JP2012135750A - 海水からの淡水製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 温めた海水を比較的低い温度例えば５０℃〜７０℃に温めることで発生する水蒸気を疎水性多孔質膜を使用し、冷水で結露させることで淡水化する膜蒸留法が検討されてきたが、フッ素系などの疎水性多孔性膜を使用していることから水蒸気の蒸発速度が非常に遅いため、安価に且つ大量に淡水化するのが課題であった。
【解決手段】 本発明の解決手段は、ＰＴＦＥを延伸加工したフイルムとポリウレタンポリマーを複合化して製作した層あるいは前記層にエアーブロー方式のＥＳＤ法により製造したナノファイバー層を積層してなる疎水性多孔質膜の下にナノファイバー層を装着することで表面積が非常に大きいなナノファイバー層を利用して温海水を親水性のナノファイバーが吸い上げ、大量にその表面から蒸発（気化）して、安価で且つ大量の淡水を得るようにした海水からの淡水製造方法である。
【選択図】図１

Description

本発明はナノファイバー層を利用した新規な海水からの淡水製造方法に関するものである。

海水の淡水化技術としては、従来から逆浸透法、蒸留法が実施されている。従来公知の逆浸透法を利用して海水を淡水化する方法は装置自体が高価で、且つ海水を加圧して逆浸透膜の反対側から淡水を回収する方法であるため、海水を浸透圧以上の圧力まで加圧するための動力費および目詰まりで交換する逆浸透膜の交換費が高価となる上、更に、その汚染されて閉塞した逆浸透膜の産業廃棄物としての廃棄費も必要であった。また、塩分を除去するためには海水中の膜を汚濁する物質を除去するために数回の処理が必要である。このためには大型の淡水化装置にならざるを得ず、造水コストがアップするため淡水化装置として使用するには十分な物ではなかった。

一方、簡便な方法として蒸留法がある。この蒸留法は海水を沸点まで加熱して蒸発させ、その蒸気を冷却して真水を取り出す方法である。この蒸留法は古くから用いられてきが、この方法はエネルギー効率が低いことから、エネルギー効率を上げるため多段効用蒸発法、多段フラッシュ蒸発法などが考え出され、ともに広く利用されている。

多段効用蒸発法は効用缶と称する蒸発器に送られた加熱蒸気によって発生した蒸気を次段の効用缶の加熱蒸気として用い、これを多段に繰り返して行うことにより熱効率を高めたものである。

また、多段フラッシュ蒸発法は、蒸発器内部の圧力を海水の飽和蒸気圧以下にすることによって、海水を瞬間的にフラッシュ蒸発させ、これを多段に繰り返しエネルギー効率を高めたものである。

上述したこれらの蒸発法の各方式は、いずれも蒸発という相変化を伴うため、海水から真水を得るには、例えば多段フラッシュ蒸発法の場合では真水１ｍ^３を得るのに必要なエネルギーが２２６ＭＪと多くのエネルギーを必要とする。

普通、蒸発法では海水を蒸発させるための熱源としてボイラにより過熱された蒸気を使用するが必要エネルギーが多いために蒸気を発生させるための燃料も多量に必要とする上、ボイラー効率なども考慮すると経済的であるとは言えない。

そのため、発電所の蒸気タービンの排気蒸気や、ゴミ焼却炉の排熱を利用して蒸発法による海水淡水化を行い、コストを下げることが検討されてきたが、原理的に多量の蒸気が必要になるため、大型設備以外には不向きであるという欠点があり、広く普及するには至っていない。

このように逆浸透法、蒸留法などの海水を淡水化するための技術は、大きなエネルギーを必要とし、大量のＣＯ_２を排出する。また、これらの方式では海水の前処理や工程の複雑さなどから巨額な投資が必要であり、ランニングコストも高額となる。

そこで、これらを解決する方法として膜蒸留法が検討されている。膜蒸留法とは、温めた海水を比較的低い温度例えば５０℃〜７０℃に温めることで発生する水蒸気を疎水性多孔質膜を使用し、冷水で結露させることで淡水化する方式である。この方式は、図３に示すように装置がシンプルで交換部品がないためメンテナンスフリーにすることが可能である。

しかしながら、膜蒸留法も多くの利点を有しながら、これまで膜蒸留法が広く実用化されていなかった理由は、比較的低温で蒸発させることから、海水面から蒸発する水の量が少ないこと、さらにフッ素系などの疎水性多孔性膜を使用していることから水蒸気の蒸発速度が非常に遅いためである。そのため海水面からの水の蒸発量を増加させるか、あるいは疎水性多孔性膜の透湿性が早くなれば最も淡水を得る方式としては優れているものと考えられている。

発明が解決しょうとする課題

そこで、上記の課題を解決するため、本発明者らはいろいろな研究の末、ナノファイバーを活用することで膜蒸留法の問題点を解決するナノファイバー層蒸留法を見つけ出したものである。本発明の第１の目的は、温度の低い排熱を利用して少ないエネルギー消費量で淡水を安価に大量に造水しょうとしたものである。

もう一つの目的は、残留塩分濃度のない真水を造水しょうとしたものである。

もう一つの目的は、淡水効率を向上させ、造水量を増やすために大型にせざるを得なかった装置を小型化して、設備費を低減しょうとしたものである。

もう一つの目的は、海水淡水化処理の操作を簡単にすると共にメンテナンスも容易にしたものである。

もう一つの目的は、産業廃棄物の発生を極力少なくし、環境に悪影響を与えないようにしたものである。

課題を解決するための手段

本発明はナノファイバーの特徴を使用することで蒸留速度を著しく改善したもので、本発明の第１の解決手段は、その直径が１〜１０００ナノメートルであることと比表面積が非常に大きいナノファイバーの特徴を生かしたものである。

本発明の第２の解決手段は、ナノファイバーを用いて層を作成することによって、ナノファイバーからなる層の特徴である非常に多くのポアサイズと繊維の表面特性によって非常に高い透湿性を持つ膜を使用したものである。

本発明の第３の解決手段は、疎水性多孔質層の下にナノファイバー層を装着し、これを温海水の表面に張りめぐらせることにより非常に大きな表面積を形成するナノファイバー層を利用して親水性のナノファイバーが海水を吸い上げ、大量にその表面から蒸発（気化）するようにしたものである。

ここで疎水性多孔質膜に要求される機能は、撥水性、透湿性、耐久性で且つ安価が要求されることから、これに該当するポリマーでは、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、発水性ポリウレタン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニルなどが適している。繊維径は１〜１０００ｎｍ程度で接触角は１２５度以上が好ましい。また、ポリウレタンの場合、繊維同士が強固に固定化するためボンドにて接着する必要がないことも適している。
ナノファイバー層に用いるポリマーはポリビニルアルコール、エチレン−ビニルアルコール共重合体、ポリエチレンテレフタレート、セルロースアセテートなどが適している。

次に疎水性多孔質膜にはエアーブロー方式のＥＳＤ電界紡糸法により製造したナノファイバー層を積層して製作する。
なお、前記ではナノファイバーをエアーブロー方式のＥＳＤ法により製造する方法を述べたが、これに限定されることなく他の電界紡糸法やメルトブロー法あるいはフラッシュ紡糸法で製造しても何ら本発明の要旨を変更するものではない。

ここで、エアーブロー方式のＥＳＤ法について概略説明すると、エアーブロー方式のＥＳＤ法は高圧発生部から高電圧を印加されたノズルとノズル前方に設置した穴を有する絶縁遮蔽板とノズルの後方に設置した圧縮エアーを吐き出すエアーブローとエアーブローの後方に設置した電極球とからなり、前記ノズルと穴とエアーブローと電極球を一直線に配置した構造に於いて、絶縁遮蔽板の後段に一定の間隔を設けて設置されたノズルと逆電位の捕集電極に、バランス良く安定した紡糸ができるようにしたナノファイバーの製造方法。

次に、ナノファイバー層は繊維径が０．３〜５０μｍ、厚みが０．１〜１．０ｍｍのガラス繊維や合繊繊維または天然繊維などからなる不織布あるいは織り布の基材にエアーブロー方式のＥＳＤ法により製造したナノファイバー層を積層して製作する。
またナノファイバー層はエアーブロー方式のＥＳＤ法により製造したナノファイバーのみからなることもある。
なお、前記ではナノファイバーをエアーブロー方式のＥＳＤ法により製造する方法を述べたが、これに限定されることなく他の電界紡糸法やメルトブロー法あるいはフラッシュ紡糸法で製造しても何ら本発明の要旨を変更するものではない。

上記課題解決手段による作用は次の通りである。従来の膜蒸留法がフッ素系多孔性膜のみを使用していることから、水蒸気の蒸発速度が非常に遅いのに対し、本発明のナノファイバー層蒸留法は親水で透湿性のナノファイバー層と撥水性で透湿性の疎水性多孔質膜を組み合わせることにより、水蒸気のみを大気表面の疎水性多孔質膜表面から透過させ、冷却器にて結露させ、この結露が凝縮して滴下した淡水のみを回収するようにしたものである。そして本発明の特徴は蒸発面積が従来法の数百倍、水蒸気透過速度を従来法の百倍以上の効果を発揮するものである。

発明の効果

（１）本発明のナノファイバー層蒸留法は装置がシンプルで交換部品がないためメンテナンスフリーにすることが可能である。
（２）利用する温水の温度が比較的低温（５０〜７０℃）であることで、熱源は太陽熱、温泉、地熱、焼却場の排熱などが利用できる。
（３）ランニングコストが極めて安くできる。
（４）海水の淡水化だけでなく汚水の浄化も可能である。
（５）逆浸透法、電気透析法などで得られる濃塩水よりも高濃度の塩水を生成することができ、製塩用や工業用、タラソテラピー（海洋療法）などに使用できる。
（６）設備が簡単で投資金額が少ない。
（７）大規模なシステムも家庭用の小規模なシステムにも活用できる。

本発明のナノファイバー層蒸留法を示す１実施例の概念図である。 本発明のナノファイバー層蒸留法を示す他の実施例を示す概念図である。 従来の膜蒸留法を示す概念図である。

図１を参照して説明する。まず、１は温海水を貯留する蒸発器で、蒸発器１にはポンプ（図示せず）により汲み上げられた海水が熱交換器（図示せず）で温められて温海水２として貯留されている。温海水２の表面にはナノファイバー層３が張りめぐらされている。さらに、ナノファイバー層３の上面には疎水性多孔質膜４が装着されている。５は冷却水６を導通する冷却器である。冷却器５の材質はアルミやガラスなどから出来ている。蒸発器１と冷却器５の間には淡水７を回収容器（図示せず）に導く回収管８が形成されている。

上記のような構成であるので、ナノファイバー層３が温海水２を吸い上げる。このとき、ナノファイバー層３は表面積が非常に大きいため活発に気化する。さらに、気化した蒸気は温海水２と疎水性多孔質膜４間で膨張して結露空間に押し出す気圧が高まる。さらに、膨張して加圧された蒸気は非常に高い透湿性を持った疎水性多孔質層４を通過し冷却器５内の冷水６に冷やされて結露する。そして、結露した水は疎水性多孔質層４に滴下されるが、疎水性多孔質層４にはじかれて集水され、淡水７として回収管８を経由して回収容器に回収される。

しかも、本発明のナノファイバー層蒸留法は蒸発器にポンプ（図示せず）により汲み上げた海水を貯留する際、大きなゴミを取り除くだけで前処理は不要である。

図２を参照して説明する。１０は温海水１１を貯留する蒸発器で、蒸発器１０には海水が温められて温海水１１として貯留されている。温海水１１の表面にはナノファイバー層１２が張りめぐらされている。さらに、ナノファイバー層１２の上面には疎水性多孔質膜１３が装着されている。１４は冷却水１５を導通する冷却器である。冷却器１４の材質はアルミやガラスなどから出来ている。蒸発器１０と冷却器１４の間には淡水１６を回収容器（図示せず）に導く回収管１７が形成されている。１８は海水を貯留する海水タンクで、海水タンク１８から冷水生成装置１９を経由して冷却器１４に供給されるようになっている。さらに供給された海水は温水生成装置２０に導かれ、この温水生成装置２０で海水が温められて温海水１１として蒸発器１０に供給される。さらに温海水１１は海水タンク１８に戻され、再び海水として使用される。

上記のような構成であるので、温海水１１の表面に張りめぐらされたナノファイバー層１２が温海水１１を吸い上げる。このとき、ナノファイバー層１２は表面積が非常に大きいため活発に気化する。さらに、気化した蒸気は温海水１１と疎水性多孔質膜１３間で膨張して結露空間に押し出す気圧が高まる。さらに、膨張して加圧された蒸気は非常に高い透湿性を持った疎水性多孔質層１３を通過し冷却器１４内の冷却水１５に冷やされて結露する。そして、結露は凝縮して疎水性多孔質膜１３に滴下されるが、疎水性多孔質膜１３にはじかれて集水され、淡水１６として回収管１７を経由して回収容器に回収される。特に本実施例では海水タンク１８と冷水生成装置１９および温水生成装置２０を設け、海水をリサイクルすることにより、淡水１６を生成可能にしたものである。

なお、上記実施例では海水を淡水化する方法について述べたが、本発明のナノファイバー層蒸留法は汚水、雨水などを利用して飲料水を生成することができるもので、種々変更しても何ら本発明の要旨を変更するものではない。

本発明は疎水性多孔質膜の下にナノファイバー層を装着することで、非常に大きい表面積を形成して大量にその表面から蒸発（気化）するようにしたもので、海水からランニングコストおよび設備費のかからない安価な淡水を生成することができるようにしたもので実用的はなはだ大なるものである。

１・・・蒸発器 ２・・・温海水 ３・・・ナノファイバー層
４・・・疎水性多孔質膜 ５・・・冷却器
６・・・冷却水 ７・・・淡水 ８・・・回収管
１０・・・蒸発器 １１・・・温海水
１２・・・ナノファイバー層 １３・・・疎水性多孔質膜
１４・・・冷却器 １５・・・冷却水 １６・・・淡水
１７・・・回収管 １８・・・海水タンク １９・・・冷水生成装置
２０・・・温水生成装置

Claims (2)

1. 蒸発器と冷却器の間に淡水を回収容器に導く回収管から構成した海水淡水化処理装置において、貯留した蒸発器の温海水表面に疎水性多孔質膜を装着したナノファイバー層を張りめぐらして、非常に大きな表面積を有したナノファイバー層で温海水を吸い上げ、さらに疎水性多孔質膜を通過した蒸気を冷却器内の冷却水で冷やして結露し、凝縮して滴下された結露水が疎水性多孔質膜にはじかれて集水され、淡水として回収管を経由して回収容器に回収するようにしたことを特徴とした海水からの淡水製造方法。
2. 冷却器には冷水生成装置を経由して海水タンクが接続され、蒸発器には一端が温水生成装置に他端が海水タンクに接続されていることを特徴とする請求項１の海水からの淡水製造方法。

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