 in the form of membrane distillation as a volatilization means, and the gas of the hydrated anion volatilized subsequently is absorbed through the membrane process unit 23 in the form of membrane distillation as a dissolution means. And a method of dissolving them.

−その他の工程及びその他の手段−
前記その他の工程としては、例えば制御工程、駆動工程などが挙げられ、これらは制御手段、駆動手段により実施される。
前記制御手段としては、前記各手段の動きを制御することができる限り特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、シークエンサー、コンピュータ等の機器が挙げられる。
-Other processes and other means-
Examples of the other steps include a control step and a driving step, which are performed by a control unit and a driving unit.
The control means is not particularly limited as long as the movement of each means can be controlled, and can be appropriately selected according to the purpose. Examples thereof include devices such as a sequencer and a computer.

<第1の実施形態>
図2は、本発明の水浄化装置の第1の実施形態を示す概略図である。この図2の水浄化装置においては、水和性アニオンとして炭酸(HCO)、非揮発性カチオンとしてトリ(2−ヒドロキシメチル)メチルアンモニウムを用いている。
また、順浸透半透過膜1として、Hydration Technology Inovations社製Expedition内蔵膜(以下、「HT膜」と称する)を用いている。
分離手段21として、図3に示すイオン交換膜を用いた拡散透析、図4に示すイオン交換膜を用いた電気透析、又は図5に示すイオン選択的膜蒸留を用いることができる。
この図2の水浄化装置では、分離手段として、図3に示すイオン交換膜21を用いた拡散透析が用いられている。また、揮発手段として膜蒸留形態の膜プロセスユニット22を用いている
また、溶解手段として膜蒸留形態の膜プロセスユニット23を用いている。これにより、COの投入量を多くすることができ、浄化水を多く得ることができる。
<First Embodiment>
FIG. 2 is a schematic view showing a first embodiment of the water purification apparatus of the present invention. In the water purification apparatus of FIG. 2, carbonic acid (H 2 CO 3 ) is used as a hydratable anion, and tri (2-hydroxymethyl) methylammonium is used as a non-volatile cation.
Further, as the forward osmosis semipermeable membrane 1, an Expedition built-in membrane (hereinafter referred to as “HT membrane”) manufactured by Hydration Technology Innovations is used.
As the separation means 21, diffusion dialysis using an ion exchange membrane shown in FIG. 3, electrodialysis using an ion exchange membrane shown in FIG. 4, or ion selective membrane distillation shown in FIG. 5 can be used.
In the water purification apparatus of FIG. 2, diffusion dialysis using the ion exchange membrane 21 shown in FIG. 3 is used as the separation means. Further, the membrane process unit 22 in the form of membrane distillation is used as the volatilizing means, and the membrane process unit 23 in the form of membrane distillation is used as the dissolving means. Thereby, the input amount of CO 2 can be increased, and a large amount of purified water can be obtained.

図2に示す水浄化装置においては、浄化対象水と、脱水和して揮発性となる水和性アニオン及び非揮発性カチオンを含むイオン含有水溶液とを半透過膜を介して接触させ、該半透過膜により前記浄化対象水から分離された水で前記イオン含有水溶液を希釈する。
次に、希釈されたイオン含有水溶液から、イオン交換膜を介して前記水和性アニオンと前記非揮発性カチオンを分離する。
次に、分離された水和性アニオンを脱水和し、揮発することにより、脱水和アニオンが除去回収され、浄化水が得られる。
次に、回収除去された脱水和アニオンを、少なくとも非揮発性カチオンを含む水溶液に溶解させて、イオン含有水溶液が再生される。
In the water purification apparatus shown in FIG. 2, the water to be purified is brought into contact with an aqueous solution containing ions containing hydrating anions and non-volatile cations that are dehydrated and become volatile through a semipermeable membrane. The ion-containing aqueous solution is diluted with water separated from the purification target water by a permeable membrane.
Next, the hydratable anion and the non-volatile cation are separated from the diluted ion-containing aqueous solution through an ion exchange membrane.
Next, by dehydrating the separated hydratable anion and volatilizing it, the dehydrated anion is removed and recovered, and purified water is obtained.
Next, the recovered dehydrated anion is dissolved in an aqueous solution containing at least a non-volatile cation to regenerate the ion-containing aqueous solution.

<第2の実施形態>
図6は、本発明の水浄化装置の第2の実施形態を示す概略図である。この図6の水浄化装置は、溶解手段としてガス吸収塔24を用いたものである。なお、図6の水浄化装置において、図2の水浄化装置と同じものは同符号で示した。
<Second Embodiment>
FIG. 6 is a schematic view showing a second embodiment of the water purification apparatus of the present invention. The water purification apparatus of FIG. 6 uses a gas absorption tower 24 as a dissolving means. In addition, in the water purification apparatus of FIG. 6, the same thing as the water purification apparatus of FIG. 2 was shown with the same sign.

本発明の水浄化装置及び水浄化方法は、膜の透過性が高い揮発性のアンモニアを使用せずに、イオン透過膜を用いることで水和性アニオンを回収し、該水和性アニオンを脱水して水を得ることで、浄化対象水へのカチオンの漏れ出し及び塩の析出を防止でき、浄化水を効率よく回収することができるので、各種水の浄化に用いることができ、特に海水の浄水化に好適に用いられる。   The water purification apparatus and the water purification method of the present invention recover hydratable anions by using an ion permeable membrane without using volatile ammonia having high membrane permeability, and dehydrate the hydratable anions. Thus, by obtaining water, it is possible to prevent cation leakage and salt precipitation to the water to be purified, and to efficiently recover the purified water. It is suitably used for water purification.

以下、本発明の実施例を説明するが、本発明は、これらの実施例に何ら限定されるものではない。   Examples of the present invention will be described below, but the present invention is not limited to these examples.

(実施例1)
以下に示す部材を使用して、図2に示す本発明の水浄化装置を組み立てた。
浄化対象水として、海水のモデルとして3.5質量%塩化ナトリウム水溶液を用いた。
水和性アニオンとして、炭酸(HCO)を用いた。
非揮発性カチオン源として、トリ(2−ヒドロキシメチル)メチルアンモニウムを用いた。
イオン含有水溶液として、炭酸(HCO)を1.8mol/L含有し、非揮発性カチオン源トリ(2−ヒドロキシメチル)メチルアンモニウムを2.5mol/L含有するものを用いた。
順浸透半透過膜1として、HT膜を使用した。
分離手段として、図4に示すイオン交換膜21を用いた電気透析ユニットを使用した。
揮発手段として、(PTFE性多孔性膜(孔径0.2μm、厚み40μm)を用いた膜蒸留ユニット)22を使用した。
溶解手段として、(PTFE性多孔性膜(孔径0.2μm、厚み40μm)を用いた膜蒸留ユニット)23を前記分離手段の下流に配置して使用した。
Example 1
The water purification apparatus of this invention shown in FIG. 2 was assembled using the member shown below.
As the water to be purified, a 3.5% by mass sodium chloride aqueous solution was used as a seawater model.
Carbonic acid (H 2 CO 3 ) was used as the hydratable anion.
Tri (2-hydroxymethyl) methylammonium was used as a non-volatile cation source.
An ion-containing aqueous solution containing 1.8 mol / L of carbonic acid (H 2 CO 3 ) and 2.5 mol / L of a non-volatile cation source tri (2-hydroxymethyl) methylammonium was used.
As the forward osmosis semipermeable membrane 1, an HT membrane was used.
As the separation means, an electrodialysis unit using the ion exchange membrane 21 shown in FIG. 4 was used.
As a volatilization means, (a membrane distillation unit using a PTFE porous membrane (pore diameter 0.2 μm, thickness 40 μm)) 22 was used.
As a dissolution means, (a membrane distillation unit using a PTFE porous membrane (pore diameter 0.2 μm, thickness 40 μm)) 23 was used by being arranged downstream of the separation means.

次に、図2の水浄化装置を用いて、以下のようにして、塩の析出、及びカチオンの浄化対象水への漏れ出し量を評価した。結果を表1に示す。   Next, using the water purification apparatus of FIG. 2, the amount of salt precipitation and cation leakage into the purification target water was evaluated as follows. The results are shown in Table 1.

<塩の析出の評価方法>
塩の析出の評価方法として、本浄化操作を24時間行った後、揮発手段である膜蒸留ユニットの上部の位置において、揮発したガスが衝突する配管の屈曲部の内側を観察し、塩の析出の有無を確認した。
<Evaluation method of salt precipitation>
As an evaluation method of salt precipitation, after performing this purification operation for 24 hours, the inside of the bent part of the pipe where the volatilized gas collides is observed at the position above the membrane distillation unit, which is the volatilization means, and the salt precipitation The presence or absence was confirmed.

<カチオンの浄化対象水への漏れ出し量>
カチオンの浄化対象水への漏れ出し量測定方法として、本浄化操作を行って得られた濃縮塩化ナトリウム水溶液(半透過膜を介して水が分離されて除かれたために濃縮された塩化ナトリウム水溶液)中に含まれるカチオンの量を定量することで、漏れ出し量を決定し、それを半透過膜面積と膜面通過時間で割ることで単位時間当たり単位面積当たりに漏れ出すカチオンの量を測定した。なお、カチオンの定量方法としては、得られた濃縮塩化ナトリウム水溶液を脱気することで二酸化炭素を除き、その液を塩酸水溶液で滴定することで求めた。
<Amount of cation leaking into the purification target water>
Concentrated sodium chloride aqueous solution obtained by performing this purification operation (concentrated sodium chloride aqueous solution because water was separated and removed through a semi-permeable membrane) as a method for measuring the amount of cation leaking into the water to be purified The amount of cation leaked was determined by quantifying the amount of cation contained therein, and the amount of cation leaked per unit area per unit time was determined by dividing it by the semipermeable membrane area and the membrane surface passage time. . The cation quantification method was determined by degassing the obtained concentrated sodium chloride aqueous solution to remove carbon dioxide and titrating the solution with a hydrochloric acid aqueous solution.

(実施例2)
以下に示す部材を用いた以外は、実施例1と同様にして、図6に示す本発明の水浄化装置を組み立てた。
溶解手段としてガス吸収塔(規則充填物としてスルザーケムテック社製ラボパッキンEX(以下、「ラボパッキンEX」と称する)が詰められたガラス管)24を使用した。
(Example 2)
A water purification apparatus of the present invention shown in FIG. 6 was assembled in the same manner as in Example 1 except that the following members were used.
A gas absorption tower (glass tube packed with Sulzer Chemtech's Lab Packing EX (hereinafter referred to as “Lab Packing EX”) 24) was used as a dissolving means.

次に、図6に示す水浄化装置を用い、実施例1と同様にして、塩の析出、及びカチオンの浄化対象水への漏れ出し量を評価した。結果を表1に示す。   Next, using the water purification apparatus shown in FIG. 6, the amount of salt precipitation and cation leakage into the purification target water was evaluated in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 1.

(比較例1)
以下に示す部材を用いた以外は、実施例1と同様にして、図1に示す従来の水浄化装置を組み立てた。
分離手段15における蒸留塔7として、「ラボパッキンEX」を内蔵した蒸留塔を使用した。
溶解手段14におけるガス吸収器6として、「ラボパッキンEX」を内蔵した吸収塔を使用した。
揮発性アニオン源として、二酸化炭素を用いた。
揮発性カチオン源として、アンモニアを用いた。
揮発性イオン含有水溶液として、二酸化炭素を1.8mol/L含有し、アンモニアを2.5mol/L含有するものを用いた。
(Comparative Example 1)
The conventional water purification apparatus shown in FIG. 1 was assembled in the same manner as in Example 1 except that the following members were used.
As the distillation column 7 in the separation means 15, a distillation column incorporating “Lab Packing EX” was used.
As the gas absorber 6 in the dissolving means 14, an absorption tower incorporating “Lab Packing EX” was used.
Carbon dioxide was used as the volatile anion source.
Ammonia was used as the volatile cation source.
A volatile ion-containing aqueous solution containing 1.8 mol / L of carbon dioxide and 2.5 mol / L of ammonia was used.

次に、図1に示す水浄化装置を用い、実施例1と同様にして、塩の析出、及びカチオン(アンモニア)の浄化対象水への漏れ出し量を評価した。結果を表1に示す。   Next, using the water purification apparatus shown in FIG. 1, the amount of salt precipitation and the leakage of cations (ammonia) into the water to be purified was evaluated in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 1.

以上、本発明の水浄化装置及び水浄化方法について詳細に説明したが、本発明は上記実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更しても差支えない。   As mentioned above, although the water purification apparatus and the water purification method of this invention were demonstrated in detail, this invention is not limited to the said Example, A various change may be carried out in the range which does not deviate from the summary of this invention.

本発明の水浄化装置及び水浄化方法は、膜の透過性が高い揮発性のアンモニアを使用せず非揮発性カチオンを使用して、イオン透過膜を用いることで水和性アニオンを回収し、該水和性アニオンを脱水して水を得ることで、浄化対象水へのカチオンの漏れ出し及び塩の析出を防止でき、浄化水を効率よく回収することができるので、各種水の浄化に用いることができ、特に海水の浄水化に好適である。   The water purification apparatus and the water purification method of the present invention use a non-volatile cation without using volatile ammonia having a high membrane permeability, and recover a hydratable anion by using an ion permeable membrane. By dehydrating the hydratable anion to obtain water, it is possible to prevent cations from leaking into the water to be purified and salt precipitation, and the recovered purified water can be efficiently recovered. In particular, it is suitable for purification of seawater.

1 半透過膜
6 ガス吸収器
7 蒸留塔
11 希釈手段
14 溶解手段
15 分離手段
21 イオン交換膜(分離手段)
22 ガス交換膜(揮発手段)
23 膜プロセスユニット(溶解手段)
24 ガス吸収塔(溶解手段)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semipermeable membrane 6 Gas absorber 7 Distillation tower 11 Dilution means 14 Dissolution means 15 Separation means 21 Ion exchange membrane (separation means)
22 Gas exchange membrane (volatilization means)
23 Membrane process unit (dissolution means)
24 Gas absorption tower (dissolution means)

Claims (10)

浄化対象水と、脱水和して揮発性となる水和性アニオン及び非揮発性カチオンを含むイオン含有水溶液とを半透過膜を介して接触させ、該半透過膜により前記浄化対象水から分離された水で前記イオン含有水溶液を希釈する希釈手段と、
前記希釈手段により希釈されたイオン含有水溶液から、イオン交換膜を介して前記水和性アニオンと前記非揮発性カチオンを分離する分離手段と、
前記分離された水和性アニオンを脱水和し、揮発することにより、脱水和アニオンが除去回収された浄化水を得る揮発手段と、
前記揮発手段により回収除去された脱水和アニオンを、少なくとも非揮発性カチオンを含む水溶液に溶解させる溶解手段と、
を有することを特徴とする水浄化装置。
The water to be purified is brought into contact with the aqueous solution containing ions containing hydratable anions and non-volatile cations that are hydrated by dehydration through a semipermeable membrane and separated from the water to be purified by the semipermeable membrane. Dilution means for diluting the ion-containing aqueous solution with hot water;
Separation means for separating the hydratable anion and the non-volatile cation from the ion-containing aqueous solution diluted by the dilution means via an ion exchange membrane;
Volatilizing means for obtaining purified water from which the dehydrated anion has been removed and recovered by dehydrating and volatilizing the separated hydratable anion,
Dissolving means for dissolving the dehydrated anion recovered and removed by the volatilization means in an aqueous solution containing at least a non-volatile cation;
The water purification apparatus characterized by having.
水和性アニオンが、炭酸(HCO)及び亜硫酸(HSO)のいずれかである請求項1に記載の水浄化装置。 The water purification apparatus according to claim 1, wherein the hydratable anion is any one of carbonic acid (H 2 CO 3 ) and sulfurous acid (H 2 SO 3 ). 非揮発性カチオン源が、分子量50以上500以下の化合物である請求項1から2のいずれかに記載の水浄化装置。   The water purification apparatus according to claim 1, wherein the non-volatile cation source is a compound having a molecular weight of 50 or more and 500 or less. 非揮発性カチオン源が、4級アンモニウム化合物である請求項1から3のいずれかに記載の水浄化装置。   The water purification apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein the non-volatile cation source is a quaternary ammonium compound. 分離手段が、イオン交換膜を用いた拡散透析、イオン交換膜を用いた電気透析、及びイオン選択的膜蒸留のいずれかである請求項1から4のいずれかに記載の水浄化装置。   The water purification apparatus according to any one of claims 1 to 4, wherein the separation means is any one of diffusion dialysis using an ion exchange membrane, electrodialysis using an ion exchange membrane, and ion selective membrane distillation. 揮発手段が、膜プロセスユニットである請求項1から5のいずれかに記載の水浄化装置。   The water purifier according to any one of claims 1 to 5, wherein the volatilizing means is a membrane process unit. 溶解手段の少なくとも一部が、分離手段と結合している請求項1から6のいずれかに記載の水浄化装置。   The water purifier according to any one of claims 1 to 6, wherein at least a part of the dissolving means is combined with the separating means. 半透過膜が、水を選択的に透過する順浸透半透過膜である請求項1から7のいずれかに記載の水浄化装置。   The water purification apparatus according to any one of claims 1 to 7, wherein the semipermeable membrane is a forward osmosis semipermeable membrane that selectively permeates water. 浄化対象水が、海水である請求項1から8のいずれかに記載の水浄化装置。   The water purification apparatus according to any one of claims 1 to 8, wherein the water to be purified is seawater. 浄化対象水と、脱水和して揮発性となる水和性アニオン及び非揮発性カチオンを含むイオン含有水溶液とを半透過膜を介して接触させ、該半透過膜により前記浄化対象水から分離された水で前記イオン含有水溶液を希釈する希釈工程と、
前記希釈工程で希釈されたイオン含有水溶液から、イオン交換膜を介して前記水和性アニオンと前記非揮発性カチオンを分離する分離工程と、
前記分離された水和性アニオンを脱水和し、揮発することにより、脱水和アニオンが除去回収された浄化水を得る揮発工程と、
前記揮発工程で回収除去された脱水和アニオンを、少なくとも非揮発性カチオンを含む水溶液に溶解させる溶解工程と、
を含むことを特徴とする水浄化方法。
The water to be purified is brought into contact with the aqueous solution containing ions containing hydratable anions and non-volatile cations that are hydrated by dehydration through a semipermeable membrane and separated from the water to be purified by the semipermeable membrane. Diluting the ion-containing aqueous solution with water,
A separation step of separating the hydratable anion and the non-volatile cation from the ion-containing aqueous solution diluted in the dilution step via an ion exchange membrane;
A volatilizing step for obtaining purified water from which the dehydrated anion is removed and recovered by dehydrating and volatilizing the separated hydratable anion;
A dissolution step of dissolving the dehydration anion recovered and removed in the volatilization step in an aqueous solution containing at least a non-volatile cation;
Water purification method characterized by including.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2015024410A (en) * 2014-10-06 2015-02-05 株式会社東芝 Desalination treatment membrane, desalination treatment method, and desalination treatment apparatus
CN105084459A (en) * 2014-09-23 2015-11-25 张长玉 Household water purifier membrane block
CN105671587A (en) * 2015-12-10 2016-06-15 浙江工业大学 Method and device for preparing methionine and recovering by-product-carbon dioxide
CN115569677A (en) * 2022-10-12 2023-01-06 燕山大学 Forward osmosis and electroosmotic flow integrated chip based on dual pump effect

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