JP2007021490A - 水の処理方法及び処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 現状では、純度の低い水の濾過に際し、大きな不純物の除去と同時に細かい不純物まで除去することが困難なことである。
【解決手段】 少なくとも一方がフィルタ状の電極である相対する電極間に存在する水または水を主成分とする液体の処理方法であって、前記電極間の水に対し、前記電極によって同時に異なる複数の周波数の交流電流を与える水または水を主成分とする液体を処理する方法とする。この処理方法は、少なくとも一方がフィルタ状の電極である相対する２つの電極と、前記フィルタ状の電極と他の電極とによって仕切られた領域を、水または水を主成分とする液体を処理する領域とする処理部と、当該電極に電気的に接続された同時に異なる複数の周波数の交流電流を与える手段とを少なくとも有する処理装置にて具現化できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、不純物を含む水を濾過する過程で前記液体に作用させる処理方法及び処理装置に関するものである。具体的な例示としては、海水淡水化装置の前処理手段において用いることができる処理方法、処理装置に関するものである。

不純物を含む水を濾過によって水を精製する場合には、連続的に濾過を行うと、当該フィルタには不純物が付着し、フィルタの濾過効率が徐々に低下する。

特に汚水や海水など純度の悪い水を浄化する場合にこの問題は大きい。一般的な水の浄化方法は、前記問題のために、通常複数の濾過工程や化学的処理を経て、段階的に純度を高くする方法が通常採られる。その理由は、例えば海水淡水化の最終段階で用いる逆浸透膜で直接海水を濾過すると、逆浸透膜がすぐに目詰まりし、効率的な淡水化が不可能だからである。

このため、フィルタを効率的に使用するには、水の濾過工程に際してこのような不純物がフィルタに付着しないようにすることが必要になる。そして、その一つの手段が、不純物と親和性の少ない素材で作ったフィルタを使用することである。例えば、不純物が疎水性のコロイドなどの場合には、親水性フィルタを使用することなどである。しかし、純度の低い水は、不純物として様々な物質が含まれているので、この方法では一定の性質を有する不純物の付着を防御できるにすぎない。

もう一つの方法は、フィルタに付着した不純物を低周波振動などで除去する手段を付加することである。例えば、特許文献1には、逆浸透処理による海水淡水化装置の前処理手段のフィルタ及びストレーナーにパルス状の直流電圧や交流電流を与えて前記フィルタやストレーナーを周期的に電極の極性を反転させて、電気的な振動を生じさせることで、フィルタ表面に付着した濁質成分を除去する技術が開示されている。
特開２００４‐２８３６３６号公報

しかし、上記方法においては、特に細かい不純物については、フィルタからの除去が困難であり、フィルタの篩の目を細かくすると、すぐにフィルタが詰まってしまうため、フィルタの篩の目を大きくして、篩の目より小さい不純物は後の工程で処理せざるを得なかった。すなわち、後の処理手段にかかる負担が大きくなり、淡水化処理全体の効率を悪化させる要因であった。ひいては、更なる海水淡水化装置の小型化を制約する要因ともなっていた。

すなわち本発明が解決しようとする問題点は、現状の方法では、純度の低い水の濾過工程に際し、大きな不純物の除去と同時に細かい不純物まで除去することが困難な点にある。

本発明では、水の濾過工程に際し、フィルタを一方の電極とする、フィルタ状の電極と、相対する他の電極とで仕切られた領域に存在する水または水を主成分とする液体に対し、前記電極によって同時に異なる複数の周波数の交流電流を与える処理を行うことを上記課題解決の主要な手段とする。
上記主要な手段を実現するための装置として、少なくとも一方がフィルタ状の電極である相対する２つの電極と、前記フィルタ状の電極と他の電極とによって仕切られた領域を、水等の液体を処理する領域とする処理部と、当該電極に電気的に接続された同時に異なる複数の周波数の交流電流を与える手段とを少なくとも有する処理装置を挙げることができる。

上記装置を利用できる具体的な装置の一つとして、導電性材料を素材とするフィルタとストレーナーとを少なくとも有する前処理手段を持つ海水淡水化装置を挙げることができる。すなわち、前記前処理手段においては、前記フィルタを前記処理装置のフィルタ状の電極とすることができ、前記ストレーナーを前記処理装置の他の電極とすることができ、前記フィルタと前記ストレーナーとで囲まれた領域を水の処理部とすることができる。

本発明の水または水を主成分とする液体を処理する方法によれば、本方法を用いない場合に比べ、フィルタに付着する不純物の量が少なくなる。これにより、フィルタの長寿命化が達成できる。また本発明を用いると、大きな不純物と同時に小さな不純物粒子もフィルタに付着しなくなるため、結果、前記フィルタの孔径も小さくできる。ひいては水の浄化装置全体の効率的な運転が可能になる。

上記手段を前処理手段として有する海水淡水化装置に応用した場合、その効果は顕著である。海水には、大小様々な不純物が含まれており、かつ、かかる不純物が付着した前処理手段のフィルタには微生物が繁殖し、フィルタが痛むことになる。本発明では、フィルタへの不純物付着が抑えられるため、前処理手段に用いるフィルタ寿命が飛躍的に延びることになった。
すなわち、原水や海水中には、一般に多種類の懸濁質やコロイド物質並びに多種多様な水性微生物（植物性プランクトン、動物性プランクトン、アメーバ、細菌、ウイルスなど）が含まれていて、これらは前処理に使用されるフィルタの表面に付着して、フィルタの篩の目を閉塞するとともに、水生微生物からは、粘着性物質が分泌され、フィルタ表面でバイオフィルムを形成して、バイオフィルム中に懸濁質やコロイド物質も取り込まれて、フィルタの閉塞が一段と加速される。
しかし、本発明では、電極を形成するフィルタ間で異なる周波数の交流電流を与えることによって、水生微生物に刺激を与えて、微生物の変性や生活力を低下させることにより、粘着物質の分泌が抑制され、微生物のフィルタ表面への付着やバイオフィルムの生成を抑えることができるので、フィルタのろ過性能の大幅な向上が可能となる。

以下、本発明の水を処理する方法について、更に詳しく説明する。

本発明の処理対象物質は水である。本発明は海水や汚水などからフィルタへの不純物付着を防止し、または除去する方法なので、他の液体成分やコロイド状物質等の不純物を含んでいる水にも適用できる。従って、本明細書で記載している「水」と「水を主成分とする液体」は、本来同義といえるものであるが、疑義を避けるために並列して示したものである。「水を主成分とする」とは、その主成分（少なくとも全体量の５０v/v％）が水であることを意味する。従って本明細書では、これらを単に「水」と表記する場合がある。なお不純物を含むアルコールなどの液体でも同様の効果が生じると推測されるが、現時点では未確認である。

不純物を含む水は、一方がフィルタ状の電極である相対する電極間で、本発明の処理を受けることになる。他方の電極は、フィルタ状であってもなくてもよい。フィルタは水から不純物をある程度取り除くためのフィルタである。電極であるからその素材は導電性物質である。具体的には成形性の良い炭素繊維などを挙げることができる。フィルタの孔径は、使用用途において適宜選択することができる。

電極間とは、具体的には一方の電極と他の電極とによって仕切られた領域をいう。２つの電極が存在する場合、両電極は接触することがないため、これら電極によって少なくとも２面で囲まれた領域ができるはずである。これを本明細書のいう一方の電極と他の電極とによって仕切られた領域とする。ただし、これは両電極のみによって仕切られた領域のみに限定することを意味せず、一方の電極、他の電極及び電極以外の隔壁によって仕切られた領域であってもよい。またこれらによって閉ざされた閉領域のみならず、いずれかの部分が解放されている開放領域であってもよい。閉領域の場合、本発明の処理方法は、バッチ処理とせざるを得ないため、むしろ連続処理が可能である開放領域とするほうが好ましい。

上記領域に存在する水に、濾過工程の前または濾過工程と同時に、上記電極によって同時に異なる複数の周波数を有する交流電流を印加する。「同時に異なる複数の周波数を有する交流電流」の具体例としては、ノイズ波処理された交流電流を挙げることができる。ノイズにはホワイトノイズ、ピンクノイズ等様々な種類があるが、ホワイトノイズを用いるのが簡便である。電流にホワイトノイズ処理をするには、電極に電気を与える回路内にホワイトノイズ発生器を組み込むことで処理ができる。図１には、ホワイトノイズ発生器の例としてツェナーダイオードを組み込んだ電気回路の略図を示したが、本発明で用いることのできるホワイトノイズ発生器は、ツェナーダイオードを組み込んだものには限らない。

上記領域に存在し、本発明の方法にて処理されるべき水は、同時に異なる複数の周波数を有する交流電流を受け、水分子が共振する。純粋な水の場合、水の共振領域は一定波長に限定されるはずであるが、水和等により不純物と結合している水の共振波長は一定ではない。このため、雑多な周波数を持つ上記交流電流を与えることにより、どのような不純物と結合している水であっても容易に共振が生じ、不純物との結合が解かれることになる。この処理を行うと、濾過工程で水分子と結合していない不純物は、フィルタに付着しにくくなる。

次に、本発明の水の処理方法を海水淡水化装置の前処理手段に応用した好適実施形態を図面に基づいて説明する。

図２は本発明の海水淡水化装置の一実施形態を示したものである。この図に示されるように、取水した海水を前処理する前処理手段１と、前記前処理手段で前処理された水をろ過するろ過手段２と、前記ろ過手段でろ過された水を逆浸透膜法により処理する逆浸透膜処理手段５と、海水を取水して、前記前処理手段１による前処理工程、前記ろ過手段２による濾過工程及び前記逆浸透膜処理手段５による逆浸透処理工程の順に加圧送水する加圧手段３とを少なくとも有する海水淡水化装置であり、前記前処理手段１は、導電性材料を素材とするフィルタ１ｂとストレーナー１ａとを少なくとも有する一次ろ過工程１１を有するものである。図２では、ろ過手段２と逆浸透処理手段５との間に加圧手段３を設けた様態である。この他、図２において、符号４は圧力計、符号８は逆止弁、符号９はニードル弁を表す。

海水は、加圧手段３を構成する加圧ポンプの吸引力により揚水され、前処理手段１からろ過手段２を経て濁質成分や微生物等の微粒子が除去され、逆浸透膜処理装置５に送水される。逆浸透膜処理装置５の後段には、淡水化された処理水を取り出す処理水管６と塩化ナトリウム等が濃縮された濃縮排水を排出する排出管７が接続され、処理水管６には逆止弁８、排出管７にはニードル弁９が備えられる。取水された海水は、加圧手段３および排出管７に設けられたニードル弁９を開閉することで所定の圧力に加圧され、逆浸透膜処理装置５に供給される。逆浸透膜処理装置５の前段には被処理水を供給する被処理水管１０が接続され、被処理水管１０には水圧を監視する圧力計４および逆浸透膜処理装置５への供給水量を監視する原水警報装置１１が設けられている。また、必要に応じてニードル弁９の開閉により圧力調整を行うとともに、被処理水管１０に原水が送液されない場合、原水警報装置１１が作動するよう構成することができる。

本実施形態の前処理手段１は、図３および図４に示されるように、例えば円筒形状のストレーナー１ａを外筒とし、内側にフィルタ１ｂを組み合わせたカートリッジ式フィルタとして構成された一次ろ過手段１１と、ストレーナー１ａの上部に取付けられ、ろ過された水に海水が混入しないようシールするための蓋１ｅと、該蓋１ｅに設けられたフック１ｃに接続された導電線１ｄを介してストレーナー１ａとフィルタ１ｂとの間に同時に異なる複数の周波数の交流電流を印加する印加手段１ｆと、フック１ｃから延びた鎖１ｇによって固定された浮き子１ｈとを有する。また、蓋１ｅの中央部付近には一次ろ過された海水をろ過手段２に送水するための被処理水送水管１０の一端が接続されている。

ストレーナー１ａは中空の円筒形状であって、その外表面が例えば孔径０．5〜３ｍｍ、好ましくは０．５〜１．５ｍｍのメッシュ状に形成されていることが好ましい。このような形状とすることにより、過度の抵抗なく、効率よく海水から濁質成分を除去することができる。ストレーナーの構成材料としては、ステンレスもしくはチタン等の耐食性のある金属を用いることが好ましく、あるいはこれらの金属材料に白金、金等の貴金属材料を主とするコーティング層が形成されたものが好ましい。このような材料を使用することにより金属イオンの溶出を抑止することができる。

本発明の方法を用いる場合、フィルタ１ｂでは、望ましくは孔径が１０μｍ〜２００μｍのフィルタを使用できる。この範囲の孔径であれば、フィルタに過剰な負荷をかけることなく良好に海水中の濁質成分を除去することができる。フィルタの構成材料としては、導電性物質が好ましく、例えば炭素繊維や活性炭等の任意のものを使用することができる。また、フィルタ１ｂの形状も特に限定されず、中空糸、プリーツ、ワインド等の任意の形状を使用することができる。

海水はまず、ストレーナー１ａを通過することによって比較的大きな夾雑物が除去された後、フィルタ１ｂを通過することにより微粒子が除去される。このような構成とすることで後段のろ過手段２と相俟って、逆浸透膜手段５を通過する被処理水中の濁質成分や微生物数を減らして逆浸透膜の目詰まりを防止し、逆浸透膜の負荷を低減させ、膜寿命を長くることができる。なお、一次ろ過手段１１と、ろ過手段２との間に別途カートリッジ式フィルタ等を設ける構成としてもよい。

更に、前処理手段１の一次ろ過手段１１では、印加手段１ｆによって、フィルタ１ｂとストレーナー１ａとの間に存在する水が、本発明の水の処理方法を受ける。すなわち、フフィルタ１ｂを本発明の上記処理装置のフィルタ状の電極とし、ストレーナー１ａを本発明の上記処理装置の他の電極とし、前記フィルタと前記ストレーナーとで囲まれた領域１ｇを本発明の上記処理装置の処理部とすることで、前処理手段１を本発明の水を処理する処理装置とすることができるのである。図５は、一次ろ過手段１１の水平断面図である。前記処理部に該当する領域１ｇを図５にて明らかにした。

本実施態様において、印加手段１ｆにより交流回路で与えられる交流の一例は、電圧１．０〜４Ｖ、電流０．３〜３ｍＡの範囲で電圧が印加されることが好ましい。印加電圧が０．５Ｖ未満では十分な効果を得ることができない。一方、５Ｖを超えると海水が電気分解されて塩素ガスや水素ガスが生じるおそれがある。

前処理手段１の後段に設けられるろ過手段２としては、特に限定されないが、交換容易な小型のカートリッジ式フィルタを使用することが好ましい。カートリッジ式フィルタとしては任意のものを使用することができ、例えばセルロース、酢酸セルロース、二酢酸セルロース、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリオレフィン、フッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニリデン、ポリ四フッ化エチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアクリロニトリル、ポリベンゾキサジンジオン、ポリビニルアルコール、ポリベンズイミダゾロン、グラスファイバー、セラミック、活性炭等の任意のものを使用することができる。例えばポリプロピレン、ポリスルホン、ポリエステル、活性炭等を素材とする中空糸型、プリーツ型、ワインド型のフィルタエレメントが市販されているが、特に活性炭素材のものは高い脱臭効果が得られるため好ましい。

後述する加圧手段３の後段に設けられる逆浸透膜処理装置５は、アセチルセルロース系、芳香族ポリアミド系、ポリエーテル系、脂肪族ポリアミド系など任意の逆浸透膜エレメントから構成することができ、膜モジュールの形状としては平膜、スパイラル、中空糸、管形の任意の形状のものを使用することができる。逆浸透膜処理装置５の後段には処理水管６と排水管７が接続され、逆浸透膜処理により塩化ナトリウムやマグネシウム等のイオン成分や低分子有機物が除去され、淡水化された処理水は例えば飲料水として処理水管６から取り出される。一方、海水中の塩類が濃縮された濃縮排水は排出管７から装置外へ排出される。

加圧手段３のポンプ用モータとしては、磁束ベクトル制御可能なインバーターを使用し回転速度を２０分の１から１．５倍までモータの基本トルクを保持しながら圧力送水が可能なプランジャポンプを用いることが好ましい。このような加圧手段を用いることにより、原水（海水）を所望の圧力まで高めることができ、海水の自吸と加圧とを一つのポンプでまかなうことができる。さらに、３気筒のプランジャポンプ３１を使用することにより、原水の圧力を円滑に可変制御することができ、脈動を少なくして逆浸透膜への急激な圧力変動を軽減することにより、膜劣化を効果的に抑制することができる。

図６は本発明の加圧手段３の一例を示したものである。加圧手段３は、３気筒型のプランジャポンプからなる加圧ポンプ３１と、磁束ベクトル制御型定トルクモータ３２とを備え、モータ３２は、磁束ベクトルインバーターを使用し回転速度を２０分の１から１．５倍までを可変することが可能である。

なお、加圧手段として渦巻きポンプのような脈動を生じないポンプを備えるものに置き換えることも可能である。ただし、この場合、アキュムレータを必要としないが、加圧手段３の他に海水揚水用のポンプを設けることが好ましい。

加圧手段３のポンプ用モータの他の態様としては、ポンプ用モータに減速ギアを設け回転速度を２０分の１から５分の１までモータの基本トルクを倍増させながら低回転で圧力送水が可能なプランジャポンプも好適に使用することができる。

図７は、別の実施態様の加圧手段を示したものである。この加圧手段３は、３気筒型のプランジャポンプからなる加圧ポンプ３１と、加圧ポンプ用モータとして減速ギア３４とを備える。これにより回転速度を２０分の１から５分の１までモータの基本トルクを倍増させながら低回転で、例えば６Ｍｐａの圧力送水が可能となるが、モータの長期連続運転を想定した場合、６０Ｈｚ、４ポール１７５０回転の１０分の１、１７５回転程度とすることが望ましい。また、今までの小型海水淡水化装置のように、回転トルクを保持するためにベルトプーリによる減速を必要しないため、ベルトプーリの回転中の巻き込み事故の危険性もなく装置の小型化、簡略化および低消費電力での運転が可能になった。

図８は、加圧手段３のさらに別の態様を示したものである。容器３６内に加圧ポンプを駆動する駆動装置である電動モータと、１気筒もしくは２気筒のオイルレス偏芯型プランジャー加圧ポンプが内蔵されており、６．０Ｍｐａの圧力で送水することも可能である。また、アキュムレータ３７が設けられ、その蓄圧機能により脈動を吸収するよう構成されている。このような構成とすることにより、ポンプの脈動による逆浸透膜の劣化を防止することができる。また、モータの長期連続運転を想定した場合、回転速度は、１７４０回転でアキュムレータを装着することが望ましい。１ｔ／日の被処理水を６Ｍｐａで逆浸透膜処理装置に加圧送水する場合、従来２０ｋｗ／時間程度必要であったポンプの消費電力を２００ｗ／ｈ程度に低減することができる。このように消費電力が少ないため、電動モータはソーラパネルにより駆動させることも可能である。

本発明の水の処理方法は、不純物を含む水が濾過される場面で広く利用できる。また本発明の水の処理装置は、上記水の処理方法を具現化するものであり、広く利用できる。また、本発明の海水淡水化装置は、上記本発明の水の処理方法の具体的応用例として好適に用いることができる。

本発明の水の処理方法を行うために用いるホワイトノイズ発生器の電気回路の略図である。 本発明の海水淡水化装置の一例を示す概略図である。 本発明の海水淡水化装置の前処理手段を示す全体斜視図である。 本発明の海水淡水化装置の一次ろ過手段を示す分解図である。 本発明の海水淡水化装置の一次ろ過手段の水平断面図である。 本発明の海水淡水化装置の加圧手段の一態様を示す側面図である。 本発明の海水淡水化装置の加圧手段の他の態様を示す側面図である。 本発明の海水淡水化装置の加圧手段のさらに別の態様を示す斜視図である。

符号の説明

１ 前処理手段
１０被処理水管
１１ 一次ろ過手段
１ａ ストレーナー
１ｂ フィルタ
１ｆ 印加手段
１ｇ フィルタとストレーナーとで囲まれた領域
２ ろ過手段
３ 加圧手段
３１ プランジャポンプ
３２ モータ
３４ 減速ギア
３６ 容器
３７ アキュムレータ
４ 圧力計
５ 逆浸透膜処理手段

Claims (5)

1. 少なくとも一方がフィルタ状の電極である相対する電極間に存在する水または水を主成分とする液体の処理方法であって、
   前記電極間の水に対し、前記電極によって同時に異なる複数の周波数の交流電流を与える
   水または水を主成分とする液体を処理する方法。
2. 前記の同時に異なる複数の周波数の交流電流を与える手段が、ホワイトノイズ発生器を用いた手段である請求項１記載の水または水を主成分とする液体を処理する方法。
3. 少なくとも一方がフィルタ状の電極である相対する２つの電極と、
   前記フィルタ状の電極と他の電極とによって仕切られた領域を、水または水を主成分とする液体を処理する領域とする処理部と、
   当該電極に電気的に接続された同時に異なる複数の周波数の交流電流を与える手段とを少なくとも有する
   水または水を主成分とする液体を処理する処理装置。
4. 前記同時に異なる複数の周波数の交流電流を与える手段が、ホワイトノイズ発生器を用いた手段である請求項３記載の水または水を主成分とする液体を処理する処理装置。
5. 取水した海水を前処理する前処理手段と、
   前記前処理手段で前処理された水をろ過するろ過手段と、
   前記ろ過手段でろ過された水を逆浸透膜法により処理する逆浸透膜処理手段と、
   海水を取水して、前記前処理手段による前処理工程、前記ろ過手段による濾過工程及び前記逆浸透膜処理手段による逆浸透処理工程の順に加圧送水する加圧手段とを少なくとも有する海水淡水化装置であって、
   前記前処理手段は、
   導電性材料を素材とするフィルタとストレーナーとを少なくとも有し、
   前記フィルタを請求項３記載のフィルタ状の電極とし、
   前記ストレーナーを請求項３記載の他の電極とし、
   前記フィルタと前記ストレーナーとで囲まれた領域を請求項３記載の処理部とする請求項３記載の水または水を主成分とする液体を処理する処理装置であることを特徴とする海水淡水化装置。
   

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