JP2017127842A - 水処理システムおよび水処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 第１のチャンバ内の被処理水中の水を大きな透過流束で透過膜を透過して第２のチャンバ内の作業媒体に移動させることが可能で、低コストで運転可することができる水処理システムを提供する。【解決手段】 実施形態に係る水処理システムは、被処理水を収容する第１のチャンバと、浸透圧を誘起する作業媒体を収容する第２のチャンバと、前記第１のチャンバと前記第２のチャンバとを区画する、活性層を有する浸透膜と、前記第１のチャンバ内に前記被処理水を供給する第１のポンプと、前記第２のチャンバ内に前記作業媒体を供給する第２のポンプとを備える。前記浸透膜の前記活性層は、前記第２のチャンバ側に位置する。前記第１のポンプは、前記第２のポンプからの吐出流量の２倍以上４倍未満の吐出流量となるように構成されている。【選択図】図１

Description

本発明に係る実施形態は、水処理システムおよび水処理方法に関する。

低い濃度の溶液と高い濃度の溶液とを浸透膜で隔離すると、低い濃度の溶液の溶媒は浸透膜を透過して高い濃度の溶液側に移動する。この溶媒が移動する現象を利用することにより、海水淡水化などの脱塩を行う脱塩システムが知られている。また、水の移動過程を用いて食品や汚泥を濃縮する濃縮システムも知られている。このとき濃度の高い側に使用されるのが作業媒体（ドロー溶液：Draw solution）で、これまで種々のものが提案されている。

炭酸アンモニウムはその１００ｇが１００ｍｌの水に常温で溶けるほど溶解性が良いため、海水（3.5Wt%）から真水を吸引できるほどの浸透圧を得ることができる。その後、僅か６０℃で分解し、炭酸ガスとアンモニアガスになるので，これを水から追い出すことで高い脱塩率の水が得られる。しかし微量のアンモニアを取り除くのは簡単でないことも分かっているため、このまま飲料にするのにはもう一段の浄化プロセスを要する。

また近年、高濃度で塩を含む被処理水をＦＯ法で処理するときには、浸透膜を通過する水の流量が小さいために時間がかかる。この問題を打破するためには、フィード（Feed、供給）側から少し加圧する手法が提案されている。そのような手法では、例えば、フィード側供給流量を１０倍〜２０倍にすることにより浸透膜に圧を加え、浸透膜を通過する液体の流量を増やしている。

特表２０１０−５０９５４０号公報 国際公開第２００５／０１７３５２号 米国特許出願公開第２０１０／００２４４２３号明細書

M. Elimelech, W. A. Philip, "The future of seawater desalination: Energy, technology, and the environment," Science, 333 (2011) 712-717. R. L. McGinnis, J. R. McCutcheon, M. Elimelech "A novel ammonia-carbon dioxide osmotic heat engine for power generation," Journal of Membrane Science 305 (2007) 13-19. M. Hamdan, A.O. Sharif, G. Derwish, S. Al-Aibi, A. Altaee, "Draw solutions for Forward Osmosis process: Osmotic pressure of binary and ternary aqueous solutions of magnesium chloride, sodium chloride, sucrose and maltose," J. Food Engineering, 155 (2015) 10-15. .Achilli, T. Y. Cath, A. E. Childress, Selection of inorganic-based draw solutions for forward osmosis applications, J.Membr.Sci., 364 (2010) 233-241. S. K. Yen, F. Mehnas Haja N., M. Su, K. Y. Wang, T.-S. Chung, "Study of draw solutes using 2-methylimidazole-based compounds in forward osmosis," Journal of Membrane Science 364 (2010) 242-252.

実施形態は、抑制されたエネルギー消費の下で透過膜を通過する液体の流量を増やすことを可能にする水処理システムおよび水処理方法を提供する。

１つの実施形態に係る水処理システムは、被処理水を収容する第１のチャンバと、浸透圧を誘起する作業媒体を収容する第２のチャンバと、活性層を有しており、前記第１のチャンバと前記第２のチャンバとを区画する浸透膜と、前記第１のチャンバ内に前記被処理水を供給する第１のポンプと、前記第２のチャンバ内に前記作業媒体を供給する第２のポンプとを備える。前記浸透膜の前記活性層は、前記第２のチャンバ側にある。前記第１のポンプは、前記第２のポンプからの吐出流量の２倍以上４倍未満の吐出流量となるように構成されている。

第１の実施形態に係る脱塩システムを示す概略図。 第１の実施形態に係る濃縮システムを示す概略図。 第１の実施形態に係る脱塩システムを示す概略図。 第２の実施形態に係る循環型浸透圧発電システムを示す概略図。 クロスフロー濾過ユニット試験に用いた装置を示す図。 例１〜例７の結果を示すグラフ。 例８〜例９の結果を示すグラフ。 異なる２つの濃度表記の対応を示すグラフ。

以下、実施形態の水処理システムを説明する。

実施形態に係る水処理システムは、被処理水を収容する第１のチャンバと、浸透圧を誘起する作業媒体を収容する第２のチャンバと、前記第１のチャンバと前記第２のチャンバとを区画する浸透膜とを備える。このような水処理システムによれば、第１のチャンバ内の被処理水と第２のチャンバ内の作業媒体との間で生じる浸透圧差により第１のチャンバ内の被処理水中の水が浸透膜を透過して第２のチャンバ内の作業媒体に移動する。このため、第１のチャンバ内の被処理水中の水が浸透膜を透過して第２のチャンバ内の作業媒体に移動する際、透過流束を発生させることができる。

浸透膜は、活性層を有しており、この活性層が第２のチャンバ側に位置するように浸透膜は配置されている。更に、第１の実施形態は、前記第１のチャンバ内に前記被処理水を供給する第１のポンプと、前記第２のチャンバ内に前記作業媒体を供給する第２のポンプとを備える。前記第１のポンプは、前記第２のポンプからの吐出流量の２倍以上４倍未満の吐出流量となるように構成されている。これにより、第１のチャンバ内から第２のチャンバ内への水の流量が増加される。したがって、第１のチャンバ内の被処理水中の水が浸透膜を透過して第２のチャンバ内の作業媒体に移動する際に高透過流束を発生させることができる。その結果、被処理水の脱塩、濃縮等の処理を効率的に実施し得る、低コストにて運転可能な水処理システムを提供できる。

上述したように第１のポンプは、第２のポンプからの吐出流量の２倍以上４倍未満の吐出流量となるように構成されている。浸透膜面積や装置の構成によっては加圧が生じる可能性もあるが、その場合には、浸透膜への加圧が生じない範囲で第１のポンプが、前記第２のポンプからの吐出流量の２倍以上４倍未満の吐出流量となるように構成されていればよい。また、第１のポンプおよび第２のポンプの吐出流量の相対的な差は、第１のポンプまたは第２のポンプの吐出流量の何れかを調整することにより達成されてもよく、或いは第１のポンプおよび第２のポンプの両方の吐出流量を調整することにより行われてもよい。

前記被処理水は、例えば塩水（海水等）、湖水、河川水、沼水、生活排水、産業廃水またはそれらの混合物を挙げることができる。被処理水が塩水の場合、塩水の塩濃度は例えば、０．０５％〜４％であればよい。

前記浸透膜は、例えば正浸透膜（ＦＯ膜）であっても逆浸透膜（ＲＯ膜）であってもよい。好ましい浸透膜は、ＦＯ膜である。

浸透膜は、例えば酢酸セルロース膜、ポリアミド膜などを用いることができる。浸透膜は、４５〜２５０μｍの厚さを有することが好ましい。

作業媒体は、水との間に浸透圧を生じる高浸透圧液であればよく、塩または有機物などを溶質として含む液体であり得る。

作業媒体は、無機性溶液であり得る。例えば、作業媒体は、水に、塩化ナトリウム、塩化マグネシウム、塩化カルシウム、硫酸ナトリウム、硫酸マグネシウム、硫酸カリウムなどの無機塩、クエン酸ナトリウム、クエン酸マグネシウムなどのクエン酸塩、酢酸ナトリウム、酢酸マグネシウムなどの酢酸塩、グルコン酸、乳酸、グリコール酸、グリセリン酸などのヒドロキシカルボン酸またはこれらの金属塩などの有機塩、或いはこれらの何れかの組み合わせを溶質として含む水溶液であり得る。

或いは作業媒体は、有機溶媒、含水有機溶媒、水−有機溶媒混合液および常温で固体の有機物の水溶液などであってもよい。また例えば、作用媒体は、アルコールであってよく、例えば、一価アルコール、多価アルコール、例えば、二価アルコール、三価アルコール、四価アルコール、五価アルコール、六価アルコールなどの多価アルコール、例えば、グリセリン、ｔ−ブチルアルコール、イソプロピルアルコール、キシリトール、ソルビトール、マンニトール、ペルセイトール、ボレミトール、Ｄ−エリトロ−Ｄ−ガラクト−オクチトールなどであり得る。

これらの作業媒体中の溶質の濃度は、処理されるべき被処理水との間に浸透圧を生じる濃度であり得る。例えば、少なくとも稼働初期および／または可動時の作業媒体中の溶質の濃度は、Van't Hoff係数を掛けた濃度が４ｍｏｌ／ｋｇ以上であることが好ましい。ただし、粘度が上がってしまう場合など不都合が起こるときは濃度を下げる方向で調節する。濃度の上限に関してはその物質特有の溶解度に依存する。

次に、第１の実施形態に係る水処理システムの１つの例である脱塩システムを図１に示す概略図を参照して説明する。

脱塩システム１００は、浸透圧発生器１と、希釈作業媒体タンク２と、逆浸透膜分離部３と、濃縮作業媒体タンク４とを備える。浸透圧発生器１、希釈作業媒体タンク２、逆浸透膜分離部３および濃縮作業媒体タンク４は、この順序で接続されてループを形成している。浸透圧を誘起する作業媒体（ドロー溶液）はこのループを循環する。すなわち、作業媒体は浸透圧発生器１、希釈作業媒体タンク２、逆浸透膜分離部３および濃縮作業媒体タンク４をこの順番で循環する。

浸透圧発生器１は、例えば気密な第１の処理容器１１を備えている。第１の処理容器１１は、浸透膜（例えば正浸透膜：ＦＯ膜）１２により、例えば、左側に第１のチャンバ１３が、右側に第２のチャンバ１４がそれぞれ形成されている。浸透膜１２は、活性層１２ａを有しており、この活性層１２ａが第２のチャンバ１４側に位置するように浸透膜１２が配置されている。

塩水タンク１５は、第１のチャンバ１３が位置する第１の処理容器１１にパイプライン１０１ａを通して接続されている。第１のポンプ１６は、パイプライン１０１ａに設けられている。濃縮された塩水を排出するためのパイプライン１０１ｂは、第１のチャンバ１３が位置する第１の処理容器１１に接続されている。

濃縮作業媒体タンク４は、第２のチャンバ１４が位置する第１の処理容器１１にパイプライン１０１ｃを通して接続されている。第２のポンプ１７は、パイプライン１０１ｃに設けられている。第２のチャンバ１４が位置する第１の処理容器１１は、希釈作業媒体タンク２にパイプライン１０１ｄを通して接続されている。

逆浸透膜分離部３は、例えば気密な第２の処理容器２１を備えている。第２の処理容器２１は、例えば逆浸透膜（ＲＯ膜）２２により、例えば左側に第３のチャンバ２３が、右側に第４のチャンバ２４がそれぞれ形成されている。

前記希釈作業媒体タンク２は、第３のチャンバ２３が位置する第２の処理容器２１にパイプライン１０１ｅを通して接続されている。第３のポンプ２５は、パイプライン１０１ｅに設けられている。第３のチャンバ２３が位置する第２の処理容器２１は、濃縮作業媒体タンク４にパイプライン１０１ｆを通して接続されている。第４のチャンバ２４が位置する第２の処理容器２１は、純水タンク２６にパイプライン１０１ｇを通して接続されている。純水タンク２６には、当該純水タンク２６内の純水を外部に送出して回収するためのパイプライン１０１ｈが接続されている。開閉弁２７は、パイプライン１０１ｈに設けられ、純水タンク２６内の純水が一定量を超えると開かれる。

次に、図１に示す脱塩システムによる脱塩操作を説明する。

第１のポンプ１６を駆動して塩水（例えば海水）を塩水タンク１５から浸透圧発生器１の第１のチャンバ１３内にパイプライン１０１ａを通して供給する。海水の供給と前後して第２のポンプ１７を駆動して濃縮作業媒体を濃縮作業媒体タンク４から浸透圧発生器１の第２のチャンバ１４内にパイプライン１０１ｃを通して供給する。このとき、第２のチャンバ１４に供給された濃縮作業媒体は、第１のチャンバ１３に供給された海水の塩濃度に比べて高濃度である。このため、第１のチャンバ１３内の海水と第２のチャンバ１４内の濃縮作業媒体との間で浸透圧差が生じ、海水中の水が浸透膜１２を透過して第２のチャンバ１４内に移動する。このとき、浸透膜１２の活性層１２ａが第２のチャンバ１４側に位置するように、浸透膜１２が配置されている。また、第１のポンプ１６および第２のポンプ１７の吐出流量はモニタリングされており、第１のポンプ１６の吐出流量が、第２のポンプ１７からの吐出流量の２倍以上４倍未満となるように、例えば、手動または制御部（図示せず）により調節されている。このため、第１のチャンバ１３内の海水中の水が浸透膜１２を透過して第２のチャンバ１４内の濃縮作業媒体に移動する際、高い透過流束を発生する。その結果、第１のチャンバ１３内の海水中の多くの水を第２のチャンバ１４の濃縮作業媒体に移動でき、塩水から水（純水）を取り出す高効率の脱塩処理を実行できる。

浸透圧発生器１において、海水中の水が第１のチャンバ１３から第２のチャンバ１４内の濃縮作業媒体に移動することにより、海水は濃縮海水として第１のチャンバ１３からパイプライン１０１ｂを通して排出され、濃縮作業媒体は移動した水で希釈される。

第２のチャンバ１４の希釈作業媒体は、希釈作業媒体タンク２にパイプライン１０１ｄを通して送出され、貯留される。希釈作業媒体が希釈作業媒体タンク２内に所定の水位まで貯まると、第３のポンプ２５を駆動してタンク２内の希釈作業媒体を逆浸透膜分離部３の第２の処理容器２１の第３のチャンバ２３にパイプライン１０１ｅを通して所望の圧力で供給する。所望の圧力で第３のチャンバ２３に供給された希釈作業媒体中の水は、逆浸透膜（ＲＯ膜）２２を強制的に透過して第４のチャンバ２４に移動する。第３のチャンバ２３内の希釈作業媒体は、水を第４のチャンバ２４に移動することにより濃縮される。濃縮作業媒体は、第３のチャンバ２３から濃縮作業媒体タンク４に送出される。濃縮作業媒体タンク４内の濃縮作業媒体は、第２のポンプ１７を駆動することにより浸透圧発生器１の第２のチャンバ１４内に供給され、前述したように塩水から水（純水）を取り出す脱塩処理に利用される。

他方、第４のチャンバ２４に移動した水（純水）は、パイプライン１０１ｇを通して純水タンク２６に送出される。純水タンク２６内の水が一定量を超えると、開閉弁２７を開き、パイプライン１０１ｈを通して外部に送出して水を回収する。

直接ＲＯ膜で強制的に脱塩処理すると、ＲＯ膜に海水中の種々の不溶性の物質が侵入し蓄積し、膜が汚れて寿命を短くする。これに対し純度の高い作業媒体のみ用いて塩水から水を吸引し、その後でＲＯ膜処理する場合にはＲＯ膜を汚さずにすみ、膜寿命が延びる。

したがって、海水の脱塩処理（純水の回収）を効率的に実施し得る、低コストにて運転可能な脱塩システムを提供できる。

図１に示す脱塩システムにおいて、希釈作業媒体の濃縮は逆浸透膜（ＲＯ膜）を備える逆浸透膜分離部で行なう場合に限らず、希釈作業媒体の水を除去するものであれば如何なる装置で行なってもよい。

図１では、逆浸透膜（ＲＯ膜）と組み合わせた２段階の工程を含む構成を有する水処理システムの例を示した。しかしながら実施形態に係る水処理システムはこのような構成に限定されるものではない。実施形態に係る水処理システムは、例えば、正浸透膜（ＦＯ膜）を備える浸透圧発生器１による１段階のための構成による水処理システムであってもよい。その場合であっても、実施形態に水処理システムは、高効率に脱塩を行うことが可能である。そのような水処理システムの例は後述する。

次に、第１の実施形態に係る水処理システムの１つの例である濃縮システムを図２に示す概略図を参照して説明する。

濃縮システム２００は、浸透圧発生器３１と、希釈作業媒体タンク３２と、膜蒸留分離部３３と、濃縮作業媒体タンク３４とを備える。浸透圧発生器３１、希釈作業媒体タンク３２、膜蒸留分離部３３および濃縮作業媒体タンク３４は、この順序で接続されてループを形成している。作業媒体（ドロー溶液）はこのループを循環する。すなわち、作業媒体は浸透圧発生器３１、希釈作業媒体タンク３２、膜蒸留分離部３３および濃縮作業媒体タンク３４をこの順番で循環する。

浸透圧発生器３１は、例えば気密な第１の処理容器４１を備えている。第１の処理容器４１は、浸透膜４２（例えば正浸透膜：ＦＯ膜）により区画され、例えば、左側に第１のチャンバ４３が、右側に第２のチャンバ４４がそれぞれ形成されている。浸透膜４２は、活性層４２ａを有しており、この活性層４２ａが第２のチャンバ４４側に位置するように浸透膜１２が配置されている。

被処理水、例えば産業廃水等の原液を収容した原液タンク４５は、第１のチャンバ４３が位置する第１の処理容器４１にパイプライン２０１ａを通して接続されている。第１のポンプ４６は、パイプライン２０１ａに設けられている。第１のチャンバ４３が位置する第１の処理容器４１には、当該第１のチャンバ４３内の濃縮した原液を外部に排出するためのパイプライン２０１ｂが接続されている。

濃縮作業媒体タンク３４は、第２のチャンバ４４が位置する第１の処理容器４１にパイプライン２０１ｃを通して接続されている。第２のポンプ４７は、パイプライン２０１ｃに設けられている。第２のチャンバ４４が位置する第１の処理容器１１は、希釈作業媒体タンク３２にパイプライン２０１ｄを通して接続されている。

膜蒸留分離部３３は、例えば気密な第２の処理容器５１を備えている。第２の処理容器５１は、例えば多孔質ラテックス膜からなる脱水膜５２により区画され、例えば、左側に第３のチャンバ５３が、右側に第４のチャンバ５４がそれぞれ形成されている。

前記希釈作業媒体タンク３２は、第３のチャンバ５３が位置する第２の処理容器５１にパイプライン２０１ｅを通して接続されている。第１の開閉弁６１、熱交換器６２および第３のポンプ６３は、パイプライン２０１ｅに作業媒体の流れ方向に沿ってこの順序で設けられている。熱交換器６２には、例えば排熱ガスのパイプライン２０１ｆが交差され、パイプライン２０１ｅを流れる作業媒体が排熱ガスと熱交換して当該作業媒体を加熱する。第３のチャンバ５３が位置する第２の処理容器５１は、循環タンク６４にパイプライン２０１ｇを通して接続されている。循環タンク６４は、第１の開閉弁６１と熱交換器６２の間に位置するパイプライン２０１ｅの部位にパイプライン２０１ｈを通して接続されている。第２の開閉弁６５は、パイプライン２０１ｈに設けられている。

このような構成により膜蒸留分離部３３の第３のチャンバ５３、循環タンク６４およびこれらの部材を接続するパイプライン２０１ｅ，２０１ｇ，２０１ｈによるループが形成される。すなわち、後述する第３のチャンバ５３で脱水処理され、循環タンク６４に貯留された希釈作業媒体は第２の開閉弁６５を開き、第３のポンプ６３を駆動することにより、パイプライン２０１ｈ、パイプライン２０１ｅ、第３のチャンバ５３およびパイプライン２０１ｇを循環する、希釈作業媒体循環系を形成している。なお、希釈作業媒体の循環において、第１の開閉弁６１を閉じることにより希釈作業媒体循環系は希釈作業媒体タンク３２と隔絶される。

循環タンク６４は、濃縮作業媒体タンク３４にパイプライン２０１ｉを通して接続されている。第４のポンプ６６は、パイプライン２０１ｉに設けられている。

第１の純水タンク７１は、第４のチャンバ５４が位置する第２の処理容器５１にパイプライン２０１ｊを通して接続されている。第４のチャンバ５４が位置する第２の処理容器５１は、第２の純水タンク７２にパイプライン２０１ｋを通して接続されている。第３の開閉弁７３は、パイプライン２０１ｋに設けられ、純水の非循環時に閉じて純水を第４のチャンバ５４内に滞留する。第２の純水タンク７２は、第１の純水タンク７１にパイプライン２０１ｍを通して接続されている。第５のポンプ７４は、パイプライン２０１ｍに設けられている。このような構成により第１の純水タンク７１、膜蒸留分離部３３の第４のチャンバ５４、第２の純水タンク７２およびこれらの部材を接続するパイプライン２０１ｊ，２０１ｋ，２０１ｍによるループが形成される。すなわち、第２の純水タンク７２内の純水は第３の開閉弁７３を開き、第５のポンプ７４を駆動することにより、パイプライン２０１ｍ、第１の純水タンク７１、パイプライン２０１ｊ、第４のチャンバ５４およびパイプライン２０１ｋを循環する、純水循環冷却系を形成している。

第２の純水タンク７２には、当該第２の純水タンク７２内の純水を外部に送出して回収するためのパイプライン２０１ｎが接続されている。第４の開閉弁７５は、パイプライン２０１ｎに設けられている。第４の開閉弁７５は、前述した純水の循環時に閉じられ、第２の純水タンク７２内の純水が一定量を超えると開かれる。

次に、図２に示す濃縮システムによる濃縮操作を説明する。

第１のポンプ４６を駆動して被処理水である原液（例えば産業廃水）を原液タンク４５から浸透圧発生器３１の第１のチャンバ４３内にパイプライン２０１ａを通して供給する。原液の供給と前後して第２のポンプ４７を駆動して濃縮作業媒体を濃縮作業媒体タンク３４から浸透圧発生器３１の第２のチャンバ４４内にパイプライン２０１ｃを通して供給する。第２のチャンバ４４に供給された濃縮作業媒体は第１のチャンバ４３に供給された原液の濃度に比べて高濃度である。このため、第１のチャンバ４３内の原液と第２のチャンバ４４内の濃縮作業媒体との間で浸透圧差が生じ、原液中の水が浸透膜４２を透過して第２のチャンバ４４内に移動する。このとき、浸透膜４２の活性層４２ａが第２のチャンバ４４側に位置するように、浸透膜４２が配置されている。また、第１のポンプ４６および第２のポンプ４７の吐出流量はモニタリングされており、第１のポンプ４６の吐出流量が、第２のポンプ４７からの吐出流量の２倍以上４倍未満となるように、例えば、手動または制御部（図示せず）により調節されている。このため、第１のチャンバ４３内の原液中の水が浸透膜４２を透過して第２のチャンバ４４内の濃縮作業媒体に移動する際、高い透過流束を発生する。その結果、第１のチャンバ４３内の原液中の多くの水を第２のチャンバ４４の濃縮作業媒体に移動でき、原液の濃縮処理が高効率でなされる。

浸透圧発生器３１において、原液中の水が第１のチャンバ４３から第２のチャンバ４４内の濃縮作業媒体に移動することにより、原液は濃縮原液として第１のチャンバ４３からパイプライン２０１ｂを通して排出され、回収される。濃縮作業媒体は、移動した水により希釈される。

第２のチャンバ４４の希釈作業媒体は、希釈作業媒体タンク３２にパイプライン２０１ｄを通して送出され、貯留される。希釈作業媒体が希釈作業媒体タンク３２内に所定量まで貯留されると、パイプライン２０１ｅに設けた第１の開閉弁６１を開き、パイプライン２０１ｈに設けた第２の開閉弁６５を閉じ、第３のポンプ６３を駆動する。これにより希釈作業媒体タンク３２内の希釈作業媒体を膜蒸留分離部３３の第２の処理容器５１の第３のチャンバ５３にパイプライン２０１ｅを通して供給する。希釈作業媒体が第３のチャンバ５３に供給される間、パイプライン２０１ｅを流通する希釈作業媒体はパイプライン２０１ｆが交差する熱交換器６２で当該パイプライン２０１ｆを流通する排熱ガスと熱交換されて加熱される。また、第２の純水タンク７２内の純水を第３の開閉弁７３を開き、第５のポンプ７４を駆動することにより、純水をパイプライン２０１ｍ、第１の純水タンク７１、パイプライン２０１ｊ、第４のチャンバ５４およびパイプライン２０１ｋに循環させて、膜蒸留分離部３３の多孔質膜、例えば、ゴアテックス（登録商標）など、からなる脱水膜５２を第４のチャンバ５４側から純水で冷却する。すなわち、純水循環冷却系により第４のチャンバ５４側の脱水膜５２を冷却する。

このように加熱した希釈作業媒体を通して膜蒸留分離部３３の第３のチャンバ５３にパイプライン２０１ｅを供給しながら、膜蒸留分離部３３の脱水膜５２を第４のチャンバ５４内の循環する純水で冷却することによって、第３のチャンバ５３内で希釈作業媒体中の水が蒸発し、その蒸気は多孔質膜からなる脱水膜５２を透過して第４のチャンバ５４に移動し、循環する純水により冷却、凝縮してその中に取込まれる。すなわち、希釈作業媒体は第３のチャンバ５３内で脱水処理される。第３のチャンバ５３内の脱水処理された希釈作業媒体は、パイプライン２０１ｇを通して循環タンク６４に送出され、貯留される。循環タンク６４に貯留された希釈作業媒体は、前記脱水処理により、ある濃度まで濃縮される。

しかしながら、この程度の濃縮では濃度が低く、前述した濃縮作業媒体として使用するには適切ではない。このため、脱水処理された希釈作業媒体が循環タンク６４に一定量貯留された時点で、第２の開閉弁６５を開き、当該タンク６４内の脱水処理された希釈作業媒体をパイプライン２０１ｈに流出する。同時に、第１の開閉弁６１を閉じ、循環タンク６４、パイプライン２０１ｈ、パイプライン２０１ｅ、第３のチャンバ５３およびパイプライン２０１ｇからなる希釈作業媒体循環系を希釈作業媒体タンク３２と隔絶する。

このような希釈作業媒体循環系および純水循環冷却系において、前述した第３のチャンバ５３内での希釈作業媒体の水の蒸発、蒸気の脱水膜５２の透過、第４のチャンバ５４への移動、および第４のチャンバ５４側での循環する純水による冷却、凝縮、をなす脱水処理を複数回繰り返すことによって、希釈作業媒体を濃縮作業媒体として使用し得る濃度にする。このような希釈作業媒体の循環、脱水処理後に第２の開閉弁６５を閉じて、濃縮作業媒体を循環タンク６４に貯留する。第４のチャンバ５４に移動した水（純水）は、パイプライン２０１ｋを通して第２の純水タンク７２に循環する純水と共に送出される。

濃縮作業媒体として使用し得る濃度の濃縮作業媒体を循環タンク６４に貯留した後は、第５のポンプ７４の駆動を停止し、第４のチャンバ５４への純水の循環を停止した後、第３の開閉弁７３を閉じる。なお、第２の純水タンク７２内の純水が一定量を超えると、第４の開閉弁７５を開き、パイプライン２０１ｎを通して外部に送出して回収される。

第４のポンプ６６を駆動して循環タンク６４内の濃縮作業媒体を濃縮作業媒体タンク３４にパイプライン２０１ｉを通して送出する。濃縮作業媒体タンク３４内の濃縮作業媒体は、前述したように原液の濃縮処理に利用するために第２のポンプ４７を駆動して浸透圧発生器３１の第２のチャンバ４４内に供給される。

したがって、浸透圧発生器３１において、第１のチャンバ４３に原液を供給し、第２のチャンバ４４に濃縮作業媒体を供給し、原液中の水を第１のチャンバ４３から第２のチャンバ４４内の濃縮作業媒体に移動させて、原液を濃縮して第１のチャンバ４３からパイプライン２０１ｂを通して排出され、回収する。濃縮作業媒体は、移動した水により希釈され、その希釈作業媒体は希釈作業媒体タンク３２に送出され、貯留される。

浸透圧発生器３１による原液の濃縮操作の間、希釈作業媒体タンク３２に貯留された希釈作業媒体は膜蒸留分離部３３の第３のチャンバ５３を含む希釈作業媒体循環系および膜蒸留分離部３３の第４のチャンバ５４を含む純水循環冷却系により濃縮操作がなされ、濃縮作業媒体タンク３４に送出され、第４のチャンバ５４に移動した水（純水）は第２の純水タンク７２から送出、回収される。すなわち、浸透圧発生器３１による原液の濃縮操作および膜蒸留分離部３３による希釈作業媒体の濃縮を連続的に実行できる。

それ故、産業廃水等の原液（被処理水）の濃縮処理および水の回収を効率的に実施し得る、低コストにて運転可能な濃縮システムを提供できる。

なお、図２に示す濃縮システムにおいて、浸透圧発生器は第１の処理容器を浸透膜により水平方向に区画して第１、第２のチャンバを形成したが、第１の処理容器を浸透膜により上下に区画して第１、第２のチャンバを形成してもよい。或いは、浸透圧発生器、並びに第１および第２のチャンバの一部または全てが、それぞれ筐体以外の形状、例えば、中空糸形状、スパイラル形状などの形態であってもよい。

図２に示す濃縮システムにおいて、浸透圧発生器３１の第１のチャンバ４３内の濃縮された被処理水（例えば原液）をパイプライン２０１ｂを通して外部に送出、回収したが、より高濃度に濃縮された原液を得る場合には、パイプライン２０１ｂを原液タンク４５に接続して原液タンク４５、パイプライン２０１ａ、浸透圧発生器３１の第１のチャンバ４３およびパイプライン２０１ｂのループを作ってもよい。この場合、浸透圧発生器３１における濃縮された原液と濃縮作業媒体の間の浸透圧差を考慮して原液の濃縮度合を決定することが望ましい。

図２に示す濃縮システムにおいて、膜蒸留分離部の脱水膜は多孔質膜、例えば、ゴアテックス（登録商標）などに限らず、蒸気を透過する機能を有するものであれば如何なるものでもよい。

図２に示す濃縮システムにおいて、希釈作業媒体の濃縮は脱水膜を備える膜蒸留分離部で行なう場合に限らず、希釈作業媒体の水を除去するものであれば如何なる装置で行なってもよい。

図２では、多孔質膜、例えば、ゴアテックス（登録商標）など、を使用する濃縮システムと組み合わせた２段階の工程を含む構成を有する水処理システムの例を示した。しかしながら実施形態に係る水処理システムはこのような構成に限定されるものではない。実施形態に係る水処理システムは、例えば、正浸透膜（ＦＯ膜）を備える浸透圧発生器１による１段階のための構成による水処理システムであってもよい。その場合であっても、実施形態に水処理システムは、高効率に脱塩を行うことが可能である。そのような水処理システムの例は後述する。

上述の図１および図２の例では、希釈作業媒体の濃縮を行う濃縮システムを含む例について説明した。実施形態に係る更なる水処理システムは、例えば、正浸透膜（ＦＯ膜）を備える浸透圧発生器１による１段階のための構成による水処理システムであり得る。そのような水処理システムの１例について図３に示す概略図を参照して説明する。なお、図３において図１と同様な部材は同符号を付して説明を省略する。

脱塩システム３００は、浸透圧発生器１と、希釈作業媒体タンク９２と、濃縮作業媒体タンク８４と、被処理液タンク８５とを備える。

浸透圧発生器１は、例えば気密な第１の処理容器１１を備えている。第１の処理容器１１は、浸透膜（例えば正浸透膜：ＦＯ膜）１２により区画され、例えば、左側に第１のチャンバ１３が、右側に第２のチャンバ１４がそれぞれ形成されている。浸透膜１２は、活性層１２ａを有しており、この活性層１２ａが第２のチャンバ１４側に位置するように浸透膜１２が配置されている。

被処理液タンク８５は、第１のチャンバ１３が位置する第１の処理容器１１にパイプライン３０１ａを通して接続されている。第１のポンプ１６は、パイプライン３０１ａに設けられている。濃縮された被処理液を排出するためのパイプライン３０１ｂは、第１のチャンバ１３が位置する第１の処理容器１１に接続されている。

濃縮作業媒体タンク８４は、第２のチャンバ１４が位置する第１の処理容器１１にパイプライン３０１ｃを通して接続されている。第２のポンプ１７は、パイプライン３０１ｃに設けられている。第２のチャンバ１４が位置する第１の処理容器１１は、希釈作業媒体タンク９２にパイプライン３０１ｄを通して接続されている。

次に、図３に示す水処理システムによる水処理操作を説明する。

第１のポンプ１６を駆動して被処理液を被処理液タンク８５から浸透圧発生器１の第１のチャンバ１３内にパイプライン３０１ａを通して供給する。被処理液の供給と前後して第２のポンプ１７を駆動して濃縮作業媒体を濃縮作業媒体タンク８４から浸透圧発生器１の第２のチャンバ１４内にパイプライン３０１ｃを通して供給する。このとき、第２のチャンバ１４に供給された濃縮作業媒体は、第１のチャンバ１３に供給された被処理液の塩濃度に比べて高濃度である。このため、第１のチャンバ１３内の被処理液と第２のチャンバ１４内の濃縮作業媒体との間で浸透圧差が生じ、被処理液中の水が浸透膜１２を透過して第２のチャンバ１４内に移動する。このとき、浸透膜１２の活性層１２ａが第２のチャンバ１４側にあるように、浸透膜１２が配置されている。また、第１のポンプ１６および第２のポンプ１７の吐出流量はモニタリングされており、第１のポンプ１６の吐出流量が、第２のポンプ１７からの吐出流量の２倍以上４倍未満となるように、例えば、手動または制御部（図示せず）により調節されている。このため、第１のチャンバ１３内の海水中の水が浸透膜１２を透過して第２のチャンバ１４内の濃縮作業媒体に移動する際、高い透過流束を発生する。その結果、第１のチャンバ１３内の被処理液中の多くの水を第２のチャンバ１４の濃縮作業媒体に移動でき、被処理液から水（純水）を取り出す高効率の水処理を実行できる。

浸透圧発生器１において、被処理液中の水が第１のチャンバ１３から第２のチャンバ１４内の濃縮作業媒体に移動することにより、被処理液は濃縮被処理液として第１のチャンバ１３からパイプライン３０１ｂを通して排出され、濃縮作業媒体は移動した水で希釈される。

第２のチャンバ１４の希釈作業媒体は、希釈作業媒体タンク９２にパイプライン３０１ｄを通して送出され、貯留される。図示はしていないが、希釈作業媒体が希釈作業媒体タンク９２内に所定の水位まで貯まると、第３のポンプ（図示せず）を駆動してタンク９２内の希釈作業媒体が排出され得る。

したがって、被処理液の濃縮、脱水または純水の回収などの水処理を効率的に実施し得る、低コストにて運転可能な脱塩システムを提供できる。

図３に示す水処理システムは、上述において図１および図２を用いて説明したように、他の水処理システムと組み合わせて使用され得る。組み合わされる更なる水処理システムは、上述した逆浸透膜（ＲＯ膜）との組合せ、ゴアテックスなどの多孔質膜を使用する濃縮システムとの組み合わせに限定されるものではなく、それ自身公知の何れのシステムとも組み合わせ得る。

その場合、前記希釈作業媒体タンク９２は、更なるパイプラインを通して、更なる水処理システムの構成に対して接続されてもよく、そこに更なるポンプが介在されてもよい。また、濃縮作業媒体タンク８４が、更なるパイプラインを通して更なる水処理システムの構成に対して接続されてもよい。

また、上述したような第１の実施形態により行われる水処理方法も更なる実施形態として提供され得る。そのような水処理方法は、例えば、第１の面と活性層を有する第２の面とを含む浸透膜において、前記第１の面を水を含む被処理液に接触させると共に、前記第１の面への被処理液の供給量の２倍以上４倍未満の供給量で、前記第２の面を浸透圧を誘起する作業媒体に接触させること、および前記被処理液に含まれる当該水を前記浸透膜を透過させて前記作業媒体中に移動させることを含み得る。

（第２の実施形態）
第２の実施形態に係る水処理システムは、水を収容する第１のチャンバと、浸透圧を誘起する作業媒体（ドロー溶液）を収容する第２のチャンバと、第１のチャンバと第２のチャンバとを区画する浸透膜と、第２のチャンバに接続された圧力交換器と、圧力交換器に接続された回転体とを備える。このような水処理システムによれば、第１のチャンバ内の水と第２のチャンバ内の作業媒体との間で生じる浸透圧差により第１のチャンバ内の水が浸透膜を透過して第２のチャンバ内の作業媒体に移動する。水が作業媒体に移動することに伴う水流により回転体を回して発電する。

浸透膜は、活性層を有しており、この活性層が第２のチャンバ側に位置するように浸透膜は配置されている。更に、第２の実施形態は、前記第１のチャンバ内に前記被処理水を供給する第１のポンプと、前記第２のチャンバ内に前記作業媒体を供給する第２のポンプとを備える。前記第１のポンプは、前記第２のポンプからの吐出流量の２倍以上４倍未満の吐出流量となるように構成されている。これにより、第１のチャンバ内から第２のチャンバ内への水の流量が増加される。したがって、第１のチャンバ内の被処理水中の水が浸透膜を透過して第２のチャンバ内の作業媒体に移動する際に高透過流束を発生させることができる。その結果、水が移動された作業媒体は高い圧力を持つ水流になるため、回転体をより高い速度で回して発電することができる。

したがって、回転体を効率的に回転して発電し得る、低コストにて運転可能な水処理システムを提供できる。

前記浸透膜は、例えば正浸透膜（ＦＯ膜）であっても逆浸透膜（ＲＯ膜）であってもよい。好ましい浸透膜は、ＦＯ膜である。

前記浸透膜は、例えば酢酸セルロース膜、ポリアミド膜などを用いることができる。浸透膜は、４５〜２５０μｍの厚さを有することが好ましい。

前記浸透圧を誘起する作業媒体は、前記第１の実施形態で説明したのと同様なものを用いることができる。

前記回転体は、例えばタービン、水車を用いることができる。

次に、第２の実施形態に係る水処理システムの１つの例である循環型浸透圧発電システムを図４に示す概略図を参照して説明する。なお、図４において図２と同様な部材は同符号を付して説明を省略する。

循環型浸透圧発電システム４００は、浸透圧発生器３１の第２のチャンバ４４が位置する第１の処理容器４１（作業媒体出口側）に接続したパイプライン２０１ｂにおいて、圧力交換機８１およびタービン８２が作業媒体の流れ方向に沿ってこの順序で設けられている。また、第２のチャンバ４４が位置する第１の処理容器４１と濃縮作業媒体タンク３４とを接続するパイプライン２０１ｃにおいて、第２のポンプ４７より作業媒体の流れ方向の下流側のパイプライン２０１ｃ部分が圧力交換機８１を経由して第２のチャンバ４４が位置する第１の処理容器４１に接続されている。すなわち、浸透圧発生器３１において水が第１のチャンバ４３から浸透膜４２を透過して第２のチャンバ４４に移動したときに発生した流束を有する希釈作業媒体は、第２のチャンバ４４が位置する第１の処理容器４１から圧力交換機８１が設けられたパイプライン２０１ｂを通して流出される。この間、濃縮作業媒体タンク３４から流出した濃縮作業媒体が流通するパイプライン２０１ｃは圧力交換機８１を経由する。このため、当該濃縮作業媒体は、圧力交換機８１で第２のチャンバ４４から流出する希釈作業媒体と圧力交換され、希釈作業媒体は圧力を下げ、濃縮作業媒体は圧力を上昇する。

なお、循環型浸透圧発電システム３００において、原液タンク４５内には水が収容される。

次に、図４に示す循環型浸透圧発電システムによる発電操作を説明する。

第１のポンプ４６を駆動して水を原液タンク４５から浸透圧発生器３１の第１のチャンバ４３内にパイプライン２０１ａを通して供給する。水の供給と前後して第２のポンプ４７を駆動して濃縮作業媒体を濃縮作業媒体タンク３４から浸透圧発生器３１の第２のチャンバ４４内にパイプライン２０１ｃを通して供給する。第２のチャンバ４４に供給された濃縮作業媒体は、第１のチャンバ４３に供給された溶媒のみの水に対して十分に高濃度である。このため、第１のチャンバ４３内の水と第２のチャンバ４４内の濃縮作業媒体との間で浸透圧差が生じ、水が浸透膜４２を透過して第２のチャンバ４４内に移動する。またこのとき、浸透膜４２の活性層４２ａが第２のチャンバ４４側に位置するように、浸透膜４２が配置されている。また、第１のポンプ４６および第２のポンプ４７の吐出流量はモニタリングされており、第１のポンプ４６の吐出流量が、第２のポンプ４７からの吐出流量の２倍以上４倍未満となるように、例えば、手動または制御部（図示せず）により調節されている。このため、第１のチャンバ４３内の水が浸透膜４２を透過して第２のチャンバ４４内の濃縮作業媒体に移動する際、高い透過流束を発生する。その結果、第１のチャンバ４３内の多くの水を第２のチャンバ１４の濃縮作業媒体に移動でき、水により希釈された高い圧力を持つ希釈作業媒体が生成される。なお、第１のチャンバ４３内の水はパイプライン２０１ｂを通して排出される。

第２のチャンバ４４の高い圧力を持つ希釈作業媒体は、希釈作業媒体タンク３２にパイプライン２０１ｄを通して送出され、貯留される。圧力交換機８１およびタービン８２がパイプライン２０１ｄに作業媒体の流れ方向に沿ってこの順序で設けられている。

このため、前述したように圧力交換機８１では濃縮作業媒体タンク３４からパイプライン２０１ｃを通して流れる濃縮作業媒体と第２のチャンバ４４から（タービン８２を通って）パイプライン２０１ｄを通して流れる高い圧力を持つ希釈作業媒体との間で圧力交換がなされ、希釈作業媒体の圧力を下げ、濃縮作業媒体の圧力を上昇させる。圧力交換により適正な圧力を持つ希釈作業媒体はタービン８２に流れ、それを効率的に回転させて発電する。また、圧力交換により適正な圧力を持つ濃縮作業媒体は第２のチャンバ４４に供給される。

希釈作業媒体タンク３２に貯留された希釈作業媒体は、前述した図２に示す濃縮システムと同様に膜蒸留分離部３３の第３のチャンバ５３を含む希釈作業媒体循環系および膜蒸留分離部３３の第４のチャンバ５４を含む純水循環冷却系によって濃縮される。すなわち、第３のチャンバ５３内で希釈作業媒体の水の蒸発、蒸気の脱水膜５２の透過、第４のチャンバ５４への移動、および第４のチャンバ５４側での循環する純水による冷却、凝縮、をなす脱水処理を複数回繰り返すことによって、希釈作業媒体を濃縮作業媒体として使用し得る濃度の作業媒体（濃縮作業媒体）として循環タンク６４に貯留し、当該濃縮作業媒体を濃縮作業媒体タンク３４に戻す。濃縮作業媒体タンク３４内の濃縮作業媒体は、前述したようにタービン８２を回転して発電するために第２のポンプ４７を駆動して浸透圧発生器３１の第２のチャンバ４４内に供給される。

従って、浸透圧発生器３１によるタービン８２の回転、発電操作および膜蒸留分離部３３による希釈作業媒体の濃縮を連続的に実行できる。それ故、タービンを効率的に回転して発電し得る、低コストにて運転可能な循環型浸透圧発電システムを提供できる。

なお、図４に示す循環型浸透圧発電システムにおいて、浸透圧発生器は第１の処理容器を浸透膜により水平方向に区画して第１、第２のチャンバを形成したが、第１の処理容器を浸透膜により上下に区画して第１、第２のチャンバを形成してもよい。或いは、浸透圧発生器、並びに第１および第２のチャンバの一部または全てが、それぞれ筐体以外の形状、例えば、中空糸形状、スパイラル形状などの形態であってもよい。

図４に示す循環型浸透圧発電システムにおいて、浸透圧発生器３１の第１のチャンバ４３内の水をパイプライン２０１ｂを通して外部に送出したが、パイプライン２０１ｂを原液タンク４５に接続して原液タンク４５、パイプライン２０１ａ、浸透圧発生器３１の第１のチャンバ４３、パイプライン２０１ｂのループを作ってもよい。

図４に示す循環型浸透圧発電システムにおいて、膜蒸留分離部の脱水膜は多孔質膜、例えば、ゴアテックス（登録商標）など、に限らず、水蒸気のみを透過する機能を有するものであれば如何なるものでもよい。

図４に示す循環型浸透圧発電システムにおいて、希釈作業媒体の濃縮は脱水膜を備える膜蒸留分離部で行なう場合に限らず、希釈作業媒体の水を除去するものであれば如何なる装置で行なってもよい。

また、上述したような第２の実施形態により行われる水処理方法も更なる実施形態として提供され得る。

上述した実施形態に係る水処理システムおよび水処理方法の何れによっても、抑制されたエネルギー消費の下で透過膜を通過する液体の流量を増やすことが可能となる。

以下、実施例を図面を参照して説明する。

（１）クロスフロー濾過ユニット試験
クロスフロー濾過ユニットを用いて浸透膜を通過する流量と２つのポンプの相対的な吐出流量との関係を測定した。

使用した装置について図５を参照して説明する。クロスフロー濾過ユニット５００としてGE-SEPA II Cell（GE社製）を準備した。濾過ユニット５００は、ステンレス製のセルボトム５０１を備え、セルボトム５０１の上部に互いに相似形状を有する２つのOリング５０２（５０２ａ，５０２ｂ）が配置されている。シム５０３、フィードスペーサー５０４、浸透膜５０５、透過キャリア５０６は、セルボトム５０１の小形状のOリング５０２ａおよび大形状のOリング５０２ｂに対してこの順序で積層されている。セルトップ５０７は、セルボトム５０１の上部周縁に前記シム５０３、フィードスペーサー５０４、浸透膜５０５、透過キャリア５０６をセルボトム５０１および当該セルトップ５０７で密閉するように設けられている。クロスフロー濾過ユニット５００の組み立ての概要は次の通りである。まず、セルボトム５０１の内側上面の縁部と、その内側とにある２つの溝に２つのOリング５０２ａ，５０２ｂをそれぞれ嵌め込む。このセルボトム５０１を上面が水平で平らな架台に設置する。セルボトム５０１の上部中央の小形状のOリング５０２ａ内にシム５０３およびフィードスペーサー５０４を載せたる。ひきつづき、浸透膜５０５をセルボトム５０１の上面の縁部の大形状のOリング５０２ｂを覆うように載せる。その上に透過キャリア５０６を浸透膜５０５の中央付近に載せる。最後に、その上にセルトップ５０７を載せ、セルボトム５０１とセルトップ５０７とを互いに固定する。

このようなクロスフロー濾過ユニット５００は、浸透膜５０５の上面とセルトップ５０７の上面との間に第１のチャンバが形成され、浸透膜５０５の下面とセルボトム５０１の上面との間に第２のチャンバが形成される。第１のチャンバ内部には、透過キャリア５０６が含まれ、第２のチャンバ内部にはフィードスペーサー５０４が含まれている。

セルトップ５０７は、フィード入口５０８とフィード出口５０９とを備える。被処理液を模した水は、フィード入口５０８から流入され、浸透膜５０５上面まで満たされ、第１のチャンバの容量を超えた液体はフィード出口５０９から流出される。

第１のチューブ５１２は、一端がフィード入口５０８に装着され、他端が第１のポンプ５１３に接続されている。第２のチューブ５１５は、一端が第１のポンプ５１３に接続され、他端がフィード出口５０９に取り付けられている。第１の圧力計５１４は、フィード出口５０９近傍の第２のチューブ５１５に設けられている。すなわち、フィード入口５０８、第１のチューブ５１２、第２のチューブ５１５およびフィード出口５０９によりループが形成され、第１のポンプ５１３を駆動することにより第１のチャンバに収容された水がこのループを循環する。

セルボトム５０１は、ドロー入口５１０とドロー出口５１１とを備える。作業媒体は、ドロー入口５１０から流入され、浸透膜５０５下面まで満たされ、第２のチャンバの容量を超えた作業媒体はドロー出口５１１から流出される。

第３のチューブ５１６は、一端がドロー入口５１０に装着され、他端が作業媒体を収容したボトル５２０内に挿入されている。第４のチューブ５１９は、一端がボトル５２０内に挿入され、他端がドロー出口５１１に接続されている。第２のポンプ５１７および第２の圧力計５１８は、第４のチューブ５１９にボトル５２０側からドロー出口５１１側に向かってこの順序で設けられている。すなわち、ドロー入口５１０、第３のチューブ５１６、第４のチューブ５１９およびドロー出口５１１によりループが形成され、第２のポンプ５１７を駆動することによりボトル５２０内の作業媒体が第２のチャンバを流通してこのループを循環する。

ボトル５２０を秤の上に置き、ボトルの重量の増加により、第１のチャンバから第２のチャンバ内の作業媒体中に移動した水の量を測定した。水の量の増加から浸透膜の透過水量を求めた。

以上のようなクロスフロー濾過ユニット５００を使用して以下の試験を行った。

（２）ポンプ吐出流量と透過水量との関係
上述したクロスフロー濾過ユニット５００に浸透膜として、ＥＳ２０（株式会社日東電工社製）、ＣＥ（GE社製）、ＣＴＡ−ＥＳ（Hydration Technology Innovations社製）をそれぞれ用いた。試験では、これらの浸透膜の活性層の向きを変えて同様に試験を行った。

上述のクロスフロー濾過ユニット５００の第１のチャンバ側には水を循環させ、第２のチャンバ側には、食塩水、キシリトール水溶液、スクロース水溶液を作業媒体としてそれぞれ循環させた。使用した作業媒体は、何れも低濃度から飽和濃度までを含む複数の濃度の溶液を調製した。

各試験では、第１のチャンバ側の第１のポンプのみ吐出流量を順次増加させ、経時的に複数の時点で秤に示される重量値を読み取った。なお、一般的には低濃度の溶液の場合には、稼働してから透過水量が安定するまでには数分から数十分を必要としている。しかしながら、試験に使用した作用媒体は、その濃度が低いものであっても一般的な低濃度の溶液よりは濃いために、クロスフロー濾過ユニット５００を稼働した後に生じる透過水量は、非常に短い時間で安定した。

（２）結果
結果を図６〜図８に示す。

（２−１）浸透膜の活性層の方向
図６は、作業媒体として２０重量％のＮａＣｌ溶液、６８重量％のスクロース、６２重量％のキシリトールを使用して得た結果である。使用した浸透膜は、ＥＳ２０（株式会社日東電工社製）、ＣＥ（GE社製）、ＣＴＡ−ＥＳ（Hydration Technology Innovations社製）である。

図６のグラフにおいて、横軸は、第２のポンプの吐出流量を１Ｌ／ｍｉｎに固定して稼働させたときに、次第に増加させた第１のポンプの吐出流量を示す。即ち、横軸は、第２のポンプの吐出流量に対する第１のポンプの吐出流量の割合を示す。この値が１のときに第１のポンプの吐出流量は第２のポンプの吐出流量に等しい。縦軸は、浸透膜を通過した水の量であり、この値が透過流量である。縦軸の目盛は、秤で得られた値を透過流量として示している。図６中に示された各データを得た条件は次の通りである。

例１
例１では、作業媒体として２０重量％のＮａＣｌ溶液を用いた。浸透膜としてＣＴＡ−ＥＳを使用した。その活性層が作業媒体を収容している第２のチャンバ側を向くようにクロスフロー濾過ユニットに配置した。この結果を図６中に黒丸で示した。

例２
例２では、作業媒体として６８重量％のスクロースを用いた。浸透膜としてＣＥを使用した。その活性層が作業媒体を収容している第２のチャンバ側を向くようにクロスフロー濾過ユニットに配置した。この結果を図６中に黒菱形で示した。

例３
例３では、作業媒体として６２重量％のキシリトールを用いた。浸透膜としてＣＴＡ−ＥＳを使用した。その活性層が作業媒体を収容している第２のチャンバ側を向くようにクロスフロー濾過ユニットに配置した。この結果を図６中に黒三角で示した。

例４
例４では、作業媒体として６２重量％のキシリトールを用いた。浸透膜としてＣＥを使用した。その活性層が水を収容している第１のチャンバ側を向くようにクロスフロー濾過ユニットに配置した。この結果を白三角で示した。

例５
例５では、作業媒体として６２重量％のキシリトールを用いた。浸透膜としてＣＴＡ−ＥＳを使用した。その活性層が水を収容している第１のチャンバ側を向くようにクロスフロー濾過ユニットに配置した。この結果を細線の白四角で示した。

例６
例６では、作業媒体として６８重量％のスクロースを用いた。浸透膜としてＣＥを使用した。その活性層が水を収容している第１のチャンバ側を向くようにクロスフロー濾過ユニットを配置した。この結果を太線の白四角で示した。

例７
例７は、作業媒体として６８重量％のスクロースを用いた。浸透膜としてＣＴＡ−ＥＳを使用した。その活性層が水を収容している第１のチャンバ側を向くようにクロスフロー濾過ユニットを配置した。この結果を白丸で示した。

上記例１〜例３では、浸透膜の活性層は、作業媒体を収容している第２のチャンバ側を向くようにクロスフロー濾過ユニットに配置されており、例４〜６では、活性層が水を収容している第１のチャンバ側を向くようにクロスフロー濾過ユニットを配置されている。図６から明らかであるように、活性層が第１のチャンバを向くように配置されている場合には、他の条件が何れの場合であっても透過流量に変化はなく、何れも透過流量は小さかった。それに対して、浸透膜の活性層が、作業媒体を収容している第２のチャンバ側を向くように配置されている場合には、第１のポンプの流量が増えるのに依存して透過流量が増加した。

また、第１のポンプにより浸透膜に係る圧力は、第１のポンプの吐出流量が、第２のポンプの吐出流量の４倍未満までであった。第１のポンプの吐出流量をそれ以上に増やしたときには、浸透膜に対して加圧が生じた。この加圧により、浸透膜の損傷を発生が観察され、安定したデータを得ることができなかった。従って、４倍以上についての結果は図６に示していない。また、透過流量の増加が観察されたのは、第１のポンプの吐出流量が、第２のポンプの吐出流量の２倍以上のときであった。また、浸透膜の違いにより、透過流量に大きな差は観察されなかった。

また、第１のポンプの吐出流量が、第２のポンプの吐出流量の４倍以上になると、電極消費量の増大化にも繋がると考えられる。

以上の結果から、浸透膜の活性層を作業媒体を収容している第２のチャンバ側を向くように配置し、第１のポンプの吐出流量が、第２のポンプの吐出流量の２倍以上４倍未満となるように調製することにより高い透過流量が得られることが明らかとなった。

（２−２）作業媒体の濃度についての検討
例１〜例７の作業媒体は、それぞれ２０重量％のＮａＣｌ溶液、６８重量％のスクロース、６２重量％のキシリトール、６２重量％のキシリトール、６８重量％のスクロースであるが、これらについてvan't Hoff係数を掛けることにより得たモル濃度は、それぞれ８．６ｍｏｌ／ｋｇ、６．２ｍｏｌ／ｋｇ、１０．７ｍｏｌ／ｋｇである。

図７には、低濃度の作業媒体を使用して得られた結果を示す。図７には、以下の例８および例９に示す条件で得られた結果を示した。

例８
例８では、作業媒体として１５重量％のＮａＣｌ溶液を用いた。この濃度をvan't Hoff係数を掛けることにより得たモル濃度で表すと３．８ｍｏｌ／ｋｇである。浸透膜としてＣＴＡ−ＥＳを使用した。その活性層が作業媒体を収容している第２のチャンバ側を向くようにクロスフロー濾過ユニットに配置した。この結果を図７中に白菱形で示した。

例９
例９では、作業媒体として１０重量％のスクロースを用いた。この濃度をvan't Hoff係数を掛けることにより得たモル濃度で表すと３．８ｍｏｌ／ｋｇである。浸透膜としてＳＷＣ（日東電工社製）を使用した。その活性層が作業媒体を収容している第２のチャンバ側を向くようにクロスフロー濾過ユニットに配置した。この結果を図７中に黒四角で示した。

図７に示すように、例７および例８のような低濃度の場合には、第１のポンプの吐出流量を第２のポンプの４倍にした場合であっても透過流量の増加は観察されなかった。

図８には、作業媒体の濃度を重量％濃度とvan't Hoff係数を掛けることにより得たモル濃度との関係を示した。図８には、ＮａＣｌ（黒菱形）、スクロース（黒四角）、キシリトール（白三角）およびソルビトール（クロス）をそれぞれプロットした。図８の横軸には、それぞれの溶液の重量％濃度を示し、縦軸には対応するモル濃度を示した。

このグラフは、つぎのことを示している。例えば、ＮａＣｌは温度によらず、２６ｗｔ％くらいが最高濃度であり飽和溶液となる。したがってこれ以上濃い溶液は、温度を上げたとしても作ることができない。しかしながら、van’t Hoff係数は２であるため、図８に示すように、ＮａＣｌ水溶液を作業媒体として使用したときには大きな浸透圧を得ることが可能となる。またスクロースとキシリトールの場合では、それぞれ飽和溶液濃度が、６８ｗｔ％と６２ｗｔ％であり、van’t Hoff係数は１である。そして上述の結果と、図８と総合すると、作業媒体の濃度が、濃度をvan't Hoff係数を掛けることにより得たモル濃度で表したときに４ｍｏｌ／ｋｇ以上であるときに高い透過流量が得られることが示唆された。

以上の結果から、浸透膜の活性層を作業媒体を収容している第２のチャンバ側を向くように配置し、第１のポンプの吐出流量が、第２のポンプの吐出流量の２倍以上４倍未満となるように調製することにより高い透過流量が得られることが明らかとなった。更に、作業媒体の濃度が、濃度をvan't Hoff係数を掛けることにより得たモル濃度で表したときに４ｍｏｌ／ｋｇ以上であるときにより高い透過流量が得られることが明らかとなった。

これらの結果から、第１のチャンバ側から加圧を行うことなく、また第１のチャンバと第２のチャンバとにそれぞれ液体を流入させるための第１のポンプおよび第２のポンプの吐出流量差を小さな範囲で儲けることにより、高効率で水処理を行うことが可能となることが証明された。これらの結果は、予想外の効果（予期しない結果）である。

本発明のい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。これら新規な実施形態は、その他の種々の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ともに、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。

１，３１…浸透圧発生器、２，３２…希釈作業媒体タンク、３…逆浸透膜分離部、４，３４…濃縮作業媒体タンク、１１，４１…第１の処理容器、１２，４２…浸透膜、１３，４３…第１のチャンバ、１４，４４…第２のチャンバ、２１，５１…第２の処理容器、２２…逆浸透膜（ＲＯ膜）、２３，５３…第３のチャンバ、２４，５４…第４のチャンバ、２６…純水タンク、５２…脱水膜、６４…循環タンク、７１…第１の純水タンク、７２…第２の純水タンク、８１…圧力交換機、８２…タービン、１００…脱塩システム、２００…濃縮システム、３００…循環型浸透圧発電システム。

Claims (12)

1. 被処理水を収容する第１のチャンバと、
   浸透圧を誘起する作業媒体を収容する第２のチャンバと、
   前記第１のチャンバと前記第２のチャンバとを区画する、活性層を有する浸透膜と、
   前記第１のチャンバ内に前記被処理水を供給する第１のポンプと、
   前記第２のチャンバ内に前記作業媒体を供給する第２のポンプと
   を備え、
   前記浸透膜の前記活性層は、前記第２のチャンバ側に位置し、前記第１のポンプは、前記第２のポンプからの吐出流量の２倍以上４倍未満の吐出流量となるように構成されている水処理システム。
2. 更に、前記第２のチャンバに接続され、前記第２のチャンバから送られた希釈された作業媒体を収容する第３のチャンバと、
   浸透圧を誘起する更なる作業媒体を収容する第４のチャンバと、
   前記第３のチャンバと前記第４のチャンバとを区画する更なる浸透膜と
   を備える請求項１に記載の水処理システム。
3. 前記浸透膜が正浸透膜であり、前記更なる浸透膜が逆浸透膜である請求項２に記載の水処理システム。
4. 更に、前記第２のチャンバに接続され、前記第２のチャンバから送られた希釈された作業媒体から水を得るための膜蒸留分離部を備える請求項１に記載の水処理システム。
5. 前記膜蒸留分離部が、多孔質膜を備える請求項４に記載の水処理システム。
6. 水を収容する第１のチャンバと、
   浸透圧を誘起する作業媒体を収容する第２のチャンバと、
   前記第１のチャンバと前記第２のチャンバとを区画する浸透膜と、
   前記第１のチャンバ内に前記被処理水を供給する第１のポンプと、
   前記第２のチャンバ内に前記作業媒体を供給する第２のポンプと
   前記第２のチャンバに接続された圧力交換器と、
   前記圧力交換器に接続された回転体と
   を備え、
   前記浸透膜の前記活性層は、前記第２のチャンバ側に位置し、前記第１のポンプは、前記第２のポンプからの吐出流量の２倍以上４倍未満の吐出流量となるように構成されている水処理システム。
7. 更に、前記回転体に接続され、前記回転体から送られた希釈された作業媒体を収容する第３のチャンバと、
   浸透圧を誘起する更なる作業媒体を収容する第４のチャンバと、
   前記第３のチャンバと前記第４のチャンバとを区画する更なる浸透膜と
   を備える請求項６に記載の水処理システム。
8. 前記浸透膜が正浸透膜であり、前記更なる浸透膜が逆浸透膜である請求項７に記載の水処理システム。
9. 更に、前記回転体に接続され、前記回転体から送られた希釈された作業媒体から水を得るための膜蒸留分離部を備える請求項７に記載の水処理システム。
10. 前記膜蒸留分離部が、多孔質膜を備える請求項９に記載の水処理システム。
11. 前記作業媒体のモル濃度が４ｍｏｌ／ｋｇ以上である請求項１〜１０の何れか１項に記載の水処理システム。
12. 第１の面と活性層を有する第２の面とを含む浸透膜において、前記第１の面を水を含む被処理液に接触させると共に、前記第１の面への被処理液の供給量の２倍以上４倍未満の供給量で、前記第２の面を浸透圧を誘起する作業媒体に接触させること、および前記被処理液に含まれる当該水を前記浸透膜を透過させて前記作業媒体中に移動させることを含む水処理方法。

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