JP2006021110A - Method and apparatus for optimum high yield, energy efficient, double perfect total nano-filtration seawater reverse osmosis desalting - Google Patents

Method and apparatus for optimum high yield, energy efficient, double perfect total nano-filtration seawater reverse osmosis desalting Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optimum seawater desalting method and an apparatus therefor which solve problems of scale formation, energy consumption, and pollution. <P>SOLUTION: Salt water is made to pass through a two stage membrane nano filtration unit, where an energy recovering turbo-charger unit is disposed between stages, and if necessary, a booster pump is added. A first water product where the content of ionic species is reduced, and microorganisms, particulate matter and almost all of scale-forming hard ions are removed is made from an NF (nano-filtration) product obtained by mixing a first and second NF products. Subsequently, the first water product is made to pass through a two stage SWRO ((sewage reverse osmosis) SWRO<SB>2</SB>) where an energy recovering TC is disposed between stages and, if necessary, a booster pump is added. A final second water product (permeate), and a third SWRO water product brine waste where salinity as quality of drinking water is increased and scale-forming hard ions are drastically reduced are produced from a mixture of the products from the two SWRO stages. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、海水逆浸透(SWRO)脱塩法に関する。   The present invention relates to a seawater reverse osmosis (SWRO) desalination process.

典型的には、二段階NF初期前処理工程を用いた本発明の方法は、供給物TDSを約35〜50%減少することにより半脱塩工程を行うが、最も重要なのは、それが、水回収を制約するCa++及びMg++のスケール形成性硬質イオン(hardness ion)を80%より多く除去し、それらの硫酸塩共有結合陰イオン(covalent anion)を95%より多く、炭酸水素イオンを約65%まで除去する。スケール形成性硬質イオン、特にSO 及び炭酸水素イオンの除去は、SWROの操作を大きな水回収率で可能にする。それは、別の特許出願で示したように、熱式脱塩ユニットの操作を、120℃の単一の慣用的方法による現在の最高ブライン温度(top brine temperature)(TBT)限界よりも遥かに高いTBTで操作することを可能にし、多段フラッシュ蒸留(MSFD)及び多重効果蒸留(MED)、又は蒸気圧縮蒸留(VCD)、又は再加熱蒸留(RH)ユニットの操作を、65〜70℃のそれらの現在のTBT限界よりも遥かに高いTBTで可能にし、この方法により、従来法の海水脱塩法に勝る多くの利点が得られる。本発明の方法は、水収率、生成物水回収率、及び単位水コストのみならず、多くの他の従来法の脱塩法に等しいか又はそれより低い、生成物単位量当たりのエネルギー消費を劇的に減少している点で効率的に全ての従来法よりも優れている。この方法により、塩度(salinity)の高い湾岸(Gulf)海水(TDS≒45,000ppm)及び大洋海水(TDS≒35,000ppm)から、夫々75及び80%以上のNF生成物回収率が達成され、SWROユニットから、それをNF生成物に対して操作した時、約71〜80%のほぼ等しい生成物回収率も、53%以上を越える二重ハイブリッドNF−SWROによる全水回収率で得られている。図3に示したような方法の構成を用いて、湾岸海水(TDS≒45,000ppm)から57%までの高い値を得ることができる。別に出願した特許に示したように、スケール形成性硬質イオン及びそれらの共有結合陰イオンが非常に少なくなったSWROからの排除物を、NF−SWRO−熱式の三重ハイブリッドの場合の熱式ユニットへの補充物にした場合、この回収率が更に増大され、湾岸海水供給物に対する三重ハイブリッドの全水回収率を約60%にし、大洋海水供給物からは一層大きな値をもたらす。 Typically, the process of the invention using a two-stage NF 2 initial pretreatment step performs a semi-desalting step by reducing the feed TDS by about 35-50%, most importantly, Removes more than 80% of Ca ++ and Mg ++ scale-forming hardness ions that constrain water recovery, more than 95% of their sulfate covalent anions, and bicarbonate ions Remove to about 65%. Removal of scale-forming hard ions, especially SO 4 = and bicarbonate ions, allows SWRO operation with high water recovery. As indicated in another patent application, the operation of the thermal desalination unit is much higher than the current top brine temperature (TBT) limit by a single conventional method of 120 ° C. Allows operation with TBT, operation of multistage flash distillation (MSFD) and multiple effect distillation (MED), or vapor compression distillation (VCD), or reheat distillation (RH) units at 65-70 ° C. This method allows for a much higher TBT than the current TBT limit and provides many advantages over conventional seawater desalination methods. The method of the present invention provides energy consumption per unit of product that is equal to or lower than many other conventional desalination processes, as well as water yield, product water recovery, and unit water costs. Efficiently superior to all conventional methods in that it is dramatically reduced. This method achieves NF product recovery rates of 75 and 80% or higher from high salinity Gulf seawater (TDS≈45,000 ppm) and ocean seawater (TDS≈35,000 ppm), respectively. From the SWRO unit, when operating it on NF product, approximately 71-80% nearly equal product recovery is also more than 53% over double water NF 2 -SWRO 2 total water recovery Has been obtained. Using the configuration of the method as shown in FIG. 3, high values from Gulf Seawater (TDS≈45,000 ppm) to 57% can be obtained. As shown in a separately filed patent, the scale-forming hard ions and their exclusion from SWRO with very little of their covalent anions can be removed from the heat of NF 2 -SWRO 2 -thermal triple hybrids. When used as a supplement to the formula unit, this recovery rate is further increased, bringing the total water recovery rate of the triple hybrid to the Gulf Seawater supply to about 60%, resulting in even greater values from the Ocean Seawater supply.

最適高回収率、エネルギー効率的二重及び三重NF−SWRO、又はNF−SWRO法及び装置。
発明の分野
本発明は、最適(用語最適とは、今後本発明の現在最適な海水脱塩方法を指すために用いる)エネルギー効率的NF−SWRO、又はNF−SWROを取扱い(後の記述参照)、前処理された海水供給物、海水海岸井戸供給物、又は他の水溶液供給物から現在入手することができる最大に可能な水回収率を有する方法に関し、この場合、供給物は、大きな濃度:(1)20,000〜50,000ppmのオーダーのTDS、及び(2)表1に示したような、スケール形成性硬質イオン(即ち、SO 、Ca++、Mg++、及びHCO )を有するのみならず、(3)特に、供給物が公海の海水から取水されている場合、それが或る程度の混濁物及びバクテリアを含有することを特徴としている。
Optimal high recovery rate, energy efficient double and triple NF 2 -SWRO 2, or NF 2 -SWRO 1 method and device.
FIELD OF THE INVENTION The present invention deals with an energy efficient NF 2 -SWRO 2 , or NF 2 -SWRO 1 (the term optimal will be used in the future to refer to the presently optimal seawater desalination method of the present invention). For the method with the highest possible water recovery currently available from a pre-treated seawater feed, seawater shore well feed, or other aqueous solution feed, where the feed is Large concentrations: (1) TDS on the order of 20,000 to 50,000 ppm, and (2) scale-forming hard ions (ie, SO 4 = , Ca ++ , Mg ++ , and Not only has HCO 3 ), but (3) especially when the feed is taken from high sea water, it is characterized by containing some turbidity and bacteria.

NFユニットは、NF膜の種類により、SWROユニットを操作するのに用いられている圧力よりも低い、第一NF段階でのP=25±10バール、及び第二NF段階での約35±10バールの比較的低い供給物圧力(P)で操作され、この場合、前記第一段階SWROは、通常P=55±10バールに設定された慣用的SWROで操作され、一方第二段階SWROユニットは、エネルギー回収ターボチャージャー機構を用いて操作し、排除物からエネルギーを回収し、それを第二段階SWROユニットへの供給物圧力をP≒90±10バールまで増大するのに用い、この第二段階では新たに開発された商業的高圧許容性SWRO膜〔クリハラ・マサル、その他、Desalination 125:9-15(1999)〕、又は他の膜製造業者により新しく開発された同等の高圧SWRO膜を用いている。   The NF unit, depending on the type of NF membrane, is lower than the pressure used to operate the SWRO unit, P = 25 ± 10 bar in the first NF stage, and about 35 ± 10 in the second NF stage. Operated at a relatively low feed pressure (P) of bar, in which case the first stage SWRO is operated with a conventional SWRO, usually set at P = 55 ± 10 bar, while the second stage SWRO unit is This second stage is operated using an energy recovery turbocharger mechanism to recover energy from the reject, which is used to increase the feed pressure to the second stage SWRO unit to P≈90 ± 10 bar. In newly developed commercial high-pressure tolerant SWRO membranes (Kurihara Masaru, et al., Desalination 125: 9-15 (1999)), or equivalently newly developed by other membrane manufacturers It is used WRO film.

別法として、図2a及びbに示したように、SWROユニットは、東洋紡HB型膜のような84バールまでの高圧許容性膜を用いて高圧で一段階で操作される〔ゴトウT.、その他、SWRO技術の進歩(progress in SWRO technology)、 The International D&WR IDA Quarterly, 2001, Vol. II/p. 31-36〕。更に、第三形態、NF膜組立体(二段階)−SWRO(一段階)の二重脱塩システム操作は、SWRO排除物の一部分と海水供給物とを混合し、NFユニットへ再循環し、SWROユニットの操作は、約P=65±5バールで行われる(図3a及びb)。しかし、再循環されたSWRO排除物、塩度は高いが、その硬質イオンの含有量、特にSO の共有結合陰イオンの含有量は、海水の場合の非常に僅かな分率まで劇的に減少している。この最適法により、例えば、湾岸の海、又は紅海の水(TDS≒45,000ppm)に対して適用した場合の、慣用的単一SWRO法の約25〜35%の通常のSWRO膜回収率を、56〜70%以上へ上昇させることができる。この装置構成及び二重ハイブリッドNF−SWRO、又はNF−SWRO法は、NF及びSWROユニットにより、例えば、湾岸海水から53%以上(57%まで)のオーダーの一緒にした全水回収率(図1、2、3)を、三重ハイブリッドNF−SWRO−熱式により、SWROによる排除物をそれに連結された熱式ユニットへの補充物として用いた場合、膜式でも或は熱式でも、慣用的単一SWRO脱塩法による僅か25〜35%に比較して、約60%以上へ上昇し、50%〜100%の範囲の水回収率の増大を与える。この回収率も、前に開発した我々の完全総合NF−SWRO又はNF−熱式法によるものよりも大きい。この場合、NF及びSWROの各々は、エネルギー回収システムを持たない一つの単一段階だけからなっていた。ハッサン(Hassan)A.M.、米国特許第6,508,936号明細書、2003年1月21日。この最適海水脱塩法により、単位水量当たり必要なエネルギー及び水生成コストのいずれも30%以上減少する。 Alternatively, as shown in FIGS. 2a and b, the SWRO unit is operated in one step at high pressure using a high pressure tolerant membrane up to 84 bar, such as Toyobo HB type membrane [Goto T. et al. Others, Progress in SWRO technology, The International D & WR IDA Quarterly, 2001, Vol. II / p. 31-36]. Furthermore, the third form, NF membrane assembly (two stage) -SWRO (one stage) double desalination system operation mixes a portion of the SWRO reject with the seawater feed and recirculates to the NF unit; The operation of the SWRO unit is performed at approximately P = 65 ± 5 bar (FIGS. 3a and b). However, the recirculated SWRO exclusion, which has a high salinity, its hard ion content, especially the content of SO 4 = covalent anions, is dramatically reduced to a very small fraction in the case of seawater. Has decreased. With this optimal method, for example, a typical SWRO membrane recovery of about 25-35% of the conventional single SWRO method when applied to Gulf water or Red Sea water (TDS≈45,000 ppm). , 56-70% or more. This device configuration and dual hybrid NF 2 -SWRO 2 or NF 2 -SWRO 1 method allows total water recovery by NF and SWRO units, for example, on the order of 53% or more (up to 57%) from Gulf seawater Rate (Figures 1, 2 and 3) using triple hybrid NF-SWRO-thermal, when SWRO exclusion is used as a supplement to the thermal unit connected to it, either membrane or thermal Compared to only 25-35% with the conventional single SWRO desalination process, it rises above about 60%, giving an increase in water recovery in the range of 50-100%. This recovery is also greater than that of our fully developed NF-SWRO or NF-thermal method developed previously. In this case, each of NF and SWRO consisted of only one single stage without an energy recovery system. Hassan A. M.M. U.S. Pat. No. 6,508,936, Jan. 21, 2003. This optimal seawater desalination method reduces both the energy required per unit water volume and the water generation cost by 30% or more.

多くの国では、乾燥した海岸領域、又は水源が塩辛いか、又は過度の硬度を有する地域のための淡水源として塩水、特に海水の脱塩が考えられてきた。脱塩が考慮されるか又は使用されている典型的な地域には、湾岸諸国及び他の中近東諸国:合衆国の南カリフォルニア;リビア、アルジェリア、及びエジプトの地中海アラブ諸国;欧州、主にスペイン、マルタ、及びキプロス;メキシコ及び南アメリカの太平洋岸諸国が含まれる。同様に、マルタ、カナリア諸島、及びカリブ海諸島のような淡水の供給が限定されている島でも、淡水源として海水の脱塩を使用し、それを考慮している。現在海からの淡水は、サウジアラビア、首長国連邦では飲料水の70%以上を占めている。クエート及びカタールの両方では飲料水のほぼ100%が脱塩した海水から誘導されている。   In many countries, desalination of salt water, particularly sea water, has been considered as a fresh water source for dry coastal areas, or areas where the water source is salty or has excessive hardness. Typical areas where desalination is considered or used include the Gulf States and other Middle Eastern countries: Southern California in the United States; Mediterranean Arab countries in Libya, Algeria, and Egypt; Europe, primarily Spain, Includes Malta and Cyprus; Pacific countries in Mexico and South America. Similarly, islands with limited fresh water supplies, such as Malta, the Canary Islands, and the Caribbean, use and consider seawater desalination as a source of fresh water. Currently, fresh water from the sea accounts for over 70% of drinking water in Saudi Arabia and the Emirates. In both Kuwait and Qatar, almost 100% of drinking water is derived from desalted seawater.

従来の商業的SWRO脱塩法は、供給物を前処理し、混濁物、主に懸濁物質及びバクテリアを除去し、通常酸であるスケール防止剤を添加し、次にこの前処理した供給物を55〜82バール(800〜1200psi)の高圧で通し、供給物流を生成物(透過物)及び排除物(濃縮物)へ分離することからなる。古いSWROプラントの多くでは、別の第二段階の塩辛い水ROユニットを配備して第一段階SWROユニットからの生成物の塩度を標準的飲料水塩度まで低下する。しかし、初期(90年代中頃まで)に建設されたプラントの多くで使用されているこの慣用的方法は、脱塩された水生成物の単位量当たりに必要なエネルギーが高く、比較的低い収率、典型的には湾岸海水から二段階SWROユニットを用い、供給物に基づいて25%から35%まで、一段階SWROを用いてそれより低く操作されてきた。従って、それらは淡水不足が深刻で、エネルギーを入手することができ、そのコストが(人為的なものであるが)低いと考えられている地域にとってのみ経済的に成り立つものであった。このことは、MSFD及びMEDのような熱式方法についても当て嵌まる。脱塩プラントはカリフォルニアのような他の地域でも用いられてきたが、それは、渇水時期、又は他の水源が一時的に限定されるか又は利用できない時に、待機用又は補足的淡水源として一般に用いられてきた。天然の水資源が余り多く得られない多くの地域では、現在の脱塩法では、南カリフォルニアの場合のように遠い川及び貯水池からの陸上のパイプライン又は水道管のような、他の淡水源と効果的に競争することはできない。   The conventional commercial SWRO desalination process pre-treats the feed, removes turbidity, primarily suspended matter and bacteria, adds a scale inhibitor, usually an acid, and then this pre-treated feed. Through a high pressure of 55-82 bar (800-1200 psi) and separating the feed stream into product (permeate) and reject (concentrate). In many older SWRO plants, another second stage salty water RO unit is deployed to reduce the salinity of the product from the first stage SWRO unit to standard drinking water salinity. However, this conventional method used in many of the plants built in the early days (until the mid-90s) requires a high energy per unit amount of desalted water product and a relatively low yield. , Typically using two-stage SWRO units from Gulf seawater and operating from 25% to 35%, based on the feed, lower using single-stage SWRO. Therefore, they were economically viable only for areas where freshwater shortages were serious, energy was available, and their costs were considered low (although artificial). This is also true for thermal methods such as MSFD and MED. Desalination plants have also been used in other areas, such as California, but they are commonly used as standby or supplemental freshwater sources during drought times or when other water sources are temporarily limited or unavailable. Has been. In many areas where there is not much natural water resources available, current desalination methods use other freshwater sources such as onshore pipelines or water pipes from distant rivers and reservoirs as in Southern California. Cannot compete effectively.

しかし、大洋及び海には膨大な量の水が存在し、直接的淡水源(例えば、島の川、湖、及び地下水脈)が枯渇し始め、汚染され、能力限界に到達しつつあるため、これらの全ての因子と、天然水資源が大きく増大することなく世界中の人口が増大することとが重なり、例えば、中近東国家、特にGCC湾岸諸国の場合のように、塩水、特に海水を脱塩するための経済的な方法について世界中で広範な研究が行われている。実際、この研究は、現在又は将来における深刻な水不足を受ける多くの国々にとって、高まる水需要を満たすための終局的目標に向かって発展しつつあり、或る意味では、国家間に平和をもたらすための主要な恵みを与える原因として考えられ、それらは、さもなければ、限定された水資源についての大きな争いがそれらの境界内で隣接国家間に存在するであろう。   However, because oceans and oceans have vast amounts of water and direct freshwater sources (eg, island rivers, lakes, and groundwater channels) are beginning to be depleted, polluted, and reaching capacity limits, All these factors overlap with the growth of the world's population without a significant increase in natural water resources, e.g. the removal of salt water, especially seawater, as in the case of Middle Eastern countries, especially GCC Gulf countries. Extensive research has been conducted around the world on economic methods for salting. In fact, this study is developing towards the ultimate goal of meeting the growing water demand for many countries experiencing severe water shortages in the present or future, and in a way to bring peace between nations. They are considered to be the main cause of their grace, otherwise there will be a great struggle for limited water resources between neighboring states within their boundaries.

前に述べたように、現在幾つかの商業的海水脱塩法が入手でき、使用されている。熱式多段階フラッシュ蒸留が、現在世界的に使用されている二つの主な脱塩法の一つである。単独では、それは、全世界脱塩能力の約41%を占めるのに対し、逆浸透(RO)法により約44%生産されている。残り(15%)は、種々の方法、主に電気透析(ED)、多重効果蒸留(MED)、及び蒸気圧縮蒸留(VCD)により得られている;ワングニック・クラウス(Wangnick Klaus)、2000 IDA世界脱塩プラント在庫目録(2000 IDA World Desalting Plants Inventory)、報告書No.16、国際脱塩協会(International Desalination Association)(2000年5月)。サウジアラビアは、MSFDの主要ユーザーであり、合衆国はRO法の最大のユーザーである。MSFD、MED、及びVCD法は、全て海水の脱塩で排他的に用いられているが、EDは、塩辛い水の脱塩及び純粋な水の製造に主に適用されている。しかし、RO法は、多角的塩水脱塩法である。それは、海水及び塩辛い水供給物の両方に対し適用されるが、従来それは、主に塩辛い水、飲料水、及び純粋な水の製造に適用されてきた。しかし、最近、SWRO脱塩が一層一般的になり、世界的に用いられてきており、39〜57百万リットル/日(mld)〔10〜15百万ガロン/日(mgd)〕以上のプラントの比較的大きなプラントを用いている。   As previously mentioned, several commercial seawater desalination methods are currently available and in use. Thermal multistage flash distillation is one of the two main desalting methods currently used worldwide. Alone, it accounts for about 41% of the global desalination capacity, whereas about 44% is produced by the reverse osmosis (RO) process. The rest (15%) has been obtained by various methods, mainly electrodialysis (ED), multi-effect distillation (MED), and vapor compression distillation (VCD); Wangnick Klaus, 2000 IDA World Desalination Plant Inventory (2000 IDA World Desalting Plants Inventory), report no. 16. International Desalination Association (May 2000). Saudi Arabia is the primary user of MSFD and the United States is the largest user of RO law. The MSFD, MED, and VCD methods are all used exclusively in seawater desalination, but ED is mainly applied in salty water desalination and pure water production. However, the RO method is a diversified salt water desalination method. It applies to both seawater and salty water supplies, but in the past it has mainly been applied to the production of salty, drinking and pure water. Recently, however, SWRO desalination has become more common and has been used worldwide, with plants of 39-57 million liters / day (mld) [10-15 million gallons / day (mgd)] or more. A relatively large plant is used.

海水の脱塩は、海水自身の重要な性質を考慮に入れなければならない:(1)種類、濃度、及び全硬質イオン、(2)塩度〔イオン含有量、全溶解固体(TDS)〕、及び(3)混濁物、懸濁粒子及び微生物のみならず他の大きな粒子の存在。これらの性質は脱塩システムを妨害し、プラントの性能(生成物:収率、回収、及び品質)を決定する。特に、僅かにしか解けないスケール形成性硬質イオン及びそれらのコアニオン(coanion)は、従来法の海水脱塩法、例えば、湾岸及び紅海の海水から予想される淡水収率値に対し25%〜35%以下の限界を与えている。図4に示したように、膜式でも、或は熱式でも、海水脱塩法は分離濃縮法であり、供給物流を、飲料水品質の奇麗な淡水生成物流及び汚染物:TDS及び硬質イオンを高濃度で含む排除物流に分離する。この分率/濃縮法は、海水脱塩法で起きる四つの主な問題をもたらす原因である。これらは、図5にそれらの原因と共に要約されている:(1)スケール形成、(2)大きなエネルギー消費、(3)汚染、(4)腐食の増加。硬質イオンは溶解度が非常に低く、CaSO溶解度は処理温度の上昇と共に減少するため、ブライン中の硬質イオン濃度が増大すると、熱式でも或は膜式でも、種々の慣用的海水脱塩法による脱塩水回収率を甚だしく限定する(湾岸海水、TDS≒45,000ppmで、25〜35%以下)。 Seawater desalination must take into account the important properties of seawater itself: (1) species, concentration, and total hard ions, (2) salinity [ion content, total dissolved solids (TDS)], And (3) the presence of turbids, suspended particles and microorganisms as well as other large particles. These properties interfere with the desalination system and determine plant performance (product: yield, recovery, and quality). In particular, only slightly soluble scale-forming hard ions and their coanions are 25% to 35% of the freshwater yield values expected from conventional seawater desalination methods, such as Gulf and Red Sea seawater. % Limit is given. As shown in FIG. 4, the seawater desalination method is a separation / concentration method, whether it is a membrane type or a thermal type, and the fresh water product stream and pollutants with clean drinking water quality: TDS and hard ions Is separated into an exclusion stream containing a high concentration. This fraction / concentration method is responsible for four main problems that occur in seawater desalination. These are summarized in FIG. 5 along with their causes: (1) scale formation, (2) high energy consumption, (3) contamination, (4) increased corrosion. Since hard ions have very low solubility and CaSO 4 solubility decreases with increasing processing temperature, increasing the concentration of hard ions in brine can be achieved by various conventional seawater desalination methods, whether thermal or membrane. Demineralized water recovery rate is severely limited (gulf seawater, TDS≈45,000 ppm, 25-35% or less).

本願では「塩水(saline)」と言われる水に言及しているが、その塩水は海からの海水、例えば、湾岸、紅海、地中海、及び大洋からの海水、種々の塩湖及び池からの水、非常に塩辛い(brackish)水源、ブライン(brine)、イオン性含有物を含む他の地表及び地下水源からの水が含まれ、それらは表1中に示したように、「塩水」として分類されている。塩水は、一般にTDS≧20,000ppm以上の塩含有量を有する水であると考えることができる。勿論海水は飲料水の源として最も大きな可能性を有するので、本願は海水脱塩に焦点を当てている。しかし、高い塩度の、特に高い硬度の塩水の全ての源が、本発明の範囲内に入ると考えるべきであり、海水に焦点を当てることは簡明にするためであり、限定するためのものではないものと考えるべきであることは分かるであろう。   This application refers to water referred to as “saline”, which is seawater from the sea, such as seawater from the Gulf, Red Sea, Mediterranean, and oceans, water from various salt lakes and ponds. , Including water from very salty water sources, brines, other surface and ground water sources including ionic inclusions, which are classified as “salt water” as shown in Table 1. ing. Saline can generally be considered water having a salt content of TDS ≧ 20,000 ppm or more. Of course, sea water has the greatest potential as a source of drinking water, so this application focuses on sea water desalination. However, all sources of high salinity, especially hard water, should be considered within the scope of the present invention, and focusing on seawater is for simplicity and limitation. It should be understood that this should not be considered.

前で述べたように、海水脱塩プラント(熱式及びSWROプラント)の性能及び生成物回収率は、前に述べた三つの問題により甚だしく限定され、それらは全て海水の品質及びその物質含有量に関係している:(1)混濁物、(2)TDS、及び(3)水供給物中の全硬質イオン。混濁物が供給物中に存在する場合、それは特に膜上に捕捉され、膜の汚染をもたらす。供給物中に、混濁物、即ち、バクテリアに栄養を与える懸濁固体と共にバクテリアも存在する場合、生物汚染が起きる。ROでは、供給物浸透圧はTDSと共に増大する。ROの原理から、適用される圧力は:(1)部分的で、浸透圧を超えるように用いられる必要があり、(2)印加圧力の残りの部分だけが膜を通って透過物(生成物)を押し出す真の圧力(Pnet)になる。供給物TDSを減少することにより浸透圧を低くする程、水を押し出す真の圧力は大きくなり、従って、膜を通って透過水を押し出すのに利用される圧力は大きくなり(図6)、そのことも一層高い品質の生成物を一層多量に生ずる付加的利点を与える。   As mentioned earlier, the performance and product recovery of seawater desalination plants (thermal and SWRO plants) are severely limited by the three problems mentioned earlier, all of which are the quality of seawater and its material content. (1) Turbidity, (2) TDS, and (3) Total hard ions in the water feed. If turbidity is present in the feed, it is particularly trapped on the membrane, leading to membrane contamination. Biological contamination occurs when bacteria are present in the feed along with turbidity, ie suspended solids that nourish the bacteria. In RO, the feed osmotic pressure increases with TDS. From the RO principle, the pressure applied is: (1) partial and needs to be used to exceed the osmotic pressure, and (2) only the remaining part of the applied pressure passes through the membrane through the permeate (product ) Is the true pressure to push out (Pnet). The lower the osmotic pressure by reducing the feed TDS, the greater the true pressure that pushes the water, and thus the greater the pressure used to push the permeate through the membrane (FIG. 6), This also provides the added benefit of producing higher quantities of higher quality products.

Figure 2006021110
Figure 2006021110

供給物中の僅かにしか溶けない硬質イオンの含有量が高いと、淡水の回収を制約する最大の障害になる。なぜなら、硬質イオンの溶解度限界を越えて回収率を増大することは、ひどいスケール形成効果を一層多く起こし、急激なプラント性能の低下を起こすことになるからである。   A high content of hard ions that are only slightly soluble in the feed is the biggest obstacle limiting fresh water recovery. This is because increasing the recovery rate beyond the solubility limit of hard ions causes more severe scale formation effects and causes a sharp decline in plant performance.

要するに、海水脱塩プラントのスケール形成は、それらの大きなエネルギー消費及び汚染と共に、海水脱塩の三つの主な問題を構成する。腐食は海水脱塩の第4番目の主要な問題であり、腐食の発生は海水中の塩度及び塩化物含有量が高くなることにより増大する。本発明の第一の主な目的は、これらの問題を解決するのみならず、最適の高効率海水脱塩法及び装置を確立する結果になる効率的海水脱塩処理及び方法を開発することにある。   In short, the scale formation of seawater desalination plants, together with their large energy consumption and pollution, constitutes three main problems of seawater desalination. Corrosion is the fourth major problem of seawater desalination, and the occurrence of corrosion increases with increasing salinity and chloride content in seawater. The first main object of the present invention is not only to solve these problems, but also to develop an efficient seawater desalination treatment and method that will result in the establishment of an optimal high efficiency seawater desalination method and apparatus. is there.

SWROプラント水回収率を上昇させると、単位水生成コストを減少することになるはずである。なぜなら、この単位コストは、全水生成コストを、生成物の量で割ることにより算出されるからである。水回収率が大きくなれば、生成物の量が増大し、単純に単位水コストは低下する。日本の水再利用促進センターで開かれた主な日本の脱塩専門家(科学者及びエンジニア)の水コスト対策会合では、水生産コストの最高減少は、SWROプラント(TDS=35,000ppm)への大洋水供給物から、60%のSWRO水回収率(即ち、SWRO排除物TDS=88,000ppm)で実現することができ、湾岸海水(TDS≒45,000ppm)のSWRO排除物でこのTDS値を維持するためには、湾岸海水からの対応する最適水回収率は、48%を越えるべきではないことが結論されている。大きな水回収率は、膜上に硫酸カルシウムを甚だしく付着させることになり、その上、水回収率の増大による水コスト減少の利得は、浸透圧の非常に大きな上昇を解消するために必要になる印加圧力のコストの増大により相殺されてしまう(ゴトウその他による前記文献参照)。本発明のNF−SWROにより起こされる硬質スケール形成性イオンの除去及び供給物TDSの減少により、NF(二段階)と、二段階又は一段階高圧SWRO操作との組合せにより遥かに大きなSWRO回収率を得ることができる。前に述べたように、本発明によるSWRO回収率の増大は、本発明のシステムの主要な利点である。この開発中、効率及び水回収率の点で、全ての従来法を凌駕する最適二重NF−SWRO脱塩法、又はNF−SWRO一段階(図1、2、及び3)を開発するように努力し、大洋供給物から最適SWRO水回収率を80%以上まで上昇することを決定的に可能にした。 Increasing the SWRO plant water recovery rate would reduce unit water generation costs. This is because this unit cost is calculated by dividing the total water production cost by the amount of product. As the water recovery rate increases, the amount of product increases and the unit water cost simply decreases. At the Water Cost Countermeasures Meeting of major Japanese desalination experts (scientists and engineers) held at the Japan Water Reuse Promotion Center, the highest reduction in water production costs is to the SWRO plant (TDS = 35,000 ppm). Can be achieved with a 60% SWRO water recovery rate (ie SWRO reject TDS = 88,000 ppm), and this TDS value with SWRO rejects from Gulf seawater (TDS≈45,000 ppm) It is concluded that the corresponding optimum water recovery rate from Gulf seawater should not exceed 48% in order to maintain The large water recovery rate will cause the calcium sulfate to adhere significantly on the membrane, and the gain in water cost reduction due to the increased water recovery rate is needed to eliminate the very large increase in osmotic pressure This is offset by an increase in the cost of the applied pressure (see the above-mentioned reference by Goto et al.). Due to the removal of hard scale-forming ions and the reduction of feed TDS caused by the NF 2 -SWRO 2 of the present invention, much larger SWRO recovery is achieved by a combination of NF (two-stage) and two-stage or one-stage high-pressure SWRO operation. Rate can be obtained. As previously mentioned, the increase in SWRO recovery according to the present invention is a major advantage of the system of the present invention. During this development, the optimum double NF 2 -SWRO 2 desalination method, which exceeds all conventional methods in terms of efficiency and water recovery rate, or one stage of NF 2 -SWRO (Figs. 1, 2 and 3) was developed. Efforts have been made to make it critically possible to increase the optimal SWRO water recovery rate from ocean supplies to over 80%.

上記説明は図7に明確に例示されており、この場合、80%の生成物水回収率が、70バールの圧力で達成されている。NF生成物について操作されたSWROユニットからの生成物流及び水回収率の両方が、同じSWROパイロットプラントにより、それがNF前処理を用いることなく海水供給物に対し操作された場合、同じ操作条件で得られたものの2倍になっている。透過物は、SWROユニット供給物がNF生成物からなる場合、約15バール、時にはそれより低い印加圧力で流動し始め、これは、SWROユニットへの供給物が海水からなる場合のこの値の2倍に匹敵する(図7)。更に、生成物水の品質は、SWROユニットをNF生成物で操作した場合、それを海水で操作した場合よりも遥かに優れており、前者の場合とは異なって、後者の場合、生成物水は、その品質を飲料水の基準まで持って行くためには、塩辛い水に対するROユニットにより更に処理することを必要とする。   The above description is clearly illustrated in FIG. 7, in which an 80% product water recovery is achieved at a pressure of 70 bar. Both the product stream from the SWRO unit operated for the NF product and the water recovery rate are the same if the same SWRO pilot plant is operated on the seawater feed without using NF pretreatment. It is twice that obtained. The permeate begins to flow at an applied pressure of about 15 bar and sometimes lower when the SWRO unit feed consists of NF product, which is 2 times this value when the feed to the SWRO unit consists of sea water. It is comparable to twice (Fig. 7). Furthermore, the quality of the product water is much better when the SWRO unit is operated with NF product than when it is operated with seawater, unlike the former case, the product water Requires further processing by the RO unit for salty water to bring its quality to the drinking water standard.

この方法は、慣用的熱式海水脱塩法にも同様に適用することができ、次のハイブリッドの形成により、別の特許出願で別の場所で論じられている:
NF(二段階)−熱式、及びNF−SWRO(排除物)−熱式、
ここで、一つ又は二つの段階のNF生成物供給SWROユニットからの排除物は、MSFD、又はMED、又はVCD、又はRHユニットの熱式ユニットへの補充物(make-up)を構成する。このことは、本発明のNF−SWROの別の主要な利点であり、この場合SWRO排除物中の硬質物質は非常に少なく、従って、スケール防止剤を使用することなく、熱式プラントへの補充物として用いることができることは、既に実証されている通りである。米国特許第6,508,936号明細書(2003年1月)。
This method is equally applicable to the conventional thermal seawater desalination process and is discussed elsewhere in other patent applications, due to the formation of the following hybrids:
NF (2 stages) - thermal, and NF 2 -SWRO 2 (elimination thereof) - thermal,
Here, the exclusion from the one or two stage NF product feed SWRO unit constitutes a make-up to the thermal unit of the MSFD, or MED, or VCD, or RH unit. This is another major advantage of the NF 2 -SWRO 2 of the present invention, where there is very little hard material in the SWRO reject, and thus to the thermal plant without the use of scale inhibitors. It has already been demonstrated that it can be used as a supplement. US Pat. No. 6,508,936 (January 2003).

従来、粒状物質を除去するために、水及び他の液体溶液及び懸濁物を処理するための種々の型の濾過又は凝集・濾過システムが用いられてきた(表2)。スケールの形成を防ぎ、従って、水回収率を限界まで上昇させるのに役立たせるため、スケール防止剤の添加が用いられている。しかし、混濁物を除去し、スケール防止剤を添加するこの慣用的前処理にも拘わらず、淡水回収率は、例えば、湾岸SWROの慣用的脱塩では依然として25〜35%以下に限定されている。   Traditionally, various types of filtration or agglomeration and filtration systems for treating water and other liquid solutions and suspensions have been used to remove particulate matter (Table 2). The addition of scale inhibitors is used to prevent scale formation and thus help to increase water recovery to the limit. However, despite this conventional pretreatment of removing turbidity and adding scale inhibitors, fresh water recovery rates are still limited to 25-35% or less, for example, in conventional SWRO conventional desalination. .

Figure 2006021110
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2μmより小さな粒径の微細粒子を除去する最近の研究では、マイクロ濾過(microfiltration)(MF)、又は限外濾過(UF)が用いられている。低圧逆浸透(LPRO)又は塩辛い水RO(BWRO)膜(下記参照)も、SWRO前処理の前に用いられてきた。0.08〜2.0μmの範囲の粒径を有する粒子を除去するために、MF膜処理が用いられている。UF膜法は、0.01〜0.2μmの範囲の粒径、及び10,000g/モル以上の範囲の分子量(MW)を有する一層微細な粒子を除去するのに一層効果的である。MFとUFの膜法は、両方共正真正銘の濾過法であり、粒子の分離は、そのイオン特性によるのではなく、粒径によってのみ行われる。更に、MF及びUFの膜は、いずれもそれ自身に特徴的な孔径及び分離限界を有する。これらの二つの膜式濾過法は、混濁物及びバクテリアを除去することにより供給物を清浄に保つのに有効であり、そのようなものとして、プラント操作中、生物汚染を含めた膜の汚染を防ぐのに、それらは非常に有効な前処理法である。MF及びUF濾過による前処理法は、RO前処理とは著しく異なっている。既に言及したように、溶液又は海水からイオンを分離又は排除することのないMF及びUF膜法による濾過とは異なって、RO法は、0.001μm以下の粒径及び200g/モル以下の分子量を有する全てのイオン性粒子を分離するための圧力差法である。更に、それらの非常に気密な構造のSWRO膜は、MF及びUF法での僅か約5〜10バールの低い圧力での操作に対して、50〜80バールのオーダーの高い圧力での操作を必要とする。   Recent work to remove fine particles with particle sizes smaller than 2 μm uses microfiltration (MF) or ultrafiltration (UF). Low pressure reverse osmosis (LPRO) or salty water RO (BWRO) membranes (see below) have also been used prior to SWRO pretreatment. MF membrane treatment is used to remove particles having a particle size in the range of 0.08 to 2.0 μm. The UF membrane method is more effective in removing finer particles having a particle size in the range of 0.01 to 0.2 μm and a molecular weight (MW) in the range of 10,000 g / mol or more. Both the MF and UF membrane methods are genuine filtration methods, and the separation of the particles is done only by particle size, not by their ionic properties. Furthermore, both MF and UF membranes have their own characteristic pore size and separation limit. These two membrane filtration methods are effective in keeping the feed clean by removing turbidity and bacteria, and as such, can eliminate membrane contamination, including biological contamination, during plant operation. They are very effective pretreatment methods to prevent. The pretreatment method by MF and UF filtration is significantly different from the RO pretreatment. As already mentioned, unlike the MF and UF membrane methods that do not separate or eliminate ions from solution or seawater, the RO method has a particle size of 0.001 μm or less and a molecular weight of 200 g / mol or less. This is a pressure difference method for separating all ionic particles having. In addition, these highly airtight SWRO membranes require operation at high pressures on the order of 50-80 bar, compared to operation at low pressures of only about 5-10 bar in the MF and UF processes. And

他の膜式分離法と比較して、NF膜法は、ROとUFの分離範囲の間に入り、0.01〜0.001μmの範囲の粒径及び200g/モル以上の分子量を有する粒子の分離に適している。しかし、UF又はROのいずれとも異なって、NFは三つの原理によって働く:粒径による中性粒子の排除、負に帯電した膜との静電相互作用によるイオン性化学種の排除;ローテンバッハ(Rautenbach)その他、Desalination, 77: 73-84 (1990)。第三に、NF膜の操作は、浸透圧原理によって部分的に支配されている。これらの理由から、後の節で示すように、NF膜は、共有結合(covalent)又は一価の全てのイオンを多かれ少なかれ、同じ程度に排除するROとは、NFがNa、Cl等の一価イオンを排除するよりも、SO 、HCO 、Ca++、及びMg++のスケール形成性硬質イオンのような共有結合及び三価イオンに対し遥かに大きな排除性を有する点で異なっている。NFは、フロリダで塩辛い硬水を処理して飲料水規格の水を生成させるのに用いられてきた。NF法は、飲料水から着色した混濁物及び溶解した有機物を除去するためにも用いられてきた;デュラン(Duran)その他、Desalination, 102: 27-34 (1995)及びフ(Fu)その他、Desalination, 102: 24-56 (1995)。NFは、他の用途で、塩溶液及び埋め立てゴミ浸出物を処理するのに用いられてきた;リンデ(Linde)その他、Desalination, 103: 223-232 (1995);沖合油井貯槽中に注入される海水からの硫酸塩の除去;イケダその他、Desalination, 68: 109 (1988);アクシア・サーチ・ベーカー(Aksia Serch Baker)、Filtration and Separation (June, 1997)。下で示すように、NF海水膜前処理は、SWRO膜操作(典型的には、55〜82バール、即ち800〜1200psi)よりもかなり低い圧力、典型的には、10〜25バールで行われる。 Compared to other membrane separation methods, the NF membrane method falls between the separation range of RO and UF, and has a particle size in the range of 0.01 to 0.001 μm and a molecular weight of 200 g / mol or more. Suitable for separation. However, unlike either UF or RO, NF works by three principles: elimination of neutral particles by particle size, elimination of ionic species by electrostatic interaction with negatively charged membranes; Rautenbach ) Other, Desalination, 77: 73-84 (1990). Third, the operation of the NF membrane is governed in part by the osmotic pressure principle. For these reasons, as will be shown in later sections, NF membranes are more or less covalently bound or all monovalent ions are excluded to the same extent as NF is Na + , Cl etc. Rather than eliminating monovalent ions such as SO 4 = , HCO 3 , Ca ++ , and Mg ++ scale-forming hard ions and having much greater exclusion to covalent and trivalent ions. Is different. NF has been used in Florida to process salty hard water to produce potable water. The NF method has also been used to remove colored turbids and dissolved organics from drinking water; Duran et al., Desalination, 102: 27-34 (1995) and Fu et al., Desalination. , 102: 24-56 (1995). NF has been used in other applications to treat salt solutions and landfill leachate; Linde et al., Desalination, 103: 223-232 (1995); injected into offshore oil wells Removal of sulfate from seawater; Ikeda et al., Desalination, 68: 109 (1988); Aksia Serch Baker, Filtration and Separation (June, 1997). As shown below, the NF seawater membrane pretreatment is performed at a much lower pressure, typically 10-25 bar, than the SWRO membrane operation (typically 55-82 bar, ie 800-1200 psi). .

NF法の上記使用法の外に、種々の海水及び水性溶液の処理にもそれは用いられていた。上で述べたように、米国特許第4,723,603号明細書のNF膜は、海水からの硫酸塩の除去に用いられているが、それは依然として塩化ナトリウムの含有量が高く、沖合掘削の穿孔泥漿を形成するのに用いられ、この方法により硫酸バリウムのスケール形成を防いでいる。米国特許第5,458,781号明細書は、臭化物及び一種類以上の多価陰イオンを含有する水性溶液を二つの流れ、一つは臭化物に富む流れで、第二は多価陰イオンに富む流れにNF分離することが記載されている。その臭化物に富む流れを工業的用途で使用される臭化物濃度にするためROにより更に処理することについては示唆はされているが、全く行われていない。EPO公告No.09141260(03,06,97)は、ポリビニルアルコールポリアミドのナノフィルター(NF膜)の三つの平らな膜セルに海水を通し、硫酸塩イオン除去し、次にその濾過された水をRO膜に通してSO を除去することにより、スケールの沈積を抑制しながら、濃縮率を向上させる問題を解決する方法が提案されている(しかし、その研究の一層詳細な点は与えられていない)。 In addition to the above use of the NF method, it has also been used in the treatment of various seawater and aqueous solutions. As mentioned above, the NF membrane of US Pat. No. 4,723,603 is used to remove sulfate from seawater, but it still has a high sodium chloride content and is Used to form a perforated slurry, this method prevents barium sulfate scale formation. US Pat. No. 5,458,781 discloses an aqueous solution containing bromide and one or more polyvalent anions in two streams, one bromide-rich stream and the second in a polyvalent anion. NF separation is described in a rich stream. Although further treatment with RO has been suggested to bring the bromide rich stream to bromide concentrations used in industrial applications, nothing has been done. EPO Notice No. 0914260 (03,06,97) passes seawater through three flat membrane cells of a polyvinyl alcohol polyamide nanofilter (NF membrane) to remove sulfate ions, and then passes the filtered water through an RO membrane. Thus, by removing SO 4 = , a method has been proposed to solve the problem of improving the concentration rate while suppressing the deposition of scale (but no further details of the study are given).

図8に示したように、NF前処理を、SWRO及び他の海水熱式(MSFD、MED、VCD)脱塩方法に、先ずパイロットプラント及び実証用脱塩プラント段階で適用した最初の人は、米国特許第6,508,936号明細書のハッサン(Hassan)A.M.であった;ハッサンその他、「脱塩及び水再使用、四季報」5月−6月発行(1998)Vol.8/1,54−59、及び9月−10月発行(1998),Vol.8/2,35−45:Desalination, 118: 35-51 (1998);Desalination, 131: 157-171 (2000);脱塩及び水再使用に関するIDA国際会議(サンディエゴ)予稿集(1999)(脱塩に関する最高IDAサーマル賞を受賞した論文)及び多くの他の刊行物。   As shown in FIG. 8, the first person to apply NF pretreatment to SWRO and other seawater thermal (MSFD, MED, VCD) desalination methods, first in the pilot plant and demonstration desalination plant stages, In US Pat. No. 6,508,936, Hassan A. et al. M.M. Hassan et al., “Desalination and Water Reuse, Four Seasons”, published May-June (1998) Vol. 8/1, 54-59, and September-October (1998), Vol. 8/2, 35-45: Desalination, 118: 35-51 (1998); Desalination, 131: 157-171 (2000); Proceedings of the International Conference on Desalination and Water Reuse (San Diego) (1999) Best IDA thermal award for salt) and many other publications.

この新しい上記NF−SWRO脱塩法は、最初にパイロットプラントで開発され、次のことにより慣用的海水脱塩法について前に言及した主要な問題を解決するのに成功したことが証明された:(1)SWRO膜汚染の防止、(2)プラントスケール形成の防止、及び(3)収率及び回収率の両方で著しくプラントの生産性を増大し、SWRO生成物の品質を改良するのみならず、単位水生成物当たりのエネルギー必要量及びコストの両方を低下する。図8に示したように、NF膜ユニットと、熱式脱塩MSFDユニットとを二重ハイブリッド脱塩ユニットとして接続することにより、同様な利点が得られた。同様に、同じ図面に示したように、NF生成物が供給されるSWROユニットでの排除物から硬質物質が除去されているために、SWRO排除物が、MSFDユニットへの補充供給物として用いられて成功を収めている。二重NF−MSFハイブリッド及びNF−SWRO(排除物)−MSFの三重ハイブリッドの両方で、MSFユニットは、初めて120℃の最高ブライン温度(TBT)でさえも操作され、後でスケール防止剤を用いずに、130℃までの一層高いTBTで、高い収率で操作された(前のパラグラフの文献参照)。   This new NF-SWRO desalination process was first developed in a pilot plant and proved successful in solving the major problems previously mentioned for conventional seawater desalination processes by: (1) prevention of SWRO membrane contamination, (2) prevention of plant scale formation, and (3) not only significantly increasing plant productivity and improving SWRO product quality both in yield and recovery. Reduce both energy requirements and cost per unit water product. As shown in FIG. 8, the same advantage was obtained by connecting the NF membrane unit and the thermal desalting MSFD unit as a double hybrid desalting unit. Similarly, as shown in the same drawing, the SWRO reject is used as a supplemental feed to the MSFD unit because the hard material has been removed from the reject in the SWRO unit to which the NF product is supplied. Has been successful. In both the double NF-MSF hybrid and the NF-SWRO (exclusion) -MSF triple hybrid, the MSF unit is operated for the first time even at a maximum brine temperature (TBT) of 120 ° C. and later with scale inhibitors. Without being operated at higher yields with higher TBT up to 130 ° C. (see literature in previous paragraph).

この二重NF−SWRO脱塩法は、更に図9に示したように、商業的規模のプラント、1986年に委託された現存するUmm Lujj SWROプラントで一つのSWROトレイン(Train)100、能力2203m/d(582,085gpd)に適用された。そのプラントは、単一のSWRO脱塩法から、現存するSWROユニットの前にNF前処理及び半脱塩ユニットを導入することにより、新規な二重NF−SWRO脱塩法へ変換された。図10の写真参照。同じプラントで第二ライン、トレイン200は、設計及び製造の点でトレイン100と同様であるが、単一SWRO方式で操作され続けた。二重NF−SWRO法へプラントを変化させる前に、大きなNF−SWROプラントのための操作パラメーターを確立するために、設計及び操作で新規なNF−SWROプラントに類似した実証用ユニットを用いてその方法を試験した。この実験の結果から、そのNF−SWROでのNF回収率を65%に固定し(図11)、その後で70%のNF生成物回収率で2カ月に亙り実証用移動パイロットユニットで操作し成功した;ハッサンA.M.その他、脱塩に関するIDA国際会議予稿集(バーレーン)2001年10月、アブストラクト、p.193−194参照。 This dual NF-SWRO desalination process is further illustrated in FIG. 9 in a commercial scale plant, an existing Umm Lujj SWRO plant commissioned in 1986, with one SWRO train 100, capacity 2203 m. 3 / d (582, 085 gpd). The plant was converted from a single SWRO desalination process to a new dual NF-SWRO desalination process by introducing NF pretreatment and semi-desalination units in front of existing SWRO units. See photo in FIG. The second line in the same plant, the train 200, is similar in design and manufacture to the train 100, but continued to operate in a single SWRO mode. Before establishing the operating parameters for a large NF-SWRO plant before changing the plant to the dual NF-SWRO method, the design and operation of the NF-SWRO plant using a demonstration unit similar to the new NF-SWRO plant. The method was tested. From the results of this experiment, the NF recovery rate in NF-SWRO was fixed to 65% (Fig. 11), and then successfully operated with the demonstration mobile pilot unit for 2 months with 70% NF product recovery rate. Hassan A. M.M. Others, Proceedings of IDA International Conference on Desalination (Bahrain) October 2001, Abstract, p. See 193-194.

トレイン100のNFユニットのSO 、Mg++、Ca++、HCO 、のスケール形成性硬質イオンのイオン排除率及び全硬度は、夫々99.9%、98%、92%、56%、及び97%であった(図12)。この非常に大きな硬質イオン排除率は、一価Clイオンについての僅か24%の排除率及びTDSイオンの38%排除率と比較されるものであり、海水供給物の約45,460のTDSは、NF生成物中、28,260に減少した(図12)。 The ion exclusion rate and the total hardness of scale-forming hard ions of SO 4 = , Mg ++ , Ca ++ , HCO 3 of the NF unit of Train 100 are 99.9%, 98%, 92%, 56%, And 97% (FIG. 12). This very large hard ion rejection rate is compared to an exclusion rate of only 24% for monovalent Cl ions and 38% rejection rate for TDS ions, and the TDS of about 45,460 seawater feed is , Reduced to 28,260 in the NF product (FIG. 12).

新規な二重NF−SWRO脱塩ハイブリッドのこの商業的SWROユニットの操作から得られた結果は、慣用的商業用SWRO脱塩法でのその(SWROユニット)操作に対し、著しく改良された生成物生産率及び回収率を示している。NF−SWRO方式で操作されたトレイン100の生産力(output)は、234m/時のNF生成物の供給物からは130m/時であるのに対し、それが1回の慣用的SWRO操作で360m/時の海水で操作された時には生産力は91.8m/時であり、42%のトレイン生産率の増大になっている。更に、二重NF−SWRO操作のSWROユニットの56%の回収率は、それ(SWROユニット)が単一方式で操作された時のその回収率28%の2倍になっている。同じ傾向は、NF−SWROトレイン100の透過物生産率及び回収率を、SWROトレイン200から得られた結果と比較した時にも認められており、SWROユニットについて夫々1.5:1.0及び56%:23.5%の比になっており、後者のトレイン操作よりも前者の方がよくなっている(図13)。トレイン100対トレイン200の生成物流量比は、殆ど約160%:100%のオーダーであり(図13d)、2年以上の操作で、トレイン100生産力:トレイン200生産力は約1.6〜1.4:1の比になっており、明らかに単一SWROプラント操作よりも二重NP−SWRO操作の方が都合がよい。 The results obtained from the operation of this commercial SWRO unit of a novel dual NF-SWRO desalting hybrid show a significantly improved product over that (SWRO unit) operation in the conventional commercial SWRO desalination process. The production rate and recovery rate are shown. The output of the train 100 operated in the NF-SWRO mode is 130 m 3 / hour from the supply of NF product at 234 m 3 / hour, which is one conventional SWRO operation. When operated with seawater at 360 m 3 / hour, the productivity is 91.8 m 3 / hour, increasing the train production rate by 42%. Furthermore, the 56% recovery rate of a SWRO unit in a double NF-SWRO operation is twice that of 28% when it (SWRO unit) is operated in a single mode. The same trend is also observed when the permeate production and recovery of NF-SWRO train 100 are compared to the results obtained from SWRO train 200, with 1.5: 1.0 and 56 for SWRO units, respectively. %: The ratio is 23.5%, and the former is better than the latter train operation (FIG. 13). The product flow ratio of train 100 to train 200 is almost on the order of about 160%: 100% (FIG. 13d). Train 100 productivity: Train 200 productivity is about 1.6- The ratio is 1.4: 1, clearly a dual NP-SWRO operation is more convenient than a single SWRO plant operation.

又、慣用的SWRO法での操作と比較して、二重NF−SWROハイブリッドとしてのトレイン100操作は、単位生産量(m)当たりのエネルギー消費及びコストを夫々23%及び46以上著しく減少している。SWRO操作と比較して、NF−SWRO法による単位水生成量当たりのエネルギー消費/m及びコストの両方で予想された節約は、夫々39%及び68%である。更に、SWROからNF−SWRO操作へのライン変換は、迅速に比較的低いコストで行うことができた。 Also, compared to operation with the conventional SWRO method, train 100 operation as a dual NF-SWRO hybrid significantly reduces energy consumption and cost per unit production (m 3 ) by 23% and 46 or more, respectively. ing. Compared to the SWRO operation, the expected savings in both energy consumption / m 3 and cost per unit water produced by the NF-SWRO method are 39% and 68%, respectively. Furthermore, line conversion from SWRO to NF-SWRO operation could be done quickly and at a relatively low cost.

米国特許第6,190,556号B1明細書(2001年2月20日)には、低圧操作(250〜350psi)用に設計された加圧容器を用いて海水のような水性供給物から飲料水を製造するための装置及び方法が記載されており、その容器中には、NF及びROの両方の膜が、RO膜部材よりも上流にNF膜部材を置いて配置されている。海水供給物は、先ずその容器を通して送られ、NFを通ってこの低圧で処理され、硬質物を除去するが、RO膜領域を通って影響を受けることなくフラッシュされるだけである。特別に設計された機構中に収集されたNF生成物は、後で同じポンプを用いて同じ圧力で同じ容器を通って送られ、その浸透圧を低下し、RO膜を通って脱塩することができる。   US Pat. No. 6,190,556 B1 (February 20, 2001) describes a beverage from an aqueous supply such as seawater using a pressurized vessel designed for low pressure operation (250-350 psi). An apparatus and method for producing water is described, in which both NF and RO membranes are placed with an NF membrane member upstream of the RO membrane member. The seawater feed is first sent through the vessel and processed at this low pressure through NF to remove the hard material, but is only flushed unaffected through the RO membrane area. The NF product collected in a specially designed mechanism is later sent through the same vessel at the same pressure using the same pump, reducing its osmotic pressure and desalting through the RO membrane. Can do.

幾つかの他の特許では、SWRO脱塩で、SWROモジュールより前にROモジュールを用いている。米国特許第4,341,629号明細書(1982年7月)には、第一段階ユニットとして90%イオン排除率の酢酸セルロースを用い、次に98%イオン排除率の三酢酸セルロースSWRO膜を取付けた第二段階分離ユニット用いた方法が記載されている。米国特許第4,156,645号明細書(1979年5月)の発明は、二段階連続分離ユニットを用い、第二段階として、気密な膜を取付けたSWROユニットを用いて、第一段階の別の緩い(loose)RO膜ユニットからの生成物を処理し、後者は、50〜75%のイオン排除率を有し、P=300〜400psi(21〜28バール)の低圧で操作される淡水回収法を提案している。緩いRO膜は、EPO 6,120,810でも気密膜の前に用いている。米国特許第5,238,574号明細書には、複数のRO膜によって水を処理し、次に蒸発機構により水及び塩を生成させる方法及び装置が記載されている。米国特許第4,036,685号明細書にも、第一ROカートリッジから取り出された高品質透過物を生成させると同時に、前記第一ROカートリッジと直列になった次に続く二つのカートリッジからの生成物を一緒にすることにより低品質の透過物を生成させる方法及び装置が記載されている。   Some other patents use an RO module prior to the SWRO module for SWRO desalination. U.S. Pat. No. 4,341,629 (July 1982) uses cellulose acetate with 90% ion rejection as the first stage unit, and then cellulose triacetate SWRO membrane with 98% ion rejection. A method using an attached second stage separation unit is described. The invention of US Pat. No. 4,156,645 (May 1979) uses a two-stage continuous separation unit and, as a second stage, uses a SWRO unit fitted with an airtight membrane, Process the product from another loose RO membrane unit, the latter having an ion exclusion rate of 50-75% and operating at a low pressure of P = 300-400 psi (21-28 bar) A collection method is proposed. The loose RO membrane is also used before the airtight membrane in EPO 6,120,810. U.S. Pat. No. 5,238,574 describes a method and apparatus for treating water with a plurality of RO membranes and then producing water and salts with an evaporation mechanism. U.S. Pat. No. 4,036,685 also produces high quality permeate removed from the first RO cartridge, while at the same time from the next two cartridges in series with the first RO cartridge. A method and apparatus for producing a low quality permeate by combining the products is described.

上で論じたこと及び結果から、他の前処理の外に、非常に特別な優れた前処理機能、即ち、一価イオンを排除するよりも、硬質物イオン及び共有結合イオンの外、三価イオンを遥かに大きな程度まで排除し(Umm LujjプラントでのNF排除率参照−図12)、前に述べたようにSWRO又はRO法で要求される圧力よりも遥かに低い圧力で排除する能力を行なえるうにNFが設計されていることを強調することができる。更に、そのNF膜は、RO又はSWRO膜よりも、遥かに大きな流束及び混濁物に対する一層大きな許容性を有することを特徴とする。これらの事実は、それを区別し、他の前に示した水分離膜法、即ち、MF、UF、及びROとはその機能を別にする。この品質から、上述の特許で用いられているナノ濾過、緩い逆浸透、及び低圧逆浸透、即ち、RO、緩いRO、LPRO前処理供給物を受けるSWRO膜は、当分野では同じとは考えられていないことに注意すべきである。実際、当業者は、硬質物を除去し、その結果、高回収率でスケールを形成することなくSWROから飲料水を生成させることを可能にする海水供給物のナノ濾過(NF)前処理は、海水脱塩プラントへの海水供給物の優れた前処理であるのみならず、逆浸透(RO)又は緩い膜逆浸透(LMRO)膜とは操作上又は機能上に同等なものではないと言うこの事実を認めてきたし、依然として認めている。下に引用した文献は、その相違を強調している:   From the discussions and results above, in addition to other pre-treatments, a very special and excellent pre-treatment function, i.e., out of hard ions and covalent ions, trivalent, rather than eliminating monovalent ions. The ability to reject ions to a much greater extent (see NF exclusion rate in Umm Lujj plant—FIG. 12) and, as previously mentioned, the ability to reject at a pressure much lower than that required by the SWRO or RO method. It can be emphasized that NF is designed to do so. Furthermore, the NF membrane is characterized by having much greater tolerance to fluxes and turbids than RO or SWRO membranes. These facts distinguish it and separate its function from the other previously shown water separation membrane methods, namely MF, UF and RO. Because of this quality, the nanofiltration, loose reverse osmosis, and low pressure reverse osmosis used in the above-mentioned patents, i.e., SWRO membranes that receive RO, loose RO, LPRO pretreatment feeds are considered the same in the art. It should be noted that not. In fact, the nanofiltration (NF) pretreatment of seawater feeds that allow those skilled in the art to remove hards and, as a result, produce drinking water from SWRO without forming scales with high recovery rates, This is not only an excellent pretreatment of the seawater feed to the seawater desalination plant, but also said that reverse osmosis (RO) or loose membrane reverse osmosis (LMRO) membranes are not operationally or functionally equivalent. I've acknowledged the fact and still admit it. The references cited below highlight the differences:

1. ベケット(Bequet)その他、Desalination, 131;299-305 (2000)。
2. ビスコーナー(Bisconer)、「ナノ−及び限外−濾過の能力開発」(Explore the Capabilities of Nano- and Ultrafiltration)、Water Technology, March 1998、(2頁;頁番号は述べられていない)。
3. コダック(Kodak)、「専門家用動画映像のためのナノ濾過」(Nanofiltration for Professional Motion Imaging)、On-Line Technical Support paper, pp, 1-6 (1994-2000)。
4. リンデ(Linde)その他、Desalination, 130; 223-232 (1995)(アブストラクトのみ)。
5. ニコライセン(Nicolaisen)、「ナノ濾過−どこで大画像に属するか」(Nanofiltration-Where does it Belong in the Larger Picture)、第1頁〜第7頁、「淡水化(Desal)−5」膜生成物のための生成物技術公報(Product technical bulletin for "Desal-5" membrane products; ディサリネーション・システムズ社(Desalination System, Inc.)(1994年12月)。
6. 工業的膜のスコット・ハンドブック(Scott Handbook of Industrial Membrane)、1995年(第46頁)。
1. Bequet et al., Desalination, 131; 299-305 (2000).
2. Bisconer, “Explore the Capabilities of Nano- and Ultrafiltration”, Water Technology, March 1998, (2 pages; page numbers not stated).
3. Kodak, “Nanofiltration for Professional Motion Imaging”, On-Line Technical Support paper, pp, 1-6 (1994-2000).
4). Linde et al., Desalination, 130; 223-232 (1995) (abstract only).
5. Nicolaisen, “Nanofiltration-Where does it Belong in the Larger Picture”, pages 1-7, “Desal-5” membrane product Product technical bulletin for "Desal-5" membrane products; Desalination Systems, Inc. (December 1994).
6). Scott Handbook of Industrial Membrane, 1995 (page 46).

ビスコーナーが認めているように、当分野では、RO及びNFは「いとこ同志」であると考えることができ、用いられている膜は同じように見えるが、実際にはそれらは「明確に異なった分離機能を働かせている」ことを認めている。NFとRO(BWRO、緩いRO、及びLPRO)の間の重要な相違の中で、NFは、ROよりも、硬質イオン性化学種の著しく大きな排除率を、遥かに大きな全生成物流束で与え、そのことは実際にUmm Lujj NF−SWRO実験で観察されている;上記ハッサンその他及び図12参照。特に、ニコライセン(1994)が、当分野で時々種々の用語が誤って用いられているが、当業者は、NaClの排除よりもジ−及びトリ−陰イオン性化学種を少なくとも特に一層大きく排除することのみならず、それがRO膜の流束よりも遥かに大きな(NF膜)流束を有する点で、ROに対するNFの明確な優秀性を認識していることを指摘していることも参照されたい。更に、それは、SWRO膜よりも混濁物汚染に対し一層大きな許容性を有する。他の人達は、RO流束がNF流束に比較して低く、遥かに大きな膜表面積と共に大きな圧力がNF膜の場合よりもROの場合に必要になることを認めることにより、同じ指摘をしている。これらの事実は、Umm Lujjプラント・トレイン100でのNF−SWRO操作の上記商業的実験で観察されており、この場合各NFモジュールは、殆ど三つのSWROモジュール(一つのモジュールは、六つの膜部材を取付けた一つの圧力容器からなる)への供給物を与えている。実際の効果があるためには、ROユニットは、固体粒子の除去で、NF膜法よりも一層微細な供給物の前処理を必要とする。   As Vis Corner admits, in this field, RO and NF can be considered “cousins” and the membranes used look the same, but in practice they are “clearly different” "I have a separate function." Among the important differences between NF and RO (BWRO, loose RO, and LPRO), NF gives a significantly larger rejection rate of hard ionic species at a much larger total product stream bundle than RO. This has actually been observed in the Umm Lujj NF-SWRO experiment; see Hassan et al. And FIG. In particular, although Nicolaicen (1994) sometimes misrepresents various terms in the art, those skilled in the art will exclude di- and tri-anionic species at least particularly greater than the exclusion of NaCl. It also points out that it recognizes the clear superiority of NF to RO in that it has a much larger (NF membrane) flux than the flux of RO membranes. Please refer. Furthermore, it has greater tolerance to turbid contamination than SWRO membranes. Others make the same point by recognizing that the RO flux is low compared to the NF flux and that a much greater pressure with a much larger membrane surface area is required in the RO than in the NF membrane. ing. These facts have been observed in the above commercial experiment of NF-SWRO operation in the Umm Lujj plant train 100, where each NF module consists of almost three SWRO modules (one module contains six membrane members). A single pressure vessel fitted with a feed. In order to have a real effect, the RO unit requires a finer feed pretreatment than the NF membrane process in the removal of solid particles.

SWRO膜は、最も気密な脱塩膜であり、それらの大きな塩(全てイオン)排除率を特徴とする。SWRO膜は、高圧、膜の種類により55〜82バールで操作され、それらの流量が低いため、SWRO法は、多量の水を生成させるためには多数のSWRO膜を必要とする。これらの全ての因子のために、SWRO法による水生成コストは、他の全ての膜脱塩法の中で最も高いと考えられている。一方、NF膜は、遥かに低い圧力で操作され、大きな流量を有することを特徴とする。しかし、最も重要なことは、上で述べたように、それらは、スケール形成性硬質イオン(SO 、Ca++、Mg++、HCO )の排除に対する大きな特異性を特徴とする。ハッサンその他の前に与えた文献参照。 SWRO membranes are the most airtight desalination membranes and are characterized by their large salt (all ions) rejection. SWRO membranes are operated at a high pressure, 55-82 bar depending on the membrane type, and their flow rates are low, so the SWRO method requires a large number of SWRO membranes to produce a large amount of water. Because of all these factors, the cost of water production by the SWRO method is considered the highest among all other membrane desalination methods. On the other hand, the NF membrane is operated at a much lower pressure and has a large flow rate. Most importantly, however, as noted above, they are characterized by great specificity for the elimination of scale-forming hard ions (SO 4 , Ca ++ , Mg ++ , HCO 3 ). See literature given earlier by Hassan et al.

SWRO及びNF膜の間のそれら主要な異なった性質、品質、及び特徴のみならず、上述の緩いRO又は低圧RO膜を含めた他のRO膜からNFを区別する性質により、一つの二重NF−SWRO操作法として、NFとSWRO膜を完全に一体化することにより利点が確実に得られており、それは上記ハッサンA.M.による米国特許第6,508,936号明細書(2003年1月21日)により、最初はパイロットプラント規模で(図8参照)、次に商業的プラント規模(図9及び10参照)で行われ成功を収めている通りである。しかし、これは、NF及びSWROユニットの各々を一段階で用いることにより行われている。後で示すように、二つの段階間にターボチャージャーを配置してブラインからのエネルギーを回収するようにして、二段階に設定した二重NF−SWRO中でNF及びSWROユニットの各々を操作することにより一層大きな利点が見られている。提案された紅海SWROプラントについて図1に示したこの高度に最適化され、よく設計された二重NF(二段階)−SWRO(二段階)構成は、316m/時の供給量及び約170m/時(1.08mgd)の収率を与え、最適の海水脱塩法であり、プラント生産力、収率と水回収率との両方を上昇させ、海からの単位淡水生成のエネルギー必要量及びコストを低下することにより経済的効率的SWRO脱塩操作を与えるのみならず、それは、従来の慣用的海水脱塩法により予測できるものを、効率的に遥かに凌駕している。この方法は、私の別の発明で別の所に例示されているように、大きな利点をもって、NF−SWRO(排除物)−熱式の三重ハイブリッドにも更に適用され、この場合、硬質イオン濃度が劇的に低くなったSWRO排除物は、熱式ユニットへの補充物にされている。 Not only their main different properties, quality, and characteristics between SWRO and NF membranes, but also the ability to distinguish NF from other RO membranes, including the above-mentioned loose RO or low pressure RO membranes, one dual NF -As a SWRO operation method, an advantage is surely obtained by completely integrating the NF and the SWRO membrane. M.M. U.S. Pat. No. 6,508,936 (January 21, 2003), first performed on a pilot plant scale (see FIG. 8) and then on a commercial plant scale (see FIGS. 9 and 10). As it has been successful. However, this is done by using each of the NF and SWRO units in one step. Operate each of the NF and SWRO units in a dual NF-SWRO set up in two stages with a turbocharger placed between the two stages to recover energy from the brine, as will be shown later A greater advantage is seen. This highly optimized and well-designed dual NF (two stage) -SWRO (two stage) configuration shown in FIG. 1 for the proposed Red Sea SWRO plant has a feed rate of 316 m 3 / hour and about 170 m 3 Per hour (1.08 mgd) yield, optimal seawater desalination process, increasing both plant productivity, yield and water recovery, energy requirements for unit freshwater production from the sea, and Not only does it provide an economically efficient SWRO desalination operation by lowering costs, but it effectively outperforms what can be predicted by conventional, conventional seawater desalination methods. This method is also applied to NF 2 -SWRO 2 (exclusion) -thermal triple hybrids with great advantages, as exemplified elsewhere in my other invention, in which case hard SWRO exclusions whose ion concentration has dropped dramatically have been supplemented to thermal units.

この最適NF(二段階)−SWRO(二段階)及び三重ハイブリッドSWRO脱塩システムは、米国特許第6,190,556B1号明細書に記載された方法を含めた従来法とは全く異なっているのみならず、工程効率及び経済性の点でそれらより遥かに優れている。例えば、米国特許第6,190,556B1号明細書(2001年2月20日)に記載されているNF−SWROシステムは、両方のNF及びSWRO部材が同じ一つの加圧容器中に配置されているが、一つの圧力ポンプを用いて、同じであるが低い圧力の17.24〜24.05バール(250〜350psi)で操作されている。このシステムでは、先ず充分NF生成物を収集することにより操作を開始し、然る後、この収集したNF生成物を特別に設計し、制御された保持タンク中に入れ、加圧下(250〜350psiの低い圧力)でSWRO膜に通し、主にSWRO低圧のために疑問視される品質の生成物を生ずる。一層重要なことは、NF膜を、一部の時間操作すると、次にSWROを操作している間空転させたままにし、或はそれを逆にして、NF又はSWRO膜を部分的に利用していることである。これに対し、本願による全ての構成部分、NF(二段階)−SWRO(二段階)は、完全に100%用いられており、その事実は一層大きなプラント生産率を与える結果になっている。更に、二段階構成は、第二段階供給物に充分な高圧を与え、特に第一段階及び第二段階のSWROユニットに与えており、この場合も上記米国特許第6,190,556B1号明細書の使用から得られるものよりも遥かに高い生成物品質と共に一層高いプラント生産率を可能にしている。二つの方法により商業的規模で同じ量の水を生成させるためには、本願で与えた方法(最適法)によるよりも、後者の方法を用いると、一層大きな資本投資及び一層多くの設備を必要とする。   This optimal NF (two-stage) -SWRO (two-stage) and triple hybrid SWRO desalination system is only quite different from conventional methods including those described in US Pat. No. 6,190,556 B1. It is far superior to them in terms of process efficiency and economy. For example, the NF-SWRO system described in US Pat. No. 6,190,556 B1 (February 20, 2001) has both NF and SWRO members placed in the same pressurized container. However, it is operated at the same but lower pressure of 17.24 to 24.05 bar (250 to 350 psi) using a single pressure pump. In this system, the operation is started by first collecting sufficient NF product, after which the collected NF product is specially designed, placed in a controlled holding tank, and under pressure (250-350 psi). Low pressure), which results in a product of questionable quality mainly due to the SWRO low pressure. More importantly, if the NF membrane is operated for some time, it can be left idle during the next SWRO operation, or vice versa, to partially utilize the NF or SWRO membrane. It is that. In contrast, all components according to the present application, NF (two-stage) -SWRO (two-stage), are used completely 100%, which results in a higher plant production rate. Further, the two-stage configuration provides sufficient high pressure for the second stage feed, in particular for the first and second stage SWRO units, again in the above-mentioned US Pat. No. 6,190,556 B1. Enabling a higher plant production rate with a much higher product quality than that obtained from the use of To produce the same amount of water on a commercial scale by the two methods, the latter method requires more capital investment and more equipment than the method given here (optimal method). And

従って、塩水、特に海水から淡水を良好な収率で経済的に生じ、上で述べた問題を効果的及び効率的に処理し、即ち、そのような塩水から硬質物質及び混濁物を除去し、単位水生成物当たりの低いエネルギー消費及び低い水コストを含めた増大したプラント生産率及び経済的効率で全溶解固体を減少させる最適海水脱塩法を得ることができることは、実質的に世界中の人間、特に海からの淡水を必要とするが、それが出来ない人々にとっての関心事になるであろう。NF(二段階)前処理法、又は熱式MSFD、又はMEDプラントへの補充物を与える、NF生成物を供給したSWROユニットからの排除物利用も、同様な利得を与え、海水膜式又は熱式脱塩プラントの効率に膨大な改良を与える結果になる。   Therefore, it produces economically fresh water from salt water, especially sea water, in a good yield, effectively and efficiently addresses the problems mentioned above, ie removes hard substances and turbidity from such salt water, The ability to obtain optimal seawater desalination processes that reduce total dissolved solids with increased plant production rates and economic efficiencies, including low energy consumption per unit water product and low water costs, It will be a concern for humans, especially those who need fresh water from the sea, but cannot. Use of rejects from SWRO units fed with NF product, providing supplements to NF (two-stage) pre-treatment methods, or thermal MSFD, or MED plants also provides similar gains, seawater membrane or thermal This results in enormous improvements in the efficiency of the formula desalination plant.

本発明の要約
私は、図1、2及び3に与えた構成で代表される二つの実質的に異なる水膜式法を、従来行われていなかったやり方で組合せることにより、特に海水に重点をおいた塩水を脱塩し、飲料水を含めた高品質の淡水を非常に高い収率で生成し、遥かに低い効率の従来法の慣用的SWRO脱塩法に等しいか又はそれより良い単位生成量当たりのエネルギー消費で生成させる最適SWRO脱塩法を発明した。この目的を達成するため、例えば、図1のNF及びSWROユニットの各々を二つの段階で、それら段階の間にエネルギー回収ターボチャージャーを配置するか、又は別法として、NFを二段階として、それら二つの段階の間にエネルギー回収TCを配置して使用し、この場合、SWROを一段階にし、同じくSWRO膜ユニットと、その高圧ポンプとの間のエネルギー回収TC又は圧力交換器(PX)を配置し、図2a及びb、又は3a及びbに示したような構成を用い、下に記載し、前の節でも記載したような、その方法のためのNF及びSWRO膜選択性を用いる。この方法は、生成物の品質を改良すると共に夫々の工程からの生成物の収率及び生産性を増大するのみならず、単位水生成量当たりのエネルギー消費を、PXシステムを用いた場合、本最適法:NF前処理のない慣用的SWROの比として0.445:1に減少し、単位水生成物当たりのコストを減少する最終的効果を有する。私の方法では、第一脱塩工程として二段階ナノ濾過を、図1,2,又は3に与えたような構成により示した続く二段階海水逆浸透工程と、相乗的に組合せ、完全に総合された脱塩システムを与え、それによって塩水(特に海水)が効率的及び経済的に高品質の淡水へ、従来法のSWRO法単独又はこれまで知られているか又は記載されている組合せで得られる収率よりも著しく大きい収率で転化することができる。従って、個々の工程は別々には知られており、そのような工程は異なった目的で他の方法と組合せて個々には記載されてきているが、異なった段階によるものであり、前に論じたように、本発明の方法は、従来当業者に知られていたり、考えられたりしていなかったものであり、従来法の方法及び装置と比較して、本方法により得られる塩水脱塩の全ての形式(膜式又は熱式)で驚くべき独特の大きな改良及び大きなシステム効率が得られることを示唆するものは従来法では全くなかった。
SUMMARY OF THE INVENTION I have focused particularly on seawater by combining two substantially different water film methods represented by the configurations given in FIGS. 1, 2 and 3 in a manner not previously performed. A unit that is equivalent to or better than the conventional SWRO desalination method of much lower efficiency, producing a very high yield of high quality fresh water, including drinking water, Invented the optimal SWRO desalination method to produce with energy consumption per production. To achieve this goal, for example, each of the NF and SWRO units of FIG. 1 may be arranged in two stages, with an energy recovery turbocharger between them, or alternatively, NF in two stages. The energy recovery TC is arranged and used between the two stages. In this case, the SWRO is arranged in one stage, and the energy recovery TC or the pressure exchanger (PX) between the SWRO membrane unit and the high-pressure pump is also arranged. Then, using the configuration as shown in FIGS. 2a and b, or 3a and b, using NF and SWRO membrane selectivity for the method as described below and in the previous section. This method not only improves product quality and increases product yield and productivity from each step, but also reduces energy consumption per unit water production when using the PX system. Optimal method: reduced to 0.445: 1 as a ratio of conventional SWRO without NF pretreatment, with the net effect of reducing cost per unit water product. In my method, the two-stage nanofiltration as the first desalting process is synergistically combined with the subsequent two-stage seawater reverse osmosis process shown by the configuration as given in FIG. A desalination system, whereby salt water (especially seawater) can be efficiently and economically obtained into high quality fresh water with the conventional SWRO method alone or with previously known or described combinations Conversion can be achieved with a yield significantly greater than the yield. Thus, individual processes are known separately and such processes have been described individually in combination with other methods for different purposes, but are due to different stages and are discussed above. As described above, the method of the present invention has not been known or conceived by those skilled in the art, and compared with the method and apparatus of the conventional method, There was nothing in the prior art that suggested that all types (membrane or thermal) provide surprisingly unique and significant improvements and great system efficiency.

従って、広い態様として、本発明は、硬質スケール形成性イオン性化学種、微生物、粒状物質、及び多量の全溶解固体を含有する塩水を、二段階ナノ濾過(NF)に、それらの段階の間にエネルギー回収ターボチャージャーを配置し、必要に応じ圧力増大ポンプを補充して通し、高回収率で第一水生成物、及び前記硬質イオン性化学種の含有量が劇的に減少しているのみならず、海水よりも著しく低いTDS含有量を有し、微生物又は粒状物質が殆ど完全に除去された低エネルギー消費性NF水生成物を形成し、然る後、前記第一水生成物を二段階海水逆浸透(SWRO)に、図1に示したように、それら二つのSWRO段階の間にエネルギー回収ターボチャージャーを配置し、必要に応じ圧力増大ポンプを補充して通し、同じく飲料水の塩度に等しい減少した塩度を有する第二水生成物(透過物)を生成させることを含む脱塩法にある。この態様は、本願の主題の一部である最適膜海水脱塩ハイブリッドシステムNF(二段階)−SWRO(二段階)の基礎を構成する。 Thus, as a broad aspect, the present invention provides a solution of hard scale-forming ionic species, microorganisms, particulate matter, and brine containing a large amount of total dissolved solids to two-stage nanofiltration (NF 2 ) An energy recovery turbocharger is placed between them, and a pressure increase pump is replenished as necessary, and the content of the first water product and the hard ionic species is drastically reduced at a high recovery rate. As well as a low energy consuming NF water product having a TDS content significantly lower than seawater and almost completely free of microorganisms or particulate matter, after which the first water product is A two-stage seawater reverse osmosis (SWRO 2 ) is provided with an energy recovery turbocharger between these two SWRO stages as shown in FIG. The desalination process involves producing a second water product (permeate) having a reduced salinity equal to the salinity of water. This aspect constitutes the basis of the optimal membrane seawater desalination hybrid system NF (two-stage) -SWRO (two-stage) which is part of the subject matter of the present application.

第二及び第三の広い態様の場合でも、本発明は、硬質スケール形成性イオン性化学種、微生物、粒状物質、及び全溶解固体を含有する塩水を、二段階ナノ濾過に通し、前記イオン性化学種、微生物、及び粒状物質の含有量が低下した第一水生成物を形成し、然る後、前記第一水生成物を、次の一段階海水逆浸透に、それら段階間にエネルギー回収TC又はPXを配置し、必要に応じ高圧増大ポンプを補充して通し、この場合、SWRO段階は、図2,又は3に示したような何れかの形態及び構成を有し、同じく飲料水の塩度に等しい減少した塩度を有する第二水生成物(透過物)を生成させることを含む脱塩法を包含する。   Even in the second and third broad aspects, the present invention passes a saline solution containing hard scale-forming ionic species, microorganisms, particulate matter, and total dissolved solids through a two-stage nanofiltration to produce the ionic Form a first water product with a reduced content of chemical species, microorganisms, and particulate matter, after which the first water product is subjected to energy recovery between those stages for the next one-stage seawater reverse osmosis TC or PX is placed and refilled with high pressure increase pump if necessary, in which case the SWRO stage has any form and configuration as shown in FIG. Includes a desalination process comprising producing a second water product (permeate) having a reduced salinity equal to salinity.

三つの態様は、本願の主題になる最適SWRO脱塩法の基礎を構成するものであり、それは、次の海水膜脱塩ハイブリッド:NF−SWRO(図1)、NF−SWRO(図2)及びNF−SWRO(図3)を有する。 The three aspects form the basis of the optimal SWRO desalination method that is the subject of the present application, which consists of the following seawater membrane desalination hybrids: NF 2 -SWRO 2 (FIG. 1), NF 2 -SWRO 1 ( 2) and NF 2 -SWRO 1 (FIG. 3).

これらの三つのハイブリッド及び上記三つの態様だけがこの出願された特許出願で論じられ、本発明の熱式海水脱塩の態様を包含する第二の別の特許出願と同時に出願される。   Only these three hybrids and the above three aspects are discussed in this filed patent application and are filed concurrently with a second separate patent application that includes the thermal seawater desalination aspect of the present invention.

本方法は、塩水(特に海水)の性質の著しい減少を容易に経済的に生じ、飲料水を含めた良好な淡水を生ずる。典型的には、本発明の方法では、二段階NFは、海水供給物の性質に関し、75%〜95%以上のオーダーのカルシウム及びマグネシウム陽イオン含有するの減少、90〜99.9%以上のオーダーの硫酸塩の減少、約0.4〜0.5のpH減少、及び約30%〜50%の全溶解固体含有量(TDS)の減少を与える。一方、SWRO又はSWROユニットからの生成物は飲料水の品質を有する。同様に、別の所で例示したように、蒸留物は、MSFD、又はMED、又はVCD、又はRHユニットからの、それらユニットをNF生成物又はNF生成物が供給されたSWROユニットからのSWRO排除物からなる補充物によって操作し場合の、生成物である。大洋海水供給物TDS≒32,000ppmについて、NF−SWRO(排除物)−熱式の三重法により約66%以上の最高水回収率が達成される。その値は、従来法の海水脱塩により得られる全ての値を超えている。 The method easily and economically produces a significant reduction in the properties of salt water (especially sea water) and produces good fresh water, including drinking water. Typically, in the process of the present invention, the two-stage NF 2 is reduced in terms of seawater feed properties, containing calcium and magnesium cations on the order of 75% to 95% or more, 90 to 99.9% or more. On the order of sulfate reduction, pH reduction of about 0.4-0.5, and reduction of total dissolved solids content (TDS) of about 30% -50%. On the other hand, the product from SWRO 2 or SWRO 1 unit has drinking water quality. Similarly, as illustrated elsewhere, the distillate can be removed from MSFD, or MED, or VCD, or RH units, which are SWRO excluded from SWRO units fed with NF product or NF product. Product when operating with a replenisher consisting of material. For ocean water feed TDS≈32,000 ppm, a maximum water recovery of about 66% or more is achieved by the NF 2 -SWRO 2 (exclusion) -thermal triple process. Its value exceeds all values obtained by conventional seawater desalination.

図面は、本文中に与えられたデーターに関するグラフ又は工程図である。それら図面の一層詳細な記載は、データーについての論述の中に見出されるであろう。   Drawings are graphs or process diagrams relating to data given in the text. A more detailed description of the drawings will be found in the discussion of data.

詳細な説明及び好ましい態様
本発明の最適SWRO脱塩は、塩水、特に海水の種々の成分及び性質を先ず考慮することにより最もよく理解されるであろう。前に述べたように、海水は、高いTDS、スケール形成性硬質イオンであるCa++、Mg++、SO 、及びHCO が存在することによる高い硬質物質濃度、粒状物質、マクロ及びミクロ有機体の存在による種々の程度の混濁物の比較的高い濃度、及び約8.2のpHを有することを特徴とする。海水脱塩の限界に関する問題及びそれらの効果の多くは、これらの海水の品質に関係している。海水は1.2%〜1.7%のオーダーの陽イオン含有量を有するのが典型的であり、その内の約900〜2100ppmが「硬質(hardness)」陽イオン、即ち、カルシウム及びマグネシウム陽イオンであり、スケール形成性硬質イオン、即ち、硫酸塩及び炭酸水素塩の陰イオン含有量は1.2%〜2.8%のオーダーであり、pHは7.9〜8.2のオーダーであるのが典型的であるが、これら性質の一つ以上について一層広い範囲が存在することがあり、1.0%〜5.0%、一般には3.5%〜4.5%のオーダーの全溶解固体含有量を構成することがある。しかし、これらの成分及び性質は、世界の大洋及び海全体に亙って変動することは認められるであろう。例えば、暑い気候の小さな閉じた海では、公海領域よりも高い塩度(イオン含有量)を有するのが普通であり、例えば、表1に示したような湾岸対大洋海水組成になる。
Detailed Description and Preferred Embodiments Optimal SWRO desalination of the present invention will be best understood by first considering the various components and properties of salt water, particularly sea water. As previously mentioned, seawater is high TDS, high hard substance concentration due to the presence of scale forming hard ions Ca ++ , Mg ++ , SO 4 = , and HCO 3 , particulate matter, macro and micro. It is characterized by having a relatively high concentration of turbidity of varying degrees due to the presence of the organism and a pH of about 8.2. Many of the problems related to seawater desalination limitations and their effects are related to the quality of these seawaters. Seawater typically has a cation content on the order of 1.2% to 1.7%, of which about 900-2100 ppm is “hardness” cations, ie calcium and magnesium cations. The anion content of scale-forming hard ions, ie sulfates and bicarbonates, is on the order of 1.2% to 2.8%, and the pH is on the order of 7.9 to 8.2. Typically, there may be a wider range for one or more of these properties, on the order of 1.0% to 5.0%, generally 3.5% to 4.5%. May constitute total dissolved solids content. However, it will be appreciated that these components and properties vary throughout the world's oceans and oceans. For example, a small closed sea with a hot climate usually has a higher salinity (ion content) than the high seas region, for example, a bay-to-ocean seawater composition as shown in Table 1.

海水脱塩の一つの主たる問題は、特にSWRO法の場合、海水供給物の高いTDSである。供給物の浸透圧は、供給物のTDSが増大するに従って増大する。与えられた印加圧力をPapplとすると、1000ppmのTDS増大当たり、約0.7バールこの浸透圧の増大(Pπ)により、得られる圧力Pnetが減少する:
net=Pappl−Pπ (1)
式中、Pnetは、透過物流を生じさせるためRO膜を通って水を押出す圧力である。Pnetを増大し、従って透過物流を増大するためには、膜強度が耐えられる限り、高い印加圧力を必要とする。25℃の温度及び60バールの印加圧力、及び66,615ppmの最終ブラインTDSでSWRO法で、浸透圧及びPnet圧力に対する供給物TDS変動の影響は、前に図6で示してある。膜を通って水を押出すのに有効な印加圧力は、Pnetの陰影を付けた領域によって表されており、それは供給物TDSが増大するに従って減少する。膜を通った透過物流は、水駆動圧力Pnetに正比例するので、本発明の方法により海水供給物TDSの減少は、エネルギーの浪費を減少するのみならず、膜を通る淡水透過物を増大する。下で例示するように、Pnet及び透過物流を増大することになるこの場合の供給物TDSの低下による単位水生成物当たりのエネルギー必要量の低下は、本発明の方法によって得られる主たる有利な効果である。
One major problem of seawater desalination is the high TDS of the seawater feed, especially in the case of the SWRO process. The osmotic pressure of the feed increases as the TDS of the feed increases. Given a given applied pressure P appl , this increase in osmotic pressure (Pπ) about 0.7 bar per 1000 ppm TDS increase reduces the resulting pressure P net :
P net = P appl −Pπ (1)
Where P net is the pressure that pushes water through the RO membrane to produce a permeate stream. In order to increase P net and thus increase the permeate stream, a high applied pressure is required as long as the membrane strength can be tolerated. The effect of feed TDS variation on osmotic pressure and P net pressure in the SWRO process at a temperature of 25 ° C. and an applied pressure of 60 bar and a final brine TDS of 66,615 ppm has been shown previously in FIG. Effective applied pressure to extrude the water through the membrane is represented by the area shaded in P net Non, it decreases as the feed TDS increases. Since the permeate stream through the membrane is directly proportional to the water driving pressure P net , the reduction of the seawater feed TDS by the method of the present invention not only reduces energy waste but also increases the fresh water permeate through the membrane. . As illustrated below, the reduction in energy requirements per unit water product due to the reduction in feed TDS in this case, which increases P net and permeate streams, is the main advantage obtained by the process of the present invention. It is an effect.

同様に、脱塩プラントがその海水供給物を引き出した領域である、海又は大洋のような小さな領域の混濁度(全懸濁固体及び微生物を反映している)は、有機体及び粒状物の局部的濃度に依存し、同じ海の中でもそのような濃度は、天候、気候及び/又は地形的変化と共に屡々変化することがある。典型的な値は表1に示してあり、典型的な公海の水、地中海、及び閉じた「湾の海」(時々、夫々、「大洋水」及び「湾岸水」としても今後言及する)の水の間の海水変動を例示している。「大洋水」は、屡々標準的(通常の)海水の性質のための基礎として取られているが、ここでの議論の目的から、世界中の大洋及び海の成分及び性質は、実質的にどこでも同様であると言うことはやはり認められるであろう。主な相違点は、塩の濃度にあるが、相対的それらの%比にあるのではなく、それは、例えば、種々の海で一定になっている傾向があり、Na及びClの全塩に対する濃度比は、夫々約30.7〜55%で同じに留まっている。表1参照。起きることがあるこれらの局部的変動は、当業者により充分理解され了解されているものである。従って、ここに記載する本発明は、実質的にどのような地図上の位置でも有用であり、湾岸水又は大洋水に関する操作についての下の記載は、限定するものではなく、単に例として考えられるべきものである。 Similarly, the turbidity (reflecting total suspended solids and microorganisms) of small areas such as the ocean or ocean, where the desalination plant draws its seawater feed, reflects the organism and particulate matter. Depending on local concentrations, such concentrations within the same sea can often change with weather, climate and / or topographical changes. Typical values are shown in Table 1 for typical high sea water, Mediterranean, and closed “bay sea” (sometimes referred to as “ocean water” and “gulf water”, respectively) in the future. The seawater fluctuation between water is illustrated. “Ocean water” is often taken as the basis for standard (usual) seawater properties, but for the purposes of the discussion here, the components and properties of oceans and seas around the world are substantially It will still be appreciated that it is the same everywhere. The main difference is in the concentration of salt, but not in their relative ratio, but it tends to be constant in different seas, for example, Na + and Cl + total salt The concentration ratio with respect to each remains approximately the same at about 30.7 to 55%. See Table 1. These local variations that may occur are well understood and understood by those skilled in the art. Thus, the present invention described herein is useful in virtually any map location, and the following description of operations relating to gulf water or ocean water is not intended to be limiting, but merely considered as examples. It should be.

粒状物質(巨大粒子)、微生物(例えば、バクテリア)、及びマクロ有機体(紫貽貝、フジツボ、海草)の存在は、SWRO及び熱式脱塩プラントの両方への供給物からそれらを除去することを必要とする。SWROプラントへ予定された供給物から全懸濁固体(TSS)として通常定義される混濁物及び微小粒子の除去は必須のものであるが、熱式法では、必ずしも要求されるものではなかった。塩素に敏感なNF及びSWRO膜への供給物から塩素を除去することが、最も必要なことになって来たのである。   The presence of particulate matter (macroparticles), microorganisms (eg, bacteria), and macro-organisms (purple oysters, barnacles, seaweeds) will remove them from the feed to both SWRO and thermal desalination plants. I need. The removal of turbidity and microparticles, usually defined as total suspended solids (TSS), from the feed intended for the SWRO plant is essential, but the thermal process was not always required. It has become most necessary to remove chlorine from the feed to chlorine sensitive NF and SWRO membranes.

既に繰り返し示したように、全ての従来の脱塩法に固有の第三の主な問題は、海水中の硬質イオンの含有量が高いことであり、膜式法の場合よりも熱式法で大きな悪影響を与えている。全ての脱塩法は塩水から淡水を抽出するように操作されるので、塩及び硬質イオンはブライン(brine)中に残され、ブラインTDS及び硬質物濃度の両方が増大する効果を与える。これは図4に例示されている。硬質イオンは海水には僅かにしか溶けないので、ブライン中にそれらが濃縮されると脱塩設備内、例えば管、膜等の上にスケールの形でそれらが沈積するのが普通であり、そのため脱塩された湾岸海水では、例えば25〜35%以下、大洋海水では30〜40%までの低い値に水回収率が限定されている。脱塩法を操作する条件により、二種類のスケールの形態が生ずる:主にCaCO〓及びMg(OH)〓からなるアルカリ性軟質スケール及び主にCaSO〓、CaSO〓・H〓O、及びCaSO〓・2H〓Oからなる非アルカリ性硬質スケールである。後者の形態の形成は温度が高くなる程ひどくなる。なぜなら、CaSO〓の溶解度が、溶液温度が増大する程低下するからである。従来、MSFD、又は他のMEDプラントのような熱式脱塩プラントでは、一般に酸及び他のスケール防止添加剤を供給水に添加し、MSFDの場合には90〜120℃のブライン温度で、MEDプラントの場合には65℃のブライン温度で、スケールの形成を起こさないように工程操作を限定している。しかし、それにも拘わらず、湾岸海水からの供給物を補充するための生成物の分率として淡水生成物回収率は25%〜35%以下の低さであった。一層高い操作温度では、SO〓〓又はCa〓〓を除去し、一層高い水回収率を得るためにはイオン交換が必要であった。同様に、SWRO操作では、膜又はプラントのスケール形成を防ぐためスケール防止剤も一般に添加されてきているが、その場合も、例えば湾岸海水の場合には慣用的方法による水回収率は、やはり約25〜35%以下に限定されていた。更に、スケール防止剤は通常海洋環境中へ、ブライン廃棄の一部分として、又はスケール除去操作中に戻されるのが普通である。そのような物質は、通常海洋環境で汚染物であり、そのようなものとして回避される方がよいであろう。   As already shown repeatedly, the third major problem inherent in all conventional desalination methods is the high content of hard ions in seawater, which is more thermal than the membrane method. Has a major negative effect. Since all desalting processes are operated to extract fresh water from salt water, salt and hard ions are left in the brine, giving the effect of increasing both the brine TDS and the hard matter concentration. This is illustrated in FIG. Since hard ions are only slightly soluble in seawater, when they are concentrated in brine, they usually deposit in the form of scales in desalination equipment, such as tubes, membranes, etc. The water recovery rate is limited to a low value of, for example, 25 to 35% or less for desalted gulf seawater and 30 to 40% for ocean seawater. Depending on the conditions in which the desalting process is operated, two types of scale forms occur: an alkaline soft scale consisting mainly of CaCO〓 and Mg (OH) 〓 and mainly CaSO〓, CaSO〓 · H〓O, and CaSO〓. It is a non-alkaline hard scale composed of 2H〓O. The latter form becomes worse as the temperature increases. This is because the solubility of CaSO〓 decreases as the solution temperature increases. Traditionally, in thermal desalination plants such as MSFD or other MED plants, acids and other anti-scale additives are generally added to the feed water, and in the case of MSFD, at a brine temperature of 90-120 ° C, the MED In the case of a plant, the process operation is limited so as not to cause scale formation at a brine temperature of 65 ° C. However, nevertheless, freshwater product recovery was as low as 25% to 35% as a fraction of product to replenish the feed from Gulf seawater. At higher operating temperatures, ion exchange was required to remove SO soot or Ca soot and to obtain higher water recovery. Similarly, in SWRO operations, scale inhibitors have also been commonly added to prevent membrane or plant scale formation, but again, for example, in the case of Gulf seawater, the water recovery rate by conventional methods is still about It was limited to 25 to 35% or less. In addition, the scale inhibitor is usually returned to the marine environment, as part of a brine discard, or during a descaling operation. Such materials are usually pollutants in the marine environment and should be avoided as such.

海水脱塩の際のこれらの問題及びそれらを軽減するために従来用いられていた対策は、公海(表面)取水から供給物をとった場合のSWROプラントへの供給物に必要な品質条件と共に、表2に既に要約し、与えられている。本発明で適当なスケール防止剤を用いて、又は用いずに使用される二段階NF供給物前処理法は、混濁物、硬質イオンを効率的及び経済的に除去し、TDSを低下することができ、それらのため、本発明の方法は従来法で予想されるよりも高いNF生成物回収率で行うことができ、従って、本発明の方法は、慣用的及び他の従来の海水脱塩法に対し著しい改良を与えるものであることが分かるであろう。更に、硬質イオンの除去は、全ての型の海水脱塩法(膜式又は熱式)で、回収率を増大するのに役立つ。   These problems during seawater desalination and the measures used to mitigate them, along with the quality requirements for the feed to the SWRO plant when taking the feed from the high seas (surface) intake, Table 2 has already been summarized and given. The two-stage NF feed pretreatment method used with or without a suitable scale inhibitor in the present invention can efficiently and economically remove turbids, hard ions and reduce TDS. The process of the present invention can be carried out with higher NF product recovery than would be expected with the conventional process, and therefore the process of the present invention is conventional and other conventional seawater desalination processes. It will be understood that this provides a significant improvement. In addition, the removal of hard ions helps to increase recovery in all types of seawater desalination methods (membrane or thermal).

簡単に述べると、本発明の最適海水熱式脱塩法は、膜式工程段階で硬質物を著しく減少し、TDSを低下し、供給物から混濁物を除去し、それによりエネルギー及び化学的消費量を低下し、水回収率を増大し、海水からの淡水の生産コストを低下する。これは、NFとSWROとの独特の組合せにより達成され、その各々は二段階で、図1に例として示したように、段階間にエネルギー回収ターボチャージャーを具え、図2,又は3に与えた構成で示したように、SWRO一段階を具えており(NFと、MSFD、MED、又はVCDでもよい)、それは更に媒体濾過との付加的組合せにより更に改良することができ、凝集のある、又はそれのない供給物の品質により、或は海水を収集するため海岸井戸のような地下取水を用いることにより、改良することができる。   Briefly, the optimal seawater thermal desalination process of the present invention significantly reduces hards, lowers TDS and removes turbidity from the feed in the membrane process step, thereby eliminating energy and chemical consumption. Reduce the volume, increase the water recovery rate, and reduce the production cost of fresh water from seawater. This is achieved by a unique combination of NF and SWRO, each in two stages, with an energy recovery turbocharger between the stages, as shown in FIG. 1 as an example, given in FIG. As shown in the configuration, it has one SWRO stage (which may be NF and MSFD, MED, or VCD), which can be further improved by additional combinations with media filtration, It can be improved by the quality of the feeds without it, or by using underground water intake such as coastal wells to collect seawater.

ナノ濾過及びSWRO脱塩は、全て文献に広く記述されており、各出典の商業的設備になっている。従って、各段階、ここで用いられている設備及び材料、及び種々の操作パラメーターについての詳細な記述は、ここで詳細に与える必要はないであろう。文献の包括的な記載の典型的な例として、カーク・オスマー(Kirk-Othmer)によるナノ濾過のためのエンサイクロペディア・オブ・ケミカル・テクノロジー(ENCYCLOPEDIA OF CHEMICAL TECHNOLOGY)、21:327−328(第4版:1991);SWROについては同上、pp.303−327;及びROについては、マクケッター(McKetta)その他、エンサイクロペディア・オブ・ケミカル・プロセシング・アンド・デザイン(ENCYCLOPEDIA OF CHEMICAL PROCESSING AND DESIGN)、16:198−224 (1982)、及びコルビット(Corbitt)、スタンダード・ハンドブック・オブ・エンバイアラメンタル・エンジニアリング(STANDARD HANDBOOK OF ENVIRNMENTAL ENGINEERING)、5−146〜5−151を参照されたい。   Nanofiltration and SWRO desalination are all widely described in the literature and have become a commercial facility for each source. Thus, a detailed description of each stage, equipment and materials used herein, and various operating parameters need not be given in detail here. As a typical example of a comprehensive description of the literature, ENCYCLOPEDIA OF CHEMICAL TECHNOLOGY for nanofiltration by Kirk-Othmer, 21: 327-328 (No. 4th edition: 1991); 303-327; and RO for McKetta et al., ENCYCLOPEDIA OF CHEMICAL PROCESSING AND DESIGN, 16: 198-224 (1982), and Corbitt. ), STANDARD HANDBOOK OF ENVIRNMENTAL ENGINEERING, 5-146 to 5-151.

NF及びSWROの基本的概念を記述し、理解することにより、NFをSWROへ結合し、二段階のNF及び二段階又は一段階のSWRO(図1,2,及び3)、SWRO又はNF及びMSFDを完全に総合することについて行われた研究の進行状況の詳細は、パイロットプラント規模で行われた実験研究を参照することにより最もよく理解することができる。一つの単一段階SWRO中に結合した一つの単一段階NFによりNF−SWRO法として形成した模式的工程図が図8に与えられている。その方法は、海水供給システム、二重媒体フィルター、及び次の微細砂フィルター、5μカートリッジフィルター、供給物タンク、夫々一段階からなるNFユニット及びSWROユニットからなる。砂フィルター中の砂の粒径は変えることができ、通常0.3〜1.0mmのオーダーになっている。このシステムの前処理部分は、NF−SWRO(図1)、又はNF−SWRO−熱式の三重ハイブリッド、又は唯一つの段階のSWROが高圧膜、例えば東洋紡HB型(図2)を用いNF−SWRO、又はNF(二段階)−SWRO(一段階)(図3)のような二重ハイブリッド又は三重ハイブリッドのこの新しい発明の中に維持されており、SWRO排除物をNF供給物へ、又は一つ以上のSWROプラントへ再循環しているが、図1,2,及び3に例示として示されているように、全てが316m/時の同じ供給物量を有し、この場合、図1,2,及び3の各々には濾過過程は示されていない。 By describing and understanding the basic concepts of NF and SWRO, NF is coupled to SWRO, so that two-stage NF and two-stage or one-stage SWRO (FIGS. 1, 2, and 3), SWRO or NF and MSFD. The details of the progress of the research conducted on the complete synthesis of the system can best be understood by referring to experimental research conducted on a pilot plant scale. A schematic process diagram formed as an NF-SWRO process with one single stage NF combined in one single stage SWRO is given in FIG. The method consists of a seawater supply system, a dual media filter, and a subsequent fine sand filter, a 5μ cartridge filter, a feed tank, an NF unit and a SWRO unit each consisting of one stage. The particle size of the sand in the sand filter can vary and is usually on the order of 0.3 to 1.0 mm. The pre-treatment part of this system is NF 2 -SWRO 2 (FIG. 1), or NF 2 -SWRO 2 -thermal triple hybrid, or only one stage SWRO is a high pressure membrane, eg Toyobo HB type (FIG. 2). using NF 2 -SWRO 1, or NF (2 steps) -SWRO (one step) (FIG. 3) is maintained in the two-hybrid or triple hybrids of this new invention as, NF supplied SWRO reject Are recycled to the product or to one or more SWRO plants, but all have the same feed rate of 316 m 3 / hour, as illustrated by way of example in FIGS. In that case, the filtration process is not shown in each of FIGS.

商業的SWRO又はNFプラントでは、膜部材は通常直列に一つの加圧容器当たり六つの部材として配列されている。この型の膜構成は、世界中の商業的NF及びSWROプラントの多くで好ましい構成になっている。これは、図9及び10に示されている商業的Umm Lujj SWROプラント中の二重NF−SWROの操作でも用いられているNF及びSWRO部材の配列でもある。一つの加圧容器内に六つの部材の性能を確立するため、実証ユニットは、図14に示したように、一つの加圧容器当たり六つの部材(8″×40″)の代わりに二つのNF部材(8″×40″)を夫々取付けた三つの加圧容器を用いて建造された。第一:第二:第三加圧容器内の二つの部材の夫々の性能は、同じ図の中に示されている通りであり、次の比率になっていた。   In commercial SWRO or NF plants, membrane members are usually arranged in series as six members per pressurized vessel. This type of membrane configuration has become a preferred configuration in many commercial NF and SWRO plants worldwide. This is also the array of NF and SWRO members used in the dual NF-SWRO operation in the commercial Umm Lujj SWRO plant shown in FIGS. In order to establish the performance of six members within one pressurized vessel, the demonstration unit can replace two members instead of six members (8 ″ × 40 ″) per pressurized vessel, as shown in FIG. It was constructed using three pressurized vessels each fitted with an NF member (8 ″ × 40 ″). The performance of each of the two members in the first: second: third pressurization vessel was as shown in the same figure and had the following ratio.

印加圧力25バール及びT=30℃で、45,000ppmのTDSを有する11.95m/時の供給物から:
生成物流 4.61 : 3.3 : 1.32 合計 : 9.28m/時
生成物回収率 38% : 28% : 11% 全回収率 : 78%
生成物TDS 28,000 : 35,000 : 40,000 一緒にした生成物 : 32,270ppm
各容器について、生成物回収率は、NF生成物対全供給物11.95m/時の比率として計算した。同じ図で示したように、第三容器内の二つの部材(element)は高度に応力を受けている;それらはTDS=69,100ppmを有する3.99m/時だけの供給物、即ち、最初の二つの部材について、例えば11.95m/時の供給物の1/3を、P=24バールで受け、それらには、TDS=45,000ppmの海水がP=25バールで供給された。供給物浸透圧の増大に打ち勝つため、一層高い圧力が第三加圧容器中の部材の操作に必要である。
From a feed of 11.95 m 3 / h with an applied pressure of 25 bar and T = 30 ° C. and a TDS of 45,000 ppm:
Product logistics 4.61: 3.3: 1.32 Total: 9.28m 3 / hr Product recovery rate 38%: 28%: 11% Total recovery rate: 78%
Product TDS 28,000: 35,000: 40,000 Combined product: 32,270 ppm
For each vessel, product recovery was calculated as the ratio of NF product to total feed 11.95 m 3 / hour. As shown in the same figure, the two elements in the third container are highly stressed; they have a feed of only 3.99 m 3 / hour with TDS = 69,100 ppm, ie For the first two parts, for example, 1/3 of the feed at 11.95 m 3 / hour was received at P = 24 bar, which was supplied with TDS = 45,000 ppm seawater at P = 25 bar. . Higher pressures are required for operation of members in the third pressurized vessel to overcome the increase in feed osmotic pressure.

第三容器内の最終二つの部材についてのこの大きな応力、又はその一部分を除去し、NF工程の効率を増大するため、本発明では、図1で示したような構成を用いた。この構成では、NF工程は二つの段階で、それらの間にエネルギー回収ターボーチャージャーを配置して行われる。この構成は二つの機能を有する:それは生成物流及び水回収率を増大し、後で示すように、単位水生成物当たりのエネルギー消費を減少する。第一:第二NF段階の部材数の比は、約2:1にしてある。更に、この構成では、第一段階内の各部材は約50〜60%の回収率で、第一NF段階では50%の回収率で、第二NF段階は、第一段階の部材が受けるのと殆ど同じ量の供給物を受け、後者(第一段階)のためのSWRO回収率が50%より低い場合には第二段階の部材は、第一段階部材へ送られた供給物より多量の供給物を受ける。P=25±10バールで海水が供給された第一段階は、例示として平行な二つのNFブロックからなり、ここで一つのブロックは、海水供給物品質(TDS)により、平行に配列された多数の加圧容器からなり、夫々の加圧容器には四つのNF部材が取付けられている。供給物TDSが大洋品質以下のものであるならば、一つの加圧容器内に合計6までの部材を用いることができるであろう。一方、第二段階は、第一段階ブロック内のモジュール数の約1/2のモジュールを有する一つのNFブロックを有する。全てのモジュールは平行に配列され、その各々が四つのNF部材を取付けた一つの加圧容器からなる。第一及び第二段階のNF部材は、その膜が35±10バールまでの高圧に耐えることができるならば、同じ型のものでもよく、或は第二段階NF膜部材を、第一段階NF部材によって許容される圧力よりも高い45バールまでの一層高い圧力許容性を有するように選択する。第二段階NFユニットには、第一段階モジュールからの一緒にした排除物が、その圧力を25±10バールから約35±10バールへターボーチャージャーにより増大した後、供給される。もし必要ならば、第二段階の圧力は、図1,2,及び3に示したように、加圧ポンプを使用することにより更に増大(加圧)することができ、そのポンプは、ターボーチャージャーで高圧にした第一段階排除物を受けることができ、それを更に希望の圧力値へ上昇させる。ターボーチャージャーによる圧力増加(ΔP)は、次のものに等しい〔ポンプ・エンジニアリング社(Pump Enguneering, Inc.)マニュアル#299910〕:
ΔPtc=(nte)(R)(P−P) (2)
nte=水圧エネルギー移動効率
=ターボーチャージャーへのブライン流対供給物流の比
=ターボーチャージャーへのブライン圧力
=ターボーチャージャーを出るブライン圧力
In order to remove this large stress on the last two members in the third container, or a part thereof, and increase the efficiency of the NF process, the configuration shown in FIG. 1 was used in the present invention. In this configuration, the NF process is performed in two stages, with an energy recovery turbocharger placed between them. This configuration has two functions: it increases the product stream and water recovery and reduces the energy consumption per unit water product, as will be shown later. The ratio of the number of members in the first: second NF stage is about 2: 1. Further, in this configuration, each member in the first stage has a recovery rate of about 50-60%, the first NF stage has a recovery rate of 50%, and the second NF stage is received by the first stage member. If the SWRO recovery rate for the latter (first stage) is less than 50%, the second stage member is more than the feed sent to the first stage member. Receive supplies. The first stage in which seawater was supplied at P = 25 ± 10 bar consists of two parallel NF blocks by way of example, where one block is a number arranged in parallel according to seawater feed quality (TDS). Each of the pressurized containers is provided with four NF members. If the feed TDS is sub-ocean quality, up to a total of 6 members could be used in one pressurized vessel. On the other hand, the second stage has one NF block having about half the number of modules in the first stage block. All modules are arranged in parallel, each consisting of one pressurized vessel fitted with four NF members. The first and second stage NF members may be of the same type as long as the membrane can withstand high pressures up to 35 ± 10 bar, or the second stage NF member may be replaced with the first stage NF member. Choose to have a higher pressure tolerance up to 45 bar, higher than the pressure allowed by the member. The second stage NF unit is fed with the combined reject from the first stage module after increasing its pressure from 25 ± 10 bar to about 35 ± 10 bar by a turbocharger. If necessary, the second stage pressure can be further increased (pressurized) by using a pressurized pump, as shown in FIGS. The high-pressure first stage reject can be received and further raised to the desired pressure value. The pressure increase (ΔP) due to the turbocharger is equal to the following (Pump Enguneering, Inc. Manual # 299910):
ΔP tc = (nte) (R r ) (P r −P c ) (2)
nte = hydraulic energy transfer efficiency R r = ratio of brine flow to supply to turbocharger vs. feed stream P r = brine pressure to turbocharger C c = brine pressure exiting turbocharger

図1に示したSWROの場合には、計算されたΔPは、37.5バールに等しく、NFの場合については約13バールである。   In the case of SWRO shown in FIG. 1, the calculated ΔP is equal to 37.5 bar, and for the case of NF it is about 13 bar.

NF(二段階)−SWRO(二段階)の構成は、図1に例示されている。NFユニットは、第一段階NFユニットに25±10バールまでの圧力を与えるように高圧ポンプから構成され、そのユニットは二つの平行に配列されたモジュールからなる。前に述べたように、一つのモジュールは、四つの8″×40″又は他の大きさの膜部材を有する一つの加圧容器からなる。NF膜は渦巻き状に巻いた形、中空微細繊維、管状、又は板状の形態になっていてもよいが、殆ど全ての商業的NF膜は、薄いフイルム状の複合体であり、渦巻き状に巻いた形態を有するナノセルロース重合体から作られている。その重合体は、例えばラマン(Raman)その他、Chem. Eng. Progress. 7(1):58 (1988)に記載されているような、負に帯電した基を有する通常疎水性型のものである。海水供給物は周囲海水温度で第一段階モジュールへ供給され、それらの一緒にされた加圧排除物は、一つのモジュール当たり四つのNF部材を有する次の第二段階モジュールへ、図1に例示として示したように、二つの段階間に固定されたターボーチャージャーにより35±5バールまでその圧力を増大した後に供給される。もし必要ならば、加圧ポンプにより40バールより高い圧力へ上昇することができる。第二NF段階中のモジュール数は、第一NF段階中のそれらの数の約1/2であるか又はほぼその数に等しい。海水供給物前処理ユニットは、図8に示した供給物前処理の場合と同じ部品及び構成を有する。別法として、海岸井戸からの直接の供給物は、前処理ユニットを必要とすることなく、使用される。   The configuration of NF (two stages) -SWRO (two stages) is illustrated in FIG. The NF unit consists of a high-pressure pump so as to apply a pressure of up to 25 ± 10 bar to the first stage NF unit, which unit consists of two modules arranged in parallel. As previously mentioned, one module consists of one pressurized vessel with four 8 ″ × 40 ″ or other sized membrane members. While NF membranes may be in the form of spirals, hollow microfibers, tubes, or plates, almost all commercial NF membranes are thin film composites that are spirally shaped. Made from a nanocellulose polymer having a rolled form. The polymer is of the usually hydrophobic type with negatively charged groups, as described, for example, by Raman et al., Chem. Eng. Progress. 7 (1): 58 (1988). . Seawater feed is fed to the first stage module at ambient seawater temperature, and their combined pressure exclusion is illustrated in FIG. 1 to the next second stage module with four NF members per module. As shown, the pressure is increased by a turbocharger fixed between the two stages after increasing its pressure to 35 ± 5 bar. If necessary, a pressure pump can raise the pressure above 40 bar. The number of modules in the second NF stage is about 1/2 or approximately equal to their number in the first NF stage. The seawater feed pretreatment unit has the same parts and configuration as the feed pretreatment shown in FIG. Alternatively, direct feed from the coastal well is used without the need for a pretreatment unit.

第一及び第二NF段階からの一緒にしたNF生成物を、55±10バールの圧力を与える一つの高圧ポンプを有するSWROユニットへ送り、平行に配列されモジュールの一ブロックからなる第一段階SWROへ送り、慣用的SWROプラントで用いられている種類の膜、例えば、東洋紡又は東レ又はヒドラナウティクス(Hydranautics)、又はフィルムテク(Filmeec)、又はデュポン(DuPont)の膜等からなり、第一段階SWROモジュールから収集された加圧排除物をターボーチャージャーに通してその圧力を約85±5バールへ上昇し、次にこの加圧排除物を第二段階SWROユニットで、各モジュールが、高圧許容性ブライン転化のSWRO部材、例えば東レ820BMC又は同等のSWRO膜の四つ又は六つを取付けた一つの加圧容器からなるSWROモジュールの一つのブロックから構成されたユニットへ供給する。ターボーチャージャーを用いることにより、もし必要ならば、加圧ポンプを用いることにより、圧力を90バールまで上昇することができる。二つのSWRO段階からの一緒にした生成物が収集され、飲料水の品質を有する最終的生成物になる。   The combined NF product from the first and second NF stages is sent to a SWRO unit with one high-pressure pump giving a pressure of 55 ± 10 bar, the first stage SWRO consisting of one block of modules arranged in parallel The first stage comprising membranes of the type used in conventional SWRO plants, such as Toyobo or Toray or Hydranautics, or Filmmec or DuPont membranes The pressure exclusion collected from the SWRO module is passed through a turbocharger to increase its pressure to about 85 ± 5 bar, and then this pressure exclusion is the second stage SWRO unit, each module being high pressure tolerant SWRO member consisting of one pressurized vessel fitted with 4 or 6 Toray 820BMC or equivalent SWRO membranes O supplied from one block to have been unit configuration of the modules. By using a turbocharger, if necessary, the pressure can be increased to 90 bar by using a pressure pump. The combined products from the two SWRO stages are collected and become the final product with drinking water quality.

我々のR&Dで行われた商業的に入手できるNF膜についての現場での研究から、それらは性能の点で甚だしく異なっていることが例示され、多かれ少なかれ三つの群に分類することができる:「A」群は、大きな排除率を有するが低い透過物流〔流束(flux)〕を有することを特徴とする気密な構造のNF膜であるのに対し、「C」群は、大きな流れ及び穏やかなイオン排除性、特にTDSを有し、一方「B」群は、透過物流及びイオン排除性について良好な釣り合いの取れた性能を有する(ハッサンその他、脱塩に関するIDA国際会議予稿集、1999年10月)。この研究の結果として、「B」群の膜が、Umm Lujj SWROプラントの二重NF−SWRO操作で用いられて成功を収めている(ハッサンその他、脱塩に関するIDA国際会議予稿集、2001年10月)。NF「B」群の同じ型及び/又は「C」群の選択されたNF膜が、本発明において、図1に示したもののような、本発明のプラントの第一段階容器で用いられている。一層高い圧力に対する許容性を有する膜を有する「B」群型の膜は、第二段階NFユニットで用いられている。二つのNF8″×40″膜部材が夫々入った三つの加圧容器からなる実証プラントを用いることにより、P=25バール、約12m/時の供給速度、及びT=30℃で、第一及び第二モジュール部材から66%の生成物回収率が達成された(図14)。反復実験で、8m/時の供給速度、P=24バール、及びT=28℃で、二つの加圧容器で同じ四つの部材を操作した時には、僅か約62%の回収率しか達成されなかった(図15)。約5.1+05.2m/時のNF生成物流が、供給物8m/時から得られ、NF供給物量、その温度、及び圧力が一定に保たれる限り、この第一段階NFユニットから約62%の生成物回収率が維持され、それらは生成物伝導度に一定性を与えている(図15)。約35℃までの供給物温度の制御は、MSFユニットの熱排除領域中のMSF蒸留物を冷却するのに用いた一部の暖かい海水(43℃)を、冷たい海水部分(18〜25℃)と混合することにより行われた(図8参照)。供給物温度の変動と共にNFユニット性能の変動は、NFユニットをこの混合工程を用いずに海水供給物(18〜25℃)で操作した場合について、図16に明確に例示されている。図3に示したように、第一容器のNF部材によりSO 、Mg++、Ca++、及びCHO のスケール形成性硬質イオンの排除率は、夫々99.9、98.3、96.8、及び84.4%であるのに対し、第二容器中のNF膜部材による硬質イオン排除率は99.9、98.3、96、及び78%であった。或る実験では、第一及び第二容器中のNF部材の生成物中にはSO イオンは検出されなかった。98%以上であるSO 、Mg++、及び全硬質物質の硬質イオン排除率は、第一及び第二容器中のNF部材生成物の場合と殆どの同じ程度であり、Ca++イオンの排除率については同様であることが認められている。しかし、容器1及び2のNF部材間のHCO の排除率には差が存在する(表3)。この実験で確立されたNF硬質イオン排除率は、一つの加圧容器中に六つのNF部材が配置されたUmm Lujjプラントで前に達成されたものと同様である(図12)。約8m/時の供給物と比較した生成物水回収率は、第一及び第二加圧容器の前の方の部材について36.3%及び25.6%であり、四つの部材からは合計約62%であった。 Field work on commercially available NF membranes conducted at our R & D illustrates that they differ significantly in performance and can be classified into more or less three groups: The “A” group is an NF membrane with an airtight structure characterized by having a high rejection rate but a low permeate flow (flux), whereas the “C” group is a large flow and mild The “B” group has good balanced performance in terms of permeate flow and ion exclusion (Hussan et al., Proceedings of IDA International Conference on Desalination, 1999 10). Moon). As a result of this study, the “B” group of membranes has been successfully used in the dual NF-SWRO operation of the Umm Lujj SWRO plant (Hussan et al. Moon). The same type of NF “B” group and / or selected NF membranes of “C” group are used in the present invention in the first stage vessel of the plant of the present invention, such as that shown in FIG. . “B” group type membranes with membranes with higher pressure tolerance are used in the second stage NF unit. By using a demonstration plant consisting of three pressurized vessels, each containing two NF8 ″ × 40 ″ membrane members, P = 25 bar, feed rate of about 12 m 3 / hr, and T = 30 ° C. And 66% product recovery from the second module member was achieved (FIG. 14). In repeated experiments, only about 62% recovery was achieved when operating the same four parts in two pressurized vessels at a feed rate of 8 m 3 / hour, P = 24 bar, and T = 28 ° C. (FIG. 15). About 5.1 + 05.2m 3 / NF product stream time is obtained from feed 8m 3 / time, NF supply amount, as long as the temperature and that the pressure is kept constant, approximately from the first stage NF unit 62% product recovery was maintained and they gave a constant product conductivity (FIG. 15). Control of the feed temperature up to about 35 ° C can be achieved by using some warm seawater (43 ° C) used to cool the MSF distillate in the heat rejection zone of the MSF unit to cool seawater portion (18-25 ° C). (See FIG. 8). The NF unit performance variation along with the feed temperature variation is clearly illustrated in FIG. 16 for the case where the NF unit is operated with a seawater feed (18-25 ° C.) without using this mixing step. As shown in FIG. 3, the removal rates of the scale-forming hard ions of SO 4 = , Mg ++ , Ca ++ , and CHO 3 by the NF member of the first container are 99.9, 98.3, and 96, respectively. The hard ion rejection by the NF membrane member in the second container was 99.9, 98.3, 96, and 78%, while .8 and 84.4%. In some experiments, no SO 4 = ions were detected in the product of the NF member in the first and second containers. The hard ion rejection rate of SO 4 = , Mg ++ , and the total hard material, which is 98% or more, is almost the same as that of the NF member product in the first and second containers, and the exclusion of Ca ++ ions It is recognized that rates are similar. However, there is a difference in the rejection rate of HCO 3 between the NF members of containers 1 and 2 (Table 3). The NF hard ion exclusion rate established in this experiment is similar to that previously achieved in the Umm Lujj plant with six NF members arranged in one pressurized vessel (FIG. 12). The product water recovery compared to the feed at about 8 m 3 / hour is 36.3% and 25.6% for the front part of the first and second pressure vessels, and from the four parts The total was about 62%.

硬質イオンに対するNF膜の優れた排除率と比較して、一価Clイオンの排除率は、容器1及び2のNF部材について、夫々僅か35.6及び23.8%であるが、それらのTDSイオン排除率は夫々42.7及び31.4%であり、NFによる排除が、一価イオンの排除よりも共有結合硬質イオンの方が遥かに大きいが、RO(BWRO、SWRO、LPRO、及び緩いRO)は、多かれ少なかれ一価及び共有結合イオンについては同じ排除率を有すると言う前の議論を裏付けている。 Compared to the excellent rejection of the NF membrane for hard ions, the rejection of monovalent Cl - ions is only 35.6 and 23.8% for the NF members of containers 1 and 2, respectively. The TDS ion rejection rates are 42.7 and 31.4%, respectively, and the exclusion by NF is much greater for covalent hard ions than for monovalent ions, but RO (BWRO, SWRO, LPRO, and Loose RO) supports the previous argument that more or less monovalent and covalent ions have the same exclusion rate.


Figure 2006021110
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上の結果から、図15及び16、特に図16に示したように、NFの性能は、適用した圧力、操作温度、供給物流(量)及び品質(TDS)の操作条件に依存する。これらの操作条件を制御することにより、既に確立したように、図1,2,及び3に示したような構成を有するNF前処理ユニット中の第一NF段階から、約62%以上までの回収率を得ることができることを結論することができる。更に、NF第一段階の排除物から、それを同じ図の第二段階へ供給した場合、約35%の回収率が容易に得られ、二つの段階からの全回収率を75%にすることができる。第一段階を25バールで回収率62%で操作し、第二段階を40%の回収率で操作した時、パイロットプラントで二段階NFユニットから77%の全回収率が達成された。供給物は、湾岸海水、TDS≒45,000ppmからなっていた。パイロットプラント供給物を8m/時から9m/時へ増大し、25バールの同じ値に圧力を維持することにより、NF生成物回収率が80%へ上昇した。海水供給物に適当なスケール防止剤を添加し、或は添加せずに、異なったNF膜の試験により、一層高い回収率を達成することができる。この値より高い回収率は、NF(二段階)ユニットから、供給物に適当なスケール防止剤を添加することにより、得ることができる。前に述べたように、これは、Umm Lujjプラントで同じ加圧容器内に直列に配置した六つの部材から得られた70%までのNF生成物回収率に比較されるものである(ハッサンA.M.その他、脱塩に関するIDA国際会議予稿集、バーレーン、2002年3月)。 From the above results, as shown in FIGS. 15 and 16, especially FIG. 16, the performance of NF depends on the operating conditions of applied pressure, operating temperature, supply flow (quantity) and quality (TDS). By controlling these operating conditions, as already established, recovering up to about 62% or more from the first NF stage in the NF pretreatment unit having the configuration as shown in FIGS. It can be concluded that the rate can be obtained. Furthermore, if it is supplied from the NF first stage reject to the second stage in the same figure, a recovery rate of about 35% can be easily obtained, and the total recovery rate from the two stages should be 75%. Can do. When the first stage was operated at 25 bar and a recovery rate of 62% and the second stage was operated at a recovery rate of 40%, a total recovery of 77% was achieved from the two-stage NF unit in the pilot plant. The feed consisted of Gulf seawater, TDS≈45,000 ppm. By increasing the pilot plant feed from 8 m 3 / h to 9 m 3 / h and maintaining the pressure at the same value of 25 bar, the NF product recovery increased to 80%. Higher recoveries can be achieved by testing different NF membranes with or without the addition of a suitable scale inhibitor to the seawater feed. Recovery rates higher than this value can be obtained from the NF (two stage) unit by adding a suitable scale inhibitor to the feed. As previously mentioned, this is to be compared to the NF product recovery of up to 70% obtained from six components placed in series in the same pressurized vessel at the Umm Lujj plant (Hussan A M. Others, Proceedings of IDA International Conference on Desalination, Bahrain, March 2002).

図1に示した構成で例示したように、二段階NFにより実現された同じ利点は、同じ図に示したSWROユニットの構成により、また、二重NF−SWRO脱塩システム間にターボチャージャーを配置した二段階でも得られている。これは、後で開発されたSWRO高圧膜を使用することを考慮すると極めて現実性があり、適用可能になっている。例えば、それらの使用により、大洋(日本海)の海水回収率を40%から60%へ増大し、50%の増大を可能にする。上記ゴトウその他の文献参照。我々の側で操作されたSWROパイロットプラントレベルでは、そのプラントをわずか50バールの印加圧力で一段階NFユニットからのNF生成物に対し操作すると、60%の水回収率が達成され、70バールの印加圧力では、回収率は80%へ上昇する(図7)。同様に、56〜58%の水回収率が、一段階でNF生成物に対し操作されたUmm Lujj SWROトレイン100で達成された(ハッサンその他による前の文献参照)。   As illustrated in the configuration shown in FIG. 1, the same benefits realized by the two-stage NF are due to the configuration of the SWRO unit shown in the same diagram, and the placement of a turbocharger between the dual NF-SWRO desalination systems. It has been obtained in two stages. This is extremely realistic and can be applied in consideration of using a SWRO high-pressure membrane developed later. For example, their use increases the seawater recovery rate in the ocean (Sea of Japan) from 40% to 60%, allowing an increase of 50%. See Goto et al. At the SWRO pilot plant level operated on our side, operating the plant for NF product from a single stage NF unit with an applied pressure of only 50 bar achieved a water recovery of 60% and 70 bar At the applied pressure, the recovery rate increases to 80% (FIG. 7). Similarly, water recoveries of 56-58% were achieved with the Umm Lujj SWRO train 100 operated on the NF product in one step (see previous literature by Hassan et al.).

図1に示したように、56%の第一段階SWROの水回収率を仮定し、第一SWRO段階により合計133m/時が達成されるのに対し、36%の水回収率及び約92バールの圧力で第二段階SWROにより僅か37m/時しか達成されず、供給物としてNF生成物の238m/時から170m/時の全生成物、即ち、それら二つの段階により71%以上の全回収率が達成されている。硬質イオン含有量を非常に低くして、第二SWRO段階へ適用した高圧のために、二段階SWROユニットから71%より高い回収率が予想される。これは、全NF(二段階)−SWRO(二段階)脱塩ハイブリッドの全回収率を約54%(0.75×0.714)にする。 As shown in FIG. 1, assuming a water recovery rate of 56% of the first stage SWRO, a total of 133 m 3 / hour is achieved by the first SWRO stage, while a water recovery rate of 36% and about 92%. little 37m 3 / when the second stage SWRO at a pressure of bar not achieved, the total product of 170m 3 / time from 238m 3 / time of NF product as feed, i.e., 71% or more by their two stages The overall recovery rate has been achieved. Because of the very low hard ion content and the high pressure applied to the second SWRO stage, a recovery rate higher than 71% is expected from the two-stage SWRO unit. This brings the total recovery of the total NF (two stage) -SWRO (two stage) desalted hybrid to about 54% (0.75 x 0.714).

単位水生成物当たりのエネルギー必要量及び水コストを低下すると共に、水流量及び生成物回収率の両方であるプラント生産率を増大する利点が得られることの外に、本発明のこの最適二重NF(二段階)−SWRO(二段階)(図1)、又はNF−SWRO(図2)、又はNF−SWRO(図3)海水脱塩法は、次の利点を有する: In addition to the benefits of lowering the energy requirement and water cost per unit water product and increasing the plant production rate, which is both water flow rate and product recovery, this optimal dual of the present invention. NF (2 steps) -SWRO (two steps) (Figure 1), or NF 2 -SWRO 1 (FIG. 2), or NF 2 -SWRO 1 (FIG. 3) seawater desalination method has the following advantages:

(1) 硬質物の著しい減少し、その結果スケール形成が減少するか又は無くなっているため、スケール防止用化学物質をRO工程への供給物に添加するか、又はそのような化学物質を、従来のシステムではスケール形成が起きていたようなRO設備中へ入れる必要はもはやない。勿論、このことは環境の観点から重要な利点である。なぜなら、そのような化学物質が、海洋環境中へもはや廃棄されることがなく、或は埋立地スラッジ又貯水槽へ廃棄されることはないからである。   (1) Due to the significant reduction in hard material, resulting in reduced or eliminated scale formation, adding anti-scaling chemicals to the feed to the RO process or adding such chemicals to the conventional In this system, it is no longer necessary to enter the RO facility where scale formation occurred. Of course, this is an important advantage from an environmental point of view. This is because such chemicals are no longer discarded into the marine environment, or into landfill sludge or water tanks.

(2) 更に、懸濁固体又はバクテリアを含んでいない点で、NF生成物の純度が高いために、SWRO膜を通る圧力差(ΔP)が非常に低いままになっており、従って、SWRO膜が汚染されない。このことは、SWRO膜の寿命を一層長くすることになるのみならず、頻繁なクリーニングを行うことなく、高効率膜性能を持続し続けることになる。Umm Lujjのトレイン100では、SWRO膜は、現在3年6カ月に亙りどのSWRO膜のクリーニング又は取り替えを行うことなく操作されているが、それらはNF前処理なしで海水供給物に対し8カ月間連続的に使用した後、NF生成物について34カ月以上操作された。   (2) Furthermore, due to the high purity of the NF product in that it does not contain suspended solids or bacteria, the pressure differential (ΔP) through the SWRO membrane remains very low, thus the SWRO membrane. Is not contaminated. This not only extends the life of the SWRO membrane, but also maintains high efficiency membrane performance without frequent cleaning. In Umm Lujj's train 100, SWRO membranes have now been operated for 3 years and 6 months without any SWRO membrane cleaning or replacement, but for 8 months against seawater feed without NF pretreatment. After continuous use, the NF product was operated for over 34 months.

(3) この二重NF−SWRO法、第二段階により生成したSWRO生成物の高い品質のために、慣用的に操作されていたSWROプラントでは通常行われていたような第二段階ROユニットは不必要であり、この場合、この第二段階は、TDS<500ppmの良好な品質の水を生ずるために必要とされる。   (3) Due to the high quality of the SWRO product produced by this double NF-SWRO process, the second stage, the second stage RO unit as normally done in a conventionally operated SWRO plant is In this case, this second stage is required to produce good quality water with TDS <500 ppm.

(4) 本発明の二重NF−SWRO法の一つの主な利点は、そのSWRO排除物の品質が良好なことにあり、それを、熱式海水脱塩プラントへの補充物として適格にする。表4に示したように、懸濁固体及びバクテリアが存在しないことによる高度の透明性の外に、それが含有するスケール形成性硬質イオン、SO 、Mg++、Ca++、及びHCO の濃度が劇的に低くなっている。 (4) One major advantage of the dual NF-SWRO process of the present invention is the good quality of its SWRO reject, making it eligible as a supplement to a thermal seawater desalination plant. . As shown in Table 4, besides the high transparency due to the absence of suspended solids and bacteria, the scale-forming hard ions it contains, SO 4 = , Mg ++ , Ca ++ , and HCO 3 The concentration of is dramatically lower.


Figure 2006021110
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NF及びSWROの各々が二段階で操作された場合の、NF−SWRO(排除物)−熱式の三重ハイブリッド脱塩システムでこの生成物を更に利用すると、海水脱塩法の全水回収率が増大する。 Further utilization of this product in an NF 2 -SWRO 2 (exclusion) -thermal triple hybrid desalination system when each of NF and SWRO is operated in two stages will result in total water recovery for seawater desalination. The rate increases.

(5) 本発明の最適法についてのエネルギー消費/生成物m:図17に示したような慣用的百万ガロンSWROプラントについてのエネルギー消費量/mは、4.269になっているのに対し、慣用的二段階(SWRO及び続くRO)法(図17)に対しては9.326KW時/mであり、0.44:1の比になっている。本方法のエネルギー消費量(KW時/m)は、慣用的一段階SWROと、続く第二塩水ROシステムで必要になる値の約44%である。エネルギー必要量は、式3により計算した:
エネルギー(KW時/m)=[Q.Hρ/366Qe] (3)
式中:
− Q及びQは、夫々供給物及び生成物の量(単位、m/時)である。
− Hは、圧力ヘッド(単位、m)である。
− ρは、海水の密度(1.03)である。
− eは、ポンプ効率(≒0.85)である。
(5) Energy consumption / generation of the optimal methods of the present invention m 3: The energy consumption / m 3 for conventional one million gallons SWRO plant shown in FIG. 17 is adapted to 4.269 On the other hand, for the conventional two-stage (SWRO and subsequent RO) method (FIG. 17), it is 9.326 kWh / m 3 , a ratio of 0.44: 1. The energy consumption of this method (KW h / m 3 ) is about 44% of the value required for a conventional one-stage SWRO followed by a second saltwater RO system. The energy requirement was calculated according to Equation 3:
Energy (KW at the time / m 3) = [Q f .H f ρ / 366Q p e] (3)
In the formula:
- Q f and Q p is the amount of each feed and product (unit, m 3 / h).
-H is the pressure head (unit, m).
-Ρ is the density of seawater (1.03).
-E is the pump efficiency (≈0.85).

水処理ハンドブック、第5版、1979年、ホールステッド・プレス・ブック(Halsted Press Book)、John Wiley & Sons出版社参照。「ポンプハンドブック」第2版、イゴール(Igor)J.カラシック・ウィリアム(Karassik Willian)C.クルチュ(Krutzsch)、ウォレンH.フランセール(Warren H. Franser)、及びジョセフP.メシナ(Joseph P. Messina)、McGraw Hill出版社、国際出版、工業的工学シリーズ(Industrial Engineerirg Series)も参照。   See Water Treatment Handbook, 5th Edition, 1979, Halsted Press Book, John Wiley & Sons Publisher. “Pump Handbook” 2nd edition, Igor J.M. Karassik Willian C.I. Krutzsch, Warren H. Franchen (Warren H. Franser) and Joseph P. See also Joseph P. Messina, McGraw Hill Publisher, International Publishing, Industrial Engineerirg Series.

本発明の方法の利点を更に例示するため、湾岸海水供給物、TDS45,000ppmから百万USガロン/日(mgd)のSWROプラントの生産のため、完全に総合した最適二重NF(二段階)−SWRO(二段階)プラント設計を用いて、商業的プラントのシミュレーションを行い、その性能を同じ製造能力を有する慣用的SWROの性能と比較した(図17)。湾岸水のNF回収率を75%に設定し、SWROユニット回収率を71%に設定した。第一段階SWROによる56%から二段階による71%へ回収率を増大するためには、全SWROユニット回収率を、第二段階が15%追加する必要がある。パイロットプラントのレベルでの上記研究では、このことは全く可能であった。なぜなら、第二段階高圧SWROは、第一段階SWROユニットによる排除物の35%以上を回収することができたからである。35%の同じ比を用いて、全供給物の44%の上記Umm Lujj第一段階排除物からの生成物の回収は、15.4%(即ち、0.35×44=15.4%)であり、全回収率は71.4%(56+15.4%)になる。実際、第一及び第二SWRO段階のための高圧及び低い供給物TDSで、SWROユニットは、71%より高い全回収率を持つものと予想される(図7参照)。   To further illustrate the advantages of the method of the present invention, a fully integrated optimal dual NF (two-stage) for the production of a Gulf Seawater feed, SWDS plant from TDS 45,000 ppm to 1 million US gallons per day (mgd) -A SWRO (two-stage) plant design was used to simulate a commercial plant and compare its performance with that of a conventional SWRO with the same production capacity (Figure 17). The NF recovery rate for Gulf water was set to 75%, and the SWRO unit recovery rate was set to 71%. In order to increase the recovery rate from 56% in the first stage SWRO to 71% in the second stage, it is necessary to add 15% to the total SWRO unit recovery rate in the second stage. In the above study at the pilot plant level, this was quite possible. This is because the second-stage high-pressure SWRO was able to recover 35% or more of the rejected products by the first-stage SWRO unit. Using the same ratio of 35%, the recovery of product from the Umm Lujj first stage exclusion of 44% of the total feed was 15.4% (ie 0.35 × 44 = 15.4%) The total recovery is 71.4% (56 + 15.4%). In fact, with high pressure and low feed TDS for the first and second SWRO stages, the SWRO unit is expected to have a total recovery of greater than 71% (see FIG. 7).

表5は、本発明の最適NF(二段階)−SWRO(二段階)海水脱塩法を適用することにより、回収率のみならず、供給物量及びエネルギー消費(KW時/m)の低下で得られる、慣用的SWRO法に勝る多くの利点を例示している。排除物(ブライン)の量も少ない。慣用的SWRO法によるこの百万USガロン/日プラントへの供給物は、本発明のわずか322.45m/時であるのに対し、慣用的SWRO法では602m/時であり、1:0.485の比であった。図9に示し、図17にも示したように、慣用的SWROプラントを、SWROユニットについては30%の回収率で、第二塩水ROユニットでは、この場合、低圧ROユニットを用いて85%の回収率で、二段階で操作した。 Table 5 shows that by applying the optimum NF (two-stage) -SWRO (two-stage) seawater desalination method of the present invention, not only the recovery rate, but also the reduction in feed amount and energy consumption (KW hour / m 3 ). It illustrates the many advantages obtained over the conventional SWRO method. The amount of reject (brine) is also small. Feed by conventional SWRO process to this Millions of US gallons / day plant, whereas it is only 322.45m 3 / time of the present invention, in the conventional SWRO process is when 602m 3 /, 1: 0 The ratio was .485. As shown in FIG. 9 and also shown in FIG. 17, the conventional SWRO plant has a recovery rate of 30% for the SWRO unit and in this case the second saltwater RO unit is 85% using the low pressure RO unit. The recovery was performed in two steps.

Figure 2006021110
Figure 2006021110

要約すると、本発明の最適方法は、慣用的SWRO法の場合よりも遥かに高い効率を有する。更に、これらの多くの利点は、湾岸海水(TDS 45,000ppm)の脱塩に適用する場合に限定されるものではない。約65%以上の全回収率と同様、一層高いNF、及びSWRO回収率を、本方法を大洋海水(TDS35,000ppm)の脱塩に適用した場合に達成することができる。供給物、排除物の量のみならずエネルギー必要量は、湾岸海水供給物の脱塩の場合のそれらの値よりも、大洋海水供給物の脱塩の場合の方が著しく低くなると予想される。一層低いTDS供給物では、一層高い回収率、一層大きな収率を、NF−SWRO(排除物)−熱式の一部としてSWROプラントを操作した場合、得ることができる。 In summary, the optimal method of the present invention has a much higher efficiency than the conventional SWRO method. Furthermore, many of these advantages are not limited to application to the desalination of Gulf Seawater (TDS 45,000 ppm). Higher NF and SWRO recovery, as well as a total recovery of about 65% or more, can be achieved when the process is applied to desalination of ocean seawater (TDS 35,000 ppm). The amount of energy required, as well as the amount of feed and rejects, is expected to be significantly lower in the case of demineralization of the ocean seawater feed than in the case of desalination of the gulf seawater feed. In a lower TDS feed, higher recovery rates, a greater yield, NF 2 -SWRO 2 (elimination thereof) - when operating the SWRO plant as part of a thermal type can be obtained.

上で明確には記載しなかったが、明らかに本発明の本質及び範囲内に入る本発明の多くの態様が存在することは明らかである。従って、上の記載は、例としてのみ考えられるべきであり、本発明の実際の範囲は、添付の特許請求の範囲からのみ決定されるべきである。図1に示したように、二段階NFユニットからのNF生成物を形成するか、又はSWRO排除物を形成する同様な特許請求の範囲を作ることができるが、この場合、熱式海水脱塩(MSFD、MED、VCD)プラントへの補充物として、NF生成物をSWROユニットへ供給する。本発明の特許請求の範囲は、図1、2、又は3に示したような、最適NF(二段階)−SWRO(二段階)及びNF(二段階)−SWRO(一段階)海水脱塩法にのみ限定される。   Although not explicitly described above, it is clear that there are many aspects of the present invention that clearly fall within the spirit and scope of the present invention. Therefore, the above description should be considered as exemplary only, and the actual scope of the present invention should be determined only from the appended claims. As shown in FIG. 1, a similar claim can be made to form an NF product from a two-stage NF unit or to form a SWRO exclusion, in which case thermal seawater desalination (MSFD, MED, VCD) NF product is supplied to the SWRO unit as a supplement to the plant. The claims of the present invention include an optimal NF (two-stage) -SWRO (two-stage) and NF (two-stage) -SWRO (one-stage) seawater desalination process as shown in FIGS. Limited to only.

引用文献
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JP 09141260 3/6/1997
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図1は、NF及びSWROユニットの各々で、二段階間にターボチャージャーを配置したNF(二段階)−SWRO(二段階)を有する本発明の最適完全総合化海水脱塩法の模式的工程図である。FIG. 1 is a schematic process diagram of the optimum fully integrated seawater desalination method of the present invention having NF (two-stage) -SWRO (two-stage) in which a turbocharger is disposed between two stages in each of the NF and SWRO units. It is. 図2aは、図1と同様な図であるが、エネルギー回収ターボチャージャー、75±10バールの高圧ポンプを具えた、高圧(P≒84バール)、大きな流量、大きな塩排除率の膜を用いて、二段階の代わりに一段階のSWROを用いた場合の工程図である。FIG. 2a is similar to FIG. 1, but with a high pressure (P≈84 bar), high flow rate, large salt rejection rate membrane with an energy recovery turbocharger, 75 ± 10 bar high pressure pump. FIG. 5 is a process diagram in the case of using one-stage SWRO instead of two-stage. 図2b、更に圧力交換器(PX)を具えた同様の工程図である。FIG. 2 b is a similar process diagram with a pressure exchanger (PX). 図3aは、一段階SWROユニットを有する図2と同様な図であるが、高圧(P≒55±10バール)で慣用的SWRO膜を用い、エネルギー回収ターボチャージャーシステムを用い、SWROユニット排除物の一部分を供給物として二段階NFユニットへ再循環することを示す工程図である。FIG. 3a is similar to FIG. 2 with a single stage SWRO unit, but using a conventional SWRO membrane at high pressure (P≈55 ± 10 bar), using an energy recovery turbocharger system, FIG. 6 is a process diagram showing recycling a portion as feed to a two-stage NF unit. 図3bは、更に圧力交換器の構成を用いた同様の工程図である。FIG. 3b is a similar process diagram using a further pressure exchanger configuration. 図4は、供給物を生成物及び排除物へ分離する海水脱塩法、種々の海水脱塩(熱式又は膜式)法での排除物中の、混濁物、バクテリア、硬質イオン、及びTDSについての濃度を示す図である。FIG. 4 shows turbidity, bacteria, hard ions, and TDS in the seawater desalination process that separates the feed into product and reject, various seawater desalination (thermal or membrane) processes. It is a figure which shows the density | concentration about. 図5は、種々の海水脱塩法の主たる問題を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing the main problems of various seawater desalination methods. 図6は、海水供給物TDSの浸透圧に対する影響及び膜を通って透過物を押し出す真の有効圧力(Pnet)を示すグラフである。FIG. 6 is a graph showing the effect of seawater feed TDS on osmotic pressure and the true effective pressure (Pnet) that pushes permeate through the membrane. 図7は、透過物により測定された、(a)流量、(b)回収率、及び(c)伝導度を、海水供給物印加圧力に対してプロットした、SWROユニットの性能についての、NF海水前処理を用いた場合と用いない場合(NF及びSWROの各々は一段階だけからなる)について示すグラフである。FIG. 7 shows NF seawater for SWRO unit performance, plotted by permeate, (a) flow rate, (b) recovery, and (c) conductivity plotted against seawater feed applied pressure. It is a graph shown about the case where it does not use with the case where pre-processing is used (each of NF and SWRO consists of only one stage). 図8は、NF−海水脱塩(SWRO及びMSF)パイロットプラントでのNF、SWRO、及びMSFによる二重及び三重ハイブリッドの完全総合構成を示す模式的工程図である。FIG. 8 is a schematic process diagram showing the complete overall configuration of double and triple hybrids with NF, SWRO, and MSF in an NF-seawater desalination (SWRO and MSF) pilot plant. 図9は、商業的Umm Lujj SWROプラントについての、(a)1986年に建設されたプラント(トレイン200)のSWRO構成、(b)NF−SWROシステム(NF及びSWROの各々が一段階)へ転化され、2000年9月に操作されたNF−SWRO構成(トレイン100)についての模式的工程図である。Figure 9 shows a commercial Umm Lujj SWRO plant (a) SWRO configuration of a plant built in 1986 (Train 200), (b) Conversion to NF-SWRO system (NF and SWRO each in one stage) And is a schematic process diagram for an NF-SWRO configuration (train 100) operated in September 2000. FIG. 図10は、2000年9月に建設されたUmm Lujj NF−SWROプラント(トレイン100)を示す写真であり、写真の前側には設置されたNFユニット、後側には完全に結合されたSWROユニットを有する。FIG. 10 is a photograph showing a Umm Lujj NF-SWRO plant (train 100) constructed in September 2000, with the NF unit installed on the front side and the fully coupled SWRO unit on the rear side. Have 図11は、操作時間に対する65%の固定されたNF生成物回収率で、Umm Lujj NF−SWROトレイン100でのNF膜ユニットの性能(生成物流量、回収率、及び伝導度)を示すグラフである。FIG. 11 is a graph showing the performance (product flow rate, recovery rate, and conductivity) of the NF membrane unit in the Umm Lujj NF-SWRO train 100 with a fixed NF product recovery rate of 65% versus operating time. is there. 図12は、海水供給物の組成及びNF生成物の組成を、それらのスケール形成性硬質イオン(SO 、Ca++、Mg++、HCO )、Cl、及びTDSの含有量に重点を置いて、NF膜によるそれらのイオン排除率(%)とともに示すグラフである。FIG. 12 focuses on the composition of the seawater feed and the NF product with respect to their scale-forming hard ions (SO 4 = , Ca ++ , Mg ++ , HCO 3 ), Cl , and TDS content. Are shown together with their ion rejection rate (%) by the NF membrane. 図13は、図9に示した完全総合NF−SWROシステム中のSWROユニット・トレイン100についての性能(生成物流量及び回収率)、トレイン100対トレイン200の生成物流量比、及び操作条件を示すグラフである。FIG. 13 shows the performance (product flow rate and recovery), the product flow ratio of train 100 to train 200, and operating conditions for the SWRO unit train 100 in the fully integrated NF-SWRO system shown in FIG. It is a graph. 図14は、夫々、二つのNF8″×40″部材の入った加圧容器である、三つの異なった加圧容器構成を有するパイロットプラントを用いたNF部材の性能を示す工程図である。FIG. 14 is a process diagram showing the performance of an NF member using a pilot plant with three different pressurized vessel configurations, each of which is a pressurized vessel containing two NF8 ″ × 40 ″ members. 図15は、夫々二つのNF部材の入った容器である、二つの加圧容器を直列に配列して用いた第一NF段階対操作時間(9000時間に亙る)としてのNF性能をプロットした図である。FIG. 15 is a plot of NF performance as a first NF stage versus operating time (over 9000 hours) using two pressurized vessels arranged in series, each vessel containing two NF members. It is. 図16は、透過物の(a)流量、(b)回収率、及び(c)伝導度を、種々の操作条件(圧力、温度、供給物流量、及び供給物TDS)により測定したNFユニット性能をプロットした図である。FIG. 16 shows the NF unit performance measured for various operating conditions (pressure, temperature, feed flow rate, and feed TDS) for permeate (a) flow rate, (b) recovery, and (c) conductivity. FIG. 図17は、百万ガロンプラントの1日当たりの生産量について、慣用的SWRO法の場合に比較するように、本発明の方法を、それら二つの方法の各々の脱塩部分だけについて示す、模式的工程図である。FIG. 17 is a schematic showing the method of the present invention for only the desalted portion of each of the two methods, as compared to the conventional SWRO method, for the daily output of a million gallon plant. It is process drawing.

Claims (21)

高濃度の硬質スケール形成性イオン性化学種、微生物、粒状物質及び高濃度の全溶解固体を含有する塩水を、二段階膜ナノ濾過(NF2)ユニットに、それら段階の間のエネルギー回収ターボチャージャー(TC)ユニットにより、必要に応じ加圧ポンプを補充して通し、第一及び第二NF段階の合わせたNF生成物から、前記イオン性化学種の含有量が低下し、微生物、粒状物質及び殆ど全てのスケール形成性硬質イオンが除去された第一水生成物を形成する工程、及び
然る後、前記第一生成物を、二段階SWRO(SWRO2)に、それら段階の間のエネルギー回収TCにより、必要に応じ加圧ポンプを補充して通し、二つのSWRO段階の合わせた生成物から、飲料水品質の最終的第二水生成物(透過物)及び塩度が増大し、スケール形成性硬質イオンが劇的に減少したSWROブライン廃棄物の第三水生成物を生成させる工程、
を含む、最適脱塩方法及び装置。
Brine containing high concentrations of hard scale forming ionic species, microorganisms, particulate matter and high concentrations of total dissolved solids into a two-stage membrane nanofiltration (NF 2 ) unit and energy recovery turbocharger between those stages The (TC) unit replenishes the pressure pump as necessary, and the content of the ionic species is reduced from the combined NF product of the first and second NF stages, and microorganisms, particulate matter and Forming a first water product from which almost all scale-forming hard ions have been removed, and then the first product is transferred to a two-stage SWRO (SWRO 2 ) energy recovery between those stages The TC increases the final second water product (permeate) and salinity of the drinking water quality from the combined product of the two SWRO stages through the replenishment of the pressurization pump as required, and the scale Producing a third water product of SWRO brine waste with dramatically reduced formable hard ions;
An optimum desalting method and apparatus.
硬質スケール形成性イオン性化学種、微生物、粒状物質及び全溶解固体を大きな含有量で含有する塩水を、二段階膜ナノ濾過(NF2)ユニットに、それら段階の間のエネルギー回収TCユニットによりし、必要に応じ高圧加圧ポンプを補充して通し、第一及び第二NF段階の合わせたNF生成物から、前記イオン性化学種(TDS)の含有量が低下し、微生物、粒状物質及び殆ど全てのスケール形成性硬質イオンが除去された第一水生成物を形成する工程、及び
然る後、前記第一水生成物を、一段階海水逆浸透ユニットに通し、飲料水品質の第二水生成物(透過物)及び塩度は増大しているが硬質物質は劇的に減少した第三水生成物排除物を形成する工程であって、この場合、前記一段階SWROユニットはエネルギー回収ターボチャージャー・システムを有し、必要に応じ高圧加圧ポンプが補充されているか、又はターボチャージャーエネルギー回収システム又は圧力交換器(PX)を補充し、図2又は3に示すような形態及び構成を有する工程、
を含む、脱塩法及び装置。
Brine containing a high content of hard scale-forming ionic species, microorganisms, particulate matter and total dissolved solids is made into a two-stage membrane nanofiltration (NF 2 ) unit by an energy recovery TC unit between those stages. , Replenish high pressure pressurization pump as needed, from the combined NF product of the first and second NF stages, the content of the ionic species (TDS) is reduced, microorganisms, particulate matter and most Forming a first water product from which all scale-forming hard ions have been removed, and then passing the first water product through a one-stage seawater reverse osmosis unit to provide a second water of drinking water quality. The product (permeate) and the salinity increase, but the hard substance forms a dramatically reduced third water product exclusion, in which case the one-stage SWRO unit is an energy recovery turbocharger. charge 2 and 3 is replenished with a high-pressure pressurizing pump if necessary, or a turbocharger energy recovery system or pressure exchanger (PX) is replenished and has the configuration and configuration as shown in FIG. Process,
A desalination process and apparatus.
エネルギー回収ターボチャージャーを間に配置した二重完全総合NF2ユニットを有し、この場合、第一NF段階が高圧ポンプ及びNFユニットを有し、25±10バールの圧力(P)下でNF生成物及びNF排除物を生成し、前記NF排除物は、それをターボチャージャー・ユニット又は加圧ポンプ又はそれらの組合せを通過させて、その圧力を35±10バールへ上昇させた後、第二段階NFへの供給物を構成し、この第二段階NFユニットからの生成物を、前記第一NF段階からのNF生成物と合わせて、第一水生成物を構成する、請求項1又は2に記載の最適脱塩方法及び装置。 It has a double fully integrated NF 2 unit with an energy recovery turbocharger in between, where the first NF stage has a high pressure pump and NF unit and produces NF under a pressure (P) of 25 ± 10 bar And NF reject, which is passed through a turbocharger unit or a pressurized pump or a combination thereof to increase its pressure to 35 ± 10 bar, and then the second stage According to claim 1 or 2, comprising a feed to NF and combining the product from this second stage NF unit with the NF product from said first NF stage to constitute a first water product. The optimum desalting method and apparatus as described. 中程度から高度の生成物流及びスケール形成性硬質イオンの大きな排除率:SO4 =については90%より高く、他の硬質イオンについては60〜98%のオーダーの排除率を有するNF膜を使用し、一方、第二段階NFの膜が、中程度の生成物流量でスケール形成性硬質イオンの大きな排除率:SO4 =では90%まで、他の硬質イオンでも60〜98%まで又はそれ以上の排除率で特徴づけられる、請求項1〜3のいずれか1項に記載の最適脱塩システム。 Large exclusion rates of medium to high product streams and scale-forming hard ions: use NF membranes with SO 4 = higher than 90% and other hard ions with exclusion rates on the order of 60-98% On the other hand, the second stage NF membrane has a large elimination rate of scale-forming hard ions at moderate product flow rates: up to 90% for SO 4 = , up to 60-98% or more for other hard ions The optimum desalination system according to any one of claims 1 to 3, characterized by an exclusion rate. 第一SWRO段階が高圧ポンプを有し、P=55±10バールで供給物をSWROユニットへ送って、それからSWRO生成物及び排除物流を生成させ、前記SWRO排除物流をターボチャージャー又は加圧ポンプ又はそれらの組合せに通して、第二SWRO段階排除物から回収されたエネルギーにより、その圧力を90±10バールへ増大し、然る後、それを第二段階SWROユニットへ供給して、第一及び第二SWRO段階の合わせた生成物から、飲料水品質のSWRO生成物を形成し、第二段階SWROユニットのブラインからSWRO排除物の第三水生成物を形成する、請求項1に記載の最適脱塩方法及び装置。   The first SWRO stage has a high pressure pump and sends feed to the SWRO unit at P = 55 ± 10 bar, from which it produces SWRO product and reject stream, which is either a turbocharger or a pressurized pump or Through their combination, the energy recovered from the second SWRO stage exclusion increases its pressure to 90 ± 10 bar, after which it is fed to the second stage SWRO unit, The optimal of claim 1, wherein the combined product of the second SWRO stage forms a drinking water quality SWRO product and the third stage SWRO reject water product forms from the brine of the second stage SWRO unit. Desalination method and apparatus. 第一段階SWROで、慣用的一段階SWROプラントで用いられている種類の市販のSWRO膜で、99.0%以上の高い塩排除率を有し、70バールまでの圧力に耐えることができる膜を使用し、一方、90±10バールまでの高圧許容性SWRO膜を、第二段階SWROで用いる、請求項1に記載の最適脱塩システム。   First-stage SWRO, a commercially available SWRO membrane of the kind used in conventional one-stage SWRO plants, with a high salt rejection of over 99.0% and capable of withstanding pressures up to 70 bar The optimum desalination system according to claim 1, wherein a high pressure tolerant SWRO membrane up to 90 ± 10 bar is used in the second stage SWRO. 第一及び第二段階SWROで、夫々70及び100バールまでの圧力に耐えることができる加圧容器を用いる、請求項1に記載の最適海水脱塩システム。   The optimal seawater desalination system according to claim 1, wherein the first and second stage SWRO use pressurized vessels capable of withstanding pressures up to 70 and 100 bar, respectively. 一段階SWROユニットが、図2に示す形態及び構成を有する、請求項2に記載の最適海水脱塩システム。   The optimum seawater desalination system according to claim 2, wherein the one-stage SWRO unit has the form and configuration shown in FIG. SWRO膜及び加圧容器が、85バールまでの圧力に耐えることができる、請求項8に記載の最適海水脱塩システム。   9. The optimum seawater desalination system according to claim 8, wherein the SWRO membrane and the pressurized vessel can withstand pressures up to 85 bar. 一段階SWROが、図3に示す形態及び構成を有する、請求項2に記載の最適海水脱塩システム。   The optimum seawater desalination system according to claim 2, wherein the one-stage SWRO has the form and configuration shown in FIG. SWRO膜及び加圧容器が、70バールまでの圧力に耐えることができる、請求項10に記載の最適海水脱塩システム。   The optimal seawater desalination system according to claim 10, wherein the SWRO membrane and the pressurized vessel can withstand pressures up to 70 bar. SWRO排除物(SWRO排除物の第三水生成物)の一部分を、それ自身の圧力で再循環して戻し、海水供給物と混合して、図3に示すように、NFユニットへの供給物を形成する、請求項10又は11に記載の最適海水脱塩システム。   A portion of the SWRO reject (the third water product of the SWRO reject) is recycled back at its own pressure, mixed with the seawater feed, and fed to the NF unit as shown in FIG. The optimal seawater desalination system according to claim 10 or 11, wherein: 塩水が海水を含む、請求項1又は2に記載の最適脱塩システム。   The optimal desalination system according to claim 1 or 2, wherein the salt water includes seawater. 海水が、2.0%〜5.0%のオーダーの全溶解固体含有量を有する、請求項13に記載の最適脱塩システム。   14. The optimum desalination system according to claim 13, wherein the seawater has a total dissolved solids content on the order of 2.0% to 5.0%. 海水溶液が、1.2%〜1.7%のオーダーの陽イオン含有量、2.2%〜2.8%のオーダーの陰イオン含有量、7.9〜8.2のオーダーのpHを有し、2.0%〜5.0%のオーダーの全溶解固体含有量に匹敵する、請求項13に記載の最適脱塩システム。   The seawater solution has a cation content of the order of 1.2% to 1.7%, an anion content of the order of 2.2% to 2.8%, and a pH of the order of 7.9 to 8.2. 14. An optimum desalination system according to claim 13, having a total dissolved solids content on the order of 2.0% to 5.0%. 700〜2200ppmのカルシウム及びマグネシウム陽イオンを含む陽イオン含有量を更に有する、請求項15に記載の最適脱塩システム。   16. The optimum desalination system of claim 15, further comprising a cation content comprising 700-2200 ppm calcium and magnesium cations. 海水の性質に関し、カルシウム、マグネシウム、硫酸塩及び炭酸水素塩イオン含有量が、NF2ユニットにより、63%〜99%のオーダー減少され、全溶解固体含有量が約30%〜50%減少される、請求項13又は15に記載の最適脱塩システム。 With regard to the properties of seawater, the calcium, magnesium, sulfate and bicarbonate ion content is reduced on the order of 63% to 99% by NF 2 units and the total dissolved solids content is reduced by about 30% to 50%. The optimal desalination system according to claim 13 or 15. ナノ濾過ユニットを、15℃〜40℃のオーダーの温度で操作する、請求項1又は2に記載の最適脱塩システム。   The optimum desalination system according to claim 1 or 2, wherein the nanofiltration unit is operated at a temperature on the order of 15 ° C to 40 ° C. 海水逆浸透ユニットを、15℃〜40℃のオーダーの温度で操作する、請求項1又は2に記載の最適脱塩システム。   The optimum desalination system according to claim 1 or 2, wherein the seawater reverse osmosis unit is operated at a temperature on the order of 15 ° C to 40 ° C. 第二水生成物が飲料水(SWRO透過物)を含み、海水供給物に対するその生成物回収率が、50%のオーダー又はそれ以上である、請求項1又は2に記載の脱塩法。   3. A desalination process according to claim 1 or 2, wherein the second water product comprises drinking water (SWRO permeate) and its product recovery relative to the seawater feed is on the order of 50% or more. 第三水生成物が、大きな塩度であるが、SO4 =、HCO3 -、Mg++及びCa++のスケール形成性硬質イオンが劇的に低下しているSWRO排除物を含む、請求項2に記載の脱塩法。 The third water product comprises a SWRO exclusion that has a high salinity but has dramatically reduced scale forming hard ions of SO 4 = , HCO 3 , Mg ++ and Ca ++. Item 3. A desalting method according to Item 2.
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