JP2012130881A - 造水装置 - Google Patents

Abstract

【課題】膜蒸留による造水システムであって、簡易な構造からなる簡易な設備で、煩雑な操作も必要とせずに海水等から淡水を回収でき、かつ運転コストも低い造水システムを提供する。
【解決手段】処理水が流れる液相部と、気密状態にある気相部と、前記液相部及び気相部を隔てる疎水性多孔質膜からなる蒸発部、前記気相部よりも高い気圧にある凝結部、前記気相部中の気体を前記凝結部に送気するポンプ、並びに、前記液相部に処理水を送液する送液手段を有し、前記処理水中の水が、前記気相部中に水蒸気として取り出され、前記凝結部において凝結され水として回収されることを特徴とする造水装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は、海水や汚水等、飲用等の利用に適さない水溶液（処理水）から膜蒸留により淡水を取り出す造水装置に関する。

近年、生活に必要な水資源を確保する必要性から、海水、使用済みの生活排水、ヒ素等の人体に毒性のある成分を含む井戸水等から、利用可能な状態の水（淡水）を分離回収するための造水技術が検討されている。

海水等から塩分や有毒成分等を含まない淡水を分離回収する造水技術は、水から発生させた水蒸気を冷却し凝結して回収する蒸発法と、水を通すが塩分等を通さない逆浸透膜に浸透圧以上の高圧をかけて濾過して水を分離回収する逆浸透法に大きく分類される。蒸発法としては、蒸発の気液界面を増加するために熱水を噴射するフラッシュ法が最も一般的であるが、その他に水蒸気を吹き込んだ金属管等の外側に処理水を接触させて蒸気を冷やして水にすると同時に処理水から発生した蒸気を次の金属管に吹き込んで再度処理水から蒸気を発生させることを繰り返す効用缶法、海水等を加熱して、塩分は透過しないが水蒸気は透過する疎水性多孔質膜の一方の面に接触させ、膜を透過してくる水蒸気を他方の面から回収する膜蒸留法等がある。

逆浸透法は、熱が不要であり大面積の膜を収納したモジュールの利用で比較的小さな設備規模で済む利点がある。しかし、高圧ポンプの設置費用とそれを運転する電力及び膜の洗浄等のメンテナンス費用が問題点として指摘されている。一方、蒸発法では蒸気を発生させるための大容量の設備と熱源が必要である点が問題として指摘されている。

膜蒸留法は、逆浸透法と同様、疎水性多孔質膜をモジュール化することでコンパクトにすることが可能であり、蒸発法の問題として指摘されている設備の大型化の問題は緩和されている。さらに、他の蒸発法に比して比較的低温の水、例えば８０℃以下の水を処理できるので、熱源の問題もクリアしやすく、太陽光の利用による運転コストの低減も容易である。

そこで、その検討が盛んに行われており、例えば、特許文献１では、「特に海水又は黒みを帯びた水又は工程水から脱塩水を生じさせる目的である液体を膜蒸留で浄化する方法」が記載されている。又、特許文献２では、熱源として太陽光を利用した膜蒸留による海水淡水化装置が記載されている。

特表２００３−５１９００１号公報（請求項１） 特開平９−１１４３号公報（請求項１、図１）

しかし、これらの先行技術文献に記載の造水装置、造水システムでは、疎水性濾過膜を含む蒸発部とともに冷却手段を有する凝結部が設けられ、さらに、淡水の生成速度（透過流束）を向上させるための処理水の加熱手段等を設ける必要がある。近年、途上国等において、設置が簡単、安価であって、設置後の操作や保守も容易な造水システムが求められているが、前記の造水装置、造水システムは、装置の複雑さの点で、又その運転に煩雑な操作を要する場合もある点で、これらの要望を満たすものではなかった。

本発明は、膜蒸留による造水システムであって、簡易な構造からなる簡易な設備で、煩雑な操作も必要とせずに海水等から淡水を回収でき、かつ運転コストも低い造水システムを提供することを課題とする。

発明者らは以上のような問題点を鑑み鋭意検討をした結果、疎水性多孔質膜を含む蒸発部にある気相を気密系にするともに、送気手段（ポンプ）により、この気相部から水蒸気をより高圧の系に送気して凝結させることにより、凝結部の構造を簡易なものとすることができ、又、淡水の大きな生成速度（透過流束）が得られることを見出し、本発明に至った。すなわち、前記の課題は以下に述べる構成からなる造水装置により達成される。

請求項１に記載の発明は、
処理水が流れる液相部と、気密状態にある気相部と、前記液相部及び気相部を隔てる疎水性多孔質膜からなる蒸発部、前記気相部よりも高い気圧下にある凝結部、前記気相部中の気体を前記凝結部に送気するポンプ、並びに、前記液相部に処理水を送液する送液手段を有し、前記処理水中の水が、前記気相部中に水蒸気として取り出され、前記凝結部において凝結され水として回収されることを特徴とする造水装置である。

本発明の造水装置は、処理水と気相部を疎水性多孔質膜で隔て、処理水中の水からの水蒸気を、該膜を通して気相部中に取り出し、該水蒸気を凝結させて水（淡水）として分離回収する点は、従来の膜蒸留の装置と同じである。本発明の造水装置は、この気相部を気密系にすること、この気相部内の気体をポンプにより排出すること、排出された気体を気相部より高い気圧の系に送ることにより気体中の水蒸気を凝結させることを特徴とする。

気相部内の気体を排出するポンプとしては、真空ポンプとして通常販売されているもの等を使用できるが、気相部内を減圧に又は排出先を加圧できるものであればよく特に限定されない。例えば、手動のポンプも用いることができる。気相部内は気密であり、ポンプにより排気されているので減圧となる。従って、処理水の温度が比較的低い場合でも、疎水性多孔質膜を透過する水蒸気量を多くすることができるので、処理水の加熱コストを低減することができる。又、透過流速（単位面積、単位時間当たりの透過量）を、膜蒸留が大気圧下で行われる場合より、高めることができる。

排出された気体は、気相部より高い気圧の系に送られるので、その圧力により気体中の水蒸気は凝結され、淡水として分離回収することができる。膜蒸留では、蒸発時の加熱及び凝結時の冷却に極めて大きな潜熱の移動が必要となるが、本発明の造水装置は、この熱移動を迅速かつ高効率に行える点で従来にない性能を達成する装置である。

請求項２に記載の発明は、前記凝結部が、凝結され回収された水からなる水相を含み、前記気相部中の気体を、前記水相中に送気することを特徴とする請求項１に記載の造水装置である。

気相部中の気体を、送気ポンプにより、水相中に送気することにより、水蒸気の凝結はより確実になるので好ましい。そこで、好ましくは、分離回収した水の貯水槽を凝結部とし、その中の水相に気相部中の気体を送気する。水槽は気相部よりも高い気圧であるので、水蒸気は当該水槽中で凝結し水槽中に蓄積する。蓄積した水は適時排出され、淡水として利用される。

請求項３に記載の発明は、前記凝結部が、気密状態にあることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の造水装置である。凝結部は、気相部より高い気圧であるが、大気圧の系であってもよい。しかし、凝結部を気密状態とし大気圧より高気圧とすると、水蒸気が凝結される割合が向上するので好ましい。すなわち、凝結部が大気圧の開放系であると、特に排気が水中ではなく気相中に行われる場合は、凝結されずに飛散する水蒸気も多くなり回収効率が低下するが、凝結部を気密状態とすることによりこの問題を抑制することができる。

請求項４に記載の発明は、前記蒸発部が、中空糸状に形成された疎水性多孔質膜を束ねて収納してなり、中空糸内部（内腔）に処理水が通り、中空糸表面が蒸発面であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の造水装置である。

本発明の造水装置の蒸発部を、シート状の疎水性多孔質膜により構成することは可能である。しかし、中空糸状に形成された疎水性多孔質膜を束ねて収納したモジュールにより蒸発部を構成すると、同じ体積に高い膜充填率でモジュール化が可能であり、同じ面積の蒸発面に対する装置の設置面積をより小さくしやすいので好ましい。

従来の膜蒸留による造水装置で中空糸を用いると、シート状の疎水性多孔質膜に比して、蒸発面である中空糸内面と凝結面の間の距離が離れて蒸気の拡散抵抗が高くなる欠点が指摘されている。しかし、本発明のように気相を減圧する場合は大気の存在による拡散抵抗が抑制されるため極めて高効率な蒸気の移動が可能となり、この問題を抑制することができる。

請求項５に記載の発明は、液相部の送液前の処理水を、凝結部を通過させて加熱する手段を有することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の造水装置である。

凝結部においては水蒸気の凝結熱が発生する。この発明の造水装置は、凝結熱を、液相部に送液される処理水に伝熱させるものであり、例えば、凝結部が、凝結水が蓄積された水槽である場合、すなわち請求項２の造水装置である場合、水槽内に処理水を送る金属管を配管して熱交換をする等の方法で行うことができる。

水蒸気の凝結熱により凝結部の温度が上昇すると、排気された気体中の水蒸気の凝結が困難となるので凝結部の冷却が必要である。低温の処理水を、凝結部を通過させることにより凝結部の冷却も行うことができる。

請求項６に記載の発明は、前記疎水性多孔質膜が、ポリテトラフルオロエチレンの延伸多孔質膜であることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の造水装置である。

疎水性多孔質膜は、水をはじく疎水性の材質からなり、水蒸気を透過させるための微細な貫通孔（気孔）を有する膜である。疎水性の材質の種類及び気孔の孔径は、気体である水蒸気を透過し、液体である処理水（水を含んだ液体）を透過しない範囲で選択される。すなわち、水蒸気の透過しやすさの点からは孔径は大きい方が好ましいが、孔径が大きいと処理水の透過（漏出）が生じやすくなるので、両者を考慮して最適な孔径が選択される。

又、水蒸気の透過しやすさの点からは膜の体積に占める気孔の体積の割合、すなわち気孔率は高い方が好ましく、又膜も薄い方が好ましい。しかし、膜には、操業中に処理水から受ける圧力に十分耐える機械的強度が求められるので、両者を考慮して最適な気孔率や膜の厚みが選択される。

疎水性多孔質膜の材質としては、ポリテトラフルオロエチレン（四フッ化エチレン樹脂、以降ＰＴＦＥと記す）、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリクロロトリフルオロエチレン(ＰＣＴＦＥ)、クロロトリフルオエチレン・エチレン共重合体（ＥＣＴＦＥ）、及びその混合物あるいは変性樹脂等の疎水性の樹脂を挙げることができるが、本発明においては、容易に多孔質膜を得られる点で、ＰＴＦＥ（延伸法）、ＰＶＤＦ（溶媒相転移法）が主材料としては適しており、中でも、ＰＴＦＥは、疎水性、機械的強度、化学的耐久性（耐薬品性）に優れるとともに、ＰＴＦＥ微粒子の融着体を延伸する方法（延伸法）により、容易に均一孔径を有するＰＴＦＥの延伸多孔質膜を製造することができるので好適である。

本発明の膜蒸留による造水装置は、簡易な構造であって、設備の大型化、複雑化の問題もなく、かつ淡水の生成速度（透過流束）も大きい。さらに、比較的低温の処理水を用いた場合でも運転が可能であり、従って、処理水の加熱のコストを低くすることができる。

本発明の造水装置の一例の模式図である。

次に、本発明を実施するための形態を具体的に説明する。なお、本発明はこの形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を損なわない限り、他の形態へ変更することができる。

本発明の造水装置により処理される処理水としては、摂取あるいは使用の限界以上のミネラル分や塩分、ヒ素等の重金属、藻類や大腸菌等のバクテリア、ウィルス等の人体に不要及び有害な成分を含み飲用や生活用水に適さないような、井戸や河川、海からの取水、又は生活排水等を挙げることができる。例えば、本発明の造水装置は、海水淡水化や、バングラディッシュにおけるヒ素汚染井戸水やエジプトの沙漠における塩分を含む井戸水の浄化・飲用水化等に適用できる。処理水を液相部へ送る送液手段としては、従来の膜蒸留における送液手段と同様な手段、例えば、ポンプが使用できる。

本発明に供される疎水性多孔質膜として好適であるＰＴＦＥからなる延伸多孔質体は、例えば次のようにして得ることができる。

ＰＴＦＥファインパウダーに灯油を２０〜３０重量部助剤として加えて、容器を回転させる等をしてなるべく剪断力を加えないように混合し、ラム押出によってシート状あるいは中空糸状等所望の形状に成形する。この押出時の加圧、変形の際に加わる剪断力によってファインパウダーの粒子の表面で分子の絡みによる結合が生まれる。

次に該押出品を６０〜８０℃の熱風循環炉等で助剤が除去されるまで乾燥させ、その後加熱しながら延伸する。このとき押出で生じたＰＴＦＥ微粒子間の結合が延伸方向に張力を受けて、ＰＴＦＥ微粒子の結晶から繊維が引き出される。延伸後のＰＴＦＥ成形品はこの引き出された繊維とその隙間の空間からなる多孔質構造となる。その後、ＰＴＦＥの融点以上に加熱することで繊維の一部が融けて、延伸と垂直方向に接着して塊状となった結節という構造が生まれ、これが冷えて固定されることで、繊維と結節から構成され全体として力学的強度を持ったＰＴＦＥ多孔質体となる。

図１は本発明の造水装置の一例の模式図である。この造水装置は、蒸発部、凝結部、配管、及び送液手段又は送気手段であるポンプからなる。さらに、加熱が不十分な処理水を加熱するための補助加熱手段が設けられてもよい。蒸発部内には、疎水性多孔質膜からなる中空糸が設けられている。なお、図中では、簡略化のため、中空糸は１本のみ描かれているが、実際には多数の中空糸が束ねられて設けられている。

配管（１）は、海水や汚水等、処理対象の水（処理水）を凝結部に送るための配管であり、さらに凝結部内を通るように設けられている。凝結部内では、配管（１）は、凝結水内で屈曲させる等の方法により凝結水との接触面積が大きくなるように配置されており、熱交換部を形成している。

配管（１）は、配管（３）と連結しており、配管（３）には、補助加熱のための手段と、送液ポンプ（送液手段）が設けられ、配管（３）は、蒸発部内の中空糸の内腔に連結されている。配管（２）は、装置の起動時に処理水を通すための配管であり、配管（３）と連結している。

蒸発部は、疎水性多孔質膜（中空糸）により、液相部（中空糸の内腔）及び気相部に隔てられているが、気相部は、管（４）により、凝結部と通気可能に連結している。管（４）には、気相部の気体を凝結部に送気するための送気ポンプ（送気手段）が設けられている。気相部は気密系であるので、送気ポンプを作動させると気相部は減圧となる。

図の例では、凝結部は高圧の気密系である。ただし、凝結部が開放系であり大気圧であっても、気相部は減圧されているので、気相部よりも高い気圧となる。従って、大気圧の場合も本発明の造水装置における凝結部となる。

次に、図１の装置を使用して行う膜蒸留について説明する。

海水や汚水等の処理水は、貯留槽（図示せず。）等から配管（１）又は配管（２）に送られる。装置の起動時には、処理水は、配管（２）、配管（３）を通り、送液ポンプにより蒸発部にある中空糸内腔（液相部）に送られる。この場合、処理水は凝結部での加熱はされていないので、気相部に放出される水蒸気量を増やすためには、補助加熱を増やす必要がある。

補助加熱が不十分な場合、起動時は、気相部も減圧されていないので、気相部に放出される水蒸気量は小さい。しかし、送気ポンプを作動すると、気相部は減圧され放出される水蒸気量も増大してくる。起動時では、凝結部内に凝結水は存在しないので、送気ポンプにより送られてきた水蒸気は、凝結部の気相内に蓄積する。

凝結部は、気密系であるので、送気ポンプの作動を続けると凝結部の気圧が増大し、高い圧力により、凝結部の気相内に蓄積した水蒸気が凝結する。このようにして凝結部内に凝結水がある程度蓄積し、熱交換部における熱交換が有効に行われるようになった段階で、処理水の流路を配管（２）から配管（１）に切り替える。

配管（１）を通る処理水は、凝結部内の熱交換部を通る。凝結水は凝結熱により高温である。そこで、熱交換部を低温の処理水が通ることにより、処理水の加熱が行われるとともに、凝結水が冷却される。凝結水の冷却は、蒸発部より送られてきた水蒸気を効率よく凝結させるために必要である。

凝結部を出た処理水は、配管（３）を通り、送液ポンプにより蒸発部の中空糸内（液相部）に送液される。処理水の前記の加熱が十分でない場合は、補助加熱がされる。中空糸内の処理水中の水は、水蒸気として疎水性多孔質膜を通り気相部に放出される。この段階（安定した運転がされている段階）では、処理水は十分加熱されており、気相部が大気圧より十分低く減圧されており、さらに、気相部中の水蒸気が送気ポンプにより迅速に気相部から除去されるので、水蒸気の高い透過流束が得られる。

気相部に放出された水蒸気は送気ポンプにより凝結部に送られるが、凝結部に凝結水が蓄積されている段階では、水蒸気は凝結水中に放出される。凝結部内は、気相部よりも十分に高い気圧下になっているので、水蒸気は水中に送られると加圧圧縮されるが、一瞬にして１００℃に達するか、又は凝結して液体になる。このときに蒸気の持っていた潜熱＝気化熱は、一気に水中に解放されるため実質的に熱回収率は１００％である。

なお、補助加熱は、処理水を熱交換部に送る前に行ってもよい。補助加熱の手段としては、太陽光よる加熱も利用できる。処理水を、水蒸気の凝結熱及び太陽光による熱で加熱した後に蒸発部に送ることで、処理水の加熱手段としての熱エネルギーコストを、実質的にほとんど不要とすることもできる。

Claims (6)

1. 処理水が流れる液相部と、気密状態にある気相部と、前記液相部及び気相部を隔てる疎水性多孔質膜からなる蒸発部、前記気相部よりも高い気圧下にある凝結部、前記気相部中の気体を前記凝結部に送気するポンプ、並びに、前記液相部に処理水を送液する送液手段を有し、前記処理水中の水が、前記気相部中に水蒸気として取り出され、前記凝結部において凝結され水として回収されることを特徴とする造水装置。
2. 前記凝結部が、凝結され回収された水からなる水相を含み、前記気相部中の気体を、前記水相中に送気することを特徴とする請求項１に記載の造水装置。
3. 前記凝結部が、気密状態にあることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の造水装置。
4. 前記蒸発部が、中空糸状に形成された疎水性多孔質膜を束ねて収納してなり、中空糸内腔に処理水が通り、中空糸表面が蒸発面であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の造水装置。
5. 液相部の送液前の処理水を、凝結部を通過させて加熱する手段を有することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の造水装置。
6. 前記疎水性多孔質膜が、ポリテトラフルオロエチレンの延伸多孔質膜であることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の造水装置。

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