JP2002191941A

JP2002191941A - 逆浸透膜による溶質の濃縮方法および濃縮装置

Info

Publication number: JP2002191941A
Application number: JP2000392464A
Authority: JP
Inventors: Motohiro Okazaki; 素弘岡崎; Kiyoshi Okada; 清岡田; Yoshisuke Nakamura; 吉佑中村
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 2000-12-25
Filing date: 2000-12-25
Publication date: 2002-07-10

Abstract

(57)【要約】【課題】イオン、有機物等の溶質を含有する水溶液を逆
浸透膜を用いて処理する際に、濃縮水量を減少させ、溶
質の高倍率濃縮の方法や高回収率での再生水製造の方法
を提供する。【解決手段】溶質を含む水溶液を逆浸透膜で処理して濃
縮するに際し、濃縮水の温度やｐＨを調整して溶質を析
出し、その後、濃縮水の少なくとも一部を、温度やｐＨ
を再度調整して逆浸透膜の原水として還流する濃縮方法
および造水方法とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高濃度のイオン、
有機物等の溶質を含有する水溶液から、逆浸透膜を用い
て溶質の分離濃縮や再生水を製造する方法や装置に関
し、かん水の脱塩、排水の処理、有用物の回収、廃棄物
の減容化等に好適に用いることができる。

【０００２】

【従来の技術】混合物の分離に関して、水に溶解した溶
質（例えば塩類や有機物）の分離・濃縮には様々なもの
があるが、逆浸透膜による分離法は、省エネルギーであ
る上に運転管理が容易であるという理由から、広く活用
されている。逆浸透法では、溶質（塩分あるいは有機
物）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、溶質を除去した水を製造することが
できる。

【０００３】逆浸透法では、原水量に対する透過水の割
合（回収率）は直接コストに寄与するものであり、回収
率は高いほど好ましい。また、有用物の回収あるいは排
水処理における廃棄物の減容化では、濃縮水量をできる
だけ少なくなること、すなわち回収率が高いほど好まし
くなる。この回収率の上限を決定するのは、主に濃縮水
側の溶質濃度における浸透圧と逆浸透膜の耐圧性であ
る。すなわち、溶質濃度が高くなると浸透圧が高くな
り、透過水量を維持するためには操作圧力を増加する必
要がある。そのため、海水のように原水の溶質濃度が高
い場合は、海水淡水化用逆浸透膜が使用し、濃縮水濃度
によって決まる濃縮水浸透圧よりも高い圧力を逆浸透膜
に付与する。

【０００４】たとえば、海水を逆浸透膜で処理して飲料
水レベルの水質でかつ充分な量の透過水を得る場合、逆
浸透膜などの耐圧性の問題から塩濃度が３．５％程度の
場合は回収率が最高でも４０％程度である。すなわち、
海水淡水化用逆浸透膜などの耐圧性は通常７ＭＰａ程度
に設定されているので、その範囲内で運転するためには
回収率を４０％にし、濃縮水濃度が６％になるように、
また、その濃縮水濃度によって決まる濃縮水浸透圧より
も２ＭＰａ程度高い圧力、６〜６．５ＭＰａの操作圧力
で運転しなけければならない。

【０００５】また、回収率を増加させるために、１段目
の逆浸透膜の濃縮水を耐圧性の高い逆浸透膜および圧力
容器を使ったシステムを用い、９ＭＰａ程度の操作圧力
で運転処理するシステムも提案されているが、この方法
では、特殊な逆浸透膜、圧力容器などが必要となり、ま
た高圧での運転であることから多大なエネルギーが必要
になる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、このような
従来技術の問題点に鑑み、イオン、有機物等の溶質を含
有する水溶液を逆浸透膜を用いて処理する際に、特殊な
膜や装置を用いず、濃縮水量を減少させ、溶質の高倍率
濃縮および高回収率での再生水製造が可能となる方法を
提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明は、溶質を含む水溶液を逆浸透膜で処理して濃
縮するに際し、濃縮水の温度を調整して溶質を析出し、
その後、濃縮水の少なくとも一部を、温度を再度調整し
て逆浸透膜の原水として還流する濃縮方法を特徴とする
ものである。このとき、濃縮水を冷却して溶質を析出
し、その後、濃縮水の少なくとも一部を加温して逆浸透
膜の原水として還流することが好ましい。

【０００８】また、本発明は、溶質を含む水溶液を逆浸
透膜で処理して濃縮するに際し、濃縮水のｐＨを調整し
て溶質を析出し、その後、濃縮水の少なくとも一部を、
ｐＨを再度調整して逆浸透膜の原水として還流する濃縮
方法を特徴とする。

【０００９】そして、上記いずれかの濃縮方法において
は、析出した溶質を沈降分離して脱水処理することが好
ましい。

【００１０】さらに、本発明は、溶質を含む水溶液を逆
浸透膜で処理して透過水を製造するとともに、濃縮水の
温度を調整して溶質を析出し、その後、濃縮水の少なく
とも一部を、温度を再度調整して逆浸透膜の原水として
還流する造水方法を特徴とする。このとき、濃縮水を冷
却して溶質を析出し、その後、濃縮水の少なくとも一部
を加温して逆浸透膜の原水として還流することが好まし
い。

【００１１】さらにまた、本発明は、溶質を含む水溶液
を逆浸透膜で処理して透過水を製造するとともに、濃縮
水のｐＨを調整して溶質を析出し、その後、濃縮水の少
なくとも一部を、ｐＨを再度調整して逆浸透膜の原水と
して還流する造水方法を特徴とする。

【００１２】そして、上記いずれかの造水方法において
は、析出した溶質を沈降分離して脱水処理することが好
ましい。

【００１３】また、上記いずれかの方法を実施する手段
を備えた濃縮装置や造水装置も好ましい態様である。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明の濃縮方法は、たとえば図
１に示すように、高濃度かん水や繊維の製造工程などか
ら排出されたイオンや溶解有機物を含む水溶液（原水
１）を逆浸透膜３（逆浸透膜処理手段）を用いて濃縮す
るに際し、逆浸透膜３の濃縮水を熱交換器４や冷却器５
など（温度調整手段）で温度調整して溶質を析出し、そ
の後、溶質を析出させたことで溶質濃度が低下した濃縮
水の少なくとも一部を、熱交換器４や加温器２で再度温
度調整した後に逆浸透膜３の原水として還流させるもの
である。

【００１５】また、本発明の造水方法は、図１に示す濃
縮方法と同様に、溶質を含む水溶液（原水１）を逆浸透
膜３で処理して透過水を製造するとともに、濃縮水を熱
交換器４や冷却器５などで温度調整して溶質を析出さ
せ、その後、溶質を析出させたことで溶質濃度が低下し
た濃縮水の少なくとも一部を、熱交換器４や加温器２で
再度温度調整した後に逆浸透膜３の原水として還流させ
るものである。

【００１６】逆浸透膜処理手段は、溶質濃度が高くなる
につれ浸透圧が高くなりそれ以上の操作圧力が必要にな
ることから、運転条件に応じて十分な耐圧性を有する圧
力容器に逆浸透膜を収容して使用する。

【００１７】また、温度調整手段は、温度による溶解度
差を利用して溶質を析出し、沈降分離するものが好まし
く、濃縮水導入手段、冷却器、沈降槽、処理液排出手
段、沈殿物排出手段などを備えている。そして、熱交換
器４を設けることにより、濃縮水の冷却および還流水の
加温、または、濃縮水の加温および還流水の冷却を効率
的に行うことができる。沈殿物排出手段としては、遠心
分離器や濾布走行式脱水機などの脱水手段を用いると、
分離した溶質の取り扱いが容易になる。

【００１８】また、濃縮水の少なくとも一部を逆浸透膜
処理装置の前段に還流する還流装置には、溶質の溶解
度、浸透圧等により原水中へ還流する比率を変更できる
ように、バルブなど水流調整手段を設けることが好まし
い。

【００１９】本発明においては、濃縮水中の溶質を析出
させた後再度原水として還流するので、廃棄処分の必要
な濃縮水を減少させることができ、さらに、溶質を十分
に濃縮した後に廃棄することになるので、廃棄物の減容
化等が可能になる。また、透過水の回収率が向上でき、
その透過水はそのまま河川や通常の下水処理施設への放
流が可能な水となる。さらに、透過水が生活用水などに
使用できれば、造水コストを低減することができる。

【００２０】また、本発明は、逆浸透膜３による濃縮水
を、温度調整を行い溶質を析出した後に、再度温度調整
をして供給水程度の温度に戻して逆浸透膜３の原水とし
て還流することを特徴とするが、還流水の温度を供給水
程度の温度に調整しない場合、逆浸透膜３の温度が低下
して透過水量が少なくなり、また、溶質の溶解度が低下
し、逆浸透膜３の膜面にスケールとして析出する。その
結果、逆浸透膜３の濃縮水の温度調整を行って溶質を沈
降分離、溶質濃度低下を行おうとしても、温度差が小さ
くなり効率的な沈降分離ができなくなる。

【００２１】そして、本発明においては、温度による溶
解度差を利用して溶質を析出させるため、冷却前後の濃
縮水の温度差ができるだけ大きくなるように濃縮水を冷
却することが好ましい。たとえば、逆浸透膜の耐熱性が
４０℃である場合、冷却に要するエネルギーを少なくし
かつ冷却前後の濃縮水の温度差を大きくするために、逆
浸透膜での溶液温度を３０〜４０℃の範囲内に、冷却後
の濃縮水温度を３〜１０℃の範囲内にする。

【００２２】このようにして溶質を析出して濃度を低下
した濃縮水は、その少なくとも一部を、温度を沈降分離
前の原水程度の値に戻して逆浸透膜の原水として還流す
る。この際、系外への排出量削減および造水量増大とい
う観点からすれば全量を還流することが好ましいが、濃
縮水中でのスケール生成、原水の溶質濃度の増加、さら
に、溶質濃度の増加に伴う浸透圧の増加が問題になる場
合には一部を系外に排出する。

【００２３】一方、温度調整により析出した溶質は、図
１に示すように、沈殿槽６によって沈降分離したり、濾
過など通常の方法で分離して系外に排出すればよいが、
系外へ排出するに際しては、遠心分離装置７などで脱水
処理したり、水分を蒸発させて溶質を固形物として排出
したりすると、排出された溶質の取り扱いが容易にな
る。排出された溶質を再利用しない場合は、沈殿槽６に
おいて、ポリアクリル酸、ポリアクリルアミドなど、高
分子凝集剤等を添加して、沈降分離を行うと効率的であ
る。

【００２４】本発明で用いる逆浸透膜としては、たとえ
ば、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で
構成されたものなどを用いることができる。また、その
膜構造としては、膜の少なくとも一方の面に緻密層を有
し、緻密層から膜内部または他方の面に向けて徐々に大
きな孔径の微細孔を有するもの（非対称膜）や、非対称
膜の緻密層の上に別の素材で非常に薄い分離機能層を形
成したもの（複合膜）など、さらに、膜形態としては、
中空糸膜、平膜などの形態のものを好適に用いることが
できる。中でも、本発明においては、溶質の除去率が高
く造水量が大きい酢酸セルロース系の非対称膜またはポ
リアミド系の複合膜がより好ましい。また、溶質濃度の
高い溶液をも処理するためには、耐圧性の高い海水淡水
化用膜がより好ましい。

【００２５】以上のような本発明の方法は、特に、温度
によって溶質の溶解度差が大きく異なるもの、たとえば
温度差が２０℃（１０℃と３０℃）ある時に溶解度が２
倍以上異なる硫酸ナトリウム、炭酸ナトリウム、イソフ
タル酸ジメチル−５−スルホン酸ナトリウムなどの物質
を含む水溶液を処理するのに用いるのが好ましい。そし
て、溶質としては、濃度の増加に対して浸透圧の増加が
少ない物質であることが好ましい。浸透圧と濃度との相
関は物質により異なるが、浸透圧４．５ＭＰａ程度相当
の濃度は１〜３０％程度であり、これが浸透圧から算出
される濃縮水濃度の上限になる。

【００２６】また、本発明は、炭酸カルシウム、安息香
酸など、溶液のｐＨにより溶解度が大きく変化する溶質
の場合には、濃縮水および還流水のｐＨ調整を行う酸・
アルカリの添加手段を設け、ｐＨ調整によって溶質を析
出させる方法に代替することも好ましい。この場合、濃
縮水が中性で酸性に調整するときにはｐＨ５以下が好ま
しく、材質の腐蝕や後の中和工程を考慮するとｐＨ３〜
５がより好ましい。アルカリ性に調整する場合にはｐＨ
８以上が好ましく、材質の腐蝕や後の中和工程を考慮す
るとｐＨ８〜１０がより好ましい。酸としては、塩酸や
硫酸など通常の酸が使用でき、アルカリとしては、水酸
化ナトリウムなど通常のアルカリが使用できる。なお、
還流水については、温度調整による方法と同様に、再度
ｐＨ調整を行い元の値程度に戻す。ｐＨ調整により溶質
を析出した場合に還流水のｐＨを元に戻さないと、溶質
が逆浸透膜の膜面でスケールとして析出したり、膜性能
が低下したりしてしまう。

【００２７】

【実施例】（実施例）逆浸透膜エレメント（原水が３．
５重量％の海水で操作圧力５．５ＭＰａでの電気伝導度
排除率が９９．６％以上、造水量が３．５ｍ³／日以
上、例えば東レ（株）製ＳＵ−８１０）２本を直列に圧
力容器内に収納した逆浸透膜処理装置を備えた図１の装
置において、硫酸ナトリウム５重量％の水溶液を原水と
して用い、表１の条件で処理した。

【００２８】この際、原水および沈降槽における上澄み
水（還流水）は、逆浸透膜処理装置の前段で３０℃に加
温し、逆浸透膜エレメントによる濃縮水は沈降槽で１０
℃まで冷却した。また、析出した硫酸ナトリウムのスラ
リーは遠心分離器で脱水し、分離した水分は沈降槽に戻
した。

【００２９】得られた透過水、固形分の組成および質量
を表２に示す。得られた透過水量は供給原水量の８９％
と多く、また、系外に排出するものは、遠心分離器で脱
水したので取扱が容易になった。

【００３０】

【表１】

【００３１】

【表２】

【００３２】（比較例）冷却器５で冷却した濃縮水を還
流水として温度調整せずに逆浸透膜に供給した以外は実
施例と同様に処理をした。得られた透過水量は実施例の
２／３ほどであり、得られた固形分量は実施例の１／２
であった。また、排出すべき濃縮水も発生した。得られ
た透過水、濃縮水、固形分の組成および質量を表４に示
す。

【００３３】

【表３】

【００３４】

【表４】

【００３５】

【発明の効果】本発明は、イオン、有機物等の溶質を含
有する水溶液から逆浸透膜を用いて溶質の分離濃縮や再
生水を製造するに際し、濃縮水中の溶質を十分に濃縮し
た後に系外に排出することができるので、濃縮水の減
少、再生水の回収率（造水率）向上が可能となり、河川
や通常の下水処理施設へそのまま放流できる水の量が増
大する。その結果、排水処理コスト、造水コスト等の低
減、廃棄物の減容化等が可能になる。特に、従来、特殊
な膜や装置が必要であったイオン、有機物等の濃度が１
〜１０重量％程度の溶液であっても、特殊な膜や装置を
必要とせず、溶質の高倍率濃縮、高回収率での造水が可
能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施態様を示す概略フローチャート
である。

フロントページの続きＦターム(参考） 4D006 GA03 KA01 KA71 KB13 KB30 KE15P KE15Q KE16P KE16Q MA01 MA03 MA06 MA25 MC18 MC48 MC54 MC58 PA02 PB03 PB08 PB70

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】溶質を含む水溶液を逆浸透膜で処理して濃
縮するに際し、濃縮水の温度を調整して溶質を析出し、
その後、濃縮水の少なくとも一部を、温度を再度調整し
て逆浸透膜の原水として還流することを特徴とする濃縮
方法。
【請求項２】濃縮水を冷却して溶質を析出し、その後、
濃縮水の少なくとも一部を加温して逆浸透膜の原水とし
て還流する、請求項１に記載の濃縮方法。
【請求項３】溶質を含む水溶液を逆浸透膜で処理して濃
縮するに際し、濃縮水のｐＨを調整して溶質を析出し、
その後、濃縮水の少なくとも一部を、ｐＨを再度調整し
て逆浸透膜の原水として還流することを特徴とする濃縮
方法。
【請求項４】析出した溶質を沈降分離して脱水処理す
る、請求項１〜３のいずれかに記載の濃縮方法。
【請求項５】溶質を含む水溶液を逆浸透膜で処理して透
過水を製造するとともに、濃縮水の温度を調整して溶質
を析出し、その後、濃縮水の少なくとも一部を、温度を
再度調整して逆浸透膜の原水として還流することを特徴
とする造水方法。
【請求項６】濃縮水を冷却して溶質を析出し、その後、
濃縮水の少なくとも一部を加温して逆浸透膜の原水とし
て還流する、請求項５に記載の造水方法。
【請求項７】溶質を含む水溶液を逆浸透膜で処理して透
過水を製造するとともに、濃縮水のｐＨを調整して溶質
を析出し、その後、濃縮水の少なくとも一部を、ｐＨを
再度調整して逆浸透膜の原水として還流することを特徴
とする造水方法。
【請求項８】析出した溶質を沈降分離して脱水処理す
る、請求項５〜７のいずれかに記載の造水方法。
【請求項９】請求項１〜４のいずれかの方法を実施する
手段を備えた濃縮装置。
【請求項１０】請求項５〜８のいずれかの方法を実施す
る手段を備えた造水装置。