JP2005524520A - ２段階ナノ濾過海水脱塩システム - Google Patents

Abstract

この発明は、２段階海水脱塩システムを利用して海水を脱塩するための方法および装置に向けられている。（図１）第１の段階は、第１段のポンプ（１２５）によって充分に加圧された供給海水を受け入れて第１の浸透物を生産する、少なくとも一つの高性能ナノ濾過膜（１３５）を有している。第２の段階は、第２段のポンプ（１５０）によって約２００ｐｓｉ〜約３００ｐｓｉに加圧された第１の浸透物を受け入れて飲料水を生産する、少なくとも一つの高性能ナノ濾過膜（１６０）を有している。

Description

河川、湖沼、水流および湧泉は、人類および他の動物にとって、何千年もの間にわたり有り難くかつ豊富な飲料水の源となってきた。人口が増加すると飲料水の需要もまた増えることは周知である。ローマ人は、例えば入浴水を供給するために水道を建設した。人口が増加するに連れて水は飲用および調理のために転用された。近年、地下の帯水層内に貯えられている飲料水にアクセスするために、削孔手段が用いられている。河川、湖沼および水流と同様に、帯水層もその水位が低下してきており、その汚濁は、多大かつ非実用的に費用のかかる処理なしには飲料水の供給源として不適当なものとなっている。

近年、世界の海洋は、潜在的な飲料水の巨大な貯水池としてさらに注目を集めている。海水の比較的高い塩分のために「水は至る所にあるが、飲める滴はどこにもない」というフレーズは自明の理である。原料のままの海水は多量の塩分を含むため人間の消費には適していない。

世界の開かれた海洋においては、海水は約３５，０００ｍｇ／ｌの塩分濃度とも呼ばれる全溶解固形物を含んでいるが、氷の融解による淡水の流入や河川および小川から雨水のために極地および沿岸領域においては少ない。塩分の実質的な減少は、ワシントン州のコロンビア川の河口から２００マイルにわたって観測された。他方、例えばペルシャ湾および紅海は、高い蒸発率および比較的少ない降雨量によって、その塩分レベルが約４０，０００ｍｇ／ｌであることが知られている。

一般的に認められていることは、飲用品質の水が５００ｍｇ／ｌ以上の全溶解固形物を含んではいけないこと、およびそのうちの塩化物の含有量が２５０ｍｇ／ｌを超えてはいけないということである。この基準を満たすために、海水内の塩分の９８．５％以上を取り除かなければならない。本明細書においては、その全溶解固形物が多くとも５００ｍｇ／ｌでありその塩化物が２５０ｍｇ／ｌを超えない飲用品質の水を飲料水と定義する。

海水には７０以上の元素が溶解している。しかしながら、海水中の全溶解固形物の９９重量％が６つのイオンによって占められている。ナトリウムおよび塩素はそれぞれ一価のイオンの形であり、その塩味の原因であるばかりでなく、海水中の全溶解固形物の８５％をわずかにに上回っている。海水中の全溶解固形物のうちナトリウムが約３０重量％を占め、塩素は５５重量％をわずかにに上回っている。他の４つのイオンにはカルシウム、マグネシウム、カリウムおよび硫酸塩が含まれる。カルシウム、マグネシウムおよび硫酸塩は二価のイオンである。カリウムは、海水のうち約１．１重量％のみを占める一価のイオンである。

海水から飲料水を製造するために、逆浸透圧法として知られる製法が利用されている。逆浸透は自然に生じる浸透プロセスとは逆のプロセスである。浸透は、異なる濃度の水溶液が半透膜によって分離されているときに生じる。溶質濃度の低い水溶液による液圧は、膜を横断するように溶質濃度の高い水溶液に作用する。膜を横切る浸透圧は２つの水溶液の間の濃度の差に正比例する。それに作用している自然の浸透圧に対抗するためには、濃度の高い溶液に圧力を負荷しなければならない。自然に生じる浸透圧の流れの方向は逆転させるには、追加の圧力が必要である。

逆浸透圧法（ＲＯ）においては、部分的には膜の精密さのために、かつ塩分濃度の増加ではなく海水の希釈を促進させるために反対方向に作用することが優先する浸透圧に打ち勝つために必要な付加的な力のために、高い圧力を海水に負荷する必要がある。逆浸透膜は極めて微細であり、細菌、糖、タンパク、色素および塩分のような極めて小さな汚染物質を拒絶することができる。そのような高い圧力下においては、一部の飲料水が半透膜を通過して浸透し、海水の残りの部分およびほとんど全ての塩分が膜を通過しないで留められるので、圧力下において一掃されるより塩分の豊富な濃縮物が形成される。このようにして、海水は、塩分濃度の低い浸透物と、海水よりも高い塩分濃度の濃縮物あるいは残留物とに、膜によって分別される。

海水の脱塩が実施可能であることは公知である。しかしながら、海水脱塩設備を支えるための高い材料および運転のコストは、このプロセスの広い適用を妨げてきた。

膜の反対側から飲料水が及ぼしている自然の浸透圧と釣り合うために、３５，０００ｍｇ／ｌの塩分の海水に約３６０ｐｓｉを負荷しなければならないことは周知である。さらに、ＲＯ膜を介して海水から飲料水を製造するために、約８００〜１，２００ｐｓｉの全圧が必要なことは従来技術に開示されている。

そのような高い圧力の負荷は、加圧された食塩溶液を収容するために、高価であるが高い圧力に耐えるステンレス鋼を含む材料を必要とする。さらに、高価なポンプ機械や、機械を運転するために必要な高い圧力を製造するために必要なエネルギーがコストを押し上げる。さらに、逆浸透膜に対するそのような力の負荷は、圧密効果によってその効率を急速に減少させる傾向にある。これらの効果は６００ｐｓｉ以上ではますますひどくなり、時間が経つにつれて膜を横切る流れを減少させるとともに、それに対応して膜の寿命が減少し、休止時間および膜の交換を含めた運転コストをさらに増加させる。

ＲＯ膜を介した濾過のために必要とする圧力を減少させることは、従来技術に開示されている。例えば、Brayに対する米国特許第４,１５６,６４５号は、２段階の濾過を含むＲＯ脱塩法を開示している。なお、その開示はこの参照によって本願明細書に組み込まれたものとする。ここで、第１段階では、３００〜５５０ｐｓｉの圧力において比較的緩いＲＯ膜に通すことにより、供給された海水の１／４〜１／２の塩分を含む中間生産水を製造する。それに続く第２段階においては、中間生産水を、第１段階と同じあるいはより高い圧力においてよりしっかりとしたＲＯ膜に通し、２，０００ｐｐｍ未満の全溶解固形物を含む最終生産水を製造する。また、このBray特許には、そのような低い圧力がより低コストのプラスチック材料の使用を可能とすることが開示されている。

逆浸透膜は、あらゆる膜のなかで最もしっかりとしたものであることは一般的に公知である。しかしながら、より制約の少ないろ過機構は周知である。限外ろ過が１，０００〜１００，０００グラム／モルの分子量の微粒子の濾過を含むことは一般的に公知である。これらの二つの制約レベルの間で、かつその一部に重なって作動するものはナノ濾過（ＮＦ）である。Twardowskiへの米国特許第５，５８７，０８３号に開示されているように、ＲＯ膜と同様に、このＮＦ膜は、表皮層を支持している微孔性のポリマー薄板を構成する、架橋芳香族ポリアミドから成る複合構造である。なお、その開示はこの参照によって本願明細書に組み込まれたものとする。そのような膜組織は、薄膜複合材（ＴＦＣ）として周知である。しかしながら、ＲＯ膜と異なり、ＮＦ膜は、その表皮層により大きな細孔径を有しているとともにその個々の孔の内部に正味の負の電荷を有している。これらの孔は、そのサイズによって材料を拒絶し、かつその電荷は、導入されたイオンの表面電荷密度に基づいて帯電した化学種を拒絶する。'０８３特許は、例えば塩化ナトリウムのような一価の化学種を含んでいる水溶液から、多価イオンの化学種、例えば硫酸ナトリウムを選択的に分離するためにナノ濾過を採用することを開示しているが、塩化ナトリウムはナノ濾過膜を通過する。'０８３特許はまた、逆浸透が全てのイオン化学種を拒絶することを開示している。

ナノ濾過膜を利用する電荷ベースの塩分の分離もまた、Linへの米国特許第５，４５８，７８１号に開示されている。なお、その開示はこの参照によって本願明細書に組み込まれたものとする。'７８１特許は、ＲＯ膜とＮＦ膜との組合せを用いて、海水および汽水から一価の負イオン臭化物を分離するプロセスを提案している。ＮＦ膜は選択的に臭化物イオンを通過させるが、多価負イオンを拒絶することが開示されている。また、そこに開示されているナノ濾過膜の電荷分離特性が、供給流れの一価負イオンリッチな浸透流れへの分離をもたらして、多価負イオンリッチな残留物を残し得ることが提案されている。

同様に、Uhlingerに対する米国特許第６，１９０，５５６号は、海水から飲料水を製造するためにＲＯ膜およびＮＦ膜を互いに組み合わせて使用することを提案している。なお、その開示はこの参照によって本願明細書に組み込まれるものとする。そこには、最初に少なくとも一つのＮＦ膜を通して直列に濾過するために、両方の膜を含んでいる容器が２５０〜３５０ｐｓｉに加圧された海水を受け入れ、そこからの浸透流れを遮断して同じポンプにより２５０〜３５０ｐｓｉに加圧して少なくとも一つのＲＯ膜にポンプ送りし、飲料水の浸透流れを生じさせ、濃縮物をＮＦ膜の洗浄のために用いることが開示されている。そこには二価イオンが約９５％、実質的に減少し、かつ一価のイオンが約５０％、適度に減少した浸透流れをＮＦ膜が生じさせることが提案されている。海水中に一価のナトリウムおよび塩素が高い程度で存在しているという小さくない理由により、第１の浸透流れの塩分濃度が約１０，０００〜１５，０００ｍｇ／ｌとなることが提案されている。第２段階のＲＯ膜は、その供給流れの塩分含有量が少ないため、より低い圧力下で運転することができる。３５，０００ｍｇ／ｌの塩分の海水の供給を受け入れるために最初にＲＯ膜を用いると、余分な塩分の存在は浸透流れを得るために実質的により高い動作圧力を必要とする。

しかしながら、逆浸透膜を用いることなしに海水から飲料水を連続的に生産するための、簡単で、コスト効果的でかつ実際的な方法のニーズは依然として存在している。

［発明の要約］
本発明は、直列流れ関係にある第１および第２段の高性能ナノ濾過膜を含む、２段階海水脱塩システムに向けられている。第１段の膜は、十分に加圧された海水がポンプ送りされて第１の浸透物および第１の残留物を生産する。そして、第２段の膜は、約２００ｐｓｉ〜約３００ｐｓｉに加圧された第１の浸透物がポンプ送りされて、飲料水および第２の残留物を生産する。選択的に、１，０００ｍｇ／ｌの全溶解固形物の水を生産することができる。さらなる選択として、第２の残留物の圧力は、加圧された供給海水に導入して脱塩システムによりリサイクルするために、その圧力へとブーストポンプによって増加させることができる。第２の残留物の圧力は、供給海水への導入のために減少させることができる。また選択的に、第１の保留物はエネルギー回収のために減圧することができる。第２の段階と協動してあるいは単独に、第１の残留物を濃縮物高性能ナノ濾過膜に通して、第１の残留物を高濃縮物と希釈濃縮物に分別することができる。希釈濃縮物は、供給海水への追加および希釈のために選択的に生産される。

本発明のこれらのおよび他の利点は、本発明の原理を一例として説明しかつ描写する、添付の図面とともになされる以下の詳細な説明から明らかとなる。

本発明は、２段階海水脱塩システムを用いて海水を脱塩する方法および装置に向けられている。その第１段階は、第１段のポンプによって加圧された供給海水を受け入れて、供給海水より低い塩分濃度の第１の浸透物および供給海水より高い塩分濃度の第１残留製品を生じさせるのに十分な少なくとも一つの高性能ナノ濾過膜を有している。そして、その第２段階は、第２段のポンプによって約２００ｐｓｉ〜約３００ｐｓｉに加圧された第１の浸透物を受け入れて飲料水を製造する、少なくとも一つの高性能ナノ濾過膜を有している。

供給海水および第１の浸透物の加圧は、１つ若しくは複数のポンプによって達成される。第１の浸透物および飲料水は、略大気圧においてそれぞれの膜から出る。それぞれの膜から流出する各残留物の圧力は、それぞれの供給原料流の圧力に近い。第１の残留物は、廃棄され、海洋に戻され、あるいは追加された省エネルギーのために、例えばペルトン水車、逆転ポンプ、液圧エネルギー転移等のエネルギー回収装置を介して減圧される。「減圧」という用語は、本願明細書においては、大気圧への完全な減圧に満たないものも含むと理解される。第２の残留物は、廃棄され、海洋に戻され、エネルギー回収装置を介して減圧され、供給海水タンクに供給され、あるいは選択的に脱塩システムを介したリサイクルのために加圧ポンプによって加圧され、加圧されている供給海水に送り込まれる。

図１を参照すると、原料の海水は海洋、海洋井戸、ラニエル井戸(Ranier well)から直接的に引き込むことができ、砂あるいは精密ろ過によって処理され、またはトラックあるいは他の輸送方法（図示せず）によって海洋から脱塩設備に導入される。この設備においては、海水は、脱塩処理ために大気圧で供給海水タンク１１５内に貯蔵される。海水の塩分濃度は導電率テスト、リアルタイムモニタリング、あるいは周知の他の方法によって決定することができる。海水は、第１ポンプ入口管路１２０を介してそれに接続されている第１段階ポンプ１２５により、供給海水タンクから取り出される。供給海水は、それらの間に接続されている第１段のポンプ出口導管１３０を介して、第１段の高性能ナノ濾過膜（ＦＳＭ）１３５による受取りのために供給海水を加圧してポンプ送りする第１段階ポンプを通って流れる。第１段のポンプ１２５は、供給海水を、最高で６００ｐｓｉあるいはそのあたりまで十分に加圧し、ＦＳＭに通して第１の浸透物を製造することができるように選択される。選択的に、この第１の浸透物は、供給海水の塩分濃度の２５％未満とすることができる。第１の浸透物を製造するための供給海水の充分な圧力は、約４００ｐｓｉ〜約６００ｐｓｉ、好ましくは約５００ｐｓｉ〜約５５０ｐｓｉである。第１の浸透物は、略大気圧において第１段の膜を出るので、第２段階のナノ濾過膜に強制的に通して飲料水を製造するためには追加の加圧を必要とする。

第１の浸透物を受取るためにＦＳＭ１３５に接続されているものは、第１の浸透物出口管路１４０である。第１の浸透物は、この第１の浸透物出口管路１４０を介し、略大気圧においてＦＳＭを出る。第１の浸透物としてＦＳＭを通過しない塩分は、全てではないにしてもそのほとんどが第１の残留物内に保持され、第１の残留物を受取るためにＦＳＭに接続されている第１の残留物出口管路１４５を通ってＦＳＭから出る。供給海水は、このようにしてＦＳＭにより、供給海水より少ない塩分濃度の第１の浸透物とその塩分濃度が供給海水よりも高い第１の残留物とに分別される。

第１の浸透物は、第１の浸透物出口管路１４０を通ってＦＳＭ１３５を出て第２段のポンプ１５０に取り込まれ、その内部において約２００ｐｓｉ〜約３００ｐｓｉに加圧され、それらの間に接続されている第２ポンプ出口管路１５５を通ってＦＳＭ１３５と直列流れの関係にある第２段の高性能ナノ濾過膜（ＳＳＭ）１６０にポンプ送りされる。飲料水を受取るためにＳＳＭ１６０に接続されているものは、飲料水出口管路１６５である。飲料水は、飲料水出口管路１６５を介して略大気圧においてＳＳＭ１６０を出る。全部ではないにしても飲料水としてＳＳＭを通過しない塩分のほとんどは、第２の残留物内に保持され、第２の残留物を受取るためにＳＳＭ１６０に接続されている第２の残留物出口管路１７０を通ってＳＳＭ１６０を出る。第１の浸透物は、このようにしてＳＳＭによって飲料水と第２の残留物とに分別され、第２の残留物の塩分濃度は第１の浸透物の塩分濃度よりも高い。

第１の浸透物を製造するのに十分な供給海水の圧力は、ＦＳＭ１３５を横切る浸透圧を超えなければならない。例えば、供給海水の塩分濃度が３５，０００ｍｇ／ｌで、第１の浸透物の塩分濃度が供給海水の２５％の場合には、ＦＳＭを横切る浸透圧は約２７０ｐｓｉである。したがって、そのような供給海水から第１の浸透物を作り出すのに十分な圧力は、２７０ｐｓｉを超えなければならない。第１の浸透物のかなりの流量を製造するためには、浸透圧を実質的に超える圧力を供給海水に負荷する必要がある。第１の浸透物のかなりの流量を製造するために、好ましくは、供給海水は第１段のポンプ１２５によって約５００ｐｓｉ〜約５５０ｐｓｉに加圧される。しかしながら、実質的に６００ｐｓｉを超える圧力は必要ないばかりでなく、そのような圧力の負荷はエネルギーおよび材料費を押し上げる。

本発明により第１の浸透物から飲料水を製造する際には、第１の浸透物を製造するよりも実質的に低い圧力を必要とする。僅かに低い品質の水、例えば１０００ｍｇ／ｌの塩分の水を製造する際は、必要に応じて供給海水あるいは第１の浸透物のいずれかに僅かに低い圧力を負荷する必要がある。

塩分が３５，０００ｍｇ／ｌの同じ海水の例を利用すると、第１の浸透物は供給海水の２５％の塩分濃度である約８，７５０ｍｇ／ｌの塩分を含むことになる。そのような第１の浸透物をＳＳＭに導入して飲料水を製造すると、ＳＳＭ１６０を横切る浸透圧力の差は、したがって約９０ｐｓｉとなる。本発明を利用すると、第１の浸透物の塩分は典型的に海水給水の２５％未満である。そのような第１の浸透物からかなりの流量の飲料水を得るためには、第１の浸透物は、ＳＳＭに入る前に第２段階ポンプ１５０によって約２００ｐｓｉ〜約３００ｐｓｉに加圧される必要がある。

本発明のナノ濾過膜は、超薄ポリアミドバリヤー層、微孔性のポリスルホン中間層、およびポリエステル支持織物を含む薄膜複合材構造である。典型的に、各膜はシート状に製造され、多数回折りたたまれ、円筒状カートリッジへと渦巻き状に巻かれる。各カートリッジは典型的に、一つの入力給水ポート、および浸透物および残留物が別個に出るための２つの出力ポートを有している。サイズは変化するが、そのようなカートリッジは、直径が約４〜８インチで長さが典型的に４０インチのものをその分野の供給業者から入手可能である。

ナノ濾過膜は、一価の化学種を選んで多価イオンを排除することが知られている。しかしながら、全ての一価のイオンの通過を許容する膜は、相対的に海水内の塩分濃度をほとんど減少させない。例えば、多価イオン、カルシウム、マグネシウムおよび硫酸塩のみの排除すると、一価イオン、ナトリウム、塩素イオンおよびカリウムが浸透物へと通過することになる。多価イオンだけが保持されるものと仮定すると、浸透物の塩分濃度は供給海水の塩分濃度の８６％にもなる。水が多価イオンと保持されると、浸透物の塩分濃度はより高く、おそらくは供給海水とほとんど同じである。

しかしながら、一部のナノ濾過膜は、導入されたイオンの性質および電荷の程度に基づいて完全な排除をもたらさず、むしろ相対的な排除率をもたらし、一価のイオンに対してある範囲において多価イオンの排除を好む。これまで明示したように、Uhlingeに対する′５５６特許は、３５，０００ｍｇ／ｌの塩分を含んでいる海水に存在する二価イオンの少なくとも約９５％および一価のイオンの少なくとも約５０％を拒絶するＮＦ膜を提案している。さらに、そこからのＮＦ浸透物を、流れを遮った後に、残留する塩分の少なくとも９８％を拒絶するＲＯ膜に通して飲料水のＲＯ浸透物を形成することを開示している。また、ＮＦ浸透物の収率が供給海水の少なくとも４０〜４５％であり、かつＲＯ浸透物の収率が、典型的な運転条件下において、ＮＦ浸透物の約８０〜８５％であることを提案している。そのような排除は２つの段階にそれぞれ負荷される２５０ｐｓｉ〜３５０ｐｓｉの圧力により生じ、海水からの飲料水の全体的な回収率が約２６〜３０体積％であることが提案されている。

あるナノ濾過膜は、本願明細書において高性能ナノ濾（ＨＰＮＦ）膜として定義されるが、分子量および電荷ベースに基づいて汚染物質を拒絶することができる。例えば、本発明内に利用される各ＨＰＮＦ膜は、約１４０〜３００のダルトンの汚染物質、９９％を超える二価イオン、および最高約９０％の一価イオンを供給海水から排除する。本発明内に利用する高性能膜は、例えばDow Filmtec のModel No. NF90-4040を入手可能である。８インチ径の膜はカートリッジとして渦巻き状に巻かれた約４００平方フィートの膜領域を使用し、４インチの膜は渦巻き状に巻かれた約８２平方フィートの膜領域を使用する。

本発明においては、少なくとも２つのＨＰＮＦ膜が、ＦＳＭおよびＳＳＭとして直列流れの関係で使用される。そのような膜を利用すると、海水からの一価イオンの排除が７５％より高いことが確認された。二価イオンは、海水において非常に低い濃度に見えるが、比較的高い程度で、少なくとも９５％のオーダーで拒絶された。様々なＨＰＮＦ膜を使用することができるが、カートリッジや関連する付属品および部品の種類が少ないことが求められる在庫にとって都合がよいという長所があるので、本発明はまた単一モデルのＨＰＮＦ膜の使用が好ましいと考える。一つの段に一つの高性能膜のみを利用することができるが、多数のＨＰＮＦ膜を直列に接続して各段を形成することが好ましい。一つの段を形成するために膜を結合することは、浸透物および残留物の所望する収率および品質を達成するために普通に実行されている。多くのＲＯシステムにおいては、６〜８の膜が、例えば、一つの段を形成するために直列に連結されている。本発明においては、各段を形成するために５つの高性能ナノ濾過膜を互いに直列に接続することが好ましく、有利であることが判った。以下の表は、本発明を利用して、ＦＳＭに入る約３５，０００ｍｇ／ｌの塩分を含んでいる供給海水に５２５ｐｓｉの一定の圧力を負荷しつつ、ＳＳＭに入る第１の浸透物に３００ｐｓｉの圧力を負荷したときの排除度合いのテストデータを含んでいる。ＦＳＭおよびＳＳＭには、それぞれ５つのの４インチ径高性能ナノ濾過膜を使用した。

二価イオン，硫酸塩およびカルシウムの拒絶が、一価イオン、ナトリウムおよび塩素イオンより優先されていることがこの資料から明らかである。ＦＳＭを通過する流量は、１日あたり１つの膜ごとに約７ガロン／平方フィートであった。実用的な量の製品の供給するために、ＦＳＭを通過する流量は、１日あたり１つの膜ごとに約６〜１０ガロン／平方フィートの範囲で変化し得る。ＳＳＭを通過する流量は、１日あたり約２０ガロン／平方フィートであるが、１日あたり１つの膜ごとに約１９〜２６ガロン／平方フィートの範囲で変化することが判った。膜を通過する流量の差異は、部分的には第２段において大きく減少した浸透圧によって、かつ部分的には生産された容積の差異によって説明される。

表１のデータは、第１の浸透物の塩分濃度が供給海水の２５％未満であることを示している。約３５，０００ｍｇ／ｌの塩分では、供給海水と、供給海水の塩分濃度の約１２％である第１の浸透物との間の浸透圧は、例えば約３１５ｐｓｉである。しかしながら、例えば約４，７５０ｍｇ／ｌの塩分では、飲料水と第１の浸透物との間の浸透圧は、例えば約４５ｐｓｉだけである。ＳＳＭを横切る低い浸透圧は、飲料水を第２段に通すためにより低い圧力しか必要としない。

ＳＳＭを通過する流量は、ＦＳＭからの第１の浸透物の充分な量を一時的に貯蔵し、ＳＳＭに第１の浸透物の十分な量を供給することによって達成される。第１の浸透物の容積収率は、供給海水容積の約３５％と測定された。第１の浸透物から飲料水の容積収率は、約７９％と測定された。飲料水の全収率は、したがって、ＦＳＭに対する供給海水の約２８容量％であった。

理解されるべきことは、圧力、収率および流量は、これに限定されないものの、水垢および異物の蓄積に起因する、特定の膜の制約の度合いに応じて変化し得るということである。加えて、理解されるべきことは、多数のＨＰＮＦ膜は、生産する水の量および塩分濃度の所望に応じて、並列および／または直列に構成することができるということである。例えば、ここまでの開示は、直列流れの関係で互いに接続された第１段および第２段の高性能ナノ濾過膜についてなされてきた。しかしながら、本発明は、そのようには限定されない。低い圧力あるいはより高純度の水の運転が所望される場合には、より多くのＨＰＮＦ膜を互いに直列に用いることができる。さらに、あるいはそれに代えて、生産能力の増加をもたらすために、そのような膜を並列構成に配置することができる。例えば、ＳＳＭの中断不能な運転のために、第１の浸透物の流量に対応させて第２段階ポンプの圧力を低下させることができる。あるいは、飲料水の連続生産のために第１の浸透物の充分な流量をＳＳＭに供給するべく、複数のＦＳＭを、例えば並列構成で利用することができる。選択的に、例えば全溶解固形物が１，０００ｍｇ／ｌといった、より低い品質の水を本発明によって生産することができる。

再び図１を参照すると、第１段のポンプ１２５は、ＦＳＭ１３５に通して第１の浸透物を製造するために、十分に加圧した供給海水を供給することができなければならない。約４００ｐｓｉ〜約６００ｐｓｉで運転できるポンプが適している。第２段のポンプ１５０は、ＳＳＭ１６０に通して飲料水を製造するために、十分に加圧した第１浸透物を供給することができなければならない。第１の浸透物を３００ｐｓｉに加圧できるポンプが充分である。第１および第２段のポンプは、それぞれ単一のポンプとすることができるが、必要に応じ、この分野において周知のように、十分な圧力および流れを供給するように構成された複数のポンプとすることができる。

溶解固形物に加えて、原料のままの海水は、多くの場合微粒子物質を含んでいる。この微粒子物質は、好ましくは、Ametekから供給されているModelF-201、ブルー基準のひだ状フィルターのような基準カートリッジフィルターを使用することによって濾過される。この微粒子フィルタ（図１には図示せず）は、それらの間に接続されている管路を介して、第１段のポンプと供給海水タンクとの間に配置することができる。

また、選択的に、限定的かつ潜在的に詰まらせる水垢の蓄積を防止するために供給海水に水垢防止水溶液を注入する水垢防止剤供給システムを用いることができる。この水垢防止剤供給システム（図１には図示せず）は、その上に取り付けられる注入ポートを介して第１ポンプ入口管路に接続することができる。

図２を参照すると、海水を貯蔵するための海水給水タンク２１５が示されている。海水は、第１ポンプ入口管路２２０によってそれに接続されている第１段のポンプ２２５によって、供給海水タンクから吸い上げることができる。供給海水は、第１段の高性能ナノ濾過膜（ＦＳＭ）２３５による受取りのために供給海水を加圧し、それらの間に接続されている第１ポンプ出口導管２３０を介してポンプ送りする第１段のポンプを通って流れる。この第１段のポンプは、第１の浸透物を生産するために、供給海水を十分に加圧してＦＳＭに通すものが選択される。

第１の浸透物の受取りのためにＦＳＭ２３５に接続されているものは、第１の浸透物出口管路２４０である。第１の浸透物は、第１の浸透物出口管路を介して、略大気圧でＦＳＭを出る。全てではないにしても、第１の浸透物としてＦＳＭを通過しない塩分のほとんどは、第１の残留物を受取るためにＦＳＭに接続されている第１の残留物出口管路２４５通ってＦＳＭを出る第１の残留物内に保持される。このように、供給海水はＦＳＭによって、供給海水より低い塩濃度を有する第１の浸透物と、供給海水より高い塩分濃度の第１の残留物とに分別される。

第１の浸透物は、第１の浸透物出口管路２４０を通ってＦＳＭ２３５を出ると、第２段のポンプ２５０によって吸い上げられ、その内部において約２００ｐｓｉ〜約３００ｐｓｉに加圧されて、それらの間に接続されている第２ポンプ出口導管２５５を介してＦＳＭと直列流れ関係にある第２段の高性能ナノ濾過膜（ＳＳＭ）２６０にポンプ送りされる。飲料水の受取りのためのＳＳＭに接続されているものは、飲料水出口管路２６５である。飲料水は、飲料水出口管路を介して、略大気圧でＳＳＭを出る。全てではないにしても飲料水としてＳＳＭを通過しない塩分のほとんどは、第２の残留物の受取りのためのＳＳＭに接続されている第２の残留物出口管路２７０を通ってＳＳＭを出る第２の残留物内に保持される。第１の浸透物は、このようにしてＳＳＭによって飲料水および第２の残留物に分別されるが、第２の残留物の塩分濃度は第１の浸透物の塩分濃度よりも高い。

本発明のこの実施例においては、第２の残留物は、脱塩システムのＦＳＭ２３５およびＳＳＭ２６０を介したリサイクリングのために供給海水に導入される。第２の残留物は約２００ｐｓｉ〜約３００ｐｓｉに加圧されたまま、第２の残留物出口管路２７０を通ってそれに接続されている加圧ポンプ２７５に移動する。ブースタポンプは、第２の残留物を十分に加圧してポンプ送りするものが選択され、それらの間に接続されている加圧ポンプ放水管２８０を介して第１段ポンプ出口導管２３０内において供給海水に加えるようになっている。約１５％〜約３５％の間で変化し得るが、第２の残留物の好ましい容積は、第１の浸透物の容積の２０％〜３０％であり、かつ好ましくはＦＳＭへの供給海水の約７〜約１５容量％である。

第２の残留物の塩分濃度は、多くの場合に供給海水以下である。所望されるならば、第２の残留物の濃度は導電率テスト等によってモニタすることができる。加圧された供給海水への第２の残留物の導入は、弁手段、ブーストポンプの作動停止、あるいは周知の他の制御手段によって制御することができる。

第２の残留物のリサイクルは、有利な省エネルギーをもたらす。約５００ｐｓｉ〜約５５０ｐｓｉの加圧された供給海水の好ましい圧力に等しくするために、ＳＳＭを出るときの圧力に応じて約２００ｐｓｉ〜３５０ｐｓｉだけ圧力上昇させればよいからである。完全に加圧された第２の残留物の加圧された供給海水への入力は、さもなければそれを大気圧から充分に加圧するために必要なエネルギーを必要とする、同じ容積の供給海水と置き換わる。加えて、第２の残留物の塩分濃度が供給海水より低い場合には、リサイクルのための第２の残留物の使用は希釈効果を有し、使用を伸ばしかつ膜の補修間隔を延長する可能性がある。この希釈効果はまた、加圧された供給海水の塩分濃度を低下させるので、必要に応じて、運転圧力の低下およびさらなる省エネルギーをもたらす。

図３を参照すると、海水を貯蔵するための供給海水タンク３１５が示されている。海水は、第１ポンプ入口管路３２０によりそれに接続されている第１段のポンプ３２５によって、供給海水タンクから吸い上げることができる。供給海水は、第１段の高性能ナノ濾過膜（ＦＳＭ）３３５による受取りのために供給海水を加圧し、それらの間に接続されている第１のポンプ出口導管３３０を介してポンプ送りする、第１段のポンプを通って流れる。第１段のポンプは、供給海水より低い塩分濃度の第１の浸透物を生産するために、供給海水を十分に加圧してＦＳＭに通すものが選択される。

第１の浸透物の受取りのためにＦＳＭ３３５に接続されているものは、第１浸透物出口管路３４０である。第１の浸透物は、第１の浸透物出口管路を介し、略大気圧でＦＳＭを出る。全てではないにしても第１の浸透物としてＦＳＭを通過しなかった塩分のほとんどは、第１の残留物の受取りのためのＦＳＭに接続されている第１の残留物出口管路３４５を通ってＦＳＭを出る第１の残留物内に保持される。このようにして供給海水は、ＦＳＭによって、供給海水より低い塩分濃度を有する第１の浸透物と、その塩分濃度が供給海水より高い第１の残留物とに分別される。

本発明のこの実施例においては、第１の残留物は、加圧された供給海水から加圧されたままであり、それに接続されている第１の残留物出口管路３４５を介してエネルギー回収装置３４７に入る。回収装置は第１の残留物を減圧し、そこから周知のように、例えば水力電気変換によってエネルギーを回収する。

第１の浸透物は、第１の浸透物出口管路３４０を通ってＦＳＭ３３５を出るとともに、第２段のポンプ３５０に吸い上げられてその内部で約２００ｐｓｉ〜約３００ｐｓｉに加圧され、ＦＳＭと直列流れ関係にある第２段の高性能ナノ濾過膜（ＳＳＭ）３６０へと、それらの間に接続されている第２ポンプ出口管路３５５を介してポンプ送りされる。飲料水の受取りのためのＳＳＭ３６０に接続されているものは、飲料水出口管路３６５である。飲料水は、飲料水出口管路を介して略大気圧でＳＳＭを出る。全てではないにしても、飲料水としてＳＳＭを通過しなかった塩分のほとんどは、第２の残留物の受取りのためにＳＳＭに接続されている第２の残留物出口管路３７０を通ってＳＳＭを出る第２の残留物内に保持される。第１の浸透物は、このようにしてＳＳＭによって飲料水と第２の残留物とに分別され、第２の残留物の塩分濃度は第１の浸透物の塩分濃度よりも高い。

図４を参照すると、原料のままの海水は、海水取水ポンプ４１２により吸入管路４１１を介して吸い上げられ、大気圧における貯蔵および脱塩処理プロセスにおける使用のために供給海水タンク４１５に供給される。原料のままの供給海水は、供給海水タンクから複数の第１段のポンプを介して吸い上げられる。この実施例においては、３つの第１段のポンプが互いに連続的に直列流れ関係に接続されており、最初は第１段のポンプ４２５Ａ、次に第２の第１段のポンプ４２５Ｂ、最後に第３の第１段のポンプ４２５Ｃが、第１段ポンプ入口管路４２０によって相互に接続されている。供給海水は、この実施例においては第１のＦＳＭ４３５Ａ、第２のＦＳＭ４３５Ｂ、第３のＦＳＭ４３５Ｃが互いに平行流れの関係にある複数の第１段の高性能ナノ濾過膜（ＦＳＭ）による受取りのために、供給海水を加圧してポンプ送りする３つの第１段のポンプを通って流れる。第１段のポンプ出口導管４３０を介して第１段のポンプに接続されているものは、第１のＦＳＭ、第２のＦＳＭおよび第３のＦＳＭにそれぞれ接続されている３つのマニホールド吐出口４３０Ａ、４３０Ｂおよび４３０Ｃを有したマニホールドである。選択的に、各ＦＳＭに対する流れは、必要に応じ、所望に各マニホールド出口導管にマニホールド出口弁（図示せず）を挿入することによって制御することができる。この実施例においては、３つのＦＳＭは、加圧された供給海水を受け入れるように選択されて、第２段のナノ濾過膜に対する第１の浸透物の連続した供給のために充分な総容積を生産する。

３つの第１段のポンプ４２５Ａ〜Ｃは、供給海水より低い塩分濃度の第１の浸透物を生産するために、その組合せが直列流れ関係において供給海水を十分に加圧してＦＳＭに通すものが選択される。３つの第１段のポンプは、直列流れ関係に配置されて、供給海水の圧力に連続した増加をもたらすとともに、その組合せによりＦＳＭに対する充分な圧力および所望の流れを供給する。加えて、複数の第１段のポンプは、より少ない流れあるいは圧力が所望される場合に、その全数より少ない数での運転に柔軟性を与える。例えば、供給海水の微粒子の濾過および供給海水に対する水垢防止溶液の追加は、単一の第１段のポンプの運転により行われ、このようにして省エネルギーをもたらす。本実施例においては、例えば、微粒子フィルタ４１７は、それらの間に接続された第１段のポンプ入口管路４２０を介して最初の第１段のポンプ４２５Ａと供給海水タンク４１５との間に介装される。

また、最初の第１段のポンプ４２５Ａと微粒子フィルタ４１７との間の第１段のポンプ入口管路４２０に接続された水垢防止供給システム４１８が、図４に示されている。この水垢防止剤供給システムは、限定的かつ潜在的な詰まりを生じさせる水垢の蓄積を防止するために、所望に応じて供給海水に水垢防止溶液を供給する。

最初および２番目の第１段のポンプ４２５Ａ，４２５Ｂの間で第１段ポンプ吸込口管路４２０に接続されているものは再循環管路４２２であり、そこを通る流れは再循環弁４２３によって制御され、かつ供給海水タンク４１５に終端している。再循環管路とバルブおよび最初の第１段のポンプ４２５Ａは、脱塩システム内の他のポンプの運転あるいは運転停止の間に、所望に応じて運転することができる。加えて、膜に対する供給海水の流れあるいは圧力の調整が必要な場合における供給海水の抽出のために、再循環管路および再循環弁を用いることができる。

第１の浸透物の受取りのために各ＦＳＭ ４３５Ａ〜Ｃにそれぞれ接続されているものは、各ＦＳＭ４３５Ａ，４３５Ｂ，および４３５Ｃから出る３つの第１浸透物出口管路であり、１番目、２番目および３番目の第１浸透物はそれぞれ管路４４０Ａ、４４０Ｂおよび４４０Ｃを出る。３つの第１の浸透物出口管路は連結して統合された第１浸透物出口管路４４０を形成し、その下流側の端部は第１浸透物保持タンク４４２に終端する。第１浸透物は各ＦＳＭによって生産され、あるいは所望する数から、略大気圧においてＦＳＭから各第１浸透物出口管路に出て、統合された第１浸透物出口管路内で一体となる。各ＦＳＭについて、全てではないにしても第１浸透物としてＦＳＭを通過しなかった塩分のほとんどは、それぞれに接続されている第１残留物出口管路４４５Ａ、４４５Ｂおよび４４５Ｃを通ってＦＳＭを出る第１の残留物内に保持され、それに接続されている統合された第１残留物管路４４５内で一体となる。供給海水は、このようにしてＦＳＭにより、供給海水の塩分濃度より低い第１浸透物と、その塩分濃度が供給海水より高い第１の残留物とに分別される。

第１浸透物は、最初の第２段のポンプ４５０Ａおよび２番目の第２段のポンプ４５０Ｂによって、第１浸透物保持タンク４４２から吸い上げられ、約２００ｐｓｉ〜約３００ｐｓｉに加圧されて、ＦＳＭと直列流れ関係にある第２段の高性能ナノ濾過膜（ＳＳＭ）４６０にポンプ送りされる。２つの第２段のポンプは互いに直列流れ関係に接続され、それらの間の第２段ポンプ入口管路４５５によって保持タンクとＳＳＭとの間に配置されている。保持タンクは、ＳＳＭにポンプ送りするために必要なときに使用するために第１の浸透物を貯蔵している。第１の浸透物が充分に生産される場合には、ＳＳＭは、カートリッジの交換あるいは維持を必要とするまで、連続的に飲料水を生産するために運転することができる。選択的に、保持タンクは取り除くこともできるし、あるいは統合された第１浸透物出口管路４４０と最初の第２段階ポンプ４５０Ａとの間の直接に管路を接続する設備によって迂回させることもできる。

飲料水の受取りのためにＳＳＭ４６０に接続されているものは、飲料水出口管路４６５である。飲料水は、飲料水出口管路を介して略大気圧でＳＳＭに通される。全てではないにしても飲料水としてＳＳＭを通過しなかった塩分のほとんどは、第２の残留物を受取るためにＳＳＭに接続されている第２残留物出口管路４７０を通ってＳＳＭを出る第２の残留物内に保持される。第１の浸透物は、このようにしてＳＳＭにより飲料水と第２の残留物とに分別され、第２の残留物の塩分濃度は第１の浸透物の塩分濃度より高い。

本発明のこの実施例においては、第２の残留物は加圧された状態でＳＳＭ４６０を出て、脱塩システムを通したリサイクルのために供給海水タンク４１５に送られる。第２の残留物の塩分濃度が供給海水より高くなり得ることが考えられる。必要に応じて、供給海水タンクに導入する前に、第２の残留物を任意の膜に通す経路の追加、あるいはより濃度の低い塩水による希釈を実行することができる。あるいは、残留物は廃棄することもできるし、あるいは海洋に移送することもできる。

図５を参照すると、海水を貯蔵するための供給海水タンク５１５が示されている。海水は、第１ポンプ入口管路５２０によってそれに接続されている第１段のポンプ５２５により、供給海水タンクから吸い上げることができる。供給海水は、第１段のポンプを通って流れる。このポンプは、３つの第１段の高性能ナノ濾過膜、すなわち、マニホールド吐出口５３０Ａ、５３０Ｂおよび５３０Ｃを有して形成されている第１ポンプ出口導管５３０を介して互いに平行流れ関係にある第１のＦＳＭ５３５Ａ、第２のＦＳＭ ５３５Ｂ、および第３のＦＳＭ５３５Ｃによる受取りのために、供給海水を加圧してポンプ送りする。第１段のポンプは、供給海水より少ない塩分濃度の第１の浸透物を生産するために、供給海水を十分に加圧してＦＳＭに通すものが選択される。

第１の浸透物を受取るために各ＦＳＭ５３５Ａ〜Ｃにそれぞれ接続されているものは、各ＦＳＭ５３５Ａ，５３５Ｂおよび５３５Ｃから出る、１番目、２番目および３番目の第１浸透物出口管路５４０Ａ、５４０Ｂおよび５４０Ｃである。これらの３つの第１浸透物出口管路は連結して統合された第１浸透物出口管路５４０を形成し、第２段のポンプ５５０に終端する。第１浸透物は各ＦＳＭによって生産され、あるいは所望する数から、略大気圧においてＦＳＭから各第１浸透物出口管路に出て、統合された第１浸透物出口管路内で一体となる。各ＦＳＭにおいては、全てではないにしても、第１の浸透物としてＦＳＭを通過しなかった塩分は第１の残留物内に保持され、ＦＳＭに接続されている第１の残留物出口管路５４５Ａ、５４５Ｂおよび５４５Ｃを通ってＦＳＭを出て、ＦＳＭに接続されている統合された第１の残留物管路５４５の内部で一体となる。このようにして、供給海水はＦＳＭによって、供給海水より低い塩分濃度を有する第１の浸透物とその塩分濃度が供給海水よりも高い第１の残留物とに分別される。

第１の浸透物は、第１の浸透物出口管路５４０Ａ〜Ｃを通って各ＦＳＭ ５３５Ａ〜Ｃを出るとともに、第２段のポンプ５５０に吸い上げられてその内部で約２００ｐｓｉ〜約３００ｐｓｉに加圧され、それらの間に接続されている第２ポンプ出口導管５５５を介してＦＳＭと直列流れ関係にある第２段の高性能ナノ濾過膜（ＳＳＭ）５６０にポンプ送りされる。飲料水の受取りのためのＳＳＭに接続されているものは、飲料水出口管路５６５である。飲料水は、飲料水出口管路を介して略大気圧でＳＳＭを出る。全てではないにしても飲料水としてＳＳＭを通過しなかった塩分のほとんどは第２の残留物内に保持され、第２の残留物の受取りのためのＳＳＭに接続されている第２残留物出口管路５７０を通ってＳＳＭを出る。第１の浸透物は、このようにしてＳＳＭによって飲料水および第２の残留物に分別され、第２の残留物の塩分濃度は第１の浸透物の塩分濃度より高い。

この実施例の３つのＦＳＭは、ＳＳＭに連続的に供給するのに十分な第１の浸透物および飲料水の中断不能な供給を生産する。選択的に、第１の浸透物は、第２段のポンプによってそこから吸い上げてＳＳＭに第１の浸透物を供給するために、必要に応じて、第１の浸透物給水タンク（図示せず）内に集めることができる。

この実施例においては、第２の残留物は、ＦＳＭ５３５Ａ〜Ｃおよび脱塩システムのＳＳＭ５６０を介したリサイクルのために、供給海水に導入される。第２の残留物は、約２００ｐｓｉ〜約３００ｐｓｉに加圧されたまま残り、第２の残留物出口管路５７０を通ってそれに接続されている加圧ポンプ５７５へと移動する。ブースタポンプは、第２の残留物を、それらの間に接続されている加圧ポンプ出口導管５８０を介して第１段のポンプ出口導管５３０内の供給海水に加えるために、十分に加圧してポンプ送りするものが選択される。１５％〜約３５％の間で変化し得るが、第２の残留物の好ましい容積は、第１の浸透物の容積の２０％〜３０％であり、かつ好ましくは供給海水の容積の約７％〜約１５％である。第２の残留物の加圧された供給海水への導入は、弁手段、ブーストポンプの運転停止、あるいは周知の他の制御手段によって制御することができる。選択的に、第２の保留物は、圧力を増加させることなしに第１段ポンプ入口管路に追加することができる。

第２の残留物のリサイクルは、有益な省エネルギーをもたらす。加圧された供給海水の優先される圧力に等しくするために、ＳＳＭを出る圧力に応じて、約２００ｐｓｉ〜３５０ｐｓｉだけ圧力上昇させればよいからである。加圧された供給海水への完全に加圧された第２の残留物の導入は、さもなければそれを大気圧から十分に加圧するために必要なエネルギーを必要とする同じ容積の供給海水に置き換わることができる。加えて、第２の残留物の塩分濃度が供給海水より低い場合には、リサイクルのために第２の残留物を使用することは希釈効果を持つことになり、膜の使用の延長および補修軌間の延期をもたらす見込みがある。希釈効果もまた加圧された供給海水の塩濃度を低下させ、それによって必要に応じて運転圧力を低下させてさらなる省エネルギーをもたらす。

この実施例においては、第１の残留物は、希釈濃縮物および高濃縮物を生産するために一組の高性能ナノ濾過膜を介して分別され、希釈濃縮物の塩分濃度は第１の残留物および供給海水よりも低くなる。希釈濃縮物は、海水給水をさらに希釈するために海水給水に導入することができる。そのような希釈はＦＳＭ内における浸透圧の減少を有利に生じさせ、必要に応じて加圧された供給海水の圧力の低下を生じさせ、さらなる省エネルギーに帰結する。供給海水内に希釈濃縮物を導入することの追加的な長所は、希釈濃縮物によって供給海水の同じ部分を置き換えることが海水からの飲料水の高い収率をもたらすときに明らかである。

再び図５を参照すると、第１の残留物は、第１残留物出口管路５４５Ａ〜Ｃおよびそれに接続されている統合された第１残留物管路５４５へとＦＳＭ５３５Ａ〜Ｃを出るときに、全てではないにしても第１段のポンプ５２５からの圧力のほとんどを維持している。第１の残留物は、それに接続されている一組の濃縮物段の高性能ナノ濾過膜（ＣＳＭ）５８５Ａおよび５８５Ｂにそれぞれ終端する一組の濃縮物吸込口５４６Ａおよび５４６Ｂにより、下流において分割される。それらは変化し得るが、本実施例においては、各ＣＳＭはＦＳＭおよびＳＳＭと同様に構成される。

第１の残留物は、ＣＳＭにより、それに接続されている希釈濃縮物出口管路５９０Ａおよび５９０Ｂを介して略大気圧でＣＳＭを出る希釈濃縮物と、それに接続された高濃縮物出口管路５９５Ａおよび５９５Ｂを通ってＣＳＭを出る加圧された高濃縮物とに分別される。希釈濃縮物出口は、供給海水への希釈した濃縮物の受入れのために第１のポンプ入口管路５２０に終端するように接続されている。高濃縮物は、高濃縮物出口導管から、それらの間に接続されている統合されたエネルギー回収装置吸込口５９５を介してエネルギー回収装置５４７に送られる。

本実施例の性能は、以下の例により示すことができる。３５，０００ｍｇ／ｌの塩分の海水は、毎分約１２．９ガロンの割合で供給海水タンクから吸い上げられ、第１段のポンプを介して約５３０ｐｓｉまで加圧されてＦＳＭに通されて、略大気圧で約４，２００ｍｇ／ｌの濃度あるいは供給海水の濃度の約１２％の統合された第１の浸透物を毎分約７ガロンを生じさせる。次いで、第１の浸透物は、第２段のポンプにより約３００ｐｓｉまで加圧されてＳＳＭにポンプ送りされ、毎分約４．９ガロンの飲料水を生産する。第２の残留物は、約１２，９００ｍｇ／ｌの塩分濃度で毎分約２．１ガロン生産される。第２の残留物の圧力は、好ましくは約５００ｐｓｉ〜約５５０ｐｓｉまで増加させて、加圧された供給海水に導入される。

加圧を維持しつつ、第１の残留物は約４６，０００ｍｇ／ｌの塩分濃度において毎分約１０．５ガロンでＣＳＭにポンプ送りされる。必要に応じて構成を変更することはできるが、本実施例においては、３つのＦＳＭに導入された供給海水の容積の約６０％である第１の残留物を十分に受け入れるために一組のＣＳＭが設けられている。ＣＳＭは、第１の残留物を、約５６，０００ｍｇ／ｌの塩分の毎分約８ガロンの高濃縮物と、約１４，０００ｍｇ／ｌの塩分の毎分約２．５ガロンの希釈濃縮物とに分別するために運転される。軽微な水頭損失を除いて、高濃縮物は第１段のポンプからの圧力を維持し、さらなる省エネルギーのためのエネルギー回収装置により減圧することができる。希釈濃縮物の収率は、ＣＳＭに導入される第１の残留物の容積の約１０％〜約３０％である。この収率は、部分的には、第１の残留物の比較的高い濃度による浸透圧の増加のためである。単なる例示であるが、第１の残留物と希釈濃縮物との間の浸透圧を消失させるには、少なくとも約３３０ｐｓｉを必要とする。

供給海水への導入のためには、希釈濃縮物は供給海水より低い塩分濃度でなければならない。好ましくは、希釈濃縮物は、海水給水の濃度の３０％〜５０％でなければならない。

本実施例においては、毎分１２．９ガロンの供給海水に、約１４，０００ｍｇ／ｌの塩分の希釈濃縮物を毎分約２．５ガロン、約１２，９００ｍｇ／ｌの塩分の第２の残留物を約２．１ガロンを追加し、毎分約４．９ガロンの飲料水を得た。

同じ条件下で、供給海水に対する希釈濃縮物あるいは第２の残留物の追加がないと、同じ量の飲料水を得るためには少なくとも毎分約１７．５ガロンの供給海水を必要とする。供給海水に希釈濃縮物および第２の残留物を追加することにより、この実施例は、海水タンクより供給された１２．９ガロンの海水からの飲料水の収率が３８％であることを示し、収率の改良は３５％を超えている。しかしながら、本発明を利用したときの収率は、供給海水タンクから吸い上げられた供給海水の量の３８％の飲料水の収率容積を超えることを含んで変化し得る。

この実施例は、追加の利点を提供する。希釈濃縮物および第２の残留物の追加はＦＳＭへの供給海水の濃度を低下させ、優先される第１の残留物を生産するために克服することが必要な浸透圧を低下させる。希釈された海水給水の濃度は、次のように計算することができる。（１２．９ｇｐｍ×３．５％塩分）＋（２．５ｇｐｍ×１．４％塩分）＋（２．１ｇｐｍ×１．２９％塩分）＝〜２．９％（１２．９ｇｐｍ＋２．５ｇｐｍ＋２．１ｇｐｍ）

本実施例においては、希釈された供給海水の塩分濃度は２．９％あるいは２９，０００ｍｇ／ｌであり、希釈されていない３５，０００ｍｇ／ｌの塩分の供給海水から塩分濃度が約１７％減少した。ＦＳＭの浸透圧は、これに対応して減少し、必要に応じて運転圧力が実質的に低下してさらなる省エネルギーに帰結する。

本発明の一つの典型的な形態および適用について記載してきたが、それは本願明細書において述べた具体的な詳細に本発明が限定されることを意味しない。本発明の特定の形状を図示しかつ記載したが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、種々の改良をなしうることは当業者にとって明らかである。したがって、本発明が添付の請求の範囲による以外に限定されることは意図されない。

第１および第２段の高性能ナノ濾過膜を利用して海水を脱塩する方法および装置を示すフローチャート。 第１および第２段の高性能ナノ濾過膜と省エネルギーリサイクルシステムとを含む海水を脱塩する方法および装置を示すフローチャート。 第１および第２段の高性能ナノ濾過膜とエネルギー回収装置を含む海水を脱塩する方法および装置を示すフローチャート。 単一の第２段の高性能ナノ濾過膜と組み合わされた３つの並列の第１段の高性能ナノ濾過膜を利用する、連続的に海水を脱塩する方法および装置を示すフローチャート。 単一の第２段の高性能ナノ濾過膜と組み合わされた３つの並列の第１段の高性能ナノ濾過膜および濃縮物高性能ナノ濾過膜を利用する、連続的に海水を脱塩する方法および装置を示すフローチャート。

Claims (42)

1. 予め定められた塩分濃度の供給海水を吸い上げ、加圧し、約４００ｐｓｉ〜約６００ｐｓｉの圧力でポンプ送りするように構成された第１段のポンプと、
   加圧された前記供給海水を前記第１段のポンプから受け入れて第１の残留物および第１の浸透物を生産するように構成された第１段の高性能ナノ濾過膜と、
   前記第１の浸透物を吸い上げ、加圧し、約２００ｐｓｉ〜約３００ｐｓｉの圧力でポンプ送りするように構成された第２段のポンプと、
   加圧された前記第１の浸透物を前記第２段のポンプから受け入れてわずかに１，０００ｍｇ／ｌの全溶解固形物を含む水を生産するように構成された第２段の高性能ナノ濾過膜と、
   を備えることを特徴とする海水脱塩システム。
2. 前記わずかに１，０００ｍｇ／ｌの全溶解固形物を含む水が飲料品質であることを特徴とする請求項１に記載した脱塩システム。
3. 前記生産された飲料水の容積が、前記第１段の膜によって受け入れられた供給海水の少なくとも１／５の容積であることを特徴とする請求項２に記載した脱塩システム。
4. 前記飲料水が連続的に生産されることを特徴とする請求項２に記載した脱塩システム。
5. 前記第２段の膜が第２の残留物を生産し、
   加圧ポンプが前記第２の残留物を吸い上げ、十分に加圧し、かつポンプ送りして供給海水に加えるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載した脱塩システム。
6. 予め定められた塩分濃度の供給海水を吸い上げ、加圧し、約４００ｐｓｉ〜約６００ｐｓｉの圧力でポンプ送りするように構成された第１段のポンプと、
   加圧された前記供給海水を前記第１段のポンプから受け入れて第１の残留物および前記供給海水の塩分濃度の２５％未満の第１の浸透物生産するように構成された第１段の高性能ナノ濾過膜と、
   前記第１の浸透物を吸い上げ、加圧し、約２００ｐｓｉ〜約３００ｐｓｉの圧力でポンプ送りするように構成された第２段のポンプと、
   加圧された前記第１の浸透物を前記第２段のポンプから受け入れてわずかに１，０００ｍｇ／ｌの全溶解固形物を含む水を生産するように構成された第２段の高性能ナノ濾過膜と、
   を備えることを特徴とする海水脱塩システム。
7. 前記わずかに１，０００ｍｇ／ｌの全溶解固形物を含む水が飲料品質であることを特徴とする請求項６に記載した脱塩システム。
8. 予め定められた品質の供給海水を受け入れて吐出するように構成された供給海水タンクと、
   前記供給海水から微粒子を濾過する微粒子フィルタと、
   前記供給海水タンクとの間に介装された前記微粒子フィルタを介して前記供給海水タンクから前記供給海水を吸い上げ、濾過された前記供給海水を加圧し、約４００ｐｓｉ〜約６００ｐｓｉの圧力でポンプ送りするように構成された第１段のポンプと、
   加圧された前記供給海水を前記第１段のポンプから受け入れて第１の残留物および第１の浸透物を生産するように構成された第１段の高性能ナノ濾過膜と、
   前記第１の浸透物を吸い上げ、加圧し、約２００ｐｓｉ〜約３００ｐｓｉの圧力でポンプ送りするように構成された第２段のポンプと、
   加圧された前記第１の浸透物を前記第２の段階ポンプから受け入れて、飲料水および第２の残留物を生産するように構成された第２段の高性能ナノ濾過膜と、
   を備えることを特徴とする海水脱塩システム。
9. 水垢防止溶液を前記供給海水に注入して水垢の蓄積を防止する、前記フィルタと第１段のポンプとの間に接続された水垢防止供給システムを備えることを特徴とする請求項８に記載した脱塩システム。
10. 前記供給海水が前記第１段の膜に入る前に再循環させるように構成された再循環管路を含むことを特徴とする請求項８に記載した脱塩システム。
11. 前記再循環管路を通る前記供給海水の流れを制御するための、前記再循環管路内に配設された再循環弁を含むことを特徴とする請求項１０に記載した脱塩システム。
12. 予め定められた塩分濃度の供給海水を吸い上げ、加圧し、約４００ｐｓｉ〜約６００ｐｓｉの圧力でポンプ送りするように構成された第１段のポンプと、
    加圧された前記供給海水を前記第１段のポンプから受け入れて第１の残留物および第１の浸透物を生産するように構成された複数の第１段の高性能ナノ濾過膜と、
    前記第１の浸透物を吸い上げ、加圧し、約２００ｐｓｉ〜約３００ｐｓｉの圧力でポンプ送りするように構成された第２段のポンプと、
    加圧された前記第１の浸透物を前記第２段のポンプから受け入れて、前記第１の浸透物から飲料水を生産するように構成された第２段の高性能ナノ濾過膜と、
    を備えることを特徴とする海水脱塩システム。
13. 供給海水を吸い上げ、加圧し、約４００ｐｓｉ〜約６００ｐｓｉの圧力でポンプ送りするように構成された第１段のポンプを選択し、
    前記第１の段階ポンプ内に前記供給海水を吸い上げ、
    前記海水給水を約４００ｐｓｉ〜約６００ｐｓｉに加圧し、
    加圧された前記供給海水を前記第１段のポンプから受け入れて第１の残留物および第１の浸透物を生産するように構成された第１段の高性能ナノ濾過膜を選択し、
    前記第１段のポンプから前記第１段の膜へと前記供給海水をポンプ送りし、
    前記第１の浸透物および前記第１の残留物を生産し、
    前記第１の浸透物を吸い上げ、加圧し、約２００ｐｓｉ〜約３００ｐｓｉの圧力でポンプ送りするように構成された第２段のポンプを選択し、
    前記第２段のポンプ内に前記第１の浸透物を吸い上げ、
    前記第１の浸透物を約２００ｐｓｉ〜約３００ｐｓｉに加圧し、
    加圧された前記第１の浸透物を前記第２段のポンプから受け入れて、わずかに１，０００ｍｇ／ｌの全溶解固形物を含む飲料水を生産するように構成された第２段の高性能ナノ濾過膜を選択し、
    加圧された前記第１の浸透物を前記第２段の膜にポンプ送りし、
    前記第１の浸透物からわずかに１，０００ｍｇ／ｌの全溶解固形物を含む水を生産する、ことを特徴とする海水脱塩方法。
14. 前記わずかに１，０００ｍｇ／ｌの全溶解固形物を含む水が飲料品質であることを特徴とする請求項１３に記載した方法。
15. 前記供給海水が約５００ｐｓｉ〜約５５０ｐｓｉまで加圧されることを特徴とする請求項１３に記載した方法。
16. 前記飲料水は、前記第１段の膜によって受け入れられた前記供給海水の少なくとも１／５の容積で生産されることを特徴とする請求項１４に記載した方法。
17. 前記飲料水が連続的に生産されることを特徴とする請求項１４に記載した方法。
18. 前記第２段の膜が第２の残留物を生産し、
    前記第２の残留物を受け入れ、十分に加圧し、かつポンプ送りして前記加圧された供給海水に加えるように構成されている加圧ポンプを選択し、
    前記第２の残留物を受け入れ、十分に加圧し、かつポンプ送りして前記加圧された供給海水に加え、
    前記第２の残留物を前記加圧された供給海水に加える
    ことを特徴とする請求項１３に記載した方法。
19. 水垢防止溶液を有するとともに前記水溶液を前記供給海水に注入するように構成された水垢防止供給システムを有し、前記水垢防止溶液を前記供給海水に注入することを特徴とする請求項１３に記載した方法。
20. 供給海水を受け入れて吐出するように構成された供給海水タンクと、
    前記供給海水から微粒子を濾過する微粒子フィルタと、
    前記供給海水タンクとの間に介装された前記微粒子フィルタを介して前記供給海水タンクから前記供給海水を吸い上げ、濾過された前記供給海水を加圧し、約４００ｐｓｉ〜約６００ｐｓｉの圧力でポンプ送りするように構成された第１段のポンプと、
    前記供給海水が前記第１段の膜に入る前に再循環させるように構成された再循環管路と、
    前記再循環管路を通る前記供給海水の流れを制御するための、前記再循環管路に配設された再循環弁と、
    を備え、
    前記再循環管路を介して前記供給海水を再循環させることを特徴とする請求項１３に記載した方法。
21. 再循環管路は、再循環している前記供給海水の少なくとも一部を抽出するように構成されて、前記供給海水の少なくとも一部を抜き取ることことを特徴とする請求項２０に記載した方法。
22. 海水から飲料水の連続した供給を生じさせる方法であって、
    予め定められた塩分濃度の供給海水を吸い上げ、加圧し、約４００ｐｓｉ〜約６００ｐｓｉの圧力でポンプ送りするように構成された第１段のポンプを選択し、
    前記第１段のポンプ内に前記供給海水を吸い上げ、
    前記海水給水を約４００ｐｓｉ〜約６００ｐｓｉに加圧し、
    加圧された前記供給海水を前記第１段のポンプから受け入れて充分な量の第１の浸透物の供給を生じさせ、第１の浸透物を第２段の高性能ナノ濾過膜へと連続的に供給するために並列の関係に構成された複数の第１段の高性能ナノ濾過膜を選択し、
    前記第１段のポンプから前記第１段の膜へと前記供給海水をポンプ送りし、
    第１の浸透物および第１の保留物を生産し、
    前記第１の浸透物を吸い上げ、加圧し、約２００ｐｓｉ〜約３００ｐｓｉの圧力でポンプ送りするように構成された第２段のポンプを選択し、
    前記第２段のポンプ内に前記第１の浸透物を吸い上げ、
    前記第１の浸透物を約２００ｐｓｉ〜約３００ｐｓｉに加圧し、
    前記加圧された前記第１の浸透物を前記第２段のポンプから受け入れて飲料水を生産するように構成された第２段の高性能ナノ濾過膜を選択し、
    加圧された前記第１の浸透物を前記第２段の膜にポンプ送りし、
    前記第１の浸透物から飲料水の連続した供給を生じさせる
    ことを特徴とする方法。
23. 海水を脱塩する方法であって、
    予め定められた品質の供給海水を吸い上げ、加圧し、約４００ｐｓｉ〜約６００ｐｓｉの圧力でポンプ送りするように構成された第１段のポンプを選択し、
    前記第１段のポンプ内に前記供給海水を吸い上げ、
    前記海水給水を約４００ｐｓｉ〜約６００ｐｓｉに加圧し、
    加圧された前記供給海水を前記第１段のポンプから受け入れて第１の残留物および第１の浸透物を生産するように構成された第１段の高性能ナノ濾過膜を選択し、
    前記第１段のポンプから前記第１段の膜へと前記供給海水をポンプ送りし、
    前記第１の浸透物および前記第１の残留物を生産し、
    前記第１の浸透物を吸い上げ、加圧し、約２００ｐｓｉ〜約３００ｐｓｉの圧力でポンプ送りするように構成された第２段のポンプを選択し、
    前記第２段のポンプ内に前記第１の浸透物を吸い上げ、
    前記第１の浸透物を約２００ｐｓｉ〜約３００ｐｓｉに加圧し、
    それら間に接続された第２段のポンプ出口導管を介して加圧された前記第１の浸透物を前記第２段のポンプから受け入れ、１０００ｍｇ／ｌの未満の全溶解固形物を含んでいる水を生産するように構成された第２段の高性能ナノ濾過膜を選択し、
    加圧された前記第１の浸透物を前記第２段の膜にポンプ送りし、
    １０００ｍｇ／ｌ未満の全溶解固形物を含む水を生産する
    ことを特徴とする方法。
24. 前記供給海水が約５００ｐｓｉ〜約５５０ｐｓｉまで加圧されることを特徴とする請求項２３に記載した方法。
25. 供給海水を吸い上げ、加圧し、約４００ｐｓｉ〜約６００ｐｓｉの圧力でポンプ送りするように構成された第１段のポンプと、
    加圧された前記供給海水を前記第１段のポンプから受け入れて第１の残留物および第１の浸透物を生産するように構成された第１段の高性能ナノ濾過膜と、
    前記第１の浸透物を吸い上げ、加圧し、約２００ｐｓｉ〜約３００ｐｓｉの圧力でポンプ送りするように構成された第２段のポンプと、
    加圧された前記第１の浸透物を前記第２段のポンプから受け入れて、前記第１の浸透物からわずかに１，０００ｍｇ／ｌの全溶解固形物を含む水および第２の残留物を生産する ように構成された第２段の高性能ナノ濾過膜と、
    前記第１の残留物を前記第１段の膜から受け入れて、前記供給海水に追加されかつ前記供給海水を希釈するための高濃縮物および受け入れる供給海水より塩分濃度が低い希釈濃縮物を前記第１の残留物から生産する濃縮段の高性能ナノ濾過膜と、
    を備えることを特徴とする海水脱塩システム。
26. 前記わずかに１，０００ｍｇ／ｌの全溶解固形物を含む水が飲料品質であることを特徴とする請求項２５に記載した方法。
27. 供給海水タンクから予め定められた塩分濃度の供給海水を吸い上げ、加圧し、約４００ｐｓｉ〜約６００ｐｓｉの圧力でポンプ送りするように構成された第１段のポンプと、
    加圧された前記供給海水を前記第１段のポンプから受け入れて第１の残留物および第１の浸透物を生産するように構成された第１段の高性能ナノ濾過膜と、
    前記第１の浸透物を吸い上げ、加圧し、約２００ｐｓｉ〜約３００ｐｓｉの圧力でポンプ送りするように構成された第２段のポンプと、
    それら間に接続された第２段階ポンプ出口導管を介して加圧された前記第１の浸透物を前記第２段のポンプから受け入れ、水および第２の残留物を生産するように構成された第２段の高性能ナノ濾過膜と、
    前記第１段の膜から前記第１の残留物を受け入れて、前記第１の残留物から高濃縮物および希釈濃縮物を生産するように構成された濃縮段の高性能ナノ濾過膜と、
    前記濃縮段階の膜と前記第１ポンプの入口管路との間に接続された、前記希釈濃縮物を前記供給海水に追加するための希釈濃縮物出口管路と、
    を備えることを特徴とする海水脱塩システム：
28. 前記高濃縮物を受け入れて減圧するように構成されたエネルギー回収装置をさらに備えることを特徴とする請求項２７に記載した脱塩システム。
29. 前記希釈濃縮物は、前記供給海水より塩分濃度が低いことを特徴とする請求項２７に記載した脱塩システム。
30. 前記希釈濃縮物の塩分濃度が、前記供給海水の約３０％〜約５０％であることを特徴とする請求項２７に記載した脱塩システム。
31. それらの間に接続された第１ポンプ入口導管を介して供給海水タンクから供給海水を吸い上げ、加圧し、約４００ｐｓｉ〜約６００ｐｓｉの圧力でポンプ送りするように構成された第１段のポンプと、
    加圧された前記供給海水を前記第１段のポンプから受け入れて第１の浸透物および第１の残留物を生産するように構成された第１段の高性能ナノ濾過膜と、
    前記第１の浸透物を吸い上げ、加圧し、約２００ｐｓｉ〜約３００ｐｓｉの圧力でポンプ送りするように構成された第２段のポンプと、
    加圧された前記第１の浸透物を前記第２段のポンプから受け入れて、前記第１の浸透物から飲料水および第２の残留物を生産するように構成された第２段の高性能ナノ濾過膜と、
    それら間に接続された第１の残留物導管を介して前記第１の残留物を前記第１段の膜から受け入れ、前記第１の残留物から希釈濃縮物および高濃縮物を生産するように構成された濃縮段の高性能ナノ濾過膜と、
    前記濃縮段階の膜と前記第１ポンプ入口導管との間に接続された、前記希釈濃縮物を前記供給海水に追加するための希釈濃縮物出口導管と、
    前記第２の残留物を受け入れ、十分に加圧し、かつポンプ送りして前記加圧された供給海水に加えるように構成された加圧ポンプと、
    を備えることを特徴とする海水脱塩システム。
32. 生産される飲料水の収率が、前記供給海水タンクから吸い上げた容積の少なくとも３０％であることを特徴とする請求項３１に記載した脱塩システム。
33. 海水を脱塩する方法であって、
    供給海水を吸い上げ、加圧し、約４００ｐｓｉ〜約６００ｐｓｉの圧力でポンプ送りするように構成された第１段のポンプを選択し、
    前記第１の段階ポンプ内に前記供給海水を吸い上げ、
    前記海水給水を約４００ｐｓｉ〜約６００ｐｓｉに加圧し、
    前記第１段のポンプから加圧された前記供給海水を受け入れるように構成された第１段の高性能ナノ濾過膜を選択し、
    前記第１段のポンプからの前記供給海水をポンプ送りし、
    前記第１の浸透物および前記第１の残留物を生産し、
    前記第１の浸透物を吸い上げ、加圧し、約２００ｐｓｉ〜約３００ｐｓｉの圧力でポンプ送りするように構成された第２段のポンプを選択し、
    前記第２段のポンプ内に前記第１の浸透物を吸い上げ、
    前記第１の浸透物を約２００ｐｓｉ〜約３００ｐｓｉに加圧し、
    加圧された前記第１の浸透物を前記第２の段階ポンプから受け入れて、飲料水および第２の残留物を生産するように構成された第２段の高性能ナノ濾過膜を選択し、
    加圧された前記第１の浸透物を前記第２段の膜にポンプ送りし、
    前記第１の浸透物から飲料水および第２の残留物を生産し、
    前記第１段の膜から前記第１の残留物を受け入れて、前記第１の残留物から高濃縮物および希釈濃縮物を生産するように構成された濃縮段の高性能ナノ濾過膜を選択し、
    前記濃縮段の膜と前記第１ポンプ入口導管との間に接続された、前記希釈濃縮物を前記供給海水に追加するための希釈濃縮物出口導管を設け、
    前記希釈濃縮物を前記供給海水に追加することを特徴とする方法。
34. 前記第２の残留物を受け入れ、十分に加圧し、かつポンプ送りして前記加圧された供給海水に加えるように構成された加圧ポンプを設け、
    前記第２の残留物を加圧し、かつポンプ送りして前記加圧された供給海水に加えることを特徴とする請求項３３に記載した方法。
35. 飲料水の海水からの中断されない生産のための２段階水脱塩システムであって、
    大気圧から、給水と第１の浸透物との間の浸透圧より高い第１の高められた圧力へと、前記給水の供給を加圧するための第１加圧システムと、
    前記第１加圧システムと流体的に連通していて前記第１加圧システムから前記第１の高められた圧力にある前記給水を受け入れるとともに、前記給水を前記給水の２５パーセント未満の塩分濃度を有する第１の浸透物と前記給水より高い塩分濃度を有する第１残留物とに分離する、分子量および電荷に基づいて汚染物質を濾過する第１の高性能ナノ濾過ユニットと、
    大気圧から、前記第１の高められた圧力より低いが前記飲料水と前記第１の浸透物との間の浸透圧よりは高い第２の高められた圧力へと、前記第１の浸透物を加圧するための第２加圧システムと、
    前記第２加圧システムと流体的に連通していて前記第２加圧システムから前記第２の高められた圧力にある前記第１浸透物を受け入れるとともに、前記第１の浸透物を、飲料水と、前記第１の浸透物より高い塩分濃度を有している第２の残留物とに分離する第２の高性能ナノ濾過ユニットと、
    を備えることを特徴とする２段階水脱塩システム。
36. 前記第２の高められた圧力が、前記第１の高められた圧力の約半分であることを特徴とする請求項３５に記載した２段階水脱塩システム。
37. 前記第２の残留物は、前記給水の塩分濃度を希釈するために、第１の高性能ナノ濾過ユニットによって受け入れられる前に、前記第１の加圧システムによって供給された前記給水と混合されることを特徴とする請求項３５に記載した２段階水脱塩システム。
38. 前記第１の高性能ナノ濾過ユニットを横切る浸透圧が、前記第２の高性能ナノ濾過ユニットを横切る浸透圧の約１／３であることを特徴とする請求項３５に記載した２段階水脱塩システム。
39. 前記第１の高性能ナノ濾過ユニットを横切る浸透圧が約２７０ｐｓｉであり、かつ前記第２の高性能ナノ濾過ユニットを横切る浸透圧が約９０ｐｓｉであることを特徴とする請求項３８に記載した２段階水脱塩システム。
40. 前記第１の高められた圧力が、前記第１の高性能ナノ濾過ユニットを横切る浸透圧の約２倍であることを特徴とする請求項３９に記載した２段階水脱塩システム。
41. 前記生産される飲料水の容積が、前記第１の高性能ナノ濾過ユニットによって受け入れられる給水の容積の少なくとも２０パーセントであることを特徴とする請求項３５に記載した２段階水脱塩システム。
42. 前記第１の残留物の減圧によりエネルギーを回収する、前記第１の残留物と協動するエネルギー回収手段をさらに備えることを特徴とする請求項３５に記載した２段階水脱塩システム。

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