JP2024005365A - 水処理方法および水処理システム - Google Patents
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Abstract
【課題】下限臨界共溶温度（ＬＣＳＴ）型ドロー溶質を用いる正浸透処理を含む水処理方法において、更なる効率化を図ること。【解決手段】半透膜１０の一方の面を、水と水以外の成分を含む対象溶液に接触させると共に、半透膜の他方の面を、温度上昇により溶解度が低下するドロー溶質を含むドロー溶液に接触させることで、対象溶液中に含まれる水を、半透膜を通してドロー溶液に移動させる、正浸透工程と、正浸透工程の後に、ドロー溶液の温度を上昇させることで、ドロー溶液を低濃度ドロー溶液と高濃度ドロー溶液とに分離する、相分離工程と、分離膜２０を用いて、低濃度ドロー溶液を水とドロー溶質を含む濃縮液とに分離する、膜分離工程と、を含み、ドロー溶質は、式（１）で表される共重合体を含む、水処理方法。TIFF2024005365000008.tif7125【選択図】図１
Description
本発明は、水処理方法および水処理システムに関する。
従来、水処理分野においては、逆浸透（ＲＯ：reverse osmosis）工程による淡水化方法が広く知られている。一方、正浸透（ＦＯ：forward osmosis）現象は、低濃度側の溶媒（水など）が高濃度側の溶液に向かって移動する現象のことである。
膜分離工程は、人為的に高い圧力を高濃度の対象溶液に加えることにより、正浸透とは逆に高濃度の対象溶液（海水など）から低濃度の溶液（水など）側に水を移動させる工程である。これにより、例えば、対象溶液から水を生産することができる。膜分離工程は高い圧力を必要とするため、エネルギー消費量が極めて多く、エネルギー効率が低い。そこで、近年、水処理のエネルギー効率を高めるために、人為的に圧力を加える必要のない正浸透工程による淡水化方法が検討されている。
ここで、正浸透用の高張液である誘導溶液（ドロー溶液）の溶質（ドロー溶質）として、近年、ドロー溶液からのドロー溶質の回収が容易であり、再利用可能な点で、温度変化によって水との相溶状態が可逆的に変化するドロー溶質（温度応答性ドロー溶質）が注目されている。
例えば、特許文献１（特表２０１９－５２９０７７号公報）、特許文献２（国際公開第２０１８／１５０６９０号）および特許文献３（特開２０１５－４７５４１号公報）には、加熱（温度上昇）により溶解度が低下するドロー溶質を用いた正浸透処理を含む、水処理方法が開示されている。
なお、温度上昇により溶解度が低下するドロー溶質（下限臨界共溶温度（ＬＣＳＴ）型温度応答性高分子）を用いる場合、温度を上昇させることにより、ドロー溶液を低濃度画分（低濃度ドロー溶液）と高濃度画分（高濃度ドロー溶液）とに相分離させることはできるが、多くの場合、温度上昇だけでは水とドロー溶質とを完全に分離することはできない。
このため、図１に示されるように、正浸透モジュール１での正浸透処理によって、希釈されたドロー溶液を加熱等によって、分離槽３で低濃度ドロー溶液と高濃度ドロー溶液とに相分離させた後、分離膜モジュール２で低濃度ドロー溶液を膜分離処理することにより、低濃度ドロー溶液から最終的に水が回収される。
しかしながら、このような水処理方法および水処理システムの更なる効率化のために、従来の下限臨界共溶温度（ＬＣＳＴ）型ドロー溶質には改善の余地があった。すなわち、正浸透処理においてドロー溶液に対象溶液から水を分離するための十分な浸透圧を付与することができ、かつ、上記の相分離および膜分離においてドロー溶液中に回収された水と容易に分離させることができる、ドロー溶質を用いることにより、水処理方法および水処理システムの更に効率化することが望まれていた。
上記課題に鑑み、本発明の目的は、下限臨界共溶温度（ＬＣＳＴ）型ドロー溶質を用いる正浸透処理を含む水処理方法において、更なる効率化を図ることである。
［１］ 半透膜の一方の面を、水と水以外の成分を含む対象溶液に接触させると共に、前記半透膜の他方の面を、温度上昇により溶解度が低下するドロー溶質を含むドロー溶液に接触させることで、前記対象溶液中に含まれる水を、前記半透膜を通して前記ドロー溶液に移動させる、正浸透工程と、
前記正浸透工程の後に、前記ドロー溶液の温度を上昇させることで、前記ドロー溶液を低濃度ドロー溶液と高濃度ドロー溶液とに分離する、相分離工程と、
分離膜を用いて、前記低濃度ドロー溶液を水と前記ドロー溶質を含む濃縮液とに分離する、膜分離工程と、を含み、
前記ドロー溶質は、下記式（１）で表される共重合体を含む、水処理方法。
（式（１）において、ｘ、ｙおよびｚは各々独立な自然数である。）
前記正浸透工程の後に、前記ドロー溶液の温度を上昇させることで、前記ドロー溶液を低濃度ドロー溶液と高濃度ドロー溶液とに分離する、相分離工程と、
分離膜を用いて、前記低濃度ドロー溶液を水と前記ドロー溶質を含む濃縮液とに分離する、膜分離工程と、を含み、
前記ドロー溶質は、下記式（１）で表される共重合体を含む、水処理方法。
（式（１）において、ｘ、ｙおよびｚは各々独立な自然数である。）
［２］ 前記ドロー溶質の数平均分子量は２０００～３０００であり、
前記ドロー溶質の１質量％水溶液でのＬＣＳＴは３５～５０℃であり、
前記ドロー溶質においてエチレンオキシド基が占める比率は、３５～５０質量％である、請求項１の水処理方法。
前記ドロー溶質の１質量％水溶液でのＬＣＳＴは３５～５０℃であり、
前記ドロー溶質においてエチレンオキシド基が占める比率は、３５～５０質量％である、請求項１の水処理方法。
［３］ 正浸透工程の温度は４０℃未満であり、
相分離工程において、ドロー溶液は４０℃以上の温度に上昇し、
膜分離工程の温度は４０℃以上である、［１］または［２］に記載の水処理方法。
相分離工程において、ドロー溶液は４０℃以上の温度に上昇し、
膜分離工程の温度は４０℃以上である、［１］または［２］に記載の水処理方法。
［４］ ［１］～［３］のいずれか１項に記載の正浸透水処理方法に用いられる正浸透水処理システムであって、
半透膜、半透膜の一方の面に対象溶液を接触させるために設けられた第１室、および、半透膜の他方の面にドロー溶液を接触させるために設けられた第２室を含む、正浸透モジュールと、
ドロー溶液の温度を上昇させることで、ドロー溶液を低濃度ドロー溶液と高濃度ドロー溶液とに分離するための加熱機構を有する分離槽と、
低濃度ドロー溶液を水とドロー溶質を含む濃縮液とに分離するための分離膜と、を備える、水処理システム。
半透膜、半透膜の一方の面に対象溶液を接触させるために設けられた第１室、および、半透膜の他方の面にドロー溶液を接触させるために設けられた第２室を含む、正浸透モジュールと、
ドロー溶液の温度を上昇させることで、ドロー溶液を低濃度ドロー溶液と高濃度ドロー溶液とに分離するための加熱機構を有する分離槽と、
低濃度ドロー溶液を水とドロー溶質を含む濃縮液とに分離するための分離膜と、を備える、水処理システム。
本発明によれば、下限臨界共溶温度（ＬＣＳＴ）型ドロー溶質を用いる正浸透処理を含む水処理方法において、更なる効率化を図ることができる。
＜水処理方法＞
本発明の水処理方法は、対象溶液（水と水以外の成分を含む液）から水を分離する方法である。対象溶液としては、例えば、海水、河川水、湖沼水、工業廃水などが挙げられる。
本発明の水処理方法は、対象溶液（水と水以外の成分を含む液）から水を分離する方法である。対象溶液としては、例えば、海水、河川水、湖沼水、工業廃水などが挙げられる。
図５を参照して、本発明の水処理方法は、以下に説明する正浸透工程と、相分離工程と、膜分離工程と、を少なくとも含む。
［正浸透工程］
正浸透工程では、半透膜の一方の面を、水と水以外の成分を含む対象溶液に接触させると共に、半透膜の他方の面を、温度上昇により溶解度が低下するドロー溶質を含むドロー溶液に接触させる。これにより、対象溶液中に含まれる水を、半透膜を通してドロー溶液に移動させる。
正浸透工程では、半透膜の一方の面を、水と水以外の成分を含む対象溶液に接触させると共に、半透膜の他方の面を、温度上昇により溶解度が低下するドロー溶質を含むドロー溶液に接触させる。これにより、対象溶液中に含まれる水を、半透膜を通してドロー溶液に移動させる。
図１を参照して、半透膜１０の一方の面に接して設けられた第１室１１内に、対象溶液（ＦＳ：フィード溶液）を流入させて、対象溶液を半透膜１０の一方の面に接触させる。これと共に、半透膜１０の他方の面に接して設けられた第２室１２内に、ドロー溶質を含むドロー溶液（ＤＳ）を流入させて、ドロー溶液を半透膜１０の他方の面に接触させる。このようにすることで、正浸透現象によって、対象溶液中に含まれる水が、半透膜１０を透過して第１室１１から第２室１２に移動する。
正浸透工程に用いられる半透膜としては、特に限定されず、正浸透に用いることのできる種々の膜を使用できる。
半透膜としては、例えば、逆浸透膜（ＲＯ膜：Reverse Osmosis Membrane）、正浸透膜（ＦＯ膜：Forward Osmosis Membrane）、ナノろ過膜（ＮＦ膜：Nanofiltration Membrane）、限外ろ過膜（ＵＦ膜：Ultrafiltration Membrane）と呼ばれる半透膜が挙げられる。半透膜は、好ましくは逆浸透膜または正浸透膜、ナノろ過膜である。なお、半透膜として逆浸透膜または正浸透膜、ナノろ過膜を用いる場合、第１室内の対象溶液の圧力は、好ましくは０．０１～１０ＭＰａである。
通常、ＲＯ膜およびＦＯ膜の孔径は約２ｎｍ以下であり、ＵＦ膜の孔径は約２～１００ｎｍである。ＮＦ膜は、ＲＯ膜のうちイオンや塩類の阻止率が比較的低いものであり、通常、ＮＦ膜の孔径は約１～２ｎｍである。半透膜としてＲＯ膜またはＦＯ膜、ＮＦ膜を用いる場合、ＲＯ膜またはＦＯ膜、ＮＦ膜の塩除去率は好ましくは９０％以上である。
半透膜を構成する材料としては、特に限定されないが、例えば、セルロース系樹脂、ポリスルホン系樹脂、ポリアミド系樹脂などが挙げられる。半透膜は、セルロース系樹脂およびポリスルホン系樹脂の少なくともいずれかを含む材料から構成されることが好ましい。
セルロース系樹脂は、好ましくは酢酸セルロース系樹脂である。酢酸セルロース系樹脂は、殺菌剤である塩素に対する耐性があり、微生物の増殖を抑制できる特徴を有している。酢酸セルロース系樹脂は、好ましくは酢酸セルロースであり、耐久性の点から、より好ましくは三酢酸セルロースである。セルロース系の半透膜としては、例えば、ＣＴＡ（東洋紡株式会社製）が挙げられる。
ポリスルホン系樹脂は、好ましくはポリエーテルスルホン系樹脂である。ポリエーテルスルホン系樹脂は、好ましくはスルホン化ポリエーテルスルホンである。
半透膜の形状としては、特に限定されないが、例えば、平膜、スパイラル膜または中空糸膜が挙げられる。中空糸膜（中空糸型半透膜）は、スパイラル型半透膜などに比べて、膜厚が小さく、さらにモジュール当たりの膜面積を大きくすることができ、浸透効率を高めることができる点で有利である。
＜ドロー溶質＞
本実施形態で用いられるドロー溶質（温度上昇により溶解度が低下する溶質）は、前記ドロー溶質は、下記式（１）で表される高分子化合物を含む。
本実施形態で用いられるドロー溶質（温度上昇により溶解度が低下する溶質）は、前記ドロー溶質は、下記式（１）で表される高分子化合物を含む。
式（１）で示されるように、本実施形態のドロー溶質は、共重合体であり、少なくとも１つのエチレンオキシド（ＥＯ）基（親水性基）からなるポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）鎖（親水性セグメント）と、該ＰＥＯ鎖の両端の各々に結合する少なくとも１つのプロピレンオキシド（ＰＯ）基（疎水性基）からなるポリプロピレンオキシド（ＰＰＯ）鎖（疎水性セグメント）から構成される。なお、式（１）で示されるとおり、共重合体の両端は水素が付加されている。
ＰＥＯ鎖を構成するＥＯ基の数（ｙ）は、例えば、１０～３０である。ＰＰＯ鎖を構成するＰＯ基の数（ｘまたはｚ）は、例えば、１０～３０である。なお、ｘ：ｚは、好ましくは１：２～２：１であり、より好ましくは実質的に１：１である。
本実施形態で用いられるドロー溶質の製品としては、例えば、非イオン界面活性剤として販売されている株式会社ＡＤＥＫＡ製のプルロニック（Pluronic，登録商標）１７Ｒ４が挙げられる。
上記のドロー溶質は、いわゆるＬＣＳＴ型の温度応答性高分子としての機能を有する。ＬＣＳＴ型の温度応答性高分子の水溶液は、その温度を上昇させたときに固有の下限臨界共溶温度（Lower Critical Solution Temperature：ＬＣＳＴ）より高い温度になると、溶質の脱水和が生じ、溶質分子の凝集（ミセル化）により温度相転移（液－液相分離）を生じ、希薄相（低濃度ドロー溶液）と濃厚相（高濃度ドロー溶液）とに相分離する。なお、ＬＣＳＴより低い温度に冷却すると、再び元の溶液に戻るという可逆的な相分離挙動を示す。
（平均分子量）
ドロー溶質の数平均分子量（Ｍｎ）は、好ましくは２０００～３０００である。
ドロー溶質の数平均分子量（Ｍｎ）は、好ましくは２０００～３０００である。
ドロー溶質の平均分子量が小さい方が、同じ質量のドロー溶質を添加する場合、ドロー溶液中のモル濃度が高くなる。このため、ドロー溶液の浸透圧をより高くすることができ、正浸透工程を効率的に実施することができる。例えば、ドロー溶質の数平均分子量が３０００以下である場合、高い浸透圧を有するドロー溶液を提供することができる。
一例として、プルロニック（登録商標）１７Ｒ４（Ｍｎ：２６５０）は、プルロニック２５Ｒ２（Ｍｎ：３１００）に比べて、分子量が小さいため、ドロー溶液のモル濃度を容易に高めることができる。さらに、プルロニック（登録商標）１７Ｒ４は、プルロニック２５Ｒ２に比べて会合し難いため、ドロー溶液中に多くの量を添加してもポリマー単体として存在できる。したがって、プルロニック１７Ｒ４は、プルロニック２５Ｒ２に比べて、高い浸透圧を有するドロー溶液を提供することができる。
例えば、図２は、プロニック(登録商標)１７Ｒ４の濃度と浸透圧との関係を示すグラフである。図２から、例えば、プロニック１７Ｒ４の８０質量％水溶液をＤＳとして用い、海水を対象溶液（ＦＳ）とする正浸透工程において、ＤＳが５０質量％まで希釈されるような水処理において、ＤＳが常に海水（ＦＳ）よりも高い浸透圧を有することになり、正浸透工程を効率的に実施することができると考えられる。
一方、図３は、プロニック(登録商標)２５Ｒ２の濃度と浸透圧との関係を示すグラフである。図３から、プロニック２５Ｒ２が海水（ＦＳ）よりも高い浸透圧を有するＤＳの濃度範囲は狭いため、正浸透工程でＤＳにより回収できる水の量はプロニック１７Ｒ４の場合と比べて少なく、正浸透工程を効率的に実施することができないと考えられる。
一方で、ドロー溶質の数平均分子量が小さ過ぎると、正浸透工程において、第２室１２中のドロー溶質が半透膜１０（ＦＯ膜）を透過してＦＳ側（第１室１１側）へ漏れ出す可能性が高くなると考えられる。このため、ドロー溶質の数平均分子量は２０００以上であることが好ましい。例えば、プルロニック１７Ｒ４（Ｍｎ：２６５０）は、この条件も満たす。
（ＬＣＳＴ）
ドロー溶質の５０質量％水溶液でのＬＣＳＴ、および、８０質量％水溶液でのＬＣＳＴの両方が、４５℃以上であることが好ましい。
ドロー溶質の５０質量％水溶液でのＬＣＳＴ、および、８０質量％水溶液でのＬＣＳＴの両方が、４５℃以上であることが好ましい。
通常、正浸透工程は、余分なエネルギーを必要としないためには、室温または室温に近い温度で行うことが好ましい。このような温度でドロー溶液が相分離してしまうと、浸透圧が低下して正浸透工程の効率が低下する可能性がある。このため、室温または室温に近い温度でドロー溶液が相分離しないようにするために、ドロー溶液のＬＣＳＴが４５℃以上であることが好ましい。ここで、例えば、正浸透工程でドロー溶液が８０質量％から５０質量％まで希釈されることを想定すれば、ドロー溶質の５０質量％水溶液でのＬＣＳＴおよび８０質量％水溶液でのＬＣＳＴの両方が、４５℃以上であることが好ましいと考えられる。
また、ドロー溶質の５０質量％水溶液でのＬＣＳＴは、好ましくは６５℃以下であり、より好ましくは５５℃以下である。
例えば、正浸透工程でドロー溶液が８０質量％から５０質量％まで希釈されることを想定すれば、相分離工程では、ドロー溶質の５０質量％水溶液でのＬＣＳＴより高い温度まで加温を行う必要がある。この加温の温度が低い方が、相分離工程の消費エネルギーが少ないため、水処理のエネルギー効率の面で好ましい。したがって、ドロー溶質の５０質量％水溶液でのＬＣＳＴが、例えば、６５℃以下であることが好ましいと考えられる。
図４は、プロニック(登録商標)１７Ｒ４の濃度と応答温度（曇点）との関係を示すグラフである。図４に示されるように、プルロニック１７Ｒ４の水溶液のＬＣＳＴは濃度５０～８０質量％の範囲で４５℃以上であり、かつ、プルロニック１７Ｒ４の５０質量％水溶液でのＬＣＳＴが６５℃以下である。このプルロニック１７Ｒ４のようなドロー溶質を用いることが好ましい。
（ＥＯ比率）
前記ドロー溶質においてエチレンオキシド（ＥＯ）基が占める比率（ＥＯ比率）は、好ましくは３５～５０質量％である。
前記ドロー溶質においてエチレンオキシド（ＥＯ）基が占める比率（ＥＯ比率）は、好ましくは３５～５０質量％である。
ドロー溶質の温度応答性（相分離挙動）は、ドロー溶質の親水性に影響を受ける。ドロー溶質の親水性は、ドロー溶質（共重合体）分子中に含まれるＥＯ基（親水性基）の比率、すなわち、ＥＯ基とプロピレンオキシド（ＰＯ）基（疎水性基）のバランス影響を受ける。
本発明者らは、種々のＬＣＳＴ型温度応答性高分子を検討した結果、上記ＥＯ比率が３５～５０質量％である場合、５０質量％水溶液でのＬＣＳＴおよび８０質量％水溶液でのＬＣＳＴの両方が、４５℃以上となり、かつ、５０質量％水溶液でのＬＣＳＴが６５℃以下となることを見出した。したがって、上記ＬＣＳＴに関する理由と同様の理由で、ＥＯ比率が３５～５０質量％であるＬＣＳＴ型温度応答性高分子をドロー溶質として用いることが好ましい。
（曇点）
ドロー溶質の１質量％水溶液での曇点は、好ましくは３５℃～５０℃であり、より好ましくは４０～５０℃である。曇点とは、ドロー溶液の温度を上昇させたときに、ドロー溶質の析出（固－液相分離）が始まる温度である。なお、曇点以上の温度では、ミセル状態で溶解しているドロー溶質も液相から分離して析出する。曇点は、通常、液－液相分離が始まるＬＣＳＴよりも高い温度である。
ドロー溶質の１質量％水溶液での曇点は、好ましくは３５℃～５０℃であり、より好ましくは４０～５０℃である。曇点とは、ドロー溶液の温度を上昇させたときに、ドロー溶質の析出（固－液相分離）が始まる温度である。なお、曇点以上の温度では、ミセル状態で溶解しているドロー溶質も液相から分離して析出する。曇点は、通常、液－液相分離が始まるＬＣＳＴよりも高い温度である。
上記曇点が３５℃以上であると、膜分離工程の温度が相分離工程と同様に４０℃程度である場合、上記相分離工程により得られた低濃度ＤＳ（希薄相）中では、ドロー溶質が溶解した状態で存在する。膜分離工程では、このように低濃度ＤＳ中でドロー溶質が溶解した状態が維持されることが望ましい。
一方、上記曇点が３５℃未満であると、ユニマーの水中での安定性が低いため、ミセル形成が起こりやすい傾向にあり、中濃度～高濃度領域での浸透圧が低くなる。そのため、ドロー溶液として使用可能な濃度域が狭くなる。
例えば、プルロニック１７Ｒ４の１質量％水溶液での曇点は３８～４４℃であり３５℃以上（４０℃付近）である。このためプルロニック１７Ｒ４のモノポリマーの水中での安定性は高い。これより、図２よりプルロニック１７Ｒ４水溶液の浸透圧は、濃度５０質量％以上から海水の浸透圧を超えるため、ドロー溶液として使用可能な濃度域が広い。
一方、プルロニック２５Ｒ２の１質量％水溶液での曇点は、２７～３２℃であり、３５℃未満である。この場合、プルロニック２５Ｒ２のモノポリマーの水中での安定性が低い。これより、図３よりプルロニック２５Ｒ２の水溶液の浸透圧は、濃度７０質量％以上になって海水の浸透圧を超えるため、ドロー溶液として使用可能な濃度域が狭い。
なお、上記曇点が５０℃を超える場合、ドロー溶質のＬＣＳＴも高温になり、相分離工程で高温に加熱する必要があるため、エネルギーコストが高くなるという問題が生じる可能性があるため、上記曇点は５０℃以下であることが好ましい。
［相分離工程］
相分離工程では、正浸透工程の後に、ドロー溶液の温度を上昇させることで、ドロー溶液を低濃度ドロー溶液と高濃度ドロー溶液とに分離（相分離）する。
相分離工程では、正浸透工程の後に、ドロー溶液の温度を上昇させることで、ドロー溶液を低濃度ドロー溶液と高濃度ドロー溶液とに分離（相分離）する。
相分離工程におけるドロー溶液の上昇後の温度は、好ましくは４０℃以上９０℃以下であり、より好ましくは４０℃以上８５℃以下であり、さらに好ましくは４０℃以上８０℃以下である。
対象溶液中の水を含むドロー溶液を、分離槽３内に流入させ、ここでドロー溶液の温度を上昇させることで、希薄相（低濃度ドロー溶液）と濃厚相（高濃度ドロー溶液）に分離させる。例えば、ドロー溶質がＬＣＳＴ型の温度応答性高分子を含む場合は、ドロー溶液の温度をＬＣＳＴ以上に上昇させることで、希薄相（低濃度ドロー溶液）と濃厚相（高濃度ドロー溶液）に分離させることができる。このように、ドロー溶液の温度を上昇させるために、分離槽３は加熱機構を有していることが好ましい。
［膜分離工程］
膜分離工程では、分離膜を用いて、上記相分離工程で分離された低濃度ドロー溶液（希薄相）を水とドロー溶質を含む濃縮液とに分離する。膜分離工程では、加圧、減圧などによる圧力差を駆動力として、膜分離（ろ過）が行われる。分離膜としては、例えば、ＵＦ膜、ＮＦ膜、ＲＯ膜などを用いることができる。
膜分離工程では、分離膜を用いて、上記相分離工程で分離された低濃度ドロー溶液（希薄相）を水とドロー溶質を含む濃縮液とに分離する。膜分離工程では、加圧、減圧などによる圧力差を駆動力として、膜分離（ろ過）が行われる。分離膜としては、例えば、ＵＦ膜、ＮＦ膜、ＲＯ膜などを用いることができる。
膜分離工程の温度は、正浸透工程の温度よりも高い温度が好ましい。また、相分離温度より低い温度が好ましい。膜分離工程の温度は、より好ましくは４０℃以上９０℃以下であり、さらに好ましくは４０℃以上８５℃以下であり、さらにより好ましくは４０℃以上８０℃以下である。
なお、上記相分離工程により得られた低濃度ＤＳ（希薄相）中では、ドロー溶質（ＬＣＳＴ型温度応答性高分子）が溶解した状態で存在する。膜分離工程では、このように低濃度ＤＳ中でドロー溶質が溶解した状態が維持されることが望ましい。したがって、膜分離工程の温度は、低濃度ＤＳ（例えば、１質量％程度のドロー溶質を含む溶液）の曇点と同程度またはそれ以上の温度に維持されることが好ましい。
なお、この膜分離工程によって分離された水を回収することで、水処理方法の目的物である水を得ることができる。得られた水には、さらに水の品質を高めるための処理が行われてもよい。
膜分離工程で分離されたドロー溶質、および、相分離工程で得られるドロー溶質を含む濃縮液（高濃度ドロー溶液）は、正浸透工程においてドロー溶液として再利用されることが好ましい。
＜水処理システム＞
図１は、本発明に係る水処理システムの一例を示す模式図である。
図１を参照して、上記の水処理方法に用いられる水処理システムは、
半透膜１０、半透膜１０の一方の面に対象溶液を接触させるために設けられた第１室１１、および、半透膜の他方の面にドロー溶液を接触させるために設けられた第２室１２を含む、正浸透モジュール１と、
ドロー溶液の温度を上昇させることで、ドロー溶液を低濃度ドロー溶液と高濃度ドロー溶液とに分離するための加熱機構を有する分離槽３と、
低濃度ドロー溶液を水とドロー溶質とに分離するための分離膜２０（分離膜モジュール２）と、を備える。
図１は、本発明に係る水処理システムの一例を示す模式図である。
図１を参照して、上記の水処理方法に用いられる水処理システムは、
半透膜１０、半透膜１０の一方の面に対象溶液を接触させるために設けられた第１室１１、および、半透膜の他方の面にドロー溶液を接触させるために設けられた第２室１２を含む、正浸透モジュール１と、
ドロー溶液の温度を上昇させることで、ドロー溶液を低濃度ドロー溶液と高濃度ドロー溶液とに分離するための加熱機構を有する分離槽３と、
低濃度ドロー溶液を水とドロー溶質とに分離するための分離膜２０（分離膜モジュール２）と、を備える。
図１に示されるように、ポンプ４１～４６によって、矢印の方向にＦＳ、ＤＳなどが流される。分離槽３は加熱機構を有している。すなわち、分離槽３の周囲には、分離槽３に供給された希釈ＤＳの温度を上昇させて、相分離させるために、廃熱水などの温水が供給される。温水の温度は、相分離工程におけるＤＳの上昇後の温度の目標値に合わせて調整すればよい。
分離槽３においては、ドロー溶液（希釈ＤＳ）は、温度上昇により、低濃度ＤＳと高濃度ＤＳに相分離する。なお、分離槽３で分離された高濃度ＤＳと、分離膜モジュール２で濃縮された低濃度ＤＳは、ポンプ４４によって、タンク５に送られて、一時的に貯留された後に、正浸透工程のＤＳとして再利用され得る。
分離膜２０としては、例えば、限外ろ過膜（ＵＦ膜：Ultrafiltration Membrane）、ナノろ過膜（ＮＦ膜：Nanofiltration Membrane）、逆浸透膜（ＲＯ膜：Reverse Osmosis Membrane）と呼ばれる半透膜が挙げられる。
分離膜モジュール２は、高温（例えば、４０℃以上）での耐熱性を有していることが好ましい。この場合、分離槽３から排出される高温の低濃度ＤＳに対して、冷却工程等を必要とせずに、効率的に膜分離工程を実施することができる。
耐熱性を有する分離膜の材質としては、例えば、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）系樹脂、ポリアミド（ＰＡ）系樹脂、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）系樹脂などが挙げられる。また、分離膜モジュールは、分離膜以外の部品も耐熱性を有しており、全体として耐熱性を有していることが好ましい。耐熱性を有する分離膜モジュールの製品としては、例えば、サーモプラス（日東電工株式会社製）、デュラサーモ（ＧＥウォーター・テクノロジーズ社製）、ロメンブラ（登録商標）のＴＳシリーズ（東レ株式会社製）などが挙げられる。
また、耐熱性を有する分離膜の他の材質としては、例えば、アルミナ、シリカ等のセラミックが挙げられる。耐熱性膜用のシリカとしては、例えば、ビストリルエトキシシリルエタン由来のシリカが挙げられる（都留稔了、「多様な水源に対応できるロバストＲＯ／ＮＦ膜の開発」、水環境学会誌、vol.36(A)、No.1、pp.8-10、2013参照）。
種々のドロー溶質（ＬＣＳＴ型温度応答性高分子）について、以下の〔１〕～〔３〕の評価を行った。
〔１〕 共重合体の配列順序（ＬＣＳＴの上限）に関する検討
表１に示される共重合体（プルロニック（登録商標）、株式会社ＡＤＥＫＡまたはＢＡＳＦ社）の各々について、ドロー溶質の５０質量％水溶液および８０質量％水溶液でのＬＣＳＴを表１に示す。ドロー溶質の５０質量％水溶液でのＬＣＳＴが６５℃以下であった場合を「ＯＫ」、６５℃超であった場合を「ＮＧ」と評価した。評価結果を表１に示す。なお、表１に示されるＭｎは、数平均分子量を意味する。
表１に示される共重合体（プルロニック（登録商標）、株式会社ＡＤＥＫＡまたはＢＡＳＦ社）の各々について、ドロー溶質の５０質量％水溶液および８０質量％水溶液でのＬＣＳＴを表１に示す。ドロー溶質の５０質量％水溶液でのＬＣＳＴが６５℃以下であった場合を「ＯＫ」、６５℃超であった場合を「ＮＧ」と評価した。評価結果を表１に示す。なお、表１に示されるＭｎは、数平均分子量を意味する。
表１に示される結果から、ドロー溶質として上記化学式（１）とは異なるＰＥＯ－ＰＰＯ－ＰＥＯの配列を有する共重合体（プルロニックＬ６４およびＬ４３）を用いた場合は、５０質量％水溶液でのＬＣＳＴが高く（６５℃超であり）、相分離工程を実施するために必要な熱量が大きいため、水処理を実施する上でエネルギー効率が悪いことが分かる。
また、浸透圧に関して、ドロー溶質の数平均分子量が２０００～３０００以下である場合を「ＯＫ」、３０００超である場合を「ＮＧ」と評価した。なお、正浸透工程に必要な十分な浸透圧を得るためのドロー溶質の数平均分子量について、上述の理由から、３０００以下であることを評価基準とした。なお、評価結果を表２に示す。
表２に示される結果から、正浸透工程を効率的に実施する観点では、「ＬＣＳＴ」についてはプルロニック１７Ｒ４およびプロニック２５Ｒ２がより好ましい共重合体であることが分かる。
なお、ＥＯ比率はＬＣＳＴとの関連性が高いため、表２に示される結果から、プルロニック１７Ｒ４のようにＥＯ比率が３５～５０質量％である場合、５０質量％水溶液でのＬＣＳＴおよび８０質量％水溶液でのＬＣＳＴの両方が、４５℃以上となり、かつ、５０質量％水溶液でのＬＣＳＴが６５℃以下となると考えられる。
また、浸透圧に関しては、プルロニック１７Ｒ４、プルロニック１７Ｒ２、および、プロニック２５Ｒ１がより好ましい共重合体であることが分かる。
そして、ＬＣＳＴおよび浸透圧の両者に関して好ましい共重合体は、プルロニック１７Ｒ４であることが分かる。
〔２〕 正浸透工程におけるドロー溶質の漏れ出しの検討
表３に示されるプロニックの各々をドロー溶質として用いて、正浸透工程（半透膜：三酢酸セルロース製中空糸膜、ＤＳ濃度：７０質量％、ＦＳ濃度：０質量％（ＲＯ水））を実施した。この正浸透工程において、ドロー溶質が半透膜（ＦＯ膜）を透過してＦＳ側へ漏れ出した量（溶質漏れ量）を、ＴＯＣ（全有機炭素濃度）によって測定した。測定結果を表３に示す。
表３に示されるプロニックの各々をドロー溶質として用いて、正浸透工程（半透膜：三酢酸セルロース製中空糸膜、ＤＳ濃度：７０質量％、ＦＳ濃度：０質量％（ＲＯ水））を実施した。この正浸透工程において、ドロー溶質が半透膜（ＦＯ膜）を透過してＦＳ側へ漏れ出した量（溶質漏れ量）を、ＴＯＣ（全有機炭素濃度）によって測定した。測定結果を表３に示す。
表３に示される結果から、ドロー溶質の数平均分子量（Ｍｎ）が約２０００未満である場合、正浸透工程において、ドロー溶質が半透膜（ＦＯ膜）を透過してＦＳ側へ漏れ出す量が多くなる可能性が高くなると考えられる。
１ 正浸透モジュール、１０ 半透膜、１１ 第１室、１２ 第２室、２ 分離膜モジュール、２０ 分離膜、３ 分離槽、４１～４６ ポンプ、５ タンク。
Claims (6)
- 半透膜の一方の面を、水と水以外の成分を含む対象溶液に接触させると共に、前記半透膜の他方の面を、温度上昇により溶解度が低下するドロー溶質を含むドロー溶液に接触させることで、前記対象溶液中に含まれる水を、前記半透膜を通して前記ドロー溶液に移動させる、正浸透工程と、
前記正浸透工程の後に、前記ドロー溶液の温度を上昇させることで、前記ドロー溶液を低濃度ドロー溶液と高濃度ドロー溶液とに分離する、相分離工程と、
分離膜を用いて、前記低濃度ドロー溶液を水と前記ドロー溶質を含む濃縮液とに分離する、膜分離工程と、を含み、
前記ドロー溶質は、下記式（１）で表される共重合体を含む、水処理方法。
- 前記ドロー溶質の数平均分子量は２０００～３０００である、請求項１に記載の水処理方法。
- 前記ドロー溶質においてエチレンオキシド基が占める比率は、３５～５０質量％である、請求項１に記載の水処理方法。
- 前記ドロー溶質の１質量％水溶液での曇点は３５～５０℃である、請求項１に記載の水処理方法。
- 正浸透工程の温度は４０℃未満であり、
相分離工程において、ドロー溶液は４０℃以上の温度に上昇し、
膜分離工程の温度は４０℃以上である、請求項１に記載の水処理方法。 - 請求項１～５のいずれか１項に記載の正浸透水処理方法に用いられる正浸透水処理システムであって、
半透膜、前記半透膜の一方の面に前記対象溶液を接触させるために設けられた第１室、および、前記半透膜の他方の面に前記ドロー溶液を接触させるために設けられた第２室を含む、正浸透モジュールと、
前記ドロー溶液の温度を上昇させることで、前記ドロー溶液を前記低濃度ドロー溶液と前記高濃度ドロー溶液とに分離するための加熱機構を有する分離槽と、
前記低濃度ドロー溶液を水と前記ドロー溶質を含む濃縮液とに分離するための分離膜と、を備える、水処理システム。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP2022105522A JP2024005365A (ja) | 2022-06-30 | 2022-06-30 | 水処理方法および水処理システム |
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| JP2022105522A Pending JP2024005365A (ja) | 2022-06-30 | 2022-06-30 | 水処理方法および水処理システム |
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