JP5985609B2 - 正浸透水処理のための逆行溶解度溶質の回収 - Google Patents

Description

（関連する出願との相互参照）
本願は、「REGENERATION OF RETROGRADE SOLUBLE SOLUTES FOR FORWARD OSMOSIS WATER TREATMENT」を発明の名称とする２０１１年４月２５日付出願のアメリカ合衆国仮出願第６１/５１７，６８７号、および、「RETROGRADE SOLUBLE SOLUTE FOR FORWARD OSMOSIS WATER TREATMENT」を発明の名称とする２０１１年７月１５日付出願のアメリカ合衆国仮出願第６１／５７２，３９４号に基づく優先権を主張しており、両仮出願の全ての内容は全ての目的のために、参照により本明細書に取り込まれる。

本開示は、海水、汽水、廃水や汚染水の脱塩に向けられる。より詳しくは、本開示は、正浸透脱塩に向けられる。

正浸透（forward osmosis）は当該技術分野において知られており、近年の研究対象となっているが、これは将来、新鮮な水が不足する可能性が有り、それに応じて費用対効果が高い脱塩および浄水技術への需要が高まっているためである。海水、汽水、その他の汚染水は、塩およびその他の汚染物質（溶質）を除去する半透膜を介して水（溶媒）を引き抜くことで浄化できる。この自然な浸透、つまり、正浸透のアプローチは、広く用いられている逆浸透プロセスとは異なる。逆浸透プロセスでは、同様の作用を有する半透膜に、圧力の下で強制的に水を通す。正浸透プロセスでは、水は、引き抜き溶液を用いて、半透膜を通して引き抜かれる。正浸透プロセスは、水を純化するのではなく、単に一組の溶質から別の一組の溶質へ水を移動させる。

正浸透技術についてのレビューと要約がMillerとEvensにより提供されている（正浸透：浄水と脱塩の新しいアプローチ、サンディア・レポート ＳＡＮＤ２００６-４６３４、２００６年７月（非特許文献１））。そこでは、逆行溶解度ポリマー引き抜き溶質を利用する概念が議論されている。水からの溶質の分離を達成する方法は記述されていない。

アンモニア−二酸化炭素ベースの正浸透システムは、McGinnisのアメリカ合衆国特許第７，５６０，０２９号（特許文献１）および第６，３９３，２９５号（特許文献２）に記述されている。当該システムは、溶質の温度依存的な溶解度を用いて、溶質を水から部分的に分離する。開示において、沈殿する溶質は固体の塩であり、分離のバランスは蒸留により達成される。Collinsのアメリカ合衆国特許出願第１１／６３２，９９４号（特許文献３）も、塩の温度依存的な溶解度を用いて、水から引き抜き溶質を分離することを記述している。

アメリカ合衆国特許出願第１１／７９６，１１８号（特許文献４）は、引き抜き溶質として被覆磁性ナノ粒子を利用する別の正浸透システムを記述している。ＰＣＴ ＷＯ／２０１０／１０７８０４（特許文献５）は、磁性粒子を制御可能な浸透圧剤として用いることを記述している。

正浸透によるものではないが、Chakrabartiのアメリカ合衆国特許第５，６７９，２５４号（特許文献６）は、水中におけるポリマーの温度依存的な溶解度を用いて脱塩を達成することを記述している。

Iyerのアメリカ合衆国特許第８，０２１，５５３号（特許文献７）は、結果として生じる溶質ミセルを製品水から分離し回収するために逆行溶解度ポリマー溶質とナノフィルタを用いるシステムを記述している。Iyerは、疎水性および親水性成分の両方を有する引き抜き溶質を特定している。Iyerはまた、ナノフィルタ上に沈殿した（または、相分離された）引き抜き溶質を集め、ナノフィルタを逆向きに洗い流して溶質を回収する、溶質の準バッチ回収を開示している。

アメリカ合衆国特許第７，５６０，０２９号 アメリカ合衆国特許第６，３９３，２９５号 アメリカ合衆国特許出願第１１／６３２，９９４号 アメリカ合衆国特許出願第１１／７９６，１１８号 ＰＣＴ ＷＯ／２０１０／１０７８０４ アメリカ合衆国特許第５，６７９，２５４号 アメリカ合衆国特許第８，０２１，５５３号

正浸透：浄水と脱塩の新しいアプローチ、サンディア・レポート ＳＡＮＤ２００６-４６３４、２００６年７月

ここに、正浸透浄水または脱塩のための改良されたシステムと方法を開示する。

以下、正浸透浄水または脱塩のための改良されたシステムと方法を開示する。一実施形態により、汚染水を浄化する方法が提供される。当該方法は、水を含み第１の浸透圧を有する汚染供給溶液流を半透膜の供給側に供給するステップと、引き抜き溶質を含み第２の浸透圧を有する引き抜き溶液流を半透膜の引き抜き側に供給するステップとを有する。半透膜の引き抜き側へ水を通過させて、希釈引き抜き溶液流を生成する。希釈引き抜き溶液流を加熱して、希釈引き抜き溶液流を過飽和させる。希釈引き抜き溶液流中の引き抜き溶質により二相流出流を生成する。二相流出流中の引き抜き溶質を凝集させ、凝集流出流を生成する。凝集した引き抜き溶質を凝集流出流から分離し、水と残存引き抜き溶質を含む水リッチ流と、凝集した引き抜き溶質と水を含む溶質リッチ流とを生成する。水リッチ流を冷却して残存引き抜き溶質を溶解させ、冷却単相水リッチ流を生成する。冷却単相水リッチ流から残存引き抜き溶質を分離し、残存引き抜き溶質流と精製水製品流とを生成する。

本開示の上記及びその他の目的、特徴、利点は、ここに開示される実施形態の以下の詳細な説明から、より明らかになる。

本願の実施形態は、添付の図を参照して単に例としてのみ記述される。
図１は、一実施形態に係る例示の正浸透プロセスを説明する図である。 図２は、別の実施形態に係る例示の正浸透プロセスを説明する図である。 図３は、更に別の実施形態に係る例示の正浸透プロセスを説明する図である。 図４は、一実施形態に係る例示の正浸透システムの例示のプロセスフロー図である。

説明の簡潔さと明快さのため、適切と考えられるときには、対応または類似する要素を示すため、参照番号が複数の図で繰り返される場合がある。また、本明細書に記述される実施形態の完全な理解のため、多数の具体的な詳細内容が述べられる。しかし、本明細書に記述される実施形態が、これらの具体的な詳細内容なしでも実施され得ることは、当該技術分野の通常の知識を有する者にはよく理解されるであろう。本明細書に記述される実施形態が不明確になることを避けるため、他の例においては、方法、手順および構成要素を詳細に記述しなかった。

本開示は、正浸透浄水または脱塩のための改良された引き抜き溶液システムと方法に向けられる。引き抜き溶液システムと方法は、正浸透水浄化システムの一部として、引き抜き溶液溶質を水溶媒から分離して引き抜き溶液溶質を濃縮する装置を含む。

本明細書に開示される引き抜き溶質は、逆行溶解度を示す。本明細書に開示される引き抜き溶質の溶解度は温度に応じて著しく低下するが、有用な作動浸透圧を提供するための環境条件では十分な溶解度を有する。本明細書に開示される引き抜き溶質は、逆行溶解度正浸透浄水システムおよび方法での使用のために特別に設計されたポリマーであることが望ましい。

一実施形態において、引き抜き溶質は、低分子量ジオール（例えば１，２プロパンジオール、１，３プロパンジオールや１，２エタンジオール）のランダム共重合体またはシーケンシャル共重合体である。引き抜き溶質は、４０℃〜９０℃の間の曇り点温度において、関心のある特定の浄化アプリケーションのために許容できる浸透圧を有する。また、引き抜き溶質は、ナノフィルタや逆浸透膜を用いた溶解ポリマーの磨き濾過を可能とする程に高い分子量を持つ。

一実施形態において、引き抜き溶質は、ポリグリコール共重合体であり、引き抜き溶質回収プロセスと共に用いる。引き抜き溶質回収プロセスは、バルク溶質回収のためのコアレッサーまたはセパレーター、および、再溶解した溶質を最終的に回収するためのナノフィルタを含む。

本明細書に開示される引き抜き溶質共重合体は、様々な数や順番のジオールからなり、所望の溶解特性を与える。浸透圧、曇り点温度、分子量および分子構造は、各種のモノマー単位を加えたり引いたりすることによって調節される。

一実施形態において、結果として生じる引き抜き溶質ポリマーの分子量と曇り点温度を上昇させるために、１，２エタンジオール単位が引き抜き溶質共重合体に加えられる。逆に、１，２プロパンジオール単位を引き抜き溶質ポリマーへ加えることによって、結果として生じる引き抜き溶質ポリマーの曇り点温度が下がり、分子量が上昇する

別の実施形態において、１，３プロパンジオールまたは１，２エタンジオールモノマーによって、より高い分子量のポリ（プロピレン）グリコールポリマーの１，２プロパンジオールモノマーの一部を置換し、結果として生じるポリマーの溶解度を上昇させ、曇り点温度を低下させる。

例示の引き抜き溶質の浸透圧は、アプリケーションおよび所望の回収に依存する。アプリケーションにおける高度の回収のためには、当該アプリケーションのプロセスの流れにおいて溶解した固体の濃度がより高い程、例示の引き抜き溶質はより高い浸透圧を必要とする。海水の正浸透脱塩のための例示のシステムと方法に必要とされる引き抜き溶液浸透圧は、概して、最低でも約３０気圧より高く、合理的な製品流量と回収を得るためには、約４０気圧よりも高いことが好ましい。一実施形態において、引き抜き溶質の溶解度は、周囲温度より十分（約１０℃）に高く沸点よりも十分に（約１０℃）低い温度において低下する。すなわち、引き抜き溶質の溶解度は著しく変化し、４０℃〜９０℃の範囲では、溶解度の温度依存性が上昇する。
プロセスにおける回収ステップの動作温度を最も低くし、結果として生じるエネルギー損失を最小にするためには、低い温度範囲（例えば、４０℃により近い範囲）において強い溶解度依存を有する例示の引き抜き溶質が好ましい。

浸透圧と曇り点温度の制約の中で、例示の引き抜き溶質ポリマーの化学的性質については、高い割合（９０％より大、好ましくは９９％より大）で引き抜き溶質がフィルタ除去されるように、ポリマーの分子量や物理構造を制御するように選択される。さらに、例示の引き抜き溶質ポリマーの化学的性質は、正浸透膜を通じた溶質の逆行的な拡散を最小にするように選択される。好ましくは、塩水の脱塩のためには、水の中に４０％の引き抜き溶質共重合体を含む例示の引き抜き溶液の浸透圧は３０気圧より高く、好ましくは４０気圧より高く、より好ましくは５０気圧より高く、一方で引き抜き溶質共重合体の分子量は５００より大きく、好ましくは１０００より大きく、より好ましくは２０００より大きい。
（引き抜き溶質組成物の例）

以下の非限定的な例は、実施形態を説明するために提供されるものであって、本開示の範囲を制限することを意図するものではない。

ポリオキシランダム共重合体を含む引き抜き溶質ポリマー組成物を、溶液中の引き抜き溶質が３０〜７０％重量濃度となるように調製した。典型的な正浸透動作温度２５℃における、浸透圧に対する引き抜き溶液濃度の効果を表１に示す。浸透圧は、平衡透析を用いてＮａＣｌ参照基準との直接の対比により計測した。

図１は、一実施形態に係る例示の正浸透プロセスを示す。汽水源流１は、正浸透モジュール３中の半透膜の供給側に供給される。引き抜き溶液流１８は、正浸透モジュール３中の半透膜の引き抜き側に供給される。汽水源流１の浸透圧は、引き抜き溶液流１８の浸透圧より低い。この圧力差によって、汽水源流１から水が半透膜を透過する結果、希釈引き抜き溶液流５と塩水流２が生じる。

希釈引き抜き溶液流５は熱交換器ネットワーク４に通され、そこでは相分離を開始し、希釈引き抜き溶液流５を溶質で過飽和させるのに十分な程度、温度上昇させられる。熱交換器ネットワーク４は、希釈引き抜き溶液５の温度を上昇させるために、一つの熱交換器、または、直列あるいは並列となるように構成される複数の熱交換器を含むものとすることができる。熱交換器ネットワーク４からの流出流として流出する希釈引き抜き溶液流１９の温度は、二相流出流を生成するのに十分な温度である。

熱交換器ネットワーク４から流出する二相引き抜き溶液流出流１９は、温度制御式コアレッサー６に供給される。こうして、熱交換器ネットワーク４内の溶質リッチな小液滴を凝集させる。コアレッサー６は、続く相分離器プロセス８で分離されるのに十分な大きさとなるよう溶質リッチ液滴を凝集させるように設計される。一実施形態において、コアレッサー６は、溶質リッチ液滴を１０μm（好ましくは２５μm、より好ましくは５０μm）より大きくなるように凝集させるように設計される。コアレッサー６に通される二相流に起因する圧力低下は、ナノフィルタに通される二相流に起因する圧力低下よりかなり小さい。コアレッサー６を使用することにより、余計な複雑さと準バッチ操作で必要な逆洗浄が不要となる。

コアレッサー６を、引き抜き溶質を凝集させるための疎水性凝集エレメントを有する上部セクションと、水を集合させるための親水性凝集エレメントを有する下部セクションとに分けてもよい。疎水性凝集エレメントの疎水性の程度と親水性凝集エレメントの親水性の程度は、引き抜き溶質が１０μmより大きくなるような特定の程度の凝集を達成するように選択される。一実施形態においては、疎水性凝集エレメントの疎水性の程度と親水性凝集エレメントの親水性の程度は、引き抜き溶質が１０μmより大きく凝集するように選択される。

コアレッサー流出流７は、温度制御式重力分離器８、遠心分離機、ハイドロサイクロンまたは類似の装置に供給され、そこではコアレッサーからの溶質リッチ液滴が集められる。重力相分離器８は、溶質を水から分離して、連続的な溶質リッチ流１０と連続的な水リッチ流９を生成するように設計されている。一実施形態において、コアレッサー６と重力相分離器８の動作温度は、１５０℃未満（好ましくは１００℃未満、より好ましくは８０℃未満）に維持される。これにより、分離器８からの流出流として流出する水リッチ流９の特定の溶質濃度と浸透圧を達成する。一実施形態において、コアレッサー６と重力相分離器８の動作温度は、水リッチ流９の溶質濃度として、溶液中溶質重量濃度で５％未満（好ましくは２％未満、より好ましくは１％未満）という濃度を達成するように選択される。

一実施形態において、重力相分離器８は、溶質リッチ流１０中の溶質を、溶液中溶質濃度で６０％より高い（好ましくは８０％より高い、より好ましくは９０％より高い）濃度に濃縮するように設計される。流出流として相分離器８から流出する溶質リッチ流１０は、熱交換器１６で冷却される。相分離器８からの流出流として流出する水リッチ流９も、熱交換器１１で冷却される。これにより、残存する溶質を再溶解させ、単相の冷却水リッチ流１２を生成する。冷却水リッチ流１２は、製品水から残存溶質を分離するのに用いられるナノフィルタ１３、限外濾過器、半透膜を有する逆浸透モジュールまたは類似の装置に供給される単相流である。ナノフィルタ１３は、溶質分子をそのサイズまたは構造に基づき除去し、かつ、理想的には溶解塩の大部分を通過させるために選択される。ナノフィルタ１３、限外濾過器、逆浸透モジュールまたは類似する装置での最終的な濾過ステップは、単相冷却水リッチ流１２中の残存溶質を回収するためだけに使われる。ナノフィルタ１３前後の圧力低下を最小にし、作業を単純化するために、溶質は単相冷却水リッチ流１２に再溶解される。溶質無し水フィルタ透過物１４は、本プロセスの製品である。

ナノフィルタ１３から流出する溶質リッチ流１５は、熱交換器１６から流出する冷却溶質リッチ流１０とミキサー１７において混合され、混合溶質リッチ流１８を生成する。ミキサー１７は、結果として生じる混合溶質リッチ流１８中に溶質を完全に溶解させるのに用いられる。混合溶質リッチ流１８は、源流１を連続的に浄化または脱塩するために、正浸透モジュール３に供給される。流出流として相分離器８から流出する溶質リッチ流１０は、混合溶質リッチ流１８の温度を十分に低く保ち、正浸透モジュール３に流入する混合溶質リッチ流１８中で溶質が完全に溶解するような特定の温度まで、熱交換器１６で冷却される。

図１の一実施形態において、追加的な外熱源（図示せず）で、コアレッサー６や相分離器８を動作温度まで加熱しても良い。

図１の別の実施形態において、コアレッサー６と相分離器８は結合され、１つの物理的装置となる。あるいは、熱交換器ネットワーク４内の表面領域と、熱交換器ネットワーク４と相分離器８の間の配管内の表面領域とを、コアレッサー６の代わりに用いてもよい。

図１の別の実施形態において、溶質濃度に基づく温度維持に代えて、コアレッサー６と相分離器８の温度は、水リッチ流９の浸透圧を５０ｍＯｓｍ未満、好ましくは２５ｍＯｓｍ未満、更に好ましくは１５ｍＯｓｍ未満に維持するように制御される。

図１の別の実施形態において、希釈引き抜き溶液流５中の溶質濃度は、希釈引き抜き溶液流５または混合溶質リッチ流１８の流量を用いて制御される。希釈引き抜き溶液５の目標濃度は、正浸透モジュール３における最小限流量として、少なくとも４Ｌ／（ｍ^２＊ｈｒ）を維持するように制御される。

図１の別の実施形態において、希釈引き抜き溶液流５中の微生物濃度は、ＵＶ滅菌装置または殺生物剤の添加により制御される。

図１の別の実施形態において、フィルタ透過物１４から残存引き抜き溶質を除去するため、高度酸化プロセスまたは吸着システムが用いられる。

図１の別の実施形態において、２０００未満、好ましくは１０００未満、より好ましくは５００未満の分子量でのカットオフを行うため、また、５０％未満、好ましくは２５％未満、より好ましくは１０％未満のＮａＣｌ除去を行うため、また、溶液中の溶質重量にて９５％を超える、好ましくは９９％を超える、より好ましくは９９.９％を超える溶質除去を行うために、ナノフィルタ１３、限外濾過器または逆浸透フィルタを選択する。
（コアレッサー動作条件例）

図１に示す正浸透プロセスにおけるプロセス流濃度と浸透圧に対するコアレッサー作動温度の影響を調査した。ポリオキシランダム共重合体を含む好ましい引き抜き溶液をプロセスに用いた。コアレッサー６を加熱するとすぐに希釈引き抜き溶液流５の浸透圧は低下し、溶液は溶質リッチ相と水リッチ相に分離した。コアレッサー流出流７は、温度制御式重力分離器８に供給され、重力相分離器８は溶質を水から分離し、連続的な溶質リッチ流１０と連続的な水リッチ流９を生成した。最終フィルタ１３の電力消費を設定または拘束する水リッチ流９の浸透圧と、正浸透モジュールで処理される膜流量と最大塩水濃度を設定または拘束する溶質リッチ流１０の溶質組成を、コアレッサー動作温度の関数として測定した。結果の概略を表２に示す。

コアレッサー６の動作温度は、分離器８からの流出流として流れ出る水リッチ流９における特定の浸透圧を達成するように制御した。コアレッサー６の動作温度はまた、溶質リッチ流１０中の溶質濃度を達成するように制御した。表２で概略を示したように、コアレッサー６の動作温度を上昇させると、水リッチ流９の浸透圧が低下し、それによって、最終濾過ステップ１３で濾過に必要とされる電力が低下した。コアレッサー６の動作温度を上昇させると、溶質リッチコアレッサー流出流中の溶質濃度が上昇し、それによって、正浸透モジュール３で処理される膜流量と最大塩水濃度の上昇が可能となる。

図２は、別の実施形態による例示の正浸透プロセスを示す。海水源流２００は、正浸透モジュール２０２中の半透膜の供給側に供給される。引き抜き溶液流２４０は、正浸透モジュール２０２中の半透膜の引き抜き側に供給される。海水源流２００の浸透圧は、引き抜き溶液流２４０の浸透圧より低い。この圧力差によって、海水源流２００から水が半透膜を透過し、その結果、希釈引き抜き溶液流２０６と塩水流２０４が生成される。

希釈引き抜き溶液流２０６を２つの希釈引き抜き溶液流２０６に分け、二つ以上の熱交換器２０８、２１０、２１４を有する熱交換器ネットワークに供給することができる。一方の希釈引き抜き溶液流２０６は溶質リッチ熱交換器２０８に供給され、他方の希釈引き抜き溶液流２０６は水リッチ熱交換器２１０に供給される。両方の希釈引き抜き溶液流２０６は、それぞれの熱交換器２０８、２１０で加熱され、結果として生じる加熱引き抜き溶液流は再結合され、混合希釈引き抜き溶液流２１２を生じる。両方の希釈引き抜き溶液流２０６の流量比は、熱交換器ネットワークの両熱交換器２０８、２１０から流れ出る２つの希釈引き抜き溶液流２０６間の温度差が５℃未満、好ましくは３℃未満、より好ましくは１℃未満となるように調節される。混合希釈引き抜き溶液流２１２を、更に仕上げ熱交換器２１４に通す事も可能であり、そこでは、廃熱源、太陽熱源、または、燃料燃焼熱源（図示せず）からの外部熱が加えられ、これにより温度を調節し、プロセス熱損失を担う。

相分離を開始し、希釈引き抜き溶液流２０６、２１２を溶質で過飽和させるのに十分な程度に、両希釈引き抜き溶液流２０６と混合引き抜き溶液流２１２を熱交換器ネットワーク２０８、２１０、２１４で加熱する。仕上げ熱交換器２１４からの流出流として流れ出る混合希釈引き抜き溶液流２１２の温度は、二相流出流２１２を生じるのに十分である。

仕上げ熱交換器２１４から流れ出る二相引き抜き溶液流出流２１２は温度制御式コアレッサー２１６に供給され、熱交換器ネットワーク２０８、２１０、２１４内の溶質リッチ小液滴を凝集させる。コアレッサー２１６は、続く相分離器プロセス２１８で溶質リッチ液滴が分離されるのに十分な大きさとなるよう凝集させるように設計される。一実施形態において、コアレッサー２１６は、１０μm（好ましくは２５μm、より好ましくは５０μm）より大きくなるよう、溶質リッチ液滴を凝集させるように設計される。コアレッサー２１６を通過する二相流に起因する圧力低下は、ナノフィルタを通過する二相流に起因する圧力低下よりかなり小さい。コアレッサー２１６を使用することにより、余計な複雑さと準バッチ操作で必要な逆洗浄が不要となる。

コアレッサー２１６を、引き抜き溶質を凝集させるための疎水性凝集エレメントを有する上部セクションと、水を集合させるための親水性凝集エレメントを有する下部セクションとに分けることも可能である。疎水性凝集エレメントの疎水性の程度と親水性凝集エレメントの親水性の程度は、引き抜き溶質が１０μmより大きくなるような特定の程度の凝集を達成するように選択される。一実施形態においては、疎水性凝集エレメントの疎水性の程度と親水性凝集エレメントの親水性の程度は、引き抜き溶質が１０μmより大きくなるよう凝集するように選択される。

コアレッサー流出流２２０は、温度制御式重力分離器２１８、遠心分離機、ハイドロサイクロンまたは類似の装置に供給され、そこではコアレッサーからの溶質リッチ液滴が集められる。重力相分離器２１８は、溶質を水から分離して、連続的な水リッチ流２２２と連続的な溶質リッチ流２２４を生成するように設計される。一実施形態において、コアレッサー２１６と重力相分離器２１８の動作温度は、１５０℃未満（好ましくは１００℃未満、より好ましくは８０℃未満）に維持される。これにより、分離器２１８からの流出流として流れ出る水リッチ流２２２の特定の溶質濃度と浸透圧を達成する。一実施形態において、コアレッサー２１６と重力相分離器２１８の動作温度は、水リッチ流２２２の溶質濃度として、溶液中溶質重量濃度で５％未満（好ましくは２％未満、より好ましくは１％未満）という濃度を達成するように選択される。一実施形態において、重力相分離器２１８は、溶質リッチ流２２４の溶質を、溶液中溶質重量濃度で６０％より高い（好ましくは８０％より高い、より好ましくは９０％より高い）濃度に濃縮するように設計される。

分離器２１８からの流出流として流れ出る水リッチ流２２２は水リッチ熱交換器２１０に通され、そこで希釈引き抜き溶液流２０６によって冷却され、逆に希釈引き抜き溶液流２０６は水リッチ流２２２によって加熱される。分離器２１８からの流出流として流れ出る溶質リッチ流２２４は溶質リッチ熱交換器２０８に通され、そこで希釈引き抜き溶液流２０６によって冷却され、逆に希釈引き抜き溶液流２０６は溶質リッチ流２２４によって加熱される。したがって、熱交換器ネットワーク２０８、２１０、２１４は、連続水リッチ流２２２と連続溶質リッチ流２２４を含む重力相分離器２１８流出流からの顕熱を第一に集め、回収する。水リッチ流２２２と溶質リッチ流２２４は、正浸透モジュール２０２が動作する温度の数度以内に冷却される一方、希釈引き抜き溶液流２０６は、それに応じて加熱される。

相分離器２１８からの流出流として流れ出る水リッチ流２２２は水リッチ熱交換器２１０で冷却され、これにより、残存する溶質を再溶解させ、単相冷却水リッチ流２２６を生成する。冷却水リッチ流２２６は、製品水から残存溶質を分離するのに用いられるナノフィルタ２２８、限外濾過器、半透膜を有する逆浸透モジュールまたは類似の装置に供給される単相流である。ナノフィルタ２２８は、溶質分子をそのサイズまたは構造に基づき除去し、かつ、理想的には溶解塩の大部分を通過させるために選択される。ナノフィルタ２２８、限外濾過器、逆浸透モジュールまたは類似の装置での最終的な濾過ステップは、単相冷却水リッチ流２２６中の残存溶質を回収するためだけに用いられる。溶質を単相冷却水リッチ流２２６に再溶解させることで、ナノフィルタ２２８前後の圧力低下を最小にし、かつ、動作を単純化する。溶質を含まない水フィルタ透過物２３０は、本プロセスの製品である。

ナノフィルタ２２８から流れ出る溶質リッチ流２３２は、溶質リッチ熱交換器２０８から流れ出る冷却溶質リッチ流２２４とミキサー２３４において混合され、混合溶質リッチ流２４０を生じる。ミキサー２３４は、結果として生じる混合溶質リッチ流２４０中に溶質を完全に溶解させるのに用いられる。混合溶質リッチ流２４０は、源流２００を連続的に浄化または脱塩するために正浸透モジュール２０２に供給される。流出流として相分離器２１８から流れ出る溶質リッチ流２２４は、混合溶質リッチ流２４０の温度を十分に低く保ち、正浸透モジュール２０２に流入する混合溶質リッチ流２４０中に溶質が完全に溶解するような特定の温度まで、溶質リッチ熱交換器２０８で冷却される。

図２の一実施形態において、追加的な外熱源（図示せず）により、コアレッサー２１６や相分離器２１８を動作温度まで加熱しても良い。

図２の別の実施形態において、コアレッサー２１６と相分離器２１８は結合され、１つの物理的な装置となる。

図２の別の実施形態において、溶質濃度に基づく温度維持に代えて、コアレッサー２１６と相分離器２１８の温度は、水リッチ流２２２の浸透圧を５０ｍＯｓｍ未満、好ましくは２５ｍＯｓｍ未満、より好ましくは１５ｍＯｓｍ未満に維持するように制御される。

図２の別の実施形態において、希釈引き抜き溶液流２０６中の溶質濃度は、希釈引き抜き溶液流２１６または混合溶質リッチ流２４０の流量を用いて制御される。希釈引き抜き溶液２０６の目標濃度は、正浸透モジュール２０２における最小限流量として、少なくとも４Ｌ／（ｍ^２＊ｈｒ）を維持するように制御される。

図２の別の実施形態において、希釈引き抜き溶液流２０６中の微生物濃度は、ＵＶ滅菌装置または殺生物剤の添加により制御される。

図２の別の実施形態において、フィルタ透過物２２８から残存引き抜き溶質を除去するため、高度酸化プロセスまたは吸着システムが用いられる。

図２の別の実施形態において、２０００未満、好ましくは１０００未満、より好ましくは５００未満の分子量でのカットオフを行うため、また、５０％未満、好ましくは２５％未満、より好ましくは１０％未満のＮａＣｌ除去を行うため、また、溶液中の溶質重量にて９５％を超える、好ましくは９９％を超える、より好ましくは９９.９％を超える溶質除去を行うために、ナノフィルタ２２８、限外濾過器または逆浸透フィルタを選択する。

図３は、別の実施形態に係る例示の正浸透プロセスを示す。汽水源流３００は、正浸透モジュール３０４中の半透膜の供給側に供給される。引き抜き溶液流３１８は、正浸透モジュール３０４中の半透膜の引き抜き側に供給される。汽水源流３００の浸透圧は、引き抜き溶液流３１８の浸透圧より低い。この圧力差によって、汽水源流３００から水が半透膜を透過する結果、希釈引き抜き溶液流３０６と塩水流３０２が生じる。

希釈引き抜き溶液流３０６は熱交換器ネットワーク３０８に通され、そこでは、相分離を開始し、希釈引き抜き溶液流３０６を溶質で過飽和させるのに十分なまで温度上昇させられる。熱交換器ネットワーク３０８は、希釈引き抜き溶液流３０６の温度を上昇させるための一つの熱交換器、あるいは、直列または並列に構成される複数の熱交換器を含むものとすることができる。熱交換器ネットワーク３０８からの流出流として流れ出る希釈引き抜き溶液流３０の温度は、二相流出流を生み出すのに十分な温度である。

熱交換器ネットワーク３０８から流れ出る二相引き抜き溶液流出流３４０は、温度制御式の一次コアレッサー３１０に供給される。これにより、熱交換器ネットワーク３０８内の溶質リッチ小液滴が凝集される。一次コアレッサー３１０は、続く相分離器プロセス３１２で分離されるのに十分な大きさとなるように溶質リッチ液滴を凝集させるよう設計される。一実施形態において、一次コアレッサー３１０は、溶質リッチ液滴を１０μm（好ましくは２５μm、より好ましくは５０μm）より大きくなるように凝集させるように設計される。一次コアレッサー３１０を通過する二相流に起因する圧力低下は、ナノフィルタを通過する二相流に起因する圧力低下よりかなり小さい。コアレッサー３１０を使用することにより、余計な複雑さと準バッチ操作で必要な逆洗浄が不要となる。

一次コアレッサー流出流３１４は、温度制御式重力分離器３１２、遠心分離機、ハイドロサイクロンまたは類似の装置に供給され、そこでは一次コアレッサー３１０からの溶質リッチ液滴が集められる。重力相分離器３１２は、溶質を水から分離して、連続的な溶質リッチ流３１６と連続的な水リッチ流３４２を生じるように設計される。一実施形態において、一次コアレッサー３１０と重力相分離器３１２の動作温度は、１５０℃未満（好ましくは１００℃未満、より好ましくは８０℃未満）に維持され得る。これにより、分離器３１２からの流出流として流れ出る水リッチ流３４２中の特定の溶質濃度を達成する。一次コアレッサー３１０と重力相分離器３１２の動作温度はまた、水リッチ流３４２中の溶質濃度として、溶液中溶質重量濃度で５％未満（好ましくは２％未満、より好ましくは１％未満）という濃度を達成するように維持され得る。一実施形態において、重力相分離器３１２は、溶質リッチ流３１６中の溶質を、溶液中溶質重量濃度で６０％より高い（好ましくは８０％より高い、より好ましくは９０％より高い）濃度に濃縮するように設計され操作され得る。流出流として相分離器３１２から流れ出る溶質リッチ流３１６は、熱交換器３２０で冷却される。

分離器３１２からの流出流として流れ出る水リッチ流３４２を、低濃度溶質分散相用に設計された温度制御式二次コアレッサー３２２に通すことができる。二次コアレッサー３２２は水リッチ流３４２中の溶質リッチ液滴を凝集させるように設計され、二次コアレッサー３２２からの流出流として流れ出る溶質リッチ流３２４を生成する。溶質の高い濃度のためにコアレッサーが溢れてしまうため、一次コアレッサー３１０の内部またはその前段で高密度凝集基材を使用することは不可能である。その結果、溶質リッチ相の小液滴が、一次コアレッサー流出流３１４中に分散し続けることもあり得る。これらの分散溶質リッチ小液滴は、コアレッサー流出流３１４の浸透圧を上昇させ、最終フィルタ３３０ステップにおいて相応に高い圧力と電力消費が必要になる。二次コアレッサー３２２に供給される水リッチ流３４２は溶質濃度が低く、そのため、二次コアレッサー３２２において、より小さなエレメントを持つ、より高密度のコアレッサー基材を使用することができる。その結果、より小さな液滴が凝集させられ、最終フィルタ３３０ステップに送られる前に水リッチ流３４２から分離されることとなる。コアレッサー基材の設計、材料と構成は、溶質の化学的性質、溶質の濃度、分散液滴のサイズに基づいて選択される。

二次コアレッサー３２２からの流出流として流れ出る溶質リッチ流３２４は再循環され、一次コアレッサー３１０上流の熱交換器ネットワーク３０８から流出する二相引き抜き溶液流出流３４０に加えられる。二次コアレッサー３２２からの流出流として流れ出る水リッチ流３３８は熱交換器３２６で冷却され、残存する溶質を再溶解させ、単相冷却水リッチ流３２８を生成する。二次コアレッサー３２２の温度は、単相冷却水リッチ流３２８の溶質濃度として、溶液中溶質重量濃度で５％未満（好ましくは２％未満、より好ましくは１％未満）という濃度を達成するように独立的に適宜、制御される。

残存する溶質を製品水から分離するため、単相冷却水リッチ流３２８は、ナノフィルタ３３０、限外濾過器、半透膜を有する逆浸透モジュールまたは類似の装置に供給される。ナノフィルタ３３０は、溶質分子をそのサイズまたは構造に基づき除去し、かつ、理想的には溶解塩の大部分を通過させるために選択される。ナノフィルタ３３０、限外濾過器、逆浸透モジュールまたは類似の装置における最終的な濾過ステップは、単相冷却水リッチ流３２８中の残存溶質を回収するためだけに使われる。ナノフィルタ３３０前後の圧力低下を最小にし、作業を単純化するために、溶質は、単相冷却水リッチ流３２８に再溶解される。溶質を含まない水フィルタ透過物３３２は、本プロセスの製品である。

ナノフィルタ３３０から流出する溶質リッチ流３３４は、ミキサー３３６において冷却溶質リッチ流３１６と混合され、混合溶質リッチ流３１８を生成する。ミキサー３３６は、結果として生じる混合溶質リッチ流３１８中に溶質を完全に溶解させるのに用いられる。混合溶質リッチ流３１８は、源流３００を連続的に浄化または脱塩するために、正浸透モジュール３０４に供給される。流出流として相分離器３１２から流出する溶質リッチ流３１６は、混合溶質リッチ流３１８の温度を十分に低く保ち、正浸透モジュール３０４に流入する水に溶質が完全に溶解するような特定の温度まで熱交換器３２０において冷却される。

図３の実施形態において、追加的な外部熱源（図示せず）で、コアレッサー３１０、３２２や相分離器３１２を動作温度まで加熱しても良い。

図３の別の実施形態において、一次コアレッサー３１０と相分離器３１２は結合され、１個の物理的な装置となる。あるいは、熱交換器ネットワーク３０８内の表面領域と、熱交換器ネットワーク３０８と相分離器３１２の間の配管内の表面領域を、一次コアレッサー３１０およびその動作の代わりに用いることもできる。

図３の別の実施形態において、溶質濃度に基づく温度維持に代えて、一次コアレッサー３１０、二次コアレッサー３２２、および、相分離器３１２の温度は、水リッチ流３３８の浸透圧を５０ｍＯｓｍ未満、好ましくは２５ｍＯｓｍ未満、更に好ましくは１５ｍＯｓｍ未満に維持するように制御される。

図３の別の実施形態において、希釈引き抜き溶液流３０６中の溶質濃度は、希釈引き抜き溶液流３０６または混合溶質リッチ流３１８の流量を制御することにより調節される。希釈引き抜き溶液流３０６中の目標濃度は、正浸透モジュール３０４における最小限流量として、少なくとも４Ｌ／（ｍ^２＊ｈｒ）を維持するように調節される。

図３の別の実施形態において、希釈引き抜き溶液流３０６中の微生物濃度は、ＵＶ滅菌装置または殺生物剤の添加により制御される。

図３の別の実施形態において、フィルタ透過物３３２から残存引き抜き溶質を除去するため、高度酸化プロセスまたは吸着システムが用いられる。

図３の別の実施形態において、２０００未満、好ましくは１０００未満、より好ましくは５００未満の分子量でのカットオフを行うため、また、５０％未満、好ましくは２５％未満、より好ましくは１０％未満のＮａＣｌ除去を行うため、また、溶液中の溶質重量にて９５％を超える、好ましくは９９％を超える、より好ましくは９９.９％を超える溶質除去を行うために、ナノフィルタ３３０、限外濾過器または逆浸透フィルタを選択する。

本明細書に開示される正浸透浄水または脱塩のためのシステムと方法は、加熱により相分離を開始する。結果として生じる分散二相系はコアレッサーを用いて凝集され、溶質の大部分は相分離器を用いて回収される。最後に、結果として生じる水リッチ流は、残存するいかなる分散溶質をも溶解するために冷却され、低溶質濃度の単相流が、最後の連続的な濾過処理のためにフィルタ（例えば、ナノフィルタ）に送られる。ナノフィルタまたは類似の装置は、最終的な濾過ステップにおいて二相系を分離するのには用いられない。

図４は、一実施形態に係る例示の正浸透システムの例示のプロセスフロー図を示す。ステップ４０１で、水を含み第１の浸透圧を有する汚染供給溶液流が半透膜の供給側に供給され、引き抜き溶質を含み第２の浸透圧を有する引き抜き溶液流が半透膜の引き抜き側に供給される。ステップ４０２で、汚染供給溶液からの水は半透膜を引き抜き側へ通過することを許可され、半透膜の引き抜き側に水と引き抜き溶質を含む希釈引き抜き溶液流を生じる。

ステップ４０３で、希釈された希釈引き抜き溶液流は、引き抜き溶質で過飽和するのに十分な程度加熱され、これにより二相流出流を生成する。

ステップ４０５で、二相流出流中の引き抜き溶質は凝集され、凝集流出流を生じる。ステップ４０６で、凝集した引き抜き溶質は凝集流出流から分離される。その結果、水と残存引き抜き溶質を含む水リッチ流と、凝集した引き抜き溶質と水を含む溶質リッチ流を生じる。

ステップ４０７で、水リッチ流は冷却され、残存引き抜き溶質を溶解し、冷却単相水リッチ流を生じる。ステップ４０８で、残存引き抜き溶質は冷却単相水リッチ流から分離され、残存引き抜き溶質流と精製水製品流を生じる。

プロセスは、引き抜き溶液を再構成、再循環するためのステップを更に含むことができる。ステップ４０９で、溶質リッチ流は冷却され、引き抜き溶質と水を含む冷却溶質リッチ流を生じる。ステップ４１０で、残存引き抜き溶質流は、冷却溶質リッチ流と混合され、再構成引き抜き溶液を生じる。ステップ４１１で、再構成引き抜き溶液は、半透膜の引き抜き側に再循環される。

上記実施形態は、正浸透浄水または脱塩のための改良されたシステムと方法に関して記述した。当業者であれば、開示された実施形態についての様々な変更や発展に想到するだろう。本開示の趣旨の範囲内であることを意図する主題を特許請求の範囲に記載する。

Claims (23)

1. 汚染水を浄化する方法であって、
   水を含み第１の浸透圧を有する汚染供給溶液流を半透膜の供給側に供給するステップと;
   液体の引き抜き溶質を含み第２の浸透圧を有する液体の引き抜き溶液流を前記半透膜の引き抜き側に供給するステップと;
   前記半透膜の引き抜き側へ水を通過させて、希釈引き抜き溶液流を生じるステップと;
   前記希釈引き抜き溶液流を加熱して相分離を開始し、液相の引き抜き溶質と液相の水を含む二相流出流を生じるステップと;
   前記二相流出流中の前記引き抜き溶質をコアレッサーにより凝集させ、液相の凝集した前記引き抜き溶質と液相の水を含む凝集二相流出流を生じるステップと;
   凝集した前記引き抜き溶質を前記凝集二相流出流から重力相分離器により分離し、水と残存する前記引き抜き溶質を含む水リッチ流と、凝集した前記引き抜き溶質と水を含む溶質リッチ流とを生じるステップと;
   前記水リッチ流を冷却し、冷却単相水リッチ流を生じるステップと;
   前記冷却単相水リッチ流から残存する前記引き抜き溶質を分離し、残存引き抜き溶質流と精製水製品流とを生じるステップと、を備える方法。
2. 前記溶質リッチ流を冷却して、引き抜き溶質と水を含む冷却溶質リッチ流を生じるステップと;
   前記残存引き抜き溶質流と前記冷却溶質リッチ流を混合して、再構成引き抜き溶液を生じるステップと;
   前記再構成引き抜き溶液を前記半透膜の引き抜き側に再循環させるステップと、を更に備える、請求項１に記載の方法。
3. 前記希釈引き抜き溶液流を加熱するステップは、熱交換器ネットワーク内で該希釈引き抜き溶液流を加熱することを含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記水リッチ流を冷却するステップは、熱交換器ネットワーク内で該水リッチ流を冷却することを含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記冷却単相水リッチ流から残存する前記引き抜き溶質を分離するステップは、ナノフィルタまたは逆浸透モジュール内で、該冷却単相水リッチ流から残存する該引き抜き溶質を分離することを含む、請求項１に記載の方法。
6. 前記溶質リッチ流を冷却するステップは、熱交換器ネットワーク内で該溶質リッチ流を冷却することを含む、請求項２に記載の方法。
7. 前記引き抜き溶質の曇り点温度は４０℃〜９０℃の範囲内であり、前記コアレッサーの動作温度は１５０℃未満である、請求項１に記載の方法。
8. 前記水リッチ流中の残存する前記引き抜き溶質の濃度は、溶液中溶質重量にて５％未満である、請求項１に記載の方法。
9. 前記冷却単相水リッチ流の浸透圧は、５０ｍＯｓｍより低い、請求項１に記載の方法。
10. 前記溶質リッチ流の溶質濃度は、溶液中溶質重量にて６０％より高い、請求項１に記載の方法。
11. 前記引き抜き溶質は、低分子量ジオールのランダム共重合体またはシーケンシャル共重合体である、請求項１に記載の方法。
12. 前記ランダム共重合体またはシーケンシャル共重合体の分子量は５００より大きく、溶液中溶質重量で４０％の場合の浸透圧は３０気圧より高い、請求項１１に記載の方法。
13. 前記低分子量ジオールは、エタンジオールとプロパンジオールであり、
    前記引き抜き溶質の曇り点温度、溶解度および浸透圧は、プロパンジオールに対するエタンジオールの比率を調整して、該引き抜き溶質の分子量を調節することによって制御される、請求項１１に記載の方法。
14. 前記水リッチ流中の残存する前記引き抜き溶質の濃度または浸透圧を計測するステップと、
    前記コアレッサーの動作温度を調節することによって残存する前記引き抜き溶質の濃度または浸透圧を制御するステップと、を更に含む、請求項１に記載の方法。
15. 前記引き抜き溶液流の流量を制御して前記希釈引き抜き溶液流中の前記引き抜き溶質の所定濃度を維持するステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
16. 前記コアレッサーは、前記引き抜き溶質を凝集させるための疎水性凝集エレメントを有する上部セクションと、水を集合させるための親水性凝集エレメントを有する下部セクションと、に分けられ、
    前記疎水性凝集エレメントの疎水性の程度と前記親水性凝集エレメントの親水性の程度は、前記引き抜き溶質が１０μmより大きくなるよう凝集するように選択される、請求項１に記載の方法。
17. 前記熱交換器ネットワークは、少なくとも２つの熱交換器を有する、請求項３に記載の方法。
18. 前記ナノフィルタまたは逆浸透モジュールは、２０００未満の分子量でのカットオフを行い、溶液中溶質重量にて５０％未満のＮａＣｌ除去を行い、溶液中溶質重量にて９５％を超える引き抜き溶質の除去を行う、請求項５に記載の方法。
19. プロセス中の前記引き抜き溶質の微生物濃度は、ＵＶ滅菌装置または殺生物剤により制御される、請求項１に記載の方法。
20. 前記ナノフィルタまたは逆浸透モジュールのフィルタ透過物から、残存する前記引き抜き溶質を除去するために、高度酸化プロセスまたは吸着システムを用いる、請求項５に記載の方法。
21. 前記液体の引き抜き溶質はポリオキシランダム共重合体を含む、請求項１に記載の方法。
22. 前記液体の引き抜き溶質は３０〜７０％重量濃度のポリオキシランダム共重合体を含む、請求項２１に記載の方法。
23. 汚染水を浄化するためのシステムであって、
    水を含み第１の浸透圧を有する汚染供給溶液流を受けるための供給側と、液体の引き抜き溶質を含み第２の浸透圧を有する液体の引き抜き溶液流を受けるための引き抜き側と、を有する半透膜であって、水を前記汚染供給溶液流から前記引き抜き側に通過させて、希釈引き抜き溶液流を生成するように構成される半透膜と;
    前記希釈引き抜き溶液流を加熱して相分離を開始し、液相の引き抜き溶質と液相の水を含む二相流出流を生じるように構成される第１の熱交換器と;
    前記希釈引き抜き溶液流中の前記引き抜き溶質を凝集させて、液相の凝集した前記引き抜き溶質と液相の水を含む凝集二相流出流を生成するように構成されるコアレッサーと;
    凝集した前記引き抜き溶質を前記凝集二相流出流から分離して、水と残存する前記引き抜き溶質を含む水リッチ流と、凝集した前記引き抜き溶質と水を含む溶質リッチ流を生成するように構成される重力相分離器と；
    前記水リッチ流を冷却して冷却単相水リッチ流を生成するように構成される第２の熱交換器と；
    残存する前記引き抜き溶質を前記冷却単相水リッチ流から分離して、残存引き抜き溶質流と精製水製品流を生成するように構成される逆浸透モジュールと、を備えるシステム。

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