(57)【要約】【課題】逆浸透膜法による海水淡水化システムの省エネルギー化。【解決手段】従来の加圧手段であった高圧ポンプでの加圧に代えて毛細管の毛管吸引力と回転による遠心力で浸透圧の差以上に相当する圧力を印加することで透過水を得る。ＲＯ膜（１２、１３）と０．１μｍの細孔を持つＭＦ膜（１０、１１）を気密に密着させ回転軸（１５）を中心に回転させて通水路（１３）を通った原水の自重を増加させるとともに毛管開放面の水滴を引き離し、毛管吸引力を持続させる保水層（１１）に掛かる毛管吸引力と遠心力による負圧に対し、通水路（１３）の原水に掛かる正の圧力が固定されたＲＯ膜を挟んで圧力差を発生させる。本方式では高圧ポンプを用いないで、脱塩槽を回転させるモーターの消費電力のみで駆動できるため省エネルギー化が達成される。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜を用いた液・液分離装置において、膜に接する原水に遠心力を作用させて透過水を得る手段を設けたことを特徴とする膜を用いた液分離装置。
【請求項２】
遠心力が原水と透過水との浸透圧の差以上になる手段を設けたことを特徴とする請求項１に記載の膜を用いた液分離装置。
【請求項３】
透過水水面の外側に撥水性の壁面を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の膜を用いた液分離装置。
【請求項４】
膜を用いた液・液分離装置において、膜に接する透過水側に毛管現象による水面上昇力を作用させて透過水を得る毛管を設けたことを特徴とする膜を用いた液分離装置。
【請求項５】
毛管現象による水面上昇力が原水と透過水との浸透圧の差以上になる手段を設けたことを特徴とする請求項４に記載の膜を用いた液分離装置。
【請求項６】
毛管の開放端面から液を除去する手段を設けたことを特徴とする請求項４または５に記載の膜を用いた液分離装置。
【請求項７】
膜を用いた液・液分離装置において、膜に接する原水に遠心力を作用させ、更に透過水側に毛管現象による水面上昇力を作用させて透過水を得る毛管を設けたことを特徴とする請求項１、２、３、４、５または６に記載の膜を用いた液分離装置。
【請求項８】
遠心力と毛管現象による水面上昇力の和が、原水と透過水との浸透圧の差以上になる手段を設けたことを特徴とする請求項７に記載の膜を用いた液分離装置。
【請求項９】
遠心力が毛管現象による水面上昇力以上となる手段を設けたことを特徴とする請求項７または８に記載の膜を用いた液分離装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
膜による液体の分離技術に係わる技術分野。
【０００２】
【従来の技術】
従来の膜による液・液分離技術では、油水分離やイオン除去、塩分除去等を行っているが、分離や回収のためのエネルギーを遠心力や毛管現象の水面上昇力を利用したものは検索分中には見つからなかった。類似技術としては、遠心力による分離では、固体を液体から回収する方法は既に固液分離技術として確立しているが、液・液分離の分野では見当たらなかった。毛管現象による分離では、特開２００３−６２４０８「液体分離方法及びこれを用いた濾過装置」があるが、該技術は固体と液体を分離する固液分離技術であり、更に、毛管現象によって外部壁面・膜間に滞留した液滴の除去法を示したものであり、毛管の気中開口端面の液滴を除去するものではない。毛管現象を継続させるためには毛管開口部の濡れ状態を解消する手段が必要であるが、該技術にはその記載がない。また、特表平８−５０９０６０「液体移動装置」では、毛管吸着力による固液分離が開示されているが、液・液分離の記載はない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
逆浸透圧法では、高圧ポンプを作動させて淡水を得ていたが、特に、海水のような塩分濃度が高い場合は大きな電力が必要であったが発展途上国では充分な電力が得られない場合や淡水の製造コストが大きすぎて実用化できない場合があり、より小さなエネルギーで淡水を得る手段が求められていた。また、ナノ濾過や限外濾過では大流量の確保が求められていた。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
発明の第一は、膜を用いた液・液分離装置において、膜に接する原水に回転による遠心力を作用させて透過水を得る手段を設けることで、原水の自重を容易に増加させ、原水よりも外側に固定配置された膜内壁に大きな正の圧力を印加することが可能となる。また、膜を隔てて外側に保水層を設けることで、遠心力で保水層中の水の自重が増加して膜外壁に大きな負圧を印加することができる。結果として原水側と透過水側に膜を挟んで大きな圧力差を発生させることが可能となり、時間当たりの透過水量を増加させることができる。
【０００５】
第二では、逆浸透圧膜を用いた装置において前記の膜を挟んだ圧力差が、原水と透過水との浸透圧の差以上になるような遠心力付加手段を設けることで、高圧ポンプを用いずに透過水を得ることが可能となり、大きなエネルギー節減が可能となる。
【０００６】
第三では、前記透過水水面の外側に撥水性の壁面を設けることで、前記保水層の外側開放端面から遠心力により飛散した透過水滴を撥水壁面が受け止める。壁面が撥水性である為、水滴が壁面を容易に移動することが可能となり、摩擦力や親水力によるエネルギー損失を最小にしてシステム全体の効率を向上させることが可能となる。
【０００７】
第四では、膜を用いた液・液分離装置において、膜に接する透過水側に毛管現象による水面上昇力を作用させて透過水を得る毛管を設けたことを特徴とする膜を用いた液分離装置である。分離膜の透過水側に多数の毛管を配置して毛管吸引力を作用させることで分離膜を挟んで原水側と透過水側に圧力差を発生させることが可能となる。
【０００８】
第五では、前記毛管現象による水面上昇力が原水と透過水との浸透圧の差以上になる手段を設けることで原水が逆浸透圧膜を透過することを可能とし、高圧ポンプを作動させずに透過水を得ることが可能となる。
【０００９】
第六では、透過水滴の蒸散や機械的剥離による毛管の開放端面から液を除去する手段を設けたことで、継続的に毛管吸引力を作用させることが可能となる。
【００１０】
第七では、膜を用いた液・液分離装置において、膜に接する原水に遠心力を作用させ、更に透過水側に毛管現象による水面上昇力を作用させて透過水を得る毛管を設けたことを特徴とする前記の膜を用いた液分離装置である。回転で発生する遠心力による膜を挟んだ圧力差と毛管吸引力による圧力差の相乗効果を得ることが可能となり、より小半径または低速回転でも効果を発揮できる。
【００１１】
第八遠では、前記遠心力と毛管現象による水面上昇力の和が、原水と透過水との浸透圧の差以上になる手段を設けたことで、原水が逆浸透圧膜を透過することを可能とし、高圧ポンプを作動させずに透過水を得ることが可能となる。
【００１２】
第九では、遠心力が毛管現象による水面上昇力以上となる手段を設けたことを特徴とする前記の膜を用いた液分離装置である。毛管開放端面に捕捉された水滴を物理的に剥離しようとした場合には、水滴と壁面に生ずる捕捉力以上の外力が必要とされる。遠心力を該捕捉力以上にすることで水滴を飛散させることが可能となり、毛管吸引力を持続させることが可能となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は実施形態の一例を示す、分離膜と毛細管及び気流または乾燥空気による水滴除去手段を設けた膜による液液分離装置の膜ユニットの説明図である。１は気流の方向を示す矢印、２は水蒸気、３は毛細管を設けた膜、４は保水層、５は分離膜、６は原水の通水路、７は原水の流れを示す矢印である。本形態では、原水（７）はスペーサで作られた通水路（６）により分離膜（５）に供給される。保水層（４）には予め透過液に浸漬させた透過液が保持されている。エアコンプレッサーで乾燥空気を矢印（１）方向に流すことで毛細管を設けた膜（３）と保水層（４）とは密着しているため毛細管開放端面から液滴が蒸気（２）となって蒸発することで毛細管開放端面が乾燥する。蒸気を冷却して分離液を得る。開放端面が乾燥することで、毛管吸引力が持続する。本形態では毛管吸引力で保水層（４）中の液に負圧が印加され、原水側（６）と保水層（４）側に圧力差が生じ、透過液の回収量を増加させることができる。
【００１４】
本形態の分離膜は、ＲＯ膜、ＮＦ膜、ＵＦ膜、ＭＦ膜であってもよい。また、毛細管を設けた膜がＵＦ膜、ＭＦ膜、貫通孔を持った多孔質膜であってもよい。更に、毛細管開放端面から液を除去する手段が送風による液滴の吹き飛ばしや、毛管膜への振動印加や回転によって強制的に液滴を除去してもよい。また、毛管吸引力を原水側と透過水側の浸透圧の差以上にすることで逆浸透膜を用いた液液分離にも応用できる。
【００１５】
【実施例】
図２、図３、図４は本実施例である海水淡水化装置を説明する説明図である。図２は本装置の膜ユニットの斜視説明図である。本装置の構成は、８は透過水滴の飛散方向を示す矢印、９は毛細管膜（１０）と撥水フィルム（１４）間のスペーサ、１０は耐圧強度１５ＭＰａのＭＦ膜で構成された毛細管膜、１１はＭＦ膜の基材で構成された保水層、１２は耐圧強度１５ＭＰａのＲＯ膜で構成された分離膜、１３はＲＯ膜の基材で構成された通水路、１４はフッ素樹脂フィルムで構成された撥水フィルム、１５は回転槽の回転軸を示す破線、１６は原水の流れを示す矢印である。図３は本装置の全体像を示す側面説明図である。１７はエアフィルタ、１８は空気取入口、１９は装置の断面を説明する破線、２０は回転脱塩槽、２１は濃縮水排出口、２２は濃縮水の流れを示す矢印、２３は原水取水口、２４はモータ、２５はベルト、２６はロータリージョイント、２７は原水の流れを示す矢印、２８は淡水と濃縮水との仕切り、２９は透過水出口、３０は淡水の流れを示す矢印、３１は膜ユニット、３２は膜端末に設けた濃縮水の水路、３３は原水を膜に供給する原水管、３４は槽壁である。図４は図３の回転脱塩槽（２０）の一部の断面説明図である。３５は槽内部の断面を説明する破線、３６は膜ユニット、３７は膜ユニット間の間隙、３８は回転槽の回転軸を示す破線、３９は透過水の流れを示す矢印、４０は槽壁である。
【００１６】
本装置の概要は、図２の膜ユニットを図３の原水管（３３）の周囲に巻き付けた構成となっており、膜ユニット（３１）及び原水管（３３）をモータ（２４）で回転させて原水取水口（２３）から取水した原水を遠心力で膜ユニットに供給して透過水を得るものである。図３の原水管（３３）から取水した原水は遠心力で図２の通水路（１３）に供給される。本膜ユニット（３１、３６）は回転軸（１５、３８）を中心として回転しており、通水路中の原水（１３）と気中開放端面を有する保水層（１１）及び毛細管膜（１０）の透過水との間に圧力差が発生する。該圧力差が海水と淡水との浸透圧の差以上になると透過水側に淡水が透過してくる。透過した微細水滴は遠心力で毛細管膜表面（１０）から飛散してスペーサ（９）によって設けられた空洞を通過し、撥水フィルム（１４）に衝突する。撥水フィルム上では遠心力により水滴が厚み方向に圧縮され集合して薄い水の層となり重力で下方へ移動して図４の膜ユニット間の間隙（３７）から比較的に大きな水滴となって槽壁（４０）へ飛ばされ、槽内壁面では比較的厚い水の層を形成して下方へ流れ、仕切り板（２８）で透過水出口（２９）へ導かれて回収される。一方濃縮された原水は円柱の最外周にある膜ユニット端面から濃縮水水路を通って槽の最下層に放出され、濃縮水排水口（２１）から排水される。
【００１７】
次に本装置の制御条件について述べる。世界の海水の平均的な塩分濃度は３〜４％程度であり淡水との浸透圧の差は約２．５ＭＰａである。現在逆浸透膜法での実用的な加圧条件は５ＭＰａ以上である。一方、毛細管による吸引力は、毛細管の開放端面の開口直径に反比例する。また、遠心力は半径と回転数の自乗の積に比例する。本装置の毛細管膜であるＭＦ膜の親水性を接触角がほぼ０と仮定するとＭＦ膜の開口直径を０．１μｍにすれば約３ＭＰａの吸引力を得ることができる。更に本膜ユニットの最小半径を５０ｍｍ、最大半径１５０ｍｍとし、回転数を８００ｒｐｍとすると半径５０ｍｍの位置にある膜には３６Ｇの遠心力が印加される。即ち、ＲＯ膜を挟んで原水側と透過水側の圧力差は６．６ＭＰａ相当となる。このような条件で設定すると、｛（遠心力＋毛管吸引力６．６ＭＰａ）＞（実用的加圧条件５ＭＰａ）＞（遠心力３．６ＭＰａ）＞（毛管吸引力３ＭＰａ）＞（必要最低加圧力２．５ＭＰａ）｝という関係となる。即ち実用的加圧条件をクリアするとともに、毛管吸引力と必要最低加圧力がほぼ等しく、回転数を落としても外側の膜ユニットの半径が大きいため透過水が得られる。また、８００回転以上であれば遠心力が毛管吸引力を上回るため、透過水滴を飛散させて継続的な毛管吸引力を持続させることが可能となる。また、運転停止時には回転脱塩槽内に透過水を満たして、膜ユニットの保水層が乾燥するのを防止する。運転開始時には、該透過水を槽外に排出してから運転する。
【００１８】
【発明の効果】
現在の高圧ポンプを用いた逆浸透膜方式では、１トンの淡水を得るのに５〜７ＫＷｈの電力を消費するが、本装置によれば毛管吸引力と遠心力を利用することで高圧ポンプの作動を必要としなくなるため１ＫＷｈ程度に削減することが可能となる。従来の高圧ポンプ式のシステムでは膜の耐圧強度が７ＭＰａ以上を必要としないため１５ＭＰａの耐圧強度をもったものは開発されていないが、技術的には大きな障害とはならないため、本システムは現行技術で実現が可能であろうと思われる。また、小規模の装置であれば回転半径と回転数を調整して現行の膜強度内で設計が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は実施形態の一例を示す、分離膜と毛細管及び気流または乾燥空気による水滴除去手段を設けた膜による液液分離装置の膜ユニットの説明図である。
【図２】本実施例の装置の膜ユニットの斜視説明図である。
【図３】本実施実施例の装置の全体像を示す側面説明図である。
【図４】図３の回転脱塩槽（２０）の一部の断面説明図である。
【符号の説明】
１  気流の方向を示す矢印
２  水蒸気
３  毛細管を設けた膜
４  保水層
５  分離膜
６  原水の通水路
７  原水の流れを示す矢印
８  透過水滴の飛散方向を示す矢印
９  毛細管膜（１０）と撥水フィルム（１４）間のスペーサ
１０  耐圧強度１５ＭＰａのＭＦ膜で構成された毛細管膜
１１  ＭＦ膜の基材で構成された保水層
１２  耐圧強度１５ＭＰａのＲＯ膜で構成された分離膜
１３  ＲＯ膜の基材で構成された通水路
１４  フッ素樹脂フィルムで構成された撥水フィルム
１５  回転槽の回転軸を示す破線
１６  原水の流れを示す矢印
１７  エアフィルタ
１８  空気取入口
１９  装置の断面を説明する破線
２０  回転脱塩槽
２１  濃縮水排出口
２２  濃縮水の流れを示す矢印
２３  原水取水口
２４  モータ
２５  ベルト
２６  ロータリージョイント
２７  原水の流れを示す矢印
２８  淡水と濃縮水との仕切り
２９  透過水出口
３０  淡水の流れを示す矢印
３１  膜ユニット
３２  膜端末に設けた濃縮水の水路
３３  原水を膜に供給する原水管
３４  槽壁
３５  槽内部の断面を説明する破線
３６  膜ユニット
３７  膜ユニット間の間隙
３８  回転槽の回転軸を示す破線
３９  透過水の流れを示す矢印
４０  槽壁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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