JP5802384B2

JP5802384B2 - 膜モジュール及び浄化水製造装置

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Publication number: JP5802384B2
Application number: JP2010268646A
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Inventors: 清水　敦; 敦清水; 裕一大野; 智広新濱
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Priority date: 2010-12-01
Filing date: 2010-12-01
Publication date: 2015-10-28
Anticipated expiration: 2030-12-01
Also published as: JP2012115778A

Description

本発明は、海水や排水等の塩やその他の不純物を含む原水から浄化水を得る方法、及び膜モジュール、並びに浄化水製造装置に関する。より詳しくは、気体透過膜を用いて海水等の塩を含む原水を、膜蒸留し、水を製造する方法、及び膜モジュール、並びに浄化水製造装置に関する。

従来、海水や工業排水等の無機塩・有機塩を含む水(以下、原水と言う。)から、原水を処理した不純物の少ない水（以下、浄化水と言う。）を得る方法として、逆浸透膜法、蒸留法、膜蒸留法が知られている。
逆浸透膜法とは、高圧で塩水を逆浸透膜で処理することにより浄化水を得る方法である。

この方法は、広く使用されているが、高圧ポンプが必要であり、浄化水中の塩濃度を充分に下げるためには多段の装置が必要になることがある点が課題である。
蒸留法とは、原水を加熱して、蒸発させた水蒸気を凝縮させることで水を製造する方法である。蒸留法は、沸点未満で水を得ることが困難であり、装置が大型であるなどの欠点がある。

膜蒸留法とは、膜を使って、原水から水蒸気を取り出し、水として回収する方法である。この膜蒸留法では、簡単に塩濃度の低い浄化水が得られる点が利点である。膜蒸留法は、高圧ポンプは不要であり、太陽熱エネルギーや、各種機器・設備の廃熱を利用することが可能であり、省エネルギー型の方法として近年注目されている。

膜蒸留法の具体例として、特許文献１には疎水性多孔質膜を用いた膜蒸留法が記載されており、特許文献２には、半透膜を用いた膜蒸留法が記載されている。

特開平９−１１４３号公報特開２０１０−１６２５２７号公報

特許文献１に記載の疎水性多孔質膜を用いる方法は、膜の細孔中には液体の水が透過せず、気体である水蒸気のみが透過する。これにより、透過した気体のみを集めて冷却することで浄化水が得られる。しかし、例えば海水の浄水化に使用した場合、海水中に含まれる微小生物やその他の分散体、あるいは溶解している有機物などにより膜表面や細孔内が汚染されると、膜の表面や細孔内が閉塞される。また、その汚染により、膜の表面や細孔内が親水化すると、液体の水が透過することとなり、海水が膜を透過して、浄化水中の塩濃度が上がるなどの問題が予想される。

特許文献２に記載の半透膜を使用する方法は、膜中を液体の水分子が透過する機能を用いて膜蒸留を行う方法であるが、水を吸収する仲介溶液が必要などの点で装置が複雑になる。また、海水の浄水化に使用した場合、海水中に含まれる微小生物やその他の分散体、あるいは溶解している有機物などにより膜表面や膜内部が汚染され、膜性能が経時的に変化する恐れもある。

本発明では、上記従来法の課題を解決して、長期間安定的に水を製造する性能を発揮し、しかも浄化水中の塩濃度が低い、方法および、膜モジュール並びに浄化水製造装置を提供することを主な目的とする。

本発明者は、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、気体透過膜を介して水を蒸留すると、得られる水中の不純物の濃度を長期にわたって低く維持でき、様々な汚染に対する耐久性が高い、方法および膜モジュール、並びに浄化水製造装置を提供できることを見出し、本発明を完成させた。

すなわち本発明は、以下の通りである。
（１）気体透過膜と、冷却膜と、気体透過膜及び冷却膜を収納するケースとを備える膜モジュールであり、ケース内に、気体透過膜とケースで形成される第一の空間と、気体透過膜と冷却膜とで形成される第二の空間と、冷却膜とケースで形成される第三の空間とを有し、第一の空間は、第一の空間に原水を供給する原水供給口と、第一の空間から原水を排出する原水排出口とを少なくとも有し、第二の空間は、開口部を少なくとも１個以上有し、第三の空間は、第三の空間に冷却媒体を供給する冷却媒体供給口と、第三の空間から冷却媒体を排出する冷却媒体排出口とを少なくとも有し、気体透過膜は、疎水性でかつ実質的に貫通した孔がなく、含フッ素脂環構造を有する重合体を用いたフッ素樹脂系気体透過膜であり、原水を気体透過膜の一方の面に沿って流し、原水の水蒸気が気体透過膜を形成する材料中に溶解、拡散することにより、気体透過膜を透過した水蒸気を凝縮させて浄化水を得ることを特徴とする膜モジュール。
（２）第二の空間が、開口部を２個以上有することを特徴とする上記（１）に記載の膜モジュール。
（３）気体透過膜と冷却膜との間に、スペーサーを有することを特徴とする上記（１）又は（２）に記載の膜モジュール。
（４）気体分離膜と、冷却膜が、平膜プリーツ状であることを特徴とする上記（１）〜（３）のいずれかに記載の膜モジュール。
（５）第一の空間を流れる原水の方向と、第三の空間を流れる冷却媒体の方向が、対向するように、原水供給口、原水排出口、冷却媒体供給口、冷却媒体排出口が配置されることを特徴とする上記（１）〜（４）のいずれかに記載の膜モジュール。
（６）気体透過膜及び冷却膜を複数有し、第一の空間が、隣接する気体透過膜同士の間に形成され、第二の空間が、隣接する気体透過膜と冷却膜の間に形成され、第三の空間が、隣接する冷却膜同士の間に形成され、第一の空間、第二の空間、第三の空間、第二の空間の順に繰り返して積層されていることを特徴とする上記（１）〜（５）のいずれかに記載の膜モジュール。

（７）上記（１）〜（６）のいずれかに記載の膜モジュールと、原水供給装置と、冷却媒体供給装置を有し、第一の空間の原水供給口が、原水供給装置に接続され、第三の空間の冷却媒体供給口が、冷却媒体供給装置に接続されていることを特徴とする浄化水製造装置。
（８）第二の空間の開口部に、水蒸気の凝縮手段が接続されていることを特徴とする上記（７）に記載の浄化水製造装置。

（９）気体透過膜と、気体透過膜収納するケースとを備えた膜モジュールと、水蒸気の凝縮手段を有する浄化水製造装置において、気体透過膜は、疎水性でかつ実質的に貫通した孔がなく、含フッ素脂環構造を有する重合体を用いたフッ素樹脂系気体透過膜であり、原水を気体透過膜の一方の面に沿って流し、原水の水蒸気が気体透過膜を形成する材料中に溶解、拡散することにより、気体透過膜を透過した水蒸気を凝縮させて浄化水を得ており、膜モジュールが、ケース内に、気体透過膜とケースで形成される第一の空間と、気体透過膜とケースで形成される第四の空間とを有し、第一の空間は、第一の空間に原水を供給する原水供給口と、第一の空間から原水を排出する原水排出口とを少なくとも有し、第四の空間は、開口部を少なくとも１個以上有する膜モジュールであり、第四の空間の開口部に、水蒸気の凝縮手段が接続されていることを特徴とする浄化水製造装置。
（１０）水蒸気の凝縮手段が、熱交換器、又は冷却器であることを特徴とする上記（９）に記載の浄化水製造装置。
（１１）原水の温度を制御する温度制御部と、原水の流量を制御する流量制御部と、を更に備える上記（７）〜（１０）のいずれかに記載の浄化水製造装置。

本発明によれば、長期間安定的に浄化水を製造することができ、しかも不純物濃度が低い浄化水を製造できる。加えて、本発明の膜モジュール及び浄化水製造装置によれば、耐久性が高く、不純物濃度が低い浄化水を安定的に製造でき、かつ簡単に操作できる、浄化水製造用の膜モジュール及び浄化水製造装置を提供することができる。

膜モジュールの一実施形態の概念図膜モジュールの一実施形態の概念図プリーツ型膜モジュールの一実施形態の概念図プリーツ型膜モジュールの一実施形態の概念図プリーツ型膜モジュールの一実施形態の概念図膜モジュールの別の一実施形態の概念図膜モジュールの別の一実施形態の概念図中空糸型膜モジュールの一実施形態の概念図浄化水製造装置の一実施形態の概念図

以下、本発明を実施するための形態（以下、単に「本実施形態」という。）について、必要に応じて図面を参照しつつ詳細に説明する。以下の本実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明を以下の内容に限定する趣旨ではない。また、添付図面は実施形態の一例を示したものであり、これに限定して解釈されるものではない。本発明は、その要旨の範囲内で適宜に変形して実施できる。なお、図面中、上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとし、図面の寸法比率は図示の比率に限られるものではない。

本実施形態の方法は、原水を気体透過膜の一方の面に沿って流し、気体透過膜を透過した水蒸気を凝縮させて、浄化水を得る方法である。

〔原水、浄化水〕
本実施形態における原水とは、有機塩・無機塩等の電解質、その他の溶解性分、分散体あるいは微小生物を含む水である。原水としては、特に限定されるものではないが、海水、河川水、工業排水、生活排水などが挙げられる。原水として、海水が好適である。

本実施形態における浄化水とは、原水を処理した水のことで、気体透過膜を透過した水蒸気を凝縮させた水のことである。浄化水は、不純物の濃度が低い水のことであり、不純物としては、有機塩・無機塩等の電解質、その他の溶解性分、分散体あるいは微小生物等が挙げられる。原水として、海水を用いたとき、浄化水としては、塩濃度が低いことが好ましい。

〔気体透過膜〕
本実施形態における気体透過膜とは、水蒸気等の気体が膜を形成する材料中に溶解・拡散することにより透過する機構を有する膜である。この気体透過膜を用いることにより、液体の水や原水中の塩類、非塩類等の溶解成分、分散体、及び微小生物等は、気体透過膜を透過せず、水蒸気が膜に溶解・拡散して透過するため、極めて不純物の少ない水が得られる。加えて、本実施形態の気体透過膜は、実質的に貫通した孔がない膜であり、不純物により膜内が汚染されることを抑制することができる。

ここで、本実施形態において、実質的に貫通した孔が無いとは、マクロな貫通した孔やクヌーセン流を示すミクロな貫通した孔がなく、膜の気体透過について気体の溶解拡散機構が支配的であることを意味する。このことを窒素透過速度に対する酸素透過速度の比で表現すると、酸素透過速度／窒素透過速度比が１を超えることを意味する。窒素（酸素）透過速度とは、窒素（あるいは酸素）の単位時間での透過量を単位面積・単位圧力当たりに換算（例えば、ＧＰＵ＝１０^−６ｃｍ^３（ＳＴＰ）／ｃｍ^２／ｓ／ｃｍＨｇ）した値のことである。

疎水性微多孔膜を使用する従来方法は、膜の材料となる分子と比較して、非常に大きな空隙（数ｎｍ以上）を、気体が物理的に通過することを利用するものであり、本発明の気体透過は従来方法と原理的に異なる。すなわち、特許文献１に記載の疎水性微多孔膜を用いる方法では、水蒸気が微多孔中の空隙を物理的に透過することで、原水から水を得る方法であるが、本実施形態の方法は、水蒸気が気体透過膜を溶解・拡散することで、原水から水を得る方法である。したがって、本実施形態の方法によれば、気体透過膜が実質的に孔を有していないことから、原水中に含まれる不純物による膜の汚染を抑制できる。

〔気体透過膜の気体透過性能〕
本実施形態における気体透過膜中の水蒸気透過は、膜の原水側とその対抗側における水蒸気の分圧差が駆動力となる。その水蒸気透過速度は、下記式で近似的に表され、原水側とその対抗側の水蒸気の差圧であるΔＰと、膜面積であるＳに依存する。

Ｆ［１０^−９Ｌｓ^−１］＝Ｊ［ＧＰＵ］×△Ｐ［ｃｍＨｇ］×Ｓ［ｃｍ^２］
上記式中、Ｊ［ＧＰＵ（１０^−９Ｌｃｍ^２ｓ^−１ｃｍＨｇ^−１）］は気体透過定数と呼ばれ、気体透過膜の気体透過性能を示す指標である。本実施形態の気体透過膜の気体透過定数は、１０〜１０００，０００ＧＰＵが好ましい。

〔気体透過膜の材料〕
本実施形態における気体透過膜としては、有機系気体透過膜や無機系気体透過膜が挙げられ、有機系高分子の気体透過膜が好ましい。

有機系高分子の気体透過膜としては、疎水性高分子や親水性高分子を用いた気体透過膜が挙げられ、疎水性高分子を用いた気体透過膜がより好ましい。疎水性気体透過膜は、液体の水を実質的に含有せず、かつ、液体の水を透過させない。そのため、水に含まれる有機塩・無機塩等の電解質や、その他の溶解性分、分散体等による膜内部の汚染が少なく、耐久性が向上する。本実施形態において、疎水性高分子とは、吸水率が０．５質量％以下のものを指す。吸水率は０．１質量％以下が好ましく、０．０５質量％以下がより好ましく、０．０１質量％以下が更に好ましい。なお、疎水性無機材料の場合も同様の吸水率が好ましい。吸水率の測定方法は、ＡＳＴＭＤ５７０に従って、サンプルを２３℃の水に２４時間浸漬した条件で測定できる。

疎水性高分子の気体透過膜としては、例えば、フッ素樹脂系の気体透過膜、ポリイミド系の気体透過膜、シリコン系の気体透過膜、ＰＩＭ（Ｐｏｌｙｍｅｒｓｏｆ iｎｔｒｉｎｓｉｃｍｉｃｒｏｐｏｌｏｓｉｔｙ）の気体透過膜等が挙げられる。それらの中でも、水蒸気が透過する速度が速いという観点から、フッ素樹脂系の気体透過膜、ポリイミド系の気体透過膜、ＰＩＭの気体透過膜がさらに好ましく、フッ素樹脂系の気体透過膜、ＰＩＭの気体透過膜が特に好ましい。

〔フッ素樹脂系気体透過膜〕
フッ素樹脂系気体透過膜としては、非晶質の含フッ素重合体を用いたものが好ましい。
非晶質の含フッ素重合体としては、例えば、含フッ素脂環構造を有する重合体等が挙げられる。

含フッ素脂環構造を有する重合体を得るための単量体としては、パーフルオロ（２，２−ジメチル−１，３−ジオキソール）（ＰＤＤ）、パーフルオロ（２−メチル−１，３−ジオキソール）、パーフルオロ（２−エチル−２プロピル−１，３−ジオキソール）、パーフルオロ（２，２−ジメチル−４メチル−１，３−ジオキソール）、パーフルオロジオキソール類、トリフルオロメチル基、ペンタフルオロエチル基、ヘプタフルオロプロピル基等のフッ素置換アルキル基を有するパーフルオロジオキソール化合物類、パーフルオロ（４−メチル−２−メチレン−１，３−ジオキソラン）（ＭＭＤ）、パーフルオロ（２−メチル−１，４−ジオキシン）等の含フッ素脂環構造を有する単量体が例示できる。

上記単量体と共重合体を形成する他の単量体としては、テトラフルオロエチレン、クロロトリフルオロエチレン、ペルフルオロ（メチルビニルエーテル）等が挙げられる。主鎖に含フッ素脂環構造を有する重合体も用いることもできる。これらの単量体を単独または組み合わせて重合し、気体透過膜として使用されるフッ素系高分子化合物が得られる。
市販品を用いることもでき、例えば、商品名「テフロン（登録商標）ＡＦ」（デュポン社製）、商品名「ＨＹＦＬＯＮＡＤ」（アウジモント社製）等が挙げられる。テフロン（登録商標）ＡＦとしては、テフロン（登録商標）ＡＦ１６００およびテフロン（登録商標）ＡＦ２４００が例示できる。

また、気体透過膜の表面の水接触角としては、９０°以上が好ましく、より好ましくは９５°以上、更に好ましくは１００°以上である。
無機系の気体透過膜の材料としては、窒化ケイ素系、炭素系等の気体透過膜が挙げられる。

〔気体透過膜の支持層〕
本実施形態における気体透過膜は、支持層を有していることが好ましい。気体透過膜は薄膜であるほど、気体透過速度が向上するが、膜の機械的強度は低下する。したがって、気体透過膜が支持層を備えることにより、膜の機械的強度が向上するため好ましい。

支持層の材質は、膜が気体を透過させることができるものであれば特に限定されず、様々なものを用いることができる。例えば、織布、不織布、微多孔膜等を用いることができる。支持層として用いられる微多孔膜としては、ポリイミド微多孔膜、ＰＶＤＦ微多孔膜、ＰＴＦＥ微多孔膜、ポリオレフィン微多孔膜、限外ろ過膜（ＵＦ膜）として使用されるポリスルホン微多孔膜やポリエーテルスルホン微多孔膜等が挙げられる。これらの中では、ポリオレフィン微多孔膜、限外ろ過膜（ＵＦ膜）が工業的に容易に得られる点で好ましい。

膜の形状が平膜の場合、支持層の上に気体透過膜が形成された形態が挙げられる。中空糸膜の場合、支持層である中空糸膜の内側の表面又は外側の表面に、気体透過膜が形成された形態が挙げられる。気体透過膜は、塗工により形成させることが一般的には容易な方法であり好ましい。

支持層を有する膜のその他の例としては、膜表面に気体透過性能を持つスキン層が形成されるように湿式で製膜した非対象構造の膜が挙げられる。この形態の膜としては、ポリイミド中空糸が例示される。無機系の気体透過膜である場合、支持層であるセラミック膜の上に気体透過膜を水熱合成で形成したものや、化学蒸着（ＣＶＤ）により薄膜形成したものが挙げられる。

〔気体透過膜の形状〕
気体透過膜は、平膜状あるいは中空糸状であることが好ましい。
気体透過膜が平膜状である場合、プリーツ型，プレートアンドフレーム型、スパイラル型が例示される。

プリーツ型とは、図４に示すように、平膜を蛇腹上に折を繰り返した構造である。図４は模式図であり、折り目部分には曲率があり、曲率の大きさは折圧力により変化する。プリーツ型を作製するには、一般的には、プリーツ機が使用される。プリーツには、プリーツを箱型に重ねた箱型構造と円筒構造がある。円筒構造では、心棒の周りに各プリーツをスパイラル状に巻きつけた構造も例示できる。

プレートアンドフレーム型は、膜を一枚一枚重ねた構造である。
スパイラル型とは、封筒状の平膜を封筒の入り口を心棒に接続して巻きつけた構造である。

プリーツ型が膜カートリッジを作成が容易であり好ましい。中空糸の場合は、中空糸の中側に原水を流す場合と中空糸の外側に原水を流す場合がある。
ここで、膜カートリッジとは、気体分離膜、冷却膜、補強枠などからなり、膜モジュール内に装着されるものである。

本実施形態の方法では、原水を気体透過膜の一方の面に沿って流して、水蒸気を気体透過膜に透過させている。原水を流すことで、水の蒸発潜熱を原水の顕熱で供給でき、水蒸気発生量や温度、水蒸気分圧の制御が可能である。
流す原水の温度は、１℃以上１００℃以下に設定が可能である。より好ましくは５０℃以上１００℃以下である。この温度範囲とすることで浄化水を効率的に得ることができる。

また、本実施形態の方法では、気体透過膜を透過した水蒸気を凝縮させて、浄化水を製造する。水蒸気を凝縮させる方法として、冷却する、又は加圧することが挙げられる。

本実施形態の方法では、気体透過膜のもう一方の面に沿って、空気を流すことが好ましい。原水が流れる気体透過膜の面とは、反対側である気体透過膜のもう一方の面に沿って、空気を流すことで、より効率的に水蒸気を透過させることができるからである。気体透過膜の水蒸気透過速度は、原水側とその対抗側(以下、浄化水側という)の水蒸気の分圧差に依存するため、空気を流すことで、浄化水側の水蒸気の分圧を低下させ、安定的かつ効率的に浄化水を製造することができる。
なお、原水の流れる方向と空気のながれる方向は、同一方向でも対向方向でもよい。

〔空気〕
本実施形態において、空気の温度、圧力、組成としては、特に限定されない。

〔温度〕
本実施形態において、原水を加熱するための熱源としては、種々の熱源が利用可能であるが、エネルギー節約の観点からは、工場、発電所、熱機関、焼却炉などの排熱や太陽熱を利用することが好ましい。

〔膜モジュール〕
以下、本実施形態の、気体透過膜を組み込んでモジュール化した膜モジュールについて、説明する。

本実施形態の膜モジュールは、気体透過膜と、冷却膜と、気体透過膜及び冷却膜を収納するケースとを備える膜モジュールであり、ケース内に、気体透過膜とケースで形成される第一の空間と、気体透過膜と冷却膜とで形成される第二の空間と、冷却膜とケースで形成される第三の空間とを有し、第一の空間は、第一の空間に原水を供給する原水供給口と、第一の空間から原水を排出する原水排出口とを少なくとも有し、第二の空間は、開口部を少なくとも１個以上有し、第三の空間は、第三の空間に冷却媒体を供給する冷却媒体供給口と、第三の空間から冷却媒体を排出する冷却媒体排出口とを少なくとも有する。

膜モジュールの第一の空間は、気体透過膜とケースで形成され、第一の空間に原水を供給する原水供給口と、第一の空間から原水を排出する原水排出口とを少なくとも有する。
第一の空間では、原水供給口から供給される原水は、気体透過膜に沿って流れた後に、原水排出口より、外部に排出される。第一の空間は、原水供給口及び原水排出口を複数有していてもよく、その他の開口部を有していてもよい。

膜モジュールの第二の空間は、気体透過膜と冷却膜とで形成され、開口部を少なくとも１個以上有する。原水から気体透過膜を透過した水蒸気は、第二の空間で凝縮されて、第二の空間が有する開口部より外部に排出される。なお、第二の空間で、水蒸気が全て凝縮される必要はなく、一部の水蒸気が凝縮されていなくてもよい。また、第二の空間は、気体透過膜と、冷却膜と、ケースで形成されてもよい。

また、第二の空間は、開口部を２個以上有していることが好ましい。第二の空間が、開口部を２個以上有していることにより、気体透過膜の面に沿って、空気を流すことができる。それによって、水蒸気が気体透過膜を効率的に透過できるため、好ましい。

さらに、気体透過膜と冷却膜との間に、スペーサーを有することで、気体透過膜と冷却膜の強度を向上させることができるため好ましい。また、適切なスペーサーを選択することにより、気体透過膜と冷却膜の間の距離、つまり、第二の空間の形状や体積を制御して形成することができるため、好ましい。

膜モジュールの第三の空間は、冷却膜とケースで形成され、第三の空間に冷却媒体を供給する冷却媒体供給口と、第三の空間から冷却媒体を排出する冷却媒体排出口とを少なくとも有する。第三の空間では、冷却媒体供給口から供給される冷却媒体は、冷却膜に沿って流れ、冷却媒体排出口から排出される。この際、冷却膜を介して、第二の空間に存在する水蒸気を冷却することができる。つまり、第二の空間の水蒸気は、冷却膜に接することにより、凝縮されて、水となる。第三の空間は、冷却媒体供給口及び冷却媒体排出口を複数有していてもよく、その他の開口部を有していてもよい。

本実施形態の膜モジュールは、第一の空間を流れる原水の方向と、第三の空間を流れる冷却媒体の方向が、対向するように、原水供給口、原水排出口、冷却媒体供給口、冷却媒体排出口が配置されることが好ましい。

本実施形態の膜モジュールは、気体透過膜と冷却膜と間の距離が、極めて近い構造であるため、水蒸気の凝縮が効率的に行うことができ、かつ、装置全体が小型化できる。

本実施形態において、冷却膜とは気体透過膜を透過した水蒸気を冷却して凝縮する機能を有する膜である。ある。具体的には、高分子膜、金属薄膜、無機薄膜が挙げられる。また、非孔性膜であることが好ましい。

本実施形態において、スペーサーとは、気体透過膜や冷却膜の各膜間隔を一定に保持するために使用されるものであり、網、不織布、棒状体が例示できる。これらの中では網が好ましい。

また、本実施形態において、冷却媒体とは、冷却膜を介して水蒸気を冷却する目的で使用され、水、水溶液、有機溶剤などが使用可能である。冷却媒体としては、浄化水、海水、水が好ましい。

次に、本実施形態の浄化水製造装置について、以下で説明する。
本実施形態の浄化水製造装置は、本実施形態の膜モジュールと、原水供給装置と、冷却媒体供給装置を有し、第一の空間の原水供給口が、原水供給装置に接続され、第三の空間の冷却媒体供給口が、冷却媒体供給装置に接続されている。

原水供給装置により、膜モジュールの第一の空間の原水供給口に原水が供給され、原水排出口より、原水が排出される。原水は、循環して利用することもできる。循環して利用する場合、原水中の不純物濃度が高くなるため、適宜新しい原水を供給しつつ、供給することが好ましい。また、冷却媒体供給装置により、膜モジュールの第三の空間の冷却媒体供給口に冷却媒体が供給され、冷却媒体排出口より、冷却媒体が排出される。冷却媒体は、循環して利用することもできる。循環して利用する場合、温度を一定に保ちながら冷却媒体を循環することが好ましい。

また、第二の空間の開口部に、凝縮手段が接続されていることで、より水蒸気が凝縮されるため、好ましい。凝縮手段としては、熱交換器、冷却器、加圧器などが挙げられる。

本実施形態の別の浄化水製造装置としては、気体透過膜と、気体透過膜収納するケースとを備えた膜モジュールと、水蒸気の凝縮手段を有する浄化水製造装置において、膜モジュールが、ケース内に、気体透過膜とケースで形成される第一の空間と、気体透過膜とケースで形成される第四の空間とを有し、第一の空間は、第一の空間に原水を供給する原水供給口と、第四の空間から原水を排出する原水排出口とを少なくとも有し、第四の空間は、開口部を少なくとも１個以上有する膜モジュールであり、第四の空間の開口部に、水蒸気の凝縮手段が接続された浄化水製造装置である。

上記浄化水製造装置では、冷却膜で水蒸気を凝縮するのではなく、第四の空間に接続された凝縮手段により、水蒸気を凝縮する。凝縮手段としては、上述したものが挙げられる。

上記浄化水製造装置において、第四の空間は開口部を２個以上有することが好ましい。開口部から、空気を膜モジュールの第四の空間に供給することができ、水蒸気が気体透過膜を効率的に透過することができるため、好ましい。そして、水蒸気を含む空気が、別の開口部に接続された凝縮手段によって、凝縮されて、浄化水を製造することができる。

また、本実施形態の浄化水製造装置において、原水の温度を制御する温度制御部と、原水の流量を制御する流量制御部と、を更に備えることが好ましい。原水の温度と流量が制御できることにより、水の製造を最適な条件で行うための管理が行いやすい。

以下で、図を用いて、本実施形態について説明する。
図１は、本実施形態の膜モジュールの一実施形態の概念図である。膜モジュール１は、気体透過膜２と、冷却膜３と、ケース４とを有する。気体透過膜２と冷却膜３によって、ケース４内に、第一の空間Ａと、第二の空間Ｂと、第三の空間Ｃとが形成されている。第一の空間Ａは、ケース４気体透過膜２とで形成され、第二の空間Ｂは、気体分離膜２と冷却膜とケース４で形成され、第三の空間Ｃは、冷却膜３とケース４で形成されている。そして、第一の空間Ａは、原水供給口と原水排出口を有し、第二の空間Ｂは、開口部を２個有し、第三の空間Ｃは、冷却媒体供給口と冷却媒体排出口を有する。図１の膜モジュールでは、原水が膜モジュール１に供給され（図１Ｆ３参照）、第一の空間Ａにおいて気体透過膜２の面に沿って流れ、排出される（図１Ｆ４参照）。そして、気体透過膜２から第二の空間Ｂへ透過した水蒸気は、冷却膜３によって、凝縮され、気体透過膜２と冷却膜３との間を経て、膜モジュール１から排出される（図１Ｆ８参照）。また、第三の空間Ｃでは、冷却媒体供給口から、冷却媒体が供給され（図１Ｆ６参照）、冷却膜３に沿って流れて、冷却媒体排出口から、排出される（図１Ｆ７参照）。図１の膜モジュールにおいて、第二の空間Ｂに空気を供給することができる（図１Ｆ１参照）。

図１の形態では、気体透過膜２と冷却膜３が近接しているために、気体透過膜２を透過した水蒸気を、効率よく冷却膜３で凝縮させることができるため、好ましい。気体透過膜２と冷却膜３の間には、両膜の間隔を一定に保持するためにスペーサーを使用してもよく、気体透過膜２と冷却膜３の間には空気を強制的に流してもよい。また、図１の膜モジュールでは、原水が流れる方向（図１Ｆ３とＦ４参照）と、冷却媒体が流れる方向（図１Ｆ６とＦ７参照）とが、対向している。

図２は、本実施形態の膜モジュールの一実施形態の別の概念図である。図２の膜モジュール１は、冷却膜３、気体透過膜２、気体透過膜２、冷却膜３、冷却膜３、気体透過膜２、気体透過膜２、冷却膜３の順で積層された膜モジュール１である。この形態は、プレートアンドフレーム型膜モジュールの一部、またはプリーツ型膜モジュールの一部であり、気体透過膜の表面積が増大するため好ましい。積層する個数は、３組以上であってもよい。図２の膜モジュール１では、気体透過膜２と気体透過膜２とで形成される空間において、原水が供給及び排出される（図２Ｆ３とＦ４参照）。そして、冷却膜３と冷却膜３とで形成される空間において、冷却媒体が供給及び排出され（図２Ｆ６とＦ７）、気体透過膜２と冷却膜３とで形成される空間から、凝縮した水が得られる（図２Ｆ８参照）。図２の膜モジュール１においても、気体透過膜２と冷却膜３とで形成される空間に空気を供給することができる。

図３は、図１の膜モジュールの一実施形態の概念図である。図３の膜モジュール１では、スペーサー５、気体透過膜２、スペーサー５、冷却膜３、スペーサー５の順に積層され、プリーツ状に加工されたプリーツ成形体を用いている。スペーサー５は、各膜間の距離を一定に保持する目的で、各膜間に用いられる。この形態は、限られた空間に大きな膜面積を保持できるので容積効率が高くなる点で好ましい。

図４は、図３のプリーツ成形体を用いた膜モジュールの一実施形態である。ここで、プリーツ成形体において、プリーツの折り目に沿った方向を、プリーツ成形体の長さとし、長さ方向と直角する、プリーツの折り目に直角する方向を、プリーツ成形体の幅とし、長さ及び幅に直角する方向を、プリーツ成形体の高さとする。

図４に示される膜モジュール１では、プリーツ成形体の端面は、気体透過膜２と冷却膜３の第二の空間Ｂを除いて、両面共に封止されている。そして、図４のプリーツ成形体の上面に、幅方向に伸びる隔壁部６が設けられている。なお、プリーツ成形体の上面だけでなく、下面にも隔壁部６を設けてもよい。

原水供給口から膜モジュールに原水が供給されると（図４Ｆ６参照）、プリーツ成形体の折り目に沿って、長さ方向にむかって、原水が流れ、原水排出口から排出される（図４Ｆ７参照）。一方、冷却媒体供給口から冷却媒体が供給されると、プリーツ成形体の折り目に沿って、長さ方向に向かって、冷却媒体が流れ、冷却媒体排出口から排出される。供給された原水は水蒸気となって気体透過膜を透過し、冷却膜で冷却されて水となり、気体透過膜２と冷却膜３の間から排出される。膜モジュール１が、隔壁部６を有すると、原水又は冷却媒体が、気体透過膜の面に沿って流れ、効率が向上するため好ましい。

図５は、プリーツ成形体を用いた膜モジュールにおける、原水、冷却媒体、凝縮した水の流れの模式図である。原水は、Ｆ３から気体分離膜２の面に沿って流れ（図８Ｆ１０参照）、Ｆ４から排出される。なお、Ｆ３、Ｆ１０、Ｆ４は、図５において、気体透過膜２より手前側にある。一方、冷却媒体は、Ｆ６から冷却膜３の面に沿って流れ（図８Ｆ９参照）、Ｆ７から排出される。なお、Ｆ６、Ｆ９、Ｆ７は、図５において、冷却膜３より奥側にある。そして、気体透過膜２を透過した水蒸気は、冷却膜３で凝縮され、Ｆ８から排出される。図５で示される膜モジュール１では、原水が流れる方向（図８Ｆ１０参照）と、冷却媒体が流れる方向（図８Ｆ９参照）とが、逆の向きとなっている。

図６は、本実施形態の膜モジュールの別の一実施形態の概念図である。気体透過膜２によって、ケース４内が第一の空間Ａと、第四の空間Ｄが形成され、第一の空間Ａの開口部の１つと凝縮手段７が接続されている。図６の膜モジュール１では、原水が膜モジュール１に供給され（図６Ｆ３参照）、第一の空間Ａにおいて気体透過膜２の面に沿って流れ、排出される（図６Ｆ４参照）。そして、気体透過膜２から第四の空間Ｄへ透過した水蒸気は（図６Ｆ２参照）、凝縮手段７によって凝縮されて（図６Ｆ５参照）、水が製造される。図６では、凝縮手段７が第四の空間Ｄの開口部と接続されている。

図７は、本実施形態の膜モジュールの一実施形態の別の概念図である。図６の膜モジュール１に加えて、第四の空間Ｄに別の開口部から空気が供給され（図７Ｆ１参照）、気体透過膜２を透過した水蒸気と共に、凝縮手段７へ供給され、凝縮される。図７の膜モジュール１を用いれば、効率的に気体透過膜２から水蒸気を透過させることができる。図７で示される膜モジュールを用いる場合、原水の流れる方向（図７Ｆ３とＦ４参照）と、空気の流れる方向（図７Ｆ１とＦ２参照）とが、気体分離膜２を隔てて逆向き（対向）である。

図８は、中空糸型の膜モジュールの一実施形態の概念図である。図８では、膜モジュール１のケース４内が、中空糸状の気体透過膜２の外側と内側に分けられる。気体透過膜２は中空糸の外側表面または内側表面に形成されている。そして、中空糸状の気体透過膜２の内側に、原水が供給され、排出される。また、その逆に中空糸の外側に原水が供給され、排出されてもよい。中空糸状の気体透過膜２から透過した水蒸気は、第四の空間Ｄに供給される空気とともに、排出される。そして、凝縮手段７によって、水蒸気が凝縮され、水が製造される。なお、図７及び８では、凝縮手段７として、冷却器の代わりに、中空糸状の冷却膜を凝縮手段７として用いることもできる。

〔実施例１〕
外径１ｍｍ内径０．７ｍｍのポリエーテルスルホン中空糸微多孔膜にテフロン（登録商標）ＡＦ−１６００(Ｄｕｐｏｎｔ社製)を塗工し、気体透過膜を作製した。酸素透過性は１２００ＧＰＵであった。中空糸を束ね１０ｍ^２の膜モジュールを４個作製し、合計４０ｍ^２の膜モジュールを組み立てた。

この膜モジュールを用いて、図９に示す浄化水製造装置で、実験を行った。図９の浄化水製造装置では、膜モジュール１１にＦ１１から空気を供給し、Ｆ１２から排出し、冷却器１６で水蒸気を凝縮させる。凝縮された水は、Ｆ１５から排出され、空気はＦ１８より排出される。また、Ｆ１６から海水が循環槽１５に供給され、循環ポンプ１４を経由して、加熱器１３で加熱される。その後、Ｆ１３から海水が供給され、Ｆ１４から排出された海水は、再び循環槽１５に戻る。海水は、Ｆ１７からブローダウンすることができる。

また、循環槽１５に供給される海水は、２０℃で、３．２Ｌ／ｍｉｎの流量とし、加熱器の電気容量を８３ｋＷとし、海水を加熱した。加熱された海水は、膜モジュール１の原水供給口において、８９℃で、４３Ｌ／ｍｉｎの流量であり、膜モジュール１の原水排出口において、６９．２℃で、３９．８Ｌ／ｍｉｎの流量であった。また、Ｆ１１より、膜モジュール１に供給した空気は、６．３Ｎｍ^３／ｍｉｎの流量であった。

上記の運転条件において、図９の浄化水製造装置を運転した結果、約３Ｌ／ｍｉｎの水(浄化水)を得ることができた。不純物等による膜の汚染はなかった。

〔実施例２〕
ポリオレフィン系微多孔膜にテフロン（登録商標）ＡＦ−１６００を塗工し、気体透過膜を作製した、酸素透過性は１３００ＧＰＵであった。５００デニール１０メッシュの平織り網をスペーサーとし、このスペーサーで気体透過膜を挟みプリーツに加工した。１０ｍ^２の膜モジュールを４個作製し、合計４０ｍ^２の浄化水製造装置を組み立てた。図９の膜モジュール１１を図７の膜モジュール１としたこと以外は、実施例１と同様な条件で実施したところ、約３Ｌ／ｍｉｎの水(凝縮水)を得ることができた。

本発明は、海水から浄化水を製造することに利用できる。

１膜モジュール
２気体透過膜
３冷却膜
４ケース
５スペーサー
６隔壁部
７凝縮手段
Ａ第一の空間
Ｂ第二の空間
Ｃ第三の空間
Ｄ第四の空間
１１膜モジュール
１２気体透過膜
１３加熱器
１４循環ポンプ
１５循環槽
１６冷却器

Claims

気体透過膜と、冷却膜と、気体透過膜及び冷却膜を収納するケースとを備える膜モジュールであり、
ケース内に、気体透過膜とケースで形成される第一の空間と、気体透過膜と冷却膜とで形成される第二の空間と、冷却膜とケースで形成される第三の空間とを有し、
第一の空間は、第一の空間に原水を供給する原水供給口と、第一の空間から原水を排出する原水排出口とを少なくとも有し、
第二の空間は、開口部を少なくとも１個以上有し、
第三の空間は、第三の空間に冷却媒体を供給する冷却媒体供給口と、第三の空間から冷却媒体を排出する冷却媒体排出口とを少なくとも有し、
前記気体透過膜は、疎水性でかつ実質的に貫通した孔がなく、含フッ素脂環構造を有する重合体を用いたフッ素樹脂系気体透過膜であり、
原水を前記気体透過膜の一方の面に沿って流し、前記原水の水蒸気が前記気体透過膜を形成する材料中に溶解、拡散することにより前記気体透過膜を通過し、前記気体透過膜を透過した水蒸気を凝縮させて浄化水を得ることを特徴とする膜モジュール。
第二の空間が、開口部を２個以上有することを特徴とする請求項１に記載の膜モジュール。
気体透過膜と冷却膜との間に、スペーサーを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の膜モジュール。
気体分離膜と、冷却膜が、平膜プリーツ状であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の膜モジュール。
第一の空間を流れる原水の方向と、第三の空間を流れる冷却媒体の方向が、対向するように、原水供給口、原水排出口、冷却媒体供給口、冷却媒体排出口が配置されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の膜モジュール。
気体透過膜及び冷却膜を複数有し、
第一の空間が、隣接する気体透過膜同士の間に形成され、
第二の空間が、隣接する気体透過膜と冷却膜の間に形成され、
第三の空間が、隣接する冷却膜同士の間に形成され、
第一の空間、第二の空間、第三の空間、第二の空間の順に繰り返して積層されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の膜モジュール。
請求項１〜６のいずれか一項に記載の膜モジュールと、原水供給装置と、冷却媒体供給装置を有し、
第一の空間の原水供給口が、原水供給装置に接続され、
第三の空間の冷却媒体供給口が、冷却媒体供給装置に接続されていることを特徴とする浄化水製造装置。
第二の空間の開口部に、水蒸気の凝縮手段が接続されていることを特徴とする請求項７に記載の浄化水製造装置。
気体透過膜と、気体透過膜収納するケースとを備えた膜モジュールと、水蒸気の凝縮手段を有する浄化水製造装置において、
前記気体透過膜は、疎水性でかつ実質的に貫通した孔がなく、含フッ素脂環構造を有する重合体を用いたフッ素樹脂系気体透過膜であり、
原水を前記気体透過膜の一方の面に沿って流し、前記原水の水蒸気が前記気体透過膜を形成する材料中に溶解、拡散することにより前記気体透過膜を通過し、前記気体透過膜を透過した水蒸気を凝縮させて浄化水を得ており、
膜モジュールが、ケース内に、気体透過膜とケースで形成される第一の空間と、気体透過膜とケースで形成される第四の空間とを有し、
第一の空間は、第一の空間に原水を供給する原水供給口と、第一の空間から原水を排出する原水排出口とを少なくとも有し、
第四の空間は、開口部を少なくとも１個以上有する膜モジュールであり、
第四の空間の開口部に、水蒸気の凝縮手段が接続されていることを特徴とする浄化水製造装置。
水蒸気の凝縮手段が、熱交換器、又は冷却器であることを特徴とする請求項９に記載の浄化水製造装置。
原水の温度を制御する温度制御部と、原水の流量を制御する流量制御部と、を更に備える請求項７〜１０のいずれか一項に記載の浄化水製造装置。