JP3375070B2 - 膜処理装置および造水方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば海水・かん
水からの淡水の生成を、無駄なエネルギ消費を抑えて高
効率に行い得る逆浸透処理システムに関する。

【０００２】

【関連する背景技術】海水・かん水からの淡水の生成、
または河川・湖沼水からの上水の生成には、例えば逆浸
透法により供給水（海水）を透過してその透過水（淡
水）を得る逆浸透モジュール・ユニットを用いた逆浸透
処理システムが用いられる。ちなみに逆浸透膜モジュー
ルは、例えば流路材を内包した袋状の逆浸透膜をメッシ
ュスペーサを介してセンタパイプの周囲にスパイラル状
に巻回し、その一端にブラインシールを設けた構造の複
数の逆浸透膜エレメントを直列に接続して円筒状の圧力
容器に収納した構造を有する。そして逆浸透膜モジュー
ルに供給される所定圧力の供給水（海水）を、各逆浸透
膜エレメントにおける袋状の逆浸透膜内に順に導き、逆
浸透作用により前記逆浸透膜を透過した透過水（淡水）
を上記センタパイプを介して取り出すものとなってい
る。

【０００３】このような逆浸透膜モジュールを用いた逆
浸透処理システムは、例えば図２に示すようにその処理
容量（水量）に応じて上記構造の逆浸透膜モジュールを
複数本並列に設けた逆浸透膜モジュール・ユニット１に
対して、殺菌や濁質成分除去等の前処理を施した供給水
（原海水）を、モータ２により駆動される昇圧ポンプ３
を用いて昇圧し、圧力調整弁４を介して供給する。そし
て逆浸透作用により逆浸透膜モジュール・ユニット１を
透過した透過水（淡水）を生成水として取り出す如く構
成される。この際、逆浸透膜モジュール・ユニット１か
ら排出される非透過水、つまり濃縮された余剰海水をエ
ネルギ回収タービン５に導き、このエネルギ回収タービ
ン５にて回収したエネルギを前記モータ２に与えること
で、その省エネルギ化が図られる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで逆浸透膜モジ
ュール・ユニット１における透過水量は、供給水の温度
によって変化する。この為、供給水の温度に拘わること
なく一定の透過水量を得る場合には、逆浸透膜モジュー
ル・ユニット１に対する操作圧力、即ち、供給水（原海
水）の供給圧力を低温時には高くし、高温時には低くす
ることが必要であり、前述した圧力調整弁４を用いてそ
の調整が行われる。

【０００５】ちなみに前記昇圧ポンプ３としては圧力調
整弁４を含む供給水の供給系における圧力損失や、逆浸
透膜モジュール・ユニット１における膜面汚れに起因す
る造水量の低下を見込むことは勿論のこと、最低温度時
における操作圧力を確保し得るような昇圧能力を備えた
ものが用いられる。しかしながら上述した如く構成され
る逆浸透処理システムにおいては、昇圧ポンプ３にて昇
圧して吐出される供給水の圧力を圧力調整弁４を介して
調整する構成なので、エネルギ回収タービン５が設けら
れているといえども、上記圧力調整弁４における圧力損
失エネルギを回収することは不可能である。しかもエネ
ルギ回収タービン５はモータ２に同期して回転するの
で、モータ２の回転数を変化させた場合、これに伴って
エネルギ回収タービン５の回転数も変化する。この為、
エネルギ回収タービン５におけるエネルギ回収効率をそ
の最大値に維持することが困難である。これ故、無駄な
エネルギ消費が生じることが否めず、逆浸透処理システ
ムを駆動するに要するエネルギ、つまりモータ２を駆動
するに要するエネルギの低減を図る上で大きな課題が残
されている。

【０００６】本発明はこのような事情を考慮してなされ
たもので、その目的は、エネルギ消費の無駄を抑え、エ
ネルギ回収効率を高めて省エネルギ化を図ることのでき
る逆浸透処理システムを提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上述した目的を達成する
べく本発明に係る膜処理装置は、請求項１に記載するよ
うに原水を膜処理してその透過水を得る第１の膜モジュ
ール・ユニット、およびこの第１の膜モジュール・ユニ
ットから得られる非透過水を膜処理してその透過水を得
る第２の膜モジュール・ユニットと、前記原水を昇圧し
て前記第１の膜モジュール・ユニットに供給する第１の
ポンプ、および前記原水の流量に応じて前記第１のポン
プによる送水量を制御する第１の制御手段と、前記第２
の膜モジュール・ユニットから得られる非透過水により
駆動され、前記第１の膜モジュール・ユニットから得ら
れる非透過水を昇圧して前記第２の膜モジュール・ユニ
ットに供給する第２のポンプ、および前記第２の膜モジ
ュール・ユニットへ供給する供給水の圧力が任意の一定
値になるように前記第２のポンプを制御する第２の制御
手段とを備えたことを特徴としている。

【０００８】好ましくは請求項２に記載するように、前
記第１の制御手段においては、前記第１のポンプを制御
して前記第１の膜モジュール・ユニットへの送水量を任
意の一定値に維持するように構成する。また好ましくは
請求項３に記載するように、前記第２の膜モジュール・
ユニットから得られる非透過水の流路に流量調整弁を設
け、前記第２の制御手段においては、この流量調整弁を
制御して前記第２の膜モジュール・ユニットへ供給する
供給水の圧力を制御するように構成する。

【０００９】更には請求項４に記載するように、前記第
２の膜モジュール・ユニットから得られる非透過水の流
路に、この非透過水を前記第２のポンプに対してバイパ
スさせるバイパス流路を設け、このバイパス流路に前記
流量制御弁を設けることが好ましい。また本発明は請求
項５に記載するように前記膜として逆浸透膜を用い、請
求項６に記載するように前記原水として、海水またはか
ん水を供給する。

【００１０】そして本発明に係る造水方法は、請求項７
に記載するように上述した膜処理装置を用いて淡水を得
ることを特徴としている。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の一
実施形態に係る膜処理装置について、膜として逆浸透膜
を用い、海水からの淡水の生成に用いられる逆浸透処理
装置を例に説明する。図１はこの実施形態に係る逆浸透
処理装置の構成図であり、１１,１２は直列に設けられ
た第１および第２の逆浸透膜モジュール・ユニット、即
ち、１段目および２段目の逆浸透膜モジュール・ユニッ
トである。図示しない前処理設備にて殺菌や濁質成分除
去等の前処理が施された供給水（原海水）は、インバー
タモータ１３により駆動される昇圧ポンプ（第１のポン
プ）１４を介して昇圧されて１段目の逆浸透膜モジュー
ル・ユニット１１に供給されて、逆浸透膜作用によりそ
の透過水（淡水）が生成される。

【００１２】しかして１段目の逆浸透膜モジュール・ユ
ニット１１における非透過水、つまり逆浸透膜作用を受
けることなく残された濃縮海水は、２段目の逆浸透膜モ
ジュール・ユニット１２への供給水として供給されて、
該逆浸透膜モジュール・ユニット１２における逆浸透膜
作用によりその透過水（淡水）が生成される。これらの
１段目および２段目の逆浸透膜モジュール・ユニット１
１,１２にてそれぞれ透過生成された透過水（淡水）
は、この装置において生成された生産水としてまとめて
取り出される。

【００１３】しかして１段目および２段目の逆浸透膜モ
ジュール・ユニット１１,１２間に設けられたターボチ
ャージャ（第２のポンプ）１５は、２段目の逆浸透膜モ
ジュール・ユニット１２から排出される非透過水（余剰
海水）により駆動されるもので、１段目の逆浸透膜モジ
ュール・ユニット１１から排出されて２段目の逆浸透膜
モジュール・ユニット１２に供給される供給水（濃縮海
水）を昇圧する役割を担う。換言すればターボチャージ
ャ１５は、２段目の逆浸透膜モジュール・ユニット１２
から排出される非透過水（余剰海水）が持つエネルギを
利用して、該逆浸透膜モジュール・ユニット１２に供給
する供給水（濃縮海水）を昇圧するものとなっている。

【００１４】またこのターボチャージャ１５には、その
バイパス流路をなして流量調整弁１６が設けられてい
る。この流量調整弁１６は、２段目の逆浸透膜モジュー
ル・ユニット１２から排出された非透過水（余剰海水）
の前記ターボチャージャ１５に対するバイパス流量を調
整することで、該ターボチャージャ１５の作動量（運転
能力）を、ひいては２段目の逆浸透膜モジュール・ユニ
ット１２に供給される供給水（濃縮海水）の昇圧の度合
い（供給圧力）を調整する役割を担っている。

【００１５】尚、ターボチャージャ１５および流量調整
弁１６が形成したバイパス流路の下流に設けられた流量
調整弁１７は、１段目および２段目の逆浸透膜モジュー
ル・ユニット１１,１２を直列に介して処理された原海
水の、濃縮されて排出される余剰海水の全体的な流量、
ひいては１段目および２段目の逆浸透膜モジュール・ユ
ニット１１,１２を直列に介してそれぞれ生成される透
過水（淡水）の総生成量（造水量）を制御する役割を担
う。

【００１６】基本的には上述した如く構成される逆浸透
処理システムにおいて、本発明が特徴とするところは、
１段目の逆浸透膜モジュール・ユニット１１に供給され
る原海水（供給水）の流量Ｑf1に応じて前記インバータ
モータ１３の作動を制御し、上記流量Ｑf1を一定化制御
する第１のフィードバック制御系（第１の制御手段）２
１と、２段目の逆浸透膜モジュール・ユニット１１に供
給される濃縮海水（供給水）の圧力Ｐf2に応じて前記流
量調整弁１７の作動を制御し、上記圧力Ｐf2を一定化制
御する第２のフィードバック制御系（第２の制御手段）
２２とが設けられている点にある。

【００１７】第１のフィードバック制御系２１は、例え
ば１段目の逆浸透膜モジュール・ユニット１１の原海水
供給口に組み込まれた流量計２１ａと、この流量計２１
ａの出力（計測流量Ｑf1）を受けて前記インバータモー
タ１３の作動を制御する流量制御回路（ＦＩＣ）２１ｂ
とからなる。そしてインバータモータ１３の作動をフィ
ードバック制御することで昇圧ポンプ１２の動作を制御
して該昇圧ポンプ１２から昇圧されて吐出される原海水
の流量を調整し、１段目の逆浸透膜モジュール・ユニッ
ト１１に供給される原海水（供給水）の流量Ｑf1を一定
化するものとなっている。

【００１８】また第２のフィードバック制御系２２は、
例えば２段目の逆浸透膜モジュール・ユニット１２の濃
縮海水供給口に組み込まれた圧力計２２ａと、この圧力
計２２ａの出力（計測圧力Ｐf2）を受けて前記流量調整
弁１６の作動を制御する圧力制御回路（ＰＩＣ）２２ｂ
とからなる。そして流量調整弁１６の弁開度を調整する
ことで、ターボチャージャ１５に対するバイパス流路に
流す余剰海水の流量を調整し、ひいてはターボチャージ
ャ１５を介して通流させる余剰海水の流量を調整するこ
とで該ターボチャージャ１５の作動をフィードバック制
御し、該ターボチャージャ１５を介して昇圧されて２段
目の逆浸透膜モジュール・ユニット１２に供給される濃
縮海水の圧力Ｐf2を制御するものとなっている。

【００１９】尚、１段目および２段目の逆浸透膜モジュ
ール・ユニット１１,１２をそれぞれ介して求められる
透過水（淡水）の生成量（流量Ｑp1,Ｑp2）は、流量計
２３ａ,２３ｂにてそれぞれモニタされ、またその総生
成量（総流量Ｑp）は、流量計２３ｃにて検出されてい
る。そして流量調整弁１７の作動（弁開度）を制御する
流量制御回路（ＦＩＣ）２３ｄは、上記流量計２３ｃに
て検出される透過水（淡水）の総生成量（総流量Ｑp）
に応じて余剰海水の流量を調整し、これによって昇圧ポ
ンプ１４を介して導入する原海水の供給量の最適化を図
っている。

【００２０】かくしてこのような第１および第２のフィ
ードバック制御系２１,２２を備えて構成された逆浸透
処理システムによれば、例えばターボチャージャ１５の
高いエネルギ伝達効率を活用するべく、該ターボチャー
ジャ１５のバイパス流路に設けられた流量調整弁１６を
閉じれば、２段目の逆浸透膜モジュール・ユニット１２
から排出される余剰海水の全てをターボチャージャ１５
に通すことができる。そして２段目の逆浸透膜モジュー
ル・ユニット１２から排出される余剰海水が有するエネ
ルギを高効率に回収して該２段目の逆浸透膜モジュール
・ユニット１２に供給する濃縮海水を、つまり１段目の
逆浸透膜モジュール・ユニット１１から排出される濃縮
海水を効率的に昇圧することができる。

【００２１】ちなみにこのような逆浸透処理システムに
おいて生成する透過水（淡水）の水質を十分に高く確保
するには、例えば２段目の逆浸透膜モジュール・ユニッ
ト１２への濃縮海水の供給圧力（膜操作圧）を、その逆
浸透膜の最適使用範囲の中心点である９.５〜９.８ＭＰ
a程度に設定することが重要である。これ故、ターボチ
ャージャ１５によって十分に高い昇圧作用が得られるよ
うにすれば、その分、１段目の逆浸透膜モジュール・ユ
ニット１１における膜操作圧を低くすることができ、昇
圧ポンプ１４を低圧で運転することが可能となる。従っ
て昇圧ポンプ１４の駆動エネルギを低く抑え、その省エ
ネルギ化を効果的に図ることが可能となる。

【００２２】また１段目と２段目の逆浸透膜モジュール
・ユニット１１,１２における透過水の生成割合である
造水量負荷配分（海水からの淡水回収率配分）について
は、各逆浸透膜モジュール・ユニット１１,１２を構成
する逆浸透膜モジュールの本数をそれぞれ最適化すれば
良い。従って回収率配分を最適化した１段目および２段
目の各逆浸透膜モジュール・ユニット１１,１２の構成
に応じて、前述した第１および第２のフィードバック制
御系２１,２２にて、各逆浸透膜モジュール・ユニット
１１,１２に対する供給水の供給条件をそれぞれ最適化
制御するようにすれば十分である。

【００２３】具体的には、第２のフィードバック制御系
２２にてターボチャージャ１５の作動を制御して２段目
の逆浸透膜モジュール・ユニット１２に供給する濃縮海
水（供給水）の圧力Ｐf2（膜操作圧）を、前述した９.
５〜９.８ＭＰa程度の最適圧に一定化制御すれば、これ
によって２段目の逆浸透膜モジュール・ユニット１２を
安定に運転することが可能となる。

【００２４】そしてこの２段目の逆浸透膜モジュール・
ユニット１２の運転の最適化制御が実行されている条件
下で１段目の逆浸透膜モジュール・ユニット１１の仕様
に応じてインバータモータ１３の作動をフィードバック
制御し、該逆浸透膜モジュール・ユニット１１に供給す
る原海水（供給水）の流量Ｑf1を一定化制御すれば、イ
ンバータモータ１３の駆動に要するエネルギを最小に抑
えながら１段目の逆浸透膜モジュール・ユニット１１を
安定に運転することが可能となる。従って図２に示した
逆浸透処理システムのように、昇圧ポンプ３にて供給水
を昇圧した後、流量調整弁４を用いてその圧力を調整す
る必要がないので、駆動エネルギの無駄を効果的に抑え
得る。

【００２５】特にインバータモータ１３を用いて昇圧ポ
ンプ１４を駆動して該昇圧ポンプ１４の運転を制御する
ので、その運転条件（昇圧ポンプ１４の回転数）を滑ら
かに変化させながら原海水（供給水）の吐出量（流量Ｑ
f1）を安定に一定化制御することができ、大きなエネル
ギ損失が生じることがない。つまりインバータモータ１
３により、その回転数を滑らかに変化させて昇圧ポンプ
１４による原海水（供給水）の吐出量を一定化制御する
ことができるので昇圧ポンプ１４の駆動に要するエネル
ギの利用効率を十分に高めることができ、無駄なエネル
ギ消費を抑えてその省エネルギ化に大きく寄与し得る。

【００２６】更には上述したように２段目の逆浸透膜モ
ジュール・ユニット１２への濃縮海水（供給水）の供給
圧Ｐf2を制御しながら、１段目の逆浸透膜モジュール・
ユニット１１への原海水（供給水）の流量Ｑf1を一定化
制御するので、原海水（供給水）の温度変化に応じた運
転条件を設定しても、ターボチャージャ１５の能力を最
大限に発揮させながら昇圧ポンプ１４を必要最小限の能
力で駆動すれば良いので、その運転エネルギに無駄が生
じることがない。しかもターボチャージャ１５を用いた
圧力制御の下で、システムに導入する原海水（供給水）
の流量を調整するだけで、１段目および２段目の逆浸透
膜モジュール・ユニット１１,１２をそれぞれ安定に運
転し得る等の効果も奏せられる。

【００２７】従って上述した如く構成された逆浸透処理
システムによれば、例えば１段目および２段目の逆浸透
膜モジュール・ユニット１１,１２にて生成し得る透過
水の回収率を６０％としても、図２に示したようにエネ
ルギ回収タービン５を備え、４０％程度の回収率を達成
し得る１段構成の逆浸透処理システムに比較して、例え
ば前処理設備等を含めた装置全体として１５〜２５％の
運転エネルギの低減効果を期待することができる。

【００２８】尚、本発明は上述した実施形態に限定され
るものではない。例えば１段目および２段目の逆浸透膜
モジュール・ユニット１１,１２における透過水の生成
割合である造水量負荷配分（海水からの淡水回収率配
分）は、システムに要求される造水量の仕様等に応じて
定めれば良いものである。また第１および第２のフィー
ドバック制御系２１,２２によるインバータモータ１３
および流量調整弁１６の各制御特性についてはターボチ
ャージャ１５の能力に応じて設定し、１段目および２段
目の逆浸透膜モジュール・ユニット１１,１２がそれぞ
れ自己安定運転し得るように定めれば良い。その他、本
発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施す
ることができる。

【００２９】また本発明に用いることができる膜モジュ
ール・ユニットとしては、例えば図３に示すように、膜
エレメント３０を直列に接続して円筒状の圧力容器４１
内に収納した膜モジュール４０を、複数本並列に設けて
構成される。尚、各膜エレメント３０は、例えば図４に
示すようにセンタパイプ３１の周囲に、透過水流路材３
２を内包した袋状の逆浸透膜等の分離能を有する膜３３
をメッシュスペーサ３４を介してスパイラル状に巻回
し、その一端にブラインシール３５を設けた構造を有す
る。そして各膜エレメント３０は、ブラインシール３５
側から供給される所定圧力の供給水（海水）をメッシュ
スペーサ３４を介して膜３３間に導き、例えば逆浸透作
用により膜３３を透過した透過水（淡水）を上記センタ
パイプ３１を介して取り出すものとなっている。

【００３０】膜モジュール４０は、このような各膜エレ
メント３０のセンタパイプ３１間を、図３に示すように
継手４２を介して順に連結しながら、ブラインシール３
５にて圧力容器４１内を区画して構成される。但し、セ
ンタパイプ３１の一端（最上流側）はプロダクトチュー
ブキャップ３６により閉塞される。そして圧力容器４１
の一端側に設けられた供給水口４３から導入された供給
水（海水）を、各膜エレメント３０の膜３３内に順に導
いて、センタパイプ３１内にその透過水を得る。この透
過水は、圧力容器４１の他端側に設けられてセンタパイ
プ３１に連結された透過水口４４から取り出される。ま
た各膜３３を透過しなかった供給水（海水）の残り、つ
まり濃縮水（海水）は、圧力容器４１の他端側に設けら
れた排出口４５から排出される。

【００３１】尚、上記膜３３としては、逆浸透膜などの
分離膜を用いることが好ましいが、特に架橋ポリアミド
を含む分離機能層が支持膜上に形成された構造の逆浸透
膜を用いることが好ましい。更に不織布などの基材上
に、ポリスルホンなどを含む支持膜を形成した構造を有
するものであれば、例えば９.０ＭＰａといった高圧に
も耐えることができるので、海水やかん水から淡水を得
る場合にも好適に用いることができる。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、タ
ーボチャージャ等の第２のポンプが有する能力を最大限
に活かしながら１段目の膜モジュール・ユニットに供給
する供給水の流量を任意の一定値に制御するだけで良い
ので、無駄なエネルギ消費を抑えて効果的にその省エネ
ルギ化を図ることができる等の実用上多大なる効果が奏
せられる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る逆浸透処理システム
の概略構成図。

【図２】従来の逆浸透処理システムの一般的な構成図。

【図３】膜モジュールの構成例を示す図。

【図４】膜モジュールを形成する膜エレメントの構成例
を示す図。

【符号の説明】

１１ 第１の膜モジュール・ユニット（１段目） １２ 第２の膜モジュール・ユニット（２段目） １３ インバータモータ １４ 昇圧ポンプ（第１のポンプ） １５ ターボチャージャ（第２のポンプ） １６ 流量調整弁 ２１ 第１のフィードバック制御系（流量制御手段） ２２ 第２のフィードバック制御系（圧力制御手段）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 木原 正浩 滋賀県大津市園山１丁目１番１号 東レ 株式会社 滋賀事業場内 (72)発明者 中西 貴之 滋賀県大津市園山１丁目１番１号 東レ 株式会社 滋賀事業場内 (56)参考文献 特開 平９−276663（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−108048（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−309350（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C02F 1/44 B01D 61/12,63/12

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 原水を膜処理してその透過水を得る第１
   の膜モジュール・ユニットと、 この第１の膜モジュール・ユニットから得られる非透過
   水を膜処理してその透過水を得る第２の膜モジュール・
   ユニットと、 前記原水を昇圧して前記第１の膜モジュール・ユニット
   に供給する第１のポンプと、 前記原水の流量に応じて前記第１のポンプによる送水量
   を制御する第１の制御手段と、 前記第２の膜モジュール・ユニットから得られる非透過
   水により駆動され、前記第１の膜モジュール・ユニット
   から得られる非透過水を昇圧して前記第２の膜モジュー
   ル・ユニットに供給する第２のポンプと、 前記第２の膜モジュール・ユニットへ供給する供給水の
   圧力が任意の一定値になるように前記第２のポンプを制
   御する第２の制御手段とを具備したことを特徴とする膜
   処理装置。
2. 【請求項２】 前記第１の制御手段は、前記第１のポン
   プを制御して前記第１の膜モジュール・ユニットへの送
   水量を任意の一定値に維持するものである請求項１に記
   載の膜処理装置。
3. 【請求項３】 前記第２の膜モジュール・ユニットから
   得られる非透過水の流路に流量調整弁が設けられ、 前記第２の制御手段は、この流量調整弁を制御して前記
   第２の膜モジュール・ユニットへ供給する供給水の圧力
   を制御するものである請求項１または２に記載の膜処理
   装置。
4. 【請求項４】 前記第２の膜モジュール・ユニットから
   得られる非透過水の流路に、この非透過水を前記第２の
   ポンプに対してバイパスさせるバイパス流路が設けら
   れ、このバイパス流路に前記流量制御弁が設けられてい
   る請求項３に記載の膜処理装置。
5. 【請求項５】 膜として逆浸透膜が用いられている請求
   項１〜４のいずれかに記載の膜処理装置。
6. 【請求項６】 前記原水が海水またはかん水である請求
   項１〜５のいずれかに記載の膜処理装置。
7. 【請求項７】 請求項１〜５のいずれかに記載の膜処理
   装置を用いて淡水を得ることを特徴とする造水方法。