特表 2024-523705 ナノ濾過システム及び方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-06-28

(54)【発明の名称】ナノ濾過システム及び方法

(51)【国際特許分類】

   B01D 61/58 20060101AFI20240621BHJP

   B01D 61/02 20060101ALI20240621BHJP

   B01D 69/10 20060101ALI20240621BHJP

   B01D 69/12 20060101ALI20240621BHJP

   B01D 71/56 20060101ALI20240621BHJP

   B01D 69/02 20060101ALI20240621BHJP

【ＦＩ】

B01D61/58

B01D61/02 500

B01D69/10

B01D69/12

B01D71/56

B01D69/02

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024500216

(86)(22)【出願日】2022-06-30

(85)【翻訳文提出日】2024-03-01

(86)【国際出願番号】 US2022035757

(87)【国際公開番号】W WO2023283101

(87)【国際公開日】2023-01-12

(31)【優先権主張番号】202110772265.3

(32)【優先日】2021-07-08

(33)【優先権主張国・地域又は機関】CN

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】517430716

【氏名又は名称】ビーエル テクノロジーズ、インコーポレイテッド

(74)【代理人】

【識別番号】110001173

【氏名又は名称】弁理士法人川口國際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】ジャイ，ジアンウェン

(72)【発明者】

【氏名】シュ，シヤオジュン

(72)【発明者】

【氏名】ヤン，リンルゥ

【テーマコード（参考）】

4D006

【Ｆターム（参考）】

4D006GA03

4D006HA61

4D006JA58Z

4D006KA52

4D006KA53

4D006KA54

4D006KA57

4D006KE12R

4D006MA06

4D006MB05

4D006MC54

4D006PA02

4D006PB08

4D006PB12

4D006PB14

(57)【要約】

供給溶液から溶質を濾過するための多段階ナノ濾過（ＮＦ）システムであり、下流のＮＦ段階は、上流のＮＦ段階よりも溶質に対して許容性である。一部の例では、ナノ濾過システムは直列の複数のナノ濾過段階を含み、各ナノ濾過段階は、すぐ上流にあるナノ濾過段階よりも溶質に対して許容性である。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ナノ濾過システムであって、
保持液及び透過液を生成する第１のナノ濾過段階と、
保持液及び透過液を生成する第２のナノ濾過段階であって、前記第１のナノ濾過段階の下流にあり、前記第１のナノ濾過段階から前記保持液の少なくとも一部を受け入れる第２のナノ濾過段階と
を備え、
前記第２のナノ濾過段階が、前記第１のナノ濾過段階よりも溶質に対して透過性である、ナノ濾過システム。

【請求項2】

前記第２のナノ濾過段階からの前記透過液の少なくとも一部を前記第１のナノ濾過段階の入口に戻す再循環流をさらに含む、請求項１に記載のナノ濾過システム。

【請求項3】

前記溶質が硫酸塩であり、前記第１のナノ濾過段階が、硫酸ナトリウム（Ｎａ_２ＳＯ_４）供給溶液、硫酸アルミニウム（Ａｌ_２（ＳＯ_４）_３）供給溶液、又は硫酸鉄（ＦｅＳＯ_４）供給溶液などの硫酸塩含有供給溶液のための入口を含む、又は
前記溶質が可溶性有機分子であり、前記第１のナノ濾過段階が有機分子含有供給溶液のための入口を含む、
請求項１又は２に記載のナノ濾過システム。

【請求項4】

前記システムに入る硫酸塩含有溶液が、５ｇ／Ｌ～２００ｇ／Ｌの硫酸塩濃度を有する、請求項３に記載のナノ濾過システム。

【請求項5】

前記第１のナノ濾過段階が、少なくとも８５％、例えば、９５％～９９％の溶質排斥率を有し、前記第２のナノ濾過段階が、最大９５％、例えば、８５％～９５％又は５０％～８５％の溶質排斥率を有し、任意選択で第１のＮＦ段階と第２のＮＦ段階との排斥率の差が５％～７０％であり、例えば、前記第１のナノ濾過段階が約９５％の溶質排斥率を有し、前記第２のナノ濾過段階が約７０％の溶質排斥率を有する、請求項１～４のいずれか一項に記載のナノ濾過システム。

【請求項6】

前記第１のナノ濾過段階が、１５０～３５０ｇ／ｍｏｌの分子量カットオフを有するポリアミド薄膜複合ナノ濾過膜を含む、及び／又は
前記第２のナノ濾過段階が、５００～３５００ｇ／ｍｏｌの分子量カットオフを有する非ポリアミド薄膜複合ナノ濾過膜を含む、
請求項１～５のいずれか一項に記載のナノ濾過システム。

【請求項7】

保持液及び透過液を生成する第３のナノ濾過段階をさらに含み、該第３のナノ濾過段階が、前記第２のナノ濾過段階の下流にあり、前記第２のナノ濾過段階からの保持液を受け入れ、該第３のナノ濾過段階が、前記第１のナノ濾過段階よりも前記溶質に対して透過性である、請求項１～６のいずれか一項に記載のナノ濾過システム。

【請求項8】

前記第３のナノ濾過段階が、前記第２のナノ濾過段階よりも前記溶質に対して透過性である、請求項７に記載のナノ濾過システム。

【請求項9】

前記第３のナノ濾過段階が、少なくとも５％、例えば、約２０％～約８０％、例えば、約４０％～約６０％の溶質排斥率を有し、例えば、前記第１のナノ濾過段階が約９９％の溶質排斥率を有し、前記第２のナノ濾過段階が約９０％の溶質排斥率を有し、前記第３のナノ濾過段階が約５０％の溶質排斥率を有する、請求項７又は８に記載のナノ濾過システム。

【請求項10】

前記第３のナノ濾過段階が、５００～３５００ｇ／ｍｏｌの分子量カットオフを有する非ポリアミド薄膜複合ナノ濾過膜を含む、請求項６～９のいずれか一項に記載のナノ濾過システム。

【請求項11】

前記第３のナノ濾過段階からの前記透過液の少なくとも一部を前記第１のナノ濾過段階の入口及び／又は前記第２のナノ濾過段階の入口に戻す、１つ以上の再循環流をさらに含む、請求項７～１０のいずれか一項に記載のナノ濾過システム。

【請求項12】

供給溶液から溶質を濾過する方法であって、
第１のナノ濾過プロセスで前記供給溶液を処理して、第１の透過液及び第１の保持液を生成することと、
前記第１の保持液の少なくとも一部を第２のナノ濾過プロセスで処理して、第２の透過液及び第２の保持液を生成することとを含み、
前記第２のナノ濾過プロセスが、前記第１のナノ濾過プロセスで使用されるナノ濾過膜よりも前記溶質に対して透過性であるナノ濾過部材を使用する、方法。

【請求項13】

前記第２の透過液の少なくとも一部を前記第１のナノ濾過プロセスに戻して再循環することをさらに含む、請求項１２に記載の方法。

【請求項14】

前記溶質が硫酸塩であり、前記供給溶液が、硫酸塩含有供給溶液、例えば、硫酸ナトリウム（Ｎａ_２ＳＯ_４）供給溶液、硫酸アルミニウム（Ａｌ_２（ＳＯ_４）_３）供給溶液、又は硫酸鉄（ＦｅＳＯ_４）供給溶液である、又は
前記溶質が可溶性有機分子であり、前記供給溶液が有機分子含有供給溶液である、
請求項１２又は１３に記載の方法。

【請求項15】

前記システムに入る硫酸塩含有溶液が、５ｇ／Ｌ～２００ｇ／Ｌの硫酸塩濃度を有する、請求項１２～１４のいずれか一項に記載の方法。

【請求項16】

前記第１のナノ濾過プロセスで使用される前記ナノ濾過膜が、少なくとも８５％、例えば、約９５％～約９９％の溶質排斥率を有し、前記第２のナノ濾過プロセスで使用されるナノ濾過膜が、最大９５％、例えば、約８５％～約９５％又は５０％～８５％の溶質排斥率を有し、任意選択で前記第１及び第２のＮＦプロセスで使用される膜の排斥率の差が５％～７０％であり、例えば、任意選択でＦｅＳＯ_４を含有する溶液を処理するために、前記第１のナノ濾過プロセスで使用される前記ナノ濾過膜が、約９５％の溶質排除率を有し、前記第２のナノ濾過プロセスで使用される前記ナノ濾過膜が、約７０％の溶質排斥率を有する、請求項１２～１５のいずれか一項に記載の方法。

【請求項17】

前記第２の保持液の少なくとも一部を第３のナノ濾過プロセスで処理して、第３の透過液及び第３の保持液を生成することをさらに含み、前記第３のナノ濾過プロセスが、前記第１のナノ濾過プロセスで使用される前記ナノ濾過膜よりも前記溶質に対して透過性であるナノ濾過膜を使用し、任意選択で前記第３の透過液の少なくとも一部を前記第１のナノ濾過プロセス、前記第２のナノ濾過プロセス、又はその両方に戻して再循環することをさらに含む、請求項１２～１６のいずれか一項に記載の方法。

【請求項18】

前記第３のナノ濾過段階で使用される前記ナノ濾過膜が、前記第２のナノ濾過プロセスで使用される前記ナノ濾過膜よりも前記溶質に対して透過性である、請求項１７に記載の方法。

【請求項19】

前記第３のナノ濾過プロセスで使用される前記ナノ濾過膜が、少なくとも５％、例えば、約２０％～約８０％、例えば、約４０％～約６０％の溶質排斥率を有し、例えば、任意選択で、Ｎａ_２ＳＯ_４又はＬｉ_２ＳＯ_４を含有する溶液を処理するために、前記第１のナノ濾過プロセスで使用される前記ナノ濾過膜が、約９９％の溶質排斥率を有し、前記第２のナノ濾過プロセスで使用される前記ナノ濾過膜が、約９０％の溶質排斥率を有し、前記第３のナノ濾過プロセスで使用される前記ナノ濾過膜が、約５０％の溶質排除率を有する、請求項１７又は１８に記載の方法。

【請求項20】

供給溶液から溶質を濾過する方法であって、連続的なナノ濾過ステップを含み、各後続のナノ濾過ステップが、その前のナノ濾過ステップよりも前記溶質に対して許容性である方法。

【請求項21】

ナノ濾過段階が実質的に同じ圧力におけるものである、請求項１２～２０のいずれか一項に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

関連出願の相互参照
本願は、参照により本明細書に援用される２０２１年７月８日に出願された中国出願第２０２１１０７７２２６５．３の利益を主張する。

【0002】

本開示は、ナノ濾過システム及び方法に関する。

【背景技術】

【0003】

以下の段落は、その中で議論されるものが先行技術、又は当業者の知識の一部であることを認めるものではない。

【0004】

膜分離プロセスは、正圧を濾過膜の片側に印加することによって、水溶液中の溶質を濃縮する。膜分離プロセスは、供給流溶液を処理し、一部を透過溶液として、残りを保持液として生成する。透過溶液中の溶質の濃度は、供給流中の溶質の濃度と比較して低下する。保持液中の溶質の濃度は、供給流中の溶質の濃度と比較して増加する。保持液は、あるいは濃縮液と呼ばれることもある。異なる分離膜は、異なる溶質を分離及び濃縮することができる。

【0005】

そのようなプロセスの例は、逆浸透（ＲＯ）、精密濾過（ＭＦ）、限外濾過（ＵＦ）及びナノ濾過（ＮＦ）である。ナノ濾過は、ナノメートルのサイズの細孔を有する膜を使用する。ナノ濾過膜は、精密濾過及び限外濾過膜よりも小さいが、逆浸透膜より大きい孔径を有する。ナノ濾過膜は、１～１０ナノメートルの細孔サイズを有する細孔を有し得る。

【発明の概要】

【0006】

以下の導入部は、読者を本明細書に案内することを意図しており、いかなる発明も定義することを意図していない。１つ以上の発明は、以下又は本文書の他の部分で説明するシステム要素又は方法のステップの組合せ又はサブコンビネーションに存在し得る。本発明者らは、単にそのような他の１つ以上の発明を特許請求の範囲に記載しないことによって、本明細書に開示される任意の１つ以上の発明に対する権利を断念又は放棄しない。

【0007】

高濃度の溶質において、単一タイプのナノ濾過膜を有するナノ濾過システムの透過液回収は、望ましくないほど低い場合があり、及び／又は望ましくない動作条件を必要とする場合がある。例えば、２５～２７重量％のＨ_２ＳＯ_４及び２５～３５ｇ／Ｌの硫酸第一鉄を有する水性供給流を、最適化された操作条件で単一タイプのナノ濾過膜を有するナノ濾過システム中で処理することにより、硫酸塩の４０％の回収をもたらすことができる。別の例では、硫酸ナトリウム（Ｎａ_２ＳＯ_４）溶液を処理するための単一タイプのナノ濾過膜を有するナノ濾過システムは、ゼロ液体排出（ＺＬＤ）プロセスとして適格であるために必要な、保持液中の２２０ｇ／Ｌより高い濃度を達成するために、１２０バールなどの望ましくない高い圧力で操作される必要がある場合がある。

【0008】

１つ以上の記載される例は、単一のタイプのナノ濾過膜を使用するナノ濾過システム及び方法に関与する１つ以上の欠点に対処又は改善することを試みる。

【0009】

一態様では、本開示は、供給溶液から溶質を濾過するための多段階ナノ濾過システムを提供し、下流のナノ濾過段階は、上流のナノ濾過段階よりも溶質に対してより許容性である。

【0010】

一部の例では、ナノ濾過システムは、直列の複数のナノ濾過段階を含み、各ナノ濾過段階は、すぐ上流にあるナノ濾過段階よりも溶質に対してより許容性である。

【0011】

一部の例では、本開示は、保持液及び透過液を生成する第1のナノ濾過段階と、保持液及び透過液を生成する第２のナノ濾過段階であって、ナノ濾過システムを提供する。第１のナノ濾過段階の下流にあり、第１のナノ濾過段階から保持液の少なくとも一部を受け入れる第２のナノ濾過段階と、を備え、第２のナノ濾過段階は、第１のナノ濾過段階よりも溶質に対してより透過性である。

【0012】

別の態様では、本開示は、供給溶液から溶質を濾過する方法を提供する。この方法は、連続するナノ濾過ステップを含み、各後続のナノ濾過ステップは、前のナノ濾過ステップよりも溶質に対してより許容性である。

【0013】

一部の例において、本開示は、供給溶液から溶質を濾過する方法を提供する。本方法は、第１のナノ濾過プロセスで供給溶液を処理して、第１の透過液及び第１の保持液を生成すること、第１の保持液の少なくとも一部を第２のナノ濾過プロセスで処理して、第２の透過液及び第２の保持液を生成することとを含む。第２のナノ濾過プロセスは、第１のナノ濾過プロセスで使用されるナノ濾過膜よりも溶質に対してより透過性であるナノ濾過部材を使用する。

【0014】

本開示によるナノ濾過システム及び方法は、実質的に同じ圧力でＮＦ段階を用いて操作され得る。

【0015】

本開示の実施形態は、添付の図面を参照して、単なる例により説明される。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本開示によるナノ濾過システムの概略プロセスフローチャートである。

【図2】本開示による別のナノ濾過システムの概略プロセスフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0017】

一般に、本開示は、供給溶液から溶質を濾過するための多段階ナノ濾過（ＮＦ）システム及び方法を提供する。

【0018】

本開示によるナノ濾過システムでは、下流のＮＦ段階は、上流のＮＦ段階よりも溶質に対してより許容性である。いくつかの例では、ナノ濾過システムは、直列の複数のナノ濾過段階を含み、各ナノ濾過段階は、すぐ上流にあるナノ濾過段階よりも溶質に対してより許容性である。

【0019】

ＮＦ段階の許容度は、溶質の排斥率に基づいて定量化することができる。許容性の高い段階は、許容性のより低い段階よりも少ない溶質を排斥する。排斥率は、透過液流中の溶質の濃度を供給流中の溶質の濃度と比較することによって決定することができる。例えば、供給流からの溶質の５％が段階を通過して透過液流に入る場合、該段階はその溶質に対して５％許容性である。あるいは、この段階は、９５％の溶質排斥率を有すると称され得る。より許容性のある段階は、供給流からの溶質の５％超が段階を通過することを可能にする段階であろう。

【0020】

ナノ濾過段階は、複数のナノ濾過膜、例えば、らせん状に巻かれた膜モジュールにおける複数のナノ濾過膜を含み得る。ＮＦ段階におけるＮＦ膜の全てが同じである場合、ＮＦ段階は膜と同じ許容度を有する。

【0021】

ＮＦ段階の許容度は、どの溶質が評価されているかに依存する。例えば、あるＮＦ段階は、硫酸イオンを５％許容し得るが、塩化物イオンを９９％許容し得る。本開示の文脈において、異なるＮＦ段階の許容度は、目的の単一の溶質との比較である。例えば、供給流から硫酸イオンを除去するためのナノ濾過システムでは、塩化物イオンなどの他の溶質に対する相対的許容度にかかわらず、上流のＮＦ段階は硫酸イオンを５％許容し得、下流のＮＦ段階は硫酸イオンを２０％許容し得る。

【0022】

本開示の文脈において、ＮＦ段階は、数によって識別され得、この数は、上流から下流への相対的な配置に対応する。例えば、「第２のＮＦ段階」（ＮＦ２）は、ナノ濾過段階を介在させないで「第１のＮＦ段階」（ＮＦ１）の下流にあると理解されるべきであり、また「第３のＮＦ段階」（ＮＦ３）は、存在する場合、ナノ濾過段階を介在させないで第２のＮＦ段階の下流にあると理解される。ナノ濾過段階以外のプロセス設備をナノ濾過段階の間に含めることができる。例えば、所望の圧力、温度、ｐＨ、若しくは濁度を達成するために、又は所望の化学物質を投与するために、ポンプ、タンク、オンライン化学物質投与装置、濾過装置、又はそれらの任意の組み合わせをナノ濾過段階の間に設置することができる。一部の例示的なシステムでは、ナノ濾過段階の間にプロセス設備が存在しない。そのようなシステムを動作させることは、エネルギー節約及び／又はより単純なプロセスをもたらし得る。

【0023】

一部の例では、第１のＮＦ段階の許容度は１５％以下である（すなわち、第１のＮＦ段階は８５％以上の溶質排斥率を有し得る）。一部の例では、第２のＮＦ段階の許容度は５％以上である（すなわち、第2のＮＦ段階は９５％以下の溶質排斥率を有し得る）。一部の例では、第３のＮＦ段階の許容度は５％以上である（すなわち、第３のＮＦ段階は９５％以下の溶質排斥率を有し得る）。一部の例では、第１のＮＦ段階の許容度と第２のＮＦ段階の許容度との間の差は、５％～７０％であり得る。

【0024】

本開示の文脈において、企図される値の範囲の任意の開示はまた、端点を含む、列挙された範囲内の任意の値又は部分範囲の開示であることを理解されたい。例えば、「１５％以下」の企図される割合はまた、例えば、１％、２．５％、１０％、２％～１５％、４％～８％、及び２％～６％の開示である。

【0025】

上で言及した重複範囲（例えば、ＮＦ１の許容度は１５％以下であり得、ＮＦ２の許容度は５％以上であり得る）にもかかわらず、下流のＮＦ段階は、依然として、前のＮＦ段階よりも溶質に対してより許容度が高くなければならないことを理解されたい。したがって、例えば、ＮＦ１の許容度が１０％である場合、ＮＦ２の許容度は１０％より大きくなければならない。そのような例示的な系がＮＦ３を含む場合、ＮＦ３の許容度は、ＮＦ２の許容度よりも大きくなければならない。

【0026】

２つのＮＦ段階を有する例では、第１のＮＦ段階は、５％以下の溶質許容度を有し得、第２のＮＦ段階は、１５％以上、例えば、約３０％の溶質許容度を有し得、また第１のＮＦ段階と第２のＮＦ段階の許容度の差は、１０％～７０％であってもよい。特定の例では、第１のＮＦ段階は、３％の溶質許容度を有してもよく、第２のＮＦ段階は、５０％の溶質許容度を有してもよく、結果として４７％の許容度差がもたらされる。

【0027】

３つのＮＦ段階を有する例では、第１のＮＦ段階は、５％以下の溶質許容度を有し得、第２のＮＦ段階は、５％以上、例えば、１０％以上の溶質許容度を有し得、第３のＮＦ段階は、５％以上、例えば、２０％以上の溶質許容度を有し得る。３つのＮＦ段階を有する例では、第１のＮＦ段階は１％～５％の溶質許容度を有し得、第２のＮＦ段階は５％～１５％の溶質許容度を有し得、また第３のＮＦ段階は２０％～６０％の溶質許容度を有し得る。３つのＮＦ段階を有する別の例では、第１のＮＦ段階は１％～５％の溶質許容度を有し得、第２のＮＦ段階は５％～１５％の溶質許容度を有し得、また第３のＮＦ段階は４０％～６０％の溶質許容度を有し得る。

【0028】

本開示による１つの特定の例示的なシステムは、溶質がＦｅＳＯ_４である２段階ナノ濾過システムであって、ＮＦ１は約５％の許容度を有し、ＮＦ２は約３０％の許容度を有する。そのようなシステムは、Ｈ_２ＳＯ_４中に２５ｇ／ＬのＦｅを含む供給溶液を受け入れることができる。

【0029】

本開示による別の特定の例示的なシステムは、溶質がＮａ_２ＳＯ_４又はＬｉ_２ＳＯ_４である３段階ナノ濾過システムであって、ＮＦ１は約１％の許容度を有し、ＮＦ２は約１０％の許容度を有し、ＮＦ３は約５０％の許容度を有する。そのようなシステムは、１００ｇ／ＬのＮａ_２ＳＯ_４、又は７８ｇ／ＬのＬｉ_２ＳＯ_４を含む供給溶液を受け入れることができる。

【0030】

別のＮＦ段階のすぐ下流にあるＮＦ段階は、すぐ上流にあるＮＦ段階からの保持液の少なくとも一部を受け入れるように構成されると理解される。本開示によるＮＦシステムは、連続高圧集中アレイとして構成されてもよい。例えば、上流のＮＦ段によって生成された濃縮溶液は、２つのＮＦ段階の間の圧力損失が実質的にない状態で、後続の下流のＮＦ段に直接供給することができる。しかし、「すぐ下流」及び「すぐ上流」への言及は、ナノ濾過段階以外のプロセス設備がナノ濾過段階間に含まれる可能性を排除しないことを理解されたい。特定の例では、そのプロセス設備は、２つのＮＦ段階の間で実質的な圧力損失をもたらさない。

【0031】

本開示によるＮＦシステムは、２つ、３つ、又はそれ以上のＮＦ段階を含むことができる。ＮＦシステムは、下流のＮＦ段階から（例えば、第２のＮＦ段階から）の透過液の少なくとも一部を上流のＮＦ段階の入口に（例えば、第１のＮＦ段階に）戻す再循環流を含んでもよい。３つのＮＦ段階を有するＮＦシステムでは、システムは、第３のＮＦ段階からの透過液の少なくとも一部を第１のＮＦ段階の入口に、又は第２のＮＦ段階の入口に戻す再循環流を含むことができる。

【0032】

ＮＦ段階は、薄膜複合体（ＴＦＣ）ＮＦ膜を含み得る。薄膜複合ＮＦ膜は、ポリアミド又は非ポリアミドＴＦＣ膜であってもよい。ＮＦ膜は、１５０～３５００ｇ／ｍｏｌ、例えば、１５０～３５０ｇ／ｍｏｌ、５００～３５００ｇ／ｍｏｌ、又は５００～２５００ｇ／ｍｏｌの分子量カットオフ（ＭＷＣＯ）を有し得る。一部の例において、ＮＦ１のＮＦ膜は１５０～３５０ｇ／ｍｏｌのＭＷＣＯを有し、ＮＦ２のＮＦ膜は３５０ｇ／ｍｏｌ超、例えば、５００～３５００ｇ／ｍｏｌのＭＷＣＯを有する。ＮＦ３のＭＷＣＯはＮＦ２のＭＷＣＯより高くてもよく、ＮＦ２のＭＷＣＯはＮＦ１のＭＷＣＯより高くてもよい。

【0033】

好適なＮＦ膜の具体例としては、１５０～３００のＭＷＣＯを有する薄膜複合膜であるＳｕｅｚ １８１２ ＮＦ要素が挙げられる。異なる段階は、異なる溶質許容性を有する同じ製品ファミリーからの膜を含むことができる。例えば、１つのＮＦ段階は、３％の溶質許容度を有するＳｕｅｚ １８１２ ＮＦ要素を含むことができ、また下流のＮＦ段階は、４５％の溶質許容度を有するＳｕｅｚ １８１２ ＮＦ要素を含むことができる。Ｓｕｅｚ １８１２ ＮＦ要素の２つの例を、以下に論じる実施例において使用した。一方では、ＮＦ膜は、２０００ｐｐｍのＭｇＳＯ_４、１１０ｐｓｉ、２５℃において９７％の硫酸ナトリウム保持率及び９８％超のＭｇＳＯ_４保持率を有するポリアミド薄膜複合ナノ濾過膜であった。他方では、ＮＦ膜は、２０００ｐｐｍのＭｇＳＯ_４、１１０ｐｓｉ、２５℃において８０％～９５％の硫酸ナトリウム保持率及び８０％～９５％のＭｇＳＯ_４保持率を有する非ポリアミド薄膜複合ナノ濾過膜であった。

【0034】

一部の例において、本開示は、保持液及び透過液を生成する第１のナノ濾過段階と、保持液及び透過液を生成する第２のナノ濾過段階とを含むナノ濾過システムを提供する。第２のナノ濾過段階は第１のナノ濾過段階の下流にあり、第１のナノ濾過段階からの保持液の少なくとも一部を受け入れる。第２のナノ濾過段階は、第１のナノ濾過段階よりも溶質に対して透過性である。

【0035】

図１は、本開示による例示的なナノ濾過システムを示す。ナノ濾過システム１０は、第１のナノ濾過段階１２及び第２のナノ濾過段階１４を含む。第１のＮＦ段階１２は、供給物１６を受け入れ、保持液１８及び透過液２０を生成する。第２のＮＦ段階１４は、保持液１８の少なくとも一部を受け入れる。第２のＮＦ段階１４は、第２のＮＦ段階１４を第１のＮＦ段階１２よりも溶質に対して透過性にするナノ濾過膜（図示せず）を含む。第２のＮＦ段階１４は、保持液２２及び透過液２４を生成する。図示されたＮＦシステム１０は、透過液２４の少なくとも一部を第１のＮＦ段階１２の入口に戻す任意選択の再循環流２６を含む。

【0036】

図２は、本開示による例示的なナノ濾過システムを示す。ナノ濾過システム３０は、図１に示すナノ濾過システム１０と同じ特徴を含み、したがって共通の特徴に対して前記参照番号を使用する。ナノ濾過システム３０は、第３のＮＦ段階３２をさらに含む。第３のＮＦ段階３２は、保持液３４及び透過液３６を生成する。第３のＮＦ段階３２は、第３のＮＦ段階３２を第１のＮＦ段階１２よりも溶質に対して透過性にし、任意選択で第２のＮＦ段階１４よりも溶質に対して透過性にするナノ濾過膜（図示せず）を含む。

【0037】

図示されたＮＦシステム３０は、透過液３６の少なくとも一部を第１のＮＦ段階１２の入口に戻す任意選択の再循環流３８を含む。このような任意選択の再循環流は、第１のＮＦ段階１２に入る溶質濃度に類似した溶質濃度を有する透過液３６を生成するように操作されるシステムに適している。

【0038】

図示されたＮＦシステム３０は、透過液３６の少なくとも一部を第２のＮＦ段階１４の入口に戻す任意選択の再循環流４０を含む。このような任意選択の再循環流は、第１のＮＦ段階１２に入る溶質濃度よりも高い溶質濃度を有する透過液３６を生成するように操作されるシステムに適している。任意選択の再循環流４０を含むシステムは、高圧段階間ポンプ４２をさらに含むことができる。

【0039】

別の態様では、本開示は、供給溶液から溶質を濾過する方法を提供する。本方法は、第１のナノ濾過プロセスにおいて供給溶液を処理して、第１の透過液及び第１の保持液を生成し、第２のナノ濾過プロセスにおいて第１の保持液の少なくとも一部を処理して、第２の透過液及び第２の保持液を生成することを含み、第２のナノ濾過プロセスは、第１のナノ濾過プロセスよりも低い割合で溶質を排斥する。第２の透過液の一部は第１のナノ濾過プロセスに戻して再循環することができる。任意選択で、本方法はまた、第３のナノ濾過プロセスにおいて、第２の保持液の少なくとも一部分を処理することを含んでもよく、第３のナノ濾過プロセスは、第１のナノ濾過プロセスより低い割合で、任意選択で第２のナノ濾過プロセスより低い割合で溶質を排斥する。

【0040】

一部の例示的な方法では、第１のＮＦプロセスは、溶質の１５％以下を許容し得る（すなわち、第１のＮＦプロセスは、溶質の８５％以上を排斥し得る）。一部の例示的な方法では、第２のＮＦプロセスは５％以上を許容し得る（すなわち、第２のＮＦプロセスは溶質の９５％以下を排斥し得る）。一部の例では、第３のＮＦプロセスは５％以上を許容し得る（すなわち、第３のＮＦプロセスは溶質の９５％以下を排斥し得る）。一部の例では、第１のＮＦプロセスの許容度と第２のＮＦプロセスの許容度との間の差は、５％～７０％であり得る。

【0041】

ナノ濾過システムに関して上で論じたように、上で言及した重複範囲にもかかわらず、下流のＮＦプロセスは、依然として、上流のＮＦプロセスよりも溶質に対してより許容性でなければならないことを理解するべきである。したがって、例えば、第１のＮＦプロセスが溶質の９０％を濾過する（すなわち、プロセスは溶質の１０％を許容する）場合、第２のＮＦプロセスは溶質の９０％未満を濾過しなければならない（すなわち、このプロセスは溶質の１０％超を許容しなければならない）。

【0042】

２つのＮＦプロセスを有する例示的な方法では、第１のＮＦプロセスは溶質の９５％超を排斥し得、第２のＮＦプロセスは８５％以下、例えば、約７０％を排斥し得、第１のＮＦプロセスと第２のＮＦプロセスとの間の排斥率の差は、１０％～７０％であることができる。特定の例では、第１のＮＦプロセスは溶質の９７％を排斥することができ、第２のＮＦプロセスは溶質の５０％を排斥することができ、結果として４７％の差がもたらされる。

【0043】

３つのＮＦプロセスを有する例では、第１のＮＦプロセスは９５％以上を排斥し得、第２のＮＦプロセスは９５％以下、例えば、９０％以下を排斥し得、第３のＮＦ段階は９５％以下、例えば、８０％以下を排斥し得る。３つのＮＦプロセスを有する例示的な方法では、第１のＮＦプロセスは溶質の９９％～９５％を排斥し得、第２のＮＦプロセスは溶質の９５％～８５％を排斥し得、第３のＮＦプロセスは溶質の８０％～４０％を排斥し得る。３つのＮＦプロセスを用いる別の例示的な方法では、第１のＮＦプロセスは溶質の９９％～９５％を排斥し得、第２のＮＦプロセスは溶質の９５％～８５％を排斥し得、第３のＮＦプロセスは溶質の６０％～４０％を排斥し得る。

【0044】

本開示による１つの特定の例示的なプロセスは、ＦｅＳＯ_４を含有する溶液を受け入れ、溶質の約９５％を保持する第１のＮＦプロセス及び溶質の約７０％を保持する第２のＮＦプロセスで該溶液を処理する２段階ナノ濾過プロセスである。供給溶液は、Ｈ_２ＳＯ_４中に２５ｇ／ＬのＦｅを含み得る。

【0045】

本開示による別の具体的な例示的プロセスは、Ｎａ_２ＳＯ_４又はＬｉ_２ＳＯ_４を含有する溶液を受け入れ、溶質の約９９％を保持する第１のＮＦプロセス、溶質の約９０％を保持する第２のＮＦプロセス、及び溶質の約５０％を保持する第３のＮＦプロセスにおいて、該溶液を処理する３段階ナノ濾過プロセスである。供給溶液は、１００ｇ／ＬのＮａ_２ＳＯ_４、又は７８ｇ／ＬのＬｉ_２ＳＯ_４を含み得る。

【0046】

本開示によるＮＦシステム及び方法は、目的の溶質、すなわち、（ｉ）硫酸ナトリウム（Ｎａ_２ＳＯ_４）、硫酸リチウム（Ｌｉ_２ＳＯ_４）、硫酸アルミニウム（Ａｌ_２（ＳＯ_４）_３）、硫酸第一鉄（ＦｅＳＯ_４）、及び／又は硫酸（Ｈ_２ＳＯ_４）を含む溶液中の硫酸塩、又は（ｉｉ）可溶性有機分子、例えば、埋立地浸出液のバイオ排液中に存在する分子、例えば、１００ｇ／ｍｏｌ～３５００ｇ／ｍｏｌの間の分子量を有する分子として含まれる溶液を処理するように構成され得る。

【0047】

目的の溶質が硫酸塩である場合、供給溶液は、５ｇ／Ｌ～２００ｇ／Ｌの硫酸塩濃度を有し得る。供給溶液は、例えば、２５～３０重量％のＨ_２ＳＯ_４及び少なくとも４５ｇ／ＬのＦｅイオンを含む廃棄蒸気などの二酸化チタン廃棄蒸気、約２５重量％のＨ_２ＳＯ_４及び少なくとも１０ｇ／ＬのＡｌイオンを含む廃棄流などのアルミニウム電気めっき廃棄流、又は少なくとも１００ｇ／ＬのＮａ_２ＳＯ_４若しくは少なくとも８０ｇ／ＬのＬｉ_２ＳＯ_４の濃度の可溶性ナトリウム又はリチウム硫酸塩を含む溶液であり得る。

【0048】

粒子例では、初期供給溶液は、１０～２５０ｇ／Ｌの濃度の硫酸ナトリウムを含み得、システム又は方法は、１０～２５０バールの供給圧力で操作され得る。３つのＮＦ段階又はプロセスを有するシステム又は方法では、硫酸ナトリウムの全溶解固体は、（ａ）第１段階又はプロセスの保持液中の１００～２００ｇ／Ｌ、例えば、１５０～２００ｇ／Ｌ、並びに（ｂ）第２及び／又は第３の段階又はプロセスの保持液中１００～３５０ｇ／Ｌ、例えば、１５０～３００ｇ／Ｌであり得る。

【0049】

目的の溶質が可溶性有機化合物である場合、溶液は３～１０ｇ／Ｌの有機化合物濃度を有することができる。

【実施例】

【0050】

本開示による例示的なナノ濾過システムをモデル化した。以下の表は、図1に図示されるシステムのモデル化された流れ及び溶質濃度を図示し、ここで、ＮＦ１保持物の全てがＮＦ２に移され、全てのＮＦ２透過液がＮＦ１に再循環される。ＮＦ１供給物は、システム供給物及びＮＦ２透過物の組み合わせとなる。

【0051】

【表1】

【0052】

表１のモデル化されたナノ濾過システムでは、ＮＦ１段階は、４５％の回収率を有し（すなわち、供給水の４５％が透過液になる）、Ｆｅの９７％を排斥し、Ｈ_２ＳＯ_４の－１０％を排斥し、ＮＦ２段階は５０％の回収率を有し、５０％のＦｅを排斥し、Ｈ_２ＳＯ_４の－１０％を排斥する。

【0053】

【表2】

【0054】

表２のモデル化されたナノ濾過システムでは、ＮＦ１段階は、４５％の回収率を有し、Ａｌの９５％を排斥し、Ｈ_２ＳＯ_４の－１０％を排斥し、ＮＦ２段階は５０％の回収率を有し、Ａｌの６０％を排斥し、Ｈ_２ＳＯ_４の－１０％を排斥する。

【0055】

【表3】

【0056】

表３のモデル化されたナノ濾過システムでは、ＮＦ１段階は６７％の回収率を有し、全溶解固体（ＴＤＳ）の９９％を排斥し、ＮＦ２段階は５０％の回収率を有し、ＴＤＳの６０％を排斥する。

【0057】

ＮＦ１及びＮＦ２に対応する２つのＮＦ段階を、供給物中の異なる量のＮａ_２ＳＯ_４の全溶解固体を使用して９００ｐｓｉで試験した。ＮＦ１段階は、２０００ｐｐｍ ＭｇＳＯ_４、１１０ｐｓｉ、２５℃で硫酸ナトリウム保持率９７％及びＭｇＳＯ_４保持率９８％超を有するポリアミド薄膜複合ナノ濾過膜を使用し、ＮＦ２段階は、２０００ｐｐｍ ＭｇＳＯ_４、１１０ｐｓｉ、２５℃で８０％～９５％の硫酸ナトリウム保持率及び８０％～９５％のＭｇＳＯ_４保持率を有する非ポリアミド薄膜複合ナノ濾過膜を使用した。

【0058】

供給物が１００ｇ／Ｌの硫酸ナトリウムであった場合、ＮＦ１段階は、４．５１ＬＭＨ（リットル／ｍ^２／時）の許容可能な流束で透過液を生成し、１７５ｇ／Ｌの硫酸ナトリウムで保持液を生成することができることが決定された。より高い濃度の硫酸ナトリウムを有する保持液の生成は、許容できないほど高い浸透圧差、及び許容できないほど減少した透過液流束をもたらした。ＮＦ２段階は、同じ供給濃度及び圧力（１００ｇ／Ｌの硫酸ナトリウム及び９００ｐｓｉ）で、１４．５ＬＭＨの流束で１７５ｇ／Ｌの透過液を生成することができ、これは、ＮＦ２段階が、同じ動作圧力でＮＦ１段階によって生成された保持液をさらに濃縮することができたことを意味する。

【0059】

前述の説明では、説明の目的のために、実施例の完全な理解を提供するために、多数の詳細を記載する。しかし、これらの具体的な詳細は必要ではないことは当業者には明らかである。したがって、説明されたものは、説明された例の適用の単なる例示であり、上記の教示に照らして多数の修正及び変更が可能である。

【0060】

上記の説明は例を提供するので、当業者は、特定の例に対して修正及び変更を行うことができることを理解するものである。したがって、特許請求の範囲は、本明細書に記載された特定の例によって限定されるべきではなく、全体としての本明細書と一致するように解釈されるべきである。

【図1】

【図2】

【国際調査報告】