JP6971992B2 - 浸透圧補助逆浸透工程及びその使用方法 - Google Patents
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Description
本出願は、2016年2月2日に出願された、「Osmotic Pressure Assisted Reverse Osmosis(OsARO) Process」と題する、米国仮出願第62/388,563号、及び2016年5月24日に出願された、「Osmotic Pressure Assisted Reverse Osmosis(OsARO) Process and Method of Using the Same」と題する、米国仮出願第62/392,203号からの優先権を主張し、これらのそれぞれは、本明細書に、すべての目的のために、その全体を参照により援用される。
本開示は、浸透圧補助逆浸透工程を使用して、海水、汽水、排水、工業用水、随伴水及び/または汚染水の精製、除染または脱塩を対象とする。本開示は、浸透圧補助逆浸透工程を使用して濃縮された供給原料溶液を形成すること、及び精製水を副産物として生成することをさらに対象とする。
57g/lのNaCl溶液(0.98M)は、同時に、供給1及び供給2として半透膜の両側へ導入された。57g/lのNaCl溶液濃度は、従来のRO脱塩工程により生成されるブライン濃度に一般的に等しい。200±5psiの水圧は、供給1側に加えられ、供給2に加えられる水圧は、5psiに、またはこれより下に保持された。供給1及び供給2の供給流量(1分毎のグラム溶液)を調整したときに、供給1と供給2との間の流出口濃度差、及び透過流束は、表1に要約されるように、それに応じて変えることが可能である。
180g/lのNaCl水溶液(3.08M)は、OsAROモジュール内にそれぞれ供給1及び供給2として導入された。供給2の平均水圧は、20psi未満に維持され、供給1側上の水圧は、100psiと400psiとの間で変わった。OsAROモジュールの流出ポートにおけるC1とC2との間の濃度差は、表2及び図4に要約される。
濃縮された供給1が関心のものであるときに、供給1及び供給2の加えられた水圧、供給2の濃度、ならびに供給1及び2の流量比などの、OsAROモジュールの動作パラメータを変えて、供給1の標的濃度を流出口において達成することが可能である。実施例3において、NaCl溶液の供給1及び供給2の両方の流入口濃度は、53.8g/l(0.921M)であった。供給1へ加えられた水圧は、300から400psiまで変わり、供給2は、14.7psi未満の圧力より下に維持された。供給濃度C1及びC2を考慮して、供給1の水圧、ならびに供給1及び2のクロスフロー速度を変え、供給1の標的濃度を流出口にもたらすことが可能である。これらの結果を表3に列挙する。表3に示されるように、標的とされた供給1の流出口濃度は、実験により取得された結果とよく一致する。
実施例4:高圧単一OsAROモジュール性能
供給1及び供給2は、NaCl溶液の同一の流入口濃度を有し、58g/lから150g/lまで変えた。供給1へ加えられた水圧は、750から800psiまで変わり、供給2は、圧力(<40psi)より下に維持された。供給濃度C1及びC2、ならびに供給1の水圧を考慮して、供給1及び供給2のクロスフロー速度は、供給1と供給2との間の標的濃度差を流出口にもたらすように変わることが可能である。水流束の結果は、表4及び図5にも列挙される。
この実施例において、30,000ppmのNaClにおいて海水は、図6に描写されるシステム600を使用して、140,000ppmへ濃縮された。図6は、たとえば、150,000ppmのNaCl溶液を駆動溶液流607として使用する、正浸透(FO)構成要素610へ海水FO供給溶液流605を供給する、FO−RO−OsAROシステムを描写する。水は、FO膜615を介して海水側から駆動溶液側へ透過し、海水FO供給溶液流605の総溶解固形分(TDS)は、140,000ppmへ濃縮され、駆動溶液流607は、40,000ppmへ希釈される。これは、典型的な海水ROについての50%回収率よりさらに高い、78.6%のFO回収率に対応する。つぎに生成された40,000ppmの希釈された駆動溶液流609は、FO構成要素610から逆浸透(RO)構成要素620へ移送され、RO供給溶液流612の少なくとも一部を、たとえば、1,000psiで形成し、精製された溶媒透過液625の生成物(すなわち、脱イオン水)を生成し、RO供給溶液流612を90,000ppmへ付随して濃縮することにより、濃縮されたRO供給溶液流627を形成する。つぎに90,000ppmの濃縮されたRO供給溶液流627は、たとえば、1,000psiで動作する、OsAROモジュール650の第一チャンバ652及び第二チャンバ654の両方に分割され、導入される。OsAROモジュール650は、濃縮されたRO供給溶液流627の第一部分を第一チャンバ652内へ受容して第一供給溶液流653を形成し、濃縮されたRO供給溶液流627の第二部分を第二チャンバ654内へ受容して第二供給溶液流655を形成する。この第一チャンバ652において、第一供給溶液流653は、150,000ppmへ濃縮され、濃縮された供給溶液流657を形成し、濃縮された供給溶液流は、FO構成要素610へ移送され、150,000ppmの駆動溶液607を再生することができる。第二チャンバ654において、第二供給溶液流655は、60,000ppmへ希釈され、希釈された第二供給溶液流656を形成する。つぎに、この60,000ppmの希釈された第二供給溶液流656は、RO構成要素620へ送られ、追加の精製された溶媒生成物625を生成する。
この実施例において、海水ROプラントからの60,000ppmブラインは、図7に示されるように、OsARO2−ROシステムを使用して、140,000ppmへ濃縮される。図7に示されるように、OsARO2−ROシステム700は、各OsAROモジュールの前面に使用される前処理システム750、755を含む。このシステム700は、UFろ過モジュール705と、シーディングタンク、ボルテックスタンクまたは改質ハイドロサイクロン装置などの固液分離装置710と、NFろ過と、を含む。ブラインは、最初にUF膜705によりろ過され、沈殿物排出を備える、シーディングタンクまたはボルテックスタンク710内に沈殿させ、つぎに硬度は、NF膜により除去される。つぎに前処理されたブラインは、第一OsAROモジュール720へ分割され、供給され、たとえば、1,000psiで動作する。OsAROモジュール720の一方のチャンバ内の供給流は、90,000ppmの溶液へ濃縮され、OsAROモジュール720の他方のチャンバ内の供給流は、20,000ppmへ希釈される。20,000ppmの溶液流は、RO構成要素725へ送られ、追加の精製された水生成物730を生成し、60,000ppmで生成されたROブラインは、第一前処理システム750へフィードバックされる。第一OsAROモジュール720により生成される90,000ppmの溶液は、第二前処理システム755により処理され、第二OsAROモジュール740へ分割され、供給される。第二OsAROモジュール740の一方のチャンバは、140,000ppmの排出ブラインを生成し、他方のチャンバ内の供給流は、45,000ppmへ希釈される。この45,000ppmの供給流は、RO構成要素725へも送られ、追加の水を生成する。OsAROモジュール720、740からの希釈された20,000ppm及び45,000ppmの両方の流れは、内部で再利用され、排出された140,000ppmは、既存の海水ROプラントについて追加の28.6%の回収率に対応する(30,000ppmで海水から計算される場合に)。
実施例7:海水ZLD脱塩のためのFO−RO−OsAROシステム
この海水ZLDの実施例において、いくつかのOsAROモジュールは、前の実施例4へ一連に加えられる。図8に描写されるように、システム800は、FO構成要素805をより強力な駆動溶液によって使用することを可能にする、複数のOsAROモジュールまたは段階を含む。この実施例において、海水は、87.5%の回収率に対応する、30,000ppmから240,000ppmまで濃縮される。FO構成要素805は、たとえば、280,000ppmのMgCl2の駆動溶液を使用することが可能である。40,000ppmでFO構成要素805から離れる希釈された駆動溶液は、たとえば、1,000psiで、RO構成要素810により80,000ppmへ濃縮される。この80,000ppmの溶液は、つぎに、5つのOsAROモジュール815、820、825、830、835、または段階を、たとえば、それぞれ1,000psiで順次に通過し、280,000ppmの駆動溶液を再生する。各OsARO段階は、FOの280,000ppmの駆動溶液を再生するまで、駆動溶液をおおよそ40,000ppmによって濃縮する。RO構成要素810は、先に記述されるように、精製された水生成物(すなわち、脱イオン水)840と、第一OsAROモジュール815内のその後の使用のために80,000ppmの溶液とを生成する。水流束をFO工程において増加させるのを援助するために、海水供給(及び/または引き抜き)は、再利用モードにおいて動作することが可能であり、再利用モードにおいて、再利用ポンプを使用して、特に高濃度条件下で、濃度分極を低下させるのを援助することを実現可能な、最高速度によって、FO流出口溶液をFO膜の流入口へ戻させる。図7に示される前処理システム750、755に類似する前処理システムは、高濃度でファウリングを除去するためにFO膜の前面に使用されることができる。
実施例8は、実施例7に記述され、対応する図8に示されるものと類似したシステムを使用する。図9に示されるように、供給溶液の濃度が140,000ppmで、より高いため、希釈された駆動溶液は、160,000ppm前後のより高濃度でFO構成要素905を出る。つぎに、この希釈された駆動溶液は、図9に示されるように、160,000ppmの第三OsAROモジュール930へ直接に送られる。一方の流れは、280,000ppmへ連続して濃縮され、FO構成要素905についての駆動溶液として再利用され、他方の流れは、40,000ppmへ連続して希釈され、RO構成要素910内へ導入される。RO構成要素910は、先に記述されるように、精製された水生成物(すなわち、脱イオン水)960、及び第一OsAROモジュール915におけるその後の使用のための80,000ppmの溶液を生成する。
図10A及び10Bは、OsAROモジュールを含む、及びこれを含まない、従来のROシステムにおける回収率比較を示す。図10Aは、脱塩海水に使用される従来のROシステム1000についての回収率を示す。図10Aに描写されるような、3.2wt%の海水供給は、RO構成要素1005へ高圧ポンプ1010により送達され、47%の回収率に対応する、6wt%の濃縮された流れをもたらす。対照的に、図10B内のシステム1025により示されるように、OsAROモジュール1050を高圧ポンプ1020の前面に追加するときに、OsAROモジュール1050の低圧側(第二チャンバ)は、海水供給のために使用されることができ、高圧側(第一チャンバ)は、ブラインをRO構成要素1030から高圧下で供給されることができる。このような構成において、同一のRO動作圧及び海水供給濃度下でさえ、OsAROモジュール1050の追加は、ROブラインに追加の透過液を提供させ、OsAROモジュール1050内の膜を海水供給へ交わらせる。ブラインは、さらに濃縮され、同時にROステップへの供給濃度は、低下する。結果として、さらなる透過液は、同一のRO構成要素により取得され、回収率は、上昇する。図10A及び10Bに示されるように、OsAROモジュールの追加の結果として、供給濃度は、3.2wt%から2.5wt%まで低下することが可能であり、ROブラインは、4.5wt%から8wt%まで濃縮されることが可能である。したがって、回収率は、60%になり、供給の前処理の余分なエネルギー消費なしで、追加の13%回収率を同一のROシステム内で達成することが可能であることを示す。
図11は、2つのOsAROモジュールの使用により、300psiのRO動作圧のみで海水脱塩に47%の回収率を可能なシステム1100を示す。図11に描写されるように、3.2wt%の海水供給は、1.6wt%へ第一OsAROモジュール1110により希釈されることが可能であり、同一のモジュール1110は、海水流を3.2wt%から6wt%まで300psiの圧力のみの下で濃縮する。希釈された1.6wt%の流れは、第二OsAROモジュール1115により0.8wt%までさらに希釈され、RO構成要素1120へ供給されることが可能である。第二OsAROモジュールから濃縮された流れは、3.2wt%へ調整され、元の海水供給タンク1130へフィードバックされることが可能である。またROブラインは、1.6wt%に調整され、中間の1.6wt%のブレークタンク1140へフィードバックされることが可能である。システム1100が流出口流として6wt%のブライン、及び脱イオン水を生成する場合に、このシステム1100は、47%の回収率を300psiの圧力下で提供する。従来のROシステム内の同一の回収率は、800psiの圧力を通常必要とする。加えて、圧力交換器を使用して、高圧ポンプ1160、1165を交換し、さらにエネルギーを節約することができる。この実施例は、2つのOsAROモジュールまたは段階に限定されない。いかなる数のOsARO段階も、本開示の範囲及び趣旨内にある。
ステートメント1:第一供給溶液源、第二供給溶液源、及び半透膜を備え、半透膜が前記第一供給溶液源からの第一供給溶液流を受容するように構成される第一側面、及び前記第二供給溶液源からの第二供給溶液流を受容するように構成される第二側面を含み、前記第一供給溶液流が第一溶質濃度及び第一浸透圧を有し、前記第二供給溶液流が第二溶質濃度及び第二浸透圧を有し、前記第一浸透圧は前記第二浸透圧より高い、またはこれに等しく、前記第一供給溶液源は透過液の形態で、前記第一供給溶液流から前記第二供給溶液流へ前記半透膜を介して通過する溶媒により、濃縮された第一供給溶液流、及び希釈された第二供給溶液流を生成するために、静水圧を前記半透膜の前記第一側面に与えるように構成される、装置。
Claims (18)
- 第一供給溶液源、
第二供給溶液源、及び
半透膜、
を備え、
前記半透膜が第一供給溶液流を前記第一供給溶液源から受容するように構成される第一側面と、第二供給溶液流を前記第二供給溶液源から受容するように構成される第二側面とを含み、
前記第一供給溶液流が第一溶質濃度及び第一浸透圧を有し、前記第二供給溶液流が第二溶質濃度及び第二浸透圧を有し、前記第一浸透圧は前記第二浸透圧より高い、またはこれに等しく、
前記第一供給溶液源は透過液の形態で、前記第一供給溶液流から前記第二供給溶液流へ前記半透膜を介して通過する溶媒により、濃縮された第一供給溶液流、及び希釈された第二供給溶液流を生成するために、静水圧を前記半透膜の前記第一側面へ与えるように構成され、
前記第二供給溶液源は、前記濃縮された第一供給溶液流の少なくとも一部を前記半透膜の前記第二側面へ提供するように構成され、
前記透過液は、第三浸透圧を有し、前記第二浸透圧が前記第三浸透圧より高い、装置。 - 前記第一供給溶液源は、前記第一溶液流を前記半透膜の前記第一側面へ第一静水圧で供給するように構成され、前記第二供給溶液源は、前記第二溶液流を前記半透膜の前記第二側面へ第二静水圧で供給するように構成され、前記第一静水圧は、前記第二静水圧より高く、前記第一静水圧は、50psiから5,000psiであり、前記第二静水圧は、0psiから500psiである、請求項1に記載の装置。
- 前記第一供給溶液源及び前記第二供給溶液源は、溶媒を前記半透膜の前記第一側面から前記第二側面へ通過させるのに十分な前記第一静水圧と前記第二静水圧との間の圧力差を生成するように構成され、前記第一供給溶液源及び前記第二供給溶液源は、前記圧力差を前記第二浸透圧の関数として変えるようにさらに構成される、請求項1に記載の装置。
- 前記第一供給溶液流は、汚染された溶液を含み、前記第二供給溶液流が前記汚染された溶液の少なくとも一部を含む、請求項1に記載の装置。
- 前記第一供給溶液源及び前記第二供給溶液源は、同一の汚染された溶液の部分を前記半透膜の前記第一及び第二側面のうちのそれぞれの1つへ提供するように各々構成される、
請求項1に記載の装置。 - 前記第一供給溶液源は、前記濃縮された第一供給溶液流、またはその一部を前記半透膜の前記第一側面へ再循環させるようにさらに構成される、請求項1に記載の装置。
- 前記濃縮された第一供給溶液は、正浸透(FO)構成要素により駆動溶液として使用されるために前記FO構成要素へと提供される、請求項1に記載の装置。
- 溶媒及び溶質を含む、汚染された溶液内に溶質を濃縮する工程であって、
第一供給溶液流を半透膜の第一側面上に導入し、前記第一供給溶液流が第一溶質濃度及び第一浸透圧を有し、
第二供給溶液流を前記半透膜の第二側面上に導入し、前記第二供給溶液流が第二溶質濃度及び第二浸透圧を有し、前記第一浸透圧は前記第二浸透圧より高い、またはこれに等しく、
透過液の形態で、前記半透膜の前記第一側面から前記半透膜の前記第二側面へ溶媒が通過することにより、濃縮された第一供給溶液流、及び希釈された第二供給溶液流を生成するように、静水圧を前記半透膜の前記第一側面上に用い、
正浸透(FO)構成要素により駆動溶液として使用される、前記濃縮された第一供給溶液を前記FO構成要素へ供給し、
前記静水圧を低下させるために前記第二浸透圧を選択する、
ことを含み、
前記第二浸透圧は、前記溶媒を前記半透膜の前記第一側面から前記第二側面へ通過させるために必要な前記静水圧を低下させるために選択される、所定の浸透圧である、
前記工程。 - 前記透過液は、第三浸透圧を有し、前記第二浸透圧が前記第三浸透圧より高い、請求項8に記載の工程。
- 前記第一供給溶液流及び前記第二供給溶液流の両方は、同一の前記汚染された溶液の少なくとも一部を含む、請求項8に記載の工程。
- 前記半透膜の前記第一側面上に用いられる前記静水圧は、50psiから5,000psiであり、前記半透膜の前記第二側面上に用いられる前記静水圧は、0psiから500psiである、請求項8に記載の工程。
- 前記第一供給溶液流は、第一溶質及び第一溶媒を含み、前記第二供給溶液流は、第二溶質及び第二溶媒を含み、前記第二溶媒は、水、有機溶媒、またはそれらの任意の組み合わせであり、前記第二溶質は、無機塩溶質、有機化合物溶質、またはそれらの任意の組み合わせである、請求項8に記載の工程。
- 前記濃縮された第一供給溶液流の少なくとも一部を、前記半透膜の前記第二側面へと供給することをさらに含む、請求項8に記載の工程。
- 前記第一供給溶液流または前記第二供給溶液流は、前記正浸透(FO)構成要素からの希釈された駆動溶液の少なくとも一部を含む、請求項8に記載の工程。
- 第一供給溶液源、
第二供給溶液源、及び
少なくとも第一モジュール及び第二モジュール、
を備え、各第一モジュール及び第二モジュールが、
第一チャンバ及び第二チャンバ、
前記第一チャンバと前記第二チャンバとの間の界面に配置され、前記第一チャンバと流体連通する第一側面、及び前記第二チャンバと流体連通する第二側面を含む半透膜、
を含み、
前記第一モジュールの前記第一チャンバは第一供給溶液流を前記第一供給溶液源から受容するように構成され、前記第一モジュールの前記第二チャンバは第二供給溶液流を前記第二供給溶液源から受容するように構成され、
前記第一供給溶液流が第一溶質濃度及び第一浸透圧を有し、前記第二溶液流が第二溶質濃度及び第二浸透圧を有し、前記第一浸透圧は前記第二浸透圧より高い、またはこれに等しく、
前記第一供給溶液源は前記第一チャンバから前記第二チャンバへ前記半透膜を介して通過する溶媒により、濃縮された第一供給溶液流、及び希釈された第二供給溶液流を生成するために、静水圧を前記第一チャンバへ与えるように構成され、
前記第一モジュールの前記第一チャンバが前記第二モジュールの前記第一チャンバと流体連結され、前記第一モジュールの前記第一チャンバは、前記第一供給溶液流を前記第一供給溶液源から受容するように構成される第一流入ポート、及び第一流出ポートを備え、前記第二モジュールの前記第一チャンバは前記濃縮された第一供給溶液流を前記第一モジュールの前記第一チャンバから受容するように構成され、前記第二モジュールの前記第一チャンバは前記第一流出ポートに流体連結される第二流入ポートを備え、前記第二流入ポートが前記濃縮された第一供給溶液流を前記第一モジュールの前記第一チャンバから受容するように構成され、前記第二モジュールの前記第二チャンバは、前記第一モジュールの前記第二チャンバと流体連結され、前記第一モジュールの前記第二チャンバは、前記希釈された第二供給溶液を前記第二モジュールの前記第二チャンバから受容するように構成される、
システム。 - 前記第二モジュールの前記第一チャンバと流体連結される正浸透(FO)構成要素を備え、前記FO構成要素が希釈された駆動溶液、及び濃縮された供給溶液を駆動溶液及びFO供給溶液流から生成するように構成され、前記第二モジュールの前記第一チャンバは駆動溶液を前記FO構成要素へ送達するように、及び前記希釈された駆動溶液を前記第一供給溶液または前記第二供給溶液の少なくとも一部として使用するように構成される、請求項15に記載のシステム。
- 前記第一供給溶液源は、逆浸透(RO)構成要素を含み、前記RO構成要素が透過溶液、及び濃縮されたRO供給溶液流をRO供給溶液流から生成し、前記第一供給溶液流は、前記濃縮されたRO供給溶液流の少なくとも一部を含み、前記RO供給溶液流の少なくとも一部は、前記希釈された第二供給溶液流を含む、請求項15に記載のシステム。
- 前記第一モジュールの前記第二チャンバは、前記希釈された第二供給溶液流の少なくとも一部を前記RO構成要素へ移送するように構成され、前記RO構成要素が前記希釈された第二供給溶液流の前記少なくとも一部を前記第一モジュールの前記第二チャンバから受容するように構成され、前記RO供給溶液流が前記希釈された第二供給溶液流を少なくとも部分的に含み、前記システムが前記RO構成要素及び前記第一モジュールと流体連結される正浸透(FO)構成要素をさらに備え、前記FO構成要素が希釈された駆動溶液流、及び濃縮された供給溶液流を駆動溶液及びFO供給溶液流から生成するように構成され、前記第一モジュールの前記第一チャンバは前記生成され濃縮された第一供給溶液流を前記FO構成要素へ移送するように構成され、前記FO構成要素が前記濃縮された第一供給溶液流を前記第一モジュールの前記第一チャンバから受容するように、及び前記濃縮された第一供給溶液流の少なくとも一部を前記駆動溶液として使用するように構成され、前記FO構成要素は、前記希釈された駆動溶液流を前記RO構成要素へ移送するように構成され、前記RO構成要素が前記希釈された駆動溶液流を前記FO構成要素から受容するように、及び前記希釈された駆動溶液流の少なくとも一部を前記RO供給溶液流として使用するように構成される、請求項17に記載のシステム。
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