JP6649310B2 - 水処理システム及び作業媒体 - Google Patents

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Description

実施形態は、水処理システム及び作業媒体に関する。
溶質濃度の低い溶液と高い溶液とを浸透膜で隔離すると、低い濃度の溶液の溶媒は浸透膜を透過して高い濃度の溶液側に移動する。この溶媒が移動する現象を利用することにより、海水淡水化などの脱塩を行う脱塩システム、タービンを回して発電する浸透圧発電システムが知られている。また、これを利用した食品、汚泥を濃縮する濃縮システムも知られている。このとき濃度の高い側に使用されるのが作業媒体（ドロー溶液：Draw solution）で、これまで種々のものが提案されている。
ドロー溶液の溶質は、一般に食塩が用いられている。有機塩もドロー溶液の溶質として用いられている。しかしながら、有機塩のドロー溶液は水の透過流束が食塩のドロー溶液に比べて劣っている。
２種以上の溶質を混合したドロー溶液が提案されている。複数の無機塩の混合物は、相乗効果が観測されるが、無機塩とサッカロースの場合には逆効果で浸透膜を通過する流束が下がることもある。
特表２０１３−５１８７１８号公報
実施形態は、低コストで水を分離することができる水処理システム及び作業媒体を提供する。
１つの実施形態に係る水処理システムは、被処理水を収容する第１チャンバーと浸透圧を誘起する作業媒体を収容する第２チャンバーとを区画する浸透膜を備える第１処理容器を有する浸透圧発生器と、作業媒体から二酸化炭素を放出させる二酸化炭素放出手段、相分離した作業媒体を分離させる相分離手段と作業媒体に二酸化炭素を吸収させる二酸化炭素導入手段を有する濃縮器とを有し、作業媒体がアミン化合物を含み、アミン化合物は、図２の式（１）又は（２）で表される化合物であり、式（１）中のＲ１１とＲ１４は、直鎖状もしくは分岐状の炭素数が１以上５以下のアルキル鎖であり、任意に、３級アミン、環状３級アミン、カルボキシル基と水酸基からなる群のうちのいずれか１種以上を含み、式（１）中のＲ１２、Ｒ１３、Ｒ１５とＲ１６は、Ｈ又は直鎖状の炭素数が１以上３以下のアルキル基であり、任意に、水酸基、ハロゲン又は、水酸基及びハロゲンを含み、式（２）中のＲ２１は、直鎖状もしくは分岐状の炭素数が２以上１０以下のアルキル鎖であり、任意に、３級アミンを１つ以上含み、式（２）中のＲ２２とＲ２３は、ＣＨ２、Ｏ又はＣＨ−ＣＯＯＲ２４（Ｒ２４は、直鎖状又は分岐状の炭素数が０以上４以下である）である。
実施形態に係る水処理システムの概略図。 実施形態に係る溶質の化学式。 実施形態に係る水処理システムの概略図。 実施形態に係る水処理システムの概略図。
以下、実施形態の水処理システムと水処理システムに使用される作業媒体を説明する。
（第１実施形態）
第１実施形態に係る水処理システムを図１に示す概略図を参照して説明する。図１に示す第１実施形態に係る水処理システム１００は、被処理水Ａを収容する第１チャンバー１３と作業媒体Ｂを収容する第２チャンバー１４とを区画する浸透膜１２を備える第１処理容器１１を有する浸透圧発生器１と濃縮器２において、浸透圧発生器１で作業媒体Ｂが浸透圧を誘起し、濃縮器２において、作業媒体Ｂへの炭酸ガスの吸収と作業媒体Ｂからの二酸化炭素の放出を行う。
このような水処理システム１００によれば、第１チャンバー１３内の被処理水Ａと第２チャンバー１４内の作業媒体Ｂとの間で生じる浸透圧差により第１チャンバー１３内の被処理水Ａ中の水Ｃが浸透膜１２を透過して第２チャンバー１４内の作業媒体Ｂに移動する。
作業媒体Ｂは、炭酸ガスの吸収によって、浸透圧を誘起しやすくなる。そして、作業媒体Ｂは、炭酸ガスを放出することによって、水との分離を行い、作業媒体Ｂが濃縮される。作業媒体Ｂの濃縮には、固−液分離、又は、液−液分離を行う。濃縮された作業媒体Ｂに炭酸ガスを吸収させることによって、再び浸透圧を誘起しやすい媒体にすることが可能となる。従って、実施形態では、低コストで水処理が行われる。
実施形態の作業媒体Ｂを用いることで、第１チャンバー１３内の被処理水Ａ中の水Ｃを大きな透過流束で浸透膜を透過して第２チャンバー１４内の作業媒体Ｂに移動させることが可能になる点で、実施形態の水処理システムは好ましい。実施形態の作業媒体Ｂは、低コストで運転することができる水処理システム、および水処理システムに使用される。
第１処理容器１１は、浸透膜１２によって、第１チャンバー１３と第２チャンバー１４とに区画が隔てられている。第１処理容器１１は、第１チャンバー１３に被処理水Ａを収容し、第２チャンバー１４に作業媒体Ｂを収容する樹脂製又は金属製の容器である。
浸透膜１２は、例えば正浸透膜（Forward Osmosis Membrane:ＦＯ膜）であっても逆浸透膜（Reverse Osmosis Membrane:ＲＯ膜）であってもよい。好ましい浸透膜は、ＦＯ膜である。
浸透膜１２は、例えば酢酸セルロース膜、ポリアミド膜などを用いることができる。浸透膜は、４５μｍ以上２５０μｍ以下の厚さを有することが好ましい。
第１チャンバー１３は、被処理水Ａを収容する第１処理容器１１内の領域であって、浸透膜１２によって区画が隔てられている。第１チャンバー１３には、被処理水Ａが導入排出される図示しない導入排出経路を設けてもよい。
被処理水Ａは、作業媒体よりも溶質濃度の低い液体である。被処理水Ａは、例えば塩水（海水等）、湖水、河川水、沼水、生活排水、産業廃水又はそれらの混合物を挙げることができる。被処理水Ａが塩水の場合、塩水の塩（塩化ナトリウム）濃度は例えば、０．０５％〜８％であればよい。被処理水Ａは、塩化ナトリウム、塩化マグネシウムや硫酸マグネシウム、硫酸カルシウム、塩化カリウムなどの塩や浮遊物質を含み、水以外の物質が濃縮される。
第２チャンバー１４は、作業媒体Ｂを収容する第１処理容器１１内の領域であって、浸透膜１２によって区画が隔てられている。
濃縮器２は、作業媒体Ｂから二酸化炭素を放出させる二酸化炭素放出手段、相分離した作業媒体Ｂを分離させる相分離手段と作業媒体Ｂに二酸化炭素を吸収させる二酸化炭素導入手段を含む。また、濃縮器２は、濃縮された作業媒体Ｂを貯蔵する貯蔵手段をさらに含んでもよい。相分離手段は、３相分離型の遠心分離機などを利用することができる。二酸化炭素導入手段は、二酸化炭素のバブリング装置などを利用してもよいし、作業媒体Ｂにドライアイス（固体二酸化炭素）を投入してもよい。二酸化炭素放出手段は、加温装置や不活性ガスのバブリング装置などを利用することができる。加温装置には、排熱を利用した熱交換器を採用することがエネルギーコストの観点から好ましい。また、二酸化炭素導入手段で利用される二酸化炭素は、二酸化炭素放出手段によって放出された二酸化炭素を利用してもよいし、化石燃料を用いた発電所の排ガス中などの二酸化炭素を精製したガスを利用してもよい。
第１実施形態の作業媒体Ｂは、溶液中の二酸化炭素濃度に応じて特性が変化する液体となるアミン化合物を含む。実施形態の作業媒体Ｂは、二酸化炭素濃度が高まることでアミン化合物の価数が増加して浸透圧を誘起する。そして、作業媒体Ｂの二酸化炭素濃度を下げると、アミン化合物が水と分離するため作業媒体Ｂの濃縮が可能となる。そして、再度、作業媒体Ｂの二酸化炭素濃度を高めることで、浸透圧の誘起性に優れた媒体となる。
作業媒体Ｂ中の二酸化炭素濃度を変化させるプロセス及び水との分離は低エネルギーであるため、低コストでの水処理運転が可能となる。
作業媒体Ｂの濃縮によって生じた水には、低濃度のアミン化合物が含まれる場合がある。これは、アミン化合物の損失である。また、水処理が淡水化であれば、作業媒体Ｂの濃縮によって生じた水の不純物となってしまう。そこで、作業媒体Ｂの濃縮によって生じた水に低濃度のアミン化合物が含まれる場合は、作業媒体Ｂの濃縮によって生じた水を逆浸透膜分離器で処理し、アミン化合物を含む液体を濃縮し、作業媒体Ｂに戻し、また、生成された水を得ることができる。逆浸透膜分離器での操作において、処理する液体中のアミン化合物濃度は低いため、逆浸透膜分離器のみで濃縮処理するよりも低エネルギーで水処理を行うことができる。濃縮器２において、逆浸透膜分離を行う場合と、実施形態の濃縮を行う場合とでは、コストの差が大きく、実施形態の水処理は、コストの点で優れている。
実施形態のアミン化合物は、媒体中の二酸化炭素濃度で水に対する溶解度が変化する。この特性を利用して、作業媒体Ｂの濃縮を行う。作業媒体Ｂに二酸化炭素を吸収させる方法としては、例えば、二酸化炭素を含んだ気体を作業媒体Ｂに吹き込めばよい。このとき、温度が高すぎると二酸化炭素が放出されてしまうため８０℃以下で二酸化炭素を作業媒体Ｂに吹き込めばよい。作業媒体Ｂ中の二酸化炭素また、作業媒体Ｂ中の二酸化炭素を放出させるには、窒素ガスなどの不活性ガスを吹き込めばよい。このとき、作業媒体Ｂの沸点未満の温度に加熱することで、二酸化炭素の放出速度が高まる。浸透圧発生器１に導入されるときの作業媒体Ｂ中の二酸化炭素濃度は、作業媒体Ｂのモル濃度を１としたときに１以上３以下である。導入された二酸化炭素濃度は作業媒体Ｂの１３Ｃ定量ＮＭＲを測定することで確認することができる。測定には、重溶媒と作業媒体Ｂを隔てることが可能な二重管を利用する。得られたピークの積分値比率から、作業媒体Ｂに含まれるアミン化合物と、二酸化炭素導入量のモル濃度比を算出することができる。
作業媒体Ｂ中の二酸化炭素濃度が高まると、作業媒体Ｂ（水）に対するアミン化合物の溶解度が高まり、作業媒体Ｂは水溶液化する。一方、作業媒体Ｂ中の二酸化炭素濃度が低下すると、作業媒体Ｂ（水）に対するアミンの溶解度が低下し、作業媒体Ｂは、固−液分離状態、又は、液−液分離状態となる。
固−液分離状態となる場合は、液体をろ過するなどして固体を回収し、固体を水に溶解させて濃縮された作業媒体Ｂを得ることができる。固体を溶解させる際には、溶液中に、二酸化炭素を吹き込むなどして、溶液中の二酸化炭素濃度を高めて固体を溶解させる。
また、液−液分離状態となる場合は、デカンテーションもしくは分液ロート、液液抽出装置を用いて上相又は下相を回収し、高濃度のアミン化合物を含む相を水に溶解させて濃縮された作業媒体Ｂを得ることができる。高濃度のアミン化合物含む相を水溶解させる際には、溶液中に、二酸化炭素を吹き込むなどして、溶液中の二酸化炭素濃度を高めて高濃度のアミン化合物含む相を水に溶解させる。
作業媒体Ｂ（水）に対するアミン化合物の溶解度が二酸化炭素濃度によって大きく異なると、作業媒体Ｂの濃縮が容易となる。そこで、二酸化炭素の吸収後のアミン化合物の水に対する溶解度は、二酸化炭素の放出後のアミン化合物の水に対する溶解度の４倍以上であるアミン化合物を用いることが好ましい。
したがって、実施形態では、被処理水Ａの脱塩、濃縮等の処理を効率的に実施し得る、低コストにて運転可能な水処理システム及び水処理システム用の作業媒体Ｂを提供できる。実施形態の水処理システムは、回転体をさらに有し、浸透圧の誘起によって、水流が生じ、水流によって回転体を回転させて発電する水処理システムとして利用することも好ましい。
作業媒体Ｂに含まれる溶質は、二酸化炭素濃度に応じて水との親和性が変化する化合物である。実施形態の作業媒体Ｂは、第１チャンバー１３内の被処理水Ａ中の水が浸透膜１２を透過して第２チャンバー１４内の作業媒体Ｂに移動する際、高い透過流束（Ｊｗ Ｌ／ｍ２ｈ）を発生させることができる。具体的なアミン化合物は、図２の式（１）又は（２）に示す化合物である。化合物の構造は、１Ｈ−ＮＭＲ、１３Ｃ−ＮＭＲ分析をすることによって測定される。
式（１）中のＲ１１とＲ１４は、直鎖状もしくは分岐状の炭素数が１以上５以下のアルキル鎖であり、任意に、３級アミン、環状３級アミン、カルボキシル基と水酸基からなる群のうちのいずれか１種以上を含む。式（１）中のＲ１２、Ｒ１３、Ｒ１５とＲ１６は、Ｈ又は直鎖状の炭素数が１以上３以下のアルキル基であり、任意に、水酸基、ハロゲン又は、水酸基及びハロゲンを含む。式（１）のアミン化合物のハロゲンは、Ｃｌ，ＢｒとＦのうちのいずれかである。図２の式（１）で表される具体的な化合物としては、４−（１，１−ジメチルエチル）−１−ピペラジンエタノール、４−（１，１−ジメチルエチル）−β−メチル−１−ピペラジンエタノール、４−（１，１−ジメチルエチル）−α−メチル−１−ピペラジンエタノール、４−（１，１−ジメチルエチル）−β、β−ジメチル−１−ピペラジンエタノール、４−（１，１−ジメチルエチル）−α、α−ジメチル−１−ピペラジンエタノール、４−（１，１−ジメチルエチル）−α、β−ジメチル−１−ピペラジンエタノール、１−［４−（１，１−ジメチルエチル）−１−ピペラジニル］−２−プロパノン、４−（１，１−ジメチルエチル）−α−エチル１−ピペラジンエタノール、４−（１，１−ジメチルエチル）−１−ピペラジン酢酸、４−（１，１−ジメチルエチル）−３−メチルー１−ピペラジンエタノール、４−（２−ヒドロキシエチル）−α、α−ジメチルー１−ピペラジン酢酸、３−（４−（１，１−ジメチルエチル）−１−ピペラジニル）−１，２−プロパンジオール、４−（２−ヒドロキシー１，１−ジメチルエチル）−１−ピペラジン酢酸、４−（１，１−ジメチルエチル）−α−（１−メチルエチル）−１−ピペラジンエタノール、４−（１，１−ジメチルエチル）−α−エチルーβ−メチルー１−ピペラジンエタノール、４−（１，１−ジメチルエチル）−α−メチルー１−ピペラジン酢酸、３，（４−（１，１−ジメチルエチル）−１−ピペラジニル）−２−ブタノン、４−（１，１−ジメチルエチル）−α−エチルーα−メチルー１−ピペラジンエタノール、１−［４−（１，１−ジメチルエチル）−１−ピペラジニル］−２−ブタノンと１、４−ビス[２−（１−ピペラジニル）エチル]−ピペラジンからなる群のうちのいずれか１種以上のアミン化合物が好ましい。
式（２）中のＲ２１は、直鎖状もしくは分岐状の炭素数が２以上１０以下のアルキル鎖であり、任意に、３級アミンを１つ以上含む。式（２）中のＲ２２とＲ２３は、ＣＨ２、Ｏ又はＣＨ−ＣＯＯＲ２４（Ｒ２４は、直鎖状又は分岐状の炭素数が０以上４以下であり、例えば、直鎖状又は分岐状のアルキル鎖である。）である。Ｒ２４の炭素数が０のとき、ＣＨ−ＣＯＯＲ２４は、ＣＨ−ＣＯＯＨである図２の式（２）で表される構造を有する化合物としては、１，１’−（１，２−エタンジイル）−ビスーピペリジン、１，１’−（１，３−プロパンジイル)ビス-4-ピペリジンカルボン酸ジエチルエステル、１，１’−（１−メチルー１，２−エタンジイル）−ビスーピペリジン、４−メチルー１［２−（１−ピペリジニル）エチル］ピペリジン、３−メチルー１［２−（１−ピペリジニル）エチル］ピペリジン、２−メチルー１−［２−（１−ピペリジニル）エチル］ピペリジン、１，１−（１，２−ジメチルー１，２−エタンジイル）ピペリジン、１，１’−（１，２−エタンジイル）−ビスー４−メチルピペリジン、１，１’−（１，２−エタンジイル）ビスー２−メチルピペリジン、１−［２−（１−ピペリジニル）エチル］４−ピペリジノン、１，１’−（１，３−プロパンジイル）−ビスーピペリジンと１，１’−（２−メチルー１，３−プロパンジイル）ビスーピペリジンと１，１’−（１，４−ブタンジイル）−ビスーピペリジンからなる群のうちのいずれか１種以上のアミン化合物が好ましい。
したがって、実施形態の作業媒体に含まれるアミン化合物は、４−（１，１−ジメチルエチル）−１−ピペラジンエタノール、４−（１，１−ジメチルエチル）−β−メチル−１−ピペラジンエタノール、４−（１，１−ジメチルエチル）−α−メチル−１−ピペラジンエタノール、４−（１，１−ジメチルエチル）−β、β−ジメチル−１−ピペラジンエタノール、４−（１，１−ジメチルエチル）−α、α−ジメチル−１−ピペラジンエタノール、４−（１，１−ジメチルエチル）−α、β−ジメチル−１−ピペラジンエタノール、１−［４−（１，１−ジメチルエチル）−１−ピペラジニル］−２−プロパノン、４−（１，１−ジメチルエチル）−α−エチル１−ピペラジンエタノール、４−（１，１−ジメチルエチル）−１−ピペラジン酢酸、４−（１，１−ジメチルエチル）−３−メチルー１−ピペラジンエタノール、４−（２−ヒドロキシエチル）−α、α−ジメチルー１−ピペラジン酢酸、３−（４−（１，１−ジメチルエチル）−１−ピペラジニル）−１，２−プロパンジオール、４−（２−ヒドロキシー１，１−ジメチルエチル）−１−ピペラジン酢酸、４−（１，１−ジメチルエチル）−α−（１−メチルエチル）−１−ピペラジンエタノール、４−（１，１−ジメチルエチル）−α−エチルーβ−メチルー１−ピペラジンエタノール、４−（１，１−ジメチルエチル）−α−メチルー１−ピペラジン酢酸、３，（４−（１，１−ジメチルエチル）−１−ピペラジニル）−２−ブタノン、４−（１，１−ジメチルエチル）−α−エチルーα−メチルー１−ピペラジンエタノール、１−［４−（１，１−ジメチルエチル）−１−ピペラジニル］−２−ブタノン、１、４−ビス[２−（１−ピペラジニル）エチル]−ピペラジン、１，１’−（１，２−エタンジイル）−ビスーピペリジン、１，１’−（１，３−プロパンジイル)ビス−４−ピペリジンカルボン酸ジエチルエステル、１，１’−（１−メチルー１，２−エタンジイル）−ビスーピペリジン、４−メチルー１［２−（１−ピペリジニル）エチル］ピペリジン、３−メチルー１［２−（１−ピペリジニル）エチル］ピペリジン、２−メチルー１−［２−（１−ピペリジニル）エチル］ピペリジン、１，１−（１，２−ジメチルー１，２−エタンジイル）ピペリジン、１，１’−（１，２−エタンジイル）−ビスー４−メチルピペリジン、１，１’−（１，２−エタンジイル）ビスー２−メチルピペリジン、１−［２−（１−ピペリジニル）エチル］４−ピペリジノン、１，１’−（１，３−プロパンジイル）−ビスーピペリジン、１，１’−（２−メチルー１，３−プロパンジイル）ビスーピペリジンと１，１’−（１，４−ブタンジイル）−ビスーピペリジンからなる群ののうちのいずれか１種以上であることが好ましい。
作業媒体中の溶質である式（１）又は式（２）であらわされる化合物の濃度は、使用されるべき被処理水中の溶質の濃度、式（１）又は式（２）であらわされる化合物の特性に基づいて調節することが望ましい。通常、作業媒体中のアミン化合物の濃度は１０質量％以上７０質量％以下、より好ましくは３０質量％以上７０質量％以下、最も好ましくは５０質量％以上７０質量％以下にすることが望ましい。ただし、粘度が上がってしまう場合など不都合が起こるときは濃度を下げる方向で調節する。濃度の上限に関してはその物質特有のイオン化した時の溶解度に依存する。
（第２実施形態）
次に、水処理システムの１つの例である脱塩システムを図３に示す概略図を参照して説明する。第２実施形態において、第１チャンバー１３、被処理水Ａ、第２チャンバー１４、作業媒体Ｂと浸透膜１２は、第１実施形態、第２実施形態と共通する。被処理水Ａは、海水などの塩水（塩化ナトリウム水溶液）である。第２実施形態に用いられる作業媒体Ｂは、第１実施形態又は第２実施形態の作業媒体Ｂである。図３以降では、水処理システム中の被処理水、作業媒体と水の符号は示していないが、これらの符号は、図１の水処理システムと共通する。実施形態２は、脱塩システムであるため、被処理水Ａは塩水であるが、濃縮システムなどであれば、被処理水Ａは、塩水に限られず、第１実施形態に記載した被処理水Ａなどが用いられる。
脱塩システム２００は、浸透圧発生器１と、濃縮器２と、濃縮作業媒体タンク３と、精製水タンク４と、逆浸透膜分離器５を備える。浸透圧発生器１と、濃縮器２と、逆浸透膜分離器５と、濃縮作業媒体タンク３は、この順序で接続されてループを形成している。浸透圧を誘起する作業媒体Ｂ（ドロー溶液）はこのループを循環する。すなわち、作業媒体Ｂは浸透圧発生器１、濃縮器２、逆浸透膜分離器５、濃縮作業媒体タンク３をこの順番で循環する。なお、上及び下は、図面に表された方向であり、例えば、濃縮作業媒体タンク３は、濃縮器２の上側にあり、浸透圧発生器１は、逆浸透膜分離器５の左側にある。
被処理水タンク１５は、第１チャンバー１３が位置する処理容器１０の上部にパイプライン１０１ａを通して接続されている。第１ポンプ１６は、パイプライン１０１ａに設けられている。濃縮された被処理水Ａを排出するためのパイプライン１０１ｂは、第１チャンバー１３が位置する第１処理容器１１の下部に接続されている。
濃縮器２は、第２チャンバー１４が位置する第１処理容器１１下部にパイプライン１０１ｅを通して接続されている。さらに、濃縮器２は、濃縮作業媒体タンク３とパイプライ１０１ｄを通して接続されている。第３ポンプ１８は、パイプライン１０１ｄに設けられている。第３チャンバー５３が位置する第２処理容器２１の上部にパイプライン１０１ｆを通して接続され、第３チャンバー５３が位置する第２処理容器２１の下部にパイプライン１０１ｇを通して接続されている。第３ポンプ１８は、パイプライン１０１ｅに設けられている。
濃縮作業媒体タンク３は、第２チャンバー１３が位置する第１処理容器１１の上部にパイプライン１０１ｃを通して接続されている。第２ポンプ１７は、パイプライン１０１ｃに設けられている。
精製水タンク４は、パイプライン１０１ｈを通して逆浸透膜分離器５と接続されている。精製水タンク４には、当該精製水タンク４内の精製された水を外部に送出して回収するためのパイプライン１０１ｉが接続されている。開閉弁４１は、パイプライン１０１ｉに設けられる。例えば、精製水タンク４内の精製水が一定量を超えると開かれる。逆浸透膜分離器５を省略する場合は、パイプライン１０１ｈを通して濃縮器２と精製水タンクが接続する。
逆浸透膜分離器５は、例えば気密な第２処理容器１を備えている。第２処理容器５１は、例えば逆浸透膜（ＲＯ膜又はＮＦ膜）５２により例えば水平方向に区画され、左側に第３チャンバー５３が、右側に第４チャンバー５４がそれぞれ形成されている。精製水タンク４にパイプライン１０１ｉを通して接続されている。精製水タンク４には、作業媒体Ｂを濃縮する際に逆浸透膜５２を通って、第４チャンバーに移動した水（精製水）が収容される。
次に、図３に示す脱塩システム２００による脱塩操作を説明する。
第１ポンプ１６を駆動して被処理水Ａ（例えば海水）を被処理水タンク１５から浸透圧発生器１の第１チャンバー１３内にパイプライン１０１ａを通して供給する。海水の供給と前後して第２ポンプ１７を駆動して濃縮作業媒体Ｂを濃縮作業媒体タンク４から浸透圧発生器１の第２チャンバー１４内にパイプライン１０１ｃを通して供給する。このとき、第２チャンバー１４に供給された濃縮作業媒体Ｂの溶質濃度は、第１チャンバー１３に供給された海水の塩濃度に比べて高濃度である。このため、第１チャンバー１３内の海水と第２チャンバー１４内の濃縮作業媒体Ｂとの間で浸透圧差が生じ、海水中の水が浸透膜１２を透過して第２チャンバー１４内に移動する。第２チャンバー１４内の濃縮作業媒体Ｂは、第１実施形態又は第２実施形態の溶質を含む水溶液で、高い浸透圧誘起作用を示す。このため、第１チャンバー１３内の海水中の水が浸透膜１２を透過して第２チャンバー１４内の濃縮作業媒体Ｂに移動する際、高い透過流束を発生する。その結果、第１チャンバー１３内の海水中の多くの水を第２チャンバー１４の濃縮作業媒体Ｂに移動でき、塩水から水（純水）を取り出す高効率の脱塩処理を実行できる。
浸透圧発生器１において、海水中の水が第１チャンバー１３から第２チャンバー１４内の濃縮作業媒体Ｂに移動することにより、海水は濃縮海水として第１チャンバー１３からパイプライン１０１ｂを通して排出され、濃縮作業媒体Ｂは移動した水で希釈される。実施形態の水処理システムが、被処理液Ａの濃縮を行う場合は、パイプライン１０１ｂを通して排出された排水が回収される。
第２チャンバー１４の希釈作業媒体Ｂは、濃縮器２にパイプライン１０１ｄを通して送出される。濃縮器２では、希釈作業媒体Ｂを加熱するなどして、希釈作業媒体Ｂから二酸化炭素を放出する。二酸化炭素を放出した作業媒体Ｂは相分離している。相分離した作業媒体Ｂを固液分離又は液液分離して、水を回収する。回収した水は、パイプライン１０１ｆを通して逆浸透膜分離器５の第３チャンバー５３に移動する。第３チャンバー５３に移動した水には、溶質として用いた少量のアミン化合物が含まれている場合があり、これを逆浸透膜分離器５で濃縮する。アミン化合物が濃縮された水は、パイプライン１０１ｇを通り、濃縮された作業媒体Ｂと混合される。逆浸透膜分離器５で第４チャンバー４に移動した精製水は、パイプライン１０１ｈを通り、精製水タンク４へ移動する。
濃縮器２では、濃縮された作業媒体Ｂに二酸化炭素を吸収させて、再びアミン化合物を水に溶解させる。固液分離を行った場合は、必要に応じて水を添加するなどして、公的な作業媒体Ｂの濃度に調整してもよい。アミン水溶液になった濃縮作業媒体Ｂは、第３チャンバー２３から濃縮作業媒体タンク３に送出される。濃縮作業媒体タンク３内の濃縮作業媒体Ｂは、第２ポンプ１７を駆動することにより浸透圧発生器１の第２チャンバー１４内に供給され、前述したように塩水から水（純水）を取り出す脱塩処理に利用される。
他方、第４チャンバー２４に移動した水（純水）は、パイプライン１０１ｉを通して純水タンク２６に送出される。精製水タンク２６内の水が一定量を超えると、開閉弁２７を開き、パイプライン１０１ｈを通して外部に送出して水を回収する。
したがって、海水の脱塩処理（純水の回収）を効率的に実施し得る、低コストにて運転可能な脱塩システムを提供できる。かかるシステムは、濃縮を行う水処理システムにおいても、低コストにて運転が可能である。
なお、図３に示す脱塩システム２００において、浸透圧発生器は第１処理容器１１を浸透膜により水平方向に区画して第１チャンバー１３、第２チャンバー１４を形成したが、第１処理容器を浸透膜により上下に区画して第１チャンバー１３を、第２チャンバー１４を形成してもよい。
脱塩処理を行うことにより、作業媒体Ｂの溶質濃度が低下した場合は、濃縮作業媒体タンク４などにおいて、溶質の添加を行うことが好ましい。
図３に示す脱塩システム２００において、希釈作業媒体Ｂの濃縮は逆浸透膜（ＲＯ膜、ＮＦ膜）を備える逆浸透膜分離器５で行なう場合に限らず、希釈作業媒体Ｂの水を除去するものであれば如何なる装置で行なってもよい。
（第３実施形態）
次に、第３実施形態に係る水処理システムの１つの例である浸透圧発電システム３００を図４に示す概略図を参照して説明する。なお、図４において図３と同様な部材は同符号を付して説明を省略する。第３実施形態に用いられる作業媒体は、第１実施形態の作業媒体Ｂである。
第３実施形態に係る水処理システムは発電システムである。発電システム３００は、水流を発生させる浸透圧発生器１と、浸透圧発生器１で発生した水流で発電を行う回転体６を備える。
浸透圧発電システム３００は、水を収容する第１チャンバー１３と、浸透圧を誘起する作業媒体Ｂ（ドロー溶液）を収容する第２チャンバー１４と、第１チャンバー１３と第２チャンバー１４とを区画する浸透膜１２と、第２チャンバー１４に接続された圧力交換器７と、圧力交換器７に接続された回転体６とを備える。このような水処理システムによれば、第１チャンバー１３内の水と第２チャンバー１４内の作業媒体Ｂとの間で生じる浸透圧差により第１チャンバー１４内の水が浸透膜１２を透過して第２チャンバー４４内の作業媒体Ｂに移動する。水が作業媒体Ｂに移動することに伴う水流により回転体６２を回して発電する。
第３実施形態は、作業媒体Ｂが実施形態の溶質を含む水溶液で、高い浸透圧の誘起作用を示す。このため、第１チャンバー１３内の水が浸透膜１２を透過して第２チャンバー１４内の作業媒体Ｂに移動する際、高い透過流束を発生させることができる。その結果、水が移動された作業媒体Ｂは高い圧力を持つ水流になるため、回転体６をより高い速度で回して発電することができる。したがって、回転体６を効率的に回転して発電し得る、低コストにて運転可能な水処理システムを提供できる。
回転体８２は、例えばタービン、水車を用いることができる。
浸透圧発電システム４００は、浸透圧発生器１の第２チャンバー１４が位置する第１処理容器１１の下部（作業媒体Ｂ出口側）に接続したパイプライン１０１ｅにおいて、圧力交換器７および回転体６が作業媒体Ｂの流れ方向に沿ってこの順序で設けられている。また、第２チャンバー１４が位置する第１処理容器１１の上部と濃縮作業媒体タンク３とを接続するパイプライン１０１ｃにおいて、第２ポンプ１７より作業媒体Ｂの流れ方向の下流側のパイプライン１０１ｃ部分が圧力交換器７を経由して第２チャンバー１４が位置する第１処理容器１１の上部に接続されている。すなわち、浸透圧発生器１において水が第１チャンバー１３から浸透膜１２を透過して第２チャンバー１４に移動したときに発生した流束を有する希釈作業媒体Ｂは、第２チャンバー１４が位置する第１処理容器１１の下部から圧力交換器７が設けられたパイプライン１０１ｅを通して流出される。この間、濃縮作業媒体タンク３から流出した濃縮作業媒体Ｂが流通するパイプライン１０１ｃは圧力交換器７を経由する。このため、当該濃縮作業媒体Ｂは、圧力交換器７で第２チャンバー１４から流出する希釈作業媒体Ｂと圧力交換され、希釈作業媒体Ｂは圧力を下げ、回転体６へ流れる濃縮作業媒体Ｂは圧力を上昇する。
なお、浸透圧発電システム３００において、被処理水タンク１５内には水が収容される。
次に、図４に示す浸透圧発電システム３００による発電操作を説明する。
第１ポンプ１６を駆動して水を被処理水タンク１５から浸透圧発生器１の第１チャンバー１３内にパイプライン１０１ａを通して供給する。水の供給と前後して第２ポンプ１７を駆動して濃縮作業媒体Ｂを濃縮作業媒体タンク３から浸透圧発生器１の第２チャンバー１４内にパイプライン１０１ｃを通して供給する。第２チャンバー１４に供給された濃縮作業媒体Ｂは、第１チャンバー１３に供給された溶媒のみの水に対して十分に高濃度である。このため、第１チャンバー１３内の水と第２チャンバー１４内の濃縮作業媒体Ｂとの間で浸透圧差が生じ、水が浸透膜１２を透過して第２チャンバー１４内に移動する。このとき、第２チャンバー１４内の作業媒体Ｂは、実施形態の溶質を含む水溶液で、高い浸透圧の誘起作用を示す。このため、第１チャンバー１３内の水が浸透膜１２を透過して第２チャンバー１４内の作業媒体Ｂに移動する際、高い透過流束を発生する。その結果、第１チャンバー１３内の多くの水を第２チャンバー１４の濃縮作業媒体Ｂに移動でき、水により希釈された高い圧力を持つ希釈作業媒体Ｂが生成される。なお、第１チャンバー１３内の水はパイプライン１０１ｂを通して排出される。
第２チャンバー１４の高い圧力を持つ希釈作業媒体Ｂは、濃縮器２にパイプライン１０１ｅを通して送出され、貯留される。圧力交換器７及び回転体６がパイプライン１０１ｅに作業媒体Ｂの流れ方向に沿ってこの順序で設けられている。
このため、前述したように圧力交換器７では濃縮作業媒体タンク３からパイプライン１０１ｃを通して流れる濃縮作業媒体Ｂと第２チャンバー１４から（回転体６を通って）パイプライン１０１ｅを通して流れる高い圧力を持つ希釈作業媒体Ｂとの間で圧力交換がなされ、希釈作業媒体Ｂの圧力を下げ、濃縮作業媒体Ｂの圧力を上昇させる。圧力交換により適正な圧力を持つ希釈作業媒体Ｂは回転体６に流れ、それを効率的に回転させて発電する。また、圧力交換により適正な圧力を持つ濃縮作業媒体Ｂは第２チャンバー１４に供給される。
濃縮器２では、第２実施形態と同様の作業媒体Ｂの濃縮及び逆浸透膜分離器５による精製が行われ、濃縮されたアミン水溶液の作業媒体Ｂは、濃縮作業媒体タンク３に貯蔵される。
なお、図４に示す浸透圧発電システム３００において、浸透圧発生器は第１処理容器１１を浸透膜１２により水平方向に区画して第１チャンバー１３、第２チャンバー１４を形成したが、第１処理容器１１を浸透膜により上下に区画して第１チャンバー１３、第２チャンバー１４を形成してもよい。
図４に示す浸透圧発電システム３００において、浸透圧発生器１の第１チャンバー１３内の水をパイプライン１０１ｂを通して外部に送出したが、パイプライン１０１ｂを被処理水タンク１５に接続して被処理水タンク１５、パイプライン１０１ａ、浸透圧発生器１の第１チャンバー１３、パイプライン１０１ｂのループを作ってもよい。
以下、実施例を説明する。
正浸透試験は以下の通り行った。ＦＯセルにＨＴＩ社製ＣＴＡ−ＥＳ膜をセットし、膜の活性面側に被処理水として純水を入れ、その後、支持層側に作業媒体を入れた。支持層側に入れた作業媒体には、あらかじめ十分な二酸化炭素がバブリングされて、アミン水溶液の状態になっている。作業媒体を入れ終わった時間を０分とし、２０分静置した。試験後、活性面側の液体の重量を測定し、液体の比重を１として試験前後の差分から透過流束（Ｊｗ）を算出した。また、試験後の活性面側の液体中の全有機炭素濃度を全有機炭素計で、陽イオン濃度をイオンクロマトグラフで測定し、溶質の損失（Ｊｓ）を算出した。また、試験後の作業媒体を８０℃に加熱しながら窒素ガスをバブリングして作業媒体の濃縮を行った。作業媒体に含まれる溶質とその濃度及び実験結果を表１に示す。
表１から式（１）と（２）の化合物を用いた実施例では、作業媒体中の二酸化炭素濃度を操作することによって、作業媒体の濃縮が行えることが確認された。実施例のJs/Jwはいずれも０．５以下であるため、作業媒体の濃縮に要するエネルギーを少なくすることができるため、低コストで水の分離を行うことができる。
また、これらの浸透圧作用によって生じる水流を用いて発電することで、低コストに発電をすることができる。
明細書中、一部の元素は、元素記号のみで表している。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の種々の形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
Ａ…被処理水、
Ｂ…作業媒体、
Ｃ…水
１…浸透圧発生器、
２…濃縮器、
３…濃縮作業媒体タンク、
４…精製水タンク、
５…逆浸透膜分離器、
１１…第１処理容器、
１２…浸透膜、
１３…第１チャンバー、
１４…第２チャンバー、
１５…被処理水タンク、
１６…第１ポンプ、
１７…第２ポンプ、
１８…第３ポンプ、
４１…開閉弁、
５１…第２処理容器、
５２…逆浸透膜（ＲＯ膜、ＮＦ膜）、
５３…第３チャンバー、
５４…第４チャンバー、
１００…水処理システム、
１０１…パイプライン、
２００…脱塩システム、
３００…浸透圧発電システム

Claims (9)

  1. 被処理水を収容する第１チャンバーと浸透圧を誘起する作業媒体を収容する第２チャンバーとを区画する浸透膜を備える第１処理容器を有する浸透圧発生器と、
    前記作業媒体から二酸化炭素を放出させる二酸化炭素放出手段、相分離した前記作業媒体を分離させる相分離手段と作業媒体に二酸化炭素を吸収させる二酸化炭素導入手段を有する濃縮器とを有し、
    前記作業媒体がアミン化合物を含み、
    前記アミン化合物は、式（１）又は（２）で表される化合物であり、
    前記式（１）中のＲ１１とＲ１４は、直鎖状もしくは分岐状の炭素数が１以上５以下のアルキル鎖であり、任意に、３級アミン、環状３級アミン、カルボキシル基と水酸基からなる群のうちのいずれか１種以上を含み、
    前記式（１）中のＲ１２、Ｒ１３、Ｒ１５とＲ１６は、Ｈ又は直鎖状の炭素数が１以上３以下のアルキル基であり、任意に、水酸基、ハロゲン又は、水酸基及びハロゲンを含み、
    前記式（２）中のＲ２１は、直鎖状もしくは分岐状の炭素数が２以上１０以下のアルキル鎖であり、任意に、３級アミンを１以上含み、
    前記式（２）中のＲ２２とＲ２３は、ＣＨ２、Ｏ又はＣＨ−ＣＯＯＲ２４（Ｒ２４は、直鎖状又は分岐状の炭素数が０以上４以下である）である水処理システム。
  2. 前記作業媒体に含まれるアミン化合物は、４−（１，１−ジメチルエチル）−１−ピペラジンエタノール、４−（１，１−ジメチルエチル）−β−メチル−１−ピペラジンエタノール、４−（１，１−ジメチルエチル）−α−メチル−１−ピペラジンエタノール、４−（１，１−ジメチルエチル）−β、β−ジメチル−１−ピペラジンエタノール、４−（１，１−ジメチルエチル）−α、α−ジメチル−１−ピペラジンエタノール、４−（１，１−ジメチルエチル）−α、β−ジメチル−１−ピペラジンエタノール、１−［４−（１，１−ジメチルエチル）−１−ピペラジニル］−２−プロパノン、４−（１，１−ジメチルエチル）−α−エチル１−ピペラジンエタノール、４−（１，１−ジメチルエチル）−１−ピペラジン酢酸、４−（１，１−ジメチルエチル）−３−メチルー１−ピペラジンエタノール、４−（２−ヒドロキシエチル）−α、α−ジメチルー１−ピペラジン酢酸、３−（４−（１，１−ジメチルエチル）−１−ピペラジニル）−１，２−プロパンジオール、４−（２−ヒドロキシー１，１−ジメチルエチル）−１−ピペラジン酢酸、４−（１，１−ジメチルエチル）−α−（１−メチルエチル）−１−ピペラジンエタノール、４−（１，１−ジメチルエチル）−α−エチルーβ−メチルー１−ピペラジンエタノール、４−（１，１−ジメチルエチル）−α−メチルー１−ピペラジン酢酸、３，（４−（１，１−ジメチルエチル）−１−ピペラジニル）−２−ブタノン、４−（１，１−ジメチルエチル）−α−エチルーα−メチルー１−ピペラジンエタノール、１−［４−（１，１−ジメチルエチル）−１−ピペラジニル］−２−ブタノン、１、４−ビス[２−（１−ピペラジニル）エチル]−ピペラジン、１，１’−（１，２−エタンジイル）−ビスーピペリジン、１，１’−（１，３−プロパンジイル)ビス−４−ピペリジンカルボン酸ジエチルエステル、１，１’−（１−メチルー１，２−エタンジイル）−ビスーピペリジン、４−メチルー１［２−（１−ピペリジニル）エチル］ピペリジン、３−メチルー１［２−（１−ピペリジニル）エチル］ピペリジン、２−メチルー１−［２−（１−ピペリジニル）エチル］ピペリジン、１，１−（１，２−ジメチルー１，２−エタンジイル）ピペリジン、１，１’−（１，２−エタンジイル）−ビスー４−メチルピペリジン、１，１’−（１，２−エタンジイル）ビスー２−メチルピペリジン、１−［２−（１−ピペリジニル）エチル］４−ピペリジノン、１，１’−（１，３−プロパンジイル）−ビスーピペリジン、１，１’−（２−メチルー１，３−プロパンジイル）ビスーピペリジンと１，１’−（１，４−ブタンジイル）−ビスーピペリジンからなる群ののうちのいずれか１種以上である請求項１に記載の水処理システム。
  3. 前記作業媒体中のアミン化合物の濃度は１０質量％以上７０質量％以下である請求項１又は２に記載の水処理システム。
  4. 前記作業媒体中のアミン化合物は、二酸化炭素濃度が低下すると、固−液分離又は、液−液分離する請求項１ないし３のいずれか１項に記載の水処理システム。
  5. 前記二酸化炭素の吸収後のアミン化合物の水に対する溶解度は、前記二酸化炭素の放出後のアミン化合物の水に対する溶解度の４倍以上である請求項１ないし４のいずれか１項に記載の水処理システム。
  6. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載の水処理システムは、回転体をさらに有し、
    前記浸透圧の誘起によって、水流が生じ、
    前記水流によって前記回転体を回転させて発電する水処理システム。
  7. アミン化合物を含み、
    前記アミン化合物は、式（１）又は（２）で表される化合物であり、
    前記式（１）中のＲ１１とＲ１４は、直鎖状もしくは分岐状の炭素数が１以上５以下のアルキル鎖であり、任意に、３級アミン、環状３級アミン、カルボキシル基と水酸基からなる群のうちのいずれか１種以上を含み、
    前記式（１）中のＲ１２、Ｒ１３、Ｒ１５とＲ１６は、Ｈ又は直鎖状の炭素数が１以上３以下のアルキル基であり、任意に、水酸基、ハロゲン又は、水酸基及びハロゲンを含み、
    前記式（２）中のＲ２１は、直鎖状もしくは分岐状の炭素数が２以上１０以下のアルキル鎖であり、任意に、３級アミンを１つ以上含むみ、
    前記式（２）中のＲ２２とＲ２３は、ＣＨ２、Ｏ又はＣＨ−ＣＯＯＲ２４（Ｒ２４は、直鎖状又は分岐状の炭素数が０以上４以下である）である浸透圧を誘起する溶媒である作業媒体。
  8. 前記アミン化合物は、アミン化合物は、４−（１，１−ジメチルエチル）−１−ピペラジンエタノール、４−（１，１−ジメチルエチル）−β−メチル−１−ピペラジンエタノール、４−（１，１−ジメチルエチル）−α−メチル−１−ピペラジンエタノール、４−（１，１−ジメチルエチル）−β、β−ジメチル−１−ピペラジンエタノール、４−（１，１−ジメチルエチル）−α、α−ジメチル−１−ピペラジンエタノール、４−（１，１−ジメチルエチル）−α、β−ジメチル−１−ピペラジンエタノール、１−［４−（１，１−ジメチルエチル）−１−ピペラジニル］−２−プロパノン、４−（１，１−ジメチルエチル）−α−エチル１−ピペラジンエタノール、４−（１，１−ジメチルエチル）−１−ピペラジン酢酸、４−（１，１−ジメチルエチル）−３−メチルー１−ピペラジンエタノール、４−（２−ヒドロキシエチル）−α、α−ジメチルー１−ピペラジン酢酸、３−（４−（１，１−ジメチルエチル）−１−ピペラジニル）−１，２−プロパンジオール、４−（２−ヒドロキシー１，１−ジメチルエチル）−１−ピペラジン酢酸、４−（１，１−ジメチルエチル）−α−（１−メチルエチル）−１−ピペラジンエタノール、４−（１，１−ジメチルエチル）−α−エチルーβ−メチルー１−ピペラジンエタノール、４−（１，１−ジメチルエチル）−α−メチルー１−ピペラジン酢酸、３，（４−（１，１−ジメチルエチル）−１−ピペラジニル）−２−ブタノン、４−（１，１−ジメチルエチル）−α−エチルーα−メチルー１−ピペラジンエタノール、１−［４−（１，１−ジメチルエチル）−１−ピペラジニル］−２−ブタノン、１、４−ビス[２−（１−ピペラジニル）エチル]−ピペラジン、１，１’−（１，２−エタンジイル）−ビスーピペリジン、１，１’−（１，３−プロパンジイル)ビス−４−ピペリジンカルボン酸ジエチルエステル、１，１’−（１−メチルー１，２−エタンジイル）−ビスーピペリジン、４−メチルー１［２−（１−ピペリジニル）エチル］ピペリジン、３−メチルー１［２−（１−ピペリジニル）エチル］ピペリジン、２−メチルー１−［２−（１−ピペリジニル）エチル］ピペリジン、１，１−（１，２−ジメチルー１，２−エタンジイル）ピペリジン、１，１’−（１，２−エタンジイル）−ビスー４−メチルピペリジン、１，１’−（１，２−エタンジイル）ビスー２−メチルピペリジン、１−［２−（１−ピペリジニル）エチル］４−ピペリジノン、１，１’−（１，３−プロパンジイル）−ビスーピペリジン、１，１’−（２−メチルー１，３−プロパンジイル）ビスーピペリジンと１，１’−（１，４−ブタンジイル）−ビスーピペリジンからなる群ののうちのいずれか１種以上であり、
    前記作業媒体中のアミン化合物の濃度は１０質量％以上７０質量％以下であり、
    前記作業媒体中のアミン化合物は、二酸化炭素濃度が低下すると、固−液分離又は、液−液分離し、
    前記二酸化炭素の吸収後のアミン化合物の水に対する溶解度は、前記二酸化炭素の放出後のアミン化合物の水に対する溶解度の４倍以上である請求項７に記載の作業媒体。
  9. 前記作業媒体中のアミン化合物の濃度は５０質量％以上７０質量％以下である請求項７又は８に記載の作業媒体。
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