JP2002336855A

JP2002336855A - 造水装置および造水方法

Info

Publication number: JP2002336855A
Application number: JP2001150750A
Authority: JP
Inventors: Tamotsu Kitade; 有北出; Takayuki Nakanishi; 貴之中西; Masahiro Kihara; 正浩木原
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 2001-05-21
Filing date: 2001-05-21
Publication date: 2002-11-26

Abstract

(57)【要約】【課題】原水を膜処理して透過水を得るにあたり、より
高い回収率を達成できる造水方法および造水装置を提供
する。【解決手段】原水をナノフィルトレーション膜Ａに通し
て硫酸イオン濃度を低下させたのち、その透過水を膜Ａ
よりも食塩の除去率が高いナノフィルトレーション膜Ｂ
に通して塩濃度を低下させ、さらにその透過水を逆浸透
膜に通して塩類を除去することを特徴とする造水方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、前処理膜と逆浸透
膜とを用いて海水などの原水を処理して透過水を得るの
に好適に使用できる造水方法および造水装置に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】近年、海水から工業用水や飲料水などの
淡水を得る技術が発達し、従来から一般的に行われてき
た蒸発法にかわって逆浸透膜を用いた膜分離法が注目を
集めるようになった。この膜分離法は、運転に要するエ
ネルギーも少なくて済み、高品質な淡水を得ることがで
きるため、様々な分野における利用が期待されている。

【０００３】さて、この膜分離法を実施するにあたって
は、いかに低コストで造水するかが技術の焦点となるた
め、海水から真水を回収する割合（回収率）を高める努
力が払われる訳であるが、６０％以上の高回収率で運転
を行うと逆浸透膜の濃縮水側の溶質成分濃度が高まっ
て、水への溶解度が低いスケール成分が析出し、膜寿命
や透過水品質が低下したりするなどといった問題を惹起
していた。

【０００４】そこで、逆浸透膜へ供給する海水をあらか
じめ膜により前処理して、スケール成分をある程度まで
取り除いておき、回収率を高める方法が開発された。特
開平８−２０６４６０号公報では、逆浸透膜を多段に配
置し、高回収率な運転を行う装置が示されている。しか
し全体の回収率を高めようとすれば、前処理工程におけ
る回収率を高めなければならず、結局、前処理工程にお
いてスケール成分が析出し、トータルでの回収率が高め
られないといった問題があった。これを解決するため、
特開平９−１４１２６０号公報では、主なスケール成分
である硫酸カルシウムの析出を防ぐため、硫酸イオンの
みを除去するナノフィルトレーション膜（以下ＮＦ膜と
略す）を使用することが提案され、これを使えば回収率
を高くしても前処理においてスケールの析出が起こらな
い。しかしこのような膜は一般的に塩の除去率が低く、
逆浸透膜の浸透圧を下げる効果が少ないため、逆浸透膜
を高回収率で運転しようとすると、非常に高圧で運転す
る必要があるため、結局逆浸透膜での回収率を上げるこ
とができず、プラント全体の回収率は６０％以上に上げ
ることは不可能であった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上記
した従来の問題点を解決し、原水を膜処理して透過水を
得るにあたり、より高い回収率を達成できる造水方法お
よび造水装置を提供することにある。

【０００６】

【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、以下の構成を採用する。すなわち、本発明
の造水方法は、原水をＮＦ膜モジュールＡに通して硫酸
イオン濃度を低下させたのち、その透過水を膜モジュー
ルＡよりも食塩の除去率が高いＮＦ膜モジュールＢに通
して塩濃度を低下させ、さらにその透過水を逆浸透膜に
通して塩類を除去することを特徴とするものである。

【０００７】また、本発明の造水装置は、原水の硫酸イ
オン濃度を低下させるためのＮＦ膜モジュールＡと、該
膜モジュールＡによりろ過された透過水の塩濃度を低下
させるための上記膜モジュールＡよりも食塩の除去率が
高いＮＦ膜モジュールＢと、該膜モジュールＢによりろ
過された透過水の塩類を除去するための逆浸透膜とを備
えたことを特徴とするものである。

【０００８】また、本発明は、ＮＦ膜モジュールＡと、
この透過水を処理するＮＦ膜モジュールＢと、この透過
水を加圧して逆浸透膜モジュールに供給する昇圧装置
と、濃縮水と透過水に分離する逆浸透膜とを備えている
造水装置を特徴とするものである。

【０００９】上記の造水装置において、膜モジュールＡ
は、硫酸イオン除去率が８０％以上、カルシウムイオン
除去率が５０％以下の性能を有するものであることが好
ましい。

【００１０】さらに膜モジュールＢは、塩除去率が３５
％以上７０％以下の性能を有するものであることが好ま
しい。

【００１１】また、本発明はＮＦ膜処理全体の回収率が
７０％以上であるＮＦ膜を用いることが好ましく、さら
にＮＦ膜処理および逆浸透膜分離装置全体の回収率の合
計が６０％以上であＮＦ膜および逆浸透膜分離装置を用
いることが好ましい。

【００１２】また、ここで除去率とは次式で計算される
値である。

【００１３】除去率（％）＝｛（供給水の濃度−透過水
の濃度）／供給水の濃度｝×１００また、回収率とは、膜に供給された液量に対する透過水
の量の割合であり、次式で定義される。

【００１４】回収率（％）＝（透過水の量／供給水の量）×１００そして、上記に記載の造水方法や造水装置により得られ
た水も好ましい。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明の一実施態様に係る造水装
置および造水方法について図１に基づいて説明する。図
１の装置において、海水などの原水の流れ方向の上流側
から順に、取水ポンプ２０、送水ポンプ２２、前処理Ｎ
Ｆ膜モジュールＡ３０、送水ポンプ４０、前処理ＮＦ膜
モジュールＢ５０、高圧ポンプ８０、逆浸透膜モジュー
ル（逆浸透膜処理装置）９０が接続されている。

【００１６】海水などの原水は、取水ポンプ２０により
取り入れられ、送水ポンプ２２によってＮＦ膜モジュー
ルＡ３０に供給される。ろ過水は、さらにＮＦ膜モジュ
ールＢ５０に供給され、さらに逆浸透膜モジュール９０
を通じて透過水の濃縮水とに分離され、取り出される。

【００１７】さて、海水を膜分離法を用いて真水を得よ
うとする場合において、あらかじめスケール発生の原因
となる特定のイオン成分（以下、スケール成分という）
を取り除いた海水を逆浸透膜分離すれば、回収率を上げ
ることができる。このため、前処理のＮＦ膜において海
水中のスケール成分（硫酸イオンやカルシウムイオン、
マグネシウムイオンなどの多価イオン）や、ナトリウム
イオン、塩素イオンをある程度あらかじめ除去しておく
と、逆浸透膜で海水を分離する際、回収率を上げてもス
ケール発生が防止できる。さらに、前処理膜で多価イオ
ンを除去することは、海水濃度の低減、すなわち浸透圧
を下げることにつながり、より低圧での運転が可能とな
る。このことは、逆浸透膜への処理水の供給に用いる高
圧ポンプの小型化や、省力化による電力費の低減だけで
なく、逆浸透膜の圧密化を防止することができ、逆浸透
膜の寿命の延長、すなわちエレメント交換比率の低減も
可能であることを意味している。

【００１８】しかし、逆浸透膜に供給する多価イオンの
除去を全て前処理膜で行おうとした場合、たとえば、カ
ルシウムイオンやマグネシウムイオンといった陽イオン
と硫酸イオンなどの陰イオンの除去率がともに高いと、
前処理膜内部でスケールが発生するため前処理膜エレメ
ント自体の寿命が低下するばかりでなく、スケール防止
のために、結局、低回収率運転となって前処理膜エレメ
ント本数増加などといったコストアップの原因を引き起
こすことになり、好ましい状況ではない。そこで硫酸イ
オンのみを除去し、カルシウムイオンやマグネシウムイ
オンといった陽イオンを透過するＮＦ膜を使用し、この
透過水を逆浸透膜に供給することによりスケールの発生
を防ぎ、高回収率で運転することができる。しかし、一
般的にこのようなＮＦ膜は塩除去率が低く、トータルの
塩濃度は２０％以下しか除去できないのが普通であり、
このような透過水を逆浸透膜で高回収率でろ過しようと
しても、浸透圧が高くなり、結局高回収率運転は不可能
である。またそのような高圧力運転は供給ポンプの電力
費やシステムの設備費が高くなり、コストアップとな
る。

【００１９】この問題を解決する手段としては、まず原
水を塩低除去率のＮＦ膜Ａでろ過することにより硫酸イ
オンを除去する。このときカルシウムイオンやマグネシ
ウムイオンといった二価のイオンは除去されず、透過水
側に出てくることが重要である。具体的には膜モジュー
ルＡの硫酸イオン除去率が８０％以上、カルシウムイオ
ン除去率が５０％以下の性能を有することが好ましい。

【００２０】次にこの透過水を塩高除去率のＮＦ膜モジ
ュールＢに供給することによって、透過水の塩濃度を下
げることができる。ＮＦ膜モジュールＡから供給される
透過水は、硫酸イオン濃度が低いため、ＮＦ膜モジュー
ルＢを高回収率で運転してもスケールが発生することは
ない。ＮＦ膜モジュールＢは電力費の削減を考えるとな
るべく低圧力で高い塩除去率であることが望ましく、塩
除去率が３５％以上７０％以下の性能を有すること、さ
らに好ましくは塩除去率が４５％以上７０％以下である
ことが好ましい。この工程により処理水の塩濃度は２／
３〜１／３まで低減される。これらのＮＦ膜前処理の全
体の回収率は７０％以上とすることが好ましく、８０％
以上とすることがより好ましい。

【００２１】次にこの塩濃度の下がった前処理水を逆浸
透膜に供給することにより、逆浸透膜の浸透圧を下げる
ことができ、高回収率で水質の良い処理水を得ることが
できる。この処理水を逆浸透膜に供給する工程では、塩
濃度が低減され、かつ硫酸イオンが除去されているた
め、低圧で高回収率の運転をすることが可能となる。こ
れにより動力費および設備費の低減が可能であり、ＮＦ
膜前処理を含めた全体の装置の回収率を６０％以上にす
ることが可能であり、６５％以上とすることがより好ま
しい。これにより動力費および設備費の低減が可能とな
る。

【００２２】原水については、海水およびかん水であれ
ばよく、具体的には塩濃度２０００ｍｇ／Ｌ以上の塩濃
度であればよい。

【００２３】また、前処理膜を構成する材質としては、
たとえば、酢酸セルロースや芳香族ポリアミド、脂肪族
ポリアミド、ポリビニルアルコール、ポリエーテルスル
ホンなどを用いることができる。また、膜の形態から見
ると、中空糸膜形態や平膜形態を有する膜を用いること
ができ、さらに、非対称膜や複合膜の形態いずれでも使
用が可能である。

【００２４】また、ＮＦ膜前処理エレメントとしては、
後述する逆浸透膜エレメントと同様に、平膜形態の逆浸
透膜を用いる場合は、スパイラル型エレメントや、チュ
ーブラー型エレメント、プレートアンドフレーム型エレ
メントを用いることができる。また、中空糸膜形態の逆
浸透膜を用いる場合は、Ｕ字状やＩ字状に束ねて筐体に
収納したエレメントを用いればよい。

【００２５】ＮＦ膜前処理モジュールについても、後述
する逆浸透膜モジュールと同様に、上記エレメントを１
個または複数個を圧力容器に収納して用いる。もちろ
ん、このモジュールを並列に複数個配置した前処理膜モ
ジュールユニットとして用いることも可能である。

【００２６】逆浸透膜装置に処理水を供給する高圧ポン
プについては、渦巻ポンプやタービンポンプ、プランジ
ャーポンプなどの種々の形式のポンプを用いることがで
きる。

【００２７】逆浸透膜装置は、逆浸透膜を有する、複数
個の逆浸透膜エレメントを圧力容器に納めた逆浸透膜モ
ジュールを備えていることが好ましい。

【００２８】逆浸透膜としては、酢酸セルロース系ポリ
マーを用いたものや、ポリアミドを用いたものが好まし
く、また、非対称構造を持ったものや複合構造を持った
もの、さらには、中空糸膜形態を有するものや平膜形態
を有するものなど、いずれでも用いることができる。中
でも、非対称構造を有する、酢酸セルロース系ポリマー
を用いた逆浸透膜や、複合構造を有する、ポリアミドを
用いた逆浸透膜を用いると効果が大きく、特に、芳香族
ポリアミド複合膜を用いると非常に効果が大きい。

【００２９】エレメントとは、上記の逆浸透膜を筐体に
納めて使いやすくしたもので、平膜形態の逆浸透膜を用
いる場合は、透過水流路材や原水流路材などとともに構
成された膜ユニットを集水管の周囲に巻回したスパイラ
ル型エレメントや、チューブラー型エレメント、プレー
トアンドフレーム型エレメントなどを用いることができ
る。また、中空糸膜形態の逆浸透膜を用いる場合は、Ｕ
字型やＩ字型に束ねて筐体に納めた形態とすることがで
きる。

【００３０】逆浸透膜モジュールは、これらのエレメン
トを１本または複数本を圧力容器に納めたものであり、
好ましくは４〜８本のエレメントを収納したものを用い
るとよい。さらに、このモジュールを並列に複数系列配
置したものを逆浸透膜モジュールユニットといい、これ
も逆浸透膜装置として好適に用いることができる。

【００３１】本発明では、さらに経済的かつ効率的に造
水を行うため、特に、海水から淡水を得る場合には、上
記の逆浸透膜モジュールや逆浸透膜モジュールユニット
を多段に配置して逆浸透膜装置を構成すると好ましい。
たとえば、前後段に２段に配置する場合には、前段で得
られる濃縮水を昇圧して後段への供給水とし、前後段そ
れぞれから透過水（淡水）を得る濃縮水２段法や、前段
の透過水をさらに後段への供給水として高品質な透過水
（淡水）を得る透過水２段法を適用することができる。
もちろん、これらは２段配置に限られることはなく、必
要に応じて３段以上の多段構成とすることもできる。

【００３２】上記の濃縮水２段法や多段法を用いる場合
は、後段から得られる濃縮水は高い圧力エネルギーを有
しているため、これを昇圧のためのエネルギーとして回
収し利用することが好ましい。これは、たとえば、回収
タービンなどを用いて実現することができる。

【００３３】

【実施例】以下の実施例、比較例においては、前処理膜
としてナノフィルトレーション膜（ＮＦ膜）を、逆浸透
膜としてポリアミド系複合膜を用いた。

【００３４】（実施例１）図１に示した造水装置を用い
て造水を行った。

【００３５】まず、原水（塩濃度３．５重量％の海水）
を送水ポンプにて１．０ＭＰａに昇圧して、ＮＦ膜Ａを
用いたスパイラル型エレメントを６本直列に接続して圧
力容器に組み込んだ前処理膜モジュールに供給し、回収
率９０％で処理した。この前処理膜モジュールの処理水
の蒸発残留物濃度は約２９，０００ｍｇ／ｌであり、硫
酸イオンは９５％除去されていた。次いで、この透過水
を送水ポンプにて４．０ＭＰａに昇圧して、ＮＦ膜Ｂを
用いたスパイラル型エレメントを６本直列に接続して圧
力容器に組み込んだ前処理モジュールに供給し、回収率
９０％で処理した。この透過水の蒸発残留物濃度は約
１，７０００ｍｇ／ｌであった。次いで、この透過水を
高圧ポンプにて９．０ＭＰａに昇圧して、脱塩率が９
９．８５％、膜造水量が０．７５ｍ³／（ｍ²・ｄ）であ
るスパイラル型逆浸透膜エレメントを直列に６本接続し
て圧力容器に収納した逆浸透膜モジュールに供給し、回
収率８５％にて２，０００時間連続して運転を行い造水
を行った。その結果、造水装置全体の回収率は６９％に
達し、透過水の水質は全溶質濃度が１４８ｍｇ／ｌと高
品質であった。また、運転中は前処理膜モジュール、逆
浸透膜モジュールともにスケール成分の析出は認められ
ず、モジュール内の膜間差圧も一定範囲内に収まった。

【００３６】（比較例１）前処理膜モジュールを用い
ず、原水を直接逆浸透膜モジュールへ供給し、６５％と
して２，０００時間運転を行った他は、実施例１と同様
にして造水を行った。

【００３７】その結果、運転開始から５００時間経過
後、逆浸透膜モジュールの入口側に配置したエレメント
が破損したため、回収率５５％に下げて運転を継続し
た。また、モジュールにＣａを含むスケール成分が析出
した。

【００３８】（比較例２）前処理膜モジュールを用い
ず、原水を直接前段の逆浸透膜モジュールへ供給し、後
段への供給圧力を９．５ＭＰａとして２，０００時間運
転を行った他は、実施例１と同様にして造水を行った。

【００３９】その結果、運転開始当初は装置全体の回収
率は６５％を達成したが、後段の逆浸透膜モジュールに
おいてスケール成分の析出が発生したため、装置全体の
回収率を６０％に下げて運転を継続した。スケール成分
にはＣａとＭｇが含まれていた。

【００４０】

【発明の効果】本発明によれば、原水をナノフィルトレ
ーション膜モジュールＡに通して硫酸イオン濃度を低下
させたのち、その透過水を膜モジュールＡよりも食塩の
除去率が高いナノフィルトレーション膜モジュールＢに
通して塩濃度を低下させ、その透過水を逆浸透膜に通し
て塩類を除去することにより、透過水の水質を高く保っ
たまま高回収率で透過水を得ることができる。

【００４１】また、塩を除去することにより浸透圧を低
くすることができるため、後段の逆浸透膜の回収率を高
めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施態様に係る造水装置を示す概略
図である。

【符号の説明】

１０：取水タンク２０：取水ポンプ２２：送水ポンプ３０：前処理ＮＦ膜モジュールＡ（前処理膜装置）４０：送水ポンプ４１：前処理ＮＦ膜モジュールＢ（前処理膜装置）８０：高圧ポンプ９０：逆浸透膜モジュール（逆浸透膜装置）９１：透過水流路９２：濃縮水流路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 4D006 GA03 GA06 KA53 KA55 KA56 KA57 KE06Q MA01 MA02 MA03 MA04 MA06 MA25 MB06 MC11 MC33 MC54 MC62 PB03 PB25

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】原水をナノフィルトレーション膜モジュー
ルＡでろ過して硫酸イオン濃度を低下させた後、その透
過水を膜モジュールＡよりも食塩の除去率が高いナノフ
ィルトレーション膜モジュールＢでろ過して塩濃度を低
下させ、さらにその透過水を逆浸透膜でろ過して塩類を
除去することを特徴とする造水方法。
【請求項２】原水の硫酸イオン濃度を低下させるための
ナノフィルトレーション膜モジュールＡと、該膜モジュ
ールＡによりろ過された透過水の塩濃度を低下させるた
めの上記膜モジュールＡよりも食塩の除去率が高いナノ
フィルトレーション膜モジュールＢと、該膜モジュール
Ｂによりろ過された透過水の塩類を除去するための逆浸
透膜とを備えたことを特徴とする造水装置。
【請求項３】硫酸イオン除去率が８０％以上、カルシウ
ムイオン除去率が５０％以下であるナノフィルトレーシ
ョン膜モジュールＡを用いることを特徴とする請求項２
に記載の造水装置。
【請求項４】塩除去率が３５％以上７０％以下であるナ
ノフィルトレーション膜モジュールＢを用いることを特
徴とする請求項２または３に記載の造水装置。
【請求項５】ナノフィルトレーション膜モジュールＡと
ナノフィルトレーション膜モジュールＢの処理装置全体
の回収率が７０％以上であることを特徴とする請求項２
〜４のいずれかに記載の造水装置。
【請求項６】ナノフィルトレーション膜モジュールＡと
ナノフィルトレーション膜モジュールＢの全体の処理装
置、および逆浸透膜の全体の処理装置の回収率の合計が
６０％以上であることを特徴とする請求項２〜５のいず
れかに記載の造水装置。
【請求項７】請求項１に記載の造水方法、もしくは請求
項２〜６のいずれかに記載の造水装置を用いて得られた
ことを特徴とする水。