JP2016041404A - Forward osmosis fresh water generation system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態は、正浸透(FO)膜を使った正浸透造水システムに関する。 Embodiments of the present invention relate to a forward osmosis water making system using forward osmosis (FO) membranes.
半透膜を介して溶質濃度が異なる2種類の水溶液を接触させると、それら溶液の間に浸透圧差が生じる。正浸透法を用いた造水技術では、その圧力差を減らす方向(溶質の濃度差をなくす方向)、即ち溶質濃度が低い方から高い方に水が移動する現象を利用して、原水から淡水を得ることができる。 When two types of aqueous solutions having different solute concentrations are brought into contact with each other through the semipermeable membrane, an osmotic pressure difference is generated between the solutions. In fresh water generation technology using the forward osmosis method, the pressure difference is reduced (the direction in which the difference in solute concentration is eliminated), that is, the phenomenon that water moves from the lower solute concentration to the higher one, and the fresh water is converted from the raw water. Can be obtained.
正浸透法では原水(供給液)、例えば海水の塩分濃度より濃度(浸透圧)が高くなるように溶質(水溶性化合物)を溶解させた吸収液(ドロー溶液)を用いて、動力(圧力)をかけることなく、原水側から水を吸収液に移動させる。その後、吸収液中の水と溶質を分離することにより、原水から淡水を得る。さらに、分離した溶質を再度、吸収液に溶解させて、高濃度の溶液に再生し、循環させる。正浸透法では、下水、排水、さまざまな成分が溶解した工業廃水などの原水から淡水を得ることもできる。 In the forward osmosis method, raw water (feed solution), for example, using an absorption solution (draw solution) in which a solute (water-soluble compound) is dissolved so that its concentration (osmotic pressure) is higher than the salt concentration of seawater, power (pressure) Without applying water, move water from the raw water side to the absorbent. Thereafter, fresh water is obtained from the raw water by separating the water and the solute in the absorbent. Further, the separated solute is again dissolved in the absorbing solution, regenerated into a high concentration solution, and circulated. In the forward osmosis method, fresh water can also be obtained from raw water such as sewage, waste water, and industrial waste water in which various components are dissolved.
吸収液の溶質として、例えば揮発性の溶質または温度による溶解度変化の大きい溶質が用いられている。しかし、これらの溶質を用いる場合には、吸収液を加熱、冷却するために熱源が必要となるうえに、溶質を完全に分離することが困難である。 As the solute of the absorbing liquid, for example, a volatile solute or a solute having a large change in solubility due to temperature is used. However, when these solutes are used, a heat source is required to heat and cool the absorbing liquid, and it is difficult to completely separate the solutes.
また、吸収液の溶質として、いわゆるバイオサーファクタントを用いることが検討されている。バイオサーファクタントは、水中で自己組織化し、巨大構造のコロイド分子となるので、吸収液を加熱、冷却するために熱源なしに、水から分離できることが期待されている。 In addition, the use of so-called biosurfactants as the solute of the absorbing solution has been studied. Biosurfactants are self-organized in water and become colloidal molecules with a large structure. Therefore, it is expected that biosurfactants can be separated from water without a heat source to heat and cool the absorbing solution.
本実施形態の目的は、原水から淡水を造水する効率を向上させつつ、生産淡水への溶質の混入を最小限に抑えられる正浸透造水システムを提供することである。 An object of the present embodiment is to provide a forward osmosis freshwater generation system capable of minimizing the mixing of solutes into production freshwater while improving the efficiency of producing freshwater from raw water.
実施形態によれば、原水が供給される供給液流路と溶質を含む吸収液が供給される第1の吸収液流路とを区画する正浸透膜を有する正浸透装置と、前記第1の吸収液流路から排出された吸収液が供給される第2の吸収液流路と淡水が排出される淡水流路とを区画するろ過膜を有する膜分離装置と、前記第1の吸収液流路と前記第2の吸収液流路とを接続する希釈吸収液ラインと、前記第2吸収液流路と前記第1吸収液流路とを接続し、前記第2吸収液流路から前記第1吸収液流路へ吸収液を返送するポンプが設置された高濃度吸収液ラインとを具備する正浸透造水システムが提供される。前記溶質は、下記一般式
(R1およびR2の一方が炭素数2乃至16の脂肪酸残基、R1およびR2の他方が水素又は親水基であり、R3およびR4の両方がアセチル基、R3およびR4の一方がアセチル基およびR3およびR4の他方が水素、或いはR3およびR4の両方が水素であり、Aはカルボン酸又は水素であり、Aの少なくとも1つがカルボン酸である。)
で表される化合物、または前記化合物の金属塩であることを特徴とする。
(One of R 1 and R 2 is a fatty acid residue having 2 to 16 carbon atoms, the other of R 1 and R 2 is hydrogen or a hydrophilic group, both R 3 and R 4 are acetyl groups, R 3 and R 4 Are one of an acetyl group and the other of R 3 and R 4 is hydrogen, or both R 3 and R 4 are hydrogen, A is a carboxylic acid or hydrogen, and at least one of A is a carboxylic acid.)
Or a metal salt of the compound.
以下、実施形態に係る正浸透造水システムについて図面を参照して説明する。なお、実施形態は下記の説明に限定されない。 Hereinafter, the forward osmosis freshwater generation system according to the embodiment will be described with reference to the drawings. In addition, embodiment is not limited to the following description.
(第1実施形態)
第1の実施形態に係る正浸透造水システムについて、図1を参照して説明する。
(First embodiment)
The forward osmosis freshwater generation system according to the first embodiment will be described with reference to FIG.
正浸透造水システム1は、正浸透膜(半透膜)12を有する正浸透装置11と、ろ過膜22を有する膜分離装置21と、正浸透装置11と膜分離装置21とを接続する希釈吸収液ライン31と、正浸透装置11と膜分離装置21とを接続する高濃度吸収液ライン32と、高濃度吸収液ライン32上に設置された循環ポンプ41とを有する。
The forward osmosis fresh water generation system 1 includes a
前記正浸透装置11は、正浸透膜(半透膜)12で区画された供給液流路13と第1の吸収液流路14を有する。原水ライン15は、正浸透装置11の供給液流路13の上流側に接続されている。排水ライン16は、正浸透装置11の供給液流路13の下流側に接続されている。正浸透装置11の第1の吸収液流路14内を流れる吸収液は、供給液流路13に供給される原水よりも高濃度に溶質を含んでいる。
The
前記膜分離装置21は、ろ過膜22で区画された第2の吸収液流路23と淡水流路24を有する。淡水ライン25は、淡水流路24に接続されている。
The
前記希釈吸収液ライン31は、一端が正浸透装置11の第1の吸収液流路14の下流側に接続され、他端が膜分離装置21の第2の吸収液流路23の上流側に接続されている。第1の吸収液流路14から排出された吸収液、即ち希釈吸収液ライン31内の吸収液は、溶質の濃度が低くなっているため、希釈吸収液と呼ぶ。正浸透装置11の第1の吸収液流路14から排出された希釈吸収液は、希釈吸収液ライン31を通して膜分離装置21の第2の吸収液流路23に供給される。
One end of the diluted absorbent
前記高濃度吸収液ライン32は、一端が膜分離装置21の第2の吸収液流路23の下流側に接続され、他端が前記正浸透装置11の第1の吸収液流路14の上流側に接続されている。膜分離装置21の第2の吸収液流路23から排出された吸収液、即ち高濃度吸収液ライン32内の吸収液は、溶質の濃度が高くなっているため、高濃度吸収液と呼ぶ。膜分離装置21の第2の吸収液流路23から排出された高濃度吸収液は、循環ポンプ41により高濃度吸収液ライン32を通して正浸透装置11の第1の吸収液流路14に供給される。即ち、吸収液は正浸透装置11の第1の吸収液流路14と膜分離装置21の第2の吸収液流路23の間を希釈吸収液ライン31および高濃度吸収液ライン32を通して循環される。
One end of the high-concentration
原水は、海水、下水、排水、工業廃水を用いることができる。原水は、必要に応じて除濁等の前処理を行ってから、原水ライン15を通して正浸透装置11に供給する。
As raw water, seawater, sewage, drainage, and industrial wastewater can be used. The raw water is supplied to the
正浸透膜(半透膜)12は、材質、形状、大きさ、構造などについて特に制限されず、水を選択的に透過する膜であればよく、例えば逆浸透(RO)膜を用いることもできる。膜の材質は、原水水質、吸収液の種類に応じて適宣選択され、例えば酢酸セルロース、芳香族ポリアミド、芳香族スルホン、ポリベンゾイミダゾール、グラフェン等を挙げることができる。形状は、例えば平膜、平膜によるスパイラル型モジュール、中空糸型モジュール、円筒型モジュール等を挙げることができる。 The forward osmosis membrane (semipermeable membrane) 12 is not particularly limited in terms of material, shape, size, structure, etc., and may be any membrane that selectively permeates water. For example, a reverse osmosis (RO) membrane may be used. it can. The material of the membrane is appropriately selected according to the raw water quality and the type of the absorbing solution, and examples thereof include cellulose acetate, aromatic polyamide, aromatic sulfone, polybenzimidazole, and graphene. Examples of the shape include a flat membrane, a spiral type module using a flat membrane, a hollow fiber type module, and a cylindrical type module.
吸収液は溶質として、水中で自己組織化して、例えばミセル構造、ベシクル構造、リボン構造、または、紐状ミセル構造になる界面活性剤を含んでいる。自己組織化した界面活性剤に対して、膜分離装置21のろ過膜22の細孔径を適切な寸法(例えば0.01〜1μm)に選定することにより、ろ過膜22で溶質としての界面活性剤と水とを容易に分離することが可能になる。
The absorbing solution contains, as a solute, a surfactant that self-assembles in water and becomes, for example, a micelle structure, vesicle structure, ribbon structure, or string-like micelle structure. By selecting the pore size of the
界面活性剤としては、石油を原料とする化学合成により生産されるものや、酵母菌(細胞壁をもち、生活環の一定期間を栄養増殖する単細胞の真菌類)、細菌(単細胞の微生物で核膜のない原核生物の一群)の働きにより有機系基質から生産される、いわゆるバイオサーファクタント等が挙げられる。特に、後者のバイオサーファクタントは生分解性が高く、低刺激性で環境に優しく、生産量を確保できるために好ましい。さらに、バイオサーファクタントは水酸基、カルボキシ基、アミノ基、不斉炭素をバランスよくもっているため、水中でミセル構造、リボン構造になるだけでなく、自己組織化により巨大構造のコロイド分子になる。 Surfactants include those produced by chemical synthesis using petroleum as raw materials, yeasts (single cell fungi that have cell walls and vegetatively proliferate for a certain period of the life cycle), bacteria (single cell microorganisms and nuclear membranes) And so-called biosurfactants produced from organic substrates by the action of a group of prokaryotes that do not have any). In particular, the latter biosurfactant is preferable because it has high biodegradability, is hypoallergenic, is environmentally friendly, and can secure a production amount. Furthermore, since biosurfactant has a hydroxyl group, a carboxy group, an amino group, and an asymmetric carbon in a well-balanced state, it not only becomes a micelle structure or ribbon structure in water, but also becomes a colloidal molecule having a large structure by self-organization.
バイオサーファクタントは、親水基の構造から糖型、アミノ酸型、有機酸型、高分子型がある。具体的なバイオサーファクタントには、糖型のソホロリピッド、マンノシルエリスリトールリピッド、マンノシルマンニトールリピッド、マンノシルアラビトールリピッド、マンノシルリビトールリピッド、ラムノリピッド、トレハロリピッド、セルビオリピッドおよびそれらの誘導体などがある。アシルペプチド系のオルニチンリピッド、サーファクチンを用いることもできる。 Biosurfactants are classified into sugar type, amino acid type, organic acid type, and polymer type from the structure of hydrophilic group. Specific biosurfactants include glycoforms of sophorolipid, mannosyl erythritol lipid, mannosyl mannitol lipid, mannosyl arabitol lipid, mannosyl ribitol lipid, rhamnolipid, trehalo lipid, cerviolipid and derivatives thereof. An acyl peptide-based ornithine lipid or surfactin can also be used.
本実施形態では、吸収液の溶質として下記一般式で表されるマンノシルエリスリトールリピッドの誘導体、またはこの誘導体の金属塩を用いる。
(R1およびR2の一方が炭素数2乃至16の脂肪酸残基、R1およびR2の他方が水素又は親水基であり、R3およびR4の両方がアセチル基、R3およびR4の一方がアセチル基およびR3およびR4の他方が水素、或いはR3およびR4の両方が水素であり、Aは水素又はカルボン酸であり、Aの少なくとも1つがカルボン酸である。3つのAがカルボン酸でもよい。)
以下、上記の誘導体をモノ、ジまたはトリカルボキシル化マンノシルエリスリトールリピッドという。モノ、ジまたはトリカルボキシル化マンノシルエリスリトールリピッドを溶質として用いることによって得られる効果について、以下に詳述する。
(One of R 1 and R 2 is a fatty acid residue having 2 to 16 carbon atoms, the other of R 1 and R 2 is hydrogen or a hydrophilic group, both R 3 and R 4 are acetyl groups, R 3 and R 4 One is an acetyl group and the other of R 3 and R 4 is hydrogen, or both R 3 and R 4 are hydrogen, A is hydrogen or a carboxylic acid, and at least one of A is a carboxylic acid. A may be a carboxylic acid.)
Hereinafter, the above derivatives are referred to as mono-, di- or tricarboxylated mannosyl erythritol lipids. The effects obtained by using mono-, di- or tricarboxylated mannosyl erythritol lipids as solutes are described in detail below.
バイオサーファクタントであるマンノシルエリスリトールリピッドは、下記に示す構造式で表される。このマンノシルエリスリトールリピッドの誘導体のうち、R3またはR4の両方が水素で、R1またはR2の一方が水素または糖鎖等の親水基であるものは、高い溶解度を示すため、吸収液の溶質に適している。
(ここで、R1およびR2の一方が炭素数2乃至16の脂肪酸残基、R1およびR2の他方が水素又は親水基であり、R3およびR4の両方がアセチル基、R3およびR4の一方がアセチル基およびR3およびR4の他方が水素、或いはR3およびR4の両方が水素である。)
上記のマンノシルエリスリトールリピッド誘導体を、さらにカルボキシ基を持つ化合物で修飾することにより、エリスリトール部分の一部乃至全てのOH基をカルボン酸に置換した界面活性剤が得られる。例えば、リパーゼ触媒の存在下に、ジカルボン酸であるコハク酸または無水コハク酸とマンノシルエリスリトールリピッドとを反応させると、エリスリトール部分のOH基とコハク酸(または無水コハク酸)のカルボキシ基の一方とがエステル結合し、OH基が他方のカルボキシ基で修飾される。エリスリトール部分のOH基を修飾する化合物は、コハク酸に限らず、カルボキシ基を2個持ったジカルボン酸またはその無水物を用いることができる。
(Here, one of R 1 and R 2 is a fatty acid residue having 2 to 16 carbon atoms, the other of R 1 and R 2 is hydrogen or a hydrophilic group, both R 3 and R 4 are acetyl groups, R 3 And one of R 4 is an acetyl group and the other of R 3 and R 4 is hydrogen, or both R 3 and R 4 are hydrogen.)
By modifying the above mannosyl erythritol lipid derivative with a compound having a carboxy group, a surfactant in which a part or all of the OH groups of the erythritol moiety are substituted with carboxylic acid can be obtained. For example, when succinic acid or succinic anhydride, which is a dicarboxylic acid, is reacted with mannosyl erythritol lipid in the presence of a lipase catalyst, one of the OH group of the erythritol moiety and one of the carboxy groups of succinic acid (or succinic anhydride) is produced. An ester bond is made and the OH group is modified with the other carboxy group. The compound that modifies the OH group of the erythritol moiety is not limited to succinic acid, and a dicarboxylic acid having two carboxy groups or an anhydride thereof can be used.
必ずしも、マンノシルエリスリトールリピッドのエリスリトール部分にあるOH基のすべてをカルボキシ基で修飾する必要はない。リパーゼ触媒量とジカルボン酸の添加量を調整することで、エリスリトール部分のOH基の1〜3個をカルボキシ基で修飾することができる。 It is not always necessary to modify all of the OH groups in the erythritol part of the mannosyl erythritol lipid with carboxy groups. By adjusting the amount of lipase catalyst and the amount of dicarboxylic acid added, 1 to 3 OH groups of the erythritol moiety can be modified with a carboxy group.
例として、前記一般式においてAのすべてをカルボキシ基で修飾したトリカルボキシル化マンノシルエリスリトールリピッドの化学式を下記に示す。
(R1およびR2の一方が炭素数2乃至16の脂肪酸残基、R1およびR2の他方が水素又は親水基であり、R3およびR4の両方がアセチル基、R3およびR4の一方がアセチル基およびR3およびR4の他方が水素、或いはR3およびR4の両方が水素であり、R5は炭素数が2以上のアルキル鎖である。)
このようなモノ、ジまたはトリカルボキシル化マンノシルエリスリトールリピッドは、エリスリトール部分のOH基をカルボキシ基で修飾していないものと比べて、水中において、カルボキシ基が、カルボン酸イオンになって溶解度が向上する。モノ、ジまたはトリカルボキシル化マンノシルエリスリトールリピッドを、正浸透造水システムの吸収液の溶質として用いることができる。
(One of R 1 and R 2 is a fatty acid residue having 2 to 16 carbon atoms, the other of R 1 and R 2 is hydrogen or a hydrophilic group, both R 3 and R 4 are acetyl groups, R 3 and R 4 Is an acetyl group and the other of R 3 and R 4 is hydrogen, or both R 3 and R 4 are hydrogen, and R 5 is an alkyl chain having 2 or more carbon atoms.)
Such mono-, di- or tricarboxylated mannosyl erythritol lipids have improved solubility in water as carboxy groups become carboxylate ions compared to those in which the OH group of the erythritol moiety is not modified with a carboxy group. . Mono-, di- or tricarboxylated mannosyl erythritol lipids can be used as the solute of the absorption liquid of the forward osmotic freshwater system.
また、モノ、ジまたはトリカルボキシル化マンノシルエリスリトールリピッドと水酸化ナトリウムを反応させて得られるナトリウム塩を、正浸透造水システムの吸収液の溶質に用いることができる。モノ、ジまたはトリカルボキシル化マンノシルエリスリトールリピッドのナトリウム塩を用いた場合、正浸透装置11における浸透圧を向上させ、正浸透膜12の透過水量(フラックス)を増加することができる。
In addition, a sodium salt obtained by reacting mono-, di- or tricarboxylated mannosyl erythritol lipids with sodium hydroxide can be used as the solute of the absorption liquid of the forward osmosis water making system. When a sodium salt of mono-, di- or tricarboxylated mannosyl erythritol lipid is used, the osmotic pressure in the
例として、トリカルボキシル化マンノシルエリスリトールリピッドのナトリウム塩の化学式を下記に示す。
(R1およびR2の一方が炭素数2乃至16の脂肪酸残基、R1およびR2の他方が水素又は親水基であり、R3およびR4の両方がアセチル基、R3およびR4の一方がアセチル基およびR3およびR4の他方が水素、或いはR3およびR4の両方が水素であり、R5は炭素数が2以上のアルキル鎖である。)
ここで、マンノシルエリスリトールリピッド誘導体へのカルボキシ基の修飾に用いる化合物は、上記のようにカルボン酸であれば何でも構わないが、2つのカルボキシ基の間に炭素数2の炭素鎖を有するジカルボン酸であるコハク酸、またはその無水物である無水コハク酸を用いることが好ましい。コハク酸や無水コハク酸を用いることにより、カルボキシル化に伴うマンノシルエリスリトールリピッド誘導体の分子量の増加を最小限に抑えることができる。その結果、分子量が大きいジカルボン酸を修飾した場合と比較して、溶解度が同じでも、飽和時に吸収液に含まれる溶質のモル数が大きい。そのため、以下の式で表される浸透圧(Π)が高くなり、正浸透装置11における正浸透膜12の透過水量(フラックス)が増加する。
(One of R 1 and R 2 is a fatty acid residue having 2 to 16 carbon atoms, the other of R 1 and R 2 is hydrogen or a hydrophilic group, both R 3 and R 4 are acetyl groups, R 3 and R 4 Is an acetyl group and the other of R 3 and R 4 is hydrogen, or both R 3 and R 4 are hydrogen, and R 5 is an alkyl chain having 2 or more carbon atoms.)
Here, the compound used for modification of the carboxy group to the mannosyl erythritol lipid derivative may be any carboxylic acid as described above, but is a dicarboxylic acid having a carbon chain of 2 carbon atoms between two carboxy groups. It is preferable to use a certain succinic acid or succinic anhydride which is an anhydride thereof. By using succinic acid or succinic anhydride, the increase in the molecular weight of the mannosyl erythritol lipid derivative accompanying carboxylation can be minimized. As a result, the number of moles of solute contained in the absorbing solution at the time of saturation is large even when the solubility is the same as compared with the case where a dicarboxylic acid having a large molecular weight is modified. Therefore, the osmotic pressure (Π) represented by the following formula increases, and the amount of permeated water (flux) of the
Π=CRT
ここで、Π:浸透圧[atm]、C:モル濃度[mol/dm3]、R:気体定数[atm・dm3/K・mol]、T:温度[K]である。
Π = CRT
Here, Π: osmotic pressure [atm], C: molar concentration [mol / dm 3] , R: gas constant [atm · dm 3 / K · mol], and T: temperature [K].
膜分離装置21のろ過膜22は、水中で自己組織化した界面活性剤、即ち溶質の分子集合体を透過しない範囲で、できるだけ大きい細孔径を持つことが好ましい。前記細孔径は、例えば0.01〜1μmであることが好ましい。ろ過膜の材質には、例えば、ポリエチレン、ポリオレフィン、ポリエーテルスルホン、ポリビニルピロリドン、セラミックを用いることができる。ろ過膜の形状は、例えば、平膜、平膜によるスパイラル型モジュール、中空糸型モジュール、円筒型モジュールとすることができる。なお、ろ過膜として、例えば、上水処理向けの精密ろ過膜(MF)を用いることもできる。また、分画分子量が1000〜10,000Daの限外ろ過膜膜(UF)を用いることもできる。
The
次に、本実施形態に係る正浸透造水システムの作用を説明する。 Next, the effect | action of the forward osmosis fresh water generation system which concerns on this embodiment is demonstrated.
正浸透装置11において、原水ライン15から供給液として原水を供給液流路13に供給すると共に、高濃度吸収液供給ライン32から高濃度吸収液を第1の吸収液流路14に供給する。供給液流路13で原水が流れる間に、正浸透膜12を介して第1の吸収液流路14に流れる吸収液と接触し、原水と高濃度吸収液との間に浸透圧差が生じる。その浸透圧差を駆動力として、水が溶質濃度の低い方から高い方に半透膜中を移動する。即ち、原水中の水が正浸透作用により供給液流路13側から第1の吸収液流路14側に移動する。このとき、供給液は水の高濃度吸収液側への移動により濃縮され、濃縮排水として排水ライン16を通して排水される。
In the
原水から水を吸収して希釈された吸収液は、希釈吸収液ライン31を通して膜分離装置21の第2の吸収液流路23に供給される。このとき、希釈吸収液中の溶質である界面活性剤は自己組織化しており、膜分離装置21のろ過膜22の細孔径よりも大きい寸法を持つ分子集合体になっている。また、希釈吸収液には、正浸透装置11における吸収液浸透圧によって圧力が加わっているため、第2の吸収液流路23を流れる希釈吸収液から、例えば、細孔径0.01〜1μmのろ過膜22により淡水のみがろ過水として分離し、淡水流路24に移動する。淡水流路22に移動した淡水は、淡水ライン25を通して飲料水等としてユーザに供給される。
The absorption liquid diluted by absorbing water from the raw water is supplied to the second absorption
一方、希釈吸収液は第2の吸収液流路23で水の一部が淡水側に移動することにより溶質が濃縮されて高濃度吸収液になる。高濃度吸収液は、高濃度吸収液ライン32に排出され、循環ポンプ41の動作により正浸透装置11の第1の吸収液流路14に戻される。吸収液の循環量は、循環ポンプ41の流量を任意に設定することにより適宜調整することができる。膜分離装置21で希釈吸収液をろ過するための圧力は、正浸透装置11で浸透圧として生じた圧力エネルギーを利用するため、循環ポンプ41の運転に必要なエネルギーは、吸収液を循環させ、かつ正浸透装置11の第1の吸収液流路14からの高濃度吸収液の逆流を防ぐ分だけで済むので、消費電力を低く抑えることができる。
On the other hand, the diluted absorption liquid becomes a high-concentration absorption liquid by concentrating the solute as a part of water moves to the fresh water side in the second
このような正浸透造水装置1における、正浸透装置11と膜分離装置21との間での吸収液の循環において、吸収液の溶質としてジまたはトリカルボキシル化マンノシルエリスリトールリピッドのナトリウム塩を用いた例を以下に詳述する。
In the circulation of the absorbing solution between the
正浸透装置11で原水中の水を吸収して濃度が下がった希釈吸収液は、第1の吸収液流路14から希釈吸収液ライン31を通して膜分離装置21の第2の吸収液流路23に供給される。ここで、溶質としてマンノシルエリスリトールリピッドの酸誘導体を用いた場合は、この溶質が自己組織化(ミセル化やベシクル化等)して分子集合体(ミセルやベシクル等)を生じて巨大化する。希釈吸収液を膜分離装置21の第2の吸収液流路23に供給する際、希釈吸収液中の巨大化した溶質の分子集合体は、ろ過膜22の細孔径(例えば0.01〜1μm)より大きいため、ろ過膜22で容易に溶質と淡水とに分離できる。
The diluted absorbent whose concentration has been reduced by absorbing the water in the raw water by the
特に、溶質がモノ、ジまたはトリカルボキシル化マンノシルエリスリトールリピッドである場合、水中で溶質がカルボン酸イオンにイオン化して溶解度が向上し、高濃度な吸収液となる。その結果、吸収液中の溶質モル濃度が増加し、正浸透装置11における浸透圧が向上し、正浸透装置11の正浸透膜12の透過水量(フラックス)が増加する。
In particular, when the solute is a mono-, di- or tricarboxylated mannosyl erythritol lipid, the solute is ionized into a carboxylate ion in water to improve the solubility, resulting in a high concentration absorbent. As a result, the solute molar concentration in the absorption liquid increases, the osmotic pressure in the
さらに、溶質として、モノ、ジまたはトリカルボキシル化マンノシルエリスリトールリピッドのナトリウム塩を用いた場合、水中で溶質がナトリウムイオンとカルボン酸イオンとに解離し、モノ、ジまたはトリカルボキシル化マンノシルエリスリトールリピッドのカルボン酸イオン1モルに対して1モル以上のナトリウムイオンが生じる。その結果、吸収液中の溶質モル濃度が増加し、以下の式で表される浸透圧(Π)が向上し、正浸透装置11の正浸透膜12の透過水量(フラックス)が増加する。
Furthermore, when the sodium salt of mono, di or tricarboxylated mannosyl erythritol lipid is used as the solute, the solute dissociates into sodium ion and carboxylate ion in water, and the carboxylic acid of mono, di or tricarboxylated mannosyl erythritol lipid is dissociated. One mole or more of sodium ions is produced per mole of acid ions. As a result, the solute molar concentration in the absorption liquid increases, the osmotic pressure (Π) expressed by the following formula improves, and the amount of permeated water (flux) of the
Π=CRT
ここで、Π:浸透圧[atm]、C:モル濃度[mol/dm3]、R:気体定数[atm・dm3/K・mol]、T:温度[K]である。
Π = CRT
Here, Π: osmotic pressure [atm], C: molar concentration [mol / dm 3] , R: gas constant [atm · dm 3 / K · mol], and T: temperature [K].
モノカルボキシル化マンノシルエリスリトールリピッドのナトリウム塩が解離すると、カルボン酸イオン1モルに対して最大1モルのナトリウムイオンが生じる。ジカルボキシル化マンノシルエリスリトールリピッドのナトリウム塩が解離すると、カルボン酸イオン1モルに対して最大2モルのナトリウムイオンが生じる。トリカルボキシル化マンノシルエリスリトールリピッドのナトリウム塩が解離すると、カルボン酸イオン1モルに対して最大3モルのナトリウムイオンが生じる。吸収液中のナトリウムイオンのモル濃度が高いほど、正浸透装置11の正浸透膜12の透過水量(フラックス)が増加するため、モノカルボキシル化マンノシルエリスリトールリピッドのナトリウム塩よりもジカルボキシル化マンノシルエリスリトールリピッドのナトリウム塩のほうが好ましい。さらに、ジカルボキシル化マンノシルエリスリトールリピッドのナトリウム塩よりもトリカルボキシル化マンノシルエリスリトールリピッドのナトリウム塩のほうが好ましい。
When the sodium salt of monocarboxylated mannosyl erythritol lipid is dissociated, a maximum of 1 mole of sodium ion is produced per mole of carboxylate ion. When the sodium salt of dicarboxylated mannosyl erythritol lipid is dissociated, a maximum of 2 moles of sodium ions are produced per mole of carboxylate ions. When the sodium salt of tricarboxylated mannosyl erythritol lipid is dissociated, a maximum of 3 moles of sodium ions are produced per mole of carboxylate ions. The higher the molar concentration of sodium ions in the absorbing solution, the greater the amount of permeated water (flux) of the
本実施形態によれば、正浸透装置11と膜分離装置21との間での吸収液の循環において、正浸透装置11で吸収液中の溶質モル濃度を原水中の(塩分等の)不純物濃度より高くでき、他方、膜分離装置21のろ過膜22で希釈吸収液を容易にマンノシルエリスリトールリピッドの分子集合体(溶質)と水(淡水)とに分離できる。
According to the present embodiment, in the circulation of the absorption liquid between the
(第2の実施形態)
第2の実施形態に係る正浸透造水システムについて図2を参照して説明する。ただし、前述した図1と同様な部材は同符号を付して説明を省略する。
(Second Embodiment)
A forward osmosis freshwater generation system according to a second embodiment will be described with reference to FIG. However, the same members as those in FIG.
図2に示す正浸透造水システム1は、正浸透装置11と膜分離装置21を接続する、希釈吸収液ライン31上に設けられた第1のpH調整装置51と、高濃度吸収液ライン32上に設けられた第2のpH調整装置52を有する。第1のpH調整装置51は、pH調整剤として塩酸、硫酸等の酸を正浸透装置11から排出された希釈吸収液に注入し、希釈吸収液のpHを酸性側、好ましくはpH3〜5に調整することで、希釈吸収液中のモノ、ジまたはトリカルボキシル化マンノシルエリスリトールリピッドのナトリウム塩を、カルボン酸に変化させる。モノ、ジまたはトリカルボキシル化マンノシルエリスリトールリピッドは酸性で不溶性であるため、希釈吸収液中で析出し、さらに自己組織化により巨大化した分子集合体になる。その結果、膜分離装置21のろ過膜22で希釈吸収液を容易に溶質と淡水とに分離できる。
The forward osmosis fresh water generation system 1 shown in FIG. 2 includes a first
一方、第2のpH調整装置52では、アルカリpH調整剤として苛性ソーダ(水酸化ナトリウム)等を膜分離装置22(或いは、循環ポンプ41)から排出された高濃度吸収液に注入し、高濃度吸収液のpHを中性、或いはアルカリ性側、好ましくはpH7〜8に調整することで、溶質をモノ、ジまたはトリカルボキシル化マンノシルエリスリトールリピッドからモノ、ジまたはトリカルボキシル化マンノシルエリスリトールリピッドのナトリウム塩に変化させる。このナトリウム塩は、モノ、ジまたはトリカルボキシル化マンノシルエリスリトールリピッドのカルボン酸イオンとナトリウムイオンに解離するため、高濃度吸収液中の溶質が溶解する。
On the other hand, in the second
以上のとおり、pH調整装置51と52を用いた場合、pH調整装置51と52を用いない場合よりも、膜分離装置21において溶質の分子集合体への自己組織化をより効率的に進行させ、正浸透装置11に導入される高濃度吸収液中の溶質モル濃度をさらに増加させることができる。これにより、正浸透装置11と膜分離装置21との間での吸収液の循環において、正浸透装置11での吸収液中の溶質モル濃度と原水中の(塩分等の)不純物の濃度との差、即ち吸収液と原水との間の浸透圧差をより高くでき、他方、膜分離装置21のろ過膜22で希釈吸収液をより容易に溶質と水淡水とに分離できるので、原水から効率的に淡水を造水することができる。
As described above, when the
以上説明したように、本実施形態によれば以下に述べる効果を奏する。 As described above, according to the present embodiment, the following effects can be obtained.
吸収液は、溶質として水中で自己組織化して、膜分離装置のろ過膜の細孔径より大きい分子集合体を形成する、界面活性剤を含んでいる。このため、希釈吸収液を正浸透装置11と膜分離装置21とを接続する希釈吸収液ライン31に流通させる間、界面活性剤の分子集合体寸法を巨大化できるので、溶質と淡水とを容易に分離できる。
The absorption liquid contains a surfactant that self-assembles in water as a solute and forms a molecular assembly larger than the pore diameter of the filtration membrane of the membrane separator. For this reason, the size of the molecular assembly of the surfactant can be enlarged while the diluted absorbent is circulated through the diluted
また、本実施形態では、高い水溶性を有するマンノシルエリスリトールリピッドの誘導体を、カルボキシ基を持つ化合物で修飾してエリスリトール部分の一部乃至全てのOH基をカルボン酸に置換して得られる、さらに水溶性が向上したモノ、ジまたはトリカルボキシル化マンノシルエリスリトールリピッドを溶質として用いる。また、モノ、ジまたはトリカルボキシル化マンノシルエリスリトールリピッドを水酸化ナトリウムと反応させてナトリウム塩を生成することで、水中でナトリウムイオンとモノ、ジまたはトリカルボキシル化マンノシルエリスリトールリピッドのカルボン酸イオンに解離する溶質が得られる。その結果、吸収液中の溶質モル濃度が増加することで浸透圧(Π)が向上する。 In the present embodiment, a mannosyl erythritol lipid derivative having high water solubility is modified with a compound having a carboxy group, and a part or all of the OH groups of the erythritol part are substituted with carboxylic acid. Mono-, di- or tricarboxylated mannosyl erythritol lipids with improved properties are used as solutes. Also, by reacting mono, di or tricarboxylated mannosyl erythritol lipid with sodium hydroxide to form sodium salt, it dissociates into sodium ion and carboxylate ion of mono, di or tricarboxylated mannosyl erythritol lipid in water. Solute is obtained. As a result, the osmotic pressure (Π) is improved by increasing the solute molar concentration in the absorbent.
この溶質を含んだ吸収液を用いることにより、膜分離装置21の例えば0.01〜1μmの細孔径を持つろ過膜22で、希釈吸収液を淡水と界面活性剤の分子集合体(溶質)とを容易に分離できると供に、浸透圧を向上させて正浸透装置11の正浸透膜12の透過水量(フラックス)を増加することができる。
By using the absorption liquid containing this solute, the diluted absorption liquid is separated into a molecular aggregate (solute) of fresh water and a surfactant in the
本実施形態では、第1のpH調整装置51により、正浸透装置11から排出された希釈吸収液のpHを酸性側に調整することで、モノ、ジまたはトリカルボキシル化マンノシルエリスリトールリピッドのナトリウム塩が、水に対して不溶性のカルボン酸に変化し、吸収液中で析出する。一方、第2のpH調整装置52より、膜分離装置22(或いは、循環ポンプ41)から排出された高濃度吸収液のpHを中性、或いはアルカリ性側に調整することで、モノ、ジまたはトリカルボキシル化マンノシルエリスリトールリピッドが可溶性のナトリウム塩に変化し、解離してモノ、ジまたはトリカルボキシル化マンノシルエリスリトールリピッドのカルボン酸イオンおよびナトリウムイオンを生じる。そのため、吸収液が、これらのイオンが溶解している高濃度吸収液に戻される。
In the present embodiment, the sodium salt of mono-, di- or tricarboxylated mannosyl erythritol lipid is adjusted by adjusting the pH of the diluted absorbent discharged from the
その結果、pH調整装置51と52を設けない場合よりも、正浸透装置11と膜分離装置21の間での吸収液の循環において、正浸透装置11で吸収液中の溶質モル濃度を原水中の不純物の濃度より高くでき、他方、膜分離装置21のろ過膜22で希釈吸収液を容易に溶質と淡水とに分離できる。
As a result, in the circulation of the absorbing solution between the
以上説明した少なくとも一つの実施形態によれば、原水から淡水を造水する効率を向上させつつ、生産淡水への溶質の混入を最小限に抑えられる。 According to at least one embodiment described above, mixing of solutes in production fresh water can be minimized while improving the efficiency of producing fresh water from raw water.
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。 Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the spirit of the invention. These embodiments and their modifications are included in the scope and gist of the invention, and are also included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
1…正浸透造水システム、11…正浸透装置、12…正浸透膜、15…原水ライン、21…膜分離装置、22…ろ過膜、31…希釈吸収液ライン、32…高濃度吸収液ライン、41…循環ポンプ、51…第1のpH調整装置、52…第2のpH調整装置。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Forward osmosis water generation system, 11 ... Forward osmosis device, 12 ... Forward osmosis membrane, 15 ... Raw water line, 21 ... Membrane separator, 22 ... Filtration membrane, 31 ... Dilution absorption liquid line, 32 ... High concentration
Claims (4)
前記第1の吸収液流路から排出された吸収液が供給される第2の吸収液流路と淡水が排出される淡水流路とを区画するろ過膜を有する膜分離装置と、
前記第1の吸収液流路と前記第2の吸収液流路とを接続する希釈吸収液ラインと、
前記第2吸収液流路と前記第1吸収液流路とを接続し、前記第2吸収液流路から前記第1吸収液流路へ吸収液を返送するポンプが設置された高濃度吸収液ラインとを具備し、
前記溶質は、下記一般式
で表される化合物、または前記化合物の金属塩であることを特徴とする正浸透造水システム。 A forward osmosis device having a forward osmosis membrane that partitions a supply liquid flow path to which raw water is supplied and a first absorption liquid flow path to which an absorption liquid containing a solute is supplied;
A membrane separation device having a filtration membrane that partitions a second absorption liquid channel to which the absorption liquid discharged from the first absorption liquid channel is supplied and a fresh water channel from which fresh water is discharged;
A diluted absorbent liquid line connecting the first absorbent liquid flow path and the second absorbent liquid flow path;
A high concentration absorbent having a pump connected to the second absorbent channel and the first absorbent channel and returning the absorbent from the second absorbent channel to the first absorbent channel Line,
The solute has the following general formula
Or a metal salt of the compound.
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JP2019048262A (en) * | 2017-09-08 | 2019-03-28 | 水ing株式会社 | Processing method and device of organic waste water |
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