(57)【要約】【課題】海水等から少ないエネルギーで安価で容易に脱塩できる水処理方法および装置を提供する。【解決手段】上記課題は、被処理水と、所定量のｔｅｒｔ−ブタノールを水に溶解した誘導溶液とを半透膜を介して接触させ、前記被処理水中の水を前記半透膜を通して前記誘導溶液に移動させ、水で希釈された希釈誘導溶液と膜濃縮水を得る順浸透工程と、前記希釈誘導溶液を蒸留塔に送入し、ｔｅｒｔ−ブタノール蒸気を得るとともに、浄水を得る蒸留工程と、前記蒸気を冷却、凝縮することにより前記誘導溶液を再生する冷却再生工程とを有する水処理方法と、装置によって解決される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理水と、所定量のｔｅｒｔ−ブタノールを水に溶解した誘導溶液とを半透膜を介して接触させ、前記被処理水中の水を前記半透膜を通して前記誘導溶液に移動させ、水で希釈された希釈誘導溶液と膜濃縮水を得る順浸透工程と、前記希釈誘導溶液を蒸留塔に送入し、ｔｅｒｔ−ブタノール蒸気を得るとともに、浄水を得る蒸留工程と、前記蒸気を冷却、凝縮することにより前記誘導溶液を再生する冷却再生工程とを有する水処理方法。
【請求項２】
前記膜濃縮水を加熱、蒸発させ、前記被処理水中の塩類を回収するとともに、発生した蒸気またはその凝縮水を前記蒸留塔に供給することを特徴とする請求項１に記載の水処理方法。
【請求項３】
前記被処理水および／または蒸留塔に送入する前記希釈誘導溶液の温度を、前記ｔｅｒｔ−ブタノール蒸気と熱交換することにより調整することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の水処理方法。
【請求項４】
被処理水と、所定量のｔｅｒｔ−ブタノールを水に溶解した誘導溶液とを半透膜を介して接触させ、前記被処理水中の水を前記半透膜を通して前記誘導溶液に移動させ、水で希釈された希釈誘導溶液と膜濃縮水を得る順浸透手段と、前記希釈誘導溶液を蒸留し、ｔｅｒｔ−ブタノール蒸気と浄水を得る蒸留塔と、前記ｔｅｒｔ−ブタノール蒸気を冷却、凝縮することにより前記誘導溶液を再生する冷却再生手段とを有する水処理装置。
【請求項５】
前記順浸透手段で得られた膜濃縮水を加熱、蒸発する蒸発手段と、前記蒸発手段で発生した蒸気またはその凝縮水を前記蒸留塔に供給する手段を有することを特徴とする請求項４に記載の水処理装置。
【請求項６】
前記被処理水および／または前記希釈誘導溶液と前記ｔｅｒｔ−ブタノール蒸気との熱交換手段を有することを特徴とする請求項４または請求項５に記載の水処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、海水、かん水などを脱塩して処理する水処理方法および装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
海水を半透膜を用いて脱塩する方法は種々知られているが、海水に浸透圧以上の圧力を加えて水を強制的に透過させる逆浸透法が主に開発されてきた。この方法は高圧に加圧する必要があるため、設備費および運転費にコストがかかるという問題点がある。一方、半透膜を介して海水より高濃度の塩溶液を存在させれば、加圧せずとも浸透圧で水をこの塩溶液に移動させることができる。そして、この塩溶液として揮発性ガスを溶解させた溶液を用いれば、水が移動し希釈された塩溶液を蒸留することにより揮発性ガスを蒸発、分離させて浄水を得ることができる。この揮発性ガスとしてアンモニアと二酸化炭素の組合せを用いた方法が既に開発されている（特許文献１、２）。
【０００３】
特許文献１の方法は、図４に模式的に示すように、半透膜（ＦＯ膜）を介して海水（被処理水）と反対側にアンモニアと二酸化炭素を溶解して得られる塩溶液（炭安液）を流して、海水中の水を半透膜を通過させて該塩溶液に移動させ、得られた希釈塩溶液を蒸留塔に送って水を得るとともにアンモニアと二酸化炭素と水を含む混合ガスを分離し、この混合ガスを半透膜の元の部屋に返送する方法である。
【０００４】
特許文献２の方法は、半透膜を介して海水と反対側にアンモニアと二酸化炭素を溶解して得られる塩溶液を流して、海水中の水を半透膜を通過させて該塩溶液に移動させ、得られた希釈塩溶液をイオン交換膜や蒸留塔等を用いてアンモニウムイオンと炭酸イオンを個別に分離して浄水を得、分離したアンモニウムイオンと炭酸イオンを溶解して半透膜の元の部屋に戻す方法である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００５／０１４５５６８Ａ１号明細書
【特許文献２】特開２０１１−８３６６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１、２の方法では、誘導物質（例えば炭酸アンモニウム）の再生を蒸発で行うが、アンモニアおよび同伴する水分の蒸発潜熱が膨大となり、エネルギーを要する。また、コストも高い。さらに、蒸発設備サイズが極めて大きく、大量（例えば１０万ｍ３／日）の飲料水製造には不向きである。また、投入エネルギーが大きいため熱交換器のサイズも大きくなり、大量処理には不向きである。蒸発法を用いる場合は炭酸アンモニウム等の揮発性物質を使用せざるを得ないが、炭酸アンモニウムを用いる場合にはＦＯ膜からのバックフローによって環境中に漏洩する誘導物質が窒素を含むため、富栄養化の原因となる。
【０００７】
本発明は、これらの問題点を解決するべくなされたものであり、海水等から少ないエネルギーで安価で容易に脱塩できる水処理方法および装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するべくなされたものであり、誘導物質としてｔｅｒｔ−ブタノールが容易に高浸透圧が得られて被処理水から水を効率よく誘導溶液側に移動させることができるばかりでなく、水が移動して得られた希釈誘導溶液を蒸留することによって、少ないエネルギーで容易に水と誘導物質を分離しうることを見出して、本発明を完成するに至った。
【０００９】
すなわち、本発明は、被処理水と、所定量のｔｅｒｔ−ブタノールを水に溶解した誘導溶液とを半透膜を介して接触させ、前記被処理水中の水を前記半透膜を通して前記誘導溶液に移動させ、水で希釈された希釈誘導溶液と膜濃縮水を得る順浸透工程と、前記希釈誘導溶液を蒸留塔に送入し、ｔｅｒｔ−ブタノール蒸気を得るとともに、浄水を得る蒸留工程と、前記蒸気を冷却、凝縮することにより前記誘導溶液を再生する冷却再生工程とを有する水処理方法と、その装置を提供するものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明では、ｔｅｒｔ−ブタノールを水に溶解した誘導溶液を用いることにより、被処理水との間に高い浸透圧差を得て、被処理水中の水分を誘導溶液側に効率よく移動させ、また、それによって得られた希釈誘導溶液を蒸留することによって効率よく水とｔｅｒｔ−ブタノールを分離でき、浄水を安価に効率よく製造できる。また、ｔｅｒｔ−ブタノールは分子量が７４とＮＨ３の１７より大きいため、ＦＯ膜の透過速度が小さく、濃縮水への漏洩が小さいことからドロー成分の補充量が少なくてすみ、窒素を含まないため環境を汚染しない。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施態様を模式的に示した図である。
【図２】本発明の他の実施態様を模式的に示した図である。
【図３】誘導物質の分子量とそのＦＯ膜を通過する逆流量の関係を示したグラフである。
【図４】従来の順浸透法により脱塩する方法を模式的に示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の方法で処理される被処理水は塩分を含む水であり、海水、排水などである。排水は、シェールガス、オイルサンド、ＣＢＭ（炭層メタン）、石油等を採掘する坑井からの随伴水も含まれる。
【００１３】
随伴水は、坑井からの採掘目的物に同伴して排出される水であり、塩分、有機物、懸濁物などを含んでいる。汚濁物質の濃度としては、例えば蒸発残留物（主にNa+、K+、Ca2+、Cl-、SO42-など）が1,000〜100,000mg/L、有機物（油分や添加した薬剤など）がTOCとして10〜1,000mg/L、懸濁物質が100〜10,000mg/Lといった範囲で含有される。
【００１４】
随伴水の分離手段は問わないが、例えば沈降などで油水分離が行われている。
【００１５】
随伴水を被処理水とする場合には、随伴水をまずろ過処理する。このろ過処理は精密膜ろ過膜を用いた濾過器で行い、ろ過膜は、精密ろ過膜として使用されている通常の膜を使用することができる。例えば、酢酸セルロース、ポリテトラフルオロエチレン、ポリスルホン、ポリ塩化ビニルなどの外、セラミック製の膜や多孔質ガラス製の膜なども利用できる。精密膜ろ過処理では、精密ろ過膜を通過した膜ろ過水と、膜を通過しないで残った膜濃縮水が得られる。
精密膜ろ過のほか、限外膜ろ過、砂ろ過等のろ過処理が用いられる。限外ろ過膜の材質は精密ろ過膜と同様のものが用いられる。
【００１６】
順浸透工程
順浸透工程は、被処理水と、ｔｅｒｔ−ブタノールを水に溶解した誘導溶液を半透膜を介して接触させ、前記被処理水中の水を前記半透膜を通して前記誘導溶液に移動させ、水で希釈された希釈誘導溶液と膜濃縮水を得る工程である。
【００１７】
誘導溶液には、ｔｅｒｔ−ブタノールを水に溶解した液を用いる。ｔｅｒｔ−ブタノールは消毒に用いられており人体への安全性も高い。また、ポリアクリルアミドやポリスルホン等の膜材質への影響も小さい点でも優れている。
【００１８】
図３は、誘導溶液の分子量と、半透膜を介して被処理水側へ移動する誘導溶液の質量流束を示したものである。分子量が大きいほど半透膜を透過しにくくなり、分子量７４のｔｅｒｔ−ブタノールの透過質量流束は、分子量１７のＮＨ３の５％程度と非常に小さい。
【００１９】
誘導溶液に含まれるｔｅｒｔ−ブタノールの濃度は、高浸透圧が得られるようなるべく高濃度にするのがよく、例えば塩濃度３５，０００ｍｇ／Ｌの被処理水の体積をＦＯ膜装置で１／２に濃縮する場合、誘導溶液のｔｅｒｔ−ブタノール濃度は２．６〜１０ｍｏｌ／Ｌ、特に４．５〜１０ｍｏｌ／Ｌの濃度が好ましい。蒸留温度が低いほど水蒸気の同伴が抑制されるためにｔｅｒｔ−ブタノール濃度は高くなるが、ｔｅｒｔ−ブタノールの沸点である８２℃における蒸気圧の比から１０ｍｏｌ／Ｌが上限となる。
【００２０】
半透膜は水を選択的に透過できるものがよく、順浸透（Forward  Osmosis）膜が好ましいが、逆浸透膜も使用できる。材質は特に制限されないが、例示すれば、酢酸セルロース系、ポリアミド系、ポリエチレンイミン系、ポリスルホン系、ポリベンゾイミダゾール系のものなどを挙げることができる。半透膜の形態も特に制限されず、平膜、管状膜、中空糸などいずれであってもよい。
【００２１】
この半透膜を装着する装置は通常は円筒形あるいは箱形の容器内に半透膜を設置して、この半透膜で仕切られた一方の室に膜ろ過水を流し、他方の室に誘導溶液を流せるものであり、公知の半透膜装置を用いることができ、市販品を用いることができる。
【００２２】
順浸透工程で被処理水を半透膜を介して誘導溶液と接触させると浸透圧の差によって被処理水中の水が半透膜を通って誘導溶液に移動する。
【００２３】
順浸透を行う温度は５〜４０℃程度が好ましい。
【００２４】
蒸留工程
蒸留工程は、前記浸透工程で水の移動によって希釈された希釈誘導溶液を所定の温度に調整した後、蒸留塔に送入し、塔頂部からｔｅｒｔ−ブタノールと水蒸気からなるガスを得るとともに、塔底部からは浄水を得る工程である。
【００２５】
本発明では、誘導物質として、従来のアンモニアに代えて、ｔｅｒｔ−ブタノールを用いているが、蒸発潜熱はＮＨ３：１，３００Ｊ／ｇ、ｔｅｒｔ−ブタノール：５００Ｊ／ｇであり、ブタノールの方がはるかに小さい。
【００２６】
また、炭酸アンモニウム系では析出を防止するため蒸発ガス中の炭酸アンモニウム濃度が４．５ｍｏｌ／Ｌ以上とすることができなかったが、ブタノールではこの制約が無いため１０ｍｏｌ／Ｌと高濃度化が可能である。蒸発時の同伴水蒸気が減るため加温エネルギーの削減も可能である。システムとして見ると加温エネルギーはＮＨ３：４５０ＭＪ／ｍ３、ブタノール：２５０ＭＪ／ｍ３と大幅な低減が可能である。これは、随伴水処理適用での試算である。
【００２７】
希釈誘導溶液は、蒸留塔に入れて蒸留を行い、ｔｅｒｔ−ブタノールを水から分離する。
【００２８】
蒸留によって、蒸留塔の塔頂部からはｔｅｒｔ−ブタノールと水蒸気からなるガスを得、塔底部からは浄水を得る。塔底部から取り出される浄水は、ｔｅｒｔ−ブタノールの含有量は１０ppm程度以下で、蒸留条件等によって、１ppm以下にした水も得られる。
【００２９】
蒸留によって発生したｔｅｒｔ−ブタノールと水蒸気の混合ガスを被処理水あるいは蒸留塔に送入する希釈誘導溶液と熱交換することにより、これらの加熱源として利用できる。
【００３０】
冷却再生工程
冷却再生工程は、蒸留塔の塔頂部から取り出されるｔｅｒｔ−ブタノールと水蒸気からなるガスを冷却し、誘導溶液を再生する工程である。
再生した誘導溶液は半透膜へ送って循環使用する。
【００３１】
膜濃縮水蒸発工程
膜濃縮水蒸発工程は、膜濃縮水を蒸発濃縮し、該蒸発濃縮水に含有される塩類を析出させる工程であり、濃縮には、公知の蒸発器を用いることができる。ここで発生する水蒸気は凝縮水として利用できる。ところで、順浸透工程では半透膜からブタノールが濃縮随伴水へ若干逆流するが、これは、ここで発生する水蒸気をブタノールの蒸留塔へ導入することによって環境への漏出を防ぐことができる。蒸発濃縮した液は晶析する。晶析装置には、密閉型の通常の晶析缶を利用できる。晶析装置から取出されるスラリーは固液分離して、結晶および有機物を含んでいる母液は産廃処分されるか、あるいは重金属や有機物等の環境汚染成分をほとんど含まない場合には融雪剤等に利用することもできる。
【００３２】
上記の水処理方法は、被処理水と、所定量のｔｅｒｔ−ブタノールを水に溶解した誘導溶液とを半透膜を介して接触させ、前記被処理水中の水を前記半透膜を通して前記誘導溶液に移動させ、水で希釈された希釈誘導溶液と膜濃縮水を得る順浸透手段と、前記希釈誘導溶液を蒸留し、ｔｅｒｔ−ブタノール蒸気と浄水を得る蒸留塔と、前記ｔｅｒｔ−ブタノール蒸気を冷却、凝縮することにより前記誘導溶液を再生する冷却再生手段とを有する水処理装置と、膜濃縮水を蒸発する蒸発器を用いて実施される。
【００３３】
順浸透手段
順浸透手段は、被処理水と誘導溶液とを半透膜を介して接触させ、被処理水中の水をこの半透膜を通して誘導溶液に移動させる手段であり、半透膜装置を用いる。
【００３４】
半透膜装置に用いる半透膜は前述したとおりである。この半透膜を装着する装置は通常は円筒形あるいは箱形の容器内に半透膜を設置して、この半透膜で仕切られた一方の室に被処理水を流し、他方の室に誘導溶液を流せるものであり、公知の半透膜装置を用いることができ、市販品を用いることができる。
【００３５】
被処理水を流す室の入口は被処理水タンク（これは海や坑井そのものであってもよい。）に配管接続される。出口側は通常は膜濃縮水タンクに配管接続される。両配管を結ぶ循環ラインを設けて、被処理水を循環させることもできる。
【００３６】
誘導溶液を流す室の入口は冷却再生手段に配管接続され、出口は蒸留塔に配管接続され、これによって誘導溶液の循環ラインが形成される。
【００３７】
蒸留塔
蒸留塔は公知のものを用いればよく、棚段方式、充填方式等いずれのものであってもよい。蒸留塔下部には加熱器を設け、下部の浄水を熱することにより発生する蒸気を上部から落下してくる希釈誘導溶液と接触させて熱交換させる。加熱器にはリボイラーや熱交換器等を用いることができる。加熱器の熱源は問わないが、発電所のタービンから出てくる復水前の蒸気や、排熱から回収される熱水などを用いることができる。熱源の温度が１００℃以上の場合には常圧で蒸留を行えるが、それより低い場合は減圧する必要がある。
【００３８】
冷却再生手段
蒸留塔の塔頂から、塔頂ガス冷却再生手段に配管接続し、塔頂部から得られるｔｅｒｔ−ブタノールと水蒸気からなるガスを冷却して水溶液状態にする。冷却手段は問わないが、熱交換器を用いることができる。冷却する熱源としては、特に限定されないが、河川水、海水、空気などを用いることができる。
【００３９】
蒸発手段
蒸発手段は、順浸透手段で得られた膜濃縮水を加熱蒸発する手段であり、通常の蒸発器や蒸発缶を使用することができる。
【実施例】
【００４０】
図１に示す装置を使用した。
【００４１】
被処理水には坑井随伴水を用い、６７ｍ２のポリアミド系複合平膜のＦＯ膜を装着した半透膜装置に、３０℃の随伴水を２．５L／分の流量で流入させた。半透膜装置の反対側の室には、誘導溶液として３０℃の５０ｖ／ｖ％のｔｅｒｔ−ブタノール水溶液を０．５L／分の流量で流入させた。装置内で随伴水の水がＦＯ膜を通って誘導溶液を希釈させ、ｔｅｒｔ−ブタノール濃度が１０ｖ／ｖ％になった希釈誘導溶液が２．５Ｌ／分の流量で半透膜装置から流出した。
【００４２】
希釈誘導溶液は蒸留塔に送入し、８２℃、大気圧で蒸留した。この蒸留塔には、濃縮随伴水を蒸発器で蒸発させたｔｅｒｔ−ブタノールを水溶液として０．６ｖ／ｖ％含む水蒸気を送入した。蒸留塔の塔頂部からはｔｅｒｔ−ブタノールを水溶液として５０ｖ／ｖ％で含む蒸気が排出され、これを凝集器で３０℃に冷却凝縮して半透膜装置に戻した。ｔｅｒｔ−ブタノールはほぼ全量が循環された。
【００４３】
蒸留塔の塔底部からは浄水が２．０L／分の流量で流出した。この水のｔｅｒｔ−ブタノール濃度は１ｍｇ／Ｌであった。
【００４４】
一方、蒸発器でさらに濃縮された濃縮随伴水は図示しない晶析缶に投入して冷却晶析し、析出した塩結晶を分離した。
【００４５】
図２には、蒸発器で発生した蒸気を凝縮した後、希釈誘導溶液とともに蒸留塔へ供給する場合の装置フローを示す。
このフローでは、ｔｅｒｔ−ブタノール濃度が１３ｖ／ｖ％になった希釈誘導溶液が凝縮水と合流して蒸留塔に送られる。
塔頂部からの蒸気のｔｅｒｔ−ブタノールは蒸留の特長であるブタノールと水の蒸気圧の違いによる分離のために７０ｖ／ｖ％に上昇している。すなわち、同じ温度で比べると蒸気圧の大きなブタノールがよりガス化して上に上がる。一方で、蒸気圧の小さな水は下に落ちていき、塔内で分離される。そのため、塔頂部からの蒸気のブタノールの濃度が上昇している。
【００４６】
その結果、坑井随伴水から安価に効率よく浄水を製造することができ、さらに半透膜から濃縮随伴水へ漏出するわずかな誘導溶液も、蒸発器で水と共に蒸発させた蒸気または、その凝縮水を蒸留塔で再度蒸留することにより回収することが可能であった。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明の方法は、海水から淡水の製造や、坑井からの随伴水の処理などに広く利用できる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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