JP2012115778A - 浄化水を得る方法およびその装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】原水を気体透過膜の一方の面に沿って流し、気体透過膜を透過した水蒸気を凝縮させて、浄化水を得ることを特徴とする方法。
【選択図】図1
Description
逆浸透膜法とは、高圧で塩水を逆浸透膜で処理することにより浄化水を得る方法である。
蒸留法とは、原水を加熱して、蒸発させた水蒸気を凝縮させることで水を製造する方法である。蒸留法は、沸点未満で水を得ることが困難であり、装置が大型であるなどの欠点がある。
(1)原水を気体透過膜の一方の面に沿って流し、気体透過膜を透過した水蒸気を凝縮させて、浄化水を得ることを特徴とする方法。
(2)気体透過膜のもう一方の面に沿って空気を流すことを特徴とする上記(1)に記載の方法。
(3)冷却することにより、水蒸気を凝縮させることを特徴とする上記(1)又は(2)に記載の方法。
(4)気体透過膜の水蒸気透過性が10GPU以上1,000,000GPU以下である上記(1)〜(3)のいずれかに記載の方法。
(5)原水が海水であることを特徴とする上記(1)〜(4)のいずれかに記載の方法。
(6)原水の温度が1℃以上100℃以下であることを特徴とする上記(1)〜(5)のいずれかに記載の方法。
ケース内に、気体透過膜とケースで形成される第一の空間と、気体透過膜と冷却膜とで形成される第二の空間と、冷却膜とケースで形成される第三の空間とを有し、
第一の空間は、第一の空間に原水を供給する原水供給口と、第一の空間から原水を排出する原水排出口とを少なくとも有し、
第二の空間は、開口部を少なくとも1個以上有し、
第三の空間は、第三の空間に冷却媒体を供給する冷却媒体供給口と、第三の空間から冷却媒体を排出する冷却媒体排出口とを少なくとも有する膜モジュールにおいて、
原水の流れる方向と、冷却媒体の流れる方向とが、対向することを特徴とする上記(1)〜(6)のいずれかに記載の方法。
ケース内に、気体透過膜とケースで形成される第一の空間と、気体透過膜と冷却膜とで形成される第二の空間と、冷却膜とケースで形成される第三の空間とを有し、
第一の空間は、第一の空間に原水を供給する原水供給口と、第一の空間から原水を排出する原水排出口とを少なくとも有し、
第二の空間は、開口部を少なくとも1個以上有し、
第三の空間は、第三の空間に冷却媒体を供給する冷却媒体供給口と、第三の空間から冷却媒体を排出する冷却媒体排出口とを少なくとも有することを特徴とする膜モジュール。
(9)第二の空間が、開口部を2個以上有することを特徴とする上記(8)に記載の膜モジュール。
(10)気体透過膜と冷却膜との間に、スペーサーを有することを特徴とする上記(8)又は(9)に記載の膜モジュール。
(11)気体分離膜と、冷却膜が、平膜プリーツ状であることを特徴とする上記(8)〜(10)のいずれかに記載の膜モジュール。
(12)第一の空間を流れる原水の方向と、第三の空間を流れる冷却媒体の方向が、対向するように、原水供給口、原水排出口、冷却媒体供給口、冷却媒体排出口が配置されることを特徴とする上記(8)〜(11)のいずれかに記載の膜モジュール。
(13)気体透過膜及び冷却膜を複数有し、
第一の空間が、隣接する気体透過膜同士の間に形成され、
第二の空間が、隣接する気体透過膜と冷却膜の間に形成され、
第三の空間が、隣接する冷却膜同士の間に形成され、
第一の空間、第二の空間、第三の空間、第二の空間の順に繰り返して積層されていることを特徴とする上記(8)〜(12)のいずれかに記載の膜モジュール。
第一の空間の原水供給口が、原水供給装置に接続され、
第三の空間の冷却媒体供給口が、冷却媒体供給装置に接続されていることを特徴とする浄化水製造装置。
(15)第二の空間の開口部に、水蒸気の凝縮手段が接続されていることを特徴とする上記(14)に記載の浄化水製造装置。
膜モジュールが、ケース内に、気体透過膜とケースで形成される第一の空間と、気体透過膜とケースで形成される第四の空間とを有し、
第一の空間は、第一の空間に原水を供給する原水供給口と、第一の空間から原水を排出する原水排出口とを少なくとも有し、
第四の空間は、開口部を少なくとも1個以上有する膜モジュールであり、
第四の空間の開口部に、水蒸気の凝縮手段が接続されていることを特徴とする浄化水製造装置。
(17)水蒸気の凝縮手段が、熱交換器、又は冷却器であることを特徴とする上記(16)に記載の浄化水製造装置。
(18)原水の温度を制御する温度制御部と、原水の流量を制御する流量制御部と、を更に備える上記(13)〜(17)のいずれかに記載の浄化水製造装置。
本実施形態における原水とは、有機塩・無機塩等の電解質、その他の溶解性分、分散体あるいは微小生物を含む水である。原水としては、特に限定されるものではないが、海水、河川水、工業排水、生活排水などが挙げられる。原水として、海水が好適である。
本実施形態における気体透過膜とは、水蒸気等の気体が膜を形成する材料中に溶解・拡散することにより透過する機構を有する膜である。この気体透過膜を用いることにより、液体の水や原水中の塩類、非塩類等の溶解成分、分散体、及び微小生物等は、気体透過膜を透過せず、水蒸気が膜に溶解・拡散して透過するため、極めて不純物の少ない水が得られる。加えて、本実施形態の気体透過膜は、実質的に貫通した孔がない膜であり、不純物により膜内が汚染されることを抑制することができる。
本実施形態における気体透過膜中の水蒸気透過は、膜の原水側とその対抗側における水蒸気の分圧差が駆動力となる。その水蒸気透過速度は、下記式で近似的に表され、原水側とその対抗側の水蒸気の差圧であるΔPと、膜面積であるSに依存する。
上記式中、J[GPU(10−9Lcm2s−1cmHg−1)]は気体透過定数と呼ばれ、気体透過膜の気体透過性能を示す指標である。本実施形態の気体透過膜の気体透過定数は、10〜1000,000GPUが好ましい。
本実施形態における気体透過膜としては、有機系気体透過膜や無機系気体透過膜が挙げられ、有機系高分子の気体透過膜が好ましい。
フッ素樹脂系気体透過膜としては、非晶質の含フッ素重合体を用いたものが好ましい。
非晶質の含フッ素重合体としては、例えば、含フッ素脂環構造を有する重合体等が挙げられる。
市販品を用いることもでき、例えば、商品名「テフロン(登録商標)AF」(デュポン社製)、商品名「HYFLON AD」(アウジモント社製)等が挙げられる。テフロン(登録商標)AFとしては、テフロン(登録商標)AF1600およびテフロン(登録商標)AF2400が例示できる。
無機系の気体透過膜の材料としては、窒化ケイ素系、炭素系等の気体透過膜が挙げられる。
本実施形態における気体透過膜は、支持層を有していることが好ましい。気体透過膜は薄膜であるほど、気体透過速度が向上するが、膜の機械的強度は低下する。したがって、気体透過膜が支持層を備えることにより、膜の機械的強度が向上するため好ましい。
気体透過膜は、平膜状あるいは中空糸状であることが好ましい。
気体透過膜が平膜状である場合、プリーツ型,プレートアンドフレーム型、スパイラル型が例示される。
スパイラル型とは、封筒状の平膜を封筒の入り口を心棒に接続して巻きつけた構造である。
ここで、膜カートリッジとは、気体分離膜、冷却膜、補強枠などからなり、膜モジュール内に装着されるものである。
流す原水の温度は、1℃以上100℃以下に設定が可能である。より好ましくは50℃以上100℃以下である。この温度範囲とすることで浄化水を効率的に得ることができる。
なお、原水の流れる方向と空気のながれる方向は、同一方向でも対向方向でもよい。
本実施形態において、空気の温度、圧力、組成としては、特に限定されない。
本実施形態において、原水を加熱するための熱源としては、種々の熱源が利用可能であるが、エネルギー節約の観点からは、工場、発電所、熱機関、焼却炉などの排熱や太陽熱を利用することが好ましい。
以下、本実施形態の、気体透過膜を組み込んでモジュール化した膜モジュールについて、説明する。
第一の空間では、原水供給口から供給される原水は、気体透過膜に沿って流れた後に、原水排出口より、外部に排出される。第一の空間は、原水供給口及び原水排出口を複数有していてもよく、その他の開口部を有していてもよい。
本実施形態の浄化水製造装置は、本実施形態の膜モジュールと、原水供給装置と、冷却媒体供給装置を有し、第一の空間の原水供給口が、原水供給装置に接続され、第三の空間の冷却媒体供給口が、冷却媒体供給装置に接続されている。
図1は、本実施形態の膜モジュールの一実施形態の概念図である。膜モジュール1は、気体透過膜2と、冷却膜3と、ケース4とを有する。気体透過膜2と冷却膜3によって、ケース4内に、第一の空間Aと、第二の空間Bと、第三の空間Cとが形成されている。第一の空間Aは、ケース4気体透過膜2とで形成され、第二の空間Bは、気体分離膜2と冷却膜とケース4で形成され、第三の空間Cは、冷却膜3とケース4で形成されている。そして、第一の空間Aは、原水供給口と原水排出口を有し、第二の空間Bは、開口部を2個有し、第三の空間Cは、冷却媒体供給口と冷却媒体排出口を有する。図1の膜モジュールでは、原水が膜モジュール1に供給され(図1F3参照)、第一の空間Aにおいて気体透過膜2の面に沿って流れ、排出される(図1F4参照)。そして、気体透過膜2から第二の空間Bへ透過した水蒸気は、冷却膜3によって、凝縮され、気体透過膜2と冷却膜3との間を経て、膜モジュール1から排出される(図1F8参照)。また、第三の空間Cでは、冷却媒体供給口から、冷却媒体が供給され(図1F6参照)、冷却膜3に沿って流れて、冷却媒体排出口から、排出される(図1F7参照)。図1の膜モジュールにおいて、第二の空間Bに空気を供給することができる(図1F1参照)。
外径1mm内径0.7mmのポリエーテルスルホン中空糸微多孔膜にテフロン(登録商標)AF−1600(Dupont社製)を塗工し、気体透過膜を作製した。酸素透過性は1200GPUであった。中空糸を束ね10m2の膜モジュールを4個作製し、合計40m2の膜モジュールを組み立てた。
ポリオレフィン系微多孔膜にテフロン(登録商標)AF−1600を塗工し、気体透過膜を作製した、酸素透過性は1300GPUであった。500デニール10メッシュの平織り網をスペーサーとし、このスペーサーで気体透過膜を挟みプリーツに加工した。10m2の膜モジュールを4個作製し、合計40m2の浄化水製造装置を組み立てた。図9の膜モジュール11を図7の膜モジュール1としたこと以外は、実施例1と同様な条件で実施したところ、約3L/minの水(凝縮水)を得ることができた。
2 気体透過膜
3 冷却膜
4 ケース
5 スペーサー
6 隔壁部
7 凝縮手段
A 第一の空間
B 第二の空間
C 第三の空間
D 第四の空間
11 膜モジュール
12 気体透過膜
13 加熱器
14 循環ポンプ
15 循環槽
16 冷却器
Claims (18)
- 原水を気体透過膜の一方の面に沿って流し、気体透過膜を透過した水蒸気を凝縮させて、浄化水を得ることを特徴とする方法。
- 気体透過膜のもう一方の面に沿って空気を流すことを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 冷却することにより、水蒸気を凝縮させることを特徴とする請求項1又は2に記載の方法。
- 気体透過膜の水蒸気透過性が10GPU以上1,000,000GPU以下である請求項1〜3のいずれか一項に記載の方法。
- 原水が海水であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法。
- 原水の温度が1℃以上100℃以下であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の方法。
- 気体透過膜と、冷却膜と、気体透過膜及び冷却膜を収納するケースとを備え、
ケース内に、気体透過膜とケースで形成される第一の空間と、気体透過膜と冷却膜とで形成される第二の空間と、冷却膜とケースで形成される第三の空間とを有し、
第一の空間は、第一の空間に原水を供給する原水供給口と、第一の空間から原水を排出する原水排出口とを少なくとも有し、
第二の空間は、開口部を少なくとも1個以上有し、
第三の空間は、第三の空間に冷却媒体を供給する冷却媒体供給口と、第三の空間から冷却媒体を排出する冷却媒体排出口とを少なくとも有する膜モジュールにおいて、
原水の流れる方向と、冷却媒体の流れる方向とが、対向することを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の方法。 - 気体透過膜と、冷却膜と、気体透過膜及び冷却膜を収納するケースとを備える膜モジュールであり、
ケース内に、気体透過膜とケースで形成される第一の空間と、気体透過膜と冷却膜とで形成される第二の空間と、冷却膜とケースで形成される第三の空間とを有し、
第一の空間は、第一の空間に原水を供給する原水供給口と、第一の空間から原水を排出する原水排出口とを少なくとも有し、
第二の空間は、開口部を少なくとも1個以上有し、
第三の空間は、第三の空間に冷却媒体を供給する冷却媒体供給口と、第三の空間から冷却媒体を排出する冷却媒体排出口とを少なくとも有することを特徴とする膜モジュール。 - 第二の空間が、開口部を2個以上有することを特徴とする請求項8に記載の膜モジュール。
- 気体透過膜と冷却膜との間に、スペーサーを有することを特徴とする請求項8又は9に記載の膜モジュール。
- 気体分離膜と、冷却膜が、平膜プリーツ状であることを特徴とす請求項8〜10のいずれか一項に記載の膜モジュール。
- 第一の空間を流れる原水の方向と、第三の空間を流れる冷却媒体の方向が、対向するように、原水供給口、原水排出口、冷却媒体供給口、冷却媒体排出口が配置されることを特徴とする請求項8〜11のいずれか一項に記載の膜モジュール。
- 気体透過膜及び冷却膜を複数有し、
第一の空間が、隣接する気体透過膜同士の間に形成され、
第二の空間が、隣接する気体透過膜と冷却膜の間に形成され、
第三の空間が、隣接する冷却膜同士の間に形成され、
第一の空間、第二の空間、第三の空間、第二の空間の順に繰り返して積層されていることを特徴とする請求項8〜12のいずれか一項に記載の膜モジュール。 - 請求項8〜13のいずれか一項に記載の膜モジュールと、原水供給装置と、冷却媒体供給装置を有し、
第一の空間の原水供給口が、原水供給装置に接続され、
第三の空間の冷却媒体供給口が、冷却媒体供給装置に接続されていることを特徴とする浄化水製造装置。 - 第二の空間の開口部に、水蒸気の凝縮手段が接続されていることを特徴とする請求項14に記載の浄化水製造装置。
- 気体透過膜と、気体透過膜収納するケースとを備えた膜モジュールと、水蒸気の凝縮手段を有する浄化水製造装置において、
膜モジュールが、ケース内に、気体透過膜とケースで形成される第一の空間と、気体透過膜とケースで形成される第四の空間とを有し、
第一の空間は、第一の空間に原水を供給する原水供給口と、第一の空間から原水を排出する原水排出口とを少なくとも有し、
第四の空間は、開口部を少なくとも1個以上有する膜モジュールであり、
第四の空間の開口部に、水蒸気の凝縮手段が接続されていることを特徴とする浄化水製造装置。 - 水蒸気の凝縮手段が、熱交換器、又は冷却器であることを特徴とする請求項16に記載の浄化水製造装置。
- 原水の温度を制御する温度制御部と、原水の流量を制御する流量制御部と、を更に備える請求項13〜17のいずれか一項に記載の浄化水製造装置。
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