JP2008503342A - 容器なしでの連続的な閉回路脱塩装置 - Google Patents

Abstract

逆浸透による塩水溶液の継続的な閉回路の連続的な一連の脱塩のための装置であって、伝導ラインによって平行に接続されるそれぞれの入口および放出口を有する１つまたはそれ以上の脱塩モジュール（Ｍ１‐Ｍ５）であって、各々の脱塩モジュールは１つまたはそれ以上の薄膜要素からなるような脱塩モジュール、逆浸透脱塩および放出された透過水の新しい水との取換えを可能にするため、逆圧を作成するための加圧装置（ＰＰ）、脱塩モジュールで脱塩された溶液を再生処理するための循環システム、塩水脱離液を除去するための伝導ライン・システム、脱塩を止めることなく閉回路からの塩水の周期的な放出を可能にする弁機構（Ｖ）、および、可変または一定の圧力状態の下で、連続的な一連の工程において進行する所望の回復率で継続的な閉回路脱塩を可能にするモニタおよび制御システム（ＣＭ１、ＣＭ２、ＰＭ１、ＰＭ２）からなる閉回路システムで構成される装置。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、逆浸透による塩水溶液の閉回路における継続的で連続する一連の脱塩のための容器なしでの方法および装置に関する。

従来の逆浸透（ＲＯ）は流体力学の「栓流」技術によって実行される。それによって、加圧された供給流動は連続的に透過水および塩水に分割される。閉回路の流体静力学的脱塩の異なるアプローチは、省エネルギーに強調を置いて、Ｓｚｕｚその他による米国特許第４，９８３，３０１号、および、Ｂａｒｔｔによる米国特許第４，８１４，０８６号のＢａｒｔｔによって、８０年代後期に最初に報告された。閉回路脱塩（ＣＣＤ）アプローチによれば、加圧された供給水は、所望の回復率まで流体静力学的圧力の下で再生処理され、それから塩水は新しい水に置き換えられ、バッチ処理が繰り返される。上述した特許は、連続的な脱塩を可能にするために閉回路の２つのタンクの交互の係合を提案した。このアプローチの原則の欠点は、「２つの比較的大きい容量のタンク」の必要性から生じる。
Ｓｚｕｚその他は、「薄膜濾過装置による異物」の除去に言及し、したがって、溶液および流体から懸濁した粒子状物質の濾過と同じくＲＯに適用した。閉回路の脱塩または濾過は、再生処理の間、強固な希釈効果を伴い、およびそれゆえに、比較的低刺激性状態の下で高い回復の達成を容易にする。
最近の特許出願ＷＯ ２００５／０１６８３０は、単一の容器を有する連続的なＣＣＤのための装置を記載する。この特許出願は、容器を必要としない継続的で連続的する一連の工程によって、塩水溶液の継続的な閉回路脱塩のための新規な発明の装置および方法を記載する。

本発明は、閉回路であって、そこにおいて、濃縮水が、１つまたはそれ以上の半浸透性ＲＯ薄膜要素からなる並列モジュールを通じて循環装置によって再生処理される閉回路、放出された透過水を置き換えるため、前記閉回路への加圧された新しい供給水の補給装置、および、脱塩工程を止めることなく所望の回復レベルで、塩水が前記閉回路から放出されるのを可能にするバルブ装置を用いた塩水溶液または汽水供給（これから以後「供給水」と呼ぶ）の継続的な脱塩のための装置および方法を提案する。
連続した一連の工程による継続的な脱塩のための本発明の装置および方法は、定められた正味の駆動圧力（ＮＤＰ）の結果として、可変の流動および透過水の流動の一定の圧力下、または、一定の流動および透過水の流動の可変の圧力下で働くように作成されることができる。各々の段階での適用された圧力および浸透圧間の差であるＮＤＰは、発明の装置の操作の間、あらかじめ定義された最小値より上であるように管理される。
本発明の装置および方法は、中央に作成され、１つ以上のモジュラ・ユニットに同時に供給される加圧された供給水でモジュラ形状において利用できるように作成されることができる。装置のモジュラ形状は、いかなる生産能力の脱塩プラントにも適用される可能性がある。
本発明の装置および方法は、それらの明示された仕様を上回らずに作動する市販の構成要素および部品を含むことができる。
本発明の装置および方法は、比較的少ない動力の構成要素、少ない数の薄膜要素、および、いかなるエネルギ回復の必要性もない低い特定のエネルギ要求で単純な安価な設計によって特徴付けられる。
発明の方法は、低濃度の汽水の高い脱塩回復率（約７５％‐９５％）のため、特に魅力的であることがわかり、この文脈において、ＳＷＲＯ透過水から許容可能なレベル（約＜０．５ ｐｐｍ）まで、ホウ素の部分的な除去への単純な費用効果的なアプローチを提供する可能性がある。

発明の詳細な説明

図１Ａにおける発明のＲＯ装置の好適な実施例は、５モジュール（Ｍ_１、Ｍ_２、Ｍ_３、Ｍ_４およびＭ_５）を有する閉回路脱塩システム、各々の３つの薄膜要素、供給水入口（Ｆ）、供給水加圧ポンプ（ＰＰ）、循環ポンプ（ＣＰ）、塩水脱離液放出口（Ｂ）、透過水放出口（Ｐ）、スリーウェイ・バルブ（Ｖ３）、溶液伝導率モニタ装置（ＣＭ（１）およびＣＭ（２））、および、圧力モニタ装置（ＰＭ（１）およびＰＭ（２））からなる。図１Ａにおいて、濃縮水と混合されたまたは混合されない新しい供給水の伝導ラインは、実線によって示され、塩水除去のための伝導ラインは点線によって示され、透過水収集のための伝導ラインは破線によって示される。様々なラインの流動の方向は、矢印によって示される。閉回路の容積は、モジュールとして公知の圧力容器において含まれた濃縮水の容積から導かれた形状であり、管および所望の閉回路容積は、管路の直径の適切な選択によって設計される。図１Ａにおいて表される構造は、この発明の装置における大部分の時間の間に経験される濃縮水の再生処理モードのものである。
発明の装置の継続的な連続した一連の脱塩は、塩水濃縮水の所望のシステム回復レベルでの閉回路における新しい供給水との周期的な取換えを必要とし、この簡潔な作動モードは、図１Ｂにおいて表される。閉回路からの塩水除去率は、スリーウェイ・バルブＶ３での屋外への濃縮水流動の流れを変えることによって達成される。全体の脱塩工程の制御は、塩水除去率のために再生処理を停止させる所望の回復レベルに達することを表す信号形状ＣＭ（１）、および同様に、再生処理モードを復活させる塩水除去の完了を表す信号形状ＣＭ（２）を有するモニタされた伝導率によって「線上」で達成される。
検討されている発明の装置の圧力モニタ装置ＰＭ（１）およびＰＭ（２）は、特に塩水除去率モード（図１Ｂ）の間、「線上の」望ましくない圧力変化に応答してバルブ作動によって達成されるシステムにおいて最小の圧力変化で圧力制御手段を提供する。図２（ＡおよびＢ）において表示される発明の装置のモジュラ・ユニットの好適な実施例は、加圧手段を含まず、この設計のツーウェイ・バルブＶ２の目的は、列において残留しているユニットの操作を止めずに、メンテナンスおよび／または修復するため、特定のモジュラ・ユニット隔離を可能にすることである。図１Ａおよび図１Ｂから類推して、図２Ａおよび図２Ｂによって記載される機能は、それぞれ再生処理および塩水除去である。
図２（ＡおよびＢ）において表される好適な実施例の５つのモジュラ・ユニットのその供給水加圧装置での脱塩プラントへの結合は、図３において表示される。図３の５つのモジュラ・ユニット（ＭＵ‐１、ＭＵ‐２、ＭＵ‐３、ＭＵ‐４およびＭＵ‐５）は、ＰＰから受容される加圧された供給水の同じ伝導ライン（Ｆ）を通過して中央に供給され、類似した、このような伝導ラインが、透過水（Ｐ）の収集、および塩水（Ｂ）の除去のために使われる。発明の方法によるモジュラ・ユニットからなるプラントの好適な作動モードは、変圧運転が可能であるにもかかわらず、整列した各々のモジュラ・ユニットを備え、また可変の圧力ブースタを備え、それによって、所望の圧力変化がモジュラ・ユニット毎に別々に作成される一定の圧力状態のものである。
図１（ＡおよびＢ）、図２（ＡおよびＢ）、図３において示される発明の装置およびモジュラ脱塩ユニットの好適な実施例の設計は、概略的であり、単純化されたものであって、発明を限定するものではないと理解される。実際には、依然として、発明および請求項の範囲内である一方で、発明の脱塩ユニットおよび装置は、多くの追加的なライン、分岐、バルブおよび他の設置、および、特定の要件による必要に応じた装置からなる可能性がある。
図１‐３において表されるすべての好適な実施例は、基本的な脱塩装置、および、モジュール毎に３つの薄膜要素を有する５つのモジュール（圧力容器）でできているモジュラ・ユニットを表示し、これは、単純性、明瞭さ、均一性および表現の便宜のためである。発明の一般の設計は、モジュラ・ユニット毎に５つのモジュールおよび／または装置に制限されも限定されもせず、モジュール毎の薄膜要素の数は、３に限定されないと理解される。具体的には、発明の方法による装置およびモジュラ・ユニットは、ｎモジュール（Ｍ（１）、Ｍ（２）、Ｍ（３）、 ．．．．Ｍ（ｎ））で構成される可能性があると理解される。同様に、各々のモジュールは、発明の方法によりｍ薄膜要素（１Ｅ、２Ｅ、３Ｅ、．．．．ｍＥ）を含む可能性があると理解される。
発明の範囲は、図３によって記載される好適な実施例による５つのモジュラ・ユニットからなる脱塩プラントの設計および構造に限定されも制限されもしない。発明の方法による脱塩プラントは、発明のモジュラ・ユニットの所望の数のいずれで作成されてもよく、そのようなプラントもまた、本発明の範囲内であると理解される。
発明の方法によるモジュラ・ユニットでできている装置およびプラントの供給水加圧装置は、設計されたシステムの所望の作動モードに次第で、可変の流動の一定の圧力のポンプ、または、一定の流動の可変の圧力ポンプで構成される可能性がある。発明の供給水加圧装置は、適切な単一のポンプ、または、その代わりに、平行して同時に適用される適切ないくつかのポンプから構成される可能性があると理解される。
発明の方法の装置の閉回路およびモジュラ・ユニットによる濃縮水再生処理は、循環システムによって実行される。発明の循環システムは、平行しておよび／またはラインにおいて同時に適用される適切な単一の循環ポンプ、または、その代わりに、いくつかの循環ポンプで構成される可能性があると理解される。
検討されている発明の脱塩方法は、発明の装置および／またはユニットに関して、すでに説明されるように、異なる設計のモジュラ・ユニットおよび／またはモジュラでない脱塩装置において、このような装置および／またはユニットが、各々１つまたはそれ以上の薄膜要素；循環システム；供給水加圧装置；透過水収集ライン；塩水除去ライン；伝導率モニタ装置および圧力モニタ装置を有する１つまたはそれ以上の並列モジュールを有する伝導ラインの閉回路からなる限り、作動する可能性があることは当業者にとって明らかである。
‐発明の方法と装置によって提供される利点は、以下の通りである：段および相互の段のブースタ給水ポンプのない単純な設計。
‐耐久性のある市販の構成要素および部品だけで作成される装置。
‐構成要素の仕様を上回らずに作動する装置。
‐方法は、加圧手段を節約する。
‐方法は、薄膜要素を節約する。
‐方法は、エネルギー回復の必要性なしでエネルギを節約する。
‐方法は、操作上の費用およびメンテナンス費用を節約する。
‐方法は、低塩含量の透過水をもたらす。
‐ホウ素除去のために適切な方法は、ＳＷＲＯ透過水を形成する。
発明が具体例に関して先に記載された一方で、変更および改造は、より幅広い態様において本発明から逸脱せずに作成され、それゆえに、添付の請求の範囲はそれらの範囲を含み、すべてのこのような変更および改造は、発明の真実の意図の範囲内に含まれることは当業者にとって明らかである。

例

発明の方法の好適な実施例は、Ｂ（１．２ｐｐｍ）およびＭｇ（３．４ｐｐｍ）を含む３９１ｐｐｍのＴＤＳを有する典型的なＳＷＲＯ透過水の供給水の高い脱塩回復率（８５％−９５％）で例証される。この例は、とりわけ、国際標準による除去レベル（＜０．５ ｐｐｍ）までＳＷＲＯ透過水のホウ素レベルを減少させるための発明の方法の適用を図示する。
例証された装置は、５つの８’’圧力容器（モジュール）および各々の３つの薄膜要素を有する図１（ＡおよびＢ）において表示される概略設計である。例証された装置の文脈において考慮される低エネルギの市販のタイプ要素の試験状態（ＴＣ）の性能仕様は、以下の通りである：製造、４４ｍ^３／日；供給水、２，０００ｐｐｍ ＮａＣｌ；圧力 １５０ｐｓｉ；正味駆動圧力（ＮＰ）、８．８バール；温度、２５０℃；および、最大要素回復率（ＭＥＲ）、１５．０％。例証された装置は、９．１‐１２．３バールの回復率、９５％の実際の連続的な一連の圧力範囲において、定められたＮＤＰ（８．８バール）の可変の圧力状態の下で作動される。９５％の回復率のための連続的な一連の脱塩期間は６．０分であり、新しい供給水との塩水の取換えの継続時間は約１９秒かかる。上記で特定された作動状態の下で定められたモジュラ回復率は、３６．９ｍ^３／日の平均要素流動（ＡＥＦ）、または、８３．９％のＴＣの下の評価される要素流動率を有して、３７．８％である。
例証された装置の閉回路の容積は１２２リットルであり、加圧ポンプの流動度（ＰＰ）は２３．１ｍ^３／時間であり、循環ポンプ（ＣＰ）のそれは、３８．０ｍ^３／時間である。例証された装置の９５％の回復率のための算出された比エネルギは、０．４５ｋＷｈ／ｍ^３であり、ＰＰおよびＣＰの両方の８５％の効率であると仮定する。
例証された装置の脱塩製造率は、１．２ｍ^３／時間または２９ｍ^３／日の排出された塩水の率を有し、２３．１ｍ^３／時間、または、５５４ｍ^３／日、または２０２，２１０ ｍ^３／年である。
図４‐６において表示される例証された装置のコンピュータでシミュレーションされた性能は、９９．５％の脱塩率および９３．０％のホウ素除去率を有して、ｐＨ〜１０での動作が推定される。より高いホウ素除去率を有するｐＨ＞１０での動作は、そのＭｇ（ＯＨ）_２派生物が高度に不溶性であるので、マグネシウムの存在下で制限される。（１８℃でＫｓｐ＝１．２×１０^−１１ ）
図４Ａは、検討されている例においてｐＨ〜１０での脱塩回復（最大９５％）の機能としてモジュール吸排気のパーセント濃度（ＴＤＳ）を示し、閉回路脱塩の間、作成される強固な希釈効果を図示する。脱塩回復の機能として検討されている例において受容される透過水の質は、図４Ｂにおいて表わされる。例証された工程の間のモジュール吸排気ホウ素濃度は、図５Ａにおいて明らかにされ、ホウ素に関し受容される透過水の品質は図５Bにおいて表示される。０．５ｐｐｍの推奨されたレベルの下であるそれぞれ８０％、８５％、９０％および９５％の脱塩回復の間、例証された工程における透過水平均ホウ素濃度０．２２、０．２４、０．３２および０．４４ｐｐｍは、注目に値する。例証された工程の間のモジュール吸排気マグネシウム濃度は、図６Ａにおいて明らかにされ、図６Ｂにおいて表示されるＭｇ（ＯＨ）_２のＫｓｐに関して、［Ｍｇ^＋２］および［ＯＨ⁻］のパーセント溶解度積は、水酸化マグネシウム沈殿が例証された工程の間、起こらないことを意味する最大〜２４％であることを明らかにした。

各々の３つの薄膜要素（Ｍ５Ｅ１５構造）が濃縮水再生処理モードの間の５つのモジュールを有する閉回路の脱塩のための発明の装置の本発明の好ましい実施例による概略的なダイアグラムである。 各々の３つの薄膜要素（Ｍ５Ｅ１５構造）が濃縮水排出モードの間の５つのモジュールを有する閉回路の脱塩のための発明の装置の本発明の好ましい実施例による概略的なダイアグラムである。 各々の３つの薄膜要素（Ｍ５Ｅ１５構造）が濃縮水再生処理モードの間の５つのモジュールを有する閉回路の脱塩のための発明のモジュラ・ユニットの本発明の好ましい実施例による概略的なダイアグラムである。 各々の３つの薄膜要素（Ｍ５Ｅ１５構造）が濃縮水排出モードの間の５つのモジュールを有する閉回路の脱塩のための発明のモジュラ・ユニットの本発明の好ましい実施例による概略的なダイアグラムである。 各々が５モジュールおよび１５の薄膜要素を有する発明の装置の５つのモジュラ・ユニットでできているプラントの本発明の好ましい実施例による概略ダイアグラムである。 本発明の好ましい実施例による高い割合の回復ＣＣＤ工程の間のＴＤＳ濃度のシミュレーションを表すグラフである。 本発明の好ましい実施例による高い割合の回復ＣＣＤ工程の間のＴＤＳ濃度のシミュレーションを表すグラフである。 本発明の好ましい実施例による高い割合の回復ＣＣＤ工程の間のホウ素濃度のシミュレーションを表すグラフである。 本発明の好ましい実施例による高い割合の回復ＣＣＤ工程の間のホウ素濃度のシミュレーションを表すグラフである。 本発明の好ましい実施例による高い割合の回復ＣＣＤ工程の間のマグネシウム濃度のシミュレーションである。 本発明の好ましい実施例による高い割合の回復ＣＣＤ工程の間のマグネシウム濃度のシミュレーションである。

Claims (14)

1. 逆浸透による塩水溶液の継続的な閉回路の連続的な一連の脱塩のための装置であって、伝導ラインによって並列に接続されるそれぞれの入口および放出口を有する１つまたはそれ以上の脱塩モジュールからなる少なくとも１つの閉回路システムであって、各々の前記脱塩モジュールは１つまたはそれ以上の薄膜要素からなる閉回路システム；逆浸透脱塩、および、前記閉回路において新しい供給水による放出された透過水の取換えを可能にするため、逆圧を作成する少なくとも１つの加圧装置；前記閉回路の前記１つまたはそれ以上の脱塩モジュールを通じて前記脱塩された溶液を再生処理する少なくとも１つの循環システム；前記閉回路の前記１つまたはそれ以上の脱塩モジュールからの透過水収集のための少なくとも１つの伝導ライン・システム；前記閉回路から塩水脱離液を除去するための少なくとも１つの伝導ライン・システム；脱塩を止めることなく前記閉回路からの塩水の周期的な放出を可能にする少なくとも１つの弁機構；および、可変または一定の圧力状態の下で、連続的な一連の工程において進行する所望の回復率の継続的な閉回路での脱塩を可能にするモニタおよび制御システムからなる装置。
2. 請求項１に記載の装置であって、前記可変の圧力が、適用された圧力および浸透圧間の差が、前記閉回路の一定の脱塩工程の間、本質的に維持されるように前記連続的な一連の閉回路の脱塩の間、制御可能に供給される装置。
3. 請求項１に記載の装置であって、一定の圧力が、最小のあらかじめ定義されたレベルより上に維持される前記脱塩工程の間、適用された圧力および最大浸透圧の間の差を有して、前記連続的な一連の閉回路脱塩の間適用される装置。
4. 先行する請求項のいずれかに記載の装置であって、脱塩の前記進行をモニタする前記手段は、前記閉回路へ供給される新しい塩水の前記流動および／または前記閉回路からの前記脱塩された溶液の前記流動をモニタするために使われる装置。
5. 先行する請求項のいずれかに記載の装置であって、脱塩の前記進行をモニタするための前記システムが濃度モニタ装置である装置。
6. 先行する請求項のいずれかに記載の装置であって、前記モジュールは、ハウジングの範囲内で１つまたはそれ以上の半透膜要素からなる装置。
7. 先行する請求項のいずれかに記載の装置であって、前記モジュールは平行して電池に集められ、前記平行した電池の各々は複数のモジュールからなる装置。
8. 先行する請求項のいずれかに記載の装置であって、前記加圧装置は、平行または直線で作動する１つまたはそれ以上の加圧ポンプからなる装置。
9. 先行する請求項のいずれかに記載の装置であって、前記循環システムは、平行または直線で作動する１つまたはそれ以上の循環ポンプからなる装置。
10. 先行する請求項のいずれかに記載の装置であって、前記塩水溶液は、以下：飲料水供給源；塩水供給源；汚染された水の供給源；食塩および汚染された水の供給源；純粋な家庭の廃液の供給源；純粋な産業上の廃液の供給源；中央の空調ユニットのクーリングタワーからの純粋な廃液；高いホウ素ＳＷＲＯ透過水；または、全体で最高８，０００ｐｐｍの塩分を有する汽水供給源のいずれかから構成される装置。
11. 閉回路脱塩のため装置であって、前記先行する請求項のいずれかに記載の１つ以上のユニットは、同じ供給水の加圧装置および透過水収集および塩水処理のための伝導ラインを共有して結合され、このことにより、大規模な脱塩容量の一体化されたモジュラ・プラントの前記形成を可能にする装置。
12. １つまたはそれ以上の脱塩モジュールを用いた逆浸透による塩水溶液の継続的な連続的な一連の閉回路脱塩のための方法であって、各々が前記閉回路と平行して接続する１つまたはそれ以上の薄膜要素；加圧装置；循環システム；弁機構；新しい供給水の供給、透過水収集および塩水放出のための伝導ライン；および、２つの工程の連続的な一連の手順によって継続的な脱塩の実行を可能にする前記脱塩工程の前記進行をモニタおよび制御するためのシステムからなり、前記手順は、第１に、閉回路における循環システムにより、加圧された新しい塩水溶液供給水と混合した前記加圧された濃縮水の再生処理、および第２に、脱塩を止めることなく所望の回復レベルでの前記閉回路からの加圧された塩水廃液の放出を含み、それにより、工程は濃度増加および前記再生処理された塩水溶液の伝導性と、脱塩回復率の増加とを両立し、このことにより、濃度の変化および／または前記再生処理された塩水溶液の伝導性の前記モニタによって、このような工程の効率的な制御を可能にするような方法。
13. 請求項１２の方法であって、前記塩水溶液は、以下、飲料水供給源；塩水供給源；汚染された水の供給源；食塩および汚染された水の供給源；純粋な家庭の廃液の供給源；純粋な産業上の廃液の供給源；中央の空調ユニットのクーリングタワーからの純粋な廃液；高ホウ素ＳＷＲＯ透過水；または、全体で最高８，０００ｐｐｍの塩分を有する汽水供給源のいずれかからなる方法。
    
14. 本質的に図面に関して本願明細書において記載される閉回路脱塩のための装置および方法。

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