JP2021045742A

JP2021045742A - 被処理液の膜処理方法および装置

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Publication number: JP2021045742A
Application number: JP2020041824A
Authority: JP
Inventors: 基頼早水; Motoyori Hayamizu
Original assignee: Sasakura Engineering Co Ltd
Current assignee: Sasakura Engineering Co Ltd
Priority date: 2019-09-10
Filing date: 2020-03-11
Publication date: 2021-03-25
Anticipated expiration: 2040-03-11
Also published as: JP2024061911A; JP7464969B2

Abstract

【課題】被処理液を高濃度で効率良く濃縮することができる被処理液の膜処理装置を提供する。【解決手段】被処理液を昇圧して逆浸透膜に通水することにより、前記逆浸透膜を透過せずに濃縮された濃縮液を生成するＲＯ膜ユニット１２を有する第１の濃縮装置１０と、生成された前記濃縮液を前記濃縮液よりも低圧の回収液に半透膜を介して接触させることにより更に濃縮する半透膜ユニット２１−１，２１−２を有する第２の濃縮装置２０とを備え、第２の濃縮装置２０で濃縮された前記濃縮液の少なくとも一部を前記回収液として使用する被処理液の膜処理装置１である。【選択図】図１

Description

本発明は、被処理液の膜処理方法および装置に関し、より詳しくは、逆浸透膜を利用する被処理液の膜処理方法および装置に関する。

逆浸透膜を利用して被処理液を処理する方法として、例えば特許文献１に開示された造水方法が知られている。特許文献１の造水方法は、海水を昇圧して逆浸透膜モジュールに供給することにより淡水を分離した後、逆浸透膜を透過せずに濃縮された濃縮塩水を海水とのエネルギー交換により減圧して正浸透膜モジュールに供給し、正浸透膜モジュールにおいて正浸透膜を透過する水によって濃縮塩水を希釈する。

特開２０１６−９７３３１号公報

逆浸透膜法は、被処理液の浸透圧よりも高い圧力を加える必要があることから、高濃縮に限界がある一方、上記従来の造水方法は、正浸透膜モジュールにおいて濃縮塩水を水で希釈させるため、被処理液の濃縮率を高める観点から改良の余地があった。

そこで、本発明は、被処理液を高濃度で効率良く濃縮することができる被処理液の膜処理方法および装置の提供を目的とする。

本発明の前記目的は、被処理液を昇圧して逆浸透膜に通水することにより、前記逆浸透膜を透過せずに濃縮された濃縮液を生成する第１の濃縮工程と、生成された前記濃縮液を、前記濃縮液よりも低圧の回収液に半透膜を介して接触させることにより更に濃縮する第２の濃縮工程とを備え、前記第２の濃縮工程は、前記半透膜を介した前記濃縮液と前記回収液との接触を複数段の半透膜ユニットで行う工程を備え、前記濃縮液を各段の前記半透膜ユニットに直列に供給して、前記回収液を各段の前記半透膜ユニットに並列に供給し、前記第２の濃縮工程で濃縮された前記濃縮液の少なくとも一部を前記回収液として使用する被処理液の膜処理方法により達成される。

この被処理液の膜処理方法において、前記第２の濃縮工程は、最前段の前記半透膜ユニットに供給される前記濃縮液を、最後段の前記半透膜ユニットから排出される前記濃縮液との圧力交換により昇圧する工程を備えることが好ましい。

また、前記第２の濃縮工程は、各段の少なくともいずれかの前記半透膜ユニットから排出される前記回収液を、各段の少なくともいずれかの前記半透膜ユニットに供給される前記回収液に合流させる工程を備えることができる。

前記第１の濃縮工程は、前記被処理液を昇圧する前にナノろ過膜に通水する工程を備えることが好ましく、前記被処理液が前記ナノろ過膜を透過しない非透過液を、前記第２の濃縮工程で濃縮された濃縮液の少なくとも一部に合流させて、前記回収液として使用することができる。

前記第２の濃縮工程は、後段側の少なくとも２つの前記半透膜ユニットに並列に供給した前記回収液を合流して、前段側の前記半透膜ユニットに供給することができる。

あるいは、前記第２の濃縮工程は、後段側の前記半透膜ユニットに供給した前記回収液を、前段側の少なくとも２つの前記半透膜ユニットに並列に供給することができる。

あるいは、前記第２の濃縮工程は、後段側の少なくとも２つの前記半透膜ユニットに並列に供給した前記回収液を合流して、前段側の少なくとも２つの前記半透膜ユニットに並列に供給することができる。

また、本発明の前記目的は、被処理液を昇圧して逆浸透膜に通水することにより、前記逆浸透膜を透過せずに濃縮された濃縮液を生成するＲＯ膜ユニットを有する第１の濃縮装置と、生成された前記濃縮液を、前記濃縮液よりも低圧の回収液に半透膜を介して接触させることにより更に濃縮する第２の濃縮装置とを備え、前記第２の濃縮装置は、前記半透膜を介した前記濃縮液と前記回収液との接触を複数段の半透膜ユニットで行うように構成され、前記濃縮液を各段の前記半透膜ユニットに直列に供給して、前記回収液を各段の前記半透膜ユニットに並列に供給し、前記第２の濃縮装置で濃縮された前記濃縮液の少なくとも一部を、前記回収液として使用する被処理液の膜処理装置により達成される。

本発明によれば、被処理液を高濃度で効率良く濃縮することができる被処理液の膜処理方法および装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る被処理液の膜処理装置の概略構成図である。本発明の他の実施形態に係る被処理液の膜処理装置の概略構成図である。本発明の更に他の実施形態に係る被処理液の膜処理装置の概略構成図である。本発明の更に他の実施形態に係る被処理液の膜処理装置の概略構成図である。本発明の更に他の実施形態に係る被処理液の膜処理装置の概略構成図である。

以下、本発明の一実施形態について添付図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る被処理液の膜処理装置（以下、単に「膜処理装置」という）の概略構成図である。図１に示すように、膜処理装置１は、被処理液を濃縮して濃縮液を生成する第１の濃縮装置１０と、第１の濃縮装置１０で生成された濃縮液を更に濃縮する第２の濃縮装置２０と、第２の濃縮装置２０に供給される濃縮液と第２の濃縮装置２０から排出される濃縮液との間で圧力交換を行うエネルギー回収装置３０とを、主な構成要素として備えている。

第１の濃縮装置１０は、ケーシング内にＲＯ膜（逆浸透膜）モジュールが配置されて構成されたＲＯ膜ユニット１２を備えており、ＲＯ膜を透過しない被処理液が濃縮液として排出される。第１の濃縮装置１０は、ＲＯ膜ユニット１２を複数段に配置した構成であってもよく、前段のＲＯ膜ユニット１２で濃縮された被処理液を後段のＲＯ膜ユニット１２に供給して更に濃縮することにより、濃縮液を生成することができる。ＲＯ膜の材質や型式は特に限定されないが、例えば、ポリアミドや酢酸セルロース等からなる中空糸膜型や平膜型等を挙げることができる。

第２の濃縮装置２０は、２段の半透膜ユニット２１−１，２１−２を備えている。各半透膜ユニット２１−１，２１−２は、ケーシング内が半透膜で仕切られることにより高圧室２２および低圧室２３が形成されている。高圧室２２および低圧室２３は、導入口からそれぞれ濃縮液および回収液が供給されて、排出口から排出される間に濃縮液および回収液が半透膜を介して接触するように構成されている。半透膜は、平膜以外に中空糸膜であってもよい。半透膜は、ＦＯ膜（正浸透膜）を好適に使用することができるが、ＲＯ膜などの他の半透膜であってもよい。各半透膜ユニット２１−１，２１−２の高圧室２２には濃縮液が直列に供給される一方、各半透膜ユニット２１−１，２１−２の低圧室２３には回収液が並列に供給される。

エネルギー回収装置３０は、ターボチャージャからなり、第２の濃縮装置２０の最後段の半透膜ユニット２１−２から排出された濃縮液によりタービンを回転させ、この動力を利用して、最前段の半透膜ユニット２１−１に供給される濃縮液を昇圧する。エネルギー回収装置３０の構成は、第２の濃縮装置２０から排出される濃縮液のエネルギーを回収して、第２の濃縮装置２０に供給される濃縮液を昇圧可能であれば特に限定されるものではなく、例えば、タービン型以外にロータ型やピストン型などの他のエネルギー回収装置であってもよい。

次に、上記の構成を備える膜処理装置１を使用した被処理液の膜処理方法を説明する。まず、海水等の被処理液を高圧ポンプ２により昇圧して、第１の濃縮装置１０に供給することにより、第１の濃縮工程を行う。ＲＯ膜ユニット１２においては、被処理液がＲＯ膜を透過することより淡水が生成されると共に、ＲＯ膜ユニット１２のＲＯ膜を透過せずに濃縮された濃縮液が生成される。

ついで、第１の濃縮工程で生成された濃縮液を、昇圧ポンプ３により昇圧して第２の濃縮装置２０に供給し、第２の濃縮工程を行う。各半透膜ユニット２１−１，２１−２の高圧室２２には、第１の濃縮装置１０を通過して昇圧された高圧の濃縮液が直列に供給される。一方、各半透膜ユニット２１−１，２１−２の低圧室２３には、半透膜ユニット２１−１，２１−２の高圧室２２を通過後の濃縮液の一部が、フィルタ４を通過後に回収液として並列に供給される。これにより、低圧の回収液の圧力損失を軽減して、各半透膜ユニット２１−１，２１−２に確実に供給することができ、被処理液の濃縮率を高めることができる。フィルタ４は必須の構成ではなく、フィルタ４を備えない構成であってもよい。半透膜ユニット２１−１，２１−２の段数は、複数段であれば特に限定されるものではなく、３段以上であってもよい。回収液として利用されない濃縮液の残部は、系外に排出されて、例えば、正浸透発電、製塩蒸発濃縮による淡水化などの他のプロセスで利用することができる。

低圧室２３に供給される回収液は、各半透膜ユニット２１−１，２１−２の通過により減圧されるため、高圧室２２に供給される濃縮液よりも低圧であると共に、高圧室２２に供給される濃縮液と浸透圧差が小さいことから、高圧室２２と低圧室２３との圧力差により、半透膜を介した高圧室２２から低圧室２３への水の移動が促される。したがって、高圧ポンプ２の性能や数を特に増大させることなく濃縮液を更に濃縮することができ、省エネルギーで高濃度に濃縮することができる。第２の濃縮装置２０で濃縮された濃縮液は、エネルギー回収装置３０の通過により、自身が減圧されると共に第２の濃縮装置２０に供給される濃縮液を昇圧するため、高圧室２２と低圧室２３との圧力差をより大きくすることができる。

第２の濃縮装置２０において濃縮液から水を回収した回収液は、後段の半透膜ユニット２１−２から排出される回収液の一部が循環ポンプ５により戻されて、各半透膜ユニット２１−１，２１−２に再び並列供給される。残りの回収液は、高圧ポンプ２の上流側で被処理液に合流されて、第１の濃縮装置１０に再び供給される。これらにより、第１の濃縮装置１０における淡水の製造効率を高めることができると共に、被処理液が希釈されて浸透圧が低下することによりＲＯ膜ユニット１２に低圧で供給することができ、高圧ポンプ２の省エネルギー化を図ることができる。

図２は、本発明の他の実施形態に係る膜処理装置の概略構成図である。図２に示す膜処理装置１０１は、図１に示す膜処理装置１において、第１の濃縮装置１０が、ＲＯ膜ユニット１２の他にＮＦ膜ユニット１４を備えている。図２において、図１と同様の構成部分には同一の符号を付している（後述する図３から図５においても同様）。

ＮＦ膜ユニット１４は、ケーシング内にＮＦ膜（ナノろ過膜）モジュールが配置されて構成されており、ＮＦ膜ユニット１４のＮＦ膜を透過した被処理液が、ＲＯ膜ユニット１２に供給される。ＮＦ膜についても、ＲＯ膜と同様に材質や型式は特に限定されない。ＮＦ膜ユニット１４は、１段に構成する代わりに複数段に構成してもよい。

第２の濃縮装置２０は、３段の半透膜ユニット２１−１，２１−２，２１−３を備えている。各半透膜ユニット２１−１，２１−２，２１−３の構成は、図１に示す半透膜ユニット２１−１，２１−２と同様であり、それぞれの高圧室２２には、ＲＯ膜ユニット１２から濃縮液が直列に供給される一方、それぞれの低圧室２３には、高圧室２２を通過した濃縮液の一部にＮＦ膜ユニット１４からの非透過液を合流させた回収液が、給水ポンプ７の作動により並列に供給される。各半透膜ユニット２１−１，２１−２，２１−３に回収液を並列供給することにより圧力損失を軽減できるため、給水ポンプ７を設けない構成であってもよい。各半透膜ユニット２１−１，２１−２，２１−３の低圧室２３に供給される回収液の流量は、流量制御弁４０ａ，４０ｂ，４０ｃの開度調節により個別に制御することができ、これによって半透膜ユニット２１−１，２１−２，２１−３ごとに回収液を適切な流量で供給することができる。

ＮＦ膜ユニット１４で生成された非透過液は、溶質の濃度上昇により浸透圧が高くなるため、非透過液を回収液に含めた場合でも、第２の濃縮装置２０において濃縮液との浸透圧差を小さく維持することができる。回収液には、第２の濃縮装置２０から排出された濃縮液が含まれていればよく、ＮＦ膜ユニット１４の非透過液と共に、あるいは、ＮＦ膜ユニット１４の非透過液に代えて、第２の濃縮装置２０から排出される濃縮液の濃度に近い濃度を有する他の液を合流させてもよい。

エネルギー回収装置３０は、最前段の半透膜ユニット２１−１に供給される濃縮液が、最後段の半透膜ユニット２１−３から排出される濃縮液により昇圧される。これにより、各半透膜ユニット２１−１，２１−２，２１−３に濃縮液を確実に供給して回収液との圧力差を確保することができ、第２の濃縮装置２０における濃縮を促すことができる。

各半透膜ユニット２１−１，２１−２，２１−３から排出される回収液は、合流された後に一部が循環ポンプ５により各半透膜ユニット２１−１，２１−２，２１−３に個別に循環されることにより、系外に排出される残りの回収液を希釈することができる。各半透膜ユニット２１−１，２１−２，２１−３への循環流量は、流量制御弁４０ｄ，４０ｅ，４０ｆの開度調節により個別に制御することができる。

循環ポンプ５により回収液を循環させる構成は、本実施形態の構成に限定されず、各段の少なくともいずれかの各半透膜ユニット２１−１，２１−２，２１−３から排出される回収液を、各段の少なくともいずれかの各半透膜ユニット２１−１，２１−２，２１−３に供給される回収液に合流させる構成であればよい。また、循環ポンプ５による回収液の循環は、本発明において必須ではなく、回収液を循環させない構成であってもよい。

図１および図２に示す膜処理装置１，１０１は、第２の濃縮工程において、全ての半透膜ユニットに対して回収液を並列に供給するように構成しているが、回収液を各段の半透膜ユニットに対して少なくとも２つが並列となるように供給する構成であればよく、各半透膜ユニットに供給する回収液の流量制御や、回収液と濃縮液との濃度差制御が困難になるおそれがある場合には、一部の半透膜ユニット間で回収液を直列に供給してもよい。

例えば、図３に示すように、３つの半透膜ユニット２１−１，２１−２，２１−３を備える膜処理装置２０１において、後段側の２つの半透膜ユニット２１−２，２１−３に並列に供給した回収液を合流して、前段側の半透膜ユニット２１−１に供給することができる。合流した回収液は、ブースターポンプ８の作動によって半透膜ユニット２１−１に確実に供給することができるが、合流後の回収液の圧力によってはブースターポンプ８を備えない構成であってもよい。後段側において回収液を並列に供給する半透膜ユニットの数は３つ以上であってもよく、並列に配置された各半透膜ユニットの少なくとも一部に、回収液を直列に供給する半透膜ユニットが付加されてもよい。また、前段側において直列に供給される半透膜ユニットの数は、２つ以上であってもよい。

あるいは、図４に示すように、３つの半透膜ユニット２１−１，２１−２，２１−３を備える膜処理装置３０１において、後段側の半透膜ユニット２１−３に供給した回収液を、ブースターポンプ８の作動により前段側の２つの半透膜ユニット２１−１，２１−２に並列に供給することができる。前段側において回収液を並列に供給する半透膜ユニットの数は３つ以上であってもよく、並列に配置された各半透膜ユニットの少なくとも一部に、回収液を直列に供給する半透膜ユニットが付加されてもよい。また、後段側において直列に供給される半透膜ユニットの数は、２つ以上であってもよい。図４に示す膜処理装置３０１においても、ブースターポンプ８を備えない構成にすることができる。

あるいは、図５に示すように、４つの半透膜ユニット２１−１，２１−２，２１−３，２１−４を備える膜処理装置４０１において、後段側の２つの半透膜ユニット２１−３，２１−４に並列に供給した回収液を合流して、ブースターポンプ８の作動により前段側の２つの半透膜ユニット２１−１，２１−２に並列に供給することができる。前段側および／または後段側において回収液を並列に供給する半透膜ユニットの数は３つ以上であってもよく、並列に配置された各半透膜ユニットの少なくとも一部に、回収液を直列に供給する半透膜ユニットが付加されてもよい。図５に示す膜処理装置４０１においても、ブースターポンプ８を備えない構成にすることができる。

このように、第２の濃縮工程における各段の半透膜ユニットに対する回収液の供給について、並列的な供給をベースとして直列的な供給を適宜組み合わせることにより、各半透膜ユニットに供給される回収液の濃度および流量を容易に調整することができる。この結果、必要となるポンプの台数を低減して大容量化によるポンプ効率の向上を図ることが可能になり、各半透膜ユニットにおける膜フラックスの均等化を図ることもできる。

図３から図５に示す構成においても、図２に示す構成と同様に、各半透膜ユニット２１−１，２１−２，２１−３を通過して合流した後の回収液の一部を、各半透膜ユニット２１−１，２１−２，２１−３に個別に循環させることが可能であり、各半透膜ユニット２１−１，２１−２，２１−３への循環流量は、流量制御弁の開度調節により個別に制御することができる。回収液を循環させる構成は、各段の少なくともいずれかの各半透膜ユニット２１−１，２１−２，２１−３から排出される回収液を、各段の少なくともいずれかの各半透膜ユニット２１−１，２１−２，２１−３に供給される回収液に合流させる構成であればよい。

１膜処理装置
１０第１の濃縮装置
１２ＲＯ膜ユニット
１４ＮＦ膜ユニット
２０第２の濃縮装置
２１半透膜ユニット
３０エネルギー回収装置

Claims

被処理液を昇圧して逆浸透膜に通水することにより、前記逆浸透膜を透過せずに濃縮された濃縮液を生成する第１の濃縮工程と、
生成された前記濃縮液を、前記濃縮液よりも低圧の回収液に半透膜を介して接触させることにより更に濃縮する第２の濃縮工程とを備え、
前記第２の濃縮工程は、前記半透膜を介した前記濃縮液と前記回収液との接触を複数段の半透膜ユニットで行う工程を備え、前記濃縮液を各段の前記半透膜ユニットに直列に供給して、前記回収液を各段の前記半透膜ユニットに対して少なくとも２つが並列となるように供給し、
前記第２の濃縮工程で濃縮された前記濃縮液の少なくとも一部を前記回収液として使用する被処理液の膜処理方法。
前記第２の濃縮工程は、最前段の前記半透膜ユニットに供給される前記濃縮液を、最後段の前記半透膜ユニットから排出される前記濃縮液との圧力交換により昇圧する工程を備える請求項１に記載の被処理液の膜処理方法。
前記第２の濃縮工程は、各段の少なくともいずれかの前記半透膜ユニットから排出される前記回収液を、各段の少なくともいずれかの前記半透膜ユニットに供給される前記回収液に合流させる工程を備える請求項１または２に記載の膜処理方法。
前記第１の濃縮工程は、前記被処理液を昇圧する前にナノろ過膜に通水する工程を備え、前記被処理液が前記ナノろ過膜を透過しない非透過液を、前記第２の濃縮工程で濃縮された濃縮液の少なくとも一部に合流させて、前記回収液として使用する請求項１から３のいずれかに記載の膜処理方法。
前記第２の濃縮工程は、後段側の少なくとも２つの前記半透膜ユニットに並列に供給した前記回収液を合流して、前段側の前記半透膜ユニットに供給する請求項１から４のいずれかに記載の膜処理方法。
前記第２の濃縮工程は、後段側の前記半透膜ユニットに供給した前記回収液を、前段側の少なくとも２つの前記半透膜ユニットに並列に供給する請求項１から４のいずれかに記載の膜処理方法。
前記第２の濃縮工程は、後段側の少なくとも２つの前記半透膜ユニットに並列に供給した前記回収液を合流して、前段側の少なくとも２つの前記半透膜ユニットに並列に供給する請求項１から４のいずれかに記載の膜処理方法。
被処理液を昇圧して逆浸透膜に通水することにより、前記逆浸透膜を透過せずに濃縮された濃縮液を生成するＲＯ膜ユニットを有する第１の濃縮装置と、
生成された前記濃縮液を、前記濃縮液よりも低圧の回収液に半透膜を介して接触させることにより更に濃縮する第２の濃縮装置とを備え、
前記第２の濃縮装置は、前記半透膜を介した前記濃縮液と前記回収液との接触を複数段の半透膜ユニットで行うように構成され、前記濃縮液を各段の前記半透膜ユニットに直列に供給して、前記回収液を各段の前記半透膜ユニットに対して少なくとも２つが並列となるように供給し、
前記第２の濃縮装置で濃縮された前記濃縮液の少なくとも一部を、前記回収液として使用する被処理液の膜処理装置。