(57)【要約】【課題】冷却や加熱に要する消費エネルギーを抑制して、エネルギーの収支を安定化すること。【解決手段】溶媒として水を含む含水溶液から曇点を有するドロー溶液に、半透膜を介して水を移動させてドロー溶液を希釈させた希釈ドロー溶液として排出するとともに、含水溶液を濃縮させた濃縮含水溶液として排出する正浸透手段と、希釈ドロー溶液を曇点以上の温度に加熱する加熱手段と、加熱手段によって加熱された希釈ドロー溶液を、水リッチ溶液と水リッチ溶液より含水率が低いドロー溶液とに分離する水分離手段と、正浸透手段から流出した濃縮含水溶液と水分離手段から流出したドロー溶液との間で熱交換を行う正浸透側熱交換手段と、正浸透手段から流出した希釈ドロー溶液と水分離手段から流出した水リッチ溶液との間で熱交換を行う流出側熱交換手段と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶媒として水を含む含水溶液から曇点を有するドロー溶液に、半透膜を介して水を移動させて前記ドロー溶液を希釈させた希釈ドロー溶液として流出するとともに、前記含水溶液を濃縮させた濃縮含水溶液として排出する正浸透手段と、
前記希釈ドロー溶液を前記曇点以上の温度に加熱する加熱手段と、
前記加熱手段によって加熱された前記希釈ドロー溶液を、水リッチ溶液と前記水リッチ溶液より含水率が低いドロー溶液とに分離する水分離手段と、
前記正浸透手段から流出した前記濃縮含水溶液と前記水分離手段から流出したドロー溶液との間で熱交換を行う正浸透側熱交換手段と、
前記正浸透手段から流出した前記希釈ドロー溶液と前記水分離手段から流出した前記水リッチ溶液との間で熱交換を行う流出側熱交換手段と、を備える
ことを特徴とする水処理装置。
【請求項２】
前記水リッチ溶液から生成水を得る分離処理手段をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の水処理装置。
【請求項３】
前記分離処理手段が、コアレッサー、活性炭、限外ろ過膜、ナノろ過膜、または逆浸透膜からなることを特徴とする請求項２に記載の水処理装置。
【請求項４】
前記水分離手段から流出したドロー溶液と前記流出側熱交換手段を通過した前記希釈ドロー溶液との間で熱交換を行う後段熱交換手段をさらに備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の水処理装置。
【請求項５】
前記希釈ドロー溶液の流れ方向に沿った前記流出側熱交換手段の上流側において、前記水分離手段から流出したドロー溶液と前記正浸透手段から流出した前記希釈ドロー溶液との間で熱交換を行う前段熱交換手段をさらに備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の水処理装置。
【請求項６】
前記ドロー溶液は、少なくとも１つの曇点を有する温度感応性吸水剤を主体とする溶液であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の水処理装置。
【請求項７】
前記含水溶液は、海水、かん水、汽水、工業排水、随伴水、または下水であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の水処理装置。
【請求項８】
溶媒として水を含む含水溶液から曇点を有するドロー溶液に、半透膜を介して水を移動させて前記ドロー溶液を希釈させた希釈ドロー溶液として流出するとともに、前記含水溶液を濃縮させた濃縮含水溶液として排出する正浸透工程と、
前記希釈ドロー溶液を前記曇点以上の温度に加熱する加熱工程と、
前記加熱工程において加熱された前記希釈ドロー溶液を、水リッチ溶液と前記水リッチ溶液より含水率が低いドロー溶液とに分離する水分離工程と、
前記正浸透工程によって得られた前記濃縮含水溶液と前記水分離工程によって得られたドロー溶液との間で熱交換を行う正浸透側熱交換工程と、
前記正浸透工程によって得られた前記希釈ドロー溶液と前記水分離工程によって得られた前記水リッチ溶液との間で熱交換を行う流出側熱交換工程と、を含む
ことを特徴とする水処理方法。
【請求項９】
前記水リッチ溶液から生成水を得る分離処理工程をさらに含むことを特徴とする請求項８に記載の水処理方法。
【請求項１０】
前記分離処理工程を、コアレッサー、活性炭、限外ろ過膜、ナノろ過膜、または逆浸透膜を用いて行うことを特徴とする請求項９に記載の水処理方法。
【請求項１１】
前記水分離工程によって得られたドロー溶液と前記流出側熱交換工程において熱交換された前記希釈ドロー溶液との間で熱交換を行う後段熱交換工程をさらに含むことを特徴とする請求項８〜１０のいずれか１項に記載の水処理方法。
【請求項１２】
前記流出側熱交換工程の前に、前記正浸透工程によって得られた前記希釈ドロー溶液と前記水分離工程によって得られたドロー溶液との間で熱交換を行う前段熱交換工程をさらに含むことを特徴とする請求項８〜１１のいずれか１項に記載の水処理方法。
【請求項１３】
前記ドロー溶液は、少なくとも１つの曇点を有する温度感応性吸水剤を主体とする溶液であることを特徴とする請求項８〜１２のいずれか１項に記載の水処理方法。
【請求項１４】
前記含水溶液は、海水、かん水、汽水、工業排水、随伴水、または下水であることを特徴とする請求項８〜１３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、溶媒として水を含む含水溶液から水を抽出する水処理装置および水処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、海水、河川水、または工業排水などを被処理水（フィード溶液）とし、被処理水よりも浸透圧の高い液体を誘引溶液（ドロー溶液）として、半透膜を介してドロー溶液と被処理水とを接触させることにより、被処理水から淡水をドロー溶液に透過させる水処理システムが知られている。
【０００３】
この水処理システムにおいて、ドロー溶液として温度感応性物質を用いる場合、淡水が移動されて希釈された希釈ドロー溶液を加熱して、加熱による分相によって希釈ドロー溶液から淡水を分離する。淡水が分離されて引き抜かれたドロー溶液は、冷却された後に改めて被処理水と接触される再生ドロー溶液として再利用される。例えば、特許文献１には、低温の希釈ドロー溶液と、高温の再生ドロー溶液および淡水との間で熱交換を行う水処理装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１７−１８９５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した従来技術による水処理装置においては、冷却機構が設けられておらず、高温になった再生ドロー溶液の冷却が不十分になるという問題があった。そこで、高温のドロー溶液を冷却するための冷却機構を設ける方法が考えられるが、冷却機構を新たに設けると水処理装置に要するエネルギーが増加してランニングコストが増加するという問題が生じる。そのため、水処理装置において、冷却や加熱に要する消費エネルギーを抑制して、エネルギーの収支を安定化できる技術が求められていた。
【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、その目的は、冷却や加熱に要する消費エネルギーを抑制して、エネルギーの収支を安定化できる水処理装置および水処理方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係る水処理装置は、溶媒として水を含む含水溶液から曇点を有するドロー溶液に、半透膜を介して水を移動させて前記ドロー溶液を希釈させた希釈ドロー溶液として流出するとともに、前記含水溶液を濃縮させた濃縮含水溶液として排出する正浸透手段と、前記希釈ドロー溶液を前記曇点以上の温度に加熱する加熱手段と、前記加熱手段によって加熱された前記希釈ドロー溶液を、水リッチ溶液と前記水リッチ溶液より含水率が低い前記ドロー溶液とに分離する水分離手段と、前記正浸透手段から流出した前記濃縮含水溶液と前記水分離手段から流出したドロー溶液との間で熱交換を行う正浸透側熱交換手段と、前記正浸透手段から流出した前記希釈ドロー溶液と前記水分離手段から流出した前記水リッチ溶液との間で熱交換を行う流出側熱交換手段と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
本発明の一態様に係る水処理装置は、上記の発明において、前記水リッチ溶液から生成水を得る分離処理手段をさらに備えることを特徴とする。本発明の一態様に係る水処理装置は、この構成において、前記分離処理手段が、コアレッサー、活性炭、限外ろ過膜、ナノろ過膜、または逆浸透膜からなることを特徴とする。
【０００９】
本発明の一態様に係る水処理装置は、上記の発明において、前記水分離手段から流出したドロー溶液と前記流出側熱交換手段を通過した前記希釈ドロー溶液との間で熱交換を行う後段熱交換手段をさらに備えることを特徴とする。
【００１０】
本発明の一態様に係る水処理装置は、上記の発明において、前記希釈ドロー溶液の流れ方向に沿った前記流出側熱交換手段の上流側において、前記水分離手段から流出したドロー溶液と前記正浸透手段から流出した前記希釈ドロー溶液との間で熱交換を行う前段熱交換手段をさらに備えることを特徴とする。
【００１１】
本発明の一態様に係る水処理装置は、上記の発明において、前記ドロー溶液は、少なくとも１つの曇点を有する温度感応性吸水剤を主体とする溶液であることを特徴とする。
【００１２】
本発明の一態様に係る水処理装置は、上記の発明において、前記含水溶液は、海水、かん水、汽水、工業排水、随伴水、または下水であることを特徴とする。
【００１３】
本発明の一態様に係る水処理方法は、溶媒として水を含む含水溶液から曇点を有するドロー溶液に、半透膜を介して水を移動させて前記ドロー溶液を希釈させた希釈ドロー溶液として排出するとともに、前記含水溶液を濃縮させた濃縮含水溶液として排出する正浸透工程と、前記希釈ドロー溶液を前記曇点以上の温度に加熱する加熱工程と、前記加熱工程において加熱された前記希釈ドロー溶液を、水リッチ溶液と前記水リッチ溶液より含水率が低いドロー溶液とに分離する水分離工程と、前記正浸透工程によって得られた前記濃縮含水溶液と前記水分離工程によって得られたドロー溶液との間で熱交換を行う正浸透側熱交換工程と、前記正浸透工程によって得られた前記希釈ドロー溶液と前記水分離工程によって得られた前記水リッチ溶液との間で熱交換を行う流出側熱交換工程と、を含むことを特徴とする。
【００１４】
本発明の一態様に係る水処理方法は、上記の発明において、前記水リッチ溶液から生成水を得る分離処理工程をさらに含むことを特徴とする。本発明の一態様に係る水処理方法は、この構成において、前記分離処理工程を、コアレッサー、活性炭、限外ろ過膜、ナノろ過膜、または逆浸透膜を用いて行うことを特徴とする。
【００１５】
本発明の一態様に係る水処理方法は、上記の発明において、前記水分離工程によって得られたドロー溶液と前記流出側熱交換工程において熱交換された前記希釈ドロー溶液との間で熱交換を行う後段熱交換工程をさらに含むことを特徴とする。
【００１６】
本発明の一態様に係る水処理方法は、上記の発明において、前記流出側熱交換工程の前に、前記正浸透工程によって得られた前記希釈ドロー溶液と前記水分離工程によって得られたドロー溶液との間で熱交換を行う前段熱交換工程をさらに含むことを特徴とする。
【００１７】
本発明の一態様に係る水処理方法は、上記の発明において、前記ドロー溶液は、少なくとも１つの曇点を有する温度感応性吸水剤を主体とする溶液であることを特徴とする。
【００１８】
本発明の一態様に係る水処理方法は、上記の発明において、前記含水溶液は、海水、かん水、汽水、工業排水、随伴水、または下水であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る水処理装置および水処理方法によれば、冷却や加熱に要する消費エネルギーを抑制して、エネルギーの収支を安定化することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態による水処理装置を模式的に示すブロック図である。
【図２】図２は、比較例による水処理装置を模式的に示すブロック図である。
【図３】図３は、本発明の第２の実施形態による水処理装置を模式的に示すブロック図である。
【図４】図４は、本発明の第３の実施形態による水処理装置を模式的に示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、以下の実施形態の全図においては、同一または対応する部分には同一の符号を付す。また、本発明は以下に説明する実施形態によって限定されるものではない。
【００２２】
（第１の実施形態）
（水処理装置）
まず、本発明の第１の実施形態による水処理装置について説明する。図１は、この第１の実施形態による水処理装置１を模式的に示すブロック図である。図１に示すように、この第１の実施形態による水処理装置１は、膜モジュール１１、加熱器１２、分離槽１３、最終処理ユニット１４、および熱交換器２１，２２を備えて構成される。
【００２３】
正浸透手段としての膜モジュール１１は、内部に半透膜１１ａが設置された、例えば円筒形または箱形の容器である。膜モジュール１１の内部は、半透膜１１ａによって２つの室に仕切られる。膜モジュール１１の形態は、例えばスパイラルモジュール型、積層モジュール型、中空糸モジュール型などの種々の形態を挙げることができる。膜モジュール１１としては、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もできる。
【００２４】
膜モジュール１１に設けられた半透膜１１ａは、水を選択的に透過できるものが好ましく、正浸透（ＦＯ：Forward  Osmosis）膜が用いられるが、逆浸透（ＲＯ：Reverse  Osmosis）膜を用いてもよい。半透膜１１ａの分離層の材質は、特に限定されるものではなく、例えば、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、またはポリベンゾイミダゾール系などの材質を挙げることができる。半透膜１１ａは、分離層に用いられる材質を１種類（１層）のみから構成してもよく、分離層を物理的に支持して実質的に分離に寄与しない支持層を有する２層以上から構成してもよい。支持層としてはポリスルホン系、ポリケトン系、ポリエチレン系、ポリエチレンテレフタラート系、一般的な不織布などの材質を挙げることができる。なお、半透膜１１ａの形態についても限定されるものではなく、平膜、管状膜、または中空糸などの種々の形態の膜を用いることができる。
【００２５】
膜モジュール１１の内部において、半透膜１１ａによって仕切られた一方の室に含水溶液を流すことができ、他方の室に吸水溶液としてのドロー溶液を流すことができる。ドロー溶液の膜モジュール１１への導入圧力は、０．１ＭＰａ以上０．５ＭＰａ以下、この第１の実施形態においては例えば０．２ＭＰａである。含水溶液は、例えば海水、かん水、汽水、工業排水、随伴水、または下水、もしくは必要に応じてこれらの水に対してろ過処理を施した、溶媒として水を含む含水溶液である。
【００２６】
ドロー溶液としては、少なくとも１つの曇点を有するポリマーからなる温度感応性吸水剤を主体とする溶液が用いられる。温度感応性吸水剤とは、低温においては親水性で水によく溶けて吸水量が多くなる一方、温度の上昇にしたがって吸水量が低下して、所定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る。温度感応性吸水剤は、各種界面活性剤、分散剤、または乳化剤などとして利用される。
【００２７】
第１の実施形態において温度感応性吸水剤は、少なくとも疎水部および親水部が含まれ、基本骨格にエチレンオキシド群とプロピレンオキシドおよびブチレンオキシドからなる少なくとも一方の群とを含む、ブロック共重合体またはランダム共重合体が好ましい。基本骨格は、例えばグリセリン骨格や炭化水素骨格などが挙げられる。この第１の実施形態において温度感応性吸水剤は、例えばエチレンオキサイドおよびプロピレンオキサイドの重合体を有する薬剤が用いられる。このような温度感応性吸水剤において、水溶性と水不溶性とが変化する温度は曇点と呼ばれる。ドロー溶液の温度が上昇して曇点に達すると、疎水性化した温度感応性吸水剤が凝集して白濁が生じる。
【００２８】
この第１の実施形態において、ドロー溶液は、含水溶液から水を誘引する誘引物質として用いられる。これにより、膜モジュール１１においては、含水溶液からドロー溶液に水が誘引されて、希釈されたドロー溶液（希釈ドロー溶液）が流出される。一方、膜モジュール１１において、ドロー溶液に水が移動して濃縮された含水溶液（濃縮含水溶液）が流出する。
【００２９】
ドロー溶液の加熱手段としての加熱器１２は、ドロー溶液の流れ方向に沿って分離槽１３の上流側に設けられる。加熱器１２は、膜モジュール１１から流出して熱交換器２２によって熱交換された希釈ドロー溶液を、曇点の温度以上に加熱する。加熱器１２によって曇点の温度以上に加熱された希釈ドロー溶液は、水とポリマーである温度感応性吸水剤とに分相される。
【００３０】
水分離手段としての分離槽１３においては、加熱器１２によって分相された希釈ドロー溶液が、水を主体とする溶液（水リッチ溶液）と、水リッチ溶液より含水率が低く温度感応性吸水剤を主体とするドロー溶液とに分離される。水リッチ溶液より含水率が低いドロー溶液は、再利用されるドロー溶液（以下、再生ドロー溶液）として熱交換器２１を介して膜モジュール１１に供給される。
【００３１】
熱交換器２１は、膜モジュール１１に対して濃縮含水溶液の流れ方向に沿った下流側に設けられる。熱交換器２１は、再生ドロー溶液の流れ方向に沿って、分離槽１３の下流側に設けられる。これにより、熱交換器２１は、分離槽１３から流出される再生ドロー溶液と膜モジュール１１を通過した濃縮含水溶液との間で熱交換を行う。熱交換器２１に流入される濃縮含水溶液の流量は、膜モジュール１１に供給される再生ドロー溶液の温度が所定温度になるように制御される。具体的に、熱交換器２１における濃縮含水溶液が通過する流路にバイパス弁（図示せず）を設けて、バイパス弁を流れる濃縮含水溶液の流量を制御することによって、再生ドロー溶液の温度を所定温度に制御する。膜モジュール１１に供給される再生ドロー溶液は、所定温度として２５℃以上５０℃以下の例えば４０℃程度に、温度制御される。
【００３２】
熱交換器２２は、膜モジュール１１に対して、希釈ドロー溶液の流れ方向に沿った下流側に設けられる。また、熱交換器２２は、分離槽１３に対して、分離槽１３によって得られる水リッチ溶液の流れ方向に沿った下流側に設けられる。熱交換器２２は、膜モジュール１１から流出された希釈ドロー溶液と、分離槽１３によって得られる水リッチ溶液との間で、熱交換を行う。
【００３３】
分離処理手段としての最終処理ユニット１４は、例えばコアレッサー、活性炭吸着ユニット、限外ろ過膜（ＵＦ膜）ユニット、ナノろ過膜（ＮＦ膜）ユニット、または逆浸透膜（ＲＯ膜）ユニットから構成される。最終処理ユニット１４は、分離槽１３から流出した水リッチ溶液から残存する温度感応性吸水剤を分離させて、生成水としての淡水を生成する。最終処理ユニット１４によって分離された温度感応性吸水剤を含むポリマー溶液は、廃棄したり、加熱器１２の少なくとも上流側において希釈ドロー溶液に導入したりしてもよい。さらに、分離されたポリマー溶液の一部を廃棄し、残りのポリマー溶液をドロー溶液として、少なくとも加熱器１２の上流側または熱交換器２２の上流側における希釈ドロー溶液に導入することも可能である。ここで、ポリマー溶液を希釈ドロー溶液に導入する方法としては、希釈ドロー溶液が流れる配管に導入する方法のみならず、希釈ドロー溶液を一時的に貯留するタンク（図示せず）に導入する方法など、種々の方法を採用することが可能である。
【００３４】
（水処理方法）
次に、以上のように構成された第１の実施形態による水処理装置１を用いた、水処理方法について説明する。
【００３５】
（正浸透工程）
正浸透手段としての膜モジュール１１においては、正浸透工程が行われる。すなわち、膜モジュール１１において、含水溶液と再生ドロー溶液とを半透膜１１ａを介して接触させる。これによって、膜モジュール１１内において、浸透圧差により含水溶液中の水が半透膜１１ａを通過して再生ドロー溶液に移動する。すなわち、膜モジュール１１内の含水溶液が供給される一方の室からは、再生ドロー溶液に水が移動することによって濃縮された濃縮含水溶液が流出する。再生ドロー溶液が供給される他方の室からは、含水溶液から水が移動して希釈された希釈ドロー溶液が流出する。ここで、膜モジュール１１においては熱交換も行われ、含水溶液の流入側から濃縮含水溶液の流出側に向かって温度が上昇する一方、再生ドロー溶液の流入側から希釈ドロー溶液の流出側に向かって温度が下降する。
【００３６】
（正浸透側熱交換工程）
正浸透側熱交換手段としての熱交換器２１においては、正浸透側熱交換工程が行われる。すなわち、含水溶液が膜モジュール１１を通過して得られた濃縮含水溶液は、熱交換器２１に供給される。一方、熱交換器２１には、分離槽１３から流出された再生ドロー溶液が供給される。第１の実施形態においては、熱交換器２１によって、再生ドロー溶液を所定温度、具体的に例えば４０℃程度の温度に調整する。後述するように、分離槽１３には、加熱された希釈ドロー溶液が流入される。これに起因して、分離槽１３から流出する再生ドロー溶液の温度は、濃縮含水溶液の温度よりも高い。そこで、熱交換器２１によって、再生ドロー溶液を降温させる。再生ドロー溶液を所定温度に降温させるために、熱交換器２１において熱交換に供される濃縮含水溶液の流量が調整される。すなわち、熱交換器２１において、再生ドロー溶液は濃縮含水溶液によって冷却される一方、濃縮含水溶液は再生ドロー溶液によって加熱される。なお、膜モジュール１１と熱交換器２１との間に調整弁としてのブロー弁（図示せず）を設けて、熱交換器２１に流入させる濃縮含水溶液の流量を調整することも可能である。熱交換されて降温された再生ドロー溶液は、膜モジュール１１の他方の室に供給される。一方、熱交換されて例えば５５〜７０℃の温度に昇温された濃縮含水溶液は外部に排出される。
【００３７】
（加熱工程）
加熱手段としての加熱器１２においては、加熱工程が行われる。すなわち、正浸透工程によって再生ドロー溶液が希釈されて得られた希釈ドロー溶液を、後述する流出側熱交換工程において昇温した後に、加熱器１２によってさらに曇点以上の温度まで加熱する。これにより、温度感応性吸水剤の少なくとも一部が凝集されて、相分離が行われる。加熱工程における加熱温度は、加熱器１２を制御することによって調整可能である。なお、加熱温度は、水の沸点以下であって、大気圧の場合に１００℃以下が好ましく、この第１の実施形態においては、曇点以上１００℃以下の例えば８８℃である。
【００３８】
（水分離工程）
水分離手段としての分離槽１３においては、水分離工程が行われる。すなわち、分離槽１３において、希釈ドロー溶液は、水分を多く含有する水リッチ溶液と、温度感応性吸水剤を高濃度に含む濃縮された再生ドロー溶液とに分離される。なお、分離槽１３における圧力は、例えば大気圧である。水リッチ溶液と再生ドロー溶液との相分離は、液温を曇点以上として静置することによって行うことができる。第１の実施形態において分離槽１３における液温は、曇点以上１００℃以下の例えば８８℃である。希釈ドロー溶液から分離されて濃縮されたドロー溶液は、再生ドロー溶液として、熱交換器２１を介して膜モジュール１１に供給される。再生ドロー溶液のドロー濃度は、例えば６０〜９５％である。一方、希釈ドロー溶液から分離された水リッチ溶液は、熱交換器２２を介して最終処理ユニット１４に供給される。水リッチ溶液は例えば、ドロー濃度が１％であって水が９９％である。
【００３９】
（流出側熱交換工程）
流出側熱交換手段としての熱交換器２２においては、流出側熱交換工程が行われる。すなわち、膜モジュール１１から流出した希釈ドロー溶液は、まず、熱交換器２２に供給される。一方、熱交換器２２には、分離槽１３において得られた水リッチ溶液が供給される。第１の実施形態においては、熱交換器２２によって、水リッチ溶液を所定温度、具体的に、３０℃以上５０℃以下の例えば４５℃程度の温度に調整する。上述したように、分離槽１３においては液温を曇点以上１００℃以下として水分離工程が行われる。そのため、分離槽１３から流出する水リッチ溶液は、熱交換器２２において降温された後に膜モジュール１１から流出する希釈ドロー溶液よりも高温である。一方、後段の最終処理ユニット１４における処理温度は、例えば２０℃以上５０℃以下、好適には３５℃以上４５℃以下、この第１の実施形態においては、例えば４５℃である。そこで、熱交換器２２において、水リッチ溶液を最終処理ユニット１４の処理温度まで降温させる温度調整が行われる。すなわち、熱交換器２２において、水リッチ溶液は希釈ドロー溶液によって冷却される一方、希釈ドロー溶液は水リッチ溶液によって加熱される。
【００４０】
（最終処理工程）
分離処理手段としての最終処理ユニット１４においては、分離処理工程としての最終処理工程が行われる。すなわち、分離槽１３において分離された水リッチ溶液には、温度感応性吸水剤が残存している可能性がある。そこで、最終処理ユニット１４において、水リッチ溶液から分離処理ドロー溶液となるポリマー溶液を分離させる。これにより、淡水などの生成水が得られる。水リッチ溶液から分離された生成水は、含水溶液から得られた最終生成物として、外部の必要な用途に供給される。なお、最終処理ユニット１４において、生成水と分離された分離処理ドロー溶液は、ドロー濃度が０．５〜２５％程度のポリマー溶液であり、外部に廃棄したり、加熱器１２または熱交換器２２の上流側において希釈ドロー溶液に導入したりできる。また、生成水と分離されたポリマー溶液の一部を廃棄し、残りのポリマー溶液を加熱器１２または熱交換器２２の上流側において希釈ドロー溶液に導入することも可能である。
【００４１】
（実施例および比較例）
次に、以上のように構成された水処理装置１の第１実施例および従来技術による比較例について説明する。なお、第１実施例および比較例においては、水処理装置を用いて、１時間当たり、１０００Ｌ（１０００Ｌ／ｈ）の海水から３５０Ｌ（３５０Ｌ／ｈ）の淡水を生成する場合を例に説明する。
【００４２】
（第１実施例）
第１実施例においては、水処理装置１に外部から２５℃程度の温度で導入された海水を膜モジュール１１に供給する。海水は膜モジュール１１において、膜モジュール１１に供給される４０℃程度の再生ドロー溶液によって昇温されつつ濃縮される。濃縮された海水（濃縮海水）は、３０℃程度の温度に昇温されて、６５０Ｌ／ｈの流量で排出される。すなわち、膜モジュール１１において、水の移動が３５０Ｌ／ｈの流量で行われる。
【００４３】
再生ドロー溶液は、熱交換器２１を通過して低温の３０℃の濃縮含水溶液と熱交換されて、８８℃から４０℃まで降温される。降温された再生ドロー溶液は、膜モジュール１１に供給されて水の移動によって希釈され、希釈ドロー溶液として流出する。ここで、膜モジュール１１に供給される再生ドロー溶液の流量は、１０００Ｌ／ｈである。
【００４４】
膜モジュール１１から流出される希釈ドロー溶液は、海水からドロー溶液に水が移動するとともに、再生ドロー溶液から海水に熱が移動するため、温度が３８℃であって流量が１３５０Ｌ／ｈである。希釈ドロー溶液は、熱交換器２２において８８℃の水リッチ溶液と熱交換されて、３８℃から５１．６℃の温度まで昇温される。昇温された希釈ドロー溶液は、加熱器１２に供給されてさらに加熱され、５１．６℃から８８℃の温度まで昇温される。８８℃の温度の希釈ドロー溶液は、分離槽１３に供給されて再生ドロー溶液と水リッチ溶液とに相分離される。再生ドロー溶液は、温度が８８℃、流量が１０００Ｌ／ｈである。水リッチ溶液は、温度が８８℃、流量が３５０Ｌ／ｈである。
【００４５】
水リッチ溶液は、熱交換器２２に供給されて３８℃の希釈ドロー溶液と熱交換されて、８８℃から４５℃まで降温された後に、最終処理ユニット１４に供給される。最終処理ユニット１４においては、３５０Ｌ／ｈの流量で生成水が得られる。なお、最終処理ユニット１４において、生成水と分離される分離処理ドロー溶液については、少量であることから考慮していない。以上により、１０００Ｌ／ｈの流量の海水から、３５０Ｌ／ｈの流量の生成水が得られる。
【００４６】
（比較例）
第１の実施形態に基づく第１実施例と比較するために、従来の水処理装置として再生ドロー溶液を冷却する冷却機構を設けた例を比較例とする。図２は、比較例による水処理装置１００を模式的に示すブロック図である。図２に示すように、比較例による水処理装置１００は、半透膜１０１ａが内部に設けられた膜モジュール１０１、加熱器１０２、分離槽１０３、冷却器１０４、および最終処理ユニット１０５を備えて構成される。膜モジュール１０１、加熱器１０２、分離槽１０３、および最終処理ユニット１０５はそれぞれ、第１の実施形態における、膜モジュール１１、加熱器１２、分離槽１３、および最終処理ユニット１４と同様である。一方、水処理装置１と異なり、水処理装置１００においては、再生ドロー溶液の流れ方向に沿った分離槽１０３の下流側に、冷却器１０４が設けられている。冷却器１０４は、分離槽１０３から流出された再生ドロー溶液を、外部から供給される例えば３０℃程度の海水などによって冷却するための熱交換器である。
【００４７】
比較例による水処理装置１００においては、含水溶液として海水を用い、原海水温度、または例えば４０℃の温度に調整された海水を膜モジュール１０１に供給する。膜モジュール１０１によって濃縮された濃縮含水溶液である濃縮海水は、６５０Ｌ／ｈの流量で膜モジュール１０１から排出される。すなわち、膜モジュール１０１において、３５０Ｌ／ｈの流量で水の移動が行われる。
【００４８】
一方、再生ドロー溶液は、冷却器１０４によって４０℃の温度に調整された後に膜モジュール１０１に供給されて希釈され、１３５０Ｌ／ｈの流量で希釈ドロー溶液として流出する。ここで、膜モジュール１０１に供給される海水の温度が４０℃の場合、膜モジュール１０１から流出される希釈ドロー溶液の温度は、４０℃になる。その後、希釈ドロー溶液は、加熱器１０２に供給されて加熱され、８８℃の温度まで昇温される。８８℃の温度の希釈ドロー溶液は、分離槽１０３に供給されて相分離され、８８℃の温度の再生ドロー溶液と、８８℃の温度の水リッチ溶液とに分離される。８８℃の温度の再生ドロー溶液は、冷却器１０４によって４０℃まで降温される。８８℃の温度の水リッチ溶液も同様に、必要に応じて冷却器（図示せず）によって４５℃程度にまで冷却された後に、最終処理ユニット１０５に供給される。最終処理ユニット１０５においては、３５０Ｌ／ｈの流量で生成水が得られる。以上により、１０００Ｌ／ｈの流量の海水から、３５０Ｌ／ｈの流量の生成水が得られる。なお、最終処理ユニット１０５において分離された分離処理ドロー溶液が排出される場合、または分離処理ドロー溶液を再生ドロー溶液として再利用する場合があるが、少量であることから比較例においても考慮していない。
【００４９】
比較例においては、分離槽１０３によって分離された再生ドロー溶液を冷却器１０４によって冷却した後に、膜モジュール１０１に供給している。冷却器１０４には、再生ドロー溶液を冷却するために海水を供給しているため、冷却器１０４に海水を供給するためのポンプの設備、およびポンプを稼働させるための電力が必要になる。これに対し、第１実施例においては、熱交換器２１によって、膜モジュール１１に導入する海水を用いて再生ドロー溶液を冷却している。そのため、再生ドロー溶液を冷却するための冷却器１０４が不要になるため、冷却器１０４に海水を供給するためのポンプの設備も不要になり、ポンプを稼働させる電力も不要になる。これにより、設備コストを低減できるとともに、電力コストの低減を実現できる。
【００５０】
また、第１実施例、および比較例において用いられるポリマー溶液の比熱および密度はそれぞれ、３．２ｋＪ／ｋｇ・Ｋおよび１．０５ｋｇ／Ｌである。これにより、ドロー溶液を８８℃まで加熱する場合に必要なエネルギーを算出できる。なお、比熱については、ポリマー溶液として４０〜８８℃における平均比熱を使用しているため、ドロー溶液の濃度に依存しない。また、密度については、ドロー溶液の濃度および温度の寄与が極めて小さいことから、濃度および温度の影響は無視できるほど小さい。
【００５１】
比較例においては、４０℃の温度の希釈ドロー溶液を加熱器１０２によって８８℃の温度まで加熱している。この場合、１３５０Ｌ／ｈの流量の希釈ドロー溶液を４０℃から８８℃まで加熱するために必要なエネルギーは、以下の通りである。
比較例：（３．２ｋＪ／ｋｇ・Ｋ×１．０５ｋｇ／Ｌ×１３５０Ｌ／ｈ×（８８℃−４０℃）＝）２．１８×１０5ｋＪ／ｈ
この場合、加熱器１０２に必要な投入エネルギーは、６０．５ｋＷであった。
【００５２】
これに対し、第１実施例においては、５１．６℃の温度の希釈ドロー溶液を加熱器１２によって８８℃の温度まで加熱している。この場合、１３５０Ｌ／ｈの流量の希釈ドロー溶液を５１．６℃から８８℃まで加熱するために必要なエネルギーは、以下の通りである。
第１実施例：（３．２ｋＪ／ｋｇ・Ｋ×１．０５ｋｇ／Ｌ×１３５０Ｌ／ｈ×（８８℃−５１．６℃）＝）１．６５×１０5ｋＪ／ｈ
この場合、加熱器１２に必要な投入エネルギーは、４５．８ｋＷであり、比較例に比して、（４５．８／６０．５＝）３／４倍程度に低減できることが分かった。
【００５３】
以上説明したように、本発明の第１の実施形態によれば、水処理装置において、再生ドロー溶液を濃縮含水溶液によって冷却するための熱交換器２１を設けている。これにより、分離槽１３から流出された再生ドロー溶液を冷却するための冷却機構を別途設ける必要がなくなるとともに、水処理装置１におけるエネルギー収支を安定化することができる。また、濃縮含水溶液を冷却水として用いることによって、冷却用の含水溶液を取水する必要がなくなるため、再生ドロー溶液を冷却するためのエネルギーを低減でき、水処理において必要となるエネルギーをより一層低減できる。
【００５４】
また、上述した第１の実施形態によれば、膜モジュール１１から流出された濃縮海水などの濃縮含水溶液を用いて、膜モジュール１１に供給される再生ドロー溶液を所望の温度に調整している。これにより、濃縮海水を有効利用することができる。また、分離槽１３に供給する希釈ドロー溶液を加熱器１２によって曇点以上１００℃以下の温度に加熱する前に、分離槽１３から流出した高温の水リッチ溶液を用いて、膜モジュール１１から流出した希釈ドロー溶液を昇温させている。これにより、希釈ドロー溶液を加熱する際に加熱器１２によって昇温させる温度幅を小さくできるので、加熱器１２による加熱に必要なエネルギーを低減できる。以上のことから、水処理装置１において、再生ドロー溶液を冷却したり、希釈ドロー溶液を加熱したりするために消費するエネルギーを低減でき、水処理に必要となるエネルギーを最小化することができる。
【００５５】
さらに、膜モジュール１１における水の移動量を増加させるためには、含水溶液の浸透圧は低い方が望ましい。含水溶液の浸透圧を低くするためには、膜モジュール１１に流入する含水溶液の温度は低い方が好ましい。そのため、膜モジュール１１を通過した後の濃縮含水溶液を用いて再生ドロー溶液を冷却していることにより、膜モジュール１１に流入する含水溶液を用いて再生ドロー溶液を冷却する場合と比較し、外部から供給される含水溶液の温度を低温で膜モジュール１１に流入させることができる。
【００５６】
また、希釈ドロー溶液を２つの流路に分岐させることなく、熱交換によって希釈ドロー溶液および再生ドロー溶液の温度調整を行っている。これにより、流路における流量のバランスを容易に調整できるので、冷却や加熱に要する消費エネルギーを抑制して、エネルギーの収支を安定化できる。
【００５７】
（第２の実施形態）
（水処理装置および水処理方法）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図３は、第２の実施形態による水処理装置２を示す。図３に示すように、水処理装置２は、第１の実施形態と同様に、内部に半透膜１１ａが設けられた膜モジュール１１、加熱器１２、分離槽１３、最終処理ユニット１４、および熱交換器２１，２２を備える。
【００５８】
第２の実施形態による水処理装置２においては、第１の実施形態と異なり、希釈ドロー溶液の流れ方向に沿った熱交換器２２の下流側で加熱器１２の上流側、かつ再生ドロー溶液の流れ方向に沿った分離槽１３の下流側で熱交換器２１の上流側に、熱交換器２３が設けられている。後段熱交換手段としての熱交換器２３によって、後段熱交換工程が行われる。すなわち、第２の実施形態による水処理方法においては、膜モジュール１１から流出した希釈ドロー溶液は、熱交換器２２において高温の水リッチ溶液との間で熱交換されて昇温された後、さらに後段熱交換工程として、熱交換器２３において水リッチ溶液と同程度の温度の再生ドロー溶液との間で熱交換されて昇温される。その後、希釈ドロー溶液は、加熱器１２によって、曇点以上１００℃以下の温度にまで加熱される。その他の構成は、第１の実施形態と同様である。
【００５９】
（第２実施例）
第２実施例においては、２５℃の温度の海水を１０００Ｌ／ｈの流量で膜モジュール１１に供給する。膜モジュール１１によって濃縮された濃縮海水は、６５０Ｌ／ｈの流量で排出されて、熱交換器２１に供給される。すなわち、膜モジュール１１において、３５０Ｌ／ｈの流量で水の移動が行われる。熱交換器２１においては、分離槽１３から排出されて熱交換器２３を通過した再生ドロー溶液と、濃縮海水とが熱交換される。
【００６０】
一方、熱交換器２１において濃縮海水によって熱交換された４０℃の温度の再生ドロー溶液は、膜モジュール１１に供給されて希釈され、希釈ドロー溶液として流出する。ここで、再生ドロー溶液の流量は１０００Ｌ／ｈである。膜モジュール１１においては、海水からドロー溶液への水の移動が行われるとともに、再生ドロー溶液から海水に熱が移動する。すなわち、膜モジュール１１から流出される希釈ドロー溶液は、温度が３８℃、流量が１３５０Ｌ／ｈである。
【００６１】
その後、希釈ドロー溶液は、熱交換器２２によって加熱されて５１．６℃の温度まで昇温された後、熱交換器２３に供給される。希釈ドロー溶液は、熱交換器２３によって８８℃の再生ドロー溶液と熱交換されて加熱される。熱交換器２３によって、希釈ドロー溶液は５１．６℃から７１℃の温度まで昇温される。続いて、希釈ドロー溶液は、加熱器１２に供給されてさらに加熱され、７１℃から８８℃の温度まで昇温される。
【００６２】
その後、希釈ドロー溶液は、分離槽１３に供給されて再生ドロー溶液と水リッチ溶液とに相分離される。再生ドロー溶液は、温度が８８℃、流量が１０００Ｌ／ｈである。水リッチ溶液は、温度が８８℃、流量が３５０Ｌ／ｈである。再生ドロー溶液は、熱交換器２３により８８℃から５５℃以上８８℃未満の温度に降温された後、熱交換器２１により４０℃まで降温される。水リッチ溶液は、熱交換器２２によって８８℃から４５℃まで降温された後、最終処理ユニット１４に供給される。最終処理ユニット１４においては、３５０Ｌ／ｈの流量で生成水が得られる。なお、最終処理ユニット１４において、生成水から分離される分離処理ドロー溶液については、少量であることから考慮していない。以上により、１０００Ｌ／ｈの流量の海水から、３５０Ｌ／ｈの流量の生成水が得られる。
【００６３】
第２実施例においては、７１℃の温度の希釈ドロー溶液を加熱器１２によって８８℃の温度まで加熱している。この場合、１３５０Ｌ／ｈの流量の希釈ドロー溶液を７１℃から８８℃まで加熱するために必要なエネルギーは、以下の通りである。
第２実施例：（３．２ｋＪ／ｋｇ・Ｋ×１．０５ｋｇ／Ｌ×１３５０Ｌ／ｈ×（８８℃−７１℃）＝）７．７１×１０4ｋＪ／ｈ
この場合、加熱器１２に必要な投入エネルギーは、２１．４ｋＷであり、上述した比較例に比して（２１．４／６０．５＝）約１／３倍程度、第１実施例に比して（２１．４／４５．８＝）約１／２倍程度になることが分かる。
【００６４】
第２の実施形態によれば、熱交換器２１，２２によって熱交換を行っていることにより、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、熱交換器２３によって、分離槽１３を流出した再生ドロー溶液の温度を降温させつつ、分離槽１３に供給するための希釈ドロー溶液の温度を昇温させていることにより、加熱器１２によって希釈ドロー溶液を加熱する際に昇温させる温度幅を、第１の実施形態に比してさらに小さくできる。したがって、加熱器１２による加熱に必要なエネルギーをさらに低減でき、水処理装置２において、加熱に消費するエネルギーをより一層低減できる。
【００６５】
（第３の実施形態）
（水処理装置および水処理方法）
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。図４は、第３の実施形態による水処理装置３を示す。図４に示すように、第３の実施形態による水処理装置３は、第１の実施形態と同様に、内部に半透膜１１ａが設けられた膜モジュール１１、加熱器１２、分離槽１３、最終処理ユニット１４、および熱交換器２１，２２を備える。
【００６６】
第３の実施形態による水処理装置３においては、第１の実施形態と異なり、希釈ドロー溶液の流れ方向に沿った、膜モジュール１１の下流側で熱交換器２２の上流側、かつ再生ドロー溶液の流れ方向に沿った分離槽１３の下流側で熱交換器２１の上流側に、熱交換器２４が設けられている。前段熱交換手段としての熱交換器２４によって、前段熱交換工程が行われる。すなわち、第３の実施形態による水処理方法においては、膜モジュール１１から流出した希釈ドロー溶液は、まず、前段熱交換工程として、熱交換器２４において分離槽１３から供給された高温の再生ドロー溶液との間で熱交換されて昇温される。続けて、希釈ドロー溶液は、熱交換器２２において分離槽１３から供給された高温の水リッチ溶液との間で熱交換されて昇温される。その後、希釈ドロー溶液は、加熱器１２によって曇点以上１００℃以下の温度にまで加熱される。その他の構成は、第１の実施形態と同様である。
【００６７】
（第３実施例）
第３実施例においては、第２実施例と同様に、２５℃の温度の海水を１０００Ｌ／ｈの流量で膜モジュール１１に供給する。膜モジュール１１において濃縮された濃縮海水は、６５０Ｌ／ｈの流量で排出されて、熱交換器２１に供給される。すなわち、膜モジュール１１において、３５０Ｌ／ｈの流量で水の移動が行われる。熱交換器２１においては、膜モジュール１１から排出された濃縮海水と、分離槽１３から排出されて熱交換器２４を通過した再生ドロー溶液とが熱交換される。
【００６８】
一方、熱交換器２１において濃縮海水によって熱交換された４０℃の温度の再生ドロー溶液は、膜モジュール１１に供給されて希釈され、希釈ドロー溶液として流出する。ここで、再生ドロー溶液の流量は１０００Ｌ／ｈである。ここで、海水からドロー溶液に水が移動するとともに、再生ドロー溶液から海水に熱が移動するため、膜モジュール１１から流出される希釈ドロー溶液は、温度が３８℃となり、流量は１３５０Ｌ／ｈである。その後、希釈ドロー溶液は、熱交換器２４において、分離槽１３から供給された８８℃の再生ドロー溶液と熱交換を行って６０℃の温度まで昇温される。希釈ドロー溶液は、熱交換器２４から熱交換器２２に供給される。希釈ドロー溶液は、熱交換器２２において分離槽１３から供給された８８℃の水リッチ溶液と熱交換されて６７．５℃の温度まで昇温される。続いて、希釈ドロー溶液は、加熱器１２に供給されてさらに加熱され、６７．５℃から８８℃の温度まで昇温される。希釈ドロー溶液は、分離槽１３に供給されて、再生ドロー溶液と水リッチ溶液とに相分離される。
【００６９】
分離槽１３において分離された再生ドロー溶液は、温度が８８℃、流量が１０００Ｌ／ｈである。一方で、分離された水リッチ溶液は、温度が８８℃、流量が３５０Ｌ／ｈである。再生ドロー溶液は、分離槽１３から熱交換器２４に供給されて、８８℃から５８℃まで降温された後、熱交換器２１により濃縮海水と熱交換されて、５８℃から４０℃まで降温される。水リッチ溶液は、熱交換器２２によって８８℃から６４℃まで降温された後、最終処理ユニット１４に供給される。なお、最終処理ユニット１４として膜処理装置を用いる場合などのように、最終処理ユニット１４における耐熱性が低い場合には、熱交換器２２と最終処理ユニット１４との間に、さらに冷却手段（図示せず）を設置することによって、水リッチ溶液を所定の温度まで冷却してもよい。最終処理ユニット１４においては、３５０Ｌ／ｈの流量で生成水が得られる。なお、最終処理ユニット１４において、生成水から分離されるドロー溶液については、少量であることから考慮していない。以上により、１０００Ｌ／ｈの流量の海水から、３５０Ｌ／ｈの流量の生成水が得られる。
【００７０】
第３実施例においては、６７．５℃の温度の希釈ドロー溶液を加熱器１２によって８８℃の温度まで加熱している。この場合、１３５０Ｌ／ｈの流量の希釈ドロー溶液を６７．５℃から８８℃まで加熱するために必要なエネルギーは、以下の通りである。
第３実施例：（３．２ｋＪ／ｋｇ・Ｋ×１．０５ｋｇ／Ｌ×１３５０Ｌ／ｈ×（８８℃−６７．５℃）＝）９．３０×１０4ｋＪ／ｈ
この場合、加熱器１２に必要な投入エネルギーは、２５．８ｋＷであり、上述した比較例に比して（２５．８／６０．５＝）約２／５倍程度、第１実施例に比して（２５．８／４０．２＝）約２／３倍程度になることが分かる。
【００７１】
第３の実施形態によれば、熱交換器２１，２２によって熱交換を行っていることにより、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、熱交換器２４によって、膜モジュール１１に供給するための再生ドロー溶液の温度を降温させつつ、希釈ドロー溶液の温度を昇温させていることにより、第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００７２】
以上、本発明の実施形態について具体的に説明したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。例えば、上述の実施形態において挙げた数値はあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる数値を用いてもよく、本実施形態による本発明の開示の一部をなす記述および図面により本発明は限定されることはない。
【００７３】
例えば、上述した第２の実施形態と第３の実施形態とをともに実施することも可能である。すなわち、熱交換器２３の下流側または上流側に、再生ドロー溶液と希釈ドロー溶液との間において熱交換を行う熱交換器２４を設けて、前段熱交換工程と後段熱交換工程とをともに実行してもよい。
【符号の説明】
【００７４】
１，２，３  水処理装置
１１  膜モジュール
１１ａ  半透膜
１２  加熱器
１３  分離槽
１４  最終処理ユニット
２１，２２，２３，２４  熱交換器
【図１】
2019141812.tif 000003
【図２】
2019141812.tif 000004
【図３】
2019141812.tif 000005
【図４】
2019141812.tif 000006