JP6149627B2

JP6149627B2 - 半透膜による水処理方法

Info

Publication number: JP6149627B2
Application number: JP2013189283A
Authority: JP
Inventors: 亮功刀; 辻　猛志; 猛志辻; 渕上　浩司; 浩司渕上; 藤原　茂樹; 茂樹藤原; 江梨渡辺
Original assignee: JFE Engineering Corp
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 2013-09-12
Filing date: 2013-09-12
Publication date: 2017-06-21
Anticipated expiration: 2033-09-12
Also published as: JP2015054293A

Description

本発明は、海水、かん水などの被処理水から淡水を製造する水処理方法に関するものである。

海水から半透膜を用いて淡水を製造する方法は種々知られているが、海水に浸透圧以上の圧力を加えて水を強制的に透過させる逆浸透法が主に開発されてきた。しかし、この方法は高圧に加圧する必要があるため、設備費および運転費にコストがかかるという問題点がある。そこで、半透膜を介して海水と海水より高濃度の塩溶液を接触させ、加圧せずとも浸透圧により海水中の水をこの塩溶液に移動させ、分離、回収することにより淡水を製造する方法が開発されている。（特許文献１、２）。

特許文献１の方法は、半透膜を介して海水と反対側にアンモニアと二酸化炭素を溶解して得られる塩溶液を流して、海水中の水を半透膜を通過させて該塩溶液に移動させ、得られた希釈塩溶液をイオン交換膜や蒸留塔等を用いてアンモニウムイオンと炭酸イオンを個別に分離して浄水を得るとともに、分離したアンモニウムイオンと炭酸イオンを該塩溶液に溶解して半透膜の元の部屋に戻す方法である。

特許文献２の方法は、曇点を有する溶質として誘引溶液を用いており、図２に示すように、海水２１を順浸透システム３０に送って、そこで半透膜を介して誘引溶液２４と接触させて海水２１中の水を浸透圧により半透膜を透過させて誘引溶液２２へ移動させる。水が誘引溶液に移動して残った濃縮海水２２は順浸透システム３０から流出する。一方、海水中の水で希釈された希釈誘引溶液２５は加熱器を備えた沈殿システム３４に送られ、そこで相分離あるいは沈殿を生じた希釈誘引溶液はポンプ３７で加圧されてろ過システム３２に送られる。その際、溶質の曇点より低い温度の液２９を添加することができる。ろ過システム３２で濃縮された誘引溶液２４は順浸透システム３０に返送される。一方、ろ過された膜ろ過水２８は後処理部３３でさらに精製されて飲料水となる。曇点を有する溶質にはポリエチレングリコールやポリプロピレングリコールが使用され、ろ過システムのろ材にはナノろ過膜や逆浸透膜が使用されている。

特開２０１１−８３６６３号公報米国特許第２０１０／０１５５３２９Ａ１号明細書

特許文献１の方法では、誘引物質（例えば炭酸アンモニウム）の分離、回収を蒸発法で行うが、その際、アンモニアおよび同伴する水分の蒸発潜熱が多大で、膨大なエネルギーを要しコストも高い。さらに、蒸発設備サイズが極めて大きく、大量（例えば１０万ｍ^３／日）の飲料水製造には不向きである。また、投入エネルギーが大きいため熱交換器のサイズも大きくなり、大量処理には不向きである。さらに、炭酸アンモニウムを用いる場合にはＦＯ膜からのバックフローによって膜濃縮水を介して環境中に漏洩する誘引物質が窒素を含むため、富栄養化の原因となる。

特許文献２の方法は、誘引溶液の温度感応性を利用して誘引物質の一部を凝集させることにより、膜ろ過エネルギーを低減させることができる。この方法においては、誘引物質を凝集させた希釈誘引溶液はそのままろ過システムに送って凝集物をろ過分離していた。ところが、曇点温度以上となって凝集した粒子は非常に微小であるため、ろ過分離に多大な時間とエネルギーを要していた。

本発明の目的は、曇点を有し加温すると凝集する温度感応性薬剤を誘引物質として用いた順浸透法による淡水の製造方法において、加温によって凝集した温度感応性薬剤を効率よく分離できる方法を提供することにある。

本発明者は、上記課題を解決するべく鋭意検討の結果、温度感応性薬剤が凝集した際に、固体粒子が共存すると、固体粒子を核として薬剤の凝集が促進されること、およびこの現象により薬剤粒子が速やかに粗大化し、水との比重差による相分離時間が短縮されることを見出し、これによって、凝集した温度感応性薬剤を、膜を用いたろ過ではなく、沈降法で分離できることを見出した。そして、さらに、曇点以下に冷却することで、凝集した温度感応性薬剤は共存する水に溶けて固体粒子から離脱するため、この固体粒子は循環する誘引溶液に混合したまま繰返し使用できることを見出した。

本発明は、これらの知見に基いてなされたものであり、被処理水と、温度感応性薬剤の水溶液に凝集用固体粒子を添加した誘引溶液を半透膜を介して接触させ、前記被処理水中の水を前記半透膜を通して前記誘引溶液に移動させ、水で希釈された希釈誘引溶液と膜濃縮水を得る順浸透工程と、前記希釈誘引溶液を前記誘引溶液の曇点以上の温度まで加温する加温工程と、前記加温工程で凝集した温度感応性薬剤を含む希釈誘引溶液を、温度感応性薬剤の凝集液と凝集用固体粒子を含有する下層液と水を主体とする上層液とに相分離する相分離工程と、前記相分離工程で分離された下層液を前記誘引溶液の曇点以下の温度まで冷却した後、前記順浸透工程へ循環し、誘引溶液として再使用する冷却工程と、前記相分離工程で分離された上層液を膜処理し、膜ろ過水を得る膜処理工程を有することを特徴とする水処理方法を提供するものである。

本発明により、曇点を有する温度感応性薬剤を用いた順浸透法による水処理方法において、相分離した温度感応性薬剤の凝集液を水を主体とする液から効率よく分離し、膜ろ過工程におけるろ過負担を大幅に軽減することができる。

本発明の一実施態様を模式的に示すブロック図である。公知の水処理方法の概略を示すブロック図である。

図１に本発明の一実施態様を模式的に示す。

本発明の方法で処理される被処理水は水を溶媒とする溶液であり、海水、かん水などである。かん水は、シェールガス、オイルサンド、ＣＢＭ（炭層メタン）、石油等を採掘する坑井からの随伴水も含まれる。

随伴水は、坑井からの採掘目的物に同伴して排出される水であり、塩分、有機物、懸濁物などを含んでいる。汚濁物質の濃度としては、例えば蒸発残留物（主にNa⁺、K⁺、Ca²⁺、Cl^-、SO₄ ^2-など）が1,000〜100,000mg/L、有機物（油分や添加した薬剤など）がTOCとして10〜1,000mg/L、懸濁物質が100〜10,000mg/Lといった範囲で含有される。

油分と随伴水の分離手段は問わないが、例えば沈降などで油水分離が行われている。

ろ過工程
図１に示していないが、被処理水を必要によりまずろ過処理する。このろ過処理は、例えば、精密膜ろ過膜を用いたろ過器で行い、ろ過膜は、精密ろ過膜として使用されている通常の膜を使用することができる。例えば、酢酸セルロース、ポリテトラフルオロエチレン、ポリスルホン、ポリ塩化ビニルなどの外、セラミック製の膜や多孔質ガラス製の膜なども利用できる。精密膜ろ過処理では、精密ろ過膜を通過した膜ろ過水と、膜を通過しないで残った膜濃縮水が得られる。
精密膜ろ過のほか、限外膜ろ過、砂ろ過等のろ過処理が用いることができる。限外膜ろ過の材質は精密膜ろ過と同様のものが用いられる。

順浸透工程
順浸透工程は、ろ過処理した被処理水と、温度感応性薬剤の水溶液に凝集用固体粒子を添加した高浸透圧の誘引溶液を半透膜を介して接触させ、前記被処理水中の水を前記半透膜を通して前記誘引溶液に移動させ、水で希釈された希釈誘引溶液と膜濃縮水を得る工程である。

温度感応性薬剤は、低温では親水性で水によく溶けるが、ある温度以上になると疎水性化し溶解度が低下する物質であり、水溶性〜水不溶性に変化する温度が曇点と呼ばれる。この温度に達すると疎水性化した温度感応性薬剤が析出して白濁が起こる。

この温度感応性薬剤は、各種界面活性剤、分散剤、乳化剤などとして利用されており、例示すれば、アルコールまたは脂肪酸とエチレンオキサイドの化合物、アルコールまたは脂肪酸とプロピレンオキサイドの化合物、アクリルアミドとアルキル基の化合物、グリセリン脂肪酸エステル、ソルビタン脂肪酸エステルエチレンオキサイド付加物、アミノ酸およびその誘導体などである。本発明において使用する温度感温性薬剤としては、曇点が３０℃〜８０℃の範囲、特に４０℃から６０℃の範囲のものが好ましい。そのために、ＨＬＢ値が１０以上の非イオン性界面活性剤とそれよりＨＬＢ値が低い非イオン性界面活性剤、脂肪酸あるいはアルコールを組み合わせて曇点を上記の範囲に調節することができる。

誘引溶液の濃度は、誘引溶液の浸透圧が、被処理液の浸透圧より十分高くなるように調整しなければならない。

この誘引溶液には、凝集用固体粒子を添加する。凝集用固体粒子としては、ベントナイト、カオリン、活性炭粉末等が使用でき、無機吸着剤がより望ましい。粒径としては、平均粒径で０．１〜１０μｍ程度のものが望ましい。固体粒子の添加量は、温度感応性薬剤に対する重量比で０．１〜１０％程度が適当である。ただし、これらは温度感応性薬剤と固体粒子との親和性を勘案して決定することが望ましい。

半透膜は水を選択的に透過できるものがよく、順浸透（Forward Osmosis）膜が好ましいが、逆浸透膜も使用できる。材質は特に制限されないが、例示すれば、酢酸セルロース系、ポリアミド系、ポリエチレンイミン系、ポリスルホン系、ポリベンゾイミダゾール系のものなどを挙げることができる。半透膜の形態も特に制限されず、平膜、管状膜、中空糸などいずれであってもよい。

この半透膜を装着する装置は通常は円筒形あるいは箱形の容器内に半透膜を設置して、この半透膜で仕切られた一方の室に膜ろ過水を流し、他方の室に誘引溶液を流せるものであり、公知の半透膜装置を用いることができ、市販品を用いることができる。

順浸透工程で被処理水を半透膜を介して誘引溶液と接触させると浸透圧の差によって被処理水中の水が半透膜を通って誘引溶液に移動する。

加温工程
順浸透工程で被処理水から水が移動して希釈された希釈誘引溶液を曇点以上の温度まで加温して、温度感応性薬剤の少なくとも一部を凝集させる。この凝集は、温度感応性薬剤の濃厚溶液が相分離したものである。

この加温工程の熱源には、次の相分離工程で分離された分離液の顕熱を使用することが好ましい。

相分離工程
前記加温工程で凝集した温度感応性薬剤を含む希釈誘引溶液を温度感応性薬剤の凝集した下層液と水を主体とする上層液に相分離する。この相分離は曇点以上の液温で比重分離槽内で静置することによって行うことができる。その際、前記加温工程で凝集した温度感応性薬剤の濃厚溶液は、凝集用固体粒子を核とした微細な液滴の状態になる。そして、この状態で比重分離槽に投入されると、濃厚溶液の微細液滴は速やかに沈降し、液滴同士が合一して下に濃厚相が形成される。凝集用固体粒子のほとんどは濃厚相に集まるか、極く一部は上の希薄相に残る。この分相に要する時間は、凝集用固体粒子が存在しない場合は２〜４時間位かかるが、これを存在させることにより、０．５〜１．０時間程度（約４分の１程）に短縮させることができる。

その外、重液と軽液に分離するスーパーデカンターのような遠心分離機などを用いて行うこともできる。

冷却工程
前記相分離工程で分離された下層液は使用した凝集用固体粒子のほとんどを含んでおり、これを前記誘引溶液の曇点より低い温度に冷却することで水に溶解させて誘引溶液に再生する。この温度は広い範囲で採用可能であるが、経済性を考慮すると常温かそれより高い温度が好ましい。この冷却熱源としては、被処理水あるいは順浸透工程において得られた希釈誘引溶液を用いることがエネルギーの効率利用の点で好ましい。この冷却が不充分な場合には、順浸透工程で被処理水から移動してくる水によって濃度が下がるので曇点を発現して相分離し、浸透圧が失われてしまう。

再生した誘引溶液はそのまま循環使用できる。

膜処理工程
一方、前記相分離工程で分離された上層液は、ナノろ過膜や逆浸透膜などで膜ろ過して、そこに残存している温度感応性薬剤や凝集用固体粒子を除去する。膜ろ過水は淡水であり、飲料水などに利用できる。膜ろ過されないで残った膜濃縮水は、温度感応性薬剤や凝集用固体粒子が含まれているので、相分離工程に循環するのがよい。あるいは、濃縮して誘引溶液として順浸透工程に直接返送することもできる。

一方、順浸透工程で得られた膜濃縮水は塩分を高濃度で含んでいるので、これを濃縮して塩分を析出させて分離し、有効利用することができる。

この本発明の方法を図１に模式化して示す。同図に示すように、海水等の被処理水１は順浸透膜装置１０に送入され、半透膜３を通して水が反対側の室に透過されて残った膜濃縮水が排出される。順浸透膜装置１０の反対側の室には凝集用固体粒子を含む誘引溶液４が流入しており、そこで半透膜３を介して被処理水１と向流接触して被処理水１から移行した水で希釈されて順浸透膜装置１０を出る。順浸透膜装置１０を出た希釈誘引溶液５は、熱交換器１６を通って、相分離された下層液７と熱交換して加温され、加熱器１４でさらに加温されて相分離装置１１に入る。

相分離装置１１で分離された上層液６は膜ろ過装置１２でろ過され、得られた膜ろ過水８は活性炭等の後処理装置１３でさらに精製されて精製水を得る。膜ろ過装置１２でろ過されなかった膜濃縮水９は相分離装置１１に返送されて希釈誘引溶液とともに相分離される。

一方、相分離装置１１で分離された下層液７は、熱交換器１６を経て冷却器１５で冷却されて、誘引溶液４として順浸透装置１０に返送される。

図１に示す装置を用いた。順浸透膜装置１０の半透膜には酢酸セルロース製ＦＯ膜を、膜ろ過装置１３にはナノろ過膜をそれぞれ使用した。

誘引溶液には、ポリグリセリンモノラウレートとソルビタンモノカプリレートの混合物に、水を加えて９０重量％の溶液とした。この溶液の曇点は５５℃であった。これに平均粒径１μｍのベントナイトを上記の温度感応性薬剤に対し１重量％を加えて懸濁させた。

UF膜により前処理した海水を被処理水１として順浸透膜装置１０に３Ｌ／分の流速で流入させた。膜透過水の量は１．５Ｌ／分であり、順浸透膜装置１０から流出する希釈誘引溶液５の量は３．８Ｌ／分であった。この希釈誘引溶液５は熱交換器１６を経て加熱器１４で６０℃に加温し、相分離装置１１に流入させた。相分離装置１１では温度感応性薬剤が凝集し、濃度９０重量％の下層液７と５％の上層液６に相分離した。下層液７は熱交換器１６を経て冷却器１５で４０℃に冷却し、再び順浸透膜装置１０に流入させた。上層液６は膜ろ過装置１２に導入し、膜ろ過水８と膜濃縮水９に分離した。膜濃縮水９は再び相分離装置１１へ流入させた。膜ろ過水８は後処理装置１３を経て１．５Ｌ／分の淡水を獲た。この淡水は飲料水として使用可能であった。

本発明の方法は、海水から淡水の製造や、坑井からの随伴水の処理などに広く利用できる。

１被処理水
２膜濃縮水
３半透膜
４誘引溶液
５希釈誘引溶液
６上層液
７下層液
８膜ろ過水
９膜濃縮水
１０順浸透膜装置
１１相分離装置
１２膜ろ過装置
１３後処理装置
１４加熱器
１５冷却器
１６熱交換器

Claims

被処理水と、温度感応性薬剤の水溶液に凝集用固体粒子を添加した誘引溶液を半透膜を介して接触させ、前記被処理水中の水を前記半透膜を通して前記誘引溶液に移動させ、水で希釈された希釈誘引溶液と膜濃縮水を得る順浸透工程と、前記希釈誘引溶液を前記誘引溶液の曇点以上の温度まで加温する加温工程と、前記加温工程で凝集した温度感応性薬剤を含む希釈誘引溶液を、温度感応性薬剤の凝集液と凝集用固体粒子を含有する下層液と水を主体とする上層液とに相分離する相分離工程と、前記相分離工程で分離された下層液を前記誘引溶液の曇点以下の温度まで冷却した後、前記順浸透工程へ循環し、誘引溶液として再使用する冷却工程と、前記相分離工程で分離された上層液を膜処理し、膜ろ過水を得る膜処理工程を有し、前記温度感応性薬剤が曇点が３０℃〜８０℃の範囲にある界面活性剤であり、凝集用固体粒子が平均粒径が０．１〜１０μｍの無機吸着剤であることを特徴とする水処理方法。
温度感応性薬剤がＨＬＢ値が１０以上の非イオン性界面活性剤とそれよりＨＬＢ値が低い非イオン性界面活性剤の組合せである請求項１に記載の水処理方法。
前記膜処理工程で得られる膜濃縮水を前記相分離工程へ循環することを特徴とする請求項１または２に記載の水処理方法。
相分離工程において分離された下層液の顕熱を加温工程における熱源として使用することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の水処理方法。
順浸透工程において得られた希釈誘引溶液を冷却工程における冷熱源として使用することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の水処理方法。