特開 2024-85660 有機溶媒と水との分離方法及びシステム

(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】P2024085660

(43)【公開日】2024-06-27

(54)【発明の名称】有機溶媒と水との分離方法及びシステム

(51)【国際特許分類】

   B01D 61/58 20060101AFI20240620BHJP

   B01D 61/02 20060101ALI20240620BHJP

【ＦＩ】

B01D61/58

B01D61/02 500

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022200303

(22)【出願日】2022-12-15

(71)【出願人】

【識別番号】000004400

【氏名又は名称】オルガノ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100123788

【弁理士】

【氏名又は名称】宮崎 昭夫

(74)【代理人】

【識別番号】100127454

【弁理士】

【氏名又は名称】緒方 雅昭

(72)【発明者】

【氏名】寺師 亮輔

【テーマコード（参考）】

4D006

【Ｆターム（参考）】

4D006GA03

4D006JA53Z

4D006JA57Z

4D006JA67Z

4D006KA16

4D006KA52

4D006KA53

4D006KA55

4D006KA56

4D006KE14P

4D006KE23Q

4D006MC18

4D006MC54

4D006MC58

4D006MC62

4D006PA02

4D006PB14

(57)【要約】

【課題】逆浸透膜を用いて有機溶媒と水との混合液から有機溶媒と水とを分離する際に、システム全体での水と有機溶媒との分離性能を高く維持し、運転時間や消費エネルギーを低減する。
【解決手段】混合液を原液として貯槽２１に供給する工程と、逆浸透膜装置４１～４４によって貯槽１内に貯えられた液体を処理して透過水と濃縮水とに分離し、逆浸透膜装置４１～４４からの濃縮水を貯槽２１に循環させる。その後、貯槽２１内の液体での有機溶媒の濃度が閾値濃度以上となったら、貯槽２１内の液体の少なくとも一部を濃縮液貯槽２０に移送する。濃縮用の逆浸透膜装置４０によって濃縮液貯槽２１内に貯えられた液体を処理して透過水と濃縮水とに分離し、濃縮水を濃縮液貯槽２０に循環させ、透過水を貯槽２１に供給する。濃縮液貯槽２０から、有機溶媒が濃縮された濃縮液を間欠的に排出する。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

有機溶媒と水との混合液から、前記有機溶媒が濃縮された濃縮液と水とを分離する分離方法であって、
逆浸透膜を備える第１段目の逆浸透膜装置の入口に配置された第１段目の貯槽に前記混合液を供給する工程と、
前記第１段目の逆浸透膜装置によって前記第１段目の貯槽内に貯えられた液体を処理して透過水と濃縮水とに分離し、前記第１段目の逆浸透膜装置からの濃縮水の少なくとも一部を前記第１段目の貯槽に供給する第１の分離工程と、
前記第１段目の貯槽内の液体における前記有機溶媒の濃度が閾値濃度以上となったときに、前記第１段目の貯槽内の液体の少なくとも一部を濃縮液貯槽に移送する工程と、
逆浸透膜を備える濃縮用逆浸透膜装置によって前記濃縮液貯槽内に貯えられた液体を処理して透過水と濃縮水とに分離し、前記濃縮用逆浸透膜装置からの濃縮水を前記濃縮液貯槽に循環させ、前記濃縮用逆浸透膜装置からの透過水を前記第１段目の貯槽に供給する第２の分離工程と、
を有する分離方法。

【請求項2】

前記混合液における前記有機溶媒の濃度が前記閾値濃度以上であるときは、前記混合液を前記濃縮液貯槽に直接供給する、請求項１に記載の分離方法。

【請求項3】

前記第１の分離工程において、ｉを１以上ｎ以下の整数として、第ｉ段目の逆浸透膜装置の透過水が第ｉ＋１段目の貯槽を介して第ｉ＋１段目の逆浸透膜装置に供給されるように接続された合計ｎ＋１段の逆浸透膜装置を使用して、前記第１段目の逆浸透膜装置に前記第１段目の貯槽内の液体を供給し、２≦ｊ≦ｎ＋１を満たす少なくとも１つの整数ｊに関し、第ｊ段目の逆浸透膜装置からの濃縮水の少なくとも一部を前記第１段目から前記第ｊ段目までの貯槽の少なくとも１つに供給する、請求項１または２に記載の分離方法。

【請求項4】

前記第１の分離工程において、第２段目以降の貯槽において前記有機溶媒が所定倍以上に濃縮されたときに、当該貯槽内の液体の少なくとも一部を前段の貯槽に移送する工程を有する、請求項３に記載の分離方法。

【請求項5】

前記第１の分離工程において、第１段目から第ｎ＋１段目までの逆浸透膜装置に加えて別系統の逆浸透膜装置を使用し、
第２段目から第ｎ＋１段目までの逆浸透膜装置の少なくとも１つの逆浸透膜装置からの濃縮水の少なくとも一部が、前記別系統の逆浸透膜装置の入口に設けられた貯槽を介して前記別系統の逆浸透膜装置に供給される、請求項１または２に記載の分離方法。

【請求項6】

有機溶媒と水との混合液から、前記有機溶媒が濃縮された濃縮液と水とを分離する分離システムであって、
前記混合液が供給される第１段目の貯槽を備える低濃度処理部と、
濃縮液貯槽と、
逆浸透膜を備えて前記濃縮液貯槽内の液体が供給される濃縮用逆浸透膜装置と、
を備え、
前記低濃度処理部は、逆浸透膜を備えて前記第１段目の貯槽内の液体が供給される第１段目の逆浸透膜装置を少なくとも備え、前記第１段目の貯槽は前記第１段目の逆浸透膜装置の入口に配置し、前記第１段目の逆浸透膜装置からの濃縮水の少なくとも一部は前記第１段目の貯槽に供給され、
前記第１段目の貯槽内の液体における前記有機溶媒の濃度が閾値濃度以上となったときに、前記第１段目の貯槽内の液体の少なくとも一部が前記濃縮液貯槽に移送されて前記濃縮用逆浸透膜装置に供給され、前記濃縮用逆浸透膜装置からの濃縮水は前記濃縮液貯槽に循環し、前記濃縮用浸透膜装置からの透過水は前記第１段目の貯槽に供給される、分離システム。

【請求項7】

前記混合液における前記有機溶媒の濃度が前記閾値濃度以上であるときは、前記混合液は前記濃縮液貯槽に直接供給される、請求項６に記載の分離システム。

【請求項8】

前記低濃度処理部は、ｉを１以上ｎ以下の整数として、第ｉ段目の逆浸透膜装置の透過水が第ｉ＋１段目の貯槽を介して第ｉ＋１段目の逆浸透膜装置に供給されるように接続されて各々が逆浸透膜を備える合計ｎ＋１段の逆浸透膜装置を備え、２≦ｊ≦ｎ＋１を満たす少なくとも１つの整数ｊに関し、第ｊ段目の逆浸透膜装置からの濃縮水の少なくとも一部が前記第１段目から前記第ｊ段目までの貯槽の少なくとも１つに供給される、請求項６または７に記載の分離システム。

【請求項9】

前記低濃度処理部は、別系統の逆浸透膜装置と前記別系統の逆浸透膜装置の入口に設けられた別系統の貯槽とをさらに備え、
前記第１段目から第ｎ＋１段目までの逆浸透膜装置の少なくとも１つの逆浸透膜装置からの濃縮水の少なくとも一部が、前記別系統の貯槽を介して前記別系統の逆浸透膜装置に供給される、請求項８に記載の分離システム。

【請求項10】

第２段目以降の貯槽において前記有機溶媒が所定倍以上に濃縮されたときに、当該貯槽内の液体の少なくとも一部が前段の貯槽に移送される、請求項６または７に記載の分離システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、逆浸透膜を用いて有機溶媒と水との混合液から有機溶媒と水とを分離する方法及びシステムに関する。

【背景技術】

【0002】

有機溶媒と水との混合液からその有機溶媒と水とを分離することについての需要がある。例えば、有機溶媒の使用後にその有機溶媒を回収して精製し再使用するときに、有機溶媒の使用及び回収の過程において水が有機溶媒に混入することがあり、そのような場合には、混入している水を有機溶媒から分離して、水分を含まない有機溶媒としなければならない。有機溶媒を再利用しない場合であっても、一定濃度以上の有機溶媒を含む水を環境中に放出されることは一般には許容されていないから、有機溶媒と水とを分離する必要がある。一例としてリチウム二次イオン電池の製造工程では、有機溶媒の一つであるＮ－メチル－２－ピロリドン（以下、ＮＭＰとも記す）に電極活物質の粒子を分散させてスラリーとし、電極集電体上にそのスラリーを塗布して乾燥させて電極を形成する。スラリーを乾燥させる際にＮＭＰは気化し、気化したＮＭＰは水スクラバーなどを用いて回収される。回収されたＮＭＰは、水とＮＭＰとの混合液の形態となっており、回収したＮＭＰを再利用するとしても廃棄するとしても、混合液からＮＭＰと水とを分離する必要がある。

【0003】

有機溶媒と水との混合液から有機溶媒と水とを分離する方法として、逆浸透膜を用いる方法が知られている。例えば特許文献１は、イソプロピルアルコールを含む廃水からイソプロピルアルコールを分離し回収する際に、イソプロピルアルコールをほとんど含まない水を得るために逆浸透膜（ＲＯ膜）を用いるとともに、イソプロピルアルコールを濃縮するために蒸気透過膜（ＶＰ膜）を用いることを開示している。有機溶媒と水との混合液を逆浸透膜に供給したとき、有機溶媒は逆浸透膜によって阻止される一方、水は逆浸透膜を透過する。逆浸透膜では少量の有機溶媒が漏洩（リーク）するので、最終的に得られる水における有機溶媒濃度を所望の値以下とするためには、前段の逆浸透膜装置の透過水が後段の逆浸透膜装置に供給されるように、複数段の逆浸透膜装置を直列に接続することが考えられる。複数段の逆浸透膜装置を直列に接続する場合には、外部から供給される混合液を一時的に貯える貯槽を設け、貯槽から混合液が初段の逆浸透膜装置に供給されるようにする。このとき各逆浸透膜装置の濃縮側の出口からの水（すなわち濃縮水）を貯槽に戻すようにすると、貯槽内の混合液における有機溶媒濃度も徐々に上昇するから、外部から最初に供給された混合液よりも有機溶媒濃度が高められた液体をこの貯槽から得ることができる。すなわち、複数の逆浸透膜装置を直接に接続して構成された分離システムの全体として、有機溶媒の濃度が高められた濃縮液と、有機溶媒が除去された水との両方を得ることが可能になる。得られた濃縮液をさらに処理すれば、再利用可能な純度の有機溶媒を得ることができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特表２０１６－５３２５４２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

一般に、溶質と水との溶液を逆浸透膜に供給したときのその逆浸透膜における溶質の阻止率は、溶液における溶質濃度が高いほど高くなると考えられている。しかしながら本発明者らは、ある種の有機溶媒に関して、その有機溶媒と水との混合液における有機溶媒濃度がある値を超えて高くなると、逆浸透膜におけるその有機溶媒の阻止率が逆に低下することを見出した。そして本発明者らは、有機溶媒の阻止率がいったん低下した逆浸透膜は、その後、有機溶媒濃度が低い溶液を供給しても、有機溶媒の阻止率が低下したままとなることも見出した。有機溶媒濃度が高いときに逆浸透膜における有機溶媒の阻止率が低下すると、システム全体での水と有機溶媒との分離性能が低下し、最終的に得られる水における有機溶媒濃度を所定値以下とするために必要な逆浸透膜装置の段数が増加したり、処理時間が長くなったりする。それらの結果、有機溶媒と水とを分離する処理に必要とされるエネルギーも増加する。

【0006】

本発明の目的は、逆浸透膜を用いて有機溶媒と水との混合液から有機溶媒と水とを分離する際に、システム全体での水と有機溶媒との分離性能を高く維持でき、運転時間や消費エネルギーを低減することができる分離方法及び分離システムを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の分離方法は、有機溶媒と水との混合液から、有機溶媒が濃縮された濃縮液と水とを分離する分離方法であって、逆浸透膜を備える第１段目の逆浸透膜装置の入口に配置された第１段目の貯槽に混合液を供給する工程と、第１段目の逆浸透膜装置によって第１段目の貯槽内に貯えられた液体を処理して透過水と濃縮水とに分離し、第１段目の逆浸透膜装置からの濃縮水の少なくとも一部を第１段目の貯槽に供給する第１の分離工程と、第１段目の貯槽内の液体における有機溶媒の濃度が閾値濃度以上となったときに、第１段目の貯槽内の液体の少なくとも一部を濃縮液貯槽に移送する工程と、逆浸透膜を備える濃縮用逆浸透膜装置によって濃縮液貯槽内に貯えられた液体を処理して透過水と濃縮水とに分離し、濃縮用逆浸透膜装置からの濃縮水を濃縮液貯槽に循環させ、濃縮用逆浸透膜装置からの透過水を第１段目の貯槽に供給する第２の分離工程と、を有する。

【0008】

本発明の分離システムは、有機溶媒と水との混合液から、有機溶媒が濃縮された濃縮液と水とを分離する分離装置であって、混合液が供給される第１段目の貯槽を備える低濃度処理部と、濃縮液貯槽と、逆浸透膜を備えて濃縮液貯槽内の液体が供給される濃縮用逆浸透膜装置と、を備え、低濃度処理部は、逆浸透膜を備えて第１段目の貯槽内の液体が供給される第１段目の逆浸透膜装置を少なくとも備え、第１段目の貯槽は第１段目の逆浸透膜装置の入口に配置し、第１段目の逆浸透膜装置からの濃縮水の少なくとも一部は第１段目の貯槽に供給され、第１段目の貯槽内の液体における有機溶媒の濃度が閾値濃度以上となったときに、第１段目の貯槽内の液体の少なくとも一部が濃縮液貯槽に移送されて濃縮用逆浸透膜装置に供給され、濃縮用逆浸透膜装置からの濃縮水は濃縮液貯槽に循環し、濃縮用浸透膜装置からの透過水は第１段目の貯槽に供給される。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、逆浸透膜を用いて有機溶媒と水との混合液から有機溶媒と水とを分離する際に、システム全体での水と有機溶媒との分離性能を高く維持でき、運転時間や消費エネルギーを低減することができるようになる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】ＮＭＰ濃度と逆浸透膜におけるＮＭＰ漏洩率との関係を示すグラフである。

【図2】本発明の実施の一形態の分離システムを示す図である。

【図3】別の実施の形態の分離システムを示す図である。

【図4】別の実施の形態の分離システムを示す図である。

【図5】比較例の分離システムを示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

次に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。本発明に基づく分離システムを説明する前に、まず、有機溶媒と水との混合液を逆浸透膜によって処理することに関して本発明者らが得た知見を説明する。

【0012】

本発明者らは、ＮＭＰ（すなわちＮ－メチル－２－ピロリドン）と水との混合液を逆浸透膜によって処理し、ＮＭＰ濃度が高められた濃縮液と、ＮＭＰが除去された透過水とを得ることを計画した。そこで、逆浸透膜に供給される混合液におけるＮＭＰ濃度と、逆浸透膜におけるＮＭＰの阻止率とを求めた。逆浸透膜としては、ポリアミドからなる高圧用の逆浸透膜ＳＷＣ５－ＬＤ－４０４０（Ｈｙｄｒａｎａｕｔｉｃｓ社製）を用い、逆浸透膜への混合液の供給圧を６ＭＰａとした。結果を図１に示す。図１では、ＮＭＰの阻止率の代わりに、１から阻止率を減算した値である漏洩率によって結果が示されている。図１に示されるように、混合液におけるＮＭＰ濃度が希薄濃度側から８０ｇ／ｋｇ（すなわち８質量％）程度までの濃度範囲では、ＮＭＰ濃度が高くなるにつれて徐々にＮＭＰ漏洩率が低下した。すなわち、ＮＭＰ阻止率が上昇した。これに対し、ＮＭＰ濃度が８０ｇ／ｋｇ程度を超えると、急激にＮＭＰ漏洩率が上昇した。このことは、ＮＭＰ阻止率の低下を意味する。ＮＭＰ濃度が８０ｇ／ｋｇであるときはＮＭＰ阻止率は９９．２％であったのに対し、ＮＭＰ濃度が２００ｇ／ｋｇ（すなわち２０質量％）であるときはＮＭＰ阻止率は８１．６％となった。

【0013】

さらに、このようにＮＭＰ阻止率が低下した逆浸透膜に対し、ＮＭＰ濃度が低い混合液（例えば、ＮＭＰ濃度が１０ｇ／ｋｇである混合液）を供給しても、ＮＭＰ阻止率は回復しなかった。すなわち、ひとたび高濃度のＮＭＰに逆浸透膜が接触するとその逆浸透膜は不可逆的に劣化してＮＭＰ阻止率が低下することが分かった。複数の逆浸透膜装置を直列に接続し、各段の逆浸透膜装置からの濃縮水を初段の逆浸透膜装置の入口側に戻すことによって、有機溶媒が除去された透過水と有機溶媒濃度が高められた濃縮液とを得るようにした分離システムにおいて、このようなＮＭＰ阻止率の低下が発生すると、分離システム全体としての水と有機溶媒との分離性能が低下し、最終的に得られる水におけるＮＭＰ濃度を所定値以下とするために必要な逆浸透膜装置の段数が増加したり、処理時間が長くなったりし、処理に必要とされるエネルギーも増加する。特に、初段の逆浸透膜装置における逆浸透膜の劣化が顕著となる。

【0014】

本発明に基づく分離システムは、複数の逆浸透膜装置を直列に接続して構成される分離システムにおいて、高濃度に有機溶媒を含む液による逆浸透膜での有機溶媒阻止率の低下の影響が後段側の逆浸透膜装置に及ばないようにして、分離システム全体としての水と有機溶媒との分離効率を高めるようにしたものである。図２は、本発明の実施の一形態の分離システムを示す図である。以下では、有機溶媒と水との混合液における有機溶媒がＮＭＰであるものとして説明するが、本発明において水とともに混合液を構成する有機溶媒はＮＭＰに限定されるものではない。

【0015】

図２に示す分離システムは、前段の逆浸透膜装置の透過水が後段の逆浸透膜装置に供給されるように複数段で逆浸透膜装置が直列に接続されて設けられている低濃度処理部１０と、低濃度処理部１０とは別個に設けられた濃縮用の逆浸透膜装置４０とを備えている。図示した例では、低濃度処理部１０には、４段の直列に接続された逆浸透膜装置４１～４４が設けられている。各逆浸透膜装置４０～４４はその内部に逆浸透膜４５を備えている。まず、低濃度処理部１０の構成を説明する。

【0016】

低濃度処理部１０では、外部からＮＭＰと水との混合液である原液が供給されてこの原液を一時的に貯える貯槽２１が設けられており、貯槽２１内の液体はポンプ３２によって１段目の逆浸透膜装置４１に供給される。貯槽２１のことを１段目の貯槽と呼ぶ。逆浸透膜装置４１において逆浸透膜４５を透過した液体すなわち透過水は、貯槽２２に一時的に貯えられ、ポンプ３２を介して２段目の逆浸透膜装置４２に供給される。貯槽２２のことを２段目の貯槽と呼ぶ。同様に逆浸透膜装置４２からの透過水は、貯槽２３に一時的に貯えられ、ポンプ３３を介して３段目の逆浸透膜装置４３に供給され、逆浸透膜装置４３からの透過水は、貯槽２４に一時的に貯えられ、ポンプ３４を介して４段目の逆浸透膜装置４４に供給される。貯槽２３，２４は、それぞれ、３段目及び４段目の貯槽である。４段目の逆浸透膜装置４４からの透過水は、ＮＭＰをほとんど含まない水であり、例えば純水として利用可能であり、分離システムの外部に排出される。１段目の逆浸透膜装置４１において逆浸透膜４５を透過することなく逆浸透膜装置４１の濃縮側の出口から排出される液体すなわち濃縮水は、配管を経て貯槽２１に戻される。同様に逆浸透膜装置４２～４４からの濃縮水も配管を経て貯槽２１に戻される。

【0017】

一方、濃縮用の逆浸透膜装置４０は、ＮＭＰ濃度が高められた濃縮液の生成に用いられるものである。濃縮用の逆浸透膜装置４０の前段には濃縮液貯槽２０が設けられている。低濃度処理部１０の貯槽２１内の液体を濃縮液貯槽２０に供給するための配管５１が設けられ、配管５１には弁５２が設けられている。濃縮液貯槽２０内の液体はポンプ３０によって濃縮用の逆浸透膜装置４０に供給され、この逆浸透膜装置４０の逆浸透膜４５を透過した液体すなわち透過水は、低濃度処理部１０の貯槽２１に供給される。濃縮用の逆浸透膜装置４０からの濃縮水は、濃縮液貯槽２０に戻される。濃縮液貯槽２０には、濃縮液貯槽２０内の液体を排出するための配管５３が接続し、配管５３には弁５４が設けられている。

【0018】

図１を用いて説明したように、逆浸透膜４５におけるＮＭＰ阻止率は、ＮＭＰ濃度が低濃度であるときは、ＮＭＰ濃度がある値になるまでＮＭＰ濃度の上昇とともに増大し、その値を超えてＮＭＰ濃度が大きくなると急激に低下する。そして高濃度のＮＭＰに接触した逆浸透膜４５は、その後、ＮＭＰ濃度が低い液体を処理するときにおいても阻止率は低下したままである。ＮＭＰ阻止率が最大になるＮＭＰ濃度を最大阻止率濃度Ａとすると、図１に示した例では最大阻止率濃度Ａは８質量％程度である。本実施形態の分離システムでは、安全性を見込んで最大阻止率濃度Ａよりも低めに設定された閾値濃度Ｂを基準として（すなわち０＜Ｂ＜Ａ）、逆浸透膜装置４１～４４を４段直列に接続して構成された低濃度処理部１０において閾値濃度Ｂよりも低濃度にＮＭＰを含む液体を処理し、これとは別に設けられた濃縮用の逆浸透膜装置４０において、閾値濃度Ｂ以上の濃度でＮＭＰを含む液体を処理する。ここでは、約８質量％である最大阻止率濃度Ａに対応して、閾値濃度Ｂを５質量％に設定するものとする。

【0019】

次に、図２に示した分離システムの運転方法について説明する。分離システムでは、ＮＭＰと水との混合液である原液が、低濃度処理部１０での１段目の逆浸透膜装置４１の入口側に配置された貯槽２１に供給される。貯槽２１に接続する配管５１に設けられた弁５２は閉じたままとする。原液におけるＮＭＰ濃度は閾値濃度Ｂ未満、例えば１質量％である。貯槽２１内の原液はポンプ３１によって１段目の逆浸透膜装置４１に供給され、１段目の逆浸透膜装置４１の透過水はポンプ３２によって２段目の逆浸透膜装置４２に供給され、以下同様にして、４段目の逆浸透膜装置４４にまで供給され、４段目の逆浸透膜装置４４からは、排水として、ＮＭＰをほとんど含まない水が排出される。これらの逆浸透膜装置４１～４４からの濃縮水は貯槽２１に戻されるから、低濃度処理部１０の運転を継続するにつれて貯槽２１内の液体のＮＭＰ濃度が上昇し、やがて、閾値濃度Ｂである５質量％に到達する。貯槽２１内の液体のＮＭＰ濃度が閾値濃度Ｂに達したら、弁５２を開けて、貯槽２１内の液体を濃縮液貯槽２０に排出する。濃縮液貯槽２０に接続する配管５３に設けられた弁５４は閉じたままとする。そしてポンプ３０を起動して濃縮液貯槽２０内の液体を濃縮用の逆浸透膜装置４０に供給する。この逆浸透膜装置４０の透過水は低濃度処理部１０の貯槽２１に供給され、濃縮水は濃縮液貯槽２０に戻される。その結果、濃縮液貯槽２０内の液体のＮＭＰ濃度は、最初は上述した閾値濃度Ｂである５質量％であったが徐々に上昇し、やがて所定の濃度、例えば２０質量％に到達する。所定の濃度に到達したら、配管５３に設けられた弁５４を開け、ＮＭＰ濃度が２０質量％であるＮＭＰ濃縮液として、濃縮液貯槽２０内の液体を外部に排出する。

【0020】

以上の動作を繰り返すことにより、低濃度処理部１０の貯槽２１から濃縮液貯槽２０に対しＮＭＰ濃度が５質量％の液体が間欠的に排出され、濃縮液貯槽２０からはＮＭＰ濃度が２０質量％であるＮＭＰ濃縮液が間欠的に排出される。その間、低濃度処理部１０の４段目の逆浸透膜装置４４からは純水が排出される。低濃度処理部１０においては、その１段目の逆浸透膜装置４１でのＮＭＰ濃度が低濃度処理部１０での最大のＮＭＰ濃度となるが、閾値濃度Ｂを５質量％に設定しているので、１段目の逆浸透膜装置４１におけるＮＭＰ阻止率として９９％程度を確保できる。濃縮用の逆浸透膜装置４０に供給される液体におけるＮＭＰ濃度の最大値は２０質量％であり、そのとき、濃縮用の逆浸透膜装置４０における逆浸透膜４５のＮＭＰ阻止率は例えば８０％であってその透過水におけるＮＭＰ濃度は４％程度となるが、低濃度処理部１０の１段目の逆浸透膜装置４１でのＮＭＰ阻止率が十分に高いため、本実施形態の分離システムによれば、ＮＭＰ濃度が高いＮＭＰ濃縮液を得ることを可能にしつつ、後段側へのＮＭＰのリーク量を低い値に抑えることができ、分離システム全体での水と有機溶媒との分離性能を高く維持できる。その結果、混合液を純水と所望の濃度のＮＭＰ濃縮液とに分離するために要する運転時間を短縮でき、ポンプ３０～３４の駆動などに要する消費エネルギーを低減することができる。なお、分離システムに供給される原液におけるＮＭＰ濃度が閾値濃度Ｂ以上である場合には、その原液は、低濃度処理部１０の貯槽２１ではなく、図において破線で示すように、濃縮液貯槽２０に供給することが好ましい。もっとも、原液のＮＭＰ濃度が閾値濃度Ｂ以上であってもその原液を低濃度処理部１０の貯槽２１に供給してもよい。また、図２に示す分離システムにおいては、各段の逆浸透膜装置４１～４４の濃縮水をすべて１段目の貯槽２１に戻す必要はなく、その逆浸透膜装置の入口よりも前段に位置するいずれかの貯槽に濃縮水を戻してもよい。例えば３段目の逆浸透膜装置４３の場合であれば、その逆浸透膜装置４３から排出される濃縮水は、１段目から３段目までの貯槽２１～２３の少なくとも１つに循環されればよい。なお、濃縮用の逆浸透膜装置４０の運転に支障がない場合には、各段の逆浸透膜装置４１～４４の濃縮水の一部を濃縮液貯槽２０に供給することも可能である。

【0021】

ところで図２に示す分離システムでは、低濃度処理部１０において１段目の逆浸透膜装置４１に対して２段目以降の逆浸透膜装置４２～４４の濃縮水が戻されるので、１段目の逆浸透膜装置４１での処理液量が大きくなり、透過液量も大きくする必要がある。しかしながら一般に逆浸透膜装置の透過液量は逆浸透膜の膜面積や透過流束によって決まるから、必要な分離性能を維持しつつ１段目の逆浸透膜装置４１における透過液量を大きくすることには、装置の規模やコストなどの点で限界がある。図３に示した本発明の別の実施形態の分離システムは、低濃度処理部１０に設けられる複数の逆浸透膜装置４１～４４の間での処理液量をできるだけ均等化するように構成したものである。以下、図３に示す分離システムについて説明する。

【0022】

図３に示す分離システムは、図２に示す分離システムと比べ、低濃度処理部１０の構成のみが異なっている。低濃度処理部１０には、図２に示すものと同様に、貯槽２１～２４及びポンプ３１～３４を介して４段の直列に接続された逆浸透膜装置４１～４４が設けられているが、各段の逆浸透膜装置４１～４４の濃縮側の出口から排出される液体すなわち濃縮水がその段の貯槽２１～２４にそれぞれ戻される点で、図２に示したものと異なっている。さらに、２段目の貯槽２２内の液体を１段目の貯槽に供給するための配管６２が設けられ、配管６２には弁７２が設けられている。同様に、３段目の貯槽２３内の液体をその前段である２段目の貯槽に供給するための配管６３が設けられ、配管６３には弁７３が設けられ、４段目の貯槽２４内の液体を３段目の貯槽に供給するための配管６４が設けられ、配管６４には弁７４が設けられている。

【0023】

弁５２，７２～７４を閉じたまま分離システムを運転すると、各段の貯槽２１～２４内の液体のＮＭＰ濃度が次第に上昇する。１段目の貯槽２１については、図２に示したシステムの場合と同様に、貯槽２１内の液体のＮＭＰ濃度が閾値濃度Ｂ（例えば５％）に達したら、弁５２を開けて、貯槽２１内の液体を濃縮液貯槽２０に排出する。２段目以降の貯槽２２～２４については、その貯槽２２～２４内の液体のＮＭＰ濃度が所定倍に濃縮された時点でそれぞれ弁６２～６４を開けて、それらの液体を前段の貯槽２１～２３に排出する。すなわち、前段の貯槽に対する間欠排出を行う。ここでいう所定倍に濃縮されるとは、ある段の貯槽に関し、前回、液体を前段の貯槽に排出した直後のその貯槽における液体のＮＭＰ濃度に比べて現在のＮＭＰ濃度が所定倍になったことを意味する。所定倍は、例えば１０倍であるが、何段目の貯槽であるかによって異ならせてもよい。もちろん、運転開始後であってまだ間欠排出を行っていないときは、運転開始直後での貯槽におけるＮＭＰ濃度に比べて現在のＮＭＰ濃度がどれだけ上昇したかに応じて、間欠排出を行うかどうかの判断を行う。

【0024】

この分離システムにおいても、低濃度処理部１０において閾値濃度Ｂよりも低濃度にＮＭＰを含む液体を処理し、これとは別に設けられた濃縮用の逆浸透膜装置４０において、閾値濃度Ｂ以上の濃度でＮＭＰを含む液体を処理する。したがって、この分離システムに供給される原液は、そのＮＭＰ濃度が閾値濃度Ｂ未満であるときは、低濃度処理部１０の１段目の貯槽２１に供給され、ＮＭＰ濃度が閾値濃度Ｂ以上であるときは、濃縮液貯槽２０に供給される。

【0025】

図３に示す分離システムでは、低濃度処理部１０の１段目の逆浸透膜装置４１に対して２段目以降の逆浸透膜装置４２～４４の濃縮水が連続的に供給されることはないので、図２に示す分離システムに比べ、１段目の逆浸透膜装置４１における処理液量を低減することができる。また２段目以降の逆浸透膜装置４２～４４は、少なくともそれ自身の濃縮水を再度処理することとなる。これらのことにより、図３に示す分離システムでは、低濃度処理部１０に設けられる複数の逆浸透膜装置４１～４４の間での処理液量をできるだけ均等化することができる。

【0026】

図２及び図３に示す分離システムでは、低濃度処理部１０において、１段目の逆浸透膜装置４１の透過水が２段目の貯槽２２を経て２段目の逆透過膜装置４２に供給され、２段目の逆浸透膜装置４２の透過水が３段目の貯槽２３を経て２段目の逆透過膜装置４３に供給され、というように、１段目の逆浸透膜装置４１を先頭として、複数の逆浸透膜装置が直列に接続されている。この構成は、ｉを１以上ｎ以下の整数として、第ｉ段目の逆浸透膜装置の透過水が第ｉ＋１段目の貯槽を介して第ｉ＋１段目の逆浸透膜装置に供給されるように接続されて各々が逆浸透膜を備える合計ｎ＋１段の逆浸透膜装置を備える構成であるといえる。そして、図２及び図３に示す分離システムでは、各段の逆浸透膜装置の透過水の少なくとも一部が、１段目からその段までのいずれか１以上の貯槽に供給される。しかしながら、本発明に基づく分離システムでは、低濃度処理部１０において、直列接続されている合計ｎ＋１段の逆浸透膜装置とは別系統で逆浸透膜装置を設け、直列接続されている合計ｎ＋１段の逆浸透膜装置のうちの２段目以降の逆浸透膜装置のいずれか１つ以上からの濃縮水の少なくとも一部を、別系統の逆浸透膜装置において処理するようにしてもよい。図４は、２段目以降のいずれか１つ以上の逆浸透膜装置からの濃縮水が別系統の逆浸透膜装置において処理される分離システムの一例を示している。

【0027】

図４に示す本発明の別の実施形態の分離システムでは、低濃度処理部１０において、１段目の逆浸透膜装置４１からｎ＋１段目の逆浸透膜装置４９までが直列に接続するとともに、この直列接続からは分離しているすなわち別系統の逆浸透膜装置８２が設けられている。この分離システムにおいてｎ段目の逆浸透膜装置４８に注目すると、ｎ段目の逆浸透膜装置４８の入口側にはｎ段目の貯槽２８が設けられており、この貯槽２８内の液体がポンプ３８を介してｎ段目の逆浸透膜装置４８に供給される。ｎ段目の逆浸透膜装置４８の透過水は、ｎ＋１段目の貯槽２９に送られる。同様に、ｎ＋１段目の逆浸透膜装置４９には、ｎ＋１段目の貯槽２９内の液体がポンプ３９を介して供給される。一方、ｎ段目及びｎ＋１段目の逆浸透膜装置４８，４９の濃縮水は、別系統の逆浸透膜装置８２の入口に設けられている貯槽８０に送られる。この貯槽８０内の液体は、ポンプ８１を介して逆浸透膜装置８２に供給され、逆浸透膜装置８２からの濃縮水は貯槽８０に戻される。逆浸透膜装置８２の透過水は、例えば、ｎ＋１段目の逆浸透膜装置４９の透過水とともに排水として排出されてもよい。別系統の逆浸透膜装置８２の後段にこの逆浸透膜装置８２の透過水が供給される逆浸透膜装置をさらに設けてもよい。貯槽８０内の液量が多くなったときや貯槽８０内の液体におけるＮＭＰ濃度が上昇したときは、弁８３を介して貯槽８０内の液体を１段目の貯槽２１に間欠的に排出してもよい。

【0028】

図４に示す分離システムにおいては、ｎ＋１段に直列接続された逆浸透膜装置４１，…４８，４９において、２段目からｎ－１番目の逆浸透膜装置からの濃縮水は、図２に示す分離システムのように１段目の貯槽２１に供給されてもよいし、図３に示した分離システムのように当該段の貯槽に循環されるようにしてもよい。また、ｎ＋１段の逆浸透膜装置４１，…，４８，４９が直列接続されているときに、貯槽８０に対して濃縮水を供給することとなる逆浸透膜装置はｎ段目とｎ＋１段目に限定されるものではなく、これ以外の段の逆浸透膜装置の濃縮水が貯槽８０に供給されるようにしてもよい。この分離システムでは、少なくとも１つの段の逆浸透膜装置の濃縮水の少なくとも一部が、１段目からその段までのいずれか１つ以上の貯槽に供給されていればよい。すなわち、２≦ｊ≦ｎ＋１を満たす少なくとも１つの整数ｊに関し、第ｊ段目の逆浸透膜装置からの濃縮水の少なくとも一部が第１段目から第ｊ段目までの貯槽の少なくとも１つに供給されていればよい。

【0029】

以上、本発明に基づく分離システムについて説明したが、本発明において水との分離対象となる有機溶媒はＮＭＰに限定されるものではない。逆浸透膜装置を構成する逆浸透膜は、ポリアミドからなるものでも酢酸セルロースからなるものでもポリスルホンからなるものでもポリイミドからなるものでもよい。以上の説明では閾値濃度Ｂを５質量％としたが、閾値濃度Ｂには、分離対象の有機溶媒の種類、逆浸透膜装置において使用する逆浸透膜の種類に応じて適切な値が選択される。低濃度処理部１０において直列に接続される逆浸透膜装置の段数は４に限定されるものではなく、最終的に得られる水の水質要求値などに応じて段数は適宜に定められる。場合によっては低濃度処理部１０に１個の逆浸透膜ユニットしか設けない構成とすることもできる。

【実施例0030】

次に、実施例と比較例により、本発明をさらに詳しく説明する。

【0031】

［比較例］
図５に示す分離システムを組み立てた。この分離システムは、図２に示す分離システムから濃縮用の逆浸透膜装置４０やその前段の濃縮液貯槽２０を取り除いたもの、すなわち図２に示す分離システムでの低濃度処理部１０から構成されるものである。１段目の逆浸透膜装置４１の前段に設けられている貯槽２１内の液体は、弁５５を介して間欠的に排出できるようにした。各逆浸透膜装置４１～４４における逆浸透膜４５としては、ポリアミドからなる高圧用の逆浸透膜ＳＷＣ５－ＬＤ－４０４０（Ｈｙｄｒａｎａｕｔｉｃｓ社製）を用い、各逆浸透膜４５への液体の供給圧を６ＭＰａとした。貯槽２１に供給される原液として、水とＮＭＰとの混合液であってＮＭＰ濃度が１質量％であるものを使用した。１回目のバッチとして、１００Ｌの原液を貯槽２１に供給し、貯槽２１内の液体におけるＮＭＰ濃度が２０質量％となるまで分離システムを運転した。その後、貯槽２１内の液体の全量をＮＭＰ濃縮液として排出し、１回目のバッチでの透過水を原液として貯槽２１に供給し、貯槽２１内の液体におけるＮＭＰ濃度が２０質量％となるまで分離システムを運転した。これを２回目のバッチとする。同様にして、３回目のバッチも実行した。各バッチにおける原液の量及びそのＮＭＰ濃度、濃縮液の量及びそのＮＭＰ濃度、透過水の量及びそのＮＭＰ濃度、理論濃縮倍量を求めた。なお、理論濃縮倍量とは、与えられた濃度及び与えられた濃度の原液から、所望の濃度の濃縮液を理論的にどれだけの量生成させることができるかを示す値である。結果を表１に示す。

【0032】

【表1】

【0033】

表１より、比較例では、３回のバッチ濃縮を行っても、ＮＭＰ濃度が２０質量％である濃縮液を３．８Ｌしか得ることができなかった。

【0034】

［実施例］
図２に示す分離システムを組み立てた。各逆浸透膜装置４０～４４における逆浸透膜４５としては、比較例と同様に、ポリアミドからなる高圧用の逆浸透膜ＳＷＣ５－ＬＤ－４０４０（Ｈｙｄｒａｎａｕｔｉｃｓ社製）を用い、各逆浸透膜４５への液体の供給圧を６ＭＰａとした。貯槽２１に供給される原液として、水とＮＭＰとの混合液であってＮＭＰ濃度が１質量％であるものを使用した。１００Ｌの原液を貯槽２１に供給し、貯槽２１内の液体におけるＮＭＰ濃度が５質量％となるまで低濃度処理部１０を運転した。その後、貯槽２１内の液体（すなわち５％濃縮液）の全量を濃縮液貯槽２０に移送して原液とし、濃縮液貯槽２０内の液体のＮＭＰ濃度が２０質量％となるまで濃縮用の逆浸透膜装置４０を運転した。そして、濃縮液貯槽２０内からＮＭＰ濃度が２０質量％の濃縮液の全量を抜き出した。これを１回目のバッチとする。１回目のバッチで発生した濃縮用の逆浸透膜装置４０からの透過水は、低濃度処理部１０の貯槽２１に供給した。

【0035】

次に、２回目のバッチとして、１回目のバッチにおいて濃縮用の逆浸透膜装置４０から貯槽２１に供給された透過水を原液として、貯槽２１内の液体のＮＭＰ濃度がほぼ５％となるまで低濃度処理部１０を運転した。その後、貯槽２１内の液体の全量を濃縮液貯槽２０に移送して原液とし、濃縮液貯槽２０内の液体のＮＭＰ濃度が２０質量％となるまで濃縮用の逆浸透膜装置４０を運転し、濃縮液貯槽２０内から濃縮液を抜き出した。２回目のバッチで発生した濃縮用の逆浸透膜装置４０からの透過水も、同様に、低濃度処理部１０の貯槽２１に供給した。さらに３回目のバッチとして、２回目のバッチにおいて濃縮用の逆浸透膜装置４０から貯槽２１に供給された透過水を原液として、貯槽２１内の液体のＮＭＰ濃度がほぼ５％となるまで低濃度処理部１０を運転し、その後、貯槽２１内の液体の全量を濃縮液貯槽２０に移送し、濃縮液貯槽２０内の液体のＮＭＰ濃度が２０質量％となるまで濃縮用の逆浸透膜装置４０を運転し、濃縮液貯槽２０内から濃縮液を抜き出した。

【0036】

表２は、以上説明した３回のバッチの各々における、低濃度処理部１０の１段目の逆浸透膜装置４１において処理した原液の量、発生した濃縮液の量、理論濃縮倍量、発生した透過水の量、原液でのＮＭＰ濃度、濃縮液でのＮＭＰ濃度、及び透過水でのＮＭＰ濃度を示している。同様に表３は、濃縮用の逆浸透膜装置において処理した原液の量、発生した濃縮液の量、理論濃縮倍量、発生した透過水の量、原液でのＮＭＰ濃度、濃縮液でのＮＭＰ濃度、及び透過水でのＮＭＰ濃度を示している。上述の説明から明らかなように、各回のバッチにおいて、低濃度処理部１０の１段目の逆浸透膜装置４１において発生した濃縮液の量とそのＮＭＰ濃度は、濃縮用の逆浸透膜装置４０で処理された原液の量とそのＮＭＰ濃度にそれぞれ一致する。また、ある回のバッチにおいて濃縮用の逆浸透膜装置４１で発生した透過水の量とそのＮＭＰ濃度は、次の回のバッチにおいて低濃度処理部１０の１段目の逆浸透膜装置４１で処理された原液の量とそのＮＭＰ濃度にそれぞれ一致する。

【0037】

【表2】

【0038】

【表3】

【0039】

表３から分かるように、３回のバッチにより、濃縮用の逆浸透膜装置４０の前段にある濃縮液貯槽２０から、ＮＭＰ濃度が２０質量％である濃縮液が合計４．７Ｌ得られた。これは、理論上の濃縮倍量である５Ｌに近い値であり、本発明に基づく分離システムによれば、高効率で水とＮＭＰとを分離できることが分かった。

【符号の説明】

【0040】

１０ 低濃度処理部
２０ 濃縮液貯槽
２１～２４，２８，２９，８０ 貯槽
３０～３４，３８，３９，８１ ポンプ
４０～４４，４８，４９，８２ 逆浸透膜装置
４５ 逆浸透膜
５１，５３，６２～６４ 配管
５２，５４，５５，７２～７４，８３ 弁

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】