JPWO2016072461A1 - 水処理方法、水処理システムおよび水処理装置 - Google Patents
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Abstract
Description
図3の(a)は循環型浸透圧発電システムの1例の略図である。
上述したように、ゼオライト膜による水の分離は、混合液の温度を上げることにより促進することが可能である。例えば、図4の(a)に示すように分離部25に混合液を送るためのパイプライン101cに熱源5を介装することも好ましい。これによって、より円滑または効率よく混合液からの水の分離を行うことが可能になる。即ち、気化分離部における第4のチャンバ内の減圧の度合いを小さくすることが可能である。第3のチャンバ内と第4のチャンバ内のとの圧力差が小さくても、水を分離することが可能となる。
図3および図4に示した循環型浸透圧発電システム100は、圧力交換機または揚水機を更に備えてもよい。
循環型浸透圧発電システム100は、更に、第1のチャンバ11aと水タンク103aとを接続するパイプライン101iを備えてもよい。そのような実施形態の1例を図6に示す。図6に示した循環型浸透圧発電システム100は、図4に示した循環型浸透圧発電システム100が、第1のチャンバ11aと水タンク103aとを接続するパイプライン101iを備える例である。それ以外は、図4に示した循環型浸透圧発電システム100と同様であってもよく、或いは他の実施形態がパイプライン101iを備えてもよい。更に、循環型浸透圧発電システム100は、パイプライン101iに介装された開閉弁(図示せず)を備えてもよい。
図7は、循環型浸透圧発電システム100の更なる実施形態として、圧力交換機6とパイプライン101iとを備える例を示す。これらの部材を備えること以外は上述の何れの循環型浸透圧発電システム100の構成と同じであってもよく、またその可動も上述の何れかの組合せと同様に行うことが可能である。
図8は、上述の何れかの循環型浸透圧発電システム100が2つの熱源、即ち、熱源5aと熱源5bを備える例を示す。循環型浸透圧発電システム100は、図8に示すようにパイプライン101cに介装された熱源5aと、ハウジング24の外側に配置され、ハウジング24に熱を与える熱源5bとを備える。熱源を2つ備えることにより、より円滑または効率よく分離を行うことが可能である。熱源5bは、上述の熱源5と同様の熱源であればよい。
図9は、パイプライン101cの中間付近から気化分離部4のハウジング24までに亘って熱を与える熱源5を備える例を示す。この循環型浸透圧発電システム100は、熱源5の構造以外、上述した何れかの実施形態と同様の構成を有してもよい。このような構成によれば、より円滑または効率よく分離を行うことが可能である。
図10は、図8に示す循環型浸透圧発電システム100において、気化分離部4のハウジング24に含まれる混合液に対して熱を与えるために熱源5bを備える例を示す。この循環型浸透圧発電システム100は、熱源5b以外、上述した実施形態と同様の構成を有すればよい。このような構成によれば、より円滑または効率よく分離を行うことが可能である。
上述したように、実施形態に従う循環型浸透圧発電システムおよび方法は、気化分離部による分離によって高純度の水を回収することが可能である。このような高純度の水を回収する作用を利用することによって、更に、淡水化システムおよび水質浄化システムを提供することが可能である。即ち、更なる実施形態として、淡水化システムおよび水質浄化システムが提供され得る。
実施形態を図14を参照して説明する。この実施形態は、淡水化または水質浄化システムの1例である。
更なる淡水化および/または水質浄化システムの例を図15を用いて説明する。図15のシステムでは、淡水化装置200aが更に濃縮液タンク103dを備えること以外、図14に示したシステムと同じ構造を備え得る。
更なる実施形態として、発電と淡水化および/または水質浄化とを同時に行うシステムが提供される。その例を図16の(a)および(b)に示す。これらのシステムは、更に発電のためのタービン2を第1の浸透圧発生器1とバッファタンク3と間のパイプライン101aに介装して備えること以外、図14および図15に示されるシステムと同じ構造を有し得る。
実施形態に従う水処理システムについて図18の(a)〜(d)を用いて説明する。
実施形態に従う水処理方法は、例えば、次のような水処理方法である。即ち、当該方法は水を含む対象液とドロー液とを含む作業媒体を用いる水処理方法であって、前記ドロー液は水との間に浸透圧差を生じる高浸透圧液である。当該方法は、以下の(1)〜(4)に示す何れかの手順を含み得る。
(b)混合液の流束を、ゼオライト膜で仕切られた第3のチャンバと第4のチャンバとを備える気化分離部における前記第3のチャンバに送ること、
(c)第4のチャンバ内と第3のチャンバ内との圧力差によって、第3のチャンバからゼオライト膜を通過させた水を第4のチャンバに移動させて、水とドロー液とを分離すること、並びに
(d)気化分離部で分離されたドロー液を浸透圧発生器の第2のチャンバに収容すること、
を含む方法。
(b)混合液の流束を、ゼオライト膜で仕切られた第3のチャンバと第4のチャンバとを備える気化分離部における第3のチャンバに送ること、
(c)第4のチャンバ内と第3のチャンバ内との圧力差によって、第3のチャンバからゼオライト膜を通過させた水を前記第4のチャンバに移動させて、水とドロー液とを分離すること、
(d)気化分離部で分離された当該ドロー液を浸透圧発生器の第2のチャンバに収容すること、並びに
(e)気化分離部で分離された当該水を回収すること、
を含む方法。
(b)混合液の流束によりタービンを回して発電すること、
(c)タービンを回した後の混合液を、ゼオライト膜で仕切られた第3のチャンバと第4のチャンバとを備える気化分離部における第3のチャンバに送ること、
(d)第4のチャンバ内と第3のチャンバ内との圧力差によって、第3のチャンバからゼオライト膜を通過させた水を第4のチャンバに移動させて、水とドロー液とを分離すること、並びに
(e)気化分離部で分離された当該水および当該ドロー液を浸透圧発生器の第1のチャンバおよび前記第2のチャンバにそれぞれ戻して収容すること、
を含む方法。
(b)混合液の流束によりタービンを回して発電すること、
(c)タービンを回した後の混合液を、ゼオライト膜で仕切られた第3のチャンバと第4のチャンバとを備える気化分離部における第3のチャンバに送ること、
(d)第4のチャンバ内と第3のチャンバ内との圧力差によって、第3のチャンバからゼオライト膜を通過させた水を前記第4のチャンバに移動させて、水と高浸透圧液とを分離すること、
(e)気化分離部で分離された当該ドロー液を浸透圧発生器の第2のチャンバに送って収容すること、並びに
(f)気化分離部で分離された当該水を回収すること、
を含む方法。
(1)シリンジ試験装置
図19の(a)を参照しながら、シリンジ試験装置の作製について説明する。
例1
上記(1)の手順に従って、シリンジ試験装置216を作製した。第1のシリンジ211には、グリセリンを収容し、第2のシリンジ212には真水を収容した(図19の(c)図示)。各液は、図19の(a)に示すS31の工程とS32工程の間で、試験に使用する液体をシリンジ211および212の内部にそれぞれ収容した。
結果を図21の(a)に示す。図21の(a)は、横軸が時間であり、縦軸が水の移動量(mL)である。また、ドットで示した曲線は、水の移動量の実測値である。図21の(a)のドットで示される曲線で示されるように、初期の速度(グラフ中の傾き)は、時間が経過すると共に小さくなった。これは、第2のシリンジ212から浸透膜を通過して第1のシリンジ211中に水が上方に移動したことにより、第1のシリンジ211側の浸透膜周辺に水が存在することによる濃度分極効果のためと考えられる。また、図21の(a)中の直線は、ドットで示したグラフを初期(5分間)の速度と終盤(5時間)の速度を平均した平均速度を示している。
前記1と同様にシリンジ試験装置216を作製した。即ち、第1のシリンジ211には、グリセリン収容し、第2のシリンジ212には何れにも真水を収容した。前記例1では、濃度分極の影響があった。この影響を排除するために、試験期間の全体に亘り、上部に配置されている第1のシリンジ211の外側にソニケータにより超音波を当てた。定期的にシリンジの目盛を読み、第2のシリンジ212側から第1のシリンジ211側への水の移動を計測した。それ以外は、例1と同様に試験を行った。
その結果を図21の(b)に示した。図21の(b)において、横軸は時間であり、縦軸は水の移動量(mL)である。また、ドットで示した曲線は水の移動量の実測値である。また、図21の(b)中の直線はドットで示した実測値に基づいて、傾き(速度)を平均化したデータである。図21の(b)から明らかなように超音波で撹拌したことによって、水の移動は例1の結果よりも速くなり、且つ一定していた。
前記(1)の手順に従って、シリンジ試験装置216を作製した。第1のシリンジ211には、グリセリンおよび2,2,3,3,3−ペンタフルオロ−1−プロパノール(PF1P)をそれぞれ収容した。第2のシリンジ212には、何れにも真水を収容した。また、比較のために第1のシリンジ211内に3.5Wt%の海水を収容したシリンジ試験装置216を作製した。各液は、図19の(a)に示す(S31)工程と(S32)工程の間で試験に使用する液体をシリンジ211および212の内部にそれぞれ収容した。試験は、例2と同様に行った。定期的にシリンジの目盛を読み、第2のシリンジ212側から第1のシリンジ211側への水の移動を計測した。
結果を図22の(a)に示した。第1のシリンジ211内にPF1Pまたは3.5%塩水を収容したときには、グリセリンを収容した場合と比べて水の移動は少なかった。即ち、水の移動速度は遅かった。この結果から、グリセリンは優れた高浸透圧液であることが明らかとなった。
前記(1)の手順に従って、シリンジ試験装置216を作製した。第1のシリンジ211には、グリセリン、エチレングリコール、2,2,3,3,3−ペンタフルオロ−1−プロパノール(PF1P)、100%2−ブトキシエタノール(2BE)を収容した。第2のシリンジ212には真水を収容した。グリセリンについては、更に、濃度を変えたものを用意した。各液は、図19の(a)に示す(S31)工程と(S32)工程の間で試験に使用する液体をシリンジ211および212の内部にそれぞれ収容した。試験は、例2と同様に行った。そして、5分間、10分間、15分間、20分間、30分間、1時間、2時間、3時間、4時間および5時間の各時点で目盛を読み、第2のシリンジ212側から第1のシリンジ211側への水の移動を計測した。
結果を図22の(b)に示した。第1のシリンジ211内にグリセリンまたはエチレングリコールを収容したときに、PF1Pまたは2BEを収容したときに比べて水の移動が大きく、移動速度も速かった。この結果から、グリセリンおよびエチレングリコールが優れた高浸透圧液であることが明らかとなった。
前記(1)の手順に従って、シリンジ試験装置216を作製した。第1のシリンジ211には、それぞれ互いに濃度の異なるグリセリンを収容した。第2のシリンジ212には、真水を収容した。使用したグリセリンの濃度は、100wt%、80wt%、70wt%および50wt%の濃度であった。これらの濃度のグリセリンをそれぞれに用いてシリンジ試験装置216を作製した。各液は、図19の(a)に示す(S31)工程と(S32)工程の間で試験に使用する液体をシリンジ211および212の内部にそれぞれ収容した。試験は、例2と同様に行った。そして、5分間、10分間、20分間、30分間、1時間、2時間、3時間、4時間および5時間の各時点で目盛を読み、第2のシリンジ212側から第1のシリンジ211側への水の移動を計測した。
結果を図23に示した。この結果から、グリセリンの濃度は水の移動に大きく影響しないようであった。
三菱化学エンジニアリング株式会社製のMSM−1を用いた浸透気化膜法により、水と高浸透圧液(後述する溶剤)とを分離する試験を行った。試験には、中型の装置を用いた。用いた装置の概略を図24に示す。
それぞれの混合液について得られた結果を図25〜図29に示す。これらのグラフは、何れも横軸に水と混合された溶剤、即ち、グリセリン、tert-ブタノール、エチレングリコール、イソプロパノールまたはエタノールの水中の濃度を示した。縦軸は、脱水膜(ゼオライト膜である三菱化学エンジニアリング株式会社製のMSM−1)の透過流束、即ち、膜流量を時間および単位面積当たりの重量(g/m2hr)で示した。水分離の条件は、図25〜図29に示すようにそれぞれの混合液の温度を90℃、80℃、70℃、60℃または90℃とし、真空度は15torrまたは50torrとした。これらの結果からグリセリンのみが、食塩水よりも大きな膜流量を得られることが明らかとなった。従って、グリセリンは作業媒体に使用するために優れていることが明らかとなった。
浸透圧発電の発電量は、水力発電と同じようにして概算できる。即ち、式2のように落差が浸透圧から推定できることを前提にする。
例えば3.5wt%の食塩水に濃度が匹敵する海水の場合では、浸透圧が30気圧近いので、およそ300mの落差に相当する浸透圧が得られる。これと同様にして例6において使用した溶剤を溶質として水中で使用した場合においても、浸透圧のデータから押し上げる水柱の高さを計算することができる(図30参照)。
[W]=[J/s]=[Nm/s]、および
[N]=[kg]×[m/s2]
の式から流量の水の容積をそのまま重量に換算すれば計算できる。ただし、溶剤の混合水の場合には精密には比重を加味して計算する必要がある。
実施形態に従う水処理システムにおいて使用できる高浸透圧液を探索した。そのために幾つかの溶媒の物理化学的パラメータを計算と公知の文献から求めた。具体的には分子量、沸点、融点、比重、粘度、表面張力、屈折率、誘電率、標準蒸発エンタルピー、モル体積、モル濃度、溶解パラメータについて公知の文献値を参照した。溶媒の水和自由エネルギー変化、アスペクト比(分子が収まる最小の円筒の長さと直径の比)、分子量規格化アスペクト比(アスペクト比を分子量で除したもの)、オーバリティ、分子表面積(van der Waals半径に基づく)、分子量規格化分子表面積(分子表面積を分子量で除したもの)、分子体積(van der Waals半径に基づく)、分子量規格化分子体積(分子体積を分子表面積で除したもの)についてSMD(water)/M05−2X/MIDI!6Dレベルの量子化学計算で求めた。また、水の溶媒和自由エネルギー変化、溶媒の溶媒和自由エネルギー変化、モル体積についてB3LYP/TZVPレベルの量子化学計算で求めた。量子化学計算にはGaussian 09 rev.C.01を使用した。
例1と同様にシリンジ試験装置を組み立てた。前記例1(1)の手順に従って、シリンジ試験装置216を作製した。第1のシリンジ211には、下記の表4に示す溶媒、即ち、ジメチルスルホキシド(DMSO)、ジメチルホルムアミド(DMF)、アセトニトリル、2−ブトキシエタノール(2BE)、エチレングリコール、グリセリン、2,2,2−トリフルオロエタノール、N−メチルピロリドン(NMP)、イソプロパノール(IPA)、n−ブタノール(n−BuOH)およびt−ブタノール(t−BuOH)をそれぞれ収容した。第2のシリンジ212には、真水を収容した(図19の(c)図示)。試験に使用する液体は、図19(a)の(S31)工程と(S32)工程の間でシリンジ211および212の内部にそれぞれ収容した。その後、第1のシリンジ211が第2のシリンジ212の上方に位置するように縦置きにし、25℃、1気圧の条件下に静置した。5分間後に第1のシリンジ211の目盛を読むことにより、5分間吸引量(mL)とした。
Claims (20)
- 水を含む対象液とドロー液とを含む作業媒体を用いる水処理方法であって、前記ドロー液は、水との間に浸透圧差を生じる高浸透圧液であり、当該方法は、
(1)浸透膜で仕切られた第1のチャンバと第2のチャンバとを備える浸透圧発生器において、前記第1のチャンバ内に収容された前記対象液と、前記第2のチャンバ内に収容された前記ドロー液との間で生じる浸透圧差により、前記水と前記ドロー液とを含む混合液の流束を発生させること、
(2)ゼオライト膜で仕切られた第3のチャンバと第4のチャンバとを備える気化分離部において、前記混合液の流束を前記第3のチャンバに送ること、
(3)前記第4のチャンバ内と前記第3のチャンバ内との圧力差によって、前記第3のチャンバから前記ゼオライト膜を通過させた水を前記第4のチャンバに移動させて、水とドロー液とを分離すること、並びに
(4)前記気化分離部で分離された前記ドロー液を前記浸透圧発生器の前記第2のチャンバに送ること
を含むことを特徴とする水処理方法。 - 請求項1に記載の方法であって、
前記水処理が、前記対象液を淡水化および/または水質浄化することを含み、前記気化分離部で分離された水を回収すること、を更に備えることを特徴とする方法。 - 請求項1に記載の方法であって、
前記水処理は、発電することを含み、前記浸透圧発生器から流出する前記混合液の流束によって回されるタービンと、当該タービンを回した後の当該混合液を前記気化分離部に送るラインと、前記気化分離部により分離された水を前記浸透圧発生器の前記第1のチャンバに送るラインとを更に備えることを特徴とする方法。 - 請求項1に記載の方法であって、
前記水処理が、発電することと、前記対象液を淡水化および/または水質浄化することとを含み、
前記浸透圧発生器から流出する前記混合液の流束によって回されるタービンと、
前記タービンを回した後の前記混合液を前記気化分離部に送るラインと、
前記気化分離部において分離された水を収容する回収タンクと、
を更に備えることを特徴とする方法。 - 前記ゼオライト膜がチャブサイト型ゼオライトであることを特徴とする請求項1〜4の何れか1項に記載の方法。
- 前記水と前記ドロー液との分離が、浸透気化膜法により行われることを特徴とする請求項1〜5の何れか1項に記載の方法。
- 前記ドロー液が、アルコールまたは多価アルコールであることを特徴とする請求項1〜6の何れか1項に記載の方法。
- 前記気化分離部に排熱からの熱を与えることを更に含むことを特徴とする請求項1〜8の何れか1項に記載の方法。
- 水を含む対象液とドロー液とを含む作業媒体を用いて当該対象液を処理する水処理システムであって、
(1)前記ドロー液が、水との間に浸透圧差を生じる高浸透圧液である作業媒体と、
(2)浸透膜で仕切られた第1のチャンバと第2のチャンバを備え、前記第1のチャンバ内に収容された前記対象液と、前記第2のチャンバ内に収容された前記ドロー液との間で生じる浸透圧差により、前記水と前記ドロー液とを含む混合液の流束を発生させる浸透圧発生器と、
(3)ゼオライト膜で仕切られた第3のチャンバと第4のチャンバを備え、前記第3のチャンバ内に前記混合液を収容し、前記第4のチャンバ内と前記第3のチャンバ内との圧力差によって前記第3のチャンバから前記ゼオライト膜を通過させた水を前記第4のチャンバに移動させ、それにより水とドロー液とを分離する気化分離部と、
(4)前記浸透圧発生器の前記第1のチャンバ内に前記気化分離部で分離された前記水を送るための第1のラインと、
(5)前記浸透圧発生器の前記第2のチャンバ内に前記気化分離部で分離された前記ドロー液を送るための第2のラインと
を備えることを特徴とする水処理システム。 - 請求項10に記載のシステムであって、
前記水処理が、前記対象液を淡水化および/または水質浄化することを含み、
前記気化分離部において分離された水を収容する回収タンクを更に備えるシステム。 - 請求項10に記載のシステムであって、
前記水処理が、発電することを含み、前記浸透圧発生器から流出する前記混合液の流束によって回されるタービンと、当該タービンを回した後の当該混合液を前記気化分離部に送るラインとを更に備えるシステム。 - 請求項10に記載のシステムであって、
前記水処理が、発電することと、当該対象液を淡水化および/または水質浄化することとを含み、
前記浸透圧発生器から流出する前記混合液の流束によって回されるタービンと、
前記タービンを回した後の当該混合液を前記気化分離部に送るラインと、
前記気化分離部において分離された水を収容する回収タンクと、
を更に備えるシステム。 - 前記ゼオライト膜がチャブサイト型ゼオライトであることを特徴とする請求項10〜13の何れか1項に記載のシステム。
- 前記ドロー液と前記水との分離が、浸透気化膜法により行われることを特徴とする請求項10〜14の何れか1項に記載のシステム。
- 水処理装置であって、
浸透膜と、前記浸透膜により仕切られ、水を含む対象液を収容するための第1のチャンバと、水との間に浸透圧差を生じるドロー液を収容するための第2のチャンバとを備える浸透圧発生器;
前記浸透圧発生器から流出する前記ドロー液と前記ドロー液に引き込まれた水とを含む混合液が導入され、当該混合液の水を圧力差によってゼオライト膜で通過させることによって水とドロー液とを分離する気化分離部;および
前記気化分離部により分離された前記ドロー液を前記浸透圧発生器の前記第2のチャンバに送るライン;
を備える水処理装置。 - 請求項17に記載の装置であって、
前記水処理が、前記対象液を淡水化および/または水質浄化することを含み、前記気化分離部において分離された前記水を収容する回収タンクを更に備えることを特徴とする装置。 - 請求項17に記載の水処理装置であって、
前記水処理が、発電することを含み、前記浸透圧発生器から流出する前記混合液の流束によって回されるタービンと、当該タービンを回した後の前記混合液を前記気化分離部に送るラインと、前記気化分離部により分離された前記水を前記浸透圧発生器の前記第1のチャンバに送るラインとを更に備えることを特徴とする装置。 - 請求項17に記載の水処理装置であって、
前記水処理が、発電することと、前記対象液を淡水化および/または水質浄化することとを含み、
前記浸透圧発生器から流出する前記混合液の流束によって回されるタービンと、
前記タービンを回した後の前記混合液を前記気化分離部に送るラインと、
前記気化分離部において分離された前記水を収容する回収タンクと、
を更に備えることを特徴とする装置。
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