(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
フィード溶液と、カチオン源およびアニオン源をイオン化した状態で含むドロー溶液とを半透膜を介して接触させ、該半透膜によって前記フィード溶液から分離された水で前記ドロー溶液を希釈する希釈手段と、
前記希釈手段により希釈されたドロー溶液を、カチオン源およびアニオン源と、水とに分離する分離手段と、
前記分離手段により分離されたカチオン源およびアニオン源を、前記希釈されたドロー溶液に戻し、溶解させる溶解手段と、
を有し、
カチオン源は、非荷電体の状態での分子量が３１以上であり、かつ、アニオン源およびカチオン源は、それぞれ、標準状態におけるヘンリー定数が１．０×１０4［Ｐａ／ｍｏｌ・fraction］以上であり、
標準状態における該アニオン源の非荷電体の酸解離定数（ｐＫａ）が６．０〜７．０であり、カチオン源の非荷電体の塩基解離定数（ｐＫｂ）が２．０〜４．５であり、
半透膜と接触させる直前のドロー溶液中のアニオン源の濃度が、水１ｋｇあたり１．０ｍｏｌ以上およびカチオン源の濃度が、水１ｋｇあたり１．４ｍｏｌ以上であることを特徴とする、順浸透装置。
【請求項２】
カチオン源および／またはアニオン源の非荷電体の１ａｔｍにおける沸点が１００℃未満である、請求項１に記載の順浸透装置。
【請求項３】
標準状態における、カチオン源の非荷電体の塩基解離定数（ｐＫｂ）が、４．０〜４．５である、請求項１または２に記載の順浸透装置。
【請求項４】
カチオン源の標準状態におけるヘンリー定数が１．０×１０5［Ｐａ／ｍｏｌ・fraction］以上であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の順浸透装置。
【請求項５】
カチオン源の標準状態におけるヘンリー定数が３．０×１０5［Ｐａ／ｍｏｌ・fraction］以上であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の順浸透装置。
【請求項６】
半透膜と接触させる直前のドロー溶液中のアニオン源およびカチオン源の濃度が、それぞれ、水１ｋｇあたり、２．４ｍｏｌ以上であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の順浸透装置。
【請求項７】
前記アニオンが、炭酸イオンおよび／または炭酸水素イオンである、請求項１〜６のいずれか１項に記載の順浸透装置。
【請求項８】
前記アニオン源と前記カチオン源のモル比が、１：１〜１：２である、請求項１〜７のいずれか１項に記載の順浸透装置。
【請求項９】
前記カチオン源がアミン化合物である、請求項１〜８のいずれか１項に記載の順浸透装置。
【請求項１０】
前記カチオン源が、トリメチルアミン、ジメチルエチルアミン、イソプロピルアミン、ジメチルアミンおよびジエチルアミンから選択される少なくとも１種以上である、請求項１〜９のいずれか１項に記載の順浸透装置。
【請求項１１】
カチオン源およびアニオン源のヘンリー定数が、１．００×１０5［Ｐａ／ｍｏｌ・fraction］以上であり、カチオン源の分子量が、４５〜７４の範囲内にある、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の順浸透装置。
【請求項１２】
カチオン源が、トリメチルアミンまたはジメチルエチルアミンであり、アニオン源が二酸化炭素である、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の順浸透装置。
【請求項１３】
前記分離手段は、前記希釈手段により希釈されたドロー溶液を９０℃以下で加熱することによって、カチオン源およびアニオン源と、水とに分離することを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の順浸透装置。
【請求項１４】
前記希釈手段に導入されるドロー液の温度が、前記希釈手段に導入されるフィード溶液の温度±５℃であることを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の順浸透装置。
【請求項１５】
前記分離手段で得られた水、カチオン源、およびアニオン源の少なくとも１つを熱源として用いて、前記希釈されたドロー液を温める熱交換器を有することを特徴とする、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の順浸透装置。
【請求項１６】
前記希釈する前のフィード液を冷却源として用いて、前記溶解手段の装置、分離手段で得られたカチオン源、およびアニオン源の少なくとも１つを冷却する熱交換器を有することを特徴とする、請求項１〜１５のいずれか１項に記載の順浸透装置。
【請求項１７】
前記分離手段の最高温度と前記溶解手段の最低温度の差が３５℃未満であることを特徴とする、請求項１〜１６のいずれか１項に記載の順浸透装置。
【請求項１８】
前記順浸透装置が水浄化装置であり、前記希釈手段により希釈されたドロー溶液から、カチオン源およびアニオン源と、水とに分離し、該水成分を目的物として回収することを特徴とする、請求項１〜１７のいずれか１項に記載の順浸透装置。
【請求項１９】
前記フィード溶液が海水である、請求項１８に記載の順浸透装置。
【請求項２０】
前記順浸透装置が濃縮装置であり、フィード溶液とドロー溶液とを半透膜を介して接触させた後の濃縮されたフィード溶液を目的物として回収することを特徴とする、請求項１〜１９のいずれか１項に記載の順浸透装置。
【請求項２１】
アニオン源およびカチオン源を含み、かつ、カチオン源は、非荷電体の状態での分子量が３１以上であり、かつ、アニオン源およびカチオン源は、それぞれ標準状態における水中におけるヘンリー定数が１．０×１０4［Ｐａ／ｍｏｌ・fraction］以上であり、標準状態における該アニオン源の非荷電体の酸解離定数（ｐＫａ）が６．０〜７．０であり、カチオン源の非荷電体の塩基解離定数（ｐＫｂ）が２．０〜４．５であり、ドロー溶液中のアニオン源の濃度が、水１ｋｇあたり１．０ｍｏｌ以上であり、カチオン源の濃度が、水１ｋｇあたり１．４ｍｏｌ以上であることを特徴とする、順浸透法用のドロー溶液。
【請求項２２】
標準状態における、水中におけるヘンリー定数が３．０×１０4［Ｐａ／ｍｏｌ・fraction］以上である、請求項２１に記載の順浸透法用のドロー溶液。
【請求項２３】
アニオン源およびカチオン源の濃度が、それぞれ、水１ｋｇあたり、２．４ｍｏｌ以上であることを特徴とする、請求項２１または２２に記載の順浸透法用のドロー溶液。
【請求項２４】
アニオンが、炭酸イオンおよび／または炭酸水素イオンであり、カチオン源がトリメチルアミン、ジメチルエチルアミン、イソプロピルアミン、ジメチルアミンおよびジエチルアミンから選択さる少なくとも１種以上である、請求項２１〜２３のいずれか１項に記載の順浸透法用のドロー溶液。
【請求項２５】
フィード溶液と、カチオン源およびアニオン源が溶解したドロー溶液とを半透膜を介して接触させ、該半透膜によって前記フィード溶液から分離された液体で前記ドロー溶液を希釈する希釈工程と、
前記希釈工程において希釈されたドロー溶液から、カチオン源およびアニオン源と、水とに分離する分離工程と、
前記分離工程において分離されたカチオン源およびアニオン源を、前記希釈されたドロー溶液に戻し、溶解させる溶解工程と、
を有し、
前記カチオン源は、非荷電体の状態での分子量が３１以上であり、かつ、アニオン源およびカチオン源は、それぞれ標準状態における水中におけるヘンリー定数が１．０×１０4［Ｐａ／ｍｏｌ・fraction］以上であり、
標準状態における該アニオン源の非荷電体の酸解離定数（ｐＫａ）が６．０〜７．０であり、カチオン源の非荷電体の塩基解離定数（ｐＫｂ）が２．０〜４．５であり、半透膜と接触させる直前のドロー溶液中のアニオン源の濃度が、水１ｋｇあたり１．０ｍｏｌ以上およびカチオン源の濃度が、水１ｋｇあたり１．４ｍｏｌ以上であることを特徴とする、順浸透法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、順浸透法（ＦＯ法）および、該ＦＯ法による分離および／または濃縮を行うことが可能な順浸透装置（ＦＯ装置）に関する。
【背景技術】
【０００２】
水不足は、世界中の乾燥地域や人口密度の高い地域において深刻な問題となっている。そこで、海水から塩を除去する海水処理技術が求められている。
【０００３】
海水処理技術としては、膜処理法が知られており、該膜処理法では、通常、半透膜が用いられる。半透膜は、特定の大きさ以下の分子やイオンのみを透過させる膜として知られ、例えば、海水中の水は透過させるが塩は透過させない膜である。そして、溶質濃度が互いに異なる２種の溶液を、半透膜を隔てて接触させると、両溶液間に浸透圧差が生じ、溶質濃度が低い側、すなわち、浸透圧の低い側の溶液の溶媒が、溶質濃度が高い側、すなわち、浸透圧の高い側へ浸透する。この浸透現象は、理論的には、浸透圧差がゼロになる段階まで続く。例えば、海水と水とを半透膜を隔てて接触させた場合、水が海水側へ浸透して、平衡状態を形成しようとする。
このような半透膜を利用した膜処理法として、逆浸透法（ＲＯ法）と順浸透法（ＦＯ法）が知られている。
【０００４】
ＲＯ法は、浸透圧の高い側から浸透圧の低い側へ水等の低分子成分を逆行して浸透させる技術である。このような逆浸透を起こさせるため、ＲＯ法では、浸透圧が高い側に、両溶液の浸透圧差を超える高い圧力を印加する。例えば、海水から水を分離する場合、海水と水とを半透膜を隔てて接触させ、海水側に、海水と水の浸透圧差を超える圧力、通常は、該浸透圧差をはるかに上回る圧力を印加して、海水中の水を水側に浸透させる。
【０００５】
これに対し、ＦＯ法は、特許文献１および特許文献２においても開示されているとおり、浸透圧の高いドロー溶液（ｄｒａｗ溶液）を用いて、人為的に、２種の溶液間に浸透圧差を生じさせて水を移動させる方法である。具体的には、原料溶液であるフィード溶液（ｆｅｅｄ溶液）と、該フィード溶液より浸透圧の高いドロー溶液とを半透膜を隔てて接触させる。そうすると、両溶液の浸透圧差により、フィード溶液の水がドロー溶液側へ浸透する。その後、ドロー溶液中の溶質成分を揮発させて回収することにより、フィード溶液の水を分取する。また、逆に、濃縮されたフィード溶液を分取する場合もある。
以下に、海水から水を分離する場合の一例を図１に従って説明する。
図１は、ＦＯ法を利用した海水処理装置の一例を示したものであって、実線の矢印は海水または海水から分離された水１１の流れを、点線はドロー溶液またはドロー溶液の溶質１２の流れを、それぞれ示している。最初に、海水１１とドロー溶液１２とが、半透膜１３を介して接触する。海水１１中の水は、半透膜１３を介して、ドロー溶液１２側に浸透する。そして、放散塔１４中において、海水の水によって希釈されたドロー溶液からドロー溶液の溶質成分を揮発させることによって、水１６と、ドロー溶液の溶質成分１５とに分離する。ドロー溶液の溶質成分１５は、ガス吸収器１７にて希釈されたドロー溶液に溶解され、ドロー溶液１２として再利用される。尚、１８は圧力計である。
【０００６】
ここで、ドロー溶液の溶質成分は、放散塔１４にてガス化して分離されるため、高い揮発性を有することが求められる。また、ドロー溶液の溶質成分は、希釈されたドロー溶液に溶解されることから、高い溶解度を有することも求められる。さらに、ドロー溶液の溶質成分は、半透膜を透過しないことが当然に求められる。これらの要求に劣ると、ＦＯ装置またはＦＯ法における、フィード溶液からの水の半透膜透過速度が劣ったり、ドロー溶液の溶質が、半透膜を漏れ出して、フィード溶液側へ移動してしまう速度が速くなったり、さらには、フィード溶液の水で希釈されたドロー溶液から溶質成分を揮発させることによって得られる水中の、ドロー溶液の溶質の残存量（放散性能）が大きいという問題が発生する。
ここで、ドロー溶液としては、アンモニアイオンと二酸化炭素イオンの溶液や、アンモニアイオンの溶液、二酸化硫黄の溶液などを用いる例が知られている（特許文献２、３）。しかしながら、上述の高い揮発性、高い溶解度および半透膜の不透過性を併せ持つものは得られていなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第６３９１２０５号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００５／０１４５５６８号明細書
【特許文献３】米国特許第３１７１７９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ここで、特許文献２では、アンモニアと二酸化炭素を溶質とするドロー溶液を利用することによって、ドロー溶液の溶質成分の高い溶解度を確保しつつ、高い揮発性を達成し、それによって、ＦＯ法の処理性能と、放散性能の向上の両立を達成している。しかしながら、本発明者が検討したところ、アンモニアは希釈手段において、半透膜から漏れ出してしまう問題があることが分かった。すなわち、特許文献２の方法では、ＦＯ装置において、アンモニアを大量に補充することが必要であった。また、特許文献３では、ドロー溶液の溶質成分として、亜硫酸を使用することで半透膜の漏れ速度を減少させている。しかしながら、かかるドロー溶液では、高い溶解度を達成するためには、揮発性の低い溶質しか利用することができず、十分な放散性能を達成することは不可能であった。
本発明は、上記課題を解決するものであって、ＦＯ装置およびＦＯ法において、フィード溶液からの水の半透膜透過速度を高く保ち、ドロー溶液の溶質が、半透膜を漏れ出して、フィード溶液側へ移動してしまうことを抑制し、さらに、フィード溶液の水で希釈されたドロー溶液から溶質成分を揮発させることによって得られる水中の、ドロー溶液の溶質の残存量を減らすこと（放散性能の向上）を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
かかる状況のもと、本願発明者が鋭意検討を行った結果、ドロー溶液として、アニオン源およびカチオン源を含み、カチオン源は非荷電体の状態で分子量が３１以上であり、かつ、カチオン源およびアニオン源の標準状態におけるヘンリー定数が１．０×１０4［Ｐａ／ｍｏｌ・fraction］以上であるものを用いることにより、上記課題を解決しうることを見出した。
一般的に、ヘンリー定数が小さいほど水和し易く水和半径が大きいと考えられている（文献Journal of Chemical & Enginnering Data, 53(2008) 2873-2877式(4), (5), (6)の展開式、lnKaw=ΔGhyd/RT、ここでKawは無次元化されたヘンリー定数、ΔGhydは水和自由エネルギー（大きな負であるほど水和し易い）、Rはアボガドロ定数、Tは絶対温度）。また、水和半径が大きいほど半透膜における溶質の漏れが遅いと考えられている（文献Deaalination, 144(2002) 387-392 Fig2(b), 390ページ左段７行目〜右段８行目、文献Journal of Membrane Science, 74(1992) 95-103、Fig4, 5, 98ページ左段34行目〜101ページ左段９行目）。これは、水和量が大きい物質ほど、水中から揮発しにくい（ヘンリー定数が小さい)と考えると自然なことであり、半透膜の漏れ難さと揮発しやすさの両立が困難でることを表している。従って、ドロー溶液の成分を調整することによって、上記問題を解決することは極めて困難であると予測された。しかしながら、驚くべきことに、本願発明者が鋭意検討した結果、特定以上の分子量を持ち、かつ、特定のヘンリー定数を満たすカチオン源とアニオン源をドロー溶液の溶質成分として用いることにより、これらの問題を解決しうることを見出したのである。
具体的には、以下の手段により、本発明の課題は解決された。
【００１０】
＜１＞フィード溶液と、カチオン源およびアニオン源をイオン化した状態で含むドロー溶液とを半透膜を介して接触させ、該半透膜によって前記フィード溶液から分離された水で前記ドロー溶液を希釈する希釈手段と、
前記希釈手段により希釈されたドロー溶液を、カチオン源およびアニオン源と、水とに分離する分離手段と、
前記分離手段により分離されたカチオン源およびアニオン源を、前記希釈されたドロー溶液に戻し、溶解させる溶解手段と、
を有し、
カチオン源は、非荷電体の状態での分子量が３１以上であり、かつ、アニオン源およびカチオン源は、それぞれ、標準状態におけるヘンリー定数が１．０×１０4［Ｐａ／ｍｏｌ・fraction］以上であることを特徴とする、順浸透装置。
＜２＞標準状態における、アニオン源の非荷電体の酸解離定数（ｐＫａ）が６．０〜７．０である、＜１＞に記載の順浸透装置。
＜３＞標準状態における、カチオン源の非荷電体の塩基解離定数（ｐＫｂ）が２．０〜４．５である、＜１＞または＜２＞に記載の順浸透装置。
＜４＞カチオン源および／またはアニオン源の非荷電体の１ａｔｍにおける沸点が１００℃未満である、＜１＞〜＜３＞のいずれか１項記載の順浸透装置。
＜５＞標準状態における、カチオン源の非荷電体の塩基解離定数（ｐＫｂ）が、４．０〜４．５である、＜１＞〜＜４＞のいずれか１項に記載の順浸透装置。
＜６＞カチオン源の標準状態におけるヘンリー定数が１．０×１０5［Ｐａ／ｍｏｌ・fraction］以上であることを特徴とする、＜１＞〜＜５＞のいずれか１項に記載の順浸透装置。
＜７＞カチオン源の標準状態におけるヘンリー定数が３．０×１０5［Ｐａ／ｍｏｌ・fraction］以上であることを特徴とする、＜１＞〜＜６＞のいずれか１項に記載の順浸透装置。
＜８＞半透膜と接触させる直前のドロー溶液中のアニオン源およびカチオン源の濃度が、それぞれ、水１ｋｇあたり、２．４ｍｏｌ以上であることを特徴とする、＜１＞〜＜７＞のいずれか１項に記載の順浸透装置。
＜９＞前記アニオンが、炭酸イオンおよび／または炭酸水素イオンである、＜１＞〜＜８＞のいずれか１項に記載の順浸透装置。
＜１０＞前記アニオン源と前記カチオン源のモル比が、１：１〜１：２である、＜１＞〜＜９＞のいずれか１項に記載の順浸透装置。
＜１１＞前記カチオン源がアミン化合物である、＜１＞〜＜１０＞のいずれか１項に記載の順浸透装置。
＜１２＞前記カチオン源が、トリメチルアミン、ジメチルエチルアミン、イソプロピルアミン、ジメチルアミンおよびジエチルアミンから選択される少なくとも１種以上である、＜１＞〜＜１１＞のいずれか１項に記載の順浸透装置。
＜１３＞カチオン源およびアニオン源のヘンリー定数が、１．００×１０5［Ｐａ／ｍｏｌ・fraction］以上であり、カチオン源の分子量が、４５〜７４の範囲内にある、＜１＞〜＜１２＞のいずれか１項に記載の順浸透装置。
＜１４＞カチオン源が、トリメチルアミンまたはジメチルエチルアミンであり、アニオン源が二酸化炭素である、＜１＞〜＜１３＞のいずれか１項に記載の順浸透装置。
＜１５＞前記希釈されたドロー溶液を９０℃以下で加熱することによって、カチオン源およびアニオン源と、水とに分離することを特徴とする、＜１＞〜＜１４＞のいずれか１項に記載の順浸透装置。
＜１６＞前記希釈手段に導入されるドロー液の温度が、前記希釈手段に導入されるフィード溶液の温度±５℃であることを特徴とする、＜１＞〜＜１５＞のいずれか１項に記載の順浸透装置。
＜１７＞前記分離手段で得られた水、カチオン源、およびアニオン源の少なくとも１つを熱源として用いて、前記希釈されたドロー液を温める熱交換器を有することを特徴とする、＜１＞〜＜１６＞のいずれか１項に記載の順浸透装置。
＜１８＞前記希釈する前のフィード液を冷却源として用いて、前記溶解手段の装置、分離手段で得られたカチオン源、およびアニオン源の少なくとも１つを冷却する熱交換器を有することを特徴とする、＜１＞〜＜１７＞のいずれか１項に記載の順浸透装置。
＜１９＞前記分離手段の最高温度と前記溶解手段の最低温度の差が３５℃未満であることを特徴とする、＜１＞〜＜１８＞のいずれか１項に記載の順浸透装置。
＜２０＞前記順浸透装置が水浄化装置であり、前記希釈手段により希釈されたドロー溶液から、カチオン源およびアニオン源と、水とに分離し、該水成分を目的物として回収することを特徴とする、＜１＞〜＜１９＞のいずれか１項に記載の順浸透装置。
＜２１＞前記フィード溶液が海水である、＜２０＞に記載の順浸透装置。
＜２２＞前記順浸透装置が濃縮装置であり、フィード溶液とドロー溶液とを半透膜を介して接触させた後の濃縮されたフィード溶液を目的物として回収することを特徴とする、＜１＞〜＜２１＞のいずれか１項に記載の順浸透装置。
＜２３＞アニオン源およびカチオン源を含み、かつ、カチオン源は、非荷電体の状態での分子量が３１以上であり、かつ、アニオン源およびカチオン源は、それぞれ標準状態における水中におけるヘンリー定数が１．０×１０4［Ｐａ／ｍｏｌ・fraction］以上であることを特徴とする、順浸透法用のドロー溶液。
＜２４＞標準状態における、アニオン源の非電荷体の酸解離定数（ｐＫａ）が、６．０〜７．０である、＜２３＞に記載の順浸透法用のドロー溶液。
＜２５＞標準状態における、カチオン源の非電荷体の塩基解離定数（ｐＫｂ）が、２．０〜４．５である、＜２３＞または＜２４＞に記載の順浸透法用のドロー溶液。
＜２６＞標準状態における、水中におけるヘンリー定数が３．０×１０4［Ｐａ／ｍｏｌ・fraction］以上である、＜２３＞〜＜２５＞のいずれか１項に記載の順浸透法用のドロー溶液。
＜２７＞アニオン源およびカチオン源の濃度が、それぞれ、水１ｋｇあたり、２．４ｍｏｌ以上であることを特徴とする、＜２３＞〜＜２６＞のいずれか１項に記載の順浸透法用のドロー溶液。
＜２８＞アニオンが、炭酸イオンおよび／または炭酸水素イオンであり、カチオン源がトリメチルアミン、ジメチルエチルアミン、イソプロピルアミン、ジメチルアミンおよびジエチルアミンから選択さる少なくとも１種以上である、＜２３＞〜＜２７＞のいずれか１項に記載の順浸透法用のドロー溶液。
＜２９＞フィード溶液と、カチオン源およびアニオン源が溶解したドロー溶液とを半透膜を介して接触させ、該半透膜によって前記フィード溶液から分離された液体で前記ドロー溶液を希釈する希釈工程と、
前記希釈工程において希釈されたドロー溶液から、カチオン源およびアニオン源と、水とに分離する分離工程と、
前記分離工程において分離されたカチオン源およびアニオン源を、前記希釈されたドロー溶液に戻し、溶解させる溶解工程と、
を有し、
前記カチオン源は、非荷電体の状態での分子量が３１以上であり、かつ、アニオン源およびカチオン源は、それぞれ標準状態における水中におけるヘンリー定数が１．０×１０4［Ｐａ／ｍｏｌ・fraction］以上であることを特徴とする、順浸透法。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のＦＯ装置およびＦＯ法において、透過速度を高く保ち、ドロー溶液の溶質が、半透膜を漏れ出して、フィード溶液側へ移動してしまうことを抑制し、さらに、フィード溶液の水で希釈されたドロー溶液から溶質成分を揮発させることによって得られる水中の、ドロー溶液の溶質の残存量を減らすこと（放散性能の向上）が可能になった。この結果、ドロー溶液の溶質成分を追加することなく、ＦＯ装置およびＦＯ法の施行が可能になった。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、従来のＦＯ装置の構造を示す一例である。
【図２】図２は、本願実施例で用いるＦＯ装置の構造を示す一例である。
【図３】図３は、カチオン源の分子量の漏れの相関関係を示すグラフである。
【図４】図４は、Henry定数と分子量の漏れの相関関係を示すグラフである。
【図５】図５は、本願実施例で採用したシュミレーションフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下において、本発明の内容について詳細に説明する。尚、本願明細書において「〜」とはその前後に記載される数値を下限値および上限値として含む意味で使用される。
本明細書における、アニオン源とは、水に溶解したときに、アニオンを発生させる物質をいい、カチオン源とは、水に溶解したときに、カチオンを発生させる物質をいう。従って、アニオン源およびカチオン源は、通常、非荷電体である。また、本発明における「標準状態」とは、２５℃、１０5Ｐａ（≒１気圧）を意味する。
【００１４】
本発明のＦＯ装置は、フィード溶液と、カチオン源およびアニオン源をイオン化した状態で含むドロー溶液とを半透膜を介して接触させ、該半透膜によって前記フィード溶液から分離された水で前記ドロー溶液を希釈する希釈手段と、前記希釈手段により希釈されたドロー溶液を、カチオン源およびアニオン源と、水とに分離する分離手段と、前記分離手段により分離されたカチオン源およびアニオン源を、前記希釈されたドロー溶液に戻し、溶解させる溶解手段とを有し、前記カチオン源は、非荷電体の状態での分子量が３１以上であり、かつ、前記アニオン源およびカチオン源は、それぞれ、標準状態におけるヘンリー定数が１．０×１０4［Ｐａ／ｍｏｌ・fraction］以上であることを特徴とする。以下本発明の詳細について説明する。
【００１５】
本発明のＦＯ装置は、ＦＯ法を用いて分離・濃縮・ろ過等を行う装置をいう。すなわち、浸透圧の高いドロー溶液を用いて、人為的に、２種の溶液間に浸透圧差を生じさせて水を移動させる方法を含む限り特に定めるものではない。例えば、浸透圧差に加えて、圧力をかけて液送する場合も本発明におけるＦＯ法に含まれる。従って、本発明のＦＯ装置において、最終的に回収される目的物は、ドロー溶液側で分離される水であってもよいし、フィード溶液側で濃縮される液体であってもよい。
ドロー溶液側で分離される水を目的物として回収する場合、本発明のＦＯ装置は、好ましくは、水浄化装置であり、対象となるフィード溶液としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、海水、ブラキッシュウォーター、河川、湖、沼、池等の自然界から得られる水、工場や各種工業施設から排出される工業廃水、家庭や一般施設から排出される一般廃水、水処理施設における微生物培養液などが挙げられる。これらの中でも、安定かつ大量に得られる入手容易性と、浄化の必要性の点で海水が特に好ましい。
濃縮されたフィード溶液を目的物として回収する場合、本発明のＦＯ装置は、好ましくは、濃縮装置である。この場合のフィード溶液としては、果汁や野菜ジュースの濃縮等が挙げられる。
【００１６】
本発明のＦＯ装置は、通常、希釈手段と、分離手段と、溶解手段とを有し、更に必要に応じてその他の手段を有する。また、本発明のＦＯ法は、希釈工程と、分離工程と、溶解工程を有し、本発明のＦＯ装置等によって実行されるものである。
【００１７】
＜希釈手段＞
希釈手段は、フィード溶液とドロー溶液とを半透膜を介して接触させ、該半透膜により、フィード溶液から分離された水で前記ドロー溶液を希釈する工程である。この工程は、例えば、１５〜４０℃で行うことができる。希釈手段に導入されるドロー液がフィード液によって温められるとドロー溶液中の溶質がガス化し発泡する可能性があり、また、逆に冷やされるとドロー液中の溶質が析出する可能性があるため、導入されるドロー液は前記希釈手段に導入されるフィード溶液の温度±５℃であることが望ましい。また、フィード溶液の液送圧力は、ＲＯと異なり低圧で駆動することができ、例えば１×１０4Ｐａ〜５×１０5Ｐａとすることができる。
半透膜としては、その素材、形状、大きさ、構造などについては特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。例えば、平膜、平膜を用いたスパイラル型モジュール、中空糸型モジュール、チューブラー型モジュール、などが挙げられる。また、膜面に対するドロー液とフィード液の送液方向については制限はなく、逆平行、平行、または９０度などの角度で非平行方向に送液しても良い。また、送液流路の半透膜面から見た厚みは特に制限はなく、例えば１０μｍ〜１０ｍｍであっても良い。流路の厚みは薄いほどフィード液からの半透膜を介した水の透過効率が向上するため望ましいが、つまりなども生じ易くなるため、適切な厚みが選択される。
また、半透膜の素材についても水と溶質の分離ができれば特に制限はなく、例えば、酢酸セルロース、芳香族ポリアミド、芳香族ポリスルホン、ポリベンゾイミダゾール、などが挙げられ、好ましくはアセチル基置換度が２．５０〜２．９５の酢酸セルロース、芳香族ポリアミドが選択される。
また、半透膜の製造方法としては水と溶質の分離ができれば特に制限はなく、例えば非溶媒誘起相分離法（ＮＩＰＳ）、熱誘起相分離法（ＴＩＰＳ）、界面重合法、溶媒蒸発法、などが挙げられる。各製膜方法としては例えば膜学実験法「人工膜編」（日本膜学会編）の１．２高分子膜の製膜法に記載の方法で行うことができる。また、溶媒蒸発法で半透膜を製膜する場合、膜厚を１ｕｍ未満の薄膜とすることが好ましい。この場合薄膜を塗布基板（フィルム状を含む）から剥離する際に半透膜を破壊してしまうおそれがあるため、予め塗布基板上に犠牲層を塗布しておき、犠牲層ごと剥離する方法を取ることができる。ここで犠牲層とは溶媒浸漬や加熱などによって自発的に剥離もしくは溶解する層を指す。
半透膜としてはＦＯ膜として製造された膜に加えて、ＲＯ膜で使用されている膜をそのまま、もしくは改良して用いることができるが、好ましくは内部濃度分極による透過性能悪化が抑制されているＦＯ膜が選択される。具体例としては、Ｈｙｄｒａｔｉｏｎ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｉｎｏｖａｔｉｏｎｓ社製、Ｅｘｐｅｄｉｔｉｏｎ内蔵膜や同社製、Ｘ−Ｐａｃｋ内蔵膜を用いることができる。
【００１８】
フィード溶液
フィード溶液としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、海水、ブラキッシュウォーター、河川、湖、沼、池等の自然界から得られる水、工場や各種工業施設から排出される工業廃水、家庭や一般施設から排出される一般廃水、水処理施設における微生物培養液、ＭＢＲ（メンブレンバイオリアクター）の微生物培養液、果汁、野菜ジュース等が挙げられる。これらの中でも、安定かつ大量に得られる入手容易性と、浄化の必要性の点で海水が特に好ましい。
また、フィード溶液は前記希釈手段で処理を行う前に各種の前処理を行っても良い。具体的には凝集剤処理、沈降処理、砂ろ過や精密ろ過などのろ過処理などの一般的な水処理方法が挙げられる。更にＪｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ３６２（２０１０）ｐ４１７−ｐ４２６に記載のＯｓｍｏｔｉｃ  Ｄｉｌｕｔｉｏｎのようにフィード液を事前に別の順浸透装置においてドロー液として用いて希釈する方法が挙げられる。本方法によるとフィード溶液の溶質濃度が減少するために、本発明の順浸透装置における希釈速度が向上することや投入エネルギーが大幅に減少するなどの効果が見込まれる。
【００１９】
ドロー溶液
ドロー溶液は、ヘンリー定数が１．０×１０4［Ｐａ／ｍｏｌ・fraction］以上のアニオン源とカチオン源を、溶質として含む。ヘンリー定数とは、物質が大量の水に溶けている溶液における、物質のモル分率と飽和蒸気分圧の関係を示す物性値であり、これが大きいほどその水溶液中において揮発性が高いことまた、溶解度が低いことを示し、書籍「化学便覧（丸善株式会社発行）」、書籍「増補  ガス吸収（化学工業株式会社発行）」、文献「Compilation of Henry's Law Constants for Inorganic and Organic Species of Potential Importance in Environmental Chemistry、（ HYPERLINK "http://www.mpch-mainz.mpg.de/~sander/res/henry.html" http://www.mpch-mainz.mpg.de/~sander/res/henry.html）などに記載されている。また、溶質が荷電体（イオン）となる場合、飽和蒸気圧と相関するのは溶質のうちの非荷電体成分のみであるため、ヘンリー定数は溶質の非荷電体成分のモル分率と飽和蒸気分圧の関係を示す物性値である。そのため、水溶液のｐＨによってアニオン源やカチオン源が荷電体のアニオンやカチオンになるとその飽和蒸気圧は下がる、つまり溶解度は高くなる。本発明においては、ヘンリー定数が１．０×１０4［Ｐａ／ｍｏｌ・fraction］以上に高いアニオン源とカチオン源を用いるため、非荷電体の状態では溶解度が低いが、アニオン源とカチオン源を共存させることでｐＨが調整され、それぞれの荷電体の割合が高くなり、単独の溶液の場合と比べてこれらの溶解度は格段に高くすることができる。
【００２０】
ドロー溶液は、アニオン源とカチオン源を含む。ここで、アニオン源およびカチオン源はイオン化した状態でドロー溶液中に含まれる。
ドロー溶液中のアニオン源及びカチオン源の含有量は特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記希釈手段においては、フィード溶液から水を分離する速度を高める観点から高濃度であることが好ましい。例えば、希釈手段直前におけるドロー溶液の濃度は水１ｋｇあたり、溶解物質総濃度が４．８ｍｏｌ以上であることが好ましい。溶液のｐＨが極端に高い、もしくは低いと半透膜などの劣化を招くおそれがあるため、ｐＨは４〜１０であることが望ましい。また、アニオン源として二酸化炭素を用いた場合、溶解度を高めるためにｐＨが８以上となる混合比が好ましい。また、アニオン源とカチオン源のモル比が、１：１〜１：２であることが好ましく、１：１．２〜１：１．７であることがさらに好ましい。この比率はアニオン種、カチオン種によっても適宜適切な値が選択される。
一方、前記分離手段においては、分離効率を高めることと、分離に要するエネルギーを低く抑える観点から希釈されたドロー液は低濃度であることが好ましい。このことから希釈手段における希釈率は高い方が好ましい。ただし、希釈されたドロー液とフィード液の浸透圧差が小さくなると、希釈手段における半透膜を介した水の透過速度が極端に低下するため、適切な各濃度、希釈率が選択される。
【００２１】
カチオン源
本発明におけるカチオン源は、非荷電体の状態での分子量が３１以上であり、かつ、標準状態におけるヘンリー定数が１．０×１０4［Ｐａ／ｍｏｌ・fraction］以上であることを特徴とする。このようなカチオン源をアニオン源と併せて採用することにより、ＦＯ装置において、水の半透膜透過速度を高く保ち、ドロー溶液の溶質が、半透膜を漏れ出して、フィード溶液側へ移動してしまうことを抑制し、さらに、フィード溶液の水で希釈されたドロー溶液から溶質成分を揮発させることによって得られる水中の、ドロー溶液の溶質の残存量を減らすこと（放散性能の向上）ができる。
カチオン源の非荷電体の状態での分子量は、好ましくは４５〜７４であり、より好ましくは４５〜６２である。
カチオン源の標準状態におけるヘンリー定数は１．０×１０5［Ｐａ／ｍｏｌ・fraction］以上であることが好ましい。上限は特に定めるものではないが、例えば、１．０×１０7［Ｐａ／ｍｏｌ・fraction］以下とすることができる。このような範囲とすることにより、分離手段における揮発性を高めることができ、それに伴い分離手段において余計に揮発してしまう水の量を減らすことが可能となり、結局分離に要するエネルギーを低く抑えることが可能となる。
カチオン源の標準状態における、非荷電体の塩基解離定数（ｐＫｂ）は低すぎると、前記分離手段において揮発性が低下し、分離される水におけるカチオン源の残留量が高くなる、更に分離に要するエネルギーが高くなるという問題がある。逆に前記ｐＫｂが高すぎると前記吸収器におけるｐＨが低くなりアニオン源の溶解量が低くなり、前記希釈手段における水の半透膜透過速度が低下するという問題がある。そのため、前記ｐＫｂは適切に選択する必要があり、２．０〜４．５であることが好ましく、４．０〜４．５であることがより好ましい。
このようにカチオン源の分子量、ヘンリー定数、ｐＫｂを上記の適切な範囲とすることにより、カチオン源が、半透膜を漏れ出して、フィード溶液側へ移動してしまうことをより効果的に抑制すると同時に、前記分離手段の分離効率を高めそこに要するエネルギーを低く抑え、かつ前記希釈手段の効率を高くすることが可能になる。
カチオン源の非荷電体の１ａｔｍにおける沸点は１００℃未満であることが好ましく、５０℃以下であることがより好ましい。このような範囲とすることにより、分離手段において分離されたカチオン源のガスが操作中に凝縮することを抑制することが可能になる。下限値は特に定めるものではないが、例えば、−２０℃以上とすることができる。
半透膜と接触させる直前のドロー溶液中の、カチオン源の濃度が水１ｋｇあたり、２．４ｍｏｌ以上であることが好ましく、３．０ｍｏｌ／ｋｇ以上であることがより好ましい。このような手段を採用することにより、前記希釈手段における水の半透膜透過速度を高くすることが可能になる。上限値については、特に定めるものではないが、通常、８．０ｍｏｌ／ｋｇ以下とすることができる。
【００２２】
カチオン源としては、特に、本発明の趣旨を逸脱しない限り特に定めるものではないが、アミン化合物であることが好ましく、下記一般式（Ｉ）で表すことができる。
一般式
Ｒn−ＮＨ(3-n)
（一般式（Ｉ）中、ＲはＣ1〜Ｃ4の直鎖又は分岐の脂肪族基を表し。ｎは１、２、もしくは３を表す。）
【００２３】
一般式（Ｉ）中、Ｒは好ましくはＣ1のメチル基である。ｎは、好ましくは３である。
具体例としては、トリメチルアミン、ジメチルエチルアミン、イソプロピルアミン、ジメチルアミン、ジエチルアミン、ｎ−プロピルアミン、エチルアミン、ｎ−ブチルアミン、イソプロピルアミン、イソブチルアミン、ｔ−ブチルアミン、ピロリジン、メチルアミン、エチルメチルアミン、メチルｎ−プロピルアミン、メチルイソプロピルアミン、ペンチルアミン、ジメチルｎ−プロピルアミン、ジメチルイソプロピルアミン、エチルｎ−プロピルアミン、エチルイソプロピルアミン、ジエチルメチルアミンから選択される少なくとも１種以上であることがさらに好ましく、トリメチルアミン、ジメチルエチルアミン、イソプロピルアミン、ジメチルアミンおよびジエチルアミンから選択される少なくとも１種以上であることがよりさらに好ましく、トリメチルアミンまたはジメチルエチルアミンであることが特に好ましい。
【００２４】
アニオン源
本発明におけるアニオン源は、標準状態におけるヘンリー定数が１．０×１０4［Ｐａ／ｍｏｌ・fraction］以上であることを特徴とする。このようなアニオン源をカチオン源と併せて採用することにより、ＦＯ装置において、透過速度を高く保ち、ドロー溶液の溶質が、半透膜を漏れ出して、フィード溶液側へ移動してしまうことを抑制し、さらに、フィード溶液の水で希釈されたドロー溶液から溶質成分を揮発させることによって得られる水中の、ドロー溶液の溶質の残存量を減らすこと（放散性能の向上）ができる。
標準状態における、アニオン源の非荷電体の塩基解離定数（ｐＫａ）は、２．０〜４．５であることが好ましく、４．０〜４．５であることがより好ましい。このような範囲とすることにより、分離手段においてカチオンより優先的に揮発分離され、全体として分離効率を向上させられ、かつ希釈手段において、アニオン源が半透膜を漏れ出して、フィード溶液側へ移動してしまうことを抑制するという効果が得られる。
アニオン源の非荷電体の１ａｔｍにおける沸点は１００℃未満であることが好ましく、５０℃以下であることがより好ましく、０℃以下であることがさらに好ましい。このような範囲とすることにより、分離手段においてカチオンより優先的に揮発分離され、全体として分離効率を向上させられるという効果が得られる。下限値は特に定めるものではないが、通常、−１００℃以上である。
アニオン源の標準状態におけるヘンリー定数は、１．０×１０7［Ｐａ／ｍｏｌ・fraction］以上であることがより好ましい。このような範囲とすることにより、分離手段においてカチオンより優先的に揮発分離され、全体として分離効率を向上させられるという効果が得られる。上限値は特に定めるものではないが、通常、１．０×１０10［Ｐａ／ｍｏｌ・fraction］以下である。
また、標準状態における、アニオン源の非荷電体の酸解離定数（ｐＫａ）が６．０〜７．０であることが好ましい。
【００２５】
半透膜と接触させる直前のドロー溶液中の、アニオン源の濃度が水１ｋｇあたり、２．４ｍｏｌ以上であることが好ましく、２．８ｍｏｌ／ｋｇ以上であることがより好ましい。このような手段を採用することにより、前記希釈手段における半透膜を介した水の透過速度を高くすることが可能になる。上限値については、特に定めるものではないが、通常、８．０ｍｏｌ／ｋｇ以下とすることができる。
アニオン源としては、特に、本発明の趣旨を逸脱しない限り特に定めるものではないが、二酸化炭素（ＣＯ2）、炭酸（Ｈ2ＣＯ3）、二酸化硫黄（ＳＯ2）などが挙げられる。これらの中でも、揮発性の高さ、安定性、低反応性、入手容易性の点で二酸化炭素（ＣＯ2）が特に好ましい。従って、アニオンとしては、炭酸イオンおよび炭酸水素イオンの混合物が好ましい。また、場合によってカルバメートイオンのような複合イオンを含んでいても良い。
【００２６】
＜溶解手段＞
溶解手段は、分離手段により分離されたドロー溶液の揮発性の溶質を希釈手段によって希釈されたドロー溶液に戻し、溶解する。溶解手段としては、特に制限はなく、一般的なガス吸収に用いられている装置の中から目的に応じて適宜選択することができ、例えば、書籍「増補  ガス吸収（化学工業株式会社発行）」のｐ４９〜ｐ５４、ｐ８３〜ｐ１４４に記載されている装置、部品、条件などを任意に選択することができ、具体的には、吸収器、充填塔、棚段塔、スプレー塔、流動充填塔を用いた方式、液膜十字流接触方式、高速旋回流方式、機械力利用方式、などが挙げられる。また、マイクロリアクター、メンブレンリアクター等の微小流体の制御機構を利用して薄層気液層を構築して吸収させてもよい。また、アンモニア吸収冷凍機などのヒートポンプで用いられる吸収器と類似の構造体を利用しても良い。
充填塔に詰める充填物としては、規則充填物でも不規則充填物でもよく、例えば書籍「増補  ガス吸収（化学工業株式会社発行）」のｐ２２１〜ｐ２４２に記載されている充填物を任意に選択することができる。
【００２７】
充填物、塔、ディストリビューター、サポート等の構成部品材料としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ステンレス鋼、アルミキルド鋼等の鋼鉄系材料；チタン、アルミニウム等の非鉄材料；ガラス、アルミナ等のセラミックス；カーボン、合成ポリマー、ゴム等の素材、などが挙げられる。また、溶解手段においてはガスであるアニオン源およびカチオン源を効率的に吸収させるために、冷却機能を有することが好ましい。冷却機能としては、熱交換部を溶解手段の全体に含んでいる一体型でも良く、１つもしくは複数の熱交換器を溶解手段の一部として付属していても良い。溶解の効率化の観点から一体型が好ましく選択される。また、溶解手段は、複数種類のガス吸収器を利用してもよい。
溶解手段における操作温度は一般的には低くすることで溶解効率を向上することが可能だが、常温以下にするには莫大な冷却エネルギーが必要となるため、必要エネルギー量の観点から常温以上、また常温〜常温＋１５℃であることが好ましい。ここで常温とは周囲の温度を指す。
【００２８】
＜分離手段＞
分離手段では、希釈手段により希釈されたドロー溶液から、ドロー溶液の揮発性の溶質を分離して、水・濃縮フィード液等の目的液を得る。
分離手段は、本発明の趣旨を逸脱しない限り、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば一般的な放散に用いられる放散塔、放散装置、膜プロセスユニット、マイクロリアクター等の微小流体の制御機構、などが挙げられる。これらの中でも、放散塔が特に好ましい。
【００２９】
放散塔で行う場合、加熱温度は、９０℃以下であることが好ましく、７５℃以下であることがより好ましい。このような手段を採用することにより、利用価値が低い低熱媒体をそのエネルギー源として用いることが可能となるため著しく経済性が高くなる。下限値は特に定めるものではないが、通常、３０℃以上である。
分離手段の加熱方法としては希釈されたドロー溶液の加熱が可能であれば適宜選択することができるが、経済的な観点から電気を利用した加熱や１００℃以上の高温熱源による加熱ではなく、１００℃未満の廃熱を利用した加熱を選択することが好ましい。具体的には火力発電所や原子力発電所などの発電所、焼却炉、鉄鋼業や石油化学工業などの工場、鏡やレンズなどを用いた太陽光集光システムなどを選択することができる。好ましくは廃熱量の観点から発電所を選択することができる。
放散塔としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば棚段塔、充填塔、などが挙げられる。
棚段塔としては、例えば、書籍「蒸留技術（化学工学協会編）」のｐ１３９〜ｐ１４３、書籍「解説化学工学（培風館発行）」のｐ１４１〜ｐ１４２に記載の構造体、具体的には泡鐘（バブルキャップ）トレイ、バルブトレイ、多孔板（シーブ）トレイ、などが挙げられる。
充填塔に詰める充填物としては、規則充填物でも不規則充填物でもよく、例えば書籍「解説化学工学（培風館発行）」のｐ１５５〜ｐ１５７、書籍「増補  ガス吸収（化学工業株式会社発行）」のｐ２２１〜ｐ２４２に記載されている充填物を任意に選択することができる。
膜プロセスユニットとしては、例えば、学術論文「Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ  ＳｃｉｅｎｃｅＶｏｌ．１２４，Ｉｓｓｕｅ１，ｐ１〜ｐ２５」などに記載の膜蒸留ユニットを用いることができる。
マイクロリアクターとしては、例えば書籍「マイクロ化学チップの技術と応用（丸善株式会社発行）」に記載のリアクターを用いることができる。
なお、アニオン源として二酸化炭素を用いた場合、炭化水素系の放散塔などと比較すると水和や脱水などの遅い反応を含むため、各段において気液の平衡に達するまでに長時間を要する。そのため、分離手段を効率的に機能させるためには各種充填物や棚段において炭化水素系を想定した時に算出される推奨の保持時間より長く保持させる方が好ましい。保持時間を長くする方法としては、例えば放散塔の直径を大きくする、棚段塔を選択する、孔径を調整するなどの一般的な手法を取ることができる。
【００３０】
＜その他の工程＞
その他の工程としては、例えば制御工程、駆動工程などが挙げられ、これらは制御手段、駆動手段により実施される。
制御手段としては、各手段の動きを制御することができる限り特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、シークエンサー、コンピュータ等の機器が挙げられる。
【００３１】
＜必要エネルギー＞
本発明の順浸透法ではより特定のアニオン源、カチオン源などの条件を選択することによって、必要なエネルギーを大幅に減らすことができる。特に順浸透法では投入するエネルギー源として、質の低い低熱源を利用することができるため、産業的な意義が大きい。ここで質が低いエネルギーとは一般的な用途に利用することができない、もしくはその効率が悪いエネルギーを指す。例えば１００℃を下回る熱はタービンなどで電気変換する効率が悪いため、利用価値が低い。本発明の順浸透法では、主に分離手段における加熱エネルギーと送液エネルギーが必要となるが、ＲＯと異なり送液の圧力が低いため、そのほとんどが分離手段における加熱エネルギーである。ただし、溶解手段における温度が常温より低いと冷却エネルギーが莫大になるため、常温以上に設定する必要があることなど、総合エネルギーを低くするためには分離手段だけでなくシステム全体として最適な条件を選ぶ必要がある。
【００３２】
本発明の順浸透システムの熱力学的なシミュレーションを行うと、分離手段におけるエネルギーを抑制するには、分離部において、アニオン源やカチオン源と共に無駄に揮発させてしまう水の量を減らすことが効果的であることが判る。特に、アニオン源として二酸化炭素を用いた場合、分離手段の初期にアニオン源が優先的に揮発して分離されるため、残されたカチオン源の揮発分離のしやすさが重要となる。つまり、カチオン源の選択基準としてはその揮発エネルギーではなく、ヘンリー定数が高くｐＫｂが高いカチオンを選択することが重要となる。また、溶解手段においては、二酸化炭素を効率良く溶解させることが必要であるが、前述の通り溶解手段における温度を低くしすぎると莫大な冷却のエネルギーが必要となるため、常温〜常温＋１５℃の範囲が好ましい。そのため、二酸化炭素の溶解効率を向上させるために、ドロー溶液のｐＨが高い方が好ましいので、カチオン源のｐＫｂは低い方が好ましい。このように分離手段と溶解手段においてカチオン源に求められるｐＫｂが相反するため、適切な領域が存在することが示される。具体的には必要エネルギーの観点からカチオン源はｐＫｂが３．２〜４．５かつヘンリー定数は１．０×１０5［Ｐａ／ｍｏｌ・fraction］以上であることが好ましく、ｐＫｂが４．０〜４．５かつヘンリー定数は３．０×１０5［Ｐａ／ｍｏｌ・fraction］以上であることがより好ましい。より具体的には、例えばトリメチルアミン、ジメチルエチルアミンが好ましく選択される。
【００３３】
上述したものの他、本発明においては、本発明を逸脱しない範囲内において、米国特許第６３９１２０５号明細書、米国特許出願公開第２００５／０１４５５６８号明細書、国際公開ＷＯ２００７／１４６０９４号パンフレットに記載の技術を採用することができる。
【実施例】
【００３４】
以下に実施例を挙げて本発明をさらに具体的に説明する。以下の実施例に示す材料、使用量、割合、処理内容、処理手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない限り、適宜、変更することができる。従って、本発明の範囲は以下に示す具体例に限定されるものではない。
【００３５】
本実施例では、以下の物質をカチオン源およびアニオン源を用いた。
ヘンリー定数（Ｈｅｎｒｙ定数）は、Compilation of Henry's Law Constants for Inorganic and Organic Species of Potential Importance in Environmental Chemistry（ HYPERLINK "http://www.mpch-mainz.mpg.de/~sander/res/henry.html" http://www.mpch-mainz.mpg.de/~sander/res/henry.html）に基づく値であり、複数記載されているものは
著しく外れている値を除いて平均値を採用している。単位は、Ｐａ／ｍｏｌ  fractionで表している。分子量は、非荷電の状態のそれぞれの化合物の分子量である。ｐＫａおよびｐＫｂは文献「化学便覧 基礎編 日本化学会編、丸善」などの一般的な文献に基づく値である。沸点は、１気圧、に基づく値である。
【００３６】
【表１】
0005749132.tif 000002
【００３７】
溶質の半透膜漏れ速度
希釈手段における溶質の漏れ速度を解析するモデル実験として、カチオン源のみの水溶液から半透膜を透過してくる速度を解析した。なお、本発明においてアニオン源として二酸化炭素を用いた場合、アニオン源とその荷電体、カチオン源とその荷電体のうち最も半透膜を透過し易いものは非荷電のカチオン源であることが判っているため、カチオン源を選択する上で有効な解析である。
ドロー溶液としてアンモニア（関東化学製）、ジメチルアミン（東京化成製）、エチルアミン（東京化成製）、プロピルアミン（和光純薬製）、トリメチルアミン（和光純薬製）、ジエチルアミン（和光純薬製）を純水でそれぞれ純水１ｋｇ当たり０．４ｍｏｌの濃度で調製した。フィード溶液としては純水を用いた。半透膜としては、Ｈｙｄｒａｔｉｏｎ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎｓ社製、Ｅｘｐｅｄｉｔｉｏｎ内蔵膜（以下、「ＨＴ膜」と称する）を用いた。フィード溶液１００ｍｌとドロー溶液１００ｍｌを、ペリスタポンプを用いて流速２０ｍｍ/秒で流し、半透膜（ＨＴ膜）を保持したセル中で半透膜を介してフィード液とドロー液を接触させた。この時、膜接触面積は２８０ｍｍ2、各流れは平行に同じ向きとした。３０分間送液した状態で両液を接触させた後、フィード溶液に含まれる各カチオン源の濃度を測定し、半透膜透過速度を見積もった。なお、カチオン濃度はフィード液のｐＨと電気伝導度を測定し、検量線からそこに含まれる各カチオン源の濃度を見積もった。結果を表２に示した。また、カチオン源の分子量との相関関係を図３、カチオン源の分子量×ヘンリー定数との相関関係を図４に示した。
【００３８】
【表２】
0005749132.tif 000003
【００３９】
結果、表２、図３に示す通り、分子量が３１以上のカチオン源を用いることでその半透膜透過速度が抑制できることが示された。また、図４に示す通り、分子量が大きいだけでなくヘンリー定数も大きいカチオン源を選択することで半透膜透過速度をより抑制できることが示された。
【００４０】
ドロー溶液の調整
表３に示す組成でドロー液を調製した。ここで、ＣＯ2は二酸化炭素（ＣＯ2ガスボンベを使用）を用い、予め調製したカチオン源水溶液を冷やしながらガス吸収を行って調製し、トリフルオロ酢酸（和光純薬製）は液体として添加し、ＳＯ２は亜硫酸水溶液（和光純薬製）を用いて調製した。
【００４１】
フィード溶液の調整
フィード溶液として、ウシ血清アルブミン（和光純薬製）の０．１重量％溶液（０．１％  ＢＳＡ）または、塩化ナトリウム（和光純薬製）の０．６Ｍ溶液（０．６Ｍ  ＮａＣｌ）を用いた。
【００４２】
図２に示すＦＯ装置のうち、希釈手段、分離手段をそれぞれ独立に組み立てた。図２では、実線の矢印はフィード溶液またはフィード溶液から分離された水の流れを、点線はドロー溶液またはドロー溶液の溶質の流れを、それぞれ示している。本ＦＯ装置では、希釈手段２１と、溶解手段２２と、分離手段２３とを有している。
最初に希釈手段として、フィード溶液２００ｍｌとドロー溶液２００ｍｌとを、希釈手段２１において、半透膜２４（ＨＴ膜）を介して接触させた（膜接触面積２８０ｍｍ2）。各液はペリスタポンプを用いて平行に同じ向きに流速２０ｍｍ/秒で流した。フィード溶液中の水が半透膜２４を介して、溶解手段２２側に浸透する速度は、フィード液とドロー液の重量をリアルタイムで測定することによって解析した。また、３時間流した後のフィード液に含まれる、ドロー溶液中から漏れ出したカチオン濃度を各種アミン電極、もしくはガスクロマトグラフィーにて定量化し、計算によって漏れ速度を算出した。なお、アミン定量に用いたアミン電極とは市販のアンモニア電極（東亜ディーケーケー株式会社製、ポータブルイオン計ＩＭ−３２Ｐにアンモニア複合電極ＡＥ−２０４１を接続した物）の内部液を測定対象アミンの塩化物水溶液（例えば５０ｍＭトリメチルアミンクロライド水溶液）に置換した電極を用いた。測定方法としては、サンプル液をＮａＯＨ水溶液でｐＨを調整した上で安定した状態における起電力を測定した。また、それぞれの測定対照ごとに各種濃度の水溶液でアミン濃度と起電力の検量線を作成した上でサンプル中のアミン濃度を見積もった。
続いて分離手段として放散塔を用いて溶質残存量を測定した。放散塔としては、規則充填物（Ｓｕｌｚｅｒ  Ｃｈｅｍｔｅｃｋ社製、Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ  Ｐａｃｋｉｎｇ  ＥＸ；以下「ラボパック」と称する）を内蔵した２重管構造の放散塔を用い、底部においてマントルヒーターで加熱を行った状態で、フィード溶液の水によって希釈されたドロー溶液を放散塔上部から連続的に供給した。分離手段２３中の放散塔において、ドロー溶液の溶質成分を揮発させることによって、水とドロー溶液の溶質成分とに分離した。この時、塔頂部を、冷却部を介して真空ポンプに接続し、内部の圧力を１．０×１０4Ｐａになるように自動制御を行った。３時間運転を行う間、到底部から適宜分離液をサンプリングし、定常状態の間における放散塔底部に排出される液中に含まれるカチオンの残存濃度を測定した。測定方法は上記の希釈手段と同様に実施した。
【００４３】
透過流速
上記において、フィード溶液からの水の半透膜透過流速を測定した。
○：３００μｍｏｌ／ｍｍ2hr以上
△：３０μｍｏｌ／ｍｍ2以上３００μｍｏｌ／ｍｍ2未満
×：３０μｍｏｌ／ｍｍ2未満
上記のうち、△以上が実用可能レベルである。
【００４４】
漏れ速度
上記において、半透膜からドロー溶液の溶質成分の漏れを測定した。以下の評価に従って評価した。
○：１μｍｏｌ／ｍｍ2未満
△：１μｍｏｌ／ｍｍ2以上５μｍｏｌ／ｍｍ2未満
×：５μｍｏｌ／ｍｍ2以上
上記のうち、△以上が実用可能レベルである。
【００４５】
溶質残存量
上記において、ドロー溶液からカチオン源およびアニオン源が分離された後の水中におけるドロー溶液の残存量を測定した。以下の評価に従って評価した。
◎：５０μＭ未満
○：５０μＭ以上２００μＭ未満
△：２００μＭ以上１ｍＭ未満
×：１ｍＭ以上
上記のうち、△以上が実用可能レベルである。
【００４６】
【表３】
0005749132.tif 000004
【００４７】
上記表から明らかなとおり、カチオン源として、ヘンリー定数が１．０×１０4［Ｐａ／ｍｏｌ・fraction］未満である場合またはカチオン源の分子量が３１未満である場合（比較例３〜５）、漏れ速度または溶質残存量が劣っていた。また、アニオン源として、ヘンリー定数が１．０×１０4［Ｐａ／ｍｏｌ・fraction］未満である場合（比較例６）、溶質残存量が劣っていた。
一方、前記カチオン源の非荷電体の状態での分子量が３１以上であり、かつ、カチオン源およびアニオン源の標準状態におけるヘンリー定数がそれぞれ１．０×１０4［Ｐａ／ｍｏｌ・fraction］以上である場合、透過流速、漏れ速度および溶質残存量のいずれにも優れたものであった。特に、カチオン源およびアニオン源のヘンリー定数が、それぞれ１．００×１０5［Ｐａ／ｍｏｌ・fraction］以上であり、カチオン源の分子量が、４５〜７４の範囲内にある場合に、特にこれらの効果に優れることが分かった。更にカチオン源およびアニオン源のヘンリー定数が、それぞれ３．００×１０5［Ｐａ／ｍｏｌ・fraction］以上である場合、よりこれらの効果に優れることが分かった。また、カチオン源のｐＫｂが４．０〜４．５の範囲内にある場合に更にこれらの効果に優れることが分かった。カチオン源として、トリメチルアミン又はジメチルエチルアミンを用い、アニオン源として二酸化炭素を用いたときにも、特にこれらの効果に優れることが分かった。
【００４８】
上記実施例２、６、７、比較例３について、図２に示すＦＯ装置全体のエネルギーシミュレーションを行った。シミュレーションを行ったシステムの模式図を図５に示した。ここでＡｂｓｏｒｂｅｒは溶解手段を、Ｓｔｒｉｐｐｅｒは分離手段をＭＩＸ１は希釈部を示す。カチオン源はアンモニアもしくは各種アミンを採用し、アニオン源は二酸化炭素とした。各種カチオン源、アニオン源の諸物性はＯＬＩ Ｓｙｓｔｅｍｓの保有するデータを利用した。またスケールとしては、結果には直接は関係ないが、浄化して得られる水（ＴＲ＿ＷＡＴＥＲ）の流速を１０００トン／日として見積もった。
希釈部において、カチオン源、アニオン源の濃度は水１ｋｇ当たりそれぞれ４．２ｍｏｌ、３．０ｍｏｌからそれぞれ１．４ｍｏｌ、１．０ｍｏｌに２５℃の純水で希釈されるとし、この時のカチオン源およびアニオン源のロスはないとした。希釈されたドロー液（Ｓｏｌｕｔｉｏｎ）はＳｐｌｉｔ１にてＳｔｒｉｐｐｅｒとＡｂｓｏｒｂｅｒに分割された。この時の分割比は約２：１としたが、Ｓｔｒｉｐｐｅｒからカチオン源やアニオン源と共に水がＡｂｓｏｒｂｅｒに移動してもＡｂｓｏｒｂｅｒにて目的濃度にできるようにＳｔｒｉｐｐｅｒ側が多くなる設定とした。Ｓｔｒｉｐｐｅｒは、理論段数３０段の充填型放散塔を用い圧力損失はないとした。また、圧力は、ＴＲ＿ＷＡＴＥＲに含まれるＡｂｓｏｒｂｅｒを冷却し最終的に２５℃でカチオン源、アニオン源の濃度が水１ｋｇ当たりそれぞれ４．２ｍｏｌ、３．０ｍｏｌとなる圧力（２５℃におけるドロー液の飽和蒸気圧）に設定した。この圧力においてＳｔｒｉｐｐｅｒ底部から得られる水（ＴＲ＿ＷＡＴＥＲ）に含まれるカチオン源濃度が水１ｋｇ当たり６０μｍｏｌとなるような放散塔底部温度に設定した。また、また、シミュレーションの都合上Ａｂｓｏｒｂｅｒ上部から抜けるガス（Ｖｅｎｔ）を設定したが、この量は全体に比べて無視できる程度に少なくした。Ｓｐｌｉｔ１において分割された希釈されたドロー液（ＡＢＳ＿ＲＣ）はＭＩＸ２においてそれぞれ２５℃のアニオン源、カチオン源が溶解された後、Ａｂｓｏｒｂｅｒに導入されるとした。また、この時の補充されるアニオン源、カチオン源はＴＲ＿ＷＡＴＥＲに残留することで失われる量を補充するとした。
さらに図５に示すように２箇所の熱交換器（ＨＸ１、ＨＸ２）で熱交換を行うとし、それぞれの熱交換器のＵＡ値を４．０×１０8、２．０×１０9とした。また、配管における熱のロス、圧力損失、不均一状態による塩の析出はないとし、水和反応などの反応速度や拡散速度などによる律速はないとし、また気体と液体の混相流も適切に流せるとした。得られた結果のうち、Ｓｔｒｉｐｐｅｒ底部において与えた加熱量を必要エネルギーとして見積もった。
【００４９】
シミュレーションの結果を下記表４に示す。表４に示すとおり、実施例６、７、比較例３においては必要エネルギーが１００ｋＷｈ／ｍ3（水１ｍ3を得るのに必要な熱エネルギーの総和）以上であったのに対して、実施例２の、カチオン源としてトリメチルアミン、アニオン源として二酸化炭素をそれぞれ溶解手段における濃度を４．２ｍｏｌ／ｋｇ、３．０ｍｏ／ｋｇとした条件において６７ｋＷｈ／ｍ3となり、省エネルギー性が非常に高いことが示された。これは主にＳｔｒｉｐｐｅｒにおける無駄な水の揮発量が抑えられたことが主要因である。
【００５０】
【表４】
0005749132.tif 000005
【００５１】
上記のシミュレーションにおける吸収器（Ａｂｓｏｒｂｅｒ）温度と放散塔底（Ｓｔｒｉｐｐｅｒ）温度を表５に示す。表３に示す通り、比較例３では放散塔底温度、つまり最も加熱される温度が６３℃であったのに対して、実施例２では５１℃と見積もられ、吸収器温度との温度差が２６℃となった。これは比較例３の温度差３８℃と比較しても極めて小さいことが示された。装置全体における加熱温度と冷却温度の差が小さいことは、それだけ質の低いエネルギー源で装置を回すことができることを表すため、実施例２で示した結果は経済的に非常に有効であることが示された。
【表５】
0005749132.tif 000006
【符号の説明】
【００５２】
１１    海水
１２    ドロー溶液
１３    半透膜
１４    放散塔
１５    ドロー溶液の揮発成分
１６    水
１７    ガス吸収器
１８    圧力計
２１    希釈手段
２２    溶解手段
２３    分離手段
２４    半透膜
２５    ガス吸収器
【図１】
0005749132.tif 000007
【図２】
0005749132.tif 000008
【図３】
0005749132.tif 000009
【図４】
0005749132.tif 000010
【図５】
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