(57)【要約】 【課題】生産淡水への溶質の混入を最小限に抑え、さらに大掛かりな蒸留装置や溶質溶解装置が不要な正浸透造水システムを提供する。【解決手段】正浸透分離方法で原水から淡水を得る造水システムであって、半透膜を介して接する原水と吸収液の浸透圧差を利用して原水側から吸収液側に水を移動させる正浸透装置と、前記正浸透装置と希釈吸収液ラインで接続され、ろ過膜を介して吸収液の溶質と淡水をろ過分離する膜分離装置と、前記膜分離装置で溶質濃度が高められた吸収液を前記正浸透装置に返送するためのポンプが介装された高濃度吸収液ラインとを具備し、前記高濃度吸収液ラインに、前記分子集合体を解離させる外部刺激を与える第１のスイッチング装置を設け、前記吸収液は自己組織化して前記膜分離装置における前記ろ過膜の細孔寸法より大きい分子集合体を形成する、界面活性剤を溶質として溶解されることを特徴とする正浸透造水システム。【選択図】図１
2014087751.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
正浸透分離方法で原水から淡水を得る造水システムであって、
半透膜を介して接する原水と吸収液の浸透圧差を利用して原水側から吸収液側に水を移動させる正浸透装置と、
前記正浸透装置と希釈吸収液ラインで接続され、ろ過膜を介して吸収液の溶質と淡水をろ過分離する膜分離装置と、
前記膜分離装置で溶質濃度が高められた吸収液を前記正浸透装置に返送するためのポンプが介装された高濃度吸収液ラインと、
を具備し、
前記高濃度吸収液ラインに、前記分子集合体を解離させる外部刺激を与える第１のスイッチング装置を設け、
前記吸収液は、自己組織化して前記膜分離装置における前記ろ過膜の細孔寸法より大きい分子集合体を形成する、界面活性剤を溶質として溶解されることを特徴とする正浸透造水システム。
【請求項２】
前記希釈吸収液ラインに、解離した前記界面活性剤分子に外部刺激を与え、自己組織化を促進して前記膜分離装置おける前記ろ過膜の細孔寸法より大きい分子集合体を形成する第２のスイッチング装置を設けることを特徴とする請求項１記載の正浸透造水システム。
【請求項３】
前記外部刺激は、電圧、光照射、高周波電流、超音波から選ばれる少なくとも１つの刺激であることを特徴とする請求項１または２記載の正浸透造水システム。
【請求項４】
前記界面活性剤は、外部刺激を与えると前記界面活性剤の界面物性を変化させる性質を有する物質を含むことを特徴とする請求項１乃至３いずれか１項記載の正浸透造水システム。
【請求項５】
前記物質は、環境によって分子構造、電子配置、原子間結合状態が変化する酸化還元応答化合物であり、前記酸化還元応答化合物は前記界面活性剤を化学修飾するか、または酵素反応により修飾することを特徴とする請求項４記載の正浸透造水システム。
【請求項６】
前記酸化還元応答化合物で修飾された前記界面活性剤は、フェロセン部位、アゾベンゼン部位、アントラキノン部位の少なくとも１つを形成し得る両親媒性の界面活性剤であることを特徴とする請求項５記載の正浸透造水システム。
【請求項７】
前記界面活性剤は、酵母菌が有機系基質から生産される界面活性剤およびその誘導体であることを特徴とする請求項１乃至６いずれか１項記載の正浸透造水システム。
【請求項８】
前記界面活性剤は、マンノシルエリスリトールリピッドおよびその誘導体であることを特徴とする請求項７項記載の正浸透造水システム。
【請求項９】
前記正浸透装置と前記膜分離装置の間の前記希釈吸収液ラインに吸収液の浸透圧で発電する発電装置を設けることを特徴とする請求項１または３乃至８いずれか１項記載の正浸透造水システム。
【請求項１０】
前記発電装置は、前記希釈吸収液ラインに前記第２のスイッチング装置に対し上流側に位置するように設けることを特徴とする請求項２記載の正浸透造水システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、正浸透造水システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
半透膜を介して濃度が異なる２種類の水溶液を接触させると、それら溶液の間に浸透圧差が生じる。正浸透法は、その圧力差を減らす方向（濃度差をなくす方向）、即ち濃度が低い方から高い方、に水が移動する現象を利用している。逆に濃度が高い側の溶液に対して、それら溶液間に生じる浸透圧差以上の圧力をかけることにより、濃度が高い方から低い方に水が移動する現象を利用したのが逆浸透（ＲＯ）法であり、海水淡水化技術として実用化されている。
【０００３】
しかしながら、逆浸透法は浸透圧差よりはるかに高い圧力、例えば海水淡水化の場合は海水／淡水間の浸透圧差２．４ＭＰａに対して水を厚みのある半透膜中を移動させる圧力を加えた６ＭＰａの圧力をかける必要があり、昇圧するための動力が大きく消費電力が高いことが造水コスト増の要因となる。
【０００４】
一方、正浸透（ＦＯ）法は、原水、例えば海水の塩分濃度より濃度（浸透圧）が高くなるように溶質（水溶性化合物）を溶解させたDraw Solution（吸収液）を用いて、動力（圧力）をかけることなく、原水側から水を吸収液に移動させる。その後、吸収液中の溶質成分を揮発させて水と溶質を分離することにより、原水から淡水を得る。さらに、揮発させた溶質は再度、吸収液に再溶解させて、高濃度の溶液に再生し、循環させる。ここで原水（海水）をFeed Solution（供給液）とも呼ぶ。また、正浸透法は原水として下水や排水、その他の成分が溶解した工業廃水から淡水を得ることもできる。
【０００５】
従来の正浸透法による造水システムの代表的な例について図５を参照して説明する。
【０００６】
正浸透法による正浸透造水システム１０１は、正浸透膜（半透膜）を使った正浸透装置１０２、吸収液再生装置１０３、溶質／淡水分離装置１０４、循環ポンプ１０５から構成されている。
【０００７】
正浸透装置１０２は、原水ライン１０７から供給液として原水が供給され、正浸透膜１０６を介して、高濃度吸収液供給ライン１１１から供給される吸収液と接触して、原水中の水が正浸透作用により原水側から吸収液側に移動する。その際、供給液は濃縮されて濃縮排水として排水ライン１０９から排水される。一方、原水から水を吸収して希釈された吸収液は、希釈吸収液ライン１１０を通して次工程の吸収液再生装置１０３に供給される。吸収液再生装置１０３では、まず、正浸透装置１０２で希釈された吸収液の一部（正浸透装置１０２にて吸収した水による吸収液体積増加分）を分液し、希釈吸収液ライン１１２を通して次工程の溶質／淡水分離装置１０４に送る。残った希釈吸収液には、溶質／淡水分離装置１０４で分離された溶質が溶質ライン１１３から供給され、混合溶解させて濃度を高めた高濃度吸収液になる。高濃度吸収液は、即ち、正浸透装置１０２の吸収液として再生された吸収液は循環ポンプ１０５が介装された高濃度吸収液ライン１１１を通して正浸透装置１０２に供給される。溶質／淡水分離装置１０４では、吸収液再生装置１０３から希釈吸収液ライン１１２を通して供給された希釈吸収液を淡水と溶質に分離する。分離された溶質は、前述したように溶質ライン１１２を通して吸収液再生装置１０３に戻される。一方、淡水は淡水ライン１１４より飲料水等としてユーザに供給される。なお、原水は、海水、下水、排水、工業廃水を用いることができる。
【０００８】
溶質／淡水分離装置１０４による淡水と溶質の分離方法は、吸収液の溶質の種類によって異なる。特許文献１や特許文献２では、炭酸水素アンモニウム（ＮＨ4ＨＣＯ3）を溶質とし、膜蒸留法により外部から熱（高温蒸気等）１１５を加えて希釈吸収液を６０〜１００℃に加熱することにより、溶質の炭酸水素アンモニウム（ＮＨ4ＨＣＯ3）を炭酸ガス（ＣＯ2）とアンモニアガス（ＮＨ3）とに分解する。分解されたガスは、溶質として溶質ライン１１３を通して吸収液再生装置１０３に供給される。吸収液再生装置１０３では、溶質ライン１１３にて供給された炭酸ガス（ＣＯ2）とアンモニアガス（ＮＨ3）を希釈吸収液に混合溶解させて濃度を高めた高濃度吸収液を調製、再生し、この高濃度吸収液は循環ポンプ１０５が介装された高濃度吸収液ライン１１１を通して正浸透装置１０２に供給される。
【０００９】
しかしながら、図５に記載の正浸透造水システムは熱（高温蒸気等）源が必要なことに加え、溶質／淡水分離装置１０４にてアンモニア（ＮＨ3）を十分に蒸発させることができず、毒性のアンモニアの一部が淡水側に残り、淡水に残留する課題がある。アンモニアは、分子サイズなどの物性が水と非常に近く、水とアンモニアを完全に分離するのは、非常に困難である。また、吸収液を再生する溶質が減少するため、その分、アンモニアを外部から供給する必要がある。
【００１０】
一方、吸収液の溶質として下記表１に示す化合物を用いることが知られている。
【表１】
2014087751.tif 000003
【００１１】
前記表１に記載の化合物を吸収液の溶質として用いた場合、吸収液の温度を変えることで溶解度を変化させて、化合物を沈殿させ、ろ過により溶質を分離する方法がある。しかしながら、この場合も、吸収液を加温、冷却するため、熱源が必要なこと、加えて溶解度が低いとはいえ、僅かながら淡水中にこれらの化合物が溶解する。また、前記表１に記載のように毒性、腐食性（苛性）のある成分が淡水中に残留する。さらに、吸収液を再生する溶質が減少した分、外部から溶質を供給する必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】ＵＳ６３９１２０５Ｂ１
【特許文献２】ＵＳ７５６００２９Ｂ２
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】James E. Miller, Lindsey R. Evans, Forward Osmosis: A New Approach to Water Purification and Desalination, SANDIA REPORT SAND 2006-4634 , July 2006
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
従来の正浸透法は、溶質と淡水に分離するには外部から熱源を供給して熱を効果的に伝えるために、大掛かりな蒸留装置またはろ過装置が必要になる。また、溶質から吸収液を再生するための溶質溶解装置が必要になり、造水システムの大型化、造水コストが高くなる課題がある。
【００１５】
本発明が解決しようとする課題は、生産淡水への溶質の混入を最小限に抑え、さらに大掛かりな蒸留装置や溶質溶解装置が不要な正浸透造水システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本実施形態の正浸透造水システムは、正浸透分離方法で原水から淡水を得る造水システムであって、半透膜を介して接する原水と吸収液の浸透圧差を利用して原水側から吸収液側に水を移動させる正浸透装置と、前記正浸透装置と希釈吸収液ラインで接続され、ろ過膜を介して吸収液の溶質と淡水をろ過分離する膜分離装置と、前記膜分離装置で溶質濃度が高められた吸収液を前記正浸透装置に返送するためのポンプが介装された高濃度吸収液ラインと、を具備し、前記高濃度吸収液ラインに、前記分子集合体を解離させる外部刺激を与える第１のスイッチング装置を設け、前記吸収液は、自己組織化して前記膜分離装置における前記ろ過膜の細孔寸法より大きい分子集合体を形成する、界面活性剤を溶質として溶解されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、生産淡水への溶質の混入を最小限に抑え、さらに大掛かりな蒸留装置や溶質溶解装置が不要で簡素な構造の正浸透造水システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】第１の実施形態に係る正浸透造水システムを示す概略図である。
【図２】第１の実施形態に係る正浸透造水システムの変形例を示す概略図である。
【図３】第２の実施形態に係る正浸透造水システムを示す概略図である。
【図４】第２の実施形態に係る正浸透造水システムの変形例を示す概略図である。
【図５】従来の正浸透造水システムを示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本実施形態に係る正浸透造水システムについて図面を参照して説明する。なお、本実施形態は下記に述べる図１〜図４に限定されない。
【００２０】
（第１の実施形態）
第１の実施形態に係る正浸透造水システムについて、図１を参照して説明する。
【００２１】
正浸透造水システム１は、正浸透膜（半透膜）を有する正浸透装置１１と、膜分離装置２１と、正浸透装置１１と膜分離装置２１とを接続する希釈吸収液ライン３１と、正浸透装置１１と膜分離装置２１とを接続する高濃度吸収液ライン３２と、高濃度吸収液ライン３２に介装された循環ポンプ４１と、高濃度吸収液ライン３２に介装された第１のスイッチング装置５１とから構成されている。
【００２２】
正浸透装置１１は、正浸透膜（半透膜）１２で区画されたFeed Solution（供給液）流路１３とDraw Solution（吸収液）流路１４を有する。原水ライン１５は、正浸透装置１１の供給液流路１３に接続されている。排水ライン１６は、正浸透装置１１の供給液流路１３に接続されている。
【００２３】
膜分離装置２１は、ろ過膜２２で区画された吸収液流路２３と淡水流路２４を有する。淡水ライン２５は、淡水流路２４に接続されている。
【００２４】
希釈吸収液ライン３１は、一端が正浸透装置１１の吸収液流路１４に接続され、他端が膜分離装置２１の吸収液流路２３に接続されている。正浸透装置１１の吸収液流路１４内の希釈吸収液は、希釈吸収液ライン３１を通して膜分離装置２１の吸収液流路２３に供給される。
【００２５】
高濃度吸収液ライン３２は、一端が膜分離装置２１の吸収液流路２３に接続され、他端が正浸透装置１１の吸収液流路１４に接続されている。膜分離装置２１の吸収液流路２３内の高濃度吸収液は、循環ポンプ４１の作動により高濃度吸収液ライン３２を通して正浸透装置１１の吸収液流路１４に供給される。すなわち、吸収液は正浸透装置１１の吸収液流路１４と膜分離装置２１の吸収液流路２３の間を希釈吸収液ライン３１および高濃度吸収液ライン３２を通して循環される。
【００２６】
第１のスイッチング装置５１は、高濃度吸収液ライン３２に介装され、高濃度吸収液ライン３２を流通する自己組織化した界面活性剤の分子集合体を解離させる外部刺激を与える。外部刺激は、例えば電圧、光照射、高周波電流、超音波から選ばれる少なくとも１つの刺激である。
【００２７】
原水は、海水、下水、排水、工業廃水を用いることができる。原水は、必要に応じて除濁等の前処理を行ってから、原水ライン１５を通して正浸透装置１１に供給できる。
【００２８】
正浸透膜（半透膜）１２は、材質、形状、大きさ、構造などに特に制限されず、水を選択的に透過する膜であればよく、例えば逆浸透（ＲＯ）膜を用いることもできる。膜の材質は、原水水質、吸収液の種類に応じて適宣選択され、例えば酢酸セルロース、芳香族ポリアミド、芳香族スルホン、ポリベンゾイミダゾール、グラッフェン等を挙げることができる。形状は、例えば平膜、平膜によるスパイラル型モジュール、中空糸型モジュール、円筒型モジュール等を挙げることができる。
【００２９】
吸収液は、水中で自己組織化して、例えばミセル構造、ベシクル構造、リボン構造、または、紐状ミセル構造になる界面活性剤を溶質として溶解されている。自己組織化した界面活性剤は、膜分離装置２１のろ過膜２２の細孔径を適切な寸法（例えば０．０１〜１μｍ）に選定することにより、ろ過膜２２で溶質としての界面活性剤と水とを容易に分離することが可能になる。界面活性剤は、それ自身、水中で自己組織化すると共に、第１のスイッチング装置５１から電圧、光照射、高周波電流、超音波、加熱、冷却等の外部刺激により自己組織化した分子集合体が解離する。その他、前記外部刺激を与えると前記界面活性剤の界面物性を変化させる性質を有する物質を含む界面活性剤を用いることができる。
【００３０】
界面活性剤は、石油を原料とする化学合成に生産されるか、または酵母菌（出芽や分裂で栄養増殖する単細胞状態の真菌類）が有機系基質から生産される、いわゆるバイオサーファクタントが挙げられる。特に、後者のバイオサーファクタントは生分解性が高く、低刺激性で環境に優しく、生産量を確保できるために好ましい。その上、バイオサーファクタントは水酸基、カルボキシル基、アミノ基、不斉炭素をバランスよくもっているため、界面活性剤の作用を現すと共に、そのような官能基をもつことから、界面活性剤として、水中でミセル構造、リボン構造になるだけでなく、自己組織化により巨大構造のコロイドになる。
【００３１】
バイオサーファクタントは、親水基の構造から糖型、アミノ酸型、有機酸型、高分子型がある。具体的なバイオサーファクタントは、糖型のソホロリピッド、マンノシルエリスリトールリピッド、ラムノリピッド、トレハロリピッド、セルビオピッドおよびそれらの誘導体を挙げることができる。アシリペプチド系のオルニチンリピッド、セリリピンリピッド、サーファクチンを用いることもできる。これらのバイオサーファクタントの中で、マンノシルエリスリトールリピッドは、下記に示す構造式を持ち、疎水基を切断するか、または糖鎖等の親水基に変えるか、いずれかにより溶解度が５０％以上になる。
【化１】
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【００３２】
疎水基を切断または切断後に親水基を結合したマンノシルエリスリトールリピッドに環境によって分子構造、電子配置、原子間結合状態が変化する環境応答分子、例えばフェロセン、アゾベンゼン、またはアントラキノンのような酸化還元応答分子のいずれかを化学修飾または酵素反応により修飾することによって、外部刺激として電圧印加または光照射を与えると、界面活性剤としての機能を失う。即ち、自己組織化によりベシクル構造に集合しているマンノシルエリスリトールリピッドが解離しマンノシルエリスリトールリピッド分子単体になる。或いは、印加電圧、電流量、光照射波長、照射量によっては、界面活性剤としての機能消失までは至らず、機能低下によりベシクル寸法が小さくなる。即ち、電圧印加、光照射の制御により、マンノシルエリスリトールリピッドの集合状態を制御（例えばベシクル寸法、ベシクル−ミセル転移、ミセル寸法、分子単独化など）することができる。
【００３３】
膜分離装置２１のろ過膜２２は、溶質である水中で自己組織化した界面活性剤を透過しない範囲で、できるだけ大きい細孔径を持つことが好ましい。前記細孔径は、例えば０．０１〜１μｍを有することが好ましい。ろ過膜の材質はポリエチレン、ポリオレフィン、ポリエーテルスルホン、ポリビニルピロリドン、セラミックを挙げることができる。ろ過膜の形状は、平膜、平膜によるスパイラル型モジュール、中空糸型モジュール、円筒型モジュールが挙げられる。なお、ろ過膜は例えば上水処理向けのＭＦ膜を用いることもできる。
【００３４】
次に、第１の実施形態に係る正浸透造水システムの作用を説明する。
【００３５】
正浸透装置１１において、原水ライン１５からFeed Solution（供給液）として原水を供給液流路１３に供給すると共に、高濃度吸収液供給ライン３２からDraw Solution（高濃度吸収液）を吸収液流路１４に供給する。供給液流路１３で原水が流れる間に、正浸透膜１２を介して吸収液流路１４に流れる吸収液と接触し、原水と高濃度吸収液との間に浸透圧差が生じる。その浸透圧差を解消するため、水が濃度の低い方から高い方に半透膜中を移動する。すなわち、原水中の水が正浸透作用により供給液流路１３側から吸収液流路１４側に移動する。このとき、供給液は水の高濃度吸収液側への移動により濃縮されて濃縮排水として排水ライン１６を通して排水される。
【００３６】
原水から水を吸収して希釈された吸収液は、希釈吸収液ライン３１を通して膜分離装置２１の吸収液流路２３に供給される。このとき、希釈吸収液中の溶質である界面活性剤は自己組織化して膜分子装置２１のろ過膜２２の細孔寸法よりも大きい寸法を持つ分子集合体になる。また、希釈吸収液は正浸透装置１１における吸収液浸透圧によって圧力が加わっているため、吸収液流路２３を流れる間、例えば細孔径０．０１〜１μｍのろ過膜２２から淡水のみをろ過水として分離し、淡水が淡水流路２４に移動する。淡水流路２２に移動した淡水は、淡水ライン２５を通して飲料水等としてユーザに供給される。
【００３７】
一方、希釈吸収液は吸収液流路２３で水の一部が淡水側に移動することにより溶質が濃縮されて高濃度吸収液になる。高濃度吸収液は、高濃度吸収液ライン３２に排出され、循環ポンプ４１の駆動により正浸透装置１１の吸収液流路１４に戻される。このとき、高濃度吸収液ライン３２に介装された第１のスイッチング装置５１から自己組織化された界面活性剤の分子集合体に外部刺激を与えることにより、界面活性剤の自己組織化寸法を小さく、または自己組織化を無効にして界面活性剤分子単独にするか、或いは自己組織化性能を低下させて、界面活性剤の分子集合体の状態を小さくなって正浸透装置１１の吸収液流路１４に戻される。高濃度吸収液の排出量は、循環ポンプ４１にて所定流量に設定する。膜分離装置２１で希釈吸収液をろ過するための圧力は、正浸透装置１１で浸透圧として生じた圧力エネルギーを利用するため、循環ポンプ４１は吸収液を循環させ、かつ正浸透装置１１の吸収液流路１４から高濃度吸収液の逆流を防ぐエネルギー分だけで済み、消費電力を低く抑えることができる。その結果、膜分離装置２１の吸収液流路２３から高濃度吸収液を高濃度吸収液ライン３２に排出し、循環ポンプ４１の駆動により正浸透装置１１の吸収液流路１４に供給できる。
【００３８】
このような正浸透装置１１と膜分離装置２１の間での吸収液の循環において、吸収液の溶質としてマンノシルエリスリトールリピッドを用いた例を以下に詳述する。
【００３９】
正浸透装置１１で原水中の水を吸収して濃度が下がった希釈吸収液は、その吸収液流路１４から希釈吸収液ライン３１を通して膜分離装置２１の吸収液流路２３に供給される。希釈吸収液が希釈吸収液ライン３１を流通する間、前述した構造式を持つマンノシルエリスリトールリピッドが自己組織化してミセル化（ベシクル化）等を生じて巨大化する。希釈吸収液を膜分離装置２１の吸収液流路２３に供給する際、希釈吸収液中の巨大化したマンノシルエリスリトールリピッドの分子集合体は、はろ過膜２２の細孔径（例えば０．０１〜０．１μｍ）より大きいため、ろ過膜２２で容易にマンノシルエリスリトールリピッドの分子集合体（溶質）と水（淡水）とに分離できる。
【００４０】
一方、自己組織化されたマンノシルエリスリトールリピッドの分子集合体を含む高濃度吸収液は高濃度吸収液ライン３２を流通する際、第１のスイッチング装置５１からマンノシルエリスリトールリピッドの分子集合体に電圧、光照射、高周波電流、超音波、加熱、冷却等の外部刺激を与えると、マンノシルエリスリトールリピッドはその分子集合体の状態が小さくなる。その結果、吸収液中の溶質モル濃度が増加し、正浸透装置１１における浸透圧が向上し、正浸透装置１１の正浸透膜１２の透過水量（フラックス）が増加する。なお、スイッチング装置５１にて、マンノシルエリスリトールリピッドの自己組織化による集合状態を小さくしない場合、マンノシルエリスリトールリピッドの溶解度をいくら向上させても、ミセル化（ベシクル化）等の自己組織化が進むため臨界ミセル濃度（ｃｍｃ）以上では、浸透圧が上がらなくなる。その場合、正浸透装置１１の正浸透膜１２の透過水量（フラックス）が十分に得られなくなる。
【００４１】
したがって、正浸透装置１１と膜分離装置２１の間での吸収液の循環において、正浸透装置１１で吸収液濃度（マンノシルエリスリトールリピッドの濃度）を原水より高くでき、他方、膜分離装置２１のろ過膜２２で希釈吸収液を容易にマンノシルエリスリトールリピッドの分子集合体（溶質）と水（淡水）とに分離できる。
【００４２】
次に、第１の実施形態に係る正浸透造水システムの変形例を図２を参照して説明する。ただし、前述した図１と同様な部材は同符号を付して説明を省略する。
【００４３】
図２に示す正浸透造水システム１は、正浸透装置１１と膜分離装置２１を接続する希釈吸収液ライン３１に第２のスイッチング装置５２を介装している。第２のスイッチング装置５２は、一旦、前述した第１のスイッチング装置５１の外部刺激により分子集合体を解離した界面活性剤に対し外部刺激を与え、自己組織化を促進する。外部刺激は、例えば電圧、光照射、高周波電流、超音波から選ばれる少なくとも１つの刺激である。
【００４４】
図２に示す正浸透造水システム１の作用を２つの形態の界面活性剤（外部刺激を与えると前記界面活性剤の界面物性を変化させる性質を有する物質をふくむ界面活性剤）を例にして説明する。
【００４５】
（実施例１）
界面活性剤として、疎水基を切断、または切断後に親水基を結合させた、溶解度が５０％以上のマンノシルエリスリトールリピッドに環境によって分子構造、電子配置、原子間結合状態が変化する環境応答分子、例えばフェロセン、アゾベンゼン、またはアントラキノンのような酸化還元応答分子を化学修飾または酵素反応により修飾したものを用いる。
【００４６】
前述したように正浸透装置１１で原水中の水を吸収して濃度が下がった希釈吸収液は、その吸収液流路１４から希釈吸収液ライン３１を通して膜分離装置２１の吸収液流路２３に供給される。希釈吸収液が希釈吸収液ライン３１を流通する間、第２のスイッチング装置５２から酸化還元応答分子で修飾されたマンノシルエリスリトールリピッドに電圧、光照射、高周波電流、超音波、加熱、冷却等の外部刺激を与えると、同マンノシルエリスリトールリピッドは修飾した酸化還元応答分子により自己組織化が促進されてミセル化（ベシクル化）等を生じて巨大化する。希釈吸収液を膜分離装置２１の吸収液流路２３に供給する際、希釈吸収液中の巨大化したマンノシルエリスリトールリピッドの分子集合体は、はろ過膜２２の細孔径（例えば０．０１〜０．１μｍ）より大きいため、ろ過膜２２で容易にマンノシルエリスリトールリピッドの分子集合体（溶質）と水（淡水）とに分離できる。
【００４７】
一方、自己組織化されたマンノシルエリスリトールリピッドの分子集合体を含む高濃度吸収液は高濃度吸収液ライン３２を流通する際、第１のスイッチング装置５１からマンノシルエリスリトールリピッドの分子集合体に電圧、光照射、高周波電流、超音波、加熱、冷却等の外部刺激を与える。このとき、マンノシルエリスリトールリピッドの分子集合体は電圧印加、光照射の外部刺激により、マンノシルエリスリトールリピッドとしての機能を失う。即ち、自己組織化によりベシクル構造に集合しているマンノシルエリスリトールリピッドは解離しマンノシルエリスリトールリピッドの分子単体になる。或いは、印加電圧、電流量、光照射波長、照射量によっては、マンノシルエリスリトールリピッドとしての機能消失までは至らず、機能低下により集合寸法が小さくなる。即ち、電圧印加、光照射の制御により、マンノシルエリスリトールリピッドの集合状態を制御でき、ベシクル寸法、ベシクル−ミセル転移、ミセル寸法、分子単独化などを制御することができる。
【００４８】
したがって、正浸透装置１１と膜分離装置２１の間での吸収液の循環において、正浸透装置１１で吸収液濃度（マンノシルエリスリトールリピッドの濃度）を原水より高くでき、他方、膜分離装置２１のろ過膜２２で希釈吸収液を一層容易にマンノシルエリスリトールリピッドの分子集合体（溶質）と水（淡水）とに分離できる。
【００４９】
（実施例２）
＜マンノシルエリスリトールリピッド分子上の疎水基（脂肪酸）をフェロセン修飾した界面活性剤の使用＞
希釈吸収液が希釈吸収液ライン３１を流通する間、第２のスイッチング装置５２からフェロセン修飾されたマンノシルエリスリトールリピッドに外部刺激として電圧を印加すると、疎水性のフェロセン部位が酸化されてフェロセン部位が親水性のフェロセニウムに変化し、疎水基と親水基のバランスが変化してマンノシルエリスリトールリピッドの自己組織化が促進され、分子集合が巨大化する。
【００５０】
＜マンノシルエリスリトールリピッド分子上の親水基（糖鎖）をフェロセン修飾した界面活性剤の使用＞
希釈吸収液が希釈吸収液ライン３１を流通する間、第２のスイッチング装置５２からフェロセン修飾されたマンノシルエリスリトールリピッドに外部刺激として電圧を印加すると、フェロセン部位が酸化して親水性のフェロニムの状態になり、疎水基と親水基のバランスが調整されてマンノシルエリスリトールリピッドの自己組織化が促進され、分子集合が巨大化する。
【００５１】
＜マンノシルエリスリトールリピッド分子上の疎水基（脂肪酸）をアントラキノン修飾した界面活性剤の使用＞
希釈吸収液が希釈吸収液ライン３１を流通する間、第２のスイッチング装置５２からアントラキノン修飾されたマンノシルエリスリトールリピッドに外部刺激として電圧を印加すると、疎水性のアントラキノン部位が還元されて親水性のアニオンになり疎水性から親水性になり、疎水基と親水基のバランスが変化してマンノシルエリスリトールリピッドの自己組織化が促進され、分子集合が巨大化する。
【００５２】
＜マンノシルエリスリトールリピッド分子上の親水基（糖鎖）をアントラキノン修飾した界面活性剤の使用＞
希釈吸収液が希釈吸収液ライン３１を流通する間、第２のスイッチング装置５２からアントラキノン修飾されたマンノシルエリスリトールリピッドに外部刺激として電圧を印加すると、親水性のアントラキノン部位（アニオン）が酸化されて疎水性のアントラキノンになり親水性から疎水性になり、親水基と疎水基のバランスが変化してマンノシルエリスリトールリピッドの自己組織化が促進され、分子集合が巨大化する。
【００５３】
＜マンノシルエリスリトールリピッド分子上の疎水基（脂肪酸）をアゾベンゼン修飾した界面活性剤の使用＞
希釈吸収液が希釈吸収液ライン３１を流通する間、第２のスイッチング装置５２からアゾベンゼン修飾されたマンノシルエリスリトールリピッドに外部刺激として光やＵＶ光を照射すると、トランス体（trans体）のアゾベンゼンからシス体（cis体）のアゾベンゼンに異性化する。その際、疎水基と親水基の配置バランスが変化してマンノシルエリスリトールリピッドの自己組織化が促進され、分子集合が巨大化する。
【００５４】
＜マンノシルエリスリトールリピッド分子上の親水基（糖鎖）をアゾベンゼン修飾した界面活性剤の使用＞
希釈吸収液が希釈吸収液ライン３１を流通する間、第２のスイッチング装置５２からアゾベンゼン修飾されたマンノシルエリスリトールリピッドに外部刺激として光やＵＶ光を照射すると、トランス体（trans体）のアゾベンゼンからシス体（cis体）のアゾベンゼンに異性化する。その際、疎水基と親水基の配置バランスが変化してマンノシルエリスリトールリピッドの自己組織化が促進され、分子集合が巨大化する。
【００５５】
このような作用によりマンノシルエリスリトールリピッドの分子集合を巨大化することによって、ろ過膜２２の細孔径（例えば０．０１〜０．１μｍ）より大きくでき、ろ過膜２２で容易にマンノシルエリスリトールリピッドの分子集合体（溶質）と水（淡水）とに分離できる。
【００５６】
一方、自己組織化されたマンノシルエリスリトールリピッドの分子集合体を含む高濃度吸収液は高濃度吸収液ライン３２を流通する際、第１のスイッチング装置５１からマンノシルエリスリトールリピッドの分子集合体に第２のスイッチング装置５２と逆の操作（印加電圧、紫外線照射等）を行なうことによって、親水基と疎水基のバランスを崩して、マンノシルエリスリトールリピッドの自己組織化による分子集合状態を調整する、または消失させて分子集合寸法を小さくする、或いは分子単独にする。その結果、吸収液中の溶質モル濃度が増加し、以下の式で表される浸透圧（Π）が向上し、正浸透装置１１の正浸透膜１２の透過水量（フラックス）が増加する。
【００５７】
Π＝ＣＲＴ
ただし、Π：浸透圧[ａｔｍ]、Ｃ：モル濃度[ｍｏｌ／ｄｍ3]、Ｒ：気体定数[ａｔｍ・ｄｍ3／Ｋ・ｍｏｌ]、Ｔ：温度[Ｋ]である。
【００５８】
なお、第１のスイッチング装置５１にてマンノシルエリスリトールリピッドの自己組織化による集合状態を調整しない場合、界面活性剤の溶解度をいくら向上させても、ミセル化（ベシクル化）等の自己組織化が進むため臨界ミセル濃度（ｃｍｃ）以上では、浸透圧が上がらなくなる。その場合、正浸透装置１１の正浸透膜１２の透過水量（フラックス）が十分に得られなくなる。
【００５９】
したがって、正浸透装置１１と膜分離装置２１の間での吸収液の循環において、正浸透装置１１で吸収液濃度（マンノシルエリスリトールリピッドの濃度）を原水より一層高くでき、他方、膜分離装置２１のろ過膜２２で希釈吸収液を一層容易にマンノシルエリスリトールリピッドの分子集合体（溶質）と水（淡水）とに分離できる。
【００６０】
以上説明したように、第１の実施形態によれば以下に述べる効果を奏する。
【００６１】
（１）吸収液は、水中で自己組織化して、膜分離装置のろ過膜の細孔寸法より大きい分子集合体を形成する、界面活性剤を溶質として溶解されている。このため、希釈吸収液を正浸透装置１１と膜分離装置２１とを接続する希釈吸収液ライン３１に流通させる間、界面活性剤の分子集合体寸法を巨大化できる。
【００６２】
高濃度吸収液を正浸透装置１１と膜分離装置２１とを接続する高濃度吸収液ライン３２に流通させる間、第１のスイッチング装置５１から外部刺激として電圧印加、高周波電流、超音波、加熱、冷却を与えることによって、界面活性剤の分子化合状態を制御し、界面活性剤の分子集合体寸法を縮小したり、または界面活性剤分子単独に解離したりすることができる。このため、正浸透装置１１に循環される高濃度吸収液中の溶質モル濃度が増加し、正浸透装置１１における浸透圧が向上される。
【００６３】
その結果、膜分離装置２１の例えば０．０１〜１μｍの細孔径を持つろ過膜２２で、希釈吸収液を淡水と界面活性剤の分子集合体（溶質）とを容易に分離できると供に、浸透圧を向上させて正浸透装置１１の正浸透膜１２の透過水量（フラックス）を増加することができる。
【００６４】
（２）環境（酸化還元）応答分子で修飾した界面活性剤を用い、高濃度吸収液ライン３２に第１のスイッチング装置５１を配置し、かつ希釈吸収液ライン３１に第２のスイッチング装置５２を配置し、それらのスイッチング装置５１，５２から高濃度吸収液および希釈吸収液にそれぞれ外部刺激として電圧印加、高周波電流、超音波、加熱、冷却を与えることによって、界面活性剤の分子構造上の親水基と疎水基のバランスを調整できる。その結果、界面活性剤の自己組織化による分子集合状態を制御、即ち界面活性剤の分子集合体寸法を制御でき、前記（１）の効果をより一層顕著に得ることができる。
【００６５】
以上、（１）、（２）の効果により、生産淡水への溶質の混入を最小限に抑え、さらに大掛かりな蒸留装置や溶質溶解装置が不要な正浸透造水システムを提供できる。
【００６６】
（３）酵母菌が有機系基質から生産可能なバイオサーファクタントは、生物由来のため、生分解性が高く、低刺激性で環境に優しく、生産量を確保できる。バイオサーファクタントを前記（１）または（２）の界面活性剤として用いることによって、前記（１）、（２）の効果が得られると供に、毒性のない吸収液を利用した安全な正浸透造水システムを提供できる。
【００６７】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態に係る正浸透造水システムについて、図３を参照して説明する。ただし、図１と同様な部材は同符号を付して説明を省略する。
【００６８】
第２の実施形態の正浸透造水システム１は、正浸透装置１１の吸収液流路１４と膜分離装置２１の吸収液流路２３を接続する希釈吸収液ライン３１にタービン型または水車型等の発電装置６１を設けた構造を有する。
【００６９】
このような正浸透造水システム１の正浸透装置１１において、原水ライン１５から供給液として原水を供給液流路１３に供給すると共に、高濃度吸収液供給ライン３２から高濃度吸収液を吸収液流路１４に供給する。供給液流路１３で原水が流れる間に、正浸透膜１２を介して吸収液流路１４に流れる吸収液と接触し、原水と高濃度吸収液との間に浸透圧差が生じる。その浸透圧差を解消するため、水が濃度の低い方から高い方に半透膜中を移動する。すなわち、原水中の水が正浸透作用により供給液流路１３側から吸収液流路１４側に移動する。この移動した水量（例えば、最大１００ＭＰａの圧力エネルギー、つまり浸透圧エネルギー）で希釈吸収液ライン３１に介装された発電装置６１を動かして発電する。発電した電気は、正浸透造水システム１内の循環ポンプ４１等の電力に用い、余剰電力は造水プラント外のユーザに送電する。
【００７０】
したがって、第２の実施形態の正浸透装置１１と膜分離装置２１の間での吸収液の循環において、第１の実施形態と同様に生産淡水への溶質の混入を最小限に抑え、さらに大掛かりな蒸留装置や溶質溶解装置が不要な正浸透造水システムを提供できる。
【００７１】
また、前記浸透圧差は原水と吸収液に溶解している成分の種類、濃度によって浸透圧差の最大値（吸収液の流れがゼロ、希釈吸収液ライン３１、または正浸透装置１１の吸収液流路１４が閉じている場合の最大圧力）が決まるが、最大１００ＭＰａになることがある。その圧力エネルギーを利用して希釈吸収液ライン３１に介装された発電装置６１を動かすとともに、発電装置６１を流通後の吸収液の圧力を１００ｋＰａ〜５００ｋＰａに減圧できる。その結果、膜分離装置２１のろ過膜２２として、一般的な浄水向けの低コスト、汎用の精密ろ過膜を用いることができるため、正浸透造水システムのコストを低減することができる。
【００７２】
さらに、発電した電気を正浸透造水システム内の循環ポンプ４１等の電力に用いるため、正浸透造水システムの造水量当たりの消費電力、つまり造水コストを低減できる。ただし、吸収液の圧力が１００ｋＰａ〜５００ｋＰａに減圧されるため、循環ポンプ４１はその減圧に伴って運転圧力を昇圧する必要がある。しかし、発電装置６１で吸収液の圧力を減圧する流量が、循環ポンプ４１で昇圧する流量に比べて多いため、発電量は循環ポンプ消費電力より増大できる。
【００７３】
次に、第２の実施形態に係る正浸透造水システムの変形例を図４を参照して説明する。ただし、前述した図３と同様な部材は同符号を付して説明を省略する。
【００７４】
図４に示す正浸透造水システム１は、正浸透装置１１の吸収液流路１４と膜分離装置２１の吸収液流路２３を接続する希釈吸収液ライン３１にタービン型または水車型等の発電装置６１を第２のスイッチング装置５２に対して上流側に位置するように設けた構造を有する。また、循環ポンプ４１は正浸透装置１１と膜分離装置２１とを接続する高濃度吸収液ライン３２に第１のスイッチング装置５１に対して上流側に位置するように設けている。
【００７５】
このような図４に示す正浸透造水システム１によれば、第２のスイッチング装置５２は発電装置６１で減圧された希釈吸収液に対してスイッチングを行なうことができ、かつ第１のスイッチング装置５１は循環ポンプ４１で加圧する前の高濃度吸収液に対してスイッチングを行なうことができる。その結果、第２、第１のスイッチング装置５２，５１は前記第２の実施形態で説明したように発電機６１にて圧力１００〜５００ｋＰａに減圧にした状態で、吸収液に対して外部刺激、例えば電圧印加、高周波電流の印加、超音波照射、加熱、冷却を与えることができるため、第２、第１のスイッチング装置５２，５１の耐圧を低減でき、それらスイッチング装置５２，５１の低コスト化が可能な正浸透造水システムを提供できる。
【符号の説明】
【００７６】
１…正浸透造水システム、１１…正浸透装置、１２…正浸透膜、１５…原水ライン、２１…膜分離装置、２２…ろ過膜、３１…希釈吸収液ライン、３２…高濃度吸収液ライン、３３，３４…スイッチング装置、４１…循環ポンプ、５１…第１のスイッチング装置、５２…第２のスイッチング装置、６１…発電装置。
【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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