JP2021079315A - 水処理装置及び水処理方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】消費電力を低減可能な水処理装置及び水処理方法を提供する。【解決手段】実施形態に係る水処理装置は、水電解槽と、加圧機構と、処理部と、を備える。前記水電解槽は、水を電気分解して酸素ガスを生成可能に構成されている。前記加圧機構は、前記水電解槽で精製された前記酸素ガスが供給されて原水に圧力を印加する。前記処理部は逆浸透膜を有し、前記加圧機構で圧力を印加された前記原水が供給される。【選択図】図１
Description
実施形態は、水処理装置及び水処理方法に関する。
従来より、逆浸透膜（Reverse Osmosis Membrane：ＲＯ膜）を用いて海水などの原水から淡水や市水などの処理水を生成する技術が開発されている。海水中の水分に逆浸透膜を通過させるためには、コンプレッサー等により海水を加圧する必要があり、大きな電力を消費する。
実施形態の目的は、消費電力を低減可能な水処理装置及び水処理方法を提供することである。
実施形態に係る水処理装置は、水電解槽と、加圧機構と、処理部と、を備える。前記水電解槽は、水を電気分解して酸素ガスを生成可能に構成されている。前記加圧機構は、前記水電解槽で生成された前記酸素ガスが供給されて原水に圧力を印加する。前記処理部は逆浸透膜を有し、前記加圧機構で圧力を印加された前記原水が供給される。
実施形態に係る水処理方法は、電解液を電気分解して気体を発生させる工程と、前記気体の圧力によって原水を加圧する工程と、逆浸透膜に加圧された前記原水を通過させて処理水を生成する工程と、を備える。
＜第１の実施形態＞
図１は、本実施形態に係る水処理装置を示す図である。
図１に示すように、本実施形態に係る水処理装置１においては、水電解槽１０、電力制御装置２０、加圧機構としての原水槽３０、放出手段４０、処理部としての濾過部５０、処理水槽６０、及び、水素ガスタンク７０が設けられている。なお、図１においては、液体の流れは実線で表し、気体の流れは破線で表し、電流は一点鎖線で表している。後述する図２においても同様である。
図１は、本実施形態に係る水処理装置を示す図である。
図１に示すように、本実施形態に係る水処理装置１においては、水電解槽１０、電力制御装置２０、加圧機構としての原水槽３０、放出手段４０、処理部としての濾過部５０、処理水槽６０、及び、水素ガスタンク７０が設けられている。なお、図１においては、液体の流れは実線で表し、気体の流れは破線で表し、電流は一点鎖線で表している。後述する図２においても同様である。
水電解槽１０は、水を電気分解して酸素ガス（Ｏ２）及び水素ガス（Ｈ２）を生成する。水電解槽１０においては、陽極側セル１１及び陰極側セル１２が設けられている。陽極側セル１１内及び陰極側セル１２内には、電解液Ｅが保持されている。電解液Ｅは、例えば、アルカリ性水溶液である。陽極側セル１１と陰極側セル１２は、例えば多孔質板１３によって仕切られている。多孔質板１３は、多孔質膜を備える板状体であるが、多孔質膜を備えればよく板状体に限定されない。なお、多孔質板１３の替わりに、イオン交換膜が設けられていてもよい。陽極側セル１１内には陽極電極１４が設けられており、陰極側セル１２内には陰極電極１５が設けられている。
陽極電極１４及び陰極電極１５は、電力制御装置２０に接続されており、電力制御装置２０から直流電力が供給される。電力制御装置２０には、既存の電力系統から電力が供給されてもよく、水処理装置１の外部に設けられた発電装置（図示せず）から電力が供給されてもよい。発電装置は、再生可能エネルギーを利用する発電装置であってもよく、例えば、太陽光発電装置又は風力発電装置であってもよい。
原水槽３０は、原水Ｓを保持している。原水Ｓは、制御されていない不純物を含有した水であり、例えば、海水である。原水Ｓは、原水槽３０の下部に溜まっており、原水槽３０の上部は気相となっている。水電解槽１０の陽極側セル１１の上部と原水槽３０の上部（例えば、原水槽３０の上面など、原水槽３０のうち、水処理装置１の運転中に通常気相となるあらかじめ定めた部分）とは、酸素管３１によって、酸素ガスを流通可能に接続されている。例えば、陽極側セル１１、酸素管３１及び原水槽３０は、気密的に接続されている。これにより、水電解槽１０の陽極側セル１１内の圧力が、原水槽３０の原水Ｓに印加される。一方、原水槽３０の下部（例えば、原水槽３０の底面など、原水槽３０のうち、水処理装置１の運転中に通常液相となるあらかじめ定めた部分）と、濾過部５０との間は、原水管３２によって接続されている。原水槽３０が保持する原水Ｓの液面の少なくとも一部は、自由表面となっている。
なお、本実施形態では、加圧機構として原水槽３０を用いているが、加圧機構は、水電解槽１０で生成された酸素ガスが供給されて原水Ｓを加圧するように構成されていればよく、例えば、原水Ｓが格納されるシリンダーと、シリンダー内の原水Ｓを加圧するピストンなどにより構成されてもよい。
酸素管３１の途中には、放出手段４０が介在している。放出手段４０は、酸素管３１の酸素ガスの圧力が既定値以上になったときに、酸素ガスを酸素管３１の外部に放出する。放出手段４０は、酸素管３１内の圧力が既定値以上になったときに開く減圧弁であってもよい。放出手段４０の開閉は、機械的な手段のみによって実現してもよく、電気的な手段によって実現してもよい。電気的な手段は、酸素管３１における陽極側セル１１側の部分の圧力を測定する圧力センサーと、圧力センサーの測定値に基づいて動作するモーター等を含んでいてもよい。
処理部である濾過部５０は、加圧機構である原水槽３０で圧力を印加された原水Ｓが供給され、逆浸透膜５１を有する構成である。
濾過部５０においては、１又は複数の逆浸透膜５１が設けられている。逆浸透膜５１が複数設けられている場合は、相互に並列に接続されている。各逆浸透膜５１の形状は、例えば、円筒形である。濾過部５０には、原水槽３０から原水管３２を介して原水Ｓが供給される。濾過部５０に供給された原水Ｓは、各逆浸透膜５１に分配され、逆浸透膜５１によって濾過されることにより、処理水Ｆと濃縮水（図示せず）に分離される。処理水Ｆの不純物濃度は、濃縮水の不純物濃度よりも低い。原水Ｓが海水である場合は、不純物濃度は例えば塩分濃度である。
濾過部５０においては、１又は複数の逆浸透膜５１が設けられている。逆浸透膜５１が複数設けられている場合は、相互に並列に接続されている。各逆浸透膜５１の形状は、例えば、円筒形である。濾過部５０には、原水槽３０から原水管３２を介して原水Ｓが供給される。濾過部５０に供給された原水Ｓは、各逆浸透膜５１に分配され、逆浸透膜５１によって濾過されることにより、処理水Ｆと濃縮水（図示せず）に分離される。処理水Ｆの不純物濃度は、濃縮水の不純物濃度よりも低い。原水Ｓが海水である場合は、不純物濃度は例えば塩分濃度である。
逆浸透膜５１における処理水Ｆが排出される部分は、処理水管５２を介して、処理水槽６０に接続されている。処理水槽６０は、処理水Ｆを保持する。
水素ガスタンク７０には、水電解槽１０の陰極側セル１２において発生した水素ガスが流入する。水素ガスタンク７０は、この水素ガスを保持する。
水処理装置１には、上記以外にも、水電解槽１０に電解液Ｅを供給する電解液供給手段、電解液Ｅと酸素ガスとを分離する酸素ガス分離手段、電解液Ｅと水素ガスとを分離する水素ガス分離手段、酸素ガスから電解液Ｅを除去する酸素ガス洗浄塔、水素ガスから電解液Ｅを除去する水素ガス洗浄塔等が設けられていてもよい。
次に、本実施形態に係る水処理装置１の動作、すなわち、本実施形態に係る水処理方法について説明する。
本実施形態に係る水処理方法は、気体発生工程、原水加圧工程、および処理水生成工程を備える。気体発生工程では、電解液を電気分解して気体を発生させる。原水加圧工程では、気体発生工程の電気分解で発生した気体の圧力によって原水を加圧する。また、処理水生成工程では、原水加圧工程で加圧された原水を逆浸透膜に通して処理水を生成する。
本実施形態に係る水処理方法は、気体発生工程、原水加圧工程、および処理水生成工程を備える。気体発生工程では、電解液を電気分解して気体を発生させる。原水加圧工程では、気体発生工程の電気分解で発生した気体の圧力によって原水を加圧する。また、処理水生成工程では、原水加圧工程で加圧された原水を逆浸透膜に通して処理水を生成する。
原水槽３０内には、原水Ｓが保持されている。原水槽３０内の上部は気相となっている。また、水電解槽１０内には、電解液Ｅが保持されている。この状態で、外部から電力制御装置２０に電力が供給されると、陽極電極１４と陰極電極１５との間に直流電圧が印加される。
これにより、水電解槽１０内において電解液Ｅが電気分解され、陽極側セル１１内において酸素ガスが発生し、陰極側セル１２内において水素ガスが発生する（気体発生工程）。このとき、酸素ガスの発生に伴い、陽極側セル１１内の圧力が上昇し、水素ガスの発生に伴い、陰極側セル１２内の圧力が上昇する。例えば、陽極側セル１１内の酸素ガスの圧力は、１〜２ＭＰａ程度となる。
陽極側セル１１と原水槽３０は酸素管３１によって気密的に接続されているため、陽極側セル１１内の圧力が原水槽３０内の原水Ｓに印加される（原水加圧工程）。これにより、加圧された原水Ｓが逆浸透膜５１を通過し、処理水Ｆと濃縮水とに分離される。処理水Ｆは、処理水管５２を介して処理水槽６０に流入し、処理水槽６０によって保持される（処理水生成工程）。一方、陰極側セル１２内において発生した水素ガスは、水素ガスタンク７０に貯蔵される。
また、酸素管３１内の圧力が既定値以上となったときは、放出手段４０が作動し、酸素ガスを外部に放出する。これにより、逆浸透膜５１に過剰な圧力が印加されることを回避し、逆浸透膜５１を保護できる。
このようにして、水処理装置１は、外部から原水Ｓと電力が供給されることにより、処理水Ｆと水素ガスを生成することができる。処理水Ｆは、処理水槽６０から配管又は輸送車両等によって搬出され、種々の用途に供される。また、水素ガスは、水素ガスタンク７０から配管又は輸送車両等によって搬出され、燃料電池又は水素自動車等に供給される。
次に、本実施形態の効果について説明する。
本実施形態においては、水電解槽１０の陽極側セル１１が原水槽３０に接続されているため、水電解槽１０において生成される酸素ガスの圧力を原水槽３０内の原水Ｓに印加して、原水Ｓに逆浸透膜５１を通過させることができる。これにより、原水Ｓを加圧するためのコンプレッサー等が不要となり、消費電力を低減することができる。また、コンプレッサー等を設けるためのコストを低減できる。
本実施形態においては、水電解槽１０の陽極側セル１１が原水槽３０に接続されているため、水電解槽１０において生成される酸素ガスの圧力を原水槽３０内の原水Ｓに印加して、原水Ｓに逆浸透膜５１を通過させることができる。これにより、原水Ｓを加圧するためのコンプレッサー等が不要となり、消費電力を低減することができる。また、コンプレッサー等を設けるためのコストを低減できる。
また、本実施形態によれば、原水槽３０内において酸素ガスが原水Ｓと接するため、原水Ｓ内に酸素が溶存する。このため、処理水Ｆは酸素濃度が高い。酸素濃度が高い処理水Ｆは、例えば、農業用途に好適である。
なお、水処理装置１には、原水Ｓを加圧するためのコンプレッサーを設けてもよい。これにより、例えば、水電解槽１０の処理能力に対して濾過部５０が大きい場合等に、原水Ｓの濾過を効率的に行うことができる。この場合においても、水電解槽１０を設けない場合と比較すれば、消費電力及び設備コストを低減できる。
また、原水槽３０と処理水槽６０との間に、濾過部５０は複数段設けられていてもよい。これにより、より不純物濃度が低い処理水Ｆを容易に得ることができる。この場合、酸素ガスの圧力は、各段の濾過部５０の入側に加えることができる。また、原水槽３０と濾過部５０との間に、原水Ｓを加圧しない方式の濾過部を設けてもよい。
＜第２の実施形態＞
図２は、本実施形態に係る水処理装置を示す図である。
図２に示すように、本実施形態に係る水処理装置２においては、第１の実施形態に係る水処理装置１の構成に加えて、処理水供給部８０、発電部９０、及び、昇圧機１００が設けられている。
図２は、本実施形態に係る水処理装置を示す図である。
図２に示すように、本実施形態に係る水処理装置２においては、第１の実施形態に係る水処理装置１の構成に加えて、処理水供給部８０、発電部９０、及び、昇圧機１００が設けられている。
処理水供給部８０においては、電解液槽８１及びコンプレッサー８２が設けられている。電解液槽８１内には、電解液Ｅが保持されている。電解液槽８１の上部、例えば、上面と、処理水槽６０の下部、例えば、下面とは、処理水管８３によって接続されている。これにより、電解液槽８１には、処理水槽６０から処理水管８３を介して処理水Ｆが供給される。電解に伴って濃度が上昇した電解液Ｅに処理水Ｆを加えることにより、電解液Ｅの濃度を所定の範囲内に維持することができる。
電解液槽８１の下部と水電解槽１０とは、電解液管８４によって接続されている。コンプレッサー８２は、電解液管８４の途中に介在している。また、水電解槽１０における陽極側セル１１の上部及び陰極側セル１２の上部は、電解液管８５を介して、電解液槽８１の上部に接続されている。これにより、コンプレッサー８２が作動することにより、電解液管８４を介して、電解液槽８１から水電解槽１０に電解液Ｅが供給され、電解液管８５を介して、水電解槽１０から電解液槽８１に電解液Ｅが戻される。
このように、全体的に見れば、水電解槽１０と電解液槽８１との間で電解液Ｅが循環する。そして、処理水供給部８０が処理水Ｆを、電解液槽８１を介して水電解槽１０に供給することにより、電解液Ｅの濃度を所定の範囲内に維持する。
発電部９０は、例えば、燃料電池により構成されている。発電部９０は、水素管９１を介して、水素ガスタンク７０に接続されている。これにより、発電部９０には、水素ガスタンク７０内に貯蔵された水素ガスが供給される。発電部９０は、この水素ガス及び大気中の酸素を利用して発電する。そして、生成した電力を、例えば、電力制御装置２０、コンプレッサー８２、及び、昇圧機１００に供給して、これらを駆動する。
昇圧機１００は、例えば、ポンプである。昇圧機１００の入側は大気が流入可能となっており、出側は原水槽３０の上部、例えば、上面に接続されている。昇圧機１００が作動することにより、大気を加圧して原水槽３０内に供給する。これにより、原水槽３０内の原水Ｓに圧力を印加することができる。昇圧機１００は発電部９０から供給される電力により作動し、発電部９０は水電解槽１０において生成された水素ガスによって発電しているため、昇圧機１００を作動させるための電力の少なくとも一部を水処理装置２内で賄うことができる。
次に、本実施形態の効果について説明する。
本実施形態においては、水電解槽１０において生成された水素ガスを用いて電力を生成する発電部９０が設けられている。そして、発電部９０が生成した電力により、水電解槽１０を駆動して水素ガス及び酸素ガスを生成し、コンプレッサー８２を駆動して電解液Ｅを循環させると共に処理水Ｆを電解液Ｅに加え、昇圧機１００を駆動することにより、原水槽３０内の原水Ｓに更に圧力を加えることができる。このように、本実施形態によれば、水電解槽１０において生成された水素ガスを有効に利用して、原水Ｓの処理効率を向上させることができる。本実施形態における上記以外の構成、動作及び効果は、第１の実施形態と同様である。
本実施形態においては、水電解槽１０において生成された水素ガスを用いて電力を生成する発電部９０が設けられている。そして、発電部９０が生成した電力により、水電解槽１０を駆動して水素ガス及び酸素ガスを生成し、コンプレッサー８２を駆動して電解液Ｅを循環させると共に処理水Ｆを電解液Ｅに加え、昇圧機１００を駆動することにより、原水槽３０内の原水Ｓに更に圧力を加えることができる。このように、本実施形態によれば、水電解槽１０において生成された水素ガスを有効に利用して、原水Ｓの処理効率を向上させることができる。本実施形態における上記以外の構成、動作及び効果は、第１の実施形態と同様である。
なお、本実施形態においては、処理水供給部８０、発電部９０、及び、昇圧機１００のうち、１つ又は２つを省略してもよい。また、水電解槽１０によって生成される酸素ガス及び水素ガスの双方を、原水Ｓを加圧するために用いてもよい。これにより、淡水化など、原水Ｓから処理水を生成する処理の効率をより向上させることができる。
更に、第１又は第２の実施形態において、酸素ガスの圧力を機械的な運動に変換する手段、例えばピストン等を設け、この手段により、原水Ｓを加圧してもよい。これにより、酸素ガスが原水Ｓに接触しなくなり、酸素が原水Ｓに溶存することによる圧力損失を抑制できる。また、酸素濃度が低い処理水Ｆを生成できるため、例えば、処理水Ｆを電解液Ｅに加えて水電解槽１０に供給する場合に、水電解槽１０によって生成される水素ガスの純度を向上させることができる。
以上説明した実施形態によれば、消費電力を低減可能な水処理装置及び水処理方法を実現することができる。
なお、前述の第１及び第２の実施形態においては、海水などの原水から淡水などの処理水を生成する技術を記載したが、原水は海水に限定されない。例えば、水道水を原水とした場合、純水または超純水を処理水として生成することができる。
以上、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。これら新規な実施形態は、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ともに、特許請求の範囲に記載された発明及びその等価物の範囲に含まれる。
１、２：水処理装置
１０：水電解槽
１１：陽極側セル
１２：陰極側セル
１３：多孔質板
１４：陽極電極
１５：陰極電極
２０：電力制御装置
３０：原水槽
３１：酸素管
３２：原水管
４０：放出手段
５０：濾過部
５１：逆浸透膜
５２：処理水管
６０：処理水槽
７０：水素ガスタンク
８０：処理水供給部
８１：電解液槽
８２：コンプレッサー
８３：処理水管
８４、８５：電解液管
９０：発電部
９１：水素管
１００：昇圧機
Ｅ：電解液
Ｆ：処理水
Ｓ：原水
１０：水電解槽
１１：陽極側セル
１２：陰極側セル
１３：多孔質板
１４：陽極電極
１５：陰極電極
２０：電力制御装置
３０：原水槽
３１：酸素管
３２：原水管
４０：放出手段
５０：濾過部
５１：逆浸透膜
５２：処理水管
６０：処理水槽
７０：水素ガスタンク
８０：処理水供給部
８１：電解液槽
８２：コンプレッサー
８３：処理水管
８４、８５：電解液管
９０：発電部
９１：水素管
１００：昇圧機
Ｅ：電解液
Ｆ：処理水
Ｓ：原水
Claims (8)
- 水を電気分解して酸素ガスを生成可能に構成された水電解槽と、
前記水電解槽で生成された前記酸素ガスが供給されて原水に圧力を印加する加圧機構と、
前記加圧機構で圧力を印加された前記原水が供給され、逆浸透膜を有する処理部と、
を備えた水処理装置。 - 前記加圧機構は原水槽である請求項１に記載の水処理装置。
- 前記処理部からの処理水を前記水電解槽に供給する処理水供給部をさらに備えた請求項１または２に記載の水処理装置。
- 前記電解槽は、前記水の電気分解により水素ガスを生成可能に構成され、
前記水素ガスを用いて電力を生成する発電部をさらに備えた請求項１〜３のいずれか１つに記載の水処理装置。 - 前記電力により駆動され、前記原水に圧力を印加する昇圧機をさらに備えた請求項４に記載の水処理装置。
- 前記水電解槽は前記電力により駆動される請求項４または５に記載の水処理装置。
- 前記陽極側セルに接続され、前記酸素ガスの圧力が既定値以上になったときに、前記酸素ガスを外部に放出する放出手段をさらに備えた請求項１〜６のいずれか１つに記載の水処理装置。
- 電解液を電気分解して気体を発生させる工程と、
前記気体の圧力によって原水を加圧する工程と、
逆浸透膜に加圧された前記原水を通過させて処理水を生成する工程と、
を備えた水処理方法。
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