特開 2022-143099 海水淡水化装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022143099

(43)【公開日】2022-10-03

(54)【発明の名称】海水淡水化装置

(51)【国際特許分類】

   C02F 1/22 20060101AFI20220926BHJP

【ＦＩ】

C02F1/22 D

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021043440

(22)【出願日】2021-03-17

(71)【出願人】

【識別番号】504145308

【氏名又は名称】国立大学法人 琉球大学

(71)【出願人】

【識別番号】899000079

【氏名又は名称】慶應義塾

(71)【出願人】

【識別番号】592009281

【氏名又は名称】株式会社ＩＨＩプラント

(74)【代理人】

【識別番号】110000936

【氏名又は名称】特許業務法人青海特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】安田 啓太

(72)【発明者】

【氏名】宜保 あかり

(72)【発明者】

【氏名】大村 亮

(72)【発明者】

【氏名】矢島 智美

(72)【発明者】

【氏名】中村 至高

(72)【発明者】

【氏名】秋吉 亮

(72)【発明者】

【氏名】吉村 逸人

(72)【発明者】

【氏名】中村 亮

(72)【発明者】

【氏名】戸村 重男

【テーマコード（参考）】

4D037

【Ｆターム（参考）】

4D037AA06

4D037AB18

4D037BA21

4D037BB01

4D037BB02

4D037BB06

4D037BB09

4D037CA02

4D037CA03

4D037CA06

(57)【要約】

【課題】淡水の回収率を向上させる。
【解決手段】海水淡水化装置１００は、海水と二酸化炭素とを混合して混合液を生成する混合部２１０と、二酸化炭素ハイドレートおよび結晶塩化物の共晶温度に混合液を冷却して、二酸化炭素ハイドレート、結晶塩化物、および、塩水を含む固気液混合物を生成する生成部２２０と、固気液混合物を、二酸化炭素ハイドレートと、結晶塩化物と、塩水とに分離する分離部４１０と、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

海水と二酸化炭素とを混合して混合液を生成する混合部と、
二酸化炭素ハイドレートおよび結晶塩化物の共晶温度に前記混合液を冷却して、前記二酸化炭素ハイドレート、前記結晶塩化物、および、塩水を含む固気液混合物を生成する生成部と、
前記固気液混合物を、前記二酸化炭素ハイドレートと、前記結晶塩化物と、前記塩水とに分離する分離部と、
を備える海水淡水化装置。

【請求項2】

前記分離部によって分離された前記二酸化炭素ハイドレートを加熱して、二酸化炭素と水とに分解する分解部を備える請求項１に記載の海水淡水化装置。

【請求項3】

前記生成部は、前記混合液と冷媒とを熱交換させ、
前記分解部は、前記生成部において熱交換された前記冷媒と、前記二酸化炭素ハイドレートとを熱交換させる請求項２に記載の海水淡水化装置。

【請求項4】

前記分離部によって分離された前記塩水を前記混合部に返送する返送ポンプを備える請求項１から３のいずれか１項に記載の海水淡水化装置。

【請求項5】

前記塩水より塩化ナトリウム濃度が低い淡水を前記分離部に供給して、前記塩水の層の上方に前記淡水の層を形成する淡水供給部を備える請求項１から４のいずれか１項に記載の海水淡水化装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、海水を淡水化する海水淡水化装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、海水を淡水化する技術として、多段フラッシュ（MSF: Multi-Stage Flash）法が利用されている。多段フラッシュ法は、海水を加熱して水を蒸発（フラッシュ）させ、蒸発した水（水蒸気）を冷却して凝縮する工程を複数回実行する。このため、多段フラッシュ法は、加熱に要する熱エネルギーが莫大となり、また、凝縮によって外部に廃棄される熱エネルギーも莫大となる。したがって、多段フラッシュ法は、加熱に要するコストが嵩むだけでなく、地球温暖化の要因ともなっている。

【0003】

そこで、逆浸透膜に高圧の海水を通過させる逆浸透（RO: Reverse Osmosis）法が開発されている（例えば、特許文献１）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０２０－２０３２５８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上記逆浸透法では、淡水の回収率が３０％程度と低い。そこで、淡水の回収率を向上できる技術の開発が希求されている。

【0006】

本発明は、このような課題に鑑み、淡水の回収率を向上させることが可能な海水淡水化装置を提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記課題を解決するために、本発明に係る海水淡水化装置は、海水と二酸化炭素とを混合して混合液を生成する混合部と、二酸化炭素ハイドレートおよび結晶塩化物の共晶温度に混合液を冷却して、二酸化炭素ハイドレート、結晶塩化物、および、塩水を含む固気液混合物を生成する生成部と、固気液混合物を、二酸化炭素ハイドレートと、結晶塩化物と、塩水とに分離する分離部と、を備える。

【0008】

また、上記海水淡水化装置は、分離部によって分離された二酸化炭素ハイドレートを加熱して、二酸化炭素と水とに分解する分解部を備えてもよい。

【0009】

また、生成部は、混合液と冷媒とを熱交換させ、分解部は、生成部において熱交換された冷媒と、二酸化炭素ハイドレートとを熱交換させてもよい。

【0010】

また、上記海水淡水化装置は、分離部によって分離された塩水を混合部に返送する返送ポンプを備えてもよい。

【0011】

また、上記海水淡水化装置は、塩水より塩化ナトリウム濃度が低い淡水を分離部に供給して、塩水の層の上方に淡水の層を形成する淡水供給部を備えてもよい。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、淡水の回収率を向上させることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】海水淡水化装置の概略的な構成を説明する図である。

【図2】前処理部の概略的構成を説明する図である。

【図3】混合部、生成部、および、冷媒冷却部の概略的構成を説明する図である。

【図4】分離部の概略的構成を説明する図である。

【図5】分解部の概略的構成を説明する図である。

【図6】精製部の概略的構成を説明する図である。

【図7】塩水中の塩化ナトリウム濃度と、ハイドレートの生成温度および氷結温度との関係を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易にするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

【0015】

［海水淡水化装置１００］
図１は、海水淡水化装置１００の概略的な構成を説明する図である。なお、図１中、実線の矢印は、海水、固気液混合物ＳＬ、二酸化炭素ハイドレートＨ、分解水、混合ガスＭＧ、および、循環塩水Ｊの流れを示す。また、図１中、破線の矢印は、冷媒の流れを示す。図１に示すように、海水淡水化装置１００は、前処理部１１０と、混合部２１０と、生成部２２０と、冷媒冷却部３１０と、分離部４１０と、冷熱回収部５１０と、分解部６１０と、精製部７１０と、中央制御部８１０とを含む。

【0016】

前処理部１１０は、海水から夾雑物を取り除く。混合部２１０は、海水と混合ガスＭＧとを混合する。冷媒冷却部３１０は、冷媒を冷却する。生成部２２０は、海水および混合ガスＭＧの混合液を冷媒で冷却して、二酸化炭素ハイドレートＨおよび結晶塩化物を生成する。分離部４１０は、生成部２２０によって生成された固気液混合物ＳＬから二酸化炭素ハイドレートＨおよび結晶塩化物を分離する。冷熱回収部５１０は、二酸化炭素ハイドレートＨの冷熱を海水で回収して、混合部２１０に導く。分解部６１０は、二酸化炭素ハイドレートＨを水と混合ガスＭＧに分解する。精製部７１０は、二酸化炭素ハイドレートＨが分解することによって得られる分解水（水）を生成する。

【0017】

中央制御部８１０は、ＣＰＵ（中央処理装置）を含む半導体集積回路で構成される。中央制御部８１０は、ＲＯＭ（Read Only Memory：読み出し専用メモリ）からＣＰＵ自体を動作させるためのプログラムやパラメータ等を読み出す。中央制御部８１０は、プログラム、ワークエリアとしてのＲＡＭ（Random Access Memory：読み書き可能なメモリ）や他の電子回路と協働して海水淡水化装置１００全体を管理および制御する。

【0018】

以下、前処理部１１０、混合部２１０、生成部２２０、冷媒冷却部３１０、分離部４１０、冷熱回収部５１０、分解部６１０、精製部７１０について詳述する。

【0019】

［前処理部１１０］
図２は、前処理部１１０の概略的構成を説明する図である。図２中、実線の矢印は、海水および淡水の流れを示す。

【0020】

図２に示すように、前処理部１１０は、粗精製部１１２と、海水昇圧ポンプ１１４と、逆浸透膜濾過器１１６と、浄水精製部１１８と、海水供給管１２０とを含む。

【0021】

粗精製部１１２は、海水（例えば、２℃以上２８℃以下）の夾雑物を除去するとともに、海水を殺菌する。粗精製部１１２は、例えば、フィルタおよび殺菌灯で構成される。

【0022】

海水昇圧ポンプ１１４の吸入側は、粗精製部１１２に接続される。海水昇圧ポンプ１１４の吐出側は、逆浸透膜濾過器１１６に接続される。海水昇圧ポンプ１１４は、粗精製部１１２によって夾雑物が取り除かれ、殺菌された海水を昇圧して（例えば、５．６ＭＰａ）、逆浸透膜濾過器１１６に導く。

【0023】

逆浸透膜濾過器１１６は、海水から淡水を一部（海水昇圧ポンプ１１４から導かれた海水の約３０％）回収する。回収された淡水は、浄水精製部１１８に導かれる。浄水精製部１１８は、淡水を浄化する。浄化された淡水は、飲料水等として利用される。

【0024】

一方、逆浸透膜濾過器１１６において、淡水が一部回収された海水（海水昇圧ポンプ１１４から導かれた海水の約７０％）は、例えば、２．７ＭＰａに減圧され、海水供給管１２０を通じて混合部２１０に導かれる。海水供給管１２０は、逆浸透膜濾過器１１６と混合部２１０とを接続する配管である。海水供給管１２０には、安全弁１２４、流量調整弁１２６、および、冷熱回収部５１０が設けられる。

【0025】

［混合部２１０］
図３は、混合部２１０、生成部２２０、および、冷媒冷却部３１０の概略的構成を説明する図である。図３中、実線の矢印は、海水、固気液混合物ＳＬ、二酸化炭素ハイドレートＨ、混合ガスＭＧ、および、循環塩水Ｊの流れを示す。また、図３中、破線の矢印は、冷媒の流れを示す。

【0026】

図３に示すように、海水は、海水供給管１２０を通じて、前処理部１１０から混合部２１０に導かれる。また、海水は、海水供給管１２０の通過過程において、後述する冷熱回収部５１０によって冷却される。混合ガスＭＧは、ゲスト供給管４３２を通じて、分離部４１０から混合部２１０に導かれる。混合ガスＭＧは、二酸化炭素および窒素からなる。混合ガスＭＧ中の二酸化炭素濃度は、例えば、９８ｍｏｌ％であり、窒素濃度は、例えば、２ｍｏｌ％である。循環塩水Ｊは、循環塩水供給管４４２を通じて、分離部４１０から混合部２１０に導かれる。

【0027】

混合部２１０は、海水と、混合ガスＭＧと、循環塩水Ｊ（－１３．６℃）とを混合（気液混合）する。混合部２１０は、例えば、螺旋型のライン混合器（流体の流れで回転し流体が撹拌される混合器）である。混合部２１０は、液相（海水）において混合ガスＭＧの気泡（例えば、粒径１０μｍ以上４０μｍ以下のマイクロバブル）が実質的に均等に分布するようなミキサーで構成される。混合部２１０内の圧力は、例えば、２．７ＭＰａである。混合部２１０は、海水供給管１２０から導かれた海水と、後述する分離部４１０から導かれた混合ガスＭＧと循環塩水Ｊとを混合する。

【0028】

そうすると、混合ガスＭＧに含まれる二酸化炭素と、海水に含まれる水とによって、二酸化炭素ハイドレートＨが生成される。二酸化炭素と水（海水）とのハイドレート生成反応は、気液界面で進行する。したがって、混合部２１０が、混合ガスＭＧのマイクロバブルを海水と混合することにより、混合ガスＭＧと海水との接触面積を大きくすることができ、ハイドレート生成反応を促進させることが可能となる。

【0029】

また、ハイドレート生成反応は、発熱反応である。したがって、混合部２１０が混合ガスＭＧと海水との接触面積を大きくすることにより、反応熱を効率よく除去することができる。これにより、ハイドレート生成反応を促進させることが可能となる。

【0030】

また、分離部４１０から導かれる循環塩水Ｊの量は、前処理部１１０から導かれる海水の５倍以上１０倍以下である。後述する生成部２２０において、混合部２１０で生成された固気液混合物ＳＬを冷却すると、迅速に二酸化炭素ハイドレートＨが生成される。そうすると、固気液混合物ＳＬ中の水が減少して塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）の濃度が上昇する。塩化ナトリウムの濃度が共晶濃度（例えば、２４．５質量％）に達すると、塩化ナトリウム二水和物（ＮａＣｌ・２Ｈ_２Ｏ、結晶塩化物）が析出する。そこで、循環塩水Ｊの量を海水の５倍以上１０倍以下とすることにより、生成部２２０において、生成される固体量（二酸化炭素ハイドレートＨおよび塩化ナトリウム二水和物）を１０質量％以下とすることができる。これにより、固気液混合物送出管２２２の閉塞を防止することが可能となる。

【0031】

［生成部２２０］
生成部２２０内の圧力は、例えば、２．７ＭＰａである。生成部２２０は、固気液混合物送出管２１２を通じて混合部２１０から導かれた固気液混合物ＳＬを、二酸化炭素ハイドレートＨおよび結晶塩化物の共晶温度（圧力が２．７ＭＰａの場合、－９．６℃）に冷却する。本実施形態において、生成部２２０は、固気液混合物ＳＬと冷媒とを熱交換させる熱交換器である。生成部２２０は、固気液混合物ＳＬを冷却し、冷媒を加熱する。生成部２２０によって冷却されることで、固気液混合物ＳＬにおいてハイドレート生成反応がさらに進行する。これにより、生成部２２０において、さらに二酸化炭素ハイドレートＨが生成される。生成部２２０によって生成された、二酸化炭素ハイドレートＨ、混合ガスＭＧ、結晶塩化物、および、共晶濃度の塩水を含む固気液混合物ＳＬは、固気液混合物送出管２２２を通じて分離部４１０に導かれる。

【0032】

また、生成部２２０の長さ（固気液混合物ＳＬの通過な長さ）は、例えば、６０ｍ以上８０ｍ以下である。これにより、二酸化炭素ハイドレートＨの生成率を８０％以上とすることができる。

【0033】

［冷媒冷却部３１０］
冷媒冷却部３１０は、バッファタンク３２０と、冷媒圧縮機３３０と、冷却器３４０と、バッファタンク３５０とを備える。

【0034】

バッファタンク３２０は、冷媒返送管３２２を通じて生成部２２０に接続される。また、バッファタンク３２０は、冷媒返送管３２４を通じて分離部４１０に接続される。バッファタンク３２０は、冷媒返送管３２２を通じて生成部２２０から導かれる気体状態の冷媒、および、冷媒返送管３２４を通じて分離部４１０から導かれる気体状態の冷媒を貯留する。冷媒冷却部３１０は、バッファタンク３２０を備えることにより、冷媒圧縮機３３０の吸入圧の変動、および、吸入量の変動を抑えることができる。

【0035】

冷媒圧縮機３３０の吸入側は、バッファタンク３２０に接続される。冷媒圧縮機３３０の吐出側は、冷却器３４０および分解部６１０に接続される。冷媒圧縮機３３０は、冷媒を昇圧する。冷媒圧縮機３３０によって圧縮された冷媒は、冷却器３４０および分解部６１０に導かれる。

【0036】

冷却器３４０は、冷媒圧縮機３３０によって昇圧された冷媒を冷却して凝縮する。冷却器３４０は、例えば、空冷装置、または、水冷装置で構成される。

【0037】

バッファタンク３５０は、冷却器３４０によって凝縮された冷媒（液体）、および、分解部６１０において凝縮された冷媒（液体）を貯留する。冷媒冷却部３１０は、バッファタンク３５０を備えることにより、冷媒（液体）の脈動（流量の変動、および、圧力の変動）を吸収することができる。

【0038】

冷媒供給管３６０は、冷媒圧縮機３３０の吐出側と分解部６１０（分解熱交換器６２２）とを接続する。冷媒供給管３６０には、流量調整弁３６２が設けられる。中央制御部８１０は、後述する分解部６１０の分解熱交換器６２２を通過する冷媒によって二酸化炭素ハイドレートＨが分解されるように、流量調整弁３６２の開度を調整する。冷媒返送管３６４は、分解部６１０とバッファタンク３５０とを接続する。

【0039】

冷媒供給管３７０は、バッファタンク３５０と生成部２２０とを接続する。冷媒供給管３７０には、流量調整弁３７２が設けられる。中央制御部８１０は、生成部２２０における固気液混合物ＳＬの温度が共晶温度（－９．６℃）となるように、流量調整弁３７２の開度を調整する。

【0040】

冷媒供給管３８０は、バッファタンク３５０と分離部４１０とを接続する。冷媒供給管３８０には、流量調整弁３８２が設けられる。中央制御部８１０は、後述する分離部４１０の固気液分離器４１２における固気液混合物ＳＬの温度が共晶温度（例えば、－９．６℃）となるように、流量調整弁３８２の開度を調整する。

【0041】

［分離部４１０］
図４は、分離部４１０の概略的構成を説明する図である。図４中、実線の矢印は、液体、および、固体の流れを示す。図４中、破線の矢印は、気体の流れを示す。図４中、一点鎖線の矢印は、冷媒の流れを示す。また、図４中、破線は、塩水と淡水との界面を示し、一点鎖線は、淡水と気相（混合ガスＭＧ）との界面を示す。

【0042】

図４に示すように、分離部４１０は、固気液分離器４１２と、熱交換器４２０と、脱水機４２２と、乾燥機４２４と、循環圧縮機４３０と、返送ポンプ４４０と、遊離水希釈器４５０と、脱水機４６０と、ゲスト供給部４７０とを含む。

【0043】

固気液分離器４１２は、円筒形状の容器である。固気液分離器４１２は、大径部４１２ａ、縮径部４１２ｂ、小径部４１２ｃを含む。大径部４１２ａは、円筒形状である。縮径部４１２ｂは、大径部４１２ａの上端に連続する。縮径部４１２ｂは、下端から上端に向かうに従って径が漸減する。小径部４１２ｃは、縮径部４１２ｂの上端に連続する。小径部４１２ｃは、大径部４１２ａよりも小径である。

【0044】

大径部４１２ａの内部には、噴出部４１４が設けられる。噴出部４１４は、混合ガスＭＧを噴出する。

【0045】

固気液混合物送出管２２２は、生成部２２０と、固気液分離器４１２（大径部４１２ａ）における噴出部４１４の下方とを接続する。したがって、生成部２２０から導かれた固気液混合物ＳＬは、固気液分離器４１２における噴出部４１４の下方に供給される。

【0046】

熱交換器４２０は、大径部４１２ａ内の固気液混合物ＳＬを共晶温度（例えば、－９．６℃）に冷却する。熱交換器４２０には、冷媒供給管３８０および冷媒返送管３２４が接続される。熱交換器４２０は、冷媒冷却部３１０から導かれた冷媒と固気液混合物ＳＬとを熱交換して、固気液混合物ＳＬを冷却する。これにより、大径部４１２ａ内において、ハイドレート生成反応がさらに促進される。そして、固気液混合物ＳＬの温度が共晶温度（例えば、－９．６℃）となると、固気液混合物ＳＬに含まれる塩水における塩化ナトリウムの濃度が共晶濃度（例えば、２４．５質量％）に到達し、結晶塩化物が析出する。

【0047】

そして、固気液分離器４１２内において、固気液混合物ＳＬが、二酸化炭素ハイドレートＨと、結晶塩化物と、塩水とに比重差で分離される。具体的に説明すると、二酸化炭素ハイドレートＨの比重は、１．１５である。また、塩水の比重は、１．２０である。結晶塩化物の比重は、１．６９である。なお、詳しくは後述するが、固気液分離器４１２には、塩水よりも塩化ナトリウム濃度が低い淡水（比重１．０）が供給される。このため、塩水と淡水とが比重差で分離される。つまり、固気液分離器４１２内において、塩水で構成される下層、淡水で構成される上層（－５℃以上０℃以下）、淡水の上方に位置する気相が形成される。なお、本実施形態において、上層と下層との界面（図４中、破線で示す）が、小径部４１２ｃに形成されるように、固気液分離器４１２が設計される。

【0048】

したがって、固気液分離器４１２において、二酸化炭素ハイドレートＨは、淡水（上層）と塩水（下層）との界面上（図４中、破線で示す）に浮上し、結晶塩化物は、塩水中に沈降する。なお、二酸化炭素ハイドレートＨの約４％は、淡水（上層）に位置し、約９６％は、塩水中に位置する。また、二酸化炭素ハイドレートＨには、未反応の微小な気泡が付着するため、二酸化炭素ハイドレートＨの見かけの比重は軽くなる。したがって、二酸化炭素ハイドレートＨは、４％以上、上層（淡水）に位置することになる。なお、固気液分離器４１２内において、二酸化炭素ハイドレートＨの遊離水（随伴水）が、塩水から淡水に十分に置換される程度に、上層における二酸化炭素ハイドレートＨの滞留時間が長くなるように、固気液分離器４１２は設計される。

【0049】

そして、不図示の液面計（比重計）によって、淡水で構成される上層に浮上した二酸化炭素ハイドレートＨの位置が検出され、上層に位置する二酸化炭素ハイドレートＨ（－５℃以上０℃以下）は、小径部４１２ｃに設けられた排出ノズルを通じて、遊離水希釈器４５０に導かれる。このため、二酸化炭素ハイドレートＨには、塩水がほとんど随伴されず、淡水が随伴されることになる。これにより、後段の分解部６１０において生成される水の塩化ナトリウム濃度を低減することができる。

【0050】

なお、混合ガスＭＧは、二酸化炭素に加えて、水への溶解度が極めて小さい窒素を少量含む。このため、二酸化炭素が、二酸化炭素ハイドレートＨの生成条件（温度、圧力、二酸化炭素成分率）以内にある限り、二酸化炭素ハイドレートＨが生成され続ける。つまり、混合ガスＭＧ中の二酸化炭素がハイドレート生成限界分率に低下するまで、二酸化炭素は二酸化炭素ハイドレートＨに転化する。

【0051】

二酸化炭素ハイドレートＨの生成反応は、二酸化炭素と水との気液界面の気相中で進行し、また、生成された二酸化炭素ハイドレートＨは、反応場から分離される。このため、二酸化炭素ハイドレートＨの生成条件下において、二酸化炭素ハイドレートＨは連続的に析出され、気相中の二酸化炭素濃度は、ハイドレート生成限界濃度まで低下する。

【0052】

残存した二酸化炭素は、二酸化炭素ハイドレートＨに転化しない水に平衡溶解する。このため、後述する返送ポンプ４４０によって塩水が混合部２１０に返送されると、塩水中に溶解する二酸化炭素濃度は、ハイドレート生成限界濃度と略平衡した溶解濃度に収束する。したがって、固気液分離器４１２から排出される二酸化炭素ハイドレートＨおよび随伴水中の二酸化炭素濃度は、この溶解濃度となる。

【0053】

一方、沈降した結晶塩化物は、脱水機４２２によって脱水される。脱水機４２２によって脱水された結晶塩化物は、乾燥機４２４で乾燥される。一方、脱水機４２２によって生じた塩水は、海水供給管１２０を通じて、混合部２１０に返送される。乾燥機４２４によって乾燥された結晶塩化物（塩化ナトリウム）は、製品として出荷される。

【0054】

また、脱水機４２２と海水供給管１２０とを接続する配管には、流量調整弁４２６が設けられる。中央制御部８１０は、脱水機４２２の脱水効率を維持するように、流量調整弁４２６の開度を調整する。

【0055】

また、固気液分離器４１２内で分離された、未反応の混合ガスＭＧは、循環圧縮機４３０によって混合部２１０および噴出部４１４に返送される。

【0056】

循環圧縮機４３０の吸入側は、固気液分離器４１２における小径部４１２ｃの上部に接続される。循環圧縮機４３０の吐出側は、アキュムレータ４３０ａを介して、ゲスト供給管４３２に接続される。ゲスト供給管４３２は、循環圧縮機４３０と混合部２１０とを接続する配管である。ゲスト供給管４３２には、流量調整弁４３４が設けられる。中央制御部８１０は、固気液分離器４１２内の物質収支を等しくすべく、注入された淡水量と海水中の未反応の水の合計量がプラスとなるように（つまり、固気液分離器４１２内において、水がすべて二酸化炭素ハイドレートＨとならないように）、流量調整弁４３４の開度を調整する。混合部２１０、生成部２２０、および、固気液分離器４１２における、二酸化炭素ハイドレートＨの転化率は、８０％以上９０％以下である。このため、１０％以上２０％以下の未反応の水が淡水とともに遊離水希釈器４５０に排出される。したがって、中央制御部８１０は、固気液分離器４１２内の噴出部４１４の上方の塩水の層の比重が一定になるように、流量調整弁４３４の開度を調整する。

【0057】

ゲスト循環管４３６は、ゲスト供給管４３２における流量調整弁４３４と混合部２１０との間と、噴出部４１４とを接続する配管である。ゲスト循環管４３６には、流量調整弁４３８が設けられる。

【0058】

固気液混合物送出管２２２から導かれる固気液混合物ＳＬは、共晶温度（－９．６℃）となっているため、二酸化炭素ハイドレートＨがこのまま上昇して淡水の層（上層）に到達すると、淡水の層が氷結してしまう。そこで、噴出部４１４を通じて、混合ガスＭＧを固気液分離器４１２に供給することで、固気液分離器４１２において二酸化炭素ハイドレートＨの生成反応をさらに促進する。これにより、二酸化炭素ハイドレートＨの反応熱によって、淡水の層の温度を－５℃以上０℃以下に維持することができる。中央制御部８１０は、固気液分離器４１２に導かれる混合ガスＭＧの量が、上層の温度を－５℃以上０℃以下にするために必要な量（例えば、約１０％）となるように、流量調整弁４３８の開度を調整する。

【0059】

なお、上層に位置する二酸化炭素ハイドレートＨは、一部分解されるが、噴出部４１４から供給された混合ガスＭＧによって生成される二酸化炭素ハイドレートＨで補填される。

【0060】

また、噴出部４１４から混合ガスＭＧを噴出させることにより、上層の二酸化炭素ハイドレートＨを振動させることができる。これにより、二酸化炭素ハイドレートＨの遊離水の淡水への置換を促進させることが可能となる。

【0061】

また、固気液分離器４１２内で分離された塩水（例えば、－９．６℃）は、返送ポンプ４４０によって混合部２１０に返送される。返送ポンプ４４０の吸入側は、固気液分離器４１２における噴出部４１４の下方に接続される。返送ポンプ４４０の吐出側は、循環塩水供給管４４２に接続される。循環塩水供給管４４２は、返送ポンプ４４０と混合部２１０とを接続する配管である。循環塩水供給管４４２は、流量調整弁４４４が設けられる。中央制御部８１０は、混合部２１０に導かれる塩水（循環塩水Ｊ）の量が、海水の５倍以上１０倍以下となるように、流量調整弁４４４の開度を調整する。

【0062】

遊離水希釈器４５０には、二酸化炭素ハイドレートＨと、二酸化炭素ハイドレートＨに随伴される淡水および塩水とが導かれる。遊離水希釈器４５０は、比重差によって、二酸化炭素ハイドレートＨと、塩化ナトリウム濃度が低い塩水（以下、「薄い塩水」とする）とを分離する。

【0063】

遊離水希釈器４５０内において、薄い塩水は、上層に滞留する。また、二酸化炭素ハイドレートＨと、遊離水（塩化ナトリウム濃度が高い塩水（以下、「濃い塩水」とする））との混合物は、下層に滞留する。

【0064】

不図示の液面計（比重計）は、薄い塩水の層と、二酸化炭素ハイドレートＨの層との界面を検知する。滞留水排出ポンプ４５２（淡水供給部）は、遊離水希釈器４５０内における薄い塩水の層と、二酸化炭素ハイドレートＨの層との界面が一定位置になるように、薄い塩水を吸引する。吸引された薄い塩水の一部は、三方弁４５４を通じて、海水供給管１２０に導かれる。また、吸引された薄い塩水の残部は、接続管４５６、三方弁４５８を通じて、遊離水希釈器４５０と、固気液分離器４１２に返送される。

【0065】

一方、脱水機４６０は、遊離水希釈器４５０内における薄い塩水の層と、二酸化炭素ハイドレートＨの層との界面が一定位置になるように、二酸化炭素ハイドレートＨおよび遊離水を吸引し、落圧（０．０７ＭＰａ程度）するとともに、脱水する。脱水機４６０は、例えば、随伴水を３０質量％以下にする。脱水機４６０によって脱水された二酸化炭素ハイドレートＨは、冷熱回収部５１０に導かれる。一方、脱水機４６０で生じた随伴水（濃い塩水）は、海水供給管１２０に返送される。なお、脱水機４６０と海水供給管１２０とを接続する配管には、流量調整弁４６２が設けられる。中央制御部８１０は、脱水機４６０の脱水効率を維持するように、流量調整弁４６２の開度を調整する。

【0066】

ゲスト供給部４７０は、混合ガスＭＧを固気液分離器４１２に導く。ゲスト供給部４７０は、窒素ボンベ４７２と、二酸化炭素ボンベ４７４と、ゲスト供給管４７６と、窒素供給管４７８とを含む。窒素ボンベ４７２は、窒素を貯蔵する。二酸化炭素ボンベ４７４は、二酸化炭素を貯蔵する。ゲスト供給管４７６は、二酸化炭素ボンベ４７４と、固気液分離器４１２の小径部４１２ｃの気相が形成される箇所とを接続する配管である。ゲスト供給管４７６には、安全弁４７６ａ、流量調整弁４７６ｂが設けられる。窒素供給管４７８は、窒素ボンベ４７２と、ゲスト供給管４７６における流量調整弁４７６ｂと、固気液分離器４１２との間とを接続する配管である。窒素供給管４７８には、安全弁４７８ａ、流量調整弁４７８ｂが設けられる。

【0067】

［冷熱回収部５１０］
冷熱回収部５１０は、脱水された二酸化炭素ハイドレートＨ（－５℃以上０℃以下）と、海水供給管１２０を通過する海水（２℃以上２８℃以下）とを熱交換させる。これにより、海水が４℃程度に冷却される。したがって、海水の冷却に要するコストを低減することができる。

【0068】

また、冷熱回収部５１０により、二酸化炭素ハイドレートＨが加熱される。これにより、二酸化炭素ハイドレートＨの一部が分解され、水（分解水）が生成される。したがって、分解水が潤滑液として機能し、冷熱回収部５１０から分解部６１０への二酸化炭素ハイドレートＨの移送を容易に行うことができる。

【0069】

［分解部６１０］
分解部６１０は、分離部４１０によって分離された二酸化炭素ハイドレートＨを加熱して、二酸化炭素と水とに分解する。図５は、分解部６１０の概略的構成を説明する図である。図５中、実線の矢印は、二酸化炭素ハイドレートＨ、二酸化炭素、および、分解水の流れを示す。図５中、破線の矢印は、冷媒の流れを示す。また、図５中、破線は、水と二酸化炭素との界面を示す。

【0070】

図５に示すように、分解部６１０は、分解器６２０と、回収圧縮機６３０とを含む。

【0071】

分解器６２０は、円筒形状の容器である。分解器６２０の内部には、分解熱交換器６２２が設けられる。分解熱交換器６２２は、分解器６２０内の二酸化炭素ハイドレートＨと、冷媒冷却部３１０から導かれた冷媒とを熱交換させる。分解熱交換器６２２は、冷媒の凝縮熱によって、二酸化炭素ハイドレートＨを加熱する。

【0072】

除熱（冷却）された冷媒は、液トラップ３６６において一旦貯留された後、冷媒返送管３６４を通じて、バッファタンク３５０に返送される。

【0073】

一方、冷媒によって加熱された二酸化炭素ハイドレートＨは、二酸化炭素と水（分解水）とに分解される。したがって、分解器６２０内において、二酸化炭素が上層を形成し、分解水が下層を形成する。

【0074】

分解器６２０の下層に滞留した分解水は、精製部７１０に導かれる。

【0075】

一方、分解器６２０の上層に滞留した二酸化炭素は、回収圧縮機６３０によって、分離部４１０のゲスト供給管４３２に導かれる。これにより、分解水を脱気して、分解水に溶解された二酸化炭素をとり除くことができる。また、分解器６２０の上層に滞留した二酸化炭素を分離部４１０に返送することにより、二酸化炭素を９９％回収することが可能となる。

【0076】

回収圧縮機６３０の吸入側は、分解器６２０における上部に接続される。回収圧縮機６３０の吐出側は、分離部４１０のゲスト供給管４３２に接続される。また、回収圧縮機６３０と分離部４１０のゲスト供給管４３２とを接続する配管には、流量調整弁６３２が設けられる。

【0077】

［精製部７１０］
図６は、精製部７１０の概略的構成を説明する図である。図６中、実線の矢印は、水の流れを示す。

【0078】

図６に示すように、精製部７１０は、分解水昇圧ポンプ７１２と、逆浸透膜濾過器７２０と、浄水精製部７２２と、淡水供給ポンプ７２６とを含む。

【0079】

分解水昇圧ポンプ７１２は、分解部６１０の分解熱交換器６２２で生成された分解水（水）を昇圧して逆浸透膜濾過器７２０に導く。分解水昇圧ポンプ７１２の吸入側は、分解熱交換器６２２の底部に接続される。分解水昇圧ポンプ７１２の吐出側は、逆浸透膜濾過器７２０に接続される。

【0080】

逆浸透膜濾過器７２０は、分解水から塩分濃度８０ｐｐｍ以下の淡水を回収する。回収された淡水は、浄水精製部７２２に導かれる。浄水精製部７２２は、淡水を浄化する。浄化された淡水は、飲料水等として利用される。

【0081】

一方、逆浸透膜濾過器７２０において、淡水が回収された分解水の一部は、三方弁７２４を通じて、滞留水排出ポンプ４５２（淡水供給部）が吐出する薄い塩水とともに、分離部４１０の固気液分離器４１２の小径部４１２ｃに淡水として返送される。具体的に説明すると、淡水供給ポンプ７２６（淡水供給部）の吸入側は、三方弁７２４に接続され、吐出側は、分離部４１０の接続管４５６に接続される。したがって、淡水供給ポンプ７２６は、淡水が回収された分解水の一部を固気液分離器４１２および遊離水希釈器４５０に導く。

【0082】

また、淡水が回収された分解水の残り（３％以上５％以下）は、三方弁６２４を通じて外部に廃棄される。

【0083】

［起動方法］
続いて、海水淡水化装置１００の起動方法を説明する。まず、中央制御部８１０は、前処理部１１０の海水昇圧ポンプ１１４を駆動して、固気液分離器４１２に海水（原料）を充填する。そして、固気液分離器４１２の小径部４１２ｃに設けられた排出ノズルのわずかに下方まで海水が充填されたら、中央制御部８１０は、海水昇圧ポンプ１１４の駆動を停止する。そして、中央制御部８１０は、返送ポンプ４４０を駆動して、固気液分離器４１２内の海水を循環させる。また、中央制御部８１０は、ゲスト供給部４７０を駆動して、固気液分離器４１２に混合ガスＭＧを供給するとともに、循環圧縮機４３０を駆動して、混合ガスＭＧを混合部２１０に供給する。

【0084】

続いて、中央制御部８１０は、冷媒冷却部３１０を駆動する。なお、中央制御部８１０は、生成部２２０において、一定速度で二酸化炭素ハイドレートＨが析出される、つまり、一定速度で塩水中の塩化ナトリウム濃度が増加するように、冷媒冷却部３１０を制御する。

【0085】

そして、循環塩水Ｊの温度が、共晶温度（－９．６℃）、循環塩水Ｊの塩化ナトリウム濃度が２４．５質量％に到達したら、中央制御部８１０は、海水昇圧ポンプ１１４を起動し、通常運転に切り換える。また、中央制御部８１０は、冷媒冷却部３１０、循環圧縮機４３０、返送ポンプ４４０を通常運転に切り換える。

【0086】

なお、海水（原料）の比重は、二酸化炭素ハイドレートＨよりも小さい。このため、二酸化炭素ハイドレートＨの生成初期では、固気液分離器４１２内において、海水（原料）は二酸化炭素ハイドレートＨの上部に浮上する。つまり、二酸化炭素ハイドレートＨの生成初期において、二酸化炭素ハイドレートＨは、海水（原料）の下部に沈降する。一方、固気液分離器４１２内において、ハイドレート生成反応が進行するにつれ、海水（原料）中の水が二酸化炭素ハイドレートＨに転化する。そうすると、固気液分離器４１２内の海水の塩分濃度が上昇する。固気液分離器４１２内の海水（塩水）の塩分濃度が、約１９質量％程度（平衡温度－４℃）となると、海水（塩水）と二酸化炭素ハイドレートＨとの比重が等しくなり、二酸化炭素ハイドレートＨが海水（塩水）に懸濁された一相状態となる。ハイドレート生成反応がさらに進行すると、海水（塩水）の塩分濃度がさらに上昇し、海水（塩水）の比重が増加する。そうすると、海水（塩水）が二酸化炭素ハイドレートＨの下部に沈降する。このため、固気液分離器４１２内の海水（塩水）が共晶温度に到達するまでに生成される二酸化炭素ハイドレートＨを固気液分離器４１２の下部に滞留させておき、循環塩水Ｊへの二酸化炭素ハイドレートＨの混入を低減する。したがって、循環塩水Ｊの排出口は、固気液分離器４１２の底部から約２０体積％上方の位置に設けられるとよい。

【0087】

以上説明したように、本実施形態に係る海水淡水化装置１００は、海水から二酸化炭素ハイドレートＨを生成し、二酸化炭素ハイドレートＨを分解することで、海水のほとんどすべてを淡水に変換することができる。したがって、海水淡水化装置１００は、逆浸透法のみを採用する技術と比較して、淡水の回収率を向上させることが可能となる。したがって、海水淡水化装置１００は、ゼロエミッションを達成することができる。また、海水淡水化装置１００は、ほぼ無排水化（ＺＬＤ：Zero Liquid Discharge）を図ることが可能となる。

【0088】

また、上記したように、海水淡水化装置１００は、混合部２１０、生成部２２０、冷媒冷却部３１０、および、分離部４１０を備え、海水および混合ガスＭＧを冷却して二酸化炭素ハイドレートＨおよび結晶塩化物を並行して生成する。図７は、塩水中の塩化ナトリウム濃度と、二酸化炭素ハイドレートＨの生成温度および氷結温度との関係を示す図である。図７中、横軸は、塩水中の塩化ナトリウム濃度［ｗｔ％（質量％）］を示す。図７中、縦軸は、温度［℃］を示す。また、図７中、実線は、二酸化炭素ハイドレートＨの生成温度を示し、破線は氷結温度を示し、一点鎖線は塩化ナトリウムの飽和溶解度を示す。つまり、実線と一点鎖線の交点は、二酸化炭素ハイドレートＨと塩化ナトリウム二水和物の共晶点（共晶温度）であり、破線と一点鎖線の交点は、氷と塩化ナトリウム二水和物の共晶点（共晶温度）である。

【0089】

図７に示すように、塩化ナトリウム濃度に拘わらず、二酸化炭素ハイドレートＨハイドレートの生成温度は、氷結温度（氷点）よりも高い。このため、混合部２１０、生成部２２０、および、分離部４１０において、氷結に優先して、二酸化炭素ハイドレートＨが生成される。

【0090】

また、二酸化炭素ハイドレートＨハイドレートの生成温度は、氷結温度よりも高いため、海水を氷結させる場合と比較して、海水淡水化装置１００は、冷媒冷却部３１０による冷媒の冷却負荷を低減することができる。

【0091】

また、上記したように、混合部２１０、生成部２２０、および、分離部４１０は、二酸化炭素ハイドレートＨと結晶塩化物との共晶温度に維持される。したがって、海水淡水化装置１００は、二酸化炭素ハイドレートＨと結晶塩化物とを並行して製造することができる。

【0092】

また、上記したように、海水淡水化装置１００は、海水昇圧ポンプ１１４、混合部２１０、生成部２２０、分離部４１０、分解部６１０、および、精製部７１０を備える。これにより、海水淡水化装置１００は、淡水および塩を連続して製造することが可能となる。

【0093】

また、上記したように、二酸化炭素および窒素（混合ガスＭＧ）は、不燃性である。このため、海水淡水化装置１００は、安全に運転することが可能となる。

【0094】

また、上記したように、海水淡水化装置１００は、冷媒冷却部３１０と分解熱交換器６２２とを備える。これにより、二酸化炭素ハイドレートＨによって冷媒を冷却することができる。したがって、二酸化炭素ハイドレートＨの反応熱を除去するためのエネルギーを低減することが可能となる。また、分解部６１０は、冷媒の熱で二酸化炭素ハイドレートＨを分解することができる。これにより、海水淡水化装置１００は、二酸化炭素ハイドレートＨの分解に要する熱エネルギーを削減することが可能となる。

【0095】

また、上記したように、海水淡水化装置１００は、冷熱回収部５１０を備える。これにより、二酸化炭素ハイドレートＨによって海水を冷却することができる。これにより、海水淡水化装置１００は、海水の冷却に要するエネルギーを削減することが可能となる。

【0096】

また、上記したように、海水淡水化装置１００は、返送ポンプ４４０を備える。これにより、海水淡水化装置１００は、結晶塩化物および分解水の回収率を向上させることができる。

【0097】

また、上記したように、固気液分離器４１２には、淡水が供給される。これにより、二酸化炭素ハイドレートＨの随伴水を塩水から淡水に置換することができる。これにより、二酸化炭素ハイドレートＨを分解した結果得られる、分解水の塩化ナトリウム濃度を低減することが可能となる。

【0098】

また、上記したように、固気液分離器４１２は、小径部４１２ｃを備え、淡水と塩水との界面が小径部４１２ｃとなる。これにより、遊離水希釈器４５０に導かれる、二酸化炭素ハイドレートＨと遊離水（随伴水）との組成の変動を抑制することができる。

【0099】

また、上記したように、混合部２１０、生成部２２０、固気液分離器４１２は、２．７ＭＰａである。これにより、安価な部品を採用することができ、海水淡水化装置１００自体の製作コストを低減することが可能となる。

【0100】

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

【0101】

例えば、上記実施形態において、前処理部１１０が、逆浸透膜濾過器１１６を備える場合を例に挙げた。しかし、逆浸透膜濾過器１１６は、必須の構成ではない。

【0102】

また、上記実施形態において、分解熱交換器６２２が二酸化炭素ハイドレートＨと熱交換させることで冷却された冷媒によって、生成部２２０が混合液を冷却する場合を例に挙げた。しかし、二酸化炭素ハイドレートＨの分解と、混合液の冷却とは、別の熱媒体や機器で行われてもよい。例えば、二酸化炭素ハイドレートＨの分解は、燃焼排ガスとの熱交換で行われてもよい。また、混合液の冷却は、ＬＮＧとの熱交換で行われてもよい。

【0103】

また、上記実施形態において、海水淡水化装置１００が返送ポンプ４４０を備える場合を例に挙げた。しかし、返送ポンプ４４０は、必須の構成ではない。

【0104】

また、上記実施形態において、固気液分離器４１２に淡水を供給する構成を例に挙げた。しかし、固気液分離器４１２に淡水が供給されずともよい。

【0105】

また、上記実施形態において、生成部２２０が生成するハイドレートのゲスト物質として二酸化炭素を例に挙げた。しかし、ハイドレートのゲスト物質に限定はない。例えば、ゲスト物質として、二酸化炭素に代えて、または、加えて、メタン、エタン、プロパン、ブタン、エチレン、キセノン、および、クリプトンのうちのいずれか１または複数を用いてもよい。

【0106】

また、上記実施形態において、分離部４１０（固気液分離器４１２）が、固気液混合物ＳＬを、二酸化炭素ハイドレートＨと、結晶塩化物と、塩水とに比重差で分離する構成を例に挙げた。しかし、分離部４１０（固気液分離器４１２）は、遠心分離機で構成されてもよい。つまり、分離部４１０（固気液分離器４１２）は、固気液混合物ＳＬを、二酸化炭素ハイドレートＨと、結晶塩化物と、塩水とに遠心分離してもよい。これにより、海水淡水化装置１００を船内等に設けることが可能となる。

【符号の説明】

【0107】

１００ 海水淡水化装置
２１０ 混合部
２２０ 生成部
４１０ 分離部
４４０ 返送ポンプ
４５２ 滞留水排出ポンプ（淡水供給部）
６１０ 分解部
７２６ 淡水供給ポンプ（淡水供給部）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】