JP2003200161A

JP2003200161A - 造水方法および造水装置

Info

Publication number: JP2003200161A
Application number: JP2002002095A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Nakanishi; 貴之中西; Masahiro Kihara; 正浩木原; Tamotsu Kitade; 有北出
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 2002-01-09
Filing date: 2002-01-09
Publication date: 2003-07-15

Abstract

(57)【要約】【課題】海水や高濃度かん水をＮＦ膜モジュールで透過
水と濃縮水とに分離して飲料水等を得るにあたり、水質
を維持したままで高回収率そして省エネルギを達成でき
る造水方法および造水装置を提供する【解決手段】多段に構成したナノフィルトレーション膜
（ＮＦ膜）モジュールに海水および／または高濃度かん
水を供給して透過水と濃縮水とに膜分離し、そのＮＦ膜
モジュールの透過水を逆浸透膜（ＲＯ膜）モジュールに
供給して透過水と濃縮水とにさらに膜分離する造水方法
であって、前段のＮＦ膜モジュールの濃縮水を次段のＮ
Ｆ膜モジュールに供給する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高回収率で海水や
高濃度かん水を淡水化するのに好適な、ナノフィルトレ
ーション膜（ＮＦ膜）と逆浸透膜（ＲＯ膜）とを用いた
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】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。中でも、蒸発のような相変化がなくエネルギ的に有
利であり、さらに運転管理が容易である逆浸透法が普及
してきているが、これによれば、海水や低濃度の塩水
（かん水）などの原水から塩などの不純物を除去して工
業用、農業用または家庭用の水を提供することができ
る。さらに、逆浸透法は、海水、かん水を淡水化して飲
料水を得ることにとどまらず、有害物を含んだ水や廃水
の処理、有価物の回収、工業用超純水の製造などにも用
いることができる。

【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、回収率を高める努力が払われている。特に海水や高
濃度かん水の場合、原水中に１.０〜４.５重量％程度の
溶質成分を含むため、淡水の回収率を高めていくと、溶
質成分のうち、水への溶解度が低い成分が硫酸カルシウ
ム等のスケールとして析出し、膜の目詰まり等を引き起
こす。また、１.０〜４.５重量％程度の溶質成分を含有
するため、０.５〜３.０ＭＰａ程度の浸透圧を原水自身
が有するが、回収率を高めるためには浸透圧を超える大
きさの操作圧力を加える必要があり、操作圧力を上昇さ
せれば造水コストの大半を占める電力費が高騰するた
め、低コスト化を実現できない。このため、電力費をな
るべく低減しつつ、高回収率を達成するシステムや造水
方法が提案されてきている。

【０００４】たとえば特開平８−１０８０４８号公報に
は、ＲＯ膜モジュールを多段に配置した装置で海水を処
理して回収率６０％を達成する方法が開示されている
が、さらに高回収率で運転しようとすると、ＲＯ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する
などといった問題を惹起す。

【０００５】一方、スケール析出を防止し、安定して淡
水を得る方法として、たとえば特開平８−２０６４６０
号公報に、海水や高濃度かん水にスケール防止剤を添加
し、ＮＦ膜で当該水中の多価イオンや中〜高分子量物質
を除去し、その処理水をＲＯ膜によって淡水を得る方法
が開示されている。しかしながら、この方法によれば、
低溶解度スケールの発生を心配することなく安定して淡
水は得られるものの、水質を維持したまま６０％を越え
るような高い回収率で安定運転を行うことは難しい。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、海水や高濃
度かん水をＮＦ膜モジュールで透過水と濃縮水とに分離
して飲料水等を得るにあたり、水質を維持したままで高
回収率そして省エネルギを達成できる造水方法および造
水装置を提供することを目的とするものである。

【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、ナノフィルトレーション膜（ＮＦ膜）モジ
ュールを多段に構成し、その多段に構成したＮＦ膜モジ
ュールに海水および／または高濃度かん水を供給して透
過水と濃縮水とに膜分離し、各段におけるＮＦ膜モジュ
ールの透過水を逆浸透膜（ＲＯ膜）モジュールに供給し
て透過水と濃縮水とにさらに膜分離する造水方法であっ
て、前段のＮＦ膜モジュールの濃縮水を次段のＮＦ膜モ
ジュールに供給する造水方法を特徴とするものである。

【０００８】このとき、ＲＯ膜モジュールへの供給水の
濃度を多段に構成したＮＦ膜モジュールに供給する海水
および／または高濃度かん水の濃度の８５％以下にする
ことや、多段のＮＦ膜モジュールにおける回収率が８０
％以上になるように運転することが好ましい。また、各
段におけるＮＦ膜モジュールの操作圧力を４ＭＰａ以下
にすることや、前段のＮＦ膜モジュールの濃縮水を後段
のＮＦ膜モジュールに供給する際に、濃縮水を前段のＮ
Ｆ膜モジュールにおける操作圧力以上に昇圧すること、
さらには、最後段のＮＦ膜モジュールの濃縮水の圧力エ
ネルギを利用して前段の膜モジュールへの供給水を昇圧
することが好ましい。

【０００９】また、上記課題を達成するための本発明
は、海水および／または高濃度かん水を濃縮水と透過水
とに膜分離するナノフィルトレーション膜（ＮＦ膜）モ
ジュールと、そのＮＦ膜モジュールの透過水をさらに透
過水と濃縮水とに膜分離する逆浸透膜（ＲＯ膜）モジュ
ールと、ＮＦ膜モジュールおよびＲＯ膜モジュールへの
供給水を昇圧する昇圧ポンプとを備え、ＮＦ膜モジュー
ルは、前段の濃縮水を後段で膜分離するように多段に構
成されている造水装置を特徴とするものである。

【００１０】ここで、ＮＦ膜モジュールは、前段と後段
とで互いに膜特性が異なるものであることや、アニオン
系ＮＦ膜を有するＮＦ膜モジュールとカチオン系ＮＦ膜
を有するＮＦ膜モジュールとを備えていること、さらに
は、３．５％、２５℃、ｐＨ６．５の海水を運転圧力
１.５ＭＰａで供給したときの透過流束が０.４〜０.６
ｍ³／ｍ²／ｄの範囲にあるＮＦ膜を有するＮＦ膜モジュ
ールと、３.５％、２５℃、ｐＨ６．５の海水を運転圧
力１.５ＭＰａで供給したときの透過流束が０．８〜
１．２ｍ³／ｍ²／ｄの範囲にあるＮＦ膜を有するＮＦ膜
モジュールとを備えていることが好ましい。また、前段
のＮＦ膜モジュールと後段のＮＦ膜モジュールとの間に
昇圧ポンプを備えていることや、最後段のＮＦ膜モジュ
ールの濃縮水の圧力エネルギを前段のＮＦ膜モジュール
への供給水の昇圧に利用するエネルギ回収装置を備えて
いることも好ましい。

【００１１】なお、本発明における回収率は透過水量／
供給水量×１００［％］で求められる。また、濃度は、
該溶液中の蒸発残留物濃度（ＴＤＳ濃度）で表し、海
水、高濃度かん水とは、この蒸発残留物濃度（ＴＤＳ濃
度）が、１.０〜４.５重量％の範囲にあるものをいう。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明の造水装置は、たとえば図
１に示すように、海水や高濃度かん水である原水１を透
過水２１Ａと濃縮水２２Ａに膜分離するＮＦ膜モジュー
ル２０Ａと、ＮＦ膜モジュール２０Ａの濃縮水２２Ａを
さらに透過水２１Ｂと濃縮水２２Ｂに膜分離するＮＦ膜
モジュール２０Ｂと、ＮＦ膜モジュール２０Ａ、２０Ｂ
による透過水２１Ａ、２１Ｂをさらに透過水６１と濃縮
水６２とに膜分離するＲＯ膜モジュール６０とを備えて
いる。

【００１３】ＮＦ膜モジュール２０Ａの上流側には、Ｎ
Ｆ膜モジュールのへの供給水（原水１）を操作圧力にま
で昇圧する昇圧ポンプ１０が設けられている。また、Ｎ
Ｆ膜モジュール２０Ａの濃縮水２２Ａのラインには、そ
の濃縮水２２Ａにスケール防止薬品を添加する薬品添加
手段４０と、濃縮水２２Ａをさらに昇圧してＮＦ膜モジ
ュール２０Ｂに送水する中間昇圧ポンプ３０を設けてい
る。昇圧ポンプ１０および中間昇圧ポンプ３０には、Ｎ
Ｆ膜モジュール２０Ｂの濃縮水２２Ｂが有する圧力エネ
ルギを回収するエネルギ回収装置８０が連結されてい
る。

【００１４】また、ＮＦ膜モジュール２０Ａおよび２０
Ｂと、ＲＯ膜モジュール６０との間には、ＮＦ膜モジュ
ール２０Ａ、２０Ｂの透過水２１をＲＯ膜モジュール６
０の操作圧力にまで昇圧する高圧ポンプ５０が設けられ
ている。そして、高圧ポンプ５０には、高圧ポンプ５０
の電力費を低減するため、ＲＯ膜モジュール６０から排
出される濃縮水６２が有する圧力エネルギを回収するエ
ネルギ回収装置７０が連結されている。

【００１５】上記の造水装置において造水は次のように
行われる。すなわち、原水１が、昇圧ポンプ１０によっ
てＮＦ膜モジュール２０Ａの操作圧力にまで昇圧されて
ＮＦ膜モジュール２０Ａに供給され、透過水２１Ａと濃
縮水２２Ａに分離される。そして、濃縮水２２Ａは、ス
ケール防止薬品が添加された後、中間昇圧ポンプ３０に
よって昇圧されてＮＦ膜モジュール２０Ｂに供給され、
透過水２１Ｂと濃縮水２２Ｂとに分離される。その後、
透過水２１Ｂは、ＮＦ膜モジュール２０Ａの透過水２１
Ａと合流し、高圧ポンプ５０によってＲＯ膜モジュール
の操作圧力にまで昇圧されてＲＯ膜モジュール６０に供
給され、透過水６１と濃縮水６２とに分離される。一
方、濃縮水２２Ｂは、濃縮水２２Ｂが有する圧力エネル
ギを原水１、濃縮水２２Ａの昇圧に用いるため、エネル
ギ回収装置８０に送水され、圧力エネルギが回収され
る。また、ＲＯ膜モジュール６０の濃縮水６２について
も同様に、エネルギ回収装置７０に送水され、濃縮水６
２が有する圧力エネルギが回収され、ＲＯ膜モジュール
６０への供給水（透過水２１）の昇圧に用いられる。

【００１６】ここで、ＮＦ膜モジュールとＲＯ膜モジュ
ールとを備えた装置全体で６０％を超える高回収率を達
成するためには、まずＮＦ膜モジュールで高回収率を達
成する必要があるが、ＮＦ膜モジュールによってＲＯ膜
モジュールへの供給水の濃度が２．５〜３．０％程度に
低減されることや、現在上市されているＲＯ膜モジュー
ルが耐圧性を考慮すると７０〜８５％程度の回収率が見
込まれるころから、ＲＯ膜モジュールの前段に配置する
ＮＦ膜モジュールの回収率は８０％以上にすることが好
ましい。そして、ＮＦ膜モジュールの回収率が８５〜９
０％であると、高回収率と透過水濃度低減が同時に達成
される点でさらに好ましい。

【００１７】しかしながら、このようにＮＦ膜モジュー
ルで高回収率化を達成するため、１つのモジュールで８
０％以上の回収率を達成しようとすると、モジュール１
本あたりの供給水量が少なくなり、透過水質の悪化、す
なわち透過水濃度が低減しにくくなる。そこで、本発明
においては、ＮＦ膜モジュールを多段に構成する。すな
わち、２段以上のＮＦ膜モジュールを用意し、前段のＮ
Ｆ膜モジュール濃縮水が後段のＮＦ膜モジュールに供給
され処理されるように構成するとともに、各段のＮＦ膜
モジュール透過水を集水するように構成する。このよう
に構成することで、透過水濃度を低減しつつＮＦ膜モジ
ュール全体の回収率を高めることができる。

【００１８】このとき、透過水濃度を低減しつつＮＦ膜
モジュールの回収率をさらに高めるためには、図１に示
すように、多段に配置したＮＦ膜モジュール２０Ａ、２
０Ｂの間に中間昇圧ポンプ３０を配置することが好まし
い中間昇圧ポンプ３０を設ける場合には、昇圧ポンプ１
０の運転圧力を比較的低めに設定し、多段に配置したＮ
Ｆ膜モジュールの途中に、昇圧ポンプ１０で加圧した圧
力以上に昇圧する中間昇圧ポンプ３０を設け、電力消費
量を低減させればよい。

【００１９】昇圧ポンプ１０、中間昇圧ポンプ３０、高
圧ポンプ５０には、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。また、ＮＦ膜モジュール２０Ａ、２０Ｂおよ
びＲＯ膜モジュール６０から得られる濃縮水２２Ａ、２
２Ｂ、６２は高い圧力エネルギを有しているため、昇圧
ポンプや中間昇圧ポンプの電力消費量を削減するため、
圧力エネルギを昇圧のためのエネルギとして回収し利用
することが好ましい。特に、多段に設けたＮＦ膜モジュ
ールのうち最終段のＮＦ膜モジュールの濃縮水やＲＯ膜
モジュールの濃縮水は高い圧力エネルギを有しているた
め、この圧力エネルギを回収し、前段のＮＦ膜モジュー
ルへの供給水昇圧のエネルギとして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。さらに、たとえば特開平１−２９
４９０３号公報に記載されたようなターボチャージャー
を用いるのも好ましい。

【００２０】また、透過水濃度を低減しつつＮＦ膜モジ
ュールの回収率をさらに高めるためには、前段のＮＦ膜
モジュール２０Ａと後段のＮＦ膜モジュール２０Ｂとで
互いに膜特性が異なるＮＦ膜を用いてもよい。具体的に
は、上流側に３.５％、２５℃、ｐＨ６．５の海水を運
転圧力１.５ＭＰａで供給したときの透過流束が０.４〜
０.６ｍ³／ｍ²／ｄの範囲にあるＮＦ膜を有するＮＦ膜
モジュールを設け、下流側に３.５％、２５℃、ｐＨ
６．５の海水を運転圧力１.５ＭＰａで供給したときの
透過流束が０．８〜１．２ｍ³／ｍ²／ｄの範囲にあるＮ
Ｆ膜を有するＮＦ膜モジュールを設けることで透過水濃
度を低減しつつさらなる高回収率を達成したり、上流側
にアニオン系ＮＦ膜を配置して濃縮水中のプラス荷電イ
オン濃度を減らし、下流側でカチオン系ＮＦ膜を配置す
ることで、ＮＦ膜モジュール濃縮水中で難溶解性析出物
（スケール）の発生を懸念することなくマイナス荷電イ
オン濃度を低下させつつ高回収率を達成することができ
る。

【００２１】さらに、透過水濃度の低減を図りつつ高回
収率化、造水コスト削減を達成するためには、各段にお
けるＮＦ膜モジュールの操作圧力を、ＮＦ膜モジュール
の耐圧性も考慮して４ＭＰａ以下に抑制することが好ま
しく、３ＭＰａ以下に抑制することがより好ましい。操
作圧力が大きくなると、電力費がかかり造水コストが増
加する。

【００２２】一方、ＮＦ膜モジュールを多段に配置する
とともに、前段の濃縮水を後段の濃縮水で処理するよう
にすることで、ＲＯ膜モジュールへの供給水の濃度をＮ
Ｆ膜モジュールに供給した原水の濃度の８５％以下にす
ることができる。たとえば濃度が３．５％である海水の
浸透圧は約２．５ＭＰａであり、ＮＦ膜モジュールの透
過水濃度を低減させることは、該溶液の浸透圧を低減す
るので、後段のＲＯ膜モジュールの運転圧力低減、回収
率向上に寄与する。透過水の濃度を１５％低減（約３．
０％）できれば、浸透圧は約２．０ＭＰａと２０％程度
低減される。したがって、ＮＦ膜モジュールで透過水濃
度を１５％以上、すなわち、原水濃度の８５％以下に低
減することが好ましい。さらには、２０％以上、よりさ
らに好ましくは３０％以上の濃度低減ができれば、浸透
圧低減、すなわちＲＯ膜モジュールの操作圧力低減と回
収率向上が期待できるので好ましい。

【００２３】ＮＦ膜モジュール２０Ａ、２０Ｂで用いら
れるＮＦ膜は、原水中の多価イオン、例えば硫酸（ＳＯ
₄ ^2-）、カルシウム（Ｃａ²⁺）、マグネシウム（Ｍ
ｇ²⁺）等の各イオンを、硫酸では９０％以上、カルシウ
ムやマグネシウムはＮＦ膜種類によって３０〜９０％の
除去が可能なものである。また、ナトリウム（Ｎａ⁺）
や塩素（Ｃｌ―）イオン等の一価イオンも１０〜３０％
除去が可能である。なお、各イオン濃度はＩＣＰ分析装
置やイオンクロマト分析装置を用いて測定することが可
能である。

【００２４】ＮＦ膜の素材としては、ポリアミド系、ポ
リピペラジンアミド系、ポリエステルアミド系、あるい
は水溶性のビニルポリマーを架橋したものなどを使用す
ることができ、その膜構造としては、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面
の膜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、このような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分離機能層を有するもの
（複合膜）などを使用することができる。そして、低圧
運転時における高造水量のためには複合膜であることが
好ましく、透過水量、耐薬品性等の点からポリアミド系
複合膜、さらにはピペラジンポリアミド系複合膜が好ま
しい。

【００２５】また、海水や高濃度かん水を高回収率で処
理するにあたってはスケール生成も問題となるが、スケ
ールで最も問題となるのは硫酸カルシウムである。硫酸
カルシウムは主に２水和物（ＣａＳＯ₄・２Ｈ₂Ｏ）とし
て析出し、析出限界濃度は「膜利用ハンドブック」（大
矢晴彦著）によれば約３，２８０ｍｇ／ｌと報告されて
いる。このデータから、析出限界のカルシウムイオン濃
度は約９６５ｍｇ／ｌ、硫酸イオン濃度は２，３１５ｍ
ｇ／ｌが得られる。一方、たとえば海水中（日本近海、
塩濃度３．５重量％）にはカルシウムイオンが約４００
ｍｇ／ｌ、硫酸イオンが約２，３００ｍｇ／ｌ含まれて
いる。このときＮＦ膜として、温度２５℃、濃度３.５
％（カルシウムイオン濃度：４００ｍｇ／ｌ）の海水を
運転圧力１．５ＭＰａで供給した時のカルシウムイオン
除去率が３５％以上の膜を用いて回収率８０％以上で運
転すると、ＮＦ膜モジュール濃縮水側に硫酸カルシウム
スケールが生成する。このようなスケール析出を防止す
るため、原水にスケール防止剤を添加し、析出限界濃度
以上の高回収率運転を可能にすることが好ましい。すな
わち、カルシウムイオン除去率が３５％以上であるＮＦ
膜を用いたＮＦ膜モジュール２０Ａ、２０Ｂの全体とし
ての回収率を８０％以上に上げると硫酸カルシウムがス
ケールとして析出し、膜面に付着してＮＦ膜性能の低
下、交換頻度の増加を招くが、スケール防止剤を添加す
ることで、スケール析出限界以上である８０％以上の高
回収率運転を安定して実現することができる。

【００２６】スケール防止剤としては、溶液中の多価金
属イオンなどのスケール成分と錯体を形成し、スケール
の発生を抑制するもので、有機や無機のイオン性のポリ
マーあるいはモノマーなどが使用できる。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などが使用できる。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
にポリアクリル酸系ポリマー、ポリ燐酸塩、エチレンジ
アミン四酢酸（ＥＤＴＡ）など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
（ＳＨＭＰ）、およびこれらのカリウム塩などがあげら
れる。この中では、入手のしやすさ、溶解性など操作の
しやすさ、価格の点からヘキサメタ燐酸ナトリウム（Ｓ
ＨＭＰ）を用いることが好ましい。

【００２７】スケール析出をより確実に防止するには、
スケール防止剤を連続的に添加することが好ましい。ま
た、スケール防止剤を添加する濃度はランニングコスト
低減の面から少量であることが望ましく、ヘキサメタ燐
酸ナトリウムを選択した場合、５ｍｇ／ｌ以下でスケー
ル析出防止に効果が得られる。望ましくは３ｍｇ／ｌ以
下であることが好ましい。

【００２８】また、スケール防止剤を添加する場所は、
高回収率で濃縮水中のカルシウム、硫酸イオン濃度が高
くなる下流側ＮＦ膜モジュールの前段であればよい。好
ましくは、最後段のＮＦ膜モジュール入口直前にスケー
ル防止剤を添加すると、添加量が少なくなり薬品コスト
を低減する点で望ましい。

【００２９】一方、ＲＯ膜モジュール６０に用いるＲＯ
膜は、供給水中の水分子を選択的に透過させ、供給水中
の塩の透過を９９％以上阻止できるものであればよい。
ＲＯ膜の膜構造としては、たと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かってその径が
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なる厚み
の薄い活性層を供えた複合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、及びビニルポリ
マ等の高分子材料と用いることができる。代表的なＲＯ
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、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などがある。中でも、水質の変化
に対して安定した性能を発現し、トリハロメタンに代表
される環境ホルモン等の有害物質を好適に除去できる芳
香族ポリアミド系複合膜が好ましい。

【００３０】上述のＮＦ膜モジュール２０Ａ、２０Ｂや
ＲＯ膜モジュール６０は、平膜状のＮＦ膜、ＲＯ膜を集
水管の周囲に巻囲したスパイラル型エレメントや、プレ
ート型支持板の両面に平膜状のＮＦ膜、ＲＯ膜を張った
ものをスペーサーを介して一定の間隔で積層してモジュ
ール化したプレート・アンド・フレーム型エレメント、
さらには、管状のＮＦ膜、ＲＯ膜を用いたチューブラー
型エレメント、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、耐圧容器に単数もしくは複数個を直
列に接続して収容して構成されている。エレメントの形
態としては、いずれの形態であってもよいが、操作性や
互換性の観点からはスパイラル型エレメントを使用する
のが好ましい。なお、エレメント本数は、膜性能に応じ
て任意に設定することができる。スパイラル型エレメン
トを用いた場合、１つのモジュールに装填するエレメン
トの本数は、直列に６本程度が好ましい。

【００３１】本発明は、図１に示すＮＦ膜モジュールの
部分を３段以上に構成することで、さらに高回収率化、
透過水の塩濃度低減を図ることができる。図２に、ＮＦ
膜モジュールの部分を３段に構成した態様を示す。な
お、図１における高圧ポンプ以降の部分は省略してい
る。

【００３２】図２では、原水１を、１段目のＮＦ膜モジ
ュール２０Ａに通水して透過水２１Ａと濃縮水２２Ａと
に分離し、濃縮水２２Ａを２段目のＮＦ膜モジュール２
０Ｂに通水して透過水２１Ｂと濃縮水２２Ｂとに分離す
る。この濃縮水２２Ｂに薬品添加手段４０からスケール
防止剤を添加し、中間昇圧ポンプ３０で再昇圧した後、
３段目のＮＦ膜モジュール２０Ｃに通水して透過水２１
Ｃと濃縮水２２Ｃとに分離する。各段のＮＦ膜モジュー
ルの透過水２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃを混合して、ＮＦ膜
モジュール透過水２１としてＲＯ膜モジュールに送水す
る。ＲＯ膜モジュールへの送水からは図１に示す態様と
同様である。一方、濃縮水２２Ｃが有する圧力エネルギ
をエネルギ回収装置８０で回収し、昇圧ポンプ１０の電
力費低減を図っている。

【００３３】続いて、図３では、図２で説明した３段目
のＮＦ膜モジュール２０Ｃの後段に、さらに複数段のＮ
Ｆ膜モジュールを連接している。そして、最終段のＮ段
目のＮＦ膜モジュールへの供給水に、薬品添加手段４０
からスケール防止剤を添加する。Ｎ段目のＮＦ膜モジュ
ール濃縮水２２Ｎの圧力エネルギはエネルギ回収装置８
０で回収し、中間昇圧ポンプ３０の電力費低減を図って
いる。各段のＮＦ膜モジュールの透過水は集水して透過
水２１としてＲＯ膜モジュールに送水する。ＲＯ膜モジ
ュールへの送水からは図１に示す態様と同じである。

【００３４】

【実施例】以下の実施例、比較例においては、ＮＦ膜と
してピペラジンポリアミド系複合膜を、ＲＯ膜として架
橋芳香族ポリアミド系複合膜を用い、それぞれの膜をス
パイラル型エレメントとしたものを使用した。（実施例１）図１に示した造水装置を用いて造水を行っ
た。原水としては３．５％海水を使用し、前段のＮＦ膜
モジュール２０Ａには、３．５％、２５℃、ｐＨ６．５
の海水を１．５ＭＰａで供給したときの膜透過流束が
０．５５ｍ³／ｍ²／ｄのＮＦ膜を、後段のＮＦ膜モジュ
ール２０Ｂには、３．５％、２５℃、ｐＨ６．５の海水
を１．５ＭＰａで供給したときの膜透過流束が１．０ｍ
³／ｍ²／ｄのＮＦ膜をそれぞれ用いた。昇圧ポンプ１０
の運転圧力を２．７ＭＰａ、前段のＮＦ膜モジュール２
０Ａの回収率を６０％で運転を行い、濃縮水２２Ａにヘ
キサメタリン酸ナトリウム濃度が２ｍｇ／ｌになるよう
に添加し、中間昇圧ポンプで３．１ＭＰａまで昇圧した
後、後段のＮＦ膜モジュール２０Ｂで回収率５５％で運
転を行った。多段に構成したＮＦ膜モジュール全体の回
収率は８２％に達し、得られたＮＦ膜モジュール透過水
濃度は２．６％（供給水濃度の７４．３％）であった。
また、濃縮水２２Ｂの圧力エネルギをエネルギ回収装置
８０で回収した結果、中間昇圧ポンプ３０の電力消費量
を約１５％低減することができた。

【００３５】この透過水を高圧ポンプ５０で８．５ＭＰ
ａまで昇圧し、３．５％、２５℃、ｐＨ６．５の海水を
５．５ＭＰａで供給したときの塩除去率が９９．８０
％、膜透過流束が０．７５ｍ³／ｍ²／ｄのＲＯ膜を使用
したＲＯ膜モジュール６０に通水して、透過水６１と濃
縮水６２とに分離した。このときの透過水回収率は装置
全体で７８％、透過水濃度は９０ｍｇ／ｌだった。ま
た、濃縮水６２の圧力エネルギをエネルギ回収装置７０
で回収した結果、高圧ポンプ５０の電力消費量を約２５
％低減することができた。（実施例２）前段のＮＦ膜モジュール２０Ａにアニオン
系ＮＦ膜を、後段のＮＦ膜モジュール２０Ｂにカチオン
系ＮＦ膜とした以外は実施例１と同じ装置を使用して造
水を行った。

【００３６】その結果、前段のＮＦ膜モジュール２０Ａ
の回収率は６４％、後段のＮＦ膜モジュール２０Ｂの回
収率は５０％、ＮＦ膜モジュール全体の回収率は８０％
となり、透過水２１の塩濃度を２．８％（供給水濃度の
８０％）にまで低減できた。

【００３７】続いて、透過水２１を高圧ポンプ５０で
８．８ＭＰａにまで昇圧してＲＯ膜モジュール６０に供
給して膜分離した結果、回収率は装置全体で７４％とな
り、透過水濃度は１１５ｍｇ／ｌであった。（実施例３）図１のＮＦ膜モジュール部分（ＮＦ膜モジ
ュール２０Ａおよび２０Ｂ、透過水２１Ａおよび２１
Ｂ、濃縮水２２Ａおよび２２Ｂ、中間昇圧ポンプ３０、
薬品添加手段４０、エネルギ回収装置８０）を、図２に
示す装置と入れ替えた以外は実施例１と同様にして造水
を行った。

【００３８】ＮＦ膜モジュール２０Ａ、２０Ｂには、
３．５％、２５℃、ｐＨ６．５の海水を１．５ＭＰａで
供給したときの膜透過流束が０．５５ｍ³／ｍ²／ｄのＮ
Ｆ膜を、ＮＦ膜モジュール２０Ｃには、３．５％、２５
℃、ｐＨ６．５の海水を１．５ＭＰａで供給したときの
膜透過流束が１．０ｍ³／ｍ²／ｄのＮＦ膜を使用した。
昇圧ポンプ１０の運転圧力は２．４ＭＰａ、中間昇圧ポ
ンプ３０は使用せず、３段目ＮＦ膜モジュール２０Ｃ直
前でスケール防止剤であるヘキサメタリン酸ナトリウム
を１ｍｇ／ｌになるように添加して、各ＮＦ膜モジュー
ルの回収率を５０％として運転を行った。この結果、Ｎ
Ｆ膜モジュール全体として回収率は８７．５％であっ
た。また、透過水２１の塩濃度は２．９％（供給水濃度
の８２．９％）にまで低減した。

【００３９】この透過水２１を、高圧ポンプ５０で８．
８ＭＰａにまで昇圧してＲＯ膜モジュール６０に供給し
て膜分離した結果、回収率は装置全体で７１％となり、
透過水濃度は１２７ｍｇ／ｌであった。（実施例４）図１のＮＦ膜モジュール部分（ＮＦ膜モジ
ュール２０Ａおよび２０Ｂ、透過水２１Ａおよび２１
Ｂ、濃縮水２２Ａおよび２２Ｂ、中間昇圧ポンプ３０、
薬品添加手段４０、エネルギ回収装置８０）を、図３に
示す装置と入れ替えた以外は実施例１と同様にして造水
を行った。なお、Ｎ＝４（４段目ＮＦ膜モジュールを２
０Ｄとする）とし、２段目ＮＦ膜モジュール２０Ｂおよ
び３段目ＮＦ膜モジュール２０Ｃの間に中間昇圧ポンプ
３０を設けた。なお、高圧ポンプ５０以降（ＲＯ膜モジ
ュール６０、エネルギ回収装置７０）は図１と同様であ
る。

【００４０】ＮＦ膜モジュール２０Ａ、２０Ｂには、ア
ニオン荷電を有し、３．５％、２５℃、ｐＨ６．５の海
水を１．５ＭＰａで供給したときの膜透過流束が０．４
ｍ³／ｍ²／ｄのＮＦ膜を、ＮＦ膜モジュール２０Ｃ、２
０Ｄには、カチオン系荷電を有し、３．５％、２５℃、
ｐＨ６．５の海水を１．５ＭＰａで供給したときの膜透
過流束が０．８ｍ³／ｍ²／ｄのＮＦ膜を使用した。

【００４１】昇圧ポンプ１０の操作圧力は１．７ＭＰ
ａ、中間昇圧ポンプ３０の操作圧力は２．５ＭＰａとし
た。また、４段目ＮＦ膜モジュール２０Ｄ直前でスケー
ル防止剤であるヘキサメタリン酸ナトリウムを１ｍｇ／
ｌになるように添加して、各モジュールの回収率を、４
０％、４０％、３０％、２０％で運転を行った。その結
果、ＮＦ膜モジュール全体としての回収率は８１．１％
となった。また、透過水２１の塩濃度を２．９５％（供
給水濃度の８４．３％）にまで低減できた。

【００４２】この透過水２１を、高圧ポンプで９．０Ｍ
Ｐａにまで昇圧してＲＯ膜モジュール６０に供給して膜
分離した結果、回収率は装置全体で７０％となり、透過
水濃度は１３３ｍｇ／ｌだった。（比較例１）図１の装置において、ＮＦ膜モジュール２
０Ｂ、中間昇圧ポンプ３０、薬品添加手段４０を除いて
造水を行った。ＮＦ膜モジュール２０ＡのＮＦ膜には、
３．５％、２５℃、ｐＨ６．５の海水を１．５ＭＰａで
供給したときの膜透過流束が０．７ｍ³／ｍ²／ｄのＮＦ
膜を使用し、昇圧ポンプ１０の操作圧力を２．５ＭＰ
ａ、回収率８５％で運転したところ、濃縮水２２Ａ中に
硫酸カルシウムスケールが析出した。このため、ＮＦ膜
モジュールの回収率を７０％に下げざるを得なかった。
また、この時の透過水２１の塩濃度は２.７％となり、
この透過水２１を、高圧ポンプで９．０ＭＰａにまで昇
圧してＲＯ膜モジュール６０に供給して膜分離した結
果、回収率は装置全体で５５％となり、透過水濃度は１
２０ｍｇ／ｌだった。（比較例２）比較例１と同じ用いて、ＮＦ膜モジュール
２０ＡのＮＦ膜には、３．５％、２５℃、ｐＨ６．５の
海水を１．５ＭＰａで供給したときの膜透過流束が１．
２ｍ ³／ｍ²／ｄのＮＦ膜を使用し、昇圧ポンプ１０の運
転圧力を１．５ＭＰａで運転したところ、ＮＦ膜モジュ
ールの回収率は８７％を達成したが、透過水２１の塩濃
度は３．２％（供給水濃度の９１．４％）の低減にとど
まった。中間昇圧ポンプ３０、薬品添加手段４０は使用
しなかった。

【００４３】この透過水２１を、実施例１と同じＲＯ膜
性能を有するＲＯ膜モジュール６０を使用し、高圧ポン
プの運転圧力を９．０ＭＰａで処理した結果、ＲＯ膜モ
ジュールの回収率は６３％、装置全体の回収率は５４.
８％と低く、透過水濃度は１６０ｍｇ／ｌだった。ＲＯ
膜モジュールの回収率を７５％（装置全体の回収率は６
５.２％）に上げたところ、透過水濃度が５２０ｍｇ／
ｌと急激に悪化した。この数値はＷＨＯ（世界保健機
構）の飲料水基準を超えているため、この透過水６１を
そのまま飲料水として用いることはできなかった。

【００４４】

【発明の効果】本発明では、海水または高濃度かん水を
ＮＦ膜モジュールに供給して透過水と濃縮水とに膜分離
し、そのＮＦ膜モジュールの透過水をＲＯ膜モジュール
に供給して透過水と濃縮水とにさらに分離する際、ＮＦ
膜モジュールを多段に構成し、かつ、前段のＮＦ膜モジ
ュールの濃縮水を次段のＮＦ膜モジュールに供給する。
これにより、ＮＦ膜モジュール全体としての回収率を高
めることができ、またＮＦ膜モジュールの透過水塩濃度
を供給水濃度の８５％以下に低減することが可能とな
る。その結果、後段のＲＯ膜モジュールへの供給水浸透
圧を低減することとなり、より低圧での運転、エネルギ
消費量の低減が可能となる。これは、ＲＯ膜モジュール
への供給水の昇圧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、ＲＯ膜の圧密化を防
止することができ、ＲＯ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。また、ＮＦ膜を用いない従来法に比べて水質を維持
したままで透過水量を増大することができ、その結果、
高回収率化と単位造水量あたりの造水コスト低減を達成
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施態様を示す造水装置のフロー図
である。

【図２】本発明の他の実施態様を示す造水装置のフロー
図である。

【図３】本発明のさらに別の実施態様を示す造水装置の
フロー図である。

【符号の説明】

１：原水（海水または高濃度かん水）１０：昇圧ポンプ２１：ＮＦ膜モジュール透過水（トータル）２０A〜２０C、２０Ｎ：ＮＦ膜モジュール２１A〜２１Ｃ、２０Ｎ：透過水２２A〜２２Ｃ、２２Ｎ：濃縮水３０：中間昇圧ポンプ４０：薬品添加手段５０：高圧ポンプ６０：ＲＯ膜モジュール６１：透過水６２：濃縮水７０：エネルギ回収装置８０：エネルギ回収装置

フロントページの続きＦターム(参考） 4D006 GA03 GA07 HA61 JA53A JA57A KA03 KA14 KA41 KA52 KA53 KA54 KA55 KA57 KA68 KD11 KD27 KE03Q KE03R KE05Q KE05R KE07Q KE07R KE13Q KE13R MA03 MA06 MA09 MA13 MA14 MA25 MA31 MB11 MB18 MB20 MC18 MC29 MC54 MC54X MC62 MC63 NA07 NA41 NA42 NA43 NA46 NA63 NA64 PA01 PB03 PB25 PB26

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ナノフィルトレーション膜（ＮＦ膜）モジ
ュールを多段に構成し、その多段に構成したＮＦ膜モジ
ュールに海水および／または高濃度かん水を供給して透
過水と濃縮水とに膜分離し、各段におけるＮＦ膜モジュ
ールの透過水を逆浸透膜（ＲＯ膜）モジュールに供給し
て透過水と濃縮水とにさらに膜分離する造水方法であっ
て、前段のＮＦ膜モジュールの濃縮水を次段のＮＦ膜モ
ジュールに供給することを特徴とする造水方法。
【請求項２】ＲＯ膜モジュールへの供給水の濃度を多段
に構成したＮＦ膜モジュールに供給する海水および／ま
たは高濃度かん水の濃度の８５％以下にする、請求項１
に記載の造水方法。
【請求項３】多段のＮＦ膜モジュールにおける回収率が
８０％以上になるように運転する、請求項１または２に
記載の造水方法。
【請求項４】各段におけるＮＦ膜モジュールの操作圧力
を４ＭＰａ以下にする、請求項１〜３のいずれかに記載
の造水方法。
【請求項５】前段のＮＦ膜モジュールの濃縮水を後段の
ＮＦ膜モジュールに供給する際に、濃縮水を前段のＮＦ
膜モジュールにおける操作圧力以上に昇圧する、請求項
１〜４のいずれかに記載の造水方法。
【請求項６】最後段のＮＦ膜モジュールの濃縮水の圧力
エネルギを利用して前段の膜モジュールへの供給水を昇
圧する、請求項１〜５のいずれかに記載の造水方法。
【請求項７】海水および／または高濃度かん水を濃縮水
と透過水とに膜分離するナノフィルトレーション膜（Ｎ
Ｆ膜）モジュールと、そのＮＦ膜モジュールの透過水を
さらに透過水と濃縮水とに膜分離する逆浸透膜（ＲＯ
膜）モジュールと、ＮＦ膜モジュールおよびＲＯ膜モジ
ュールへの供給水を昇圧する昇圧ポンプとを備え、ＮＦ
膜モジュールは、前段の濃縮水を後段で膜分離するよう
に多段に構成されていることを特徴とする造水装置。
【請求項８】ＮＦ膜モジュールは、前段と後段とで互い
に膜特性が異なるものである、請求項７に記載の造水装
置。
【請求項９】アニオン系ＮＦ膜を有するＮＦ膜モジュー
ルとカチオン系ＮＦ膜を有するＮＦ膜モジュールとを備
えている、請求項７または８に記載の造水装置。
【請求項１０】３．５％、２５℃、ｐＨ６．５の海水を
運転圧力１.５ＭＰａで供給したときの透過流束が０.４
〜０.６ｍ³／ｍ²／ｄの範囲にあるＮＦ膜を有するＮＦ
膜モジュールと、３.５％、２５℃、ｐＨ６．５の海水
を運転圧力１.５ＭＰａで供給したときの透過流束が
０．８〜１．２ｍ³／ｍ²／ｄの範囲にあるＮＦ膜を有す
るＮＦ膜モジュールとを備えている、請求項７〜９のい
ずれかに記載の造水装置。
【請求項１１】前段のＮＦ膜モジュールと後段のＮＦ膜
モジュールとの間に昇圧ポンプを備えている、請求項７
〜１０のいずれかに記載の造水装置。
【請求項１２】最後段のＮＦ膜モジュールの濃縮水の圧
力エネルギを前段のＮＦ膜モジュールへの供給水の昇圧
に利用するエネルギ回収装置を備えている、請求項７〜
１１のいずれかに記載の造水装置。