(57)【要約】  本公開は、水中膜システムにおける、膜システムに亘って差圧を必要とする、逆浸透プロセスを用いた淡水製造のための方法及びシステムに関する。差圧は、ライザー装置（２）における淡水の流出口（７）の下流で、ライザー装置（２）内に気泡を導入することで作られる。システムは、水の流入口（４）及び淡水の流出口（７）をもつ少なくとも１つの水中逆浸透ユニット（１）と、水中膜システムの流出口（７）から海面、海面上又は海面下まで延在するライザー装置（２）と、逆浸透プロセスに低圧側を作るシステムとを備える。
2021516152.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水の流入口（４）及び淡水の流出口（７）をもつ少なくとも１つの水中逆浸透ユニット（１）と、前記水中膜システムの前記流出口（７）から海面、海面上又は海面下まで延在するライザー装置（２）と、前記逆浸透プロセスに低圧側を作るシステムとを備える水中膜システムにおける、前記膜システムに亘って差圧を必要とする、逆浸透プロセスを用いた淡水製造のための方法において、
前記差圧が、前記ライザー装置（２）における淡水の前記流出口（７）の下流で、前記ライザー装置（２）内に気泡を導入することによって作られることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記ライザー装置（２）を、鉛直位置又は少なくとも上方に傾斜した位置に配置することによる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
気泡を、供給ラインを通して海面から供給される圧縮気体の流れとして導入することによる、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
気泡を、水の電気分解によって導入することによる、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項５】
気泡を、近接して離間した少なくとも２つの電極（１３）であって、使用される前記少なくとも２つの電極（１３）の１つが前記ライザー装置（２）でありうる前記電極（１３）によって導入し、前記電極（１３）に電源（１２）が接続されて電流が誘導されて、前記ライザー装置（２）内部の水から、酸水素を豊富に含んだ気体が生成され、上昇流で上昇する泡が生成され、前記ライザー（２）内の水柱の重量を減少させることで、前記流出口（７）における圧力を減少させると共に、製造された水を前記ライザー（２）の上端まで汲み上げる、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記電源（１２）によってパルス状の電気信号を付加して、前記電極（１３）に亘ってアークが点火されることで、酸水素を豊富に含んだ気体を生成するようにする、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
気体、蒸気及び他の物質の泡である気泡が、他の用途での使用のために、精製水と共に上昇して、海面上、海面又は水面下の高さにおけるタンク又は分離機（９，１４）内で抽出される、請求項３〜６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
精製水が需要者に分配され、前記気体が、海面上、海面又は水面下の高さにおけるタンク又は分離機に流入して製造された精製水から解放されると、更なる処理や再利用、貯蔵、又は環境へと分配される、請求項３〜６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
海面から供給される圧縮気体が、浸透圧を克服するのに必要な圧力以上の、前記逆浸透ユニット（１）に亘る差圧を作る量で、前記ライザー装置（２）に流入する、請求項３に記載の方法。
【請求項１０】
生成された泡によって、泡生成の位置の下流の前記ライザー装置（２）の圧力が減少する高さで、電流を誘導することで、浸透圧を克服するのに必要な圧力以上の、前記逆浸透ユニットに亘る圧力差を作る、請求項５に記載の方法。
【請求項１１】
かん水又は他の汚染水でありうる、前記逆浸透プロセスの副産物が、前記かん水流出口から延在し、上昇流を作るように気泡がその中に導入される直立した第２ライザー装置（３）を用いることで、前記水中逆浸透ユニット（１）から輸送される、請求項２〜６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
前記ライザー装置（２）が、沿岸又はタンカー等への精製水の輸送に重力／海抜差を利用するのに十分な高度の海面、海面上又は海面下まで延在している、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
水の流入口（４）及び淡水の流出口（７）をもつ少なくとも１つの水中逆浸透ユニット（１）と、前記水中膜システムの前記流出口（７）から海面、海面上又は海面下まで延在するライザー装置（２）と、前記逆浸透プロセスに低圧側を作るシステムとを備える水中膜システムにおける、淡水を製造する逆浸透プロセスに対して、差圧を作るシステムにおいて、
前記低圧側を作る前記システムが、逆浸透ユニット（１）から、淡水の前記流出口（７）の下流において、ライザー装置（２）内へと気泡を導入する構造を備えることを特徴とするシステム。
【請求項１４】
前記ライザー装置が、海面、海面上又は海面下において、前記ライザー装置（２）から流入した気体と淡水とを分離する分離機（９，１４）と流体連通する、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記ライザー装置（２）内へと気泡を導入する前記構造が、水面から供給される圧縮気体の流れを、前記ライザー装置（２）内へと導入するノズル（６）、近接して離間した少なくとも２つの電極（１３）であって、酸水素を豊富に含んだ気体を生成するように電源（１２）と接続され、使用される前記少なくとも２つの電極（１３）の１つが前記ライザー装置（２）でありうる電極（１３）の構造、又は電気分解のための構造のいずれかである、請求項１３又は１４に記載のシステム。
【請求項１６】
前記ライザー装置（２）内へと気泡を導入する前記構造が、前記ライザー装置（２）内で、前記水中膜システムの前記流出口（７）の下流から海面に向かって分散された少なくとも２つの高さに配置されてもよく、泡が、前記ライザー装置（２）内で選択された高さで導入され、前記少なくとも２つの高さで同時に導入されてもよいし、又は、海面に近い高さを起点として、続いて高さごとに又は選択された高さで泡を導入して、前記水中膜システムの前記流出口（７）に向かって、段階的に導入されてもよい、請求項１３〜１５のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１７】
導入される泡が、前記ライザー装置（２）内の選択された高さで継続的に生成されてもよいし、且つ／又は、前記ライザー装置（２）内の少なくとも２つの高さのそれぞれを、淡水の製造を制御するように作動又は停止させてもよい、請求項１６に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水中膜システムにおいて、膜システムに亘って差圧を必要とする、逆浸透プロセスを用いた淡水製造のための方法及びシステムに関する。このシステムは、水の流入口及び淡水の流出口をもつ少なくとも１つの水中逆浸透ユニットと、水中膜システムの流出口から海面、海面上又は海面下まで延在するライザー装置と、逆浸透プロセスに低圧側を作るシステムとを備える。
【背景技術】
【０００２】
世界の多くの地域で淡水資源が限られたものであることは、よく知られた事実である。また、水中半透性逆浸透膜システムによって、海水から淡水を製造していることも、よく知られている。このプロセスでは、膜の高濃度側に加える高圧と、淡水や汽水の方に加える海水よりも低い圧力とが必要とされ、克服すべき自然浸透圧を有する。逆浸透のシステムは、水を脱塩又は洗浄するだけでなく、水中の細菌、発熱物質、有機物、粒子、コロイド及びその他の不要な物質も除去する。
【０００３】
多数の逆浸透膜を備える１つ以上のスタックを峡湾又は沖の深くに沈めて、逆浸透プロセスの駆動力として静水圧をそのような深さで利用するようにすることが提案されている。特許文献１には、静水圧が加わるように深さを選択して海中に沈められる膜システムと、逆浸透を生じさせて海水から淡水を製造するための高圧側とを含む脱塩システムが開示されている。この脱塩システムは、海面上に配置される揚水システムも含み、この揚水システムは、膜システムと流体連通して淡水を水面に揚水し且つ逆浸透のために低圧側を作るように構成される。システムは、淡水を陸上に輸送するシステムと、陸上で淡水を貯蔵する貯蔵システムとをも含む。また、脱塩方法も開示されており、この方法は、以下の、複数の逆浸透膜ディスクを静水圧が加わるように深さを選択して海中に設けるステップと、静水圧を用いて海水を膜ディスクに通すステップと、膜ディスクに通した淡水を回収するステップと、淡水を海面に揚水するステップと、その後淡水を陸上に輸送するステップとを含む。
【０００４】
特許文献２には、海水脱塩のための方法及びプラントが記載され、プラントは、海水面下に設置されて、半透性ろ過膜の一方側で、少なくとも深さ２５０メートルで増大した静水圧を利用するようにすることで、膜の他方側を大気圧に維持しながら塩水自体の特性である浸透圧を克服するようになっている。揚水作業は、ろ過から得られた淡水に関するもののみ軽減される。
【０００５】
まず逆浸透プロセスで低圧を供給してから精製水を海面に輸送するプロセスは、多くのエネルギーを消費するプロセスである。淡水製造のための水中逆浸透におけるエネルギー消費の軽減については、非常に大きな可能性がある。浸透圧を克服するようにプロセスの浸透側の圧力を減少させて、システムに亘って淡水を製造できるようにすることの必要性にはエネルギーを要し、これらは、例えば、逆浸透プロセスの低圧側を作るポンプによって行われており、エネルギー低減の潜在的可能性の一例である。また、製造された淡水を海面に、更には需要者に輸送することは、先行技術によれば、エネルギーを消費するポンプによって行われており、これもエネルギー消費軽減の可能性である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第９，６１７，１７２号明細書
【特許文献２】国際公開第９９／０６３２３号
【発明の概要】
【０００７】
本明細書の以下の説明を通して、以下の用語は次のような意味を有する。
【０００８】
「流入口」という用語は、海水、汽水又は他の汚染水でありうる精製対象の水が、膜システムに流入する場所を指す。
【０００９】
「流出口」という用語は、膜システムに亘って製造された淡水が、膜システムの浸透側に流入する場所を指す。
【００１０】
淡水という用語は、製造された飲用水及び／又は飲料水を指す。
【００１１】
本発明は、水中膜ユニットシステムを用いて、海水、汽水及び他の汚染水から飲用水及び／又は飲料水を製造するための、逆浸透の利用に基づくものである。水中膜ユニットの水圧による高圧を逆側に加えて、製造された水を海面に運ぶ水柱の静重量に影響を与えることで、逆浸透ユニットの浸透側に所望の圧力低減を生じさせる必要がある。
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の目的は、浸透圧を克服するのに求められる、逆浸透ユニットに亘る必要な圧力差を作って、逆浸透プロセスを開始し且つその後も運転できるようにするように、逆浸透プロセスユニットの流出口側に低圧を加えることである。
【００１３】
本発明の他の目的は、製造された淡水を、水中逆浸透システムから海水面、海水面上又は海水面下の受取ユニットに輸送するシステムを提供することである。
【００１４】
本発明の他の目的は、逆浸透プロセスの副産物でありうるかん水を、システムから離れた、少なくとも、プロセスにおける精製対象の海水の吸入口から離れた場所に輸送するシステムを提供することである。
【００１５】
本発明の他の目的は、海面、海面上又は海面下で、精製水から輸送物質を分離するシステムを提供することである。
【００１６】
本発明の更なる他の目的は、重力又は海抜差によって、沿岸／本土又はタンカー等のいずれかへの、精製水の更なる輸送が可能となるように、海面上に十分なメートルを実現することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
これらの目的は、独立クレームによって更に定義される方法によって達成され、実施例、代替例、変形例及び変更例が、従属クレームによって定義される。
【００１８】
第一の態様では、本発明は、水中膜システムにおける、膜システムに亘る差圧を必要とする、逆浸透プロセスを利用して淡水を製造するための方法及びシステムに関する。システムは、水の流入口及び淡水の流出口をもつ少なくとも１つの水中逆浸透ユニットと、水中膜システムの流出口から海面、海面上又は海面下まで延在するライザー装置と、逆浸透プロセスに低圧側を作るシステムとを備える。差圧は、ライザー装置における淡水の流出口の下流で、ライザー装置内に気泡を導入して、水柱の重量及び逆浸透ユニットの流出口における静水圧を減少させることで作られる。
【００１９】
ライザー装置は、鉛直位置又は少なくとも上方に傾斜した位置に配置されて、気泡を上方に上昇させ、ライザー装置内の水を気体及び気泡で希釈して、重量及び静圧を減少させることで、ライザー装置内部で淡水の上方への移動又は流れを作る。
【００２０】
導入される気泡は、供給ラインを通して海面から供給される圧縮気体の流れから供給されてもよい。
【００２１】
或いは、気体は、逆浸透ユニットの流出口領域内又は上記逆浸透ユニットの下流に離間した場所に電極が配置された状態で、ライザー内の水の電気分解によって生成されてもよい。
【００２２】
気泡は、離間した少なくとも２つの電極であって、使用される少なくとも２つの電極の少なくとも１つがライザーでありうる電極によって生成されてもよく、電極には、電流が誘導され且つ／又はパルス状の電気信号が付加されて、電極に亘る電気アークが点火されることで、ライザー内部の水から、酸水素を豊富に含んだ気体を生成して、上昇流における外圧の減少によって上昇し且つ膨張する泡を生成し、製造された水をライザーの上端まで汲み上げるようになっている。泡は、上昇流で上昇して、ライザー内の水柱の重量を減少させることで、流出口における圧力を減少させる。好適には、電流は電源から生成される。
【００２３】
気体、蒸気及び他の物質の泡でありうる気泡は、他の用途での使用のために、精製水と共に上昇して、海面上、海面又は水面下の高さにおけるタンク又は分離機内で抽出される。
【００２４】
精製水は需要者に分配され、気体は、海面上、海面又は水面下の高さにおけるタンク又は分離機に流入して製造された精製水から解放されると、更なる処理や再利用、貯蔵、又は環境へと分配される。
【００２５】
海面から供給される圧縮気体は、ライザー内部の水柱の静重量を十分に小さくする、逆浸透（ＲＯ）ユニットに亘る圧力差を作る量及び圧力で、ライザー装置に流入して、浸透圧を克服するのに必要な圧力以上の、ＲＯユニットに亘る差圧を作るようにする。
【００２６】
電流は、泡生成の位置の下流にあるライザー内の圧力を減少させる高さで誘導されて、十分に、浸透圧を克服するのに必要な圧力以上の、ＲＯユニットに亘る差圧を作るようにする。
【００２７】
かん水又は他の汚染水でありうる、逆浸透プロセスの副産物は、かん水流出口から延在し、上昇流を作るように気泡がその中に導入される直立した第２ライザー装置を用いることで、水中逆浸透ユニットから輸送される。
【００２８】
水中膜システムから海面、海面上又は海面下まで延在しうるライザー装置も、沿岸又はタンカー等への精製水の輸送に重力／海抜差を利用するのに十分な高度の海面上まで延在してもよい。
【００２９】
第２の態様では、本発明は、水の流入口及び淡水の流出口をもつ少なくとも１つの水中逆浸透ユニットと、水中膜システムの流出口から海面、海面上又は海面下まで延在するライザー装置と、逆浸透プロセスに低圧側を作るシステムとを備える水中膜システムにおける、淡水を製造する逆浸透プロセスに対して、差圧を作るシステムに関する。低圧側を作るシステムは、逆浸透ユニットから、淡水の流出口の下流において、ライザー装置内へと気泡を導入する構造を備える。
【００３０】
ライザー装置は、海面、海面上又は海面下において、ライザー装置から流入した気体と淡水とを分離する分離機と流体連通してもよい。
【００３１】
好適には、ライザー装置内へと気泡を導入する構造は、例えば圧縮機から供給される圧縮気体の流れを、水面からライザー装置内へと導入するノズル、近接して離間した少なくとも２つの電極であって、酸水素を豊富に含んだ気体を生成するように電源と接続され、使用される少なくとも２つの電極の１つがライザー装置でありうる電極の構造、又は電気分解のための構造のいずれかである。
【００３２】
ライザー装置内へと気泡を導入する構造は、ライザー装置内で少なくとも２つの高さに配置されてもよい。高さは、水中膜システムの流出口の下流から海面に向かって分散される。泡は、ライザー装置内で選択された高さで導入され、少なくとも２つの高さで同時に導入されてもよい。或いは、泡は、海面に最も近い高さを起点として、続いて高さごとに又は選択された高さで泡を導入して、水中膜システムの淡水の流出口に最も近い高さに向かって、段階的に導入されてもよい。導入される泡は、ライザー装置内の選択された高さで継続的に生成されてもよく、ライザー装置内の少なくとも２つの高さのそれぞれを、淡水の製造を制御するように作動又は停止させてもよい。ライザー装置上に気泡を導入する位置を複数設けて、ライザー装置に沿った複数の高さで、泡の導入の開始を、海面に最も近い高さから始めて、続いて高さごとに、水中膜システムの淡水の流出口に向かって導入させることの利点は、淡水を製造するプロセスの開始時に必要なエネルギー又は圧力が、より小さい又はより低いことである。海面に近いほど圧力が低くなり、克服する水柱の重量も軽くなることから、海面により近いライザー装置内で泡の導入を開始するのに必要なエネルギー又は圧力は、より小さい又はより低い。このため、泡によってライザー装置内の水が移動し、泡が導入される１つ又は複数の高さよりも上で水柱の重量が減少して、水中膜システムの淡水の流出口に向かう気泡の段階的な導入における、気泡の導入に必要なエネルギー又は圧力は、より小さい又はより低いものとなる。本発明によれば、逆浸透膜システムは、逆浸透プロセスに低圧側を作るのに、流体輸送のシステムを利用している。システムは、水中膜システムから海面、海面上又は海面下まで延在するライザー装置を通して、水中逆浸透システムから淡水を汲み上げている。システムは、逆浸透ユニットから淡水の流出口の領域又は領域内で、気泡をライザー内へと導入する構造と、海面、海面上又は海面下で、ライザー装置から流入した気体と淡水とを分離する分離機とを備える。
【００３３】
本発明によれば、逆浸透膜システムは、低減された静水圧と浸透側で組み合わせられることで、浸透圧を超える、膜に亘る圧力差を作る、所定の海深における静水圧を、供給圧力として利用しており、システムの開始及び淡水の製造を可能とするために使用される。製造された淡水は、飲用水及び／又は飲料水として分類されるのに十分に低い塩分濃度及び／又は低い腐植質成分を有する。圧縮気体の注入によること、電気アークの点火にパルス状の電気信号を使用しうる、電流が付加又は誘導された２つ以上の電極によって生成された、酸水素を豊富に含んだ気体によること、又は水の電気分解によって生成された気体によることのいずれかによって、ライザー内部の水の重量及び、ひいては逆浸透膜システムの流出口における圧力も低減されて、プロセスの浸透側で泡が生成されることで、低圧が加えられる。泡は、ライザー内の流体の有効状態密度を減少させ、噴出させて、ライザーから海面、海面上又は海面下に水を輸送することで、ガスリフトとしても機能する。噴出は、導入された泡が上方に上昇し、上方への上昇に伴って泡の体積が増加した際に生じる。
【００３４】
また、自然浸透プロセスは、膜システムの流入口における高圧側と、膜システムの浸透側としても定義される、膜システムの流出口における低圧とを用いて本発明が提供する逆浸透のプロセスを開始するために、浸透圧を克服しなければならない。高圧側は、水中逆浸透ユニットの周囲圧力によって作られるが、低圧側を作る必要がある。先述した気泡の導入によって、製造された淡水が逆浸透システムから輸送されるようになることから、気泡の導入によって、逆浸透プロセスの低圧側も作られるようになる。泡によって、ライザー内部の水柱が移動して内部静圧が減少し、続いて、１つ又は複数の膜に亘る差圧が生じる。供給水側における静圧は、海深が増加するほど増加するため、差圧を生じさせる可能性が上がる。泡は、システムに亘る製造率を調節するように、圧力を維持し且つ逆浸透に必要とされるものよりも更に低くするために、調節可能な量で導入されてもよい。
【００３５】
気泡は、逆浸透プロセスの開始に必要な圧力が得られる上記の量又は速度で導入又は生成され、その後、必要とされる生成率に調節される。生成率は、膜システムに亘って増加する圧力差に伴って増加している。センサー及び弁によって、導入される気泡の生成及び速度を自動的に調節してもよい。圧力温度センサーでありうるセンサーの測定に基づく制御システムによって、自動調節のための信号を送信してもよい。浸透側の圧力によって、例えば膜を破壊するほど大きな圧力差がシステムに亘って生じた場合、泡の生成及び速度が下方調節されることもある。破壊の対象領域は膜に限定され、制御システムは、いずれの場合にも、圧力温度センサーの測定に基づいてプロジェクト固有の値に調節される。
【００３６】
気泡は、膜システムの流出口においてライザー装置内へと導入される。導入された気体によって、ライザー内部の淡水が上昇しながら急激に移動することで、逆浸透膜の浸透側の静圧が低減する。
【００３７】
水中逆浸透システムは、拡張可能且つ再利用可能なモジュールへの機能分割によるモジュラー設計を有してもよい。これにより、システムは堅固である代わりに柔軟となって、様々なプロジェクト条件を満たし、システムを容易に拡大又は縮小できるようにすることで、各プロジェクトの、製造される淡水の必要体積とその時点の海深との両方に基づいた、個別の各プロジェクトが求める容量に一致するようにする。モジュラー構成要素は、低い費用及び高い可能性を保つように、「入手が容易な」構成要素を幅広く用いる。
【００３８】
本発明に係る方法及びシステムの実施例及び例を、以下の説明において、図面を参照しながらより詳細に説明するものとする。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】図１は、泡及び逆浸透プロセスの低圧側、並びに逆浸透プロセスのかん水流出口における泡が、浸透側の静圧を減少させる気体供給によって生成される水中膜システムの図を、概略的に示す。
【図２】図２は、逆浸透プロセスの低圧側における泡が電極によって生成される水中膜システムの図を、概略的に示す。逆浸透プロセスのかん水流出口における泡は、ガスリフト効果を生じさせて、膜の供給側を通して海水を循環させる気体供給によって生成される。
【図３】図３は、淡水を海面まで汲み上げるのに、図２に示したプロセスの最初に生成されて、海面、海面上及び海面下に発達した気体を、どのように利用するかの実施例を、概略的に示す。
【図４】図４は、ＳＩＮＴＥＦの観測下で実施された構想試験レイアウトの図を概略的に示す。記載の図及び値は、本特許出願において、一切の限定に相互関連するものではない。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
以下の、例示的な実施例の説明では、添付の図面を参照する。異なる図面における同じ参照番号によって、同じ又は同様の要素が識別される。以下の詳細な説明は、本発明を限定するものではない。その代わり、本発明の範囲は、添付のクレームによって定義される。以下の実施例は、海水、汽水又は汚染水から淡水を製造することについての専門用語及び構造に関して、簡潔にするように説明される。しかしながら、次に説明される実施例は、上記のような種類の水のみに限定されるものではない。また、本明細書を通して、「一実施例」又は「実施例」は、実施例に関連して説明される特定の特性、構造又は特徴が、開示の主題における少なくとも１つの実施例に含まれることを意味する。このように、本明細書を通して様々な箇所に登場する「一実施例において」又は「実施例において」という表現は、必ずしも同じ実施例を指していない。また、特定の特性、構造又は特徴は、１つ以上の実施例において、任意の適切な手法で組み合わせられてもよい。
【００４１】
図１は、逆浸透プロセスの低圧側に泡を含む水中膜システムの図を概略的に示し、逆浸透プロセスのかん水流出口８における泡が、圧縮気体の供給でありうる気体供給によって生成されて、浸透側の静圧を減少させる。図１は、海水流入口４を含む水中逆浸透ユニット１であって、海水流入口４は、海深に応じた、海水流入口４における高圧と、生成された泡から生じる低圧に応じた、精製水の流出口７における浸透側の低圧とから生じる、逆浸透ユニット１における圧力差によって海水が膜システムに流入する場所である、水中逆浸透ユニット１を示す。当該プロセスの副産物であるかん水は、かん水（及び汚染水）流出口８を通して輸送される。圧縮空気が、水面に配置された圧縮機５から、逆浸透ユニット１上に離間した精製水用ライザー装置２及びかん水用ライザー装置３の注入ノズル６を通して供給される。泡は、注入ノズル６の位置から生成され、ライザー装置２及び３内を上方に上昇すると同時に、上昇に伴って膨張し、水を上方に噴出させるガスリフトを作り出すことで、精製水ライザー装置２内の精製水を水面に向けて輸送すると共に、かん水ライザー装置３を通してかん水を輸送する。精製水は分離機９又はタンクに流入し、分離機９又はタンクの下側の精製水用流出口１０を通る精製水と、分離機９又はタンクの上側の気体流出口１１を通る泡からの気体とに分離する。かん水は、海水流入口４付近の塩分溶液が増えないように、水中逆浸透ユニット１から離れた場所で、海水に流入する。図１は、１つの位置／高さで注入ノズル６から泡が生成される様子を示すが、この位置／高さに制約されるものではない。複数の注入ノズル６が設けられ、流出口７から海面までライザー装置２の全長に沿って配置された複数の位置／高さで、注入ノズル６から泡が生成されてもよい。泡は、一度に１つずつ、同時に、又は選択された複数の位置／高さで、注入ノズル６から生成されてもよい。
【００４２】
図２は、逆浸透プロセスユニットの低圧側における泡が電極によって生成される水中膜システムユニットの図を、概略的に示す。逆浸透ユニットを介した供給水循環は、注入された圧縮気体によって、且つ／又はかん水ライザー内に設置された１つ以上の電極上での誘導電流の使用によって生成される泡を動力源とする。
【００４３】
図２は、海水流入口４を含む水中逆浸透ユニット１であって、海水流入口４は、海深に応じた、海水流入口４における高圧と、生成された泡から生じる低圧に応じた、浸透側における低圧とから生じる、逆浸透ユニット１における圧力差によって海水が膜システムに流入する場所である、水中逆浸透ユニット１を示す。泡は、近接して離間した複数の電極１３であって、電極に電源１２から誘導電流が付加されて、電極に亘るアークが点火されることで、ライザー内の水成分と反応するアーク及び／又は誘導電流から得られる、酸水素を豊富に含んだ気体を生成する、電極１３によって生成される。酸水素を豊富に含んだ気体は、精製水用ライザー装置２内でＯ２及びＨ２の泡として生じ、水を海面に輸送すると共に、上述したように、逆浸透プロセスに対して、逆浸透ユニットの精製水流出口７の浸透側における低圧を加える。精製水は、分離機１４又はタンク内で海面上、海面又は水面下の高さに流入し、分離機１４又はタンク下部の、海面における精製水用流出口１０を通る精製水と、分離機１４又はタンク上部の、海面、海面上又は水面下の高さにおけるＨ２及びＯ２用気体流出口１１を通る泡からの水素及び酸素とに分離し、水素及び酸素は、海面上、海面又は水面下の高さにおける気体／水分離機１４に到達すると、更なる処理、貯蔵又は環境へと分配される。図２は、１つの位置／高さで電極１３によって泡が生成される様子を示すが、この位置／高さのみに制約されるものではない。複数の電極１３が設けられ、流出口７から海面までライザー装置２の全長に沿って配置された複数の位置／高さで、電極１３によって泡が生成されてもよい。泡は、一度に１つずつ、同時に、又は選択された複数の位置／高さで、電極１３から生成されてもよい。
【００４４】
当該プロセスの副産物であるかん水は、かん水（及び汚染水）流出口８を通して輸送される。圧縮気体が、圧縮機５から、逆浸透ユニット１上に離間したかん水用ライザー装置３の注入ノズル６を通して供給される。泡は、注入ノズル６の位置から生成され、ライザー装置３内を上方に上昇すると同時に、上昇に伴って膨張し、水を上方に噴出させるガスリフトを作り出すことで、かん水用ライザー装置３を通してかん水を輸送する。かん水は、海水流入口４付近の塩分濃度が増えないように、水中逆浸透ユニット１から離れた場所で、海水に流入する。図２は、かん水用ライザー装置３内に生成される泡が注入ノズルによって生成される様子を示すが、注入ノズル６に制約されるものではなく、ライザー装置２に対して説明したように、電極によって生成されてもよい。図２は、１つの位置／高さでかん水用ライザー装置３内に泡が生成される様子を示すが、この位置／高さのみに制約されるものではない。かん水用ライザー装置３の全長に沿って設けられた複数の位置／高さで、注入ノズル６によって泡が生成されてもよい。
【００４５】
図２は、かん水用ライザー装置３内に生成される泡が、注入ノズル６によって生成される様子を示すが、注入ノズル６に制約されるものではなく、図２のライザー装置２に対して説明したように、電極によって生成されてもよい。
【００４６】
要約すると、図１及び図２に示すような本発明の主な原理は、圧縮機若しくは事前圧縮気体、又はライザーへの電力源のいずれかによって、気体が導入される。ライザー内に注入又は生成される気体は、泡としてライザー内を上昇する。これによって、水がライザー内で水面に向かって押し上げられる。この押し上げは、周囲の水圧が減少することで気体が膨張するにつれて増加する。ライザー内部の圧力は、ライザー内部の混合気体及び水によって、外部の海水圧よりも小さい。これらの組み合わさった２つの影響によって、膜に亘る圧力差が生じ、膜によって淡水を製造することが可能となる。淡水は、システムから流出し、ライザーから噴出する。ライザー内での気体注入又は気体生成によって、この継続的なプロセスが実現する。
【００４７】
図３は、図２に示すように淡水を海面まで汲み上げるプロセスの最初に生成されて、最終的には海面に発達した気体を、どのように利用するかの例示的な実施例を、概略的に示す。分離機１４内で淡水から分離された気体は、更に、海面における、Ｏ２及びＨ２用気体流出口１５を通して、気体を電力に変換するシステム１６に分配される。気体を電力及び／又は機械力に変換するシステム１６は、電力の生成に気体を利用する、気体タービン、蒸気発生器及び燃焼モーター駆動発生器等を備えてもよい。生成された電力又は機械力は、圧縮機５又は電源１２といったシステムのパワー消費部分に再分配したり、システム外部の消費部分に更に分配したりできる。
【００４８】
図１〜図３では、海水流入口４は逆浸透ユニット１の下にあるものと示されるが、この位置に制約されるものではなく、システムの隣、システムの上又は任意の適切な位置に設置されてもよい。
【００４９】
また、精製水の流出口７及びかん水流出口８は逆浸透ユニット１の隣にあるものと示されるが、この位置に制約されるものではなく、システムの上、システムの下又は任意の他の適切な位置に設置されてもよい。
【００５０】
泡の導入は、図１〜図３に示すように、ライザー装置２が鉛直位置にて示している位置に描かれているが、この鉛直位置に制約されるものではなく、泡は、上方への流れによって泡を上昇させる上方角度をライザー装置２が有する、任意の位置で導入されてもよい。
【００５１】
分離機９、１４又はタンクは、海面の高さを越えるものとして示されるが、この位置に制約されるものではなく、海面上、海面下又は海面の高さのいずれに設置されてもよい。パイプラインを通して水を輸送するのに重力を利用するには、分離機９、１４を可能な限り海面よりも高く設置するのが有利となりうる。
【００５２】
当該方法の初期試験が実施された。図４に示すように、逆浸透ユニット（東レ：ＴＭ８２０Ｖ−４００）を、海水供給ホースと、逆浸透モジュールの低圧側に接続される淡水製造ライザーとに取り付けた。水中システムは、水上艦から吊るした。逆浸透ユニットは、海深３９０メートルに沈めた。ボート下の逆浸透ユニットの深さは、水上艦ソーナーと、ライザーホース上に示される測定との両方によって検証した。ライザー上の圧縮空気吸入口は、気体を海深３４０メートルで生成ライザー内へと導入できるように、逆浸透ユニットから５０メートル上となるように選択した。供給及び生成ホースのいずれも、直径１インチ（２５．４ｍｍ）且つ内径約２３ｍｍであった。
【００５３】
試験の間、海水を水面から汲み取り、逆浸透ユニットまで２．８バールの圧力によって下方に送り込んだことで、逆浸透ユニットの供給側に沿う安定した流速を確実なものとした。海水流量は、ベンダーからのポンプ固有の曲線に基づき、毎分５０リットルの範囲内と推定された。海水供給圧力は、主に、連結部、パイプ、ホース等における抵抗を克服するのに必要となる。逆浸透膜の供給側（供給から保持液まで）に沿った圧力降下は、深さ３９０メートルでの水圧（約４０バール）に等しい。
【００５４】
圧縮空気は、空気流量を制御する圧力低減制御弁を備えた気体ボトルのバッテリーから供給した。圧力（ＰＡｉｒＯｕｔ［バール］）は、圧力低減制御弁の前後両方に設置された圧力計によって測定した。空気流量（ｍＡｉｒ［ＳＴＤリットル／分］）は、質量流量制御部ユニットを用いて測定及び調節した。追加の圧力計を、図４に示す３５０メートルの長さの圧縮空気供給ラインへの入口の前である、質量流量制御部ユニットの下流に設置した。
【００５５】
水の製造率（ｍＷａｔｅｒ［リットル／分］）は、船の甲板（海面の約２メートル上に位置付けられた）において、ライザーから流出した水を回収した２５リットル缶を充填する時間によって測定した。オフラインの実験室分析のために、海水及び製造された水の塩分濃度をサンプリングした。製造された水の伝導率測定は、製造中に、可搬伝導率分析器（Ｋｅｍｏｔｒｏｎ）を用いて分析した。
【００５６】
試験が開始されると、ライザーは海水で満たされた。試験の開始時、３４０ｍの海深に位置付けられた注入位置で、圧縮空気をライザー内へと注入した（図４参照）。開始の間、海水の一部が、ライザー内へと流れる空気と入れ替わる。ライザー内の空気のボイド率が増加するにつれて、膜の浸透側の静水圧（Ｐｐ）が減少する。逆浸透ユニットは、膜に亘る圧力差（ＰＦ−ＰＰ）が浸透圧力差を超えると、淡水の製造を開始する。淡水の製造が始まると、ライザー内の海水が徐々に淡水と入れ替わり、製造された水の塩分濃度の減少が観測できる。
【００５７】
水が充填されたライザー内への圧縮空気の初期注入の間、水をライザーから空気／水分離機内へと噴出させるガスリフトによって製造が開始され、更なる噴出が、パルスを減少させながら空中で数メートルに達する。水製造は、毎分約３リットル（４．３ｍ３／日）の定常状態製造率に到達した。
【００５８】
オフライン分析のために、試験の間、製造された水のサンプルを回収した。また、試験の間、可搬伝導性分析装置を用いて、製造された水への伝導性を測定した。伝導性と塩分濃度とのいずれも、飲料水の限界値を大きく下回る値まで減少した（＜２．５ｍＳ／ｃｍ）。
【００５９】
逆浸透プロセスは、逆浸透プロセスを開始して継続的に淡水を製造するために、膜システムに所定の圧力差を必要とする。文献では、必要とされる圧力差は様々である。一般に知られているのは、浸透圧を克服するのに必要な圧力差は約２７バールというものである。ＳＩＮＴＥＦによって実施された実験では、必要な圧力差は２３．７バールとして、膜ユニットを沈める深さは３９０メートルに選択して、膜ユニットの水流入口において４０バールを加えた。また、膜の浸透側で必要な低圧を達成して、膜ユニットでのバール差が２３．７となるように、膜ユニットの５０メートル上である３４０メートルで気泡の導入を行った。特許文献２は、使用する膜システムにおいて克服する必要な浸透圧を達成するように、２５０メートルの海深で動作する。膜技術の継続的な向上及び発展によって、膜について、特性が加速度的に向上したのに加え、継続的な浸透プロセスを開始し有するために膜上に求められる圧力差が更に低くなっている。主な原理は、膜固有の必要な圧力差を達成するように、膜を通して精製される水の流入口において、精製水の流出口、つまり浸透側での圧力よりも高い圧力を有することである。現在使用されている膜システムが必要とする最小の圧力差から、膜の仕様に基づき、膜システムを設置する最小の深さが得られる。膜システムを設置する最大の深さは、特定のプロジェクトの費用対効果計算の問題である。電源又は圧縮機への距離、ライザーの直径、膜ユニットの大きさ、水の温度、源水の清浄度、保守等は、費用に起因して、実質的な役割を担う要素である。
【００６０】
本発明に記載の逆浸透ユニット（１）を設置する深さは、４０〜１５００メートルの間の深さが効果的であり、２００〜１０００メートルの間の深さがより効果的であり、３５０メートルと８００メートルとの間の深さが最も効果的である。１５００メートルまでの深さが効果的だが、１５００メートルに制限されるものではなく、投資費用のみが制限的である。泡の導入には、浸透プロセスを開始するのに必要な浸透圧を克服するのに求められる圧力差を得られるように、必要な低圧側を作るのに十分に離間した場所を見つけなければならない。継続的な淡水の製造を実現するため、低圧側は、浸透圧を克服するのに必要な分よりも低い、システムに亘る差圧を実現しなければならない。低圧側で圧縮気体の流れを調節することで、製造率を所望のレベルに制限してもよい。
【符号の説明】
【００６１】
１     逆浸透ユニット
２     精製水用ライザー装置
３     かん水用ライザー装置
４     海水流入口
５     圧縮機
６     注入ノズル
７     流出口精製水
８     かん水流出口（及び汚染水）
９     分離機
１０   海面における流出口精製水
１１   気体流出口
１２   電源
１３   電極
１４   分離機
１５   気体流出口
１６   気体電力変換システム
１７   電力の出力
１８   電力のシステムに戻す分配
１９   電力の他のプロセス又はシステムへの分配
２０   淡水製造ライザー
２１   海水供給ホース
２２   気体ボトル
２３   ポンプ
２４   圧縮空気吸入口
２５   タンク
２６   缶
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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