WO2012002263A1 - 中空糸型正浸透膜 - Google Patents
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Definitions
- the present invention has, for example, forward osmotic pressure energy of concentrated seawater generated simultaneously with desalination of seawater using reverse osmosis pressure in a seawater desalination apparatus, or non-concentrated seawater or natural seawater.
- the present invention relates to a hollow fiber type forward osmosis membrane used for forward osmotic pressure power generation using forward osmotic pressure energy.
- the forward osmotic pressure power generation is known in which the flow rate on the concentrated seawater side is increased by the forward osmotic pressure energy and power is generated at the increased flow rate.
- normal osmosis that generates non-concentrated marine seawater and natural seawater through infiltration membranes such as fresh water through osmosis membranes, increases the flow rate on the seawater side with its osmotic pressure energy, and generates electricity at an increased flow rate.
- Pressure power generation is known. JP 2003-176775 A
- the object of the present invention is to concentrate seawater or freshwater with a concentration lower than that through concentrated water.
- An object of the present invention is to provide a hollow fiber type forward osmosis membrane capable of enhancing the power generation efficiency in forward osmotic pressure power generation.
- the invention of claim 1 is to concentrate diluted seawater or diluted water such as fresh water into concentrated seawater through a hollow fiber osmosis membrane, and concentrate with the normal osmotic pressure energy.
- the invention of claim 2 infiltrate diluted water such as fresh water through non-concentrated seawater with a osmotic membrane of hollow fiber and increase the flow rate on the seawater side by the normal osmotic pressure energy.
- the concentrated seawater is passed through the hollow fiber type forward osmosis membrane, and the concentration of seawater or fresh water is lower than that.
- the normal osmotic pressure energy obtained by infiltration can be increased, the flow rate on the concentrated seawater side is increased with the increased normal osmotic pressure energy, and the power generation efficiency is increased with the increased flow rate.
- the pure net energy obtained by subtracting the energy consumed for the power generation from the output energy generated by the power generation has a very new beneficial effect of being several times the energy consumption.
- the hollow fiber type forward osmosis membrane of the invention of claim 2 comprising means for solving the problems
- fresh water is supplied to non-concentrated marine seawater and natural seawater through the hollow fiber type forward osmosis membrane. It is possible to increase the forward osmotic pressure energy obtained by infiltrating dilution water, etc., increase the flow rate on the seawater side with the increased forward osmotic pressure energy, and increase the power generation efficiency with the increased flow rate
- the pure net energy obtained by subtracting the consumed energy consumed for power generation from the output energy generated by the power generation has a very new beneficial effect of being several times the consumed energy.
- FIG. 1 is an explanatory view of a compact cylinder on which inner and outer thicknesses act in Best Mode-1 for carrying out the present invention
- FIG. 1 is an explanatory view showing a tensile test method in the best mode-1 for carrying out the present invention. It is a figure which shows the relationship between elongation and weight in the best mode-1 for carrying out this invention. It is a figure which shows the relationship between the outer diameter in the best form-1 for implementing this invention, and an inner diameter.
- 1 is an overall system diagram of forward osmotic pressure power generation in the best mode-1 for carrying out the present invention.
- FIG. 6 (a) is a diagram showing the permeation flow rate in the change in length per hollow fiber in the best mode-1 for carrying out the present invention
- FIG. 6 (a) shows a case where all permeation occurs in the middle of the hollow fiber.
- FIG. 6B shows the case where all the hollow fibers have penetrated (with return water). It is explanatory drawing of the osmosis
- FIG. 3 is a partial perspective view when a bundle of a large number of hollow fibers 1 in Embodiment-1 for carrying out the present invention is inserted into a cylindrical body 2 having an inner diameter of 9 inches and 10 inches without a gap. It is a figure which shows the fluctuation
- FIG. 1 is explanatory drawing of the compression cylinder in which the inside / outside thickness acts in the best form-2 for implementing this invention. It is explanatory drawing which shows the method of the tension test in the best form-2 for implementing this invention. It is a figure which shows the relationship between elongation and weight in the best form-2 for implementing this invention. It is a figure which shows the relationship between the outer diameter and the inner diameter in the best form-2 for implementing this invention.
- FIG. 2 is an overall system diagram of forward osmotic pressure power generation in Best Mode-2 for carrying out the present invention.
- FIG. 1 is explanatory drawing of the compression cylinder in which the inside / outside thickness acts in the best form-2 for implementing this invention. It is explanatory drawing which shows the method of the tension test in the best form-2 for implementing this invention. It is a figure which shows the relationship between elongation and weight in the best form-2 for implementing this invention. It is a figure which shows the relationship between the outer diameter and the inner diameter in the best form-2 for
- FIG. 24 is a diagram showing the permeation flow rate in the change in length per hollow fiber in Best Mode-2 for carrying out the present invention, and FIG. 24 (a) shows a case where all permeation occurs in the middle of the hollow fiber.
- FIG. 24 (b) shows a case where all hollow fibers have penetrated (with return water). It is explanatory drawing of the osmosis
- FIG 3 is a partial perspective view when a bundle of a number of hollow fibers 1 in the best mode-2 for carrying out the present invention is inserted into a cylindrical body 2 having an inner diameter of 9 inches and 10 inches without a gap. It is a figure which shows the fluctuation
- Optimum thickness for the inner diameter of the hollow fiber type forward osmosis membrane Currently, a hollow fiber for reverse osmosis is used. In this case, the hollow fiber has a thickness design that does not break even when used at a pressure of 8 MPa. On the other hand, in forward osmotic pressure power generation, the optimum pressure is 3 MPa from the experiments so far, and the withstand pressure is less than half. In this case, the optimum thickness of the hollow fiber is calculated according to the following procedure. 1) Theoretical calculation of stress generated in the hollow fiber. 2) Evaluation test for yield stress of hollow fiber. 3) Optimal thickness when used for forward osmotic pressure power generation based on safety factor.
- the thickness of the hollow fiber used is designed so that it will not break even when used at an external pressure of 8 MPa.
- the overall efficiency ⁇ all in this equation (6) is the net energy obtained by subtracting the consumed energy from the output energy divided by the consumed energy.
- the output energy is energy generated by power generation in forward osmotic pressure power generation.
- the consumed energy is the energy spent for generating electricity in forward osmotic pressure power generation.
- Figure 6 shows the penetration flow rate with the change in length per hollow fiber.
- (a) is when all penetrates in the middle of the hollow fiber.
- (b) shows a case where all hollow fibers have penetrated (with return water).
- the length of hollow fiber is ⁇ m, if it penetrates before reaching ⁇ m, if it penetrates using all of hollow fiber in Fig. 6 (a), two cases of Fig. 6 (b) Think.
- FIGS. 10 to 13 show the overall efficiency ⁇ all obtained by inserting a bundle of hollow fibers into a 9-inch cylindrical body.
- this total efficiency ⁇ all is the net energy obtained by subtracting the energy consumed to generate power from the output energy generated by power generation in forward osmotic pressure power generation. Divided. For example, 3 times the overall efficiency ⁇ all means that pure net energy is 3 times the consumed energy.
- FIGS. 14 to 17 show the overall efficiency ⁇ all obtained by inserting a bundle of hollow fibers into a 10-inch cylindrical body.
- the relational expression in which the optimum inner diameter (maximum efficiency) falls within a certain value by changing from 1 to 2 times is as follows.
- J 3.42 x 10 -7 to 6.84 x 10 -7 m / s.
- Optimum thickness for the inner diameter of the hollow fiber type forward osmosis membrane Currently, a hollow fiber for reverse osmosis is used. In this case, the hollow fiber has a thickness design that does not break even when used at a pressure of 8 MPa. On the other hand, in forward osmotic pressure power generation, the optimum pressure is 1.5 MPa and the withstand pressure is 1/4 or less from the experiments so far. In this case, the optimum thickness of the hollow fiber is calculated according to the following procedure. 1) Theoretical calculation of stress generated in the hollow fiber. 2) Evaluation test for yield stress of hollow fiber. 3) Optimal thickness when used for forward osmotic pressure power generation based on safety factor.
- the thickness of the hollow fiber used is designed so that it will not break even when used at an external pressure of 8 MPa.
- the overall efficiency ⁇ all in this equation (16) is the net energy obtained by subtracting the consumed energy from the output energy divided by the consumed energy.
- the output energy is energy generated by power generation in forward osmotic pressure power generation.
- the consumed energy is the energy spent for generating electricity in forward osmotic pressure power generation.
- FIG. 24 shows permeation flow rate in the change in length per hollow fiber.
- (a) is when all penetrates in the middle of the hollow fiber.
- (b) shows a case where all hollow fibers have penetrated (with return water). If the length of the hollow fiber is ⁇ m, if it penetrates before reaching ⁇ m, if it penetrates using all of the hollow fiber in Fig. 24 (a), two cases of Fig. 24 (b) think.
- Equation 20 shows the contents of the theoretical calculation for the case where all the hollow fibers in FIG. 24 (b) penetrated (with return water).
- FIGS. 28 to 31 show the overall efficiency ⁇ all obtained when a bundle of hollow fibers is inserted into a 9-inch cylindrical body.
- this total efficiency ⁇ all is the net energy obtained by subtracting the energy consumed to generate power from the output energy generated by power generation in forward osmotic pressure power generation. Divided. For example, 3 times the overall efficiency ⁇ all means that pure net energy is 3 times the consumed energy.
- FIGS. 32 to 35 show the overall efficiency ⁇ all obtained by inserting a bundle of hollow fibers into a 10-inch cylindrical body.
- the relational expression in which the optimum inner diameter (maximum efficiency) falls within a certain value by changing from 1 to 3 times is as follows.
- J 1.7 ⁇ 10 ⁇ 7 to 5.1 ⁇ 10 ⁇ 7 m / s.
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Abstract
Description
また、非濃縮の海洋の海水や自然界の海水に例えば浸透膜を介して淡水などの希釈水を浸透させ、その正浸透圧エネルギーで海水側の流量を増加させ、増加した流量で発電する正浸透圧発電が知られている。
2 円筒体
以下、この発明の中空糸型正浸透膜の最適条件の関係式が得られた経緯について具体的に説明する。
中空糸型正浸透膜による正浸透圧発電を考えた場合に、現在使用されている中空糸型逆浸透膜では最適な状況を得ることが難しい。そこで、次の評価を行うことから正浸透圧発電に対する最適膜条件を見つけた。
(1)中空糸型正浸透膜の内径に対する最適厚み;逆浸透用は圧力8MPaで使用されるのに対して、正浸透圧発電では3MPaと半分以下の圧力で使用される。そのため、中空糸型正浸透膜の厚みを薄くすることが可能と考えられる。膜が薄くなると、膜内部の濃度分極を抑えることができるために、効果が大きいと考えられる。
(2)システム効率の計算;上述のように、正浸透圧発電への最適なパラメータを求めるにあたり、システム効率を算出することが必要となる。これにより、実用的な正浸透圧発電の評価が可能となる。
(3)中空糸型正浸透膜内径変化におけるエレメント浸透量変化の理論計算;中空糸型逆浸透膜では、塩水側の高い圧力によって、中空糸内に真水が出てくる。一方、正浸透圧発電の場合は、中空糸内を流れる真水が海水側へ浸透するため、真水の流量によっては中空糸の途中で真水がなくなることも考えられる。また、中空糸内に十分な真水を流すと、発電効率の点から大きな損失となる。したがって、正浸透圧発電に最適な中空糸型正浸透膜の真水側流動の条件を明らかにすることが必要である。
(4)以上の評価を元に、最適の中空糸型正浸透膜のパラメータ条件を求めた。
現在逆浸透用の中空糸を使用している。この場合、中空糸は圧力8MPaで使用しても破損しない厚み設計がおこなわれている。一方、正浸透圧発電では、これまでの実験から最適圧力が3MPaであり、耐圧が半分以下で十分である。この場合の中空糸の最適厚みの計算を以下の手順で行う。
1)中空糸に発生する応力の理論計算。
2)中空糸の降伏応力の評価試験。
3)安全率をもとに正浸透圧発電に使用する時の最適厚み。
図1に示す中空糸に働く内圧と外圧から発生する周方向の応力は、次の〔数2〕で表すことができる。
上述の応力に対して、塑性変形が起こらない厚みが必要である。そこで、実験により降伏点をもとめ、それから最適厚みを考える。
実験方法
図2のような引張試験をおこなって降伏応力を求めた。まず、重りを吊るしていない状態での位置を零点とし、スケールに記す。次に重り5gを吊るし零点からの伸びをスケールで確認しその後、重りを取り除いて零点に戻るかどうかを確認する。同様に10g、15g、・・・40gと次第に大きくし塑性変形が始まる重さを3回の実験において調べた。その実験結果(伸びと重さの関係)を図3に示す。
勾配が急に変化する荷重で塑性変形を仮定した。図3から2回目と3回目において近い値を示したので30gを塑性変形の開始荷重とした。断面積A、荷重Fとすると、次の〔数3〕から、降伏応力がもとまり、ナイロンなどと同程度の値であることがわかる。
今、使用している中空糸は外圧8MPaで使用しても破損しないような厚み設計がおこなわれている。1)の結果の中空糸の理論応力σθ(1)式において使用されている中空糸のスペック、外半径b=55[μm],外圧po=8[MPa],内圧pi=20[kPa],を用い、応力最大位置r=aとして2)の結果の降伏応力σy(2)式との破断しない条件σθ<σyを満たす理論内半径aを求めるとa=40[μm]であった。
これより、理論厚みt´=b-a=55-40=15[μm]である。しかし実際には安全率を考え厚くなっている。そこで、実際の厚みt=35[μm]により、
安全率はs=35/15=2.333・・・=2.5となる。
中空糸が実際に使用される環境としては外圧3MPa程度なので条件を外圧3MPaにし、上記で求めた安全率を適用し安全率を適用した厚みを予想する。(1)式において外圧po=3Mpaのみを変更し同様に計算すると理論内半径a=50[μm]となり厚みt´=55-50=5[μm]になる。安全率を考慮してt=s・t´=2.5×5=12.5[μm]である。(外半径基準)
これらを元に、安全率を考慮した厚みの内直径との関係は次のようになる。
t=0.118di+2×10-6・・・・・(3)
また、厚みは
do-di=2t・・・・・・・(4)
であるので、(3)式から
di=(do-4×10-6)/1.236・・・(5)
と変形でき、(5)式より外直径と内直径の関係が出る。図4にその結果を示す。
ここでは中空糸型正浸透膜単体ではなく図5に示す正浸透圧発電システムの全体についての効率を考える。図5における各符号の意味を〔数4〕に示す。また、システム効率の計算を〔数5〕及び〔数6〕に示す。なお、〔数5〕の動力回収装置は図5の符号の「PX」のことである。
図6に中空糸1本当たりでの長さの変化における浸透流量を示す。ここで (a)は中空糸の途中で全て浸透してしまう場合。(b)は中空糸全てで浸透した場合(戻り水あり)である。
中空糸の長さを亅mとした場合に亅mに達するまでに浸透してしまう場合,図6(a)と中空糸の全てを使って浸透する場合,図6(b)の2ケースを考える。
前記(1)~(3)の結果を利用し中空糸型正浸透膜の最適条件を求める。
ユニット内効率k=Pt/Ps=0.95
動力回収装置の効率ηx=Pp/Ps=0.9
動力回収装置の流量率h=Qp/Qs=0.9
海水側ポンプ効率ηs=0.85
真水側ポンプ効率ηw=0.85
タービンポンプ効率ηt=0.85
とする。
図9に図示するように、多数の中空糸1の束を内径が9インチと10インチの円筒体2の内部に隙間なく挿入して求める。また、このときの9インチと10インチの各条件を次の〔表1〕〔表2〕に示す。そして〔表1〕〔表2〕の条件下において前記(6)式の中空糸長さ亅と単位面積当たりの浸透量Jを変化させて、全体効率ηallを求める。なお、中空糸1の膜エレメントとしては東洋紡績株式会社製のHD10155EIを使用した。
中空糸の内径dを50μから200μまで変化させ、長さを0.5mから2mまで変化させ、浸透水量JをJ0=3.426×10-7m/s(at3MPa)を基準にその1倍から2倍まで変化させて、最適内径(効率最大)がある一定の値に収まる関係式は、次の〔数1〕ようになる。
ただし、内径dはμm、長さLはmを取る。d=50~200μm。L =0.5~2m。
J=3.42×10-7~6.84×10-7m/s。
以下、この発明の中空糸型正浸透膜の最適条件の関係式が得られた経緯について具体的に説明する。
中空糸型正浸透膜による正浸透圧発電を考えた場合に、現在使用されている中空糸型逆浸透膜では最適な状況を得ることが難しい。そこで、次の評価を行うことから正浸透圧発電に対する最適膜条件を見つけた。
(1)中空糸型正浸透膜の内径に対する最適厚み;逆浸透用は圧力8MPaで使用されるのに対して、正浸透圧発電では1.5MPaと1/4以下の圧力で使用される。そのため、中空糸型正浸透膜の厚みを薄くすることが可能と考えられる。膜が薄くなると、膜内部の濃度分極を抑えることができるために、効果が大きいと考えられる。
(2)システム効率の計算;上述のように、正浸透圧発電への最適なパラメータを求めるにあたり、システム効率を算出することが必要となる。これにより、実用的な正浸透圧発電の評価が可能となる。
(3)中空糸型正浸透膜内径変化におけるエレメント浸透量変化の理論計算;中空糸型逆浸透膜では、塩水側の高い圧力によって、中空糸内に真水が出てくる。一方、正浸透圧発電の場合は、中空糸内を流れる真水が海水側へ浸透するため、真水の流量によっては中空糸の途中で真水がなくなることも考えられる。また、中空糸内に十分な真水を流すと、発電効率の点から大きな損失となる。したがって、正浸透圧発電に最適な中空糸型正浸透膜の真水側流動の条件を明らかにすることが必要である。
(4)以上の評価を元に、最適の中空糸型正浸透膜のパラメータ条件を求めた。
現在逆浸透用の中空糸を使用している。この場合、中空糸は圧力8MPaで使用しても破損しない厚み設計がおこなわれている。一方、正浸透圧発電では、これまでの実験から最適圧力が1.5MPaであり、耐圧が1/4以下で十分である。この場合の中空糸の最適厚みの計算を以下の手順で行う。
1)中空糸に発生する応力の理論計算。
2)中空糸の降伏応力の評価試験。
3)安全率をもとに正浸透圧発電に使用する時の最適厚み。
図19に示す中空糸に働く内圧と外圧から発生する周方向の応力は、次の〔数12〕で表すことができる。
上述の応力に対して、塑性変形が起こらない厚みが必要である。そこで、実験により降伏点をもとめ、それから最適厚みを考える。
実験方法
図20のような引張試験をおこなって降伏応力を求めた。まず、重りを吊るしていない状態での位置を零点とし、スケールに記す。次に重り5gを吊るし零点からの伸びをスケールで確認しその後、重りを取り除いて零点に戻るかどうかを確認する。同様に10g、15g、・・・40gと次第に大きくし塑性変形が始まる重さを3回の実験において調べた。その実験結果(伸びと重さの関係)を図21に示す。
勾配が急に変化する荷重で塑性変形を仮定した。図21から2回目と3回目において近い値を示したので30gを塑性変形の開始荷重とした。断面積A、荷重Fとすると、次の〔数13〕から、降伏応力がもとまり、ナイロンなどと同程度の値であることがわかる。
今、使用している中空糸は外圧8MPaで使用しても破損しないような厚み設計がおこなわれている。1)の結果の中空糸の理論応力σθ(11)式において使用されている中空糸のスペック、外半径b=55[μm],外圧po=8[MPa],内圧pi=20[kPa],を用い、応力最大位置r=aとして2)の結果の降伏応力σy(12)式との破断しない条件σθ<σyを満たす理論内半径aを求めるとa=40[μm]であった。
これより、理論厚みt´=b-a=55-40=15[μm]である。しかし実際には安全率を考え厚くなっている。そこで、実際の厚みt=35[μm]により、
安全率はs=35/15=2.333・・・=2.5となる。
中空糸が実際に使用される環境としては外圧1.5MPa程度なので条件を外圧1.5MPaにし、上記で求めた安全率を適用し安全率を適用した厚みを予想する。(11)式において外圧po=1.5MPaのみを変更し同様に計算すると理論内半径a=52.5[μm]となり厚みt´=55-52.5=2.5[μm]になる。安全率を考慮してt=s・t´=2.5×2.5=62.5[μm]である。(外半径基準)
これらを元に、安全率を考慮した厚みの内直径との関係は次のようになる。
t=0.048di+0.98×10-6・・・・・(13)
また、厚みは
do-di=2t・・・・・・・(14)
であるので、(13)式から
di=(do-1.96×10-6)/1.096・・・(15)
と変形でき、(15)式より外直径と内直径の関係が出る。図22にその結果を示す。
ここでは中空糸型正浸透膜単体ではなく図23に示す正浸透圧発電システムの全体についての効率を考える。図23における各符号の意味を〔数14〕に示す。また、システム効率の計算を〔数15〕及び〔数16〕に示す。なお、〔数15〕の動力回収装置は図23の符号の「PX」のことである。
図24に中空糸1本当たりでの長さの変化における浸透流量を示す。ここで (a)は中空糸の途中で全て浸透してしまう場合。(b)は中空糸全てで浸透した場合(戻り水あり)である。
中空糸の長さを亅mとした場合に亅mに達するまでに浸透してしまう場合,図24(a)と中空糸の全てを使って浸透する場合,図24(b)の2ケースを考える。
前記(1)~(3)の結果を利用し中空糸型正浸透膜の最適条件を求める。
ユニット内効率k=Pt/Ps=0.95
動力回収装置の効率ηx=Pp/Ps=0.9
動力回収装置の流量率h=Qp/Qs=0.9
海水側ポンプ効率ηs=0.85
真水側ポンプ効率ηw=0.85
タービンポンプ効率ηt=0.85
とする。
図27に図示するように、多数の中空糸1の束を内径が9インチと10インチの円筒体2の内部に隙間なく挿入して求める。また、このときの9インチと10インチの各条件を次の〔表13〕〔表14〕に示す。そして〔表13〕〔表14〕の条件下において前記(16)式の中空糸長さ亅と単位面積当たりの浸透量Jを変化させて、全体効率ηallを求める。なお、中空糸1の膜エレメントとしては東洋紡績株式会社製のHD10155EIを使用した。
中空糸の内径dを50μから200μまで変化させ、長さを0.5mから2mまで変化させ、浸透水量JをJ0=1.713×10-7m/s(at3MPa)を基準にその1倍から3倍まで変化させて、最適内径(効率最大)がある一定の値に収まる関係式は、次の〔数11〕ようになる。
ただし、内径dはμm、長さLはmを取る。d=50~200μm。L =0.5~2m。
J=1.7×10-7~5.1×10-7m/s。
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Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2013125681A1 (ja) * | 2012-02-24 | 2013-08-29 | 東洋紡株式会社 | 中空糸型半透膜及びその製造方法及びモジュール及び水処理方法 |
WO2014162763A1 (ja) * | 2013-04-02 | 2014-10-09 | 協和機電工業株式会社 | 塩水淡水化装置 |
WO2015060286A1 (ja) | 2013-10-21 | 2015-04-30 | 東洋紡株式会社 | 正浸透用中空糸膜エレメント及び膜モジュール |
WO2016027869A1 (ja) * | 2014-08-21 | 2016-02-25 | 旭化成株式会社 | 複合中空糸膜モジュールおよびその製造方法 |
US10369530B2 (en) | 2012-02-09 | 2019-08-06 | Toyobo Co., Ltd. | Hollow fiber semipermeable membrane, method for manufacturing same, module, and water treatment method |
JP2019209241A (ja) * | 2018-06-01 | 2019-12-12 | オルガノ株式会社 | スクラバ排水の浄化装置及び方法並びに塩分濃度差発電システム |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN103172189A (zh) * | 2013-04-09 | 2013-06-26 | 中国科学院化学研究所 | 一种利用渗透能发电的装置 |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS5853684A (ja) * | 1981-09-28 | 1983-03-30 | Kajima Corp | 浸透圧を利用した発電方法 |
JPS6258063A (ja) * | 1985-09-06 | 1987-03-13 | Agency Of Ind Science & Technol | 濃度差発電用浸透装置 |
JPH01123605A (ja) * | 1987-11-06 | 1989-05-16 | Nkk Corp | 逆浸透膜を用いた塩水淡水化設備のエネルギー回収方法 |
JP2003176775A (ja) | 2001-12-10 | 2003-06-27 | Tokyo Inst Of Technol | 海水淡水化装置付き浸透圧発電システム |
JP2010027213A (ja) * | 2008-07-15 | 2010-02-04 | Fujimura Denshino Gijutsu Kenkyusho:Kk | 塩分濃度差発電システム |
Family Cites Families (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3707231A (en) * | 1971-01-25 | 1972-12-26 | Puredesal Inc | Two-stage fluid treatment system |
US4668399A (en) * | 1982-02-16 | 1987-05-26 | E. I. Du Pont De Nemours And Company | Hollow fiber plasmapheresis process |
WO1995035153A2 (en) * | 1994-06-22 | 1995-12-28 | Fls Miljø A/S | Mass transfer method and apparatus |
NO314575B1 (no) * | 2000-08-04 | 2003-04-14 | Statkraft Sf | Semipermeabel membran og fremgangsmate for tilveiebringelse av elektrisk kraft samt en anordning |
JP2003290632A (ja) * | 2002-04-03 | 2003-10-14 | Toyobo Co Ltd | 中空糸膜モジュール |
-
2011
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-
2012
- 2012-10-28 IL IL222741A patent/IL222741A/en active IP Right Grant
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS5853684A (ja) * | 1981-09-28 | 1983-03-30 | Kajima Corp | 浸透圧を利用した発電方法 |
JPS6258063A (ja) * | 1985-09-06 | 1987-03-13 | Agency Of Ind Science & Technol | 濃度差発電用浸透装置 |
JPH01123605A (ja) * | 1987-11-06 | 1989-05-16 | Nkk Corp | 逆浸透膜を用いた塩水淡水化設備のエネルギー回収方法 |
JP2003176775A (ja) | 2001-12-10 | 2003-06-27 | Tokyo Inst Of Technol | 海水淡水化装置付き浸透圧発電システム |
JP2010027213A (ja) * | 2008-07-15 | 2010-02-04 | Fujimura Denshino Gijutsu Kenkyusho:Kk | 塩分濃度差発電システム |
Non-Patent Citations (3)
Title |
---|
HONDA, T., BULLETIN OF THE SOCIETY OF SEA WATER SCIENCE, JAPAN, vol. 44, no. 6, 1990 |
SAIMOTO, A.; HIRANO, T.; IMAI, Y., MATERIAL MECHANICS, pages 108 - 110 |
See also references of EP2586518A4 |
Cited By (15)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US10369530B2 (en) | 2012-02-09 | 2019-08-06 | Toyobo Co., Ltd. | Hollow fiber semipermeable membrane, method for manufacturing same, module, and water treatment method |
WO2013125681A1 (ja) * | 2012-02-24 | 2013-08-29 | 東洋紡株式会社 | 中空糸型半透膜及びその製造方法及びモジュール及び水処理方法 |
JPWO2013125681A1 (ja) * | 2012-02-24 | 2015-07-30 | 東洋紡株式会社 | 中空糸型半透膜及びその製造方法及びモジュール及び水処理方法 |
US10252222B2 (en) | 2012-02-24 | 2019-04-09 | Toyobo Co., Ltd. | Hollow fiber type semipermeable membrane, method for manufacturing the same, module, and water treatment method |
US9751046B2 (en) | 2013-04-02 | 2017-09-05 | Kyowakiden Industry Co., Ltd. | Salt water desalination equipment |
WO2014162763A1 (ja) * | 2013-04-02 | 2014-10-09 | 協和機電工業株式会社 | 塩水淡水化装置 |
JP2014200708A (ja) * | 2013-04-02 | 2014-10-27 | 協和機電工業株式会社 | 塩水淡水装置 |
WO2015060286A1 (ja) | 2013-10-21 | 2015-04-30 | 東洋紡株式会社 | 正浸透用中空糸膜エレメント及び膜モジュール |
US10029212B2 (en) | 2013-10-21 | 2018-07-24 | Toyobo Co., Ltd. | Hollow-fiber membrane element and membrane module for forward osmosis |
JPWO2016027869A1 (ja) * | 2014-08-21 | 2017-04-27 | 旭化成株式会社 | 複合中空糸膜モジュールおよびその製造方法 |
WO2016027869A1 (ja) * | 2014-08-21 | 2016-02-25 | 旭化成株式会社 | 複合中空糸膜モジュールおよびその製造方法 |
US10583404B2 (en) | 2014-08-21 | 2020-03-10 | Asahi Kasei Kabushiki Kaisha | Composite hollow fiber membrane module and manufacturing method therefor |
JP2019209241A (ja) * | 2018-06-01 | 2019-12-12 | オルガノ株式会社 | スクラバ排水の浄化装置及び方法並びに塩分濃度差発電システム |
CN112203989A (zh) * | 2018-06-01 | 2021-01-08 | 奥加诺株式会社 | 洗涤器排水的净化装置和方法以及盐分浓度差发电系统 |
JP7175636B2 (ja) | 2018-06-01 | 2022-11-21 | オルガノ株式会社 | スクラバ排水の浄化装置及び方法並びに塩分濃度差発電システム |
Also Published As
Publication number | Publication date |
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