JP2001300264A

JP2001300264A - 逆浸透膜造水装置

Info

Publication number: JP2001300264A
Application number: JP2000130089A
Authority: JP
Inventors: Shunichiro Jinno; 俊一郎神野; Takeshi Uchiyama; 武士内山; Takuro Shishiyama; 卓朗獅山
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 2000-04-28
Filing date: 2000-04-28
Publication date: 2001-10-30

Abstract

(57)【要約】【課題】低エネルギ消費であり、且つ、より高品位な
造水が可能な逆浸透膜造水装置を提供する。【解決手段】供給水をターボチャージャ４により昇圧
して逆浸透膜モジュールユニット３に供給し、透過水を
得るものであって、このユニット３の透過水出口に、更
なる昇圧手段を設けることなく、後段逆浸透膜モジュー
ルユニット８を直結させることによって、ユニット３の
前段に設けたターボチャージャ４によって供給水の昇圧
が行なわれ、後段ユニット８における差圧は、ターボチ
ャージャ４によって確保され、ターボチャージャ４によ
って投入されたエネルギはユニット３および後段ユニッ
ト８の供給水の透過に消費され効率的である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、逆浸透膜を用いて
その供給水の透過水を得る逆浸透膜造水装置に係り、特
に濃縮水昇圧多段法による海水淡水化に好適な造水装置
に関する。

【０００２】

【関連する背景技術】海水・かん水からの淡水の生成、
または河川・湖沼水からの上水の生成には、例えば逆浸
透膜モジュールを備えた逆浸透膜造水装置が用いられ
る。この種の逆浸透膜造水装置は、基本的には図１に示
すように殺菌や濁質成分除去等の前処理を施した供給水
（海水）を高圧ポンプ１を介して所定の圧力（例えば
６.０ＭＰａ程度）に高めて前段の逆浸透膜モジュール
・ユニット２に供給し、この逆浸透膜モジュール・ユニ
ット２にて逆浸透作用により透過した透過水（淡水）を
得ると共に、ユニット２の濃縮水をターボチャージャ等
の昇圧手段４により昇圧して更に２段目の逆浸透膜モジ
ュール・ユニット３に供給し、この２段目のユニット３
からもその透過水を得ることで、透過水の生成効率（造
水効率）を高めるようにした濃縮水昇圧多段法による海
水淡水化造水装置が実用化されている。

【０００３】ところで逆浸透膜モジュール・ユニット
２、３は、例えば図２に示すように複数の逆浸透膜エレ
メント１０を直列に接続して円筒状の圧力容器２１内に
収納した逆浸透膜モジュール２０を、複数本並列に設け
て構成される。尚、各逆浸透膜エレメント１０は、例え
ば図３に示すようにセンタパイプ１１の周囲に、流路材
１２を内包した袋状の逆浸透膜１３をメッシュスペーサ
１４を介してスパイラル状に巻回し、その一端にブライ
ンシール１５を設けた構造を有する。そして各逆浸透膜
エレメント１０は、ブラインシール１５側から供給され
る所定圧力の供給水（海水）をメッシュスペーサ１４を
介して逆浸透膜１３間に導き、逆浸透作用により逆浸透
膜１３を透過した透過水（淡水）を上記センタパイプ１
１を介して取り出すものとなっている。

【０００４】逆浸透膜モジュール２０は、このような各
逆浸透膜エレメント１０のセンタパイプ１１間を、図２
に示すように継手２２を介して順に連結しながら、ブラ
インシール１５にて圧力容器２１内を区画して構成され
る。そして圧力容器２１の一端側に設けられた供給水口
２３から導入された供給水（海水）を、各逆浸透膜エレ
メント１０の逆浸透膜１３内に順に導いて、センタパイ
プ１１内にその透過水を得る。この透過水は、圧力容器
２１の他端側に設けられてセンタパイプ１１に連結され
た透過水口２４から取り出される。また各逆浸透膜１３
を透過しなかった供給水（海水）の残り、つまり濃縮水
（海水）は、圧力容器２１の他端側に設けられた排出口
２５から排出される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】さて上述した濃縮水昇
圧多段法による逆浸透膜造水装置は、水温や水質変化等
に起因して変化する流量や圧力を制御するため、濃縮水
吐出側のドレイン流路に制御弁が配設されている。この
ような制御弁は、必然的に圧力損失を招来し、エネルギ
損失となる。図１に示す逆浸透膜造水装置では、ターボ
チャージャ４をバイパスする濃縮水量を制御するバイパ
ス弁５やターボチャージャ４の背圧を制御する圧力調整
弁６が上述の制御弁に該当する。

【０００６】ターボチャージャ４は、エネルギ回収と濃
縮水を昇圧する機能を兼ね備え、エネルギ回収効率が高
いためにこの種の逆浸透膜造水装置に多く採用されてい
る。しかし、造水装置の作動領域を広く設定するため
に、ターボチャージャ４で余分に回収されるエネルギは
上述したバイパス弁５や圧力調整弁６によって無駄に捨
てられており、これがエネルギ損失になる。

【０００７】また、上述した濃縮水昇圧多段法による逆
浸透膜造水装置は、原水（海水）から塩分を除去して高
品位な淡水を生成することが可能であるが、飲用等の用
途に、淡水化した水の品質に対する要求は益々高度化し
ている。このような要求に対して、上述の逆浸透膜モジ
ュール・ユニット２或いは各ユニット２，３で生成され
る透過水を再び逆浸透膜に導いて透過水を得ればよい
が、通常、各ユニット２，３からの透過水を再度昇圧す
るためのポンプが必要になり、このポンプを駆動するた
めに更にエネルギ消費が大になる。

【０００８】本発明はこのような事情を考慮してなされ
たもので、その目的は、低エネルギ消費であり、且つ、
より高品位な造水が可能な逆浸透膜造水装置を提供する
ことにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上述した目的を達成する
ために本発明に依れば、供給水を昇圧手段により昇圧し
て逆浸透膜装置に供給し、透過水を得るものであって、
この逆浸透膜装置の透過水出口に、更なる昇圧手段を設
けることなく、後段逆浸透膜装置を直結させた逆浸透膜
造水装置が提供される。

【００１０】このような構成の造水装置は、逆浸透膜装
置の前段に設けた昇圧手段によって供給水の昇圧が行な
われ、後段逆浸透膜装置における差圧は、上記昇圧手段
によって確保される。したがって、昇圧手段によって投
入されたエネルギは逆浸透膜装置および後段逆浸透膜装
置の供給水の透過に消費されエネルギ損失とならず効率
的である。

【００１１】前記昇圧手段は、好ましくは、逆浸透膜装
置からの濃縮水によって駆動され、エネルギ回収機能を
備える、例えばタービン／ポンプ一体型装置（ハイドロ
リックターボチャージャまたはその相当品）が良い（請
求項２）。また、本発明の造水装置は、逆浸透膜装置お
よび後段逆浸透膜装置の濃縮水吐出側において、流量や
圧力を制御するための制御弁をことさら設けないことに
特徴があり、逆浸透膜装置の膜面積を可変に構成してお
き、水温や水質変化等に起因する運転条件変更の必要が
生じた場合には、この逆浸透膜装置の膜面積を調整する
ようにすればよい（請求項３）。あるいは、逆浸透膜装
置に代えて、あるいはこれと共に後段逆浸透膜装置の膜
面積を可変に構成するようにしてもよい（請求項４）。

【００１２】さらに、本発明は、濃縮水昇圧多段法によ
る造水装置に適用してもよく、そのような場合には、原
水を加圧するポンプ手段と、加圧された原水を透過させ
る前段逆浸透膜装置とが備えられ、前記昇圧手段は、該
前段逆浸透膜装置からの濃縮水を昇圧して前記逆浸透膜
装置に供給水として供給することになる（請求項５）。
このような造水装置においては、前段逆浸透膜装置の膜
面積を可変に構成することも好ましい（請求項６）。そ
して、前記後段逆浸透膜装置の濃縮水は、好ましくは前
記ポンプ手段の吸入口側に還流させるのがよく、造水効
率が向上する（請求項７）。

【００１３】更に好ましくは、前記前段逆浸透膜装置の
透過水出口に直結するように第２の後段逆浸透膜装置を
設けるのがよく、更に高品位の水質が得られる（請求項
８）。尚、本発明に係る上記造水装置において、後段逆
浸透膜装置および／または第２の後段逆浸透膜装置に供
給される透過水中のＴＤＳ（Total Dissolved Solids：
「全塩濃度」と略同義）から透過水中の特定成分の濃度
を予測し、予測された特定成分濃度に基づいて該特定成
分濃度を低減させる薬剤を透過水に供給することもでき
る。具体的には、透過水中のＴＤＳから例えばホウ素濃
度や臭素濃度を予測し、この予測された特定成分濃度に
基づいて後段逆浸透膜装置および／または第２の後段逆
浸透膜装置に供給される透過水にｐＨ調整剤を注入し、
これらの特定成分（臭素やホウ素）の濃度を低減するこ
とができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】先ず、本発明に係る逆浸透膜造水
装置の基本構成を、図４を参照して説明する。なお、図
中の造水装置を構成する各要素に対して、説明の便宜
上、従来の構成要素と同等の機能・作用を有するものに
は同じ符号を付してある。殺菌や濁質成分除去等の前処
理が施された原水（例えば海水。なお、逆浸透膜等に供
給される「原水」は、逆浸透膜等に対して「供給水」と
もいうことができる。これら「原水」と「供給水」とを
処理の程度で区別する場合は、「供給水」は「原水」の
上位概念となる。）は高圧ポンプ１および昇圧手段４を
介して逆浸透膜モジュール・ユニット（逆浸透膜装置）
３に供給される。昇圧手段４としては、特に限定されな
いが、余剰エネルギが回収でき、供給水の昇圧ができる
ものがよく、タービン・ポンプ一体型のハイドロリック
ターボチャージャ（以下単にターボチャージャという）
が好適である。この実施態様では、ユニット３に供給さ
れる供給水は、ポンプ１によって昇圧されると共に、ユ
ニット３から吐出される濃縮水で駆動されるターボチャ
ージャ４によっても昇圧される。供給水は回収された余
剰エネルギでも昇圧されることになり、これによりエネ
ルギ消費を低減させることができる。

【００１５】所要の圧力（例えば、６．０ＭＰａ程度）
に昇圧された供給水は、逆浸透膜モジュール・ユニット
３において濃縮水と透過水に分離され、透過水は後段逆
浸透膜モジュール・ユニット８に、濃縮水は前述のター
ボチャージャ４のタービンに供給される。ターボチャー
ジャ４でタービンを駆動した濃縮水は、適宜廃棄処理さ
れる。一方、後段逆浸透膜モジュール・ユニット８で
は、逆浸透膜によって高品位透過水と低品位透過水（濃
縮水）とに分離され、低品位透過水は高圧ポンプ１の上
流側に還流される。ユニット８での濃縮水のＴＤＳは供
給水（原水）のそれより十分に低く、再循環させること
によって装置の造水効率を向上させることができる。

【００１６】後段逆浸透膜モジュール・ユニット８は、
基本的には逆浸透膜モジュール・ユニット３と同じ構成
を有しており、図２に示すように複数の逆浸透膜エレメ
ント１０を直列に接続して円筒状の圧力容器２１内に収
納した逆浸透膜モジュール２０を、複数本並列に設けて
構成される。ユニット３で淡水化された透過水は更に後
段のユニット８で淡水化されるので、より高品位な水質
が得られる。表１は、標準海水を図４に示す造水装置で
淡水化して得られる透過水の品質（ＴＤＳ）を示す。

【００１７】

【表１】

【００１８】上述の造水装置において、逆浸透膜モジュ
ール・ユニット３からの濃縮水経路４ａ、および後段逆
浸透膜モジュール・ユニット８からの高圧ポンプ１の上
流側に還流する濃縮水経路８ａには、それぞれ固定の開
口面積を有し、流路抵抗となるターボチャージャ４や絞
り８ｂはあるが、流量を調整したり、圧力を制御したり
するためのバルブは配設されていない。従って、ターボ
チャージャ４、固定絞り８ｂ等を、装置が最適運転条件
で運転できるように設計することによって、エネルギ損
失を最少にすることができる。そして、原水の水質変
化、温度変化等に起因して運転条件を変更する必要があ
る場合には、後述するように逆浸透膜モジュール・ユニ
ット３および／または後段逆浸透膜モジュール・ユニッ
ト８の逆浸透膜面積を可変に構成して、膜面積の調整に
よりエネルギ損失が最少となる運転が可能である。

【００１９】このように、本発明の造水装置は、濃縮水
により得られる余剰エネルギが流量調整や圧力制御のた
めの制御弁で無駄に廃棄されないので、また、逆浸透膜
モジュール・ユニット３と後段逆浸透膜モジュール・ユ
ニット８との間に昇圧のためのポンプを必要としないの
で、投入エネルギに対する造水量、すなわち造水効率が
高い。

【００２０】また、透過水に含まれる臭素やホウ素濃度
を低減させたい場合には、逆浸透膜モジュール・ユニッ
ト３からの透過水にこれらの濃度を低減させるための薬
剤を注入すればよい。より具体的には、逆浸透膜モジュ
ール・ユニット３からの透過水中のＴＤＳから例えばホ
ウ素濃度や臭素濃度を予測し、この予測されたホウ素濃
度や臭素濃度に基づいて後段逆浸透膜モジュール・ユニ
ット８に供給される透過水にｐＨ調整剤を注入すること
によって、これらの特定成分（臭素やホウ素）の濃度を
低減することができる。透過水中のＴＤＳ（全塩濃度）
から特定成分（臭素やホウ素）の濃度を予測する方法に
ついては、特開平 − 号公報（特願平１１−３１
５３１４号）に詳しく開示されている。

【００２１】表２は、ｐＨ調整剤の注入の有無による逆
浸透膜モジュール・ユニット３および後段逆浸透膜モジ
ュール・ユニット８から透過水中のホウ素濃度の変化を
示す。なお、ユニット３および８の逆浸透膜は表１に示
されるものが使用され、各ユニットの供給水圧力および
膜間圧力差も表１に示される条件に設定した。

【００２２】

【表２】

【００２３】このように、ｐＨ調整剤等の注入による臭
素やホウ素等の特定成分の低減と後段逆浸透膜モジュー
ル・ユニット８の併用により、より高品位の水質が得ら
れる。図５は、濃縮水昇圧多段法による造水装置に本発
明を適用した態様を示す。より具体的には、図４に示す
態様の造水装置に前段逆浸透膜モジュール・ユニット
（前段逆浸透膜装置）２を追加して構成したもので、ユ
ニット２は、高圧ポンプ１とターボチャージャ４の間に
配設される。すなわち、高圧ポンプ１で加圧された原水
（海水）は、前段逆浸透膜モジュール・ユニット２に供
給される。ユニット２の透過水側出口は、バルブ２ａが
配設される透過水路２ｂを介して後段逆浸透膜モジュー
ル・ユニット８の透過水側出口に接続されると共に、バ
ルブ２ａの上流で分岐する分岐路を介して後段逆浸透膜
モジュール・ユニット８の供給口に接続されている。こ
の分岐路にはバルブ２ｃが配設されている。

【００２４】ユニット２の濃縮水はターボチャージャ４
により昇圧されて逆浸透膜モジュール・ユニット（逆浸
透膜装置）３に供給される。一方、ユニット２の透過水
は、バルブ２ｃが完全に閉じられ、バルブ２ｂが開いて
いるときには、後段逆浸透膜モジュール・ユニット８か
らの高品位透過水と混合されて出力される。また、バル
ブ２ｃおよびバルブ２ｂの開度の調節により、ユニット
２の透過水の一部がユニット３からの透過水と混合さ
れ、後段逆浸透膜モジュール・ユニット８に供給され
る。バルブ２ｂを完全に閉じ、バルブ２ｃを開けると、
ユニット２の透過水の全部がユニット３からの透過水と
混合され、後段逆浸透膜モジュール・ユニット８に供給
される。バルブ２ｃおよびバルブ２ｂの開度の設定は装
置全体から得られる透過水の品質が要求品質を満足する
か否かに応じて決めればよい。

【００２５】この実施形態の造水装置においても後段逆
浸透膜モジュール・ユニット８からの低品位透過水（濃
縮水）は、そのＴＤＳが原水より十分に低いので高圧ポ
ンプ１の上流側に還流させている。そして、前段逆浸透
膜モジュール・ユニット２からの濃縮水はターボチャー
ジャ４により昇圧され、余剰エネルギ（回収エネルギ）
が有効に利用される。また、この実施態様においても、
各逆浸透膜モジュール・ユニットの濃縮水側の排出経路
には、流量調整や圧力制御のためのバルブが配設されて
おらず、そのため、図４の造水装置と同様にバルブ位置
で発生する圧力損失が抑制され、エネルギ損失を最小限
に抑えることができる。

【００２６】図６は、図５の造水装置の前段逆浸透膜モ
ジュール・ユニット２、逆浸透膜モジュール・ユニット
３および後段逆浸透膜モジュール・ユニット８の各逆浸
透膜面積を可変に構成した態様を示している。ユニット
２には、各逆浸透膜モジュール２Ａ、２Ｂ、２Ｃ...が
並列に配列され、各供給水口側および各透過水口側にそ
れぞれバルブが配設されている。各モジュールのバルブ
を開閉することにより、適宜ユニット２の逆浸透膜面積
を可変にすることができる。

【００２７】同様に、逆浸透膜モジュール・ユニット３
および後段逆浸透膜モジュール・ユニット８においても
各モジュール３Ａ、３Ｂ...、各モジュール８Ａ、８
Ｂ...を並列に配列して構成したもので、各モジュール
に配設されるバルブを開閉することによって逆浸透膜面
積を可変にすることができる。このように、各ユニット
の膜面積を調整することによって、水温や水質変化等に
よる運転条件を変更することができる。このため、ター
ボチャージャ４のバイパス弁や圧力調整弁がなくても原
水の水温や水質変化等に対応してエネルギ効率のよい装
置の運転を確保することができる。従って、ターボチャ
ージャ４のバイパス弁や圧力調整弁を廃止することによ
って、これらの弁で生じるエネルギ損失を排除すること
ができ、最小限のエネルギを有効に使用して、高品位の
淡水を造水することができる。

【００２８】図７は、濃縮水昇圧多段法による造水装置
に本発明を適用したまた別の態様を示す。より具体的に
は、図５に示す実施態様の造水装置の構成要件に加え、
前段逆浸透膜モジュール・ユニット２に対する第２の後
段逆浸透膜モジュール・ユニット９を設けたことに特徴
がある。この実施態様の造水装置においては、ユニット
２からの透過水が第２の後段ユニット９に供給され、Ｔ
ＤＳの低い、より高品位な淡水を得ることができる。ま
た、この実施態様においても第２の後段ユニット９から
の濃縮水を高圧ポンプ１の上流に還流させることによ
り、造水効率の向上が図られる。

【００２９】なお、図５乃至７に示される実施態様の造
水装置においても、各後段逆浸透膜モジュール・ユニッ
トに供給される供給水中のＴＳＤを測定してホウ素濃度
や臭素濃度を予測し、この予測されたホウ素濃度や臭素
濃度に基づいて各後段ユニットに供給される透過水にｐ
Ｈ調整剤を注入することによって、これらの特定成分
（臭素やホウ素）の濃度を低減させるようにしても良い
ことは勿論のことである。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように本発明の逆浸透膜造
水装置に依れば、供給水を昇圧手段により昇圧して逆浸
透膜装置に供給し、透過水を得るものであって、この逆
浸透膜装置の透過水出口に、更なる昇圧手段を設けるこ
となく、後段逆浸透膜装置を直結させるようにしたの
で、昇圧手段によって投入されたエネルギは逆浸透膜装
置および後段逆浸透膜装置の供給水の透過に消費され効
率的に造水することができ、且つ、高品位の淡水を得る
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】濃縮水昇圧多段法による造水装置の概略構成を
説明するためのブロック図。

【図２】逆浸透膜モジュールの一般的な構造を示す切開
斜視図。

【図３】逆浸透膜モジュールに組み込まれる逆浸透膜エ
レメントの構成例を示す一部切開斜視図。

【図４】本発明に係る逆浸透膜造水装置の概略構成を示
すブロック図。

【図５】濃縮水昇圧多段法による造水装置に本発明を適
用した態様を示すブロック図。

【図６】図５に示す前段逆浸透膜モジュール・ユニット
２、逆浸透膜モジュール・ユニット３および後段逆浸透
膜モジュール・ユニット８の各逆浸透膜面積を可変に構
成した、本発明の別の態様を示すブロック図。

【図７】濃縮水昇圧多段法による造水装置に本発明を適
用した、更に別の態様を示すブロック図。

【符号の説明】

１高圧ポンプ２前段逆浸透膜モジュール・ユニット（前段逆浸透膜
装置）３逆浸透膜モジュール・ユニット（逆浸透膜装置）４ターボチャージャ（昇圧手段）８後段逆浸透膜モジュール・ユニット（後段逆浸透膜
装置）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者獅山卓朗千葉県浦安市美浜１丁目８番１号東レ株式会社東京事業場内Ｆターム(参考） 4D006 GA03 HA27 JA53A JA57A KA01 KA13 KA14 KA52 PB03 PB04 PB05

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】供給水を昇圧手段により昇圧して逆浸透
膜装置に供給し、透過水を得る逆浸透膜造水装置であっ
て、前記逆浸透膜装置の透過水出口に直結された後段逆
浸透膜装置を備える逆浸透膜造水装置。
【請求項２】前記昇圧手段は、前記逆浸透膜装置から
の濃縮水によって駆動される、エネルギ回収機能を備え
る、請求項１に記載の逆浸透膜造水装置。
【請求項３】前記逆浸透膜装置の膜面積が可変に構成
される、請求項１または２に記載の逆浸透膜造水装置。
【請求項４】前記後段逆浸透膜装置の膜面積が可変に
構成される、請求項１ないし３の何れかに記載の逆浸透
膜造水装置。
【請求項５】原水を加圧するポンプ手段と、加圧され
た原水を透過させる前段逆浸透膜装置とを備え、前記昇
圧手段は、該前段逆浸透膜装置からの濃縮水を昇圧して
前記逆浸透膜装置に供給水として供給する、請求項１な
いし４の何れかに記載の逆浸透膜造水装置。
【請求項６】前記前段逆浸透膜装置の膜面積が可変に
構成される、請求項５に記載の逆浸透膜造水装置。
【請求項７】前記後段逆浸透膜装置の濃縮水は、前記
ポンプ手段の吸入口側に還流させる、請求項５または６
に記載の逆浸透膜造水装置。
【請求項８】前記前段逆浸透膜装置の透過水出口に直
結された第２の後段逆浸透膜装置を備える、請求項５な
いし７の何れかに記載の逆浸透膜造水装置。