JP2008272650A - 脱塩処理方法及び脱塩処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】装置の設置コストを低減することができるとともに、分離能力も向上させることのできる脱塩処理方法及び装置を提供する。
【解決手段】本発明の脱塩処理方法は、誘電体４２、４３によって被覆された電極４５、４６を対にして上下方向または水平方向に対向配置し、それら両誘電体４２、４３を略水平方向に延設して、両誘電体４２、４３間に塩類を含む原水を流通させ、両電極４５、４６に印加した電圧によって形成される静電界中で原水中のイオンを誘電体４２、４３の表面近傍に誘引し、該表面近傍に生成されたイオン濃縮水を誘電体４２、４３の表面に沿って原水の流れ方向と平行に排出するとともに、両誘電体４２、４３の中間付近に生成されたイオン濃度の低い脱イオン水を、上記イオン濃縮水とは分離して原水の流れ方向と平行に導出するものである。
【選択図】図２

Description

本発明は、静電誘導を利用して不純物を含む液体から該不純物を除去する技術に関し、特に、海水やかん水（低濃度の塩水）の淡水化に適した脱塩処理方法及び脱塩処理装置に関する。

海水からの製塩や、塩分濃度の低いかん水の脱塩、超純水の製造などの分野においては、原水中のイオンを確実に分離することのできる技術として、イオン交換膜を用いた電気透析法が公知であり、すでに広く利用されている。しかし、海水のように塩分濃度の高い原水を大量に処理しようとすると、電気代がかかりすぎるので、電気透析法は大規模の脱塩処理には不向きである。

そこで、電気透析法よりも電気エネルギーを要しない海水の脱塩技術が、特許文献１に提案されている。該文献に記載された脱塩装置の概略構成によれば、海水は、ポンプを通じて貯蔵タンクに貯蔵される。貯蔵タンクに貯蔵された海水は、流水管を通じて分離容器へ、その底部から送り込まれる。分離容器は、相当の高さ（数ｍ程度）を有しており、横断面は略矩形をなしている。分離容器の相対する両側面には、誘電体によって被覆された電極が縦方向に設けられている。両電極間には数百〜数千ｋＶの高電圧が印加される。その電圧によって形成された静電界中で、海水中の陽イオンが負極側に、陰イオンが正極側に、それぞれ引き寄せられる。ただし、イオンと誘電体表面との間に電荷の受け渡しは生じない。両電極の下方には流出管が接続されており、両電極近傍に生成された濃縮イオン水が、重力に従う水流に連行されて、それぞれ下向きに導出される。導出した濃縮イオン水は、下流側に配置された公知技術に係るイオン分離工程でさらに後処理される。分離容器の中間付近に生成された脱イオン水は、分離容器の上部に接続された導出管から上向きに押し出される。
特表平０４−５０４６７４号公報

上記特許文献１に係る脱塩処理技術は、分離容器の両側面に縦長の電極を配置して、両電極近傍に引き寄せられた濃縮イオン水を、電極に沿って下向きに導出させる構成を採用している。また、濃縮イオン水を導出させるための水圧には、重力、つまり容器の高さによって規定される位置エネルギーを利用しており、そのために貯留タンクや分離容器の高さを大きくしている。

かかる装置において分離効率を高めるには、水流方向に沿う電極の長さを延ばすのが望ましい。しかし、上記特許文献１のような構造の装置で電極の長さを確保しようとすると、分離容器を高さ方向に大きくしなければならないことになる。しかし、この種の処理装置において装置を上方に拡大するのは、平面方向に拡大するよりも設置コストの面で著しく不利である。さらに、上方に拡大する場合は、電極の長さを延長するにも限度があり、したがって、高い処理能力を期待するのが難しい。

また、上記特許文献１に係る脱塩処理技術は、脱イオン水を分離容器の上部から押し出す構成を採用している。つまり、分離容器の底部から上向きに押し込まれる海水の流れが、電極に沿って下向きに導出される濃縮イオン水の流れ方向と、分離容器の上部から上向きに押し出される脱イオン水の流れ方向に分離されることとなる。このように、水流を異なる方向に分離すると、水流の円滑性が損なわれるとともに、分離界面付近で濃縮されたイオンが拡散するなどの不都合も生じて、分離性能が低下するおそれがある。

本発明は、かかる不都合を改善するためになされたもので、装置の設置コストを低減することができるとともに、分離能力も向上させることのできる脱塩処理方法及び装置を提供するものである。

本発明の脱塩処理方法は、誘電体によって被覆された電極を対にして上下方向または水平方向に対向配置し、それら両電極を略水平方向に延設して、両電極間に塩類を含む原水を流通させ、電極に印加した電圧によって形成される静電界中で原水中のイオンを誘電体の表面近傍に誘引し、該表面近傍に生成されたイオン濃縮水を誘電体の表面に沿って原水の流れ方向と同方向に排出するとともに、両誘電体の中間付近に生成されたイオン濃度の低い脱イオン水を、上記イオン濃縮水とは分離して原水の流れ方向と同方向に導出することを特徴とする。

電極への電圧印加によって誘電体に誘電分極が生じると、原水中の陽イオンは負極側の誘電体に、陰イオンは正極側の誘電体に、それぞれ誘引されて、両誘電体間にイオン濃度勾配が形成される。ここで、電極の一方はアースされていてもよい。こうして、誘電体の表面近傍に生成される濃縮イオン水と、誘電体の中間付近に生成される脱イオン水とを、原水の流れ方向に沿って、水流の向きを変えずに分離することにより、少ないエネルギーで効率的に脱塩処理を行うことができる。電極は略水平方向に配置されるので、その延べ長さを確保するのも容易である。

さらに、本発明の脱塩処理方法は、上記脱塩処理方法によって分離された脱イオン水を、同方法の繰り返しによって反復処理することを特徴とする。これにより、分離率を向上させることができるが、この場合も、原水の流路が略水平であることがコスト低減に寄与する。

さらに、本発明の脱塩処理方法は、原水中に予め微細気泡を生成させ、該微細気泡を含んだ原水を上記方法で処理することを特徴とする。

イオンや塩類などを含む水溶液中に微細気泡を生成した場合に、微細気泡のゼータ電位がマイナス帯電となる現象が知られている。本発明者らは、この現象に着目し、膜分離する原水中に微細気泡を発生させると、原水中のイオンが微細気泡の周囲に引き寄せられて、微細気泡の周囲におけるイオン濃度が高まることにより、イオンが分離しやすくなるとの知見を得た。この作用を含む工程を上流側に追加することにより、分離効率を向上させることができる。この特定事項に係る「微細気泡」とは、直径数十μｍ以下のマイクロバブル、またはマイクロバブルよりもさらに小径（１μｍ以下）のナノバブルである。気泡の直径が数十μｍ以下であれば、短時間では上昇して消泡することなく、原水中に長時間残存するとともに、イオンの吸引力も強いので、分離効率が安定的に向上する。

さらに、本発明の脱塩処理方法は、上記方法で分離された脱イオン水を、さらに濾過膜分離して精製水を得ることを特徴とする。濾過膜としては、逆浸透膜（ＲＯ膜やＮＦ膜）を特に好適に利用することができる。

また、本発明の脱塩処理装置は、上記各構成に係る脱塩処理方法を合理的に実施しうるように最適化されたものであって、塩類を含む原水を略水平方向に流通させる原水流路と、上記原水流路を水平方向または上下方向に挟み、原水流路の延長方向に沿って対向配置された誘電体と、上記誘電体によって被覆された電極と、上記電極に接続された電圧発生装置と、上記誘電体の表面近傍に沿って上記原水流路の出口近傍からイオン濃縮水を排出する排水路と、上記両誘電体の中間付近に生成される脱イオン水を上記原水流路の出口近傍から導出する導水路と、からなる分離容器を具備することを特徴とする。

さらに、本発明の脱塩処理装置は、上記分離容器が多段に接続され、上流側の分離容器から導出された脱イオン水が下流側の分離容器にてさらに脱塩処理されることを特徴とする。

さらに、本発明の脱塩処理装置は、原水中に微細気泡を生成させる気泡生成手段が、分離容器の上流側に接続されたことを特徴とする。

さらに、本発明の脱塩処理装置は、脱イオン水を濾過膜によって分離する濾過処理手段が、分離容器の下流側に接続されたことを特徴とする。

上述のように構成される本発明の脱塩処理方法及び脱塩処理装置によれば、装置の設置や運転に係るコストを低減させながら、少ないエネルギーで効率的に脱塩処理を実施することができる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明に係る脱塩処理装置を含む処理システム全体の概略構成を示す。貯留槽１には、原水として、例えば、不純物の除去や殺菌など適宜の前処理をした海水等が貯留される。原水は、貯留槽１に接続された供給パイプ２を通じて高圧ポンプ３により汲み上げられるが、このときに本発明の要部をなす分離容器４を通過する。原水は、分離容器４を通過してイオン濃縮水と脱イオン水とに分離される。脱イオン水は、高圧ポンプ３により加圧されて濾過処理装置５に送られる。濾過処理装置５によって濾過された精製水は精製水槽６に送られ、必要に応じて図示しない後処理工程に送られる。濾過処理装置５の濾過膜を透過しなかった濃縮水は、排出パイプ７を通じて排出され、または適宜の用途に再利用される。

図２は、分離容器４の概略構造を示す。（ａ）は流れ方向に直交する方向の縦断面図、（ｂ）は流れ方向の縦断面図である。

原水流路４１は、略矩形の断面を有して、水平方向に延設されている。原水流路４１は、その略全長にわたり、上下に対向配置された誘電体４２、４３によって挟み込まれている。誘電体４２、４３は、セラミックスや合成樹脂材料等によって形成されている。原水流路４１の側壁４４は、絶縁体によって形成されている。両誘電体４２、４３間の距離は、概ね数ｍｍ以下に設定される。

誘電体４２、４３の、原水流路４１に対する裏面側には、その略全長にわたり、電極４５、４６がそれぞれ添設されている。電極４５、４６には電圧発生装置７１、７２がそれぞれ接続されて、両電極４５、４６間に数千Ｖ以上の高電圧が印加される。この高電圧により誘電体４２、４３中に誘電分極が生じ、原水流路４１に面した誘電体４２、４３の表面には、印加した電圧と同極性の電荷が生じる。この電荷に原水中のイオンがそれぞれ誘引されて、誘電体４２、４３の表面近傍ではイオン濃度が高くなり、両誘電体４２、４３の中間付近ではイオン濃度が低くなるというイオン濃度勾配が生じる。

原水流路４１の出口近傍には、原水の流れ方向と同じ向きに、誘電体４２、４３の表面に沿う排水路４７、４８と、両誘電体４２、４３の中間に位置する導水路４９とが設けられている。排水路４７、４８と導水路４９との仕切り部分は、合成樹脂等によって形成されている。そして、誘電体４２、４３の表面近傍にそれぞれ生成されたイオン濃縮水は誘電体４２、４３の表面に沿って排水路４７、４８から排出され、両誘電体４２、４３の中間付近に生成された脱イオン水は導水路４９から導出されて後工程に送られる。

分離容器４の構成については、原水流路４１及びこれを挟む誘電体４２、４３を複数本、並列的に配置して、全体としての断面積を大きくし、時間当たりの処理流量を増大させることもできる。電極４５、４６及び誘電体４２、４３は、例示形態のような上下方向ではなく、水平方向に対向配置して、原水流路４１を両側方から挟み込むように構成されてもよい。また、実用的には、図３に示すように、分離容器４を直列的に多段接続して、脱イオン水を反復的に処理することにより、分離率を向上させることもできる。

濾過処理装置５は、上述の分離容器４を通じて得られた脱イオン水を、高圧下で濾過膜ユニットに透過させることにより、より純度の高い精製水を生成する。濾過膜ユニットは、例えば酢酸セルロース系やポリアミド系など公知の材料からなる逆浸透膜を、平膜スパイラル状、あるいは中空糸膜状など適宜公知の形態に加工して圧力容器内に収容したもので、本発明においては特にその構造は限定しない。

この脱塩処理方法・装置においては、分離率をさらに向上させるために、予め原水中に微細気泡を生成させるのも有効である。気泡生成手段としては、例えば、図１に示すように、貯留槽１内に投入型の気泡生成装置８を設置するか、あるいは、供給パイプ２の中間に、インライン型の気泡生成装置を接続するなどの構成を採用することができる。

本発明の脱塩処理方法及び脱塩処理装置は、海水の淡水化のほか、湖水、河川水、雨水などの自然水や、種々無機塩類等の混合溶液から水以外の不純物を除去して、工業用、農業用、飲用等の真水を得る技術に幅広く利用することができる。

本発明の実施形態に係る脱塩処理装置の概略構成図である。 上記脱塩処理装置における分離容器の概略構造を示す図であり、（ａ）は流れ方向に直交する方向の縦断面図、（ｂ）は流れ方向の縦断面図である。 分離容器を多段接続した構成を示す概略図である。

符号の説明

４ 分離容器
４１ 原水流路
４２、４３ 誘電体
４５、４６ 電極
４７、４８ 排水路
４９ 導水路
５ 濾過処理装置（濾過処理手段）
７１、７２ 電圧発生装置
８ 気泡生成装置（気泡生成手段）

Claims (8)

1. 誘電体によって被覆された電極を対にして上下方向または水平方向に対向配置し、それら両電極を略水平方向に延設して、両電極間に塩類を含む原水を流通させ、
   電極に印加した電圧によって形成される静電界中で原水中のイオンを誘電体の表面近傍に誘引し、該表面近傍に生成されたイオン濃縮水を誘電体の表面に沿って原水の流れ方向と同方向に排出するとともに、両誘電体の中間付近に生成されたイオン濃度の低い脱イオン水を、上記イオン濃縮水とは分離して原水の流れ方向と同方向に導出することを特徴とする脱塩処理方法。
2. 請求項１に記載の脱塩処理方法によって分離された脱イオン水を、同方法の繰り返しによって反復処理することを特徴とする脱塩処理方法。
3. 原水中に予め微細気泡を生成させ、該微細気泡を含んだ原水を請求項１または２のいずれかに記載の方法で処理することを特徴とする脱塩処理方法。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の脱塩処理方法で分離された脱イオン水を濾過膜分離して精製水を得ることを特徴とする脱塩処理方法。
5. 塩類を含む原水を略水平方向に流通させる原水流路と、
   上記原水流路を水平方向または上下方向に挟み、原水流路の延長方向に沿って対向配置された誘電体と、
   上記誘電体によって被覆された電極と、
   上記電極に接続された電圧発生装置と、
   上記誘電体の表面近傍に沿って上記原水流路の出口近傍からイオン濃縮水を排出する排水路と、
   上記両誘電体の中間付近に生成される脱イオン水を上記原水流路の出口近傍から導出する導水路と、
   からなる分離容器を具備することを特徴とする脱塩処理装置。
6. 分離容器が多段に接続され、上流側の分離容器から導出された脱イオン水が下流側の分離容器にてさらに脱塩処理されることを特徴とする請求項５に記載の脱塩処理装置。
7. 原水中に微細気泡を生成させる気泡生成手段が、分離容器の上流側に接続されたことを特徴とする請求項５または６に記載の脱塩処理装置。
8. 脱イオン水を濾過膜によって分離する濾過処理手段が、分離容器の下流側に接続されたことを特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載の脱塩処理装置。

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