JP7736293B2 - 溶液の膜処理方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、溶液の膜処理方法および装置に関する。

海水等の溶液を膜処理する方法として、特許文献１には、対象溶液を冷却する析出工程を経た対象溶液を半透膜モジュールの高圧室に供給し、高圧室を通過した対象溶液の一部を低圧室に供給することにより、高圧室の対象溶液に含まれる水を半透膜を介して低圧室に移行させ、高圧室の対象溶液を濃縮する方法が開示されている。

国際公開第２０２０／１５８４５６号

上記の膜処理方法は、析出工程で冷却された対象溶液を加温した後に半透膜モジュールに供給することで、飽和状態の成分が析出して半透膜の目詰まりが生じるのを防止している。

ところが、対象溶液の加温後の温度は、析出工程で冷却する前の温度と同程度であるため、半透膜モジュールにおいて高濃縮を行うためには半透膜の膜面積を大きくする必要があり、半透膜モジュールの大型化および高コスト化を招くおそれがあった。

そこで、本発明は、溶液の高濃縮を低コストで効率良く行うことができる溶液の膜処理方法および装置の提供を目的とする。

本発明の前記目的は、半透膜により仕切られた高圧室および低圧室を有する第１の膜処理ユニットの前記高圧室を通過させた被処理溶液を第１の溶液と第２の溶液とに分流し、第１の溶液を前記低圧室に通過させることにより、前記高圧室の被処理溶液に含まれる水を前記低圧室の第１の溶液に移動させて被処理溶液を濃縮する第１の膜濃縮工程を備える溶液の膜処理方法であって、前記第１の膜濃縮工程が行われる前の被処理溶液を外部熱源により加熱する加熱工程と、前記第１の膜濃縮工程が行われた第１の溶液および第２の溶液の少なくとも一方を、前記加熱工程が行われる前の被処理溶液と熱交換する熱回収工程とを備え、前記第１の膜濃縮工程が行われた第１の溶液を被処理溶液に合流する合流工程と、前記合流工程が行われた被処理溶液を、逆浸透膜を有する第２の膜処理ユニットに供給して逆浸透膜処理を行うことにより濃縮する第２の膜濃縮工程とを更に備え、前記第１の膜濃縮工程は、前記第２の膜濃縮工程で濃縮された被処理溶液に対して行われ、ナノろ過膜を有する前処理ユニットに被処理溶液を供給する前処理工程を更に備え、前記第２の膜濃縮工程は、前記前処理工程において前記ナノろ過膜を透過した被処理溶液に対して行われる溶液の膜処理方法により達成される。

前記加熱工程は、前記第２の膜濃縮工程が行われる前の被処理溶液に対して行うことができ、前記熱回収工程は、前記第２の膜濃縮工程が行われた被処理液の透過水を、前記第２の膜濃縮工程が行われる前の被処理溶液と熱交換する工程を更に備えることができる。

前記加熱工程および前記熱回収工程は、前記前処理工程が行われた後、前記第２の膜濃縮工程が行われる前の被処理液に対して行うことができる。あるいは、前記加熱工程は、前記前処理工程が行われる前の被処理液に対して行われ、前記熱回収工程は、前記前処理工程が行われた被処理液の非透過液を、前記前処理工程が行われる前の被処理溶液と熱交換する工程を更に備えることができる。

前記熱回収工程は、前記第１の膜濃縮工程が行われた第１の溶液および第２の溶液の少なくとも一方を、前記第２の膜濃縮工程で濃縮された被処理液と熱交換することができる。

また、本発明の前記目的は、半透膜により仕切られた高圧室および低圧室を有する第１の膜処理ユニットを備え、前記高圧室を通過させた被処理溶液を第１の溶液と第２の溶液とに分流し、第１の溶液を前記低圧室に通過させることにより、前記高圧室の被処理溶液に含まれる水を前記低圧室の第１の溶液に移動させて被処理溶液を濃縮する溶液の膜処理装置であって、前記第１の膜処理ユニットに供給される前の被処理溶液を外部熱源により加熱する加熱装置と、前記第１の膜処理ユニットで膜処理が行われた第１の溶液および第２の溶液の少なくとも一方を、前記加熱装置で加熱される前の被処理溶液と熱交換する熱回収器とを備え、逆浸透膜を有する第２の膜処理ユニットを更に備え、前記第２の膜処理ユニットは、前記第１の膜処理ユニットで膜処理が行われた第１の溶液を合流させた被処理溶液を逆浸透膜処理により濃縮し、前記第１の膜処理ユニットは、前記第２の膜処理ユニットで濃縮された被処理溶液を濃縮し、ナノろ過膜を有する前処理ユニットを更に備え、前記第２の膜処理ユニットは、前記前処理ユニットの前記ナノろ過膜を透過した被処理溶液を濃縮する溶液の膜処理装置により達成される。

本発明によれば、溶液の高濃縮を低コストで効率良く行うことができる溶液の膜処理方法および装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る溶液の膜処理装置の概略構成図である。 本発明の他の実施形態に係る溶液の膜処理装置の概略構成図である。 本発明の更に他の実施形態に係る溶液の膜処理装置の概略構成図である。 本発明の更に他の実施形態に係る溶液の膜処理装置の概略構成図である。 本発明の更に他の実施形態に係る溶液の膜処理装置の概略構成図である。 本発明の更に他の実施形態に係る溶液の膜処理装置の概略構成図である。

図１は、本発明の一実施形態に係る溶液の膜処理装置（以下、単に「膜処理装置」という）の概略構成図である。図１に示す膜処理装置１－１は、第１の膜処理ユニット１０と、加熱装置２０と、熱回収器３０，３１とを備えている。

第１の膜処理ユニット１０は、室内が半透膜１１で仕切られることにより高圧室１２および低圧室１３が形成されている。高圧室１２には、被処理溶液である原液が導入される。原液は、例えば海水であり、膜処理装置１により濃縮して製塩などを行うことができる。但し、原液は特に限定されるものではなく、海水以外の無機塩の溶液や、有機溶液等であってもよい。

高圧室１２を通過した原液は、第１の溶液と第２の溶液とに分流されて、第１の溶液が低圧室１３を通過する。高圧室１２の原液は、低圧室１３の第１の溶液よりも高圧であるため、この圧力差によって高圧室１２の原液に含まれる水が低圧室１３の第１の溶液に移動し、第１の膜処理ユニット１０を通過した原液が濃縮される。すなわち、第２の溶液は高濃縮液である一方、低圧室１３を通過した第１の溶液は希釈水となる。

加熱装置２０は、第１の膜処理ユニット１０に供給される前の原液を、蒸気等のバックアップ熱源と熱交換する熱交換器であり、流量調整弁２３の開度調整により、加熱量を調整することができる。加熱装置２０は、加熱後の原液の温度を検出する温度センサ２１と、温度センサ２１の検出温度が設定温度になるように流量調整弁２３の開度を制御するコントローラ２２とを備えており、第１の膜処理ユニット１０に供給される原液の温度を、所望の温度に維持することができる。加熱装置２０の構成は、外部熱源により原液を加熱する構成であれば特に限定されず、ヒータ等であってもよい。

熱回収器３０，３１は、いずれも熱交換器であり、加熱装置２０に供給される前の原液の一部が分岐流路２，３により導入され、第１の膜処理ユニット１０で膜処理が行われた第２の溶液および第１の溶液とそれぞれ熱交換される。熱回収器３０，３１で熱回収が行われた原液は、分岐流路２，３の分岐部の下流側で原液の残部に合流され、合流後の原液が加熱装置２０に供給される。分岐流路２，３の分岐箇所および合流箇所は、加熱装置２０の上流側における任意の箇所とすることができる。

次に、上記の構成を備える膜処理装置１－１を用いた溶液の膜処理方法（以下、単に「膜処理方法」という）を説明する。まず、原液を加熱装置２０により加熱する加熱工程を行った後、第１の膜処理ユニット１０の高圧室１２に供給し、原液を濃縮する第１の膜濃縮工程を行う。濃縮された原液は、一部が第１の溶液として低圧室１３を通過することにより希釈水となる一方、残部が高濃縮液である第２の溶液として製塩工程などの次工程へと送られる。

第１の膜濃縮工程が行われた第１の溶液および第２の溶液は、それぞれ熱回収器３１，３０の通過により、加熱装置２０に供給される前の原液の一部と熱交換する。これにより、第１の溶液および第２の溶液の熱量を回収して原液を昇温する熱回収工程が行われる。

このように、本実施形態の膜処理装置および膜処理方法によれば、原液を外部熱源により所望の温度に加熱して、第１の膜処理ユニットにより濃縮することができるので、第１の膜処理ユニットにおける濃縮率を高めることができ、半透膜の膜面積を小さくして第１の膜処理ユニットの小型化および低コスト化を図ることができる。また、原液の加熱に要した熱量は、第１の溶液および第２の溶液と原液との熱交換により回収されるので、外部熱源の熱量を抑制することができ、ランニングコストを低減することができる。したがって、原液の高濃縮を低コストで効率良く行うことができる。

本実施形態においては、第１の溶液および第２の溶液の双方を原液と熱交換することにより、熱回収を行っているが、第１の溶液および第２の溶液の少なくとも一方を、加熱装置２０で加熱する前の原液と熱交換する構成であればよい。すなわち、図１に示す熱回収器３０，３１は、いずれか一方のみを備える構成にしてもよく、この点については後述する各実施形態においても同様である。

以上、本発明の一実施形態について詳述したが、本発明の具体的な態様は上記実施形態に限定されず、種々の変形が可能である。図２は、本発明の他の実施形態に係る溶液の膜処理装置の概略構成図である。図２に示す膜処理装置１－２は、図１に示す膜処理装置１－１において、加熱装置２０と第１の膜処理ユニット１０との間に第２の膜処理ユニット４０を配置したものである。なお、以下の各図において、同様の構成部分には同一の符号を付している。

第２の膜処理ユニット４０は、ケーシング内に逆浸透膜４１を備えており、原液を加圧供給して逆浸透膜処理を行うことにより濃縮する。濃縮された原液は、第１の膜処理ユニット１０の高圧室１２に供給される。逆浸透膜４１は、逆浸透膜処理が可能な半透膜であればよく、ＲＯ膜以外にＮＦ膜などであってもよい。第１の膜処理ユニット１０の低圧室１３を通過した希釈水（第１の溶液）は、合流部５において原液に合流される。第２の膜処理ユニット４０は、１段に構成する代わりに複数段に構成してもよい。

図２に示す膜処理装置１－２は、加熱装置２０に供給される前の原液の一部が、分岐流路２，３により熱回収器３０，３１に供給されて第２の溶液および第１の溶液とそれぞれ熱交換すると共に、分岐流路４により熱交換器３２にも供給されて、第２の膜処理ユニット４０の逆浸透膜４１を透過した透過水と熱交換される。なお、図２においては、分岐流路２，３，４の一部を省略して図示している。

図２に示す膜処理装置１－２による膜処理方法は、図１に示す膜処理装置１－１による膜処理方法において、第１の膜濃縮工程が行われた希釈水（第１の溶液）を合流部５において原液と合流する合流工程と、合流工程が行われた原液を第２の膜処理ユニット４０において濃縮する第２の膜濃縮工程とを更に備えることにより、高濃縮液（第２の溶液）の濃縮率を容易に高めることができる。

また、加熱装置２０による加熱工程が第２の膜濃縮工程が行われる前の原液に対して行われ、熱回収工程は、原液の加熱に要した熱量を、熱回収器３０，３１で回収すると共に、熱回収器３２においても回収するため、原液の濃縮を低コストで効率よく行うことができる。特に、第２の膜処理ユニット４０の逆浸透膜４１がＲＯ膜である場合には、逆浸透膜４１の透過水の流量が多くなるため、熱回収器３２での熱回収がより効果的である。

図３は、本発明の更に他の実施形態に係る溶液の膜処理装置の概略構成図である。図３に示す膜処理装置１－３は、図２に示す膜処理装置１－２において、加熱装置２０を、第２の膜処理ユニット４０の上流側に配置する代わりに、第２の膜処理ユニット４０と第１の膜処理ユニット１０との間に配置したものであり、第２の膜処理ユニット４０で濃縮後の原液により、熱回収器３０，３１における熱回収工程が行われる。図３に示す膜処理装置１－３は、加熱装置２０により加熱された原液が、第２の膜処理ユニット４０に直接供給されないため、第２の膜処理ユニット４０の加熱が不要な場合や加熱を望まない場合などに有効である。

図４に示す膜処理装置１－４は、図３に示す膜処理装置１－３において、第２の膜処理ユニット４０に供給される前の原液の前処理を行う前処理ユニット５０を更に備えるものであり、第２の膜濃縮工程の前に、前処理ユニット５０による前処理工程を行うことができる。前処理ユニット５０は、ケーシング内にＮＦ膜５１を備えており、原液をＮＦ膜５１に通水することにより、海水のスケール成分等がブライン（非透過液）として外部に排出される。図４に示す構成においては、第２の膜処理ユニット４０の逆浸透膜はＲＯ膜であることが好ましい。前処理ユニット５０は、１段に構成する代わりに複数段に構成してもよい。図４に示す膜処理装置１－４は、第２の膜処理ユニット４０および前処理ユニット５０を、加熱装置２０による加熱対象外とすることができる。

図５に示す膜処理装置１－５は、図４に示す膜処理装置１－４において、加熱装置２０を、第２の膜処理ユニット４０と第１の膜処理ユニット１０との間に配置する代わりに、前処理ユニット５０と第２の膜処理ユニット４０との間に配置したものであり、前処理工程が行われた後、第２の膜濃縮工程が行われる前の原液に対して、加熱工程および熱回収工程が行われる。この膜処理装置１－５は、第２の膜処理ユニット４０の透過水の熱量を、熱回収器３２により回収することができる。

図６に示す膜処理装置１－６は、図５に示す膜処理装置１－５において、加熱装置２０を、前処理ユニット５０と第２の膜処理ユニット４０との間に配置する代わりに、前処理ユニット５０の上流側に配置したものである。図６に示す膜処理装置１－６は、加熱装置２０に供給される前の原液の一部が、分岐流路５により熱交換器３３にも供給されて、前処理ユニット５０のブライン（非透過液）と熱交換されるため、熱回収工程において、原液の加熱に要した熱量を、熱回収器３０，３２で回収すると共に、熱回収器３３においても回収することができる。

１ 膜処理装置
１０ 第１の膜処理ユニット
１１ 半透膜
１２ 高圧室
１３ 低圧室
２０ 加熱装置
３０，３１，３２，３３ 熱回収器
４０ 第２の膜処理ユニット
４１ 逆浸透膜
５０ 前処理ユニット
５１ ナノろ過膜

Claims (6)

1. 半透膜により仕切られた高圧室および低圧室を有する第１の膜処理ユニットの前記高圧室を通過させた被処理溶液を第１の溶液と第２の溶液とに分流し、第１の溶液を前記低圧室に通過させることにより、前記高圧室の被処理溶液に含まれる水を前記低圧室の第１の溶液に移動させて被処理溶液を濃縮する第１の膜濃縮工程を備える溶液の膜処理方法であって、
   前記第１の膜濃縮工程が行われる前の被処理溶液を外部熱源により加熱する加熱工程と、
   前記第１の膜濃縮工程が行われた第１の溶液および第２の溶液の少なくとも一方を、前記加熱工程が行われる前の被処理溶液と熱交換する熱回収工程とを備え、
   前記第１の膜濃縮工程が行われた第１の溶液を被処理溶液に合流する合流工程と、
   前記合流工程が行われた被処理溶液を、逆浸透膜を有する第２の膜処理ユニットに供給して逆浸透膜処理を行うことにより濃縮する第２の膜濃縮工程とを更に備え、
   前記第１の膜濃縮工程は、前記第２の膜濃縮工程で濃縮された被処理溶液に対して行われ、
   ナノろ過膜を有する前処理ユニットに被処理溶液を供給する前処理工程を更に備え、
   前記第２の膜濃縮工程は、前記前処理工程において前記ナノろ過膜を透過した被処理溶液に対して行われる溶液の膜処理方法。
2. 前記加熱工程は、前記第２の膜濃縮工程が行われる前の被処理溶液に対して行われ、
   前記熱回収工程は、前記第２の膜濃縮工程が行われた被処理液の透過水を、前記第２の膜濃縮工程が行われる前の被処理溶液と熱交換する工程を更に備える請求項１に記載の溶液の膜処理方法。
3. 前記加熱工程および前記熱回収工程は、前記前処理工程が行われた後、前記第２の膜濃縮工程が行われる前の被処理液に対して行われる請求項１に記載の溶液の膜処理方法。
4. 前記加熱工程は、前記前処理工程が行われる前の被処理液に対して行われ、
   前記熱回収工程は、前記前処理工程が行われた被処理液の非透過液を、前記前処理工程が行われる前の被処理溶液と熱交換する工程を更に備える請求項１に記載の溶液の膜処理方法。
5. 前記熱回収工程は、前記第１の膜濃縮工程が行われた第１の溶液および第２の溶液の少なくとも一方を、前記第２の膜濃縮工程で濃縮された被処理液と熱交換する請求項１に記載の溶液の膜処理方法。
6. 半透膜により仕切られた高圧室および低圧室を有する第１の膜処理ユニットを備え、前記高圧室を通過させた被処理溶液を第１の溶液と第２の溶液とに分流し、第１の溶液を前記低圧室に通過させることにより、前記高圧室の被処理溶液に含まれる水を前記低圧室の第１の溶液に移動させて被処理溶液を濃縮する溶液の膜処理装置であって、
   前記第１の膜処理ユニットに供給される前の被処理溶液を外部熱源により加熱する加熱装置と、
   前記第１の膜処理ユニットで膜処理が行われた第１の溶液および第２の溶液の少なくとも一方を、前記加熱装置で加熱される前の被処理溶液と熱交換する熱回収器とを備え、
   逆浸透膜を有する第２の膜処理ユニットを更に備え、
   前記第２の膜処理ユニットは、前記第１の膜処理ユニットで膜処理が行われた第１の溶液を合流させた被処理溶液を逆浸透膜処理により濃縮し、
   前記第１の膜処理ユニットは、前記第２の膜処理ユニットで濃縮された被処理溶液を濃縮し、
   ナノろ過膜を有する前処理ユニットを更に備え、
   前記第２の膜処理ユニットは、前記前処理ユニットの前記ナノろ過膜を透過した被処理溶液を濃縮する溶液の膜処理装置。