特開 2023-8402 イオン除去装置、イオン除去方法及びフラッシュ蒸発装置

(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】P2023008402

(43)【公開日】2023-01-19

(54)【発明の名称】イオン除去装置、イオン除去方法及びフラッシュ蒸発装置

(51)【国際特許分類】

   C02F 1/28 20230101AFI20230112BHJP

   C02F 1/58 20230101ALI20230112BHJP

   C02F 1/62 20230101ALI20230112BHJP

   C02F 1/64 20230101ALI20230112BHJP

   B01D 15/00 20060101ALI20230112BHJP

   B01J 20/02 20060101ALI20230112BHJP

   B01J 20/20 20060101ALI20230112BHJP

   B01J 20/26 20060101ALI20230112BHJP

   C02F 1/06 20230101ALI20230112BHJP

   B01D 3/06 20060101ALI20230112BHJP

   C02F 1/20 20230101ALI20230112BHJP

【ＦＩ】

C02F1/28 B

C02F1/58 J

C02F1/58 L

C02F1/62 Z

C02F1/64 Z

B01D15/00 N

B01J20/02 A

B01J20/02 B

B01J20/20 A

B01J20/26 E

C02F1/06

B01D3/06 Z

B01D15/00 P

C02F1/20 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】12

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021111945

(22)【出願日】2021-07-06

(71)【出願人】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(71)【出願人】

【識別番号】317015294

【氏名又は名称】東芝エネルギーシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100145816

【弁理士】

【氏名又は名称】鹿股 俊雄

(74)【代理人】

【識別番号】100195718

【弁理士】

【氏名又は名称】市橋 俊規

(74)【代理人】

【識別番号】100196003

【弁理士】

【氏名又は名称】石川 太郎

(72)【発明者】

【氏名】角谷 玲菜

(72)【発明者】

【氏名】田嶋 直樹

(72)【発明者】

【氏名】大村 恒雄

(72)【発明者】

【氏名】山田 和矢

【テーマコード（参考）】

4D017

4D034

4D037

4D038

4D076

4D624

4G066

【Ｆターム（参考）】

4D017AA01

4D017BA11

4D017BA12

4D017BA13

4D017CA01

4D017CA03

4D017CA04

4D017CA17

4D017CB01

4D017EA03

4D017EB09

4D017EB10

4D034AA01

4D034BA03

4D034CA13

4D037AA06

4D037AB07

4D037AB08

4D037AB14

4D037BA23

4D037CA01

4D038AA03

4D038AB39

4D038AB58

4D038AB59

4D038AB63

4D038AB66

4D038AB67

4D038BB02

4D076AA22

4D076BA37

4D076BB19

4D076BC01

4D076FA15

4D076HA02

4D076JA03

4D624AA05

4D624BA01

4D624BA02

4D624BA14

4D624BA17

4D624BB01

4D624BC01

4D624CA01

4D624DB06

4G066AA02B

4G066AA04B

4G066AC11B

4G066CA31

4G066CA45

4G066CA46

4G066DA07

(57)【要約】

【課題】各蒸発室に常温～高温まで適用可能なイオン除去装置を配置することにより、各種不純物イオンを効率的に除去する。
【解決手段】イオン除去装置２は、チタン及びニオブのいずれか又はそれらの混合物からなる第１の吸着材３が充填された吸着材充填部４と、前記吸着材充填部に不純物イオンを含む液が供給される液供給口５ａと、前記吸着材充填部から処理後の液が排出される液排出口５ｂを有する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

チタン及びニオブのいずれか又はそれらの混合物からなる第１の吸着材が充填された吸着材充填部と、前記吸着材充填部に不純物イオンを含む液が供給される液供給口と、前記吸着材充填部から処理後の液が排出される液排出口を有するイオン除去装置。

【請求項2】

前記第１の吸着材は常温から約２８０℃の温度範囲で適用可能であるとともに、アルカリ金属イオン、アルカリ土類金属イオン又は遷移金属イオンを吸着除去する請求項１記載のイオン除去装置。

【請求項3】

前記遷移金属イオンは、コバルトイオン、鉄イオン又はニッケルイオンである請求項２記載のイオン除去装置。

【請求項4】

前記吸着材充填部と液供給口及び前記吸着材充填部と液排出口の間にデミスターを配置した請求項１乃至３のいずれかに記載のイオン除去装置。

【請求項5】

請求項１乃至４のいずれかに記載のイオン除去装置を用いて、液中の不純物イオンを吸着除去するイオン除去方法。

【請求項6】

複数の蒸発室が隣接して配置された多段のフラッシュ蒸発装置において、
前記蒸発室は下部に設けられた海水貯留部と、前記蒸発室で発生した蒸気中の不純物イオンを吸着除去する吸着材が充填された吸着材充填部を有するイオン除去装置と、前記イオン除去装置を通過した蒸気を凝縮させる冷却配管と、凝縮した淡水を貯留する淡水貯留部と、前記淡水貯留部の淡水を回収する淡水回収配管と、を有するフラッシュ蒸発装置。

【請求項7】

前記吸着材充填部と液供給口及び前記吸着材充填部と液排出口の間にデミスターを配置した請求項６記載のフラッシュ蒸発装置。

【請求項8】

チタン及びニオブのいずれか又はそれらの混合物からなる第１の吸着材、あるいはイオン交換樹脂、活性炭又は無機系吸着材からなる第２の吸着材を前記吸着材充填部に充填した請求項６又は７に記載のフラッシュ蒸発装置。

【請求項9】

チタン及びニオブのいずれか又はそれらの混合物からなる第１の吸着材と、イオン交換樹脂、活性炭又は無機系吸着材からなる第２の吸着材を混合して前記吸着材充填部に充填した請求項６又は７に記載のフラッシュ蒸発装置。

【請求項10】

チタン及びニオブのいずれか又はそれらの混合物からなる第１の吸着材を充填した吸着材充填部を有するイオン除去装置と、イオン交換樹脂、活性炭又は無機系吸着材からなる第２の吸着材を充填した吸着材充填部を有するイオン除去装置を上下に隣接して配置した請求項６又は７に記載のフラッシュ蒸発装置。

【請求項11】

チタン及びニオブのいずれか又はそれらの混合物からなる第１の吸着材を充填した吸着材充填部を有するイオン除去装置を１段目の蒸発室に配置し、イオン交換樹脂、活性炭又は無機系吸着材からなる第２の吸着材を充填した吸着材充填部を有するイオン除去装置を２段目以降の蒸発室に配置した請求項６又は７に記載のフラッシュ蒸発装置。

【請求項12】

前記淡水貯留部の上方、及び／又は前記淡水回収配管に、チタン及びニオブのいずれか又はそれらの混合物からなる第１の吸着材を充填した吸着材充填部を有するイオン除去装置をさらに設けるか、又はイオン交換樹脂、活性炭又は無機系吸着材からなる第２の吸着材を充填した吸着材充填部を有するイオン除去装置をさらに設けた請求項６乃至１１のいずれかに記載のフラッシュ蒸発装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、液体中に含まれる不純物イオンを除去するためのイオン除去装置、イオン除去方法及びフラッシュ蒸発装置に関する。

【背景技術】

【0002】

例えば、海水の淡水化手段として多段のフラッシュ蒸発装置が用いられている。このフラッシュ蒸発装置は、加熱昇温した海水を順次減圧度が大きくなる多段の蒸発室に送り込み、各段で蒸発と冷却を繰り返し、デミスターで蒸気と液体を分離することにより淡水を生成する。この生成された淡水は蒸留水であるため、安全性も高く、生活用水として広く利用されている。

【0003】

しかしながら、生成された淡水中にはナトリウムイオンや塩化物イオン等の海水由来の不純物イオンや、装置や配管を構成する金属部材等から溶出した鉄、銅、ニッケル等の金属イオンからなる不純物イオンが混入する場合があるため、フラッシュ蒸発装置の出口に膜、イオン交換樹脂、無機吸着材、活性炭、等からなる吸着材を配置し、これらの不純物イオンを除去する手段が提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開昭６１－６１６９０号公報

【特許文献1】特開２００６－７０８８９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上述したように、不純物イオンを除去するために、出口に不純物イオン除去装置を設けたフラッシュ蒸発装置が提案されているが、装置が大型化し、かつ、吸着材の再生や交換のためのメンテナンス作業負担が大きくなるという課題がある。

【0006】

そのため、フラッシュ蒸発装置の各蒸発室に吸着材を配置し、不純物イオンを除去する方法も考えられるが、１段目の蒸発室は一般に１２０℃以上の高温となるため、約６０℃以下で使用される従来のイオン交換樹脂等の吸着材を用いることは困難であった。

【0007】

上記課題を解決するために、本発明者等は、鋭意研究の結果、一部の吸着材が高温でも不純物イオンを除去できることを新たに知見し本発明に至ったもので、具体的には、各蒸発室に吸着材を配置することを可能とすることで、各種不純物イオンを効率的に除去できる、コンパクトで除去効率が高いイオン除去装置、イオン除去方法及びフラッシュ蒸発装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記課題を解決するために、本実施形態に係るイオン除去装置は、チタン及びニオブのいずれか又はそれらの混合物からなる第１の吸着材が充填された吸着材充填部と、前記吸着材充填部に不純物イオンを含む液が供給される液供給口と、前記吸着材充填部から処理後の液が排出される液排出口を有する。

【0009】

また、本実施形態に係るイオン除去方法は、本実施形態のイオン除去装置を用いて、液中の不純物イオンを吸着除去する。

【0010】

また、本実施形態に係るフラッシュ蒸発装置は、複数の蒸発室が隣接して配置された多段のフラッシュ蒸発装置において、前記蒸発室は下部に設けられた海水貯留部と、前記蒸発室で発生した蒸気中の不純物イオンを吸着除去する吸着材が充填された吸着材充填部を有するイオン除去装置と、前記イオン除去装置を通過した蒸気を凝縮させる冷却配管と、凝縮した淡水を貯留する淡水貯留部と、前記淡水貯留部の淡水を回収する淡水回収配管と、を有する。

【発明の効果】

【0011】

本実施形態によれば、各蒸発室に吸着材を配置することで、各種不純物イオンを効率的に除去できる、コンパクトで除去効率が高いイオン除去装置、イオン除去方法及びフラッシュ蒸発装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】第１の実施形態に係るイオン除去装置（デミスター無し）の模式図。

【図2】第１の実施形態に係るイオン除去装置（デミスター有り）の模式図。

【図3】第１の実施形態に係るフラッシュ蒸発装置の構成図。

【図4】第１の実施形態に係るイオン除去装置の性能試験結果を示す図。

【図5】第２の実施形態に係るフラッシュ蒸発装置の構成図。

【図6】第３の実施形態に係るフラッシュ蒸発装置の構成図。

【図7】第４の実施形態に係るフラッシュ蒸発装置の構成図。

【図8】第５の実施形態に係るフラッシュ蒸発装置の構成図。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、本発明に係るイオン除去装置、イオン除去方法及びフラッシュ蒸発装置の実施形態について、図面を参照して説明する。

【0014】

［第１の実施形態］
第１の実施形態に係るイオン除去装置、イオン除去方法及びフラッシュ蒸発装置について、図１～図４を参照して説明する。

【0015】

（イオン除去装置の構成）
図１は吸着材３が充填されたイオン除去装置１（デミスター無し）の模式図で、不純物イオンを含む液が供給される液供給口５ａと、例えば粒状の吸着材３が充填される吸着材充填部４と、不純物イオン除去後の液が排出される液排出口５ｂと、から構成される。
液供給口５ａと液排出口５ｂは例えば、メッシュ状や網目状の金属又はセラミック製のプレートから構成される。

【0016】

図２は、デミスター（気液分離部）６を備えたイオン除去装置２（デミスター有り）の模式図で、液供給口５ａと吸着材充填部４との間、及び液排出口５ｂと吸着材充填部４の間に、液と蒸気を分離するメッシュ状のデミスター（気液分離部）６が配置されている。
これらのイオン除去装置１及び２は、多段のフラッシュ蒸発装置１０のみならず、一般の不純物イオン除去装置としても利用可能である。

【0017】

（吸着材）
吸着材３としては、新たに開発した常温～約２８０℃で適用可能なチタン及びニオブのいずれか又はそれらの混合物からなる吸着材３ａ（第１の吸着材）、及び／又は常温～約６０℃で適用可能な公知のイオン交換樹脂、活性炭、無機系吸着材等からなる吸着材３ｂ（第２の吸着材）が用いられる。

【0018】

特に、１２０℃以上の高温の海水が供給されるフラッシュ蒸発装置１０の蒸発室では、高温でも適用可能な吸着材３ａ（図６参照）を用いることが望ましい。

【0019】

吸着材３ａは、特にアルカリ金属イオン、アルカリ土類金属イオン、コバルトイオン、鉄イオン、ニッケルイオン等からなる遷移金属イオン、等の金属イオンからなる不純物イオンを効率的に吸着除去することができる。

【0020】

また、吸着材３ｂは、常温～約６０℃で適用可能な公知のイオン交換樹脂、活性炭、無機系吸着材等が用いられ、海水に含まれるナトリウムイオンや塩化物イオン等の不純物イオンを吸着除去する。

【0021】

これらの吸着材３ａ、３ｂは、後述するように多段のフラッシュ蒸発装置１０の各蒸発室７～９で用いられる。
なお、これらの吸着材３ａ、３ｂとして、０．１～数ミリ程度の粒状のものが用いられる。

【0022】

（フラッシュ蒸発装置の構成）
図３は、図２に示すイオン除去装置２（デミスター有り）を組み込んだ多段のフラッシュ蒸発装置１０の構成図である。

【0023】

本実施形態に係るフラッシュ蒸発装置１０は、隣接して設けられた例えば３段の蒸発室７、８、９を有し、各蒸発室７～９は蒸発室で発生した蒸気を気液分離するデミスター６及び不純物イオンを除去する吸着材３を備えたイオン除去装置２と、イオン除去装置２を通過した蒸気を海水等からなる冷却水により凝縮させ淡水を生成する冷却配管１１と、生成した淡水を貯留する淡水貯留部１２と、淡水を回収する淡水回収配管１４と、各蒸発室７～９の海水貯留部１３に加熱した海水を供給する海水供給配管１５と、を有する。
なお、図３では蒸発室が３段の例を図示しているが、４段以上としてもよい。

【0024】

（作用）
上記のように構成された多段のフラッシュ蒸発装置１０において、まず、海水供給配管１５を通して加熱された海水を１段目の蒸発室７に供給して蒸発させる。発生した蒸気は蒸発室７の上方へ移動し、デミスター６を有するイオン除去装置２を通過する。その際、蒸気中に混在する不純物イオンは吸着材３により除去され、その後デミスター６により気液分離され、通過した蒸気は冷却配管１１により冷却され淡水となり、淡水貯留部１２に貯留される。

【0025】

次に、１段目の蒸発室７で蒸発しなかった海水は、減圧度がより高い２段目の蒸発室８に送り込まれて蒸発し、１段目の蒸発室７と同様に淡水が生成される。このプロセスは次段以降の蒸発室９でも繰り返され、最終的に各蒸発室７～９の淡水貯留部１２に貯留された淡水は淡水回収配管１４を通して外部へ回収される。

【0026】

吸着材３としては、新たに開発した常温～約２８０℃で適用可能なチタン及びニオブのいずれか又はそれらの混合物からなる吸着材３ａ、及び／又は常温～約６０℃で適用可能な公知のイオン交換樹脂、活性炭、無機系吸着材等からなる吸着材３ｂが用いられるが、特に、１２０℃以上の海水が供給される１段目の蒸発室７のイオン除去装置２に充填される吸着材３として、チタン及びニオブのいずれか又はそれらの混合物からなる吸着材３ａを用いることが望ましい。

【0027】

また、温度が低下する２段目以降の蒸発室８、９では吸着材３ｂを用いるか又は吸着材３ｂを併用してもよく、さらに、１段目の蒸発室７も高温にならないことが起こりえるため、吸着材３ａ、３ｂを併用してもよい。

【0028】

これらの吸着材３ａ、３ｂにより、金属イオン及びナトリウムイオンや塩化物イオン等の各種不純物イオンを効率的に吸着除去することができる。

【0029】

（性能試験）
２８０℃の高温環境下で２価の金属陽イオン溶液を濃度１０ｐｐｍ、０．８０ｍｌ／分の流速で通水させて、吸着材３ａ（チタン又はニオブあるいはそれらの混合物）の吸着性能試験を行った。

【0030】

図４は性能試験結果を示す図で、横軸がＢ．Ｖ．（ベッドボリューム；通水量／吸着材量）で、縦軸がイオン除去比（金属陽イオンの出口濃度／入口濃度）である。

【0031】

図４から、吸着材３ａは分配係数が約６×１０^３ｍｌ／ｇ以上の値を示し、約１０，１００Ｂ．Ｖ．まで、イオン除去比がほぼゼロで推移すること、すなわち、イオンを約１００％吸着除去できることがわかった。

【0032】

また、図４の性能試験では、２８０℃のイオン含有溶液を用いて試験を行ったが、常温～２８０℃の範囲でほぼ同様の除去性能を有することが確認された。

【0033】

一般に、フラッシュ蒸発装置の１段目の蒸発室７に供給される海水の温度は約１２０℃であり、今回開発した吸着材３ａは常温～２８０℃以下の高温でも適用可能であるため、この吸着材３ａを充填したイオン除去装置を１段目から最終段目の蒸発室に設置することが可能である。

【0034】

また、蒸発室７～９は下段にいくにつれて温度が下がる傾向にあるが、特に、下段の蒸発室には金属イオンを吸着除去する吸着材３ａのほかに、イオン交換樹脂、活性炭、無機系吸着材等からなる吸着材３ｂも単独で又は吸着材３ａと併用して用いることができる。

【0035】

さらに、フラッシュ蒸発装置１０の出口に従来のイオン除去装置を併用して設けてもよく、また、各蒸発室７～９の全てにイオン除去装置２を設置せずに、一部省略してもよい。

【0036】

（効果）
以上説明したように、本第１の実施形態によれば、より高温で使用できる吸着材３ａが充填されたイオン除去装置２を少なくとも１以上の蒸発室７～９に設けたことで、特に、金属イオンを効率的に吸着除去することができるとともに、装置全体を小型化することが可能となる。

【0037】

また、各蒸発室７～９において、イオン交換樹脂、活性炭、無機系吸着材等からなる吸着材３ｂも併用又は単独で用いることで、ナトリウムイオンや塩化物イオン等の海水由来の不純物イオンも吸着除去することができる。

【0038】

［第２の実施形態］
第２の実施形態に係るイオン除去装置、イオン除去方法及びフラッシュ蒸発装置について、図５を参照して説明する。

【0039】

本第２の実施形態では、図３に示すイオン除去装置２で不純物イオンを吸着除去しきれない場合や、蒸発室７～９内の配管等から金属イオンが発生する場合を想定して、各蒸発室７～９にイオン除去装置１（デミスター無し）を追加配置する構成としている。

【0040】

図５に示す例では、淡水貯留部１２の上方と、淡水貯留部１２からの淡水回収配管１４にイオン除去装置１を設けている。

【0041】

これにより、イオン除去装置２の液排出口５ｂから排出された蒸気は淡水貯留部１２の上方に設けられたイオン除去装置１でさらに不純物イオンを吸着除去し、また、淡水貯留部１２の下流側の淡水回収配管１４に設けられたイオン除去装置１では淡水回収配管１４中の淡水に含まれる不純物イオンを吸着除去する。

【0042】

本第２の実施形態によれば、イオン除去装置１、２を蒸発室内に複数設けることにより、不純物イオンの吸着除去効率をさらに向上させることができる。

【0043】

なお、淡水貯留部１２の上方に設けられたイオン除去装置としてイオン除去装置２（デミスター有り）を用いてもよい。
また、図５の例では、各蒸発室７～９に複数のイオン除去装置１、２を設けているが、これに限定されず、適宜省略可能である。

【0044】

［第３の実施形態］
第３の実施形態に係るイオン除去装置、イオン除去方法及びフラッシュ蒸発装置について、図６を参照して説明する。

【0045】

本第３の実施形態では、吸着材３ａが充填されたイオン除去装置２ａ又は吸着材３ｂが充填されたイオン除去装置２ｂを、各蒸発室７～９に配置する構成としている。

【0046】

前述したように、蒸発室７～９の温度は下段にいくにつれて温度が下がるため、図６に示す例では、１段目の蒸発室７に常温～２８０℃まで適用可能な吸着材３ａが充填されたイオン除去装置２ａを設置し、２段目以降の蒸発室８、９には常温～６０℃まで適用可能な吸着材３ｂが充填されたイオン除去装置２ｂを設置している。

【0047】

このように、温度環境に応じて適切な吸着材３ａ、３ｂが充填されたイオン除去装置２ａ、２ｂを蒸発室７～９に設置することにより、様々な種類の不純物イオンを効率的に吸着除去することができる。

【0048】

なお、これらのイオン除去装置２ａ、２ｂは、第２の実施形態と同様に、淡水貯留部１２の上方や、淡水貯留部１２からの淡水回収配管１４に増設して設けてもよい。

【0049】

［第４の実施形態］
第４の実施形態に係るイオン除去装置、イオン除去方法及びフラッシュ蒸発装置について、図７を参照して説明する。

【0050】

第４の実施形態では、吸着材３ａが充填されたイオン除去装置２ａと吸着材３ｂが充填されたイオン除去装置２ｂを、各蒸発室７～９に配置する構成としている。

【0051】

図７に示す例では、各蒸発室７～９に常温～６０℃まで適用可能な吸着材３ｂが充填されたイオン除去装置２ｂを設置し、その上方に常温～２８０℃まで適用可能な吸着材３ａが充填されたイオン除去装置２ａを設置している。

【0052】

すなわち、第１段目の蒸発室７には、通常１２０℃以上の海水が供給されるが、場合によっては常温付近の海水が供給されることが想定されるので、各蒸発室７～９に各種イオン不純物を吸着除去可能な２種類のイオン除去装置２ａ、２ｂを配置したものである。

【0053】

このように、イオン除去装置２ａ及び２ｂを蒸発室７～９に設置することにより、温度環境が変化しても様々な種類の不純物イオンを効率的に吸着除去することができる。

【0054】

［第５の実施形態］
第５の実施形態に係るイオン除去装置、イオン除去方法及びフラッシュ蒸発装置について、図８を参照して説明する。

【0055】

本第５の実施形態では、各蒸発室７～９において、常温～２８０℃まで適用可能な吸着材３ａと常温～６０℃まで適用可能な吸着材３ｂを一つのイオン除去装置２に混合して充填した構成としている。

【0056】

これにより、各蒸発室７～９において、温度環境が変化しても様々な種類の不純物イオンを効率的に吸着除去することができるとともに、イオン除去装置２を小型化することができる。

【0057】

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

【符号の説明】

【0058】

１…イオン除去装置（デミスター無し）、２、２ａ、２ｂ…イオン除去装置（デミスター有り）、３、３ａ、３ｂ…吸着材、４…吸着材充填部、５ａ…液供給口、５ｂ…液排出口、６…デミスター、７～９…蒸発室、１０…フラッシュ蒸発装置、１１…冷却配管、１２…淡水貯留部、１３…海水貯留部、１４…淡水回収配管、１５…海水供給配管

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】