(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
拡散層としての非孔質材料の薄層一層と多孔質材料の一以上の層とからなる半透膜であって、
前記多孔質層は、間隙率φ、厚さｘ（ｍ）、及び湾曲率τが、下記式（１）：
ｘ・τ＝φ・Ｓ            式（１）
で表される関係にある構造を有し、
（ここで、Ｓ（ｍ）は、０．００１５ｍ以下の値の構造パラメータであり、間隙率φは平均値が５０％より大きく、湾曲率τは、２．５未満である。）
水浸透率が１×１０−１１ｍ／ｓ  Ｐａより大きく、塩分浸透率Ｂが３×１０−８ｍ／ｓ未満であることを特徴とする順浸透又は抗圧浸透現象のための半透膜。
【請求項２】
膜の厚さが１５０μｍ未満である請求項１に記載の膜。
【請求項３】
上記膜が、複数の膜を形成し、該複数の膜の間に流れ遮断装置が位置し、該流れ遮断装置が、膜の間に四角形又は菱形のパターンのネットを形成するポリマー糸を有する請求項１に記載の膜。
【請求項４】
複数の膜が層状に積層されてモジュールを形成し、隣接する膜間の距離が０．４〜０．８ｍｍである請求項３に記載の膜。
【請求項５】
膜の多孔質層が、外径０．０５〜０．５ｍｍの中空繊維である請求項１に記載の膜。
【請求項６】
膜が、少なくとも一のタービンを作動させるための抗圧浸透現象により得られる浸透圧の上昇液圧の活用により電力を作るものである抗圧浸透現象のための請求項１に記載の膜。
【請求項７】
拡散層の厚さが６０μｍ未満であり、膜の厚さが１５０μｍ未満である請求項１又は６に記載の膜。
【請求項８】
数層が積層された少なくとも一の半透膜を通しての抗圧浸透現象を利用するシステムにおいて、浸透圧の一部が該システムに維持され、順浸透による上昇圧力を提供する方法であって、
第１の塩分含有供給水流を、少なくとも一の半透膜における拡散層としての非孔質材料と接触させ、ここで、同時に第１の供給水流よりも塩分の低い第２の塩分含有供給水流を、少なくとも一の半透膜における多孔質層中の多孔質材料と接触させ、当該多孔質層は、間隙率φ、厚さｘ（ｍ）、及び湾曲率τが、下記式（１）：
ｘ・τ＝φ・Ｓ            式（１）
で表される関係にある構造を有し、（ここで、Ｓ（ｍ）は、０．００１５ｍ以下の値の構造パラメータであり、間隙率φは平均値が５０％より大きく、湾曲率τは、２．５未満である。）、水浸透率が１×１０−１１ｍ／ｓ Ｐａより大きく、塩分浸透率Ｂが３×１０−８ｍ／ｓ未満であり、
これによって第２の供給水流からの水が順浸透によって半透膜を通過し、拡散層により決まる膜の浸透側に浸透圧上昇液圧を創出する、上昇圧力を提供する方法。
【請求項９】
膜にかかる浸透圧の少なくとも一部が、直接的に液圧によって、入ってくる第１の供給水流へと輸送される請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
膜の厚さが、１５０μｍ未満である請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
拡散フィルムの厚さが６０μｍ未満である請求項８に記載の方法。
【請求項１２】
第１の供給水流の量が、第２の供給水流の量よりも１〜３倍多い請求項８に記載の方法。
【請求項１３】
膜の間の第１の供給水流用通路は、正方形又は菱形のパターンを有するネットを形成するポリマー糸より成る流れ遮断装置を備え、該装置で１０〜５０％満たされているものである請求項８に記載の方法。
【請求項１４】
複数の膜が層状に積層されてモジュール化され、隣接する膜間の距離が０．４〜０．８ｍｍである請求項８に記載の方法。
【請求項１５】
第１の供給水流の流路長と第２の供給水流の流路長との比が０．３〜１．０である請求項８に記載の方法。
【請求項１６】
膜の多孔質層が、外径０．０５〜０．５ｍｍの中空繊維である請求項８に記載の方法。
【請求項１７】
第１の供給水流からの半透膜の塩分浸透率Ｂが、３×１０−８ｍ／ｓ未満であること及び／又は第２の供給水流からの半透膜の水浸透率Ａが、１×１０−１１ｍ／ｓＰａより大であることを含む請求項８に記載の方法。
【請求項１８】
膜又は膜モジュールへ流れ込む第１の供給水流の圧力が、６〜１６バールの範囲である請求項８に記載の方法。
【請求項１９】
浸透圧の上昇液圧が少なくとも一のタービンを駆動させるのに使用される請求項８に記載の方法。
【請求項２０】
タービンが、電力を作るのに使用される請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
抗圧浸透現象により得られる上昇した浸透圧を提供するためのプラントであって、該プラントは、少なくとも一の半透膜又は少なくとも一の膜モジュールを含み、該膜又は膜モジュールは、拡散層としての非孔質物質と少なくとも一層の多孔質材料の層とを含み、該多孔質層は、間隙率φ、厚さｘ（ｍ）、及び湾曲率τが、下記式（１）：
ｘ・τ＝φ・Ｓ            式（１）
で表される関係にある構造を有し、（ここで、Ｓ（ｍ）は、０．００１５ｍ以下の値の構造パラメータであり、間隙率φは平均値が５０％より大きく、湾曲率τは、２．５未満である。）、水浸透率が１×１０−１１ｍ／ｓ Ｐａより大きく、塩分浸透率Ｂが３×１０−８ｍ／ｓ未満であり、
膜又は膜モジュールの出口に接続され、前記出口から分岐した高圧の浸透圧の液圧輸送を直接受けるように構成され、膜又は膜モジュールの拡散層側の入口に送る水に増加した圧力を供給する圧力交換装置を備えることを特徴とするプラント。
【請求項２２】
上昇浸透圧が、電力を作るために使用される少なくとも一のタービンに適応される請求項２１に記載のプラント。
【請求項２３】
少なくとも一のタービンが、前記出口からの圧力の輸送が分岐する位置の下流に位置する請求項２１に記載のプラント。
【請求項２４】
少なくとも一のタービンが、動作可能に、膜又は膜モジュールと接続している請求項２１に記載のプラント。
【請求項２５】
プラントが、地表レベルから０〜２００ｍ下に位置し、
淡水がパイプラインを通って下方に少なくとも一のタービンまで導かれ、
さらに淡水がタービンから膜又は膜モジュールのうち少なくとも一の低圧側に通され、
海水が上記膜又は膜モジュールのうち少なくとも一の高圧側に通され、当該海水は静水力学的力によって加圧され、海水は上記膜又は膜モジュールのうち少なくとも一の高圧側を通って循環し、
淡水は浸透力によって駆動され上記膜又は膜モジュールのうち少なくとも一を通して輸送され、淡水と海水が混合されて水が出て行くものである請求項２１又は請求項２４に記載のプラント。
【請求項２６】
浸透液上昇圧が、電力を作るために使用されるタービンのうち少なくとも一に適用されるものである請求項２１に記載のプラント。
【請求項２７】
上記タービンのうち少なくとも一が、電力を作るためのものである請求項２４に記載のプラント。
【請求項２８】
拡散層の厚さが６０μｍ未満であり、膜の厚さが１５０μｍ未満である請求項２１又は２４に記載のプラント。
【請求項２９】
膜又は膜モジュールの拡散層が、第１の供給水流に接するように構成されており、膜の多孔質が、第２の供給水流に接するように構成されており、当該第２の供給水流は、上記第１の供給水流よりも塩分の含有量が低く、第１の供給水流が、当該第２の供給水流よりも圧力が高いものである請求項２１又は２４に記載のプラント。
【請求項３０】
少なくとも一のタービンに動作可能に接続され、前記膜又は膜モジュールが、前記少なくとも一のタービンを駆動するために上昇した浸透圧を供給するように構成されている請求項２８に記載のプラント。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、対象物に適合する性質を有する改良された半透膜、及び／又はエネルギー損失を減少させた膜モジュールに関する。より詳細には、本発明は非孔質材料(non-porous material)の薄い層（拡散層）一層、及び多孔質材料(porous material)の一以上の層（多孔質層）から構成される半透膜に関する。更に、本発明は、数層重ねた一以上の半透膜による抗圧浸透現象(pressure retarded osmosis)を利用するシステムにおいて（塩分勾配による）浸透現象によって上昇圧力を提供し、これにより該システム中に上昇した浸透圧の少なくとも一部を維持する方法にも関する。また、浸透圧による上昇圧力と電力とを供給するためのプラントについても記載する。
【背景技術】
【０００２】  米国特許第4,283,913号は、太陽エネルギーを集める飽和非対流型貯水槽を開示している。この貯水槽はエネルギー生産のための逆電気透析あるいは抗圧浸透現象と組み合わせて分離ユニットとして用いられるものである。溶液を完全ではないにしろ分離できる貯水槽から、高濃度液流と低濃度液流を半透膜で分けられた２チャンバへと導く構成となっている。低濃度液流が膜を透過し次いで前記２種の液流が混合されることによって生成されるエネルギーの一部は、これら液流が貯水槽に戻る前にエネルギーに変換される。【０００３】  米国特許第4,193,267号は、抗圧浸透現象によってパワーを生産する手順と装置を開示しているが、これによれば、高液圧を有する高濃度溶液が半透膜に沿って通過し、希釈された溶液が前記膜の反対側に沿って通過する。希釈溶液の一部は、膜を通って移動し加圧された混合溶液を生じる。この加圧された混合物中に蓄積された位置エネルギーは、圧力の解放と前記希釈溶液の加圧によって利用可能なエネルギーに変換される。【０００４】  米国特許第3,978,344号は、タービンと半透膜を用いて、抗圧浸透現象によってエネルギーを生産する手順を記載している。また、米国特許第3,906,250号は、膜の片面上に導かれた第一の液体を液圧的に加圧し、抗圧浸透現象によってエネルギーを生産することを開示しており、低液圧、低浸透圧の第二の液体が膜の他の面上に導かれる。抗圧浸透現象によって、前記第二の液体はその一部が半透膜を通って移動し、その結果、加圧された混合溶液が第一の液体だけであった場合より大きな容積で形成される。蓄積されたエネルギーは、その後タービンにおいて利用可能なエネルギー（例えば電力や機械力）に変換される。【０００５】  塩水と淡水を半透膜（例えば生物学的膜からなるもので豚の膀胱等）で隔てられた２チャンバに別々に加えると、淡水は膜を通過しようとするが、この現象は何世紀も前から知られていた。この駆動力で塩水の水位を淡水の水位より高くすることができるので、静水位(static water height)の形体で位置エネルギーが得られる。この現象は浸透現象(osmosis)と呼ばれるものであって、或る物質を他の物質中に溶解させて得た溶液のいわゆる束一性(colligative properties)に属する現象である。この現象は、熱力学的に記述することができ、従って位置エネルギーの量がわかる。淡水と通常の海水の系においては、圧力として表される理論的位置エネルギーはおよそ26バールである。位置エネルギーは原理的には幾つかの技術的方法により利用可能で、例えばエネルギーをスチームの圧力やポリマーの延伸として回収できる。これら２種の技術的方法には半透膜が用いられており、これらは逆電気透析（DC電圧としての位置エネルギー）及び抗圧浸透現象（以下、PROとも称する；水圧としての位置エネルギー）である。【０００６】  PROプラントにおけるエネルギー生産のコストを知るための計算がなされてきた。そのような計算の不確実さは、エネルギーコストに関する報告値が桁を超えて変動しているという事実によって示されている。Wimmerstedt（1977）は 1 NOK/kWh を少し上回る値を示し、Leeら（1981）は非常に高額なコストを提示した。Jellinek と Masuda（1981）は0.13 NOK/kWh未満を提示した。Thorsen（1996）は、膜特性と価格の最近の評価から見積もりコストを0.25〜0.50 NOK/kWhと述べた。これらの評価は全て淡水と海水の使用に基づいて算出されたものである。よって、これまでの成果が示すところによると、PRO で生産されるエネルギーのコストは大きく変動する。今日および将来のエネルギー生産の方法の包括的解明については、環境と開発に関するリオ会議に先立って書籍「再生可能なエネルギー(Renewable Energy)」（L. Burnham編、1993年）で扱われている。この本では、塩力発電(salt power)についてのみ非常に簡単に述べられており、コストが非常に高いという見方が維持されている。【０００７】  淡水が塩水と混合されると、PROに関し、淡水で260 メートルの落差に対応する位置エネルギー（混合エネルギー）を生じるが、この点で最も注目されるロケーションは海へと流れる河川である。本発明において、このエネルギーの35〜40％がPROによって回収されることが見いだされた。実際の発電施設では、淡水と塩水が混合された時にできる汽水(brackish water)の水流中に約10 バールのエネルギーが水圧として放出される。この圧力を利用して従来のタービンを作動させることができる。その際のエネルギー有効量は地球全体としては淡水の自然落下エネルギーの50〜100％である。
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】  本発明によれば、電力量に対する実際の能力は、ノルウェーで今日開発されている水力発電の25〜50％であると考えられる。本発明に基づく発電施設から大気や水環境に排出される物質の量は特に顕著ではない。更に、本発明で得られるエネルギーの形態は完全に再生可能(renewable)であると共に、従来の水力発電所と同様の方式で天然の水だけを駆動力に用いるものである。本発明の目的は、塩力発電(salt power)をより大規模なスケールで商業的に利用することを可能とすることである。
【０００９】  本発明で意図する塩力発電施設(salt power plant)の面積当りの予想費用は比較的小額で、ガス発電施設の場合と同等のオーダーであり、風力発電の場合より実質的に低額である。よって本発明の方法は基本的に環境にやさしい。簡単にいえば、本発明方法は環境問題に関して有効で、その使用特性の特徴は次の通りである：
−  CO2 の排出がない、あるいは水以外、大量に排出されるものがない。
−  従来の水力発電のように、再生可能(renewable)である。
−  風力発電や波発電とは異なり、安定生産可能である。
−  大面積を必要としないので景観に殆ど影響を及ぼさない。
−  柔軟な操作性。
−  小プラントにも大プラントにも適合する。
【００１０】  膜中の塩分勾配の最大部分が流れ抵抗(flow resistance)と同一層に存在するような膜をPROに用いた場合、エネルギー損失を低減させた効果的な半透膜は、公知の技術で扱われていない。よって、前記流れ抵抗と膜中の塩分勾配に対する条件とが満たされている、効果的で最適化された膜/膜モジュールを開発する必要がある。しかし、濾過（逆浸透）のために設計された既存の膜では十分にこの目的は達成されない。さらに、PROを利用するシステムに関し、上述のような効果的な半透膜を用い浸透圧から電力を生産するための方法において、浸透圧の満足できる部分が維持されている方法は記載されていない。
【００１１】  本発明の重要な一特徴は、膜中の塩分勾配の大部分が流れ抵抗と同一の層（即ち拡散層）に偏在することである。更に本発明はまた、水輸送及び塩分拡散に対し、特に言及するほどの抵抗のない拡散層のための多孔質担体材料も提供する。この点は濾過（逆浸透現象）/抗圧浸透現象（PRO）のために設計された既存の膜では十分にこの目的は達成されない。本発明においては、塩分は、拡散層を除き、膜中に部分的に好ましくないほどの高濃度では存在しない。本発明によれば、膜の内部構造が特定の構造であるものも重要である。さらに、膜の海水側における塩分の濃度分極が従来の膜に比べて低減される。
【００１２】  本発明に係るPROプラントでは、汽水に存在する圧力エネルギーは、入ってくる海水を加圧するために直接、液圧として回収される(hydraulic recovered)。それによって、この目的のために用いる通常の水ポンプで通常起こるであろう損失の一部を避けることができる。この損失を避けることによって、本発明に係るPROプラントは、地表レベルより低い位置ではなく地表レベルにおいて設置でき、それにもかかわらず許容できる効率を達成できる。
【００１３】  入ってくる海水を直接、液的に加圧することによる圧力エネルギーの回収は装置で行われ、ここで装置の半分におけるタービン圧力が海水を直接膜モジュールヘと押し付けている。残る半分においては、汽水は押し返され、海水がポンプで汲み入れられる際にPROから出て行く。この装置の各々の半分で起こる、海水の液的加圧のための前記プロセスは、前記装置内における制御されたバルブシステムや水含有パーツの回転によって交互に起こる。前記直接的、液圧輸送によって効率の悪い海水ポンプはもはや必要でない。
【課題を解決するための手段】
【００１４】  本発明は、半透膜又は膜モジュールを開示するものであって、該膜は通常の浸透性(osmotic properties)を有する薄い拡散層を含み、残る膜は間隙率（多孔率）が大きく、そこでは塩分は収集されない（多孔質層）。
【００１５】  本発明は、非孔質材料の薄層（拡散層）一層と多孔質材料の一以上の層（多孔質層）からなる半透膜を包含するものであって、前記多孔質層は、その間隙率(porosity)φ 、膜の厚さ x(m)、及び湾曲率 (tortuosity)τ が、次式：
x・τ＝φ・S
（ここで、Sは構造パラメータ）で表される関係にある構造を有し、構造パラメータSは、膜全体に亘っての塩分に関するインテグレートされた質量バランスにおいて、次式：
Δcs/cb = exp [(−ds・J/D)/ {1 + B・[(exp(df・J/D + S・J/D)-exp(−ds・J/D)]/J}
［式中、
Bは塩分浸透率(salt permeability)(m/s)、
cbは淡水と塩水の間の塩分濃度の差(モル/cm3)
Δcsは拡散層上の塩分濃度の差(モル/cm3)、
φは間隙率、
xは膜の厚さ (m)
J水のフラックス (m/s) 、
cは塩分の濃度 (モル/cm3)、
Dは塩分の拡散係数(m2/s)、
τは湾曲率、
dfは膜の淡水側の拡散フィルムの厚さ(μm)、dsは膜の塩水側の拡散フィルムの厚さ(μm)、
Δcs/cbは、所定の水浸透率(water permeability)の値に対する抗圧浸透現象における膜効率を表す］で表される膜の効率に作用する。
【００１６】  本発明はまた、非孔質材料（拡散層）の薄層一層と多孔質材料の一以上の層（多孔質層）からなる半透膜として記述されるものでもあって、前記多孔質層は、間隙率 φ、膜の厚さ x(m)、及び湾曲率 τ が、次式：
x・τ＝φ・S        （1）
（ここで、Sは構造パラメータ）で表される関係にある構造を有する点を特徴とする。
【００１７】  本発明に係る半透膜は、より特定的には次のような半透膜、即ち、非孔質材料の薄層〔拡散層(diffusion skin)〕一層と一つの多孔質材料の一以上の層（多孔質層）からなる、所定量の塩分含有水が前記拡散層の一方の側と接触する半透膜であって、前記多孔質層は、パラメータB (拡散層中の塩分浸透率）が次の関係：
B=(φ・D・(dc/dx)/τ-J・c)・1/ΔcS                  （2）
［式中、
Bは塩分浸透率（m/s）、
ΔcSは拡散層上での塩分濃度の差（モル/cm3）、
φは間隙率、
xは膜の厚さ（m）、
Jは水のフラックス（m/s）、
cは塩分の濃度（モル/cm3）、
Dは塩分の拡散係数（m2/s）、
τは湾曲率、
ここで、水浸透率 A （m/s/Pa）の所定値に対する抗圧浸透現象における膜効率は（2）のインテグレーションで表すことができ：
Δcs/cb = exp(-ds・J/D）/｛1 + B・[(exp(df・J/D + S・J/D）−exp(-ds・J/D)]/J}      （3）
(式中、
cbは塩水中の塩分の濃度から淡水中の塩分の濃度を減算した差（モル/cm3）    df及びdsは、それぞれ膜の淡水側及び塩水側の拡散フィルム（濃度分極）の厚さ（μm）、
ΔcS/cbは、水浸透率 A（m/s/Pa）の所定値に対する抗圧浸透現象における膜の効率)]を満たし、
前記膜の多孔質部における前記構造は、構造パラメータ S(m)によって
S = x・τ/φ      （1）
と正確に表現できるものであることを特徴とする半透膜、として記述することができる。
【００１８】  構造パラメータSの値、従って膜の内部構造は、抗圧浸透現象に関する膜効率を左右する決定的因子である。本発明に係る構造は一つだけの薄い非孔質層を有するべきであり、その中では塩分が水よりもずっと遅い拡散速度を有する。他の層は全て多孔質で、塩分と水が可能な限り小さい抵抗で輸送され得るようになされなければならない。通常、多孔質層は、正しい機械的特性を膜に与えるために、及び／又は製造方法の結果として、数層存在する。拡散層が二以上の多孔質層の間にあるか、又は膜が淡水と塩水との関係において横方向に逆に置かれている場合には、式表現はより複雑になるであろうが、以下の考察は同じように有効であろう。
【００１９】  構造パラメータSの値は0.0015以下であるべきである。膜の厚さは150 μm未満、好ましくは100 μm未満である。本発明における多孔質層の間隙率の平均値φは50％より大である。半透膜は湾曲率（捩れ）τを有し、これは2.5より小である。塩分の浸透率(permeability) B は3×10-8 m/s より小さく、水浸透率(permeability) A は1×10-11 m/s/Paより大きい。塩分の含有量が少ない側と塩分の含有量が多い側の拡散フィルムの厚さは60 μm未満、好ましくは30 μm未満である。
【００２０】  本発明に係る膜モジュールは、四角形あるいは菱形のパターンのネットを形成するポリマー糸からなる流れ遮断装置(flow breakers)を含む。更に数個の膜が積層されて（スパイラル膜状に巻かれた）モジュールとされるが、隣接する膜同士の間隔は0.4〜0.8 mmである。
【００２１】
更に、本発明は、請求項８に記載の方法に関する。即ち、数層積層された一以上の半透膜を通しての抗圧浸透現象を利用するシステムにおいて、浸透圧の少なくとも一部が該システムに維持される、浸透（塩分勾配による）により上昇した圧力を提供する方法であって、
−塩分含有供給水流を一以上の半透膜中の非孔質層（拡散層）と接触させる；、ここで、同時に低塩分含有供給水流が前記拡散層の他の側と接触するようにされ、且つ前記一以上の半透膜の中の隣接する多孔質層は、その間隙率φ、膜の厚さｘ（ｍ）、及び湾曲率τが、次式：
ｘ・τ＝φ・Ｓ
（ここで、Ｓは構造パラメータ）で表される関係にある構造を有し、
−これによって前記低塩分含有供給水流からのＨ２Ｏが自然に浸透によって半透膜を通過させられ、浸透側に浸透圧の上昇液圧を創出することを特徴とする方法を提供するものである。
【００２２】  上述の方法において、二水流間の潜在的浸透圧の少なくとも一部は、入ってくる塩分含有供給水流に直接、液圧的に移される。塩分含有供給水流の量は、塩分含有量の少ない供給水流の量よりも1〜3倍多く、その結果、塩分含有水流の流路長(flow path)と塩分含有量の少ない水流の流路長との比は0.3〜1.0である。隣接する膜の間の距離は0.4〜0.8 mmである。
【００２３】  スパイラルモジュールでは、塩分含有供給水流のための通路群は、正方形又は菱形のパターンを有するネットを形成するポリマー糸より成る一以上の流れ遮断装置で10〜50％満たされている。
【００２４】  膜／膜モジュールにおける塩分含有供給水流内の圧力は6〜16バールの範囲である。
【００２５】  スパイラル膜に代わるものとして、連続する低塩分含有供給水流と塩分含有供給水流との間に平行繊維を層状に配置できる。上の方法はこれにより多少変更されるが、圧力は同一であろう。
【００２６】
更に本発明は、請求項２１に記載のプラントに関する。このプラントは上昇した浸透圧を提供し、一以上の半透膜又は一以上の膜モジュールと、浸透圧の直接的液圧伝達のための装置とを含み、ここにおいて該膜は多孔質層を少なくとも一層と非孔質層（拡散層）とを備えている。
【００２７】
更に言及されるべき本発明の一様相は、電力供給プラントであって、該プラントは一以上の半透膜又は一以上の膜モジュールと（ここで該膜は非孔質材料（拡散層）と少なくとも一層の多孔質層とを含む）；浸透圧の直接的液圧伝達のための装置と；発電機を備えた少なくとも一のタービンと、を含むものである。
【００２８】  前記プラントは地表面上、又は地表面から200m下以内に設置できる。
抗圧浸透現象は全ての浸透過程と同様、膜を通しての選択的質量輸送に基づいている。淡水のチャンバは、半透膜によって海水のチャンバから分離されている。水はこの膜を通って輸送されるが、塩分は輸送されない。
【００２９】  水も塩分も、高濃度から低濃度に拡散するが、膜は塩分の輸送を阻止する。その結果が、淡水側から海水側への正味の水輸送であり、圧力が海水側で上昇する。従って、浸透圧による水輸送は圧力の上昇によって遅延する。海水側に輸送された水はそこでより高い圧力にあり、水がタービンを通して流出可能であれば、仕事を取出すことができる。このようにして、淡水と海水とを混合することによる自由エネルギーを仕事に変換できる。
【００３０】  淡水が海水側に流入し、且つ流出するものがない場合には、圧力は上昇するであろう。遂には、海水側の圧力は非常に高くなり水の輸送を阻止してしまう。これは圧力の差と、ファント・ホッフ(van't Hoff)の式：
【００３１】
【数１】
0005422809.tif 000002
【００３２】で与えられる海水の浸透圧とが等しい時に起こる。ここで、Rは気体定数であり、Tは絶対温度である。35 g/l のNaCl溶液に対しては、式（4）は20℃で29バールの理論的な浸透圧を与える。これは、296メートルの水柱に対応する。１モルの水（0.018 kilos）を296メートル引き上げる場合には、52.2J の仕事を行わなければならない。
【００３３】  抗圧浸透現象に基づく発電プラントでは、低圧側に供給される淡水は、浸透によって半透膜を通して高圧側に輸送される。高圧側から、水は機械力を発生させるタービンを介してその圧力が解放される。海水側で必要とされる高い塩分濃度を保つために、海水は、作用圧(working pressure)に抗して圧送され(pumped in)なければならない。膨張している水流の体積（淡水＋海水）が圧縮される水流の体積よりも大きいので、正味のエネルギーが生み出される。淡水の一部は、低圧側からプラントを出ていき、その際、淡水中の汚染物や高圧側から漏れたかもしれない塩分を排出除去する。
【００３４】  抗圧浸透現象を利用するプラントの別の設計例としては、地表レベルから80〜200m下に埋めたプラントの建設が考えられる。この場合には、淡水はパイプラインを通って下方にタービンまで導かれ、そこから膜の低圧側へと通される。海水は静水力学的力(hydrostatic power)によって加圧された膜の高圧側へと通され、海水は高圧側を通って循環するが、この場合、唯一の損失として伴われるのは摩擦である。淡水は、浸透力によって駆動され膜を通して輸送され、海水と混合された状態でプラントを出て行く。膜はその際、地下に埋設された陸地仕様のモジュール(land-based modules)として、タービン及び他の装置と共に位置決めされ得る。海が掘削よりもより深く設定される場合には、膜モジュールを直接海中に置くことが出来るであろう。
【００３５】  膜の外面（skin）は、海水か淡水の何れかに対向するように位置させることができる。拡散層を淡水側に向けて配置すれば、拡散層は多孔性担体に比べて遥かに小さな細孔を有するので、淡水内の汚染物が膜の表面でより容易に拒否されるという利点を有するであろう。淡水側の膜の方へ移動する正味の体積水流があるので、この体積水流は、膜を汚染する原因となり得る異なるタイプの不純物を輸送し得るであろう。他方、水側の膜からの連続水流は、膜の表面を清潔に保つのに寄与するであろう。
【００３６】  本発明のプロセスにおける圧力差は全て非孔質材料（拡散層）にかかるので、拡散層が海水側に置かれていることは利点であり得る。なぜなら、過剰な圧力(overpressure)は拡散層を担体に押付けるであろうからである。淡水側に拡散層がある場合には、拡散層が担体から離れてしまったり膜が破壊されるという危険がある。
【００３７】  更に、水の浸透率A、及び塩分の浸透率B、に対するパラメータが膜の性能に関して非常に重要である。
【００３８】  塩分漏出が全くない膜では、担体の厚さ、間隙率及び湾曲率は、エネルギー生産に対してあまり重要ではない。
【００３９】  塩分漏出の少ない膜の場合、淡水側の濃度分極（concentration polarization）は完全に無視できるので、海水側の濃度分極のみが起因してフィルム厚に対する依存性が極めて大きくなるものと思われる。
【００４０】  拡散フィルムの厚さは、抗圧浸透現象によりエネルギー生産に決定的な重要な寸法である。この寸法は、フラックスデータを実際のモデルに適合させた輸送試験から実験的に決定する必要がある。より複雑な輸送モデルについて行った理論計算によれば、拡散フィルムの厚さは約0.000025mである。
【００４１】  海水側の膜表面に設けられる拡散フィルムの厚さは、海水側の流速を増加させること、及び流れる海水の攪拌を促進する装置（水流の乱れの促進器）の使用によって減少できる。これらの努力により海水の流れによる摩擦損失が増加するため、膜モジュールを通過する海水の速度及び膜モジュールの形状に関して最適な点が存在する。
【００４２】  上記のように、良好な膜モジュールにおいては、塩分の濃度分極は淡水側ではあまり問題とならない。これは大きな利点である。即ち、淡水の殆どは膜を通して海水へと輸送されなければならず、良好な装置のある部分では淡水の速度が低くなければならないためである。
【００４３】  抗圧浸透現象では、最も重要な損失は、海水の加圧及び膜モジュールを通しての海水の圧送に関連する損失、並びにタービンと発電機によって水の圧力エネルギーを電気エネルギーに変換する際の損失である。
【００４４】  摩擦損失のために膜モジュール全体に亘って圧力降下が生じる。水は狭い通路を通って圧送しなければならないが、この通路には離間ネット（distance net）が設けられており、通路の必要幅を確保すると共に、水相の混合を促進できる。従って、拡散フィルムの厚さを減少でき、PROプロセスの能率を向上できる。
【００４５】  良好な膜モジュールを用いたPROプロセスでは、淡水側での塩分濃度の増加は僅かであるため、濃度分極の問題は海水側だけで起こる。更に、海水側の流速は淡水側の流速よりも高い。何故なら、淡水が海水へと輸送されるためであり、また、海水中の塩分の濃度を可能な限り高く維持したいという要求が存在するためである。この要求は、塩水の通過流量を高めることによって達成できるが、塩水の通過流速を高めることによって利点は得られるもののコストに反するものと考えられる。塩水の流速は塩水を再循環させることで増加できる。
【００４６】  本発明によるプロセスでは、海水は膜モジュールを通過する前に加圧される。そして、この海水は、膜を通過した淡水と共にタービンを通って膨張(expand)する。ポンプ及びタービンの効率は１未満であるため、これらのユニットの動作においてエネルギーの損失が生じる。
【００４７】  大量の海水を最初に圧縮し、その後タービンを通る間に膨張させる必要がある場合における上記のエネルギー損失を低減させるために、圧力交換装置を使用できる。圧力交換装置においては、流出する希釈海水の圧力を使用して流入する海水を圧縮する。膜を通過して流れる淡水に対応した量の水だけがタービンを通過するため、非常に小型のタービンを使用できる。海水を加圧するための高圧力ポンプは完全に不要になる。
【００４８】  最後に、本発明は、塩分を含む供給水流と塩分が少ない供給水流とを精製する水のフィルタと、一以上の半透膜又は一以上の膜モジュールと、浸透圧を直接液圧で伝達するための装置とを含む、電力生産用プラントを記述する。
【００４９】  塩分浸透率Ｂ、水浸透率Ａ、構造パラメータＳ、及び拡散フィルムの厚さに関しての必要値は、ファイバー膜を利用する場合にも適用できる。ファイバー膜についての主要図面はスパイラル構成に関するものであるが、流れ遮断離間ネットの使用に関するものである点が異なる。
【実施例】
【００５０】エネルギー生産の例：
塩水と淡水が混じり合う領域は断熱、即ち周囲との間で熱交換がない（dq=0）ものとして考えることができる。混合エンタルピーは略零で、仕事（dw）（熱ではない）が混合水から取出されるため、エネルギー保存則から次式が得られる。
dE = cpdT = dq + dw = dw            （５）
［式中、dEはシステム全体の内部エネルギーの変化を表し、cp はシステムの熱容量を表す］。【００５１】  仕事を取出すことにより、式（５）に従ってある程度冷却が生じる。もし１モルの淡水（52.5 J／モル）が３モルの塩水と可逆的に混合されると、得られる希釈塩水の温度は0.17℃低下する。ミキシングユニット当たりのエネルギー生産を最適化した現実のプロセスでは、可逆的仕事の半分が取り出される。これにより、混合水の温度低下は0.1℃未満となる。【００５２】  上記のように、実際の装置では、エネルギー生産量を最大にするために、利用可能な混合による自由エネルギーの50％だけしか使用されないであろう。更に、エネルギーはプロセスの操作で失われる。混合ユニットで発生されたエネルギーの20％がプロセス内で消失する（摩擦、ポンプ、タービン等の運転による損失）ものと過程すると、プロセスを通過する水１モル当たり20 Jが生産される。これにより、表１に示すような本発明による水輸送の平均流量に基づき所定の箇所でエネルギーが生産される。【００５３】
【表１】
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【００５４】動作変数の例：
膜を通しての水及び塩分の輸送並びに膜の単位面積当たりのエネルギー生産量を計算するためには、実際の膜を表す種々のパラメータの現実の値、膜モジュールの形状、プロセス条件を表すパラメータ、及び幾つかの物理データが必要である。計算に必要なパラメータが表２にまとめられている。【００５５】
【表２】
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【００５６】  最後のセルから流出する塩水の流量Ｑはプロセスからの流量を定義する。塩水についての流出流量と流入流量の差及び塩水側の圧力が産み出された仕事量を示す。淡水の利用率は淡水の流入流量と流出流量の差によって示される。【００５７】
【表２】
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【００５８】  パラメータの組ごとに上のようにしてフラックスと流量を計算する。最適な海水圧力を決定するために、他の条件を一定にして海水圧を常に変化させる。【００５９】  計算に当たっては、流れ抵抗による膜モジュールでの圧力損失は考慮しなかった。海水を加圧するポンプの効率及びプロセスからエネルギーを生産するタービンの効率も考慮しなかった。従って、求められた生産された仕事は混合プロセスにおけるエネルギー生産に関係しており、現実のプロセスから抽出できる実際の仕事量と等しくない。問題にしているプラントについてそのような寸法を見積らなければならない。【００６０】  温度が3℃から20℃に上昇すると塩分の拡散係数は約80％高くなるが、拡散係数は塩分濃度によってはあまり変化しない。従って、0.1モル/lの時の拡散係数が全ての計算において使用されている。ある計算例では、表２に記載した控えめなパラメータ値を基準とする。これらの条件下で、膜は2.74 W/m2 を発生し、膜に供給された淡水の内の23％が海水側に輸送される。図１は、海水側圧力の関数としての膜の単位面積当たりの効果を示す。この図に示すように、13〜18 barの間に比較的平坦な最適領域が存在する。膜厚、フィルム厚、及び温度についてもう少し好ましい値を選択することにより、5W/m2 を超えるエネルギー生産を容易に達成することができる。【００６１】  図７は、海水圧力が13 barである場合における、膜の流入側から流出側までの膜に亘る濃度変化を示す。この膜を通しての塩分漏出は少ないため、淡水側における塩分濃度の増加は殆ど測定できない程度で、排出濃度（0.5 モル／m3）に達する。従って、淡水側の濃度分極は完全に無視できる。【００６２】  一方、海水側の濃度分極は著しく、濃度低下は100モル/m3 を僅かに下回った値となる。従って、担体全体を通じて150モル/m3程度の濃度低下がある。膜の外面での駆動濃度差は、海水に接する外(skin)表面と海水に向く(faces against)隣接する多孔質層の側面との間の濃度差に対応し（図７参照）、320モル/m3程度となる。これは即ち、海水と淡水との間の濃度差の辛うじて60％である。これは、分極効果を低減することが重要であることを示している。この分極効果の低減は、海水側（高流速及び良好な攪拌）の拡散フィルムの厚さ及び担体の厚さを最小にすることで達成される。【００６３】  図８は、流入側からの位置（無単位）の変化に対する膜を通過する水の体積フラックスの変化を示す。図に示すように、水のフラックス変化は比較的少ないが、この理由は、駆動濃度差も膜に沿って比較的一定であるためである（図７参照）。
【図面の簡単な説明】
【図１】  淡水と海水を別個の水フィルタに供給し、その後これらの水流を半透膜の両側を通過させるようにしたPROプラントを示す。浸透水と塩水との加圧混合物の一部が発電のためにタービンを通される。浸透水の残りの部分は、流入する海水を加圧する圧力交換装置に供給される。次いで加圧された海水は膜モジュールに供給される。
【図２】  スパイラルモジュールにおける交差流の流れパターンを示す。
【図３】  スパイラルモジュールにおける流線を示す。
【図４】  拡散層と呼ばれる非孔質層と一層の多孔質層を積層した膜の内部構造を示す。
【図５】  多量の塩分を含有する水と接している側（海水側）の膜における圧力と浸透フラックスとの関係を示す。図５は、Ａが10-11m/s/PaでＢが3〜10-8 m/sの場合において経済的な発電のために許容できるＳの値を示す。上記の値又はそれを越えるＡの値が必要であると考えられる。従って、Ｓは0.001m以下の値でなければならない。研究室での測定の結果、抗圧浸透現象の性能が最も高かった逆浸透用の膜のＳ値は約0.003mであることが分かった。これは、これらの膜についてはＳ値が３倍以上改善されたことを意味する。Ｂの値が低くなった場合、Ｓに対する要求も若干変化する。
【図６】  表２の条件で行われるプロセスについて、海水側の圧力の関数としての効果を示す。
【図７】  表２の条件で行われるＰＲＯについて、膜に沿って測定した濃度の関係を示す（淡水側の塩分の濃度は殆ど測定不可）。
【図８】  表２の条件で行われるプロセスについて、膜を通過する水の体積フラックスを示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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