JP4304573B2

JP4304573B2 - 逆浸透膜による高濃度溶液の処理方法

Info

Publication number: JP4304573B2
Application number: JP2002297819A
Authority: JP
Inventors: 利孝田中; 淳夫熊野; 信也藤原
Original assignee: Toyobo Co Ltd
Current assignee: Toyobo Co Ltd
Priority date: 2002-10-10
Filing date: 2002-10-10
Publication date: 2009-07-29
Anticipated expiration: 2022-10-10
Also published as: JP2004130233A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高濃度溶液の逆浸透処理に関する発明であり、特に海水の淡水化などを目的とする分離方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
逆浸透法は、海水及びかん水の淡水化、半導体工業及び医薬品工業用の純水、超純水の製造、都市排水処理等の幅広い分野で利用されている。蒸発法、電気透析法と比較して省エネルギーの点で有利であり、広く普及が進んでいる。特に、中空糸膜逆浸透膜は、単位容積当たりの膜面積を大きくできるため、膜分離操作に適した形状であり、例えば、逆浸透膜による海水淡水化分野では広く用いられている。
【０００３】
逆浸透法で処理された水は飲料水にも使用されているが、安全意識の高まりとともに、水質基準の遵守が求められている。そのため、逆浸透膜の透過水を一旦集めて、再度逆浸透膜で処理する２段法が検討されている。
【０００４】
従来、１段目の逆浸透膜処理された透過水の全量が２段目の逆浸透膜で処理され、２段目の逆浸透膜の濃縮水を１段目の供給水に戻す処理方法が開示されている。しかしながら、この方法では、１段目の全量が２段目で処理されるので、消費エネルギーが大きくなること、また、原水の水質によっては透過水質が必要過度となる場合があり、好ましくない。
【０００５】
一方、海水淡水化でのホウ素除去を目的として、１段目の逆浸透膜の濃縮側の透過水のみを２段目の逆浸透膜モジュールへ供給する２段法が開示されている。しかしながら、１段目の逆浸透膜モジュールからの透過水で供給側透過水と濃縮側透過水の取り出し部は区分されているものの、逆浸透膜モジュール内部での区分が明確ではなく、供給側透過水と濃縮側透過水の濃度は制御ができず、２段目への供給水を制御するのが困難であるという問題がある。また、濃縮側透過水の全量が２段目で処理されるため、２段目の透過水が必要過度の水質となったり、逆に水質が不足したりすることに対し、対応できないという問題がある。
【０００６】
【特許文献１】
米国特許第4,574049号明細書（第3欄34行−第4欄4行、図1）
【０００７】
【非特許文献１】
ニューメンブレンテクノロジーシンポジウム2002予稿集（第6-1-1頁−第6-1-10頁）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
単純に１段目逆浸透膜の透過水を一旦集めて、２段目逆浸透膜に供給すると、必要以上に２段目逆浸透膜の規模が大きくなるという問題がある。また、１段目の透過水の一部を２段目へ供給する場合、２段目への供給水の水質が制御できないという問題がある。本発明は、このような点に鑑みてなされたもので、逆浸透膜で処理した透過水を部分的に再度逆浸透膜で処理する膜処理方法において、後段の逆浸透膜部分の規模を低減し、効率的な処理が可能な処理方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を克服すべく鋭意検討を重ねた結果、本発明に到達した。すなわち、本願発明は下記の構成を有するものである。
（１）高濃度原水を２段の逆浸透膜モジュールで処理し、高濃度の濃縮水と低濃度の透過水とに分離する処理方法であって、１段目の逆浸透膜モジュールで分離された低濃度の透過水が２段目の逆浸透膜モジュールに供給されるように配設され、１段目の逆浸透膜モジュールの透過水の１０％から１００％を２段目の逆浸透膜モジュールで処理することを特徴とする高濃度溶液の処理方法。
（２）１段目の逆浸透膜モジュールにおいて逆浸透膜モジュールが2連に配置され、１連目逆浸透膜モジュールに高濃度原水が供給され、２連目逆浸透膜モジュールに１連目モジュールの濃縮水が供給される構成をもつ（１）記載の高濃度溶液の処理方法。
（３）１段目の逆浸透膜モジュールの２連目の逆浸透膜モジュールの透過水と１連目の逆浸透膜モジュールの透過水を１００：０から４０：６０の割合で混合して、２段目の逆浸透膜モジュールで逆浸透処理することを特徴する（１）、（２）いずれか記載の高濃度溶液の処理方法。
（４）中空糸型逆浸透膜が酢酸セルロース系高分子からなることを特徴とする（１）〜（３）いずれか記載の高濃度溶液の処理方法。
（５）２段目の逆浸透膜モジュールがポリアミド系素材の逆浸透膜からなることを特徴とする（１）〜（４）いずれか記載の高濃度溶液の処理方法。
（６）高濃度原水が海水であることを特徴とする（１）〜（５）いずれか記載の高濃度溶液の処理方法。
（７）高濃度原水に殺菌処理として間欠的に塩素を注入することを特徴とする（１）〜（６）いずれか記載の高濃度溶液の処理方法。
【００１０】
本発明における高濃度原水とは、逆浸透処理が可能な溶質の溶解液体であり、濃度はその浸透圧から逆浸透処理が可能な範囲にあるものである。例えば、海水などがあげられ、回収率によっても異なるが、逆浸透膜では、５．４ＭＰａから９ＭＰａで淡水化処理が可能である。
【００１１】
本発明における逆浸透膜とは、数十ダルトンの分子量の分離特性を有する領域の分離膜であり、具体的には、０．５ＭＰａ以上の操作圧力で、食塩を９０％以上、除去可能であるものである。海水淡水化に使用される中空糸型逆浸透膜は、操作圧力が大きく、また、食塩の除去率は９９％以上が一般的である。
【００１２】
本発明における２段の逆浸透処理とは、原水を一度、逆浸透処理した透過水を再度、逆浸透処理する処理方法であり、１段目逆浸透膜モジュールと２段目逆浸透膜モジュールの間には昇圧操作が必要となる。本発明の場合は、部分的な２段処理のため、２段目の処理がなされない１段目の透過水は、２段目の処理水と合流して生産水として取り出される。なお、１段目の逆浸透膜モジュールと２段目の逆浸透膜モジュールは同一の特性でも異なる特性でもかまわない。２段目の逆浸透膜モジュールの除去率が１段目の逆浸透膜モジュールの除去率より高いほうが好ましい。また、２段目での除去性能を向上させるためや、２段目の膜特性を考慮して、１段目と２段目の間で添加剤を注入してもかまわない。例えば、海水淡水化の場合は、ホウ素の除去率は一般的には塩の除去率に比べて高くないが、アルカリを添加してｐＨを９以上にあげると、ホウ素の除去率は大幅に増加するため、アルカリを添加する場合がある。また、１段目の逆浸透膜モジュールが耐塩素性を有し、供給水、透過水に残留塩素が存在する場合、還元剤を注入する場合がある。アルカリの例としては、水酸化ナトリウム、水酸化カルシウムなどがあげられ、水酸化ナトリウムが最も好ましい。また、還元剤の例としては、亜硫酸水素ナトリウム、亜硫酸水素ナトリウム、チオ硫酸ナトリウムなどがあげられ、亜硫酸水素ナトリウムが最も好ましい。
【００１３】
本発明において、逆浸透膜モジュールが２連に配置されるとは、原水を一度、逆浸透処理した濃縮水を再度、逆浸透処理する処理方法であり、１連目の逆浸透膜モジュールと２連目の逆浸透膜モジュールの間には昇圧操作は不要である。
【００１４】
本発明において、２段目の逆浸透膜モジュールで処理される１段目の透過水の一部は、１段目だけでは透過水の水質が不十分である２連目逆浸透膜モジュールの透過水が主となる。しかしながら、２段法全体の透過水の水質から判断して、余裕がある場合は、２連目逆浸透膜モジュールの透過水の一部で良いが、逆に、不十分であれば、２連目逆浸透膜モジュールの透過水全量に、１連目逆浸透膜モジュールの透過水の一部を加えた混合液となる。２連目逆浸透膜モジュールの透過水の一部で良い場合は、その割合は２０％〜１００％が好ましく、より好ましくは５０％〜１００％である。さらに好ましくは７０％〜１００％である。この範囲内にあれば、２段法の効果が顕著となり好ましい。一方、１連目逆浸透膜モジュールの透過水の一部を加えた混合液の場合は、その混合割合は１％〜５０％が好ましく、より好ましくは１％〜３０％である。さらに、１〜３０％であれば、２段目の処理の負荷を低く抑えることができ２段法のシステムが有効に作用する点で好ましい。
また、１段目の逆浸透膜モジュール内の供給水流量が大きくなり、膜表面の更新が促進されるような、２本の逆浸透膜モジュールが２連に直列に配置されている場合は、高回収率運転時等にはより好ましい。さらに、２段目の逆浸透膜モジュールに供給され、逆浸透処理される１段目の逆浸透膜モジュールの透過水は、１段目の逆浸透膜モジュールのなかでも透過水の濃度が高い２連目の逆浸透膜モジュールの透過水を主とするのが好ましい。１連目の逆浸透膜モジュールの透過水量が２連目の逆浸透膜モジュールの透過水量より多いことを考慮して、１連目の逆浸透膜モジュールの透過水と２連目の逆浸透膜モジュールの透過水の割合は、０：１００から６０：４０の割合が好ましい。
【００１５】
本発明における酢酸セルロース系高分子とは、酢酸セルロース、三酢酸セルロース、両者の混合物が例としてあげられる。性能面、性能の安定性等から三酢酸セルロースが好ましい。また、これらの素材は耐塩素性に優れるため、供給水に殺菌剤として塩素を添加が可能である。間欠的に注入するほうが、消毒物副生製物の発生量や薬品使用量が小さくなり好ましい。
【００１６】
本発明におけるポリアミド系素材とは、線状ポリアミド高分子、架橋ポリアミド高分子等が例としてあげられ、除去性能が優れているものであれば、いずれでもかまわない。また、耐塩素性を有するものとそうでないものがあるが、運転管理上、耐塩素性を有しているものが好ましい。
【００１７】
本発明における耐塩素性を有するとは、水道水程度の残留塩素の存在下での１年程度の連続使用が可能であることを意味する。耐塩素性を有するポリアミド系逆浸透膜の例としては、東洋紡績（株）製のＨＳ（R）シリーズなどがあげられる。この２段目の逆浸透膜モジュールが耐塩素性を有すると、１段目の逆浸透膜モジュールへの供給水に塩素を用いて、透過水中に残留しても、そのまま、２段目逆浸透膜モジュールの処理が可能となるため、操作性、還元剤の薬品使用量の点から好ましい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態１を図１に基づいて説明する。図１は、一例として１段目の逆浸透膜として、２つの中空糸型逆浸透膜モジュールを２連に配置し、２連目の逆浸透膜モジュールの透過水のみを２段目の逆浸透膜モジュールへ供給して分離操作を行う場合を示している。高圧ポンプ４により昇圧された供給水６は１段目１連目の逆浸透膜モジュールに供給され、濃縮水８は２連目の逆浸透膜モジュール２に供給される。２連目の逆浸透膜モジュール２の濃縮水１０は排出され、透過水９は昇圧ポンプ５によりで昇圧され、２段目の逆浸透膜モジュール３へ供給され濃縮水１２は排出され、透過水１１は１連目の透過水７と合流し生産水１３として得られる。
【００１９】
図２は図１と類似しており、１段目の１連目逆浸透膜モジュール１の透過水７と１段目２連目逆浸透膜モジュール２の透過水９とが連通しており、流量調整バルブ１４，１５、１６で１連目、２連目の各逆浸透膜モジュールの透過水の割合を制御可能で２段目逆浸透膜モジュール２への供給水の流量、水質を変更可能である。例えば、流量調整バルブ１４、１５を開け、流量調整バルブ１６を絞れば、１連目逆浸透膜モジュール１の透過水７の混合割合が増加し、逆に、流量調整バルブ１４、１６を開け、流量調整バルブ１５を絞れば、２連目逆浸透膜モジュール２透過水の流量を減少させることが可能である。
【００２０】
【実施例】
以下に、実施例を挙げて本発明を説明するが、本発明はこれらの実施例により何ら制限されるものではない。なお、実施例は、海水淡水化用の逆浸透膜の場合を示す。
【００２１】
（実施例１）
１段目の逆浸透膜モジュールとして三酢酸セルロース製の中空糸型逆浸透膜エレメントが圧力容器内に２本装着された中空糸型逆浸透膜モジュールを用い、２段目の逆浸透膜モジュールとして耐塩素性ポリアミド製の中空糸型逆浸透膜モジュールを用い、図１に示すような、１段目が２連の２段のモジュール配置で海水を処理した。但し、２段目への供給水へＮａＯＨを添加し、ｐＨを９に設定した。運転条件は以下の通りであった。原水の温度２５℃、ＴＤＳ濃度３．５％、ホウ素濃度４．５ｍｇ／Ｌ、１段目の操作圧力７０ｋｇ／ｃｍ²、２段目の操作圧力１５ｋｇ／ｃｍ²、１段目の回収率５３％、２段目の回収率８５％。得られた２段処理としての生産水の水質はＴＤＳ１４３ｍｇ／Ｌ、ホウ素１．２３ｍｇ／ｌであった。また、２段目の昇圧ポンプの消費電力は０．１８ｋｗ／ｍ³であった。１、２段目の水質等は表１にまとめて示した。
【００２２】
（実施例２）
逆浸透膜モジュールの配置が図２であること以外、実施例１と同様に海水を処理した。但し、２段目逆浸透膜モジュールへの供給水が２連目逆浸透膜モジュールの透過水の８０％とし、２段目の処理用の逆浸透膜モジュールの処理量が実施例１と同じ程度となるように、本数を８０％にした。得られた２段処理としての生産水の水質はＴＤＳ１６６ｍｇ／Ｌ、ホウ素１．３９ｍｇ／ｌであった。また、２段目の昇圧ポンプの消費電力は０．１４ｋｗ／ｍ³であった。１、２段目の水質等は表１にまとめて示した。
【００２３】
（実施例３）
逆浸透膜モジュールの配置が図２であり、２段目逆浸透膜モジュールへの供給水が２連目逆浸透膜モジュールの透過水の１００％と１連目逆浸透膜モジュールの２５％の混合水であること以外、実施例２と同様に海水を処理した。但し、２段目の処理用の逆浸透膜モジュールの処理量が実施例１と同じ程度となるように、本数を１５０％にした。得られた２段処理としての生産水の水質はＴＤＳ１１６ｍｇ／Ｌ、ホウ素１．０４ｍｇ／ｌであった。また、２段目の昇圧ポンプの消費電力は０．２７ｋｗ／ｍ³であった。１、２段目の水質等は表１にまとめて示した。
【００２４】
（比較例1）
図２のモジュール配置で、１段目の１連目逆浸透膜モジュールの透過水、２連目の逆浸透膜モジュールの透過水がすべて２段目の逆浸透膜モジュールの供給水となるような、完全な２段法で実施例３と同様に海水を処理した。但し、２段目の処理用の逆浸透膜モジュール当たりの処理量が実施例１と同じ程度となるように、逆浸透膜モジュール本数を約３倍にした。得られた２段処理としての生産水の水質はＴＤＳ２５ｍｇ／Ｌ、ホウ素０．４ｍｇ／ｌであった。また、２段目の昇圧ポンプの消費電力は０．５９ｋｗ／ｍ³であった。生産水質の濃度は非常に低いが、ＴＤＳ濃度が低すぎる傾向があることと、２段目の昇圧ポンプの消費電力が非常に大きく、過剰な処理の運転であると考えられる。１、２段目の水質等は表１にまとめて示した。
【００２５】
【表１】

【００２６】
【発明の効果】
逆浸透膜で処理した透過水を部分的に再度逆浸透膜で処理する膜処理方法において、２段目の逆浸透膜モジュール部分の規模および消費電力を低減する方法を提供することができる。また、２段目の逆浸透膜モジュールへの供給水を変更して、全体のシステムの最適化が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の処理方法の一例で、１段目の２連目逆浸透膜モジュールの透過水のみ２段目の逆浸透膜モジュールに供給される場合の簡単な構成図を示す。
【図２】本発明の処理方法の一例で、１段目の２連目逆浸透膜モジュールの透過水と１連目の逆浸透膜モジュールの透過水の混合水が２段目の逆浸透膜モジュールに供給される場合の簡単な構成図を示す。
【符号の説明】
１：１段目の１連目の逆浸透膜モジュール
２：１段目の２連目の逆浸透膜モジュール
３：２段目の逆浸透膜モジュール
４：高圧ポンプ
５：昇圧ポンプ
６：供給水
７：１連目の逆浸透膜モジュールの透過水
８：１連目の逆浸透膜モジュールの濃縮水
９：２連目の逆浸透膜モジュールの透過水
１０：２連目の逆浸透膜モジュールの濃縮水
１１：２段目の逆浸透膜モジュールの透過水
１２：２段目の逆浸透膜モジュールの濃縮水
１３：生産水
１４、１５，１６：流量調整バルブ

Claims

高濃度原水を２段の逆浸透膜モジュールで処理し、高濃度の濃縮水と低濃度の透過水とに分離する処理方法であって、
１段目の逆浸透膜モジュールで分離された低濃度の透過水が昇圧され２段目の逆浸透膜モジュールに供給されるように配設され、
１段目の逆浸透膜モジュールにおいて逆浸透膜モジュールが2連に配置され、１連目逆浸透膜モジュールに高濃度原水が供給され、２連目逆浸透膜モジュールに１連目モジュールの濃縮水が供給される構成をもち、
１段目の１連目の逆浸透膜モジュールの透過水の５０％以下が２段目の逆浸透膜モジュールに供給され、
１段目の逆浸透膜モジュールの透過水の１０％以上１００％未満を２段目の逆浸透膜モジュールで処理することを特徴とする高濃度溶液の処理方法。
１段目の逆浸透膜モジュールの２連目の逆浸透膜モジュールの透過水と１連目の逆浸透膜モジュールの透過水を１００：０から４０：６０の割合で混合して、２段目の逆浸透膜モジュールで逆浸透処理することを特徴とする請求項１記載の高濃度溶液の処理方法。
アルカリを添加して２段目の供給水のpHを９以上にあげることを特徴とする請求項１または２に記載の高濃度溶液の処理方法。
還元剤を添加して１段目の透過水に含まれる残留塩素を除去し、２段目の供給水とすることを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載の高濃度溶液の処理方法。
１段目の逆浸透膜が酢酸セルロース系高分子からなる中空糸膜であることを特徴とする請求項１〜４いずれか記載の高濃度溶液の処理方法。
２段目の逆浸透膜モジュールがポリアミド系素材の逆浸透膜からなることを特徴とする請求項１〜５いずれか記載の高濃度溶液の処理方法。
高濃度原水が海水であることを特徴とする請求項１〜６いずれか記載の高濃度溶液の処理方法。
高濃度原水に殺菌処理として間欠的に塩素を注入することを特徴とする請求項１〜７いずれか記載の高濃度溶液の処理方法。