(57)【要約】  海水または塩分濃度１重量％以上の高濃度かん水を原水として、原水もしくはその前処理水を供給水として、加圧供給する昇圧ポンプの下流に半透膜ユニットが配置され、濃縮水と透過水に分離するための半透膜分離装置であって、半透膜ユニットは、一つの筒状圧力容器に半透膜エレメントが複数直列に収納され、片方の端部から供給水が供給され、前段に位置する半透膜エレメントから得られる非透過水を次段に位置する半透膜エレメントに供給する構造のモジュールからなるとともに、前段の半透膜エレメントから得られる透過水と残りの後段から得られる透過水が分割されるように前段から得られる透過水の一部を一方の端部から取り出すための第１の透過水ラインと残り後段の透過水を他方の端部から取り出すための第２の透過水ラインを備え、かつ、第１の透過水ラインがエネルギー回収ユニットに接続され、背圧エネルギーを利用して供給水の一部を圧力交換式エネルギー回収ユニットおよびターボチャージャーの少なくともひとつで昇圧するようになっている。
2015141693.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
海水または塩分濃度１重量％以上の高濃度かん水を原水として、原水もしくはその前処理水を供給水として、加圧供給する昇圧ポンプの下流に半透膜ユニットが配置され、濃縮水と透過水に分離するための半透膜分離装置であって、
前記半透膜ユニットは、
一つの筒状圧力容器に半透膜エレメントが複数直列に収納され、片方の端部から供給水が供給され、前段に位置する半透膜エレメントから得られる非透過水を次段に位置する半透膜エレメントに供給する構造のモジュールからなるとともに、
前段の半透膜エレメントから得られる透過水と残りの後段から得られる透過水が分割されるように前段から得られる透過水の一部を一方の端部から取り出すための第１の透過水ラインと前記残り後段の透過水を他方の端部から取り出すための第２の透過水ラインを備え、かつ、
前記第１の透過水ラインがエネルギー回収ユニットに接続され、背圧エネルギーを利用して供給水の一部を圧力交換式エネルギー回収ユニットおよびターボチャージャーの少なくともひとつで昇圧するようになっている半透膜分離装置。
【請求項２】
第１の透過水にかける背圧から取り出される背圧エネルギーを利用して前記圧力交換式エネルギー回収ユニットによって供給水のうち少なくとも一部を第１の透過水と実質的に等量昇圧し、その後前記昇圧ポンプで必要圧力まで昇圧するとともに背圧エネルギーを利用しない残りの供給水をもう１台の昇圧ポンプで必要圧力まで昇圧してから混合し、前記半透膜ユニットに供給するようになっている請求項１に記載の半透膜分離装置。
【請求項３】
第１の透過水の背圧エネルギーを利用しない供給水のうち、濃縮水量と実質的に等量の昇圧を、濃縮水の圧力エネルギーによって行う請求項１または２に記載の半透膜分離装置。
【請求項４】
第１の透過水にかける背圧から取り出される背圧エネルギーを利用して前記ターボチャージャーによって供給水の一部を昇圧し、
その前か後で必要圧力まで前記昇圧ポンプで昇圧するとともに、背圧エネルギーを利用しない残りの供給水を他の昇圧手段によって行う請求項１に記載の半透膜分離装置。
【請求項５】
第１の透過水の背圧エネルギーを利用しない供給水の少なくとも一部の昇圧を濃縮水の圧力エネルギーによって行う請求項４に記載の半透膜分離装置。
【請求項６】
背圧エネルギーを利用しない供給水の少なくとも一部の昇圧を前記ターボチャージャーによって行うとともに、必要に応じて残りの供給水を他の昇圧手段で行う請求項３または５に記載の半透膜分離装置。
【請求項７】
背圧エネルギーを利用しない供給水少なくとも一部の昇圧を前記圧力交換式エネルギー回収ユニットと昇圧ポンプによって行うとともに、必要に応じて残りの供給水を他の昇圧手段で行う請求項３または５に記載の半透膜分離装置。
【請求項８】
原水濃度が４重量％以上の海水または、高濃度かん水であって、前記半透膜ユニットへの供給水量に対する透過水の回収率が３０％以上５０％以下である請求項１〜７のいずれか１項に記載の半透膜分離装置。
【請求項９】
前段の半透膜エレメントの透水性能が後段の半透膜エレメントの透水性能よりも大きい請求項１〜８のいずれか１項に記載の半透膜分離装置。
【請求項１０】
前段の半透膜エレメントの阻止性能が後段の半透膜エレメントの阻止性能よりも小さい請求項１〜９のいずれか１項に記載の半透膜分離装置。
【請求項１１】
前段の半透膜エレメントのうち最上流から１ないし複数の半透膜エレメントが前段の他の半透膜エレメントよりも透水性が小さい請求項９に記載の半透膜分離装置。
【請求項１２】
後段の半透膜エレメントのうち最下流から１ないし複数の半透膜エレメントが後段の他の半透膜エレメントよりも阻止性能が大きい請求項１０に記載の半透膜分離装置。
【請求項１３】
前記半透膜ユニットへの供給水の供給方向を逆向きに出来る流路構造となっている請求項１〜１２のいずれか１項に記載の半透膜分離装置。
【請求項１４】
半透膜エレメントが、シート上の半透膜が巻回されてなる膜巻体が外装体で覆われ、膜巻体および外装体の少なくとも片端に、テレスコープ防止板が設けられ、少なくとも、１つのテレスコープ防止板の外周に原水シール部材が設けられてなるスパイラル型膜エレメントであり、前記原水シール部材が、半透膜エレメントを筒状圧力容器内で実質的に両方向に移動可能せしめる構造である請求項１３に記載の半透膜分離装置。
【請求項１５】
請求項１３または１４に記載の半透膜分離装置を運転する半透膜分離装置の運転方法において、水温と原水濃度の少なくとも一方の値が、予め定められた値を超えた場合に、前記半透膜ユニットの供給水の供給方向を逆向きにする半透膜分離装置の運転方法。
【請求項１６】
海水または塩分濃度１重量％以上の高濃度かん水を原水として、原水もしくはその前処理水を供給水として、加圧供給する昇圧ポンプの下流に少なくとも二つの半透膜モジュールの供給水側が直列に接続配置され、前段の半透膜モジュールから得られる非透過水を次段に位置する半透膜モジュールに供給する構造のユニットによって、濃縮水と透過水に分離するための半透膜分離装置であって、前記半透膜モジュールのうち、少なくとも最後尾の半透膜モジュールを除く少なくとも一つの半透膜モジュールから得られる透過水の出口がエネルギー回収ユニットに接続され、背圧エネルギーを利用して供給水の一部を圧力交換式エネルギー回収ユニットおよびターボチャージャーの少なくともひとつで昇圧するようになっている半透膜分離装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、海水や、塩分を含む河川水、地下水、湖水、廃水処理水などの原水を用いて、半透膜ユニットで効率的、かつ、安価に淡水を得るための造水方法に関するものである。更に詳しくは、一つの圧力容器の中に複数の半透膜エレメントを装填し、その中で異なる条件を設定できる構造を持たせた半透膜ユニットを高効率のエネルギー回収ユニットと組み合わせることによって、低コストに淡水を製造する半透膜分離装置およびその運転方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、水資源の枯渇が深刻になりつつあり、これまで利用されてこなかった水資源の活用が検討され、とくに、もっとも身近でそのままでは利用できなかった海水から飲料水を製造する技術、いわゆる“海水淡水化”、さらには、下廃水の再利用が注目されてきている。海水淡水化は、従来、水資源が極端に少なく、かつ、石油による熱資源が非常に豊富である中東地域で蒸発法を中心に実用化されてきているが、熱源が豊富でない中東以外の地域ではエネルギー効率の高い逆浸透法が採用され、最近では、逆浸透法の技術進歩による信頼性の向上やコストダウンが進み、中東を含む多くの地域において、逆浸透法海水淡水化プラントが建設され、世界的な展開を見せつつある。【０００３】
海水淡水化に適用される逆浸透法は、塩分などの溶質を含んだ水を浸透圧以上の圧力をもって半透膜を透過させることで、脱塩された水を製造するものでできる。この技術は例えば海水、かん水、有害物を含んだ水から飲料水を得ることも可能であるし、また、工業用超純水の製造、排水処理、有価物の回収などにも用いられてきた。半透膜で溶液を分離する場合は、溶液の溶質濃度によって定まる溶液自身の持つ化学ポテンシャル（これを浸透圧で表わすことができる）以上の圧力で溶液を半透膜面に供給する必要がある。たとえば海水を半透膜ユニットで分離する場合は、最低３．０ＭＰａ程度以上、実用性を考慮すると少なくとも５．０ＭＰａ程度以上の圧力が必要となり、これ以上の圧力に加圧されないと充分な逆浸透分離性能は発現されない。【０００４】
半透膜による海水淡水化の場合を例にとると、通常の海水淡水化技術では海水から淡水を回収する割合（回収率）は通常４０％程度であり、海水供給量に対して４０％相当量の真淡水が膜を透過して得られる結果、半透膜ユニットの中で海水濃度が３．５％から６％程度にまで濃縮されることになる。このように海水から回収率４０％で淡水を得るという逆浸透分離操作を行うためには、濃縮水の濃度に対応する浸透圧（海水濃縮水濃度６％に対しては約４．５ＭＰａ）以上の圧力が必要である。【０００５】
実際には、半透膜を淡水が透過する際に生じる膜面塩濃度上昇（いわゆる濃度分極現象）するため、さらに高い圧力が必要とされる。この点も考え併せると、淡水の水質がいわゆる飲料水レベルに対応でき、かつ充分な水量を得るためには、実際には、濃縮水濃度に対応する浸透圧よりも約２．０ＭＰａ（この圧力を有効圧力と呼ぶ）程度高めの圧力を半透膜に加えることが必要であり、海水淡水化用半透膜ユニットは６．０から６．５ＭＰａ程度の圧力をかけて回収率４０％という条件になるのが一般的である。海水供給量に対する淡水の回収率は、直接コストに寄与するものであり、高いほど、前処理がコンパクトになるため、設備コストとしては低減方向に行く。回収率を上げると、半透膜に非常に高い圧力をかける必要があるためエネルギーコストが大きくなりやすいという問題点も併せ持っているので注意が必要である。【０００６】
半透膜エレメントは、通常複数本の半透膜のエレメントを１本の圧力容器（エレメントを装填するための耐圧容器）に直列に装填した状態（これをモジュールと称す）で使用され、実際のプラントではこのモジュールを多数本並列に設置したユニットとして使用される。海水淡水化の収率というのは、プラント全体に供給される全供給海水に対する全透過水量の割合であり、通常の条件では、モジュールが並列に設置されているので、モジュール１本あたりの供給量とモジュール１本から得られる透過水量の割合（モジュール内の各エレメントからの透過水量の合計）と一致する。ここで、モジュール内部の各エレメントから得られる透過水は、例えば１ユニットが１モジュールであって、１モジュールが半透膜エレメント６本から構成される。例えば、１モジュールに１９８ｍ3／日の海水を供給し、合計７８ｍ3 ／日の淡水が得られる場合（収率４０％）は、実際に起こっている現象をシミュレーションしてみると、１本目のエレメントで１８〜１９ｍ3 ／日、２本目のエレメントで１５〜１７ｍ3 ／日、３本目からも徐々に減っていき、合計して７８ｍ3 ／日の透過水となる。このように、各エレメントからの透過水収率は小さいがモジュール全体の透過水の総量としては、供給水に対して４０％と大きな収率が達成されることになる。【０００７】
一方、半透膜分離装置の運転条件設定について考慮する必要のある事項としては、ファウリング（膜面汚れ）の防止と濃度分極の防止がある。膜のファウリングは、具体的には１本の半透膜エレメントから得られる透過水量をある値（耐ファウリング許容Ｆｌｕｘ）以上にしない、また供給側の流量をある範囲内（許容クロスフロー流速）にするということによって防止もしくは低減することができる。耐ファウリング許容Ｆｌｕｘを越えて透過水を採取すると、供給水中の濁質などが膜面に多く運ばれ、また、押しつけられることになる。クロスフロー流速は、膜表面に堆積しつつある濁質などを剪断力によって書き取り押し流す効果を有するため、許容範囲を下回ると、半透膜エレメントの膜面汚れが加速されることになり好ましくない。クロスフロー流速に関しては、大きすぎると、供給水流路の流動圧損が大きくなったり、ウォーターハンマー効果によってエレメントにダメージを与えやすくなるため、通常上限値も定められている。【０００８】
この耐ファウリング許容Ｆｌｕｘは膜素材やエレメント構造、また原水性状によっても異なるが、通常、高性能の半透膜の場合では、０．７ｍ3 ／ｍ2 ・日程度である。より具体的には、この規格の東レ製逆浸透膜８インチエレメント（直径２０ｃｍ×長さ１ｍ）を用い、前処理した表層海水から淡水を得る場合、エレメントのＦｌｕｘを最大２８Ｌ／ｍ2／時（膜面積４０ｍ2のエレメント１本あたりの造水量２６．９ｍ３／日）以下、さらに、クロスフロー流速は３．６ｍ3／時（８６ｍ3／日）以上１３ｍ3／時（３１２ｍ3／日）以下と規定されている。これは、すなわち、同位置の圧力容器内部の先頭エレメントへの供給量を３１２ｍ3／時以下、造水量を２６．９ｍ3／日以下、透過によって流量が減少した最後尾の供給水（濃縮水）の流量を８６ｍ3／日以上にする必要があるということである。なお、すべての条件を限界付近で使うことは好ましいことではないが、海水淡水化の場合には、先頭エレメントから最後尾に行くにつれて、供給海水が濃縮され、最後尾エレメントの造水量は、先頭エレメントの造水量の数分の一になるため、Ｆｌｕｘは可能な限り高める必要がある。すなわち、先頭エレメントの造水量が２６．９ｍ3／日以下という条件の場合、それに近いところで設計される。さもないと、膜面積が多く必要となり、経済的に不利になる。【０００９】
しかし、Ｆｌｕｘとクロスフローすべてを制限近くで運転すると、供給水濃度、温度などの条件や膜性能変化、供給水流路閉塞などが生じた場合、ファウリング危険領域に陥る危険性があるため、クロスフロー流量については、上限下限流量を適用して設計することは好ましくない。すなわち、回収率５０％以上のような場合には、通常、圧力容器を１本ないし複数並列にした１段構成ではなく、非特許文献１に示されるように、複数並列にした１段目の濃縮水を集めて、１段目よりも圧力容器の数を少なくした２段目の圧力容器に供給することで、クロスフロー流量の変動を抑える方法をとることが好ましい。具体的には、１段目と２段目を合わせた全体の回収率を６０％としたい場合は、例えば、ユニット構成として、１段目のモジュール数を２本、回収率を４０％、２段目のモジュール数を１本、回収率を３３％とし、１段目に４００ｍ3／日の海水を供給すれば、１段目の圧力容器には２００ｍ3／日（上限３１２ｍ3／日）を供給、濃縮水１２０ｍ3／日（下限８６ｍ3／日）排出し、２本の濃縮水を合わせて、２４０ｍ3／日（上限３１２ｍ3／日）にして、２段目に送り、２段目濃縮水が１６０ｍ3／日（下限８６ｍ3／日）となるようにすれば、クロスフロー流量について余裕を持たせることができる。【００１０】
しかし、回収率を上げることは、濃縮水の濃度が上昇につながるため、１回で供給水の圧力を上げる場合は、はじめに非常に高い圧力をかけなければならない。すなわち、膜面積が同じで、半透膜エレメント６本を直列にしたモジュールに、１９８ｍ3／日を供給し、４０％回収するために６．０ＭＰａを要する場合、先頭エレメントの造水量は、１８〜１９ｍ3／日となるが、回収率６０％にしようとすると、８．０ＭＰａ必要となり、先頭エレメントの造水量は、２８ｍ3／日以上となり、上限値を超えてしまう。この結果、エレメントに濃度分極およびファウリングという現象が生じてエレメントの目つまりや寿命低下が生じ、長期にわたる半透膜装置の安定運転を行うことが非常にむずかしくなる。【００１１】
回収率６０％の海水淡水化では、モジュールの入口から出口にかけては、物質収支的に海水濃度は３．５％から８．８％にまで、浸透圧は２．６ＭＰａから７．０ＭＰａにまで変化し、淡水を透過させるのに必要な有効圧力（操作圧力と浸透圧の差）は５．４ＭＰａから１．０ＭＰａまでと大きく変化している。すなわち、モジュール内部の１番目と最後段エレメントとの透過水量の比率はこの有効圧比率の５４：１０と同程度となる。すなわち、一本目のエレメントの透過水量が激増し、耐ファウリング許容値を越え、ファウリングが非常に生じ易くなるという問題があった。とくに逆浸透膜は水温が高いほど透水性が大きくなり、結果、先頭エレメントの造水量が大きくなるため、高温における先頭エレメントの造水量問題は顕著、かつ、非常に深刻である。【００１２】
なお、上記内容は、簡単のためにスパイラル型半透膜エレメントを例にとり説明しているが、中空糸膜型モジュールの場合でも内部では同様の現象と同様の問題が生ずる。【００１３】
これを解決するための方法、すなわち、先頭の半透膜エレメントの透過水量を抑える方法として、図１に例示するように、半透膜モジュールを二段にしてユニットを構成し、浸透圧の小さな一段目の半透膜エレメントにかかる操作圧力を小さくし、後段で昇圧して浸透圧の高い二段目の透過水量を確保する、いわゆる濃縮水昇圧二段法（非特許文献２、特許文献１）を適用することが出来る。【００１４】
図１では、原水１が原水槽２を介して、原水供給ポンプ３によって前処理ユニット４で処理した後、中間水槽５に貯留された前処理水が、保安フィルター６を通った後、昇圧ポンプ７で第１の半透膜ユニット８ａに送られ、第１の透過水ライン１１から透過水が得られる。第１の半透膜ユニット８ａの第１の濃縮水１４ａは、昇圧ポンプもしくはターボチャージャー１９（図１には、ターボチャージャー１９を表示）によって昇圧され、第２の半透膜ユニット８ｂにて第２の透過水ライン１２から透過水を得ることが出来る。第２の濃縮水１４ｂは、残っている圧力エネルギーをターボチャージャー１９で回収された後に、濃縮排水ライン１４から排出される。【００１５】
さらに、昇圧二段法と同様の効果を実現する方法としては、昇圧ポンプやターボチャージャーを第１の半透膜ユニット８ａと第２の半透膜ユニット８ｂの間に備えずに、第１の半透膜ユニット８ａの透過側にバルブやエネルギー回収ユニット１０ａを用いて背圧をかけることによって、同様の効果を得る特許文献２に示すような方法が挙げられる。さらに、２つの半透膜ユニットを直列することなしに、例えば、特許文献３で提案され、図３に例示されるように、１つの半透膜ユニット８の内部で透過側を前段と後段に分割し、前段の透過水ライン１１ａをバルブ１８で背圧をかけ、半透膜ユニット８の前段と後段で操作圧力を変えることによって、同様の効果を得ることが出来る。ここに適用される半透膜ユニット８を構成する半透膜モジュールの一例の断面図を図１１に示す。さらに、図４に例示されるように、同様の方法でバルブ１８の代わりにエネルギー回収ユニット１０ａを適用する方法が、特許文献４で提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】日本国特開平０８−１０８０４８号公報
【特許文献２】日本国特許０４１８７３１６号公報
【特許文献３】日本国特開２００１−１３７６７２号公報
【特許文献４】日本国特開２０１０−１７９２６４号公報
【非特許文献】
【００１７】
【非特許文献１】酒井清孝監、膜分離プロセスの理論と設計、第１章５．４、Ｐ１８（１９９３）
【非特許文献２】山村弘之、他、「省エネ低コスト型逆浸透膜法海水淡水化技術の開発」膜、２３（５）、ｐ２４５−２５０（１９９８）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明は、高濃度溶液から高い回収率で、少ないエネルギーで、より安価に、高効率に低濃度溶液をより安定に得ることができる装置および分離方法を提供する。特に、中東などの高濃度海水において回収率を高くすることが困難で、かつ、先頭と最後のフラックスも大きく変化するような場合においても、少ないエネルギーで淡水を効率的に、かつファウリングを抑制し、安定的に得るための半透膜分離装置およびその運転方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
前記課題を解決するために、本発明は次の構成をとる。【００２０】
（１）海水または塩分濃度１重量％以上の高濃度かん水を原水として、原水もしくはその前処理水を供給水として、加圧供給する昇圧ポンプの下流に半透膜ユニットが配置され、濃縮水と透過水に分離するための半透膜分離装置であって、前記半透膜ユニットは、一つの筒状圧力容器に半透膜エレメントが複数直列に収納され、片方の端部から供給水が供給され、前段に位置する半透膜エレメントから得られる非透過水を次段に位置する半透膜エレメントに供給する構造のモジュールからなるとともに、前段の半透膜エレメントから得られる透過水と残りの後段から得られる透過水が分割されるように前段から得られる透過水の一部を一方の端部から取り出すための第１の透過水ラインと前記残り後段の透過水を他方の端部から取り出すための第２の透過水ラインを備え、かつ、前記第１の透過水ラインがエネルギー回収ユニットに接続され、背圧エネルギーを利用して供給水の一部を圧力交換式エネルギー回収ユニットおよびターボチャージャーの少なくともひとつで昇圧するようになっている半透膜分離装置。【００２１】
（２）第１の透過水にかける背圧から取り出される背圧エネルギーを利用して前記圧力交換式エネルギー回収ユニットによって供給水のうち少なくとも一部を第１の透過水と実質的に等量昇圧し、その後前記昇圧ポンプで必要圧力まで昇圧するとともに背圧エネルギーを利用しない残りの供給水をもう１台の昇圧ポンプで必要圧力まで昇圧してから混合し、前記半透膜ユニットに供給するようになっている（１）に記載の半透膜分離装置。【００２２】
（３）第１の透過水の背圧エネルギーを利用しない供給水のうち、濃縮水量と実質的に等量の昇圧を、濃縮水の圧力エネルギーによって行う（１）または（２）に記載の半透膜分離装置。【００２３】
（４）第１の透過水にかける背圧から取り出される背圧エネルギーを利用して前記ターボチャージャーによって供給水の一部を昇圧し、その前か後で必要圧力まで前記昇圧ポンプで昇圧するとともに、背圧エネルギーを利用しない残りの供給水を他の昇圧手段によって行う（１）に記載の半透膜分離装置。【００２４】
（５）第１の透過水の背圧エネルギーを利用しない供給水の少なくとも一部の昇圧を濃縮水の圧力エネルギーによって行う（４）に記載の半透膜分離装置。【００２５】
（６）背圧エネルギーを利用しない供給水の少なくとも一部の昇圧を前記ターボチャージャーによって行うとともに、必要に応じて残りの供給水を他の昇圧手段で行う（３）または（５）に記載の半透膜分離装置。【００２６】
（７）背圧エネルギーを利用しない供給水少なくとも一部の昇圧を前記圧力交換式エネルギー回収ユニットと昇圧ポンプによって行うとともに、必要に応じて残りの供給水を他の昇圧手段で行う（３）または（５）に記載の半透膜分離装置。【００２７】
（８）原水濃度が４重量％以上の海水または、高濃度かん水であって、前記半透膜ユニットへの供給水量に対する透過水の回収率が３０％以上５０％以下である（１）〜（７）のいずれか１つに記載の半透膜分離装置。【００２８】
（９）前段の半透膜エレメントの透水性能が後段の半透膜エレメントの透水性能よりも大きい（１）〜（８）のいずれか１つに記載の半透膜分離装置。【００２９】
（１０）前段の半透膜エレメントの阻止性能が後段の半透膜エレメントの阻止性能よりも小さい（１）〜（９）のいずれか１つに記載の半透膜分離装置。【００３０】
（１１）前段の半透膜エレメントのうち最上流から１ないし複数の半透膜エレメントが前段の他の半透膜エレメントよりも透水性が小さい（９）に記載の半透膜分離装置。【００３１】
（１２）後段の半透膜エレメントのうち最下流から１ないし複数の半透膜エレメントが後段の他の半透膜エレメントよりも阻止性能が大きい（１０）に記載の半透膜分離装置。【００３２】
（１３）前記半透膜ユニットへの供給水の供給方向を逆向きに出来る流路構造となっている（１）〜（１２）のいずれか１つに記載の半透膜分離装置。【００３３】
（１４）半透膜エレメントが、シート上の半透膜が巻回されてなる膜巻体が外装体で覆われ、膜巻体および外装体の少なくとも片端に、テレスコープ防止板が設けられ、少なくとも、１つのテレスコープ防止板の外周に原水シール部材が設けられてなるスパイラル型膜エレメントであり、前記原水シール部材が、半透膜エレメントを筒状圧力容器内で実質的に両方向に移動可能せしめる構造である（１３）に記載の半透膜分離装置。【００３４】
（１５）（１３）または（１４）に記載の半透膜分離装置を運転する半透膜分離装置の運転方法において、水温と原水濃度の少なくとも一方の値が、予め定められた値を超えた場合に、前記半透膜ユニットの供給水の供給方向を逆向きにする半透膜分離装置の運転方法。【００３５】
（１６）海水または塩分濃度１重量％以上の高濃度かん水を原水として、原水もしくはその前処理水を供給水として、加圧供給する昇圧ポンプの下流に少なくとも二つの半透膜モジュールの供給水側が直列に接続配置され、前段の半透膜モジュールから得られる非透過水を次段に位置する半透膜モジュールに供給する構造のユニットによって、濃縮水と透過水に分離するための半透膜分離装置であって、前記半透膜モジュールのうち、少なくとも最後尾の半透膜モジュールを除く少なくとも一つの半透膜モジュールから得られる透過水の出口がエネルギー回収ユニットに接続され、背圧エネルギーを利用して供給水の一部を圧力交換式エネルギー回収ユニットおよびターボチャージャーの少なくともひとつで昇圧するようになっている半透膜分離装置。
【発明の効果】
【００３６】
本発明によって、海水淡水化、特に中東のような高濃度の海水において、逆浸透膜のファウリングを防止しつつ、安定的に淡水を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】中間昇圧がある二段法を適用した従来の半透膜分離装置のフロー図の例である。
【図２】１段目の透過側に背圧をかけた中間昇圧がない二段法を適用した従来の半透膜分離装置のフロー図の一例である。
【図３】圧力容器の中で複数の半透膜エレメントの透過水を前後に分割し、前段の透過水にバルブで背圧をかけた構成とした従来の半透膜分離装置のフロー図の一例である。
【図４】圧力容器の中で複数の半透膜エレメントの透過水を前後に分割し、前段の透過水にエネルギー回収ユニットを備えた従来の半透膜分離装置のフロー図の一例である。
【図５】本発明に係る、圧力容器の中で複数の半透膜エレメントの透過水を前後に分割し、前段の透過水圧力エネルギーを利用してターボチャージャーで供給水の一部を予備昇圧するとともに、昇圧ポンプで残りの供給水を昇圧した後、合流後に再度昇圧する構成の半透膜分離装置のフロー図の一例である
【図６】本発明に係る、圧力容器の中で複数の半透膜エレメントの透過水を前後に分割し、前段の透過水圧力エネルギーを利用してターボチャージャーで供給水の一部を昇圧するとともに、昇圧ポンプで残りの供給水を昇圧する構成の半透膜分離装置のフロー図の一例である。
【図７】本発明に係る、圧力容器の中で複数の半透膜エレメントの透過水を前後に分割し、前段の透過水圧力エネルギーを利用してターボチャージャーで昇圧ポンプで予備昇圧された供給水の一部を再度昇圧するとともに、残りの供給水を他の昇圧ポンプで再度昇圧する構成の半透膜分離装置のフロー図の他の一例である。
【図８】本発明に係る、圧力容器の中で複数の半透膜エレメントの透過水を前後に分割し、前段の透過水圧力エネルギーを利用して圧力交換式エネルギー回収ユニットにつづいて昇圧ポンプで供給水の一部を昇圧するとともに、他の昇圧ポンプで残りの供給水を昇圧する構成の半透膜分離装置のフロー図の一例である。
【図９】本発明に係る、圧力容器の中で複数の半透膜エレメントの透過水を前後に分割し、前段の透過水圧力エネルギーを利用して圧力交換式エネルギー回収ユニットにつづいて昇圧ポンプで供給水の一部を昇圧するとともに、濃縮水圧力エネルギーを利用して圧力交換式エネルギー回収ユニットにつづいて供給水の他の一部を昇圧し、残りの供給水を昇圧ポンプで昇圧する構成の半透膜分離装置のフロー図の一例である。
【図１０】本発明に係る、圧力容器の中で複数の半透膜エレメントの透過水を前後に分割し、前段の透過水圧力エネルギーを利用してターボチャージャーにつづいて昇圧ポンプで供給水の一部を昇圧するとともに、濃縮水圧力エネルギーを利用して圧力交換式エネルギー回収ユニットにつづいて昇圧ポンプで供給水の他の一部を昇圧する構成の半透膜分離装置のフロー図の一例である。
【図１１】本発明を構成するスパイラル型半透膜エレメントの実施形態の一例を示す部分破断斜視図である。
【図１２】本発明に係る複数のスパイラル型半透膜エレメントを筒状圧力容器に装填した分離膜モジュールの一例を示す断面図である。
【図１３】本発明に係る、半透膜モジュールの供給水と透過水の流れ方向を逆転可能なフロー図の一例である。
【図１４】本発明に係る、三方弁を用いて半透膜モジュールの供給水と透過水の流れ方向を逆転可能なフロー図の一例である。
【図１５】テレスコープ防止板にＯ−リングシールが装着された分離膜エレメントが圧力容器内に装填された状態において、Ｏ−リングシール装着部分近傍を拡大して模式的に示す部分拡大断面図である。
【図１６】テレスコープ防止板にＵ−カップシールが装着された分離膜エレメントが圧力容器内に装填された状態において、Ｕ−カップシール装着部分近傍を拡大して模式的に示す部分拡大断面図である。
【図１７】スプリットリング状のシール部材の一例を模式的に示す平面図（図１７（ａ））、（ａ）のｂ−ｂでの断面図（図１７（ｂ））である。
【図１８】スプリットリング状のシール部材のスプリット部が斜めになっている一例を模式的に示す平面図（図１８（ａ））、（ａ）のｂ−ｂでの断面図（図１８（ｂ））である。
【図１９】スプリットリング状のシール部材のスプリット部が段階的になっている一例を模式的に示す平面図（図１９（ａ））、（ａ）のｂ−ｂでの断面図（図１９（ｂ））である。
【図２０】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はスプリットリング状のシール部材のスプリット部の形状を示す例である。
【図２１】本発明に係る、モジュール２段構成とし、前段の透過水圧力エネルギーを利用して圧力交換式エネルギー回収ユニットで供給水の一部を昇圧する構成の半透膜分離装置のフロー図の一例である。
【図２２】本発明に係る、モジュール２段構成とし、前段の透過水圧力エネルギーを利用して圧力交換式エネルギー回収ユニットで供給水の一部を昇圧するとともに、濃縮水圧力エネルギーを利用して圧力交換式エネルギー回収ユニットで供給水の他の一部を昇圧する構成の半透膜分離装置のフロー図の一例である。
【図２３】本発明に係る、圧力容器の中で複数の半透膜エレメントの透過水を前後に分割し、前段の透過水圧力エネルギーを利用してターボチャージャーに続いて昇圧ポンプで供給水の一部を昇圧するとともに、他の昇圧ポンプで残りの供給水を昇圧する構成の半透膜分離装置のフロー図の一例である。
【図２４】本発明に係る、圧力容器の中で複数の半透膜エレメントの透過水を前後に分割し、前段の透過水圧力エネルギーを利用して昇圧ポンプに続いてターボチャージャーで供給水の一部を昇圧するとともに、他の昇圧ポンプで残りの供給水を昇圧する構成の半透膜分離装置のフロー図の一例である。
【図２５】本発明に係る、圧力容器の中で複数の半透膜エレメントの透過水を前後に分割し、前段の透過水圧力エネルギーを利用して圧力交換式エネルギー回収ユニットにつづいて昇圧ポンプで供給水の一部を昇圧するとともに、濃縮水の圧力エネルギーを利用した他の昇圧ポンプで残りの供給水を昇圧する構成の半透膜分離装置のフロー図の一例である。
【図２６】本発明に係る、圧力容器の中で複数の半透膜エレメントの透過水を前後に分割し、前段の透過水圧力エネルギーを利用してターボチャージャーにつづいて昇圧ポンプで供給水の一部を昇圧するとともに、濃縮水の圧力エネルギーを利用した他の昇圧ポンプで残りの供給水を昇圧する構成の半透膜分離装置のフロー図の一例である。
【図２７】本発明に係る、圧力容器の中で複数の半透膜エレメントの透過水を前後に分割し、前段の透過水圧力エネルギーを利用してターボチャージャーにつづいて昇圧ポンプで供給水の一部を昇圧するとともに、濃縮水の圧力エネルギーを利用した他の昇圧ポンプで残りの供給水の一部を昇圧し、残り全ての供給水を他の昇圧ポンプで昇圧する構成の半透膜分離装置のフロー図の一例である。
【図２８】本発明に係る、圧力容器の中で複数の半透膜エレメントの透過水を前後に分割し、前段の透過水圧力エネルギーを利用して圧力交換式エネルギー回収ユニットにつづいて昇圧ポンプで供給水の一部を昇圧するとともに、濃縮水の圧力エネルギーを利用した他の昇圧ポンプで残りの供給水の一部を昇圧し、残り全ての供給水を他の昇圧ポンプで昇圧する構成の半透膜分離装置のフロー図の一例である。
【図２９】本発明に係る、圧力容器の中で複数の半透膜エレメントの透過水を前後に分割し、前段の透過水圧力エネルギーを利用してターボチャージャーにつづいて昇圧ポンプで供給水の一部を昇圧するとともに、濃縮水の圧力エネルギーを利用してターボチャージャーにつづいて他の昇圧ポンプで残りの供給水の一部を昇圧し、残りの供給水を他の昇圧ポンプで昇圧する構成の半透膜分離装置のフロー図の一例である。
【図３０】本発明に係る、圧力容器の中で複数の半透膜エレメントの透過水を前後に分割し、前段の透過水圧力エネルギーを利用して圧力交換式エネルギー回収ユニットにつづいて昇圧ポンプで供給水の一部を昇圧するとともに、濃縮水の圧力エネルギーを利用してターボチャージャーにつづいて他の昇圧ポンプで残りの供給水の一部を昇圧し、残りの供給水を他の昇圧ポンプで昇圧する構成の半透膜分離装置のフロー図の一例である。
【図３１】本発明に係る、圧力容器の中で複数の半透膜エレメントの透過水を前後に分割し、前段の透過水圧力エネルギーを利用してターボチャージャーにつづいて昇圧ポンプで供給水の一部を昇圧するとともに、濃縮水の圧力エネルギーを利用して圧力交換式エネルギー回収ユニットにつづいて他の昇圧ポンプで残りの供給水の一部を昇圧し、残り全ての供給水を他の昇圧ポンプで昇圧する構成の半透膜分離装置のフロー図の一例である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
以下、本発明の望ましい実施の形態を、図面を用いて説明する。ただし、本発明の範囲がこれらに限られるものではない。
【００３９】
本発明の造水方法に係る水処理装置を適用可能な半透膜装置の例を図６に示す。図６に示す半透膜分離装置は、原水１が、原水槽２に一旦貯留された後、原水供給ポンプ３で前処理ユニット４に送液され、前処理される。前処理水は、中間水槽５、前処理水供給ポンプ１７、保安フィルター６を経て、一部が昇圧ポンプ７で昇圧され、残りがターボチャージャー１９で昇圧された後、半透膜モジュールからなる半透膜ユニット８で透過水と濃縮水に分離させる。さらに、透過水は、封止部９によって前段の透過水と後段の透過水に分離され、前段の透過水は、前段の第１の透過水ライン１１と透過水のエネルギー回収ユニット１０ａを通って、透過水槽１３に送られる。透過水後段の透過水は、後段の第２の透過水ライン１２を通って透過水槽１３に送られる。濃縮水は、必要に応じてエネルギー回収ユニット１０ｂで圧力エネルギーを回収された後、濃縮排水ライン１４から排出される。さらに、図２３、図２４に示すように、ターボチャージャー１９による昇圧不十分である場合を考慮して、分岐した昇圧ラインにおける昇圧ポンプ７ａと別に、ターボチャージャー１９の前もしくは後ろに、昇圧ポンプ７ｂを設けることも好ましい。また、図５、７に例示するように、前処理水の分岐前後の共通ラインに昇圧ポンプ７ｂを追加し、昇圧を補助することも好ましいし、前処理水供給ポンプ１７の昇圧を大きくすることも可能である。ただし、前処理水供給ポンプ１７の昇圧を大きくする場合は、保安フィルター６の耐圧性をあげる必要がある場合があるので注意が必要である。ここで、ターボチャージャー１９の代わりに、エネルギー回収効率が非常に高いとして、近年適用が積極的に推進されている圧力交換式エネルギー回収ユニット１５を用いることも好ましい。圧力交換式エネルギー回収ユニット１５を適用する場合は、その特性上、第１の透過水ユニットの透過水流量と圧力交換式エネルギー回収ユニット１５で昇圧できる供給水流量を実質的に同じにしなければならないため、ターボチャージャーの場合と水量や昇圧のバランスを適宜適正に設計する必要がある。図２３のターボチャージャー１９を圧力交換式エネルギー回収ユニット１５に置き換えた図を、図８に示すが、図５、図７、図２４も同様に置換できる。これらは、設計や昇圧ポンプやエネルギー回収ユニットの耐圧仕様などに応じて適宜選択、適用することができる。尚、エネルギー回収ユニット１０、１０ａ、１０ｂは、包括的な装置名称であり、圧力交換式エネルギー回収ユニット、ターボチャージャー、ペルトン水車、逆転ポンプなどを含み得るが特に限定はされない。
【００４０】
本発明を適用する原水、用途は、特に限定されるものではなく、河川水や地下水の除濁、脱塩、また、海水やかん水の淡水化など、いろんな目的に適用可能であるが、半透膜ユニットの中での濃度変化が大きく、先頭エレメントのフラックスが大きいためにファウリングリスクが高い、また、エネルギー消費が特に大きな問題となり、さらに、エネルギー回収のために高価なエネルギー回収ユニットが必要となる海水淡水化に適している。具体的には、塩分濃度が１重量％以上の高濃度かん水もしくは海水を原水とすると、本発明に適している。特に、３重量％以上の海水淡水化の場合、分離膜ユニットに供給される被処理水の圧力が４０ｂａｒ以上、すなわち、濃縮水の圧力も３５ｂａｒ以上あることが好ましい。高圧の限界については、特に制限はないが、運転圧力が８０ｂａｒを超えると、半透膜エレメントや圧力容器などに特殊な仕様が必要となること、また高圧での運転は、エネルギーコストが高くなるため、８０ｂａｒ以下、より好ましくは、７０ｂａｒ以下に設計すること、この条件で運転可能な半透膜および回収率などの運転条件設定をすることが好ましい。
【００４１】
一方、被処理水濃度が１重量％未満のかん水の淡水化の場合も効果は小さいものの本発明の考え方を適用することは可能である。
【００４２】
本発明を適用可能な前処理ユニット４としては、ｃｍ〜ｍｍ単位のスクリーン、サブミリ〜マイクロメートルレベルの高精度の固液分離が可能な砂ろ過、繊維フィルター、不織布フィルター、砂ろ過、さらに精度が高い、精密ろ過膜、限外ろ過膜などを原水水質に応じて用いることができるし、沈降分離、浮上分離など、種々の前処理プロセスを挙げることが出来る。またその適用に、凝集剤、吸着剤、殺菌剤、ｐＨ調整などの薬剤併用も差し支えない。原水中に有機物が非常に多い場合は、生物処理やラグーンなどで有機物をあらかじめ分解しておくことも好ましい実施態様である。
【００４３】
昇圧ポンプ７は、半透膜ユニット８において、被処理水から処理水を分離することができるだけの圧力を付加できるものであれば特に限定されず、市販のポンプを用いることができる。例えば、プランジャー式、渦巻き式、マグネット式など必要とする出力、特性に応じ適宜選択し、用いることができる。
【００４４】
本発明を適用する半透膜モジュールは、一つの筒状圧力容器に半透膜エレメントが複数直列に収納され、片方の端部から供給水が供給され、前段に位置する半透膜エレメントから得られる非透過水を次段に位置する半透膜エレメントに供給する構造になっている。本発明に適用される半透膜エレメントは特に限定されるものではないが、図１１に部分破断面斜視図として例示されるような、膜面を流れる流量が均一であるスパイラル型分離膜エレメントが好適である。
【００４５】
この分離膜エレメントは、被処理流体（被処理水）２７が一端面より供給され、供給側流路部材２４に沿って流動しながら成分の一部（例えば、海水淡水化の場合は水）が分離膜２２を透過することにより、透過流体と濃縮流体とに分離される。その後、分離膜を透過した成分（透過水）は、透過側流路部材２３に沿って流動して、中心管２５内へとその側面の孔から流入し、中心管２５内を流動し、透過流体（透過水）２８として取り出される。一方、非透過成分（海水淡水化の場合は塩分）を高濃度に含有する処理水は、分離膜エレメントの他端面より濃縮流体２９（濃縮水）として排出される。
【００４６】
本発明を適用可能なスパイラル型膜エレメントに用いられる分離膜２２は平膜状の分離膜である。供給側流路部材２４には、ネット状材料、メッシュ状材料、溝付シート、波形シート等が使用できる。透過側流路部材２３には、ネット状材料、メッシュ状材料、溝付シート、波形シート等が使用できる。いずれも、分離膜と独立したネットやシートでも構わないし、接着や融着するなどして一体化したものでも差し支えない。
【００４７】
テレスコープ防止板２６は、分離膜巻回体が通過する流体の圧力により筒状に変形すること（テレスコープ現象）を防止するために設置された、空隙を有する板状物であり、外周側にはシール材を装填するための周回溝を有していることが好ましい。テレスコープ防止板２６は変形防止の機能を有すれば、その材質は特に制約はない。ただし、用途に応じて、耐薬品性や耐熱性など必要になる場合は、要求仕様に応じて適宜選択することが可能である。一般には、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、耐熱性樹脂などの樹脂材が好適である。また、このテレスコープ防止板２６は、原水の流れをなるべく妨げずに強度を維持する目的から、外周環状部と内周環状部と放射状スポーク部とを有するスポーク型構造であることが好ましい。
【００４８】
中心管２５は、管の側面に複数の孔を有するものであり、中心管２５の材質は、樹脂、金属など何れでもよいが、コスト、耐久性を鑑みて、ノリル樹脂、ＡＢＳ樹脂等のプラスチックが通常使用されることが一般的である。分離膜２２の端部を封止するための手段としては、接着法が好適に用いられる。接着剤としては、ウレタン系接着剤、エポキシ系接着剤、ホットメルト接着剤等、公知の何れの接着剤も使用することができる。また、スパイラル型分離膜エレメントは、分離膜巻回体の外周部が外装材により拘束されて拡径しない構造になっていることも好ましい。外装材は、ポリエステル、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリ塩化ビニルなどからなるシートや、硬化性樹脂を塗ったガラス繊維などからなるもので、分離膜巻回体の外周表面に、かかるシートや繊維を巻回して分離膜エレメントが拡径しないように拘束する。
【００４９】
本発明では、図１１に例示したスパイラル型膜エレメントを、図１２に示すように、筒状圧力容器に一つもしくは複数装填して、半透膜モジュール（分離膜モジュール）３７を構成する。図１２では、複数の半透膜エレメント（分離膜エレメント）３２（３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ，３２ｅ，３２ｆ）を、筒状圧力容器３９内に装填することにより、半透膜モジュール３７を構成する。半透膜エレメント３２を構成する少なくとも片端に設けられたテレスコープ防止板の少なくとも１つの外周と筒状圧力容器３９の内周面の間に、被処理水シール部材３８（３８ａ１，３ａ２，３８ｂ１〜３８ｅ２，３８ｆ１，３８ｆ２）が配置される。被処理水は、被処理流体（被処理水）供給口３１から供給することもできるが、逆の濃縮流体（濃縮水）排出口３３から供給することも可能である。ただし、逆から流す場合は、シール部材３８の配置方法も必要に応じて逆にする必要がある。被処理水が被処理流体供給口３１（被処理水の流れ方向を逆向きにするときは濃縮流体排出口３３）から供給される場合は、第１の半透膜エレメント（第１の分離膜エレメント）３２ａの端部に供給される。第１の分離膜エレメントで処理された濃縮水（濃縮流体）は、第１の半透膜エレメント（第２の分離膜エレメント）３２ｂに供給されその後、順次３２ｃ，３２ｄ，３２ｅ，３２ｆに供給、処理された後、最終的に濃縮流体排出口３３（被処理水の流れ方向を逆向きにするときは被処理流体供給口３１）から排出される。それぞれの半透膜エレメント３２ａ〜３２ｆの中心パイプは、それぞれコネクター３４で連接されるとともに、一箇所が封止部９によって、分割され、端板３５ａ，３５ｂに設けられた透過流体（透過水）取出口３６ａ，３６ｂに接続されており、それぞれの分離膜エレメントで得られた透過流体（透過水）が第１の透過水ライン１１と第２の透過水ライン１２に分割されて系外に取り出される。
【００５０】
なお、図１２では、それぞれの分離膜エレメント３９ａ〜３９ｆの両側にＵ−カップシール（シール部材）４５が備えられているが、片側のみ（すなわち、３８ａ１，３８ｂ１，３８ｃ１〜３８ｆ１もしくは３８ａ２，３８ｂ２，３８ｃ２〜３８ｆ２）とすることも可能である。両方備えた方がシール性は向上するが、装填、取り出し時に困難度が増すこと、また、隣接するシール部材間（例えば、３８ａ１と３８ａ２の間）にデッドスペースを生じやすくなるため、例えば、ジュースの濃縮など濃縮水が汚染されると問題となる場合は、好ましくない。
【００５１】
本発明においては、図６に示すように、第１の透過水ライン１１がターボチャージャー１９や圧力交換式エネルギー回収ユニット１５に接続され、透過水に背圧をかけることによって、さらに、ターボチャージャー１９や圧力交換式エネルギー回収ユニット１５が供給水の昇圧に直接利用されることによって、背圧エネルギーを供給水の昇圧に効率的に活用することを可能せしめることができる。
【００５２】
さらに、図２６および図２５に例示するように、半透膜ユニット８の濃縮水が有する圧力エネルギーをエネルギー回収ユニット１０で回収し、昇圧ポンプ７ａの動力として活用すると、淡水化の所要エネルギーを低減することができるため非常に好ましい。とくに、また、図２６におけるターボチャージャー１９の特性によっては、また、図２５に示すようにターボチャージャー１９の代わりに圧力交換式エネルギー回収ユニット１５を用いる場合において、流量バランスや昇圧効率を最適化するにあたっては、図２７図２８に例示するように前処理水を３つに分岐し、それぞれを透過水の背圧利用エネルギーによる昇圧、濃縮水の圧力エネルギーによる昇圧、昇圧ポンプによる昇圧を行うことも好ましい。とくに、図２８のように、背圧エネルギーを圧力交換式エネルギー回収ユニットによって回収利用する場合、分岐流量は透過水ライン１１の流量と基本的に同じでなければならない。
【００５３】
さらに、濃縮水のエネルギー回収ユニット１０の特性を最適に維持するためには、その流量も設計範囲内に維持することが好ましく、その場合、残りの供給水を昇圧ポンプ７ｃで昇圧すると非常に効率的である。この場合、昇圧ポンプ７ｃは運転条件によってフレキシブルに性能効率を維持できるようにインバーターを装備しておくことも好ましい。このような使い方としては、図２９に例示するように、透過水の圧力エネルギーと濃縮水の圧力エネルギーをともにターボチャージャー１９ａ、１９ｂで回収する場合、また、図３０に提示するように、透過水の圧力エネルギーを圧力交換式エネルギー回収ユニット１５、濃縮水の圧力エネルギーをターボチャージャー１９で回収する場合、さらに、図１０に示すように、濃縮水と実質的に等量の供給水の昇圧を、濃縮水の圧力エネルギーを圧力交換式エネルギー回収ユニットによって行い、残りの供給水全ての昇圧をターボチャージャー１９と必要に応じて昇圧ポンプ７ｂによって行うことも非常に好ましい構成である。図１０に示す半透膜分離装置は、原水１が、原水槽２に一旦貯留された後、原水供給ポンプ３で前処理ユニット４に送液され、前処理される。前処理水は、中間水槽５、保安フィルター６を経た前処理水のうち、濃縮水と実質的に等量を圧力交換式エネルギー回収ユニット１５ｂに送り、濃縮水の圧力エネルギーを回収し、昇圧ポンプ７ａで半透膜ユニット８に必要な圧力を獲得する。残りの前処理水は、ターボチャージャー１９によって昇圧された後、圧力が不十分な場合は、昇圧ポンプ７ｂで昇圧し、圧力交換式エネルギー回収ユニット１５で昇圧された供給水と混合された後、半透膜ユニット８に供給される。なお、圧力交換式エネルギー回収ユニット１５と昇圧ポンプ７ａ、また、ターボチャージャー１９と昇圧ポンプ７ｂの順序は逆でも本発明の達成は可能であるが、後段の耐圧要求が高くなるため、コストに応じて適宜選択することができる。半透膜ユニット８では、供給水を透過水と濃縮水に分離させる。透過水は、封止部９によって前段の透過水と後段の透過水に分離され、前段の透過水は、前段の第１の透過水ライン１１と透過水のターボチャージャー１９を通って、透過水槽１３に送られる。透過水後段の透過水は、後段の第２の透過水ライン１２を通って透過水槽１３に送られる。濃縮水は、圧力交換式エネルギー回収ユニット１５ｂで圧力エネルギーを回収された後、濃縮排水ライン１４から排出される。
【００５４】
また、図９に例示するように、透過水の圧力エネルギーと濃縮水の圧力エネルギーをともに圧力交換式エネルギー回収ユニット１５ａ、１５ｂによって、供給水の昇圧に適用することも非常に好ましい。ただし、この場合、実質的には、昇圧ポンプ７ｃで昇圧しなければならない流量は、濃縮水と第１の透過水流量を供給水から差し引いた流量（すなわち、第２の透過水流量とほぼ同じ）となるため、透過水ライン１２を流れる流量と実質的に同じ流量を昇圧ポンプ７ａで分岐昇圧しなければならないことになる。
【００５５】
もちろん、透過水の圧力エネルギーや濃縮水の圧力エネルギーの回収にターボチャージャーを併用する場合も、必須ではないが、図３１に例示するように前処理水を３つに分岐し、昇圧ポンプ７ｃの流量を調節することで最適なエネルギー回収を実現することが可能であるため、非常に好ましい実施態様である。なお、いずれのエネルギー回収ユニットの場合も単独で昇圧に必要なエネルギーが得られない場合は、補助の昇圧ポンプを直列することも差し支えない。
【００５６】
本発明を適用する原水、用途は、特に限定されるものではなく、河川水や地下水の除濁、脱塩、また、海水やかん水の淡水化など、いろんな目的に適用可能であるが、半透膜ユニットの中での濃度変化が大きく、先頭エレメントのフラックスが大きいためにファウリングリスクが高い、また、エネルギー消費が特に大きな問題となり、さらに、エネルギー回収のために高価なエネルギー回収ユニットが必要となる海水淡水化に適している。具体的には、塩分濃度が１重量％以上の高濃度かん水もしくは海水を原水とすると、本発明に適している。
【００５７】
特に、３重量％以上の海水淡水化の場合、分離膜ユニットに供給される被処理水の圧力が４０ｂａｒ以上、すなわち、濃縮水の圧力も３５ｂａｒ以上あることが好ましい。高圧の限界については、特に制限はないが、運転圧力が８０ｂａｒを超えると、半透膜エレメントや圧力容器などに特殊な仕様が必要となること、また高圧での運転は、エネルギーコストが高くなるため、８０ｂａｒ以下、より好ましくは、７０ｂａｒ以下に設計すること、この条件で運転可能な半透膜および回収率などの運転条件設定をすることが好ましい。
【００５８】
一方、被処理水濃度が１重量％未満のかん水の淡水化の場合も効果は小さいものの本発明の考え方を適用することは可能である。
【００５９】
原水濃度が４重量％以上６重量％未満の海水または、高濃度かん水の場合、半透膜ユニットの供給水量に対する透過水の回収率を３０％以上５０％以下に設定することが経済的に好ましいが、この条件においては、半透膜ユニットへの供給水流量と濃縮水流量が比較的大きくならないため、本発明のように半透膜モジュールの前段と後段の並列本数が同じになっても半透膜エレメントの流量に関する上下限の範囲内で設計可能となり、非常に好ましい適用条件である。
【００６０】
このような条件は、中東、とくに、アラビア湾の４．５〜５．５重量％の海水に適用すると好ましい。
【００６１】
本発明に適用する半透膜エレメントは、同じエレメントを装填することも可能であるが、前段の半透膜エレメントの透水性能が後段の半透膜エレメントの透水性能よりも大きいと、１段目が低圧で運転できるため、背圧によるエネルギー回収が大きくなり、好ましい。
【００６２】
また、前段の半透膜エレメントの阻止性能が後段の半透膜エレメントの阻止性能よりも小さいと、全体的な水質を向上させることができるため、これも好ましい。
【００６３】
本発明に適用する半透膜ユニット８において、被処理水シール部材（シール部材）としては、半透膜モジュール３７の被処理水供給口を符号３１と３３で入れ替わるようにする場合は、被処理水の流れ方向を逆向きにさせるのに差し支えない構造になっていることが求められる。
【００６４】
一般には、被処理水の供給が一方向であるため、シール部材としてＵ−カップリングシールもしくはＶ−カップリングシールが考案され広く使用されている。このＵ−カップリングシールは、弾性樹脂を用い、Ｕ字状の開いた部分が被処理水を供給する側（原水側）に向くように分離膜エレメントのテレスコープ防止板にセットされている。このＵ−カップシールは、原水側から水が供給された時に、その水圧でＵ字が開き、Ｕ−カップシールと圧力容器との隙間を埋める構造になっている。Ｖ−カップリングシールも同様である。図１６は、分離膜エレメントが圧力容器内に装填された状態において、Ｕ−カップシール４５がテレスコープ防止板４２の外周部４３の周回溝に嵌着され、テレスコープ防止板の外周と圧力容器の内周面との間でシールする状態を示すものであって、Ｕ−カップシール装着部分の近傍を拡大して模式的に示す拡大断面図である。
【００６５】
図１６において、Ｕ−カップシール４５は、圧力容器の内壁４１との接触面積は比較的小さいが、前述したとおり、被処理水（原水）上流から下流（図１６ではに左から右への方向）に流れる水に対してはシール機能が発揮される。また、圧力容器内で分離膜エレメントを移動させる場合は、図１６の左から右に摺動させれば、比較的小さな抵抗で移動させることが可能である。しかしながら、分離膜エレメントを右から左に移動させるのは難しい。すなわち、被処理水を両側から供給できるようにしなければならない場合は、Ｕ−カップシールやＶ−カップシールは適していない。
【００６６】
一方、従来技術として、Ｏ−リングシールを使用する場合もあり、テレスコープ防止板の外周側の周回溝に嵌着されたＯ−リングシールが、圧力容器の内壁と接触し、Ｏ−リングシールがつぶれて変形することで、分離膜エレメントと圧力容器内との隙間を埋めているため、両側からの被処理水の供給に対して、良好なシール性を発揮することができる。ただし、図１５は、分離膜エレメントが圧力容器内に装填された状態において、Ｏ−リングシール（シール部材）４４がテレスコープ防止板４２の外周部４３の周回溝に嵌着された、テレスコープ防止板の外周と圧力容器の内周面との間でシールする状態を示すものであって、Ｏ−リングシール装着部分の近傍を拡大して模式的に示す部分拡大断面図である。図１５において、Ｏ−リングシール４４は、圧力容器の内壁４１と圧接している部分において変形し、圧力容器の内壁４１との接触面積が大きくなっている。さらに、Ｏ−リングシール４４は弾性樹脂で構成されているので圧力容器の内壁４１との摺動摩擦が大きいため、圧力容器内の分離膜エレメントの移動が容易でないという欠点を有している。
【００６７】
Ｏ−リングシールとＵ−カップシールの欠点を解決する方法として、例えば、図１７（ａ）および（ｂ）に示すようなスプリットリング状のシール部材（以下、「スプリットリングシール」という）を用いることが好ましい。スプリットリングシール（シール部材）４６は、国際公開第２０１１／０４６９４４号に記載されている。スプリットリングシール４６は、環状シールが１箇所以上で切断・分割された如き形状を有するものである。例えば、図１７（ａ）のスプリットリングシールの平面図に示すようにスプリット部４７が１箇所存在するものが好ましいが、環状シールが２箇所で切断・分割された如き半円弧状スプリットリングシールを２つ用いてもよい。
【００６８】
また、スプリット部のカットの仕方についても特に制約はなく、図１８や図１９のように斜めや段差をもったような形状などを手寄与することができる。図１８や図１９のような形状の場合、スプリット面が互いに密着しやすいため、シール性を発揮しやすく好ましい態様である。スプリットリングシールの横断面形状は、特に限定されるものでは無いが、テレスコープ防止板の外周部４３の周回溝に収まり、移動しない構造であればよく、例えば、図１７（ｂ）の断面図に示すように略四角形でもよいし、略多角形でもよい。また、スプリットリングシールの外周部の長さ（外周長）は、そのスプリットリングシール４６のスプリット部４７を繋げて環状にした時の外周直径４９が、圧力容器の内壁の直径サイズよりも少し大きくなるように設計し、実際に分離膜エレメントのテレスコープ防止板に装着して圧力容器内に装填された時には、そのスプリット部の隙間が縮まり、スプリットリングシールが圧力容器の内壁と密接する構造となるようにする。
【００６９】
また、スプリットリングシールの内周部長さ（内周長）は、そのスプリットリングシール４６のスプリット部４７を繋げて環状にした時の内周直径４８が、テレスコープ防止板の外周部４３の周回溝に、隙間無く収まる大きさであれば良い。スプリットリングシール４６の大きさは、エレメントの外径や材質等により最適化すればよいが、例えば、シールの径方向幅（即ち、外周直径４９と内周直径４８との差の半分）が５〜１０ｍｍ程度、シールの厚み３〜１０ｍｍ程度を採用することができる。このようなスプリットリングシール４６は、図１７（ｂ）に示すように断面形状が矩形であるため、摺動面とシール部材が並行もしくは両方向対称に接触することができ、これによって、半透膜モジュール３７の両側（被処理流体供給口３１，濃縮流体排出口３３）から被処理水を供給することが可能となり、しかも、スパイラル型分離膜エレメントを筒状圧力容器内に装填する時も、また、分離膜エレメントを圧力容器から抜き取る時も、容易に分離膜エレメントを圧力容器内で移動させることができるようになるため、両側からの装填や抜き取りができる構造は非常に好ましいものである。
【００７０】
本発明に適用可能なシール部材の特性としては、分離膜エレメントのどちらから被処理水を供給しても十分なシール性を発現することができる。このような特性を有するシール部材の形状としては、前述のスプリットリング状、もしくはシール接触面がとがった、すなわち、断面がたとえば三角形になっているデルタリング状や断面がＯではなく凸レンズ状、また、接触面が凹凸を保った波板状が適用可能である。さらに、摺動性の問題はあるもののＯ−リング状も適用することは可能ではある。Ｏ−リングやデルタリングなどの場合、弾性材製シール部材を用いるとシール性が高くなるため好ましいが、摺動性が損なわれやすいため、注意が必要である。摺動性を重視するため、弾性材製シール材で一般に考慮する潰し代（弾性材を用いたＯ−リングなどで密着性を上げるため、使用時に圧縮変形させる割合）を小さくすることが重要である。具体的には、通常８〜３０％とされている潰し代を、１０％以下、より好ましくは５％以下にすることによって、圧力容器内での良好な摺動性を保つことが可能となるが、高い精度が必要となることに加え、素材の経時的な劣化による寸法変化を生じやすいため、適用に当たっては、注意が必要である。
【００７１】
スプリットリングシールにおけるスプリット部の形状は、特に限定されるものではないが、一例として、図２０に示すように、シール長手方向に直角に切断したシール部材（カット部分の左側が垂直カット部分の近傍のシール部材５１、右側が同じく垂直カット部分の近傍のシール部材５２）、および、垂直にカットされたスプリット部５０を有するスプリットリングシールとする場合（図２０（ａ））、シール長手方向に対し斜めに切断したシール部材（カット部分の左側が斜めカット部分の近傍のシール部材５５、右側が同じく斜めカット部分の近傍のシール部材５６）、および、斜めにカットされたスプリット部５４を有するスプリットリングシールとする場合（図２０（ｂ））、シール長手方向に対し階段状に切断したシール部材（カット部分の左側が階段状カット部分の近傍のシール部材５８、右側が同じく階段状カット部分の近傍のシール部材５９）、および、階段状にカットされたスプリット部５７を有するスプリットリングシールとする場合（図２０（ｃ））が挙げられる。なお、テレスコープ防止板の円周溝の両側部分５３がシール部材の上下に位置する。特に、シール長手方向に対し斜めに切断した場合（図２０（ｂ））、シール長手方向に対し階段状に切断した場合（図２０（ｃ））のスプリットリングシールを用いた時には、実際に被処理水が圧力容器内を流れる際の圧力でもってスプリットリング端部同士が押し付けられ、スプリットリング端部の隙間がほとんど無い状態となる。この結果、スプリット端部同士の接合部分でもシール効果はほぼ保たれ、被処理水が分離膜エレメントの外側をバイパスする量はかなり少なく、効率的な水処理を行うことができる。
【００７２】
スプリットリングシールを、分離膜エレメントのテレスコープ防止板の外周部に装着した後、そのスプリット部どうしは単に接触するように配置することでもよいし、スプリット部どうしを接合しても良い。その際の接合の方法としては、熱融着接合や接着剤を用いる強固な接合でも良いし、スプリットリングシールのスプリット部の一片と他方とが凹凸嵌合により組み合わさった接合でもよい。スプリット端部同士を凹凸嵌合させて接合することで、取り扱い時の衝撃でスプリットリングシールの脱落を阻止することができる。スプリットリングシールを、テレスコープ防止板の外周に装着するにあたって、１もしくは複数のシール部材を装着してもよい。複数個のシール部材を装着する場合は、スプリット部の位置を相互に異なる位置にすることが好ましく、これにより原水が分離膜エレメントの外側を通り抜ける量をより少なくすることができる。
【００７３】
スプリットリングを構成する素材は、非弾性体、弾性体のいずれでもよく、非弾性材を用いることが好ましい。有機材料としては、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリエチレン、ポリプロピレンを始めとする、様々な硬質プラスチック、無機材料としても、鉄、ステンレス、銅、アルミニウム、チタンやそれらの合金を使うこともできれば、セラミック、黒鉛、石綿も用いることができるし、また、ＦＲＰなどのように有機無機複合体や以上の素材の複層品を用いることも可能である。弾性材としては、特に制約はなく、ニトリルゴム、スチロールゴム、シリコーンゴム、フッ素ゴム、アクリルゴム、エチレンプロピレンゴム、ウレタンゴムなど、一般に多用されるシール材を用いることができる。なお、これらの素材は、半透膜モジュール３７の対象となる被処理水に耐久性があることが好ましい。たとえば、海水を対象にする場合は、鉄合金を用いると腐食しやすく、また、有機溶媒を含む場合は、耐久性が不十分な樹脂を使うと劣化しやすいので注意を要する。従って、本発明の適用にあたっては、被処理水シール部材（図１２の３８ａ１〜３８ｆ１、３８ａ２〜３８ｆ２）については、すべて、図１５〜図２０に示すシール部材を適用することができる。
【００７４】
このようなスプリットリングシールなどの前後に稼動可能なシール部材を用いることによって、前段の半透膜エレメントのうち最上流から１ないし複数の半透膜エレメントを前段の他の半透膜エレメントと、また、後段の半透膜エレメントのうち最下流から１ないし複数の半透膜エレメントが後段の他の半透膜エレメントと異なるようにすることが可能である。これによって、高フラックスであるためにファウリングしやすい先頭近傍のエレメントやクロスフローが小さいためにファウリング、また高濃縮のためにスケールが発生しやすい最下流エレメントの交換を容易にすることができる。さらに、前段の先頭近傍のエレメントの透水性能を他より小さくしたり、後段の最下流近傍のエレメントの阻止性能を他より大きくすることによって、よりバランスの優れた構成にすることができる。
【００７５】
また、本発明を適用するにおいて、半透膜ユニットへの供給水の供給方向を逆向きに出来る構造とすることも好ましい実施態様である。
【００７６】
具体的な例として、図１３のようなバルブ構成をとることも可能である。すなわち、半透膜ユニット８に対し、前処理水の供給を第１の供給水側ラインＦａ（もしくは第２の供給水側ラインＦｂ）から行い、濃縮水の排出を第２の供給水側ラインＦｂ（もしくは第１の供給水側ラインＦａ）から行う。このために、例えば、図６における第１の透過水ライン１１を第１の透過水側ラインＰａ、第２の透過水ライン１２を第２の透過水側ラインＰｂに接続する。供給水側ラインＦａとＦｂはバルブ２０ａ〜２０ｄを有し、透過水側ラインＰａとＰｂは、バルブ２０ｅ〜２０ｈを有する。
【００７７】
ここで、バルブ２０ａ、２０ｃ、２０ｆ、２０ｈを閉じ、他を開けば、第１の供給水側ラインＦａがＦ１に連通、第２の供給水側ラインＦｂがＦ２に連通、第１の透過水側ラインＰａがＰ１に連通、第２の透過水側ラインＰｂがＰ２に連通し、半透膜ユニット８におけるＦ１から供給水を入れ、濃縮水をＦ２から取り出し、Ｐ１から前段の透過水を、Ｐ２から後段の透過水を得ることができる。逆に、バルブ２０ａ、２０ｃ、２０ｆ、２０ｈを開け、他を閉じれば、Ｆ２から供給、Ｆ１からの濃縮水を排水、Ｐ２から前段の透過水を、Ｐ１から後段の透過水を得ることができる。逆流を実施することによって、エレメントの負荷を均一化し、ファウリングを低減することが可能となる。
【００７８】
なお、図１３では、バルブ２０ａ〜２０ｈの８つのバルブを用いて切り替えているが、図１４に例示するように三方弁２１ａ〜２１ｄからなる機構を用いて、Ｆ１、Ｆ２の一方を供給水側ラインＦａ、他方を濃縮水側ラインＦｂに、Ｐ１、Ｐ２の一方を第１の透過水側ラインＰａ、他方を第２の透過水側ラインＰｂに切り替えることが可能である。
【００７９】
図１３、図１４に例示するような半透膜モジュールへの供給水の方向を逆にできる構成にする場合は、スプリットリング状のシール部材を使用することが非常に好ましい。
【００８０】
さらに、通常、従来の１段の淡水化装置の運転において、原水温度や原水濃度が変動するが、高温や高濃度の場合は、低温や低濃度の場合に比べて、先頭エレメントから最後尾エレメントのフラックスの変動が大きくなる。このため、高温や高濃度のときに、前方（本発明における前段）のエレメント性能を後方（本発明における後段）のエレメント性能よりも低透水性、低温や低濃度のときの逆にすると、原水温度や原水濃度の変動に対しても常に適切な運転状態を維持することが可能となる。すなわち、原水温度と原水濃度の少なくとも一方の値が、予め定められた値を超えた場合に、半透膜モジュールの供給水の供給方向を逆向きにすると、ファウリングを防止し、非常に安定した運転を実現することができる。
【００８１】
ところで、上述した実施形態の様に１つの半透膜モジュールで半透膜ユニットを構成することができる。ただし、本発明の趣旨からして、半透膜ユニットとして、二つの半透膜モジュールの供給水側が直列に接続配置され、前段の半透膜モジュールから得られる非透過水を次段に位置する半透膜モジュールに供給する構造になっていても同様の効果を得ることができる。この場合、モジュール内のエレメント交換は容易になるため、特に前段と後段でエレメントが異なる場合は、交換は容易になるが、モジュール数が増えることによってコストアップにつながる可能性があるので、注意が必要である。以下、本発明の他の実施の形態を、図２１、図２２を用いて説明する。ただし、本発明の範囲がこれらに限られるものではない。
【００８２】
図２１に例示する半透膜分離装置は、原水１が、原水槽２に一旦貯留された後、原水供給ポンプ３で前処理ユニット４に送液され、前処理される。前処理水は、中間水槽５、保安フィルター６を経て、昇圧ポンプ７で昇圧された後、第１（前段）の半透膜ユニット８ａで透過水と濃縮水に分離させる。第１の濃縮水１４ａは、昇圧されることなく、第２（後段）の半透膜ユニット８ｂに供給され、さらに透過水と濃縮水に分離させる。前段の透過水は、前段の第１の透過水ライン１１と透過水の圧力交換式エネルギー回収ユニット１５を通って、透過水槽１３に送られる。透過水後段の透過水は、後段の第２の透過水ライン１２を通って透過水槽１３に送られる。後段の第２の濃縮水１４ｂは、必要に応じてエネルギー回収ユニット１０ｂで圧力エネルギーを回収された後、濃縮排水ライン１４から排出される。図２１に示したように昇圧ポンプ７ｂを追加し、昇圧を補助することも好ましい。図２２には、濃縮水の圧力エネルギーを圧力交換式エネルギー回収ユニット１５ｂで供給水の一部の昇圧に利用する回収するフローを示している。このシステムによって、圧力エネルギーは非常に高い効率で回収できるため特に好ましい実施態様である。図２２に示したように昇圧ポンプ７ａ、７ｂを追加し、昇圧を補助することも好ましい。
【００８３】
本出願は、２０１４年３月１８日出願の日本特許出願、特願２０１４−０５４５４９に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
【符号の説明】
【００８４】
１：原水
２：原水槽
３：原水供給ポンプ
４：前処理ユニット
５：中間水槽
６：保安フィルター
７、７ａ、７ｂ、７ｃ：昇圧ポンプ
８、８ａ、８ｂ：半透膜ユニット
９：封止部
１０、１０ａ、１０ｂ：エネルギー回収ユニット
１１：第１の透過水ライン
１２：第２の透過水ライン
１３：透過水槽
１４：濃縮排水ライン
１４ａ：第１の濃縮水
１４ｂ：第２の濃縮水
１５、１５ａ、１５ｂ：圧力交換式エネルギー回収ユニット
１７：前処理水供給ポンプ
１８：バルブ
１９、１９ａ、１９ｂ：ターボチャージャー（エネルギー回収用ターボチャージャー）
２０：流路切替バルブ
２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ：三方弁
２２：分離膜
２３：透過側流路部材
２４：供給側流路部材
２５：中心管
２６：テレスコープ防止板
２７：被処理流体（被処理水）
２８：透過流体（透過水）
２９：濃縮流体（濃縮水）
３１：被処理流体（被処理水）供給口
３２：半透膜エレメント（分離膜エレメント）
３３：濃縮流体（濃縮水）排出口
３４：コネクター
３５：端板
３６：透過流体（透過水）出口
３７：半透膜モジュール（分離膜モジュール）
３８：シール部材
３９：筒状圧力容器
４１：筒状圧力容器の内壁
４２：テレスコープ防止板
４３：テレスコープ防止板の外周部
４４：Ｏ−リングシール（シール部材）
４５：Ｕ−カップシール（シール部材）
４６：スプリットリングシール（シール部材）
４７：スプリット部
４８： 内周直径
４９： 外周直径
５０：垂直にカットされたスプリット部
５１，５２：垂直カット部分の近傍のシール部材
５３：テレスコープ防止板の円周溝の両側部分
５４：斜めにカットされたスプリット部
５５，５６：斜めカット部分の近傍のシール部材
５７：階段状にカットされたスプリット部
５８，５９：階段状カット部分の近傍のシール部材
【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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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【国際調査報告】
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