JP2001252660A

JP2001252660A - 造水方法

Info

Publication number: JP2001252660A
Application number: JP2000067423A
Authority: JP
Inventors: Toshiro Miyoshi; 俊郎三好; Kunihiko Hayashi; 久仁彦林; Yoshinari Fusaoka; 良成房岡; Masahiro Kihara; 正浩木原
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 2000-03-10
Filing date: 2000-03-10
Publication date: 2001-09-18

Abstract

(57)【要約】【課題】造水コストを低減することが可能な逆浸透分
離を用いた淡水の製造方法を提供する。【解決手段】逆浸透膜エレメントを含む逆浸透膜モジ
ュールユニットに海水を供給して濃縮水を分離し、透過
水を得るにあたり、濃縮水の一部を前記逆浸透膜モジュ
ールユニットの供給海水に加えるとともに、逆浸透膜に
供給海水の浸透圧よりも０.５〜５MPa高い圧力を常時加
えながら海水を処理する造水方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は造水方法に関する。
特に、高回収率の逆浸透分離を行って淡水を製造する方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、混合物（主に溶液）から特定の物
質を選択的に分離する方法として、膜分離法が広く用い
られている。そして、これらの膜分離法のうち、逆浸透
法は、海水やかん水（低濃度の塩水）を脱塩して工業
用、農業用、あるいは家庭用の淡水を提供する技術とし
て広く利用されている。

【０００３】この逆浸透法は、水分子のみを透過させる
性質を有する逆浸透膜を用い、当該逆浸透膜を隔てて浸
透平衡にある溶液と水に対し、溶液の浸透圧より高い圧
力を溶液側から加えることにより、溶液中の水分子を水
側へ移行させる技術である。つまり、逆浸透法は、従来
の蒸発法のような相変化を起こすことなく溶液中から水
を取り出すことができるので、エネルギ的に有利である
上に運転管理が容易であるという利点がある。

【０００４】そして、この逆浸透分離を実用規模で行う
場合、以下のような逆浸透分離装置が通常用いられる。
まず、逆浸透膜がスパイラル状、管状、平膜の積層体、
または中空糸膜状に加工され、適宜流路材を介装した状
態でケースに収容されてエレメントと呼ばれる膜素子を
構成する。このエレメントは適宜直列に接続され、耐圧
容器に収容されてモジュールとなり、さらに、このモジ
ュールが並列に接続されて逆浸透分離モジュールユニッ
トとなる。そして、モジュールユニット全体に所定の圧
力を負荷することにより、逆浸透分離が行われる。

【０００５】なお、実際に逆浸透分離を行うと、逆浸透
膜を透過できない塩が膜面近傍の溶液側に滞留して膜面
での塩濃度が上昇し、いわゆる濃度分極現象が生じて膜
面の浸透圧が高くなる。そのため、溶液の浸透圧より高
い圧力（以下、「操作圧力」という）で逆浸透分離を行
うことが実用上必要である。ここで、操作圧力と溶液の
浸透圧との差を「有効圧力」といい、通常はモジュール
ユニットの出口側における有効圧力が２MPa程度になる
よう、操作圧力が決められている。

【０００６】ところで、逆浸透分離において、海水から
淡水を回収する割合（回収率）は、逆浸透分離のプロセ
ス全体の設計のみならず、逆浸透分離して得られる淡水
の製造コストを決める上で重要な因子となっている。そ
して、回収率が高い程、上記淡水化のコストが低減する
ので、回収率の向上を図ることが重要な課題となってい
る。例えば、塩濃度３.５％の海水を用いた場合、従来
の技術における回収率は約４０％である。この場合、塩
濃度３.５％で供給される海水は、モジュールユニット
内で濃縮され、その出口側から塩濃度６％の濃縮水とな
って取り出され、当該モジュールユニット内の海水の浸
透圧は約２.５〜４.５MPaとなる。従って、この浸透圧
に上記した有効圧力を加えた値（６.５MPa）を、操作圧
力としてモジュールユニット全体に負荷して運転が行わ
れる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
技術の場合、以下の制約要因があるために４０％を超え
る回収率を実現することは極めて困難である。まず、第
１の制約要因は、ファウリングの問題である。ファウリ
ングとは、海水に含まれる濁質成分等が逆浸透膜の膜面
に付着して目詰まりを起こす現象であり、膜寿命を低下
させて逆浸透分離時の運転コストを上昇させる原因とな
る。そして、有効圧力が高くなる程、膜面の透過水量は
多くなり、膜面に上記濁質成分が引き寄せられるので、
ファウリングが生じ易くなる。

【０００８】そして、モジュールユニットの入口側に導
入された海水は、出口側に向ってその濃度が高くなり、
そのため当該出口側の海水の浸透圧は入口側に比べて高
くなる。一方、操作圧力はモジュールユニットの入口側
と出口側でほぼ同一であることから、操作圧力と浸透圧
の差で表される有効圧力は当該入口側で上昇する。この
ように、モジュールユニットの入口側ではファウリング
が特に生じ易くなっていることから、全体の操作圧力
（＝回収率）を制限してファウリングを防止することが
必要である。

【０００９】第２の制約要因は、海水中のスケール成分
（炭酸カルシウム、硫酸カルシウム、あるいは硫酸スト
ロンチウム等）や、溶質である塩（塩化ナトリウム）が
膜面に析出する問題である。この析出現象は、逆浸透分
離によって海水が濃縮されて、上記スケール成分や塩の
濃度がその溶解度を超えた場合に生じ、これらが膜面に
析出するとファウリングが生じ易くなるという問題があ
る。そして、回収率が高くなる程、濃縮水中の上記スケ
ール成分等の濃度も高くなることから、上記スケール成
分や塩が析出しない範囲に回収率を規制することが必要
となる。例えば、前記スケール成分の溶解度から規定さ
れる回収率の上限は約７０％である。また、適当なスケ
ール防止剤を用いて前記スケール成分の析出を防止した
場合でも、前記した塩の溶解度が制限となるので、回収
率の上限は約８５％に規制される。

【００１０】第３の制約要因は、逆浸透膜や逆浸透分離
モジュールユニットの耐圧性である。例えば、回収率４
０％で逆浸透分離を行う場合の操作圧力は、上述の如く
６.５MPaであるが、回収率６０％で逆浸透分離を行う場
合、その濃縮水（塩濃度８.８％）の浸透圧は７MPaにな
り、そのため操作圧力は９MPaに上昇する。従って、逆
浸透膜やモジュールユニットにはこれ以上の耐圧性が要
求される。

【００１１】そして、上記した各制約要因のうち、特に
ファウリングの問題が逆浸透分離における回収率の向上
を図る点で大きな障害となっている。従って、ファウリ
ングを生じさせずに高い回収率を実現するためには、そ
の有効圧力を低減させることが必要である。また、逆浸
透分離を高い回収率で運転するためには操作圧力を高く
する必要があるが、この場合、昇圧ポンプの動力コス
ト、ひいては運転コストが大幅に増大し、造水コストの
低減を図る点で不利となる。

【００１２】本発明は、逆浸透分離における上記した問
題を解決し、海水からの淡水の回収率を向上させるとと
もに、運転コストを低減させて造水コストを低減せしめ
た、逆浸透分離を用いた造水方法の提供を目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために、請求項１に記載の造水方法は、逆浸透膜エレメ
ントを含む逆浸透膜モジュールユニットに海水を供給し
て濃縮水を分離し、透過水を得るにあたり、濃縮水の一
部を前記逆浸透膜モジュールユニットの供給海水に加え
るとともに、逆浸透膜に供給海水の浸透圧よりも０.５
〜５MPa高い圧力を常時加えながら海水を処理すること
を特徴とする。

【００１４】請求項２に記載の造水方法は、直列に接続
して設けた、逆浸透膜エレメントを含む少なくとも２個
の逆浸透膜モジュールユニットを用い、初段の逆浸透膜
モジュールユニットに海水を供給するとともに、前段の
逆浸透膜モジュールユニットから得られる濃縮海水を次
段の逆浸透膜モジュールユニットに供給し、各段から透
過水を得ることを特徴とする。

【００１５】請求項３に記載の造水方法は、複数個の逆
浸透膜エレメントを含み、かつ、いずれの逆浸透膜エレ
メントにおいても、逆浸透膜１ｍ²当たりの透過水量が
０.０７〜１.２ｍ³／ｄの範囲内になるように海水を処
理することを特徴とする。請求項４に記載の造水方法
は、複数個の逆浸透膜エレメントを含み、かつ、いずれ
の逆浸透膜エレメントにおいても、供給海水の膜面流速
を０.０３ｍ／ｓ以上になるように海水を処理すること
を特徴とする。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る、バッチ式で
逆浸透分離を行う淡水の製造方法を図１に基づいて説明
する。図１において、逆浸透分離装置３０は、逆浸透膜
モジュールユニット２２、高圧ポンプ１２等を備えてい
る。そして、この逆浸透分離装置３０に供給海水１０を
導入して逆浸透分離を行うことにより淡水５０が製造さ
れる。この場合、所定量の供給海水１０がバルブ１４を
通してリザーバタンク２４に貯留された後、バルブ１４
が閉じられる。一方、バルブ１６は通常は閉じられてい
るので、リザーバタンク２４に貯留された供給海水は、
バルブ１４、１６、および逆浸透膜モジュールユニット
２２で囲まれる領域内においてバッチ式で逆浸透分離さ
れる。

【００１７】そして、リザーバタンク２４内の供給海水
は、高圧ポンプ１２により所定の操作圧力に昇圧されて
逆浸透膜モジュールユニット２２に導入され、ここで塩
が除去された透過水２０ａと塩が濃縮された濃縮水２０
ｂとに分離される。このようにして得られた透過水２０
ａは、淡水５０として使用に供される。淡水５０は、例
えば所定の飲料水基準（例えば、蒸発残留物５００mg／
Ｌ以下、塩素イオン濃度２００mg／Ｌ以下）やその他所
定の目的を満たすものであればよい。

【００１８】一方、濃縮水２０ｂは、液路を介してリザ
ーバタンク２４に戻され、ここで供給海水と混合された
後、再び高圧ポンプ１２により逆浸透膜モジュールユニ
ット２２に導入され、上記と同様にして透過水２０ａと
濃縮水２０ｂとに分離される。そして、このようにして
濃縮水２０ｂは、リザーバタンク２４とモジュールユニ
ット２２の間を循環しながら逆浸透分離を施され、その
過程で濃縮水２０ｂの塩濃度は高くなっていく。この場
合、逆浸透分離の運転操作は、図２に示すようにして行
われる。

【００１９】図２において、濃縮水の塩濃度と浸透圧の
関係が規定され、最低操作圧力は、この浸透圧よりＵ₀
だけ高い値に設定されている。ここで、Ｕ₀は、膜の分
離特性の低下を招くことなく、膜面での濃度分極に打ち
勝って逆浸透分離を行うのに必要な最小限の有効圧力を
表し、少なくとも０.５MPa以上の値になっている。従っ
て、実際の操作圧力は、上記した最低操作圧力以上の値
に設定する必要がある。

【００２０】そして、まず、供給海水の塩濃度Ｃ₀にお
ける最低操作圧力よりわずかに高い操作圧力Ｐ₁で逆浸
透分離を行うが、前述のように濃縮水２０ｂの塩濃度は
逆浸透分離の進行に伴って上昇し、その浸透圧も高くな
っていく。この場合、浸透圧に応じて最低操作圧力も増
え、濃縮水２０ｂの塩濃度がＣ₁まで上昇した時点で、
操作圧力Ｐ₁が最低操作圧力に等しくなる。

【００２１】そこで、操作圧力が最低操作圧力より高い
値になるよう、操作圧力をＰ₂に上昇させて逆浸透分離
を行い、濃縮水２０ｂの塩濃度がＣ₂まで上昇し、操作
圧力Ｐ₂が最低操作圧力に等しくなった時点で、上記と
同様にして操作圧力を上昇させる。そして、このような
運転操作を繰り返すことにより、操作圧力は階段状（断
続的）に上昇し、常に最低操作圧力以上の圧力に保持さ
れる。なお、濃縮水２０ｂは圧力エネルギを有している
ため、この圧力エネルギを例えばターボチャージャなど
のエネルギ回収タービンやベルトン水車などに導入し、
エネルギを回収してもよい。回収されたエネルギは、供
給海水の昇圧などに用いるとよい。そして、操作圧力が
Ｐとなり、濃縮水２０ｂの塩濃度がＣになった時点で運
転操作を終了させる。

【００２２】次に、バルブ１６を開いて塩濃度Ｃの濃縮
水（最終濃縮水）２０ｃを逆浸透分離装置３０の系外に
送液する。この場合、系外に取り出された最終濃縮水２
０ｃの圧力エネルギを、更に例えばペルトン水車を用い
て回収してもよい。なお、上記したように、各段階での
操作圧力（Ｐ₁、Ｐ₂…）は、最低操作圧力よりわずかに
高い値に設定されているため、その有効圧力（Ｕ₁、Ｕ₂
…）は、それぞれファウリングを引き起こさない程度の
適切な値に保たれている。

【００２３】逆浸透分離に供される供給海水１０は、原
海水をそのまま用いてもよいが、前処理を施して原海水
に含まれる濁質成分等を除去することが好ましい。前処
理としては、例えば、以下の操作を行うことができる。
まず、深海層の海水を汲み出す、いわゆる深層海水や、
海底砂層などをフィルタとして利用した浸透取水法、単
にポンプを海中に投入して行うオープンインテイク法な
どにより取水した原海水を沈殿池に導入して塩素等の殺
菌剤を添加し、海水中の粒子を沈殿除去するとともに微
生物を殺菌する。次にこの海水に塩化鉄等の凝集剤を添
加して濁質成分を凝集させ、これを砂濾過して除去す
る。そして、この処理海水に硫酸等のｐＨ調整剤を添加
して海水のｐＨを下げ、カルシウム等の析出を防止した
後、亜硫酸ナトリウム等の還元剤を添加して前記殺菌剤
を除去し、さらに保安フィルタを通過させる。

【００２４】なお、供給海水中の炭酸カルシウム、硫酸
カルシウム、あるいは硫酸ストロンチウム等は、逆浸透
分離時に濃縮されて膜面に析出し易いものであり、これ
らはスケール成分と呼ばれている。そこで、上記した前
処理に加え、供給海水にスケール防止剤を添加してこの
スケール成分の析出を抑制してもよい。スケール防止剤
は、上記スケール成分中の金属(イオン)と錯体を形成し
てこれを可溶化させるものであり、例えば、有機イオン
または無機イオンから成るポリマ、あるいはモノマを用
いることができる。また、ＮＦ膜等を用いて上述のスケ
ール成分を除去してもよい。このようにしてスケール成
分の析出を抑制した場合、回収率を更に向上させること
ができ、溶質の主成分である塩（塩化ナトリウム）の析
出限界である約８５％の総回収率を実現することも可能
である。

【００２５】各逆浸透膜モジュールユニット２、４は、
図３、図４に示すようなエレメントを直列に接続し、図
５に示すように、耐圧容器に収容してモジュールとし、
このモジュールを単独で、または、並列に接続して構成
される。そして、各モジュールユニット２、４の全体に
はそれぞれ所定の操作圧力が負荷されるようになってい
る。

【００２６】図３において、エレメント６１は、供給液
流路材６２と逆浸透膜６３と透過液流路材６４とを含む
膜ユニットが集水管６５の周囲に配置され、端部にブラ
インシール６６を配した構造になっている。上記膜ユニ
ットの配置は、図４に示すように、前記逆浸透膜の袋状
体を供給液流路材６２と透過液流路材６４とを介装した
状態で、集水管６５の周囲にスパイラル状に巻回し、全
体を円筒状ケースに収容したものである。そして、前記
袋状体の一端は開口して集水管の透孔６５ａと連通する
ように接着されていて、供給海水１０は前記袋状体の外
側を流れ、この袋状体を透過してその内側に透過水が流
入し、前記開口部を通って集水管に集められる。このよ
うな構造を持つエレメントは、図５に示すように、継手
６７を介して順に接続され、それぞれブラインシール６
６にて区画されつつ耐圧容器６８内に収納されモジュー
ル８０を構成している。集水管の一端はプロダクトエン
ドキャップ７２により封止されている。

【００２７】耐圧容器６８の一端側に設けられた供給液
口６９から導入される海水は、エレメント６１内に導か
れ、供給液流路材６２、逆浸透膜６３、透過液流路材６
４の順に通過したのち、集水管６５に集められ透過液口
７０から取り出される。また、逆浸透膜６３を透過しな
かった濃縮水は順に下流側のエレメントに導かれて、上
記と同様に透過水と濃縮水とに分離され、最終的に排出
口７１から排出される。

【００２８】なお、上記においては、エレメントとし
て、平膜状の逆浸透膜を用いたスパイラル型エレメント
について説明したが、プレート・アンド・フレーム型エ
レメントや管状膜を用いたチューブラー型エレメント、
また、中空糸膜を束ねてケースに収納した中空糸膜エレ
メントを用いることもできる。逆浸透膜としては、溶液
中の溶媒(水分子)を選択的に透過させ、溶質（塩）の透
過を阻止できるものであればよい。膜構造としては、例
えば膜の少なくとも片面に緻密層を備え、緻密層から反
対面に向ってその径が徐々に大きくなっている微細孔が
形成された非対称膜や、この非対称膜の緻密層の上に他
の材料から成る厚みの薄い活性層を備えた複合膜を用い
ることができる。また、膜の形態としては、平膜や中空
糸膜を用いることができる。そして、膜の材料として
は、酢酸セルロース系ポリマ、ポリアミド、ポリエステ
ル、ポリイミド、およびビニルポリマ等の高分子材料を
用いることができる。代表的な逆浸透膜としては、酢酸
セルロース系またはポリアミド系の非対称膜、および、
ポリアミド系またはポリ尿素系の活性層を有する複合膜
を挙げることができる。特に、酢酸セルロース系非対称
膜、ポリアミド系活性層を有する複合膜、および芳香族
ポリアミド系の活性層を有する複合膜を用いることが好
ましい。

【００２９】そして、操作圧力を階段状に上昇させて逆
浸透分離を行う本発明の場合、前述のように、各段階で
の有効圧力はファウリングを引き起こさない程度の値に
保たれる。ここで、高回収率で逆浸透分離を行うために
は、最終操作圧力Ｐを高い値に設定する必要があるが、
本発明においては、この最終操作圧力Ｐに至るまで操作
圧力を徐々に上昇させているために、圧力Ｐは逆浸透分
離の最終段階にのみ負荷され、それより前段階での逆浸
透分離に負荷されることがない。このことは、最初から
一定の最終操作圧力Ｐで逆浸透分離を行う従来技術と比
べるとより明確になる。つまり、図２において、従来の
運転方法の場合、濃縮水の塩濃度に関係なく最終操作圧
力Ｐで逆浸透分離が行われるため、濃縮水の浸透圧が低
い初期の状態では、有効圧力がＵ₁’に増大してファウ
リングが生じる。

【００３０】このように、本発明においては、高い回収
率(例えば６０％)で運転を行った場合でも、従来の１段
で逆浸透分離を行う場合のように有効圧力が増大してフ
ァウリングが生じることがなく、高い回収率で逆浸透分
離を行うことができる。また、有効圧力が過度にならな
いため、淡水の製造コスト（造水コスト）を低減するこ
とができる。

【００３１】ところで、上記したように、操作圧力は常
に最低操作圧力以上の値、すなわち、濃縮水の浸透圧よ
り０.５MPa以上高い値になっている。この理由は、操作
圧力と浸透圧との差が０.５MPa未満であると、膜面の濃
度分極などにより逆浸透分離が充分進行しなくなるから
である。一方、操作圧力と浸透圧との差が５MPaを超え
ると、有効圧力（透過水量）が増えてファウリングが生
じるので、操作圧力を濃縮水の浸透圧より常に０.５〜
５MPa高い値とする。

【００３２】次に、逆浸透分離の具体的な運転方法につ
いて説明する。まず、この運転の際の濃縮水の上限塩濃
度Ｃを決定する。塩濃度Ｃは、モジュールユニットや膜
の耐圧性、あるいはスケール成分の析出しない制約条件
を考慮してその上限値が規定される。そして、塩濃度Ｃ
における浸透圧を所定の浸透圧式から求め、得られた浸
透圧に最小限必要な有効圧力を加えることにより最終的
な操作圧力を求める。浸透圧式としては、例えばvan't
Hoff式、三宅式、Stoughton式が挙げられる。

【００３３】さらに、濃縮水の上限塩濃度がＣになるよ
うな回収率を求める。この場合、濃縮水の塩濃度Ｃと回
収率Ｚ（％）との間には、Ｚ＝（１−Ｃ₀／Ｃ）×１００ …（１）の関係がある。但し、Ｃ₀は逆浸透分離前の供給海水濃
度を表す。ところで、本発明における回収率とは、塩濃
度が３.５重量％である海水を用いた場合の値のことを
いう。この塩濃度が３.５重量％の海水とは、塩化ナト
リウムや塩化マグネシウムなどの溶解性固形物質を３.
５重量％含む海水のことをいう。実際の海水の塩濃度
は、０.７重量％（バルチック海）から４.５重量％（ペ
ルシャ湾）に至るまで広範囲であるため、以下に示す式
にて回収率を変換して、Ｘ、Ｙを求める。

【００３４】塩濃度が３.５重量％の海水を供給した場
合の各段の回収率（％）＝（１−（３.５／各段の濃縮
水の塩濃度））×１００また、回収率は、供給海水に対する透過水の割合で算出
される。従って、例えば供給海水（塩濃度３.５％、浸
透圧２.６MPa）を、塩濃度８.８％（浸透圧７MPa）にな
るまで逆浸透分離する場合、上記したように回収率は６
０％となる。そして、最小限の有効圧力Ｕ₀を２MPaとす
れば、最終的な操作圧力は９MPaに設定される。この場
合、例えば最初の操作圧力を５MPaに設定し、以後、階
段状に操作圧力を上昇させるには、図６に示すような制
御を行うとよい。

【００３５】まず、操作圧力５MPaで逆浸透分離し、得
られた透過水２０ａの透過水の積算流量Ｍを測定器１８
で計測する（図１を参照）。この場合、リザーバタンク
２４に貯留されている供給海水の総量Ｍ₀は既知である
ので、Ｚ＝Ｍ／Ｍ₀ …（２）によって回収率を計算することができる。ここで、上記
した浸透圧式によれば、回収率の値から濃縮水の浸透圧
を導出することができる。そして、得られた浸透圧に上
述のＵ₀を加えた値（これが最低操作圧力に相当する）
を操作圧力（５MPa）と比較し、両者が等しくなった時
点（図のＡ₁）で、所定の昇圧分δ₁だけ操作圧力を上昇
させ、この操作圧力で同様に逆浸透分離を行う。以後、
上記と同様にして、透過水量から最低操作圧力を推算し
てその時の操作圧力と比較し、両者が等しくなる時点
（Ａ₂、Ａ₃…）で、操作圧力をそれぞれ昇圧分δ₂、δ₃
だけ上昇させていく。そして、最終的な濃縮水（塩濃度
８.８％）の浸透圧になった時点（Ａ_max）で運転操作を
終了させる。この場合、昇圧分（δ₁、δ₂、δ₃…）を
小さく設定すれば、操作圧力をほぼ連続的に最終操作圧
力まで上昇させることができる。

【００３６】ところで、高回収率で逆浸透分離を行う場
合、造水コストのさらなる低減を図るためには、その運
転コストを低減することが重要である。ここで、運転コ
ストとは、膜の交換費用、設備の動力コスト（電力使用
量）等から成るが、その大部分は高圧ポンプの動力コス
トで占められる。そして、ポンプの動力コストは、各段
階での操作圧力、ひいては各段階での濃縮水の塩濃度や
回収率によって表すことができる。これを２段階で断続
的に操作圧力を上昇させた場合を例にして、図７に基づ
いて説明する。なお、以下の説明では、最初の段階での
逆浸透分離を初段と称し、最終段階での逆浸透分離を後
段と称する。また、説明の都合上、図７においては、図
６の横軸の濃縮水の塩濃度を各段での回収率に置き換え
て説明する。

【００３７】図７において、供給海水に対する各段で得
られた透過水の総量の割合を示す総回収率はＸ（％）と
なっていて、初段の逆浸透分離は回収率Ｙ（％）、操作
圧力Ｐ₁に設定され、後段の逆浸透分離は操作圧力Ｐ₂に
設定、あわせて総回収率Ｘ（％）が設定されている。こ
の場合、上記したポンプの動力コストは、各ポンプへ導
入される海水量、およびポンプの入口側と出口側の圧力
差との積によって決まる。そして、初段のポンプにおい
て、その圧力差は、図７の縦軸の操作圧力Ｐ₁で表され
る。また、その海水量は、供給海水の全量（１００％）
に等しく、これは図７の横軸の０から１００（辺Ｌ）の
長さに比例した値となる。つまり、初段のポンプの動力
コストＡは、Ｐ₁×Ｌに比例する。

【００３８】一方、後段のポンプにおける圧力差は、初
段で圧力Ｐ₁に昇圧された濃縮水を圧力Ｐ₂まで昇圧すれ
ばよいので、（Ｐ₂−Ｐ₁）で表される。また、その海水
量は、初段の濃縮水量に等しく、これは供給海水の全量
（横軸の０から１００）から回収率Ｙで得られた透過水
（横軸の０からＹ）を差し引いた値、つまり横軸のＹか
ら１００（辺Ｍ）の長さに比例した値となる。つまり、
後段のポンプの動力コストＢは、（Ｐ₂−Ｐ₁）×Ｍに比
例する。

【００３９】従って、ＡとＢの和であるポンプの動力コ
ストの総量Ｅは、Ｅ∝Ｐ₁×Ｌ＋（Ｐ₂−Ｐ₁）×Ｍ …（３）で表される。これに対して、従来の１段法を用い、回収
率Ｘ、操作圧力Ｐ₂で逆浸透分離した時のポンプの動力
コストＥ’は、Ｅ’∝Ｐ₂×Ｌ …（４）で表される。

【００４０】つまり、操作圧力を段階的に上昇させて逆
浸透分離を行う本発明の場合、従来法に比べて、Ｅ−Ｅ’＝（Ｐ₂−Ｐ₁）×（Ｌ−Ｍ） …（５）に比例した量だけ、ポンプの動力コストを低減できるこ
とになる。ここで、Ｅ−Ｅ’の大きさは、図７における
面積Ｓで表される。なお、以上の説明は、２段階で操作
圧力を上昇させる場合について説明したが、操作圧力を
多数の段階に分けて上昇させた場合、面積Ｓはより大き
くなる。そして、操作圧力を連続的に上昇させた場合に
は、図７におけるＰ₀−Ｐ₂−ｄで囲まれた領域が面積Ｓ
となるので、その値が最も大きくなる。

【００４１】なお、本発明を適用する際の回収率の値は
特に制限されないが、３０〜８５％とすることが好まし
い。３０％未満である場合は、従来の逆浸透分離に比べ
て淡水化コストの低減効果が充分でなく、本発明を適用
する必要性が少なくなるからである。また、８５％を超
えると、溶質である塩の析出限界を超えるので、これ以
上の回収率で運転することは困難となる。

【００４２】また、総回収率Ｘを３０〜８５％とした場
合、前記濃縮水の最終的な塩濃度は５.０〜２３.３重量
％となる。ところで、本発明の逆浸透分離においては、
上述のように各段階でのファウリングを防止することが
極めて重要である。特に、以下に述べる項目について
は、ファウリングに大きな影響を及ぼすので、次のよう
にその管理範囲を定めることが好ましい。

【００４３】まず、供給海水の濁度は、ファウリングを
発生させる直接の要因となり、濁度が少ない程ファウリ
ングが生じ難い。このようなことから、濁度の指標とな
る供給海水のＳＤＩ値を好ましくは４以下、より好まし
くは３以下とする。ここで、ＳＤＩ値（ＦＩ値）とは、
対象水中の微細な濁質濃度を示し、（１−Ｔ₀／Ｔ₁₅）
×１００／１５で表される（但し、Ｔ₀：０.４５μｍの
精密濾過膜を用いて試料水を０.２MPa／cm²で加圧濾過
したときに最初の５００mlの試料水の濾過に要した時
間、Ｔ₁₅：Ｔ₀の後さらに同じ条件で１５分間濾過した
後に５００mlの試料水の濾過に要した時間）。そして、
濁質のない場合は０となり、最も汚れた水における最大
値は６.６７となる。特に、供給海水のＳＤＩ値を３以
下にするとファウリングがより起き難くなり、その分だ
け以下の透過水量を増大させることができるので、操作
圧力を高くして回収率を向上させることができる。

【００４４】次に、各段階での逆浸透分離時における透
過水量を、いずれの逆浸透膜エレメントにおいても、単
位膜面積（単位：ｍ²）当り０.０７〜１.２ｍ³／ｄとす
ることが好ましい。ここで、透過水量が０.０７ｍ³／ｄ
未満である場合には、充分な量の淡水を回収することが
できず、逆浸透分離の運転コスト、および設備コストが
増大する虞がある。また、１.２ｍ³／ｄを超えた場合に
は、膜面を透過水が通過する速度が大きくなるので、上
記濁質が供給水側から膜面に吸い寄せられて膜面に付着
し、ファウリングが生じ易くなる。

【００４５】なお、濃度分極が顕著になると、膜の分離
性能が低下し、また、前記スケール成分や塩が膜面へ析
出してファウリングが生じる可能性が高くなる。従っ
て、かかる濃度分極を抑制した運転条件で運転すること
が好ましい。この濃度分極は、逆浸透膜における供給水
の膜面流速が小さい程生じ易く、特に、モジュールユニ
ットの入口側に比べて出口側の方が流速が小さくなるた
め、当該出口側で顕著に濃度分極が生じ易い。このよう
なことから、いずれの逆浸透膜エレメントにおける供給
水の膜面流速も、０.０３ｍ／ｓ以上とすることが、濃
度分極を抑制する点で好ましい。

【００４６】この膜面流速が０.０３ｍ／ｓ未満である
と、上述したように膜面での濃度分極が顕著に生じ、フ
ァウリングが発生する。ここで、逆浸透膜エレメントに
おける供給水の膜面流速とは、エレメント内部を通過す
る単位時間当たりの平均供給水流量を、エレメントの供
給水通水方向に垂直な断面積のうち、供給水が通過可能
な断面積（以後、供給水流路横断面積という）で除した
値のことをいう。この供給水流路横断面積は、例えば、
中空糸膜や管状膜を用いたエレメントの場合は、各膜の
内径や外径から算出することができるし、スパイラル型
のエレメントの場合は、供給水の流路には、通常、供給
水（原水）流路材を用いるため、この原水流路材の空隙
率をもとに算出すればよい。ここで空隙率とは、原水流
路材が占める全体積から、原水流路材を構成する部材の
体積を除いた、原水の通水可能な範囲の割合をいい、上
述の膜面流速は、エレメントの横断面でみた場合の原水
流路材の長さ、厚み、空隙率および用いた原水流路材の
数を乗算して算出する。なお、本発明において供給水と
は、初段においては処理を行うとする海水のことをい
い、初段以外の各段においては前段から得られる濃縮海
水のことをいう。

【００４７】上記の膜面流速を０.０３ｍ／ｓ以上に制
御するためには、例えば、各段に供給する供給水の供給
圧力を高めて単位時間当たりの供給量を増加させたり、
また、膜面流速が低下しやすい後段のエレメントほど、
前述の供給水流路横断面積を小さくしておいたりして実
現することができる。この供給水流路横断面積は、中空
糸膜や管状膜を用いるエレメントの場合は、各膜の径
や、エレメント１本当たりに用いる膜本数を調節するこ
とにより、また、原水流路材を用いたスパイラル型エレ
メントの場合は、原水流路材の数や長さ、空隙率などを
調節することのより変化させることができる。

【００４８】さらに、膜面流速を０.０３ｍ／ｓ以上に
制御することに加え、流路材の形状を工夫して供給水の
流れを乱してやると、濃度分極層の厚みが小さくなるの
で、濃度分極をより一層抑制することができる。具体的
には、例えば、原水流路材として菱目状の網体を用いて
供給海水の流れを乱せばよい。なお、上記においては、
主に、逆浸透膜モジュールユニットを１段備えた場合に
ついて説明したが、直列に多段に接続して、各段から透
過水を得ることも好ましい。この場合、初段の逆浸透膜
モジュールユニットに海水を供給するとともに、前段の
逆浸透膜モジュールユニットから得られる濃縮海水を次
段の逆浸透膜モジュールユニットに供給する、いわゆる
濃縮水多段法としてもよい。この濃縮水多段法において
は、後段ほど供給海水の濃度が高く、したがって供給圧
力も後段にいくほど高くしていく必要がある。このと
き、最終的に排出される濃縮水には高い圧力エネルギが
含まれているため、このエネルギをターボチャージャな
どにより回収し、前段での供給水の加圧に用いることが
好ましい。また、濃縮水の圧力エネルギは後段ほど大き
くなることから、最終段の濃縮水の圧力を回収すること
が最も効率的であり好適である。

【００４９】ところで、上記した実施形態においては、
図１に示すバッチ式の逆浸透分離装置３０を用いて逆浸
透分離を行ったが、これに代えて、図８に示す多段（２
段）の逆浸透分離装置１を用いることもできる。図８に
おいて、逆浸透分離装置１は、それぞれ操作圧力の異な
る初段逆浸透膜モジュールユニット２、および後段逆浸
透膜モジュールユニット４を備えている。

【００５０】そして、この逆浸透分離装置１に供給海水
１０を導入して逆浸透分離を行うことにより淡水５０が
製造される。この場合、供給海水１０は、高圧ポンプ６
により初段の操作圧力になるまで昇圧されて初段逆浸透
膜モジュールユニット２に導入され、ここで逆浸透処理
されて塩が除去された初段透過水２０ａと塩が濃縮され
た初段濃縮水２０ｂとに分離される。次に、初段濃縮水
２０ｂは、後段逆浸透膜モジュールユニット４に導入さ
れ、後述するターボチャージャ８により、後段の操作圧
力になるまで昇圧されて逆浸透処理され、後段透過水４
０ａと後段濃縮水４０ｂとに分離される。

【００５１】このようにして得られた初段透過水２０ａ
と後段透過水４０ａは混合されて適宜タンク９に貯留さ
れ、淡水５０として使用に供される。一方、後段濃縮水
４０ｂは、ターボチャージャ８の動力源として利用され
た後、逆浸透分離装置１の系外に送液される。ここで、
ターボチャージャ８は、逆浸透分離された透過水や濃縮
水が高い圧力エネルギを持っていることを利用し、その
高圧流体をタービン羽根車に当ててポンプの駆動源とす
るものであり、例えば特開平１−２９４９０３号に記載
されたものを用いることができる。そして、ターボチャ
ージャ８を用いれば、このターボチャージャに送られた
低圧力の流体を電気的エネルギ等を用いることなく昇圧
することができる。なお、ターボチャージャ８に代え
て、通常の高圧ポンプを用いて２段目以降の逆浸透分離
を行ってもよく、初段の逆浸透分離にこのターボチャー
ジャを用いてもよい。また、ターボチャージャ８を用い
ずに、最終段の濃縮水を例えばペルトン水車に当ててそ
の圧力エネルギを回収してもよい。

【００５２】さらに、上記に加え、逆浸透膜の透過水側
に背圧をかけてもよい。通常、逆浸透膜モジュールユニ
ットの入口側では有効圧力が高いために透過水量が増
え、そのためファウリングが生じ易くなっている。従っ
て、当該入口側の逆浸透膜の透過水側に背圧をかけるこ
とによって、この部分での有効圧力を減じさせ、ファウ
リングを防止することができる。そして、通常、モジュ
ールユニットはエレメントを直列に接続して成るので、
ファウリングを生じる虞がある上流側のエレメントに選
択的に背圧をかければよい。この背圧の値は、例えば１
〜１.５MPaとすればよい。

【００５３】また、２段以上の逆浸透分離を行う場合
に、所定の段の透過水側に背圧をかけてもよい。例え
ば、海水温度が上昇していずれかの段の逆浸透膜の塩阻
止能が低下すると、水質が劣化するので、通常は当該段
の有効圧力（操作圧力）を上昇させてこれを防止してい
る。ところが、昇圧ポンプとしてターボチャージャを用
いる場合、前段の濃縮水の圧力に一定の昇圧分を加えた
ものが後段の操作圧力となるので、後段の操作圧力を上
昇させるためには、前段の操作圧力をも高くする必要が
ある。そして、かかる場合には上記と同様にして当該前
段でファウリングが生じ易くなるので、前段、より詳し
くは、膜性能が低下している段の前段に背圧をかけるこ
とが好ましい。

【００５４】

【実施例】実施例図１に示す逆浸透分離装置を用いて逆浸透分離を行い、
淡水を製造した。ここで、各エレメントは、脱塩率９
９.７５％、膜面積１７ｍ²のポリアミド系逆浸透膜を組
み込んで成り、エレメント１個当り１２ｍ³／ｄの淡水
を製造することができる。そして、このエレメントを６
本直列に接続して耐圧容器に収容してモジュールが構成
され、このモジュールが１個使用されてモジュールユニ
ットになっている。

【００５５】また、供給海水は、塩濃度約３.５％の原
水に殺菌剤（ＮａＯＣｌ）、凝集剤（ＦｅＣｌ₃）、ｐ
Ｈ調整剤（Ｈ₂ＳＯ₄）を順次添加した後、所定の濾過を
行って調製した。供給海水の温度は、２５℃であった。
そして、まず、第１段階の逆浸透分離では、表１に示す
ように、操作圧力を５.７〜８.６MPaまで徐々に上昇さ
せて供給海水を逆浸透分離し、透過水を回収した。そし
て、濃縮水の塩濃度が９％になった時点で、操作圧力を
８.６〜８.８MPaまで徐々に上昇させて第２段階の逆浸
透分離を行った。以後、同様にして第３〜５段階の逆浸
透分離を行った。各段階での操作圧力、透過水量、およ
び回収率を表１に示す。なお、濃縮水の塩濃度は、導電
率測定により求めた。また、本実施例の場合、装置の仕
様により、操作圧力の最大値を１０.２MPaとした。

【００５６】

【表１】

【００５７】表１から明らかなように、実施例において
はファウリングを生じることなく、７０％という高い回
収率が得られている。

【００５８】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明の
造水方法によれば、操作圧力を断続的または連続的に上
昇させて逆浸透分離を行うので、全体として高い回収率
を設定した場合でも、高い操作圧力は逆浸透分離の最終
段階のみに負荷され、それより前段階での逆浸透分離に
負荷されることがなく、そのため当該前段階での有効圧
力が上昇してファウリングが生じることがない。つま
り、高い回収率で逆浸透分離を行うことができ、その結
果として造水コストを低減することができる。

【００５９】そして、本発明では、従来の１段で逆浸透
分離を行う場合に比べ、全体のポンプの動力コスト、ひ
いては逆浸透分離時の運転コストを下げることができ、
造水コストをより一層低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る逆浸透分離を用いた造水方法のフ
ローを示す図である。

【図２】逆浸透分離の運転操作を示す図である。

【図３】スパイラル型逆浸透膜エレメントを示す部分切
欠斜視図である。

【図４】図３のIV−IV線に沿う断面図である。

【図５】逆浸透膜モジュールを示す概略図である。

【図６】逆浸透分離の運転操作を示す別の図である。

【図７】回収率と操作圧力との関係、および各段のポン
プの動力コストを表す領域を示す図である。

【図８】本発明に係る逆浸透分離を用いた造水方法のフ
ローを示す別の図である。

【符号の説明】

１、３０逆浸透分離装置２、４、２２逆浸透膜モジュールユニット６、１２高圧ポンプ８ターボチャージャ（ターボチャージャ）１０供給海水２０ａ透過水２０ｂ濃縮水４０ａ（後段）透過水４０ｂ（後段）濃縮水５０淡水６１スパイラル型逆浸透膜エレメント６２供給液流路材６３逆浸透膜６４透過液流路材６５集水管６５ａ透孔６６ブラインシール６７継手６８耐圧容器６９供給液口７０透過液口７１排出口７２プロダクト・エンド・キャップ８０モジュール

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【手続補正書】

【提出日】平成１３年３月２日（２００１．３．２）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４３

【補正方法】変更

【補正内容】

【００４３】まず、供給海水の濁度は、ファウリングを
発生させる直接の要因となり、濁度が少ない程ファウリ
ングが生じ難い。このようなことから、濁度の指標とな
る供給海水のＳＤＩ値を好ましくは４以下、より好まし
くは３以下とする。ここで、ＳＤＩ値（ＦＩ値）とは、
対象水中の微細な濁質濃度を示し、（１−Ｔ₀／Ｔ₁₅）
×１００／１５で表される（但し、Ｔ₀：０.４５μｍの
精密濾過膜を用いて試料水を０.２MPaで加圧濾過したと
きに最初の５００mlの試料水の濾過に要した時間、
Ｔ₁₅：Ｔ₀の後さらに同じ条件で１５分間濾過した後に
５００mlの試料水の濾過に要した時間）。そして、濁質
のない場合は０となり、最も汚れた水における最大値は
６.６７となる。特に、供給海水のＳＤＩ値を３以下に
するとファウリングがより起き難くなり、その分だけ以
下の透過水量を増大させることができるので、操作圧力
を高くして回収率を向上させることができる。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】符号の説明

【補正方法】変更

【補正内容】

【符号の説明】１、３０逆浸透分離装置２、４、２２逆浸透膜モジュールユニット６、１２高圧ポンプ８ターボチャージャ（ターボチャージャ）９タンク１０供給海水２０ａ透過水２０ｂ濃縮水４０ａ（後段）透過水４０ｂ（後段）濃縮水５０淡水６１スパイラル型逆浸透膜エレメント６２供給液流路材６３逆浸透膜６４透過液流路材６５集水管６５ａ透孔６６ブラインシール６７継手６８耐圧容器６９供給液口７０透過液口７１排出口７２プロダクト・エンド・キャップ８０モジュール

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者木原正浩滋賀県大津市園山１丁目１番１号東レ株式会社滋賀事業場内Ｆターム(参考） 4D006 GA03 HA62 HA63 HA65 JA25A JA58A KA01 KA03 KA12 KA62 KA63 KA67 KB13 KB14 KB15 KB30 KD02 KD03 KD06 KD08 KD11 KD23 KD24 KE03Q KE03R KE05Q KE05R KE07Q KE07R MA03 MC18 MC22 MC48 MC52 MC54 MC58 PA01 PB03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】逆浸透膜エレメントを含む逆浸透膜モジ
ュールユニットに海水を供給して濃縮水を分離し、透過
水を得るにあたり、濃縮水の一部を前記逆浸透膜モジュ
ールユニットの供給海水に加えるとともに、逆浸透膜に
供給海水の浸透圧よりも０.５〜５MPa高い圧力を常時加
えながら海水を処理することを特徴とする造水方法。
【請求項２】直列に接続して設けた、逆浸透膜エレメ
ントを含む少なくとも２個の逆浸透膜モジュールユニッ
トを用い、初段の逆浸透膜モジュールユニットに海水を
供給するとともに、前段の逆浸透膜モジュールユニット
から得られる濃縮海水を次段の逆浸透膜モジュールユニ
ットに供給し、各段から透過水を得る、請求項１に記載
の造水方法。
【請求項３】複数個の逆浸透膜エレメントを含み、か
つ、いずれの逆浸透膜エレメントにおいても、逆浸透膜
１ｍ²当たりの透過水量が０.０７〜１.２ｍ³／ｄの範囲
内になるように海水を処理する、請求項１または２に記
載の造水方法。
【請求項４】複数個の逆浸透膜エレメントを含み、か
つ、いずれの逆浸透膜エレメントにおいても、供給海水
の膜面流速を０.０３ｍ／ｓ以上になるように海水を処
理する、請求項１〜３のいずれかに記載の造水方法。