JP2013212463A

JP2013212463A - 膜蒸留装置

Info

Publication number: JP2013212463A
Application number: JP2012084285A
Authority: JP
Inventors: Kazuhide Kaibuki; 和秀貝吹; Kota Iwasaki; 航太岩崎
Original assignee: Toyota Boshoku Corp
Current assignee: Toyota Boshoku Corp
Priority date: 2012-04-02
Filing date: 2012-04-02
Publication date: 2013-10-17

Abstract

【課題】水蒸気を効率的に凝縮して蒸留水の生成量を高めつつ、装置の小型化を図ることができる膜蒸留装置を提供する。
【解決手段】本膜蒸留装置１は、水を含む処理原液が流通する処理原液流通路１１と、処理原液流通路に膜１２を隔てて隣接し、膜を通過した水蒸気が流通する水蒸気流通路１３と、水蒸気流通路を形成する壁部のうち膜に対向する位置に配される壁部であり、水蒸気を接触させて凝縮する凝縮部１４と、を備え、凝縮部で凝縮された水を落下させて回収することにより蒸留水を得る装置であり、凝縮部には、撥水処理が施された撥水処理部１４Ａと、親水処理が施された親水処理部１４Ｂと、が交互に配置されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、膜蒸留装置に関する。更に詳しくは、水蒸気を効率的に凝縮して蒸留水の生成量を高めつつ、装置の小型化を図ることができる膜蒸留装置に関する。

膜蒸留装置は、気体は通すが液体は通さない性質の膜に、海水等の水を含む処理原液を接触させ、この膜を通過した水蒸気を凝縮して蒸留水を得る装置である。このような装置では、通常、生成した蒸留水を下方に落下させて回収する（例えば、特許文献１参照）。

特開昭６２−３３５０６号

膜蒸留装置において凝縮液を下方に落下させて回収する場合、凝縮液の量が下方へ至るほど増大するため、下方では滞留する凝縮液が現れる場合があった。そして、凝縮液が下方に滞留した場合、滞留した凝縮液によって水蒸気が流通するための水蒸気流通路が閉塞されるとともに、滞留して膜に接触した凝縮液により膜表面の透過孔が閉塞されてしまう。その結果、得られる蒸留水の量が減少してしまう、といった問題があった。このため、上記特許文献１では、水蒸気流通路の横断面積を下方に至るほど漸次増大、すなわち、テーパ状に末広がりになるようにしている。
しかしながら、特許文献１のように、水蒸気流通路をテーパ状の末広がりにした場合、テーパ量に応じて装置の横幅も大きくなってしまう、といった問題があった。

本発明は、上記のような実情に鑑み、水蒸気を効率的に凝縮して蒸留水の生成量を高めつつ、装置の小型化を図ることができる膜蒸留装置を提供することを目的とする。

上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、水を含む処理原液が流通する処理原液流通路と、前記処理原液流通路に膜を隔てて隣接し、前記膜を通過した水蒸気が流通する水蒸気流通路と、前記水蒸気流通路を形成する壁部のうち前記膜に対向する位置に配される壁部であり、前記水蒸気を接触させて凝縮する凝縮部と、を備え、前記凝縮部で凝縮された水を落下させて回収することにより蒸留水を得る膜蒸留装置であって、前記凝縮部には、撥水処理が施された撥水処理部と、親水処理が施された親水処理部と、が交互に配置されていることを要旨とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記凝縮部には、上下方向に延びるように形成されているとともに、前記膜の方向に向かって突出する複数の突部が形成されていることを要旨とする。

請求項３に記載の発明は、請求項２において、前記撥水処理部は、前記突部の先端に位置することを要旨とする。

請求項４に記載の発明は、請求項２又は３において、前記撥水処理部は、前記凝縮部の前記突部が立ち上がる部分に位置することを要旨とする。

請求項５に記載の発明は、請求項２乃至４のいずれか一項において、前記親水処理部は、前記突部の先端と基端の間に位置することを要旨とする。

本発明の膜蒸留装置によると、膜を通過した水蒸気を接触させて凝縮する凝縮部には、撥水処理が施された撥水処理部と、親水処理が施された親水処理部と、が交互に配置されている。このような構成により、撥水処理部では、その表面を水に濡れていない状態で露出させることができる。これにより、高効率な凝縮形態である滴状凝縮を発現させることができる。また、水蒸気の凝縮を促進できる。
また、親水処理部では、生成した蒸留水を凝縮部側に引き寄せて膜から遠ざけることができ、これにより蒸留水による膜表面の透過孔の閉塞及び水蒸気流通路の閉塞を抑制することができる。従って、特許文献１のようにテーパ状の末広がりにする必要がない。
また、親水処理部と撥水処理部とが交互に配置されていることにより、親水処理部を流れる蒸留水が撥水処理部側に広がるのを抑制し、親水処理部に沿って流すことができる。これにより、蒸留水の流れる方向を制御することができる。
このように、本発明の膜蒸留装置では、水蒸気を効率的に凝縮して蒸留水の生成量を高めることができるとともに、装置の小型化を図ることができる。

また、凝縮部に、上下方向に延びるように形成されているとともに、膜の方向に向かって突出する複数の突部が形成されている場合は、凝縮部が平面的な場合と比較して表面積を大きくすることができ、蒸留水の生成量をより高めることができる。

更に、撥水処理部が突部の先端に位置する場合は、水蒸気がより多く存在する膜により近い位置で滴状凝縮を発現させることができる。その結果、水蒸気をより効率的に凝縮することができる。

また、撥水処理部が、凝縮部の突部が立ち上がる部分に位置する場合には、蒸留水の滞留しやすい部分である突部の立ち上がり部分での滞留を抑制することができる。

更に、親水処理部が突部の先端と基端の間に位置する場合は、蒸留水をこの親水処理部に引き寄せることができる。

本発明について、本発明による典型的な実施形態の非限定的な例を挙げ、言及された複数の図面を参照しつつ以下の詳細な記述によって更に説明するが、同様の参照符号は図面のいくつかの図を通して同様の部品を示す。
実施例１に係る膜蒸留装置の概略構成を模式的に示す図である。実施例１に係る膜蒸留装置を模式的に示す縦断面図である。実施例１に係る膜蒸留装置を模式的に示す横断面図である。実施例１に係る凝縮部を模式的に示す図である。実施例２に係る膜蒸留装置を説明するための図である。実施例２に係る膜蒸留装置を説明するための図である。図６のＡ部拡大図である。他の実施形態に係る膜蒸留装置を説明するための図である。図８のＢ部拡大図である。更に他の実施形態に係る膜蒸留装置を説明するための図である。

ここで示される事項は例示的なもの及び本発明の実施形態を例示的に説明するためのものであり、本発明の原理と概念的な特徴とを最も有効に且つ難なく理解できる説明であると思われるものを提供する目的で述べたものである。この点で、本発明の根本的な理解のために必要である程度以上に本発明の構造的な詳細を示すことを意図してはおらず、図面と合わせた説明によって本発明の幾つかの形態が実際にどのように具現化されるかを当業者に明らかにするものである。

本実施形態に係る膜蒸留装置（１）は、水を含む処理原液が流通する処理原液流通路（１１）と、処理原液流通路に膜（１２）を隔てて隣接し、膜を通過した水蒸気が流通する水蒸気流通路（１３）と、水蒸気流通路を形成する壁部のうち膜に対向する位置に配される壁部であり、水蒸気を接触させて凝縮する凝縮部（１４）と、を備えており、凝縮部で凝縮された水を落下させて回収することにより蒸留水を得る装置である（例えば、図１、図２、図３等参照）。そして、凝縮部には、撥水処理が施された撥水処理部（１４Ａ）と、親水処理が施された親水処理部（１４Ｂ）と、が交互に配置されていることを特徴としている（例えば、図４等参照）。

上記「処理原液」は特に問わないが、例えば、海水など、水を主成分として塩や不純物等を含んだ液であることができる。この処理原液は、例えば、加温されていることができる（例えば、図１等参照）。処理原液の加温形態は特に限定されない。処理原液を加温する場合には、凝縮部の温度よりも高い温度まで加温されていることが好ましい。具体的には、例えば、凝縮部の温度よりも約５〜５０℃高い温度まで加温されていることができる。

上記「処理原液流通路」の形状、大きさ、個数、流通方向、流通形態等は特に問わない。
上記「膜」は、気体は通すが液体は通さない性質であればよい。この膜の形状、大きさ、材質、個数等は、特に問わない。膜は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）等からなる疎水性多孔質膜であることができる。
上記「水蒸気流通路」の形状、大きさ、個数、流通方向、流通形態等は特に限定されない。水蒸気流通路の幅（膜と凝縮部の間隔）Ｗは、例えば、３〜５ｍｍであることができる（例えば、図３等参照）。

上記「凝縮部」の構成、形状、大きさ、個数等は特に問わない。凝縮部の材質もまた特に限定されないが、例えば、アルミニウム、銅、鉄等の金属やこれらの主成分とする合金、樹脂、セラミックス等であることができる。これらのうち、凝縮部の材質としては、熱伝導率の比較的大きい金属又は合金であることが好ましい。また、凝縮部は、例えば、冷却されていることができる。水蒸気との温度差が大きくなって熱の移動が容易になり、水蒸気の凝縮を促進することができるからである。冷却形態は特に限定されないが、例えば、水蒸気流通路側とは反対側の面に冷媒を流通させる形態等が挙げられる。この場合、冷媒として処理原液流通路に到達する前の処理原液を利用することができる。これにより、水蒸気が凝縮するときの凝縮潜熱を吸収することができ、処理原液の温度を高めることができるからである。

上記撥水処理部及び上記親水処理部の形態は特に問わない。撥水処理としては、例えば、シリコン樹脂やフッ素樹脂等の被膜形成処理など、公知の処理であることができる。また、親水処理としては、例えば、プラズマ処理、コロナ放電処理等の加工処理や、ポリスルホン樹脂、セルロース樹脂、酸化チタン等の被膜形成処理など、公知の処理であることができる。

本実施形態に係る膜蒸留装置は、例えば、凝縮部には、上下方向に延びるように形成されているとともに、膜の方向に向かって突出する複数の突部（１８）が形成されている形態であることができる（例えば、図５、図６、図８等参照）。突部の断面形状としては、例えば、くさび状（例えば、図６、図８等参照）、略凸形状等であることができる。また、隣り合う突部同士は、例えば、断面略直線状の連結部（１９Ａ）により連結されていたり（例えば、図６、図７等参照）、断面曲線状の連結部（１９Ｂ）により連結されていたり（例えば、図８、図９等参照）してもよい。

上記突部は、例えば、上下方向に連続的（例えば、図５等参照）に形成されていてもよいし、間欠的（例えば、図１０等参照）に形成されていてもよい。

本実施形態に係る膜蒸留装置は、例えば、上記撥水処理部が突部の先端に位置する形態（例えば、図７、図９等参照）や、上記撥水処理部が、凝縮部の突部が立ち上がる部分に位置する形態（例えば、図７等参照）、上記親水処理部が、突部の先端と基端の間に位置する形態（例えば、図７等参照）等であることができる。

以下、図面を用いて実施例１及び２により本発明を具体的に説明する。なお、本実施例１及び２では、本発明に係る「膜蒸留装置」として、海水から蒸留水を生成する膜蒸留装置を例示する。
＜実施例１＞
（１）膜蒸留装置の構成
本実施例に係る膜蒸留装置１は、図１に示すように、処理原液としての海水が流通する処理原液流通路１１と、処理原液流通路１１に膜１２を隔てて隣接し、膜１２を通過した水蒸気が流通する水蒸気流通路１３と、水蒸気流通路１３を形成する壁部のうち膜１２に対向する位置に配される壁部であり、水蒸気を接触させて凝縮する凝縮部１４と、を備えており、凝縮部１４で凝縮された水を落下させて回収することにより蒸留水を得る装置である。

処理原液流通路１１は、平面形状が略矩形状に設けられているとともに、厚みに対して幅の広い偏平の流通路とされている。図１及び図２に示すように、処理原液流通路１１の両偏平面は、膜１２により仕切られて形成される。本実施例において、この膜１２はＰＴＦＥ製の疎水性多孔質膜としており、処理原液中に含まれる水の蒸気を透過させることができる。処理原液としての海水は、処理原液流通路１１をクロスフロー式で流通し、水蒸気が膜１２を透過することにより濃縮された状態となって排出される。

水蒸気流通路１３は、処理原液流通路１１の両偏平面側に膜１２を隔てて設けられている。水蒸気流通路１３は、処理原液流通路１１と同様に偏平の流通路とされており、一方の偏平面側を膜１２により仕切られて形成されているとともに、他方の偏平面側を凝縮部１４により仕切られて形成されている。本実施例において、図３に示す水蒸気流通路１３の幅Ｗは、約３ｍｍに設定されている。

凝縮部１４には、図４に示すように、撥水処理された撥水処理部１４Ａと、親水処理された親水処理部１４Ｂと、が交互に設けられている。撥水処理部１４Ａ及び親水処理部１４Ｂは、上下方向に延びるように設けられている。更に、凝縮部１４の裏面側には、冷媒流通路１５により、凝縮部１４を冷却するための冷媒が流通している。
なお、本実施例では、冷媒として、処理原液流通路１１に導入される前の海水を用いている。処理原液としての海水は、ポンプ１６によって冷媒流通路１５へ圧送されて凝縮部１４を冷却した後、ヒータ１７により約６０℃に加温されて処理原液流通路１１に導入される。

（２）膜蒸留装置の作用
次に、上記構成の膜蒸留装置１の作用について説明する。
処理原液流通路１１に海水を流通させると、図３に示すように、海水に含まれる水の一部が水蒸気となって膜１２を透過し、水蒸気流通路１３に流入する。海水は、処理原液流通路１１に導入される前に加温されているので気化しやすくなっており、効率的に水蒸気が発生する。

膜１２を透過した水蒸気は、凝縮部１４の表面で凝縮されて蒸留水となり、下方に落下する。このとき、凝縮部１４は冷却されているので、効率的に水蒸気が凝縮される。また、このとき、凝縮部１４は、処理原液流通路１１に導入される前の海水、すなわち、加温される前の海水により冷却されているので、この加温前の海水に凝縮潜熱が吸収され、ヒータ１７による加温の熱エネルギーの一部が回収される。

凝縮部１４の撥水処理部１４Ａにおいては、撥水処理が施されていることにより、滴状凝縮が発現するとともに、水蒸気の凝縮が促進される。親水処理部１４Ｂにおいては、親水処理が施されていることにより、凝縮した蒸留水が親水処理部１４Ｂに引き寄せられる。そして、生成された蒸留水は親水処理部１４Ｂで膜状になって親水処理部１４Ｂを伝って流れ落ちる。また、膜状になるので、下方で滞留することもない。このため、蒸留水による膜１２表面の透過孔の閉塞及び水蒸気流通路１３の閉塞が抑制される。また、親水処理部を撥水処理部で挟むことにより、親水処理部を流れる蒸留水が横方向に広がるのを防ぎ、下方へ流れるのを促すようにしている。

（３）実施例の効果
以上より、本実施例の膜蒸留装置１によると、膜１２を通過した水蒸気を接触させて凝縮する凝縮部１４には、撥水処理が施された撥水処理部１４Ａと、親水処理が施された親水処理部１４Ｂと、が交互に配置されている。このような構成により、凝縮部１４の撥水処理部１４Ａでは、その表面を水に濡れていない状態で露出させることができる。これにより、高効率の凝縮形態である滴状凝縮を発現させることができる。また、凝縮部１４の親水処理部１４Ｂでは、生成した蒸留水を凝縮部１４側に引き寄せて膜１２から遠ざけることができ、これにより蒸留水による膜１２表面の透過孔の閉塞及び水蒸気流通路１３の閉塞を抑制することができる。従って、特許文献１のように水蒸気流通路をテーパ状の末広がりにする必要がない。また、撥水処理部１４Ａと親水処理部１４Ｂとを交互に設けるとともに上下方向に延びるように設けるようにしたので、親水処理部を流れる蒸留水が横方向に広がるのを抑制できるとともに親水処理部１４Ｂに沿った下方への流れとすることができ、蒸留水の流下を促進することができる。
このように、本実施例の膜蒸留装置１では、水蒸気を効率的に凝縮して蒸留水の生成量を高めることができるとともに、装置の小型化を図ることができる。

＜実施例２＞
次に、実施例２に係る膜蒸留装置ついて説明する。なお、本実施例２に係る膜蒸留装置において、上記実施例１の膜蒸留装置１と略同じ構成部位には同符合を付けて詳説を省略する。
（１）膜蒸留装置の構成
本実施例２に係る膜蒸留装置１では、図６に示すように、凝縮部１４には、上下方向に延びるように形成されているとともに、膜１２の方向に向かって突出する複数の突部１８が形成されている。突部１８は、上下方向に連続的に設けられている。そして、図７に示すように、凝縮部１４には、突部１８の先端及び突部１８が立ち上がる部分に撥水処理部１４Ａが位置するとともに、突部１８の先端と基端の間の部分、及び隣り合う突部１８同士を連結する連結部１９Ａに親水処理部１４Ｂが位置している。

（２）膜蒸留装置の作用及び効果
本実施例２の膜蒸留装置１では、上記実施例１の効果に加えて、突部１８が形成されていることにより、凝縮部１４の表面が平面的な場合と比較して表面積が大きくなり、蒸留水の生成量が高められる。

また、撥水処理部１４Ａが突部１８の先端に位置することにより、水蒸気がより多く存在する膜１２により近い位置で滴状凝縮を発現させることができる。その結果、水蒸気をより効率的に凝縮することができる。

更に、撥水処理部１４Ａが、凝縮部１４の突部１８が立ち上がる部分に位置することにより、蒸留水の滞留しやすい部分である突部１８の立ち上がり部分での滞留を抑制することができる。

また、親水処理部１４Ｂが、突部１８の先端と基端の間に位置することにより、突部１８の先端及び凝縮部１４の突部が立ち上がる部分で凝縮された蒸留水をこの親水処理部１４Ｂに引き寄せることができる。更に、親水処理部１４Ｂが、凝縮部１４の隣り合う突部１８同士を連結する連結部１９Ａに位置することにより、凝縮部１４の突部が立ち上がる部分で凝縮された蒸留水をこの親水処理部１４Ｂに引き寄せることができる。

なお、本発明においては、上記各実施例に限られず、目的、用途に応じて本発明の範囲内で種々変更した実施例とすることができる。すなわち、上記実施例１及び２では、１つの処理原液流通路１１を挟んで２つの水蒸気流通路１３を設けるようにしたが、これに限定されず、例えば、処理原液流通路１１及び水蒸気流通路１３をそれぞれ１つずつ設けるようにしてもよいし、複数の処理原液流通路１１及び水蒸気流通路１３を交互に積層するようにしてもよい。

また、上記実施例１及び２では、処理原液流通路１１に導入される前の処理原液を、凝縮部１４を冷却するための冷媒として用いたが、これに限定されず、例えば、処理原液流通路１１と冷媒流通路１５とを別系統の流路として設けるようにしてもよい。この場合、冷媒として処理原液を用いる必要はなく、他の冷媒を用いるようにしてもよい。

更に、上記実施例２では、隣り合う突部１８同士を断面略直線状の連結部１９Ａで連結するようにしたが、これに限定されず、例えば、図８に示すように、隣り合う突部１８同士を断面曲線状の連結部１９Ｂで連結するようにしてもよい。また、この場合、図９に示すように、撥水処理が施された撥水処理部１４Ａを突部１８の先端に位置させるとともに、親水処理が施された親水処理部１４Ｂを突部１８の先端以外の部分に位置させるようにすることができる。

また、上記実施例２では、上下方向において突部１８を連続的に設けるようにしたが、これに限定されず、例えば、図１０に示すように、上下方向において突部１８を間欠的に設けるようにしてもよい。

前述の例は単に説明を目的とするものでしかなく、本発明を限定するものと解釈されるものではない。本発明を典型的な実施形態の例を挙げて説明したが、本発明の記述および図示において使用された文言は、限定的な文言ではなく説明的および例示的なものであると理解される。ここで詳述したように、その形態において本発明の範囲または精神から逸脱することなく、添付の特許請求の範囲内で変更が可能である。ここでは、本発明の詳述に特定の構造、材料および実施例を参照したが、本発明をここにおける開示事項に限定することを意図するものではなく、むしろ、本発明は添付の特許請求の範囲内における、機能的に同等の構造、方法、使用の全てに及ぶものとする。

本発明は上記で詳述した実施形態に限定されず、本発明の請求項に示した範囲で様々な変形または変更が可能である。

１；膜蒸留装置、１１；処理原液流通路、１２；膜、１３；水蒸気流通路、１４；凝縮部、１４Ａ；撥水処理部、１４Ｂ；親水処理部、１５；冷媒流通路、１６；ポンプ、１７；ヒータ、１８；突部、１９Ａ，１９Ｂ；連結部。

Claims

水を含む処理原液が流通する処理原液流通路と、
前記処理原液流通路に膜を隔てて隣接し、前記膜を通過した水蒸気が流通する水蒸気流通路と、
前記水蒸気流通路を形成する壁部のうち前記膜に対向する位置に配される壁部であり、前記水蒸気を接触させて凝縮する凝縮部と、を備え、
前記凝縮部で凝縮された水を落下させて回収することにより蒸留水を得る膜蒸留装置であって、
前記凝縮部には、撥水処理が施された撥水処理部と、親水処理が施された親水処理部と、が交互に配置されていることを特徴とする膜蒸留装置。
前記凝縮部には、上下方向に延びるように形成されているとともに、前記膜の方向に向かって突出する複数の突部が形成されている請求項１記載の膜蒸留装置。
前記撥水処理部は、前記突部の先端に位置する請求項２記載の膜蒸留装置。
前記撥水処理部は、前記凝縮部の前記突部が立ち上がる部分に位置する請求項２又は３記載の膜蒸留装置。
前記親水処理部は、前記突部の先端と基端の間に位置する請求項２乃至４のいずれか一項に記載の膜蒸留装置。