(57)【要約】【課題】本発明は、逆浸透膜処理により100g/L以上の濃縮海水を効率良く製造する方法を提供することを目的とする。【解決手段】逆浸透膜処理により濃縮海水を製造する方法において、RO膜を直列に設置し、1段目のRO膜処理の濃縮水の回収率を40%以下とし、2段目RO膜処理の単位膜面積当りの原水供給量を、1段目のRO膜の単位膜面積当りの原水供給量の40%以下とするとともに、2段目RO膜処理の操作圧力を8MPa以上とする。【選択図】図１
2006167533.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
逆浸透膜処理により濃縮海水を製造する方法において、RO膜を直列に設置し、1段目RO膜処理での濃縮水の回収率を40%以下とし、2段目RO膜処理での単位膜面積当りの原水供給量を、1段目RO膜処理での単位膜面積当りの原水供給量の40%以下とするとともに、2段目RO膜処理の操作圧力を8MPa以上とすることを特徴とする海水濃縮方法。
【請求項２】
濃縮する海水を海洋深層水とすることを特徴とする請求項１に記載の海水濃縮方法。
【請求項３】
硫酸イオン濃度を1700mg/L以下とした海水を原水として使用することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の海水濃縮方法。
【請求項４】
硫酸イオンの除去にナノフィルタを使用することを特徴とする請求項３に記載の海水濃縮方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、逆浸透膜（以下、RO膜という）処理により、イオン濃度100g/L以上の濃縮海水を効率良く製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
海水は製塩の原料などに使われているが、特に、太陽光が届かず、植物プランクトンの光合成が不可能な概ね100m以深の海水を海洋深層水と呼ぶ。海洋深層水は、表層水と比較して水温が10℃以下と低く、年間を通して水温変動が殆ど生じることなく、植物の生長に必要な窒素，リン，ケイ酸等の無機栄養塩を多く含んでおり、更には大腸菌や一般細菌に汚染されていないため清浄であるという特徴を持っている。このため、海洋深層水は、かかる特徴に基づいて、海草・魚貝類の養殖、食品や化粧品の原料として従来より使用されてきている。
【０００３】
さらに、海洋深層水をそのまま使用する需要に加え、製塩・薬品製造などを対象とし、海洋深層水を濃縮した濃縮深層水の需要も高まってきている。
【０００４】
かかる濃縮海水は、海水から塩分等を除去することにより飲料に適した淡水を得る海水淡水化処理における副生成物であるともいえる。即ち、海水淡水化技術を海水の濃縮製造に適用することができる。
【０００５】
実用プラントに使用されている海水淡水化方法として、蒸発法、逆浸透膜法、電気透析法の3つが従来において提案されている。
【０００６】
蒸発法は、海水を加熱して水蒸気を発生させ、この水蒸気を冷却して淡水を得る方法である。この方法は、２段フラッシュ蒸発法、多段フラッシュ蒸発法等が実用化されており、非常に純度の高い真水が得られるという利点を有しているが、熱源を必要とするためにエネルギー効率が悪いという欠点がある。
【０００７】
逆浸透膜法は、半透膜の一方の側に海水を接させて海水の浸透圧以上に加圧すると真水が半透膜を通って押し出される現象を利用したものであり、加圧圧力が高いほど多量の塩分濃度の低い淡水が得られる。
【０００８】
一方、電気透析法は、２つの対向配置された隔膜の外側にそれぞれ設けられた一対の電極間に直流電圧を印加してその２つの隔膜の間に海水を流すことにより、海水中のナトリウムイオンと塩素イオンを分解させることにより、海水中の塩濃度を低下させるものである。
【０００９】
このうち、蒸発法は、最も歴史が古いものであり、世界において最も多用された実績を持つ。しかしながら、蒸発法は相変化を伴うため、一般に逆浸透膜法や電気透析法に比べて消費エネルギーが大きく、特に日本では逆浸透膜法や電気透析法が最も頻繁に用いられている。
【００１０】
ところで、上述の逆浸透膜法と電気透析法はいずれも膜を利用する点において共通するが、濃縮液と透過液の分離方法が互いに異なる。即ち、逆浸透膜法は圧力差により濃縮液と透過液を分離するのに対して、電気透析法はこれらを電位差によりナトリウムイオンと塩素イオンを選択的に分離するものであるため、海水を濃縮するとナトリウムイオンと塩素イオン濃度比率が高い水が製造される。よって、海水の成分割合を大きく変化させずに濃縮するのは難しく、海水中の含有イオン成分割合をほとんど変化させずに濃縮する方法としては逆浸透膜法が適している。
【００１１】
従来の逆浸透膜法による海水淡水化技術では、淡水の回収率を向上させることを目的とした研究開発が数多くなされてきた。
【００１２】
例えば、非特許文献１において、淡水の回収率を向上させる方法として逆浸透膜を直列に配した方法の記述がある。しかしながら、この記述で得られる濃縮水のイオン濃度は90g/L程度であり、これ以上の濃度の濃縮海水を得る方法について具体的な記述はない。
【００１３】
【非特許文献１】日本海水学会誌  第53巻第6号  逆浸透法海水淡水化コスト低減方法と課題（1999）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
そこで本発明は、逆浸透膜処理により100g/L以上の濃縮海水を効率良く製造する方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を解決するために、本発明においては、逆浸透膜処理により濃縮海水を製造する方法において、RO膜を直列に設置し、1段目RO膜処理での濃縮水の回収率を40%以下とし、2段目RO膜処理での単位膜面積当りの原水供給量を、1段目RO膜処理での単位膜面積当りの原水供給量の40%以下とするとともに、2段目RO膜処理の操作圧力を8MPa以上とすることを特徴とする。また、濃縮する海水を海洋深層水とすること、さらに硫酸イオン濃度を1700mg/L以下の海水を原水として使用することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明では、1段目RO膜処理での濃縮水の回収率を40%以下とし、2段目RO膜処理での単位膜面積当りの原水供給量を、1段目RO膜処理での単位膜面積当りの原水供給量の40%以下とするとともに、2段目RO膜処理の操作圧力を8MPa以上とした逆浸透膜処理を行うことにより、イオン濃度100g/L以上の濃縮海水を効率良く製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明について、以下に詳細に説明する。
【００１８】
図１に本発明を適用した海水濃縮方法を実現するための海水処理装置５０の構成を示す。この海水処理装置５０は、逆浸透膜処理により濃縮海水を製造するための装置であって、濃縮すべき原水１が供給される１段目RO膜処理用ポンプ２１と、この１段目RO膜処理用ポンプ２１により昇圧された原水１が供給される1段目処理部５１と、この1段目処理部５１により濃縮された1段目RO膜濃縮水３の流量を調整するための1段目RO膜処理用調整弁３１と、この1段目RO膜処理用調整弁３１を介して1段目RO膜濃縮水３が供給される２段目RO膜処理用ポンプ２２と、２段目RO膜処理用ポンプ２２により昇圧された2段目RO膜原水４が供給される2段目処理部５２と、この２段目処理部５２により濃縮された２段目RO膜濃縮水６の流量を調整するための２段目RO膜処理用調整弁３２とを備えている。
【００１９】
１段目RO膜処理用ポンプ２１は、１段目処理部５１における濃縮処理に応じた最適な操作圧力となるように１段目RO膜原水１を昇圧し、これを１段目処理部５１に供給する。また、１段目RO膜処理用ポンプ２１は多段型、プランジャー型など、必要とする操作圧力が得られる型式のポンプであればいかなるものを適用してもよい。
【００２０】
１段目処理部５１は、１段目RO膜１１が内部に配設されている。この１段目処理部５１は、１段目RO膜処理用ポンプ２１から供給された原水１につき、１段目RO膜１１を介して水分を優先的に透過させてこれを１段目RO膜透過水２として外部へ排出するとともに、この１段目RO膜１１により塩分の透過を遮る。その結果、より塩分の濃度の高い1段目RO膜濃縮水３が精製されることになる。以下、この１段目処理部５１における濃縮処理を、１段目RO膜処理という。
【００２１】
１段目RO膜１１は、中空糸型、スパイラル型、平膜型等、透過膜処理で通常使用されている任意の形式の膜である。また、１段目RO膜１１の材質は、酢酸セルロース系、ポリアミド系等、通常の海水淡水化で用いられる材質等で構成してもよい。ここで、海水淡水化で用いられる膜とは、塩化ナトリウム阻止率99％以上(評価液濃度3.5%)の膜を指す。この１段目RO膜１１に対する浸透圧よりも大きな操作圧力からなる原水が供給された場合に、上述の如く１段目RO膜原水１に対し濃縮処理が実現されることになる。
【００２２】
２段目RO膜処理用ポンプ２２は、２段目処理部５２における濃縮処理に応じた最適な操作圧力となるように1段目RO膜濃縮水３を昇圧して2段目RO膜原水４を作り出し、これを２段目処理部５２に供給する。2段目RO膜処理用ポンプ２２も多段型、プランジャー型など、必要とする操作圧力が得られる型式のポンプであればいかなるものであってもよい。
【００２３】
２段目処理部５２は、２段目RO膜１２が内部に配設されている。この２段目処理部５２は、２段目RO膜処理用ポンプ２２から供給された2段目RO膜原水４につき、２段目RO膜１２を介して水分を優先的に透過させてこれを１段目RO膜透過水５として外部へ排出するとともに、この２段目RO膜１２により塩分の透過を遮る。その結果、より塩分の濃度の高い２段目RO膜濃縮水６が精製されることになる。以下、この２段目処理部５２における濃縮処理を２段目RO膜処理という。
【００２４】
２段目RO膜１２は、中空糸型、スパイラル型、平膜型等、透過膜処理で通常使用されている任意の形式の膜を適用できるが、高圧で処理するため耐圧性が高い中空糸型の膜を使用するのが好ましい。また、２段目RO膜１２の材質は、酢酸セルロース系、ポリアミド系等、通常の海水淡水化で用いられる素材で構成してもよい。
【００２５】
次に、本発明を適用した海水処理装置５０の動作につき説明をする。
【００２６】
先ず、海水から注入される原水１を、１段目RO膜処理用ポンプ２１へ供給する。かかる場合において供給すべき原水１は1段目RO膜１１での処理性能低下を防止するため、図示しないろ過装置にてろ過された原水を使用することが望ましい。ここで、図示しないろ過装置としては、例えば砂ろ過装置、カートリッジフィルター、精密ろ過膜や限外ろ過膜など、原水のFI（ファウリングインデックス）値が4以下とできるろ過装置を使用することができる。なお、FI値は原水中の懸濁物質を定量化する指標であり、次式で表される。
FI = (1-T1/T2)×100/15
T1；新しい0.45μmの精密ろ過膜を用いて、試料水を206kPaの加圧下で初めの
500mlをろ過するのに要した時間
T2；15分間ろ過したあと、さらに500mlをろ過するのに要した時間
【００２７】
RO膜処理にて濃縮水の製造を行うと、スケール成分が生成して膜処理性能を低下させる可能性がある。特に硫酸カルシウムは一度発生すると除去が困難であるため、発生させないようにする必要がある。日本海の海洋深層水（イオン濃度約35g/L）を蒸発法にて濃縮した結果、液中の総イオン濃度が150g/L程度を超えると硫酸イオンが硫酸カルシウムとして析出し始める。このため、硫酸カルシウムが析出する濃縮水のイオン濃度を150g/Lとすると、原水の硫酸イオン濃度は2300mg/L程度であるため、析出濃度は10,000mg/Lと推定できる。逆浸透膜による濃縮で200g/Lまで濃縮させるためには、操作圧力として20Mpa程度の圧力が必要であり、現在の逆浸透膜処理では現実的ではない。よって、濃縮水の濃度が20%を最大とすると、原水の5.7倍濃縮となることから、原水の硫酸イオン濃度は1,700mg/Lまでに抑える必要がある。
【００２８】
従って、１段目RO膜原水１に含まれている硫酸イオンは、図示しないナノフィルタ（以下、NF膜という）により除去することが好ましい。即ち、硫酸イオンの除去率が選択的に高いNF膜を利用することにより、他のイオンの濃度は大きく変化せずに硫酸イオンのみを除去することができるからである。
【００２９】
1段目RO膜処理においては、透過水の出口に設置した１段目RO膜処理用調整弁にて流量及び操作圧力を調整する。このときの操作圧力は、5.0〜7.0Mpaとし、濃縮水の回収率は、40%以下とするのが好ましい。仮に濃縮水の回収率を40%以上した場合には、濃縮水のイオン濃度が低くなり、2段目のRO膜処理にて効果的に濃縮できないからである。
【００３０】
1段目処理部５１において濃縮された１段目RO膜濃縮水３は、1段目RO膜処理用調整弁３１により流量等が調整される。このとき、１段目RO膜濃縮水３は、単位膜面積当りの原水供給量の40%以下となるまで流量が調整され、更に２段目RO膜処理用昇圧ポンプ２２にて操作圧力が8MPa以上となるように昇圧されて、2段目RO膜原水４とされる。2段目RO膜原水４は、２段目処理部５２へ供給され、２段目RO膜１２に到達することになる。
【００３１】
このとき2段目RO膜１２の単位膜面積当りの原水供給量Ｎ２を1段目RO膜での単位膜面積当りの原水供給量Ｎ１の40%より大きくすると、2段目RO膜１２の濃縮処理により、所望の濃度を得ることができないため、原水供給量Ｎ２を原水供給量Ｎ１の４０％以上とする。また、1段目RO膜１１での濃縮水のイオン濃度は、操作圧力5〜7MPaでは90g/L以下であるので、それ以上の濃縮水を得るためには8MPa以上の操作圧力を必要とする。
【００３２】
このように、本発明を適用した海水処理装置５０では、逆浸透膜処理により濃縮海水を製造する際において、1段目RO膜１１と、2段目RO膜１２とを直列に設置し、1段目RO膜１１における濃縮処理において、濃縮水の回収率を40%以下とし、2段目RO膜処理での単位膜面積当りの原水供給量Ｎ２を、1段目RO膜処理での単位膜面積当りの原水供給量Ｎ１の40%以下とするとともに、2段目RO膜１２への操作圧力を8MPa以上とすることにより、所望のイオン濃度からなる濃縮海水を精製することが可能となる。
【００３３】
なお、本発明を適用した海水濃縮方法は、上述した構成からなる海水処理装置５０により実現される場合に限定されるものではなく、例えば図２に示すような海水処理装置６０により実現されるようにしてもよい。この海水処理装置６０において、上述した海水処理装置５０と同一の構成、部材に関しては、同一の番号を付すことにより、ここでの説明を省略する。
【００３４】
この海水処理装置６０は、濃縮すべき原水１が供給される１段目RO膜処理用ポンプ２１と、この１段目RO膜処理用ポンプ２１により昇圧された原水１が供給される1段目処理部５１と、この1段目処理部５１により濃縮された1段目RO膜濃縮水３の流量を調整するための1段目RO膜処理用調整弁３１と、この1段目RO膜処理用調整弁３１を介して1段目RO膜濃縮水３が排出される中継水槽６１と、この中継水槽６１から供給される２段目RO膜処理用ポンプ２２と、２段目RO膜処理用ポンプ２２により昇圧された2段目RO膜原水４が供給される2段目処理部５２と、この２段目処理部５２により濃縮された２段目RO膜濃縮水６の流量を調整するための２段目RO膜処理用調整弁３２とを備えている。
【００３５】
中継水槽６１は、1段目RO膜濃縮水３を一時的に蓄積した後、これを２段目RO膜処理用ポンプ２２へ供給する。
【００３６】
このような構成からなる海水処理装置６０においても、中継水槽６１から供給された1段目RO膜濃縮水３を２段目RO膜処理用ポンプ２２により、必要な操作圧力まで昇圧させることにより、所望のイオン濃度からなる濃縮海水を精製することが可能となる。
【実施例】
【００３７】
以下に本発明を実施例により具体的に説明する。
【００３８】
海洋深層水を硫酸マグネシウム阻止率97％(評価液濃度0.2%)のNF膜(日東電工製NTR-7250)で処理した透過水を原水１とし、図２に示す海水処理装置６０を用いてこれを濃縮処理した。この原水の水温は10℃であり、イオン濃度は27g/L、硫酸イオン濃度は97mg/Lであった。
【００３９】
1段目RO膜１１、並びに2段目RO膜１２は、三酢酸セルロースの中空糸モジュール(東洋紡製ホロセップHB9155FI、8インチタイプ)を用いた。
【００４０】
まず、操作圧力７MPa、供給量11L/minの条件にて、1段目RO膜１１による濃縮処理を行った。濃縮水の回収量を4.4L/min（回収率40%）としたところ、濃縮水のイオン濃度は67g/Lとなった。
【００４１】
更にこの濃縮水を10MPaまで昇圧して2段目RO膜１２により濃縮処理を実行した。RO膜の単位膜面積当りの原水供給量比（＝原水供給量Ｎ２／原水供給量Ｎ１）と濃縮水のイオン濃度の関係を図３に示す。この図３に示すように、原水供給量比が０．４（40%）以下では、濃縮水のイオン濃度は100g/L以上となるが、かかる原水供給量比が０．４（40%）を超えると濃縮水のイオン濃度は低下し、100g/Lよりも低くなることが示されている。
【００４２】
また、操作圧力を12Mpaとし、2段目RO膜処理での単位膜面積当りの原水供給量Ｎ２を、1段目RO膜処理での単位膜面積当りの原水供給量Ｎ１の40%として運転する場合に、イオン濃度150g/Lの濃縮水が得られた。このとき、どちらの濃縮水製造においても、硫酸カルシウムスケールの発生はなく、安定してRO膜による濃縮処理を実現することができた可能であった。
【００４３】
このように本発明によれば、イオン濃度100g/L以上の濃縮海水を効率良く製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明に係る実施形態を示す装置フローの一例を示す図である。
【図２】本発明に係る他実施形態を示す装置フローの一例を示す図である。
【図３】2段目RO膜の単位膜面積当りの原水供給量割合と濃縮水イオン濃度の関係を示す図である。
【符号の説明】
【００４５】
１ １段目RO膜原水
２ １段目RO膜透過水
３ １段目RO膜濃縮水
４ ２段目RO膜原水
５  １段目RO膜透過水
６  ２段目RO膜透過水
１１  １段目RO膜
１２  ２段目RO膜
２１  １段目RO膜処理用ポンプ
２２  ２段目RO膜処理用昇圧ポンプ
３１  １段目RO膜処理用調整弁
３２  ２段目RO膜処理用調整弁
５０，６０  海水処理装置
５１  1段目処理部
５２  ２段目処理部
６１  中継水槽
【図１】
2006167533.tif 000003
【図２】
2006167533.tif 000004
【図３】
2006167533.tif 000005