JP4092649B2 - Seawater desalination equipment - Google Patents
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Description
本発明は海水を淡水化するための装置に関する。 The present invention relates to an apparatus for desalinating seawater.
周知のように、海水を淡水化するための方法としては逆浸透膜法あるいは電気透析法が一般的である。逆浸透膜法は、1ナノメートル程度の極微細な穴をあけた膜に浸透圧とは逆方向に100気圧程度の高圧をかけることにより、海水中の塩分をろ過して純水を製造するものである。また、電気透析法は、陽極と陰極との間に複数の陰イオン交換膜と陽イオン交換膜を交互に配置し、それらイオン交換膜の間に海水を通すことにより、海水中の陰イオンを陽極側に引き寄せて陰イオン交換膜を通過させ、陽イオンを陰極側に引き寄せて陽イオン交換膜を通過させて海水を農塩水と淡水に分離するというものである。このような電気透析法は製塩法としても一般的であり、特許文献1および特許文献2には電気透析法により製塩と淡水化を同時に行うことが提案されている。
ところで、上記のような従来の淡水化方法を実施するにはいずれも大規模な淡水化プラントを必要とするものであり、当然にそのためにかなりの用地を必要とするものである。また、この種の淡水化プラントではその電源として太陽電池を利用することも検討されているが、この種の大規模な淡水化プラントでは大容量かつ安定な電源が不可欠であることから、その電源として太陽電池を利用する場合には大面積の太陽電池パネルのみならず大容量のバッテリーや充放電コントローラ、インバーター等を備えた複雑かつ高度な電源システムを必要とし、したがって設備費のみならず保守費も嵩むものとならざるを得ない。 By the way, in order to implement the conventional desalination methods as described above, all of them require a large-scale desalination plant, and of course, considerable land is required for that purpose. In addition, the use of solar cells as the power source for this type of desalination plant is also under consideration. However, since this type of large-scale desalination plant requires a large capacity and stable power source, When using solar cells, it requires not only large-area solar panels but also a complex and sophisticated power supply system equipped with large-capacity batteries, charge / discharge controllers, inverters, etc. Therefore, not only equipment costs but also maintenance costs It must be bulky.
そのため、太陽電池を利用する従来一般の淡水化プラントは比較的小規模なものには適用し難いものであり、よりコンパクトでシンプルな構成であって安価で保守も容易な淡水化装置の開発が望まれていた。 For this reason, conventional desalination plants that use solar cells are difficult to apply to relatively small-scale plants, and the development of desalination equipment that is more compact and simple, is inexpensive, and is easy to maintain. It was desired.
請求項1の発明は、海面に浮かべられて設置されて海水を淡水化する装置であって、この装置全体を海面に浮かべるためのフロートと、海面下に水没状態で設けられて海水を淡水化処理する電気透析装置と、処理された淡水を貯留する淡水タンクと、海面上に設けられて電気透析装置の電源となる太陽電池パネルとを具備していることを特徴とする。
The invention according to
請求項2の発明は、請求項1の発明の淡水化装置であって、淡水タンクを縦長チューブ状としてその下部を海中に水没させるとともに上部を海面上に突出させた起立状態とし、その淡水タンクの下部に電気透析装置とこの淡水化装置全体の浮力を調整し姿勢を安定させるための調整機構を取り付けたことを特徴とする。
The invention of
請求項3の発明は、請求項1または2の発明の淡水化装置であって、電気透析装置は、電極間に配した複数のイオン交換膜間にポンプによって海水を通すことによりその海水を淡水と農塩水とに分離する構成とされ、太陽電池パネルはその電気透析装置における電極およびポンプに対して直流電圧を直接供給する構成とされていることを特徴とする。 A third aspect of the invention is the desalination apparatus of the first or second aspect of the invention, wherein the electrodialysis apparatus passes the seawater through a plurality of ion exchange membranes arranged between the electrodes by a pump. The solar cell panel is configured to directly supply a DC voltage to the electrode and pump in the electrodialysis apparatus.
請求項4の発明は、請求項1,2または3の発明の淡水化装置であって、電気透析装置は、淡水化処理の際に陽極に発生する塩素によって淡水化すべき海水を塩素滅菌する構成とされていることを特徴とする。
The invention of
請求項5の発明は、請求項1,2,3または4の発明の淡水化装置であって、電気透析装置は、淡水化すべき海水を上向流としてイオン交換膜間に通し、農塩水となるべき海水を下向流としてイオン交換膜間に通す構成とされていることを特徴とする。
The invention of
請求項1の発明の淡水化装置は、電気透析装置と淡水タンクと太陽電池パネルとを主体とし、その全体をフロートによって海面に浮かべて設置する構成であり、特に電気透析装置を海面下に水没状態で設けるので、設置のための用地を必要とせず、装置全体をシンプルかつコンパクトに構成でき、日常の保守を殆ど必要とせず、処理コストも充分に抑えることができ、小規模の淡水化システムとして最適である。
The desalination apparatus of the invention of
請求項2の発明の淡水化装置は、縦長チューブ状の淡水タンクをメインフレームとして機能させてそれに他の構成部品を取り付けることで、少数のシンプルな部品を組み立てることで装置全体を簡単かつ安価に製作できるし、自ずと安定な姿勢で海面に浮かべることができる。
The desalination apparatus according to the invention of
請求項3の発明の淡水化装置は、太陽電池パネルの出力である直流電圧を電気透析装置に直接供給する構成であるので、バッテリー等の補機類が不要であって電源設備および電気回路をシンプルにでき、エネルギ変換ロスも最小限で済む。
Since the desalination apparatus according to the invention of
請求項4の発明の淡水化装置は、電気透析装置による淡水化処理の際に陽極に発生する塩素を利用して淡水に対する塩素滅菌を自ずと行うことができる。
The desalination apparatus of the invention of
請求項5の発明の淡水化装置は、電気透析装置による淡水化処理に際して塩分濃度が変化することで生じる比重差を利用して淡水と農塩水とを効率的に分離することができる。
The desalination apparatus of the invention of
図1〜図5に本発明の淡水化装置の一実施形態を示す。図1には3台の淡水化装置を示しており、それら各淡水化装置はそれぞれが電気透析法により海水の淡水化を行うものであり、その電源として太陽電池を利用するものであるが、各淡水化装置はそれ自体の浮力によって海面に浮かべられて設置されるものであって、充分にコンパクトなものでありその構成も極めてシンプルなものである。なお、本実施形態の淡水化装置の処理能力はたとえば200リットル/日程度(1世帯による1日当たりの水使用量相当分)を想定している。 1 to 5 show an embodiment of a desalination apparatus of the present invention. FIG. 1 shows three desalination apparatuses, each of which desalinates seawater by electrodialysis and uses solar cells as its power source. Each desalination device is installed by being floated on the sea surface by its own buoyancy, and is sufficiently compact and has a very simple configuration. Note that the processing capacity of the desalination apparatus of the present embodiment is assumed to be, for example, about 200 liters / day (equivalent to the amount of water used per day by one household).
本実施形態の淡水化装置は、この装置全体を海面に浮かべることのできる浮力を有するフロート1と、海面下に水没した状態で設けられて海水を淡水化処理する電気透析装置2と、処理された淡水を貯留する淡水タンク3と、装置全体の電源となる太陽電池パネル4を主体として構成されており、特に上記の淡水タンク3を装置全体のメインフレームを兼ねる縦長チューブ状の形態としてそれに他の構成部品を取り付けた構成とされている。
The desalination apparatus of the present embodiment is processed with a
すなわち、図2〜図3に示すように、本実施形態の淡水化装置では、淡水タンク3が縦長のテーパチューブ状の形態(たとえば最大直径225mmφ、全高4.8m、内容量200リットル程度)とされていて、その中間部の周囲に6本のアーム5が放射状に取り付けられ、それら淡水タンク3とアーム5とによってこの装置全体の骨格ともいうべきメインフレームが構成されている。そして、アーム5間に三角形状のフロート1が取り付けられ、それらフロート1による浮力によって淡水タンク3は起立状態でその下半部が海面下に水没し上半部が海面上に突出した状態となり、その淡水タンク3の海面下に、バラストタンク6、上記の電気透析装置2、ウエイト7が取り付けられ、アーム5上には上記の太陽電池パネル4が取り付けられたものとなっている。上記のバラストタンク6およびウエイト7はフロート1とともに装置全体の浮力を調整しかつその姿勢を安定に保持するための調整機構として機能するものであり、それらバラストタンク6およびウエイト7ならびに電気透析装置2の重量によって装置全体の浮力が最適に調整され、かつ常に安定な姿勢が保持されるようになっている。
That is, as shown in FIGS. 2 to 3, in the desalination apparatus of the present embodiment, the
なお、淡水タンク3に対するアーム5の取り付けやアーム5に対する太陽電池パネル4の取り付けを相対変形を吸収可能なヒンジにより行うことにより、装置全体が揺動しても各部に無理な力がかかることを防止することができる。また、淡水タンク3の内部には取り出し管8を組み込んでそれに接続した吐出口9を淡水タンク3の上部に取り付けておくことにより、淡水を自由に取り出すことができるようになっており、その際には太陽電池パネル4の上に人が乗り込むことができるようにしておくと良い。
By attaching the
本実施形態における太陽電池パネル4は、たとえば結晶系合わせガラスによるもので、図示例のものは1辺が2m程度の大きさの正三角形状の6枚のモジュールを全体として6角形をなすようにアーム5上に取り付け、その総面積は10m2程度、総出力は1.2kW程度とされている。この太陽電池パネル4は、他にバッテリーや充放電コントローラ、インバーター等の補機類を一切必要とすることなく、後述する電気透析装置2の電極10およびポンプ13に対して直流電圧を直接供給するものとされている。
The
電気透析装置2は、図4に概念図を示すように、対の電極10(陽極10aおよび陰極10b)の間に複数のイオン交換膜11(陽イオン交換膜11aおよび陰イオン交換膜11b)を交互に配し、それらの間に形成される各流路12(淡水化流路12a、農塩水化流路12bおよび予備流路12c、12d)に海水を通すことでその海水を電気透析により淡水と農塩水とに分離する構成とされたものであり、そのためのポンプ13を備えたものである。ポンプ13は海水を吸い込んでろ過フィルター14を通して各流路12に分岐して供給し、淡水化流路12aを通過して淡水化処理された淡水を淡水タンク3に導き、かつ農塩水流路12bを通過して農塩水となった海水をそのまま海中に放出することのできる流量と揚程を有するものである。なお、上記のように1日当たりの処理能力を200リットル程度と想定した場合、1日当たりの稼働時間(平均日照時間)を4時間程度として想定して、時間当たりの処理能力は50リットル/H程度とすることが好ましい。
The
また、本実施形態の電気透析装置2では、図4に示しているように、淡水化すべき海水を上向流として淡水化流路12aを通して淡水タンク3に導くようにしているが、農塩水となる海水は下向流として農塩水化流路12bを通して海中に放出するようにしており、それにより、淡水化される海水は淡水化流路12aを上昇する間に塩分濃度が次第に低下していって比重が小さくなっていき、逆に、農塩水化される海水は農塩水化流路12bを降下する間に次第に塩分濃度が増大していって比重が大きくなっていくので、その比重差により農塩水と淡水との分離が効率的になされるようになっている。また、淡水化すべき海水をまず陽極10aに隣接している予備流路12cに通すことでそこで発生する塩素により自ずと塩素滅菌がなされるようにしている。陰極10bに隣接している予備流路12dでは水素が発生するが、それはそのまま海中に放出すれば良い。
Moreover, in the
本実施形態の淡水化装置はこれ自体を単独で使用することが可能であるので、上述のようにその処理能力を1世帯による1日当たりの水使用量相当分である200リットル/日程度として、1世帯が1台の淡水化装置を専有ないし専用するという使用形態が考えられるが、多数の淡水化装置を並設して共同水利システムとして利用することも考えられる。たとえば図5に示すように、海上に歩廊として設けた浮き桟橋20の周囲に多数の淡水化装置を並べて設置するとともに、各装置の淡水タンク3どうしを集水管21(図1参照)により接続して、各装置が処理した淡水を別途設置した大容量の貯留タンクに導き、そこから各所に配水することで共同利用することができる。その場合、たとえば図5(b)に示すように集水主管22を浮き桟橋20の下部に敷設すれば良い。また、図1〜図3に示すように各装置を相互に連結するためのジョイント23をアーム5の先端部に取り付けておくと良い。勿論、淡水化装置の所要台数は必要に応じて適宜増減することができる。
Since the desalination apparatus of the present embodiment can be used alone, its processing capacity is about 200 liters / day, which is equivalent to the amount of water used per day by one household, as described above. Although one household can use or dedicate a single desalination device, it can be considered that a large number of desalination devices are juxtaposed and used as a joint water system. For example, as shown in FIG. 5, a large number of desalination apparatuses are arranged side by side around a floating
本実施形態の淡水化装置は、淡水化に必要な全ての機器類をコンパクトに備えており、その構成も極めてシンプルであって、これを海面に浮かべるだけで直ちに海水を効率的に淡水化処理できるものであるので、これを設置するための格別の用地を必要とすることはないし、大規模な淡水化プラントによる場合に比較して遙かに簡便にかつ安価に設置することができるものであり、たとえば離島に設ける小規模な淡水化プラントとして最適なものである。 The desalination apparatus of this embodiment is compactly equipped with all the equipment necessary for desalination, and its configuration is extremely simple, and seawater is efficiently desalinated immediately by floating it on the sea surface. Therefore, there is no need for a special site for installing this, and it can be installed much more easily and cheaply than in the case of a large-scale desalination plant. For example, it is optimal as a small-scale desalination plant on a remote island.
特に、電気透析装置2の電源として太陽電池パネル4による直流電源を変換することなくそのまま利用するようにしているので、太陽電池パネル4と電気透析装置2とを簡単な直列回路にて直接的に接続すれば良く、従来の大規模な淡水化プラントにおいては不可欠である大容量のバッテリーや充放電コントローラ、インバーター等を必要としないのでこの点でシステム全体の大幅な簡略化を実現できるし、エネルギ変換ロスが最小で済み、廃棄物も全くなく、環境に優しい極めて有効な淡水化システムを実現し得ている。
In particular, since the direct current power source of the
また、淡水タンク3をメインフレームを兼ねる縦長チューブ状としてそれに少数の構成部品を組み合わせただけのシンプルな構成であり、特に淡水チューブ3の下部に電気透析装置2のみならず調整機構としてのバラストタンク6やウエイト7を取り付けたので、自ずと安定な姿勢で海面に浮かべられるものであるばかりでなく、装置全体を充分に安価に製作できるし、ろ過フィルター14以外は日常的な保守を殆ど必要とせず、また各構成部品の素材として耐海水性を有する樹脂(炭素繊維強化樹脂、ポリプロピレン、オレフィン系ゴム等が好適に採用可能である)を用いることで10年程度の耐用年数を確保でき、以上のことから淡水の処理コストを充分に抑制できるものである。
Further, the
さらに、本実施形態の淡水化装置は、海水を淡水化することに伴って発生する農塩水をそのまま海水に放出するので、この淡水化装置の下方の海中においては塩分濃度が高まることになり、それにより高塩分濃度を好む多様な海生生物がそこに集まることで生態系の回復や閉鎖性海域の水質浄化効果が期待できるし、フィッシングポイントやダイビングポイント等の親水海域として有効に活用できる利点もある。 Furthermore, since the desalination apparatus of this embodiment discharges the agricultural salt water generated in association with desalination of seawater to seawater as it is, the salinity concentration will increase in the sea below this desalination apparatus, As a result, a variety of marine organisms that prefer high salinity can be gathered there, which can be expected to restore ecosystems and purify water in closed waters, and can be used effectively as hydrophilic waters such as fishing points and diving points. There is also.
以上で本発明の一実施形態を説明したが、上記実施形態は本発明を実施するうえで最適な一例であり、本発明は上記実施形態に限定されることなく適宜の設計的変更が可能である。たとえば、上記実施形態では太陽電池パネル4を正三角形状のモジュールを6角形状に組み合わせたものとしたので、図5に示したように多数の淡水化装置を並設する場合には各太陽電池パネル4を隙間無く並べて連結することができる利点があるが、それに限るものではなく、太陽電池パネル4の形状や面積等は任意に設定すれば良い。勿論、電気透析装置2や淡水タンク3をはじめとして全ての構成要素の容量や形状、素材、それらの組み合わせの形態等は、要求される処理能力や周辺環境等の諸条件を考慮して最適に設計すれば良い。
Although one embodiment of the present invention has been described above, the above embodiment is an optimal example for carrying out the present invention, and the present invention is not limited to the above embodiment, and appropriate design changes are possible. is there. For example, in the above embodiment, the
1 フロート
2 電気透析装置
3 淡水タンク
4 太陽電池パネル
5 アーム
6 バラストタンク(調整機構)
7 ウエイト(調整機構)
8 取り出し管
9 吐出口
10 電極
10a 陽極
10b 陰極
11 イオン交換膜
11a 陽イオン交換膜
11b 陰イオン交換膜
12 流路
12a 淡水化流路
12b 農塩水化流路
12c,12d 予備流路
13 ポンプ
14 ろ過フィルター
20 浮き桟橋
21 集水管
22 集水主管
23 ジョイント
1
7 Weight (adjustment mechanism)
8
Claims (5)
The desalination apparatus according to claim 1, 2, 3 or 4, wherein the electrodialysis apparatus passes seawater to be desalinated as an upward flow between the ion exchange membranes, and seawater to be agricultural salt water as a downward flow. A seawater desalination apparatus characterized by being configured to pass between ion exchange membranes.
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