特許 6658198 造水システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6658198

(24)【登録日】2020年2月10日

(45)【発行日】2020年3月4日

(54)【発明の名称】造水システム

(51)【国際特許分類】

   C02F 1/44 20060101AFI20200220BHJP

   B01D 61/00 20060101ALI20200220BHJP

   B01D 61/02 20060101ALI20200220BHJP

   B01D 61/06 20060101ALI20200220BHJP

   B01D 61/58 20060101ALI20200220BHJP

   F03G 7/00 20060101ALI20200220BHJP

【ＦＩ】

   C02F1/44 G

   B01D61/00 500

   B01D61/02 500

   B01D61/06

   B01D61/58

   F03G7/00 G

【請求項の数】2

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2016-64201(P2016-64201)

(22)【出願日】2016年3月28日

(65)【公開番号】特開2017-176928(P2017-176928A)

(43)【公開日】2017年10月5日

【審査請求日】2019年1月25日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003160

【氏名又は名称】東洋紡株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】特許業務法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】藤原 信也

(72)【発明者】

【氏名】熊野 淳夫

【審査官】 片山 真紀

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１４−２００７０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１３／０１６０４３５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１２／０１１８８２６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 中国特許出願公開第１０４１６３４７０（ＣＮ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ０２Ｆ １／４４

Ｂ０１Ｄ ６１／００−７１／８２

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

海水、および、海水より浸透圧が低い低浸透圧水から、淡水を生産する造水システムであって、
第１逆浸透膜を有し、前記海水から前記第１逆浸透膜を介して前記淡水を分離し、濃縮された前記海水である濃縮塩水を排出する、第１逆浸透膜モジュールと、
前記海水を前記第１逆浸透膜モジュールに供給する第１高圧ポンプと、
第２逆浸透膜を有し、前記低浸透圧水から前記第２逆浸透膜を介して前記淡水を分離する、第２逆浸透膜モジュールと、
前記低浸透圧水を前記第２逆浸透膜モジュールに供給する第２高圧ポンプと、
正浸透膜を有し、前記濃縮塩水を前記正浸透膜を介して前記低浸透圧水から供給される水によって希釈し、希釈された前記濃縮塩水である希釈塩水を排出する、正浸透膜モジュールと、
前記低浸透圧水を前記正浸透膜モジュールおよび前記第２高圧ポンプに供給する低圧ポンプと、
前記希釈塩水のエネルギーを回収し、回収したエネルギーを前記第２高圧ポンプに供給する、エネルギー回収装置と、を備える、造水システム。

【請求項2】

前記エネルギー回収装置は、機械式のエネルギー回収装置である、請求項１に記載の造水システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、造水システムに関する。より詳細には、逆浸透膜モジュールを用いて淡水を生産する造水システムに関する。

【背景技術】

【0002】

海水から淡水を生産する造水システムは、高圧ポンプによって所定の圧力に昇圧された海水を逆浸透（ＲＯ：Reverse Osmosis）膜モジュールに供給し、ＲＯ膜を通過させることで、海水中の塩分等を除去して淡水を取り出すシステムである。残りの塩水は、濃縮塩水（ブライン）としてＲＯ膜モジュールから排出される。

【0003】

特許文献１（特開２００３−１７６７７５号公報）には、このような造水システム（海水淡水化装置）において、濃縮塩水の浸透圧エネルギーを利用した浸透圧発電システムを用いることが開示されている。この海水淡水化装置では、正浸透（ＦＯ：Forward Osmosis）膜モジュール（発電用半透膜透過器）の半透膜の一方側に、淡水を取り出した後の濃縮塩水（ＤＳ：ドロー溶液）を流し、半透膜の他方側に、海水よりも浸透圧が低い低浸透圧水（ＦＳ：フィード溶液）を流すことで、正浸透現象によって濃縮海水側の流量を増加させ、増加した流量で水流発電機を駆動させて発電を行う。

【0004】

また、特許文献２（特開２０１４−２００７０８号公報）には、同様のシステムにおいて、水流発電機などの電気式のエネルギー回収装置（ＥＲＤ）だけでなく、圧力変換手段、回転付与機能などの機械式のＥＲＤを用いることも開示されている。なお、このようなＥＲＤによって回収されたエネルギーを、ポンプなどの海水供給手段に供給することで、海水供給手段の消費エネルギーを低減させることができる。

【0005】

なお、上記ＦＯ膜モジュールに供給される低浸透圧水（ＦＳ）としては、海水よりも濃度の低い低濃度塩水（例えば、かん水、汽水）、不純物を含む未処理水（例えば、下水処理水、河川水、工業排水）などが用いられる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２００３−１７６７７５号公報

【特許文献2】特開２０１４−２００７０８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

従来の浸透圧発電システムを備えた造水システムにおいて、低浸透圧水は、ＦＯ膜モジュールのみに供給され、ＦＯ膜モジュールで濃縮された後に河川等に排水されていた。しかし、造水量を増加させるためには、海水だけでなく低浸透圧水からも、別途、ＲＯ膜モジュールを用いて水を製造することが望ましい。

【0008】

ＦＯ膜モジュールへの低浸透圧水の供給は、送液に必要なエネルギーのみを必要とし、低圧のポンプによって比較的低エネルギーで実施可能である。しかし、逆浸透処理は、低浸透圧水とはいえ、浸透圧を超える圧力を加えることにより、処理対象液から水を膜透過させて水を回収する処理であるため、高い圧力を加える必要がある。したがって、別のＲＯ膜モジュールへ低浸透圧水を供給するためには、比較的高い圧力に昇圧することが可能な高圧ポンプが別途必要となり、システムのエネルギー消費量が増加するという問題があった。

【0009】

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、ＲＯ膜モジュールを用いた造水システムにおいて、造水量を増加させると共に、エネルギー消費量の増加を抑制することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明は、海水、および、海水より浸透圧が低い低浸透圧水から、淡水を生産する造水システムであって、
第１逆浸透膜を有し、前記海水から前記第１逆浸透膜を介して前記淡水を分離し、濃縮された前記海水である濃縮塩水を排出する、第１逆浸透膜モジュールと、
前記海水を前記第１逆浸透膜モジュールに供給する第１高圧ポンプと、
第２逆浸透膜を有し、前記低浸透圧水から前記第２逆浸透膜を介して前記淡水を分離する、第２逆浸透膜モジュールと、
前記低浸透圧水を前記第２逆浸透膜モジュールに供給する第２高圧ポンプと、
正浸透膜を有し、前記濃縮塩水を前記正浸透膜を介して前記低浸透圧水から供給される水によって希釈し、希釈された前記濃縮塩水である希釈塩水を排出する、正浸透膜モジュールと、
前記低浸透圧水を前記正浸透膜モジュールおよび前記第２高圧ポンプに供給する低圧ポンプと、
前記希釈塩水のエネルギーを回収し、回収したエネルギーを前記第２高圧ポンプに供給する、エネルギー回収装置と、を備える、造水システムである。

【0011】

前記エネルギー回収装置は、機械式のエネルギー回収装置であることが好ましい。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、ＲＯ膜モジュールを用いた造水システムにおいて、造水量を増加させると共に、エネルギー消費量の増加を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の一実施形態に係る造水システムの構成を示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

図１に示されるように、本発明の一実施形態に係る造水システムは、基本的に、第１逆浸透（ＲＯ）膜モジュール１１、第１高圧ポンプ３１（ＨＰ１）、第２逆浸透（ＲＯ）膜モジュール１２、第２高圧ポンプ３２（ＨＰ２）、正浸透（ＦＯ）膜モジュール２、低圧ポンプ４（ＢＰ）、および、エネルギー回収装置５（ＥＲＤ）を備えている。

【0015】

本実施形態の造水システムにおいては、第１高圧ポンプ３１によって、海水の浸透圧より高い所定の圧力に昇圧された海水を第１ＲＯ膜モジュール１１に供給し、第１ＲＯ膜１１ａを通過させることで、海水中の塩分等が除去され、淡水が取り出される。また、第２高圧ポンプ３２によって、低浸透圧水（海水より浸透圧が低い液）の浸透圧より高い所定の圧力に昇圧された低浸透圧水を第２ＲＯ膜モジュール１２に供給し、第２ＲＯ膜１２ａを通過させることで、低浸透圧水の塩分、不純物等が除去され、淡水が取り出される。

【0016】

本実施形態の造水システムでは、このようにして、海水および低浸透圧水の両方から、淡水（生産水）が生産されるため、造水量を増加させることができる。以下、本実施形態の造水システムの詳細について説明する。

【0017】

（第１ＲＯ膜モジュール）
本実施形態の造水システムにおいて、海水は、まず、低圧ポンプ（図示せず）により第１高圧ポンプ３１に供給される。

【0018】

次に、第１高圧ポンプ３１により海水が所定の圧力に昇圧され、第１ＲＯ膜モジュール１１へ供給される。ここで、所定の圧力は、海水の浸透圧（約２．５〜３ＭＰａ）より高い圧力であり、例えば、５〜７ＭＰａ程度である。

【0019】

第１ＲＯ膜モジュール１１は、第１高圧ポンプ３１によって所定の圧力に昇圧された海水から第１ＲＯ膜１１ａを介して淡水を分離する。こうして第１ＲＯ膜モジュール１１の第１ＲＯ膜１１ａを透過した淡水（例えば、塩分含量３５０ｍｇ／Ｌ未満）を得ることができる。

【0020】

分離された淡水は、必要により次の精製工程等に送られて生産水となる。残りの濃縮された海水は、濃縮塩水（ブライン）として第１ＲＯ膜モジュール１１から排出され、ＦＯ膜モジュール２の第２室２２に供給される。

【0021】

（第２ＲＯ膜モジュール）
一方、低浸透圧水は、低圧ポンプ４によって、第２高圧ポンプ３２およびＦＯ膜モジュール２の第１室２１に供給される。なお、「低浸透圧水」とは、海水より浸透圧が低い液であり、例えば、海水よりも濃度の低い低濃度塩水（例えば、かん水、汽水）、不純物を含む未処理水（例えば、下水処理水、河川水、工業排水）などが挙げられる。また、低圧ポンプの圧力は、特に限定されないが、第１高圧ポンプおよび第２高圧ポンプより低い圧力である。

【0022】

次に、第２高圧ポンプ３２により低浸透圧水が所定の圧力に昇圧され、第２ＲＯ膜モジュール１２へ供給される。ここで、所定の圧力は、低浸透圧水の浸透圧（例えば、低浸透圧水がかん水である場合は約０．１ＭＰａ、低浸透圧水が下水処理水である場合は０．０５ＭＰａ以下）より高い圧力であり、例えば、０．５〜３ＭＰａ程度である。

【0023】

第２ＲＯ膜モジュール１２は、第２高圧ポンプ３２によって所定の圧力に昇圧された低浸透圧水から第２ＲＯ膜１２ａを介して淡水を分離する。こうして第２ＲＯ膜モジュール１２の第２ＲＯ膜１２ａを透過し、塩分、不純物等が除去された淡水を得ることができる。

【0024】

分離された淡水は、必要により次の精製工程等に送られて生産水となる。残りの濃縮された低浸透圧水は、第２ＲＯ膜モジュール１２から排出され、排水処理が施された後に河川等に排出される。

【0025】

なお、ＲＯ膜（第１ＲＯ膜１１ａ，第２ＲＯ膜１２ａ）およびＦＯ膜２ａ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、図１では、ＲＯ膜およびＦＯ膜として平膜を簡略化して描いているが、特にこのような形状に限定されるものではない。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、逆浸透および正浸透の効率を高めることができる点で有利である。

【0026】

ＲＯ膜およびＦＯ膜の材質としては、特に限定されないが、例えば、酢酸セルロース、ポリアミドまたはポリスルホンが挙げられる。

【0027】

また、ＲＯ膜モジュール（第１ＲＯ膜モジュール１１，第２ＲＯ膜モジュール１２）およびＦＯ膜モジュール２の形態としては、特に限定されないが、中空糸膜を用いる場合は、中空糸膜をストレート配置したモジュールや、中空糸膜を芯管に巻きつけたクロスワインド型モジュールなどが挙げられる。平膜を用いる場合は、平膜を積み重ねた積層型モジュールや、平膜を封筒状として芯管に巻きつけたスパイラル型モジュールなどが挙げられる。

【0028】

（ＦＯ膜モジュール）
ＦＯ膜モジュール２は、正浸透膜（半透膜）２ａと、正浸透膜２ａで仕切られた第１室２１および第２室２２を有している。

【0029】

上述のとおり、ＦＯ膜モジュール２の第２室２２には、第１ＲＯ膜モジュール１１から排出された濃縮塩水が供給される。一方、ＦＯ膜モジュール２の第１室２１には、低圧ポンプ４によって、低浸透圧水が供給される。これにより、第２室２２内の濃縮塩水は、正浸透現象により正浸透膜２ａを介して第１室２１側から供給される水によって希釈され、希釈塩水（希釈された濃縮塩水）が第２室２２の流出口から排出される。

【0030】

このようにして、ＦＯ膜モジュール２では、濃縮塩水が水によって希釈され、増量された（圧力が高められた）希釈塩水となる。

【0031】

ＦＯ膜モジュール２の第２室２２から排出される希釈塩水は、次のエネルギー回収装置（ＥＲＤ）５に供給される。なお、ＥＲＤ５でエネルギーが回収された後の希釈塩水は、排水処理が施された後、海洋へ排出される。

【0032】

（エネルギー回収装置）
エネルギー回収装置（ＥＲＤ）５は、ＦＯ膜モジュール２において増量された（圧力が高められた）希釈塩水のエネルギーを回収する。そして、ＥＲＤ５によって回収されたエネルギーは、図１に点線で示されるように、第２高圧ポンプ３２に供給される。

【0033】

なお、エネルギーを第２高圧ポンプ３２に供給するとは、例えば、第２高圧ポンプに直接、動力、電力等のエネルギーを伝達（供給）することである。ただし、第２高圧ポンプ３２の下流側（第２ＲＯ膜モジュール１２の上流側）の低浸透圧水にエネルギーを伝達（供給）し、第２高圧ポンプの負担を軽減することで、間接的にエネルギーを第２高圧ポンプ３２に供給してもよい。

【0034】

本実施形態においては、システム全体の造水量を増加させると共に、ＥＲＤ５によって回収されたエネルギーを、エネルギー消費量の増加要因となる第２高圧ポンプ３２に供給することで、造水システム全体のエネルギー消費量の増加を抑制することができる。

【0035】

エネルギー回収装置（ＥＲＤ）としては、例えば、機械式のＥＲＤ、または、電気式のＥＲＤが挙げられる。

【0036】

機械式のＥＲＤは、塩水のエネルギーを機械的に回収する装置である。機械式のＥＲＤとしては、例えば、動力伝達式ＥＲＤまたは圧力伝達式ＥＲＤが挙げられる。

【0037】

動力伝達式ＥＲＤは、希釈塩水の流量（圧力）エネルギー等を動力として回収する装置である。動力伝達式ＥＲＤとしては、例えば、ターボチャージャー、または、高圧ポンプの駆動軸と同軸上に結合された水車が挙げられる。

【0038】

圧力伝達式ＥＲＤ（Pressure Exchanger）は、希釈塩水の圧力を低浸透圧水の圧力に変換する装置である。

【0039】

電気式のＥＲＤは、電気としてエネルギーを回収する装置である。電気式のＥＲＤとしては、タービン等を用いた水流発電機などが挙げられる。

【0040】

機械式のＥＲＤは、電気式のＥＲＤよりもエネルギー変換ロスが少なく、エネルギー回収効率が高いという利点がある。したがって、ＥＲＤとして機械式のＥＲＤを採用することにより、高圧ポンプ等の消費動力をより削減することができる。

【0041】

一方、電気式のＥＲＤは、発電した電気を高圧ポンプ等へ配線を介して供給すればよく、電気を他の施設へ供給することもできるため、設計の自由度が高いという利点がある。

【0042】

ＦＯ膜モジュール２の第２室２２から排出される希釈塩水は、高い流量（圧力）エネルギーを有している。このため、例えば、ＥＲＤとしてターボチャージャーを用いる場合、希釈塩水をターボチャージャーの一方側へ送ることで、希釈塩水からターボチャージャーの他方側の低浸透圧水へ動力としてエネルギーを伝達することができる。これにより、ターボチャージャーによって低浸透圧水を昇圧させることができ、ＥＲＤによって、希釈塩水の流量（圧力）エネルギーを利用して、第２高圧ポンプ３２の消費動力を低減させることができる。

【0043】

なお、一般に、ターボチャージャーは、高圧ポンプの駆動軸と同軸上に結合された水車などに比べて、処理可能な流量範囲が広いため、大量処理に適しているという利点がある。

【0044】

また、ＥＲＤとして、第２高圧ポンプ３２の駆動軸（モータ軸）と同軸上に結合された水車を用いる場合、水車としては、緩衝水車、反動水車などを用いることができる。緩衝水車としては、例えば、ペルトン水車、ターゴインパルス水車、クロスフロー水車などが挙げられる。これらの中でも、回収効率やメンテナンスの容易性の観点から、ペルトン水車を用いることが好ましい。

【0045】

なお、第２高圧ポンプ３２と水車（ＥＲＤ５）との間にクラッチを設けてもよい。これにより、造水システムを始動してから定常状態に至る初期状態において、クラッチを切ることで、初期状態においても水車が第２高圧ポンプ３２の負荷とならないようにすることができる。

【0046】

また、圧力伝達式ＥＲＤは、ＦＯ膜モジュール２の第２室２２から排出された希釈塩水の流れ圧力のエネルギーを回収し、回収したエネルギーを第２高圧ポンプ３２に供給する。具体的には、例えば、希釈塩水の流れ圧力の一部が、第２高圧ポンプ３２の上流側と下流側を接続する分岐流路（図示せず）内の低浸透圧水に圧力として伝達され、第２高圧ポンプ３２の負荷を低減することができる。

【0047】

圧力伝達式ＥＲＤは、一般に動力伝達式ＥＲＤよりも変換ロスが小さくエネルギー回収効率に優れている。なお、圧力伝達式ＥＲＤで昇圧された低浸透圧水は、必要に応じて、ブースターポンプを用いて第２高圧ポンプ３２によって昇圧された低浸透圧水と同じ圧力まで昇圧される。

【0048】

上述のＦＯ膜モジュール２およびエネルギー回収装置５により、第１ＲＯ膜モジュール１１から排出された濃縮塩水の流量（圧力）エネルギーおよび浸透圧エネルギーを回収することができる。回収したエネルギーを用いて、第２高圧ポンプ３２の消費エネルギーを低減し、造水システムの消費エネルギーを低減することができる。

【0049】

なお、ＥＲＤで回収したエネルギーを第２高圧ポンプ３２だけでなく、第１高圧ポンプ３１等に供給してもよい。

【符号の説明】

【0050】

１１ 第１逆浸透膜モジュール（第１ＲＯ膜モジュール）、１１ａ 第１逆浸透膜（第１ＲＯ膜）、１２ 第２逆浸透膜モジュール（第２ＲＯ膜モジュール）、１２ａ 第２逆浸透膜（第２ＲＯ膜）、２ 正浸透膜モジュール（ＦＯ膜モジュール）、２ａ 正浸透膜（ＦＯ膜）、２１ 第１室、２２ 第２室、３１ 第１高圧ポンプ、３２ 第２高圧ポンプ、４ 低圧ポンプ、５ エネルギー回収装置（ＥＲＤ）。

【図1】