WO2022059737A1 - 海水淡水化システム - Google Patents

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WO2022059737A1
WO2022059737A1 PCT/JP2021/034146 JP2021034146W WO2022059737A1 WO 2022059737 A1 WO2022059737 A1 WO 2022059737A1 JP 2021034146 W JP2021034146 W JP 2021034146W WO 2022059737 A1 WO2022059737 A1 WO 2022059737A1
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seawater
module
chamber
concentrated
supplied
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PCT/JP2021/034146
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コラード ソマリバ
秀彦 櫻井
信行 桝本
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サステイナブル・ウォーター・パワー・コンサルタンツ・エフゼット・エルエルシー
東洋紡株式会社
アラビアン・ジャパニーズ・メンブレン・カンパニー・エルエルシー
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    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/44—Treatment of water, waste water, or sewage by dialysis, osmosis or reverse osmosis
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    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A20/00—Water conservation; Efficient water supply; Efficient water use
    • Y02A20/124—Water desalination
    • Y02A20/131—Reverse-osmosis

Definitions

  • the present invention relates to a seawater desalination system.
  • Desalination of seawater which obtains freshwater from seawater using the reverse osmosis (RO) method, consumes less energy than the evaporation method, and is now widely used.
  • RO reverse osmosis
  • seawater desalination using the RO method consumes less energy than the evaporation method
  • the energy cost accounts for a high proportion of the cost required for water production (seawater desalination), so this energy cost is reduced. Is an issue. It has also been pointed out that if the concentrated seawater generated by desalination using the RO method is discharged into the ocean as it is, the salinity of the seawater will increase.
  • seawater concentrated seawater
  • seawater concentrated seawater
  • hydrostatic pressure high hydrostatic pressure
  • a low osmotic solution is supplied to the first chamber of a forward osmosis (FO) module having a first chamber and a second chamber separated by a semipermeable membrane and a concentrated seawater is supplied to the second chamber. do.
  • the concentrated seawater and the low osmotic liquid are brought into contact with each other via the semipermeable membrane (FO membrane) in this way, the low osmotic liquid (first) is proportional to the osmotic pressure difference between the two liquids due to the forward osmosis phenomenon.
  • a flow of water permeating the semipermeable membrane is generated from the chamber) to the concentrated seawater (chamber 2).
  • the concentrated seawater is diluted and the flow rate of the concentrated seawater increases.
  • the osmotic pressure energy of concentrated seawater is converted into power and electrical energy, and the seawater desalination system Can be used in.
  • Patent Document 1 Japanese Unexamined Patent Publication No. 2014-200708
  • concentrated seawater generated by desalination of seawater and treated sewage water having a low salt concentration were supplied to the FO module, and the flow rate increased due to a forward osmosis phenomenon.
  • a method of recovering (osmotic) energy from concentrated seawater to reduce the power consumption of a seawater desalination RO plant has been disclosed.
  • Patent Document 2 US Patent Application Publication No. 2013/0160435.
  • energy is recovered from concentrated seawater as in Patent Document 1, and the concentrated seawater diluted thereby is used for desalination of seawater.
  • a method for increasing the amount of permeated water (produced water) obtained by supplying the RO module is disclosed.
  • the semipermeable membrane (RO membrane) used in the RO method for seawater desalination usually has a sodium chloride removal rate of 99% or more, but a low boron removal rate. Therefore, when the obtained fresh water is used as drinking water (tap water), as shown in FIG. 2, water containing boron that has permeated through the semipermeable membrane 10 of the first RO module 1 (first permeated water). ) Is supplied to further RO modules 3 and 4 (second RO module 2) and permeated through the semipermeable membranes 30 and 40 again, so that the removal rate of the solute containing boron is enhanced in fresh water (second RO module 2). Permeated water) is often obtained. By using such a two-stage RO module, seawater permeates the RO membrane twice or more, so that fresh water (produced water) satisfying the water quality standard for drinking water can be obtained.
  • the water (concentrated water) that did not permeate the semipermeable membranes 30 and 40 of the second RO module 2 is usually used. It has a lower salinity than seawater. Therefore, this concentrated water was mixed with the seawater supplied to the first RO module 1, for example, in order to reduce the salt concentration of the seawater and increase the recovery efficiency (energy efficiency) of the freshwater.
  • the concentrated water discharged from the second RO module 2 is not only mixed with the seawater supplied to the first RO module 1 (instead of the sewage treated water used in the above Patent Documents 1 and 2). ) It is being studied to use it as a low osmotic liquid for a forward osmotic module (osmotic power generation: PRO) for recovering the osmotic energy of concentrated seawater.
  • osmotic power generation: PRO osmotic power generation
  • Patent Document 3 Japanese Unexamined Patent Publication No. 2019-72660
  • first RO module and second RO module concentrated seawater discharged from the first RO module
  • Concentrated water supplied to the second chamber of the FO module and discharged from the second RO module salt concentration is lower than that of seawater
  • forward osmosis is performed as in Patent Documents 1 and 2.
  • a method of recovering the osmotic energy of concentrated seawater by utilizing the phenomenon and reducing the power consumption of the seawater desalination system is disclosed.
  • this method also has the advantage that it is not necessary to supply treated sewage water as a low osmotic liquid from a source other than the seawater desalination system as in Patent Documents 1 and 2. Further, the permeated water produced from the seawater diluted with the treated sewage water disclosed in Patent Document 2 is restricted in its use as drinking water, but this method does not have such a problem.
  • the concentrated seawater is supplied to the mechanical energy recovery device 5 to recover the hydrostatic energy of the concentrated seawater. It is also being studied to reduce the energy consumption of the seawater desalination system by converting the pressure of seawater (supplied to the first RO module 1) into effective use.
  • An object of the present invention is to reduce energy consumption in a seawater desalination system using the RO method, while reducing the amount of concentrated seawater discharged and improving the production efficiency of freshwater from seawater. do.
  • a seawater desalination system that produces freshwater from seawater.
  • the seawater desalination system includes a first reverse osmosis module, a second reverse osmosis module, a forward osmosis module, a mechanical first energy recovery device, and a mechanical second energy recovery device.
  • Each of the first reverse osmosis module, the second reverse osmosis module and the forward osmosis module has a semipermeable membrane and a first chamber and a second chamber partitioned by the semipermeable membrane.
  • the pre-pressurized seawater is supplied to the first chamber, and the first permeated water that has permeated the semipermeable membrane is discharged from the second chamber to permeate the semipermeable membrane.
  • the concentrated seawater which is the concentrated seawater, is discharged from the first chamber.
  • the pre-pressurized first permeated water is supplied to the first chamber, the second permeated water that has permeated the semipermeable membrane is discharged from the second chamber, and the semipermeable membrane is discharged.
  • the concentrated water which is the first permeated water concentrated without permeation, is discharged from the first chamber.
  • the first energy recovery device a part of the concentrated seawater and a part of the seawater are supplied, and the seawater is pressurized by using the hydrostatic pressure energy of the concentrated seawater.
  • the seawater pressurized by the first energy recovery device is supplied to the first reverse osmosis module.
  • the forward osmosis module at least a part of the concentrated water is supplied to the first chamber, a part of the concentrated seawater is supplied to the second chamber, and water is supplied from the first chamber to the second chamber.
  • the forward osmosis diluted seawater and the forward osmosis concentrated water are supplied to the first chamber of the first reverse osmosis module.
  • the second energy recovery device a part of the concentrated seawater and a part of the forward osmosis diluted seawater are supplied, and the forward osmosis diluted seawater is pressurized by using the hydrostatic pressure energy of the concentrated seawater.
  • a seawater desalination system in which the forward osmosis diluted seawater pressurized by the second energy recovery device is supplied to the first reverse osmosis module.
  • the present invention in a seawater desalination system using the RO method, it is possible to reduce the amount of concentrated seawater discharged, improve the production efficiency of freshwater from seawater, and further reduce the energy consumption as compared with the conventional case. can.
  • the seawater desalination system of this embodiment is a seawater desalination system for obtaining freshwater from seawater by using a reverse osmosis (RO) method.
  • a two-stage RO module is used to pass seawater through the RO membrane at least twice to obtain freshwater (produced water).
  • the seawater desalination system includes a first RO module 1, a second RO module 2, an FO module 7, a first energy recovery device 5, and a second energy recovery device 6.
  • Each of the first RO module 1, the second RO module 2 and the FO module 7 has a semipermeable membrane and a first chamber and a second chamber separated by the semipermeable membrane.
  • the first RO module 1 has a semipermeable membrane 10 and a first chamber 11 and a second chamber 12 partitioned by the semipermeable membrane 10.
  • the first RO module 1 pre-pressurized seawater is supplied to the first chamber 11, the first permeated water that has permeated through the semipermeable membrane 10 is discharged from the second chamber 12, and is concentrated without permeating the semipermeable membrane 10. Concentrated seawater, which is the prepared seawater, is discharged from the first chamber 11.
  • seawater passes through, for example, a booster pump 81 and a high-pressure pump 82 in this order and is boosted, and then is supplied to the first chamber 11 of the first RO module 1.
  • a booster pump 81 and a high-pressure pump 82 in this order and is boosted, and then is supplied to the first chamber 11 of the first RO module 1.
  • water that has permeated the semipermeable membrane 10 of the first RO module 1 (first permeated water) can be obtained.
  • the semipermeable membrane (RO membrane) of the first RO module is not particularly limited, and an RO membrane for seawater desalination having a high pressure resistance and a high salt removal rate can be used.
  • Examples of the material of the semipermeable membrane include polyamide and cellulose triacetate.
  • the shape of the RO membrane is not particularly limited, and examples thereof include a flat membrane, a spiral membrane, and a hollow fiber membrane.
  • the hollow fiber membrane (hollow fiber type semipermeable membrane) is advantageous in that the membrane area per module can be increased and the membrane separation efficiency can be improved as compared with the spiral type semipermeable membrane and the like. ..
  • the pressure of the seawater supplied to the first RO module is not particularly limited and can be set by the salt concentration of the seawater and the recovery rate of the target RO membrane, but the salt concentration of the seawater is 3.0 to 4. When it is 5% by mass, it is generally 6 to 8 MPa.
  • the seawater supplied to the first chamber 11 of the first RO module 1 may be pretreated.
  • the pretreatment of seawater is, for example, a treatment for removing fine particles, organic substances, bacteria, etc. contained in seawater (raw seawater obtained from the ocean), and the pretreatment causes clogging or deterioration of the semipermeable membrane in the RO module or the like. Can be suppressed and the system can be operated stably.
  • the pretreatment method for seawater is not particularly limited, but for example, filtration using an ultrafiltration membrane (UF membrane) or a microfiltration membrane (MF membrane), DAF (pressurized levitation method), coagulation precipitation with iron chloride, etc. Sterilization by adding sodium hypochlorite can be mentioned.
  • the second RO module 2 is composed of two RO modules (RO module 3 and RO module 4). Each of the RO module 3 and the RO module 4 has a semipermeable membranes 30, 40, and first chambers 31, 41 and second chambers 32, 42 partitioned by the semipermeable membranes 30, 40.
  • the second RO module 2 is composed of two RO modules 3 and 4 in FIG. 1, it may be composed of one RO module or three or more RO modules. ..
  • the first RO module 1 may also be composed of two or more RO modules, and the FO module 7 may also be composed of two or more FO modules.
  • Second permeated water fresh water
  • This second permeated water can be used as drinking water or the like because boron is sufficiently removed.
  • the pre-pressurized first permeated water is sequentially supplied to the first chambers 31 and 41 and permeated through the semipermeable membranes 30 and 40.
  • the permeated water is discharged from the second chambers 32 and 42, and the concentrated water which is the first permeated water concentrated without permeating the semipermeable membranes 30 and 40 is discharged in order from the first chambers 31 and 41.
  • the concentrated water is finally discharged from the first chamber 41 of the RO module 4.
  • the pressure (hydrostatic pressure) of the first permeated water supplied to the first chamber of the second RO module 2 is usually lower than that of the seawater supplied to the first RO module. This is because the second RO module 2 treats water that has permeated through the semipermeable membrane of the first RO module (first permeated water), so that it is not necessary to apply a high pressure as high as that of the first RO module.
  • the pressure (hydrostatic pressure) of the first permeated water supplied to the first chamber of the second RO module 2 is not particularly limited, but is about 0.5 MPa to 3.0 MPa in order to increase the recovery rate and the water permeation flux. Is preferable.
  • the semipermeable membranes 30 and 40 of the second RO module 2 are not particularly limited, but since it is not necessary to apply a high pressure as high as that of the first RO module, a highly permeable RO membrane for low pressure is preferable. Can be used for. A semipermeable membrane having the same material, shape, and the like as the semipermeable membrane (RO membrane) of the first RO module can be used.
  • the second RO module 2 is composed of a plurality of RO modules
  • a plurality of RO modules can be arranged (connected) in series as shown in FIG. 1 in order to increase the recovery rate of fresh water.
  • the first energy recovery device (first ERD) 5 and the second energy recovery device (second ERD) 6 are mechanical energy recovery devices (ERD).
  • ERD mechanical energy recovery devices
  • a mechanical ERD is a device that recovers energy by a mechanical mechanism without conversion to electric power. Examples of the mechanical ERD include a pressure converter (PX), a Pelton turbine, a turbocharger, and the like, and the PX can be preferably used.
  • the seawater is pressurized (by pressure conversion or the like) using the hydrostatic pressure energy of the concentrated seawater.
  • the seawater pressurized by the first energy recovery device 5 is further boosted by, for example, the booster pump 84 and supplied to the first RO module.
  • a part of the seawater is boosted by the booster pump 81 and the high pressure pump 82 and supplied to the first RO module 1.
  • the rest of the seawater is boosted by mechanical exchange of hydrostatic pressure energy (pressure conversion, etc.) with concentrated seawater using the mechanical first energy recovery device 5, and then is transferred to the first chamber 11 of the first RO module 1.
  • the hydrostatic pressure energy of the concentrated seawater can be used to increase the pressure of the liquid supplied to the first chamber 11 of the first RO module 1, so that the energy consumption of the seawater desalination system can be reduced.
  • the second energy recovery device 6 a part of the concentrated seawater and a part of the FO diluted seawater described later are supplied, and the FO diluted seawater is generated (by pressure exchange or the like) using the hydrostatic pressure energy of the concentrated seawater. It is pressurized.
  • the FO diluted seawater pressurized by the second energy recovery device 6 is supplied to the first chamber 11 of the first RO module 1.
  • the hydrostatic pressure energy of the concentrated seawater is transferred to the first RO module 1. Since it can be used to increase the pressure of the liquid supplied to the room 11, the energy consumption of the seawater desalination system can be reduced.
  • the seawater desalination system of the present embodiment may include one or more other energy recovery devices (ERD) in addition to the first energy recovery device 5 and the second energy recovery device 6.
  • ERP energy recovery devices
  • the seawater pressurized by the first energy recovery device 5 and the FO diluted seawater pressurized by the second energy recovery device 6 are mixed (booster pump 84). It is preferable that the energy is supplied to the first chamber 11 of the first RO module 1) in a state of being boosted by.
  • the concentrated seawater supplied to the second energy recovery device 6 needs to be stepped down before being supplied to the FO module 7 in order to acquire osmotic energy. This is because the pressure of the concentrated seawater discharged from the first RO module is larger than the osmotic pressure difference between the concentrated seawater and the concentrated liquid discharged from the second RO module 2. The pressure of the concentrated seawater discharged from the second energy recovery device 6 will be described later.
  • the balance of the FO diluted seawater that was not supplied to the second energy recovery device 6 is mixed with the seawater boosted by the booster pump 81 and supplied to the high pressure pump 82, for example.
  • the ratio of the pressure (discharge pressure) at the outlet of the booster pump 81 to the hydrostatic pressure of the FO diluted seawater is preferably 90 to 110%, and more preferably substantially the same.
  • the seawater pressurized by the booster pump 81 and the FO diluted seawater are mixed and supplied to the high pressure pump 82.
  • the F0 module 7 has a semipermeable membrane (FO membrane) 70 and a first chamber 71 and a second chamber 72 partitioned by the semipermeable membrane 70.
  • FO membrane semipermeable membrane
  • the FO module 7 At least a part of the concentrated water discharged from the second RO module 2 is supplied to the first chamber 71, and a part of the concentrated seawater (brine) discharged from the first RO module 1 is supplied to the second chamber 72. Will be supplied.
  • concentrated seawater Since concentrated seawater has a higher osmotic pressure than concentrated water, water moves from the first chamber 71 to the second chamber 72 through the semipermeable membrane (FO membrane) due to the forward osmosis phenomenon (that is, via the semipermeable membrane). The fresh water in the concentrated water moves to the concentrated seawater side).
  • the concentrated seawater supplied to the second chamber 72 of the FO module 7 is discharged from the second chamber 72 of the FO module 7 in a diluted state and the flow rate is increased.
  • the concentrated water supplied to the first chamber 71 of the FO module 7 is discharged from the first chamber 71 of the FO module 7 in a state where the concentrated water is concentrated and the flow rate is reduced.
  • the flow rate of the concentrated seawater diluted in the second chamber 72 of the FO module 7 is increasing while maintaining the supply pressure (hydrostatic pressure). This means that the energy increased (without supplying energy from the outside) due to the forward osmosis phenomenon in the FO module 7.
  • the amount of energy increase is obtained from the product of the "increased flow rate” and the “discharge pressure” (hydrostatic pressure of the FO diluted seawater discharged from the second chamber 72 of the FO module 7).
  • the energy of the concentrated seawater thus increased in the second chamber 72 of the FO module 7 is transferred by an energy recovery device (for example, a generator such as an osmotic power generation (PRO) device or a mechanical energy recovery device) (not shown).
  • an energy recovery device for example, a generator such as an osmotic power generation (PRO) device or a mechanical energy recovery device
  • PRO osmotic power generation
  • a mechanical energy recovery device not shown.
  • the remaining concentrated seawater that was not supplied to the second chamber 72 of the FO module 7 is used for boosting the seawater using the first energy recovery device 5 as described above.
  • the concentrated seawater discharged from the RO module during seawater desalination usually has a high pressure (hydrostatic pressure), but the osmotic pressure difference between the concentrated seawater and the low osmotic pressure liquid is that of the concentrated seawater and the low osmotic pressure liquid. If it is larger than the hydrostatic pressure difference (hydrostatic pressure of concentrated seawater), a forward osmotic phenomenon causes a flow of water through the semi-permeable membrane from the low osmotic liquid to the concentrated seawater.
  • the concentrated seawater produced by seawater desalination has an osmotic pressure of, for example, about 50 to 70 atm, and this osmotic pressure corresponds to a head of about 500 m to 700 m in a hydroelectric dam.
  • the hydrostatic pressure of the concentrated seawater (strictly speaking, the hydrostatic pressure difference between the concentrated seawater and the concentrated water) is preferably equal to or less than the osmotic pressure difference between the two liquids, and is smaller than the osmotic pressure difference between the two liquids. More preferred.
  • the FO diluted seawater is pressurized by the second energy recovery device 6, and at the same time, the concentrated seawater is depressurized.
  • the hydrostatic pressure of the concentrated seawater supplied to the FO module 7 decreases, so that the hydrostatic pressure of the concentrated seawater supplied to the second chamber 72 of the FO module 7 is permeated by two liquids (concentrated seawater and concentrated water). It can be smaller than the pressure difference. Therefore, the membrane separation efficiency of the FO module 7 (the ratio of water that permeates the semipermeable membrane 70 and moves from the first chamber 71 to the second chamber 72 due to the forward osmosis phenomenon) can be improved, and the energy of the FO module 7 can be improved.
  • the collection efficiency can be improved.
  • the pressure of the concentrated seawater supplied to the second chamber 72 of the FO module 7 can be appropriately set based on the concentration and flow rate of the concentrated seawater, the osmotic pressure changing in the second chamber 72 of the FO module 7, and the like. However, if it is too high, the forward osmosis phenomenon may not occur, and if it is too low, the energy generated by the forward osmosis phenomenon may be small. Therefore, the pressure of the concentrated seawater supplied to the second chamber 72 of the FO module 7 is preferably 0.5 MPa or more and 5.0 MPa or less, and more preferably 1.0 MPa or more and 4.0 MPa or less.
  • the pressure (hydrostatic pressure) of the concentrated water supplied to the first chamber 71 of the FO module 7 is not particularly limited as long as the hydrostatic pressure is equal to or higher than the flow pressure loss in the FO module 7, but if it is too high, the energy consumption of the system is consumed. Is preferably 0.3 MPa or more and 2.0 MPa or less, and more preferably 0.5 MPa or more and 1.5 MPa or less.
  • the concentrated water is supplied to the first chamber 71 of the FO module 7 by utilizing the hydrostatic pressure of the concentrated water.
  • a pump for supplying the concentrated water to the first chamber 71 of the FO module 7 may be provided, but since the concentrated water has almost the same pressure as the first permeated water supplied to the second RO module 2. By supplying concentrated water to the first chamber 71 of the FO module 7 using this pressure, no additional pump or energy for feeding liquid is required.
  • the FO diluted seawater discharged from the FO module 7 (diluted concentrated seawater discharged from the second chamber 72) and the FO concentrated water (concentrated concentrated water discharged from the first chamber 71) are the first. It is supplied to the first chamber 11 of the 1RO module 1.
  • the FO concentrated water is supplied to the downstream side of the high-pressure pump 82 (between the high-pressure pump 82 and the first RO module 1) in a state of being boosted by the high-pressure pump 85, for example, so that the first RO module 1 first. It is supplied to the room 11.
  • the FO concentrated water discharged from the first chamber 71 of the FO module 7 (not limited to the embodiment shown in FIG. 1) (concentrated water concentrated by the FO module 7). ) May be supplied to the upstream side of the high pressure pump 82 (and the booster pump 81), boosted by the high pressure pump 82, and then supplied to the first chamber 11 of the first RO module 1.
  • the hydrostatic energy of the FO concentrated water discharged from the first chamber 71 of the FO module 7 (the hydrostatic pressure energy of the concentrated water discharged from the second RO module 2) is hardly recovered and is seawater. It disappears when mixed with.
  • the FO concentrated water is used on the downstream side of the high pressure pump 82 (with the high pressure pump 82). It is preferably supplied to the first room 11 of the first RO module 1 (see FIG. 1).
  • the concentrated water discharged from the second RO module 2 has a pressure (hydrostatic pressure) of, for example, 7 to 10 atm.
  • the FO diluted seawater is supplied to the first chamber 11 of the first RO module 1, for example, by being supplied between the booster pump 81 and the high pressure pump 82.
  • the osmotic energy acquired by the FO module 7 can be supplied to the first RO module 1 without losing it.
  • a part of the FO diluted seawater is supplied to the second energy recovery device 6 and boosted, and then between the first energy recovery device 5 and the booster pump 84. Is supplied to.
  • a part of the FO diluted seawater is supplied to the downstream side of the high pressure pump 82 (between the high pressure pump 82 and the first RO module 1) in a state of being further boosted by the booster pump 84, whereby the first RO It is supplied to the first chamber 11 of the module 1.
  • the osmotic energy acquired by the FO module 7 can be supplied to the first RO module 1 without losing it.
  • the material constituting the semipermeable membrane 70 (FO membrane) used in the forward osmosis module 7 is not particularly limited, and examples thereof include a cellulose-based resin, a polysulfone-based resin, and a polyamide-based resin.
  • the cellulosic resin is preferably a cellulosic acetate resin.
  • Cellulose acetate-based resins are resistant to chlorine, which is a bactericidal agent, and have the characteristic of being able to suppress the growth of microorganisms.
  • the cellulose acetate-based resin is preferably cellulose acetate, and more preferably tricellulose triacetate from the viewpoint of durability.
  • the polysulfone-based resin is preferably a polyethersulfone-based resin.
  • the polyether sulfone-based resin is preferably a sulfonated polyether sulfone.
  • the shape of the FO membrane is not particularly limited, and examples thereof include a flat membrane, a spiral membrane, and a hollow fiber membrane.
  • the hollow fiber membrane (hollow fiber type semipermeable membrane) is advantageous in that the membrane area per module can be increased and the permeation efficiency can be improved as compared with the spiral type semipermeable membrane and the like.
  • a specific hollow fiber type semipermeable membrane there is a single-layer structure membrane which is entirely composed of a cellulosic resin.
  • the single-layer structure referred to here does not have to be a uniform film as a whole, and for example, as disclosed in Patent Document 1, a dense layer is provided in the vicinity of the outer peripheral surface, and this dense layer is substantially present. It is preferable that the layer is a separation active layer that defines the pore size of the hollow fiber type semipermeable membrane.
  • a dense layer made of a polyphenylene resin for example, a sulfonated polyether sulfone
  • a support layer for example, a layer made of polyphenylene oxide
  • layered membranes there is a two-layer structure film having a dense layer made of a polyamide resin on the outer peripheral surface of a support layer (for example, a layer made of polysulfone or polyethersulfone).
  • the energy consumption can be further reduced as compared with the conventional case by using the above-mentioned energy recovery device and FO module.
  • concentrated water, FO concentrated water, etc. to reduce the concentration of seawater finally supplied to the first RO module 1, the production efficiency of freshwater from seawater (recovery rate of freshwater from seawater). : The amount of freshwater recovered per unit amount of seawater) is improved. As a result, the amount of seawater required for freshwater production is reduced, and it is possible to reduce the amount of chemicals and equipment required for pretreatment of seawater. Further, since the concentrated seawater is diluted by the FO module 7 and supplied to the first RO module 1, the amount of concentrated seawater discarded can be reduced.
  • 1 1st RO (reverse osmosis) module 10 semipermeable membrane (RO membrane), 11 1st chamber, 12 2nd chamber, 2nd RO module, 3,4 RO module, 30, 40 semipermeable membrane (RO membrane), 31,41 1st room, 32,42 2nd room, 5 (1st) energy recovery device, 6 2nd energy recovery device, 7 FO (forward osmosis) module, 70 semipermeable membrane (FO membrane), 71 1st Room, 72, 2nd room, 81,84 booster pump, 82,85 high pressure pump, 83 pump.
  • RO reverse osmosis

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Abstract

海水から淡水を製造する海水淡水化システムであって、海水淡水化システムは、第１ＲＯ（逆浸透）モジュール、第２ＲＯモジュール、ＦＯ（正浸透）モジュール、および、機械式のエネルギー回収装置を備える。第１ＲＯモジュールにおいて、予め昇圧された海水が第１室に供給され、半透膜を透過した第１透過水が第２室から排出され、濃縮海水が第１室から排出される。第２ＲＯモジュールにおいて、予め昇圧された第１透過水が第１室に供給され、半透膜を透過した第２透過水が第２室から排出され、濃縮水が第１室から排出される。エネルギー回収装置において、濃縮海水の一部と海水の一部とが供給され、濃縮海水から海水への圧力交換により海水が加圧される。エネルギー回収装置で加圧された海水が第１ＲＯモジュールに供給される。ＦＯモジュールにおいて、濃縮水の少なくとも一部が第１室に供給され、濃縮海水の一部が第２室に供給され、第１室から第２室へ水が半透膜を透過して移動することで、第２室から希釈された濃縮海水であるＦＯ希釈海水が排出され、第１室から濃縮された濃縮水であるＦＯ濃縮水が排出される。ＦＯ希釈海水とＦＯ濃縮水とが第１ＲＯモジュールの第１室に供給される。

Description

海水淡水化システム
　本発明は、海水淡水化システムに関する。
　海水から逆浸透（ＲＯ）法を用いて淡水を得る海水淡水化は、蒸発法に比較して消費エネルギーが少ないため、現在広く普及している。
　ここで、ＲＯ法を用いた海水淡水化は、蒸発法に比べて消費エネルギーが少ないものの、造水（海水淡水化）に必要なコストに占めるエネルギーコストの割合が高いため、このエネルギーコストの低減が課題となっている。また、ＲＯ法を用いた海水淡水化により発生する濃縮海水をそのまま海洋に排出すると、海水の塩分濃度が上昇するといった環境問題も指摘されている。
　近年、海水淡水化の際にＲＯモジュールの半透膜を透過せずに濃縮される海水（濃縮海水）は高い浸透圧と高い静水圧を有しているため、この濃縮海水のエネルギーを回収して、海水淡水化システムの消費電力量を低減させる技術が注目されている。
　濃縮海水の浸透圧エネルギーを回収する方法の一つとしては、濃縮海水と、それよりも十分に塩濃度の低い液体（低浸透圧液）と、の濃度差（浸透圧差）による正浸透現象を利用する方法が知られている。
　例えば、半透膜と半透膜で仕切られた第１室および第２室とを備える正浸透（ＦＯ）モジュールの第１室に低浸透圧液を供給し、第２室に濃縮海水を供給する。このようにして、濃縮海水と低浸透圧液とを半透膜（ＦＯ膜）を介して接触させると、正浸透現象により、両液体の浸透圧差に比例して、低浸透圧液（第１室）から濃縮海水（第２室）へ半透膜を透過する水の流れが発生する。その結果、濃縮海水が希釈され濃縮海水の流量が増加する。この正浸透現象による流量増加のエネルギーをエネルギー回収装置（発電機や機械式のエネルギー回収装置等）により回収することで、濃縮海水の浸透圧エネルギーを動力や電気エネルギーに変換して海水淡水化システムで使用することができる。
　例えば、特許文献１（特開２０１４－２００７０８号公報）には、海水淡水化で生じる濃縮海水と、塩濃度の低い下水処理水と、をＦＯモジュールに供給し、正浸透現象で流量が増加した濃縮海水から（浸透圧の）エネルギーを回収して、海水淡水化ＲＯプラントの消費電力を削減する手法が開示されている。
　また、特許文献２（米国特許出願公開第２０１３／０１６０４３５号明細書）には、特許文献１と同様に濃縮海水からエネルギーを回収し、さらに、それによって希釈された濃縮海水を海水淡水化用のＲＯモジュールに供給することで、得られる透過水（生産水）の量を増加させる手法が開示されている。
　なお、特許文献１および特許文献２に記載されるようにして濃縮海水の浸透圧エネルギーを回収する方法によれば、濃縮海水が希釈されるため、濃縮海水がそのまま海洋に排出されることが抑制される。
　一方、海水淡水化用のＲＯ法に用いられる半透膜（ＲＯ膜）は、塩化ナトリウム除去率が通常９９％以上であるが、ホウ素除去率が低い。このため、特に得られる淡水を飲料水（水道水）として使用する場合は、図２に示されるように、第１ＲＯモジュール１の半透膜１０を透過したホウ素を含有する水（第１透過水）を、さらに別のＲＯモジュール３，４（第２ＲＯモジュール２）に供給して再度、半透膜３０，４０を透過させることで、ホウ素を含む溶質の除去率が高められた淡水（第２透過水）を得る場合が多い。このような二段式のＲＯモジュールを用いて、海水がＲＯ膜を２回以上透過することにより、飲料水としての水質基準を満たす淡水（生産水）を得ることができる。
　なお、図２に示されるような二段式のＲＯモジュール（従来の海水淡水化システム）において、第２ＲＯモジュール２の半透膜３０，４０を透過しなかった水（濃縮水）は、通常、海水よりも塩分濃度が低い。このため、この濃縮水は、例えば、海水の塩分濃度を下げて淡水の回収効率（エネルギー効率）を上げるために、第１ＲＯモジュール１に供給される海水に混合されていた。
　近年、この第２ＲＯモジュール２から排出される濃縮水を、単に第１ＲＯモジュール１に供給される海水に混合するだけでなく、（上記の特許文献１および２で用いられる下水処理水に代えて、）濃縮海水の浸透圧エネルギーを回収するための正浸透モジュール（浸透圧発電：ＰＲＯ）用の低浸透圧液として利用することが検討されている。
　例えば、特許文献３（特開２０１９－７２６６０号公報）には、二段式ＲＯモジュール（第１ＲＯモジュールおよび第２ＲＯモジュール）を用いた海水淡水化システムにおいて、第１ＲＯモジュールから排出される濃縮海水をＦＯモジュールの第２室に供給し、第２ＲＯモジュールから排出される（海水よりも塩分濃度が低い）濃縮水をＦＯモジュールの第１室に供給して、特許文献１および２と同様に正浸透現象を利用して濃縮海水の浸透圧エネルギーを回収し、海水淡水化システムの消費電力を削減する手法が開示されている。
　なお、この方法では、特許文献１および２のように、低浸透圧液として下水処理水を海水淡水化システムとは別の供給源から供給する必要がないという利点もある。また、特許文献２に開示される下水処理水で希釈した海水から生産された透過水は、飲料水などとしての利用が制限されるが、この方法には、そのような問題がない。
　一方で、濃縮海水の静水圧エネルギーを回収する方法も検討されており、例えば、図３に示されるように、濃縮海水を機械式のエネルギー回収装置５に供給して、濃縮海水の静水圧エネルギーを（第１ＲＯモジュール１に供給される）海水の圧力に変換して有効利用することで、海水淡水化システムの消費エネルギーを低減させることも検討されている。
特開２０１４－２００７０８号公報 米国特許出願公開第２０１３／０１６０４３５号明細書 特開２０１９－７２６６０号公報
　本発明は、ＲＯ法を用いる海水淡水化システムにおいて、濃縮海水の排出量を低減し、且つ、海水からの淡水の生産効率を向上させつつ、従来よりもさらに消費エネルギーを低減することを目的とする。
　［１］
　海水から淡水を製造する海水淡水化システムであって、
　前記海水淡水化システムは、第１逆浸透モジュール、第２逆浸透モジュール、正浸透モジュール、機械式の第１エネルギー回収装置、および、機械式の第２エネルギー回収装置を備え、
　前記第１逆浸透モジュール、前記第２逆浸透モジュールおよび前記正浸透モジュールの各々は、半透膜と、前記半透膜で仕切られた第１室および第２室と、を有し、
　前記第１逆浸透モジュールにおいて、予め昇圧された前記海水が前記第１室に供給され、前記半透膜を透過した第１透過水が前記第２室から排出され、前記半透膜を透過せずに濃縮された前記海水である濃縮海水が前記第１室から排出され、
　前記第２逆浸透モジュールにおいて、予め昇圧された前記第１透過水が前記第１室に供給され、前記半透膜を透過した第２透過水が第２室から排出され、前記半透膜を透過せずに濃縮された前記第１透過水である濃縮水が前記第１室から排出され、
　前記第１エネルギー回収装置において、前記濃縮海水の一部と前記海水の一部とが供給され、前記濃縮海水の静水圧エネルギーを用いて前記海水が加圧され、
　前記第１エネルギー回収装置で加圧された前記海水が前記第１逆浸透モジュールに供給され、
　前記正浸透モジュールにおいて、前記濃縮水の少なくとも一部が前記第１室に供給され、前記濃縮海水の一部が前記第２室に供給され、前記第１室から前記第２室へ水が前記半透膜を透過して移動することで、前記第２室から希釈された前記濃縮海水である正浸透希釈海水が排出され、前記第１室から濃縮された前記濃縮水である正浸透濃縮水が排出され、
　前記正浸透希釈海水と前記正浸透濃縮水とが前記第１逆浸透モジュールの前記第１室に供給され、
　前記第２エネルギー回収装置において、前記濃縮海水の一部と、前記正浸透希釈海水の一部と、が供給され、前記濃縮海水の静水圧エネルギーを用いて前記正浸透希釈海水が加圧され、
　前記第２エネルギー回収装置で加圧された前記正浸透希釈海水が前記第１逆浸透モジュールに供給される、海水淡水化システム。
　［２］
　前記濃縮水は、前記濃縮水が有する静水圧を利用して、前記正浸透モジュールの前記第１室に供給される、［１］に記載の海水淡水化システム。
　［３］
　前記第１エネルギー回収装置で加圧された前記海水と、前記第２エネルギー回収装置で加圧された前記正浸透希釈海水と、が混合されて、前記第１逆浸透モジュールに供給される、［１］または［２］に記載の海水淡水化システム。
　本発明によれば、ＲＯ法を用いる海水淡水化システムにおいて、濃縮海水の排出量を低減し、且つ、海水からの淡水の生産効率を向上させつつ、従来よりもさらに消費エネルギーを低減することができる。
実施形態の海水淡水化システムの一例を示す模式図である。 従来の海水淡水化システムの一例を示す模式図である。 図２の海水淡水化システムの従来の改良型の一例を示す模式図である。
　本実施形態の海水淡水化システムは、海水から逆浸透（ＲＯ）法を用いて淡水を得るための海水淡水化システムである。本実施形態の海水淡水化システムでは、２段階のＲＯモジュールを用いて、海水をＲＯ膜に対して少なくとも２回通過させて淡水（生産水）を得る。以下、本実施形態の海水淡水化システムの一例について、図１を参照して説明する。
　図１に示されるように、海水淡水化システムは、第１ＲＯモジュール１、第２ＲＯモジュール２、ＦＯモジュール７、第１エネルギー回収装置５、および、第２エネルギー回収装置６を備える。第１ＲＯモジュール１、第２ＲＯモジュール２およびＦＯモジュール７の各々は、半透膜と、半透膜で仕切られた第１室および第２室と、を有する。
　（第１ＲＯモジュール）
　第１ＲＯモジュール１は、半透膜１０と、半透膜１０で仕切られた第１室１１および第２室１２と、を有する。
　第１ＲＯモジュール１において、予め昇圧された海水が第１室１１に供給され、半透膜１０を透過した第１透過水が第２室１２から排出され、半透膜１０を透過せずに濃縮された海水である濃縮海水が第１室１１から排出される。
　図１に示されるように、海水は、例えば、ブースターポンプ８１および高圧ポンプ８２をこの順で通過して昇圧された後に、第１ＲＯモジュール１の第１室１１に供給される。これにより、第１ＲＯモジュール１の半透膜１０を透過した水（第１透過水）が得られる。
　第１ＲＯモジュールの半透膜（ＲＯ膜）としては、特に限定されず、高耐圧かつ高塩除去率の海水淡水化用のＲＯ膜などを使用することができる。半透膜の素材としては、例えば、ポリアミド、セルローストリアセテートなどが挙げられる。
　ＲＯ膜の形状としては、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、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、膜分離効率を高めることができる点で有利である。
　第１ＲＯモジュールに供給される海水の圧力は、特に限定されず、海水の塩分濃度や、目標とするＲＯ膜の回収率によって設定することができるが、海水の塩分濃度が３．０～４．５質量％である場合、一般的に６～８ＭＰａである。
　なお、第１ＲＯモジュール１の第１室１１に供給される海水は、前処理が施されたものであってもよい。海水の前処理は、例えば、海水（海洋から取得した原海水）中に含まれる微粒子や有機物、バクテリアなどを除去する処理であり、前処理によって、ＲＯモジュール等における半透膜の目詰まりや劣化を抑制し、システムを安定に運転することができる。海水の前処理方法としては、特に限定されないが、例えば、限界ろ過膜（ＵＦ膜）または精密ろ過膜（ＭＦ膜）等を用いたろ過、ＤＡＦ（加圧浮上法）、塩化鉄による凝集沈殿、次亜塩素酸ナトリウム添加による殺菌などが挙げられる。
　（第２ＲＯモジュール）
　第２ＲＯモジュール２は、２つのＲＯモジュール（ＲＯモジュール３およびＲＯモジュール４）より構成される。ＲＯモジュール３およびＲＯモジュール４の各々は、半透膜３０，４０と、半透膜３０，４０で仕切られた第１室３１，４１および第２室３２，４２と、を有する。
　なお、図１において、第２ＲＯモジュール２は２つのＲＯモジュール３，４から構成されているが、１つのＲＯモジュールから構成されていてもよく、３つ以上のＲＯモジュールから構成されていてもよい。なお、第１ＲＯモジュール１も２つ以上のＲＯモジュールから構成されてもよく、ＦＯモジュール７も２つ以上のＦＯモジュールから構成されてもよい。
　第１ＲＯモジュール１の第２室１２から排出される第１透過水は、飲料水としては不適なホウ素が残存している。このため、第１透過水は、ポンプ８３により加圧されて、第２ＲＯモジュール２（ＲＯモジュール３の第１室３１）に供給される。これにより、第２ＲＯモジュール２（ＲＯモジュール３，４）の半透膜３０，４０を透過した水（第２透過水：淡水）を得ることができる。この第２透過水は、ホウ素が十分に除去されているため、飲料水などとして使用が可能である。
　より具体的には、第２ＲＯモジュール２（ＲＯモジュール３，４）において、予め昇圧された第１透過水が第１室３１，４１に順に供給され、半透膜３０，４０を透過した第２透過水が第２室３２，４２から排出され、半透膜３０，４０を透過せずに濃縮された第１透過水である濃縮水が第１室３１，４１から順に排出される。なお、濃縮水は最終的には、ＲＯモジュール４の第１室４１から排出される。
　第２ＲＯモジュール２の第１室（ＲＯモジュール３の第１室３１）に供給される第１透過水の圧力（静水圧）は、通常、第１ＲＯモジュールに供給される海水よりも低い。第２ＲＯモジュール２では、第１ＲＯモジュールの半透膜を透過した水（第１透過水）を処理するため、第１ＲＯモジュールほどの高圧をかける必要がないためである。
　第２ＲＯモジュール２の第１室に供給される第１透過水の圧力（静水圧）は、特に限定されないが、回収率と水透過流束を高めるためには、０．５ＭＰａ～３．０ＭＰａ程度であることが好ましい。
　第２ＲＯモジュール２（ＲＯモジュール３，４）の半透膜３０，４０については、特に限定されないが、第１ＲＯモジュールほどの高圧をかける必要がないため、高透水性の低圧用のＲＯ膜を好適に使用することができる。なお、第１ＲＯモジュールの半透膜（ＲＯ膜）と同様の材質、形状等を有する半透膜を用いることができる。
　なお、第２ＲＯモジュール２が複数のＲＯモジュールで構成される場合、淡水の回収率を高めるために、図１に示されるように複数のＲＯモジュールを直列に配置（接続）することができる。
　（エネルギー回収装置：ＥＲＤ）
　本実施形態において、第１エネルギー回収装置（第１ＥＲＤ）５および第２エネルギー回収装置（第２ＥＲＤ）６は、機械式のエネルギー回収装置（ＥＲＤ）である。機械式のＥＲＤは、電力への変換を伴わずに機械的な機構によってエネルギーを回収する装置である。機械式のＥＲＤとしては、例えば、圧力変換装置（ＰＸ）、ペルトン水車、ターボチャージャー等が挙げられ、ＰＸを好適に用いることができる。
　第１エネルギー回収装置５において、濃縮海水の一部と海水の一部とが供給され、濃縮海水の静水圧エネルギーを用いて（圧力変換等により）海水が加圧される。
　第１エネルギー回収装置５で加圧された海水は、例えば、ブースターポンプ８４により更に昇圧されて、第１ＲＯモジュールに供給される。
　上述のように、本実施形態の海水淡水化システムにおいては、海水の一部は、ブースターポンプ８１と高圧ポンプ８２により昇圧され、第１ＲＯモジュール１に供給される。海水の残部は、機械式の第１エネルギー回収装置５を用いた濃縮海水との機械的な静水圧エネルギーの交換（圧力変換等）によって昇圧された後に、第１ＲＯモジュール１の第１室１１に供給される。これにより、濃縮海水の静水圧エネルギーを第１ＲＯモジュール１の第１室１１へ供給される液の昇圧に利用できるため、海水淡水化システムの消費エネルギーを低減することができる。
　さらに、第２エネルギー回収装置６において、濃縮海水の一部と、後述するＦＯ希釈海水の一部と、が供給され、濃縮海水の静水圧エネルギーを用いて（圧力交換等により）ＦＯ希釈海水が加圧される。この第２エネルギー回収装置６で加圧されたＦＯ希釈海水が第１ＲＯモジュール１の第１室１１に供給される。
　このように、図１に示される海水淡水化システムでは、２つのエネルギー回収装置（第１エネルギー回収装置５および第２エネルギー回収装置６）において、濃縮海水の静水圧エネルギーを第１ＲＯモジュール１の第１室１１へ供給される液の昇圧に利用できるため、海水淡水化システムの消費エネルギーを低減することができる。
　なお、本実施形態の海水淡水化システムは、第１エネルギー回収装置５および第２エネルギー回収装置６以外に、１つ以上の他のエネルギー回収装置（ＥＲＤ）を備えていてもよい。
　図１に示される海水淡水化システムでは、第１エネルギー回収装置５で加圧された海水と、第２エネルギー回収装置６で加圧されたＦＯ希釈海水と、が混合されて、（ブースターポンプ８４により昇圧された状態で、）第１ＲＯモジュール１の第１室１１に供給されることが好ましい。第２エネルギー回収装置６に供給された濃縮海水は、浸透圧エネルギーを獲得するために、ＦＯモジュール７に供給する前に降圧する必要がある。これは、第１ＲＯモジュールから排出された濃縮海水が持つ圧力が、濃縮海水と第２ＲＯモジュール２から排出された濃縮液との浸透圧差よりも大きいためである。第２エネルギー回収装置６から排出される濃縮海水の圧力に関しては後述する。
　なお、第２エネルギー回収装置６に供給されなかったＦＯ希釈海水の残部は、例えば、ブースターポンプ８１により昇圧された海水と混合されて高圧ポンプ８２へ供給される。このとき、ＦＯ希釈海水の静水圧に対して、ブースターポンプ８１の流出口の圧力（吐出圧力）の比率は、９０～１１０％であることが好ましく、実質的に同じであることがより好ましい。このように、ブースターポンプ８１の出力を調整することで、海水がＦＯモジュール２に逆流することを防ぐことができる。
　この場合において、ブースターポンプ８１で加圧された海水と、ＦＯ希釈海水と、が混合されて、高圧ポンプ８２に供給されることが好ましい。
　（ＦＯモジュール）
　Ｆ０モジュール７は、半透膜（ＦＯ膜）７０と、半透膜７０で仕切られた第１室７１および第２室７２と、を有する。
　ＦＯモジュール７において、第２ＲＯモジュール２から排出される濃縮水の少なくとも一部が第１室７１に供給され、第１ＲＯモジュール１から排出される濃縮海水（ブライン）の一部が第２室７２に供給される。
　濃縮海水は濃縮水より高い浸透圧を有するため、正浸透現象により第１室７１から第２室７２へ水が半透膜（ＦＯ膜）を透過して移動する（すなわち、半透膜を介して濃縮水中の真水が濃縮海水側に移動する）。その結果、ＦＯモジュール７の第２室７２に供給された濃縮海水は、希釈され流量が増加した状態でＦＯモジュール７の第２室７２から排出される。同時にＦＯモジュール７の第１室７１に供給された濃縮水は、濃縮され流量が減少した状態でＦＯモジュール７の第１室７１から排出される。
　ここで、ＦＯモジュール７の第２室７２で希釈される濃縮海水は、供給圧力（静水圧）を保ったまま流量が増加している。このことは、ＦＯモジュール７内で正浸透現象により、（外部からエネルギーを供給することなく）エネルギーが増加したことを意味する。なお、エネルギー増加量は、「増加した流量」と「排出圧力」（ＦＯモジュール７の第２室７２から排出されるＦＯ希釈海水の静水圧）の積から求められる。
　このようにＦＯモジュール７の第２室７２において増加した濃縮海水のエネルギーを、図示しないエネルギー回収装置（例えば、浸透圧発電（ＰＲＯ）装置等の発電機、または、機械式のエネルギー回収装置）により回収することで、濃縮海水の浸透圧エネルギーを動力や電気エネルギーに変換して海水淡水化システムで使用することができる。これにより、海水淡水化システムの消費エネルギーを削減することができる。
　なお、ＦＯモジュール７の第２室７２に供給されなかった残りの濃縮海水は、上述のとおり、第１エネルギー回収装置５を用いた海水の昇圧に使用される。
　ここで、海水淡水化の際にＲＯモジュールから排出される濃縮海水は通常、高い圧力（静水圧）を有するが、濃縮海水と低浸透圧液の浸透圧差が、濃縮海水と低浸透圧液の静水圧差（濃縮海水の静水圧）よりも大きければ、正浸透現象により低浸透圧液から濃縮海水へ半透膜を透過する水の流れが生じる。海水淡水化で生じる濃縮海水は、例えば約５０～７０気圧の浸透圧を有しており、この浸透圧は水力発電ダムにおける約５００ｍ～７００ｍの落差に相当する。
　ただし、ＦＯモジュール７の第２室７２に供給される濃縮海水の圧力（静水圧）が、ＦＯモジュール７に供給される２つの液体（濃縮海水および濃縮水）の浸透圧差よりも大きいと正浸透現象が発生せず、逆に第２室７２から第１室７１へ真水が移動する可能性がある。このため、濃縮海水の静水圧（厳密には、濃縮海水と濃縮水の静水圧差）は、２つの液体の浸透圧差と同等以下であることが好ましく、２つの液体の浸透圧差より小さいことがより好ましい。
　図１に示される海水淡水化システムでは、第２エネルギー回収装置６でＦＯ希釈海水が加圧されると同時に、濃縮海水が減圧される。これにより、ＦＯモジュール７に供給される濃縮海水の静水圧が低下するため、ＦＯモジュール７の第２室７２に供給される濃縮海水の静水圧を２つの液体（濃縮海水および濃縮水）の浸透圧差より小さくすることができる。したがって、ＦＯモジュール７の膜分離効率（正浸透現象により半透膜７０を透過して第１室７１から第２室７２へ移動する水の比率）を向上させることができ、ＦＯモジュール７によるエネルギー回収効率を向上させることができる。
　ＦＯモジュール７の第２室７２に供給される濃縮海水の圧力は、濃縮海水の濃度、流量、ＦＯモジュール７の第２室７２内で変化する浸透圧などに基づいて、適切に設定することができるが、高すぎると正浸透現象が発生しないことがあり、低すぎると正浸透現象で発生するエネルギーが小さくなることがある。このため、ＦＯモジュール７の第２室７２に供給される濃縮海水の圧力は、好ましくは０．５ＭＰａ以上５．０ＭＰａ以下であり、より好ましくは１．０ＭＰａ以上４．０ＭＰａ以下である。
　ＦＯモジュール７の第１室７１に供給される濃縮水の圧力（静水圧）は、ＦＯモジュール７内での流動圧力損失以上の静水圧であれば特に限定されないが、高すぎるとシステムの消費エネルギーが多くなる場合があるため、好ましくは０．３ＭＰａ以上２．０ＭＰａ以下であり、より好ましくは０．５ＭＰａ以上１．５ＭＰａ以下である。
　なお、濃縮水は、濃縮水が有する静水圧を利用して、ＦＯモジュール７の第１室７１に供給されることが好ましい。濃縮水をＦＯモジュール７の第１室７１に供給するためのポンプを設けてもよいが、濃縮水は、第２ＲＯモジュール２に供給される第１透過水とほぼ同じ圧力を有しているため、この圧力を利用して濃縮水をＦＯモジュール７の第１室７１へ供給することで、追加のポンプや送液のためのエネルギーが不要となる。
　次に、ＦＯモジュール７から排出されるＦＯ希釈海水（第２室７２から排出される希釈された濃縮海水）およびＦＯ濃縮水（第１室７１から排出される濃縮された濃縮水）は、第１ＲＯモジュール１の第１室１１に供給される。
　ＦＯ濃縮水は、例えば、高圧ポンプ８５によって昇圧された状態で、高圧ポンプ８２の下流側（高圧ポンプ８２と第１ＲＯモジュール１との間）に供給されることにより、第１ＲＯモジュール１の第１室１１に供給される。
　なお、本実施形態の海水淡水化システムにおいて、（図１に示される態様に限定されず、）ＦＯモジュール７の第１室７１から排出されるＦＯ濃縮水（ＦＯモジュール７で濃縮された濃縮水）は、高圧ポンプ８２（およびブースターポンプ８１）の上流側に供給され、高圧ポンプ８２により昇圧された後に、第１ＲＯモジュール１の第１室１１に供給されてもよい。ただし、この場合は、ＦＯモジュール７の第１室７１から排出されるＦＯ濃縮水の静水圧エネルギー（第２ＲＯモジュール２から排出される濃縮水の静水圧エネルギー）は、ほとんど回収されずに、海水と混合されることで消失してしまう。ＦＯ濃縮水（濃縮水）の静水圧エネルギーを第１ＲＯモジュール１の第１室１１への液の供給に有効活用するためには、ＦＯ濃縮水は、高圧ポンプ８２の下流側（高圧ポンプ８２と第１ＲＯモジュール１の第１室１１との間）に供給されることが好ましい（図１参照）。なお、第２ＲＯモジュール２から排出される濃縮水は、例えば７～１０気圧の圧力（静水圧）を有している。
　ＦＯ希釈海水は、例えば、ブースターポンプ８１と高圧ポンプ８２との間に供給されることにより、第１ＲＯモジュール１の第１室１１に供給される。これにより、ＦＯモジュール７により獲得した浸透圧エネルギーを失うことなく、第１ＲＯモジュール１に供給することができる。
　なお、図１に示される海水淡水化システムにおいては、ＦＯ希釈海水の一部は、第２エネルギー回収装置６に供給されて昇圧された後に、第１エネルギー回収装置５とブースターポンプ８４との間に供給される。これにより、ＦＯ希釈海水の一部は、ブースターポンプ８４によりさらに昇圧された状態で、高圧ポンプ８２の下流側（高圧ポンプ８２と第１ＲＯモジュール１との間）に供給されることにより、第１ＲＯモジュール１の第１室１１に供給される。これにより、ＦＯモジュール７により獲得した浸透圧エネルギーを失うことなく、第１ＲＯモジュール１に供給することができる。
　正浸透モジュール７に用いられる半透膜７０（ＦＯ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。
　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。
　ＦＯ膜の形状としては、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、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、浸透効率を高めることができる点で有利である。
　具体的な中空糸型半透膜の一例としては、全体がセルロース系樹脂から構成されている単層構造の膜が挙げられる。ただし、ここでいう単層構造とは、層全体が均一な膜である必要はなく、例えば、特許文献１に開示されるように、外周表面近傍に緻密層を有し、この緻密層が実質的に中空糸型半透膜の孔径を規定する分離活性層となっていることが好ましい。
　具体的な中空糸型半透膜の別の例としては、支持層（例えば、ポリフェニレンオキサイドからなる層）の外周表面にポリフェニレン系樹脂（例えば、スルホン化ポリエーテルスルホン）からなる緻密層を有する２層構造の膜が挙げられる。また、他の例として、支持層（例えば、ポリスルホンまたはポリエーテルスルホンからなる層）の外周表面にポリアミド系樹脂からなる緻密層を有する２層構造の膜が挙げられる。
　なお、通常は、上記中空糸型半透膜の外側に濃縮海水が流され、内側（中空部内）に濃縮水が流される。すなわち、中空糸型半透膜の外側がＦＯモジュール７の第２室７２となり、内側がＦＯモジュール７の第１室７１となる。中空糸型半透膜の内側に高圧の濃縮海水を流す場合、圧力損失が大きいため濃縮海水の流量が不足して膜分離効率が低くなる傾向があるからである。
　以上で説明した本実施形態の海水淡水化システムにおいては、上述のエネルギー回収装置およびＦＯモジュールを用いることにより、従来よりもさらに消費エネルギーを低減することができる。
　また、濃縮水、ＦＯ濃縮水等が、最終的に第１ＲＯモジュール１に供給される海水の濃度を低下させるために用いられることで、海水からの淡水の生産効率（海水からの淡水の回収率：海水の単位量あたりの淡水の回収量）が向上する。その結果、淡水の生産に必要な海水の量が減少するため、海水の前処理に必要な薬剤や設備を削減することも可能である。
　また、ＦＯモジュール７によって濃縮海水が希釈されて第１ＲＯモジュール１に供給されるため、濃縮海水の廃棄量を削減することができる。
　１　第１ＲＯ（逆浸透）モジュール、１０　半透膜（ＲＯ膜）、１１　第１室、１２　第２室、２　第２ＲＯモジュール、３，４　ＲＯモジュール、３０，４０　半透膜（ＲＯ膜）、３１，４１　第１室、３２，４２　第２室、５　（第１）エネルギー回収装置、６　第２エネルギー回収装置、７　ＦＯ（正浸透）モジュール、７０　半透膜（ＦＯ膜）、７１　第１室、７２　第２室、８１，８４　ブースターポンプ、８２，８５　高圧ポンプ、８３　ポンプ。

Claims (3)

  1. 　海水から淡水を製造する海水淡水化システムであって、
    　前記海水淡水化システムは、第１逆浸透モジュール、第２逆浸透モジュール、正浸透モジュール、機械式の第１エネルギー回収装置、および、機械式の第２エネルギー回収装置を備え、
    　前記第１逆浸透モジュール、前記第２逆浸透モジュールおよび前記正浸透モジュールの各々は、半透膜と、前記半透膜で仕切られた第１室および第２室と、を有し、
    　前記第１逆浸透モジュールにおいて、予め昇圧された前記海水が前記第１室に供給され、前記半透膜を透過した第１透過水が前記第２室から排出され、前記半透膜を透過せずに濃縮された前記海水である濃縮海水が前記第１室から排出され、
    　前記第２逆浸透モジュールにおいて、予め昇圧された前記第１透過水が前記第１室に供給され、前記半透膜を透過した第２透過水が第２室から排出され、前記半透膜を透過せずに濃縮された前記第１透過水である濃縮水が前記第１室から排出され、
    　前記第１エネルギー回収装置において、前記濃縮海水の一部と前記海水の一部とが供給され、前記濃縮海水の静水圧エネルギーを用いて前記海水が加圧され、
    　前記第１エネルギー回収装置で加圧された前記海水が前記第１逆浸透モジュールに供給され、
    　前記正浸透モジュールにおいて、前記濃縮水の少なくとも一部が前記第１室に供給され、前記濃縮海水の一部が前記第２室に供給され、前記第１室から前記第２室へ水が前記半透膜を透過して移動することで、前記第２室から希釈された前記濃縮海水である正浸透希釈海水が排出され、前記第１室から濃縮された前記濃縮水である正浸透濃縮水が排出され、
    　前記正浸透希釈海水と前記正浸透濃縮水とが前記第１逆浸透モジュールの前記第１室に供給され、
    　前記第２エネルギー回収装置において、前記濃縮海水の一部と、前記正浸透希釈海水の一部と、が供給され、前記濃縮海水の静水圧エネルギーを用いて前記正浸透希釈海水が加圧され、
    　前記第２エネルギー回収装置で加圧された前記正浸透希釈海水が前記第１逆浸透モジュールに供給される、海水淡水化システム。
  2. 　前記濃縮水は、前記濃縮水が有する静水圧を利用して、前記正浸透モジュールの前記第１室に供給される、請求項１に記載の海水淡水化システム。
  3. 　前記第１エネルギー回収装置で加圧された前記海水と、前記第２エネルギー回収装置で加圧された前記正浸透希釈海水と、が混合されて、前記第１逆浸透モジュールに供給される、請求項１または２に記載の海水淡水化システム。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2014200708A (ja) * 2013-04-02 2014-10-27 協和機電工業株式会社 塩水淡水装置
WO2016080085A1 (ja) * 2014-11-19 2016-05-26 東洋紡株式会社 造水システムおよび造水方法
JP2016097331A (ja) * 2014-11-19 2016-05-30 東洋紡株式会社 造水システムおよび造水方法
JP2019072660A (ja) * 2017-10-13 2019-05-16 東洋紡株式会社 海水淡水化方法および海水淡水化システム

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014200708A (ja) * 2013-04-02 2014-10-27 協和機電工業株式会社 塩水淡水装置
WO2016080085A1 (ja) * 2014-11-19 2016-05-26 東洋紡株式会社 造水システムおよび造水方法
JP2016097331A (ja) * 2014-11-19 2016-05-30 東洋紡株式会社 造水システムおよび造水方法
JP2019072660A (ja) * 2017-10-13 2019-05-16 東洋紡株式会社 海水淡水化方法および海水淡水化システム

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