JP6862935B2 - 濃縮システムおよび濃縮方法 - Google Patents

Description

本発明は、濃縮システムおよび濃縮方法に関する。

水処理分野においては、逆浸透（ＲＯ：reverse osmosis）を用いる水処理方法が従来から知られている。逆浸透とは、分離膜の一方側に流される対象液に対して人為的に高い圧力を加えることにより、対象液中の水が分離膜を介して分離膜の他方側に浸透する現象である。これにより、対象液中から水が取り出され、対象液が濃縮される。しかし、逆浸透では、対象液の浸透圧より高い圧力を加える必要がある。このため、実際のＲＯシステムにおいては、ポンプの加圧能力に応じて、濃縮可能な対象液の濃度には上限がある。

そこで、近年、分離膜の両側に同じ濃度の対象液（同じ浸透圧の液）を流して、分離膜の一方側の対象液を加圧することにより、その分離膜の一方側の対象液中の水を分離膜を介して分離膜の他方側に浸透させて、分離膜の一方側の対象液を濃縮する方法（以下、「等圧膜分離法」と呼ぶ。）が提案されている（例えば、特許文献１（米国特許出願公開第２０１６／０３３９３９０号明細書）参照）。この等圧膜分離法によれば、対象液の濃度が高くなっても、分離膜の両側での浸透圧差が基本的に生じないため、必要な加圧の圧力が高くならず、ＲＯ法よりも高濃度の対象液を濃縮することが可能となる。

しかし、例えば、分離膜のファウリングを発生させ易い、スケール成分等を多く含む高濃度の対象液（廃液、果汁、牛乳など）に対して、等圧膜分離法を適用する場合、ファウリング（スケール生成）により分離膜が目詰まり等を生じ易い。このため、ファウリングを発生させ易い対象液に対して、等圧膜分離法をそのまま適用することは困難であった。

一方、ファウリングを発生させ易い対象液に対して、浸漬型正浸透モジュールを用いた処理を行うことが知られている（例えば、特許文献２（特開２０１１−１７３０４０号公報）参照）。浸漬型正浸透モジュールでは、半透膜の対象液側が開放されているため、逆洗操作などにより、半透膜に生成したスケールを除去し、半透膜の性能を維持することが容易である。

ただし、高濃度の対象液に対して浸漬型正浸透モジュールによる処理を実施する場合、対象液よりも浸透圧が高い非常に高濃度のドロー溶液（ＤＳ）が必要になる。そして、ＤＳは通常、濃縮して再利用されるが、特許文献２では、高濃度のＤＳを再利用（再濃縮）するために、ＲＯモジュールを用いている。しかし、ＲＯに用いられるポンプの加圧能力の制限から、ＲＯモジュールにより高濃度のＤＳを再濃縮することは難しいと考えられる。

米国特許出願公開第２０１６／０３３９３９０号明細書 特開２０１１−１７３０４０号公報

したがって、本発明の課題は、ファウリングを発生させ易い高濃度の対象液を、膜分離を用いて濃縮することが可能な、濃縮システムおよび濃縮方法を提供することである。

本発明者らは、ファウリングを発生させ易い高濃度の対象液を浸漬型正浸透モジュールにより濃縮し、その際に使用される高濃度のドロー溶液を等圧膜分離法で濃縮して再利用することで、上記の課題を解決し得ることを見出し、本発明に到達した。すなわち、本発明は以下のとおりである。

［１］ 水と水以外の成分とを含む対象液を濃縮するための濃縮システムであって、
対象液を収容する処理槽と、処理槽内の対象液に浸漬される浸漬型正浸透モジュールと、膜分離モジュールと、を備え、
浸漬型正浸透モジュールは、半透膜を有し、半透膜の一方の面は対象液に接し、半透膜の他方の面はドロー溶質を含むドロー溶液に接するように構成され、
膜分離モジュールは、分離膜と、分離膜で仕切られた第１室および第２室と、を有し、
第１室にドロー溶液の一部を流し、第２室にドロー溶液の他の一部を流して、第１室のドロー溶液を加圧することで、第１室内のドロー溶液に含まれる水を分離膜を介して第２室内のドロー溶液に移行させ、濃縮されたドロー溶液を第１室から排出し、希釈されたドロー溶液を第２室から排出するように構成されている、濃縮システム。

［２］ ［１］に記載の濃縮システムを用いた対象液の濃縮方法であって、
浸漬型正浸透モジュールを、処理槽内の対象液に浸漬して、半透膜の対象液と反対側に、ドロー溶質を含むドロー溶液を流すことで、対象液中に含まれる水を半透膜を通してドロー溶液に移動させる、対象液濃縮工程と、
膜分離モジュールにおいて、第１室にドロー溶液の一部を流し、第２室にドロー溶液の他の一部を流して、第１室のドロー溶液を加圧することで、第１室内のドロー溶液に含まれる水を分離膜を介して第２室内のドロー溶液に移行させ、濃縮されたドロー溶液を第１室から排出し、希釈されたドロー溶液を第２室から排出する、ドロー溶液濃縮工程と、
濃縮されたドロー溶液を浸漬型正浸透モジュールで再利用する、ドロー溶液再利用工程と、を含む、
濃縮方法。

本発明によれば、ファウリングを発生させ易い高濃度の対象液を、膜分離を用いて濃縮することが可能な、濃縮システムおよび濃縮方法を提供することができる。

本発明の濃縮システムの一実施形態を示す模式図である。 本発明の濃縮方法の各工程を示すフロー図である。

＜濃縮システム＞
本実施形態の濃縮システムは、対象液を濃縮するための濃縮システムである。対象液は、水と水以外の成分を含む液体である。対象液は、好ましくはファウリングを発生させ易い高濃度の液体である。このような対象液としては、例えば、工業用、生活用等の廃水、および、果汁、牛乳等の飲料用の液体、河川水などが挙げられる。なお、ファウリング成分（ファウラント）としては、例えば、シリカ、アルミニウム、鉄、カルシウム、マンガン等の粘土質成分やタンパク質等の有機物、スライムなどが挙げられる。

図１を参照して、本実施形態の濃縮システムは、対象液（フィード溶液：ＦＳ）を収容する処理槽１と、処理槽１内の対象液に浸漬される浸漬型正浸透モジュール２と、膜分離モジュール３と、を備える。

（浸漬型正浸透モジュール）
浸漬型正浸透モジュール２は、半透膜２１を有する。図１を参照して、浸漬型正浸透モジュール２は、半透膜２１の一方の面（複数の中空糸膜の外側の面）は対象液（ＦＳ）に接し、半透膜２１の他方の面（複数の中空糸膜の中空部の内壁面）はドロー溶質を含むドロー溶液（ＤＳ）に接するように構成されている。

半透膜としては、例えば、通常、逆浸透膜（ＲＯ膜：Ｒｅｖｅｒｓｅ Ｏｓｍｏｓｉｓ Ｍｅｍｂｒａｎｅ）、正浸透膜（ＦＯ膜：Ｆｏｒｗａｒｄ Ｏｓｍｏｓｉｓ Ｍｅｍｂｒａｎｅ）、ナノろ過膜（ＮＦ膜：Ｎａｎｏｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ Ｍｅｍｂｒａｎｅ）、限外ろ過膜（ＵＦ膜：Ｕｌｔｒａｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ Ｍｅｍｂｒａｎｅ）、精密ろ過膜（ＭＦ膜：Ｍｉｃｒｏｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ Ｍｅｍｂｒａｎｅ）と呼ばれている半透膜が挙げられる。半透膜は、好ましくはＲＯ膜、ＦＯ膜、ＮＦ膜またはＵＦ膜である。通常、ＲＯ膜およびＦＯ膜の孔径は約２ｎｍ以下であり、ＵＦ膜の孔径は約２〜１００ｎｍ、ＭＦ膜の孔径は約０．１〜１０μｍである。ＮＦ膜は、ＲＯ膜のうちイオンや塩類の阻止率が比較的低いものであり、通常、ＮＦ膜の孔径は約１〜２ｎｍである。

半透膜の形状としては、特に限定されないが、例えば、中空糸膜、スパイラル膜、平膜などが挙げられる。なお、図１では、半透膜２１として、中空部を有する糸状の半透膜（中空糸膜）が描かれているが、特にこのような形状に限定されない。なお、中空糸膜は、スパイラル膜、平膜などに比べて、モジュール当たりの膜面積を大きくすることができ、浸透効率を高めることができる点で有利である。なお、図１に示されるように半透膜２１が中空糸膜である場合、中空糸膜は、中空部内にＤＳを流すために、両端に中空部と連通する開口を有する両端開口型の中空糸膜であることが好ましい。

半透膜が中空糸膜である場合、浸漬型正浸透モジュールは、（クロスワインド型に対して）平行配置型の中空糸膜モジュールであることが好ましい。平行配置型の中空糸膜モジュールでは、複数の中空糸膜が並列的に所定の間隔を開けて配置される。平行配置型の中空糸膜モジュールを用いることで、処理槽内の対象液が、中空糸膜モジュールの内部まで行き渡り易く、処理効率が高くなる。なお、このような平行配置型の中空糸膜モジュールは、従来公知の方法を用いて製造することができ、例えば、特開平１０−１９２６６１号公報に開示されるような方法により製造することができる。

図１において、浸漬型正浸透モジュール２は、上記の平行配置型の中空糸膜モジュールである。浸漬型正浸透モジュール２は、中空糸膜（半透膜２１）の両端において、複数の中空糸膜を所定の間隔を開けて固定するための固定樹脂２２ａ，２２ｂを備えている。固定樹脂２２ａは、中空糸膜の一端の開口を介して、複数の中空糸膜の中空部に連通する分配室を有している。分配室は流入口を有している。固定樹脂２２ｂは、中空糸膜の一端の開口を介して、複数の中空糸膜の中空部に連通する集合室を有している。集合室は流出口を有している。したがって、固定樹脂２２ａの流入口にＤＳを流入させることで、中空糸膜の中空部にＤＳを流すことができ、中空糸膜の中空部を通過することで正浸透によって希釈されたＤＳが、固定樹脂２２ｂの流出口から排出される。

半透膜を構成する材料としては、特に限定されないが、例えば、セルロース系樹脂、ポリスルホン系樹脂、ポリアミド系樹脂などが挙げられる。半透膜は、セルロース系樹脂およびスルホン化ポリスルホン系樹脂の少なくともいずれかを含む材料から構成されることが好ましい。

セルロース系樹脂は、好ましくは酢酸セルロース系樹脂である。酢酸セルロース系樹脂は、殺菌剤である塩素に対する耐性があり、微生物の増殖を抑制できる特徴を有している。酢酸セルロース系樹脂は、好ましくは酢酸セルロースであり、耐久性の点から、より好ましくは三酢酸セルロースである。

ポリスルホン系樹脂は、好ましくはポリエーテルスルホン系樹脂である。ポリエーテルスルホン系樹脂は、好ましくはスルホン化ポリエーテルスルホンである。

（膜分離モジュール）
膜分離モジュール３は、分離膜３０と、分離膜３０で仕切られた第１室３１および第２室３２と、を有する。

膜分離モジュール３においては、第１室３１にＤＳ（浸漬型正浸透モジュール２で希釈されたＤＳ）の一部を流し、第２室３２にＤＳの他の一部を流して、第１室３１内のＤＳを加圧する。これにより、第１室３１内のＤＳに含まれる水が、分離膜を介して第２室３２内のＤＳに移行する。そして、濃縮されたＤＳが第１室３１から排出され、希釈されたＤＳが第２室３２から排出される。

第１室３１内のＤＳの加圧（昇圧）は、第１室３１を外部から加圧することにより実施することができる（図１）。なお、ポンプ４（送液用ポンプ）とは別に、第１室３１の上流側付近の流路に加圧用ポンプを設置し、この加圧用ポンプによって、第１室３１内のＤＳを加圧してもよい。

分離膜３０としては、上記の正浸透モジュール２の半透膜２１と同様の膜を使用することができ、例えば、逆浸透膜（ＲＯ膜）、正浸透膜（ＦＯ膜）、ナノろ過膜（ＮＦ膜）、限外ろ過膜（ＵＦ膜）、精密ろ過膜（ＭＦ膜）と呼ばれる膜が挙げられる。分離膜３０は、好ましくはＲＯ膜、ＦＯ膜、ＮＦ膜またはＵＦ膜である。なお、分離膜３０としてＲＯ膜、ＦＯ膜、ＮＦ膜またはＵＦ膜を用いる場合、第１室３１内のＤＳに対する加圧の圧力は、好ましくは０．５〜６．５ＭＰａである。

分離膜の形状も、上記の正浸透モジュール２の半透膜２１と同様であり、例えば、中空糸膜、スパイラル膜、平膜などが挙げられる。なお、図１では、分離膜３０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。中空糸膜は、スパイラル膜、平膜などに比べて、モジュール当たりの膜面積を大きくすることができ、浸透効率を高めることができる点で有利である。

なお、分離膜が中空糸膜である場合、通常は、中空糸膜の外側が第１室であり、中空糸膜の内側（中空部内）が第２室となる。中空糸膜の内側の流体を加圧しても、圧力損失が大きいため、加圧が十分に働き難いためである。

＜濃縮方法＞
本実施形態の濃縮方法は、上記の濃縮システムを用いた対象液の濃縮方法である。図２を参照して、本発明の濃縮方法は、以下に説明する対象液濃縮工程（正浸透工程）と、ドロー溶液濃縮工程（等圧膜分離工程）と、ドロー溶液再利用工程と、を少なくとも含む。なお、これらの各工程は、上記の濃縮システムにおいて同時に進行してもよい。

（対象液濃縮工程）
図１を参照して、対象液濃縮工程（正浸透工程）では、浸漬型正浸透モジュール２を、処理槽１内の対象液（ＦＳ）に浸漬して、半透膜２１の対象液と反対側（中空糸膜の中空部）に、ドロー溶質を含むドロー溶液（ＤＳ）を流すことで、対象液中に含まれる水を半透膜２１を通してＤＳに移動させる。これにより、対象液が濃縮される。

なお、対象液（ＦＳ）は、連続式で処理されてもよく、バッチ式で処理されてもよい。すなわち、連続的に処理槽１にＦＳを供給しながら、濃縮されたＦＳを回収してもよく、または、処理槽１を所定量のＦＳで満たして対象液濃縮工程を実施し、所定時間の対象液濃縮工程の終了後に、処理槽１内で濃縮された対象液を全て回収する操作を繰り返してもよい。

なお、対象液濃縮工程では、半透膜２１に対して、逆洗操作、振動等の物理的操作などを行うことにより、半透膜に付着したファウラント、目詰まりしたファウラント等を除去し、半透膜の性能を維持（回復）することができる。また、図１に示されるように、処理槽１の底壁の上部に設けられたエア吹き出し口（図示せず）から気体を吹き出すことにより、対象液中に気泡１ａを発生させてもよい。これにより、気泡１ａが対象液を撹拌し、また中空糸膜を揺らすことで、中空糸膜にファウラントが付着したり、中空糸膜が目詰まりしたりすることを抑制し、中空糸膜の性能低下を抑制することができる。

上記工程によって、希釈されたＤＳの一部は、ドロー溶液濃縮工程により濃縮される。ドロー溶液濃縮工程で濃縮されたＤＳは、ドロー溶液再利用工程により浸漬型正浸透モジュール２で再利用される。

ドロー溶液（ＤＳ）の浸透圧は、溶質の分子量等にもよるが、好ましくは０．５〜２０ＭＰａである。ドロー溶質としては、例えば、糖類、タンパク質、合成高分子などが挙げられる。ドロー溶質（特に低分子のドロー溶質）は、対象液へ浸透する可能性があるため、その点を考慮して使用するドロー溶質の種類を選択することが望ましい。例えば、対象液が果汁などの飲料用の液である場合、ドロー溶質として塩などを用いると液がしょっぱくなる虞があるため、ドロー溶質として糖類などを選択することが好ましい。

（ドロー溶液濃縮工程）
ドロー溶液濃縮工程（等圧膜分離工程）では、膜分離モジュール３において、第１室３１にＤＳ（対象液濃縮工程において希釈された後のＤＳ）の一部を流し、第２室３２にＤＳの他の一部を流して、第１室３１のＤＳを加圧する。これにより、第１室３１内のＤＳに含まれる水が、分離膜を介して第２室３２内のＤＳに移行する。したがって、第１室３１内のＤＳが濃縮され、濃縮されたＤＳが第１室３１から排出される。一方、第２室３２内のＤＳは希釈され、希釈されたＤＳが第２室３２から排出される。

ここで、膜分離モジュール３において、分離膜３０の一方側（第１室３１）と他方側（第２室３２）に流入するＤＳは、同じものであるため、基本的に浸透圧は等しい。このため、ＲＯ法のように、高い浸透圧差に逆らって逆浸透を起こさせるための高い圧力が必要なく、比較的低圧の加圧によって、高濃度のＤＳを濃縮することができる（ＤＳの一部を濃縮し、ＤＳの他の一部を希釈することができる）。

ただし、分離膜３０の一方側（第１室３１）に流されるＤＳと、他方側（第２室３２）に流されるＤＳとは、必ずしも同一の液である必要はない。第１室３１に流されるＤＳと、第２室３２に流されるＤＳとの浸透圧差（絶対値）が、第１室を加圧する圧力の１０％以下程度であれば、膜分離工程は実施可能である。

なお、膜分離工程は、図１に示されるように１つの膜分離モジュール３を用いた１段の工程であってもよいが、複数の膜分離モジュールを用いた多段の工程であってもよい。膜分離工程において、最終的な分離膜の両側のＤＳの浸透圧差は、膜分離モジュールの第１室への加圧の圧力以上にはならないため、１段の工程（１つの膜分離モジュール）によるＤＳの濃縮率には限界がある。このため、膜分離工程を２段以上の工程とすることで、ＤＳの濃縮率をさらに高めることが可能である。

（ドロー溶液再利用工程）
ドロー溶液再利用工程では、濃縮されたドロー溶液を浸漬型正浸透モジュール２で再利用する。具体的には、図１を参照して、膜分離工程において、膜分離モジュール３の第１室３１から排出される濃縮後のＤＳが、浸漬型正浸透モジュール２の固定樹脂２２ａの流入口（集合室）を介して、中空糸膜の中空部内（半透膜２１の対象液ＦＳと反対側）にＤＳとして供給される。

（他の工程）
ドロー溶液濃縮工程において、第２室３２から排出される希釈されたＤＳは、逆浸透（ＲＯ）法を用いて濃縮されてもよい。第２室３２から排出される希釈されたＤＳは、対象液濃縮工程において希釈されたＤＳ（１次希釈ＤＳ）がさらに希釈された液（２次希釈ＤＳ）であり、１次希釈ＤＳよりも浸透圧が低い。このため、１次希釈ＤＳの浸透圧が高く、ＲＯ法による濃縮が可能な浸透圧（例えば、１〜６ＭＰａ程度）を超えている場合でも、２次希釈ＤＳの浸透圧が、ＲＯ法による濃縮が可能な浸透圧であれば、ＲＯ法による濃縮が可能である。

今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 処理槽、１ａ 気泡、２ 浸漬型正浸透モジュール、２１ 半透膜、２２ａ，２２ｂ 固定樹脂、３ 膜分離モジュール、３０ 分離膜、３１ 第１室、３２ 第２室、４ ポンプ。

Claims (2)

1. 水と水以外の成分とを含む対象液を濃縮するための濃縮システムであって、
   前記対象液を収容する処理槽と、前記処理槽内の前記対象液に浸漬される浸漬型正浸透モジュールと、膜分離モジュールと、を備え、
   前記浸漬型正浸透モジュールは、半透膜を有し、前記半透膜の一方の面は前記対象液に接し、前記半透膜の他方の面はドロー溶質を含むドロー溶液に接するように構成され、
   前記膜分離モジュールは、分離膜と、前記分離膜で仕切られた第１室および第２室と、を有し、
   前記第１室に前記ドロー溶液の一部を流し、前記第２室に前記ドロー溶液の他の一部を流して、前記第１室の前記ドロー溶液を加圧することで、前記第１室内の前記ドロー溶液に含まれる水を前記分離膜を介して前記第２室内の前記ドロー溶液に移行させ、濃縮された前記ドロー溶液を前記第１室から排出し、希釈された前記ドロー溶液を前記第２室から排出するように構成されており、
   前記浸漬型正浸透モジュールにおいて希釈された前記ドロー溶液の浸透圧は、逆浸透法による濃縮が可能な浸透圧を超えている、濃縮システム。
2. 請求項１に記載の濃縮システムを用いた前記対象液の濃縮方法であって、
   前記浸漬型正浸透モジュールを、処理槽内の前記対象液に浸漬して、前記半透膜の前記対象液と反対側に、ドロー溶質を含むドロー溶液を流すことで、前記対象液中に含まれる水を前記半透膜を通して前記ドロー溶液に移動させる、対象液濃縮工程と、
   前記膜分離モジュールにおいて、前記第１室に前記ドロー溶液の一部を流し、前記第２室に前記ドロー溶液の他の一部を流して、前記第１室の前記ドロー溶液を加圧することで、前記第１室内の前記ドロー溶液に含まれる水を前記分離膜を介して前記第２室内の前記ドロー溶液に移行させ、濃縮された前記ドロー溶液を前記第１室から排出し、希釈された前記ドロー溶液を前記第２室から排出する、ドロー溶液濃縮工程と、
   濃縮された前記ドロー溶液を前記浸漬型正浸透モジュールで再利用する、ドロー溶液再利用工程と、を含み、
   前記対象液濃縮工程において希釈された前記ドロー溶液の浸透圧は、逆浸透法による濃縮が可能な浸透圧を超えている、濃縮方法。

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