WO2025192097A1 - 濃縮システム - Google Patents

濃縮システム

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WO2025192097A1
WO2025192097A1 PCT/JP2025/003417 JP2025003417W WO2025192097A1 WO 2025192097 A1 WO2025192097 A1 WO 2025192097A1 JP 2025003417 W JP2025003417 W JP 2025003417W WO 2025192097 A1 WO2025192097 A1 WO 2025192097A1
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WO
WIPO (PCT)
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solution
semipermeable membrane
auxiliary solution
pressure
concentration
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Pending
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PCT/JP2025/003417
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English (en)
French (fr)
Inventor
大樹 河野
要二 阿部
真幸 岡田
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Toyobo MC Corp
Original Assignee
Toyobo MC Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Toyobo MC Corp filed Critical Toyobo MC Corp
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Pending legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D61/00—Processes of separation using semi-permeable membranes, e.g. dialysis, osmosis or ultrafiltration; Apparatus, accessories or auxiliary operations specially adapted therefor
    • B01D61/58—Multistep processes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D69/00—Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by their form, structure or properties; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D69/08—Hollow fibre membranes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/44—Treatment of water, waste water, or sewage by dialysis, osmosis or reverse osmosis

Definitions

  • the present invention relates to a concentration system.
  • a membrane separation method (brine concentration (BC): osmotically assisted reverse osmosis (OARO)) is being considered.
  • BC rine concentration
  • OARO osmotically assisted reverse osmosis
  • This method involves passing a high-pressure target solution through the first chamber of a semipermeable membrane module, which has a semipermeable membrane and a first and second chamber separated by the semipermeable membrane, and passing a low-pressure auxiliary solution (such as the target solution) through the second chamber.
  • the solvent (such as water) contained in the target solution in the first chamber is transferred via the semipermeable membrane to the auxiliary solution in the second chamber, thereby discharging a concentrated target solution (concentrated solution) from the first chamber and a diluted auxiliary solution (diluted solution) from the second chamber.
  • Patent Document 1 (WO 2018/084246), Patent Document 2 (JP 2019-188330 A), and Patent Document 3 (JP 2018-515340 A) disclose the use of a multi-stage membrane separation system consisting of multiple semipermeable membrane modules connected in series for brine concentration (BC).
  • BC brine concentration
  • the target solution that flows through the first chambers (concentration flow paths) of the multiple semipermeable membrane modules and is concentrated is pressurized by a high-pressure pump or the like, allowing it to pass through the first chambers of each of the multiple semipermeable membrane modules at the required flow rate.
  • the auxiliary solution flowing through the second chambers (dilution flow paths) of multiple semipermeable membrane modules has a relatively low pressure.
  • the flow rate of the auxiliary solution decreases, particularly downstream of the dilution flow path, making it difficult to pass the auxiliary solution through all of the second chambers of multiple semipermeable membrane modules at the required flow rate.
  • the pressure of the auxiliary solution supplied to the dilution flow path is increased, the pressure difference between the first and second chambers decreases, reducing the membrane separation efficiency (concentration efficiency) of the target solution.
  • semipermeable membranes may have high strength against pressure from the first chamber side, but relatively low strength against pressure from the second chamber side.
  • a hollow fiber membrane high fiber type semipermeable membrane
  • the outside of the hollow fiber membrane usually becomes the first chamber (high pressure side)
  • the inside of the hollow fiber membrane becomes the second chamber (low pressure side). This is because hollow fiber membranes have high strength against pressure from the outside, but relatively low strength against pressure from the inside.
  • the inventors have considered the need to appropriately control the pressure of the auxiliary solution flowing through the dilution flow path (the second chamber of the multiple semipermeable membrane modules) in a multistage concentration system including multiple semipermeable membrane modules.
  • the present invention therefore aims to prevent damage or malfunction of the semipermeable membrane modules or auxiliary solution booster pump by appropriately controlling the pressure of the auxiliary solution flowing through the dilution flow path when separating and concentrating water from a target solution using brine concentration (BC) using a multi-stage concentration system (membrane separation system) including multiple semipermeable membrane modules.
  • BC brine concentration
  • a concentration system for obtaining a concentrated solution in which a target component is concentrated by separating a solvent from a target solution containing the target component A plurality of semipermeable membrane modules are provided, Each of the plurality of semipermeable membrane modules has a semipermeable membrane and a first chamber and a second chamber separated by the semipermeable membrane, a concentration flow path is provided in which the first chambers of the plurality of semipermeable membrane modules are connected, a dilution flow path is provided in which the second chambers of the plurality of semipermeable membrane modules are connected;
  • the target solution is flowed through the concentration flow path,
  • An auxiliary solution having an osmotic pressure is flowed through the dilution flow path,
  • the solvent contained in the target solution in the first chamber migrates through the semipermeable membrane to the auxiliary solution in the second chamber, and the target solution is concentrated, thereby obtaining
  • the apparatus further includes a concentrated liquid concentration meter that is installed in the concentration flow path and is connected to the control device and that measures the concentration of the target component in the concentrated liquid, When the measurement value of the concentrated solution concentration meter also reaches a predetermined value or more, the auxiliary solution booster pump is started to be activated and its discharge capacity is controlled.
  • the concentration system according to any one of [1] to [3].
  • [5] A concentration system according to any one of [1] to [4], in which a portion of the concentrated solution is used as the auxiliary solution.
  • a concentration system according to any one of [1] to [5], comprising a pressurizing device for pressurizing the target solution to a pressure higher than that of the auxiliary solution.
  • the pressure of the auxiliary solution flowing through the dilution flow path can be appropriately controlled to prevent damage or malfunction of the semipermeable membrane modules or auxiliary solution booster pump.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an example of a concentration system according to an embodiment.
  • FIG. 10 is a schematic diagram showing another example of the concentration system of the embodiment.
  • FIG. 10 is a schematic diagram showing another example of the concentration system of the embodiment.
  • the concentration system of this embodiment is a system for obtaining a concentrated solution in which the target component is concentrated by separating the solvent from a target solution containing the target component.
  • the concentration system of this embodiment is a multistage concentration system (membrane separation system) including a plurality of semipermeable membrane modules 1, 2, and 3.
  • a multistage concentration system membrane separation system
  • three semipermeable membrane modules 1, 2, and 3 are depicted as "plurality of semipermeable membrane modules," but the “plurality of semipermeable membrane modules” may be, for example, any number of semipermeable membrane modules equal to or greater than two.
  • Each of the multiple semipermeable membrane modules 1, 2, 3 has a semipermeable membrane 10, 20, 30, and a first chamber 11, 21, 31 and a second chamber 12, 22, 32 separated by the semipermeable membrane.
  • a concentration flow path is provided in which the first chambers 11, 21, and 31 of multiple semipermeable membrane modules 1, 2, and 3 are connected. That is, the concentration flow path consists of the first chambers 11, 21, and 31 and the flow path connecting them.
  • the first chambers are preferably connected in series. In some of the multiple semipermeable membrane modules, the first chambers may be connected in parallel.
  • a dilution flow path is provided in which the second chambers 12, 22, and 32 of multiple semipermeable membrane modules 1, 2, and 3 are connected. That is, the dilution flow path consists of the second chambers 12, 22, and 32 and a flow path connecting them.
  • the second chambers are preferably connected in series. In some of the multiple semipermeable membrane modules, the second chambers may be connected in parallel.
  • the target solution flows through the concentration flow path.
  • the target solution flows through the first chamber 11 of semipermeable membrane module 1, the first chamber 21 of semipermeable membrane module 2, and the first chamber 31 of semipermeable membrane module 3, in that order.
  • an auxiliary solution having an osmotic pressure is flowed through the dilution flow path.
  • the auxiliary solution flows in the order of the second chamber 32 of the semipermeable membrane module 3, the second chamber 22 of the semipermeable membrane module 2, and the second chamber 12 of the semipermeable membrane module 1.
  • the auxiliary solution flows in the reverse order of the target solution in the connection of the semipermeable membrane modules.
  • the auxiliary solution is not limited to the embodiment shown in FIG. 1, and may flow through the second chamber 12 of the semipermeable membrane module 1, the second chamber 22 of the semipermeable membrane module 2, and the second chamber 32 of the semipermeable membrane module 3 in this order.
  • the flow direction of the liquid on either side of the semipermeable membrane may be in any direction, and may be opposite directions (counterflow system) or parallel directions (parallel flow system).
  • the target solution has a higher pressure (hydrostatic pressure) than the auxiliary solution. That is, in each of the multiple semipermeable membrane modules, the liquid in the first chamber (target solution) has a higher pressure than the liquid in the second chamber (auxiliary solution).
  • the target solution is pressurized using a pressurizing device or the like.
  • a pressurizing device is a high-pressure pump (not shown) that can pressurize the target solution while sending it into the first chamber.
  • the pressurizing device may be a device other than a pump, for example, a device that pressurizes the liquid in the first chamber from outside the semipermeable membrane module.
  • the solvent such as water contained in the target solution in the first chamber migrates through the semipermeable membrane into the auxiliary solution in the second chamber, causing the concentrated solution to be discharged from the first chamber and the diluted solution to be discharged from the second chamber.
  • the concentration system of this embodiment includes: an auxiliary solution booster pump in the dilution flow path for boosting the pressure of the auxiliary solution; an auxiliary solution booster pump suction pressure gauge that is installed on the suction side of the auxiliary solution booster pump and that measures the pressure of the auxiliary solution;
  • the system further includes a control device connected to the auxiliary solution booster pump suction pressure gauge and the auxiliary solution booster pump.
  • the discharge capacity (motor rotation speed, etc.) of the auxiliary solution booster pump is controlled by a control device so that the pressure measured by the auxiliary solution booster pump suction pressure gauge reaches a target value.
  • auxiliary solution booster pump It is also possible to control the discharge capacity of the auxiliary solution booster pump to achieve a predetermined differential pressure, flow rate, or temperature using a pressure gauge that measures the discharge side of the auxiliary solution booster pump, a differential pressure gauge that measures the differential pressure between the inlet and outlet of the second chamber of the semipermeable membrane module, a flow meter that measures the flow rate at the inlet and outlet of the second chamber of the semipermeable membrane module, or a thermometer that measures the temperature upstream and downstream of the auxiliary solution booster pump, but it is preferable to control it so that the pressure measured by the auxiliary solution booster pump suction pressure gauge reaches a target value.
  • the concentration system of this embodiment which has the above-mentioned features, can be used to appropriately control the pressure of the auxiliary solution flowing through the dilution flow path when separating and concentrating water from a target solution using brine concentration (BC) (i.e., osmotically assisted reverse osmosis (OARO)).
  • BC brine concentration
  • OARO osmotically assisted reverse osmosis
  • the concentration system of this embodiment may be provided with a concentrated liquid pressure gauge (target solution pressure gauge) in the concentration flow path that measures the pressure of the concentrated liquid (target solution), and a concentrated liquid concentration meter that measures the concentration of the target component in the concentrated liquid and is connected to a control device.
  • a concentrated liquid pressure gauge target solution pressure gauge
  • concentration flow path measures the pressure of the concentrated liquid (target solution)
  • concentration meter measures the concentration of the target component in the concentrated liquid and is connected to a control device.
  • the concentration system shown in Figure 1 comprises a first auxiliary solution booster pump 41 provided upstream of the dilution flow path, an auxiliary solution booster pump suction pressure gauge 51 installed on the suction side thereof, a control device 61 for the first auxiliary solution booster pump 41, a second auxiliary solution booster pump 42 provided downstream of the dilution flow path, an auxiliary solution booster pump suction pressure gauge 52 installed on the suction side thereof, and a control device 62 for the second auxiliary solution booster pump 42.
  • the first auxiliary solution booster pump 41 and the second auxiliary solution booster pump 42 each have a pump body 41a, 42a and a motor 41b, 42b connected to the drive section of the pump body.
  • Each of the control devices 61 and 62 includes a regulator 61a, 62a and an inverter 61b, 62b that controls the rotational speed of the motor 41b, 42b so that the measurement value of the auxiliary solution booster pump suction pressure gauge 51, 52 becomes a predetermined target pressure value.
  • control devices 61 and 62 also include control devices such as PLCs (Programmable Logic Controllers) that input signals from each of the regulators and inverters and output instructions to each of the regulators and inverters to start and stop control (starting and stopping a pump, etc.).
  • PLCs Programmable Logic Controllers
  • Input signals e.g., analog signals
  • manipulated values MV
  • target pressure values target values set by the regulators
  • Each inverter 61b, 62b outputs an inverter frequency corresponding to the manipulated value (MV) to the motors 41b, 42b.
  • the motors then operate at a rotation speed corresponding to the inverter frequency, thereby determining the rotation speed (discharge capacity) of the pump main bodies 41a, 42a.
  • Control methods for the manipulated variable (MV) of the controllers 61a and 62a include ON-OFF control, proportional control, feedback control, PID (Proportional-Integral-Differential) control, and cascade control. Furthermore, upper and lower limits for the output of the manipulated variable (MV) may be set. The inverter frequency acceleration and deceleration times (speeds) may also be set appropriately. Furthermore, the target values may be set appropriately, taking into account the pressure resistance of the auxiliary solution booster pump and semipermeable membrane module, etc.
  • control methods can also be used based on the basic control method described above. Any of these control methods may be used, or they may be combined as appropriate.
  • auxiliary solution booster pump 41 and 42 are controlled independently (by dedicated control devices 61 and 62 for each auxiliary solution booster pump).
  • the discharge capacity of each auxiliary solution booster pump 41, 42 is controlled in sequence (e.g., sequentially from the upstream side of the dilution flow path) every fixed time (control cycle time). At this time, the rotation speed of the auxiliary solution booster pump that is not being controlled is maintained based on the manipulated variable (MV) calculated within the control cycle time.
  • MV manipulated variable
  • the manipulated variable (MV) of the controller 62a is a value obtained by multiplying the manipulated variable (MV) of the controller 61a (upstream of the dilution flow path) by a predetermined coefficient.
  • the coefficient may be automatically changed (corrected) to an appropriate value.
  • High-pressure and low-pressure alarm values are set on the auxiliary solution booster pump suction pressure gauges 51 and 52, and the concentration system is stopped when the measurement value of the auxiliary solution booster pump suction pressure gauge falls outside the range of these high-pressure and low-pressure alarm values.
  • a certain delay time may be set after the high-pressure and low-pressure alarm values fall outside the range.
  • High-pressure and low-pressure control monitor values are set between the high-pressure and low-pressure alarm values and the target values, and an alarm is issued when the measurement value of the auxiliary solution booster pump suction pressure gauge falls outside the range of the high-pressure and low-pressure control monitor values for a predetermined period of time.
  • These control monitor values may be set appropriately taking into consideration the withstand pressure of the auxiliary solution booster pumps 41, 42 and the semipermeable membrane modules 1, 2, 3, etc.
  • a pressure gauge is provided on the discharge side of the auxiliary solution booster pumps 41, 42, and a high-pressure side alarm value is set, and if this value is exceeded, the concentration system is stopped. This alarm value may be set appropriately taking into consideration the withstand pressure of the auxiliary solution booster pumps 41, 42 and the semipermeable membrane modules 1, 2, 3, etc.
  • the pressurizing equipment equipment for pressurizing the target solution and feeding it into the first chamber
  • a high-pressure pump after stopping each of the auxiliary solution booster pumps 41 and 42.
  • this is to avoid applying pressure only to the second chambers 12, 22, 32 in consideration of cases where application of pressure only to the second chambers 12, 22, 32 is undesirable in terms of the pressure resistance of the semipermeable membrane modules 1, 2, 3.
  • a pressure gauge (not shown) is provided on the discharge side of each of the auxiliary solution booster pumps 41 and 42, and the high-pressure pump is stopped after the pressure measured by the pressure gauge drops to a predetermined pressure.
  • the auxiliary solution is supplied to the second chamber 32 of the semipermeable membrane module 3 at a predetermined pressure, and is discharged from the second chamber 32 as a diluted auxiliary solution mixed with the solvent that has permeated through the semipermeable membrane 30 .
  • the pressure of the diluted auxiliary solution is measured by the auxiliary solution booster pump suction pressure gauge 51, and if the measured value is higher than the target value of the regulator 61a, the discharge capacity of the auxiliary solution booster pump 41 is adjusted to be lower, and if the measured value is lower than the target value, the discharge capacity is adjusted to be higher.
  • the diluted auxiliary solution is sent to the second chamber 22 of the semipermeable membrane module 2 at the discharge pressure adjusted in this manner.
  • the pressure of the auxiliary solution which is further diluted by mixing with the solvent that has permeated through the semipermeable membrane 20 and reduced in pressure due to pressure loss when passing through the second chamber 22 of the semipermeable membrane module 2, is measured again by the auxiliary solution booster pump suction pressure gauge 52, and the discharge capacity of the auxiliary solution booster pump 42 is adjusted in the same manner as in the above-mentioned specific example (in the case of the auxiliary solution booster pump 41). Then, the auxiliary solution is sent to the second chamber 12 of the semipermeable membrane module 1 at the adjusted discharge pressure.
  • the auxiliary solution that has been further diluted by mixing with the permeated water that has permeated through the semipermeable membrane 10 is discharged as a dilute solution from the second chamber 12 of the semipermeable membrane module 1 .
  • the concentration system shown in Figure 2 is different from the system shown in Figure 1 in that it is equipped with a concentrated liquid pressure meter 70 (target solution pressure meter) and a concentrated liquid concentration meter 80.
  • This system differs from the example of this embodiment shown in Figure 1 in that the concentrated liquid pressure meter 70 and the concentrated liquid concentration meter 80 are used before control starts.
  • the concentration system shown in FIG. 2 is particularly effective when the pressure resistance of the semipermeable membrane module is lower in the second chamber than in the first chamber, or when application of pressure only to the second chamber is not desirable.
  • the target solution is first supplied to the first chamber of each semipermeable membrane module with almost no pressure applied.
  • concentration of the target component measured by the concentrated solution concentration meter 80 reaches a predetermined concentration (target solution concentration, etc.)
  • pressure is applied to the target solution up to a required value.
  • the pressure measured by the concentrated liquid pressure gauge 70 reaches a predetermined pressure
  • the auxiliary solution is supplied at a predetermined flow rate and pressure.
  • the concentration system when the concentration system is operated with the semipermeable membrane module filled with an aqueous solution with a low osmotic pressure, such as a storage solution, if the target solution is applied at the required pressure immediately after operation, the solvent in the storage solution will easily permeate through each semipermeable membrane 10, 20, 30 to the second chambers 12, 22, 32 before the storage solution in each first chamber 11, 21, 31 is discharged. In other words, the pressure of the solvent in the dilution flow path is likely to be applied to each second chamber. Therefore, this problem can be alleviated by filling each first chamber with a target solution with a relatively high osmotic pressure and then applying the required pressure to each first chamber.
  • the target solution and auxiliary solution are not particularly limited as long as the target component is dissolved in a solvent.
  • solvents include water, and the target component can be any component that dissolves in the solvent.
  • saltwater bovine, seawater, brackish water, etc.
  • industrial wastewater aqueous solution containing inorganic salts, aqueous solution containing water-soluble organic solvents, etc.
  • concentration system described above is particularly suitable for further concentrating a target solution that is highly concentrated (high osmotic pressure), such as brine.
  • the target solution may also be pretreated to remove fine particles, microorganisms, scale components, etc. contained in the solution.
  • Pretreatment methods include various well-known methods used in seawater desalination technology, such as filtration using NF membranes, UF membranes, MF membranes, etc., addition of sodium hypochlorite, addition of coagulants, activated carbon adsorption treatment, and ion exchange resin treatment.
  • Such pretreatment is preferably carried out before the target solution and auxiliary solution are supplied to the semipermeable membrane module.
  • membrane separation using BC is possible if the osmotic pressure difference (absolute value) between the target solution (liquid to be concentrated) flowing through the first chamber (high-pressure side) and the auxiliary solution (liquid to be diluted) flowing through the second chamber (low-pressure side) is smaller than the pressure of the target solution.
  • the difference between the osmotic pressure of the target solution and the osmotic pressure of the auxiliary solution be 30% or less of the pressure of the target solution.
  • the auxiliary solution is not particularly limited as long as it is a liquid having osmotic pressure, but as shown in Figure 3, a portion of the target solution (concentrated solution) concentrated in the concentration flow paths of multiple semipermeable membrane modules may be used as the auxiliary solution in multiple semipermeable membrane modules. It is preferable that a mechanism for reducing the pressure of the liquid is provided in the flow path for supplying a part of the concentrated liquid as an auxiliary solution to the dilution flow path (the second chamber of the semipermeable membrane module).
  • a diluted solution may be supplied to the concentration flow path together with the target solution. Then, the concentrated solution obtained by concentrating the target solution may be used as an auxiliary solution, and the diluted solution obtained by diluting the auxiliary solution may be supplied to the concentration flow path together with the target solution.
  • the recovery rate of the concentrated liquid (target component) from the target solution can be increased.
  • the osmotic pressure of the concentrated target solution on one side of the semipermeable membrane is generated in the opposite direction to the pressing force of the pump. Therefore, when the osmotic pressure of the concentrated target solution reaches the pressure of the pump, the pressing force of the pump and the osmotic pressure of the target solution acting in the opposite direction are balanced, and water does not pass through the semipermeable membrane any further, and concentration does not proceed.
  • a concentration system using the BC method can increase the final concentration of the target solution compared to a concentration system using only the RO method. In principle, it is believed that the target solution can be concentrated to a saturated concentration.
  • one or more additional semipermeable membrane modules may be connected in parallel to each of multiple semipermeable membrane modules 1a, 1b, 1x, and 1y connected in series.
  • the target solution flowing through the first chamber is concentrated sequentially from semipermeable membrane module 1 to semipermeable membrane module 3, and the flow rate of the target solution decreases as the concentration progresses. If the flow rate per semipermeable membrane module decreases, the concentration efficiency will decrease. In order to suppress this decrease in the flow rate of the target solution downstream of the concentration flow path, it is preferable to have a greater number of semipermeable membrane modules connected in parallel upstream of the concentration flow path.
  • the dilution flow path may be partially discontinuous.
  • a part of the target solution may be supplied as an auxiliary solution to the second chamber 12 of the semipermeable membrane module 1.
  • the length of the continuous dilution flow path (flow path length) is reduced compared to when all of the second chambers of multiple semipermeable membrane modules are connected in series.
  • the flow resistance (pressure loss) of the dilution flow path is proportional to the flow path length, the flow resistance of the dilution flow path is reduced. Therefore, it becomes easier to control the pressure of the auxiliary solution in the dilution flow path within an appropriate range.
  • the number of auxiliary solution booster pumps installed midway through the dilution flow path can be reduced, thereby reducing equipment costs, energy consumption, etc.
  • the semipermeable membrane used in this embodiment may be, for example, a semipermeable membrane known as a reverse osmosis membrane (RO membrane), a forward osmosis membrane (FO membrane), a nanofiltration membrane (NF membrane), or an ultrafiltration membrane (UF membrane).
  • the semipermeable membrane is preferably a reverse osmosis membrane, a forward osmosis membrane, or a nanofiltration membrane.
  • the pressure of the liquid (target solution) in the first chamber is preferably 0.5 to 10.0 MPa.
  • RO and FO membranes typically have pore sizes of approximately 2 nm or less, while UF membranes have pore sizes of approximately 2 to 100 nm.
  • NF membranes have a relatively low rejection rate for ions and salts compared to other RO membranes, and typically have pore sizes of approximately 1 to 2 nm.
  • the salt rejection rate of the RO membrane, FO membrane, or NF membrane is preferably 90% or higher.
  • the material that constitutes the semipermeable membrane is not particularly limited, but examples include cellulose-based resin, polysulfone-based resin, and polyamide-based resin. It is preferable that the semipermeable membrane be made of a material that contains at least one of a cellulose-based resin and a polysulfone-based resin.
  • the cellulose-based resin is preferably a cellulose acetate-based resin.
  • Cellulose acetate-based resins are resistant to chlorine, a disinfectant, and have the ability to inhibit the growth of microorganisms.
  • the cellulose acetate-based resin is preferably cellulose acetate, and from the standpoint of durability, cellulose triacetate is more preferred.
  • the polysulfone-based resin is preferably a polyethersulfone-based resin.
  • the polyethersulfone-based resin is preferably a sulfonated polyethersulfone.
  • the semipermeable membranes of the semipermeable membrane modules are depicted as flat membranes for simplicity, but the shape of the semipermeable membrane is not particularly limited.
  • the semipermeable membrane may be, for example, a flat membrane such as a spiral membrane (spiral-type semipermeable membrane) or a hollow fiber membrane (hollow fiber-type semipermeable membrane), but is preferably a hollow fiber membrane.
  • Hollow fiber membranes have the advantage of being smaller in thickness than flat membranes and allowing for a larger membrane area per module, thereby increasing permeation efficiency.
  • the first chamber be outside the hollow fiber membrane and the second chamber be inside the hollow fiber membrane (hollow portion). Even if the solution flowing inside the hollow fiber membrane is pressurized, pressure loss may increase and it may be difficult to apply sufficient pressure. Also, while hollow fiber membranes generally easily maintain their structure against external pressure, high internal pressure may damage the hollow fiber membrane.
  • a hollow fiber membrane is a membrane with a single-layer structure made entirely of a cellulose-based resin.
  • the single-layer structure referred to here does not necessarily mean that the entire layer is uniform; for example, it may be a membrane that is non-uniform in the thickness direction.
  • the membrane may have a dense layer on the outer surface, which essentially serves as the separation active layer that determines the pore size of the hollow fiber membrane, and the inner surface side may have a lower density than the dense layer.
  • the dense layer essentially serves as the separation active layer that determines the pore size of the hollow fiber membrane, when the solution outside the hollow fiber membrane is pressurized, having a dense layer on the outer surface of the hollow fiber membrane allows for more accurate control of the movement of molecules from the outside to the inside of the hollow fiber membrane.
  • a hollow fiber membrane is a two-layer membrane having a dense layer made of a polyphenylene resin (e.g., sulfonated polyethersulfone) on the outer surface of a support layer (e.g., a layer made of polyphenylene oxide).
  • a support layer e.g., a layer made of polyphenylene oxide.
  • a two-layer membrane having a dense layer made of a polyamide resin on the outer surface of a support layer e.g., a layer made of polysulfone or polyethersulfone).
  • 1, 2, 3 Semipermeable membrane module; 10, 20, 30: Semipermeable membrane; 11, 21, 31: First chamber; 12, 22, 32: Second chamber; 41: (First) auxiliary solution booster pump; 42: (Second) auxiliary solution booster pump; 41a, 42a: Pump body; 41b, 42b: Motor; 51, 52: Auxiliary solution booster pump suction pressure gauge; 61, 62: Control equipment; 61a, 62a: Regulator; 61b, 62b: Inverter; 70: Concentrated liquid pressure gauge; 80: Concentrated liquid concentration meter; 90a, 90b: Automatic adjustment valve.

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Abstract

対象成分を含む対象溶液から溶媒を分離することで、前記対象成分が濃縮された濃縮液を得るための濃縮システム。濃縮システムは、複数の半透膜モジュールを備える。前記複数の半透膜モジュールの前記第１室が接続されてなる濃縮流路が設けられ、前記複数の半透膜モジュールの前記第２室が接続されてなる希釈流路が設けられ、前記濃縮流路に、前記対象溶液が流され、前記希釈流路に、浸透圧を有する補助溶液が流される。前記対象溶液が前記補助溶液より高い圧力を有することにより、前記対象溶液が濃縮される。前記濃縮システムは、前記希釈流路に、前記補助溶液を増圧する補助溶液増圧ポンプと、該補助溶液増圧ポンプの吸込側に設置される前記補助溶液の圧力を測定する補助溶液増圧ポンプ吸込圧力計と、をさらに備え、前記補助溶液増圧ポンプ吸込圧力計および前記補助溶液増圧ポンプに接続される制御機器をさらに備える。

Description

濃縮システム
　本発明は、濃縮システムに関する。
　逆浸透（ＲＯ）法を用いた淡水化処理に必要なエネルギーを低下させること等を目的として、半透膜と、該半透膜で仕切られた第１室および第２室と、を有する半透膜モジュールの第１室に高圧の対象溶液を流し、第２室に低圧の補助溶液（対象溶液など）を流して、第１室内の対象溶液に含まれる溶媒（水など）を半透膜を介して第２室内の補助溶液に移行させることで、第１室から濃縮された対象溶液（濃縮液）を排出し、第２室から希釈された補助溶液（希釈液）を排出する膜分離方法（ブラインコンセントレーション（ＢＣ）：浸透圧補助型逆浸透法（ＯＡＲＯ））が検討されている。
　例えば、特許文献１（国際公開第２０１８／０８４２４６号）、特許文献２（特開２０１９－１８８３３０号公報）、特許文献３（特表２０１８－５１５３４０号公報）には、複数の半透膜モジュールが直列的に連結されてなる多段式の膜分離システムをブラインコンセントレーション（ＢＣ）に用いることが開示されている。
国際公開第２０１８／０８４２４６号 特開２０１９－１８８３３０号公報 特表２０１８－５１５３４０号公報
　このような複数の半透膜モジュールを含む多段式の膜分離（濃縮）システムを用いて、ブラインコンセントレーション（ＢＣ）により対象溶液の濃縮を行う場合、複数の半透膜モジュールの第１室（濃縮流路）を流れて濃縮される対象溶液は、高圧ポンプ等により加圧されているため、複数の半透膜モジュールの各々の第１室を必要な流量で通過することができる。
　一方で、複数の半透膜モジュールの第２室（希釈流路）に流される補助溶液は比較的圧力が低い。このため、通過する半透膜モジュールの数が多くなり、補助溶液の通液抵抗が大きくなると、特に希釈流路の下流側で補助溶液の流量が低下し、複数の半透膜モジュールの全ての第２室を必要な流量で通過させることが難しくなる。なお、希釈流路に供給される補助溶液の圧力を高くすると、第１室と第２室の圧力差が小さくなり、対象溶液の膜分離効率（濃縮効率）が低下してしまう。
　そこで、補助溶液の流量が減少しやすい希釈流路の下流側において第２室内の補助溶液の流量を上げるために、希釈流路の途中に補助溶液増圧ポンプを設けることが考えられる。
　ここで、流路の途中に補助溶液増圧ポンプを設ける場合、補助溶液増圧ポンプの上流側（吸込側）に供給される液の圧力が高すぎると、補助溶液増圧ポンプが故障する可能性がある。
　また、半透膜は、第１室側からの圧力に対しては高い強度を有するが、第２室側からの圧力に対する強度が比較的低い場合がある。例えば、半透膜として中空糸膜（中空糸型の半透膜）を用いてＢＣによる濃縮を行う場合、通常は、中空糸膜の外側が第１室（高圧側）となり、中空糸膜の内側が第２室（低圧側）となる。これは、中空糸膜が、外側からの圧力に対して強度が高く、内側からの圧力に対しては比較的強度が低いためである。この場合、第２室に供給される液（補助溶液）の圧力が高くなると、半透膜が損傷する可能性がある。
　このため、本発明者らは、複数の半透膜モジュールを含む多段式の濃縮システムにおいて、希釈流路（複数の半透膜モジュールの第２室）を流れる補助溶液の圧力を適切に制御する必要があると考えた。
　したがって、本発明は、複数の半透膜モジュールを含む多段式の濃縮システム（膜分離システム）を用いて、ブラインコンセントレーション（ＢＣ）により、対象溶液から水を分離して濃縮する際に、希釈流路を流れる補助溶液の圧力を適切に制御することで、半透膜モジュールや補助溶液増圧ポンプの破損、故障等を予防することを目的とする。
　［１］　対象成分を含む対象溶液から溶媒を分離することで、前記対象成分が濃縮された濃縮液を得るための濃縮システムであって、
　複数の半透膜モジュールを備え、
　前記複数の半透膜モジュールの各々は、半透膜と、該半透膜で仕切られた第１室および第２室と、を有し、
　前記複数の半透膜モジュールの前記第１室が接続されてなる濃縮流路が設けられ、
　前記複数の半透膜モジュールの前記第２室が接続されてなる希釈流路が設けられ、
　前記濃縮流路に、前記対象溶液が流され、
　前記希釈流路に、浸透圧を有する補助溶液が流され、
　前記対象溶液が前記補助溶液より高い圧力を有することにより、前記複数の半透膜モジュールの各々において、前記第１室内の前記対象溶液に含まれる溶媒が前記半透膜を介して前記第２室内の前記補助溶液に移行し、前記対象溶液が濃縮されることで、前記濃縮液が得られ、
　前記濃縮システムは、
　前記希釈流路に、前記補助溶液を増圧する補助溶液増圧ポンプと、
　該補助溶液増圧ポンプの吸込側に設置される前記補助溶液の圧力を測定する補助溶液増圧ポンプ吸込圧力計と、をさらに備え、
　前記補助溶液増圧ポンプ吸込圧力計および前記補助溶液増圧ポンプに接続される制御機器をさらに備える、
　濃縮システム。
　［２］　前記制御機器は、前記補助溶液増圧ポンプ吸込圧力計の測定値が目標値となるように前記補助溶液増圧ポンプの吐出能力を制御する、［１］に記載の濃縮システム。
　［３］　前記制御機器は、前記補助溶液増圧ポンプ吸込圧力計の測定値が所定値以上となると前記補助溶液増圧ポンプの起動および吐出能力の制御を開始する、［１］に記載の濃縮システム。
　［４］　前記濃縮流路に設置され、前記制御機器に接続される前記濃縮液の前記対象成分の濃度を測定する濃縮液濃度計をさらに備え、
　前記濃縮液濃度計の測定値も所定値以上となると前記補助溶液増圧ポンプの起動および吐出能力の制御を開始する、
　［１］～［３］のいずれかに記載の濃縮システム。
　［５］　前記補助溶液として、前記濃縮液の一部が使用される、［１］～［４］のいずれかに記載の濃縮システム。
　［６］　前記対象溶液を前記補助溶液よりも高い圧力に加圧するための加圧器具を備える、［１］～［５］のいずれかに記載の濃縮システム。
　［７］　前記半透膜は、中空糸膜である、［１］～［６］のいずれかに記載の濃縮システム。
　本発明によれば、複数の半透膜モジュールを含む多段式の濃縮システム（膜分離システム）を用いて、ブラインコンセントレーション（ＢＣ）により、対象溶液から水を分離して濃縮する際に、希釈流路を流れる補助溶液の圧力を適切に制御することで、半透膜モジュールや補助溶液増圧ポンプの破損、故障等を予防することができる。
実施形態の濃縮システムの一例を示す模式図である。 実施形態の濃縮システムの別の一例を示す模式図である。 実施形態の濃縮システムの別の一例を示す模式図である。
　以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表す。
　＜濃縮システム＞
　本実施形態の濃縮システムは、対象成分を含む対象溶液から溶媒を分離することで、対象成分が濃縮された濃縮液を得るためのシステムである。
　図１を参照して、本実施形態の濃縮システムは、複数の半透膜モジュール１，２，３を備えた、多段式の濃縮システム（膜分離システム）である。
　なお、図１においては、「複数の半透膜モジュール」として、３つの半透膜モジュール１，２，３が描かれているが、「複数の半透膜モジュール」は、例えば、２以上の任意の数の半透膜モジュールであり得る。
　複数の半透膜モジュール１，２，３の各々は、半透膜１０，２０，３０と、該半透膜で仕切られた第１室１１，２１,３１および第２室１２，２２，３２と、を有する。
　複数の半透膜モジュール１，２，３の第１室１１，２１，３１が接続されてなる濃縮流路が設けられている。すなわち、濃縮流路は、第１室１１，２１、３１と、それらを接続する流路と、からなる。複数の半透膜モジュールの少なくとも一部において、第１室は直列的に接続されていることが好ましい。複数の半透膜モジュールの一部において、第１室は並列的に接続されていてもよい。
　また、複数の半透膜モジュール１，２，３の第２室１２，２２，３２が接続されてなる希釈流路が設けられている。すなわち、希釈流路は、第２室１２，２２，３２と、それらを接続する流路と、からなる。複数の半透膜モジュールの少なくとも一部において、第２室は直列的に接続されていることが好ましい。複数の半透膜モジュールの一部において、第２室は並列的に接続されていてもよい。
　上記の濃縮流路には、対象溶液が流される。対象溶液は、半透膜モジュール１の第１室１１、半透膜モジュール２の第１室２１、半透膜モジュール３の第１室３１の順に流れる。
　図１において、希釈流路には、浸透圧を有する補助溶液が流される。補助溶液は、半透膜モジュール３の第２室３２、半透膜モジュール２の第２室２２、半透膜モジュール１の第２室１２の順に流れる。すなわち、補助溶液は、半透膜モジュールの連結において対象溶液とは逆の順に流される。
　ただし、補助溶液は、図１に示す態様に限られず、半透膜モジュール１の第２室１２、半透膜モジュール２の第２室２２、半透膜モジュール３の第２室３２の順に流れてもよい。
　なお、個々の半透膜モジュールにおいては、半透膜の両側で（第１室と第２室とで）液の流れ方向は、互いにどのような方向であってもよく、対向する方向（対向流方式）であってもよく、並行する方向（並行流方式）であってもよい。
　対象溶液は、補助溶液より高い圧力（静水圧）を有する。すなわち、複数の半透膜モジュールの各々において、第１室内の液（対象溶液）は、第２室内の液（補助溶液）よりも高い圧力を有している。
　なお、対象溶液は、加圧器具等により昇圧される。加圧器具としては、例えば、対象溶液を加圧しつつ第１室に送り込むことのできる高圧ポンプ（図示せず）などが挙げられる。なお、加圧器具は、ポンプ以外の器具であってもよく、例えば、半透膜モジュールの外部から第１室内の液を加圧する器具であってもよい。
　対象溶液が補助溶液より高い圧力を有することにより、複数の半透膜モジュールの各々において、第１室内の対象溶液に含まれる溶媒（水など）が半透膜を介して第２室内の補助溶液に移行し、第１室から濃縮液が排出され、第２室から希釈液が排出される。
　本実施形態の濃縮システムは、
　前記希釈流路に、前記補助溶液を増圧する補助溶液増圧ポンプと、
　該補助溶液増圧ポンプの吸込側に設置される前記補助溶液の圧力を測定する補助溶液増圧ポンプ吸込圧力計と、をさらに備え、
　前記補助溶液増圧ポンプ吸込圧力計および前記補助溶液増圧ポンプに接続される制御機器をさらに備える。
　そして、該補助溶液増圧ポンプ吸込圧力計の測定圧力が目標値となるように、前記補助溶液増圧ポンプの吐出能力（モーターの回転数など）が制御機器により制御される。
　なお、補助溶液増圧ポンプの吐出側を測定する圧力計、半透膜モジュールの第２室の入口と出口の差圧を測定する差圧計、半透膜モジュールの第２室の入口と出口の流量を測定する流量計、または、補助溶液増圧ポンプの上流側と下流側の温度を測定する温度計を用いて、所定の差圧、流量または温度となるように補助溶液増圧ポンプの吐出能力を制御することも挙げられるが、前記補助溶液増圧ポンプ吸込圧力計の測定圧力が目標値となるように制御することが好ましい。
　上記の特徴を有する本実施形態の濃縮システムによれば、本実施形態の濃縮システム（膜分離システム）を用いて、ブラインコンセントレーション（ＢＣ）（すなわち、浸透圧補助型逆浸透法（ＯＡＲＯ））により、対象溶液から水を分離して濃縮する際に、希釈流路を流れる補助溶液の圧力を適切に制御することができる。
　本実施形態の濃縮システムは、濃縮流路に、濃縮液（対象溶液）の圧力を測定する濃縮液圧力計（対象溶液圧力計）、濃縮液中の対象成分濃度を測定し制御機器に接続される濃縮液濃度計を備えても良い。
　後述の通り、濃縮液圧力計および濃縮液濃度計を用いた補助溶液増圧ポンプの起動および吐出能力の制御開始を併用することで、適切な希釈経路の圧力制御によって、半透膜モジュールや補助溶液増圧ポンプの破損、故障等を予防することができる。
　以下、制御の具体例について説明する。
　本実施形態の一例として、図１に示す濃縮システムは、希釈流路の上流側に設けられた第１補助溶液増圧ポンプ４１と、その吸込み側に設置された補助溶液増圧ポンプ吸込圧力計５１と、第１補助溶液増圧ポンプ４１用の制御機器６１と、希釈流路の下流側に設けられた第２補助溶液増圧ポンプ４２と、その吸込み側に設置された補助溶液増圧ポンプ吸込圧力計５２と、第２補助溶液増圧ポンプ４２用の制御機器６２と、を備える。
　第１補助溶液増圧ポンプ４１および第２補助溶液増圧ポンプ４２の各々は、ポンプ本体４１ａ，４２ａと、ポンプ本体の駆動部に接続されたモータ４１ｂ，４２ｂと、を有する。
　制御機器６１および６２の各々は、該補助溶液増圧ポンプ吸込圧力計５１，５２の測定値が予め設定された目標圧力値となるように、モータ４１ｂ，４２ｂの回転速度を制御する調節計６１ａ，６２ａおよびインバーター６１ｂ，６２ｂと、を含む。
　なお、図示はしないが、各々の調節計、インバーターからの信号を入力したり、各々の調節計、インバーターに対して制御開始、停止等（ポンプの起動、停止等）の指示を出力するＰＬＣ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）等の制御装置も制御機器６１，６２に含まれる。
　本実施形態の一例として、以下に説明する図１に示す濃縮システムの基本制御方法が挙げられる。
　補助溶液増圧ポンプ吸込圧力計５１，５２の測定圧力の入力信号（アナログ信号等）が調節計６１ａ，６２ａに入力され、各々の調節計にて設定された目標の圧力値（目標値）となるように算出された操作量（Ｍａｎｉｐｕｌａｔｅｄ Ｖａｌｕｅ：ＭＶ）がインバーター６１ｂ，６２ｂに入力される。各々のインバーター６１ｂ，６２ｂは該操作量（ＭＶ）に対応したインバーター周波数を、モータ４１ｂ，４２ｂへ出力する。そして、該インバーター周波数に応じた回転数で各々のモーターが稼働することで、ポンプ本体４１ａ，４２ａの回転数（吐出能力）が決定づけられる。
　調節計６１ａ，６２ａの操作量（ＭＶ）の制御方法としては、ＯＮ－ＯＦＦ制御、比例制御、フィードバック制御、ＰＩＤ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ-Ｉｎｔｅｇｒａｌ-Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ）制御、カスケード制御などが挙げられる。さらに、操作量（ＭＶ）の出力可能な上限・下限を設けても良い。また、インバーターの周波数の加速、減速時間（速度）も適宜設定すればよい。また、目標値は、補助溶液増圧ポンプや半透膜モジュールの耐圧等を考慮して、適宜設定すればよい。
　また、上記の基本制御方法を基に下記のような制御方法（ａ～ｈ）も使用できる。これらの制御方法は、いずれを用いてもよく、適宜組み合わせても良い。
　（補助溶液増圧ポンプの吐出能力の制御方法）
　ａ）　補助溶液増圧ポンプ４１，４２の吐出能力の制御は、各々独立して（各補助溶液増圧ポンプの専用の制御機器６１，６２により）実行する。
　ｂ）　各々の補助溶液増圧ポンプ４１，４２の吐出能力の制御は、一定時間（制御周期時間）毎に１台ずつ順番に（例えば、希釈流路の上流側から順番に）繰返し実行する。その際、制御しない補助溶液増圧ポンプの回転数は、制御周期時間内で算出された操作量（ＭＶ）に基づき維持する。
　ｃ）　調節計６２ａの操作量（ＭＶ）は、（その希釈流路の上流側の）調節計６１ａの操作量（ＭＶ）に対して所定係数を掛けた値を使用する。
　なお、該係数が自動で適切な値に変更（修正）されるようにしてもよい。
　（補助溶液増圧ポンプの起動および制御開始の制御方法）
　ｄ）　各々の補助溶液増圧ポンプ吸込圧力計５１，５２の測定値が所定圧力に到達したら、各々の補助溶液増圧ポンプ４１，４２を起動させる。その際、上述の制御（補助溶液増圧ポンプの吐出能力の制御）も直ちに開始しても良いし、一定時間、所定の操作量（インバーターの周波数）で起動させて（慣らし運転させて）から上述の制御に移行させても良い。
　ｅ）　全ての補助溶液増圧ポンプ吸込圧力計５１，５２の測定値が所定圧力に到達したら、全ての補助溶液増圧ポンプ４１，４２を共に起動させる。その際、上述の制御も直ちに開始しても良いし、一定時間、所定の操作量（インバーター周波数）で起動させて（慣らし運転させて）から上述の制御に移行させても良い。
　（濃縮システムの監視等の制御方法）
　ｆ）　補助溶液増圧ポンプ吸込圧力計５１，５２に高圧側および低圧側の警報値を設け、補助溶液増圧ポンプ吸込圧力計の測定値がこれら高圧側および低圧側の警報値の範囲を外れた場合、濃縮システムを停止させる。高圧側および低圧側の警報値の範囲を外れてから一定の遅延時間を設けても良い。これらの警報値は、補助溶液増圧ポンプや半透膜モジュールの耐圧等を考慮して、適宜設定すればよい。
　ｇ）　上記高圧側および低圧側の警報値と目標値の間に高圧側および低圧側の制御監視値（予備的な警報値）を設け、補助溶液増圧ポンプ吸込圧力計の測定値が所定時間、高圧側および低圧側の制御監視値の範囲を外れた場合、警報を発報させる。これらの制御監視値は、補助溶液増圧ポンプ４１，４２や半透膜モジュール１，２，３の耐圧等を考慮して、適宜設定すればよい。
　ｈ）　図示しないが、補助溶液増圧ポンプ４１，４２の吐出側に圧力計を設けて、高圧側の警報値を設け、これを超えた場合、濃縮システムを停止させる。この警報値は、補助溶液増圧ポンプ４１，４２や半透膜モジュール１，２，３の耐圧等を考慮して、適宜設定すればよい。
　なお、システムの停止時において、各補助溶液増圧ポンプ４１，４２の停止後に高圧ポンプ等の加圧器具（対象溶液を加圧しつつ第１室に送り込むための器具）を停止することが好ましい。
　前述の通り、半透膜モジュール１，２，３の耐圧の面から第２室１２，２２，３２のみへの圧力の印加が望ましくない場合を考慮して、第２室１２，２２，３２のみへの圧力の印加を避けるためである。
　より好ましくは、各補助溶液増圧ポンプ４１，４２の吐出側に圧力計（図示せず）を設置し、その圧力計の測定値が所定圧力まで低下した後に、高圧ポンプを停止するのが良い。
　また、上記の各ポンプの停止順は、上述のインバーターの減速時間に応じて、各ポンプの停止（周波数＝０Ｈｚ）までの時間に傾斜を付けるように設定しても良い。
　上記の制御方法を具体的に例示すると下記の通りである。
　補助溶液は所定圧力で半透膜モジュール３の第２室３２へ供給され、半透膜３０を介して透過した溶媒と混合して希釈された補助溶液として第２室３２から排出される。
　希釈された補助溶液の圧力が補助溶液増圧ポンプ吸込圧力計５１で測定され、測定値が調節計６１ａの目標値より高ければ、補助溶液増圧ポンプ４１の吐出能力は低くなるように調整され、測定値が目標値より低ければ、吐出能力は高く調整される。
　こうして調整された吐出圧力で以て半透膜モジュール２の第２室２２へ希釈された補助溶液が送液される。
　半透膜２０を介して透過した溶媒を混合してさらに希釈され、半透膜モジュール２の第２室２２通過時に圧力損失によって減圧された補助溶液の圧力が、補助溶液増圧ポンプ吸込圧力計５２で再び測定され、上述の具体例（補助溶液増圧ポンプ４１の場合）と同様に補助溶液増圧ポンプ４２の吐出能力が調整される。
　そして、調整された吐出圧力で半透膜モジュール１の第２室１２へ補助溶液が送液される。
　半透膜１０を介して透過した透過水と混合してさらに希釈された補助溶液は希釈液として、半透膜モジュール１の第２室１２から排出される。
　これら説明された図１の本実施形態の一例によって、希釈流路は適正な圧力を維持することができ、各半透膜モジュールおよび補助溶液増圧ポンプの破損や故障を回避しながら、安定的に濃縮システムを稼働する事ができる。
　本実施形態の別の一例として、図２に示す濃縮システムは、図１に対して、濃縮液圧力計７０（対象溶液圧力計）、濃縮液濃度計８０が付帯されている。これら濃縮液圧力計７０および濃縮液濃度計８０を制御開始前に使用する点において、図１の本実施形態の一例と異なる。
　図２に示す濃縮システムは、特に半透膜モジュールの耐圧が第１室より第２室の方が小さい場合や、第２室のみへの印加が望ましくない場合に効果を発揮する。
　具体的には下記の通りである。
　濃縮システムを稼働後、まず対象溶液は圧力をほぼ掛けずに各半透膜モジュールの第１室に供給される。
　次に、濃縮液濃度計８０にて測定された対象成分の濃度が所定濃度（対象溶液濃度等）に達したら、対象溶液の圧力を必要値までかける。
　次に、濃縮液圧力計７０にて測定された圧力が所定圧力に達したら、補助溶液を所定流量および圧力で供給する。
　次いで、上で説明した一連の補助溶液増圧ポンプの起動および制御が開始される。
　なお、保存液などの浸透圧の小さい水溶液で半透膜モジュールが満たされている状態から濃縮システムを稼働させた場合、対象溶液を稼働直後から必要圧となるようにかけると、各第１室１１，２１，３１の保存液が排出されるまでの間に、保存液中の溶媒は各半透膜１０，２０，３０を介して、第２室１２，２２，３２側に透過し易くなる。すなわち、希釈流路内に溶媒分の圧力が各第２室に印加されやすい。そこで、比較的浸透圧を有する対象溶液にて各第１室を満たしてから、必要圧で各第１室を印加する事で、この問題を軽減することができる。
　（対象溶液および補助溶液）
　対象溶液および補助溶液としては、溶媒に対象成分が溶解している液であれば、特に限定されない。溶媒としては水などが挙げられ、対象成分は溶媒に溶解する成分であれば全て該当する。例えば、塩水（ブライン、海水、かん水など）、工業排水（無機塩含有水溶液、水溶性有機溶剤含有水溶液など）などを用いることができる。上記の濃縮システムは、特に、対象溶液がブラインなどの高濃度（高浸透圧）の溶液である場合に、それをさらに濃縮するために好適に用いることができる。
　なお、対象溶液等に対して、溶液中に含まれる微粒子、微生物、スケール成分等を除去するための前処理を行ってもよい。前処理としては、海水淡水化技術等に用いられる種々公知の前処理を実施することができ、例えば、ＮＦ膜、ＵＦ膜、ＭＦ膜等を用いたろ過、次亜塩素酸ナトリウムの添加、凝集剤添加、活性炭吸着処理、イオン交換樹脂処理などが挙げられる。このような前処理は、対象溶液および補助溶液を半透膜モジュールに供給する前に実施されることが好ましい。
　第１室（高圧側）に流される対象溶液（濃縮される液）と第２室（低圧側）に流される補助溶液（希釈される液）との浸透圧差（絶対値）が対象溶液の圧力よりも小さければ、理論上、ＢＣによる膜分離は実施可能である。この場合、対象溶液の浸透圧と補助溶液の浸透圧との差は、対象溶液の圧力の３０％以下であることが好ましい。
　補助溶液は、浸透圧を有する液であれば特に限定されないが、図３に示すように、複数の半透膜モジュールの濃縮流路で濃縮された対象溶液（濃縮液）の一部が、複数の半透膜モジュールにおける補助溶液として使用されてもよい。
　なお、濃縮液の一部を補助溶液として希釈流路（半透膜モジュールの第２室）に供給するための流路には、液の圧力を低下させる機構が設けられていることが好ましい。このような機構としては、自動調節バルブ９０ａ，９０ｂのように、上流側の圧力を高く保ち下流側の圧力を低下させる装置や、エネルギー回収装置のように圧力を有する供給液体から回収したエネルギーをポンプ等の駆動補助エネルギーに変換する機構を有する装置が挙げられる。
　また、希釈液を対象溶液と共に濃縮流路に供給してもよい。そして、対象溶液を濃縮することにより得られる濃縮液を補助溶液として用い、その補助溶液を希釈することにより得られた希釈液を対象溶液と共に濃縮流路に供給してもよい。
　このように、濃縮システムにおいて、対象溶液を循環させた場合、対象溶液からの濃縮液（対象成分）の回収率を高めることができる。
　（複数の半透膜モジュール）
　複数の半透膜モジュールを用いたＢＣによる濃縮処理（膜分離処理）では、第１室から第２室へ溶媒が移動する方向と反対方向に働く浸透圧が生じ難いため、逆浸透（ＲＯ）法よりも低い圧力（ポンプ圧）で濃縮を進行させることができる。このため、主としてＢＣによる濃縮を行う本実施形態の濃縮システムにおいては、ポンプ等の電力消費量を低減させ、濃縮のエネルギー効率を高めることができる。
　また、ＲＯ法による濃縮では、半透膜の一方側で濃縮された対象溶液の浸透圧が、ポンプによる押圧力とは反対方向に生じる。このため、濃縮された対象溶液の浸透圧がポンプの圧力に達すると、ポンプによる押圧力と、それとは反対方向に働く対象溶液の浸透圧が拮抗し、それ以上は水が半透膜を透過せず、濃縮が進まなくなる。
　これに対して、ＢＣ法を用いた膜分離処理（濃縮方法）では、半透膜モジュールの各々において、第１室と第２室とに供給される液の濃度差（浸透圧差）が小さく、ＲＯ法のような濃縮処理を阻害する浸透圧は生じ難い。このため、ＢＣ法を用いた濃縮システムでは、ＲＯ法のみを用いた濃縮システムよりも、対象溶液の最終濃度を高めることができる。原理的には、対象溶液を飽和濃度まで濃縮できると考えられる。
　本実施形態においては、特許文献１（国際公開第２０１８／０８４２４６号）の図２および特許文献２（特開２０１９－１８８３３０号公報）の図４に示される多段式の濃縮システムのように、直列的に連結された複数の半透膜モジュール１ａ，１ｂ，１ｘ，１ｙの各々に対して、さらに１つ以上の別の半透膜モジュールが並列的に接続されていてもよい。
　なお、特許文献１の図２および特許文献２の図４に示されるように、濃縮流路の上流側（希釈流路の下流側）ほど並列的に接続された半透膜モジュールの数が多いことが好ましい。この場合、希釈流路の下流側は、流路の断面積が増加し、通液抵抗が低減されると考えられる。第２室（希釈流路側）には第１室（濃縮流路側）から半透膜を介して水が移行するため、希釈流路の下流側ほど、通液量が増え、通液抵抗が大きくなる傾向がある。このため、希釈流路の下流側で通液抵抗を低減することは、濃縮システムの全体において希釈流路の通液抵抗を低減する上で有効である。
　また、本実施形態のような多段式の濃縮システムでは、第１室内（濃縮流路）を流れる対象溶液は半透膜モジュール１から半透膜モジュール３にかけて順次濃縮され、濃縮が進むにつれて対象溶液の流量は減少する。各半透膜モジュール当りの流量が減少すると濃縮効率が低下してしまう。このような濃縮流路の下流側での対象溶液の流量減少を抑制するためにも、濃縮流路の上流側ほど並列的に接続された半透膜モジュールの数が多いことが好ましい。
　なお、希釈流路を一部不連続なものとしてもよい。一例としては、図５に示されるように、半透膜モジュール１の第２室１２に補助溶液として対象溶液の一部を供給するようにしてもよい。
　このように、希釈流路を一部不連続なものとすることで、複数の半透膜モジュールの全ての第２室が直列的に接続された場合に比べて、連続した希釈流路の長さ（流路長）が減少する。ここで、希釈流路の通液抵抗（圧力損失）は流路長に比例するため、希釈流路の通液抵抗が低減される。したがって、希釈流路内の補助溶液の圧力を適切な範囲に制御することが容易になる。また、希釈流路の途中に設けられる補助溶液増圧ポンプの数を削減することができ、設備費用、エネルギー消費量等を削減することができる。
　また、本実施形態の濃縮システムにおいては、特許第７０２０５１２号公報に開示される構成を適用することができる。
　なお、本実施形態において用いられる半透膜としては、例えば、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）と呼ばれる半透膜が挙げられる。半透膜は、好ましくは逆浸透膜または正浸透膜、ナノろ過膜である。なお、半透膜として逆浸透膜または正浸透膜、ナノろ過膜を用いる場合、第１室内の液（対象溶液）の圧力は、好ましくは０．５～１０．０ＭＰａ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。半透膜としてＲＯ膜またはＦＯ膜、ＮＦ膜を用いる場合、ＲＯ膜またはＦＯ膜、ＮＦ膜の塩除去率は好ましくは９０％以上である。
　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。
　なお、図面においては、半透膜モジュールの半透膜は、簡略化のために平膜のように描かれているが、半透膜の形状は特に限定されない。半透膜は、例えば、スパイラル膜（スパイラル型半透膜）などの平膜であってもよく、中空糸膜（中空糸型半透膜）であってもよいが、好ましくは中空糸膜である。中空糸膜は、平膜に比べて、膜厚が小さく、さらに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。
　複数の半透膜モジュールの各々において、第１室は中空糸膜の外側であり、第２室は中空糸膜の内側（中空部）であることが好ましい。中空糸膜の内側を流れる溶液を加圧しても、圧力損失が大きくなり加圧が十分に行われ難い場合があり、また、一般的に中空糸膜は外圧に対してその構造を保持しやすいが、内圧が高くなると中空糸膜が損傷を受ける可能性があるからである。
　具体的な中空糸膜の一例としては、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、厚み方向に不均一な膜であってもよい。具体的には、外周表面に緻密層を有し、この緻密層が実質的に中空糸膜の孔径を規定する分離活性層となっており、内周表面側は緻密層よりも密度が低いような膜であってもよい。緻密層は、実質的に中空糸膜の孔径を規定する分離活性層となるため、中空糸膜の外側の溶液が加圧される場合は、中空糸膜の外側表面に緻密層を有している方が、中空糸膜の外側から内側への分子の移動を正確に制御することができる。
　具体的な中空糸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。
　１，２，３　半透膜モジュール、１０，２０，３０　半透膜、１１，２１，３１　第１室、１２，２２，３２　第２室、４１　（第１）補助溶液増圧ポンプ，４２　（第２）補助溶液増圧ポンプ、４１ａ，４２ａ　ポンプ本体、４１ｂ，４２ｂ　モータ、５１，５２　補助溶液増圧ポンプ吸込圧力計、６１，６２　制御機器、６１ａ，６２ａ　調節計、６１ｂ，６２ｂ　インバーター、７０　濃縮液圧力計、８０　濃縮液濃度計、９０ａ，９０ｂ　自動調節バルブ。

Claims (7)

  1. 　対象成分を含む対象溶液から溶媒を分離することで、前記対象成分が濃縮された濃縮液を得るための濃縮システムであって、
    　複数の半透膜モジュールを備え、
    　前記複数の半透膜モジュールの各々は、半透膜と、該半透膜で仕切られた第１室および第２室と、を有し、
    　前記複数の半透膜モジュールの前記第１室が接続されてなる濃縮流路が設けられ、
    　前記複数の半透膜モジュールの前記第２室が接続されてなる希釈流路が設けられ、
    　前記濃縮流路に、前記対象溶液が流され、
    　前記希釈流路に、浸透圧を有する補助溶液が流され、
    　前記対象溶液が前記補助溶液より高い圧力を有することにより、前記複数の半透膜モジュールの各々において、前記第１室内の前記対象溶液に含まれる溶媒が前記半透膜を介して前記第２室内の前記補助溶液に移行し、前記対象溶液が濃縮されることで、前記濃縮液が得られ、
    　前記濃縮システムは、
    　前記希釈流路に、前記補助溶液を増圧する補助溶液増圧ポンプと、
    　該補助溶液増圧ポンプの吸込側に設置される前記補助溶液の圧力を測定する補助溶液増圧ポンプ吸込圧力計と、をさらに備え、
    　前記補助溶液増圧ポンプ吸込圧力計および前記補助溶液増圧ポンプに接続される制御機器をさらに備える、
    　濃縮システム。
  2. 　前記制御機器は、前記補助溶液増圧ポンプ吸込圧力計の測定値が目標値となるように前記補助溶液増圧ポンプの吐出能力を制御する、請求項１に記載の濃縮システム。
  3. 　前記制御機器は、前記補助溶液増圧ポンプ吸込圧力計の測定値が所定値以上となると前記補助溶液増圧ポンプの起動および吐出能力の制御を開始する、請求項１に記載の濃縮システム。
  4. 　前記濃縮流路に設置され、前記制御機器に接続される前記濃縮液の前記対象成分の濃度を測定する濃縮液濃度計をさらに備え、
    　前記濃縮液濃度計の測定値も所定値以上となると前記補助溶液増圧ポンプの起動および吐出能力の制御を開始する、
    　請求項１から３のいずれかに記載の濃縮システム。
  5. 　前記補助溶液として、前記濃縮液の一部が使用される、請求項１から４のいずれかに記載の濃縮システム。
  6. 　前記対象溶液を前記補助溶液よりも高い圧力に加圧するための加圧器具を備える、請求項１から５のいずれかに記載の濃縮システム。
  7. 　前記半透膜は、中空糸膜である、請求項１から６のいずれかに記載の濃縮システム。
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