JP2011167597A

JP2011167597A - 膜蒸留式造水システム

Info

Publication number: JP2011167597A
Application number: JP2010031573A
Authority: JP
Inventors: Ryusuke Nakai; 龍資中井
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2010-02-16
Filing date: 2010-02-16
Publication date: 2011-09-01

Abstract

【課題】エネルギーの入手や大きな資本投下が困難なインフラ未整備地域においても、容易に導入することができる安価な膜蒸留式造水システムを提供する。
【解決手段】原水タンク２から原水搬送パイプ３を介して複数の熱交換パイプ４を並列に配置して構成された加熱装置に搬送された原水は、太陽光により、所定の温度に加温され温原水となる。その後、温原水は、温原水搬送パイプ６を介して、原水タンク２に配置された自重式膜蒸留装置７に搬送されて、中空糸膜束２２を構成する各中空糸膜の中心部の空間に供給され、中空糸膜の内部を自重により自然流下する。自然流下の間に発生した温原水の水蒸気は、中空糸膜を通過した後、冷却壁２３に至り、冷却されて水滴２９を生成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、膜蒸留式造水システムに関し、特にエネルギーの入手や大きな資本投下が困難なインフラ未整備地域においても導入可能な膜蒸留式造水システムに関する。

世界的な水需要の増大に伴って、工場や家庭からの排水、海水、地下水などから飲用可能なレベルにまで浄化された水を得る造水システムの開発が検討されており、エネルギーの入手や大きな資本投下が困難なインフラ未整備地域においては、特に安価な造水システムの導入が強く望まれている。

従来、具体的な造水システムとして、ＲＯ法（逆浸透法）を用いたＲＯ式造水システムが一般的に用いられている。

ＲＯ式造水システムは、排水、海水、地下水などの原水に圧力をかけることにより、ＲＯ膜（逆浸透膜）で濾過して浄化水を得て造水を行う方法である。

しかし、このＲＯ式造水システムには、原水に圧力をかけるための高圧ポンプや原水を前処理するための巨大な設備などを設置する必要があるため、大きな資本投下や大きな運転エネルギーを必要とする。

そこで、このＲＯ式造水システムに替えて、インフラ未整備地域にも導入可能な造水システムとして、近年、膜蒸留法を用いた膜蒸留式造水システムが検討されている。

膜蒸留式造水システムは、水蒸気のみを透過する疎水性の多孔質膜を用いて、加温された原水（温原水）から多孔質膜を通過して発生する水蒸気を凝縮して純水を得るものであり、ＲＯ法のように高圧を必要としないためコンパクトなシステムとすることができる。また、６０〜８０℃程度の低温で蒸留を行うことができるためエネルギー消費が小さい。

このような膜蒸留式造水システムとして、特許文献１に太陽熱を利用して原水を加熱することによりランニングコストを抑制した膜蒸留式造水システムが開示されている。

特許第３４５０９３９号公報

しかしながら、特許文献１に記載された膜蒸留式造水システムは、原水を加熱するための設備として、高価な蓄熱池を設置する必要がある。

このため、コンパクトでエネルギー消費が小さい膜蒸留式造水システムといえども、従来の太陽熱利用技術を用いた膜蒸留式造水システムは、容易に導入できるものではなく、特にインフラ未整備地域への導入は困難であった。

そこで、本発明は、エネルギーの入手や大きな資本投下が困難なインフラ未整備地域においても、容易に導入することができる安価な膜蒸留式造水システムを提供することを課題とする。

本発明者は、鋭意検討の結果、以下に記載する手段により前記課題が解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。

請求項１に記載の発明は、
膜蒸留装置、前記膜蒸留装置に供給する原水を貯蔵する原水タンク、前記原水を加熱する加熱装置、およびこれらを連結する配管を備えた膜蒸留式造水システムであって、
前記加熱装置は、複数本の熱交換パイプが配置された太陽熱を利用する加熱装置であり、
前記膜蒸留装置は、前記原水タンク内に配置されており、
前記原水タンクと前記加熱装置の原水流入口、および前記加熱装置の原水流出口と前記膜蒸留装置が前記配管により連結されている
ことを特徴とする膜蒸留式造水システムである。

熱交換パイプにより構成された太陽熱を利用する加熱装置は、構造が簡単で安価であり、熱交換パイプに塩化ビニルなどを用いることなどにより安価に作製することができる。

そして、太陽熱は、インフラ未整備地域において、最も容易にかつ安価に入手しうるエネルギーであり、熱交換パイプのみで６０〜８０℃程度の温原水を容易に得ることができる。このため、加温に要するエネルギーコストを十分に低く抑えることができる。

また、本請求項の発明においては、膜蒸留装置が原水タンク内に配置されている。このため、温原水から蒸発した水蒸気を、原水タンク内の海水等を用いて冷却することができ、冷却のために特別なエネルギーや設備を準備する必要がなく、この面からも、コストを十分に低く抑えることができる。

このように、本請求項の発明にかかる膜蒸留式造水システムは、設備コストやエネルギーコストを十分に低く抑えることができるため、インフラ未整備地域においても容易に導入することができる。

熱交換パイプとしては、効率的に太陽熱を吸収して、原水と十分に熱交換を行えるだけの伝熱性を有しており、耐久性に優れたものであれば材質は特に限定はされず、金属製パイプや合成樹脂製パイプを適宜選択して用いることができる。これらの内でも塩化ビニル製パイプは、安価でありながら、６０〜８０℃程度の温原水を容易に得ることができるため好ましい。

そして、熱交換パイプの径や長さそして本数などは、所望する造水量に応じて適宜設定される。

膜蒸留装置は、特に限定されないが、温原水が膜蒸留モジュール内を自然流下する自重式膜蒸留装置であれば、温原水の流下に際してエネルギーが不要であるため好ましい。

自重式膜蒸留装置に用いられる膜蒸留モジュールとしては、平膜タイプ、スパイラル膜タイプ、中空糸膜タイプなど、いずれのタイプの膜蒸留モジュールも採用することができるが、これらの内でも、中空糸膜タイプの膜蒸留モジュールを用いた装置が、コンパクトで造水能力が高いため好ましい。

なお、海水などの原水を原水タンクに取り込む際に、濾過膜を用いて、予め、原水の濁質を除去しておくことが好ましい。

請求項２に記載の発明は、
さらに、前記加熱装置に太陽電池パネルが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の膜蒸留式造水システムである。

本請求項の発明においては、熱交換パイプにより太陽エネルギーを熱エネルギーとして利用することに加えて、加熱装置に太陽電池パネルも設けて、太陽エネルギーを電気エネルギーとしても利用しているため、より効率的に膜蒸留式造水システムを運用することができる。

具体的には、太陽電池パネルが発電した電力は、原水や温原水を搬送するポンプの動力源として用いることができる。

太陽電池パネルを加熱装置の熱交換パイプと交互に配置して１枚のパネルを形成してもよいが、膜蒸留式造水システムのコンパクト化の観点からは、太陽電池パネルを熱交換パイプの上側に配置して設置面積の増加を抑制することが好ましい。熱交換パイプは、太陽電池パネルの下側に配置されていても十分機能させることができる。

本発明によれば、エネルギーの入手や大きな資本投下が困難なインフラ未整備地域においても、容易に導入することができる安価な膜蒸留式造水システムを提供することができる。

本発明の膜蒸留式造水システムの構成の一例を説明する図である。本発明の膜蒸留式造水システムの構成の他の一例を説明する図である。

以下、本発明を実施するための形態について、図を参照しながら説明する。

（第１の実施の形態）
１．膜蒸留式造水システム
はじめに、膜蒸留式造水システムの構成について説明する。図１は、本実施の形態における膜蒸留式造水システムの構成を説明する図である。なお、図１において、左側には膜蒸留式造水システムの全体構成を示し、右側には膜蒸留式造水システムの原水タンクから取り出した自重式膜蒸留装置を示している。

図１において、１は膜蒸留式造水システム、２は原水タンク、３は原水搬送パイプ、４は熱交換パイプ、５はポンプ、６は温原水搬送パイプ、７は自重式膜蒸留装置、８は原水供給パイプである。

そして、２２は多数本の中空糸膜を束ねた中空糸膜束、２３は中空糸膜束２２を収納するモジュール容器である。なお、モジュール容器２３は原水から発生した水蒸気を凝縮させる冷却壁を兼ねている。また、２５は原水タンク２の壁面、２６は原水であり、２９は水蒸気の凝縮により生成した水滴である。

（１）原水タンク
原水タンク２には、原水供給パイプ８を経由して各種廃水、地下水、海水等の原水が供給されて貯蔵される。なお、供給される原水は予め膜濾過器により濁質が除去されていることが好ましい。

（２）原水搬送パイプ
原水搬送パイプ３の一端は原水タンク２に接続され、他端は閉じられている。そして中間部には熱交換パイプ４の本数と同数の接続用の孔が設けられている。

（３）熱交換パイプ
加熱装置は、複数の熱交換パイプ４を並列に配置して構成され、太陽光を十分に受けるように傾斜して設置されている。熱交換パイプ４は、例えば塩化ビニル製のパイプである。熱交換パイプ４の外径、内径および本数は、所望する造水量、熱交換パイプ４の伝熱性、原水の流れ易さ、強度等を考慮して適宜設定される。

熱交換パイプ４の上端は、それぞれ原水搬送パイプ３の接続用の孔に接続されている。また、原水タンク２と加熱装置には原水タンク２の方が高くなるように高低差が設けられており、原水タンク２から流出した原水は、原水搬送パイプ３の中を自然流下して熱交換パイプ４に搬送される。その後、原水は、熱交換パイプ４の上端から下端に向かって自然流下する。原水は、熱交換パイプ４の中を流下する間に、太陽熱によって加熱された熱交換パイプ４と熱交換を行い、所定の温度、例えば６０〜８０℃の温原水となる。

（４）温原水搬送パイプおよびポンプ
熱交換パイプ４の下端は、それぞれ温原水搬送パイプ６に設けられた接続用の孔に接続されている。温原水搬送パイプ６の中間部にはポンプ５が設けられている。熱交換パイプ４から温原水搬送パイプ６に流出した温原水は、ポンプ５により、温原水搬送パイプ６を経由して自重式膜蒸留装置７に搬送される。なお、温原水搬送パイプ６には保温性の良い塩化ビニル製のパイプに発泡性ポリウレタンで保護したものなどが好ましく用いられる。

（５）自重式膜蒸留装置
本実施の形態においては、中空糸膜タイプの自重式膜蒸留装置が採用されている。そして、自重式膜蒸留装置７は、原水タンク２５内に配置されている。

自重式膜蒸留装置７に搬送された温原水は、中空糸膜束２２を構成する各中空糸膜の中心部の空間に供給され、その後、中空糸膜の中心部の空間を自重により自然流下する。自然流下の間に、中空糸膜の外側に向けて温原水の水蒸気が発生する。発生した水蒸気は冷却壁２３に至り、原水タンク２５内の原水２６により冷却されて、水滴２９を生成する。水滴２９は図示しない回収装置により回収され、飲料水タンクなどに貯えられる。蒸留水を生成した後の原水（鹹水）は、再利用しても、そのまま廃棄しても良い。

２．造水量の試算
次に、本実施の形態における膜蒸留式造水システムを用いて、日照条件が異なる４つの地域を例に採って、以下に示す条件で海水の淡水化を行うことを想定し、各造水量につき試算を行った。なお、試算に際しては蒸発潜熱を５５０ｃａｌ／ｇとした。

まず、１０ｍ×１０ｍ（１００ｍ^２）の広さに、５０ｍｍφの塩化ビニル製の熱交換パイプを２０００ｍ敷設して加熱装置を作製する。なお、塩化ビニル製の熱交換パイプ２０００ｍを用いた加熱装置の作製費用は約１０万円であり、従来の蓄熱器などを用いた加熱装置の１／１０程度である。

次に、原水を自重で原水タンクから熱交換パイプに流す。このとき、得られる温原水の温度が約８０℃となるように流量を調整する。次に、約８０℃の温原水を自重式膜蒸留装置に通す。自重式膜蒸留装置のモジュール容器としては、ステンレス管を用いた。温原水から発生した水蒸気は、このステンレス管の内側で凝集し、蒸留水を生成する。

試算の結果を表１に示す。

表１に示した試算結果から、例えば、赤道直下であれば、１００ｍ^２の加熱装置により、１日当たり約１１００ｋｇ（１１．１０ｋｇ／ｍ^２／日×１００ｍ^２）の水を造水できることが分かる。同様に、南部諸国では、約７３０ｋｇの水を造水できることが分かる。

このように、本実施の形態の膜蒸留式造水システムは、塩化ビニル製の熱交換パイプなどを用いることにより安価に構成されているにも拘わらず、大量の造水が可能である。また、本実施の形態の膜蒸留式造水システムにおいて使用するエネルギーは、ポンプによる原水搬送のエネルギーだけであり、小さな消費エネルギーで運転することができる。このため、本実施の形態の膜蒸留式造水システムは、インフラ未整備地域においても容易に導入することができる。

（第２の実施の形態）
本実施の形態は、前記第１の実施の形態に、さらに、太陽電池パネルが設けられた膜蒸留式造水システムである。

図２に、本実施の形態における膜蒸留式造水システムの構成を説明する図を示す。図２において、９は太陽電池パネルであり、１０は太陽電池パネル９により得られた電気エネルギーを貯蔵するエネルギー貯蔵器である。その他の符号は、図１と同様であるので、説明は省略する。

本実施の形態においては、加熱装置の熱交換パイプ４と接するように太陽電池パネル９が加熱装置の上面側に設けられている。このような構成としても、膜蒸留式造水システムとしての大きさは高さが若干高くなる程度で済むため、第１の実施の形態と同様のコンパクトさを保つことができる。

太陽光は、先ず太陽電池パネル９に至り、その光エネルギーにより太陽電池パネル９で発電を行う。発電された電力は、一旦蓄電池等のエネルギー貯臓器１０に貯えられ、ポンプ５を作動させる動力などとして利用される。

太陽電池パネル９を透過した太陽光は、続いて、加熱装置の熱交換パイプ４に至り、今度は、その熱エネルギーにより原水との熱交換が行われる。太陽光の熱エネルギーは、太陽電池パネル９を透過しても殆ど低下しないため、原水との熱交換を十分に行うことができる。

このように、本実施の形態においては、太陽電池パネル分の設置費用は必要となるものの、ポンプの動力までも太陽により得ることができるため、外部からのエネルギーを要することなく運転することができる。

以上、本発明の実施の形態を示したが、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではない。本発明と同一および均等の範囲内において、種々の変更を加えることが可能である。

１膜蒸留式造水システム
２原水タンク
３原水搬送パイプ
４熱交換パイプ
５ポンプ
６温原水搬送パイプ
７自重式膜蒸留装置
８原水供給パイプ
９太陽電池パネル
１０エネルギー貯蔵器
２２中空糸膜束
２３モジュール容器（冷却壁）
２５原水タンクの壁面
２６原水
２９水滴

Claims

膜蒸留装置、前記膜蒸留装置に供給する原水を貯蔵する原水タンク、前記原水を加熱する加熱装置、およびこれらを連結する配管を備えた膜蒸留式造水システムであって、
前記加熱装置は、複数本の熱交換パイプが配置された太陽熱を利用する加熱装置であり、
前記膜蒸留装置は、前記原水タンク内に配置されており、
前記原水タンクと前記加熱装置の原水流入口、および前記加熱装置の原水流出口と前記膜蒸留装置が前記配管により連結されている
ことを特徴とする膜蒸留式造水システム。
さらに、前記加熱装置に太陽電池パネルが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の膜蒸留式造水システム。