JP6658199B2

JP6658199B2 - 造水システム

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Publication number: JP6658199B2
Application number: JP2016064202A
Authority: JP
Inventors: 熊野　淳夫; 淳夫熊野
Original assignee: Toyobo Co Ltd
Current assignee: Toyobo Co Ltd
Priority date: 2016-03-28
Filing date: 2016-03-28
Publication date: 2020-03-04
Anticipated expiration: 2036-03-28
Also published as: JP2017176929A; WO2017170014A1

Description

本発明は、造水システムに関する。より詳細には、逆浸透膜モジュールを用いて淡水を生産する造水システムに関する。

海水から淡水を生産する造水システムは、高圧ポンプによって所定の圧力に昇圧された海水を逆浸透（ＲＯ：Reverse Osmosis）膜モジュールに供給し、ＲＯ膜を通過させることで、海水中の塩分等を除去して淡水を取り出すシステムである。残りの塩水は、濃縮塩水（ブライン）としてＲＯ膜モジュールから排出される。

特許文献１（特開２００３−１７６７７５号公報）には、このような造水システム（海水淡水化装置）において、濃縮塩水の浸透圧エネルギーを利用した浸透圧発電システムを用いることが開示されている。この海水淡水化装置では、正浸透（ＦＯ：Forward Osmosis）膜モジュール（発電用半透膜透過器）の半透膜の一方側に、淡水を取り出した後の濃縮塩水（ＤＳ：ドロー溶液）を流し、半透膜の他方側に、海水よりも浸透圧が低い低浸透圧水（ＦＳ：フィード溶液）を流すことで、正浸透現象によって濃縮海水側の流量を増加させ、増加した流量で水流発電機を駆動させて発電を行う。

また、特許文献２（特開２０１４−２００７０８号公報）には、同様のシステムにおいて、水流発電機などの電気式のエネルギー回収装置（ＥＲＤ）だけでなく、圧力変換手段、回転付与機能などの機械式のＥＲＤを用いることも開示されている。なお、このようなＥＲＤによって回収されたエネルギーを、ポンプなどの海水供給手段に供給することで、海水供給手段の消費エネルギーを低減させることができる。

なお、上記ＦＯ膜モジュールに供給される低浸透圧水（ＦＳ）としては、海水よりも濃度の低い低濃度塩水（例えば、かん水、汽水）、不純物を含む未処理水（例えば、下水処理水、河川水、工業排水）などが用いられる。

特開２００３−１７６７７５号公報特開２０１４−２００７０８号公報

従来の浸透圧発電システムを備えた造水システムにおいて、造水量を増加させるためには、海水だけでなく低浸透圧水からも、別途、ＲＯ膜モジュールを用いて水を製造することが望ましい。

しかし、低浸透圧水は、浸透圧発電システムのＦＯ膜モジュールにも供給され、ＦＯ膜モジュールで濃縮された後に河川等に排水されるため、低浸透圧水の取水量全体に対する淡水の生産効率はその分低くなる。また、低浸透圧水を浸透圧発電システム用のＦＯ膜モジュールに供給するシステムと、低浸透圧水を造水用のＲＯ膜モジュールに供給するシステムとを別々に設けることは、設備投資の増大等の面から望ましくない。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、ＲＯ膜モジュールを用いた造水システムにおいて、造水量を増加させると共に、設備投資の増大等を抑制しつつ、エネルギー消費量の増加を抑制することを目的とする。

本発明は、海水、および、海水より浸透圧が低い低浸透圧水から、淡水を生産する造水システムであって、
第１逆浸透膜を有し、前記海水から前記第１逆浸透膜を介して前記淡水を分離し、濃縮された前記海水である濃縮塩水を排出する、第１逆浸透膜モジュールと、
前記海水を前記第１逆浸透膜モジュールに供給する第１高圧ポンプと、
第２逆浸透膜を有し、前記低浸透圧水から前記第２逆浸透膜を介して前記淡水を分離し、濃縮された前記低浸透圧水である濃縮低浸透圧水を排出する、第２逆浸透膜モジュールと、
前記低浸透圧水を前記第２逆浸透膜モジュールに供給する第２高圧ポンプと、
正浸透膜を有し、前記濃縮塩水を前記正浸透膜を介して前記濃縮低浸透圧水から供給される水によって希釈し、希釈された前記濃縮塩水である希釈塩水を排出する、正浸透膜モジュールと、
前記希釈塩水のエネルギーを回収するエネルギー回収装置と、を備える、造水システムである。

上記の造水システムは、さらに、前記濃縮塩水のエネルギーを回収する追加のエネルギー回収装置を備えることが好ましい。

本発明によれば、ＲＯ膜モジュールを用いた造水システムにおいて、造水量を増加させると共に、設備投資の増大等を抑制しつつ、エネルギー消費量の増加を抑制することができる。

実施形態１に係る造水システムの構成を示す模式図である。実施形態２に係る造水システムの構成を示す模式図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表す。

（実施形態１）
図１に示されるように、本発明の実施形態１に係る造水システムは、基本的に、第１逆浸透（ＲＯ）膜モジュール１１、第１高圧ポンプ３１（ＨＰ１）、第２逆浸透（ＲＯ）膜モジュール１２、第２高圧ポンプ３２（ＨＰ２）、正浸透（ＦＯ）膜モジュール２、および、エネルギー回収装置５（ＥＲＤ）を備えている。

本実施形態の造水システムにおいては、第１高圧ポンプ３１によって、海水の浸透圧より高い所定の圧力に昇圧された海水を第１ＲＯ膜モジュール１１に供給し、第１ＲＯ膜１１ａを通過させることで、海水中の塩分等が除去され、淡水が取り出される。また、第２高圧ポンプ３２によって、低浸透圧水（海水より浸透圧が低い液）の浸透圧より高い所定の圧力に昇圧された低浸透圧水を第２ＲＯ膜モジュール１２に供給し、第２ＲＯ膜１２ａを通過させることで、低浸透圧水の塩分、不純物等が除去され、淡水が取り出される。

本実施形態の造水システムでは、このようにして、海水および低浸透圧水の両方から、淡水（生産水）が生産されるため、造水量を増加させることができる。以下、本実施形態の造水システムの詳細について説明する。

（第１ＲＯ膜モジュール）
本実施形態の造水システムにおいて、海水は、まず、低圧ポンプ（図示せず）により第１高圧ポンプ３１に供給される。

次に、第１高圧ポンプ３１により海水が所定の圧力に昇圧され、第１ＲＯ膜モジュール１１へ供給される。ここで、所定の圧力は、海水の浸透圧（約２．５〜３ＭＰａ）より高い圧力であり、例えば、５〜７ＭＰａ程度である。

第１ＲＯ膜モジュール１１は、第１高圧ポンプ３１によって所定の圧力に昇圧された海水から第１ＲＯ膜１１ａを介して淡水を分離する。こうして第１ＲＯ膜モジュール１１の第１ＲＯ膜１１ａを透過した淡水（例えば、塩分含量３５０ｍｇ／Ｌ未満）を得ることができる。

分離された淡水は、必要により次の精製工程等に送られて生産水となる。残りの濃縮された海水は、濃縮塩水（ブライン）として第１ＲＯ膜モジュール１１から排出され、バルブ（圧力低下装置）４等によりＦＯ膜モジュール２に供給される適正圧力に圧力を低下させ後に、ＦＯ膜モジュール２の第２室２２に供給される。なお、適正圧力への低下は、バルブ４を絞る等により、流動抵抗を増加することで実施される。

（第２ＲＯ膜モジュール）
一方、低浸透圧水は、低圧ポンプ（図示せず）によって、第２高圧ポンプ３２に供給される。なお、「低浸透圧水」とは、海水より浸透圧が低い液であり、例えば、海水よりも濃度の低い低濃度塩水（例えば、かん水、汽水）、不純物を含む未処理水（例えば、下水処理水、河川水、工業排水）などが挙げられる。

次に、第２高圧ポンプ３２により低浸透圧水が所定の圧力に昇圧され、第２ＲＯ膜モジュール１２へ供給される。ここで、所定の圧力は、低浸透圧水の浸透圧（例えば、低浸透圧水がかん水である場合は約０．１ＭＰａ、低浸透圧水が下水処理水である場合は０．０５ＭＰａ以下）より高い圧力であり、例えば、０．５〜３ＭＰａ程度である。

第２ＲＯ膜モジュール１２は、第２高圧ポンプ３２によって所定の圧力に昇圧された低浸透圧水から第２ＲＯ膜１２ａを介して淡水を分離する。こうして第２ＲＯ膜モジュール１２の第２ＲＯ膜１２ａを透過し、塩分、不純物等が除去された淡水を得ることができる。

分離された淡水は、必要により次の精製工程等に送られて生産水となる。残りの濃縮された低浸透圧水（濃縮低浸透圧水）は、第２ＲＯ膜モジュール１２から排出され、ＦＯ膜モジュール２の第１室２１に供給される。

なお、ＲＯ膜（第１ＲＯ膜１１ａ，第２ＲＯ膜１２ａ）およびＦＯ膜２ａの形状としては、特に限定されないが、例えば、平膜、スパイラル膜または中空糸膜が挙げられる。なお、図１では、ＲＯ膜およびＦＯ膜として平膜を簡略化して描いているが、特にこのような形状に限定されるものではない。なお、中空糸膜（中空糸型半透膜）は、スパイラル型半透膜などに比べて、モジュール当たりの膜面積を大きくすることができ、逆浸透および正浸透の効率を高めることができる点で有利である。

ＲＯ膜およびＦＯ膜の材質としては、特に限定されないが、例えば、酢酸セルロース、ポリアミドまたはポリスルホンが挙げられる。

また、ＲＯ膜モジュール（第１ＲＯ膜モジュール１１，第２ＲＯ膜モジュール１２）およびＦＯ膜モジュール２の形態としては、特に限定されないが、中空糸膜を用いる場合は、中空糸膜をストレート配置したモジュールや、中空糸膜を芯管に巻きつけたクロスワインド型モジュールなどが挙げられる。平膜を用いる場合は、平膜を積み重ねた積層型モジュールや、平膜を封筒状として芯管に巻きつけたスパイラル型モジュールなどが挙げられる。

（ＦＯ膜モジュール）
ＦＯ膜モジュール２は、半透膜である正浸透膜（ＦＯ膜）２ａと、ＦＯ膜２ａで仕切られた第１室２１および第２室２２を有している。

上述のとおり、ＦＯモジュール２の第２室２２には、第１ＲＯ膜モジュール１１から排出された濃縮塩水が供給される。一方、ＦＯ膜モジュール２の第１室２１には、第２ＲＯ膜モジュール１２から排出された濃縮低浸透圧水が供給される。

これにより、第２室２２内の濃縮塩水は、正浸透現象によりＦＯ膜２ａを介して第１室２１側の濃縮低浸透圧水から供給される水によって希釈され、希釈塩水（希釈された濃縮塩水）が第２室２２の流出口から排出される。なお、濃縮低浸透圧水はさらに濃縮されて、第１室２１の流出口から排出され、海洋等へ排出される。

このように、ＦＯ膜モジュール２では、第１ＲＯ膜モジュール１１による造水処理の排液と、第２ＲＯ膜モジュール１２による造水処理の排液を利用して、流量が増加した（流量エネルギーが高められた）希釈塩水を得ることができる。

正浸透膜モジュール２の第２室２２から排出される希釈塩水は、次のエネルギー回収装置（ＥＲＤ）５に供給される。なお、ＥＲＤ５でエネルギーが回収された後の希釈塩水は、排水処理が施された後、海洋等へ排出される。

（エネルギー回収装置）
エネルギー回収装置（ＥＲＤ）５は、ＦＯ膜モジュール２において増量された（圧力が高められた）希釈塩水のエネルギーを回収する。

ＥＲＤ５によって回収されたエネルギーは、図１に点線で囲まれた白矢印で示されるように、第１高圧ポンプ３１、第２高圧ポンプ３２、および、他の施設の少なくともいずれかに供給される。

なお、エネルギーを供給する方法の具体例としては、例えば、第１高圧ポンプ３１または第２高圧ポンプ３２に直接、動力、電力等のエネルギーを伝達する方法が挙げられる。ただし、これに限られず、例えば、第１高圧ポンプ３１の下流側（第１ＲＯ膜モジュール１１の上流側）の海水にエネルギーを伝達し、第１高圧ポンプ３１の負担を軽減することで、間接的にエネルギーを第１高圧ポンプ３１に供給してもよい。

本実施形態においては、システム全体の造水量を増加させると共に、ＥＲＤ５によって回収されたエネルギーを、造水システム内の第１高圧ポンプ３１または第２高圧ポンプ３２の供給することで、造水システム全体のエネルギー消費量の増加を抑制することができる。

また、ＥＲＤ５によって回収されたエネルギーを主に電力として他の施設に供給する場合も、造水システムだけでなく電力供給施設等も含めた全体として、エネルギー消費量の増加を抑制することができる。

エネルギー回収装置（ＥＲＤ）としては、例えば、機械式のＥＲＤ、または、電気式のＥＲＤが挙げられる。

機械式のＥＲＤは、塩水のエネルギーを機械的に回収する装置である。機械式のＥＲＤとしては、例えば、動力伝達式ＥＲＤまたは圧力伝達式ＥＲＤが挙げられる。

動力伝達式ＥＲＤは、希釈塩水の流量（圧力）エネルギー等を動力として回収する装置である。動力伝達式ＥＲＤとしては、例えば、ターボチャージャー、または、高圧ポンプの駆動軸と同軸上に結合された水車が挙げられる。

圧力伝達式ＥＲＤ（Pressure Exchanger）は、希釈塩水の圧力を低浸透圧水の圧力に変換する装置である。

電気式のＥＲＤは、電気としてエネルギーを回収する装置である。電気式のＥＲＤとしては、タービン等を用いた水流発電機などが挙げられる。

機械式のＥＲＤは、電気式のＥＲＤよりもエネルギー変換ロスが少なく、エネルギー回収効率が高いという利点がある。したがって、ＥＲＤとして機械式のＥＲＤを採用することにより、高圧ポンプ等の消費動力をより削減することができる。

一方、電気式のＥＲＤは、発電した電気を高圧ポンプ等へ配線を介して供給すればよく、電気を他の施設へ供給することもできるため、設計の自由度が高いという利点がある。

ＦＯ膜モジュール２の第２室２２から排出される希釈塩水は、高い流量（圧力）エネルギーを有している。このため、例えば、ＥＲＤとしてターボチャージャーを用いる場合、希釈塩水をターボチャージャーの一方側へ送ることで、希釈塩水からターボチャージャーの他方側の低浸透圧水へ動力としてエネルギーを伝達することができる。これにより、ターボチャージャーによって低浸透圧水を昇圧させることができ、ＥＲＤによって、希釈塩水の流量（圧力）エネルギーを利用して、第２高圧ポンプ３２の消費動力を低減させることができる。

なお、一般に、ターボチャージャーは、高圧ポンプの駆動軸と同軸上に結合された水車などに比べて、処理可能な流量範囲が広いため、大量処理に適しているという利点がある。

また、ＥＲＤとして、第１高圧ポンプ３１または第２高圧ポンプ３２の駆動軸（モータ軸）と同軸上に結合された水車を用いる場合、水車としては、緩衝水車、反動水車などを用いることができる。緩衝水車としては、例えば、ペルトン水車、ターゴインパルス水車、クロスフロー水車などが挙げられる。これらの中でも、回収効率やメンテナンスの容易性の観点から、ペルトン水車を用いることが好ましい。

なお、高圧ポンプ（第１高圧ポンプ３１または第２高圧ポンプ３２）と水車（ＥＲＤ５）との間にクラッチを設けてもよい。これにより、造水システムを始動してから定常状態に至る初期状態において、クラッチを切ることで、初期状態においても水車が高圧ポンプの負荷とならないようにすることができる。

また、圧力伝達式ＥＲＤは、ＦＯ膜モジュール２の第２室２２から排出された希釈塩水の流れ圧力のエネルギーを回収し、回収したエネルギーを高圧ポンプ（第１高圧ポンプ３１または第２高圧ポンプ３２）に供給する。具体的には、例えば、希釈塩水の流れ圧力の一部が、高圧ポンプの上流側と下流側を接続する分岐流路（図示せず）内の低浸透圧水に圧力として伝達され、高圧ポンプの負荷を低減することができる。

圧力伝達式ＥＲＤは、一般に動力伝達式ＥＲＤよりも変換ロスが小さくエネルギー回収効率に優れている。なお、圧力伝達式ＥＲＤで昇圧された低浸透圧水は、必要に応じて、ブースターポンプを用いて高圧ポンプによって昇圧された低浸透圧水と同じ圧力まで昇圧される。

上述のＦＯ膜モジュール２およびエネルギー回収装置５により、第１ＲＯ膜モジュール１１から排出された濃縮塩水の流量（圧力）エネルギー（浸透圧エネルギーともいえる）を回収することができる。

なお、図１において、点線で囲まれた数値は、本実施形態の造水システムの運転状態における、造水システムの各部位における塩濃度、圧力および流量の一例を示している。このように、本実施形態においては、ＦＯ膜モジュール２に供給される濃縮塩水の流量に対して、ＦＯ膜モジュール２から排出される希釈塩水の流量が大幅に増加している。主として、この希釈塩水の増大した流量エネルギーを回収することで、エネルギー消費量の増加を抑制することができる。

なお、主に流量エネルギーを回収できるＥＲＤ（ＥＲＤ５として好ましいＥＲＤ）としては、例えば、上述の動力伝達式のＥＲＤ、または、電気式のＥＲＤを好適に用いることができる。

（実施形態２）
図２に示されるように、本発明の実施形態２に係る造水システムは、さらに、追加のエネルギー回収装置（ＥＲＤ）５１を備える点で実施形態１とは異なる。このＥＲＤ５１は、第１ＲＯ膜モジュール１１から排出された濃縮塩水のエネルギー（圧力エネルギー）を回収する。それ以外の点は、実施形態１と同様であるため重複する説明については省略する。

本実施形態において、追加のＥＲＤ５１で回収されたエネルギーは、図２に点線矢印で示されるように、第１高圧ポンプ３１に供給される。ただし、ＥＲＤ５と同様に、第２高圧ポンプ３２、他の施設などにエネルギーが供給されてもよい。

回収されたエネルギーを効率的に分配するためには、例えば、追加のＥＲＤ５１で回収されたエネルギーが第１高圧ポンプ３１に供給される場合は、ＥＲＤ５で回収されたエネルギーは第１高圧ポンプ３１以外（第２高圧ポンプ３２または他の施設）に供給されることが好ましい。

なお、図２において、点線で囲まれた数値は、本実施形態の造水システムの運転状態における、造水システムの各部位における塩濃度、圧力および流量の一例を示している。このように、ＥＲＤ５１において、第１ＲＯ膜モジュール１１から排出された後も高い圧力を維持している濃縮海水から圧力エネルギーを回収する場合、ＦＯ膜モジュール２から排出される希釈塩水の流量は低下しない。また、第１ＲＯ膜モジュール１１および第２ＲＯ膜モジュール１２の造水量も低下しない。

なお、流量を低下させずに濃縮海水から圧力エネルギーを回収できるＥＲＤ（ＥＲＤ５１として好ましいＥＲＤ）としては、例えば、上述の圧力伝達式のＥＲＤを好適に用いることができる。

したがって、本実施形態においては、ＥＲＤ５で回収される希釈塩水の流量エネルギーを低下させることなく、ＥＲＤ５１において濃縮海水から圧力エネルギーを回収できる。すなわち、実施形態１では、ＦＯ膜モジュール２に供給される適正圧力にバルブ（圧力低下装置）４等により低下させる圧力分のエネルギーロスが生じるのに対して、本実施形態では、このようなエネルギーロスを圧力エネルギーとして回収することができる。このため、造水量を維持しつつ、より効率的にエネルギーを回収し、実施形態１よりもさらにエネルギー消費量の増加を抑制することができる。

１１第１逆浸透膜モジュール（第１ＲＯ膜モジュール）、１１ａ第１ＲＯ膜、１２第２逆浸透膜モジュール（第２ＲＯ膜モジュール）、１２ａ第２ＲＯ膜、２正浸透膜モジュール（ＦＯ膜モジュール）、２ａＦＯ膜、２１第１室、２２第２室、３１第１高圧ポンプ、３２第２高圧ポンプ、４バルブ（圧力低下装置）、５，５１エネルギー回収装置（ＥＲＤ）。

Claims

海水、および、海水より浸透圧が低い低浸透圧水から、淡水を生産する造水システムであって、
第１逆浸透膜を有し、前記海水から前記第１逆浸透膜を介して前記淡水を分離し、濃縮された前記海水である濃縮塩水を排出する、第１逆浸透膜モジュールと、
前記海水を前記第１逆浸透膜モジュールに供給する第１高圧ポンプと、
第２逆浸透膜を有し、前記低浸透圧水から前記第２逆浸透膜を介して前記淡水を分離し、濃縮された前記低浸透圧水である濃縮低浸透圧水を排出する、第２逆浸透膜モジュールと、
前記低浸透圧水を前記第２逆浸透膜モジュールに供給する第２高圧ポンプと、
正浸透膜を有し、前記濃縮塩水を前記正浸透膜を介して前記濃縮低浸透圧水から供給される水によって希釈し、希釈された前記濃縮塩水である希釈塩水を排出する、正浸透膜モジュールと、
前記希釈塩水のエネルギーを回収するエネルギー回収装置と、を備える、造水システム。
さらに、前記濃縮塩水のエネルギーを回収する追加のエネルギー回収装置を備える、請求項１に記載の造水システム。