JP2018153799A

JP2018153799A - 逆浸透処理方法及び装置

Info

Publication number: JP2018153799A
Application number: JP2018001748A
Authority: JP
Inventors: 拓自彦坂; Takuji Hikosaka; 小野　雄壱; Yuuichi Ono; 雄壱小野
Original assignee: Kurita Water Industries Ltd
Current assignee: Kurita Water Industries Ltd
Priority date: 2018-01-10
Filing date: 2018-01-10
Publication date: 2018-10-04

Abstract

【課題】逆浸透膜装置への給水をヒートポンプで加熱することにより加熱コストを低減する。【解決手段】原水は配管１から熱交換器２に供給され、加熱された後、配管３から蒸気を熱源とした熱交換器４に供給され、さらに加熱された後、ＲＯ装置６に供給される。ＲＯ装置６の透過水は配管７から処理水として取り出され、濃縮水は配管８へ流出し、ヒートポンプ１０の熱源流体として該ヒートポンプ１０の蒸発器１１に通水される。熱交換器２の熱源流体流路には、ヒートポンプ１０の凝縮器１３によって加熱された媒体水が循環流通される。【選択図】図１

Description

本発明は、逆浸透膜装置を用いて水を処理する逆浸透処理方法に係り、特に逆浸透膜装置への給水をヒートポンプで加熱する逆浸透処理方法及び装置に関する。

逆浸透膜装置（以下、ＲＯ装置ということがある。）にあっては、処理水量維持（水の粘度低下によるフラックス上昇、シリカ飽和溶解度上昇による回収率向上）の為、給水温度を２５℃程度に加温している。この給水の加熱には蒸気、温水、電気ヒーターなどが使用され、エネルギーを消費している。

特開２０１２−９１１１８号公報の請求項７には、ＲＯ装置の給水をヒートポンプによって２３〜２５℃に加熱することが記載されているが、同号公報にはヒートポンプの熱源についての具体的記載はなされていない。

特開２０１２−９１１１８号公報

ＲＯ装置の給水を、蒸気、温水、電気ヒーター等によって加熱する場合、加熱コストが高い。また、給水加熱に投入したエネルギーは濃縮水と一緒に廃棄されることなり、エネルギーロスとなっている。

原水と濃縮水を熱交換して、濃縮水排熱を回収することが可能であるが、温度差が小さい為、熱交換器の伝熱面積を大きくする必要があり、熱交換器費用が高くなる。また、温度差が必要なため、加熱分を全量回収することは不可能である。

異なる設備（冷凍機、コンプレッサーなど）の排熱を熱源にする場合、ＲＯ装置との配管コスト長が長くなり、工事費用が高くなる。また、稼働のタイミングが合わないこともある。

ＲＯ装置の給水をヒートポンプで加熱する場合において、ヒートポンプの熱源をＲＯ装置の濃縮水（以下、ＲＯ濃縮水ということがある。）もしくは処理水とすることが考えられる。しかしながら、ＲＯ濃縮水は、スケール成分（例えばシリカやカルシウム等の硬度成分）濃度やその他の塩類濃度、有機物濃度が高いため、ヒートポンプの蒸発器等にスケール、スライム等の汚れが生成し易い。

本発明は、ＲＯ濃縮水を熱源としたヒートポンプでＲＯ装置への給水を加熱することにより加熱コストを低減することを目的とする。また、本発明は、その一態様において、このヒートポンプの蒸発器やＲＯ装置等でのスケール、スライム等を防止又は抑制することを目的とする。

本発明の逆浸透処理方法は、原水をヒートポンプで加熱した後、逆浸透膜装置で膜分離処理する逆浸透処理方法において、該ヒートポンプの熱源流体の少なくとも一部として該逆浸透膜装置の濃縮水を用いることを特徴とするものである。

本発明の一態様では、前記ヒートポンプの蒸発器の熱源流体出口における濃縮水のシリカ濃度がシリカスケール析出濃度未満、及び／又は、ランゲリア指数が０以下となるように、前記逆浸透膜装置の回収率及び前記原水の温度の少なくとも一方を調整する。

本発明の一態様では、前記原水を所定ｐＨ以上のアルカリ性とするか、所定ｐＨ以下の酸性とする。

本発明の一態様では、前記原水にスケール防止剤及び／又はスライム防止剤を添加する。

本発明の逆浸透処理装置は、原水をヒートポンプで加熱した後、逆浸透膜装置で膜分離処理する逆浸透処理装置において、該ヒートポンプの熱源流体の少なくとも一部として該逆浸透膜装置の濃縮水を通水する手段を備えたことを特徴とするものである。

本発明によると、ＲＯ濃縮水を熱源としたヒートポンプでＲＯ装置への給水を加熱することにより、加熱コストを低減することができる。また、ＲＯ濃縮水を熱源とすることにより、ＲＯ装置近傍のみでの配管工事等で本発明装置を構成することができる。

ヒートポンプを用いることにより、原水との温度差を大きくでき、小さい伝熱面積で熱回収できる。

本発明の一態様によると、シリカ濃度や塩類濃度が高い等の理由によりヒートポンプの熱源として利用することが難しい水質のＲＯ濃縮水を直接ヒートポンプ熱源として利用できる。

実施の形態に係る逆浸透処理装置のブロック図である。

以下、図１を参照して実施の形態について説明する。

ＲＯ処理される原水は、配管１から熱交換器２に供給され、加熱された後、配管３から熱交換器４に供給され、さらに加熱された後、ＲＯ装置６に供給される。ＲＯ装置６の透過水は配管７から処理水として取り出され、濃縮水は配管８へ流出し、ヒートポンプ１０の熱源流体として該ヒートポンプ１０の蒸発器１１に通水される。

熱交換器２の熱源流体流路には、ヒートポンプ１０の凝縮器１３によって加熱された媒体水（伝熱媒体としての水）が循環流通される。

ヒートポンプ１０は、蒸発器１１からの代替フロン等の熱媒体を圧縮機１２で圧縮して凝縮器１３に導入し、凝縮器１３からの熱媒体を膨張弁１４を介して蒸発器１１に導入するように構成されている。

凝縮器１３に熱交換器２からの媒体水が配管１５及びポンプ１７を介して導入され、凝縮器１３で加熱された媒体水が配管１６を介して熱交換器２に送水される。

蒸発器１１の熱源流体流路に配管８からＲＯ装置６の濃縮水が導入される。熱交換により降温した濃縮水は、配管９を介して排出される。

熱交換器４の熱源流体流路には、蒸気が供給される。

ＲＯ装置６の濃縮水のスケール成分濃度や有機物濃度が原水よりも高いため、ヒートポンプ１０の蒸発器１１や配管８，９でスケールやスライムが発生するおそれが高いので、これを防止ないし抑制（以下、防止という。）する必要がある。また、ＲＯ装置６においてもスケールやスライムが発生することを防止する必要がある。

そこで、この実施の形態では、蒸発器１１や、ＲＯ装置６、配管８，９におけるスケール、スライム防止のために次のｉ），ii）又はiii）の対策を行う。

i）蒸発器１１の熱源流体出口１１ａを流れる濃縮水のシリカ濃度がシリカスケール析出濃度を超えない様に、及び／又は、ランゲリア指数が０以下となるように、ＲＯ回収率及び原水温度の一方又は双方を調整する。

すなわち、［ヒートポンプ蒸発器出口１１ａにおけるシリカ濃度］が［シリカ飽和溶解度］よりも低くなるように、及び／又は、［ヒートポンプ蒸発器出口１１ａにおけるランゲリア指数］が［０以下］となるように、ＲＯ回収率を下げること、及び原水温度を上げることの一方又は双方を行う。

なお、ＲＯ濃縮水及び蒸発器出口でのランゲリア指数（ＬＳＩ）は、通常、次の式（１）により求められる。
ＬＳＩ＝ｐＨ−ｐＨｓ（１）
（１）において、ｐＨは濃縮水もしくは蒸発器出口のｐＨ値である。また、ｐＨｓは、濃縮水もしくは蒸発器において炭酸カルシウムが溶解も析出もしない平衡状態にあるときの理論上のｐＨ値であり、次の式（２）により求められる。
ｐＨｓ＝９．３＋Ａ値＋Ｂ値−Ｃ値−Ｄ値（２）
式（２）において、Ａ値は、蒸発残留物濃度により定まる補正値である。蒸発残留物濃度は、電気伝導率と相関があるため、所定の換算式を用いて電気伝導率から蒸発残留物濃度を求めることができる。Ｂ値は、水温により定まる補正値である。Ｃ値は、カルシウム硬度により定まる補正値である。Ｄ値は、総アルカリ度により定まる補正値である。

なお、ＲＯ透過水の一部をＲＯ濃縮水に添加して、ヒートポンプ蒸発器に通水するのに適当な水質にしてもよい。即ち、ＲＯ透過水の一部をＲＯ濃縮水に添加することも「回収率を低下させること」に包含される。

このように、回収率を下げたり原水温度を高くしたりすることにより、ＲＯ濃縮水中のシリカ濃度やランゲリア指数をスケール非発生条件とすることができる。例えば、２３〜２５℃の濃縮水中のシリカ濃度を１００〜１２０ｐｐｍ以下とすることにより、シリカスケールが防止される。

ii）ＲＯ装置６およびヒートポンプ蒸発器１１でシリカスケールが析出しない様に原水のｐＨを調整する。具体的には、原水のＣａ硬度が５ｍｇ／Ｌ以下の条件でｐＨを９以上（例えば、９〜１１）とする。又は、原水のｐＨを６以下（例えば、４〜６）とする。高ｐＨでシリカをイオン化させることにより、ゲル化を抑制し、スケール析出を抑制することができる。また、原水を低ｐＨとすることにより、シリカの析出速度を低下させてシリカスケールを抑制することができる。

iii）ＲＯ装置６およびヒートポンプ蒸発器１１でスケール、スライムが析出しない様に原水に薬品（スケール防止剤やスライム防止剤など）を添加する。スケール防止剤やスライム防止剤としては、特に制限はなく、各種のものを用いることができる。

また、ランゲリア指数を０以下とするには、原水のｐＨを６以下（例えば、４〜６）とするか、又は、ＲＯ膜の前段に軟水器を設けて硬度成分を除去するようにしても良い。なお、カルシウムスケール用のスケール防止剤を原水に添加しても良く、その場合は、ランゲリア指数は０を超えても良い。例えば、スケール防止剤の性能にもよるが、有機高分子スケール防止剤を利用することにより、ランゲリア指数を０．５以下となるように制御することが可能となる。

なお、原水としては、工業用水（河川水、湖沼水等）、地下水、水道水、各種排水の処理水などが例示されるが、これに限定されない。

図１のシステムに従って井水（１８℃）を２５℃に加熱して２０ｍ^３／ｈでＲＯ処理して透過水２５℃、１４ｍ^３／ｈ、濃縮水２５℃、６ｍ^３／ｈで膜分離し、ヒートポンプをＣＯＰ（成績係数）５で運転する場合、図１のようにヒートポンプ１０及び熱交換器２，４を設置し、蒸発器出口１１ａの濃縮水温度を２０℃とする条件でシステムを運転するときの熱交換器４の蒸気使用量は１０１．８ｋＷ相当となる。

なお、本発明のヒートポンプを備えた逆浸透膜装置においては、ＲＯ膜の入口や出口、蒸発器の熱源流体入口や出口の一部もしくは全部に、シリカや硬度成分（もしくはランゲリア指数）、水温等の測定機器（センサや算出ユニット等）を設け、該機器の測定値に基づいて、ＲＯ膜の回収率、ｐＨ調整（酸やアルカリの添加手段の制御）、薬品添加（スケール防止剤やスライム防止剤の添加手段）の一部又は全部を自動で制御する制御ユニットを設け、装置全体を自動運転可能に設計しても良い。熱源流体出口に上記測定機器を設けてＲＯ膜の運転条件を制御することで、ヒートポンプを備えた逆浸透膜装置全体を安定に運転することが可能となる。

一方、図１のシステムにおいて熱交換器２及びヒートポンプ１０を設置しない場合、同条件でＲＯ処理するときの熱交換器４の蒸気使用量は１６２．８ｋＷ相当となる。

上記実施の形態は本発明の一例であり、本発明は図示以外の形態とされてもよい。

２，４熱交換器
６ＲＯ装置
１０ヒートポンプ
１１蒸発器
１２圧縮機
１３凝縮器
１４膨張弁

本発明の逆浸透処理方法は、原水をヒートポンプで加熱した後、逆浸透膜装置で膜分離処理する逆浸透処理方法において、該ヒートポンプの蒸発器に通水される熱源流体の少なくとも一部として該逆浸透膜装置の濃縮水を用いるとともに、該ヒートポンプの後段に設けられた、蒸気による熱交換器で該ヒートポンプで加熱した原水を加熱した後、該逆浸透膜装置で逆浸透膜処理することを特徴とするものである。

本発明の逆浸透処理装置は、原水をヒートポンプで加熱した後、逆浸透膜装置で膜分離処理する逆浸透処理装置において、該ヒートポンプの蒸発器に通水される熱源流体の少なくとも一部として該逆浸透膜装置の濃縮水を通水する手段と、該ヒートポンプで加熱した原水を加熱する蒸気による熱交換器とを備え、該熱交換器で加熱された原水が該逆浸透膜装置で処理されることを特徴とするものである。

Claims

原水をヒートポンプで加熱した後、逆浸透膜装置で膜分離処理する逆浸透処理方法において、
該ヒートポンプの熱源流体の少なくとも一部として該逆浸透膜装置の濃縮水を用いることを特徴とする逆浸透処理方法。
請求項１において、前記ヒートポンプの蒸発器の熱源流体出口における濃縮水のシリカ濃度がシリカスケール析出濃度未満、及び／又はランゲリア指数が０以下となるように、前記逆浸透膜装置の回収率及び前記原水の温度の少なくとも一方を調整することを特徴とする逆浸透処理方法。
請求項１又は２において、前記原水を所定ｐＨ以上のアルカリ性とするか、所定ｐＨ以下の酸性とすることを特徴とする逆浸透処理方法。
請求項１ないし３のいずれか１項において、前記原水にスケール防止剤及び／又はスライム防止剤を添加することを特徴とする逆浸透処理方法。
原水をヒートポンプで加熱した後、逆浸透膜装置で膜分離処理する逆浸透処理装置において、
該ヒートポンプの熱源流体の少なくとも一部として該逆浸透膜装置の濃縮水を通水する手段を備えたことを特徴とする逆浸透処理装置。