(57)【要約】【課題】  低コストで運転可能な循環型浸透圧発電システムを提供する。【解決手段】  実施形態の循環型浸透圧発電用作業媒体は、水と誘引液とを含む混合液であり、温度および気圧が５℃〜３５℃および１気圧の条件下で、前記混合液中の水または誘引液の濃度が１０重量％以下のときには、液−液相互溶解した２成分混合溶液の状態にあり、前記濃度が１０重量％よりも大きいときには水相と誘引液相とに相分離した状態にある。この作業媒体は、誘引液相液を収容するための第１の室と、水相液を収容するための第２の室と、前記第１の室と前記第２の室との間に介在する浸透膜とを備える浸透圧発生器内の浸透圧差により生じる液体の流れでタービンを稼働させて発電する循環型浸透圧発電装置において使用するためのものである。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水と誘引液とを含む混合液であり、温度および気圧が５℃〜３５℃および１気圧の条件下で、前記混合液中の水または誘引液の濃度が１０重量％以下のときには、液−液相互溶解した２成分混合液の状態にあり、前記濃度が１０重量％よりも大きいときには水相と誘引液相とに相分離した状態にあることを特徴とする、誘引液相を収容するための第１の室と、水相を収容するための第２の室と、前記第１の室と前記第２の室との間に介在する浸透膜とを備える浸透圧発生器内の浸透圧差により生じる液体の流れでタービンを稼働させて発電する循環型浸透圧発電システムにおいて使用するための作業媒体。
【請求項２】
前記温度が２５℃であることを特徴とする請求項１に記載の作業媒体。
【請求項３】
前記混合液中の水または誘引液の濃度が７重量％以下のときには、液−液相互溶解した２成分混合液の状態にあり、前記濃度が７重量％よりも大きいときには水相と誘引液相とに相分離した状態にあることを特徴とする請求項１または２に記載の作業媒体。
【請求項４】
前記第１の室が前記第２の室の上方に位置し、前記誘引液の比重が１．１以上であることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の作業媒体。
【請求項５】
前記誘引液がハロゲン化合物であることを特徴とする請求項４に記載の作業媒体。
【請求項６】
前記ハロゲン化合物がフッ素化合物または２，２，３，３，３−ペンタフルオロ−１−プロパノールであることを特徴とする請求項５に記載の作業媒体。
【請求項７】
下部臨界温度を有することを特徴とする請求項１〜３に記載の作業媒体。
【請求項８】
前記誘引液が、２−ブトキシエタノールと２，２，３，３，３−ペンタフルオロ−１−プロパノールとの混合液であり、２，２，３，３，３−ペンタフルオロ−１−プロパノールは相制御剤として、２−ブトキシエタノールの相転移温度を変更するための量で含まれていることを特徴とする請求項７に記載の作業媒体。
【請求項９】
前記相制御剤により、前記水と前記誘引液との混合液の下部臨界温度が下方制御されていることを特徴とする請求項８に記載の作業媒体。
【請求項１０】
作業媒体を利用して発電する循環型浸透圧発電システムであって：
水と誘引液とを含み、温度および気圧が５℃〜３５℃および１気圧の条件下で、前記混合液中の水または誘引液の濃度が１０重量％以下のときには、液−液相互溶解した２成分混合液の状態にあり、前記濃度が１０重量％よりも大きいときには水相と誘引液相とに相分離した状態にあることを特徴とする作業媒体；
処理容器と、前記処理容器内を第１の室と第２の室とに区画する浸透膜と、前記第１の室が位置する前記処理容器に設けられ前記誘引液相液が流入する第１の流入口と、前記第２の室が位置する前記処理容器に設けられ前記水相液が流入する第２の流入口と、前記第１の室が位置する前記処理容器に設けられ、前記第１の室内の液体が流出する流出口とを備える浸透圧発生器；
前記浸透圧発生器の前記第１の室から前記流出口を通して流出した当該液体の流れで発電するタービン；
前記タービンを稼働した前記液体を収容するタンク；
前記タンクから流出した前記液体を水相と誘引液相とに相分離する分離塔；
分離された当該誘引液相液を前記第１の流入口に送る第１の送液ライン；および
分離された当該水相液を前記第２の流入口に送る第２の送液ライン；
を具備するシステム。
【請求項１１】
前記作業媒体の温度に関する条件が、２５℃である請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記作業媒体は、前記誘引液中の前記水の濃度が７重量％以下のときには液−液相互溶解した２成分混合溶液の状態にあり、前記濃度が７重量％よりも大きいときには水相と誘引液相とに相分離した状態にあることを特徴とする請求項１０または１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記第１の室が前記第２の室の上方に位置し、前記誘引液の比重が１．１以上であることを特徴とする請求項１０〜１２の何れか１項に記載のシステム。
【請求項１４】
前記第１の送液ラインと、前記第１の室から前記タービンに向う前記液体の流れとの間に架設された圧力交換機を更に具備する請求項１０〜１３の何れか１項に記載のシステム。
【請求項１５】
作業媒体を循環して発電する浸透圧発電方法であって：
前記作業媒体が、水と誘引液とを含み、温度および気圧が５℃〜３５℃および１気圧の条件下で、前記誘引液中の前記水または誘引液の濃度が１０重量％以下のときには液−液相互溶解した２成分混合溶液の状態にあり、前記濃度が１０重量％よりも大きいときには水相と誘引液相とに相分離した状態にあることを特徴とし、
当該方法が、
（１）浸透膜を介在させて配置した当該水相液と当該誘引液相液との浸透圧差により、前記水相液の一部分が前記浸透膜を通過し、それによって液体の流れを生じさせることと、
（２）前記液体の流れでタービンを稼働させて発電することと、
（３）前記タンクから流出した前記液体を水相と誘引液相とに相分離することと、
（４）前記相分離によって得られた当該水相液と当該誘引液相液を浸透膜に向けて送ることと、
を含む方法。
【請求項１６】
前記作業媒体の温度に関する条件が、２５℃である請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記作業媒体は、前記誘引液中の前記水または誘引液の濃度が７重量％以下のときには液−液相互溶解した２成分混合溶液の状態にあり、前記濃度が７重量％よりも大きいときには水相と誘引液相とに相分離した状態にあることを特徴とする請求項１５または１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記（１）において、前記浸透膜を介在させて前記誘引液相液は、前記水相液の上方に配置され、前記誘引液の比重が１．１以上であることを特徴とする請求項１５〜１７の何れか１項に記載の方法。
【請求項１９】
水と誘引液とを含み、且つ第１の温度区と第２の温度区とを区分する当該臨界温度で、第１の相と第２の相とに相転移し、前記第１の温度区では、当該水と当該誘引液とが液−液相互溶解した２成分混合溶液の状態にあり、当該第２の温度区では、当該水と当該誘引液とが相分離した状態にある、臨界温度を有する作業媒体を用いて、当該誘引液相液を収容するための第１の室と、当該水相液を収容するための第２の室と、前記第１の室と前記第２の室との間に介在する浸透膜とを備える浸透圧発生器内の浸透圧差により生じる液体の流れでタービンを稼働させて発電する循環型浸透圧発電システムにおいて、前記誘引液に、前記誘引液と相互溶解する相制御剤を含ませることによって、当該作業媒体の相を制御することを特徴とする、作業媒体の相制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、循環型浸透圧発電のための作業媒体、循環型浸透圧発電システムおよび方法、並びに作業媒体の相制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
低い濃度の溶液と高い濃度の溶液とを浸透膜で隔離すると、低い濃度の溶液の溶媒は、浸透膜を透過して高い濃度の溶液側に移動する。この溶媒が移動する現象を利用することにより、タービンを回して発電する浸透圧発電装置が知られている。
【０００３】
浸透圧発電装置には、閉じた系において作業媒体を循環させて発電する循環型浸透圧発電装置がある。例えば、作業媒体として炭酸アンモニウム水溶液を利用する発電装置が知られている。この装置では、互いに濃度の異なる２種類の炭酸アンモニア水溶液の間の浸透圧差により生じる水流がタービンを回す。タービンを回した後の炭酸アンモニウム水溶液は、再利用のために加熱され、炭酸ガスおよびアンモニアガスと、非常に濃度の低い炭酸アンモニウム水溶液とに分離される。分離させた炭酸ガスおよびアンモニアガスは再度水に導入される。そして、この導入によって濃度の高い炭酸アンモニウム水溶液が得られる。こうして得られた濃度の異なる２種類の炭酸アンモニウム水は、共に再循環されて発電のために使用される。
【０００４】
炭酸アンモニウムは、その１００ｇが１００ｍＬの水に常温で溶けるほど溶解性が良い。そのため、海水（３．５Ｗｔ％）から真水を吸引できるほどの浸透圧を得ることができる。その後、僅か６０℃で分解し、炭酸ガスとアンモニアガスになる。炭酸アンモニウム水を使用する浸透圧発電装置では、正浸透圧で加圧した炭酸アンモニウム水溶液をタービンに送り発電する。その圧力は２５０気圧も可能で、海水の浸透圧を利用した浸透圧発電の約１０倍の圧力といわれている。
【０００５】
一方で、炭酸アンモニウムを用いた正浸透圧を利用した発電では、有毒で腐食性のアンモニアガスの発生による系内の劣化が、運転コストに大きく影響する。また炭酸アンモニウムは析出し易く、例えば、６Ｍで用いた場合には５０℃未満で直ちに析出するため、浸透膜付近の温度の低下が起こった場合には、析出した結晶が浸透膜を傷つけるリスクがある。これは、室温でメンテナンスを行う際などには特に起こり得るリスクである。析出のリスクを減少するには、低い濃度での運転が余儀なくされ、その結果、十分な浸透圧を得ることが難しくなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表２０１０−５０９５４０号公報
【特許文献２】国際公開第２００５／０１７３５２号
【特許文献３】米国特許出願公開第２０１０／００２４４２３号明細書
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Jeffrey R.McCutcheona et al． “A novel ammonia-carbon dioxide forward (direct) osmosis desalination process ”Desalination 174 (2005) 1-11
【非特許文献２】R.L.McGinnis et al. "A novel ammonia-carbon dioxide osmotic heat engine for power generation" Science 305 (2007) 13-19
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明が解決しようとする課題は、低コストで運転可能な循環型浸透圧発電システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
実施形態の循環型浸透圧発電用作業媒体は、水と誘引液とを含む混合液であり、温度および気圧が５℃〜３５℃および１気圧の条件下で、前記混合液中の水または誘引液の濃度が１０重量％以下のときには、液−液相互溶解した２成分混合溶液の状態にあり、前記濃度が１０重量％よりも大きいときには水相と誘引液相とに相分離した状態にある。この作業媒体は、誘引液相液を収容するための第１の室と、水相液を収容するための第２の室と、前記第１の室と前記第２の室との間に介在する浸透膜とを備える浸透圧発生器内の浸透圧差により生じる液体の流れでタービンを稼働させて発電する循環型浸透圧発電装置において使用するためのものである。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施形態に係る浸透圧発電装置を示すブロック図。
【図２】作業媒体の１例の相図。
【図３】作業媒体の１例の相図。
【図４】作業媒体の１例の相図。
【図５】作業媒体の１例の相図。
【図６】作業媒体の１例の相図。
【図７】浸透圧発生器の１例の内部状態を示す模式図。
【図８】実施形態の浸透圧発電システムの１例を示す略図。
【図９】実施形態の浸透圧発生器の１例の断面図。
【図１０】実施形態の浸透圧発電システムの１例を示す略図。
【図１１】実施形態の浸透圧発電システムの１例を示す略図。
【図１２】実施形態の浸透圧発電システムの１例を示す略図。
【図１３】実施形態の浸透圧発生器の１例を示す図。
【図１４】シリンジ試験装置を示す図。
【図１５】シリンジ試験の結果を示す模式図。
【図１６】シリンジ試験の結果を示すグラフ。
【図１７】相制御試験の結果を示すグラフ。
【図１８】相制御試験の結果を示すグラフ。
【図１９】相制御試験の結果を示すグラフ。
【図２０】相制御試験の結果を示すグラフ。
【図２１】相制御試験の結果を示すグラフ。
【図２２】参考用の相図。
【図２３】相制御試験の結果を示すグラフ。
【図２４】相制御試験の結果を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
１．循環型浸透圧発電用作業媒体
実施形態の循環型浸透圧発電用作業媒体は、循環型浸透圧発電装置において使用するための作業媒体である（以下「作業媒体」とも記す）。
【００１２】
まず、循環型浸透圧発電システムの１例について図１を参照しながら説明する。図１は、循環型浸透圧発電システムのブロック図である。浸透圧発電装置１００ａは、浸透圧発生器１と、タービン２と、タンク３と、分離塔４とを備える。浸透圧発生器１、タービン２、タンク３および分離塔４は、この順番で接続されループを構成している。作業媒体は、浸透圧発生器１、タービン２、タンク３および分離塔４で構成されるループを循環する。
【００１３】
実施形態の作業媒体は、水と誘引液とを含む２成分系の混合溶液である。そしてこの作業媒体は、温度および／または作業媒体中の水と誘引液との割合に依存して、第１の相と第２の相とに相転移する。作業媒体の第１の相は、水と誘引液とが液−液相互溶解した２成分混合溶液の状態である。言い換えれば、第１の相では、作業媒体は、誘引液と水とが互いに溶解している均一な一相の液体である。作業媒体の第２の相は、水と誘引液とが二相に相分離した状態である。この作業媒体を図１の循環型浸透圧発電システムで使用する場合には、二相に相分離した状態にある作業媒体について、水相の液（即ち、水相液）と誘引液相の液（即ち、誘引相液）を浸透膜を介して浸透圧発生器１内部に収容する。浸透圧発生器１の内部では、水と誘引液との間の浸透圧差により、液体の流れが生じる。この流れをタービン２に送り、タービン２を稼働し（または回転させ）発電する。タービン２を稼働させた後の液体は、タンク３に送られ、更に分離塔４に送られる。分離塔４で放置することにより当該液体は水相と誘引相とに相分離する。これにより作業媒体は再生される。相分離により得られた水相液と誘引相液を浸透圧発生器１に送り、上記と同じ操作を繰り返して連続して発電を行う。また、この循環において分離塔４での分離を速やかに行うためにタンク３が配置されている。タービン２を稼働した後の液体は、既に分離塔４で行われている分離工程を妨げないように、一旦、タンク３に収容される。
【００１４】
次に、実施形態の作業媒体について更に説明する。作業媒体は臨界濃度を有する。即ち、作業媒体は、温度および気圧が５℃〜３５℃および１気圧の条件下で、作業媒体中の水または誘引液の濃度が１０重量％以下のときには、液−液相互溶解した２成分混合溶液の状態にあり、この濃度が１０重量％よりも大きいときには水相と誘引液相とに相分離する。即ち、１気圧の条件下で、５℃〜３５℃の何れかの温度において、作業媒体中の水または誘引液の濃度が１０重量％以下のときには、液−液相互溶解した２成分混合溶液の状態にあり、前記濃度が１０重量％よりも大きいときには水相と誘引液相とに相分離すればよい。混合液中の水または誘引液の濃度が１０重量％以下であるということは、作業媒体を主に構成する何れか一方の成分、即ち、水または誘引液の何れか一方の濃度が１０重量％であることを示す。ここでいう「濃度」とは「重量パーセント濃度」のことを示す。溶媒中に溶質を含む溶液についての重量パーセント濃度は、式（１）で示される。
【００１５】
重量パーセント濃度＝「溶質」／「溶質＋溶媒」×１００      式（１）
「水または誘引液の濃度が１０重量％以下である」ということは、例えば、水と誘引液とを含む混合液中（即ち、作業媒体中）、水を溶質とし、誘引液を溶媒としたときには、水の濃度が１０重量％以下であればよい。同様に、例えば、水と誘引液とを含む混合溶中（即ち、作業媒体中）、誘引液を溶質とし、水を溶媒としたときには、誘引液の濃度が１０重量％以下であればよい。換言すれば、濃度は、作業媒体１００ｇ中の水または誘引液の何れかの重量で示されればよく、単位は「重量％」または「Ｗｔ％」である。
【００１６】
好ましくは、作業媒体は、温度および気圧が２５℃および１気圧の条件下で、作業媒体中の水または誘引液の濃度が１０重量％以下のときには、液−液相互溶解した２成分混合溶液の状態にあり、当該濃度が１０重量％よりも大きいときには水相と誘引液相とに相分離する。更に好ましくは、作業媒体は、温度および気圧が２５℃および１気圧の条件下で、作業媒体中の水または誘引液の濃度が７重量％以下のときには、液−液相互溶解した２成分混合溶液の状態にあり、当該濃度が７重量％よりも大きいときには水相と誘引液相とに相分離する。
【００１７】
このような作業媒体に含まれる誘引液の例は、作業媒体が形成された際に臨界濃度を有する液体化合物であればよい。「臨界濃度有する」とは、ある特定の濃度を境界として、その濃度のよりも高濃度域と低濃度域で異なる相を示すことをいう。換言すれば、臨界温度とは、そのような臨界濃度を境界にして第１の相と第２の相に相転移する濃度である。そして実施形態に従う作業媒体は、従来よりも低い温度帯に臨界濃度を有することが好ましい。
【００１８】
好ましい臨界濃度を有する作業媒体のための誘引液は、例えば、低水相溶性の液体化合物である。低水相溶性の液体化合物は、僅かな量または少量であれば水と相溶する液体であり、例えば、有機溶媒および高分子化合物などであってよい。有機溶媒は、例えば、ハロゲン化合物およびクロロホルムなどであってよい。ハロゲン化合物は、例えば、フッ素化合物、塩素化合物、臭素化合物およびヨウ素化合物などであってもよく、例えば、２，２，３，３，３−ペンタフルオロ−１−プロパノール（2,2,3,3,3-pentafluoro-1-propanol、以下「ＰＦ１Ｐ」と記載する）およびクロロホルムは好ましい誘引液であり、ＰＦ１Ｐはより好ましい誘引液である。
【００１９】
例えば、水と２，２，３，３，３−ペンタフルオロ−１−プロパノール（ＰＦ１Ｐ）との混合液は、濃度変化によって相転移する。その相図を図２に示す。図２の縦軸は温度であり、横軸は水の濃度を重量％（図中「Ｗｔ％」と記す）で示した。この相図は、所定の混合比でＰＦ１Ｐと真水とを含む混合液を試験管にそれぞれ入れ、水浴中で加温し、混合溶を昇温させ、それぞれの温度における混合具合を目視により観察した結果である。ある温度で完全に混ざりあい透明になった状態から、更に冷却し、再び昇温し、混合具合を確かめた。また、ＰＦ１Ｐは沸点が８１℃なので、グラフの上限は８０℃とした。水の割合が８０重量％（図中「Ｗｔ％」と記す）では、これ以上に熱しても完全透明に混合することはなかった。従って、測定温度範囲は２２℃〜８０℃とした。
【００２０】
この実験により得られたデータから、ＰＦ１Ｐと水の混合液の模式的な相図を図３に示した。まず、一定の温度のときの組成、即ち、各成分の濃度と相の関係から図３を説明する。水とＰＦ１Ｐとの混合液は、１気圧２５℃では、水とＰＦ１Ｐとの混合比が約７：約９３または約９３：約７のときが臨界濃度である。即ち、水またはＰＦ１Ｐが７重量％以下で作業媒体に含まれるときには、水またはＰＦ１Ｐは、完全に混ざりあい透明な状態となる（図中「1 phase」と示す）。この状態が、液−液相互溶解した２成分混合溶液の状態である。一方、水またはＰＦ１Ｐが７重量％よりも大きい濃度で作業媒体に含まれるときには、それらは互いに溶解し合うことなく二相に相分離して存在する（図中「2 phase」と示す）。これは、５℃〜３５℃および１気圧において、作業溶媒中の水または誘引液の何れかの濃度が１０重量％以下のときに、液−液相互溶解した２成分混合溶液の状態にあり、１０重量％よりも大きいときには水相と誘引液相とに相分離した状態にある１つの例である。
【００２１】
次に、一定の組成としたときの温度変化の相に対する影響を説明する。例えば、水とＰＦ１Ｐとの混合比が７：９３のときには、２５℃よりも低い温度では、作業媒体は二相の状態にあり、２５℃よりも高い温度では一相の状態にある。即ち、この混合比の場合、２５℃が臨界温度である。
【００２２】
実施形態により好ましい作業媒体は、常温（５℃〜３５℃）または室温で二相に分離するものが好ましく、さらに一相領域の範囲が二相領域に比べて小さいものが好ましい。ここで、一相領域とは、相図において、作業媒体が液−液相互溶解した一相の２成分混合溶液の状態で存在できる領域のことであり、二相領域とは、相図において、作業媒体が二相の液体に相分離した状態で存在する領域のことである。より好ましい作業媒体の相図を図４に示した。図４の相図は、７Ｗｔ％を臨界濃度として、それよりも小さい濃度の場合には何れの温度の場合においても一相領域であり、それよりも大きい濃度の場合には何れの温度の場合においても二相領域である。また、図４に示すような相図をもつ水と誘引液との混合系では、相溶する割合は非常に小さく、一方の濃度が７重量％を超えれば分離が始まる。従って効率よく分離を行うことが可能であり、従来よりも低い温度で分離が可能である。従って、作業媒体の再生は、静置することにより達成されるため、これを用いる循環型浸透圧発電装置の製作コストおよび運転コストをと共により低く抑えることができる。
【００２３】
また、上部臨界温度および下部臨界温度を有する作業媒体も好ましく使用することができる。図５は、下部臨界温度を有する作業媒体の理想的な１例の相図である。図５に示すように、このような作業媒体では、一相領域と二相領域との境界線が、一方の成分の濃度が７Ｗｔ％付近となる濃度に存在する。また、図５に示すような相図をもつ水と誘引液との混合系では、水と誘引液とが相溶する領域の割合は非常に小さい。即ち、図５のグラフにおいて二相領域（図中「2 phase」）よりも一相領域（図中1 phase）の方がその面積が小さい。そして一方の濃度が７％を超えれば分離が始まる。従って効率よく分離を行うことが可能であり、また、従来よりも低い温度で分離が可能であるためにコストをより低く抑えることができる。
【００２４】
また、好ましい臨界濃度を有する作業媒体のための誘引液は、複数の化合物の混合物あってもよい。例えば、水に対して相溶性がある、または水に対して相溶性が高い物質であっても、相制御剤を添加することにより、その相図を変更することが可能である。それにより、低水相溶性を与えることが可能なる。そのようにして得られた誘引液も、低水相溶性の液体物質であり、且つそれは僅かな量または少量であれば水と相溶する液体である。
【００２５】
相制御剤は、誘引液として使用されるべき化合物に対して相互溶解する化合物であればよい。特定の化合物に対して、所望する相を与えることができる物質であれば何れの物質であってもよい。得られる相制御剤として含ませることによって、当該作業媒体の相を制御する。例えば、そのような相制御剤の例は、２，２，３，３，３−ペンタフルオロ−１−プロパノール（ＰＦ１Ｐ）、１−ブロモプロパン（１ＢＰ）およびエタノールである。これらの相制御剤を加える誘引液の例は、例えば、２−ブトキシエタノール（２ＢＥ）水溶液およびトリブロモエタノール（ＴＢＥ）などである。２−ブトキシエタノール（２ＢＥ）水溶液に対してＰＦ１Ｐを加えると、水との混合液において、下部臨界温度が下降、即ち、下方制御され、また一相領域が狭まり、二相領域が拡大される。トリブロモエタノール（ＴＢＥ）にエタノールを加えると、水との混合液において、ＴＢＥの析出傾向が制限され、また一相領域と二相領域とを規定する上部臨界温度を有する相が得られる。このように相制御剤の添加により相制御を受けた混合溶液は、好ましく誘引液として使用できる。
【００２６】
例えば、２−ブトキシエタノール（２ＢＥ）にＰＦ１Ｐを１０Ｗｔ％の濃度で添加した例を示す。図６（ａ）は、２ＢＥに対してＰＦ１Ｐを１０Ｗｔ％混合し、この混合物を水に混ぜて作業媒体を作製して得られた相図である。図６（ｂ）は、２ＢＥと水との混合液を作業媒体とした場合の相図であり、図６（ａ）と図６（ｂ）を比較してみると、下部臨界温度が下方制御、即ち、低い温度に変更されており、且つ二相領域が拡大され、一相領域が狭くなっている。
【００２７】
２ＢＥは以下に説明するように浸透圧発電用の作業媒体としての優れた性質を有している。例えば、２ＢＥを作業媒体として使用した場合、モル分率０．１の濃度で回収した混合液を７５℃にするということは、図６（ｃ）に示される水平線の位置まで昇温することである。そして、この温度における作業媒体中の一方の成分の濃度は、グラフ中の７５℃の水平線からグラフの横軸（相分離線）に垂線として下された右側の矢印で示される。これは、即ち、相分離線との交点にある数値（モル分率）であり、この数値は、濃厚溶液側のモル分率を表す。また、７５℃における作業媒体中の他方の成分の濃度は、グラフ中７５℃の水平線からグラフの横軸（相分離線）に垂線として下された左側の矢印で示される。これは、即ち、相分離線との交点にある数値（モル分率）である。図６（ｃ）の例では、右側の交点のモル分率は０．１８であり、重量％に直すと５９Ｗｔ％の２ＢＥ水溶液が得られることがわかる。そして水を基準にした場合は、左側の交点のモル分率が２ＢＥのモル分率であり、ここでは０．０２のモル分率（１２Ｗｔ％）の２ＢＥを含む溶液として得られる。分離後のそれぞれの溶液の液重量は「てこの法則」により図から読み取ることができる。分離した液のそれぞれの量をａおよびｂ（ｇ）とすると、ａ（０．１−０．０２）＝ｂ（０．１８−０．１）であり、よってａ（０．０８）＝ｂ（０．０８）となり、ａ＝ｂとなる。従って、分離された液は、この場合偶然同じ重量であることが分かる。この相図の相の境界線のところで回収された液の濃度は、５９Ｗｔ％と１２Ｗｔ％なので、計算上の浸透圧を示す表１から明らかであるように、その差圧は９７気圧にもなる。したがって、出力は海水の場合の３．３倍にもなると期待される。
【表１】
2015161280.tif 000003
【００２８】
分離するための熱源温度が７０℃以下の場合に得られる差圧を見積もると、図６（ｄ）のように、温度が降下するに従って、特定の温度に引かれる水平線の両端により規定される濃度差が次第に小さくなる。そして、その温度差がなくなるのが５０℃であり、その温度が二相分離のほぼ限界であることが分かる。濃度差が狭くなることを考慮し、算出した浸透圧差圧のグラフが図６（ｅ）である。グラフに示される通り、５０℃においても５０気圧の差がある。この値は、通常の河川水と海水を使った浸透圧発電より有利な値である。しかしながら、このような相図の作業媒体では、通常、５０℃以下では浸透圧発電には使用することはできない。
【００２９】
しかしながら、上述したように、例えば、２−ブトキシエタノール（２ＢＥ）にＰＦ１Ｐを１０Ｗｔ％の濃度で添加すれば、室温においても相分離が可能となる。このような相制御剤を用いて製造された２ＢＥと水とを含む作業媒体は、臨界濃度を有しており、好ましく実施形態の作業媒体として使用できる。例えば、水中の２ＢＥの濃度が１０重量％を超えれば分離が始まる。従って効率よく分離を行うことが可能であり、また、従来よりも低い温度で分離が可能であるためにコストをより低く抑えることができる。このように、上述のような高い浸透圧差圧を有する２−ブトキシエタノールを、より有利な効果を有する作業媒体として使用することが可能になる。
【００３０】
このような相制御剤を使用する相制御方法も、更なる実施形態として提供されてもよい。相制御方法は、誘引液として使用されるべき化合物に対して相互溶解する化合物を、誘引液に含ませることを含めばよい。それにより、水と誘引液とを含む作業媒体のために使用できる化合物の種類や作業媒体の組成を増やすことが可能となる。それにより、所望に応じて、また所望の作用を有する作業媒体を提供することが可能となる。それにより、低コストで運転可能な循環型浸透圧発電システムを提供することが可能となる。
【００３１】
また、上述した何れの作業媒体についても、その比重は、水の比重に比べて大きい方が好ましい。例えば、作業媒体の比重は、１．１以上、好ましくは１．５以上である。このような比重の作業媒体を使用することにより水の浸透膜の通過効率が向上する。図７を用いて更に説明する。図７（ａ）および（ｂ）は浸透圧発生器１の模式図である。容器２１は第１の室２２と第２の室２３と、これらの室を区画する浸透膜２４を備える。第１の室２２は、第２の室２３の上方に配置される。第１の室２２には、誘引液２５が収容され、第２の室２３には水２６が収容される。この構成において誘引液２５は、好ましくは１．１以上、より好ましくは、１．５以上の比重を有し、且つ低水相溶性を有する液体であることが好ましい。第２の室２３に収容された水２６は、浸透膜２４を通過して第１の室２２に移動する。水２６の移動が開始されてからある時期までは、移動した水２６は図７（ａ）に示すように界面を生じることなく上層付近に集まっていると考えられる。そして、しばらく静置すると、図７（ｂ）に示すように界面２７が生じ、二相に相分離する。
【００３２】
低水相溶性の液体と水とを浸透膜を介在させて互いに接触させた場合に、水が低水相溶性の液体に吸引されるという知見は新たな発見である。低水相溶性の液体は、微量または少量の水のみと相溶する液体である。このような構成により、第２の室２３から第１の室２２への水の移動は良好に維持され、その結果、効率よく浸透圧発電を行うことが可能になる。後述において証明する通り、このような構成の実施形態により、飛躍的に効率的な水の移動を可能にし、高い浸透圧差を維持できる。
【００３３】
実施形態の作業媒体は、再生に加熱を必要としない、またはより低い温度に加熱するだけで再生が可能である。従って、室温や常温などのより低い温度で循環型浸透圧発電装置を稼働することできるので、低コストでの運転が可能になる。また、浸透膜を通過して効率的に水を移動することが可能である。即ち、再生のための分離塔の構成をより単純にすることが可能である。このような作業媒体により、低コストで運転可能な循環型浸透圧発電システムを提供することが可能となる。
【００３４】
２．循環型浸透圧発電方法
循環型浸透圧発電方法は、作業媒体を循環して発電する浸透圧発電方法である。当該方法において使用される作業媒体は上述した通りである。当該方法は、浸透膜を介在させて配置した水相液（または水）と誘引液相液（または誘引液）との浸透圧差により、水相液（または水）の一部分が浸透膜を通過することにより、混合液の流れを生じさせることと、生じた流れでタービンを稼働させて発電することと、タービンを稼働させた後の混合液を水相と誘引液相とに相分離することと、相分離によって得られた水相液と誘引液相液を浸透膜に向けて送ることと、を含む。そして、浸透膜に向けて送られた水相液と誘引液相液との間の浸透圧差により、更にタービンを回す。このように当該方法は、作業媒体を再生しながら発電を繰り返す、または継続して発電を行う方法である。このような方法おいて、上述の通りの作業媒体を使用することにより、低コストで運転可能な循環型浸透圧発電システムを提供することが可能となる。ここで、水と誘引液とが浸透膜を介在させて配置されるという状況は、例えば、循環型浸透圧発電システムにおいて、循環型浸透圧発電方法を開始する際の初期状態として浸透膜を挟んで水と誘引液とを配置する際にみられる。例えば、この場合、循環型浸透圧発電方法を開始する際の初期状態として、水と誘引液が浸透膜を介して配置されればよい。その場合、初期状態に続き、浸透圧差による液体の流れを生じさせ、その流れによりタービンを稼働することが行われればよい。また別の態様では、循環型浸透圧発電方法を開始する際の初期状態として、液−液相互溶解した２成分混合溶液を用いてもよい。その場合、初期状態に続き、相分離工程が行われればよい。更なる態様においては、循環型浸透圧発電方法を開始する際の初期状態として、水相液と誘引液相液が浸透膜を介して配置されてもよい。その場合、初期状態に続き、浸透圧差による液体の流れを生じさせ、その流れによりタービンを稼働することが行われればよい。
【００３５】
３．循環型浸透圧発電システム
図８〜１１を用いて、実施形態に従う循環型浸透圧発電システムの例について説明する。図８は循環型浸透圧発電システムの略図である。
【００３６】
循環型浸透圧発電システム１００は、浸透圧発電装置１００ａと、浸透圧発電装置１００ａを循環する作用媒体とを備える。浸透圧発電装置１００ａは、浸透圧発生器１と、タービン２と、タンク３と、分離塔４と、浸透圧発生器１とタービン２とを接続するパイプライン１０１ａと、タービン２とバッファータンク３とを接続するパイプライン１０１ｂと、タンク３と分離塔４とを接続するパイプライン１０１ｃと、パイプライン１０１ｃに介装された開閉弁１０２ａと、分離塔４と浸透圧発生器１の第１の室７ａおよび第２の室７ｂとをそれぞれ接続するパイプライン１０１ｄおよびパイプライン１０１ｅと、分離塔４側からこの順番でパイプライン１０１ｄに介装された開閉弁１０２ｂ、タンク１０３ａおよびポンプ１０４ａと、分離塔４側からこの順番でパイプライン１０１ｅに介装された開閉弁１０２ｃ、タンク１０３ｂおよびポンプ１０４ｂとを備える。
【００３７】
ここで、図９の断面図を用いて浸透圧発生器１の内部の構造について説明する。浸透圧発生器１は、処理容器５と浸透膜６とを備える。浸透膜６は、その周囲を処理容器５の内側壁面に固定されて配置され、処理容器５内を第１の室７ａと第２の室７ｂとに区画している。処理容器５において、第１の室７ａは、第２の室７ｂの上方に配置される。第１の室７ａに位置する処理容器５には、第１の流入口８ａが開口している。第１の流入口８ａには、分離塔４で分離された誘引相液９ａ（または誘引液）が流入する。第２の室７ｂに位置する処理容器５には、第２の流入口８ｂが開口している。第２の流入口８ｂには、分離塔４で分離された水相液９ｂ（または水）が流入する。第１の室７ａに位置する処理容器５には、第１の流入口８ａに対向する位置に流出口１０が開口している。浸透膜６を通過する液体（水）の流れる方向は、図中矢印で示すように、下方から上方、即ち、第２の室７ｂから第１の室７ａに向う方向である。流出口１０は、パイプ１０１ａに接続されている。流出口１０からは、第２の室７ｂから第１の室７ａへ浸透膜６を透過して移動した水相液の一部と、第１の室７ａに収容されている誘引相液との混合液が流出する。水相液の一部が浸透膜６を透過して第２の室７ｂから第１の室７ａへ移動することによって、第１の室７ａの水圧が高まり、流出口１０からの流束（即ち、液体の流れ）が生じる。この流束がタービン２を回して発電する。
【００３８】
浸透圧発生器１に用いる浸透膜６は、作業媒体として用いる液体、例えば有機溶媒により害されないものであれば、商業的に手に入るものを使用することができる。浸透膜６として、例えば、酢酸セルロース膜、ポリアミド膜などが用いられてよい。また浸透膜６は、正浸透膜であっても逆浸透膜であってもよいが、好ましい浸透膜６は正浸透膜である。処理容器９は、作業媒体を収容することに適した材質により構成されればよい。また、処理容器９は、密閉性のある容器、即ち、密閉処理容器であってもよい。
【００３９】
流出口１０から流出した混合液は、パイプライン１０１ａを通りタービン２に送られる（図８）。送られた混合液による流束が、タービン２を回転して発電する。
【００４０】
タービン２を回して発電した後の混合液は、パイプライン１０１ｂによりタンク３に送られる。タンク３は、混合液を一時的に収容する。タンク３は、パイプライン１０１ｃを介して分離塔４と接続されている。パイプライン１０１ｃには開閉弁１０２ａが介装されている。分離塔４における作業媒体の相分離および分離塔４からの送液を行っているときには、開閉弁１０２ａを閉じておく。分離塔４に混合液を流入する際には、開閉弁１０２ａを開ける。
【００４１】
分離塔４には、タンク３から流出する混合液が流入する流入口と、二相に分離した液体をそれぞれ流出する２つの流出口とが設けられている。混合液を分離塔４において相分離している間、開閉弁１０２ａを閉めておき、分離塔４に液体が流入しないようにする。これにより、相分離は促進される。
【００４２】
分離塔４において混合液の分離が終了した後、二相に相分離した液体はそれぞれ分離塔４から流出されて、パイプライン１０１ｄおよびパイプライン１０１ｅにそれぞれ送られる。その後、開閉弁１０２ａを開き、タンク３に収容した混合液を分離塔４に流入させる。混合液が分離塔４に十分な量流入した後、開閉弁１０２ａを閉じる。分離塔４で上記の分離操作は、循環して発電するために繰り返される。
【００４３】
分離塔４から流出された２つの液体は、それぞれポンプ１０４ａおよび１０４ｂによって送られて、パイプライン１０１ｄとパイプライン１０１ｅを通って処理容器１の第１の室７ａと第２の室７ｂとへとそれぞれ回送される。また分離塔４中の混合液は、水相が上層へ、誘引液相が下層へと移動した後に相分離する。誘引液相液は開閉弁１０２ｂを開放することによりタンク１０３ａに送られ一時的に収容される。水相液は開閉弁１０２ｃを開放することによりタンク１０３ｂに送られ一時的に収容される。この時点で、既に作業媒体は再度使用できる状態に再生されている。その後、タンク１０３ａに収容された誘引液相は、ポンプ１０４ａにより送られてパイプライン１０１ｄを通り、浸透圧発生器１の第１の室７ａに送られる。水相液は、ポンプ１０４ｂによってタンク１０３ｂから送られ、パイプライン１０１ｅを通り、浸透圧発生器１の第２の室７ｂに送られる。
【００４４】
このように作業媒体が、浸透圧発電装置１００ａを循環することにより、循環型浸透圧発電システムは継続して発電する。
【００４５】
循環型浸透圧発電システムは、更に、第２の室７ｂと分離塔４とを接続するパイプラインを備えてもよい。そのような実施形態の１例を図１０に示す。図１０に示した循環型浸透圧発電システム２００は、循環型浸透圧発電システム１００に更に、第２の室７ｂと分離塔４とを接続するパイプライン１０１ｆおよび開閉弁１０２ｄを備える。それ以外は、循環型浸透圧発電システム１００と同様の構成を備えてもよい。
【００４６】
この循環型浸透圧発電システム２００においては、浸透圧発生器１の第２の室７ｂに位置する処理容器５に更なる流出口が設けられ、且つ分離塔４が更なる流入口を有する。第２の室７ｂの流出口と分離塔４の更なる流入口とは、パイプライン１０１ｆにより連絡されている。これにより、第２の室７ｂから第１の室７ａに移動しなかった液体の一部が、第２の室７ｂの流出口から排出される。こうすることにより、浸透膜６を透過することなく水相に残っている溶質（即ち、誘引液）が第２の室７ｂにおいて蓄積されるのを防ぎ、それにより第２の室７ｂに存在する液体中の誘引液の濃度が高くなることを防ぐ。このように第２の室７ｂに位置する処理容器１に流出口を設け、液体を排出することによって、第２の室７ｂ側に存在する水相と第１の室７ａ側に存在する誘引液相との浸透圧差が減少するのを防ぐことが可能となる。或いは、第２の室７ｂに誘引液が蓄積することも防止する。更には、第２の室７ｂ内で水相に溶解しきれなくなった誘引液が析出して浸透膜６を害することも防止できる。
【００４７】
また更に、パイプライン１０１ｆに開閉弁１０２ｄが介装され、このような第２の室７ｂの流出口から流出した液体が、開閉弁１０２ｄを開いた状態でパイプ１０１ｆを通過し、後に説明する分離塔４へ流入されることが好ましい。
【００４８】
また、この循環型浸透圧発電システム２００は、第２の室７ｂ側からこの順番でパイプライン１０１ｆに介装された更なる開閉弁とタンクとを備えることも好ましい（図示せず）。これにより、分離塔４の作動状況に応じて、一時的に第２の室７ｂからの液体が貯留できる。
【００４９】
また、図８に示した循環型浸透圧発電システム１００および図１０に示した循環型浸透圧発電システム２００が、圧力交換機または揚水機を更に備えてもよい。
【００５０】
循環型浸透圧発電システム２００が、更に圧力交換機を備えた１例を図１１に示す。圧力交換機１０５は、パイプライン１０１ａとパイプライン１０１ｄとの間で圧力を交換するためにパイプライン１０１ａとパイプライン１０１ｄとに架設される。タービン２を回転させる液体の流束は、第１の室７ａ内の液体と第２の室７ｂの液体との間の浸透圧差のみならず、パイプライン１０１ｄから第１の流入口８ａを通り第１の室７ａ内に流入する誘引液相液の水圧と、パイプライン１０１ｅから第２の流入口８ｂを通り第２の室７ｂに流入する水相液の水圧との差にも依存する。そのために、圧力交換機を用いてパイプライン１０１ｄ内の水圧をパイプライン１０１ａとの間で調整することにより、分離塔４内で再生されて浸透圧発生器１に再流入される際の誘引液相液の水圧と水相液の水圧との差を調整する。これにより、発電して得られる電気エネルギーを極大化することが可能となる。第１の室７ａ内に流入する誘引液相液の水圧と第２の流入口８ｂから第２の室７ｂに流入する水相液の水圧との差を調整するための圧力交換機は、所望の水圧差を得るために、何れのパイプライン間に架設されてもよい。
【００５１】
また、循環型浸透圧発電システム１００、２００および３００は、更に揚水機１４を備えてもよい。循環型浸透圧発電システム１００が更に揚水機１０６を備える１例を図１２に示した。揚水機１０６は、浸透圧発生器１とタービン２との間に、即ち、パイプ１０１ａに介装される。揚水機１０６を浸透圧発電装置１００ａに設けることによって、作業媒体の循環をより容易に行うことができる。それにより、タービン２の発電をより確かに行うことができる。揚水機１０６は、浸透圧発生器１およびタービン２が配置される位置よりも高い位置まで浸透圧発生器１からの液体を移動させて収容し、その後、その高い位置から所望の流量で液体をタービン２に向って落下させ、その落下する流束によりタービン２を回転させるものである。
【００５２】
循環型浸透圧発電システム１００、２００、３００および４００において、浸透圧発生器１として浸透圧エレメントが使用されてもよい。浸透圧エレメントとは、約１Ｌ〜約２０Ｌの容量の浸透圧発生器１である。実用に供される場合、浸透圧エレメントを複数集合させ、これらの複数の浸透圧エレメントにより生じる圧力を１つの圧力として出力する浸透圧モジュールとして使用されてもよい。浸透圧モジュールに含まれる一部分の浸透圧エレメントが使用により劣化した場合には、劣化した浸透圧エレメントのみを交換することが可能であるので、維持メンテナンスおよびコストパフォーマンスに優れている。
【００５３】
浸透圧エレメントとして提供される浸透圧発生器１の１例について図１３を参照しながら説明する。図１３（ａ）は、ユニット１ａの斜視図であり、（ｂ）は浸透膜部材の斜視図であり、（ｃ）は（ａ）のユニット１ａの線Ｌ−Ｌに沿った断面図であり、（ｄ）は複数のユニット１ａを積層して構築した浸透圧エレメント１ｂの断面図である。
【００５４】
浸透圧エレメントは、最小単位として少なくとも１つのユニット１ａを含む。浸透圧発生器１としての浸透圧エレメントは１つのユニット１ａを備えてもよく、複数のユニット１ａを備えてもよい。
【００５５】
ユニット１ａは、その両面に流路のための凹部を備える第１の基板１３０および第２の基板１３１と、浸透膜部材１３２とを備える。ユニット１ａの製造方法は、第２の基板１３１上に、浸透膜部材１３２と第１の基板１３０とをこの順番で積層し、それらを互いに接合させればよい（図１３（ａ））。浸透膜基材１３２は、浸透膜１３４と、これを支持する枠１３５とを備える（図１３（ｂ））。ユニット１ａの内部には、第１の基板１３０の一方の面の凹部と浸透膜基板１３２の一方の面とにより規定される第１の室１３６と、第２の基板１３１の一方の面の凹部と浸透膜基板１３２の他方の面とにより規定される第２の室１３７とが備えられる。第１の室１３６は、第２の室１３７の上方に配置される。ユニット１ａの長手方向に垂直に交わる一方の端面には、第１の室１３６の位置に、第１の室１３６から液体を流出するための貫通孔１３８と、第２の室１３７の位置に、第２の室１３７に水相液を流入するための貫通孔１３９とが開口している。ユニット１ａの長手方向に垂直に交わる他方の端面には、第１の室１３６の位置に、第１の室１３６に誘引液相液を流入するための貫通孔（図１３（ａ）には図示せず）と、第２の室１３７の位置に、第２の室１３７から液体を流出するための貫通孔（図１３（ａ）には図示せず）とが開口している。第１の室１３６と第２の室１３７は、浸透膜１３４により区画されている。そして、一方の端面の貫通孔から流入された誘引液相液と、対向する端面の貫通孔１３９から流入された水相液とが、浸透膜１３４を介して接触することにより浸透圧差が生じ、第２の室１３７内の水相液の一部分が浸透膜１３４を通過して第１の室１３６に移動する。この移動により、流束が生じる。この流束は、誘引液相液が流入された貫通孔に対向して配置されている貫通孔１３８から流出される。流出された液流はタービン２に送られる。
【００５６】
浸透圧エレメントは、ユニット１ａを複数備えてもよい。複数のユニット１ａを備えた浸透圧エレメントの１例の断面を図１３（ｄ）に示した。この浸透圧エレメント１ｂは、ユニット１ａを複数個積層して備える。浸透圧エレメント１ｂに含まれる複数のユニット１ａは、何れも第１の室１３６が第２の室１３７の上方に位置するように配置されている。浸透圧エレメント１ｂに含まれる複数のユニット１ａは、互いに接合されていてもよく、或いはハウジング内部に収容されて一体化されていてもよい。また、浸透圧エレメント１ｂに含まれる全てのユニット１ａから生じる複数の流束を１つに合せながらタービン２に送るように構成されてもよい。
【００５７】
浸透圧発生器１は、台、棚、架台または櫓などの支持体に固定して使用されてよい。浸透圧発生器１をそのような支持体に固定することにより、生じた圧力を効率よく使用することが可能になる。そのような固定のために、浸透圧発生器１は、その外側部に突起を備えてもよい。浸透圧発生器１を支持体に固定するためには、例えば、支持体に設けられたばね構造体により突起を抑え込むことにより行われてもよい（図示せず）。
【００５８】
このような浸透圧発生器１は、第１の室１３６および第２の室１３７の容量に対する浸透膜の面積の比が大きい。それにより、誘引液相と水相との接触面が相対的に大きくし、それによりタービン２に出力するための水圧を効率よく発生させ、また水圧を上昇することを可能にする。
【００５９】
本実施形態は、常温または従来よりも低い温度で、使用後の混合液を静置することにより２つの液体に分離して再生できる作業媒体を用いる。そのため分離操作および、分離後の液体の回送が容易であり、且つ運転コストも低く抑えることができる。また、作業媒体に関連するガスが発生しないため、分離塔４の構造を簡易なものとすることができる。また、アンモニアガスなどの浸透圧発電装置１００ａを傷ませる成分が発生しないので、装置のメンテナンスコストも低く抑えることができ、建設コストや設備の運転コストも低く抑えることができる。以上のように、本実施形態により、低コストで運転可能な循環型浸透圧発電システムを提供することが可能となる。
【００６０】
本発明では河川の水と海水を用いた浸透圧発電と違い、外界と遮断した液体でできるので膜は生物汚染されないため、膜の長寿命化が図れ、それによって低コスト化をもたらす。
【００６１】
逆洗などの中間メンテナンスも大幅に削減できるので、運転時間が長く、稼働率も高くなる。作業媒体がアンモニアガスでないのでシステム設計が簡易であるのと同時に多段階の蒸留システムが必要とされない。また、液-液相分離したそれぞれの液相からパイプにより直接液体を回収できる。さらに同様な性質の物質なかから最適な物質を作業媒体に選べて、システム設計の自由度が広がる。アンモニアは腐食性で猛毒だが、相制御により安全なものを選べる可能性と幅を広げることができる。また、比重の大きな誘引液を使用することにより、膜付近の濃度分極が抑制されるので効率よく浸透圧発電を行うことが可能となる。
【００６２】
［例］
（１）シリンジ試験装置
図１４（ａ）を参照しながら、シリンジ試験装置の作製について説明する。まず、２本の１ｍＬのプラスチック製ディスポーザブルシリンジ２１１および２１２を用意した。これらの樹脂シリンジ２１１および２１２の注射針をセットする側の先端をそれぞれ切り落とした（Ｓ１）。得られた２つの切断されたシリンジ２１１および２１２の指掛け部を互いに向い合せて、空気が入り込まないように、その間に２枚のゴムラバーと１組の浸透膜を挟み込んだ。挟み込みは、第１のシリンジ２１１、第１のゴムラバー２１３、浸透膜２１４、第２のゴムラバー２１５、第２のシリンジ２１２の順番で行い、クリップ（図示せず）で固定した（Ｓ２）。
【００６３】
これによりシリンジ試験装置２１６を得た（Ｓ３）。浸透膜２１４としてＲＯ膜である日東電工製ＥＳ２０を使用した。第１および第２のゴムラバー２１３および２１５は板状のゴムラバーを使用し、図２１（ｂ）に示すように、各ゴムラバーには、直径５ｍｍの円形穴をそれぞれ開口した。
【００６４】
（２）シリンジ試験
例１
上記（１）の手順に従って、第１のシリンジ２１１には、２，２，３，３，３−ペンタフルオロ−１−プロパノール（ＰＦ１Ｐ）を収容し、第２のシリンジ２１２には真水を収容したシリンジ試験装置２１６を作製した。各液の収容は、（Ｓ１）工程と（Ｓ２）工程の間に、試験に使用する液体をシリンジ２１１および２１２内部にそれぞれ収容した。その後、第１のシリンジ２１１が第２のシリンジ２１２の上方に位置するように、シリンジ試験装置を載置面に対して垂直に固定し、２５℃、１気圧の条件下に静置した（即ち、シリンジの縦置き）。その後、１時間毎にメモリを読んで水の移動を計測した。ここにおいて、シリンジ試験装置２１６に収容された液体は、シリンジ試験装置２１６の作製工程においても、また試験中においても外部に漏れなかった。比較のために、第１のシリンジ２１１内に３．５Ｗｔ％の海水を収容したことを除いて、上記のＰＦ１Ｐを用いた試験と同様にシリンジ試験装置２１６を作製し、同様の試験を行った。
【００６５】
結果
ＰＦ１Ｐと水を収容させたシリンジ試験装置２１６の試験開始から３．５時間の様子を図１５に模式的に示す。更なる試験の結果を図１６に示す。
【００６６】
図１５に示すように、シリンジ試験装置２１６は、下側から、水を収容している第２のシリンジ２１２、第２のゴムラバー２１５、浸透膜２１４、第１のゴムラバー２１３、ＰＦ１Ｐを収容している第１のシリンジ２１１が重ね合わされており、シリンジの指掛け部でクリップ２１９により固定されている。試験開始から３．５時間後には、第１のシリンジ２１１内に吸収された水が液体上層として分離しているのが観察された。このときにＰＦ１Ｐと水との液−液界面もはっきりと観察できた。このように、縦置きのシリンジ試験では、第２のシリンジ２１２から第１のシリンジ２１１に吸引された真水は、浸透膜２１４を通過し、第１のシリンジ内に移動した後でＰＦ１Ｐ中を上昇し、やがて相分離し、ＰＦ１Ｐ相の上層として存在した。
【００６７】
図１６は、横軸には観察時間（ｈｒ）を示し、縦軸には第２のシリンジ２１２から第１のシリンジ２１１に移動する水の量を示す。水の量は、第２のシリンジ２１２に記されている目盛を読み、それを直接記録することにより測定した。このグラフから、ＰＦ１Ｐを第１のシリンジ２１１内に収容したときに、海水を用いた場合よりも１．１倍の速度で第２のシリンジ２１２内の真水が吸引されたことが分かった。また、初期速度を比較すると海水に比べてＰＦ１Ｐは、１．４倍の速度で真水を吸引した。
【００６８】
表２にＰＦ１Ｐおよびエタノールの計算上の浸透圧を示した。
【表２】
2015161280.tif 000004
【００６９】
表２から明白であるように、浸透圧は、エタノールよりもＰＦ１Ｔの方が小さい。それにも拘わらず、証明されたように、浸透膜の膜面が設置面に対して水平であり、且つＰＦ１Ｐ相を収容する第１の室が、水相を収容する第２の室の上方に配置された場合には、エタノールよりも大きな流束を生じることが可能であった（「流束」とは、単位面積当たりの液体の移動距離で示され、単位は「ｍ／ｈ」である）。これは驚くべき発見である。そして、この現象の原因は比重であると考えられる。一般的には、浸透膜を介して水と接触したときに、より速く水を吸収する物質は、優れた物質であると考えられる。しかしながら、浸透膜現象では、そのように優れていると評価される物質の場合、特に水の吸収が速く行われることにより、吸収された水が浸透膜近傍に滞留してしまう。このような水の滞留により、水を吸収すべき室の側に濃度分極が生じる。このような現象が生じると流束が著しく低下する。実際に、これまでの多くの実験において、濃度分極により流束が著しく低下した例が観察されている。その場合、水を吸収すべき室内をスクリューで撹拌することにより流束が回復する。また、従来ではこのような現象を回避するために浸透膜表面に沿って液体を流し続けるクロスフロー方式を使用することも提案されている。まさにエタノールの場合にはこのような濃度分極による流束の低下が生じているが、本実験結果は、実施形態の作業媒体であれば、スクリューによる撹拌も、クロスフロー方式も必要とすることなく、自然発生的に濃度分極を防止するという独自の作用が得られることを証明している。
【００７０】
即ちこれは次のような機序によると考えられる。実施形態の作業媒体の場合、フッ素系溶媒であるＰＦ１Ｐの比重が１．５以上と大きいために、自然発生的に水相の下に潜り込む。それにより、ＰＦ１Ｐを収容する側の室の浸透膜界面は、常に新しいＰＦ１Ｐ液が供給される。そのために、ＰＦ１Ｐの場合には、濃度分極による流束低下が起こり難く、大きな吸引力で持続して液体の流れを生ずる。これにより作業効率が向上される。また、濃度分極を防止するための機構が不要である。
【００７１】
また、上述で証明されたように、実施形態の作業媒体は、加熱することなく分離することが可能である。そのため、浸透圧発電でタービンを回した後に、そのまま貯留し、静置すれば再生できる。従って、再生した後に、分離された各液相から水とＰＦ１Ｐなどの誘引液相液を直接パイプで吸い上げることにより、浸透圧発生器１に対して送り出せば容易に循環型の浸透圧発電を実施することができる。
【００７２】
以上のように、誘引液としてのＰＦ１Ｐと水とを浸透膜を介して接触させると、ＰＦ１Ｐへの水の吸引が生じると共に、２５℃の温度で静置するだけで水相と誘引相であるＰＦ１Ｐ相に分離することが証明された。比重が１．１以上であり、且つ低水相溶性の物質と水とを含む混合液を作業媒体によれば、自然発生的に浸透圧差が維持でき、且つ常温で放置するだけで再生が可能な作業媒体を提供できることが証明された。それによりコストパフォーマンスに優れた循環型浸透圧発電システムが提供できることが示唆された。
【００７３】
（３）相制御試験
例２
まず、ＰＦ１Ｐ中の２ＢＥの重量濃度が１０重量％となるように、９０：１０の割合で２ＢＥとＰＦ１Ｐとを混合して混合液を誘引液として得た。この誘引液と水とを種々の割合で混ぜて、作業媒体を得た。具体的には、作業媒体中の誘引液の重量濃度が、５、１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０および９０重量％となるように誘引液と水とを混ぜた。即ち、混合物と水との混合割合は１０重量％ずつ変更した。それにより得られるそれぞれの濃度の作業媒体を低温から昇温して相の変化を観察し、相図を作成した。得られた相図を図１７に示した。
【００７４】
この結果から分かるように２０℃でも相分離する領域が出現した。この結果を２ＢＥ水溶液の相図と重ねて表したのが図１８ある。また、この場合の浸透圧差圧と温度との関係を図１９に示す。
【００７５】
図１８から、２ＢＥの下部臨界温度が大幅に低下したのが分かる。特に最大で３０℃低下した。また、この溶液を用いた場合、図１８に示されるような相図における二相領域の拡大により、計算上の浸透圧が増大し（表３参照）、海水の３．６倍の出力が期待できることが示唆された。即ち、温度範囲が拡大されるだけでなく出力も増大することが期待できる。このことは、浸透圧差圧と温度との関係を示す図１９のグラフによって、より明らかである。
【表３】
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【００７６】
例３
例２と同様にして、２ＢＥに１−ブロモプロパン（１ＢＰ）を１０重量％混合し、この混合物を、誘引液として得た。得られた誘引液を水に混ぜて作業媒体を作製し、この作業媒体について相図を作成した。水を溶媒として、作業媒体中の誘引液の重量濃度は、１０、２０、３０、４０、５０、６０および７０重量％となるように混合した。そのようにして得られたそれぞれの濃度の作業媒体を低温から昇温して相の変化を観察し、相図を作成した。得られた相図を図２０に示す。また、このときの浸透圧差圧と温度との関係を図２１に示す。
【００７７】
これらの結果から、１ＢＰを２ＢＥに混合した場合にも、ＰＦ１Ｐと同様に効果的に温度範囲が拡張され、更に、二層の領域が濃度の方向にも拡大していることが明らかになった。また、図２１からも明らかであるように、５０℃台の温度範囲では浸透圧差圧が高く、従って、大きな出力を得られることが期待できる。このことは、計算上の浸透圧を示す表４からも明らかである。表４から明らかであるように、この時に得られる浸透圧差圧は、１２２ａｔｍである。このような大きな出力は、最大では海水の４．２倍もの出力になる。
【表４】
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【００７８】
例４
トリブロモエタノール（ＴＢＥ）は、その水溶液中で固体が析出する物質であることが知られている。このようなＴＢＥの相図を、相制御剤を用いることに変更する試験を行った。まず、対照となる混合液を作製した。即ち、水とＴＢＥとを含む混合液中で、ＴＢＥの重量濃度が５、１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０および９０重量％となるように、それぞれ水とＴＢＥとを混合し、対照混合液を作製した。それぞれの対照混合液について、低温から昇温して相の変化を観察した。それに基づいて、相図を作成した。得られたＴＢＥと水との混合液の相図を図２２に示す。常温で固体が析出する場合には、浸透膜を傷つけることが問題となる。この問題を解決するために相制御について試験した。
【００７９】
次に、エタノールを相制御剤としてＴＢＥに対して、ＴＢＥの重量と同じ重量で添加した。エタノールとＴＢＥとを混合することにより得られた混合液を水と混合した。得られた混合物中、水を溶媒として、エタノール−ＴＢＥ混合液の重量濃度は、５、１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０および９０重量％である。このような濃度の混合物について、低温から昇温して相の変化を観察し、相図を作成した。得られた相図を図２３に示した。
【００８０】
図２２の対照相図と図２３の相図を比較した。相制御剤としてエタノールを添加して得た図２３の相図は、相制御剤を添加しない対照混合液の相図とは明らかに異なることが明らかになった。即ち、エタノールを添加した場合には、典型的な上部臨界を有する混合物となった。
【００８１】
例５
トリブロモエタノールに５０Ｗｔ％エタノールを混合して、誘引液を作製した。上記（１）の手順に従って、第１のシリンジ２１１にはこの誘引液を収容し、第２のシリンジ２１２には真水を収容したシリンジ試験装置２１６を作製した。その後、第１のシリンジ２１１を第２のシリンジ２１２の上方に位置するように、シリンジ試験装置を載置面に対して垂直に固定し、２０℃、１気圧の条件下に静置した（即ち、シリンジの縦置き）。その後、１時間毎にメモリを読んで水の移動を計測した。
【００８２】
この結果を図２４で示す。図２４から明らかであるように、流量は０．０２８ｍＬ／ｈであり、流束は０．００１４ｍ／ｈであった。１００％エタノールが２５℃で０．００１５の流束を示すため、これに近い値と言える。また２０℃であっても５時間では、相図から期待される水分の分離は観測されなかった。比較のために、ＴＢＥに水を加えて、同様にシリンジ試験を５０℃で実施した。それにより得られた流束は０．００３１ｍ／ｈ（３．５％ＮａＣｌ水の９１％）となったが、試験中、析出した結晶が溶解せず、また、均一な液体とはならなかった。
【００８３】
このように誘引液として使用し難い化合物に対して相互溶解する化合物を添加し、それを水と混合することにより、作業媒体として使用できる相を有する混合液を製造することが可能である。このような相制御を行うことにより、これまで浸透圧発電に使用できなかった物質、使用し難かった物質、また使用できていた物質であっても、浸透圧発電に使用できる可能性のある物質に改良、優れた効果のある物質に改良することが可能となる。このような改良により、コストパフォーマンスに優れた循環型浸透圧発電システムを提供することが可能となる。
【００８４】
実施形態に従う循環型浸透圧発電システムは、河川の水と海水とを用いた浸透圧発電と違い、外界と遮断した閉鎖的な循環系において、発電を行うことが可能である。それにより、浸透膜や発電装置内における生物汚染が抑制され、膜の長寿命化が図ることが可能である。それによって、メンテナンスに掛かる費用を抑えることが可能となり、低コスト化を達成できる。
【００８５】
例えば、逆洗などの中間メンテナンスが大幅に削減でき、運転時間が長く、稼働率も高くなる。また、作業媒体がアンモニアガスなどのガスを用いないために、システム設計が簡便かつ単純になる。また、それと同時に多段階の蒸留システムの設置が不要となる。実施形態の作業媒体は、従来よりも低い温度に静置するだけで自然発生的に相分離、即ち、再生ができる。従って、そのように液-液相分離した作業媒体を、相毎にパイプで直接回収することが可能となる。また、実施形態の相制御を使用することにより、さらに同様な性質の候補物質の中から最適な物質を作業媒体として選択することが可能でため、システム設計の自由度が広がる。例えば、アンモニアは腐食性で猛毒だが、アンモニアを使用する系についても改良を行うことが可能となり、より安全性の高い物質を選択性することが可能となる。このような効果は、何れも低コストの循環型浸透圧発電システムを提供するために有効であると考えられる。
【００８６】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００８７】
１．浸透圧発生器    ２．タービン    ３．タンク    ４．分離塔    ５．処理容器
６．浸透膜    １０．流出口
１００，２００，３００，４００．循環型浸透圧発電システム
１００ａ，２００ａ，３００ａ，４００ａ．循環型浸透圧発電装置
１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃ，１０１ｄ，１０１ｅ，１０１ｆ．パイプライン
１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄ．開閉弁
１０３ａ，１０３ｂ．タンク    １０４ａ，１０４ｂ．ポンプ    
１０５．圧力交換機    １０６．揚水機    
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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