(57)【要約】【課題】慣用的熱式海水脱塩法による収率及び生成物水回収率よりも遥かに高い収率及び生成物回収率を有する海水脱塩法及び装置を提供する。【解決手段】塩水を、二段階膜ナノ濾過（ＮＦ2）ユニットに、それら段階の間にエネルギー回収ターボチャージャーユニットを配置し、必要に応じ加圧ポンプを補充して通し、第一及び第二ＮＦ段階のＮＦ生成物を一緒にしたものから第一水生成物を形成するか、又は段階間に加圧ポンプを有するＮＦユニットから形成させるか、エネルギー回収圧力交換器を具えたＮＦユニットから形成させ、前記ＮＦユニット自身は、段階間に加圧ポンプを配備した二段階からなり、前記第一水生成物はイオン性化学種の含有量が低下しており、微生物、粒状物質、及び殆どのスケール形成性硬質イオンが除去されており、然る後、前記第一生成物を熱式海水脱塩ユニットに通して最終的第二水生成物及びブライン排出物を生成させることを行う。【選択図】図１
2006021106.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高濃度の硬質スケール形成性イオン性化学種、微生物、粒状物質及び高濃度の全溶解固体を含有する塩水を、二段階膜ナノ濾過（ＮＦ2）ユニットに、それら段階の間にエネルギー回収ターボチャージャー（ＴＣ）ユニットを配置し、必要に応じ加圧ポンプを補充して通し、第一及び第二ＮＦ段階のＮＦ生成物を一緒にしたものから第一水生成物を形成するか、又は前記段階間に加圧ポンプを有するＮＦユニットから前記第一生成物を生成させる工程であって、この場合、前記第一水生成物はエネルギー回収圧力交換器（ＰＸ）を具えたＮＦユニットから生成させることができ、一方、前記ＮＦユニット自身は二つの段階とそれら段階間に配備された加圧ポンプからなり、この場合、第一水生成物は前記イオン性化学種の含有量が低下しており、微生物、粒状物質及び殆どのスケール形成性硬質イオンがそこから除去されている工程、及び
然る後、前記第一水生成物を熱式海水脱塩ユニットに通して、最終的第二水生成物（蒸留物）及びブライン排出物（ブローダウン）を生成させる工程
を含む、最適脱塩方法及び装置。
【請求項２】
高濃度の硬質スケール形成性イオン性化学種、微生物又は粒状物質及び全溶解固体を含有する海水を、請求項１に記載の二段階膜ナノ濾過（ＮＦ2）ユニットに通し、前記イオン性化学種（ＴＤＳ）の含有量が減少し、微生物、粒状物質及び殆どのスケール形成性硬質イオンが除去された第一水生成物を生成させる工程、
然る後、前記第一水生成物を、一段階又は二段階とされた海水逆浸透ユニットに通し、この場合、一段階ＳＷＲＯはエネルギー回収ＰＸユニットを具え、高圧許容性膜（Ｐ＝８４バール）を有し、一方、二段階ＳＷＲＯユニットは、図５に示したように、ブラインからのエネルギー回収ＴＣを具えており、飲料水品質の第三水生成物（透過物）及び塩度は増大しているが硬質物質は劇的に減少した第四水生成物排除物を形成する工程、及び
然る後、前記第四水生成物排除物を熱式脱塩ユニットに通し、飲料水品質の第二水生成物（蒸留物）及びブライン排出物ブローダウンを形成する工程
を含む、脱塩方法。
【請求項３】
熱式蒸留ユニットが、多段階フラッシュ蒸留（ＭＳＦＤ）ユニット又は多重効果蒸留（ＭＥＤ）ユニット又は蒸気圧縮蒸留（ＶＣＤ）ユニット、又は蒸気圧縮多重効果蒸発器熱式再加熱（ＲＨ）ユニットを含む、請求項１又は２に記載の脱塩方法。
【請求項４】
エネルギー回収ＰＸ又はＴＣシステムを具えた二重完全総合ＮＦ2ユニットを有し、この場合、第一ＮＦ段階が高圧ポンプ及びＮＦユニットを有し、２５±１０バールの圧力（Ｐ）下でＮＦ生成物及びＮＦ排除物を生成し、前記ＮＦ排除物は、それをターボチャージャーユニット又は加圧ポンプ又はそれらの組合せに通過させた後、第二段階ＮＦへの供給物を構成し、この第二段階ＮＦユニットからの生成物が、前記第一ＮＦ段階からのＮＦ生成物と一緒に、第一水生成物を構成する、請求項１又は２に記載の最適脱塩方法及び装置。
【請求項５】
第一ＳＷＲＯ段階が高圧ポンプを有し、Ｐ＝６０±１０バールで供給物をＳＷＲＯユニットへ送ってそれからＳＷＲＯ生成物及び排除物流を生成させ、前記ＳＷＲＯ排除物流をターボチャージャー又は加圧ポンプ又はそれらの組合せに通して、第二ＳＷＲＯ段階排除物から回収されたエネルギーにより、その圧力を８５±１０バールへ増大し、然る後、それを第二段階ＳＷＲＯユニットへ供給して、飲料水品質の第三ＳＷＲＯ生成物及び第四ＳＷＲＯ排除物を形成する、請求項２に記載の最適脱塩方法及び装置。
【請求項６】
ＳＷＲＯ1ユニットが高圧ポンプを有し、８４バールまでの高圧許容性膜へＰ＝７５±１０バールの圧力で送り、ＳＷＲＯ膜への供給物の一部分（第一部分）はそれらの生成物（透過物）に等しく、このポンプ加圧された（Ｐ＝７５±１０バール）ＮＦ生成物の第一部分を、ＳＷＲＯ1排除物に等しいＮＦ生成物の第二部分と、この第二部分をＰＸユニットに通した後混合し、そのＰＸユニットが、ＳＷＲＯ1ユニット・ブラインから（ＰＸ）回収されたエネルギーにより第一部分の圧力（Ｐ＝７５±１０バール）に全く等しくなるようにその圧力を上昇させ、ＳＷＲＯ1ユニットへの供給物として、この一緒にした同圧のＮＦ生成物から飲料水品質の第三水透過物生成物及び第四水生成物排除物としての排除物を生成させる、請求項２に記載の最適脱塩方法及び装置。
【請求項７】
中程度から高度の生成物流及び大きなスケール形成性硬質イオン排除率：ＳＯ4=については９０％を超え、他の硬質イオンについては６０〜９８％のオーダーの排除率を有するＮＦ膜を使用し、一方、第二段階ＮＦの膜は、中程度の生成物流で大きな排除率を特徴とし、４０バール以上までの高圧許容性を有する、請求項１又は２に記載の最適脱塩システム。
【請求項８】
高圧供給物を受けることができる、ターボチャージャー単独、又は加圧ポンプとの組合せ、又は加圧ポンプそれ自身が、第二ＮＦ段階への供給物の圧力を２５±１０バールから３５±１０バール又はそれ以上へ増大することができる、請求項１又は２に記載の最適脱塩システム。
【請求項９】
高圧供給物を受けることができる、ターボチャージャー単独、又は加圧ポンプとの組合せ、又は加圧ポンプそれ自身が、第二ＳＷＲＯ段階への供給物の圧力を６０±１０バールから８５±１０バール又はそれ以上へ増大することができる、請求項２に記載の最適脱塩システム。
【請求項１０】
第一段階ＳＷＲＯで、慣用の一段階ＳＷＲＯプラントで用いられている種類の市販のＳＷＲＯ膜で、９９．０％以上の高い塩排除率を有し、７０バール以上までの圧力に耐えることができるか、それ以上の品質の膜を使用し、一方、９０±１０までの高圧許容性ＳＷＲＯ膜を、第二段階ＳＷＲＯで用いる、請求項２に記載の最適脱塩システム。
【請求項１１】
第一段階及び第二段階ＳＷＲＯで、夫々７０バール及び１００バールまでの圧力に耐えることができる加圧容器を用いる、請求項２に記載の最適脱塩システム。
【請求項１２】
塩水が海水を含む、請求項１又は２に記載の最適脱塩システム。
【請求項１３】
海水が、２．０％〜５．０％のオーダーの全溶解固体含有量を有する、請求項１１に記載の最適脱塩システム。
【請求項１４】
海水溶液が、１．２％〜１．７％のオーダーの陽イオン含有量、２．２％〜２．８％のオーダーの陰イオン含有量、７．９〜８．２のオーダーのｐＨを有し、２．０％〜５．０％のオーダーの全溶解固体含有量に匹敵する、請求項１１に記載の最適脱塩システム。
【請求項１５】
更に、７００〜２２００ｐｐｍのカルシウム及びマグネシウム陽イオンを含む陽イオン含有量を有する、請求項１３に記載の最適脱塩システム。
【請求項１６】
海水の性質に関し、カルシウム、マグネシウム、硫酸塩及び炭酸水素塩イオン含有量が、ＮＦ2ユニットにより、６３％〜９９％のオーダーに減少され、全溶解固体含有量が約３０％〜５０％減少されている、請求項１１又は１３に記載の最適脱塩システム。
【請求項１７】
ナノ濾過ユニットを、１５℃〜４０℃のオーダーの温度で操作する、請求項１又は２に記載の最適脱塩システム。
【請求項１８】
海水逆浸透ユニットを、１５℃〜４０℃のオーダーの温度で操作する、請求項２に記載の最適脱塩システム。
【請求項１９】
ＭＳＦＤの熱式ユニットを、最高ブライン温度（ＴＢＴ）≧１２０℃〜１６０℃までで操作し、一方、ＭＥＤ又はＶＣＤ又はＲＨ型の熱式ユニットを、ＴＢＴ≧７０℃〜１２０℃までで操作する、請求項１又は２に記載の最適脱塩システム。
【請求項２０】
第二水生成物が飲料水を含み、海水供給物に対するその生成物回収比が５４％以上のオーダーである、請求項１に記載の脱塩法。
【請求項２１】
第三水生成物が飲料水（ＳＷＲＯ透過物）を含み、その生成物回収率が、約２８，５００ｐｐｍのＴＤＳを有する供給物としてそれが受けるＮＦ生成物の量に対して６９％のオーダーであり、それは供給物ＴＤＳが減少するにつれて増大する、請求項２に記載の脱塩法。
【請求項２２】
飲料水品質を有する一緒にした全水生成物が、第二と第三の水生成物両方の合計に等しく、その全飲料水回収率が６０％のオーダー又はそれ以上であり、その値は、ＴＤＳ＝４５，０００ｐｐｍの海水供給物に対するどのような従来法の熱式海水脱塩回収率よりも大きい、請求項２に記載の脱塩法。
【請求項２３】
海水を、適切なスケール防止剤を用いて、又は用いずに、ＮＦユニットへ送る、請求項１又は２に記載の脱塩法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱式(thermal)海水脱塩法に関する。
【０００２】
典型的には、二段階ＮＦ２初期前処理工程を用いた本発明の方法は、供給物ＴＤＳを約３５〜５０％減少することにより半脱塩工程を行うが、最も重要なのは、特に熱式海水脱塩法に対し、水回収を制約するＣａ＋＋及びＭｇ＋＋のスケール形成性硬質イオン(hardness ion)を８０％より多く除去し、それらの硫酸塩共有結合陰イオン(covalent anion)を９５％より多く、炭酸水素イオンを約６５％まで除去する。スケール形成性硬質イオン、特にＳＯ４＝及び炭酸水素イオンの除去は、上記ハイブリッド中の熱式ユニットを、ＭＳＦＤのための慣用的単独法による１２０℃の現在の最高ブライン温度(top brine temperature)（ＴＢＴ）限界であるよりも遥かに高いＴＢＴで操作することを可能にし、ＭＥＤ又はＶＣＤ又はＲＨユニットの操作を、６５〜７０℃のそれらの現在のＴＢＴ限界よりも遥かに高いＴＢＴで可能にし、この方法により、従来法の海水脱塩法に勝る多くの利点が得られる。本発明の方法は、水収率、生成物水回収率、及び単位水コストのみならず、他の効果的従来法の海水熱式脱塩法に等しいか又はそれより低い、生成物単位量当たりのエネルギー消費を含めた効率で、全ての従来の熱式海水脱塩法よりも優れている。この方法により、塩度(salinity)の高い湾岸(Gulf)海水（ＴＤＳ≒４５，０００ｐｐｍ）から７５及び８０％以上のＮＦ生成物回収率が達成され、ＳＷＲＯ又は熱式ユニットから、それをＮＦ生成物に対して操作した時、４５,０００ｐｐｍのＴＤＳを有する海水供給物に対し５２％を越える全水回収率、及び大洋海水（ＴＤＳ≒３５，０００ｐｐｍ）からの一層大きな水回収率で、ほぼ同じ生成物回収率も得られている。三重ハイブリッド(trihybrid)の場合には、この回収率は、ＳＷＲＯからの排除物を熱式ユニットへの供給物にした場合、約８〜１０％更に増大し、湾岸海水供給物についての三重ハイブリッドの全水回収率を約６０％にし、大洋海水供給物からは一層大きな値をもたらす。
【０００３】
最高回収率二重及び三重完全総合ＮＦ−熱式海水脱塩法
用語「熱式(thermal)」とは、今後、ＭＳＦＤ、又はＭＥＤ、又はＶＣＤ、又はそれらの組合せの慣用的海水脱塩法のいずれかで、再加熱（ＲＨ）蒸留システムとしても知られている熱式蒸気コンプレッサー・多重効果蒸発器の一つのユニット(unit)の中にあるものを意味する。本発明の方法は、全ての二重ＮＦ２−熱式ハイブリッド、及びＮＦ２−ＳＷＲＯ２（排除物）−熱式、又はＮＦ２−ＳＷＲＯ１（排除物）−熱式から構成された全ての三重ハイブリッドを包含し、この場合、二重完全総合システム構成では、二つのＮＦ段階からの一緒にしたＮＦ２生成物が、熱式ユニットへの補充物(make-up)を構成するのに対し、完全総合三重ハイブリッドの場合には、ＮＦ生成物が供給されるＳＷＲＯ２第二段階ユニットからの排除物(reject)、又はＳＷＲＯ１ユニットからの排除物が、熱式ユニットへの補充物を構成する。
【０００４】
本発明は、予め処理された海水供給物、又は海岸井戸海水供給物、又は他の水溶液供給物から、熱式海水脱塩法で現在得られる最大限に可能な水回収率を有する効果的ＮＦ２−熱式法に関し、この場合その供給物は、高濃度の、（１）２０，０００〜５０，０００ｐｐｍのオーダーのＴＤＳ、及び（２）表１に示すようなスケール形成性硬質イオン（即ち、ＳＯ４＝、Ｃａ＋＋、Ｍｇ＋＋、及びＨＣＯ３−）を含むことを特徴とし、その外、（３）それは或る程度の懸濁物(turbidity)及びバクテリアを含有する。これは、ＮＦユニット及びスケール防止システムを持つ又は持たない設備を二つの完全に総合した連続的段階として、それらの段階間にエネルギー回収ターボチャージャー(turbocharger)を配備して操作することにより達成される。ＮＦ膜の種類により、第一段階ＮＦユニットは、Ｐ＝２５±１０バールで加圧ポンプにより与えられる圧力（Ｐ）で海水に対し操作され、第二段階は約３５±１０バールで第一ＮＦ段階からの排除物に対して操作される。この場合、圧力は、ターボチャージャーによりその（第二段階）排除物から回収されたエネルギーにより増大させる。三重ハイブリッドの場合には、ＳＷＲＯユニットは、一つ又は二つの段階で、一段階システムの前及びそれら段階の間にエネルギー回収ターボチャージャーを配備して、又は二つ又は一つのＳＷＲＯ段階を用いた場合、エネルギー回収ＰＸユニットを具えたそれらの段階で操作される。
【０００５】
後の節で示すように、ＮＦユニットによる海水前処理は、海水から、（１）混濁物を除去して汚染及び生物汚染の発生を防ぎ、（２）ＮＦ生成物のＴＤＳを低下し、（３）ＳＯ４＝、ＨＣＯ３−、Ｍｇ＋＋、及びＣａ＋＋のスケール形成性硬質イオンを除去し、スケールの形成を防ぎ、それによって熱式ユニット（上で定義した熱式ユニットのいずれか）を、従来可能であった最高ブライン温度限界よりも遥かに高い温度限界で操作することを可能にする結果を与えるであり、例えば、従来操作されていたＭＳＦＤのＴＢＴ限界は１２０℃であり、ＭＥＤ又はＶＣＤ又はＲＨ操作では僅か６５〜７０℃である。ＮＦ生成物が供給されたＳＷＲＯユニットからの排除物は、ＮＦ生成物として上記の量の多くを特徴とし、混濁のない、非常に低い濃度であるが、ＮＦ生成物中よりは大きな濃度の硬質イオンを含み、それを海水熱式ユニットへの非常に良好な適切な補充物にし、従来可能であったよりも遥かに高いＴＢＴで操作することを可能にしている。
【０００６】
この最適な方法により、例えば、湾岸海又は紅海の水（ＴＤＳ≒４５，０００ｐｐｍ）に適用した場合の約２５〜３５％の慣用的熱式又はＳＷＲＯ法による通常の回収率を、本発明のＮＦ２−熱式又はＳＷＲＯ２法により約７０％以上へ増大することができる。ＮＦ２−熱式又はＮＦ２−ＳＷＲＯ２法の場合のようなこの設備構成は、例えば、湾岸海水（供給物ＴＤＳ≒４３−４５０００ｐｐｍ）の場合、ＮＦ２−熱式又はＮＦ２−ＳＷＲＯ２ユニットの両方による全水回収率は、従来の熱式又はＳＷＲＯ脱塩法による僅か２５〜３５％と比較して、５２％以上の程度で与え、５０％〜１００％の範囲の水回収率の増大を与え、前に開発した我々の完全総合ＮＦ−ＳＷＲＯ法によるものよりも大きい。この場合、ＮＦ及びＳＷＲＯの各々は、エネルギー回収システムを持たない一つの単一段階だけからなっていた〔ハッサン(Hassan)Ａ．Ｍ．、米国特許第６，５０８，９３６号明細書、２００３年１月２１日〕。この最適海水脱塩法により、単位水量当たり必要なエネルギー及び水生成コストのいずれも減少する。
【０００７】
三重ＮＦ２−ＳＷＲＯ２排除物−熱式、又はＮＦ２−ＳＷＲＯ１排除物−熱式ハイブリッドとして、海水脱塩プラントを操作することにより同じ付加的利点が得られ、この場合熱式ユニットはＳＷＲＯユニットからの排除物から構成された補充物に対して操作され、後者のユニットは、今度はＮＦ生成物に対し操作される。この場合も熱式ユニットは、従来のＴＢＴ限界よりも遥かに高いＴＢＴで現在操作されている。この操作方式では、ＳＷＲＯ２又はＳＷＲＯ１の両方透過物及び熱式ユニット生成蒸留物は飲料水の品質をもち、供給物が湾岸海水（ＴＤＳ≒４５，０００ｐｐｍ）からなる場合、約５２％以上の二重ハイブリッドの比率よりも約８〜１０％高い約６０％以上の一層高い収率・水回収率で生成する。
【背景技術】
【０００８】
多くの国では、乾燥した海岸領域、又は水源が塩辛いか、又は過度の硬度を有する地域のための淡水源として塩水、特に海水の脱塩が考えられてきた。脱塩が考慮されるか又は使用されている典型的な地域には、湾岸諸国及び他の中近東諸国：合衆国の南カリフォルニア；リビア、アルジェリア、及びエジプトの地中海アラブ諸国；欧州、主にスペイン、マルタ、及びキプロス；メキシコ及び南アメリカの太平洋岸諸国が含まれる。同様に、マルタ、カナリア諸島、及びカリブ海諸島のような淡水の供給が限定されている島でも、淡水源として海水の脱塩を使用し、それを考慮している。現在海からの淡水は、サウジアラビア、首長国連邦では飲料水の７０％以上を占めている。クエート及びカタールの両方では飲料水のほぼ１００％が脱塩した海水から誘導されている。
【０００９】
従来の商業的ＳＷＲＯ脱塩法は、供給物を前処理し、混濁物、主に懸濁物質及びバクテリアを除去し、通常酸であるスケール防止剤を添加し、次にこの前処理した供給物を５５〜８２バール（８００〜１２００ｐｓｉ）の高圧でＳＷＲＯ膜に通し、供給物流を生成物（透過物）及び排除物（濃縮物）へ分離することからなる。古いＳＷＲＯプラントの多くでは、別の第二段階の塩辛い水ＲＯユニットを配備して第一段階ＳＷＲＯユニットからの生成物の塩度を標準的飲料水塩度まで低下する。初期（９０年代中頃まで）に建設されたプラントの多くで使用されているこの慣用的方法は、脱塩された水生成物の単位量当たりに必要なエネルギーが高いことで知られており、比較的低い収率、典型的には湾岸海水から二段階ＳＷＲＯユニットを用い２５％から３５％以下まで、一段階ＳＷＲＯを用いてそれより低く操作されてきた。この低い水回収率は、湾岸海水に対して操作されている多段階フラッシュ蒸留及び多重効果蒸留ユニットのような熱式法にも当て嵌まる。従って、それらは淡水不足が深刻で、エネルギーを入手することができ、そのコストが（人為的なものであるが）低いと考えられている地域にとってのみ経済的に成り立つものであった。脱塩プラントはカリフォルニアのような他の地域でも用いられてきたが、それは、渇水時期、又は他の水源が一時的に限定されるか又は利用できない時に、待機用又は補足的淡水源として一般に用いられてきた。天然の水資源が余り多く得られない多くの地域では、現在の脱塩法では、南カリフォルニアの場合のように遠い川及び貯水池からの陸上のパイプライン又は水道管のような、他の淡水源と効果的に競争することはできない。
【００１０】
しかし、大洋及び海には膨大な量の水が存在し、直接的淡水源（例えば、島の川、湖、及び地下水脈）が枯渇し始め、汚染され、能力限界に到達しつつあるため、これらの全ての因子と、天然水資源が大きく増大することなく世界中の人口が増大することとが重なり、塩水、特に海水を脱塩するための経済的な方法について世界中で広範な研究が行われている。実際、この研究は、現在又は将来における深刻な水不足を受ける国々にとって、高まる需要を満たすための終局的目標に向かって発展しつつあり、或る意味では、水資源についての争いが隣接国家間に存在する所では、平和を普及させるための大きな要因になる。
【００１１】
前に述べたように、現在幾つかの商業的海水脱塩法が入手でき、使用されている。熱式多段階フラッシュ蒸留が現在世界的に使用されている主な脱塩法である。単独では、それは、全世界脱塩能力の約４１％を占めるのに対し、逆浸透（ＲＯ）法により約４４％生産されている。残り（１５％）は、種々の方法、主に電気透析（ＥＤ）、多重効果蒸留、及び蒸気圧縮蒸留（ＶＣＤ）により得られている；ワングニック・クラウス(Wangnick Klaus)、２０００  ＩＤＡ世界脱塩プラント在庫目録(2000 IDA World Desalting Plants Inventory)、報告書Ｎｏ．１６、国際脱塩協会(International Desalination Association)（２０００年５月）。サウジアラビアは、ＭＳＦＤの主要ユーザーであり、合衆国はＲＯ法の最大のユーザーである。ＭＳＦＤ、ＭＥＤ、ＲＨ、及びＶＣＤ法は、全て海水の脱塩で排他的に用いられているが、ＥＤは、塩辛い水の脱塩及び純粋な水の製造に適用されている。しかし、ＲＯ法は、多角的塩水脱塩法である。それは、海水（ＳＷＲＯ）及び塩辛い水ＲＯ（ＢＷＲＯ）供給物の両方に対し適用されるが、従来それは、主に塩辛い水、飲料水、及び純粋な水の製造に適用されてきた。しかし、最近、ＳＷＲＯ脱塩が一層一般的になり、世界的に用いられてきており、３９〜５７百万リットル／日（ｍｌｄ）〔１０〜１５百万ガロン／日（ｍｇｄ）〕以上のプラントの比較的大きなプラントを用いている。
【００１２】
海水の脱塩は、海水自身の重要な性質を考慮に入れなければならない：（１）種類、濃度、及び全硬質イオン、（２）塩度〔イオン含有量、全溶解固体（ＴＤＳ）〕、及び（３）混濁物、懸濁粒子及び微生物のみならず他の大きな粒子の存在。これらの性質は脱塩装置を妨害し、プラントの性能（生成物：収率、回収、及び品質）を決定する。特に、僅かにしか解けない硬質イオンは、従来法の海水脱塩法、例えば、湾岸及び紅海の海水から予想される淡水収率値に対し２５％〜３５％以下の限界を与える。図１に示したように、膜式でも、或は熱式でも、海水脱塩法は分離濃縮法であり、供給物流を、飲料水品質の奇麗な淡水生成物流及び排除物流に分離し、その排除物流は汚染物であるＴＤＳ及び硬質イオンを高濃度で含み、海水脱塩法で起きる四つの主な問題をもたらす。これらの問題は図２にそれらの原因と共に要約されている：（１）スケール形成、（２）大きなエネルギー消費、（３）汚染、（４）腐食の増加。硬質イオンは溶解度が非常に低く、ＣａＳＯ４溶解度は処理温度の上昇と共に減少すると言う事のため、塩水中の硬質イオン濃度が増大すると、熱式でも或は膜式でも、種々の慣用的海水脱塩法による脱塩水回収率が甚だしく限定される（２５〜３５％以下）。
【００１３】
本願では「塩水(saline)」と言われる水に言及しているが、その塩水は海からの海水、例えば、湾岸、紅海、地中海、及び大洋からの海水、種々の塩湖及び池からの水、非常に塩辛い(brackish)水源、ブライン(brine)、イオン性含有物を含む他の地表及び地下水源からの水が含まれ、それらは表１中に示したように、「塩水」として分類されている。塩水は、一般にＴＤＳ≧２０，０００ｐｐｍ以上の塩含有量を有する水であると考えることができる。勿論海水は飲料水の源として最も大きな可能性を有するので、本願は海水脱塩に焦点を当てている。しかし、高い塩度の、特に高い硬度の塩水の全ての源が、本発明の範囲内に入ると考えるべきであり、海水に焦点を当てることは簡明にするためであり、限定するためのものではないものと考えるべきであることは分かるであろう。
【００１４】
【表１】
2006021106.tif 000003
【００１５】
前で述べたように、海水脱塩プラント（熱式及びＳＷＲＯプラント）の性能及び生成物回収率は、前に述べた三つの問題により甚だしく限定され、それらは全て海水の品質及びその物質含有量に関係している：（１）混濁物、（２）ＴＤＳ、及び（３）水供給物中の全硬質イオン。混濁物が供給物中に存在する場合、それは特に膜上に捕捉され、膜の汚染をもたらす。供給物中に、混濁物、即ち、バクテリアに栄養を与える全懸濁固体（ＴＳＳ）と共にバクテリアも存在する場合、生物汚染が起きる。ＲＯでは、供給物浸透圧は、ＴＤＳと共に増大する。ＲＯの原理から、適用される圧力は：（１）部分的で、浸透圧を超えるように用いられる必要があり、（２）真の圧力（Ｐnet）として定義されるこの印加圧力の残りの部分だけが膜を通って透過物（生成物）を押し出す圧力になる。供給物ＴＤＳを減少することにより浸透圧を低くする程、真の圧力は大きくなり、従って、膜を通って押し出される透過水の量は多くなり、そのことも一層高い品質の生成物を一層多量に生ずる付加的利点を与える（図３）。
【００１６】
供給物中の僅かにしか溶けない硬質イオンの含有量が高いと、淡水の回収を制約する最大の障害になる。なぜなら、硬質イオンの溶解度限界を越えて回収率を増大することは、一層ひどいスケール形成効果を起こし、急激なプラント性能の低下を起こすことになるからである。しかし、 スケール形成は、周囲温度で操作されるＳＷＲＯ法の場合に起きるよりも一層ひどい影響を熱式法に与える。硫酸カルシウムの溶解度は、操作温度が上昇するに従って低下するので、硫酸カルシウムの付着は、ＳＷＲＯ法に対するよりも熱式法に対し一層多くの深刻な問題となり、高温では甚だしく大きくなる。
【００１７】
要するに、海水脱塩プラントのスケール形成は、それらの大きなエネルギー消費及び汚染と共に、海水脱塩の三つの主な問題を構成する。腐食は海水脱塩の第４番目の主要な問題であり、腐食の発生は海水中の塩化物含有量及び塩度が高くなることにより増大する。本発明の第一の主な目的は、これらの問題を解決するのみならず、最適の高効率熱式海水脱塩法及び装置を確立する結果になる効率的熱式海水脱塩処理及び方法を開発することにある。
【００１８】
ＳＷＲＯ又は熱式海水脱塩プラントの水回収率を上昇させると、単位水生成コストを減少することになるはずである。なぜなら、この単位コストは、全水生成コストを、生成物の量で割ることにより算出されるからである。水回収率が大きくなれば、生成物の量が増大し、単純に単位水コストは低下する。本発明では、ＮＦ２膜法により海水供給物を前処理し、上で既に述べたように、生成物の回収を制約する硬質イオンをそれから取り出す。更に、ＮＦ生成物からなる供給物に対し操作されたＳＷＲＯ２ユニットからの排除物もが含有する硬質イオンの量も非常に低い。ＮＦ生成物回収率及びＳＷＲＯ又は熱式ユニットからのプラント収率を増大するため、ＮＦユニットを二つの段階で操作する。このやり方で、二重ＮＦ２−ＳＷＲＯ２又はＮＦ２−熱式でのＳＷＲＯ２又は熱式ユニットのみならず、三重ＮＦ２−ＳＷＲＯ２排除物−熱式の熱式ユニットからの収率及び水回収率の両方が、湾岸海水（ＴＤＳ＝４３〜４５０００ｐｐｍ）で７０〜８０％まで増大し、大洋海水供給物（ＴＤＳ＝３５０００ｐｐｍ）では一層大きく増大する。前に述べたように、本発明による水回収率の増大は、本発明のシステムの主たる利点である。この開発中効率及び水回収率の点で、全ての従来の熱式海水脱塩法に勝り、慣用的熱式法により現在可能な値よりも遥かに高い値まで最適熱式法ＴＢＴ限界を上昇させる外、海水供給物からの熱式ユニット水回収率も上昇させることができる、最適二重ＮＦ２−熱式及びＮＦ２−ＳＷＲＯ２（排除物）−熱式、又はＮＦ２−ＳＷＲＯ１（排除物）−熱式脱塩法を開発するように努力してきた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
本発明の主たる目的は、プラント収率及び生成物水回収率を、慣用的熱式海水脱塩法のいずれかにより現在達成されているよりも遥かに高い収率及び生成物回収率へ最大にすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
これは、慣用的海水脱塩法（膜式又は熱式）と、ＮＦ膜前処理を一緒に組合せることにより達成される。続く、ＮＦと、慣用的熱式海水脱塩法との熱式ハイブリッド併用法は、本発明に包含されるものである：
【００２１】
（１）  ＮＦ２−熱式（熱式ユニットは、ＭＳＦＤ、又はＭＥＤ、又はＶＣＤ、又はＲＨにすることができる）の二重システムハイブリッド（図４）。
（２）  ＮＦ２−ＳＷＲＯ２（排除物）−熱式又はＮＦ２−ＳＷＲＯ１（排除物）−熱式の三重機構ハイブリッド（図５）。
ここで、ＮＦ２とＳＷＲＯ２は、夫々二段階ＮＦとＳＷＲＯユニットを表し、夫々それら段階間にエネルギー回収ターボチャージャーを有する。ＳＷＲＯユニットは、９０バールまでの一段階高圧許容ＳＷＲＯ膜ユニットから構成することができ、それと、高圧ポンプ膜組立体との間にエネルギー回収ターボチャージャー又はＰＸを先に配置する。
【００２２】
しかし、本発明により形成することができる二重ＮＦ２−ＳＷＲＯ２は、二重ＮＦ２−ＳＷＲＯ２又はＮＦ２−ＳＷＲＯ１ハイブリッドに対する特許請求の範囲だけを包含する本特許出願と同時に、出願された別の特許出願に包含されている。ＮＦ２−ＳＷＲＯ２と、ＮＦ２−熱式との両方に対するＮＦ２前処理の影響は同様であるため、両方の出願に与えられている議論及び結論は、或る面で同一性及び重複性があるがそれらは正当なものであることは明らかである。しかし、それらの一方は膜式であるのに対し、他方は熱式の脱塩法であるため、それらは別々に出願されている。
【００２３】
従来、粒状物質を除去するために水及び他の液体溶液及び懸濁物を処理するために、種々の型の濾過又は凝集・濾過システムが用いられてきた（表２）。スケールの形成を防ぐのに役立たせるため、スケール防止剤の添加が用いられている。しかし、混濁物を除去するためのこの慣用的前処理及びスケール形成を防ぐためのスケール防止剤の添加にも拘わらず、淡水回収率は、例えば、慣用的脱塩湾岸ＳＷＲＯ（ＴＤＳ≒４５，０００ｐｐｍ）では依然として２５〜３５％以下に限定されている。
【００２４】
２μｍより小さな粒径の微細粒子を除去する最近の研究では、マイクロ濾過(microfiltration)（ＭＦ）、又は限外濾過（ＵＦ）が用いられている。低圧逆浸透（ＬＰＲＯ）又は塩辛い水ＲＯ（ＢＷＲＯ）膜（下記参照）も、ＳＷＲＯ前処理の前に用いられてきた。０．０８〜２．０μｍの範囲の粒径を有する粒子を除去するために、ＭＦ膜処理が用いられている。ＵＦ膜法は、０．０１〜０．２μｍの範囲の粒径、及び１０，０００ｇ／モル以上の範囲の分子量（ＭＷ）を有する一層微細な粒子を除去するのに一層効果的である。ＭＦとＵＦの膜法は、両方共正真正銘の濾過法であり、粒子の分離は、そのイオン特性によるのではなく、粒径によってのみ行われる。更に、ＭＦ及びＵＦの膜は、いずれもそれ自身に特徴的な孔径及び分離限界を有する。これらの二つの膜式濾過法は、混濁物及びバクテリアを除去することにより供給物を清浄に保つのに有効であり、そのようなものとして、プラント操作中、生物汚染を含めた膜の汚染を防ぐのに、それらは非常に有効な前処理法である。ＭＦ及びＵＦ濾過による前処理法は、ＲＯ前処理とは著しく異なっている。既に言及したように、溶液又は海水からイオンを分離又は排除することのないＭＦ及びＵＦ膜法による濾過とは異なって、ＲＯ法は、０．００１μｍ以下の粒径及び２００ｇ／モル以下の分子量を有する全てのイオン性粒子を分離するための圧力差法である。更に、それらの非常に気密な構造のＳＷＲＯ膜は、ＭＦ及びＵＦ法での僅か約５〜１０バールの低い圧力での操作に対して、５０〜８０バールのオーダーの高い圧力での操作を必要とする。
【００２５】
【表２】
2006021106.tif 000004
【００２６】
他の膜式分離法と比較して、ＮＦ膜法は、ＲＯとＵＦの分離範囲の間に入り、０．０１〜０．００１μｍの範囲の粒径及び２００ｇ／モル以上の分子量を有する粒子の分離に適している。しかし、ＵＦ又はＲＯのいずれとも異なって、ＮＦは三つの原理によって働く：粒径による中性粒子の排除、負に帯電した膜との静電相互作用によるイオン性物質の排除；ローテンバッハ(Rautenbach)その他、Desalination, 77: 73-84 (1990)。更に、ＮＦ膜の操作は、浸透圧原理によって部分的に支配されている（米国特許第６，５０８，９３６号明細書参照）。これらの理由から、後の節で示すように、ＮＦ膜は、二価又は一価の全てのイオンを多かれ少なかれ、同じ程度に排除するＲＯとは、ＮＦがＮａ＋、Ｃｌ−等の一価イオンを排除するよりも、ＳＯ４＝、ＨＣＯ３−、Ｃａ＋＋、及びＭｇ＋＋のスケール形成性硬質イオンのような二価イオンに対し遥かに大きな排除性を有する点で異なっている。ＮＦは、フロリダで塩辛い硬水を処理して飲料水規格の水を生成させるのに用いられてきた。ＮＦ法は、飲料水から着色した混濁物及び溶解した有機物を除去するためにも用いられてきた；デュラン(Duran)その他、Desalination, 102: 27-34 (1995)及びフ(Fu)その他、Desalination, 102: 24-56 (1995)。ＮＦは、他の用途で、塩溶液及び埋め立てゴミ浸出物を処理するのに用いられてきた；リンデ(Linde)その他、Desalination, 103: 223-232 (1995)；沖合油井貯槽中に注入される海水からの硫酸塩の除去；イケダその他、Desalination, 68: 109 (1988)；アクシア・サーチ・ベーカー(Aksia Serch Baker)、Filtration and Separation (June, 1997)。下で示すように、ＮＦ海水膜前処理は、ＳＷＲＯ膜操作（典型的には、５５〜８２バール、即ち８００〜１２００ｐｓｉ）よりもかなり低い圧力、典型的には、１０〜２５バールで行われる。
【００２７】
ＮＦ法の上記使用法の外に、種々の海水及び水性溶液の処理にもそれは用いられていた。上で述べたように、米国特許第４，７２３，６０３号明細書のＮＦ膜は、海水からの硫酸塩の除去に用いられているが、それは依然として塩化ナトリウムの含有量が高く、沖合掘削の穿孔泥漿を形成するのに用いられ、この方法により硫酸バリウムのスケール形成を防いでいる。米国特許第５，４５８，７８１号明細書は、臭化物及び一種類以上の多価陰イオンを含有する水性溶液を二つの流れ、一つは臭化物に富む流れで、第二は多価陰イオンに富む流れにＮＦ分離することが記載されている。その臭化物に富む流れを工業的用途で使用される臭化物濃度にするためＲＯにより更に処理することについては示唆はされているが、全く行われていない。ＥＰＯ公告Ｎｏ．０９１４１２６０（０３，０６，９７）は、ポリビニルアルコールポリアミドのナノフィルター（ＮＦ膜）の三つの平らな膜セルに海水を通し、硫酸塩イオン除去し、次にその濾過された水をＲＯ膜に通してＳＯ４＝を除去することにより、スケールの沈積を抑制しながら、濃縮率を向上させる問題を解決する方法が提案されている（しかし、その研究の一層詳細な点は与えられていない）。
【００２８】
図６に示したように、ＮＦ前処理を、ＳＷＲＯ及び他の海水熱式（ＭＳＦＤ、ＭＥＤ、ＶＣＤ）脱塩方法に、先ずパイロットプラント及び実証用脱塩プラント段階で適用した最初の人は、米国特許第６，５０８，９３６号明細書のハッサン(Hassan)Ａ．Ｍ．であった；ハッサンその他、「脱塩及び水再使用、四季報」５月−６月発行（１９９８）Ｖｏｌ．８／１，５４−５９、及び９月−１０月発行（１９９８），Ｖｏｌ．８／２，３５−４５：Desalination, 118: 35-51 (1998)；Desalination, 131: 157-171 (2000)；脱塩及び水再使用に関するＩＤＡ国際会議（サンディエゴ）予稿集（１９９９）（脱塩に関する最高ＩＤＡサーマル賞を受賞した論文）及び多くの他の刊行物。
【００２９】
この新しい上記ＮＦ−ＳＷＲＯ脱塩法は、最初にパイロットプラントで開発され、次のことにより慣用的海水脱塩法について前に言及した主要な問題を解決するのに成功したことが証明された：（１）ＳＷＲＯ膜汚染の防止、（２）プラントスケール形成の防止、及び（３）収率及び回収率の両方で著しくプラントの生産性を増大し、ＳＷＲＯ生成物の品質を改良するのみならず、単位水生成物当たりのエネルギー必要量及びコストの両方を低下する。図６に示したように、ＮＦ膜ユニットと、熱式脱塩ＭＳＦＤユニットとを二重ハイブリッド脱塩ユニットとして接続することにより、同様な利点が得られた。同様に、同じ図面に示したように、ＮＦ生成物が供給されるＳＷＲＯユニットでの排除物から硬質物質が除去されているために、ＳＷＲＯ排除物が、ＭＳＦＤユニットへの補充供給物として用いられて成功を収めている。二重ＮＦ−ＭＳＦハイブリッド及びＮＦ−ＳＷＲＯ（排除物）−ＭＳＦの三重ハイブリッドの両方で、ＭＳＦユニットは、初めて１２０℃の最高ブライン温度（ＴＢＴ）でさえも操作され、後でスケール防止剤を用いずに、１３０℃までの一層高いＴＢＴで操作されたが、７０％〜８０％までの高い収率でスケールを形成することはなかった（前のパラグラフの文献参照）。
【００３０】
ＭＥＤ、又はＶＣＤ、又はＲＨの型の熱式ユニットのいずれかにより図６のＭＳＦＤユニットを置き換えた場合、同じ論旨が当て嵌まるか、いずれの場合でも、そのユニットは、同じ図に示したＮＦ又はＳＷＲＯユニットからのＮＦ生成物又はＳＷＲＯ排除物を補充して操作されている。蒸気が通過する蒸発管の表面にスケールが形成されるのを回避するため、単独に操作されるＭＥＤ、又はＶＣＤ、又はＲＨユニットの操作は、７０℃以下の程度のＴＢＴ限界に制限されている。ＮＦ生成物、又はＳＷＲＯユニットからの排除物、又はＮＦ生成物と、そのＮＦ生成物に対し操作されたＳＷＲＯユニットからのＳＷＲＯ排除物との混合物についての、図６に示したようなそれらユニットのいずれかの操作により、それらの現在のＴＢＴ限界よりも遥かに高いＴＢＴで操作し、蒸留物収率及び回収率の両方で著しい利得を得ることができる。これらの補充条件の下で、例えば、ＭＥＤユニットは、スケール発生の危険を持つことなく、スケール防止剤を添加することなく、ＴＢＴ＞７０℃、例えば、８０〜１２０℃以上で現在安全に操作することができる。
【００３１】
一緒にしたＮＦ・ＳＷＲＯユニットを、夫々唯一つの段階で操作した場合のこの二重ＮＦ−ＳＷＲＯ脱塩法は、更に図７に示したように、商業的規模のプラント、１９８６年に委託された現存するＵｍｍ  Ｌｕｊｊ  ＳＷＲＯプラントで一つのＳＷＲＯトレイン(Train)１００、能力２２０３ｍ３／ｄ(５８２，０８５ｇｐｄ)に適用された。そのプラントは、単一のＳＷＲＯ脱塩法から、現存するＳＷＲＯユニットの前にＮＦ前処理及び半脱塩ユニットを導入することにより、新規な二重ＮＦ−ＳＷＲＯ脱塩法へ変換された（図７）。実際のＮＦプラントの写真が図８に示されており、その写真の前方ユニットは、写真の後方のＳＷＲＯユニットと完全に一体化されたＮＦユニットである。同じプラントで第二のライン、トレイン２００は、設計及び製造の点でトレイン１００と同様であるが、単一ＳＷＲＯ方式で操作され続けた。二重ＮＦ−ＳＷＲＯ法へプラントを変化させる前に、大きなＮＦ−ＳＷＲＯプラントのための操作パラメーターを確立するために、設計及び操作で新規なＮＦ−ＳＷＲＯプラントに類似した実証用ユニットを用いてその方法を試験した。この実験の結果から、トレイン１００ＮＦ−ＳＷＲＯでのＮＦ回収率を６５％に固定し（図９）、その後で７０％のＮＦ生成物回収率で２カ月に亙り実証用移動パイロットユニットで操作し成功を収めた；ハッサンＡ．Ｍ．その他、脱塩に関するＩＤＡ国際会議予稿集（バーレーン）２００１年１０月、アブストラクト、ｐ．１９３−１９４参照。
【００３２】
トレイン１００のＮＦユニットのＳＯ４＝、Ｍｇ＋＋、Ｃａ＋＋、ＨＣＯ３−、のスケール形成性硬質イオンのイオン排除率及び全硬度は、夫々９９．９％、９８％、９２％、５６％、及び９７％であった（図１０）。この非常に大きな硬質イオン排除率は、一価Ｃｌ−イオンについての僅か２４％の排除率及びＴＤＳイオンの３８％排除率と比較されるものであり、海水供給物の約４５，４６０のＴＤＳは、ＮＦ生成物中、２８，２６０に減少した（図１０）。
【００３３】
新規な二重ＮＦ−ＳＷＲＯ脱塩ハイブリッドのこの商業的ＳＷＲＯユニットの操作から得られた結果は、慣用的商業用ＳＷＲＯ脱塩法でのその（ＳＷＲＯユニット）操作に対し、著しく改良された生成物生産率及び回収率を示している。ＮＦ−ＳＷＲＯ方式で操作されたトレイン１００の生産率(productivity)は、ＮＦ生成物の供給物から１３０ｍ３／時であり、それが１回の慣用的ＳＷＲＯ操作で２３４ｍ３／時の海水供給物から３６０ｍ３／時で操作された時の９１．８ｍ３／時の生産率と比較されるものであり、４２％のトレイン生産率の増大になっている。更に、二重ＮＦ−ＳＷＲＯ操作のＳＷＲＯユニットの５６％の回収率は、それ（ＳＷＲＯユニット）が単一方式で操作された時のその回収率２８％の２倍になっている。同じ傾向は、ＮＦ−ＳＷＲＯトレイン１００の透過物生産率及び回収率を、ＳＷＲＯトレイン２００から得られた結果と比較した時にも認められており、ＳＷＲＯユニットについて夫々１．５：１．０及び５６％：２３．５％の比になっており、後者のトレイン操作よりも前者の方がよくなっている（図１１）。又、慣用的ＳＷＲＯ法での操作と比較して、二重ＮＦ−ＳＷＲＯハイブリッドのトレイン１００操作は、単位生産量（ｍ３）当たりのエネルギー消費及びコストを夫々２３％及び４６以上著しく減少している。ＳＷＲＯ操作と比較して、ＮＦ−ＳＷＲＯ法による単位水生成量当たりのエネルギー消費／ｍ３及びコストの両方で予想された節約は、夫々３９％及び６８％である。更に、ＳＷＲＯからＮＦ−ＳＷＲＯ操作へのライン変換は、迅速に比較的低いコストで行うことができる。
【００３４】
米国特許第６，１９０，５５６号Ｂ１明細書（２００１年２月２０日）には、低圧操作（２５０〜３５０ｐｓｉ）用に設計された加圧容器を用いて海水のような水性供給物から飲料水を製造するための装置及び方法が記載されており、その容器中には、ＮＦ及びＲＯの両方の膜が、ＲＯ膜部材よりも上流にＮＦ膜部材を置いて配置されている。海水供給物は、先ずその容器を通して送られ、ＮＦを通ってこの低圧で処理され、硬質物を除去するが、ＲＯ膜領域を通って影響を受けることなくフラッシュされるだけである。特別に設計された機構中に収集されたＮＦ生成物は、後で同じポンプを用いて同じ圧力で同じ容器を通って送られ、その浸透圧を低下し、ＲＯ膜を通って脱塩することができる。
【００３５】
幾つかの他の特許では、ＳＷＲＯ脱塩で、ＳＷＲＯモジュールより前にＲＯモジュールを用いている。米国特許第４，３４１，６２９号明細書（１９８２年７月）には、最初に９０％のイオン排除率の酢酸セルロースを用い、次に９８％のイオン排除率の三酢酸セルロースを用いた方法が記載されている。米国特許第４，１５６，６４５号明細書（１９７９年５月）の発明は、二つの連続した別々の段階で、夫々それ自身の高圧ポンプを有する段階で、５０〜７５％のイオン排除率を有する緩い(loose)ＲＯ膜からの生成物を処理するためＳＷＲＯ気密膜を用い、Ｐ＝３００〜４００ｐｓｉの低圧で操作する淡水回収法を提案している。ＥＰＯ  ６，１２０，８１０では、緩いＲＯ膜ユニットは、気密膜ユニットよりも前に用いており、夫々のユニットは別々に操作され、それ自身の高圧ポンプを有する。米国特許第５，２３８，５７４号明細書には、複数のＲＯ膜によって水を処理し、次に蒸発機構により水及び塩を生成させる方法及び装置が記載されている。米国特許第４，０３６，６８５号明細書にも、第一ＲＯカートリッジから取り出された高品質透過物を生成させると同時に、前記第一ＲＯカートリッジと直列になった次に続く二つのカートリッジからの生成物を一緒にすることにより低品質の透過物を生成させる方法及び装置が記載されている。
【００３６】
上で論じたこと及び結果から、他の前処理の外に、非常に特別な機能、即ち、硬質物質及び共有イオンを、一価イオンに対する排除率よりも遥かに大きな程度まで（Ｕｍｍ  ＬｕｊｊプラントでのＮＦ排除率参照−図１０）、前に述べたようにＳＷＲＯ又はＲＯ法で要求される圧力よりも遥かに低い圧力で排除する能力を行うようにＮＦが設計されていることを強調することができる。これらの事実は、この並外れた前処理を特色付け、他の前に示した水分離膜法、即ち、ＭＦ、ＵＦ、及びＲＯとはその機能を別にしている。この特性から、上述の特許で用いられているナノ濾過、緩い逆浸透、及び低圧逆浸透、即ち、ＲＯ、緩いＲＯ、ＬＰＲＯ前処理供給物を受けるＳＷＲＯ膜は、当分野では同じとは考えられていないことに注意すべきである。実際、当業者は、硬質物を除去し、その結果、高回収率でスケールを形成することなくＳＷＲＯから飲料水を生成させることを可能にする海水供給物のナノ濾過（ＮＦ）前処理は、逆浸透（ＲＯ）又は緩い膜逆浸透（ＬＭＲＯ）とは操作上又は機能上同等なものではないと言うこの事実を認めてきたし、依然として認めている。下に引用した文献は、その相違を強調している：
【００３７】
１．  ベケット(Bequet)その他、Desalination, 131;299-305 (2000)。
２．  ビスコーナー(Bisconer)、「ナノ−及び限外−濾過の能力開発」(Explore the Capabilities of Nano- and Ultrafiltration)、Water Technology, March 1998、（２頁；頁番号は述べられていない）。
３．  コダック(Kodak)、「専門家用動画映像のためのナノ濾過」(Nanofiltration for Professional Motion Imaging)、On-Line Technical Support paper, pp, 1-6 (1994-2000)。
４．  リンデ(Linde)その他、Desalination, 130; 223-232 (1995)(アブストラクトのみ)。
５．  ニコライセン(Nicolaisen)、「ナノ濾過−どこで大画像に属するか」(Nanofiltration-Where does it Belong in the Larger Picture)、第１頁〜第７頁、「淡水化(Desal)−５」膜生成物のための生成物技術公報(Product technical bulletin for "Desal-5" membrane products; ディサリネーション・システムズ社(Desalination System, Inc.)（１９９４年１２月）。
６．  工業的膜のスコット・ハンドブック(Scott Handbook of Industrial Membrane)、１９９５年（第４６頁）。
【００３８】
ビスコーナーが認めているように、当分野では、ＲＯ及びＮＦは「いとこ同志」であると考えることができ、用いられている膜は同じように見えるが、実際にはそれらは「明確に異なった分離機能を働かせている」ことを認めている。ＮＦとＲＯ（ＢＷＲＯ、緩いＲＯ、及びＬＰＲＯ）の間の重要な相違の中で、ＮＦは、ＲＯよりも、硬質イオン性化学種の著しく大きな排除率を、遥かに大きな全生成物流束で与え、そのことは実際にＵｍｍ  Ｌｕｊｊ  ＮＦ−ＳＷＲＯ実験で観察されていることが前記文献から明らかである。このことは、更に、遥かに大きな供給物品質の改良を与える。上記ハッサンその他及び図１０参照。特に、ニコライセン（１９９４）が、当分野で時々種々の用語が誤って用いられているが、当業者は、ＮａＣｌの排除よりもジ−及びトリ−陰イオン性化学種を少なくとも特に一層大きく排除するのみならず、それがＲＯ膜の流束よりも遥かに大きな（ＮＦ膜）流束を有する点で、ＲＯに対するＮＦの明確な優秀性を認識していることを指摘しているも参照されたい。更に、それは、ＳＷＲＯ膜よりも混濁物汚染に対し一層大きな許容性を有する。他の人達は、ＲＯ流束がＮＦ流束に比較して低く、遥かに大きな膜表面積と共に大きな圧力がＮＦ膜の場合よりもＲＯの場合に必要になることを認めることにより、同じ指摘をしている。これらの事実は、Ｕｍｍ  Ｌｕｊｊプラント・トレイン１００でのＮＦ−ＳＷＲＯ操作の上記商業的実験で観察されており、この場合各ＮＦモジュールは、殆ど三つのＳＷＲＯモジュール（一つのモジュールは、六つの膜部材を取付けた一つの圧力容器からなる）への供給物を与えている。実際の効果があるためには、ＲＯユニットは、固体粒子の除去で、ＮＦ膜法よりも一層微細な供給物の前処理を必要とする。
【００３９】
ＳＷＲＯ膜は、最も気密な脱塩膜であり、それらの大きな塩（全てイオン）排除率を特徴とする。ＳＷＲＯ膜は、高圧、膜の種類により５５〜８２バールで操作され、それらの流量が低いため、ＳＷＲＯ法は、多量の水を生成させるためには多数のＳＷＲＯ膜を必要とする。これらの全ての因子のために、ＳＷＲＯ法による水生成コストは、他の全ての膜脱塩法の中で最も高いと考えられている。一方、ＮＦ膜は、遥かに低い圧力で操作され、大きな流量を有することを特徴とする。しかし、最も重要なことは、上で述べたように、それらは、スケール形成性硬質イオン（ＳＯ４−、Ｃａ＋＋、Ｍｇ＋＋、ＨＣＯ３−）の排除に対する大きな特異性を特徴とする。ハッサンその他の前に与えた文献参照。
【００４０】
ＳＷＲＯ及びＮＦ膜の間のそれら主要な異なった性質、品質、及び特徴のみならず、上述の緩いＲＯ又は低圧ＲＯ膜を含めた他のＲＯ膜からＮＦを区別する性質により、一つの二重ＮＦ−ＳＷＲＯ操作法として、又はＮＦ−熱式、又はＮＦ−ＳＷＲＯ（排除物）−熱式から構成された三重ハイブリッドとして、ＮＦとＳＷＲＯ膜、又はＮＦと熱式法とを完全に一体化することにより利点が確実に得られており、それは上記ハッサンＡ．Ｍ．による米国特許第６，５０８，９３６号明細書により、最初はパイロットプラント規模（図６参照）で、次に商業的プラント規模（図７及び８参照）で行われ成功を収めている通りである。しかし、これは、ＮＦ及びＳＷＲＯユニットの各々のみならず、熱式ユニットを一段階で用いることにより行われている。後で示すように、二つの段階間にターボチャージャーを配置してブラインからのエネルギーを回収するようにして、二段階に設定した二重ＮＦ２−ＳＷＲＯ２中でＮＦ及びＳＷＲＯユニットの各々を操作することにより一層大きな利点が見られている。提案された紅海ＳＷＲＯプラントのための図１２に示したこの高度に最適化され、よく設計された二重ＮＦ（二段階）−ＳＷＲＯ（二段階）構成は、３１６ｍ３／時の供給量及び約１７０．０ｍ３／時（１．０８ｍｇｄ）の収率を与え、最適の海水脱塩法であり、プラント生産率、及び収率と水回収率との両方を上昇させ、海からの淡水ユニット製造のエネルギー必要量及びコストを低下することにより経済的効率的ＳＷＲＯ脱塩操作を与えるのみならず、それは、従来の慣用的海水脱塩法により予測できるものを、効率的に遥かに凌駕している。この方法は、更に本発明のＮＦ２−熱式及びＮＦ２−ＳＷＲＯ２（排除物）−熱式の操作にも更に適用され（図４及び５）、この場合、熱式ユニットはＭＳＦＤ、又はＭＥＤ、又はＶＣＤ、又はＲＨにしてもよく、ＳＷＲＯ１は、高圧許容性ＳＷＲＯ膜（Ｐ≒８４バール）を用いてＰ≒７５±１０バールで操作される一つのＳＷＲＯユニットから構成されている。
【００４１】
この上記最適ＮＦ（二段階）−ＳＷＲＯ（二段階）及び二重及び三重ＮＦ２−熱式海水脱塩システムは、米国特許第６，１９０，５５６Ｂ１号明細書に記載された方法を含めた従来法とは全く異なっているのみならず、工程効率及び経済性の点でそれらより遥かに優れている。例えば、米国特許第６，１９０，５５６Ｂ１号明細書（２００１年２月２０日）に記載されているＮＦ−ＳＷＲＯシステムは、両方のＮＦ及びＳＷＲＯ部材が同じ一つの加圧容器中に配置されているが、一つの圧力ポンプを用いて、同じであるが低い圧力の１７〜２５バール（２５０〜３５０ｐｓｉ）で操作されている。このシステムでは、先ず充分ＮＦ生成物を収集することにより操作を開始し、然る後、この収集したＮＦ生成物を特別に設計され制御された保持タンク中に入れ、加圧下（２５０〜３５０ｐｓｉの低い圧力）でＳＷＲＯ膜に通し、主にＳＷＲＯ低圧のために疑問視される品質の生成物を生ずる。一層重要なことは、ＮＦ膜を、一部の時間操作すると、次にＳＷＲＯを操作している間空転させたままにし、或はそれを逆にして、ＮＦ又はＳＷＲＯ膜を部分的に利用していることである。これに対し、本願による全ての構成部分及びユニットで、ＳＷＲＯの組合せを用いた又は用いないＦＮ２−熱式、又はＮＦ（二段階）−ＳＷＲＯ（二段階）の二重及び三重ハイブリッドでは、完全に１００％用いられており、その事実は一層大きなプラント生産率を与える結果になっている。更に、二段階構成は、第二段階供給物に充分な高圧を与え、特に上記ハイブリッドの第一段階及び第二段階のＳＷＲＯユニットに与えており、この場合も上記米国特許第６，１９０，５５６Ｂ１号明細書の使用から得られるものよりも遥かに高い生成物品質と共に一層高いプラント生産率を与えている。二つの方法により商業的規模で同じ量の水を生成させるためには、本願で与えた方法（最適法）によるよりも、後者の方法を用いると、一層大きな資本投資及び一層多くの設備を必要とする。
【００４２】
従って、塩水、特に海水から淡水を良好な収率で経済的に生じ、上で述べた問題を効果的及び効率的に処理し、即ち、そのような塩水から硬質物質及び混濁物を除去し、単位水生成物当たりの低いエネルギー消費及び低い水コストを含めた増大したプラント生産率及び経済的効率で全溶解固体を減少させる最適熱式海水脱塩法を得ることができることは、実質的に世界中の人間、特に海からの淡水を必要とするが、それが出来ない人々にとっての関心事になるであろう。熱式ＭＳＦＤ、又はＭＥＤ、又はＲＨ、又はＶＣＤプラントへの補充を与える、ＮＦ生成物を供給したＳＷＲＯユニットからの排除物、又はＮＦ（二段階）前処理法の利用も、これらの熱式脱塩ユニットで同様な利得を与えることになり、これら全ての海水熱式脱塩プラントの効率の膨大な改良を与える結果になる。
【００４３】
本発明の要約
図４及び５に与えた構成で代表される二つの実質的に異なる水膜及び熱式法を、従来行われていなかったやり方で組合せることにより、特に海水に重点をおいた塩水を脱塩し、飲料水を含めた高品質の淡水を非常に高い収率で生成し、遥かに低い効率の従来法の熱式脱塩法に等しいか又はそれより良い単位生成物当たりのエネルギー消費で生成させる最適熱式海水脱塩法を発明した。この目的を達成するため、三重ハイブリッド法の一部分として図５のＮＦ及びＳＷＲＯユニットの各々を二つの段階で、それら段階の間にエネルギー回収ターボチャージャーを配置するか、又は９０バールまでの高圧許容性膜で操作されるエネルギー回収ＴＣ又はＰＸシステムを具えた一段階ＳＷＲＯを用いて、下及び前の節で述べた方法のためのＮＦ及びＳＷＲＯ膜選択性をもたせて操作する。このやり方は、生成物の品質を改良すると共に、各段階からの生成物の収率及び生産率を増大するのみならず、本方法の最適ＮＦ２−ＳＷＲＯ２、又はＮＦ２−ＳＷＲＯ１部分：慣用的単一ＳＷＲＯ法の比が、約０．４４５：１になる比で単位水生成物当たりのエネルギー消費を減少させ、単位水生成物当たりのコストを減少させる最終的効果を有する。本方法では、第一脱塩工程として二段階ナノ濾過を、相乗的に、（１）ＭＳＦＤ、ＭＥＤ、ＶＣＤ、又はＲＨの熱式脱塩ユニットと組合せて、ＮＦ２−熱式のハイブリッド（図４）を形成するか、又は（２）二段階ＳＷＲＯ２ユニット又は一段階ＳＷＲＯ１ユニットと相乗的に組合せて、飲料生成物及び排除物を形成し、後者は、ＮＦ−ＳＷＲＯ（排除物）−熱式の三重ハイブリッド（図５参照）でそれと組合わさって熱式ユニット（ＭＳＦＤ、又はＭＥＤ、又はＶＣＤ、又はＲＨ）への補充物を構成し、完全に総合された脱塩システムを与え、それによって塩水（特に海水）が効率的及び経済的に高品質の淡水へ、従来法の熱式海水脱塩法単独又はこれまで知られているか又は記載されている組合せで得られる収率よりも著しく大きく良好な収率で転化される。従って、個々の工程は別々には知られており、そのような工程は異なった目的で他の方法と組合せて個々には記載されてきているが、異なった段階及び構成によるものであり、前に論じたように、本発明の方法は従来当業者に知られていたり、考えられたりしていなかったものであり、従来法の方法及び装置と比較して、本方法により得られる塩水脱塩の全ての形式（膜式又は熱式）で驚くべき独特の大きな改良及び大きなシステム効率が得られることを示唆するものは従来法では全くなかった。
【００４４】
従って、広い態様として、本発明は、硬質スケール形成性イオン性化学種、微生物、粒状物質、及び多量の全溶解固体を含有する塩水を、二段階ナノ濾過に、それらの段階の間にエネルギー回収ターボチャージャーを配置し、必要に応じ圧力増大ポンプを補充して通し、前記硬質イオン性化学種の含有量が劇的に減少しているのみならず、海水よりも著しく低いＴＤＳ含有量を有し、微生物又は粒状物質が完全に除去された第一高回収率低エネルギー消費性ＮＦ水生成物を形成し、然る後、前記二つのＮＦ段階からのＮＦ生成物を一緒にした前記第一水生成物を、次のＭＳＦＤ、又はＭＥＤ、又はＶＣＤ、又はＲＨ海水脱塩ユニットに通して、前記排除生成物（ブローダウン）（図４）の塩度よりも遥かに低く、飲料水品質の塩度に等しい塩度を有する第二水生成物（蒸留物）を生成させることを含む脱塩法にある。
【００４５】
第二の広い態様の場合でも、本発明は、請求項１に記載のように、硬質スケール形成性イオン性化学種、微生物、及び粒状物質を含有する塩水を、二段階ＮＦ（ＮＦ２）膜処理ユニットに通し、二つのＮＦ段階の生成物を一緒にしたものから、前記イオン性化学種、微生物、又は粒状物質の含有量が低下した第一水生成物を形成し、然る後、前記第一水生成物を、次の二段階ＳＷＲＯ（ＳＷＲＯ２）で、それら段階の間にエネルギー回収ＴＣを具え、必要に応じ圧力増大ポンプを補充したそれら段階に通し、前記二つのＳＷＲＯ段階からの一緒にした生成物から、減少した塩度を有する飲料品質の低エネルギー消費性ＳＷＲＯ水生成物である第三水生成物、及び塩度は増大しているが、硬質スケール形成性イオンが非常に低くなった第四排除生成物を形成し、然る後、前記ＳＷＲＯ排除物を、ＭＳＦＤ、又はＭＥＤ、又はＶＣＤ、又はＲＨ海水蒸留ユニットへ通し、飲料水の塩度に等しい塩度で、前記排除生成物の塩度よりも遥かに低い塩度を有する第二水生成物（蒸留物）を形成することを含む脱塩法を包含する。
【００４６】
第一及び第二の態様は、両方共最適熱式海水脱塩法のための基礎を構成し、それは、次の海水熱式脱塩ハイブリッドを含む本特許出願の主題である：
１．  ＮＦ（二段階）−ＭＳＦＤ、又は
ＮＦ（二段階）−ＭＥＤ、又はＮＦ（二段階）−ＶＣＤ、又はＮＦ（二段階）−ＲＨ、
の二重ＮＦ−熱式、或は
２．  ＮＦ（二段階）−ＳＷＲＯ２（排除物）−ＭＳＦＤ、又は
ＮＦ（二段階）−ＳＷＲＯ２（排除物）−ＭＥＤ、又は
ＮＦ（二段階）−ＳＷＲＯ２（排除物）−ＶＣＤ、又は
ＮＦ（二段階）−ＳＷＲＯ２（排除物）−ＲＨ、
の三重ＮＦ２−ＳＷＲＯ２−熱式。
【００４７】
ここで、二重ハイブリッドで、ＮＦ生成物は熱式ユニット補充物を構成するのに対し、三重ハイブリッド・システムでは、一又は二段階ＳＷＲＯからの排除物は熱式ユニットへの補充物を構成する。
【００４８】
更に、図４及び５に示したような上記構成のＮＦユニットは、二つのＮＦユニット（ＮＦ２）に、それらの段階の間にエネルギー回収ＴＣを配置したものからなるが、段階間に加圧ポンプを具えた二段階ＮＦユニットを具えた塩度回収ＰＸで同様に置き換えることができる。同じやり方で、段階間にエネルギー回収ＴＣを有する二段階ＳＷＲＯ（ＳＷＲＯ２）は、高圧（Ｐ≒８４バール）許容性ＳＷＲＯ膜を持って操作されるエネルギー回収ＰＸユニットを具えた一段階ＳＷＲＯ１によって置き換えることができる。
【００４９】
本方法は、塩水（特に海水）の性質の著しい減少を容易に経済的に生じ、飲料水を含めた良好な淡水を生ずる。典型的には、本発明によるこの二段階ＮＦ生成物の処理は、海水供給物の性質に関し、７５％〜９５％以上のオーダーのカルシウム及びマグネシウム陽イオン含有量の減少、９０〜９９．９％以上のオーダーの硫酸塩の減少、約０．４〜０．５のｐＨ減少、及び約３０％〜５０％の全溶解固体含有量（ＴＤＳ）の減少を与える。一方、ＳＷＲＯユニットからの生成物は飲料水の品質を有するが、ＭＳＦＤ、又はＭＥＤ、又はＶＣＤ、又はＲＨユニットからの飲料水生成物は、それらユニットがＮＦ生成物又はＮＦ生成物が供給されたＳＷＲＯユニットからのＳＷＲＯ排除物からなる補充物によって操作された場合、蒸留物である。
【００５０】
図面は、本文中に与えられたデーターに関するグラフ又は工程図である。それら図面の一層詳細な記載は、データーについての論述の中に見出されるであろう。
【００５１】
詳細な説明及び好ましい態様
本発明の最適海水脱塩は、塩水、特に海水の種々の成分及び性質を先ず考慮することにより最もよく理解されるであろう。前に述べたように、海水は、高いＴＤＳ、スケール形成性硬質イオンであるＣａ＋＋、Ｍｇ＋＋、ＳＯ４＝、及びＨＣＯ３−が比較的高い濃度で存在することによる高い硬質物質濃度を有し、粒状物質、マクロ及びミクロ有機体の存在による種々の程度の混濁度、及び約８．２のｐＨを有することを特徴とする。海水脱塩の限界に関する問題及びそれらの効果の多くは、これらの海水の品質及び海水が異物を含有することに関係している。海水は１．２％〜１．７％のオーダーの陽イオン含有量を有するのが典型的であり、その内の約９００〜２１００ｐｐｍが「硬質」陽イオン、即ち、カルシウム及びマグネシウム陽イオンであり、スケール形成性硬質イオン、即ち、硫酸塩及び炭酸水素塩の陰イオン含有量は１．２％〜２．８％の程度であり、ｐＨは７．９〜８．２の程度であるのが典型的であるが、これら性質の一つ以上について一層広い範囲が存在することがあり、１．０％〜５．０％、一般には３．０％〜５．０％のオーダーの全溶解固体含有量を構成することがある。しかし、これらの成分及び性質は、世界の大洋及び海全体に亙って変動することは認められるであろう。例えば、暑い気候の小さな閉じた海では、公海領域よりも高い塩度（イオン含有量）を有するのが普通であり、例えば、表１に示したような湾岸対大洋海水組成になる。
【００５２】
海水脱塩の一つの主たる問題は、特にＳＷＲＯ法の場合、海水供給物の高いＴＤＳである。供給物の浸透圧は、供給物のＴＤＳが増大するに従って増大する。与えられた印加圧力をＰａｐｐｌとすると、１０００ｐｐｍのＴＤＳ増大当たり、約０．７バールのこの浸透圧の増大（Ｐπ）により、得られる圧力Ｐｎｅｔが減少する：
Ｐｎｅｔ＝Ｐａｐｐｌ−Ｐπ            （１）
式中、Ｐｎｅｔは、透過物流を生じさせるためＲＯ膜を通って水を押出す圧力である。Ｐｎｅｔを増大し、従って透過物流を増大するためには、膜強度が耐えられる限り、高い印加圧力を必要とする。２５℃の温度及び６０バールの印加圧力、及び６６，６１５ｐｐｍの最終ブラインＴＤＳで、ＳＷＲＯ法で浸透圧及びＰｎｅｔ圧力に対する供給物ＴＤＳ変動の影響は、前に図３で示してある。膜を通って水を押出すのに有効な印加圧力は、Ｐｎｅｔの陰影を付けた領域によって表されており、それは供給物ＴＤＳが増大するに従って減少する。膜を通った透過物流は、水駆動圧力Ｐｎｅｔに正比例するので、本発明の方法により海水供給物ＴＤＳの減少は、エネルギーの浪費を減少するのみならず、膜を通る淡水透過物を増大する。下で例示するように、Ｐｎｅｔ及びＳＷＲＯユニット浸透流を増大することになるこの場合の供給物ＴＤＳの低下による単位水生成物当たりのエネルギー必要量の低下は、本発明の方法によって得られる主たる有利な効果である。
【００５３】
同様に、脱塩プラントがその海水供給物を引き出した領域である、海又は大洋のような小さな領域の混濁度（全懸濁固体及び微生物を反映している）は、有機体及び粒状物の局部的濃度に依存し、同じ海の中でもそのような濃度は、天候、気候及び／又は地形的変化と共に屡々変化することがある。典型的な値は表１に示してあり、典型的な公海の水、地中海、及び閉じた「湾の海」（時々、夫々、「大洋水」及び「湾岸水」としても今後言及する）の水の間の海水変動を例示している。「大洋水」は、屡々標準的（通常の）海水の性質のための基礎として取られているが、ここでの議論の目的から、世界中の大洋及び海の成分及び性質は、実質的にどこでも同様であり、起きることがあるこれらの局部的変動は、当業者により充分理解され了解されるものであることは認められるであろう。従って、ここに記載する本発明は、実質的にどのような地図上の位置でも有用であり、湾岸水又は大洋水に関する操作についての下の記載は、限定するものではなく、単に例として考えられるべきものである。
【００５４】
粒状物質（巨大粒子）、微生物（例えば、バクテリア）、及びマクロ有機体（紫貽貝、フジツボ、海草）の存在は、ＳＷＲＯ及び熱式脱塩プラントの両方への供給物からそれらを除去することを必要とする。ＳＷＲＯプラントへ予定された供給物から全懸濁固体として通常定義される混濁物及び微小粒子の除去は必須のものであったが、熱式法では、必ずしも要求されるものではなかった。塩素に敏感なＮＦ及びＳＷＲＯ膜への供給物から塩素を除去することが、最も必要なことになってきたのである。
【００５５】
既に繰り返し示したように、全ての従来の脱塩法に固有の第三の主な問題は、海水中の硬質イオンの含有量が高いことであり、膜式法の場合よりも熱式法で大きな悪影響を与えている。全ての脱塩法は塩水から淡水を抽出するように操作されるので、塩及び硬質イオンはブライン(brine)中に残され、ブラインＴＤＳ及び硬質物濃度の両方が増大する効果を与える。これは図１に例示されている。硬質イオンは海水には僅かにしか溶けないので、脱塩設備内、例えば管、膜等の上にスケールの形でそれらが沈積するのが普通であり、そのため脱塩された湾岸海水の場合には例えば２５〜３５％以下、大洋海水では３０〜４０％までの低い値に水回収率が限定されている。脱塩法を操作する条件により、二種類のスケールの形態が生ずる：主にＣａＣＯ３及びＭｇ（ＯＨ)２からなるアルカリ性軟質スケール及び主にＣａＳＯ４、ＣａＳＯ４・Ｈ２Ｏ、及びＣａＳＯ４・２Ｈ２Ｏからなる非アルカリ性硬質スケールである。後者の形態の形成は温度が高くなる程ひどくなる。なぜなら、ＣａＳＯ４の溶解度が、溶液温度が増大する程低下するからである。従来、ＭＳＦＤ、又は他のＭＥＤプラントのような熱式脱塩プラントでは、一般に酸及び他のスケール防止添加剤を供給水に添加し、ＭＳＦＤの場合には９０〜１２０℃のブライン温度で、ＭＥＤプラントの場合には６５℃のブライン温度で、スケールの形成を起こさないように工程操作を限定している。しかし、それにも拘わらず、湾岸海水からの供給物を補充するための生成物の分率として淡水生成物回収率は２５％〜３５％以下の低さであった。一層高い操作温度では、ＳＯ４＝又はＣａ＋＋を除去し、一層高い水回収率を得るためにはイオン交換が必要であった。同様に、ＳＷＲＯ操作では、膜又はプラントのスケール形成を防ぐためスケール防止剤も一般に添加されてきているが、その場合も、例えば湾岸海水の場合には慣用的方法による水回収率は、やはり約２５〜３５％以下に限定されていた。更に、スケール防止剤は通常海洋環境中へ、ブライン廃棄の一部分として、又はスケール除去操作中に戻されるのが普通である。そのような物質は、通常海洋環境で汚染物であり、そのようなものとして回避される方がよいであろう。
【００５６】
海水脱塩の際のこれらの問題及びそれらを軽減するために従来用いられていた対策は、公海（表面）取水から供給物をとった場合のＳＷＲＯプラントへの供給物に必要な品質条件と共に、表２に既に要約し、与えられている。本発明で適当なスケール防止剤を用いて、又は用いずに使用される二段階ＮＦ供給物前処理法は、混濁物、硬質イオンを効率的及び経済的に除去し、ＴＤＳを低下することができ、それらのため、本発明の方法は従来法で予想されるよりも高いＮＦ生成物回収率で行うことができ、従って、本発明の方法は、慣用的及び他の従来の海水脱塩法に対し著しい改良を与えるものであることが分かるであろう。更に、硬質イオンの除去は、全ての型の海水脱塩法（膜式又は熱式）で、回収率を増大するのに役立つ。
【００５７】
簡単に述べると、本発明の最適海水熱式脱塩法は、膜式工程段階で硬質物を著しく減少し、ＴＤＳを低下し、供給物から混濁物を除去し、それによりエネルギー及び化学的消費量を低下し、水回収率を増大し、海水からの淡水の生産コストを低下する。これは、前の節で既に説明したように、二重又は三重ハイブリッド・システムとしてＮＦと、ＳＷＲＯ又は熱式脱塩ユニットとの独特の組合せにより達成され、図１２に例として示したように、段階間にエネルギー回収ターボチャージャーを有する二段階でのＮＦ及びＳＷＲＯユニットの各々、又は、二段階ＮＦとＭＳＦＤ、ＭＥＤ、又はＶＣＤ、又はＲＨとの組合せ（図４）、又は別法として、図５に示したように、三重ＮＦ（二段階）−ＳＷＲＯ２（排除物）−熱式としてＮＦ、ＳＷＲＯと熱式との組合せにより達成され、それらは更に媒体濾過との付加的組合せにより更に改良することができ、凝集のある、又はそれのない供給物の品質により、或は海水を収集するため海岸井戸のような地下取水を用いることにより、或は供給物のＭＦ又はＵＦ膜による前処理を使用することにより、改良することができる。
【００５８】
ナノ濾過、ＳＷＲＯ、及び種々の熱式海水脱塩は、全て文献に広く記述されており、各出典の商業的設備になっている。従って、各段階、ここで用いられている設備及び材料、及び種々の操作パラメーターについての詳細な記述は、ここで詳細に与える必要はないであろう。文献の包括的な記載の典型的な例として、カーク・オスマー(Kirk-Othmer)によるナノ濾過のためのエンサイクロペディア・オブ・ケミカル・テクノロジー(ENCYCLOPEDIA OF CHEMICAL TECHNOLOGY)、２１：３２７−３２８（第４版：１９９１）；ＳＷＲＯについては同上、ｐｐ．３０３−３２７；及びＲＯについては、マクケッター(McKetta)その他、エンサイクロペディア・オブ・ケミカル・プロセシング・アンド・デザイン(ENCYCLOPEDIA OF CHEMICAL PROCESSING AND DESIGN)、１６：１９８−２２４  （１９８２）、及びコルビット(Corbitt)、スタンダード・ハンドブック・オブ・エンバイアラメンタル・エンジニアリング(STANDARD HANDBOOK OF ENVIRNMENTAL ENGINEERING)、５−１４６〜５−１５１を参照されたい。
【００５９】
ＮＦ、ＳＷＲＯ、及び熱式ユニットの基本的概念を記述し、理解することにより、ＮＦをＳＷＲＯへ結合し、ＮＦ及びＳＷＲＯの各々のための二つの段階で完全に総合するか、又は例えばＭＳＦＤと一緒にし、完全に総合したＮＦ二段階で行われた研究の進行状況の詳細は、パイロットプラント規模で行われた実験研究を参照することにより最もよく理解することができる。一つの単一段階ＳＷＲＯ中に結合した一つの単一段階ＮＦによりＮＦ−ＳＷＲＯ法として形成した模式的工程図が図６に与えられている。その方法は、通常二重媒体フィルター及び次の微細砂フィルター、５μカートリッジフィルター、供給物タンク、二段階ＮＦユニット、及び二段階ＳＷＲＯユニットからなる前処理への海水供給システムからなる。砂フィルター中の砂の粒径は変えることができ、通常０．３〜１．０ｍｍの程度になっている。このシステムの前処理部分は、この新しい発明の中に取り込まれているが、二重ＮＦ（二段階）−熱式又はＮＦ（二段階）−ＳＷＲＯ（二段階）熱式（図４及び５）については示されていない。この濾過工程は、海水供給物が効率的に作られた海岸井戸から取られるか、又はマイクロ濾過（ＭＦ）又は限外濾過（ＵＦ）膜式前処理から取られた場合、その方法から除外される。
【００６０】
商業的ＳＷＲＯ又はＮＦプラントでは、膜部材は通常直列に一つの加圧容器当たり六つの部材として配列されている。この型の膜構成は、世界中の商業的ＮＦ及びＳＷＲＯプラントの多くで好ましい構成になっている。これは、図７及び８に示されている商業的Ｕｍｍ  Ｌｕｊｊ  ＳＷＲＯプラント中の二重ＮＦ−ＳＷＲＯの操作でも用いられているＮＦ及びＳＷＲＯ部材の配列でもある。一つの加圧容器内に六つの部材の性能を確立するため、実証ユニットは、図１３に示したように、一つの加圧容器当たり六つの部材（８″×４０″）の代わりに二つのＮＦ部材（８″×４０″）を夫々取付けた三つの加圧容器を用いて建造された。第一：第二：第三加圧容器内の二つの部材の夫々の性能は、同じ図の中に示されている通りであり、次の比率になっていた。
【００６１】
印加圧力２５バール及びＴ＝３０℃で、４５，０００ｐｐｍのＴＤＳを有する１１．９５ｍ３／時の供給物から：
生成物流      4.61   : 3.3    : 1.32   合計             : 9.28m３/時
生成物回収率  38％   : 28％   : 11％   全回収率         : 78％
生成物ＴＤＳ  28,000 : 35,000 : 40,000 一緒にした生成物 : 32,270ppm
各容器について、生成物回収率は、ＮＦ生成物対全供給物１１．９５ｍ３／時の比率として計算した。同じ図で示したように、第三容器内の二つの部材(element)は高度に応力を受けている；それらはＴＤＳ＝６９，１００ｐｐｍを有する３．９９ｍ３／時だけの供給物、即ち、最初の二つの部材について、例えば１１．９５ｍ３／時の供給物の1/3を、Ｐ＝２４バールで受け、それらには第三容器部材供給物浸透圧の増大を克服するため、一層高い圧力がそれらの操作に必要である場合、ＴＤＳ＝４５，０００ｐｐｍの海水がＰ＝２５バールで供給された。
【００６２】
第三容器内の最終二つの部材についてのこの大きな応力、又はその一部分を除去し、ＮＦ工程の効率を増大するため、本発明では、ＮＦユニットについて図４で示したような構成を用いた。この構成では、ＮＦ工程は二つの段階で、それらの間にエネルギー回収ターボーチャージャーを配置して行われた。この構成は二つの機能を有する：それは生成物流及び水回収率を増大し、後で示すように、単位水生成物当たりのエネルギー消費を減少する。第一：第二ＮＦ段階の部材数の比は、約２：１の程度の比になるようにした。更に、この構成では、約５０％の第一段階ＮＦ回収率で、第一及び第二ＮＦ段階内の各部材は、殆ど同じ量の供給物を受け、第二段階の部材は、第一段階部材へ送られたのと殆ど同じ量の供給物を受けたが、第一段階のためのＳＷＲＯ回収率が５０％より低い場合には一層多量の供給物を受けた。Ｐ＝２５±１０バールで海水が供給された第一段階は、例示として平行な二つのＮＦブロックからなり、ここで一つのブロックは、海水供給物品質（ＴＤＳ）により、平行に配列された多数の加圧容器からなり、夫々の加圧容器には四つのＮＦ部材(element)が取付けられていた。供給物ＴＤＳが大洋品質以下のものであるならば、一つの加圧容器内に合計５〜６の部材を用いることができた。一方、第二段階は、第一段階ブロック内の場合のモジュール数の約1/2のモジュールを有する一つのＮＦブロックを有する。全てのモジュールは平行に配列され、その各々が４ＮＦ部材を取付けた一つの加圧容器からなる。第一及び第二段階のＮＦ部材は、それらが３５±１０バールまでの高圧に耐えることができるならば、同じ型のものでもよく、或は第二段階ＮＦ部材を、第一段階ＮＦ部材によって許容される圧力よりも高い、４５バールまでの一層高い圧力許容性を有するように選択する。第二段階ＮＦユニットには、第一段階モジュールからの一緒にした排除物が、その圧力を２５±１０バールから３５±１０バールへターボーチャージャーにより増大した後、供給される。もし必要ならば、第二段階の圧力は、図４及び５に示したように、ターボーチャージャーにより増大した後に第一段階排除物を受けることができる加圧ポンプを使用することにより更に増大（加圧）することができ、それを更に希望の圧力値へ上昇させる。ターボーチャージャー圧力増加（ΔＰ）は、次のものに等しい〔ポンプ・エンジニアリング社(Pump Enguneering, Inc.)マニュアル＃２９９９１０〕：
ΔＰｔｃ＝(nte)(Ｒｒ)(Ｐｒ−Ｐｃ)                （２）
nte＝水圧エネルギー移動効率
Ｒｒ＝ターボーチャージャーへのブライン流対供給物流の比
Ｐｒ＝ターボーチャージャーへのブライン圧力
Ｃｃ＝ターボーチャージャーを出るブライン圧力
【００６３】
例えば、図１２に示した場合、ＳＷＲＯユニットについて計算されたΔＰは、３７．５バールに等しい（０．６５×０．６５×８３＝３７．５バール）。
【００６４】
ＮＦ（二段階）−ＳＷＲＯ（二段階）の構成は、図１２に例示されている。ＮＦユニットは、第一段階ＮＦユニットに２５±１０バールまでの圧力を与えるように高圧ポンプから構成され、そのユニットは二つの平行に配列されたモジュールからなる。前に述べたように、一つのモジュールは、８″×４０″の膜部材又は他の大きさの膜部材の四つのＮＦを含む一つの加圧容器からなる。ＮＦ膜は渦巻き状に巻いた形、中空微細繊維、管状、又は板状の形態になっていてもよいが、殆ど全ての商業的ＮＦ膜は、薄いフイルム状の複合体であり、渦巻き状に巻いた形態を有するナノセルロース重合体から作られている。その重合体は、例えばラマン(Raman)その他、Chem. Eng. Progress. 7(1):58 (1988)に記載されているような、負に帯電した基を有する通常疎水性型のものである。海水供給物は周囲海水温度で第一段階モジュールへ供給され、それらの一緒にされた加圧排除物は、一つのモジュール当たり四つのＮＦ部材を有する次の第二段階モジュールへ、図１０に例示して示したように、二つの段階の間に固定されたターボーチャージャーにより３５±５バールまでその圧力を増大した後に供給される。もし必要ならば、加圧ポンプにより４０バールより高い圧力に上昇することができる。第二ＮＦ段階中のモジュール数は、第一ＮＦ段階中のそれらの数の約1/2であるが又はほぼその数等しい。海水供給物前処理ユニットは、図６に示した供給物前処理の場合と同じ部品及び構成を有する。別法として、海岸井戸からの直接の供給物は、前処理ユニットを必要とすることなく、或はＭＦ又はＵＦ膜前処理からの供給物も使用できる。
【００６５】
第一及び第二ＮＦ段階からの一緒にしたＮＦ生成物を、（１）５０±１０バールの圧力を与える一つの高圧ポンプを有するＳＷＲＯユニットへ送り、（２）平行に配列され、慣用的ＳＷＲＯプラントで用いられている種類の膜、例えば、東洋紡又は東レ又はヒドラナウティクス(Hydranautics)、又はフィルムテク(Filmeec)、又はデュポンの膜等からなるモジュールのブロックからなる第一段階ＳＷＲＯへ送られ、（３）第一段階ＳＷＲＯモジュールから収集された加圧排除物をターボーチャージャーに通してその圧力を約８５±５バールへ上昇し、次にこの加圧排除物を（４）第二段階ＳＷＲＯユニットで、各モジュールが、高圧許容性ブライン転化の４〜６までのＳＷＲＯ部材、例えば東レ８２０ＢＭＣ又は同等のＳＷＲＯ膜を取付けた一つの加圧容器からなるＳＷＲＯモジュールの一つのブロックから構成されたユニットへ供給する。ターボーチャージャーを用いることにより、もし必要ならば、加圧ポンプを用いることにより、圧力を９０バールまで上昇することができる。二つのＳＷＲＯ段階からの一緒にした生成物を収集し、飲料水の品質を有する最終的生成物からなるが、硬質物質が劇的に減少したＳＷＲＯ排除物は、図５に例示したように、熱式ユニットへの補充物として使用される。
【００６６】
ＭＳＦＤユニットの構成は、二重及び三重ハイブリッドでの他の熱式脱塩ユニットの構成の一例として例示することができる。ＭＳＦＤユニットは、三つの領域：（１）加熱領域、（２）フラッシュ及び熱回収（ＨＲＣ）領域、及び（３）熱排除（ＨＲＪ）領域＋他の付随部材：脱気装置、ブライン循環（ＢＲ）ポンプ等（一例として図６に示したＭＳＦパイロットプラントの構成参照）；からなる。商業的ＭＳＦプラントは、同じレイアウトを有するが、１０〜２０段階以上のフラッシュ及び熱回収領域のための遥かに大きな数の段階を有する。加熱領域では、ボイラーからの水蒸気、又は発電機からの低圧水蒸気が、一群の管になった塩水加熱容器を通過した海水を加熱し、その流れの凝集物をボイラーへ戻す。加熱された海水は、フラッシュ熱回収領域の第一段階容器中へ流れ、そこで周囲圧力は、加熱海水をフラッシュ（爆発速度で激しく沸騰）させるように制御されている。加熱された水の僅かな％のものが水蒸気へ転化され、それが潜熱を放出して管上に凝縮し、その段階を通る熱交換器の管中の水を加熱する。凝集した蒸気は蒸留物淡水蒸気生成物として収集され、一方、ブライン（高い塩濃度を有する海水）は、第一段階よりも低い周囲圧力に制御されて作動する第二段階へ流れる。フラッシュ、蒸気凝集、及び次の段階へのブラインの流れの過程を、種々の熱回収段階を通して繰り返し、然る後、最終段階からのブラインを熱排除段階へ流し、そこでそれが冷却され、然る後、その一部分を濃縮ブライン・ブローダウン（Ｂ．Ｂ．）として排出し、残りの部分をフラッシュ及び熱回収領域を通って蒸発工程へ再循環して戻す。
【００６７】
図４（ＮＦ２−熱式の場合）及び図５（ＮＦ２−ＳＷＲＯ２（排除物）−熱式の場合）に例示したように、この場合、例えば、熱式ユニットはＭＳＦＤ、又はＭＥＤ、又はＶＣＤ、又はＲＨユニットであり、それはＮＦ生成物又はＳＷＲＯ排除物、又はそれらの組合せを補充物として受け、この補充物を生成物（蒸留物）とブライン・ブローダウンに分離する。同様に、同じ議論は、図５の、熱式ユニットがＭＳＦＤ、又はＭＥＤ、又はＶＣＤ、又はＲＨの他の海水熱式脱塩ユニットのいずれかである場合、熱式脱塩ユニットのいずれにでも拡張することができる。熱式ユニットの性能は、慣用的熱式法でＴＢＴ限界をそれに加えることなく、操作条件に依存する。ＭＳＦユニットは、スケール形成性硬質イオン（特に、ＮＦ前処理により完全になくなるか、又は非常に低い濃度レベルまで減少することができる硫酸塩及び炭酸水素塩イオン）が除去されているために、現在ＭＳＦＤの場合には１２０℃のそれらの限界値よりも遥かに高いＴＢＴで、更にＭＥＤ、又はＶＣＤ、又はＲＨユニットの場合には約７０℃の限界よりも遥かに高いＴＢＴで操作することができる。
【００６８】
我々のＲ＆Ｄで行われた商業的に入手できるＮＦ膜についての現場での研究から、それらは性能の点で甚だしく異なっていることが例示され、多かれ少なかれ三つの群に分類することができる：「Ａ」群は、大きな排除率を有するが低い透過物流〔流束(flux)〕を有することを特徴とする気密な構造のＮＦ膜であるのに対し、「Ｃ」群は、大きな流れ及び穏やかなイオン排除性、特にＴＤＳを有し、一方「Ｂ」群は、透過物流及びイオン排除性について良好な釣り合いの取れた性能を有する（ハッサンその他、脱塩に関するＩＤＡ国際会議予稿集、１９９９年１０月）。殆ど全てのＮＦ膜は、９０％を越える優れた硫酸塩排除率及び良好な炭酸水素塩排除率を有し、それらを、ＮＦ２ユニットへの供給物の酸・前処理、又はＮＦ生成物の後処理により許容可能なレベルへ更に減少させることができる。しかし、それらは、Ｃａ＋＋、Ｍｇ＋＋、Ｃｌ−、及びＴＤＳの排除では異なっている（図１４）。この研究の結果として、「Ｂ」群の膜が、Ｕｍｍ  Ｌｕｊｊ  ＳＷＲＯプラントの二重ＮＦ−ＳＷＲＯ操作で用いられて成功を収めている（ハッサンその他、脱塩に関するＩＤＡ国際会議予稿集、２００１年１０月）。ＮＦ「Ｂ」群の同じ型及び／又は「Ｃ」群の選択されたＮＦ膜が、本発明において、図４及び５に示したようなＮＦ及びＳＷＲＯの構成で本発明のプラントの第一段階ＮＦ容器で用いられている。一層高い圧力に対する許容性を有する膜を有する「Ｂ」群型の膜は、第二段階ＮＦユニットで用いられている。
【００６９】
前に例示したように、ＮＦ膜の「Ｂ」群の二つのＮＦ８″×４０″膜部材が夫々入った三つの加圧容器からなる実証プラントを用いることにより、Ｐ＝２５バール、約１２ｍ３／時の供給速度、及びＴ＝３０℃で、第一及び第二モジュール部材から６６％の生成物回収率が達成された（図１３）。反復実験で、８ｍ３／時の供給速度、Ｐ＝２４バール、及びＴ＝２８℃で、同じＮＦ膜を有する同じ四つの部材を操作した時には、僅か約６２％の回収率しか達成されなかった（図１５）。約５．１〜５．２ｍ３／時のＮＦ生成物流が、供給物８ｍ３／時から得られ、ＮＦ供給物量、その温度、及び圧力が一定に保たれる限り、この第一段階ＮＦユニットから約６２％の生成物回収率が維持され、それらは生成物伝導度に一定性を与えている（図１５）。約３５℃までの供給物温度の制御は、ＭＳＦユニットの熱排除領域中のＭＳＦ蒸留物を冷却するのに用いた一部の暖かい海水（４３℃）を、適当な海水部分（１８〜２５℃）と混合することにより行われた（図６参照）。供給物温度の変動と共にＮＦユニット性能の変動は、ＮＦユニットをこの混合工程を用いずに海水供給物（１８〜２５℃）だけで操作した場合について、図１５に明確に例示されている。
【００７０】
図３に示したように、第一容器のＮＦ部材によりＳＯ４＝、Ｍｇ＋＋、Ｃａ＋＋、及びＣＨＯ３−のスケール形成性硬質イオンの排除率は、夫々９９．９、９８．３、９６．８、及び８４．４％であるのに対し、第二容器中の同じ型のＮＦ膜部材による硬質イオン排除率は９９．９、９８．３、９６、及び７８％であった。或る実験では、第一及び第二容器中のＮＦ部材の生成物中にはＳＯ４＝イオンは全く検出されなかった。９８％以上であるＳＯ４＝、Ｍｇ＋＋、及び全硬質イオン（Ｃａ＋＋及びＭｇ＋＋について）のスケール形成性硬質イオン排除率は、第一及び第二容器中のＮＦ部材生成物の場合と殆ど同じ程度であり、Ｃａ＋＋イオンの排除率については同様であることが認められている。しかし、容器１及び２のＮＦ部材間のＨＣＯ３−の排除率には差が存在し（表３）、それはＮＦ生成物の酸・後処理により、又は図６の前処理領域への酸添加の制御により、希望のレベルへ減少することができる。この実験で確立されたＮＦ硬質イオン排除率は、一つの加圧容器中に同じ型の六つのＮＦ部材が配置されたＵｍｍ  Ｌｕｊｊプラントで前に達成されたものと同様である（図１０）。約８ｍ３／時の供給物と比較した生成物水回収率は、第一及び第二加圧容器の前の方の部材について３６．３％及び２５．６％であり、四つの部材からは合計約６２％であった。
【００７１】
【表３】
2006021106.tif 000005
【００７２】
硬質イオンに対するＮＦ膜の優れた排除率と比較して、一価Ｃｌ−イオンの排除率は、容器１及び２のＮＦ部材について、夫々僅か３５．６及び２３．８％であるが、それらのＴＤＳイオン排除率は夫々４２．７及び３１．４％であり、ＮＦによる排除が、一価イオンの排除よりも共有結合硬質イオンの方が遥かに大きいが、ＲＯ（ＢＷＲＯ、ＳＷＲＯ、ＬＰＲＯ、及び緩いＲＯ）は、多かれ少なかれ一価及び共有結合イオンについては同じ排除率を有すると言う前の議論を裏付けている。
【００７３】
上の結果から、図１６に示したように、ＮＦの性能は、適用した圧力、操作温度、供給物流（量）及び品質（ＴＤＳ）の操作条件に依存する。これらの操作条件を制御することにより、既に確立したように、図４及び５に示したような構成を有するＮＦ前処理ユニット中の第一ＮＦ段階から、約６２％以上の回収率を得ることができることを結論することができる。更に、ＮＦ第一段階の排除物から、それを同じ図の第二段階へ供給した場合、約３５％の回収率が容易に得られ、二つの段階からの全回収率を７５％にすることができた。第一段階を２５バールで回収率６２％で操作し、第二段階を回収率４０％で操作した時、パイロットプラントで二段階ＮＦユニットから７７％の全回収率が達成された。供給物は、湾岸海水、ＴＤＳ≒４５，０００ｐｐｍからなっていた。上の７７％回収率で行なったように、パイロットプラント供給物を８ｍ３／時から９ｍ３／時へ増大し、２５バールの同じ圧力を維持することにより、ＮＦ生成物回収率が８０％へ上昇した。この回収率は、僅かに高い回収率値でさえも、湾岸海水（ＴＤＳ  ４５，０００ｐｐｍ）を用いて操作したＮＦ（二段階）ユニットから、供給物に適当なスケール防止剤を添加することにより、得ることができる。前に述べたように、これは、Ｕｍｍ  Ｌｕｊｊプラントで同じ加圧容器内に直列に配置した六つの部材から得られた７０％のＮＦ生成物回収率に比較されるものである（ハッサンＡ．Ｍ．その他、脱塩に関するＩＤＡ国際会議予稿集、バーレーン、２００２年３月）。
【００７４】
ＮＦ２段階と熱式ユニットとの完全な統合は、図４のＮＦ２生成物の全てを熱式ユニットへ送ることにより例示することができ、以前には１２０℃のＴＢＴでＮＦ生成物について操作されたＭＳＦパイロットプラントユニットから６５〜７５％の蒸留水回収率が得られていた（ハッサンその他、Desalination, 118 (1998) p. 35-51）。後で同じパイロットプラントで７０％より高い回収率が得られている。図４の熱式ユニット（ＭＳＦＤ）を、ＮＦ生成物からなる補充物について約１２５℃のＴＢＴで操作した場合、約７１％の同じ蒸留物回収比が得られた。二重ＮＦ−熱式システムへ３１６ｍ３／時の初期海水供給速度で得られた全予想蒸留生成物は、５４％の全回収率で１７０ｍ３／時である（図４）。
【００７５】
図５に示した構成で例示したように、三重ハイブリッドＮＦ２−ＳＷＲＯ２（排除物）−熱式操作により一層よい回収率が実現されており、この場合、約６０％以上の全回収率を達成することができる。同じ図に示したように、ＳＷＲＯユニットは、二重ＮＦ−ＳＷＲＯ脱塩システム間にターボチャージャーを配置した二段階でも操作されている。これは、後で開発されたＳＷＲＯ高圧膜を使用することを考慮すると極めて実現性があり、適用可能になっている。ＳＷＲＯパイロットプラントレベルでは、そのプラントを５０バールの印加圧力でＮＦ生成物に対し操作すると、６０％の水回収率が達成され、７０バールの印加圧力では、８０％の回収率へ上昇する（図１７）。同様に、５６〜５８％の水回収率が、一段階だけでＮＦ生成物に対し操作されたＵｍｍ  Ｌｕｊｊ  ＳＷＲＯトレイン１００で、達成された（ハッサンその他による前の文献参照）。
【００７６】
図５に示したように、５２％の第一段階ＳＷＲＯ水回収率を仮定し、３７，５００ｍ３／日のＮＦ生成物供給速度で第一段階により合計１９，５００ｍ３／日が達成されるのに対し、３６％の水回収率及び約９２バールの圧力で第二段階ＳＷＲＯにより僅か６４８０ｍ３／日しか得られず、供給物としてＮＦ生成物の３７，５００ｍ３／日から２５，９８０ｍ３／日の全ＳＷＲＯ生成物水、又はそれら段階についての全ＳＷＲＯ回収率は６９％以上である。硬質イオン含有量を非常に低くして、第二ＳＷＲＯ段階へ適用した高圧のために、二段階ＳＷＲＯユニットから７１％より高い回収率が予想される。これは、全ＮＦ（二段階）−ＳＷＲＯ（二段階）脱塩ハイブリッドの全最終生成物回収率を約５２％（０．７５×０．６９）にする。
【００７７】
更に、上記場合のＳＷＲＯ排除物を熱式ユニットへの補充物にすることにより（図５参照）、蒸留物の形での水回収率を、ＳＷＲＯ排除物の７０％まで達成することができる。しかし、第二段階からのＳＷＲＯ排除物は約９１，９００ｐｐｍであり、熱式ユニットから７０％の回収率を達成するのを困難にしている。この問題を解決し、実験的にスケール形成を起こすことなくパイロットプラントで証明されている１４０，０００ｐｐｍの許容可能なＴＤＳレベルまで熱式ユニット・ブローダウンを限定するため、この場合のＳＷＲＯユニットからの排除物１１，６２５ｍ３／日を、図５に示すように、３７，５００ｍ３／日ＮＦ生成物と混合し、４９，１２５ｍ３／日の一緒にした混合物を熱式ユニットへの補充物とする。この場合も、このＳＷＲＯ排除物＋ＮＦ生成物の混合物からの熱式ユニット回収率として６９％の回収率で、全蒸留物は３３，８９５ｍ３／日であり、ＳＷＲＯ透過物＋熱式ユニット蒸留物から構成された三重ハイブリッドユニットの全産出量は、約６０％の全プラント水回収率で５９，７７５ｍ３／日である。このように、三重ハイブリッド構成で脱塩プラントを操作すると、二つのＮＦ熱式構成を用いることにより僅か５２％であったのに対し、約６０％へのプラント飲料水回収率を増大する。熱式ユニット最高塩水温度を上昇させる操作により、産出比利得（ＧＯＲ）及び性能比（ＰＲ）の両方が増大し、図１８に示すように、エネルギー消費を減少し、水生産コストを低下する有利な結果が得られる。
【００７８】
単位水生成物当たりのエネルギー必要量及び水コストを低下すると共に、水流量及び生成物回収率の両方であるプラント生産率を増大する利点が得られることの外に、この最適二重ＮＦ２−熱式及びＮＦ２−ＳＷＲＯ２（排除物）−熱式、又は別法として、ＮＦ２−ＳＷＲＯ１（排除物）−熱式海水脱塩法は、熱式脱塩ユニット（ＭＳＦＤ、又はＭＥＤ、又はＶＣＤ、又はＲＨ）のいずれかを使用することにより、次の利点が得られる：
【００７９】
（１）  硬質物の著しい減少、その結果スケール形成の減少又は皆無のため、スケールの形成を防ぐために従来法のシステムで行われていたような、ＳＷＲＯ又は熱式脱塩過程への供給物にスケール防止性化学物質を添加する必要はもはやない。勿論、このことは環境の観点から重要な利点である。なぜなら、そのような化学物質が、海洋環境中へもはや廃棄されることがなく、或は埋立地スラッジ又貯水槽へ廃棄されることはないからである。
【００８０】
（２）  更に、懸濁固体又はバクテリアを含んでいない点で、ＮＦ生成物の純度が高いために、ＳＷＲＯ膜を通る圧力差（ΔＰ）が非常に低いままになっており、従って、ＳＷＲＯ膜が汚染されない。このことは、ＳＷＲＯ膜の寿命を（三重ハイブリッドで用いた場合）一層長くすることになるのみならず、高効率膜性能の持続を、頻繁なクリーニングを行うことなく維持し続けることになる。
【００８１】
（３）  この二重ＮＦ２−ＳＷＲＯ２法を三重ハイブリッド熱式システムの一部分として用いることにより生成したＳＷＲＯ生成物の高い品質、即ち、飲料水品質のために、慣用的に操作されていたＳＷＲＯプラントでは通常行われていたような第二段階ＲＯユニットは不必要であり、この場合、この第二段階は、ＴＤＳ＜５００ｐｐｍの良好な品質の水を生ずるために必要とされる。更に、透過物と蒸留物との混合は、高ＴＤＳ透過生成物の許容性を与え、この場合もＳＷＲＯ膜の寿命の延長を可能にする。
【００８２】
（４）  ＮＦ２−ＳＷＲＯ２（排除物）−熱式法の本発明の三重ハイブリッドの一つの主な利点は、ＳＷＲＯ排除物の品質が良好なことにあり、それを、熱式海水脱塩プラントへの補充物として適格にする。表４に示したように、懸濁固体及びバクテリアが存在しないことによる高度の透明性の外に、それが含有するスケール形成性硬質イオン、ＳＯ４＝、Ｍｇ＋＋、Ｃａ＋＋、及びＨＣＯ３−の濃度が低いことである。
【００８３】
ＮＦ及びＳＷＲＯの各々を二段階で操作した場合、ＮＦ−ＳＷＲＯ（排除物）−ＭＳＤＤ、又はＭＥＤ、又はＶＣＤ、又はＲＨの三重ハイブリッド脱塩システムでのこの生成物の一層の有用性は、本方法の全水回収率を増大する。
【００８４】
【表４】
2006021106.tif 000006
【００８５】
（５）  本発明の方法（膜部分のみ）についてのエネルギー消費／生成物ｍ３：このＮＦ２−ＳＷＲＯ２（排除物）−熱式：慣用的ＳＷＲＯの百万ガロンプラントについてのエネルギー消費量／ｍ３は、０．４４：１の比になっている。三重ハイブリッドのＮＦ２−ＳＷＲＯ２部分についての本発明の方法のエネルギー消費量（ＫＷ時／ｍ３）は、ＮＦ前処理をせずに操作した慣用的ＳＷＲＯシステムで必要になる値の約４４％である。エネルギー必要量は、式３により計算した：
エネルギー（ＫＷ時／ｍ３）＝［Ｑｆ．Ｈｆρ／３６６Ｑｐｅ］    （３）
式中：
−  Ｑｆ及びＱｐは、夫々供給物及び生成物の量（単位、ｍ３／時）である。
−  Ｈは、圧力ヘッド（単位、ｍ）である。
−  ρは、海水の密度（１．０３）である。
−  ｅは、ポンプ効率（≒０．８５）である。
【００８６】
水処理ハンドブック、第５版、１９７９年、ホールステッド・プレス・ブック(Halsted Press Book)、John Wiley & Sons出版社参照。「ポンプハンドブック」第２版、イゴール(Igor)Ｊ．カラシック・ウィリアム(Karassik Willian)Ｃ．クルチュ(Krutzsch)、ウォレンＨ．フランセール(Warren H. Franser)、及びジョセフＰ．メシナ(Joseph P. Messina)、McGraw Hill出版社、国際出版、工業的工学シリーズ(Industrial Engineerirg Series)も参照。
【００８７】
本発明の利点を更に例示するため、湾岸海水供給物、ＴＤＳ４５，０００ｐｐｍの百万ＵＳガロン／日（ｍｇｄ）の生産のため、完全に総合した最適二重ＮＦ（二段階）−熱式プラント設計を用いて、商業的プラントのシミュレーションを行なった。湾岸水のＮＦ回収率を７５％に設定し、ＴＢＴ≧現在の限界で、操作した熱式ユニット回収率を７２％に設定したが、８０％以上の一層高い蒸留物回収が達成された。表５は、本発明の最適ＮＦ（二段階）−熱式海水脱塩法を適用することにより回収率で得られる、慣用的熱式法に勝る多くの利点を例示している。排除物（ブライン）の量も少ない。３５％の蒸留物回収率で、慣用的熱式法によるこの百万ＵＳガロン／日プラントへの補充物は、１：０．６５の供給物比で、５４％の回収率で、４５１．４ｍ３／時であるのに対し、ＮＦ２−熱式法では僅か２９２．６ｍ３／時であった。三重ハイブリッド構成のＮＦ２−ＳＷＲＯ２−熱式により、表５に示したものと同様であるか、それより更に一層高い全水回収率を達成することができる。なぜなら、三重ハイブリッド構成により、二重ハイブリッドＮＦ２−熱式によって達成されるものよりも一層高い回収率が達成されるからである。前に述べたように、ＳＷＲＯ排除物を、ＭＳＦＤ、又はＭＥＤ、又はＶＣＤ、又はＲＨの種々の熱式ユニットの一つへの補充物とした場合、蒸留物及びＳＷＲＯ透過物の形で一層多量の水を回収することができる。
【００８８】
要約すると、本発明の現在の最適方法は、単独で操作された慣用的熱式又はＳＷＲＯ海水脱塩法の場合よりも遥かに高い効率を有する。更に、これらの多くの利点は、湾岸海水（ＴＤＳ４５，０００ｐｐｍ）の脱塩に適用する場合に限定されるものではない。二重ハイブリッドにより約６５％以上の全回収率と同様、一層高いＮＦ、熱式、及びＳＷＲＯ生成物回収率を、本方法を大洋海水（ＴＤＳ３５，０００ｐｐｍ）の脱塩に適用した場合に達成することができる。供給物、排除物の量のみならずエネルギー必要量は、湾岸海水供給物の脱塩の場合のそれらの値よりも、大洋海水供給物の脱塩の場合の方が著しく低くなると予想される。なぜなら、主に約８０％以上の一層高いＮＦ生成物回収率が、特に適当なスケール防止剤をＮＦユニット供給物へ添加した場合に、得られるためである。
【００８９】
上で明確には記載しなかったが、明らかに本発明の本質及び範囲内に入る本発明の多くの態様が存在することは明らかである。従って、上の記載は、例としてのみ考えられるべきであり、本発明の実際の範囲は、添付の特許請求の範囲からのみ決定されるべきである。図１２に示したように、二段階ＮＦユニットからのＮＦ生成物を二段階ＳＷＲＯ２への供給物にすることについて同様な請求項を作ることができるが、本発明の特許請求の範囲は、熱式ユニットをＭＳＦＤ、又はＭＥＤ、又はＶＣＤ、又はＲＨにすることができる場合の最適二重ＮＦ（二段階）−熱式、及び三重ＮＦ２−ＳＷＲＯ２（排除物）−熱式海水脱塩法にのみ限定されている。
【００９０】
【表５】
2006021106.tif 000007
【００９１】
引用文献
４，０３６，６８５        ９／１９７７        ブレイ(Bray)
４，１５６，６４５        ５／１９７９        ブレイ
４，３４１，６２９        ７／１９８２        アーリンガー(Uhlinger)
５，２３８，５７４        ８／１９９３        カワシマ、その他
６，１９０，５５６Ｂ１    ２０／２／２００１  アーリンガー  
６，５０８，９３６        １／２００３        ハッサン(Hassan)
４，７２３，６０３        ２／１９９８        プラマー(Plummer)
５，４５８，７８１        １０／１９９５      リン(Lin)
ＥＰＯ  ０９１４１２６０  ０３／６／１９９７  タナグチ、その他
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】図１は、供給物を生成物及び排除物へ分離する海水脱塩法、種々の海水脱塩（熱式又は膜式）法での排除物中の、混濁物、バクテリア、硬質イオン、及びＴＤＳについての濃度を示すグラフである。
【図２】図２は、種々の海水脱塩法の主たる問題のグラフである。
【図３】図３は、海水供給物ＴＤＳの浸透圧に対する影響及び膜を通って透過物を押し出す真の有効圧力〔Ｐnet〕を示すグラフである。
【図４】図４は、ＭＳＦＤ、又はＭＥＤ、又はＶＣＤ、又はＲＨの熱式ユニットへ結合された段階の間にターボチャージャーエネルギー回収システムを配置し、ＮＦ生成物が熱式ユニットへの補充物を構成する場合の、二段階で操作されるＮＦ前処理ユニットの構成を示す模式的工程図である。
【図５】図５は、ＳＷＲＯ排除物がＭＳＦＤ、又はＭＥＤ、又はＶＣＤ、又はＲＨの熱式ユニットへの補充物を構成する場合の、段階の間にエネルギー回収ターボチャージャーを配置した二段階でＮＦ及びＳＷＲＯユニットを用いた三重ハイブリッド熱式脱塩システムの模式的工程図である。
【図６】図６は、ＮＦ及びＳＷＲＯユニットの各々が一つの段階だけを構成する場合の、ＮＦ−海水脱塩（ＳＷＲＯ及びＭＳＦ）パイロットプラントでの二重ＮＦ−ＭＳＦＤ、二重ＮＦ−ＳＷＲＯ、及びＮＦ、ＳＷＲＯ（排除物）及びＭＳＦによる三重ハイブリッドの構成を示す模式的工程図である。
【図７】図７は、商業的Ｕｍｍ  Ｌｕｊｊ  ＳＷＲＯプラントについての、（ａ）１９８６年に建設されたプラント（トレイン２００）のＳＷＲＯ構成、（ｂ）ＮＦ−ＳＷＲＯシステム（ＮＦ及びＳＷＲＯの各々が一段階）へ転化され、２０００年９月に操作されたＮＦ−ＳＷＲＯ構成（トレイン１００）についての模式的工程図である。
【図８】図８は、２０００年９月に新しい二重ＮＦ−ＳＷＲＯハイブリッド脱塩システムへ転化されたＵｍｍ  Ｌｕｊｊ  ＮＦ−ＳＷＲＯプラント（トレイン１００）を示す写真であり、設置されたＮＦユニットは前方でそれに結合されており、写真の後ろ側ではＳＷＲＯユニットへ結合されている。
【図９】図９は、６５％の固定されたＮＦ生成物回収率で、Ｕｍｍ  Ｌｕｊｊ  ＮＦ−ＳＷＲＯトレイン１００でのＮＦ膜ユニットの性能を示すグラフである。
【図１０】図１０は、ＮＦユニットへの同じ海水供給物のＮＦ生成物及び海水供給物の組成を示す図であり、スケール形成性硬質イオン（ＳＯ４＝、Ｃａ＋＋、Ｍｇ＋＋、ＨＣＯ３−）、Ｃｌ−及びＴＤＳの含有量に重点を置き、ＮＦ膜によるそれらイオンの排除率（％）と共に示した図である。
【図１１】図１１は、図７に示した完全総合ＮＦ−ＳＷＲＯシステム中のＳＷＲＯユニット・トレイン１００についての性能及び操作条件を示すグラフであり、トレイン１００（ＮＦ−ＳＷＲＯ）による生成物対トレイン２００（ＳＷＲＯ）による生成物の認められた比率は約１．４〜１．６：１である。
【図１２】図１２は、ＮＦ及びＳＷＲＯユニットの各々中の二段階間にターボチャージャーを配置したＮＦ（二段階）−ＳＷＲＯ（二段階）を有する本発明の最適完全総合海水脱塩法についての模式的工程図である。
【図１３】図１３は、夫々、二つのＮＦ８″×４０″部材の入った加圧容器である三つの異なった加圧容器構成を有するパイロットプラントを用いたＮＦ部材の性能を示す工程図である。
【図１４】図１４は、海水及びその異なったＮＦ膜からのＮＦ生成物中の、硬質イオン（Ｃａ＋＋、Ｍｇ＋＋）、ＳＯ４＝、及びＨＣＯ３−、全硬質物質、ＴＤＳ、及びＣｌ−の濃度を示すグラフである。
【図１５】図１５は、夫々二つのＮＦ部材の入った容器である、二つの加圧容器を直列に配列して用いた第一ＮＦ段階対操作時間（９０００時間）としてのＮＦ性能をプロットした図である。
【図１６】図１６は、生成物の（ａ）流量、（ｂ）回収率、及び（ｃ）伝導度を、圧力、温度、供給物流量、及び供給物ＴＤＳの種々の操作条件により測定したＮＦユニット性能をプロットした図である。
【図１７】図１７は、ＮＦ海水前処理を用いた場合及び用いない場合について、ＳＷＲＯユニット（ＮＦ及びＳＷＲＯの各々は、一つの段階だけからなる）性能〔透過物の（ａ）流量、（ｂ）回収率、及び（ｃ）伝導度〕対印加圧力についてプロットした図である。
【図１８】図１８は、熱式ユニット（ＭＳＦＤ）ブライン操作温度を上昇させると、エネルギー（Ｅ）消費量を減少する外に、生産率利得（ＧＯＲ）及び性能比（ＰＲ）の両方を増大することを示すプロット図である。
【図１】
2006021106.tif 000008
【図２】
2006021106.tif 000009
【図３】
2006021106.tif 000010
【図４】
2006021106.tif 000011
【図５】
2006021106.tif 000012
【図６】
2006021106.tif 000013
【図７】
2006021106.tif 000014
【図８】
2006021106.tif 000015
【図９】
2006021106.tif 000016
【図１０】
2006021106.tif 000017
【図１１】
2006021106.tif 000018
【図１２】
2006021106.tif 000019
【図１３】
2006021106.tif 000020
【図１４】
2006021106.tif 000021
【図１５】
2006021106.tif 000022
【図１６】
2006021106.tif 000023
【図１７】
2006021106.tif 000024
【図１８】
2006021106.tif 000025
【外国語明細書】
2006021106000001.pdf