JP2001347141A - Reverse osmosis separator - Google Patents

Reverse osmosis separator

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JP2001347141A
JP2001347141A JP2001113662A JP2001113662A JP2001347141A JP 2001347141 A JP2001347141 A JP 2001347141A JP 2001113662 A JP2001113662 A JP 2001113662A JP 2001113662 A JP2001113662 A JP 2001113662A JP 2001347141 A JP2001347141 A JP 2001347141A
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reverse osmosis
osmosis membrane
pressure
water
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JP2001113662A
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Japanese (ja)
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Hiroyuki Yamamura
弘之 山村
Masaru Kurihara
優 栗原
Katsunosuke Maeda
勝之助 前田
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Toray Industries Inc
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Toray Industries Inc
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a separation method capable of more stably obtaining a low concentration solution from a high concentration solution in high yield, with less energy, at a lower cost and with high efficiency. SOLUTION: In the reverse osmosis membrane separator having reverse osmosis membrane module units arranged at multi-stages, the separator is provided with a pressure raising pump for feeding water to a reverse osmosis membrane module unit at the first stage, and a pressure raising pump for concentrated water provided in a concentrated water flow path between the reverse osmosis membrane module units, and a recovery device for recovering pressure energy of the concentrated water of a reverse osmosis membrane module unit at the final stage, and the recovery device is connected with the pressure raising pump for the feed water.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、高濃度溶液を逆浸
透分離するための新規な高濃度溶液の逆浸透分離装置に
関するものである。本発明によって、高濃度溶液から高
い収率、少ないエネルギー、費用で低濃度溶液を得るこ
とができ、一方では濃縮液を従来の逆浸透法より一層高
い濃度、少ないエネルギー、費用で得ることができる分
離装置を提供することができる。本発明の方法は特にか
ん水の脱塩、海水の淡水化、また排水の処理、有用物の
回収に用いることができる。特に高濃度の溶液から低濃
度溶液を得る場合や、高濃度溶液をさらに高い濃度に濃
縮する場合に効果が大きい。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a novel high-concentration solution reverse osmosis separation apparatus for separating a high-concentration solution by reverse osmosis. According to the present invention, a low-concentration solution can be obtained from a high-concentration solution with high yield, low energy and cost, while a concentrate can be obtained with higher concentration, low energy and cost than the conventional reverse osmosis method. A separation device can be provided. The method of the present invention can be used particularly for desalination of brine, desalination of seawater, treatment of wastewater, and recovery of useful substances. This is particularly effective when a low-concentration solution is obtained from a high-concentration solution or when a high-concentration solution is further concentrated to a higher concentration.

【0002】[0002]

【従来の技術】混合物の分離に関して、溶媒(例えば
水)に溶解した物質(例えば塩類)を除くための技術に
は様々なものがあるが、近年、省エネルギーおよび省資
源のためのプロセスとして膜分離法が利用されてきてい
る。膜分離法のなかには、精密濾過(MF;Micro
filtration)法、限外濾過(UF;Ultr
afiltration)法、逆浸透(RO;Reve
rse Osmosis)法がある。さらに近年になっ
て逆浸透と限外濾過の中間に位置する膜分離(ルースR
OあるいはNF;Nanofiltration)とい
う概念の膜分離法も現われ使用されるようになってき
た。例えば逆浸透法は海水または低濃度の塩水(かん
水)を脱塩して工業用、農業用または家庭用の水を提供
することに利用されている。逆浸透法によれば、塩分を
含んだ水を浸透圧以上の圧力をもって逆浸透膜を透過さ
せることで、脱塩された水を製造することができる。こ
の技術は例えば海水、かん水、有害物を含んだ水から飲
料水を得ることも可能であるし、また、工業用超純水の
製造、排水処理、有価物の回収などにも用いられてき
た。
2. Description of the Related Art With respect to separation of a mixture, there are various techniques for removing substances (eg, salts) dissolved in a solvent (eg, water). In recent years, however, membrane separation has been used as a process for saving energy and resources. The law is being used. Microfiltration (MF; Micro)
Filtration method, ultrafiltration (UF; Ultr)
afiltration method, reverse osmosis (RO; Rev)
rse Osmosis) method. More recently, a membrane separation (Loose R) located between reverse osmosis and ultrafiltration
A membrane separation method of the concept of O or NF (Nanofiltration) has appeared and has been used. For example, reverse osmosis is used to desalinate seawater or low-concentration brine (brine) to provide industrial, agricultural, or domestic water. According to the reverse osmosis method, desalinated water can be produced by permeating water containing salt through a reverse osmosis membrane at a pressure higher than the osmotic pressure. This technology can be used, for example, to obtain drinking water from seawater, brackish water, water containing harmful substances, and has also been used in the production of industrial ultrapure water, wastewater treatment, and recovery of valuable resources. .

【0003】特に逆浸透膜による海水淡水化は、蒸発の
ような相変化がないという特徴を有しており、エネルギ
ー的に有利である上に運転管理が容易であり、広く普及
を始めている。
[0003] In particular, seawater desalination using a reverse osmosis membrane has the feature that there is no phase change such as evaporation, is advantageous in energy, is easy in operation management, and has begun to spread widely.

【0004】逆浸透膜で溶液を分離する場合は、溶液の
溶質濃度によって定まる溶液自身の持つ化学ポテンシャ
ル(これを浸透圧で表わすことができる)以上の圧力で
溶液を逆浸透膜面に供給する必要があり、たとえば海水
を逆浸透膜モジュールで分離する場合は、最低30at
m程度以上、実用性を考慮すると少なくとも50atm
程度以上の圧力が必要となり、これ以上の圧力に加圧さ
れないと充分な逆浸透分離性能は発現されない。
When a solution is separated by a reverse osmosis membrane, the solution is supplied to the reverse osmosis membrane surface at a pressure higher than the chemical potential of the solution itself (which can be represented by osmotic pressure) determined by the solute concentration of the solution. For example, when seawater is separated by a reverse osmosis membrane module, at least 30 at
m or more, at least 50 atm considering practicality
A pressure higher than the required level is required, and if the pressure is not increased beyond this level, sufficient reverse osmosis separation performance is not exhibited.

【0005】逆浸透膜による海水淡水化の場合を例にと
ると、通常の海水淡水化技術では海水から真水を回収す
る割合(収率)は高々40%であり、海水供給量に対し
て40%相当量の真水が膜を透過して得られる結果、逆
浸透膜モジュールの中で海水濃度が3.5%から6%程
度にまで濃縮されることになる。このように海水から収
率40%の真水を得るという逆浸透分離操作を行うため
には、濃縮水の濃度に対応する浸透圧(海水濃縮水濃度
6%に対しては約45atm)以上の圧力が必要であ
る。真水の水質がいわゆる飲料水レベルに対応でき、か
つ充分な水量を得るためには、実際には、濃縮水濃度に
対応する浸透圧よりも約20atm(この圧力を有効圧
力と呼ぶ)程度高めの圧力を逆浸透膜に加えることが必
要であり、海水淡水化用逆浸透膜モジュールは60から
65atm程度の圧力をかけて収率40%という条件で
運転されるのがふつうであった。
[0005] Taking the case of seawater desalination using a reverse osmosis membrane as an example, in a normal seawater desalination technique, the rate (yield) of recovering fresh water from seawater is at most 40%, which is 40% of the supplied amount of seawater. % Of fresh water is obtained through the membrane, and as a result, the seawater concentration in the reverse osmosis membrane module is reduced from 3.5% to about 6%. In order to perform the reverse osmosis separation operation of obtaining fresh water with a yield of 40% from seawater in this manner, a pressure higher than the osmotic pressure corresponding to the concentration of the concentrated water (about 45 atm for a 6% concentration of concentrated seawater). is necessary. In order for the quality of fresh water to correspond to the so-called drinking water level and to obtain a sufficient amount of water, in practice, it is required to increase the osmotic pressure corresponding to the concentration of concentrated water by about 20 atm (this pressure is called effective pressure). It is necessary to apply pressure to the reverse osmosis membrane, and the reverse osmosis membrane module for seawater desalination is usually operated at a pressure of about 60 to 65 atm and a yield of 40%.

【0006】海水供給量に対する真水の収率は、直接コ
ストに寄与するものであり、収率は高いほど好ましい
が、実際に収率を上げることについては限度があった。
すなわち、収率を上げると、非常に高い圧力が必要であ
るという理由は言うまでもないが、濃縮水中の海水成分
の濃度が高くなり、ある収率以上では炭酸カルシウムや
硫酸カルシウム、硫酸ストロンチウムなどの塩、いわゆ
るスケール成分濃度が溶解度以上になって逆浸透膜の膜
面に析出して膜の目つまりを生じさせる問題がある。
The yield of fresh water with respect to the amount of supplied seawater directly contributes to the cost. The higher the yield, the better, but there is a limit to the actual increase in yield.
In other words, it goes without saying that increasing the yield requires extremely high pressure, but the concentration of seawater components in the concentrated water increases, and at a certain yield or higher, salts such as calcium carbonate, calcium sulfate, and strontium sulfate are required. In other words, there is a problem that the so-called scale component concentration becomes higher than the solubility and precipitates on the membrane surface of the reverse osmosis membrane to cause clogging of the membrane.

【0007】現在の(最高収率として広く認識されてい
る)収率40%程度においては、これらのスケール成分
の析出の心配は小さく特に対応は不要であるが、それ以
上の収率で逆浸透膜の運転操作を行おうとすると、これ
らのスケール成分の析出防止のために、塩の溶解性を高
めるスケール防止剤を添加することが必要となる。しか
しながら、スケール防止剤を添加したとしても上記のス
ケール成分の析出を抑制できるのは濃縮水濃度で10か
ら11%程度である。このため、塩水濃度3.5%の海
水を淡水化する場合では、物質収支的に収率は65から
68%程度が限度であり、また原海水の変動異種成分の
影響などを考慮すると、逆浸透膜海水淡水化プラントを
安定に運転できうる可能性のある実際の収率限度は60
%程度であると認識される。
[0007] At a current yield of about 40% (which is widely recognized as the highest yield), there is little concern about the precipitation of these scale components, and no special measures are required. In order to operate the membrane, it is necessary to add a scale inhibitor which enhances the solubility of the salt in order to prevent precipitation of these scale components. However, even if a scale inhibitor is added, the concentration of the above-mentioned scale component can be suppressed when the concentration of the concentrated water is about 10 to 11%. For this reason, when desalinating seawater with a saltwater concentration of 3.5%, the yield is limited to about 65 to 68% in terms of material balance. The actual yield limit at which the osmosis membrane desalination plant can be operated stably is 60
%.

【0008】実用的に海水淡水化を行う場合は、前述の
ように、濃縮水濃度によって決まる濃縮水浸透圧よりも
20atm程度高い圧力を逆浸透膜モジュールに付与す
る必要がある。海水濃度3.5%の場合の、収率60%
に相当する濃縮水濃度は8.8%であり、この浸透圧は
約70atmとなる。その結果、逆浸透膜には90at
m程度の圧力を付与する必要がある。
When desalinating seawater for practical use, as described above, it is necessary to apply a pressure about 20 atm higher than the osmotic pressure of the concentrated water determined by the concentration of the concentrated water to the reverse osmosis membrane module. 60% yield when the seawater concentration is 3.5%
Is 8.8%, and the osmotic pressure is about 70 atm. As a result, 90 at
It is necessary to apply a pressure of about m.

【0009】逆浸透膜エレメントは、通常複数本の逆浸
透膜のエレメントを1本の圧力容器に直列に装填した状
態(これをモジュールと称す)で使用され、実際のプラ
ントではこのモジュールを多数本並列に設置して使用さ
れる。海水淡水化の収率というのは、プラント全体に供
給される全供給海水に対する全透過水量の割合であり、
通常の条件では、モジュールが並列に設置されているの
で、モジュール1本あたりの供給量とモジュール1本か
ら得られる透過水量の割合(モジュール内の各エレメン
トからの透過水量の合計)と一致する。ここで、モジュ
ール内部の各エレメントから得られる透過水は、例えば
1モジュールが逆浸透膜エレメント6本から構成され、
1モジュールに198m3/日の海水を供給し、合計7
8m3/日の真水が得られる場合(収率40%)は、実
際に起こっている現象をシミュレーションしてみると、
1本目のエレメントで18〜19m3/日、2本目のエ
レメントで15〜17m3/日、3本目からも徐々に減
っていき、合計して78m3/日の透過水となる。この
ように、各エレメントからの透過水収率は小さいがモジ
ュール全体の透過水の総量としては、供給水に対して4
0%と大きな収率が達成されることになる。
Reverse osmosis membrane elements are usually used in a state where a plurality of reverse osmosis membrane elements are loaded in series in a single pressure vessel (this is called a module). In an actual plant, many such modules are used. It is installed and used in parallel. The yield of seawater desalination is the ratio of the total amount of permeated water to the total supplied seawater supplied to the entire plant,
Under normal conditions, since the modules are installed in parallel, the supply amount per module and the ratio of the amount of permeated water obtained from one module (total amount of permeated water from each element in the module) match. Here, the permeated water obtained from each element inside the module is, for example, one module is composed of six reverse osmosis membrane elements,
One module supplies 198 m 3 / day of seawater, for a total of 7
When 8 m 3 / day of fresh water can be obtained (yield 40%), simulating the phenomenon actually occurring,
The first run element 18~19m 3 / day of, two second element 15~17m 3 / day of, gradually reduced from three eyes, the permeate of 78m 3 / day in total. Thus, although the permeate yield from each element is small, the total amount of permeate in the entire module is
A large yield of 0% will be achieved.

【0010】一方、逆浸透膜分離装置の運転条件設定に
ついて考慮する必要のある事項としては、ファウリング
(膜面汚れ)の防止と濃度分極の防止がある。ファウリ
ングの防止は、具体的には1本の逆浸透膜エレメントか
ら得られる透過水量をある値(耐ファウリング許容Fl
ux)以上にしないということで、この値を越えて透過
水を採取すると、そのエレメントの膜面汚れが加速され
ることになり好ましくない。この耐ファウリング許容F
luxは膜素材やエレメント構造によっても異なるが、
通常、高性能の逆浸透膜の場合では、0.75m3/m2
・日 程度であり、膜面積26.5m2の逆浸透膜エレ
メント(以下、全て逆浸透膜エレメントの膜面積は2
6.5m2を適用して話を進める)では20m3/日に相
当する。すなわち、ファウリング防止のために、1エレ
メントの透過水量は20m3/日以下に保つことが必要
である。
On the other hand, matters that need to be considered when setting the operating conditions of the reverse osmosis membrane separation device include prevention of fouling (contamination of the membrane surface) and prevention of concentration polarization. To prevent fouling, specifically, the amount of permeated water obtained from one reverse osmosis membrane element is set to a certain value (fouling resistance allowable Fl).
If the permeated water is collected beyond this value because it does not exceed ux), the membrane fouling of the element is accelerated, which is not preferable. This fouling resistance F
lux varies depending on the membrane material and element structure,
Usually, in the case of a high-performance reverse osmosis membrane, 0.75 m 3 / m 2
・ Day is a reverse osmosis membrane element having a membrane area of 26.5 m 2 (hereinafter, the membrane area of all reverse osmosis membrane elements is 2
Applying 6.5 m 2 ), this is equivalent to 20 m 3 / day. That is, in order to prevent fouling, it is necessary to keep the permeated water amount of one element at 20 m 3 / day or less.

【0011】ここでいう濃度分極の防止というのは、主
にモジュール内部で上流側エレメントから下流側エレメ
ントに向かうに従って供給水の量が低下しており、最終
のエレメントに流れる供給水の膜面流速が低下すること
による濃度分極の防止である。濃度分極が生じると膜性
能を十分に発揮できないばかりでなく、ファウリングの
発生を加速し、逆浸透膜エレメントの寿命低下を引き起
こす。このため、最終エレメント(膜面積26.5m2
の場合)の濃縮水流量は50m3/日程度以上に保って
置く必要がある。
The term "prevention of concentration polarization" mainly means that the amount of supply water decreases from the upstream element to the downstream element inside the module, and the film surface flow velocity of the supply water flowing to the final element Is to prevent the concentration polarization. When the concentration polarization occurs, not only the membrane performance cannot be sufficiently exhibited, but also the generation of fouling is accelerated, and the life of the reverse osmosis membrane element is shortened. Therefore, the final element (membrane area 26.5 m 2)
), It is necessary to keep the flow rate of the concentrated water at about 50 m 3 / day or more.

【0012】逆浸透膜海水淡水化装置を従来の最高収率
レベルの約40%で運転する場合は、単にモジュールを
複数本並列に配列させて圧力65atm(温度20℃の
場合)で運転し、透過水の全量に対して供給海水量を
2.5倍に設定することで、上記のファウリングおよび
濃度分極の防止条件は十分に満足されており、安定な運
転が行われてきた。また、特にモジュール内部の各エレ
メントの透過水のバランスや濃縮水のスケール成分析出
などを考慮することなどは必要なかった。
When the reverse osmosis membrane seawater desalination apparatus is operated at a conventional maximum yield level of about 40%, a plurality of modules are simply arranged in parallel and operated at a pressure of 65 atm (at a temperature of 20 ° C.) By setting the amount of supplied seawater to 2.5 times the total amount of permeated water, the above conditions for preventing fouling and concentration polarization have been sufficiently satisfied, and stable operation has been performed. Further, it was not necessary to consider the balance of the permeated water of each element inside the module and the scale component precipitation of the concentrated water.

【0013】また、逆浸透膜海水淡水化装置の淡水化コ
ストの更なるコスト低減をめざしていく場合は、収率を
高めることが非常に重要であり、前述のように、海水濃
度3.5%の海水淡水化収率としては60%程度まで高
めることが望ましく、適量のスケール防止剤の添加を前
提として、運転圧力としては、濃縮水の浸透圧よりも約
20atm高い90atmの圧力で運転することが必要
となる。
[0013] In order to further reduce the desalination cost of the reverse osmosis membrane seawater desalination apparatus, it is very important to increase the yield. As described above, the seawater concentration is 3.5. It is desirable to increase the seawater desalination yield to about 60%, and assuming the addition of an appropriate amount of scale inhibitor, the operation is performed at a pressure of 90 atm, which is about 20 atm higher than the osmotic pressure of the concentrated water. It is necessary.

【0014】一方、スケール防止剤は水処理施設や蒸発
法の淡水化装置などを始め逆浸透膜装置においても使用
されているがその目的は主にシリカ、金属塩類などのス
ケール物質の装置内での析出を抑制することであり、特
にシリカスケール成分の多い水を処理する際に用いられ
てきた。
On the other hand, the scale inhibitor is used in a reverse osmosis membrane apparatus such as a water treatment facility or a desalination apparatus of an evaporation method, but its purpose is mainly in a scale material apparatus such as silica and metal salts. It is used to treat water containing a large amount of silica scale components.

【0015】例えば、特開昭53−30482号公報に
はあらかじめ供給液をキレート樹脂に接触させてカルシ
ウムやマグネシウムなどを低減した後逆浸透処理を行な
うことで逆浸透膜の寿命が延びることが、特開昭52−
151670号公報、特開平4−4022号公報には燐
酸塩を添加して逆浸透装置内のスケール発生を防止する
方法が開示されている。また、特開昭63−21877
3号公報、特開平4−99199号公報、特公平5−1
4039号公報には電着塗料や銅メッキの廃水にキレー
ト剤を添加して逆浸透濃縮することで塗料や銅の回収を
行なう方法が開示されている。さらに、特開昭63−6
9586号公報および特開平2−293027号公報で
は塩素、あるいは酸化剤と燐酸塩を添加した溶液を供給
して逆浸透膜装置の殺菌と安定運転を行なう方法が開示
されている。
For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 53-30482 discloses that the life of a reverse osmosis membrane can be extended by performing a reverse osmosis treatment after reducing the calcium and magnesium by bringing a supply liquid into contact with a chelating resin in advance. JP-A-52-
JP-A-151670 and JP-A-4-4022 disclose a method of adding a phosphate to prevent generation of scale in a reverse osmosis device. Also, JP-A-63-21877
No. 3, JP-A-4-99199, Japanese Patent Publication No. 5-1
Japanese Patent No. 4039 discloses a method of recovering paint and copper by adding a chelating agent to waste water of electrodeposition paint and copper plating and performing reverse osmosis concentration. Further, JP-A-63-6
JP-A-9586 and JP-A-2-293027 disclose a method of supplying a solution to which chlorine or an oxidizing agent and a phosphate are added to perform sterilization and stable operation of a reverse osmosis membrane device.

【0016】[0016]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
ように、同一の圧力容器内部に複数本の逆浸透膜エレメ
ントを直列に配列させたモジュールを、複数本並列に配
置した状態で90atmの圧力をかけて、淡水化収率6
0%の運転を行おうとすると、モジュール内部の上流側
のエレメント(1本目または2本目のエレメント)から
得られる透過水量が許容値以上に大きくなりすぎて、こ
れらのエレメントに濃度分極およびファウリングという
現象が生じてエレメントの目つまりや寿命低下が生じ、
その結果、長期にわたる逆浸透膜装置の安定運転を行う
ことが非常にむずかしくなる。淡水収率60%の海水淡
水化では、モジュールの入り口から出口にかけては、物
質収支的に海水濃度は3.5%から8.8%にまで、浸
透圧は26atmから70atmにまで変化している。
一方、操作圧力は入り口から出口にかけて、90atm
でほぼ一定であるために、真水を透過させるのに必要な
有効圧力(操作圧力と浸透圧の差)は64atmから2
0atmまでと大きく変化している。すなわち、モジュ
ール内部の1番目と最後段エレメントとの透過水量の比
率はこの有効圧比率の64:20と同程度となる。すな
わち一本目のエレメントの透過水量が激増し、耐ファウ
リング許容値である20m3/日を軽く越える透過水量
が得られ、ファウリングが非常に生じ易くなるという問
題があった。しかし、収率60%という条件では操作圧
力90atmというのは必須であるために操作圧力を低
下させることができず、結局、収率60%の運転を行う
ことは適当ではなく、もし、無理矢理運転したとして
も、ファウリングが加速されるという問題が生じるため
に長期の安定運転は不可能であった。また、どうしても
収率60%運転を行おうとすれば、エレメント1本の透
過水量を低下させた低性能エレメントをあえて使用し
て、エレメント数を増加させて運転するなどという、非
経済的な方向を指向した運転条件を選定せざるを得なか
った。
However, as in the prior art, a module in which a plurality of reverse osmosis membrane elements are arranged in series in the same pressure vessel has a pressure of 90 atm when a plurality of modules are arranged in parallel. Over the desalination yield 6
If an operation of 0% is to be performed, the amount of permeated water obtained from the upstream element (first or second element) inside the module becomes too large to an allowable value, and these elements are referred to as concentration polarization and fouling. The phenomenon occurs and the eyes of the element are clogged and the life is shortened,
As a result, it is very difficult to stably operate the reverse osmosis membrane device for a long period of time. In the case of seawater desalination with a freshwater yield of 60%, the seawater concentration changes from 3.5% to 8.8% and the osmotic pressure changes from 26 atm to 70 atm in terms of material balance from the inlet to the outlet of the module. .
On the other hand, the operating pressure is 90 atm from the entrance to the exit.
, The effective pressure (difference between operating pressure and osmotic pressure) required for permeating fresh water is from 64 atm to 2 atm.
It changes greatly to 0 atm. That is, the ratio of the amount of permeated water between the first element and the last element in the module is substantially equal to the effective pressure ratio of 64:20. In other words, the amount of permeated water of the first element is drastically increased, and the amount of permeated water slightly exceeding the fouling resistance allowable value of 20 m 3 / day is obtained, which causes a problem that fouling is very easily generated. However, under the condition of a yield of 60%, an operating pressure of 90 atm is indispensable, so that the operating pressure cannot be reduced. Consequently, it is not appropriate to perform the operation at a yield of 60%. Even so, long-term stable operation was impossible due to the problem of accelerated fouling. In addition, if the operation is to be performed at a yield of 60%, it is necessary to use a low-performance element with a reduced amount of permeated water per element, and to increase the number of elements to operate. We had to select the operating conditions that were oriented.

【0017】また、上記内容は、簡単のためにスパイラ
ル型逆浸透膜エレメントを例にとり説明しているが、中
空糸膜型モジュールの場合でも内部では同様の現象と同
様の問題が生ずる。
Although the above description has been made by taking a spiral reverse osmosis membrane element as an example for the sake of simplicity, even in the case of a hollow fiber membrane type module, the same phenomenon and the same problem occur internally.

【0018】本発明は、高濃度溶液から高い収率、少な
いエネルギー、より安価に高効率に低濃度溶液をより安
定に得ることができる分離装置を提供することにあり、
特に、海水から60%という高い収率で、かつ少ないエ
ネルギーで真水を効率的に、かつ安定的に得るための
離装置を提供することを目的とする。
An object of the present invention is to provide a separation apparatus capable of obtaining a low-concentration solution with high yield, low energy, low cost and high efficiency from a high-concentration solution more stably.
In particular, in a high yield of 60% seawater, and less energy fresh water efficiently at, and minute to obtain stably
It is intended to provide a separation device .

【0019】[0019]

【課題を解決するための手段】本発明は下記の構成を有
する。すなわち、「逆浸透膜モジュールユニットを多段
に配置した逆浸透膜分離装置であって、1段目の逆浸透
膜モジュールユニットへの供給水昇圧ポンプと、逆浸透
膜モジュールユニットの間の濃縮水流路に設けた濃縮水
昇圧ポンプと、最終段の逆浸透膜モジュールユニットの
濃縮水の圧力エネルギーを回収する回収装置とを備え、
その回収装置と供給水昇圧ポンプとが連結されているこ
とを特徴とする逆浸透膜分離装置。」 かかる本願発明の濃縮水昇圧ポンプに関する構成は、該
逆浸透膜分離装置が3段以上の場合、特定の2段の間で
満足されることが必要であるが、すべての段の間で満足
されることは必須ではない。
The present invention has the following arrangement. That is, "a reverse osmosis membrane separation device in which reverse osmosis membrane module units are arranged in multiple stages, wherein a supply water pressure pump to the first stage reverse osmosis membrane module unit and a concentrated water flow path between the reverse osmosis membrane module units Equipped with a concentrated water pressure pump provided in the, and a recovery device for recovering the pressure energy of the concentrated water of the reverse osmosis membrane module unit of the final stage,
A reverse osmosis membrane separation device, wherein the recovery device is connected to a feed water pressure pump. In the configuration relating to the concentrated water pressurizing pump of the present invention, when the reverse osmosis membrane separation device has three or more stages, it is necessary that the conditions be satisfied between specific two stages, but are satisfied between all the stages. It is not mandatory to be done.

【0020】[0020]

【発明の実施の形態】本発明において、逆浸透膜分離と
は供給液の取水部分、逆浸透膜部分から少なくともな
る。逆浸透膜部分は造水、濃縮、分離などの目的で被処
理液を加圧下で逆浸透膜モジュールに供給し、透過液と
濃縮液に分離するための部分をいい、通常は逆浸透膜エ
レメントと耐圧容器からなる逆浸透膜モジュール、加圧
ポンプなどで構成される。該逆浸透膜部分に供給される
被分離液は前処理部分で通常、殺菌剤、凝集剤、さらに
還元剤、pH調整剤などの薬液添加と砂濾過、活性炭濾
過、保安フィルターなどによる前処理(濁質成分の除
去)が行なわれる。例えば、海水の脱塩の場合には、取
水部分で海水を取込んだ後、沈殿池で粒子などを分離
し、またここで殺菌剤を添加して殺菌を行なう。さら
に、塩化鉄などの凝集剤を添加して砂濾過を行なう。ろ
液は貯槽に貯められ、硫酸などでpHを調整した後高圧
ポンプに送られる。この送液中に亜硫酸水素ナトリウム
などの還元剤を添加して逆浸透膜素材を劣化させる原因
となる殺菌剤を消去し、保安フィルターを透過した後、
高圧ポンプで昇圧されて逆浸透モジュールに供給される
こともしばしば行われる。ただし、これらの前処理は、
用いる供給液の種類、用途に応じて適宜採用される。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION In the present invention, reverse osmosis membrane separation comprises at least a water intake portion of a feed solution and a reverse osmosis membrane portion. The reverse osmosis membrane part is a part that supplies the liquid to be treated to the reverse osmosis membrane module under pressure for the purpose of water production, concentration, separation, etc., and separates it into a permeate and a concentrate. And a reverse osmosis membrane module consisting of a pressure vessel and a pressure pump. The liquid to be separated supplied to the reverse osmosis membrane part is usually a pretreatment part, which is usually a chemical treatment such as a bactericide, a flocculant, a reducing agent, a pH adjuster and the like, and a pretreatment by sand filtration, activated carbon filtration, security filter, etc. (Suspension component). For example, in the case of desalination of seawater, after taking in seawater at a water intake portion, particles and the like are separated in a sedimentation basin, and a bactericide is added here to perform sterilization. Further, sand filtration is performed by adding a flocculant such as iron chloride. The filtrate is stored in a storage tank, and after adjusting the pH with sulfuric acid or the like, is sent to a high-pressure pump. After adding a reducing agent such as sodium bisulfite to this solution, the germicide that causes deterioration of the reverse osmosis membrane material is erased, and after passing through the security filter,
Often, the pressure is increased by a high-pressure pump and supplied to a reverse osmosis module. However, these pre-processing
It is appropriately adopted according to the type of the supply liquid to be used and the application.

【0021】ここで逆浸透膜とは、被分離混合液中の一
部の成分、例えば溶媒を透過させ他の成分を透過させな
い半透性の膜である。その素材には酢酸セルロース系ポ
リマー、ポリアミド、ポリエステル、ポリイミド、ビニ
ルポリマーなどの高分子素材がよく使用されている。ま
たその膜構造は膜の少なくとも片面に緻密層を持ち、緻
密層から膜内部あるいはもう片方の面に向けて徐々に大
きな孔径の微細孔を有する非対称膜、非対称膜の緻密層
の上に別の素材で形成された非常に薄い活性層を有する
複合膜がある。膜形態には中空糸、平膜がある。しか
し、本発明の方法は、逆浸透膜の素材、膜構造や膜形態
によらず利用することができいづれも効果がある。代表
的な逆浸透膜としては、例えば酢酸セルロース系やポリ
アミド系の非対称膜およびポリアミド系、ポリ尿素系の
活性層を有する複合膜などがあげられる。これらのなか
でも、酢酸セルロース系の非対称膜、ポリアミド系の複
合膜に本発明の方法が有効であり、さらに芳香族系のポ
リアミド複合膜では効果が大きい。
Here, the reverse osmosis membrane is a semi-permeable membrane that allows some components in the liquid mixture to be separated, for example, a solvent to pass through but not other components. As the material, polymer materials such as cellulose acetate polymer, polyamide, polyester, polyimide, and vinyl polymer are often used. The membrane structure has a dense layer on at least one surface of the film, and an asymmetric film having fine pores having a large pore diameter gradually from the dense layer toward the inside of the film or the other surface. There are composite membranes with a very thin active layer formed of a material. The membrane form includes a hollow fiber and a flat membrane. However, the method of the present invention can be used irrespective of the material, membrane structure and membrane form of the reverse osmosis membrane, and is very effective. Typical reverse osmosis membranes include, for example, a cellulose acetate-based or polyamide-based asymmetric membrane and a composite membrane having a polyamide-based or polyurea-based active layer. Among them, the method of the present invention is effective for cellulose acetate-based asymmetric membranes and polyamide-based composite membranes, and is particularly effective for aromatic polyamide-based composite membranes.

【0022】逆浸透膜エレメントとは上記逆浸透膜を実
際に使用するために形態化したものであり平膜は、スパ
イラル、チューブラー、プレート・アンド・フレームの
エレメントに組み込んで、また中空糸は束ねた上でエレ
メントに組み込んで使用することができるが、本発明は
これらの逆浸透膜エレメントの形態に左右されるもので
はない。
The reverse osmosis membrane element is formed by actually using the above reverse osmosis membrane. The flat membrane is incorporated into a spiral, tubular, plate and frame element, and the hollow fiber is The present invention is not limited to the form of these reverse osmosis membrane elements, although they can be used after being bundled and incorporated into the elements.

【0023】逆浸透膜モジュールユニットとは上述の逆
浸透膜エレメントを1〜数本圧力容器の中に収めたモジ
ュールを並列に配置したものでその組合せ、本数、配列
は目的に応じて任意に行なうことができる。
A reverse osmosis membrane module unit is a module in which one to several reverse osmosis membrane elements are housed in a pressure vessel and arranged in parallel. The combination, number and arrangement of the modules are arbitrarily determined according to the purpose. be able to.

【0024】本発明においては該逆浸透膜モジュールユ
ニットを複数用いることと、その配列に特徴がある。該
逆浸透膜モジュールユニットの配列は供給液あるいは濃
縮液の流れが直列であることが重要であり、すなわちひ
とつの逆浸透膜モジュールユニットの濃縮液が次の逆浸
透膜モジュールユニットの供給液となる。ここで、本発
明の逆浸透分離装置の基本的な構成の例を図1に基づい
て説明する。図1は、本発明の技術を採用した海水淡水
化プラントの例であり、濃度3.5%の通常海水から6
0%という非常に高い収率で真水を得る為の設備であ
り、2基の逆浸透膜モジュールユニットと1台の加圧ポ
ンプ(供給水昇圧ポンプ)、および1台のブースターポ
ンプ(濃縮水昇圧ポンプ)からなる逆浸透分離装置を模
式的に示したものである。海水は、前処理(図示されて
いない)で濁質成分を除去された後、加圧ポンプ1によ
って60〜65atmに加圧され、1段目の逆浸透膜モ
ジュールユニットに供給される。1段目の逆浸透膜ユニ
ットで、供給液は膜を透過した低濃度の透過液と膜を透
過しない高濃度の濃縮液とに分離される。次に、透過液
はそのまま利用されるが、濃縮液はその圧力の60〜6
5atm(簡単のために圧力損失を無視する)から、収
率60%の高濃度濃縮水の分離に必須の90atmにま
でブースターポンプ2によってさらに昇圧され、2段目
の逆浸透膜モジュールユニットに供給され、再度逆浸透
分離が行われて2段目透過液と同濃縮液とに分離され
る。この逆浸透膜プラントの供給水の総量と1段目透過
液と2段目の透過液の合計との比率が淡水収率であり、
今回の場合は60%となる。
The present invention is characterized by the use of a plurality of reverse osmosis membrane module units and the arrangement thereof. It is important that the arrangement of the reverse osmosis membrane module units is such that the flow of the feed solution or the concentrate is in series, that is, the concentrate of one reverse osmosis membrane module unit becomes the supply solution of the next reverse osmosis membrane module unit. . Here, an example of the basic configuration of the reverse osmosis separation device of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 shows an example of a seawater desalination plant employing the technology of the present invention.
It is a facility for obtaining fresh water with a very high yield of 0%. It has two reverse osmosis membrane module units, one pressurizing pump (supply water pressurizing pump), and one booster pump (concentrated water pressurizing). 1 schematically shows a reverse osmosis separation device comprising a pump). After removing turbid components by pretreatment (not shown), the seawater is pressurized to 60 to 65 atm by the pressure pump 1 and supplied to the first-stage reverse osmosis membrane module unit. In the first-stage reverse osmosis membrane unit, the feed solution is separated into a low-concentration permeate that has passed through the membrane and a high-concentration concentrate that has not passed through the membrane. Next, the permeate is used as it is, while the concentrate is at a pressure of 60 to 6%.
The pressure is further increased from 5 atm (for simplicity, pressure loss is ignored for the sake of simplicity) to 90 atm, which is indispensable for the separation of highly concentrated water with a yield of 60%, and supplied to the reverse osmosis membrane module unit of the second stage. Then, reverse osmosis separation is performed again to separate into a second-stage permeate and the same concentrate. The ratio of the total amount of feed water to the reverse osmosis membrane plant and the sum of the first-stage permeate and the second-stage permeate is the fresh water yield,
In this case, it is 60%.

【0025】図1は、2段の逆浸透膜モジュールユニッ
トと1台の加圧ポンプ、1台のブースターポンプが組み
合わされた逆浸透分離装置(濃縮水昇圧2段法とよぶ)
であるが、段数、ポンプの数についてはこの限りではな
く、任意に設定することができる。
FIG. 1 shows a reverse osmosis separation apparatus in which a two-stage reverse osmosis membrane module unit, one pressurizing pump and one booster pump are combined (referred to as a concentrated water boosting two-stage method).
However, the number of stages and the number of pumps are not limited to these and can be arbitrarily set.

【0026】収率については、特に60%程度という理
論限界の値に近い領域であれば本発明の効果が著しく発
揮されるが、特にこの限りではなく、現状の40%回収
の条件においても適用することができるが、装置全体の
エネルギーコスト低減を考慮すると、50%以上が好ま
しく、より好ましくは55%以上である。
With respect to the yield, the effect of the present invention is remarkably exhibited particularly in a region close to the theoretical limit value of about 60%, but the present invention is not particularly limited thereto, and the present invention can be applied under the current conditions of 40% recovery. However, in consideration of the reduction of the energy cost of the entire apparatus, it is preferably 50% or more, more preferably 55% or more.

【0027】2段または複数段の逆浸透膜モジュールユ
ニットへの供給原水を加圧する場合、1台の加圧ポンプ
と1台または複数台のブースターポンプが使用される。
加圧ポンプは供給原水を供給原水の浸透圧以上に加圧す
るためのもので汎用の高圧ポンプと呼ばれるものであ
る。圧力は供給原水の浸透圧(厳密には供給原水の浸透
圧と透過水の浸透圧との「浸透圧差」であるが、簡単の
ために「浸透圧」で表現する。)より大きいことが必須
条件であり、より好ましくは、1段目逆浸透膜モジュー
ルユニットの濃縮水浸透圧よりも20atm程度高い圧
力に設定することが良いが該浸透圧よりも50atm以
上にしないことが望ましい。すなわち、海水淡水化の場
合では総合的な電力コストを考慮すると1段目のモジュ
ールユニットの操作圧力は70atm以下であることが
最も好ましい。最終段のモジュールユニットの操作圧力
は、最終段のモジュールユニットの濃縮水浸透圧よりも
約20atm高い圧力が望ましい。収率60%の海水淡
水化の場合はコストを考慮すると操作圧力90atmが
好ましいが、濃度が高いために超高脱塩率膜(結果的に
透過水量が小さくなる傾向にある)を使用する場合など
も考慮すると更に圧力を高めることも可能である。しか
し、逆浸透膜エレメントの透過側の流路に障害を与える
ことなく運転するためには、圧力は約120atm(浸
透圧+50atm))以下であることが望ましい。ま
た、モジュールユニット段数を多段にして、各段の圧力
はブースターポンプで少しづつ昇圧する事もエネルギー
コスト低減に効果が大きく、任意に設定することができ
る。ここにおいて、発明者らは淡水化コストを低減しう
る多段昇圧式の海水淡水化システムの検討を行った結
果、モジュールユニット各段の操作圧力については、n
段目の操作圧力P(n)とn+1段目の操作圧力P(n
+1)との間に、「1.15≦P(n+1)/P(n)
≦1.8」という関係があることが好ましく、また、よ
り好ましくは、「1.3≦P(n+1)/P(n)≦
1.6」が良いということを見出した。もちろん、本願
発明において、n段目とn+1段目との関係が限定され
ている場合、すべての段から選ばれる少なくとも1つの
任意のn段目に付いて当てはまれば充分である。
When pressurizing the raw water supplied to the two-stage or multiple-stage reverse osmosis membrane module unit, one pressurizing pump and one or more booster pumps are used.
The pressurizing pump is for pressurizing the supply raw water to a pressure higher than the osmotic pressure of the supply raw water and is called a general-purpose high-pressure pump. The pressure must be greater than the osmotic pressure of the feed water (strictly speaking, it is the "osmotic pressure difference" between the osmotic pressure of the feed raw water and the osmotic pressure of the permeate water, but is expressed as "osmotic pressure" for simplicity). It is more preferable to set the pressure to about 20 atm higher than the osmotic pressure of the concentrated water of the first-stage reverse osmosis membrane module unit, but it is preferable that the osmotic pressure is not more than 50 atm. That is, in the case of seawater desalination, the operation pressure of the first-stage module unit is most preferably 70 atm or less in consideration of the total power cost. The operating pressure of the final stage module unit is preferably about 20 atm higher than the concentrated water osmotic pressure of the final stage module unit. In the case of seawater desalination with a yield of 60%, an operation pressure of 90 atm is preferable in consideration of cost, but when the concentration is high, an ultra-high desalination membrane (which tends to result in a smaller amount of permeated water) is used. It is also possible to further increase the pressure in consideration of such factors. However, in order to operate without impairing the flow path on the permeation side of the reverse osmosis membrane element, the pressure is desirably about 120 atm (osmotic pressure + 50 atm) or less. It is also effective to increase the number of stages of the module unit and to gradually increase the pressure of each stage by a booster pump. Here, the inventors studied a multi-stage boosting type seawater desalination system that can reduce the desalination cost. As a result, the operating pressure of each stage of the module unit was n
The operating pressure P (n) of the stage and the operating pressure P (n
+1), “1.15 ≦ P (n + 1) / P (n)
≦ 1.8 is preferable, and more preferably, “1.3 ≦ P (n + 1) / P (n) ≦
1.6 "was good. Of course, in the present invention, when the relationship between the n-th stage and the (n + 1) -th stage is limited, it suffices to apply to at least one arbitrary n-th stage selected from all the stages.

【0028】ブースターポンプというのは、前段であら
かじめ昇圧された前段濃縮水の圧力を更に昇圧して次段
の逆浸透膜モジュールの供給水として供給するものであ
るが、1段目の昇圧よりも軽度の昇圧(通常は10at
m〜30atm)を行うことができれば良いが、あらか
じめ昇圧された液をブースターポンプの吸い込み側ケー
シング内に送り込む必要があるために、ブースターポン
プの吸い込み側ケーシングはしかるべき耐圧性を有して
いる必要があり、少なくとも、50atmの吸い込み側
耐圧性を有していることが必須である。特に、ケーシン
グ、軸シール材の耐圧性確保は非常に重要である。この
ような耐圧性が確保されておりさえすれば、ブースター
ポンプの種類、構造は特に限定しない。
The booster pump is a pump for increasing the pressure of the pre-stage concentrated water pre-pressurized in the pre-stage and supplying the same as the supply water for the reverse osmosis membrane module in the next stage. Mild pressure increase (usually 10at
m to 30 atm), but it is necessary to feed the pre-pressurized liquid into the suction side casing of the booster pump. Therefore, the suction side casing of the booster pump needs to have appropriate pressure resistance. It is essential to have at least a suction side pressure resistance of 50 atm. In particular, it is very important to ensure the pressure resistance of the casing and the shaft sealing material. The type and structure of the booster pump are not particularly limited as long as such pressure resistance is ensured.

【0029】本発明によれば、仮にファウリングの影響
を無視して従来の単純1段法で操作圧力90atmの運
転を実施した場合と、圧力容器の選定が異なってくる。
単純1段法の90atm運転では、逆浸透膜エレメント
はもちろん、複数本のエレメントを収納する圧力容器ま
で90atmに耐える耐圧が必要であるが、本発明では
1段目モジュールユニットは例えば60atm程度と比
較的低圧の運転を実施できるので、圧力容器の耐圧レベ
ルを下げることができ、経済的メリットが大きい。ただ
し、最終段の圧力容器については80から100atm
での運転が実施できるように少なくとも80atm以上
での耐圧性を有していることが必要である。
According to the present invention, the selection of the pressure vessel is different from the case where the operation at the operating pressure of 90 atm is performed by the conventional simple single-stage method ignoring the influence of fouling.
In the simple one-stage operation at 90 atm, it is necessary to withstand a pressure of 90 atm up to a pressure vessel containing a plurality of elements as well as a reverse osmosis membrane element, but in the present invention, the first-stage module unit is compared with, for example, about 60 atm. Since the operation at a very low pressure can be performed, the pressure resistance level of the pressure vessel can be reduced, and the economic merit is great. However, for the pressure vessel at the last stage, 80 to 100 atm
It is necessary to have a pressure resistance of at least 80 atm or more so as to be able to carry out the operation in the above.

【0030】本発明の逆浸透膜分離装置に供給される供
給液としては、特に限定しないが、比較的高濃度で高い
浸透圧を有する液体である程本発明の効果が発揮され
る。
The supply liquid supplied to the reverse osmosis membrane separation device of the present invention is not particularly limited, but the effect of the present invention is exerted as the liquid has a relatively high concentration and a high osmotic pressure.

【0031】溶質の濃度についても特に限定しないが、
溶質濃度として0.5重量%以上であることが好まし
い。また、特に好ましくは、高い浸透圧を有している海
水または塩分濃度1%程度以上の高濃度かん水を供給し
た場合に特に本発明の効果が発揮される。
The concentration of the solute is not particularly limited.
The solute concentration is preferably 0.5% by weight or more. Particularly preferably, the effect of the present invention is particularly exhibited when seawater having a high osmotic pressure or high-concentration water with a salt concentration of about 1% or more is supplied.

【0032】本発明においては複数の逆浸透膜モジュー
ルユニットを設けることができるが、段数については前
述のとおり任意に設定することができる。また、特にコ
スト面を考慮するとモジュールユニットの数は、2段ま
たは3段であることが最も好ましい。多段の逆浸透膜モ
ジュールユニットを設けた場合、各段の供給液に対して
濃縮液の流量は減少しているので、同じ本数のモジュー
ルユニットを設置する場合は、後段になるほど1モジュ
ールあたりの供給水量が少なくなって濃度分極が生じ易
くなるので、各段のユニットを構成するモジュール本数
は、段数に従って減らしていき、モジュール1本あたり
の供給水流量が極端に小さくなることを防止することが
望ましい。多段に配置した逆浸透膜モジュールにおい
て、特に好ましくは、次段のモジュール本数は、前段の
40%から60%の範囲になるように低減させることが
良い。また、各段の透過水量についても同様の理由によ
り減少させていくことがプラント全体のバランスを保つ
上で好ましい。各段のモジュール本数が決定されていて
もブースターポンプによる昇圧圧力を選ぶことで透過水
量を広く設定することが可能であるが、装置全体のエネ
ルギーコストの低減を考慮すると、多段に配置した逆浸
透膜モジュール装置において次段の透過水量は前段の3
0%から70%の範囲で低減させることが最も好まし
い。本発明ではモジュールユニットを多段にして、後段
のモジュール数を最適に低減させていくことによって、
逆浸透膜モジュールの供給側膜面流速の急激な低下を防
止することができる。
In the present invention, a plurality of reverse osmosis membrane module units can be provided, but the number of stages can be arbitrarily set as described above. Also, considering the cost in particular, the number of module units is most preferably two or three. When a multi-stage reverse osmosis membrane module unit is provided, the flow rate of the concentrated solution is reduced with respect to the supply liquid at each stage. Therefore, when installing the same number of module units, the supply per module becomes higher at the later stage. Since the amount of water decreases and concentration polarization easily occurs, the number of modules constituting each stage unit is preferably reduced according to the number of stages, and it is desirable to prevent the supply water flow rate per module from becoming extremely small. . In the reverse osmosis membrane modules arranged in multiple stages, it is particularly preferable to reduce the number of modules in the next stage so as to be in the range of 40% to 60% in the preceding stage. Further, it is preferable to reduce the permeated water amount in each stage for the same reason in order to maintain the balance of the entire plant. Even if the number of modules in each stage is determined, the amount of permeated water can be set widely by selecting the boost pressure by the booster pump.However, considering the reduction of the energy cost of the entire system, the reverse osmosis arranged in multiple stages In the membrane module device, the amount of permeated water in the next stage is 3
Most preferably, it is reduced in the range of 0% to 70%. In the present invention, by making the number of module units multi-stage, and by optimally reducing the number of subsequent modules,
It is possible to prevent a rapid decrease in the supply-side membrane surface flow velocity of the reverse osmosis membrane module.

【0033】また、本発明では、膜面流速にも最適値が
存在しており、各段によって膜面流速に大きな差異があ
ることは好ましくない。各段のモジュールユニットを流
れる海水の膜面流速の差異を小さくして、濃度分極を起
こさない安定運転を行うためには、各段の逆浸透膜モジ
ュールユニットの濃縮水の膜面流速について、最も大き
い膜面流速を有するモジュールユニットの濃縮水膜面流
速(最大濃縮水膜面流速)と、最も小さい膜面流速を有
するモジュールユニットの濃縮水膜面流速(最小濃縮水
膜面流速)とが、「最大濃縮水膜面流速/最小濃縮水膜
面流速≦1.5」、好ましくは、「最大濃縮水膜面流速
/最小濃縮水膜面流速≦1.3」、という関係になるよ
うに運転することが最も好ましい。
Further, in the present invention, there is an optimum value for the film surface flow velocity, and it is not preferable that there is a large difference in the film surface flow velocity in each step. In order to reduce the difference between the membrane surface velocities of seawater flowing through the module units in each stage and perform stable operation without causing concentration polarization, the membrane surface velocities of the concentrated water in the reverse osmosis membrane module units in each stage must be The concentrated water film surface velocity (maximum concentrated water film surface velocity) of the module unit having the large membrane surface flow velocity and the concentrated water film surface velocity (minimum concentrated water film surface velocity) of the module unit having the smallest membrane surface velocity are The operation is performed so as to satisfy the relation of “maximum concentrated water membrane surface flow velocity / minimum concentrated water membrane surface flow velocity ≦ 1.5”, preferably “maximum concentrated water membrane surface flow velocity / minimum concentrated water membrane surface flow velocity ≦ 1.3”. Is most preferred.

【0034】本発明において最終段の逆浸透膜モジュー
ルユニットからの濃縮水は、圧力エネルギーを持ってお
り、このエネルギーを回収して再使用することが好まし
い。最終段の濃縮水のエネルギー回収方法としては、タ
ービン、水車などによって、前段または任意の段のブー
スターポンプまたは1段目の加圧ポンプの軸動力の負荷
低減を行う方法ができる。しかしながら、回収エネルギ
ーを余らせることなく活用するためには、この濃縮水
を、最も大きなエネルギーが必要とされている1段目モ
ジュールユニットの加圧ポンプに直結するエネルギー回
収タービンに直接戻して同加圧ポンプのエネルギーを回
収する方式が最良である。
In the present invention, the concentrated water from the reverse osmosis membrane module unit at the last stage has pressure energy, and it is preferable to recover and reuse this energy. As the energy recovery method of the concentrated water in the final stage, a method of reducing the load on the shaft power of the booster pump or the first-stage pressurized pump in the previous stage or an arbitrary stage by a turbine, a water turbine, or the like can be used. However, in order to make full use of the recovered energy, this concentrated water is returned directly to the energy recovery turbine that is directly connected to the pressurizing pump of the first-stage module unit, which requires the greatest energy. The best method is to recover the energy of the pressure pump.

【0035】本発明は、特に高収率の海水淡水化をめざ
しており、安定運転のためには、スケール防止剤の添加
が有用である。また、本発明において逆浸透膜装置の供
給液に添加するスケール防止剤とは溶液中の金属、金属
イオンなどと錯体を形成し、金属あるいは金属塩を可溶
化させるもので、有機や無機のイオン性のポリマーある
いはモノマーが使用できる。イオン性のポリマーとして
はポリアクリル酸、スルホン化ポリスチレン、ポリアク
リルアミド、ポリアリルアミンなどの合成ポリマーやカ
ルボキシメチルセルロース、キトサン、アルギン酸など
の天然高分子が使用できる。有機系のモノマーとしては
エチレンジアミン四酢酸などが使用できる。無機系スケ
ール防止剤としてはポリ燐酸塩などが使用できる。これ
らのスケール防止剤の中では入手のしやすさ、溶解性な
ど操作のしやすさ、価格の点から特にポリ燐酸塩、エチ
レンジアミン四酢酸(EDTA)が本発明において好適
に用いられる。ポリ燐酸塩とはヘキサメタ燐酸ナトリウ
ムを代表とする分子内に2個以上の燐原子を有し、アル
カリ金属、アルカリ土類金属と燐酸原子などにより結合
した重合無機燐酸系物質をいう。代表的なポリ燐酸塩と
しては、ピロ燐酸4ナトリウム、ピロ燐酸2ナトリウ
ム、トリポリ燐酸ナトリウム、テトラポリ燐酸ナトリウ
ム、ヘプタポリ燐酸ナトリウム、デカポリ燐酸ナトリウ
ム、メタ燐酸ナトリウム、ヘキサメタ燐酸ナトリウム、
およびこれらのカリウム塩などがあげられる。
The present invention aims particularly at high-yield seawater desalination, and it is useful to add a scale inhibitor for stable operation. In the present invention, the scale inhibitor to be added to the supply liquid of the reverse osmosis membrane device is a substance that forms a complex with a metal or metal ion in the solution and solubilizes the metal or metal salt, and contains organic or inorganic ions. Polymers or monomers can be used. As the ionic polymer, synthetic polymers such as polyacrylic acid, sulfonated polystyrene, polyacrylamide, and polyallylamine, and natural polymers such as carboxymethylcellulose, chitosan, and alginic acid can be used. Ethylenediaminetetraacetic acid or the like can be used as the organic monomer. Polyphosphates and the like can be used as the inorganic scale inhibitor. Among these scale inhibitors, polyphosphates and ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) are particularly preferably used in the present invention in terms of availability, ease of operation such as solubility, and price. The polyphosphate refers to a polymerized inorganic phosphoric acid-based substance having two or more phosphorus atoms in a molecule represented by sodium hexametaphosphate and bonded to an alkali metal or an alkaline earth metal by a phosphoric acid atom or the like. Representative polyphosphates include tetrasodium pyrophosphate, disodium pyrophosphate, sodium tripolyphosphate, sodium tetrapolyphosphate, sodium heptapolyphosphate, sodium decapolyphosphate, sodium metaphosphate, sodium hexametaphosphate,
And potassium salts thereof.

【0036】また、これらスケール防止剤の添加濃度は
供給液中の少なくともスケール成分を取込める量であれ
ば充分であるが、費用や溶解にかかる時間などの操作性
を考慮すると一般的には0.01〜100ppmであ
り、正確には供給水の水質に依存するが通常、海水の場
合では0.1〜50ppmが好ましく、さらに好ましく
は1〜20ppmである。添加量が0.01ppmより
も少ない場合にはスケールの発生を充分に抑制できない
ため、膜性能の劣化が起こる。また、100ppm以上
ではスケール防止剤自体が膜表面に吸着して造水量を低
下させたり、水質を悪化させるため好ましくない。ただ
し、多量にスケール物質や金属類を含む供給液では数十
〜数百ppmの添加が必要な場合もある。
It is sufficient that the concentration of the scale inhibitor added is at least an amount capable of taking in the scale components in the feed solution. However, in consideration of operability such as cost and time required for dissolution, generally the concentration is 0. Although it depends on the quality of feed water, it is usually 0.1 to 50 ppm, more preferably 1 to 20 ppm in the case of seawater. When the addition amount is less than 0.01 ppm, the generation of scale cannot be sufficiently suppressed, so that the film performance deteriorates. On the other hand, if the content is 100 ppm or more, the scale inhibitor itself is adsorbed on the membrane surface to lower the amount of fresh water or deteriorate the water quality, which is not preferable. However, a supply liquid containing a large amount of scale substances and metals may require addition of several tens to several hundreds of ppm.

【0037】本発明においては、従来の単純一段法では
困難であった海水淡水化の高収率運転が可能となり、淡
水化コストの大幅削減と運転の安定化の向上が期待され
るが、多段に配列させたモジュールユニットの供給水を
あらかじめ超清澄化させておくことによって、一層の運
転安定化が図られる。すなわち、本発明者らは、鋭意検
討の結果、洗浄可能な中空糸膜濾過装置による海水の処
理が、海水淡水化前処理水の超清澄化手段として非常に
大きな効果を持つことを見出した。これは、海水を多数
の中空糸膜を束ねてなる中空糸膜モジュールで濾過して
清澄海水を得るものであるが、中空糸膜表面の汚れを物
理洗浄手段によって除去しつつ、長期にわたって使用で
きるような中空糸膜を使用することが前提である。中空
糸膜の物理洗浄手段としては、濾過水の逆方向流水洗浄
や空気によるエアーフラッシング、またはスクラビング
洗浄などを採用することができる。
In the present invention, high-yield operation of seawater desalination, which has been difficult with the conventional simple single-stage method, can be realized, and it is expected that the desalination cost is greatly reduced and the operation is stabilized. The operation water can be further stabilized by preliminarily clarifying the supply water of the module units arranged in the column. That is, as a result of earnest studies, the present inventors have found that treatment of seawater with a washable hollow fiber membrane filtration device has a very large effect as a means for ultra-clarifying seawater desalination pretreated water. In this method, seawater is filtered by a hollow fiber membrane module formed by bundling a large number of hollow fiber membranes to obtain clear seawater, but it can be used for a long time while removing dirt on the surface of the hollow fiber membrane by physical washing means. It is assumed that such a hollow fiber membrane is used. As the physical cleaning means of the hollow fiber membrane, reverse flowing water cleaning of filtered water, air flushing with air, or scrubbing cleaning can be employed.

【0038】本発明で使用する中空糸膜モジュールとし
ては中空糸膜束の端部を接着剤で固めた後で切断により
中空糸膜内部を開孔させてなる中空糸膜モジュールであ
り、特に構造は問わないが、物理洗浄の手段と組み合わ
せて最適形状を採用することができる。特に好ましく
は、タンク形状の容器の中に、複数本の中空糸膜エレメ
ントを装填した形状のモジュールが大容量化に適してお
り、最も好ましい。中空糸膜モジュールを構成する中空
糸膜としては、多孔質の中空糸膜であれば特に限定しな
いが、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスルホン、
ポリビニルアルコール、セルロースアセテート、ポリア
クリロニトリル、その他の材質を選定することができ
る。この中で特に好ましい中空糸膜素材としては、アク
リロニトリルを少なくとも一成分とする重合体からなる
中空糸膜が適当である。アクリロニトリル系重合体の中
でも最も好ましいものとしては、アクリロニトリルを少
なくとも50モル%以上、好ましくは60モル%以上と
該アクリロニトリルに対して共重合性を有するビニル化
合物一種または二種以上を50%以下、好ましくは0か
ら40モル%とからなるアクリロニトリル系共重合体で
ある。また、これらアクリロニトリル系重合体二種以
上、さらに他の重合体との混合物でも良い。上記ビニル
化合物としては、アクリロニトリルに対して共重合性を
有する公知の化合物であれば良く、特に限定されない
が、好ましい共重合成分としては、アクリル酸、イタコ
ン酸、アクリル酸メチル、メタクリル酸メチル、酢酸ビ
ニル、アリルスルホン酸ソーダ,p−スチレンスルホン
酸ソーダ等を例示することができる。
The hollow fiber membrane module used in the present invention is a hollow fiber membrane module in which the inside of the hollow fiber membrane is opened by hardening the end of the hollow fiber membrane bundle with an adhesive and then cutting it. However, the optimum shape can be adopted in combination with the physical cleaning means. Particularly preferably, a module having a shape in which a plurality of hollow fiber membrane elements are loaded in a tank-shaped container is suitable for increasing the capacity, and is most preferable. The hollow fiber membrane constituting the hollow fiber membrane module is not particularly limited as long as it is a porous hollow fiber membrane, but polyethylene, polypropylene, polysulfone,
Polyvinyl alcohol, cellulose acetate, polyacrylonitrile, and other materials can be selected. Among these, a particularly preferable hollow fiber membrane material is a hollow fiber membrane made of a polymer containing acrylonitrile as at least one component. Among the acrylonitrile-based polymers, the most preferred is acrylonitrile in an amount of at least 50 mol% or more, preferably 60 mol% or more, and one or two or more vinyl compounds having copolymerizability with respect to the acrylonitrile, and 50% or less, preferably Is an acrylonitrile-based copolymer consisting of 0 to 40 mol%. Further, a mixture of two or more of these acrylonitrile-based polymers and further a mixture with another polymer may be used. The vinyl compound is not particularly limited as long as it is a known compound having copolymerizability to acrylonitrile, and preferred copolymerization components include acrylic acid, itaconic acid, methyl acrylate, methyl methacrylate, and acetic acid. Examples thereof include vinyl, sodium allyl sulfonate, and sodium p-styrene sulfonate.

【0039】もちろん、本発明は海水淡水化以外の多く
の逆浸透膜分離操作、例えば化学プロセス用途、食品分
離用途などに広く適用できる。
Of course, the present invention is widely applicable to many reverse osmosis membrane separation operations other than seawater desalination, such as chemical process applications and food separation applications.

【0040】[0040]

【実施例】<実施例1>標準条件(圧力56atm、
3.5%海水、温度25℃、収率12%)で脱塩率9
9.5%、造水量15m3/日の性能を有した膜面積2
6.5m2のポリアミド系逆浸透膜を使用し、これを1
つの圧力容器内に6本入れたモジュールを並列に4本組
込んだ第1段目のモジュールユニットと、同モジュール
を2本組込んだ第2段目のモジュールユニットと、供給
水である海水を昇圧して1段目のモジュールユニットに
供給する加圧ポンプと、第1段目のモジュールユニット
の濃縮水を更に加圧して第2段目のモジュールユニット
に供給するブースターポンプを有した図1に示す逆浸透
膜分離装置を製作し、海水淡水化実験を行った。2段目
濃縮水は1段目の高圧ポンプに直結したエネルギー回収
タービンに戻してエネルギー回収を行った。1段目高圧
ポンプで汲み上げた海水を65atmにまで加圧して1
段目の逆浸透膜モジュールに供給し、1段目の濃縮水
(63atm)はブースターポンプで90atmにまで
加圧した。この結果、海水供給量770m3/日に対し
て、1段目透過水量300m3/日、2段目透過水量1
62m3/日の飲料水基準を満足する真水を得た。収率
は60%であった。1段目モジュールユニットの最上流
側のエレメントの透過水量は18m3/日であり、透過
水1m3あたりの電力消費量は4.5kWhであった。 <比較例1>実施例1と同じ逆浸透膜エレメントを1本
の圧力容器内に6エレメント装填したモジュール6本か
らなる逆浸透膜モジュールユニットと、海水を昇圧して
モジュールユニットに供給する加圧ポンプからなる図2
に示す逆浸透膜分離装置を製作し、海水淡水化実験を行
った。加圧ポンプ圧力90atmにおいて、1段目透過
水量498m3/日の真水を収率60%で得ることがで
きた。最上流側のエレメントの透過水量は、22m3
日と耐ファウリング許容値を越えており、長期にわたる
使用は不適当な状態であることがわかった。透過水1m
3あたりの電力消費量は、4.9kWhであった。 <実施例2>分子量40万、外径500μm、内径35
0μmのポリアクリロニトリル中空糸膜12000本か
らなる膜面積15m2の中空糸膜モジュール7本を1台
のステンレス容器に収納してなる中空糸膜モジュールユ
ニットに1パスで海水を通水し、濾過処理を行った。濾
過流量は、100m3/日であり、濾過操作圧力は0.
5atmであった。濾過処理前の海水の濁度は3.0、
膜の目詰まり度を表す指標のFI(ファウリングインデ
ックス)値は、測定不能(FI≧6.5)であったが、
濾過処理後の海水の濁度は0.1、FI値は1以下であ
った。この海水を用いて、標準条件(圧力56atm,
3.5%海水、温度25度、収率12%)で脱塩率9
9.5%,造水量3.75m3/日の性能を有した膜面
積6.6m2のポリアミド系逆浸透膜エレメント8本
(エレメント2本入りモジュール4本使用)を前段に、
エレメント4本(同モジュール2本使用)を後段に組み
込んだ図1に示す濃縮水昇圧法の逆浸透膜装置を製作
し、1段目圧力65atm,2段目圧力90atmで海
水淡水化の連続運転を実施した。この結果、海水から透
過水40m3/日を収率60%で得ることができた。2
000時間の連続運転によっても、この条件において透
過水が得られる量(25度C換算値)は変化認められな
かった。 <実施例3>前処理に中空糸膜モジュールユニットを使
用する代わりに、凝集砂濾過装置を使用した以外は実施
例2と同等の海水淡水化実験を実施した。凝集砂濾過装
置は凝集剤として塩化第二鉄を添加しており、濾過処理
後の水質は、濁度0.6,FI値は4.5であった。実
施例2と同じ条件で2000時間連続運転した結果、同
じ操作条件で透過水量は、36m3/日と、約3%の低
下が認められた。
<Example 1> Standard conditions (pressure: 56 atm,
Desalination rate 9 with 3.5% seawater, temperature 25 ° C, yield 12%)
Membrane area 2 with performance of 9.5%, water production 15m 3 / day
A 6.5 m 2 polyamide reverse osmosis membrane was used, and
A first-stage module unit incorporating four modules in parallel in six pressure vessels, a second-stage module unit incorporating two such modules, and seawater as feed water. FIG. 1 has a pressurized pump for increasing the pressure and supplying it to the first-stage module unit, and a booster pump for further increasing the concentrated water of the first-stage module unit and supplying the concentrated water to the second-stage module unit. The reverse osmosis membrane separation device shown was manufactured, and a seawater desalination experiment was performed. The second-stage concentrated water was returned to the energy recovery turbine directly connected to the first-stage high-pressure pump to perform energy recovery. The seawater pumped up by the first stage high pressure pump is pressurized to 65 atm and
The concentrated water (63 atm) of the first stage was supplied to the reverse osmosis membrane module of the stage, and was pressurized to 90 atm by a booster pump. As a result, the first-stage permeated water amount was 300 m 3 / day, and the second-stage permeated water amount was 1 with respect to the seawater supply amount of 770 m 3 / day.
Fresh water satisfying the drinking water standard of 62 m 3 / day was obtained. The yield was 60%. The amount of permeated water of the element at the most upstream side of the first-stage module unit was 18 m 3 / day, and the power consumption per 1 m 3 of permeated water was 4.5 kWh. <Comparative Example 1> A reverse osmosis membrane module unit consisting of six modules in which six reverse osmosis membrane elements as in Example 1 were loaded in a single pressure vessel, and pressurization of seawater to be supplied to the module unit Figure 2 consisting of a pump
The reverse osmosis membrane separation device shown in was manufactured, and the seawater desalination experiment was performed. At a pressure of the pressurizing pump of 90 atm, fresh water having a permeated water amount of 498 m 3 / day at the first stage could be obtained with a yield of 60%. The amount of permeated water of the element on the most upstream side is 22 m 3 /
It exceeded the daily and fouling tolerance and proved to be unsuitable for prolonged use. 1m permeated water
The power consumption per 3 was 4.9 kWh. <Example 2> Molecular weight 400,000, outer diameter 500 μm, inner diameter 35
Rohm & seawater in one pass 0μm of membrane area 15 m 2 consisting of polyacrylonitrile hollow fiber membrane 12,000 hollow fiber membrane module seven hollow fiber membrane module unit formed by housing a stainless steel container of one, filtration Was done. The filtration flow rate is 100 m 3 / day, and the filtration operation pressure is 0.
It was 5 atm. The turbidity of seawater before filtration is 3.0,
Although the FI (fouling index) value of the index indicating the degree of clogging of the film was not measurable (FI ≧ 6.5),
The turbidity of the seawater after the filtration treatment was 0.1, and the FI value was 1 or less. Using this seawater, standard conditions (pressure 56atm,
3.5% seawater, temperature 25 ° C, yield 12%) and desalination rate 9
Eight polyamide-based reverse osmosis membrane elements with a membrane area of 6.6 m 2 and a performance of 9.5% and a water production rate of 3.75 m 3 / day (use four modules containing two elements)
The reverse osmosis membrane device of the concentrated water pressurization method shown in Fig. 1 was manufactured by incorporating four elements (using the same two modules) in the subsequent stage. Continuous operation of seawater desalination at the first stage pressure of 65 atm and the second stage pressure of 90 atm Was carried out. As a result, 40 m 3 / day of permeated water was obtained from seawater at a yield of 60%. 2
Even after continuous operation for 000 hours, the amount of permeated water obtained under these conditions (converted value at 25 ° C.) did not change. <Example 3> A seawater desalination experiment was performed in the same manner as in Example 2 except that a coagulated sand filtration device was used instead of using the hollow fiber membrane module unit for pretreatment. The agglomerated sand filtration device added ferric chloride as a coagulant, the water quality after the filtration treatment was turbidity 0.6, and the FI value was 4.5. As a result of continuous operation for 2000 hours under the same conditions as in Example 2, the amount of permeated water was 36 m 3 / day, a decrease of about 3%, under the same operating conditions.

【0041】[0041]

【発明の効果】本発明により、回収エネルギーを活用す
るため、高濃度溶液から高い収率、少ないエネルギー、
より安価に高効率に低濃度溶液をより安定に得ることが
可能となる。
According to the present invention, a high yield, a low energy,
It becomes possible to obtain a low-concentration solution more efficiently and more stably at lower cost.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の逆浸透膜装置の一例を示すフロー図で
ある。
FIG. 1 is a flowchart showing an example of the reverse osmosis membrane device of the present invention.

【図2】従来技術の一例を示すフロー図である。FIG. 2 is a flowchart illustrating an example of a conventional technique.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1:加圧ポンプ 2:1段目逆浸透膜モジュールユニット 3:1段目透過液 4:1段目濃縮液 5:エネルギー回収装置 6:供給液 7:ブースターポンプ 8:2段目逆浸透膜モジュールユニット 9:2段目透過液 10:2段目濃縮液 1: pressurized pump 2: 1st-stage reverse osmosis membrane module unit 3: 1st-stage permeated liquid 4: 1st-stage concentrated solution 5: energy recovery device 6: supply liquid 7: booster pump 8: 2nd-stage reverse osmosis membrane Module unit 9: Second stage permeate 10: Second stage concentrate

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) C02F 5/00 610 C02F 5/00 610F 610J 620 620B Fターム(参考) 4D006 GA03 KA01 KA03 KA52 KA53 KA56 KA64 KA68 KB13 KB14 KB15 KC14 KC17 KD02 KD06 KD11 KD27 KE06Q KE06R KE14Q KE14R KE23Q MA01 MA03 MA25 MB02 MC18 MC21 MC22 MC23 MC33 MC35 MC36 MC37 MC39 MC39X MC48 MC52 MC54 MC54X MC58 MC62 PA01 PA02 PB03 PB70 PC80 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat ゛ (Reference) C02F 5/00 610 C02F 5/00 610F 610J 620 620B F-term (Reference) 4D006 GA03 KA01 KA03 KA52 KA53 KA56 KA64 KA68 KB13 KB14 KB15 KC14 KC17 KD02 KD06 KD11 KD27 KE06Q KE06R KE14Q KE14R KE23Q MA01 MA03 MA25 MB02 MC18 MC21 MC22 MC23 MC33 MC35 MC36 MC37 MC39 MC39X MC48 MC52 MC54 MC54X MC58 MC62 PA01 PA02 PB03 PB70 PC

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】逆浸透膜モジュールユニットを多段に配置
した逆浸透膜分離装置であって、1段目の逆浸透膜モジ
ュールユニットへの供給水昇圧ポンプと、逆浸透膜モジ
ュールユニットの間の濃縮水流路に設けた濃縮水昇圧ポ
ンプと、最終段の逆浸透膜モジュールユニットの濃縮水
の圧力エネルギーを回収する回収装置とを備え、その回
収装置と供給水昇圧ポンプとが連結されていることを特
徴とする逆浸透膜分離装置。
1. A reverse osmosis membrane separation device comprising a plurality of reverse osmosis membrane module units arranged in a multistage manner, wherein the water is supplied to a first-stage reverse osmosis membrane module unit, and the pressure between the reverse osmosis membrane module unit is increased. It is provided with a concentrated water booster pump provided in the water flow path and a recovery device for recovering the pressure energy of the concentrated water of the reverse osmosis membrane module unit at the final stage, and that the recovery device and the supply water booster pump are connected. A reverse osmosis membrane separation device.
【請求項2】逆浸透膜モジュールユニットの段数が2段
または3段である、請求項1記載の逆浸透膜装置。
2. The reverse osmosis membrane device according to claim 1, wherein the number of stages of the reverse osmosis membrane module unit is two or three.
【請求項3】少なくとも最終段の逆浸透膜モジュールユ
ニットの圧力容器の耐圧性が80atm以上である、請
求項1または2に記載の逆浸透膜分離装置。
3. The reverse osmosis membrane separation device according to claim 1, wherein the pressure vessel of at least the final stage reverse osmosis membrane module unit has a pressure resistance of 80 atm or more.
【請求項4】スケール防止剤の添加手段を設けた、請求
項1〜3のいずれかに記載の逆浸透膜装置。
4. The reverse osmosis membrane device according to claim 1, further comprising means for adding a scale inhibitor.
【請求項5】1段目の逆浸透膜モジュールユニットの上
流側に膜濾過装置を設けた、請求項1〜4のいずれかに
記載の逆浸透膜分離装置。
5. The reverse osmosis membrane separation device according to claim 1, wherein a membrane filtration device is provided upstream of the first stage reverse osmosis membrane module unit.
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