JP3672088B2

JP3672088B2 - 液中溶存メタンの測定装置

Info

Publication number: JP3672088B2
Application number: JP2001345773A
Authority: JP
Inventors: 哲郎原田
Original assignee: 石川島検査計測株式会社
Priority date: 2001-11-12
Filing date: 2001-11-12
Publication date: 2005-07-13
Anticipated expiration: 2021-11-12
Also published as: JP2003149150A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液中溶存メタンの測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
我が国周辺の深海底には、大量のメタンハイドレートの存在が知られている。メタンハイドレートとは、低温高圧の条件下で、水分子の結晶構造の中にメタン分子が取り込まれた氷状の固体物質である。メタンハイドレートの理論化学式はＣＨ_４・５．７５Ｈ_２Ｏで表すことができる。また、１ｍ^３のメタンハイドレートを分解すると、水０．８ｍ^３とメタンガス１７２ｍ^３（大気圧下、０℃）が得られる。
【０００３】
メタンハイドレートは、水深の深い海域の海底下、すなわち海面から水深１０００〜２０００ｍの海底面下数百ｍの地中にメタンハイドレート層として存在する。このメタンハイドレートの資源量は、我が国周辺で７．４兆ｍ^３と試算されており、これは我が国の天然ガス消費量の約１００年分に相当する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述したメタンハイドレートをエネルギー資源として開発し、我が国のエネルギー源として有効活用することが、現在国家プロジェクトとして計画されている。しかし、メタンハイドレートは地中に固体で存在し、井戸を掘っても自噴しないため、従来の天然ガスの開発手法は適用できず、新たな採掘技術の開発が必要とされている。
【０００５】
またこの採掘に伴い、メタンハイドレートの一部が分解してメタンが漏洩し、海水中にメタンが溶存して新たな環境汚染を引き起こすおそれがある。そのため、メタンハイドレートの採掘技術の開発と共に、海水中の溶存メタン量を並行して調査する必要がある。しかし、海水中にメタンが溶存しても、深海であるため従来の手段では溶存メタンの測定が困難であった。
【０００６】
本発明はかかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、深海の海水中の溶存メタンをリアルタイムに高精度で測定することができる装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、下方が広く上方が狭くなった逆ロート形状の中空ノズルであり、溶存メタン（１）を含む深海水（２）を海底の砂等の混入を抑制できる低速上向きに集水する集水ノズル（１２）と、活性膜と支持膜からなり、混合液中の溶存メタンが吸着現象により膜に溶解し、膜内の濃度差によりメタンが支持膜まで拡散し、支持膜内で気化して減圧蒸気相にメタンガスが透過する選択透過気化膜（１４ａ）で仕切られた液室（１４ｂ）とガス室（１４ｃ）を有し、集水した深海水からメタンガス（３）を膜分離する膜分離装置（１４）と、集水ノズルで集水した深海水を前記液室に供給しそのまま海底に排水するポンプ（１７ａ）と、膜分離したメタンガス量を分析する赤外吸光分析器（１６）と、分析されたメタンガス量から深海水中の溶存メタン濃度を演算する濃度演算装置（１８）とを備え、採鉱船（測定船）（７）からケーブル（８）で海底まで下ろして使用する、ことを特徴とする液中溶存メタンの測定装置が提供される。
【０００８】
本発明のこの構成によれば、下方が広く上方が狭くなった逆ロート形状の中空ノズルである集水ノズル（１２）により溶存メタン（１）を含む深海水（２）を低速上向きに集水するので、メタンハイドレート層から溶け出した溶存メタン（１）を含む深海水（２）を効率よく集水することができる。また逆ロート形状の中空ノズルを用いることにより、メタンハイドレート層から溶け出した溶存メタン（１）を含む深海水（２）を非常に遅い低速上向きに集水することができ、海底の砂等の混入を抑制できる。
【０００９】
また、ポンプ（１７ａ）により集水した深海水から膜分離装置（１４）によりメタンガス（３）を膜分離するので、膜分離後の深海水は膜分離により溶存メタンが減少しただけであり、膜分離後の深海水をそのまま海底に排水しても環境汚染のおそれがない。
【００１０】
更に、赤外吸光分析器（１６）により膜分離したメタンガス量を分析するので、リアルタイムにかつ高精度にメタンガス量を分析することができる。
【００１１】
また更に、濃度演算装置（１８）により分析されたメタンガス量から深海水中の溶存メタン濃度を演算するので、採鉱船（測定船）（７）からケーブル（８）で海底まで下ろして使用し、この演算結果を海上の測定船等に収録して早期に液中溶存メタンの測定結果を利用することができる。
【００１２】
また選択透過気化膜（１４ａ）を用いることにより、溶存メタン（１）を含む深海水（２）からメタンガスを効率よく膜分離することができる。
【００１３】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記集水ノズル（１２）は、前記集水ノズルの下端を深海底から間隔を隔てて支持する支持脚（１３）を備える。
【００１４】
また、支持脚（１３）で集水ノズルの下端を深海底から間隔を隔てて支持するので、海底の砂等の混入を最小限度に抑制できる。
【００１５】
さらに、前記ガス室（１４ｃ）にキャリアガスを供給するキャリアガス供給ライン（１５）を有する。
【００１６】
キャリアガス供給ライン（１５）からガス室（１４ｃ）にキャリアガス（例えば窒素ガス）を供給することにより、ガス室内のメタンガスの分圧を下げ、膜分離効率を高めることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００１８】
図１は、本発明の液中溶存メタンの測定装置を用いたモニタリングシステム図である。なおこの図で溶存メタンを泡状に示しているが、実際には泡はほとんど発生せず海水に溶けた状態となる。
この図に示すように、本発明の液中溶存メタン測定装置１０は、採鉱船（測定船）７からケーブル８で海底まで下ろして使用する。この海底はメタンハイドレート層が存在する海域であるのがよい。この海域は水深１０００〜２０００ｍであり、水圧は約１００〜２００ａｔａの高圧であり、水温は水の密度が最も高い約４℃である。
【００１９】
図２は、本発明の液中溶存メタン測定装置の全体外形図である。この図において、（Ａ）は上部から見た平面図、（Ｂ）は側面図である。この図に示すように、本発明の液中溶存メタン測定装置１０は、集水ノズル１２、支持脚１３、膜分離装置１４、赤外吸光分析器１６、ポンプ１７ａ、モータ１７ｂ、燃料電池１７ｃ等を備える。
【００２０】
集水ノズル１２は、下方が広く上方が狭くなった逆ロート形状の中空ノズルであり、溶存メタン１を含む深海水２を低速上向きに集水するようになっている。また、支持脚１３は、好ましくは３本の脚を有し、海底の砂等の混入を最小限度に抑制するように集水ノズル１２の下端を深海底から間隔を隔てて支持する。この例でその他の機器は、支持脚１３の上部に取り付けられている。
【００２１】
ポンプ１７ａは、集水ノズル１２で集水した深海水２を膜分離装置１４の後述する液室１４ｂに供給する。このポンプ１７ａは燃料電池１７ｃで発電した電気によりモータ１７ｂで駆動される。なおポンプ１７ａの駆動手段は、燃料電池１７ｃ及びモータ１７ｂ（電動機）に限定されず、その他の手段、例えば圧力ガスとガス圧駆動モータの組合せでもよい。
【００２２】
図３は、本発明の液中溶存メタンの測定装置の全体構成図である。この図に示すように、本発明の液中溶存メタンの測定装置１０は、上述した集水ノズル１２の他に、膜分離装置１４、赤外吸光分析器１６及び濃度演算装置１８を備える。
【００２３】
膜分離装置１４は、選択透過気化膜１４ａで仕切られた液室１４ｂとガス室１４ｃを有する選択透過気化膜装置であり、集水した深海水２からメタンガス３を膜分離する。
【００２４】
また、この例ではガス室１４ｃにキャリアガスタンク１５ａからキャリアガス４を供給するキャリアガス供給ライン１５を有する。キャリアガス４は不活性ガス（例えば窒素ガス）であり、このガスをガス室１４ｃに供給することにより、ガス室１４ｃ内のメタンガスの分圧を下げ、膜分離効率を高めるようになっている。
【００２５】
また、図示しない圧力調整装置により、液室１４ｂとガス室１４ｃの差圧を膜分離に適した値（例えばΔＰ＝５０〜１００ａｔａ程度）に制御するようになっている。
【００２６】
図４は、選択透過気化による膜分離の原理図である。この図において、（Ａ）は全体原理、（Ｂ）は溶解・拡散モデルによる膜分離機構を示している。
図４（Ａ）に示すように、選択透過気化では上流側の混合溶液のうち特定の成分が蒸気として膜を選択透過し、その結果膜分離が行われる。また、図４（Ｂ）に示すように、選択透過気化膜は活性膜と支持膜からなる。混合液中の特定の成分（この例では溶存メタン）が例えば吸着現象により膜に溶解し、膜内の濃度差によりメタンが支持膜まで拡散し、支持膜内で気化して減圧蒸気相にメタンガスが透過する。
【００２７】
選択透過気化膜には、混合液中の特定の成分（この例では溶存メタン）と特別な親和性のある膜を用いる。また、膜分離の効率を高めるために、ガス室側を減圧するか、上述のように不活性ガスで掃気してガス室側の透過成分の分圧を低くするのがよい。
【００２８】
選択透過気化膜としては、透過気化法又は蒸気透過法に使用される分離膜モジュールであればいずれの形状でもよく、例えば、平膜状、スパイラル膜状、中空糸膜状等がある。特に、液室１４ｂとガス室１４ｃの圧力差に耐えるために、中空糸膜状の分離膜モジュールが最も適している。また、選択透過気化膜の耐圧強度を更に高めるために、選択透過気化膜をバックアップする通気性の補強材を備えるのがよい。
【００２９】
図３において、溶存メタン１を含む深海水２は、集水ノズル１２、ポンプ１７ａを介して深海水供給ライン１７から膜分離装置１４の液室１４ｂに供給され、膜分離装置１４において溶存メタン１の一部がガス室１４ｃに透過し、残りの大部分の深海水２は、そのままそのまま海底に排水される。なお膜分離後の深海水２は膜分離により溶存メタン１が減少しただけであり、そのまま海底に排水しても環境汚染のおそれは全くない。
【００３０】
一方、膜分離装置１４のガス室１４ｃに透過したメタンガス３は、キャリアガス４で掃気されてメタンガスの分圧の低い混合ガス５となり、赤外吸光分析器１６の検出セル１６ａに供給され、混合ガス５に含まれるメタンガス量が分析される。
【００３１】
赤外吸光分析器１６は、分子に赤外光を照射すると、その波長が分子運動の波長に一致したとき吸収が起こるので、試料を透過した光の強度変化から試料中の成分を分析する装置である。
【００３２】
図５は、メタンの赤外領域波長における吸収帯を示す図である。この図において、横軸は波長（又は周波数）、縦軸は吸光度（又は透過率）を示している。この図から、メタンガスの場合、約７．５〜８．５μｍの波長において強い吸光特性が存在する。従って、この波長域の赤外光を用いることにより、メタンガス量の分析を高精度に行うことができる。
【００３３】
濃度演算装置１８は、赤外吸光分析器１６で分析されたメタンガス量から深海水中の溶存メタン濃度を演算する。液中溶存メタン測定装置１０は、例えばＰＣ（パーソナルコンピュータ）であり、キャリアガス供給ライン１５と深海水供給ライン１７に設けられた計測器（図示せず）により各流量、圧力、温度を検出し、これらのデータと赤外吸光分析器１６で分析されたメタンガス量から深海水中の溶存メタン濃度を演算する。演算結果は、ケーブル８を介して海上の採鉱船（測定船）７等に収録され、リアルタイムに溶存メタン濃度を観測して、早期にその測定結果を利用できるようになっている。
【００３４】
上述した液中溶存メタン測定装置１０を用いた液中溶存メタンの測定方法では、膜分離ステップ（Ａ）、赤外吸光分析ステップ（Ｂ）、濃度演算ステップ（Ｃ）の３ステップで、液中溶存メタンを測定する。
膜分離ステップ（Ａ）では、溶存メタンを含む深海水から選択透過気化膜を用いてメタンガスを膜分離し、赤外吸光分析ステップ（Ｂ）では膜分離したメタンガスを赤外吸光分析器で分析し、濃度演算ステップ（Ｃ）では分析結果から液中溶存メタンの濃度を演算する。
【００３５】
この方法により、水深１０００〜２０００ｍの深海から溶存メタンを含む深海水をサンプリングして、海上において分析する従来の分析手段に比較して、海底において上記各ステップ（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）を遠隔又は自動で行いリアルタイムに液中溶存メタンを測定して海上の測定船等にデータを収録することができる。
【００３６】
また、上述した本発明の構成によれば、集水ノズル１２により溶存メタン１を含む深海水２を低速上向きに集水するので、メタンハイドレート層から溶け出した溶存メタン１を含む深海水２を効率よく集水することができる。また低速上向きに集水するので、海底の砂等の混入を抑制できる。
【００３７】
また、膜分離装置１４により集水した深海水からメタンガス３を膜分離するので、膜分離後の深海水をそのまま海底に排水しても環境汚染のおそれがない。
【００３８】
更に、赤外吸光分析器１６により膜分離したメタンガス量を分析するので、リアルタイムにかつ高精度にメタンガス量を分析することができる。
【００３９】
また更に、濃度演算装置１８により分析されたメタンガス量から深海水中の溶存メタン濃度を演算するので、この演算結果を海上の測定船等に収録して早期に液中溶存メタンの測定結果を利用することができる。
【００４０】
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない限りで自由に変更ができる。
【００４１】
【発明の効果】
上述したように、本発明の液中溶存メタンの測定装置は、深海の海水中の溶存メタンをリアルタイムの高精度に測定することができる等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の液中溶存メタンの測定装置を用いたモニタリングシステム図である。
【図２】本発明の液中溶存メタンの測定装置の全体外形図である。
【図３】本発明の液中溶存メタンの測定装置の全体構成図である。
【図４】選択透過気化による膜分離の原理図である。
【図５】メタンの赤外領域波長における吸収帯を示す図である。
【符号の説明】
１溶存メタン、２深海水、３メタンガス、
４キャリアガス、５混合ガス、
７採鉱船（測定船）、８ケーブル、
１０液中溶存メタン測定装置、
１２集水ノズル、１３支持脚、
１４膜分離装置（選択透過気化膜装置）、
１４ａ選択透過気化膜、１４ｂ液室、１４ｃガス室、
１５キャリアガス供給ライン、１６赤外吸光分析器、
１７深海水供給ライン、１８濃度演算装置

Claims

下方が広く上方が狭くなった逆ロート形状の中空ノズルであり、溶存メタン（１）を含む深海水（２）を海底の砂等の混入を抑制できる低速上向きに集水する集水ノズル（１２）と、活性膜と支持膜からなり、混合液中の溶存メタンが吸着現象により膜に溶解し、膜内の濃度差によりメタンが支持膜まで拡散し、支持膜内で気化して減圧蒸気相にメタンガスが透過する選択透過気化膜（１４ａ）で仕切られた液室（１４ｂ）とガス室（１４ｃ）を有し、集水した深海水からメタンガス（３）を膜分離する膜分離装置（１４）と、集水ノズルで集水した深海水を前記液室に供給しそのまま海底に排水するポンプ（１７ａ）と、膜分離したメタンガス量を分析する赤外吸光分析器（１６）と、分析されたメタンガス量から深海水中の溶存メタン濃度を演算する濃度演算装置（１８）とを備え、採鉱船（測定船）（７）からケーブル（８）で海底まで下ろして使用する、ことを特徴とする液中溶存メタンの測定装置。
前記集水ノズル（１２）は、前記集水ノズルの下端を深海底から間隔を隔てて支持する支持脚（１３）を備える、ことを特徴とする請求項１に記載の液中溶存メタンの測定装置。
前記ガス室（１４ｃ）にキャリアガスを供給するキャリアガス供給ライン（１５）を有する、ことを特徴とする請求項２に記載の液中溶存メタンの測定装置。