JP2020110795A - 減圧塩水処理システム - Google Patents
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Abstract
【課題】より低い圧力で動作する逆浸透を使用した脱塩システムの提供。【解決手段】減圧塩水処理システムは、海水等の塩水の脱塩のために、正浸透技術と、逆浸透技術と、の両方を備える。逆浸透脱塩ユニット２２の供給側２６は、正浸透脱塩ユニット１８の供給側１４と流体接続しており、正浸透脱塩ユニットの供給側から引かれた海水は、逆浸透脱塩ユニットの供給側へと供給される。逆浸透脱塩ユニットは、その透過側２４から、海水から抽出された生産水ＰＷを排出する。逆浸透脱塩ユニットの供給側は、排出流Ｒを排出し、これは、正浸透脱塩ユニットの引き側１６に、海水の浸透圧よりも高い浸透圧および水圧で供給され、それにより、正浸透脱塩ユニットの引き側は、排出流を受け取り、濃縮塩水Ｂを排出する。【選択図】図１
Description
本出願の開示は、水処理に関し、具体的には、逆浸透システムを使用する水を脱塩するためのシステムに関する。
逆浸透（ＲＯ）は、典型的には、水浄化システムにおいて使用される。これらのシステムは、典型的には、イオン、分子、及び水より大きい粒子を除去する半透膜を備える。逆浸透において、加えられた圧力は、溶媒の化学ポテンシャルの差によって働く束一的性質である浸透圧を打ち消すために使用される。逆浸透は、バクテリアを含む、水に溶解及び浮遊する様々な生物種を除去することが可能であり、工業プロセス及び飲料水の製造の両方で使用される。その結果、溶質は膜の加圧側に残り、純溶媒は別の側へと通過すことができる。半透膜は、「選択的」であると考えられ、すなわち、膜は、大きな分子又はイオンがその孔を通過することを許容せず、溶液のより小さな要素（溶媒分子等）が自由に通過することを許容する。
逆浸透では、処理の効率は、圧力、流速、及びその他の状態に依拠する。逆浸透は、例えば水中の塩及びその他の排出物の除去のための、海水の浄化での使用が一般的に最も知られている。図４は、基本的な従来技術の逆浸透脱塩ユニット３００を示し、海水Ｓが、純粋ＰＷの製造のためにユニット３００に供給されている。図４に示されるように、逆浸透脱塩ユニット３００の濃縮側３１４から半透性逆浸透膜３１６を通るように水を流すために、高圧ポンプ３１２が使用される。効率的な逆浸透プロセスは、溶解している塩のほとんど全て（約９５〜９９％）を排出流に残すこと、すなわち濃縮塩水Ｂを排出することが可能である。ポンプ３１２によって加えられる圧力の大きさは、供給水の塩濃度に依拠する。供給水がより高濃度であるほど、より高い圧力が浸透圧に打ち勝つために必要である。脱灰又は脱イオンされた脱塩水（例えば、純粋ＰＷ）は、典型的には、「透過水」又は「生産水」と称される。
正浸透（ＦＯ）では、水は、浸透圧の差によって、低溶質濃度領域から半透膜を通って低溶質濃度領域へと流れる。「引き」溶液、又は供給溶液と比較して高濃度な溶液が、膜を通って引き溶液へと流れる、水の正味の流れを引き起こし、従って、供給水とその溶質とが効率的に分離される。比較すると、上記の逆浸透プロセスは、分離のための駆動力として水圧を使用し、これは、浸透圧勾配に反作用するように働く。従って、逆浸透は、正浸透と比較して、著しく大きなエネルギーを必要とする。
図５は、基本的な従来技術の正浸透脱塩ユニット４００を示し、供給水（例えば、海水Ｓ）が、ポンプ４１２による圧力下でユニット４００の供給側へと供給されている。供給側４１４を通る供給溶液は、純水が半透膜４１６を通るように分離され、最終的に濃縮塩水Ｂがユニット４００から排出される。ポンプ４１８による圧力下でユニット４００の引き側４２０に供給された濃縮引き溶液ＣＤは、供給側及び引き側の間の浸透圧勾配によって、純水を供給側４１４から引く。半透膜４１６を通って流れる純水によって希釈された希釈引き溶液ＤＤは、その後、ユニット４００の引き側４２０から引かれる。図４に示される逆浸透プロセスでは、透過水ＰＷは浄化され、使用可能となる。しかしながら、図５に示される正浸透プロセスでは、正浸透プロセスの膜による分離は、供給溶液Ｓと引き溶液ＣＤの「交換」である。
一般的に、逆浸透に必要な動作圧力はとても高い。このような望ましい効率レベルのための高圧力要求は、消費電力及びメンテナンスの両方の観点で高価である。後者について、高圧力動作は、膜の急速な汚損及び拡縮を引き起こし、頻繁な置換及び／又はメンテナンスを必要とする。また、システムの全ての材料は、高圧動作に見合わなければならず、しばしば、ステンレススチール等の高価な材料を使用しなければならない。正浸透によって補助され、より低い圧力で動作する逆浸透を使用することが望ましいことが明らかである。従って、上記の課題を解決する減圧塩水処理システムが望まれている。
減圧塩水処理システムは、海水等の塩水の脱塩のために、正浸透と、逆浸透と、の両方を備えてよい。減圧塩水処理システムは、公知の、供給側及び引き側を有する正浸透脱塩ユニットと、供給側及び透過側を有する逆浸透脱塩ユニットと、を備える。逆浸透脱塩ユニットの供給側は、正浸透脱塩ユニットの供給側と流体接続しており、正浸透脱塩ユニットの供給側から引かれた海水は、逆浸透脱塩ユニットの供給側へと供給される。第１のポンプは、圧力下で、正浸透脱塩ユニットの供給側を通して海水を注入してよい。第２のポンプは、正浸透脱塩ユニットの供給側から逆浸透脱塩ユニットの供給側へと海水を供給してよい。
逆浸透脱塩ユニットは、供給側に供給された海水に逆浸透脱塩を行い、透過側の海水から抽出された生産水を生産する。逆浸透脱塩ユニットの供給側は、排出流を排出する。正浸透脱塩ユニットの引き側は、逆浸透脱塩ユニットの供給側と流体接続されており、それにより、正浸透脱塩ユニットの引き側は、排出流を受け取り、濃縮塩水を排出する。第１及び第２のポンプの電力は、そこに電気的に接続されて好適な電力を供給する少なくとも１つのソーラーパネル等の好適な種類の電源によって供給されてよい。他の種類の「グリーン」発電システムを含む、任意の好適な電源が利用されてよいことが理解される。
減圧塩水処理システムは、閉じた系であり、逆浸透脱塩ユニットに加えられた水圧は、正浸透脱塩ユニット内の水輸送メカニズムに影響を与える。逆浸透脱塩ユニットから来る排出流に関連する水圧により、正浸透脱塩ユニットにおける水輸送は、高浸透圧流から低浸透圧流へと起こり、これは、従来の正浸透プロセスの動作原理とは逆であり、すなわち、排出流は、正浸透脱塩ユニットの供給側を通って供給される海水の浸透圧よりも高い浸透圧を有する正浸透脱塩ユニットの引き側を通る。
減圧塩水処理システムの代替的な実施の形態において、２段階の正浸透プロセスが使用される。供給側及び引き側を有する第１の正浸透脱塩ユニットと、同様に供給側及び引き側を有する第２の正浸透脱塩ユニットと、の両方が使用される。上記の実施の形態のように、供給側及び透過側を有する逆浸透脱塩ユニットが、提供される。逆浸透脱塩ユニットの供給側は、第２の正浸透脱塩ユニットの供給側と流体接続されており、それにより、第２の正浸透脱塩ユニットの供給側から引かれた海水は、逆浸透脱塩ユニットの供給側へと供給される。逆浸透脱塩ユニットの透過側は、純生産水を排出し、逆浸透脱塩ユニットの供給側は、排出流を排出する。
第２の正浸透脱塩ユニットの引き側は、逆浸透脱塩ユニットの供給側と流体接続されており、それにより、第２の正浸透脱塩ユニットの引き側は、逆浸透脱塩ユニットから排出流を受け取り、濃縮排出流を排出する。第１の正浸透脱塩ユニットの引き側は、第２の正浸透脱塩ユニットの引き側と流体接続されており、それにより、第１の正浸透脱塩ユニットの引き側は、第２の正浸透脱塩ユニットから濃縮排出流を受け取り、濃縮塩水を排出する。
第１の正浸透脱塩ユニットの供給側は、第２の正浸透脱塩ユニットの供給側と流体接続されており、それにより、海水は、第１の正浸透脱塩ユニットの供給側を通って第２の正浸透脱塩ユニットの供給側へと向かい、第２の正浸透脱塩ユニットの供給側を通る。逆浸透脱塩ユニットからの排出流は、第２の正浸透脱塩ユニットの供給側を通って供給された海水の浸透圧よりも高い浸透圧及び水圧で、第２の正浸透脱塩ユニットの引き側を通る。第２の正浸透脱塩ユニットからの濃縮排出流は、第１の正浸透脱塩ユニットの供給側を通って供給された海水の浸透圧よりも高い浸透圧及び水圧で、第１の正浸透脱塩ユニットの引き側を通る。実施の形態において、システムの動作圧力は、約１５バールであってよい。
上記の実施の形態のように、第１のポンプは、第１の正浸透脱塩ユニットの供給側に海水を供給し、第２のポンプは、第２の正浸透脱塩ユニットの供給側から、逆浸透脱塩ユニットの供給側へと海水を供給する。また、上記の実施の形態において、第１及び第２のポンプは、少なくとも１つのソーラーパネル又は任意の別の好適なエネルギー源を動力としてよい。
減圧塩水処理システムのさらなる代替的な実施の形態において、３段階の正浸透プロセスが使用される。それぞれ供給側及び引き側を有する第１、第２、及び第３の正浸透脱塩ユニットが使用される。上記の実施の形態のように、供給側及び透過側を有する逆浸透脱塩ユニットが、提供される。逆浸透脱塩ユニットの供給側は、第３の正浸透脱塩ユニットの供給側と流体接続されており、それにより、第３の正浸透脱塩ユニットの供給側を通って引かれた海水は、逆浸透脱塩ユニットの供給側に供給される。逆浸透脱塩ユニットの透過側は、生産水を排出し、逆浸透脱塩ユニットの供給側は、排出流を排出する。
第３の正浸透脱塩ユニットの引き側は、逆浸透脱塩ユニットの供給側と流体接続されており、それにより、第３の正浸透脱塩ユニットの引き側は、排出流を受け取り、第１の濃縮排出流を排出する。第２の正浸透脱塩ユニットの引き側は、第３の正浸透脱塩ユニットの引き側と流体接続されており、それにより、第２の正浸透脱塩ユニットの引き側は、第１の濃縮排出流を受け取り、第２の濃縮排出流を排出する。第１の正浸透脱塩ユニットの引き側は、第２の正浸透脱塩ユニットの引き側と流体接続されており、それにより、第１の正浸透脱塩ユニットの引き側は、第２の濃縮排出流を受け取り、濃縮塩水を排出する。
第１の正浸透脱塩ユニットの供給側は、第２の正浸透脱塩ユニットの供給側と流体接続されており、それにより、海水は、第１の正浸透脱塩ユニットの供給側を通って第２の正浸透脱塩ユニットの供給側へと向かい、第２の正浸透脱塩ユニットの供給側を通る。第２の正浸透脱塩ユニットの供給側は、第３の正浸透脱塩ユニットの供給側と流体接続されており、それにより、海水は、第２の正浸透脱塩ユニットの供給側を通って第３の正浸透脱塩ユニットの供給側へと向かい、第３の正浸透脱塩ユニットの供給側を通る。上記の実施の形態と同様に、逆浸透脱塩ユニットからの排出流は、第３の正浸透脱塩ユニットの供給側を通って供給された海水の浸透圧よりも高い浸透圧及び水圧で、第３の正浸透脱塩ユニットの引き側を通る。第１の濃縮排出流は、第２の正浸透脱塩ユニットの供給側を通って供給された海水の浸透圧よりも高い浸透圧及び水圧で、第２の正浸透脱塩ユニットの引き側を通る。第２の濃縮排出流は、第１の正浸透脱塩ユニットの供給側を通って供給された海水の浸透圧よりも高い浸透圧及び水圧で、第１の正浸透脱塩ユニットの引き側を通る。
上記の実施の形態のように、第１のポンプは、第１の正浸透脱塩ユニットの供給側に海水を供給し、第２のポンプは、第３の正浸透脱塩ユニットの供給側から、逆浸透脱塩ユニットの供給側へと海水を供給する。また、上記の実施の形態において、第１及び第２のポンプは、少なくとも１つのソーラーパネル又は任意の別の好適なエネルギー源を動力としてよい。
本発明のこれら及び他の特徴は、以下の詳細な説明によって容易に理解可能となる。
同様の参照記号は、付された図面を通して、同様の特徴を表す。
図１に示されるように、公知の、減圧塩水処理システム１０は、供給側１４及び引き側１６を有する正浸透脱塩ユニット１８と、透過側２４及び供給側２６を有する逆浸透脱塩ユニット２２と、を有する。逆浸透脱塩ユニット２２の供給側２６は、正浸透脱塩ユニット１８の供給側１４と流体接続されており、それにより、正浸透脱塩ユニット１８の供給側１４からの希釈された海水は、逆浸透脱塩ユニット２２の供給側２６に供給される。第１のポンプ１２は、低圧力下で、正浸透脱塩ユニット１８の供給側１４を通して海水を注入してよい。第２のポンプ２０は、正浸透脱塩ユニット１８の供給側１４から逆浸透脱塩ユニット２２の供給側２６へと希釈された海水を供給してよい。
逆浸透脱塩ユニット２２は、供給側２６に供給された海水に逆浸透脱塩を行い、透過側２４から生産水ＰＷを排出する。逆浸透脱塩ユニット２２の供給側２６は、排出流Ｒを排出する。正浸透脱塩ユニット１８の引き側１６は、逆浸透脱塩ユニット２２の供給側２６と流体接続されており、それにより、正浸透脱塩ユニット１８の引き側１６は、排出流Ｒを受け取り、濃縮塩水Ｂを排出する。第１のポンプ１２及び第２のポンプ２０の電力は、そこに電気的に接続されて好適な電力を供給する少なくとも１つのソーラーパネル等の好適な種類の電源によって供給されてよい。第１のポンプ１２及び第２のポンプ２０は、従来の電気グリッド、少なくとも１つのソーラーパネルＰＶ、風力タービン、その他等の任意の電力源を動力としてよい。
減圧塩水処理システム１０は、閉じた系であり、（第２のポンプ２０を介して）逆浸透脱塩ユニット２２に加えられた水圧は、正浸透脱塩ユニット１８内の水輸送メカニズムに影響を与えることが理解される。逆浸透脱塩ユニット２２から来る排出流Ｒに関連する水圧は、供給側１４を通る海水Ｓから正浸透脱塩ユニット１８の引き側１６を通る排出流Ｒへと水を流れてさせてしまう浸透圧勾配に反作用する。正浸透脱塩ユニット１８における水輸送は、高浸透圧流（例えば、引き側１６を通る排出流Ｒ）から低浸透圧流（例えば、供給側１４を通る海水Ｓ）へと起こり、これは、従来の正浸透プロセスの動作原理とは逆である。
この動作原理は、逆浸透脱塩ユニット２２が、従来の逆浸透脱塩ユニットよりも大幅に低い圧力で動作することを可能とする。逆浸透脱塩ユニット２２の低い動作圧力は、逆浸透膜３９の汚損及び拡縮を低減することで、その寿命を直接的に向上させる。逆浸透ユニット２２のエネルギー消費もまた、従来のＲＯシステムより大幅に少なくなり、減圧塩水処理システム１０は、飲料水の国内生産から工業規模の脱塩の広い範囲の様々な適用に実用的となる。また、低いエネルギー消費によって、減圧塩水処理システム１０と、太陽光エネルギー、風力エネルギー、地熱エネルギー、又は他の任意のグリーンエネルギー源等に基づく広範な電力システムとを容易に一体化させることが可能となる。
その大きなエネルギー消費により、現在の逆浸透脱塩プラントは、太陽光発電（ＰＶ）エネルギーとの一体化が、特にＲＯプラントを動作させるためにＰＶパネルによって覆わなければならない面積が非常に大きいために、非実用的であった。減圧塩水処理システム１０の低電力要求は、このような大面積「負荷」を考慮せずにＰＶエネルギーを使用することが可能となる。
減圧塩水処理システム１０のエネルギー消費の低減は、エネルギー消費費用の低減に加えて、水圧の減少による膜３９、３２の寿命の長期化により、動作費用の低減の観点においても直接的な利益がある。メンテナンスの費用及び時間の低減は、また、プラントの使用可能性を増加させる。さらに、現存するＲＯ脱塩プラントは、正浸透ユニットを容易に後付可能であり、現存するプラントを減圧塩水処理システム１０と同様のプラントに変換することができる。
さらに、上記のように、減圧塩水処理システム１０をグリーン電源と一体化させることが容易であるため、従来のＲＯ脱塩プラントにエネルギーを供給するための化石燃料の燃焼に関連する環境問題を考慮する必要がない。また、従来のＲＯプラントが高圧ポンプを使用する一方で、減圧塩水処理システム１０の第１のポンプ１２及び第２のポンプ２０は、大幅に低い圧力で動作し、全体的なプラントの安全性を向上させ、騒音の危険を排除する。加えて、低圧力であることは、（高圧ＲＯシステムで使用される）ステンレススチール材料を、費用効果がより高いプラスチック材料に置き換えることを可能とする。
また、上記の通り、従来のＲＯ技術に関連する汚損及び拡縮の問題を減らすことで、化学洗浄及び膜交換の頻度を減らすことができる。低い動作圧力を使用することは、また、従来のＲＯシステムの高価な耐圧耐腐食性のパイプ、バルブ、及び備品を、プラスチック又はガラス強化ポリエステル（ＧＲＰ）に置き換えることができる。
非限定的な例として、海水が、１〜２バールの動作圧力で、第１のポンプ１２によって、正浸透脱塩ユニット１８の供給側１４に供給されてよい。この例によれば、正浸透脱塩ユニット１８の供給側１４の排出流は、第２のポンプによって約３０バールに加圧されてよい。これらの圧力値を使用した減圧塩水処理システム１０で行われた実験において、動作の最初の２分間は、逆浸透脱塩ユニット２２の透過側２４から生産水は観察されなかった。逆浸透脱塩ユニット２２の供給側２６からの排出流Ｒは、約２８バールの水圧で正浸透脱塩ユニット１８の引き側１６に入った。
その後、排出流Ｒが引き側１６を通る際に面した水圧によって、引き側１６から供給側１４への水輸送が起こる。上記のように、これは従来のＦＯに使用される一般的な原理とは逆であり、すなわち、純水は、高浸透圧の塩水側（例えば、引き側１６）から低浸透圧の海水側（例えば、供給側１４）へと輸送される。この結果、海水取り入れ流Ｓがさらに希釈され、塩水Ｂがさらに濃縮される。実験において、減圧塩水処理システム１０は、その平衡状態を動作の２分後でも維持しており、その間、逆浸透脱塩ユニット２２の供給側２６に供給された海水の総溶解固形分（ＴＤＳ）は、初期値である４２１２１ｐｐｍから２０１２３ｐｐｍに減少した。従って、ＲＯシステムの全体動作圧力は、３０バールまで減少し、透過側２４において新鮮な純水ＰＷ（ＴＤＳが１３５ｐｐｍ以下）が製造され、水の回復は全体の３０％であった。上記のパラメータによって行われた実験において、（第１のポンプ１２に）供給された海水は、６００ｌｐｈの流速、４２１２１ｐｐｍの初期ＴＤＳであった。第２のポンプ２０が３０バールで動作している時に、１３５０ｌｐｈの流速、２０１２３ｐｐｍのＴＤＳで、海水が、逆浸透脱塩ユニット２２の供給側２６に入れられた。生産水ＰＷは、１９２μＳ／ｃｍの電気伝導率、１８２ｌｐｈの流速で、逆浸透脱塩ユニット２２の供給側２６を出た。逆浸透脱塩ユニット２２の供給側２６から排出された排出流ＲのＴＤＳは、２７２００ｐｐｍであり、塩水Ｂは、６２５４２ｐｐｍのＴＤＳを有していた。８０％効率で動作するペルトン水車を備える逆浸透脱塩ユニット２２を使用して、一日当たり１００ｍ３の海水を処理するために必要な電力は、４．０Ｋｗ／ｍ３であり、一日のエネルギー消費は、４８０ｋＷｈとなる。エネルギー源として太陽光発電を使用した場合、グリッドに接続されたソーラーＰＶシステムの全体面積は、２０６ｍ２であり、オフグリッド電池と組み合わされているようなシステムの面積は、８２５ｍ２である。
図２の代替的な実施の形態において、減圧塩水処理システム１００は、２段階の正浸透プロセスが使用される。引き側１１６及び供給側１１４を有する第１の正浸透脱塩ユニット１１８と、同様に引き側１４４及び供給側１４２を有する第２の正浸透脱塩ユニット１４０と、の両方が使用される。上記の実施の形態のように、供給側１２６及び透過側１２４を有する逆浸透脱塩ユニット１２２が、提供される。逆浸透脱塩ユニット１２２の供給側１２６は、第２の正浸透脱塩ユニット１４０の供給側１４２と流体接続されており、それにより、第２の正浸透脱塩ユニット１４０の供給側１４２から引かれた希釈された海水は、逆浸透脱塩ユニット１２２の供給側１２６へと供給される。逆浸透脱塩ユニット１２２の透過側１２４は、海水Ｓから抽出された生産水ＰＷを排出し、逆浸透脱塩ユニット１２２の供給側１２６は、排出流Ｒを排出する。
第２の正浸透脱塩ユニット１４０の供給側１４４は、逆浸透脱塩ユニット１２２の供給側１２６と流体接続されており、それにより、第２の正浸透脱塩ユニット１４０の引き側１４４は、排出流Ｒを受け取り、濃縮排出流ＣＲを排出する。第１の正浸透脱塩ユニット１１８の引き側１１６は、第２の正浸透脱塩ユニット１４０の引き側１４４と流体接続されており、それにより、第１の正浸透脱塩ユニット１１８の引き側１１６は、濃縮排出流ＣＲを受け取り、濃縮塩水Ｂを排出する。
第１の正浸透脱塩ユニット１１８の供給側１１４は、第２の正浸透脱塩ユニット１４０の供給側１４２と流体接続されており、それにより、海水Ｓは、第１の正浸透脱塩ユニット１１８の供給側１１４を通って第２の正浸透脱塩ユニット１４０の供給側１４２へと向かい、第２の正浸透脱塩ユニット１４０の供給側１４２を通る。排出流Ｒは、第２の正浸透脱塩ユニット１４０の供給側１４２を通って供給された希釈された海水の浸透圧よりも高い浸透圧及び水圧で、第２の正浸透脱塩ユニット１４０の引き側１４４を通る。濃縮排出流ＣＲは、第１の正浸透脱塩ユニット１１８の供給側１１４を通って供給された海水Ｓの浸透圧よりも高い浸透圧及び水圧で、第１の正浸透脱塩ユニット１１８の引き側１１６を通る。
上記の実施の形態のように、第１のポンプ１１２は、第１の正浸透脱塩ユニット１１８の供給側１１４に海水Ｓを供給し、第２のポンプ１２０は、第２の正浸透脱塩ユニット１４０の供給側１４２から、逆浸透脱塩ユニット１２２の供給側１２６へと希釈された海水を供給する。また、上記の実施の形態において、第１のポンプ１１２及び第２のポンプ１２０は、少なくとも１つのソーラーパネル又は任意の別の好適なエネルギー源を動力としてよい。
減圧塩水処理システム１００の実験において、海水Ｓは、１〜２バールの動作圧力、４２１２１ｐｐｍのＴＤＳ、６００ｌｐｈの流速で、第１のポンプ１１２によって、供給された。第２の正浸透脱塩ユニット１４０の供給側１４２に入る海水ＳのＴＤＳは、８３６ｌｐｈの流速で、２４２９０ｐｐｍであった。第２のポンプ１２０は、１５バールで動作し、希釈された海水が、１５２７８ｐｐｍのＴＤＳ、１１８６ｌｐｈの流速で、逆浸透脱塩ユニット１２２の供給側１２６に流入した。生産水ＰＷは、１３６ｐｐｍ以下のＴＤＳ、１６０μＳ／ｃｍの電気伝導率、１７３ｌｐｈの流速で、透過側１２４から流出した。排出流ＲのＴＤＳは、２０７７８ｐｐｍであり、濃縮排出流ＣＲのＴＤＳは、３８２２０ｐｐｍであった。塩水Ｂは、６４３４１ｐｐｍのＴＤＳで、第１の正浸透脱塩ユニット１１８の引き側１１６を出た。
図３のさらなる代替的な実施の形態において、減圧塩水処理システム２００は、３段階の正浸透プロセスを使用する。それぞれ供給側及び引き側を有する第１の正浸透脱塩ユニット２１８、第２の正浸透脱塩ユニット２５０、及び第３の正浸透脱塩ユニット２４０が使用される。上記の実施の形態のように、供給側２２６及び透過側２２４を有する逆浸透脱塩ユニット２２２が、提供される。逆浸透脱塩ユニット２２２の供給側２２６は、第３の正浸透脱塩ユニット２４０の供給側２４４と流体接続されており、それにより、第３の正浸透脱塩ユニット２４０の供給側２４４を通って引かれた海水は、逆浸透脱塩ユニット２２２の供給側２２６に供給される。逆浸透脱塩ユニット２２２の透過側２２４は、海水から抽出された生産水ＰＷを排出し、逆浸透脱塩ユニット２２２の供給側２２６は、排出流Ｒを排出する。
第３の正浸透脱塩ユニット２４０の引き側２４２は、逆浸透脱塩ユニット２２２の供給側２２６と流体接続されており、それにより、第３の正浸透脱塩ユニット２４０の引き側２４２は、排出流Ｒを受け取り、第１の濃縮排出流ＣＲ１を排出する。第２の正浸透脱塩ユニット２５０の引き側２５２は、第３の正浸透脱塩ユニット２４０の引き側２４２と流体接続されており、それにより、第２の正浸透脱塩ユニット２５０の引き側２５２は、第１の濃縮排出流ＣＲ１を受け取り、第２の濃縮排出流ＣＲ２を排出する。第１の正浸透脱塩ユニット２１８の引き側２１６は、第２の正浸透脱塩ユニット２５０の引き側２５２と流体接続されており、それにより、第１の正浸透脱塩ユニット２１８の引き側２１６は、第２の濃縮排出流ＣＲ２を受け取り、濃縮塩水Ｂを排出する。
第１の正浸透脱塩ユニット２１８の供給側２１４は、第２の正浸透脱塩ユニット２５０の供給側２５４と流体接続されており、それにより、海水Ｓは、第１の正浸透脱塩ユニット２１８の供給側２１４を通って第２の正浸透脱塩ユニット２５０の供給側２５４へと向かい、第２の正浸透脱塩ユニット２５０の供給側２５４を通る。第２の正浸透脱塩ユニット２５０の供給側２５４は、第３の正浸透脱塩ユニット２４０の供給側２４４と流体接続されており、それにより、海水Ｓは、第２の正浸透脱塩ユニット２５０の供給側２５４を通って第３の正浸透脱塩ユニット２４０の供給側２４４へと向かい、第３の正浸透脱塩ユニット２４０の供給側２４４を通る。
上記の実施の形態と同様に、排出流Ｒは、第３の正浸透脱塩ユニット２４０の供給側２４４を通って供給された希釈された海水の浸透圧よりも高い浸透圧及び水圧で、第３の正浸透脱塩ユニット２４０の引き側２４２を通る。第１の濃縮排出流ＣＲ１は、第２の正浸透脱塩ユニット２５０の供給側２５４を通って供給された海水Ｓの浸透圧よりも高い浸透圧及び水圧で、第２の正浸透脱塩ユニット２５０の引き側２５２を通る。第２の濃縮排出流ＣＲ２は、第１の正浸透脱塩ユニット２１８の供給側２１４を通って供給された海水Ｓの浸透圧よりも高い浸透圧及び水圧で、第１の正浸透脱塩ユニット２１８の引き側２１６を通る。
上記の実施の形態のように、第１のポンプ２１２は、第１の正浸透脱塩ユニット２１８の供給側２１４に海水Ｓを供給し、第２のポンプ２２２は、第３の正浸透脱塩ユニット２４０の供給側２４４から、逆浸透脱塩ユニット２２２の供給側２２６へと希釈された海水を供給する。また、上記の実施の形態において、第１のポンプ２１２及び第２のポンプ２２０は、少なくとも１つのソーラーパネル又は任意の別の好適なエネルギー源を動力としてよい。
減圧塩水処理システム２００の実験において、海水Ｓは、１〜２バールの動作圧力、４２１２１ｐｐｍのＴＤＳ、６００ｌｐｈの流速で、第１のポンプ２１２によって、供給された。２８１１０ｐｐｍのＴＤＳ、３２６００μＳ／ｃｍの電気伝導率を有する希釈された海水の流れは、５５０ｌｐｈの流速で、第２の正浸透脱塩ユニット２５０の供給側２５４に入った。第２のポンプ２２０は、１０バールで動作し、希釈された海水が、１０６００ｐｐｍのＴＤＳ、９５０ｌｐｈの流速、１２３１２μＳ／ｃｍの電気伝導率で、逆浸透脱塩ユニット１２２の供給側２２６に流入した。生産水ＰＷは、１４２ｐｐｍ以下のＴＤＳ、１９２μＳ／ｃｍの電気伝導率、１７１ｌｐｈの流速で、透過側２２４から流出した。排出流ＲのＴＤＳは、１８２００ｐｐｍであり、第１の濃縮排出流ＣＲ１のＴＤＳは、３０４３０ｐｐｍであった。第２の濃縮排出流ＣＲ２のＴＤＳは、５２１３０ｐｐｍであった。塩水Ｂは、６８３００ｐｐｍのＴＤＳで、第１の正浸透脱塩ユニット２１８の引き側２１６を出た。
８０％効率で動作するペルトン水車を備える逆浸透脱塩ユニット２２２を使用して、一日当たり１００ｍ３の海水を処理するために必要な電力は、２．２Ｋｗ／ｍ３であり、一日のエネルギー消費は、２６４ｋＷｈとなる。エネルギー源として太陽光発電を使用した場合、グリッドに接続されたソーラーＰＶシステムの全体面積は、１１５ｍ２であり、オフグリッド電池と組み合わされているようなシステムの面積は、４５０ｍ２である。
下の表１は、従来のＲＯ脱塩システム（表１のＲＯ単体）、システム１０（表１のＲＯ−単一ＦＯ）、システム１００（表１のＲＯ−二重ＦＯ）、システム２００（表１のＲＯ−三重ＦＯ）の効率を示す。下の表２は、上記の塩水処理システム１０の実験からの供給された海水、及び生産水の組成を示す。
逆浸透脱塩ユニット２２、１２２、２２２のそれぞれにおいて、渦巻き、プレートアンドフレーム（例えば、平板）、中空繊維モジュール、又は複数の積まれた若しくは積層されたシート、若しくはナノ充填剤組み入れ膜若しくはナノ繊維等の、任意の幾何学構成を備える任意の種類の半透膜が利用されてよい。逆浸透膜の合成材料は、例えば、セルロースエステル誘導体、又は他のポリアミド系薄膜組成膜、又はナノ複合体膜であってよい。１０〜３０バールの圧力で動作する、低圧ＲＯ膜又は超低圧ＲＯ膜のために、９９％超の高い塩排除効率を備える逆浸透膜が好適である。上記の正浸透脱塩ユニットのそれぞれにおいて、渦巻き、プレートアンドフレーム（例えば、平板）、中空繊維モジュール、又は複数の積まれた若しくは積層されたシート、若しくはナノ充填剤組み入れ膜若しくはナノ繊維等の、任意の幾何学構成を備える任意の種類の半透膜が利用されてよい。ＦＯ膜の厚さは、ＦＯプロセスの非圧力要求により、ＲＯ膜よりも遥かに薄い。減圧塩水処理システム２００のためのＦＯ膜要素の動作圧力は、１０〜２０バールが好適である。高透過流を達成するためにモジュール内において溶解固形分及び供給溶液の高分散を達成するために、ＦＯ膜は、好ましくは、膜モジュール内に構成される。また、膜は、直交流、並流、逆流、軸、又は放射構成等の任意の好適な構成で動作してよい。
減圧塩水処理システムは、上記の特定の実施の形態に限定されず、本明細書に説明される実施の形態によって可能となる請求の範囲の一般的な言語の範囲内の、あるいはは当業者が請求される主題を作り使用することを可能にするために十分な図面又は上記の説明に示される、任意の全ての実施の形態を包含する。
Claims (12)
- 供給側及び引き側を有する正浸透脱塩ユニットと、
供給側及び透過側を有する逆浸透脱塩ユニットと、
を備え、
前記逆浸透脱塩ユニットの前記供給側は、前記正浸透脱塩ユニットの供給側と流体接続しており、前記正浸透脱塩ユニットの前記供給側から引かれた海水は、前記逆浸透脱塩ユニットの前記供給側へと供給され、
前記逆浸透脱塩ユニットの前記透過側は、前記海水から抽出された生産水を排出し、前記逆浸透脱塩ユニットの前記供給側は排出流を排出し、
前記正浸透脱塩ユニットの前記引き側は、前記逆浸透脱塩ユニットの前記供給側と流体接続しており、前記正浸透脱塩ユニットの前記引き側は、前記排出流を受け取り、濃縮塩水を排出し、
前記排出流は、前記正浸透脱塩ユニットの前記供給側を通って供給された前記海水の浸透圧よりも高い浸透圧及び水圧で、前記正浸透脱塩ユニットの前記引き側１４４を通る、
減圧塩水処理システム。 - 前記正浸透脱塩ユニットの前記供給側に前記海水を供給する第１のポンプをさらに備える、請求項１の減圧塩水処理システム。
- 前記正浸透脱塩ユニットの前記供給側から、前記逆浸透脱塩ユニットの前記供給側へと前記海水を供給する第２のポンプをさらに備える、請求項２の減圧塩水処理システム。
- 前記第１のポンプ及び前記第２のポンプに電気的に接続され、好適な電力を供給する少なくとも１つのソーラーパネルをさらに備える、請求項３の減圧塩水処理システム。
- 供給側及び引き側を有する第１の正浸透脱塩ユニットと、
供給側及び引き側を有する第２の正浸透脱塩ユニットと、
供給側及び透過側を有する逆浸透脱塩ユニットと、
を備え、
前記逆浸透脱塩ユニットの前記供給側は、前記第２の正浸透脱塩ユニットの前記供給側と流体接続されており、前記第２の正浸透脱塩ユニットの前記供給側から引かれた海水は、前記逆浸透脱塩ユニットの前記供給側へと供給され、
前記逆浸透脱塩ユニットの前記透過側は、前記海水から抽出された生産水を排出し、前記逆浸透脱塩ユニットの前記供給側は、排出流を排出し、
前記第２の正浸透脱塩ユニットの前記引き側は、前記逆浸透脱塩ユニットの前記供給側と流体接続されており、前記第２の正浸透脱塩ユニットの前記引き側は、前記排出流を受け取り、濃縮排出流を排出し、
前記第１の正浸透脱塩ユニットの前記引き側は、前記第２の正浸透脱塩ユニットの前記引き側と流体接続されており、前記第１の正浸透脱塩ユニットの前記引き側は、前記濃縮排出流を受け取り、濃縮塩水を排出し、
前記第１の正浸透脱塩ユニットの前記供給側は、前記第２の正浸透脱塩ユニットの前記供給側と流体接続されており、前記海水は、前記第１の正浸透脱塩ユニットの前記供給側を通って前記第２の正浸透脱塩ユニットの前記供給側へと向かい、前記第２の正浸透脱塩ユニットの前記供給側を通り、
前記排出流は、前記第２の正浸透脱塩ユニットの前記供給側を通って供給された希釈された海水の浸透圧よりも高い浸透圧及び水圧で、前記第２の正浸透脱塩ユニットの前記引き側を通り、
前記濃縮排出流は、前記第１の正浸透脱塩ユニットの前記供給側を通って供給された前記海水の浸透圧よりも高い浸透圧及び水圧で、前記第１の正浸透脱塩ユニットの前記引き側を通る、
減圧塩水処理システム。 - 前記第１の正浸透脱塩ユニットの前記供給側に前記海水を供給する第１のポンプをさらに備える、請求項５の減圧塩水処理システム。
- 前記第２の正浸透脱塩ユニットの前記供給側から、前記逆浸透脱塩ユニットの前記供給側へと前記海水を供給する第２のポンプをさらに備える、請求項６の減圧塩水処理システム。
- 前記第１のポンプ及び前記第２のポンプに電気的に接続され、好適な電力を供給する少なくとも１つのソーラーパネルをさらに備える、請求項７の減圧塩水処理システム。
- 供給側及び引き側を有する第１の正浸透脱塩ユニットと、
供給側及び引き側を有する第２の正浸透脱塩ユニットと、
供給側及び引き側を有する第３の正浸透脱塩ユニットと、
供給側及び透過側を有する逆浸透脱塩ユニットと、
を備え、
前記逆浸透脱塩ユニットの前記供給側は、前記第３の正浸透脱塩ユニットの前記供給側と流体接続されており、前記第３の正浸透脱塩ユニットの前記供給側を通って引かれた海水は、前記逆浸透脱塩ユニットの前記供給側に供給され、
前記逆浸透脱塩ユニットの前記透過側は、前記海水から抽出された生産水を排出し、前記逆浸透脱塩ユニットの前記供給側は、排出流を排出し、
前記第３の正浸透脱塩ユニットの前記引き側は、前記逆浸透脱塩ユニットの前記供給側と流体接続されており、前記第３の正浸透脱塩ユニットの引き側は、前記排出流を受け取り、第１の濃縮排出流を排出し、
前記第２の正浸透脱塩ユニットの前記引き側は、前記第３の正浸透脱塩ユニットの前記引き側と流体接続されており、前記第２の正浸透脱塩ユニットの前記引き側は、前記第１の濃縮排出流を受け取り、第２の濃縮排出流を排出し、
前記第１の正浸透脱塩ユニットの前記引き側は、前記第２の正浸透脱塩ユニットの前記引き側と流体接続されており、前記第１の正浸透脱塩ユニットの引き側は、前記第２の濃縮排出流を受け取り、濃縮塩水を排出し、
前記第１の正浸透脱塩ユニットの前記供給側は、前記第２の正浸透脱塩ユニットの前記供給側と流体接続されており、前記海水は、前記第１の正浸透脱塩ユニットの前記供給側を通って前記第２の正浸透脱塩ユニットの前記供給側へと向かい、前記第２の正浸透脱塩ユニットの前記供給側を通り、
前記第２の正浸透脱塩ユニットの前記供給側は、前記第３の正浸透脱塩ユニットの前記供給側と流体接続されており、前記海水は、前記第２の正浸透脱塩ユニットの前記供給側を通って前記第３の正浸透脱塩ユニットの前記供給側へと向かい、前記第３の正浸透脱塩ユニットの前記供給側を通り、
前記排出流は、前記第３の正浸透脱塩ユニットの前記供給側を通って供給された希釈された海水の浸透圧よりも高い浸透圧及び水圧で、前記第３の正浸透脱塩ユニットの前記引き側を通り、
前記第１の濃縮排出流は、前記第２の正浸透脱塩ユニットの前記供給側を通って供給された前記希釈された海水の浸透圧よりも高い浸透圧及び水圧で、前記第２の正浸透脱塩ユニットの前記引き側を通り、
前記第２の濃縮排出流は、前記第１の正浸透脱塩ユニットの前記供給側を通って供給された前記海水の浸透圧よりも高い浸透圧及び水圧で、前記第１の正浸透脱塩ユニットの前記引き側を通る、
減圧塩水処理システム。 - 前記第１の正浸透脱塩ユニットの前記供給側に前記海水を供給する第１のポンプをさらに備える、請求項９の減圧塩水処理システム。
- 前記第３の正浸透脱塩ユニットの前記供給側から、前記逆浸透脱塩ユニットの前記供給側へと前記海水を供給する第２のポンプをさらに備える、請求項１０の減圧塩水処理システム。
- 前記第１のポンプ及び前記第２のポンプに電気的に接続され、好適な電力を供給する少なくとも１つのソーラーパネルをさらに備える、請求項１１の減圧塩水処理システム。
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