特開 2023-179226 ガス中の水滴除去装置及び有機物含有水の処理装置

(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】P2023179226

(43)【公開日】2023-12-19

(54)【発明の名称】ガス中の水滴除去装置及び有機物含有水の処理装置

(51)【国際特許分類】

   B01D 53/22 20060101AFI20231212BHJP

   B01D 63/02 20060101ALI20231212BHJP

【ＦＩ】

B01D53/22

B01D63/02

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022092404

(22)【出願日】2022-06-07

(71)【出願人】

【識別番号】000001063

【氏名又は名称】栗田工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100086911

【弁理士】

【氏名又は名称】重野 剛

(74)【代理人】

【識別番号】100144967

【弁理士】

【氏名又は名称】重野 隆之

(72)【発明者】

【氏名】松本 千誉

【テーマコード（参考）】

4D006

【Ｆターム（参考）】

4D006GA35

4D006HA01

4D006KA01

4D006KA52

4D006KA55

4D006KA57

4D006KA71

4D006KB03

4D006KB12

4D006MA01

4D006PA01

4D006PB17

4D006PC80

(57)【要約】

【課題】水滴を含むガス中の水滴を、水滴とガスとの比重差を利用することなく、また、装置を大型化、複雑化することなく、除去することができる水滴除去装置を提供する。
【解決手段】循環ポンプ７により原水タンク５から被処理水を液相室８Ａに送水する。気相室８Ｂに空気を流通させ、被処理水に酸素を溶解させる。紫外線照射装置９で紫外線を照射することにより、有機物が二酸化炭素に分解される。液中の余剰二酸化炭素は、ガス透過膜８ｍを透過し、配管１から排出される。この排気は、低湿度空気が添加された後、ガス透過膜モジュール３のガス透過膜３ｍを透過して水滴除去処理される。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

水滴含有ガス中の水滴を除去する水滴除去装置において、
該水滴含有ガスに低湿度ガスを添加する手段と、
ガス透過膜で隔てられた第１室及び第２室を有するガス透過膜モジュールであって、該第１室に前記低湿度ガスが添加されたガスが導入され、ガス透過膜を透過したガスが該第２室から流出するガス透過膜モジュールと
を有することを特徴とする水滴除去装置。

【請求項2】

前記ガス透過膜は中空糸膜である請求項１の水滴除去装置。

【請求項3】

前記低湿度ガス添加手段は、空気をメンブレンガスドライヤーで除湿して前記水滴含有ガスに添加するよう構成されている請求項１の水滴除去装置。

【請求項4】

前記空気は、該水滴除去装置周囲の常温の空気である請求項３の水滴除去装置。

【請求項5】

有機物含有水を貯留するタンクと、
該タンクからの有機物含有水が通過する液相室及び該液相室とガス透過膜を介して区画された気相室を有するガス透過膜モジュールと、
該液相室からの有機物含有水を紫外線照射処理する紫外線照射装置と、
該タンクから有機物含有水を該ガス透過膜モジュールの液相室を経て紫外線照射装置に供給し、該紫外線照射装置で処理された処理水を該タンクに戻す循環手段と
を有する有機物含有水の処理装置において、
前記ガス透過膜モジュールの前記気相室からの流出ガス中の水滴を除去するための請求項１～４のいずれかの水滴除去装置を備えたことを特徴とする有機物含有水の処理装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ガス中の水滴を除去する水滴除去装置に係り、特に宇宙船などの微小重力環境下において空気中の水滴を除去するのに好適な水滴除去装置に関する。また、本発明は、この水滴除去装置を備えた有機物含有水の処理装置に関する。

【背景技術】

【0002】

ガス中の液滴除去にはドレンセパレーター（例えば特許文献１）が使用されている。ドレンセパレーターは、水滴を含むガスをセパレーター内部に下降流で通し、ガスよりも比重の大きい水滴を底部に集めるよう構成されている。ドレン水液位より高い位置にガス出口が設けられており、水滴が除去されたガスがガス出口から回収される。

【0003】

しかし、このようなドレンセパレーターは、水滴の除去に比重差を利用しているため、宇宙船等の微小重力環境下では使用できない。

【0004】

宇宙船や宇宙ホテル等の微小重力環境下の閉鎖系空間では、ドレン水を空間中に放出すると、水滴が漂うことに内、電子機器のショート等の原因となる。

【0005】

ガスと共にドレン水を船外に排出する方法も考えられるが、その場合ガス中の窒素や酸素といった貴重な資源も同時に排出されるので、現実的ではない。また、宇宙船等では設置スペースも限られており、機器のメンテナンスや修理も容易ではないことから、装置の大型化・複雑化は避ける必要がある。

【0006】

中空糸型の脱気膜モジュールを利用してガス中から水滴を分離する気液分離装置が特許文献２に記載されている。この気液分離装置は、表面張力を利用して水滴を中空糸膜間に効率的に保持し、中空糸内に回収するものであり、微小重力下においても、水滴を空気中から除去することができる。また、重力分離のみを利用した場合に比べ装置の小型化が可能となる。

【0007】

しかし、水滴の量が多い場合には、ガスの流れによる水滴の出口側への移動を完全には防ぐことはできないため、ドライガス出口を上向きとして比重差によって出口から水滴流出を防止する必要がある。逆に水滴の量が少ない場合には、中空糸が徐々に乾燥し湿潤状態を保持できなくなることで、ガスが膜を透過し、ドレン出口側にガスが流出する問題点がある。

【0008】

このように従来の水滴除去装置では、微小重力下での十分な気液分離は実現できず、ドレン水回収ライン中にガスが混入したり、ガス回収ラインにドレン水が残るといった問題があった。完全な気液分離を行うためには、複数段の脱気膜モジュールを設置するなどの対応が必要となり、装置が大型化・複雑化する。

【0009】

有機物を含有する排水等の水中の有機物を分解する有機物含有水処理装置として、紫外線照射装置を備えた処理装置がある。紫外線照射による有機物の分解は、紫外線照射により生成するヒドロキシラジカルにより、有機物中の炭素（Ｃ）を二酸化炭素（ＣＯ_２）に酸化することで進行する。

【0010】

紫外線照射処理では酸素が消費されるため、酸化剤や空気（酸素）を供給する必要がある。酸化剤は取り扱いに注意が必要な危険な薬品が多いため、より安全性の高い方法としてガス透過膜モジュールを利用して空気中の酸素を供給する方法が提案されている（特許文献３）。

【0011】

ガス透過膜は水を透過させず、気体のみを透過させる膜であり、被処理水に効率的に酸素を供給すると共に、発生した二酸化炭素を取り除くことができる。このとき、膜気相側からは、水滴を含んだ空気（廃空気）が排出される。有機物含有水処理装置が宇宙船等に設置されている場合、この水滴を含んだ空気中の水滴を除去することが必要である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0012】

【特許文献1】実開平３－１０９６６３号公報

【特許文献2】特開２０００－２４４６６号公報

【特許文献3】特開２０１７－１９６５５８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0013】

本発明は、水滴を含むガス中の水滴を、水滴とガスとの比重差を利用することなく、また、装置を大型化、複雑化することなく、除去することができる水滴除去装置を提供することを課題とする。

【0014】

また、本発明は、この水滴除去装置を用いた有機物含有水の処理装置を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0015】

本発明の水滴除去装置は、水滴含有ガス中の水滴を除去する水滴除去装置において、 該水滴含有ガスに低湿度ガスを添加する手段と、ガス透過膜で隔てられた第１室及び第２室を有するガス透過膜モジュールであって、該第１室に前記低湿度ガスが添加されたガスが導入され、ガス透過膜を透過したガスが該第２室から流出するガス透過膜モジュールと
を有することを特徴とする。

【0016】

本発明の一態様では、前記ガス透過膜は中空糸膜である。

【0017】

本発明の一態様では、前記低湿度ガス添加手段は、空気をメンブレンガスドライヤーで除湿して前記水滴含有ガスに添加するよう構成されている。本発明の一態様では、この空気は、該水滴除去装置周囲の常温の空気である。

【0018】

本発明の有機物含有水の処理装置は、有機物含有水を貯留するタンクと、該タンクからの有機物含有水が通過する液相室及び該液相室とガス透過膜を介して区画された気相室を有するガス透過膜モジュールと、該液相室からの有機物含有水を紫外線照射処理する紫外線照射装置と、該タンクから有機物含有水を該ガス透過膜モジュールの液相室を経て紫外線照射装置に供給し、該紫外線照射装置で処理された処理水を該タンクに戻す循環手段と
を有する有機物含有水の処理装置において、前記ガス透過膜モジュールの前記気相室からの流出ガス中の水滴を除去するための本発明の水滴除去装置を備えたことを特徴とする。

【発明の効果】

【0019】

本発明の水滴除去装置では、水滴含有ガスに低湿度ガスを添加し、ガス透過膜と接触させる。ガス中の水滴の少なくとも一部は、低湿度ガスの混入により気化する。気化しなかった水滴を含むガスがガス透過膜モジュールに導入されてガス透過膜と接触すると、水滴がガス透過膜に付着し、該ガス透過膜の表面や気孔の内面に拡がる。これにより、ガスと水滴との接触面積が増大し、ガス透過膜に付着した液状の水の気化が促進され、水滴が効率よく除去される（消失する）。ガス透過膜を透過して水滴が除去されたガスがガス透過膜モジュールから取り出される。

【0020】

本発明の水滴除去装置は、ガスと水滴の比重差を利用しないので、微小重力下でも効率よく水滴を除去することができる。

【0021】

本発明の有機物含有水の処理装置によると、ガス透過膜モジュールの気相室から排出される水滴含有ガスから水滴を効率よく除去することができる。このため、この有機物含有水の処理装置は宇宙船内などの微小重力下に設置するのに好適である。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】実施の形態に係る水滴除去装置の構成図である。

【図2】実施の形態に係る有機物含有水の処理装置の構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0023】

以下、図１を参照して実施の形態に係る水滴除去装置について説明する。

【0024】

水滴含有ガスは、配管１を介してガス透過膜モジュール３の第１室３Ａに導入される。配管１の途中に低湿度ガス供給配管２が接続されている。配管２の上流側には、ファン及びコンプレッサ等の空気の供給手段及び除湿手段が設けられており、配管１内を流れる水滴含有ガスに低湿度ガスが添加される。

【0025】

ガス透過膜モジュール３内は、ガス透過膜３ｍによって第１室３Ａと第２室３Ｂとに区画されている。第２室３Ｂからガスを流出させるように排出部４が該第２室３Ｂに接続されている。排出部４は排出口（ポート）であってもよく、配管であってもよい。

【0026】

ガス透過膜モジュール３のガス透過膜３ｍは、効率的に水滴を付着させて気化させるために、膜面積が広い方が望ましく、中空糸膜の束で構成されたガス透過膜が好適である。

【0027】

水滴含有ガスを配管１、ガス透過膜モジュール３及び排出部４に流通させるために、配管１又はその上流側に送風ファン及びコンプレッサが設けられるか、あるいは排出部４又はその下流側に吸引ファン及びコンプレッサが設けられる。

【0028】

排出部４から流出するガス中に揮発性有機化合物等の物質が含まれる場合、揮発性有機化合物等の物質を吸着除去する活性炭等の吸着材ユニットを設置してもよい。

【0029】

なお、一般に、活性炭等の吸着材は、被処理ガス中に水滴が存在すると、水を吸着し、揮発性有機化合物等の吸着容量が低下するが、本発明ではガス中の水滴が除去された後に吸着剤ユニットに導入されるので、揮発性有機化合物等を効率よく除去することができる。

【0030】

本発明の水滴含有ガス中の水滴の量は、２～６０ｍｇ／Ｎ－Ｌ、特に６～２０ｍｇ／Ｎ－Ｌ程度が好適であるが、これに限定されない。ガスとしては空気が例示される。

【0031】

低湿度ガスとしては、相対湿度が３０％以下、特に１５％以下のガス特に空気が好適である。低湿度ガスは大気（水滴除去装置の周囲の雰囲気）をメンブレンガスドライヤーなどの除湿手段で除湿処理した空気が好適である。低湿度ガスの温度は、常温（水滴除去装置の周囲の雰囲気の温度）が好適である。低湿度ガスの水滴含有ガスへの添加量及び相対湿度は、低湿度ガスを添加した後のガス中の水滴がすべて気化したとしても、ガス中の相対湿度が１００％未満、好ましくは９０％以下、特に好ましくは８０～９０％となるようにするのが好ましい。このために、配管１，２にそれぞれ温度計、湿度計及び流量計を設置し、これらの検出値に従って低湿度ガス供給手段を制御装置によって制御してもよい。

【0032】

なお、低湿度ガスの供給量が不足すると、ガス透過膜３ｍからの水分蒸発速度が小さくなり、ガス透過膜３ｍの表面や気孔内面における液状水の付着滞留量が増加し、ガス透過膜３ｍの通気圧損が増大する。そこで、第１室３Ａのガス圧又は第１室３Ａと第２室３Ｂとの圧力差を検出するように圧力計を設置し、この圧力又は圧力差が設定値以下となるように低湿度ガスの供給量や低湿度ガスの湿度を制御するようにしてもよい。

【0033】

本発明の水滴除去装置を組み込んだ有機物含有水の処理装置の構成の一例を図２に示す。この有機物含有水の処理装置は、宇宙船などの微小重力下で用いるのに好適なものとして構成されている。

【0034】

この有機物含有水の処理装置は、有機物含有水である被処理水を貯留する好ましくは密閉式の原水タンク５と、この原水タンク５から、循環ポンプ７を有する配管６によって液相室８Ａの一端側に被処理水が導入可能とされたガス透過膜モジュール８と、このガス透過膜モジュール８の液相室８Ａの他側に配管を介して接続された紫外線照射装置９と、この紫外線照射装置９で紫外線照射処理した処理水を原水タンク５に戻す配管（循環ライン）１０とを有する。

【0035】

ガス透過膜モジュール８は、内部がガス透過膜８ｍによって液相室８Ａと気相室８Ｂとに区画されている。気相室８Ｂの一端側に配管１を介してガス透過膜モジュール３が接続されている。配管１に低湿度ガス配管２が接続されている。

【0036】

気相室８Ｂの他端側に配管１１の一端が接続されている。配管１１の他端は送風ファン及びコンプレッサ（図示略）を介して大気に連通している。

【0037】

ガス透過膜モジュール８のガス透過膜８ｍは、効率的に酸素を液相室８Ａ内の水に溶解させると共に、二酸化炭素を液相室８Ａから気相室８Ｂに排出するために、膜面積が広い方が望ましく、中空糸膜の束で構成されたガス透過膜が好適である。

【0038】

紫外線照射装置９としては、特に制限はないが、例えば、低圧水銀ランプ、高圧水銀灯、水素放電管、キセノン放電管などを用いることができる。この紫外線照射装置９は、２００ｎｍ以下、特に１８５ｎｍ付近の波長を有する紫外線を照射するものを好適に用いることができる。

【0039】

次に上述した構成を有する有機物含有水の処理装置を用いた有機物含有水の処理方法について説明する。

【0040】

まず、タンク１、液相室８Ａ、紫外線照射装置９、これらを接続する配管及びポンプ３のすべてを被処理水で満水状態とする。この状態で、循環ポンプ７により、原水タンク５から被処理水をガス透過膜モジュール８の液相室８Ａに送水する。また、ガス透過膜モジュール８の気相室８Ｂに空気を供給し、気相室８Ｂからの排気を、配管１を介してガス透過膜モジュール３に流通させると共に、配管１に配管２から低湿度ガスを添加する。

【0041】

気相室８Ｂ内の空気中の酸素の一部はガス透過膜８ｍを気相室８Ｂから液相室８Ａに透過することで、液相中の溶存酸素濃度が上昇する。この溶存酸素濃度の高い有機物含有被処理水に紫外線照射装置９で紫外線を照射することにより、有機物が二酸化炭素に分解される。二酸化炭素を含む液は循環ライン１０を通り、密閉タンク１に戻った後、再び循環ポンプ７により液相室８Ａに送られる。液中の余剰二酸化炭素は、ガス透過膜８ｍを液相室８Ａから気相室８Ｂに透過し、配管１及びガス透過膜モジュール３を通って排出される。この排出空気はガス透過膜モジュール３によって水滴が除去されたものである。

【0042】

なお、この実施の形態では、被処理水としては、宇宙船内で生じた生活排水等が例示されるが、これに限定されない。

【実施例0043】

［実施例１］
図２の有機物含有水の処理装置を下記実験条件に記載の構成及び作動条件にて運転した。排出部４からの排気をドレン水回収タンク（図示略）に導入して水滴を捕捉して排気中の水滴量を測定した。

【0044】

＜実験条件＞
ガス透過膜モジュール３，８：ポリプロピレン製中空糸膜モジュール（膜面積１．４ｍ^２）
紫外線照射装置９：キセノンエキシマランプ（ウシオ電機社製）による１７２ｎｍのＵＶ光を照射
原水ＴＯＣ濃度：１８０ｍｇ／Ｌ（アルコール類、有機酸が主成分）
循環液量：５Ｌ／ｍｉｎ（４０℃）
気相室８Ｂに供給する空気の湿度、温度、圧力及び流量：１０％ＲＨ、室温、大気圧、１ＮＬ／ｍｉｎ
低湿度ガスとしての空気の湿度、温度、圧力及び流量：１０％ＲＨ、室温、大気圧、４ＮＬ／ｍｉｎ

【0045】

＜結果・考察＞
９６時間運転しても、排出部４からの排気から水滴は回収されなかった。

【0046】

［比較例１］
＜実験条件＞
実施例１において、ガス透過膜モジュール３を省略し、配管１からの排気を直接にドレン回収タンクに導入して水滴を捕捉するようにした。また、気相室４Ｂへの空気供給量を５Ｌ／ｍｉｎとし、配管２からの低湿度ガスの供給を停止した。これ以外は実施例１と同一条件とした。

【0047】

＜結果・考察＞
運転開始から５時間の間に１０ｍＬの水滴が捕捉回収された。

【0048】

実施例１と比較例１により、本発明によると、ガス透過膜モジュールの排気中の水滴を効率よく確実に除去できることが認められた。

【符号の説明】

【0049】

２ 低湿度ガス供給用配管
３，８ ガス透過膜モジュール
３ｍ，８ｍ ガス透過膜
５ 原水タンク
９ 紫外線照射装置

【図1】

【図2】