JP3888898B2 - 水の脱塩方法とその装置 - Google Patents

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    • Y02A20/131—Reverse-osmosis

Description

【０００１】
（技術分野）
本発明は、逆浸透法により水を脱塩する方法と、該方法を実施する装置とに関する。
【０００２】
（背景技術）
この種の方法と装置については、国際出願公開公報第97/21483号から知られているところである。この公開公報では、加圧媒体に外圧を作用させて塩水を加圧するようにしている。この公開公報に開示されている一実施の形態では、三室構造体の第１室に比較的低圧にて第１ポンプで塩水を汲み取り、その後、当該三室構造体の第２室において加圧媒体に高圧ポンプで高圧を作用させて、第１室内の塩水を逆浸透に必要な高圧にて膜モジュールへ移送している。それと同時に、膜モジュールの膜を浸透しなかった濃縮塩水を三相構造体の第３室へ移送している。この濃縮塩水は、その後に第１室に第１ポンプで塩水を移送すると第３室から排水され、最終的には装置系から排出される。
【０００３】
（発明が解決しようとする技術的課題）
このように、従来公知の方法では、高圧ポンプを利用して膜モジュールに高圧にて加圧媒体を作用させており、その間は他の従来公知の方法と同様に、塩水の汲上げは行っておらず、他方では塩水の酸化作用がためにポンプの構成材料に対する要求が厳しく、その結果コスト高を惹起している。他方では、逆浸透作用を行うのに必要な圧力を醸し出すには高圧ポンプが依然と必要であり、そのためにエネルギーの均衡がとれず、ひいては装置全体の効率がよくない。また、従来公知の方法では、脱塩水の生成と、塩水の再供給及び濃縮塩水の排水との二つの処理ステップで操作している。
【０００４】
本発明は、効率の良い方法と該方法を実施する装置とを提供するのを目的としている。
斯かる方法と装置とにおいては、前述した問題点は請求項１に記載の方法と請求項７に記載の装置とによりそれぞれ解消できる。
【０００５】
本発明は、逆浸透作用に必要な高圧を生成するポンプをなくし、その代りに、圧力があったとしても、膜モジュールの排出口において濃縮塩水が必然的に有する著しく低い圧力を生成するポンプを利用して、圧力補償装置に組み込まれる塩水を加圧すべく圧力補償装置へと前記濃縮塩水を連続して再循環するようにしている。この意味で、圧力補償装置から膜モジュールに連なる塩水供給管における圧力が降下することがあり、そのために、従来公知の方法におけるが如く高圧ポンプで圧力を生成する必要があり、そうでなければ、脱塩水の連続生成ができなくなることがあるので、本発明での前記プロセスは連続して行うことが重要である。
【０００６】
（発明を実施するための最良の形態）
以後、添付図面を参照しながら本発明を詳述するが、この他の利点などについてもその詳細な説明から明らかになるであろう。
【０００７】
図１の概略図には供給ポンプ１が示されており、このポンプ１は塩水１０を第１圧力Ｐ１ のもとで圧力補償装置２に供給するようになっている。逆浸透に必要な高稼働圧に加圧された塩水１１は、圧力補償装置２から膜モジュール３へと供給される。ここで、塩水１１の一部(例えば塩水１１の２５％)は、高圧がために膜６を浸透して脱塩され、脱塩水１２として排出される。塩水１１の残部(例えば７５％)は膜６を浸透できず、濃縮塩水１３として圧力補償装置２へと連結管５を介して戻されるが、この時での圧力は高圧のままである。ここでは後述するように高圧が利用されて、圧力補償装置２に供給された塩水１０を高圧に加圧するのに使われ、膜モジュール３の供給口へと給液される。それと同時に、後述するように、供給ポンプ１で塩水１０を加圧する圧力値Ｐ １ が、圧力補償装置２において、その中にある濃縮塩水１４を排液管４を介して最終的に排液するのに使われる。前述の全てのプロセス段階は同時、かつ、連続して行われるので、高稼働圧を再生成するのに高圧ポンプを利用する必要はなく、脱塩水１２が連続して得られるのである。
【０００８】
特に、圧力補償装置２の構成と稼働原理について図２に示した本発明の実施の形態を参照しながら詳述する。図２においては、圧力補償装置は、三基の同一ピストン装置２０、３０、４０を備えており、各ピストン装置は、塩水１０が導入される吸入室２１、３１、４１と、濃縮塩水１３を収容する排出室２２、３２、４２と、圧力室２３、３３、４３とからなる。
【０００９】
各ピストン装置２０、３０、４０には特殊ピストン２４、３４、４４があって、このピストンがピストン室を前記室に画成していると共に、図面上では対応するピストン装置において垂直方向に移動自在となっている。供給ポンプ１から各吸入室２１、３１、４１に(受動型)逆止弁２８、３８、４８のある対応する給液管が延在している。ここで、各逆止弁２８、３８、４８は、給液管内における圧力が吸入室２１、３１、４１内の圧力よりも高いと開成するような構成となっている。吸入室２１、３１、４１から膜モジュール３に連なる給液管にもそれぞれ前記と類似構成の逆止弁２７、３７、４７が備わっているが、前記の逆止弁とは逆方向に作用する。それに対し、カムモジュールから排出室２２、３２、４２に連なる給液管５と、排出室２２、３２、４２から延出する排出管４には、膜モジュール３からの濃縮塩水１３の流入と圧力補償装置２からの濃縮塩水１４の流出を調節するのに利用し得る能動制御弁(actively controlled valves)２５、３５、４５と２６、３６、４６がそれぞれ備わっている。圧力室２３、３３、４３は連結管７により互いに接続されているので、これらの三室の間での圧力補償ができると共に、これらの三室内の圧力Ｐ３が全て同一となるようにしている。
【００１０】
以後に、装置の稼働原理を説明する。供給ポンプ１は、１００％所要容積の塩水１０が第１圧力Ｐ１(例えば１７.５バール)にて吸入室３１に供給するので、逆止弁３８はその横側に矢印で示したように開成する。この時弁３６はその横側に矢印で示したように開成していて、排出室３２内の濃縮塩水１４は排出管４を介して排出される。塩水１０が圧力Ｐ１にて吸入室３１に流入することから、ピストン３４には、当該ピストン３４のピストン面３４１の表面積をＡとすると、Ｐ１・Ａの力Ｆが作用する。その結果、ピストン３４は図示のように上方へと押し上げられ、排出室３２内の濃縮塩水が弁３６を介して、更には排出管４を介して排出される。この時、圧力室３３から反力ＦＧが作用するが、この反力ＦＧはピストン３４の小径端面３４３の表面積、例えばピストンの後側の１/４部分の表面積をＡＧとすると、Ｐ３・ＡＧと等しく、これは力Ｆと同程度か、僅かだけ小さい。この稼働段階では、弁２５は開成しているので、濃縮塩水１３は膜モジュール３から排出室２２に圧力Ｐ ２ (例えば７０バール)にて流入する。
【００１１】
同時に、ピストン３４の上昇に伴って連結管７を介して圧力媒体が充満した圧力室２３では、ピストン２４に力が作用し、それに伴いピストン２４が矢印で示すように下降する。その結果、塩水１１は吸入室２１から膜モジュール３へと、その時に開成している逆止弁２７を介して流入する。排出室２２と圧力室２３とに圧力Ｐ２(７０バール)が作用することから、吸入室２１から膜モジュール３への塩水１１の流入は当該圧力Ｐ２の下で行われる。この稼働段階では他の弁は全て閉成している。
【００１２】
以上のことから、前記構成の圧力補償装置２では、排出される濃縮塩水１３から高効率的にエネルギー回収が図れる圧力変換(pressure transformation)が達成されるのである。この理由により、逆浸透作用に必要な高稼働圧力を生成する高圧ポンプに代り、低パワー充満ポンプ１で充分であり、この場合では特に、作動圧の１/４である圧力を生成するだけでよいのである。
【００１３】
図３ａと図３ｂとは、本発明による装置の６段階の異なった稼働段階を順に示したものである。同図において、矢印２０１、２０２、３０１、３０２は、開成弁と流れ方向を示している。矢印２０３、３０３と丸４０３は、ピストン装置２０、３０、４０のそれぞれのピストンが移動しているかどうか、移動しているのならその移動方向を表している。ピストンの位置を検出するピストンセンサー２０４、２０５、３０４、４０５がピストン装置２０、３０、４０の圧力室２３、３３、４３の上端と下端とにそれぞれ設けられている。各段階図の左側の図は、図示のピストン位置に達するのに必要な弁状態とピストン移動方向を示している。他方、各段階図の右側の図は、時間的にこの状態から弁設定の変化の結果としてピストンが移動する様を示している。例えば、段階１を表す図の左側の図は、ピストン２４が下方の制限停止位置まで移動(矢印２０３)下降した時点までに、ピストン３４は上昇(矢印３０３)しており、ピストン４４は上昇限度位置(丸４０３)に止まっていることを示している。弁を切換えた後、即ち、弁２５が閉成し、弁４５が開成、弁２７は閉成、それに伴い弁４７が自動的に開成した後では、ピストン２４は段階１の図の右側に示すように下降限度位置に止まるが、ピストン３４は上昇し続ける一方、ピストン４４は下降している。最終段階６の後は段階１に戻って繰り返される。この６段階における弁の設定状態を以下の表にまとめるが、同表においては＋は開成を、また、−は閉成を意味する。
【００１４】
弁 段階１ 段階２ 段階３ 段階４ 段階５ 段階６
25 ＋ − − − − ＋
26 − − ＋ ＋ − −
35 − − − ＋ ＋ −
36 ＋ ＋ − − − −
45 − ＋ ＋ − − −
46 − − − − ＋ ＋
27 ＋ − − − − ＋
28 − − ＋ ＋ − −
37 − − − ＋ ＋ −
38 ＋ ＋ − − − −
47 − ＋ ＋ − − −
48 − − − − ＋ ＋
【００１５】
最後に、図４には、稼働状態、即ち、１稼働サイクルにおけるピストンの位置を示すが、この１稼働サイクルは１２段階からなりたっている。ここでも、それぞれのピストンの移動方向を矢印で示している。
【００１６】
本発明は図示の実施の形態に限られるものではなく、特に圧力補償装置としては異なった構成を採ることができる。例えばピストン装置が二基、或いは四基以上であってもよく、また、全てのピストン装置を同一構成にしたり、或いは互いに異なった構成にすることも可能である。更に、弁の数も図示の実施の形態で利用した数に限られないし、ピストンの構成によっては圧力比を異ならせてもよいものである。
【００１７】
（産業上の利用の可能性）
本発明の方法と装置とによれば、少なくとも９０％と言った高エネルギー回収効率を達成することができる。供給ポンプとしては、逆浸透作用に必要な約７０バールの作動圧力の約１/４だけ発生するものでよく、これによっても費用低減と管理維持の面での利益が得られるのである。従って、本発明は水を脱塩して飲用水を生成するための装置の製造に要する一般的な製造費を低減するものである。特定の圧力比(１７.５バール:７０バール)は、別の比に定めることができる。これは、ピストンの構成を改変することで達成できる。ピストン構成は、単一ピストン型に限られない。水における塩分含有量によっては、浸透圧を利用することもでき、利用すべきである。淡海水の場合ではより低い圧力を選択することができ、塩分含有量が最も少なくなり、この場合比を１/４：３/４から１/３:２/３に変化させる、或いは調節してもよい。
圧力室２３、３３、４３内での圧力は、装置の起動時に定め、その後そのレベルに一定に保つ。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の方法を示す概略図。
【図２】 本発明の装置の実施の形態を示す図。
【図３ａ】 ある操作状態における本発明の装置の説明図。
【図３ｂ】 別の操作状態における本発明の装置の説明図。
【図４】 全稼働サイクル中での本発明の稼働段階を示す説明図。
【符号の説明】
２…圧力補償装置 ３…膜モジュール
４…排液管 ５…連結管
６…膜 ７…連結管
１０、１１…塩水 ２０、３０、４０…ピストン装置
２１、３１、４１…吸入室 ２２、３２、４２…排出室

Claims (10)

  1. 塩水(11)を膜モジュール(３)に供給して、脱塩水(12)と濃縮塩水(１３)とに分離し、
    その際に複数のピストン装置(20、30、40)からなる圧力補償装置(２)から、逆浸透に必要な高い圧力(Ｐ２)にて前記膜モジュール(３)に給液する一方、
    前記圧力補償装置(２)から濃縮塩水(13)を排出してその圧力エネルギーをこのプロセスにおいて変換させると共に、
    塩水(10)を、供給ポンプ(１)を介して、上記圧力 ( Ｐ ２ ) より低い圧力(Ｐ １ )にて圧力補償装置(２)に導入し、
    前記ピストン装置(20、30、40)は、ピストンの前方に、前記供給ポンプ(１)と前記膜モジュール(３)とに接続した吸入室(21、31、41)を有し、また、ピストンの後方に、膜モジュール(３)と濃縮塩水(14)の排出管(４)とに接続した排出室(22、32、42)を有してなる、水を連続脱塩、特に海水を脱塩させる方法において、
    稼働時に連続圧力(Ｐ ３ )が、ピストン装置(20、30、40)のピストン後側に臨む圧力室(23、33、43)の間の流体接続を介してピストン(24、34、44)の端部(343)に作用して、排出室(22、32、42)に導入されている濃縮塩水(13)によりピストン(24、34、44)に作用している圧力(Ｐ ２ )を補助することを特徴とする方法。
  2. 請求項１に記載の方法であって、
    前記濃縮塩水(13)を前記一つのピストン装置(20、30、40)の排出室(22、32、42)に交互に導入することにより、それと同時に塩水(11)が当該一つのピストン装置(20、30、40)の吸入室(21、31、41)から膜モジュール(３)に導入され、同時に上記圧力(Ｐ １ )の塩水(10)が別のピストン装置(20、30、40)の吸入室(21、31、41)に給液されることで、濃縮塩水(14)が前記ピストン装置(20、30、40)の排出室(21、32、42)から、上記圧力 ( Ｐ １ )より低い圧力で排出されることを特徴とする方法。
  3. 請求項２に記載の方法であって、
    圧力補償装置(２)のピストン装置(20、30、40)が、塩水(10)が同時に少なくとも一つのピストン装置(20、30、40)の吸入室(21、31、41)に導入され、濃縮塩水(14)がそのピストン装置(20、30、40)の排出室(22、32、42)から排出され、濃縮塩水（１３）が別のピストン装置(20、30、40)の排出室(22、32、42)に導入され、そのピストン装置(20、30、40)の吸入室(21、31、41)からの塩水(11)が膜装置(３)に給液されることを特徴とする方法。
  4. 請求項３に記載の方法であって、
    前記ピストン装置(20、30、40)が、制御自在給排弁(25〜28、35〜38、45〜48)により調整されることを特徴とする方法。
  5. 供給された塩水(11)を脱塩水(12)と濃縮塩水(13)とに分離する膜モジュール(３)と、
    複数のピストン装置(20、30、40)からなり、膜モジュール(３)に、逆浸透に必要な高い圧力(Ｐ ２ )にて塩水(11)を連続して導入する一方、濃縮塩水(13)を排出してその圧力エネルギーをこのプロセスにおいて変換する圧力補償装置(２)と、
    塩水(10)を、上記圧力 ( Ｐ ２ ) より低い圧力（Ｐ １ )にて圧力補償装置(２)に供給する供給ポンプ(１)とからなり、
    前記ピストン装置(20、30、40)は、ピストンの前方に、前記供給ポンプ(１)と前記膜モジュール(３)とに接続した吸入室(21、31、41)を有し、また、ピストンの後方に、膜モジュール(３)と濃縮塩水(14)の排出管(４)とに接続した排出室(22、32、42)を有してなる、水を連続脱塩、特に海水を脱塩させる逆浸透装置において、
    前記ピストン装置(20、30、40)がその後側に圧力室(23、33、43)をも備えており、該圧力室が互いに流体回路で接続されていて、稼働時に連続圧力(Ｐ ３ )が、排出室(22、32、42)に導入されている濃縮塩水(13)によりピストン(24、34、44)に作用している圧力(Ｐ ２ )を補助すべくピストン(24、34、44)の端部(343)に作用していることを特徴とする装置。
  6. 請求項５に記載のものであって、
    前記ピストン装置(20、30、40)が、塩水(10)が同時に少なくとも一つのピストン装置(20、30、40)の吸入室(21、31、41)に導入され、濃縮塩水(14)がそのピストン装置(20、30、40)の排出室(22、32、42)から排出され、濃縮塩水（１３）が別のピストン装置(20、30、40)の排出室(22、32、42)に導入され、塩水(11)がそのピストン装置(20、30、40)の吸入室(21、31、41)から膜装置(３)に給液されるように制御されることを特徴とする装置。
  7. 請求項６に記載のものであって、
    前記ピストン装置(20、30、40)が、制御自在給排弁(25〜28、35〜38、45〜48)により調整されることを特徴とする装置。
  8. 請求項７に記載のものであって、
    膜モジュール(３)からピストン装置(20、30、40)の排出室(22、32、42)までの連結管(５)と、排出室(22、32、42)から濃縮塩水(14)を排出する管(４)とが、能動制御弁(25、26、35、36、45、46)を備えてなることを特徴とする装置。
  9. 請求項５から８までの何れか一項に記載のものであって、
    圧力補償装置(２)が三基の同一ピストン装置(20、30、40)を備えてなることを特徴とする装置。
  10. 請求項５から９までの何れか一項に記載のものであって、
    ピストン装置(20、30、40)のピストン(24、34、44)のそれぞれが、圧力室(23、33、43)における圧力(Ｐ ３ )が、ピストン(343)の後側の表面積の１/４に作用する一方、排出室(22、32、42)における圧力がピストン(342)の後側の表面積の３/４に作用することを特徴とする装置。
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