(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を提供する。【解決手段】上記課題は、被処理水と、下限臨界温度を有する感温性物質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順浸透工程と、前記希釈誘導溶液を前記下限臨界温度未満の温度で前記感温性物質が疎水性化する温度まで加温する加温工程と、前記加温工程で加温され、疎水性化した感温性物質を希釈誘導溶液から感温性物質濃縮液として固液分離する固液分離工程と、前記固液分離工程で分離された感温性物質濃縮液を感温性物質が親水性化する温度まで冷却し、誘導溶液を再生する冷却工程とを有することを特徴とする水処理方法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、下限臨界温度を有する感温性物質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順浸透工程と、前記希釈誘導溶液を前記下限臨界温度未満の温度で前記感温性物質が疎水性化する温度まで加温する加温工程と、前記加温工程で加温され、疎水性化した感温性物質を希釈誘導溶液から感温性物質濃縮液として固液分離する固液分離工程と、前記固液分離工程で分離された感温性物質濃縮液を感温性物質が親水性化する温度まで冷却し、誘導溶液を再生する冷却工程とを有することを特徴とする水処理方法。
【請求項２】
前記固液分離工程における固液分離手段が、分画分子量３，０００以上の限外ろ過膜、精密ろ過膜、砂ろ過、ろ布ろ過、遠心分離、沈降分離のいずれかによる手段であ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】
前記感温性物質が、アルコールまたは脂肪酸とエチレンオキサイドの化合物、アルコールまたは脂肪酸とプロピレンオキサイドの化合物、アクリルアミドとアルキル基の化合物、グリセリン脂肪酸エステル、ソルビタン脂肪酸エステルエチレンオキサイド付加物、アミノ酸およびその誘導体から選択される化合物で構成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の水処理方法。
【請求項４】
下限臨界温度が３０℃〜８０℃の範囲にあることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の水処理方法。
【請求項５】
固液分離工程において分離された分離液の顕熱を加温工程における熱源として使用することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の水処理方法。
【請求項６】
順浸透工程において得られた希釈誘導溶液を冷却工程における冷熱源として使用することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の水処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、海水、かん水などの被処理水から淡水を製造する水処理方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
海水から半透膜を用いて淡水を製造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。しかし、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。そこで、半透膜を介して海水と海水より高濃度の塩溶液を接触させ、加圧せずとも浸透圧により海水中の水をこの塩溶液に移動させ、分離、回収することにより淡水を製造する方法が開発されている。（特許文献１、２）。
【０００３】
特許文献１の方法は、被処理水を第１半透膜の一方の面に接触させるとともに、溶解度が温度に依存する仲介溶液を相対的に高温の状態で第１半透膜の他方の面に接触させ、被処理水の水分を第１半透膜を介して仲介溶液に吸収させる水分吸収工程と、水分吸収工程後の仲介溶液を相対的に低温にし、前記仲介溶液の溶質（仲介物質）を析出させる析出工程と、析出工程後の仲介溶液を第２半透膜に、仲介溶液の水分が第２半透膜を介して放出可能な液圧にて接触させる水分放出工程とを備えた淡水製造方法である。
【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るとともに、分離したアンモニウムイオンと炭酸イオンを該塩溶液に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】特開２０１０−１６２５２７号公報
【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の方法では、仲介物質、すなわち高浸透圧溶液としてミョウバン水溶液が用いられるが、ミョウバンは温度上昇に対する溶解度の上昇が緩いため、ミョウバン水溶液を水分吸収工程では６０℃に加温し、析出工程では３０℃に冷却するというように、液温の調整幅が大きく、設備運転コストが高いという問題がある。また、例えば、カリミョウバンの場合、ｐＨが３に近く、装置の腐食が生じやすいという問題もある。
【０００７】
また、特許文献２の方法では、誘導物質（例えば炭酸アンモニウム）の分離、回収を蒸発法で行うが、その際、アンモニアおよび同伴する水分の蒸発潜熱が多大で、膨大なエネルギーを要しコストも高い。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。さらに、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膜濃縮水を介し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。
【０００８】
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淡水を製造することのできる水処理方法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】
【０００９】
本発明は、上記課題を解決するべくなされたものであり、下限臨界温度を有する感温性物質を水に溶解して調製した高浸透圧の誘導溶液を用いて順浸透膜処理を行い、得られた希釈誘導溶液を下限臨界温度付近まで加温して感温性物質を一部疎水性化して析出させ、これを分離することで、海水等から少ないエネルギーで安価で容易に淡水を得ることができることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１０】
すなわち、本発明は、被処理水と、下限臨界温度を有する感温性物質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順浸透工程と、前記希釈誘導溶液を前記下限臨界温度未満の温度で前記感温性物質の一部が疎水性化する温度まで加温する加温工程と、前記加温工程で加温され、疎水性化した感温性物質を希釈誘導溶液から感温性物質濃縮液として固液分離する固液分離工程と、前記固液分離工程で分離された感温性物質濃縮液を感温性物質が親水性化する温度まで冷却し、誘導溶液を再生する冷却工程とを有することを特徴とする水処理方法を提供するものである。
【００１１】
例えば、下限界臨界温度４０℃のポリオキシエチレンアルキルエーテルを誘導物質として用いる場合、常温（５〜２５℃）の希釈誘導溶液中で、感温性物質は、親水性を示し液中に溶解している。これを４０℃まで加温すると感温性物質は疎水化して凝集する。この際に溶液が白濁することから、一般に曇点現象として知られている。曇点は、溶液が白濁する温度として目視で判断される。しかし、曇点をやや下回る温度において凝集粒子が白濁として目視確認できないサイズであっても、凝集反応は進行し、分子が互いに集まり見かけ上の分子数が大幅に減少するため、浸透圧が劇的に低下する。感温性物質が凝集した状態の溶液をＵＦ膜ろ過すると、感温性物質は容易に膜で排除され、ろ液として純水が得られる。膜濃縮液は、疎水化した感温性物質が凝集した誘導溶液である。これを３０℃に冷却すると、感温性物質が再溶解して誘導溶液が再生される。感温性物質が再溶解した再生誘導溶液においては誘導物質濃度が高まり、所定の高い浸透圧が得られる。再生された誘導溶液を半透膜装置に導入し、被処理水と膜を介して接触させることにより、繰り返し被処理水から純水を得ることができる。この方式では蒸発法とは異なり相変化のための潜熱が必要無いため、投入熱量はきわめて小さい。また、固液分離膜においては凝集して誘導物質が粗大化しているため、ＵＦやＭＦのようなＲＯ、ＮＦに比べて目の粗い膜を用いても高い透過流束でろ過することができる。この際、浸透圧が低下しているため、ろ過動力は極めて小さい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明では、感温性物質を溶解した誘導溶液を用いることにより、順浸透膜処理における淡水分離と誘導溶液の再生の際の温度調整幅を小さくし、海水などから安価な設備、少ないエネルギーで効率よく淡水を取得できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【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】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】
【００１４】
図１に本発明の一実施態様を模式的に示す。
【００１５】
本発明の方法で処理される被処理水は水を溶媒とする溶液であり、海水、かん水などである。かん水は、
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。
【００１６】
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。
【００１７】
油分と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。
【００１８】
ろ過工程
図１に示していないが、被処理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。限外膜ろ過の材質は精密膜ろ過と同様のものが用いられる。
【００１９】
順浸透工程
順浸透工程は、ろ過処理した被処理水と、下限臨界温度を有する感温性物質を水に溶解した高浸透圧の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。
【００２０】
感温性物質は、低温では親水性で水によく溶けるが、ある温度以上になると疎水性化し溶解度が低下する物質であり、水溶性〜水不溶性に変化する温度が下限臨界温度あるいは曇点と呼ばれる。この温度に達すると疎水性化した感温性物質が析出して白濁が起こる。
【００２１】
この感温性物質は、各種界面活性剤、分散剤、乳化剤などとして利用されており、例示すれば、アルコールまたは脂肪酸とエチレンオキサイドの化合物、アルコールまたは脂肪酸とプロピレンオキサイドの化合物、アクリルアミドとアルキル基の化合物、グリセリン脂肪酸エステル、ソルビタン脂肪酸エステルエチレンオキサイド付加物、アミノ酸およびその誘導体などである。本発明において使用する感温性物質としては、下限臨界温度が３０℃〜８０℃の範囲、特に40℃から60℃の範囲のものが好ましい。誘導溶液に含まれる感温性物質の濃度は、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、0.1〜10mol/L程度、特に2〜5mol/L程度の濃度が好ましい。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
加温工程
順浸透工程で被処理水から水が移動して希釈された希釈誘導溶液を加温して、感温性物質の少なくとも一部を疎水性化して析出させる。この析出は、感温性物質の濃厚溶液が相分離したものである。加温する温度は、感温性物質の下限臨界温度未満で感温性物質の一部が疎水性化する温度が好ましく、具体的には、下限臨界温度より1
〜10℃低い温度までの範囲、特に2〜5℃低い温度までがよい。しかしながら、加温温度は下限臨界温度あるいはそれを越えてもよく、下限臨界温度より10℃程度まで高く加温してもよい。
【００２６】
この加温工程の熱源には、次の固液分離工程で分離された分離液の顕熱を使用することが好ましい。
【００２７】
固液分離工程
加温工程で加熱されて感温性物質が析出している希釈誘導溶液は固液分離して析出した感温性物質を分離する。この固液分離手段は、目の粗いものがよく、分画分子量３，０００以上の限外ろ過膜、精密ろ過膜、砂ろ過、ろ布ろ過、遠心分離、沈降分離などを利用することができる。好ましいものは、限外ろ過膜、精密ろ過膜および遠心分離が比較的低動力で良好な分離効率が得られるため好ましい。
【００２８】
固液分離手段で分離された水は、通常はそのまま淡水として利用できるが、必要によりさらに精製して使用する。
【００２９】
冷却工程
一方、分離された感温性物質の濃縮液は感温性物質が親水性化する温度、具体的には白濁が消える温度まで冷却して誘導溶液に再生する。この温度は広い範囲で採用可能であるが、経済性を考慮すると下限臨界温度より10〜20℃低い温度が適当であり、また、常温かそれより高い温度が好ましい。この冷却熱源としては、処理対象水あるいは順浸透工程において得られた希釈誘導溶液を用いることがエネルギーの効率利用の点で好ましい。
【００３０】
再生した誘導溶液はそのまま循環使用できる。
【００３１】
一方、順浸透工程で得られた膜濃縮水は塩分を高濃度で含んでいるので、これを濃縮して塩分を析出させて分離し、有効利用することができる。
【００３２】
この本発明の方法を図１に模式化して示す。処理はバッチ方式でもよいが、原則として連続方式、すなわち、被処理水と誘導溶液は連続して流し、淡水は連続的にとり出す。
【実施例】
【００３３】
（実施例１）
順浸透膜として酢酸セルロース製FO膜を使用し、誘導溶液には、ポリオキシエチレンアルキルエーテルを400ｇ／Ｌの濃度で水に溶解したものを用いた。誘導溶液の浸透圧は、所定濃度の塩水からFO膜で淡水を吸引できるかどうかで測定することが可能であり、本溶液では5MPaであった。また、曇点は目視で白濁状況を確認することによって特定することが可能で、誘導溶液の曇点は38℃であった。
【００３４】
順浸透膜装置の誘導溶液入口の流入量は5L／minとした。被処理液には、海水を模擬した濃度3.5%の塩化ナトリウム水溶液を用いた。膜ろ過装置を通過して誘導溶液に移動した水の量は0.3L/minであり、誘導溶液で出口から流出する希釈誘導溶液の量は5.3L/minであり、温度は25℃であった。
【００３５】
この希釈誘導溶液を35℃に加温し、1分間保持すると、溶解していたポリオキシエチレンアルキルエーテルが凝集し浸透圧が0.1MPaまで低下した。
この溶液を精密膜ろ過し、ポリオキシエチレンアルキルエーテルを400ｇ／Ｌの濃度で含む膜濃縮水を溶液１ｋｇあたり0.94ｋｇと、淡水0.06ｋｇを得た。
【００３６】
この淡水に含まれるポリオキシエチレンアルキルエーテルの濃度は100ｐｐｍ以下であった。
ポリオキシエチレンアルキルエーテルを400ｇ／Ｌの濃度で含む膜濃縮水は、３０℃まで冷却することにより、元の透明な誘導溶液に戻すことができた。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
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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