(57)【要約】      （修正有）【課題】ろ過膜を用いた油水分離方法と比較して、目詰まりの頻度を低くすることができる油水分離方法を提供する。【解決手段】オイルサンド層１５００からビチェーメン８２を生産する油層内回収法で生じる油水を分離する方法であり、地中から回収したビチェーメン混合流体８１からビチェーメン８２を取り出した含油水８３、８４を用意した後、多孔質膜から構成された蒸留膜部材１０を用いて含油水８４を膜蒸留する工程を実行する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
オイルサンドからビチェーメンを生産する油層内回収法で生じる油水を分離する方法であって、
地中から回収したビチェーメン混合流体からビチェーメンを取り出した含油水を用意する工程と、
多孔質膜から構成された蒸留膜部材を用いて前記含油水を膜蒸留する工程と
を含む、油水分離方法。
【請求項２】
前記蒸留膜部材は、多孔質ポリテトラフルオロエチレンから構成されている、請求項１に記載の油水分離方法。
【請求項３】
前記蒸留膜部材は、疎水性の材料から構成されている、請求項１に記載の油水分離方法。
【請求項４】
前記蒸留膜部材は、親水処理が施されていない多孔質膜から構成されている、請求項１から３の何れか１つに記載の油水分離方法。
【請求項５】
前記蒸留膜部材は、撥液処理が施されている多孔質膜から構成されている、請求項１から４の何れか１つに記載の油水分離方法。
【請求項６】
前記蒸留膜部材は、平均孔径０．０１μｍ以上１０μｍ以下の多孔質膜から構成されている、請求項１から５の何れか１つに記載の油水分離方法。
【請求項７】
前記膜蒸留される前記含油水の温度は５０℃以上である、請求項１から６の何れか１つに記載の油水分離方法。
【請求項８】
前記膜蒸留においては、前記多孔質膜を通過して蒸発した蒸気を冷却して液体にする工程を実行する、請求項１から７の何れか１つに記載の油水分離方法。
【請求項９】
前記含油水を膜蒸留する工程において、前記含油水は、前記蒸留膜部材に接触した後に再び循環して供給される、請求項１から８の何れか１つに記載の油水分離方法。
【請求項１０】
前記蒸留膜部材は、複数設けられており、
前記複数の蒸留膜部材によって、多段式に前記含油水の蒸留が実行される、請求項１から９の何れか１つに記載の油水分離方法。
【請求項１１】
前記複数の蒸留膜部材の少なくとも一部は、並列配列になるように配置されており、
前記並列配列された前記蒸留膜部材を交換する工程をさらに含む、請求項１０に記載の油水分離方法。
【請求項１２】
前記膜蒸留の処理後における処理水中の油分濃度が１０ｍｇ／リットル以下である、請求項１から１１の何れか１つに記載の油水分離方法。
【請求項１３】
前記油層内回収法は、ＳＡＧＤ法またはＣＳＳ法である、請求項１から１２の何れか１つに記載の油水分離方法。
【請求項１４】
油分成分および水を含有する含油水の処理方法において、
油分成分および水を含有する含油水を、多孔質膜から構成された蒸留膜部材を用いて膜蒸留する工程を実行する、含油水の処理方法。
【請求項１５】
前記蒸留膜部材は、親水処理が施されていない多孔質膜から構成されており、
前記含油水を膜蒸留する工程において、前記含油水は、前記蒸留膜部材に接触した後に再び循環して供給される、請求項１４に記載の含油水の処理方法。
【請求項１６】
前記蒸留膜部材は、多孔質ポリテトラフルオロエチレンから構成されている、請求項１４または１５に記載の含油水の処理方法。
【請求項１７】
オイルサンドからビチェーメンを生産する方法であって、
オイルサンドを含むオイルサンド層にスチームを導入する工程と、
前記スチームによって前記オイルサンド層から、ビチェーメンを含むビチェーメン混合流体を回収する工程と、
前記ビチェーメン混合流体から、前記ビチェーメンを分離する工程と、
前記ビチェーメン混合流体から前記ビチェーメンを分離した含油水を、多孔質膜から構成された蒸留膜部材を用いて膜蒸留する工程と
を含む、ビチェーメンの生産方法。
【請求項１８】
前記膜蒸留によって生成した水分を、オイルサンド層に導入する工程をさらに含む、請求項１７に記載のビチェーメンの生産方法。
【請求項１９】
前記蒸留膜部材は、多孔質ポリテトラフルオロエチレンから構成されている、請求項１７または１８に記載のビチェーメンの生産方法。
【請求項２０】
オイルサンドからビチェーメンを生産する油層内回収法で生じる油水を分離するシステムであって、
地中から回収したビチェーメン混合流体からビチェーメンが取り出された含油水を膜蒸留する膜蒸留装置を備え、
前記膜蒸留装置は、多孔質膜から構成された蒸留膜部材を含んでいる、油水分離システム。
【請求項２１】
前記膜蒸留装置は、
前記蒸留膜部材と、
前記蒸留膜部材を構成する前記多孔質膜の表面に接触し、前記含油水が供給される含油水貯留部位と、
前記含油水貯留部位から、前記多孔質膜を通過して、前記含油水における水の蒸気が排出される蒸気排出部位と
を備え、
前記蒸気排出部位には、減圧配管が接続されている、請求項２０に記載の油水分離システム。
【請求項２２】
前記含油水貯留部位には、前記含油水が流れており、
前記膜蒸留装置には、前記含油水を循環させる配管が接続されている、請求項２１に記載の油水分離システム。
【請求項２３】
前記蒸留膜部材は、前記膜蒸留装置内において平面状に配置されている、請求項２１または２２に記載の油水分離システム。
【請求項２４】
前記膜蒸留装置は、円柱形状を有しており、
前記蒸留膜部材は、前記膜蒸留装置内において円筒状に配置されている、請求項２１または２２に記載の油水分離システム。
【請求項２５】
前記蒸留膜部材は、多孔質ポリテトラフルオロエチレンから構成されている、請求項２１から２４の何れか１つに記載の油水分離システム。
【請求項２６】
前記蒸留膜部材は、複数設けられており、
前記複数の蒸留膜部材の少なくとも一部は、並列配列になるように配置されており、
前記並列配列された前記蒸留膜部材は、前記膜蒸留を実行しながら交換可能に構成されている、請求項２１から２５の何れか１つに記載の油水分離システム。
【請求項２７】
油分成分および水を含有する含油水の処理システムであって、
含油水を膜蒸留する膜蒸留装置を備え、
前記膜蒸留装置は、多孔質膜から構成された蒸留膜部材を含んでいる、含油水の処理システム。
【請求項２８】
オイルサンドからビチェーメンを生産するシステムであって、
オイルサンドを含むオイルサンド層にスチームを導入する導入配管と、
前記スチームによって前記オイルサンド層から、ビチェーメンを含むビチェーメン混合流体を回収する回収配管と、
前記回収配管に接続され、前記ビチェーメン混合流体から前記ビチェーメンを分離する分離装置と、
前記ビチェーメン混合流体から前記ビチェーメンを分離した含油水を、多孔質膜から構成された蒸留膜部材を用いて膜蒸留する膜蒸留装置と
を含む、ビチェーメンの生産システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、油水分離方法、含油水の処理方法、ビチェーメンの生産方法およびそれらのシステムに関する。特に、オイルサンドからビチェーメンを生産する方法において油水分離を行うことに関する。
【背景技術】
【０００２】
石油資源の１つであるオイルサンドから回収されるビチェーメンは、これまでは予備的または次世代の代替資源としてしか見られてこなかった。しかし、ビチェーメン自体は質的に劣悪であっても、そこから得られる製品は原油から得られるものと十分競争力があり、コストにおいても原油代替の可能性が高まってきた（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、カナダオイルサンドは、サウジアラビアの原油に匹敵するほどの圧倒的な埋蔵量を誇っており、例えばカナダ国アルバータ州およびその周辺地域における炭化水素埋蔵量は世界トップクラスである。そして何よりカナダは中東やアフリカなどの地政学的に不安定な地域と異なり投資リスクが極めて小さいというメリットがある。エネルギーの安定した供給源の確保は資源に乏しい日本をはじめ各国において極めて重要な課題であり、この観点からも今日の貴重な石油資源の供給地域として位置付けられるようになってきた。
【０００４】
かかるオイルサンドからのビチェーメン生産において、近年、露天掘りでは開発が難しい深度に存在するものにも目が向けられ、この採取を可能にするＳＡＧＤ（Steam Assisted Gravity Drainage）法、ＣＳＳ法（Cyclic Steam Stimulation）法といった油層内回収法が注目され、精力的にその技術開発が進められている。
【０００５】
油層内回収法では、オイルサンド層内にある常温では流動しない高粘度の油に対し高温スチームを圧入することにより、加熱して油の粘度を下げ、このスチームが凝集した高温水と油とを回収する。そのため大量の高温スチームを造り出すための「水」が必要となる。例えば、ＳＡＧＤ法では、スチーム生成のための油生産量の約３倍の水を使用する。他方、カナダにおいては州の厳しい環境基準により利用可能な取水量が制限されるほか、十分な容量を持つ排水圧入層が近傍に存在しないために、水のリサイクルが必須となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−２４８４３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来のＳＡＧＤ法またはＣＳＳ法では、油層内回収法で地中（オイルサンド層）から回収されたビチェーメン混合流体をセパレータで処理することによって、ビチェーメンを取り出す。その後、ビチェーメンと分離された含油水（生産水（Produced water）と称されることもある）は、冷却器で所定温度に冷却された後に所定のタンクを複数経由することによって油分を分離し、次いで、処理水を回収する。この方法における油水分離は、基本的には、油と水の比重差を利用した重力分離である。このようにして処理水が回収されて、ビチェーメンの生産に使用する水のリサイクルが行われる。
【０００８】
しかしながら、この油水分離方法では、油水分離に必要な機器および工程数が多く煩雑であり、設備費が高くつくとともに、運転管理も難しいという欠点がある。また、重力分離法では、比較的粒径の大きな油分は除去できるが、粒径の小さな油分やエマルジョン化した油分は分離できないという問題もある。油分が分離できないと、熱交換器やボイラ内の配管で有機物系のスケールが析出し、その結果、熱応力起源の腐食割れが起きる可能性が生じる。さらに、脱塩工程においてエバポレータを適用する場合、エバポレータ内での有機物によるスケールトラブルが発生し、それが問題になっているケースもある。
【０００９】
特許文献１では、セラミック製の精密ろ過膜または限外ろ過膜の適用をした場合、セラミック製の膜は概して膜面積あたりの容積が大きく嵩張り、また重量が大きいことから、設置面積が大きくなることを述べている。加えて、セラミック膜は機械的および熱的な衝撃に弱い点、セラミック膜の製造に一般的に用いられるバインダーはアルカリ耐性がなく、膜面が目詰まりした場合に、強アルカリ水溶液などの洗浄除去を使用できない点も欠点として存在する。さらには、セラミック膜はコストが高いという実用的な問題もある。
【００１０】
特許文献１では、オイルサンドからビチェーメンを生産する油層内回収法において、地中から回収した加温ビチェーメン混合流体からビチェーメンを取り出し、ビチェーメン混合流体から分離された加温含油水をポリテトラフルオロエチレン製の精密ろ過膜で処理する油水分離方法が開示されている。そして、この特許文献１に開示された油水分離方法によれば、従来のような多段にわたる煩雑な工程や特殊な設備によらず、しかも取り扱い性及び運転管理性が良く、加温された含油水の高度な油水分離を可能とし熱ロスを低減することができることが述べられている。
【００１１】
しかしながら、本願発明者の検討によると、特許文献１に開示された油水分離方法には次のような問題があることが見出された。まず、特許文献１のろ過膜による油水分離方法では、膜内部に油が侵入するために汚れが進行するために目詰まりを起し、それゆえに、透過流量が低下するという問題がある。加えて、膜表面にろ過された汚れが堆積して透過流量が低下する問題も生じる。
【００１２】
また、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）製のろ過膜では、ＰＴＦＥが疎水性であるがゆえに、当該ろ過膜に通水性を確保するための親水性処理が必要となる。この親水性処理としては、ポリビニルアルコールの水溶液をＰＴＦＥ膜の微細孔内部に含浸させ、酸触媒を用いてジアルデヒドと架橋させることが挙げられるが、親水性処理を施したＰＴＦＥ膜は使用時の熱によって劣化して、ＰＴＦＥ膜の疎水性が戻り、その結果、通水性が悪くなってしまう。
【００１３】
本願発明者は、このような状況の中で、ろ過膜を用いた油水分離（含油水処理）の改良・改善を図るのではなく、新たな油水分離（含油水処理）の方法を鋭意検討し、その結果、本発明に至った。
【００１４】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、ろ過膜を用いた油水分離方法と比較して、目詰まりの頻度を低くすることができる油水分離方法、含油水の処理方法、ビチェーメンの生産方法およびそれらのシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明に係る油水分離方法は、オイルサンドからビチェーメンを生産する油層内回収法で生じる油水を分離する方法であり、地中から回収したビチェーメン混合流体からビチェーメンを取り出した含油水を用意する工程と、多孔質膜から構成された蒸留膜部材を用いて前記含油水を膜蒸留する工程とを含む。
【００１６】
ある好適な実施形態において、前記蒸留膜部材は、多孔質ポリテトラフルオロエチレンから構成されている。
【００１７】
ある好適な実施形態において、前記蒸留膜部材は、疎水性の材料から構成されている。
【００１８】
ある好適な実施形態において、前記蒸留膜部材は、親水処理が施されていない多孔質膜から構成されている。
【００１９】
ある好適な実施形態において、前記蒸留膜部材は、撥液処理が施されている多孔質膜から構成されている。
【００２０】
ある好適な実施形態において、前記蒸留膜部材は、平均孔径０．０１μｍ以上１０μｍ以下の多孔質膜から構成されている。
【００２１】
ある好適な実施形態において、前記膜蒸留される前記含油水の温度は５０℃以上である。
【００２２】
ある好適な実施形態では、前記膜蒸留においては、前記多孔質膜を通過して蒸発した蒸気を冷却して液体にする工程を実行する。
【００２３】
ある好適な実施形態では、前記含油水を膜蒸留する工程において、前記含油水は、前記蒸留膜部材に接触した後に再び循環して供給される。
【００２４】
ある好適な実施形態において、前記蒸留膜部材は、複数設けられており、前記複数の蒸留膜部材によって、多段式に前記含油水の蒸留が実行される。
【００２５】
ある好適な実施形態において、前記複数の蒸留膜部材の少なくとも一部は、並列配列になるように配置されており、前記並列配列された前記蒸留膜部材を交換する工程をさらに含む。
【００２６】
ある好適な実施形態では、前記膜蒸留の処理後における処理水中の油分濃度が１０ｍｇ／リットル以下である。
【００２７】
ある好適な実施形態において、前記油層内回収法は、ＳＡＧＤ法またはＣＳＳ法である。
【００２８】
本発明の含油水の処理方法は、油分成分および水を含有する含油水の処理方法であり、油分成分および水を含有する含油水を、多孔質膜から構成された蒸留膜部材を用いて膜蒸留する工程を実行する。
【００２９】
ある好適な実施形態において、前記蒸留膜部材は、親水処理が施されていない多孔質膜から構成されており、前記含油水を膜蒸留する工程において、前記含油水は、前記蒸留膜部材に接触した後に再び循環して供給される。
【００３０】
ある好適な実施形態において、前記蒸留膜部材は、多孔質ポリテトラフルオロエチレンから構成されている。
【００３１】
本発明に係るビチェーメンの生産方法は、オイルサンドからビチェーメンを生産する方法であり、オイルサンドを含むオイルサンド層にスチームを導入する工程と、前記スチームによって前記オイルサンド層から、ビチェーメンを含むビチェーメン混合流体を回収する工程と、前記ビチェーメン混合流体から、前記ビチェーメンを分離する工程と、前記ビチェーメン混合流体から前記ビチェーメンを分離した含油水を、多孔質膜から構成された蒸留膜部材を用いて膜蒸留する工程とを含む。
【００３２】
ある好適な実施形態において、前記膜蒸留によって生成した水分を、オイルサンド層に導入する工程をさらに含む。
【００３３】
ある好適な実施形態において、前記蒸留膜部材は、多孔質ポリテトラフルオロエチレンから構成されている。
【００３４】
ある好適な実施形態において、オイルサンドからビチェーメンを生産する油層内回収法で生じる油水を分離するシステムであって、地中から回収したビチェーメン混合流体からビチェーメンが取り出された含油水を膜蒸留する膜蒸留装置を備え、前記膜蒸留装置は、多孔質膜から構成された蒸留膜部材を含んでいる。
【００３５】
ある好適な実施形態において、前記膜蒸留装置は、前記蒸留膜部材と、前記蒸留膜部材を構成する前記多孔質膜の表面に接触し、前記含油水が供給される含油水貯留部位と、前記含油水貯留部位から、前記蒸留膜部材を通過して、前記含油水における水の蒸気が排出される蒸気排出部位とを備え、前記蒸気排出部位には、減圧配管が接続されている。
【００３６】
ある好適な実施形態において、前記含油水貯留部位には、前記含油水が流れており、前記膜蒸留装置には、前記含油水を循環させる配管が接続されている。
【００３７】
ある好適な実施形態において、前記蒸留膜部材は、前記膜蒸留装置内において平面状に配置されている。
【００３８】
ある好適な実施形態において、前記膜蒸留装置は、円柱形状を有しており、前記蒸留膜部材は、前記膜蒸留装置内において円筒状に配置されている。
【００３９】
ある好適な実施形態において、前記蒸留膜部材は、多孔質ポリテトラフルオロエチレンから構成されている。
【００４０】
ある好適な実施形態において、前記蒸留膜部材は、複数設けられており、前記複数の蒸留膜部材の少なくとも一部は、並列配列になるように配置されており、前記並列配列された前記蒸留膜部材は、前記膜蒸留を実行しながら交換可能に構成されている。
【００４１】
本発明に係る含油水の処理システムは、油分成分および水を含有する含油水の処理システムであり、含油水を膜蒸留する膜蒸留装置を備え、前記膜蒸留装置は、多孔質膜から構成された蒸留膜部材を含んでいる。
【００４２】
本発明に係るビチェーメンの生産システムは、オイルサンドからビチェーメンを生産するシステムであり、オイルサンドを含むオイルサンド層にスチームを導入する導入配管と、前記スチームによって前記オイルサンド層から、ビチェーメンを含むビチェーメン混合流体を回収する回収配管と、前記回収配管に接続され、前記ビチェーメン混合流体から前記ビチェーメンを分離する分離装置と、前記ビチェーメン混合流体から前記ビチェーメンを分離した含油水を、多孔質膜から構成された蒸留膜部材を用いて膜蒸留する膜蒸留装置とを含む。
【発明の効果】
【００４３】
本発明に係る油水分離方法によれば、地中から回収したビチェーメン混合流体からビチェーメンを取り出した含油水を、多孔質膜から構成された蒸留膜部材を用いて膜蒸留する。したがって、ろ過膜を用いた油水分離方法と比較して、目詰まりの頻度を低くすることができる。また、油と水の比重差を利用した重力分離の方法と比較して、油水分離に必要な機器および工程数が多く煩雑であり、設備費が高く運転管理も難しいという欠点を解消することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】地中１０００におけるオイルサンド層１５００からビチェーメンを取り出すＳＡＧＤ法を説明するための図である。
【図２】図１における断面図であり、水蒸気１１５０が広がる様子を示す図である。
【図３】オイルサンド２０００の構造を模式的に示す図である。
【図４】ビチェーメン生産プラント３０００を説明するための図である。
【図５】本発明の実施形態に係る油水分離システム１００を含むビチェーメン生産システム２００を説明するための図である。
【図６】本発明の実施形態に係る膜蒸留装置１００の一例の構成を模式的に示す断面図である。
【図７】多孔質膜２０の構成を模式的に示す図である。
【図８】本発明に係る実施例の実験に使用した膜蒸留装置１１０の構成図である。
【図９】本発明の実施形態に係る膜蒸留装置１００の一例を示す斜視図である。
【図１０】本発明の実施形態に係る膜蒸留装置１００の配管構成の一例を示す模式図である。
【図１１】本発明の実施形態に係る凝縮ユニット７０の構成を模式的に示す図である。
【図１２】水封式ポンプ９５を使用した場合の凝縮ユニット９０の構成を模式的に示す図である。
【図１３】本発明の実施形態に係る膜蒸留装置１００の配管構成の一例を示す模式図である。
【図１４】本発明の実施形態に係る膜蒸留装置１００の配管構成の一例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
上述したように、オイルサンドから回収されるビチェーメンは、石油資源の一つとして現在非常に注目されている。オイルサンドからのビチェーメンの生産においては、近年、巨大なシャベルで表層のオイルサンドを掘る露天掘りでは採取できない深度の地層からの油層内回収方法の技術開発が進められている。この回収方法としては、ＳＡＧＤ法、ＣＳＳ法が挙げられる。
【００４６】
図１から図３を参照しながら、ＳＡＧＤ法について簡単に説明する。図１は、地中１０００におけるオイルサンド層１５００の様子を示す図であり、図２は、図１における断面図である。また、図３は、オイルサンド２０００の様子を示す模式図である。
【００４７】
図１及び図２に示すように、ＳＡＧＤ法の場合、地中１０００においてオイルサンドを含むオイルサンド層１５００において水蒸気注入井となるスチーム導入配管１１００が設けられる。そして、スチーム導入配管１１００の下方には、スチーム導入配管１１００から噴き出されたスチーム１１５０によって溶け出したビチェーメン混合流体１２５０を回収するビチェーメン生産井となる回収配管１２００が配置されている。
【００４８】
スチーム導入配管１１００および回収配管１２００は、Ｌ１の長さ（例えば、５００〜１０００ｍ）延びており、オイルサンド層１５００は、地表からＬ２の深さ（例えば、３００ｍ程度、またはそれ以上）に位置している。スチーム導入配管１１００と回収配管１２００との間隔はＬ３（例えば、５ｍまたはそれ前後）にしている。
【００４９】
図３は、オイルサンド２０００の構造を示している。オイルサンドは、堆積した有機物の分解によりいったん生成した石油が、地殻変動で地表近くに露出し軽質や中質の炭化水素成分が揮発作用によって抜けてしまい重質化したか、または、生分解作用（バイオデグラデーション）を受けて重質化したものと考えられている。オイルサンド２０００は、油層状態で流動しない半固体状の原油であり、未固結の砂岩層に含まれている。地中におけるオイルサンド２０００は、砂の粒子２１００の周囲を、水２３００、重質・高粘度の炭化水素であるビチェーメン２５００が順に取り囲んだ構造として存在している。
【００５０】
ＳＡＧＤ法の場合では、地中におけるオイルサンド層１５００内にある常温では流動しない高粘度のビチェーメン２５００に対し、スチーム導入配管１１００に高温水蒸気を圧入して、スチーム導入配管１１００から放出した水蒸気１１５０によって、オイルサンド層１５００の所定領域１９００のビチェーメン２５００の流動性を高める。次いで、流動性の高まった地中のビチェーメン２５００を温水１２５０とともに、回収配管１２００にて回収する。なお、ビチェーメン２５００を含む温水（ビチェーメン混合流体）１２５０には、重金属や砂などが含まれている。
【００５１】
なお、ＣＣＳ法では次のようにしてビチェーメンの回収を行う。まず、ある期間、井戸に水蒸気を圧入し、水蒸気の圧入を止め井戸を閉める。次に、水蒸気の熱がオイルサンド層１５００に伝わり、ビチェーメン２５００が流動化するのをしばらくの間待つ。その後、井戸を開けて、井戸に流れ込んでくるビチェーメン混合流体１２５０をポンプで汲み上げる。
【００５２】
次に、このビチェーメン混合流体１２５０は、通常、図４に示すような処理装置（ビチェーメン生産プラント）３０００によって処理される。生産井３１００（回収配管１２００）から汲み上げられたビチェーメン混合流体１２５０は、セパレータ３２００に送られて、ガス・油・水の三相に分離される。ここで、セパレータ３２００によって分離された水には、まだ油が含有している含油水であり、ここから、油や砂などが分離されて、リサイクル水を製造する。
【００５３】
具体的には、セパレータ３２００からの含油水は、重力分離方式の油水分離ユニット３３００に送られる。油水分離ユニット３３００は、オイルセパレータ３３１０、凝集槽３３２０、沈殿槽３３３０、砂濾過槽３３４０、活性炭吸着槽３３５０を含んでおり、含油水は、この順に進んで処理されていく。凝集槽３３２０の前には凝集剤が添加され、沈殿槽３３３０での汚泥は、汚泥槽３４１０に送られ、脱水助剤を添加されて脱水機３４２０で脱水される。脱水機３４２０でのスラッジは、焼却炉３４５０で焼却され、脱水機３４２０の再処理水は、再び凝集槽３３２０に導入される。活性炭吸着槽３３５０からの処理水は、処理水貯蔵槽３５００に送られ、海水を利用している場合には処理海水（海水でない場合は、処理淡水）が追加で加えられる。処理水貯蔵槽３５００の処理水は、水攻圧入ポンプ３５５０によって、水攻圧入井３６００（水蒸気注入井、または、スチーム導入配管１１００）に送られる。
【００５４】
図４に示した処理装置（ビチェーメン生産プラント）３０００では、上述のような処理工程によって水のリサイクルをしているが、重力分離方式の油水分離ユニット３３００においては主に重力分離によって水処理を行っているので、比較的粒径の大きな油分は除去できるが、粒径の小さな油分やエマルジョン化した油分は分離できない。また、油水分離に必要な機器および工程数が多く煩雑であり、設備費が高くつくとともに、運転管理も難しい。
【００５５】
一方、上述した特許文献１に開示された手法では、ビチェーメン混合流体から分離された加温含油水をポリテトラフルオロエチレン製の精密ろ過膜で処理することにより、多段にわたる煩雑な工程や特殊な設備の問題を緩和しているものの、ろ過膜の膜内部に油が侵入するために汚れが進行するために目詰まりを起し、それゆえに、透過流量が低下するという問題がある。加えて、膜表面にろ過された汚れが堆積して透過流量が低下する問題も生じる。
【００５６】
本願発明者は、そのような中、重力分離方式でもろ過方式でもない新たな手法の開発に挑み、膜蒸留による油水分離によって、ビチェーメン混合流体から分離された含油水から再生水を製造する方法を想到し、本発明に至った。以下、図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態を説明する。本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事項は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書及び図面によって開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。加えて、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。
【００５７】
図５を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。図５は、本発明の実施形態に係る油水分離システム１００を含むビチェーメン生産システム２００について説明する。本実施形態のビチェーメン生産システム２００は、オイルサンドからビチェーメンを生産するシステムであり、本実施形態のビチェーメン生産システム２００では、オイルサンドからビチェーメンを流出させる際に使用した水を再生させることができる。
【００５８】
本実施形態のビチェーメン生産システム２００は、オイルサンド（２０００）を含むオイルサンド層１５００にスチーム（１１５０）を導入する導入配管８９ａ（１１００）と、スチーム（１１５０）によってオイルサンド層１５００から、ビチェーメンを含むビチェーメン混合流体８１を回収する回収配管８９ｂ（１２００）とを備えている。ビチェーメン生産システム２００は、さらに、回収配管１２００に接続され、ビチェーメン混合流体８１から、ビチェーメン８２を分離する分離装置（セパレータ）８０を備えている。本実施形態の分離装置（セパレータ）８０は、３相分離のオイルセパレータであり、ベーパー（炭化水素、水分、若干の硫化水素）、ビチェーメン８２、及び、生産水（含油水）８３の３相に分離される。
【００５９】
また、本実施形態のビチェーメン生産システム２００は、ビチェーメン混合流体８１からビチェーメン８２を分離した含油水８３（８４）を、多孔質膜から構成された蒸留膜部材１０を用いて膜蒸留する膜蒸留装置１００を備えている。さらに説明すると、本実施形態の膜蒸留装置１００は、多孔質膜を用いて含油水８３を膜蒸留することによって、含油水８３から油を取り除いて処理水（蒸留水）を生産することができる。本実施形態の膜蒸留とは、多孔質膜（例えば、疎水性多孔質膜）を通して、水を蒸発させることにより、成分分離（例えば、油水分離）させることをいい、具体的には、透過側を減圧状態に保つことで多孔質膜を介して供給液（含有水）を蒸発させる方法である。
【００６０】
なお、本実施形態の構成では、分離装置９０は、冷却器８７を介して膜蒸留装置１００に接続されている。冷却器８７は、分離装置９０から排出された含油水８３を冷却して、例えば１００℃未満（一例では、９０℃程度、または、５０℃以上または６０℃以上の所定の温度）にする。冷却器８７を通過した含油水８４は、１０００〜３０００ｍｇ／リットル程度の油（油成分）を含有しており、膜蒸留装置１００に導入される。
【００６１】
本実施形態の膜蒸留装置１００では、含油水８４を循環させる循環配管（循環経路）８５が設けられており、膜蒸留されなかった含油水８４を再度、膜蒸留装置１００に戻すことができる。膜蒸留装置１００で膜蒸留されて得られた処理水８６は、処理水タンク８８に送られることになる。膜蒸留装置１００で膜蒸留された処理水８６では、油分濃度は１０ｍｇ／リットル以下に低下することができる。したがって、含油水８４の油分濃度を、１００分の１〜３００分の１に低下させることができる。
【００６２】
図６は、本実施形態の膜蒸留装置１００の一例の構成を模式的に示す断面図である。図６に示した膜蒸留装置１００は、多孔質膜２０から構成された蒸留膜部材１０を備えている。膜蒸留装置１００は、ハウジング１２を有しており、このハウジング１２内に蒸留膜部材１０が設けられている。本実施例のハウジング１２は、金属（例えば、ステンレスなど）、樹脂（例えば、ポリカーボネート、フッ素樹脂、エポキシ樹脂など、特に耐熱性が１００℃以上あるものが好ましい）などから構成されている。蒸留膜部材１０は、多孔質膜２０のみから形成されたものでもよいし、複数枚の多孔質膜２０がマトリックス状に配列された構造のものであってもよく、膜蒸留を実行できる構造であれば特に限定はされない。
【００６３】
本実施形態の構成では、ハウジング１２は、下部ハウジング１２Ａと上部ハウジング１２Ｂとの部材から構成されており、いずれのハウジング１２A及び１２Bにも、蒸留膜部材１０（多孔質膜２０）が収納されている。ハウジング１２は、下部ハウジング１２Ａと上部ハウジング１２Ｂの何れか一方（例えば、下部ハウジング１２Ａ）で構成してもよく、上下の両方に蒸留膜部材１０を設けなくてもよい。一方の蒸留膜部材１０を含むハウジング１２の場合には、例えば、一方のハウジング１２Ａに多孔質膜２０を配置し、他方のハウジング１２Ｂは、板状（平板状など）の部材を用いることができる。なお、両方に蒸留膜部材１０を設けた場合には、単位面積あたりにおける膜蒸留の面積を二倍にすることができる。
【００６４】
また、図６に示した構成では、平面型のハウジング１２内に平面状の蒸留膜部材１０を配置しているが、ここでの平面状の蒸留膜部材１０は、幾何学的な意味での平面・水平面でなくてもよく、湾曲していても、多孔質膜２０の重さによって撓みが生じていても構わない。また、蒸留膜部材１０の構成によっては、多孔質膜２０の膜蒸留の表面積を増やす上で、多孔質膜２０を複数回屈曲させて（例えば、鋸歯状にまたは波打ち状にさせて）配置させることも可能である。
【００６５】
さらには、ハウジング１２は、平面型のものに限らず、管状（例えば、円筒状）のものを採用することができる。この場合、図６に示したハウジング１２は、円筒形状（または、楕円型、長円型、矩形型または多角形の管構造）を有しており、そして、下部ハウジング１２Ａと上部ハウジング１２Ｂは連続して形成された構造となっている。その場合、蒸留膜部材１０（多孔質膜２０）は、円環状にしてハウジング１２内に配置することができる。例えば、１枚の多孔質膜２０の端部と端部とをつなぎ合わせて管状にすることができる。また、一枚の多孔質膜２０を例えば半円状（または、円弧状）に湾曲させて、それをつなぎ合わせて管状にすることが可能である。なお、多孔質膜２０をつなぎ合わせるのは、周状方向でつないで管状にするものの他、長さを伸ばすために長さ方向（例えば、矢印５１から５２に延びる方向）につなぎ合わせても良い。
【００６６】
本実施形態の構成では、膜蒸留装置１００には含油水の流動経路（含油水存在領域）１５が形成されている。そして、膜蒸留装置１００の一部（流動経路１５の一端）から含油水５１が導入されて、膜蒸留装置１００の内部（流動経路１５）で含油水５０が多孔質膜２０を通過して蒸発することによって、膜蒸留が行われる（矢印３０ａ→３０ｂ）。蒸発した蒸気は、矢印５５に示すように配管（例えば、減圧配管）１６を通じて移動する。含油水５０のうち、多孔質膜２０を通過しなかったものは含油水５２として膜蒸留装置１００の一部（流動経路１５の他端）から排出される。
【００６７】
本実施形態のおける蒸留膜部材１０を構成する多孔質膜２０は、例えば、多孔質ポリテトラフルオロエチレンのフィルムである。図７は、多孔質ポリテトラフルオロエチレンのフィルム（多孔質膜）２０の構成を模式的に示している。多孔質ポリテトラフルオロエチレンのフィルムの一例としては、テミッシュ（商品名；日東電工株式会社製）を挙げることができる。図７に示した多孔質ポリテトラフルオロエチレンのフィルム２０には、フィルムの一面２０ａから他面２０ｂに通じる微細孔２０ｃ（例えば、孔径０．１μｍ〜１０μｍ程度）が形成されている。このフィルム（多孔質膜）２０は、水滴３５（例えば、寸法１００μｍ〜３０００μｍ）の透過を遮断する一方で、水蒸気３０（例えば、直径０．０００４μｍ）を通過させる機能を有している（矢印３０ａから３０ｂ）。
【００６８】
図６に示した膜蒸留装置１００では、多孔質膜２０から構成された蒸留膜部材１０と、多孔質膜２０の表面２０ａに接触するように配置された含油水貯留部位２２とから構成されている。含油水貯留部位２２においては、含油水５０は、矢印５１から５２の流れに沿って移動してもよく、含油水貯留部位２２にて含油水５０が停止する必要はない。本実施形態の構成では、蒸留膜部材１０を構成する多孔質膜２０は、フィルム固定部材１４によって保持されており、フィルム固定部材１４の固定位置によって、含油水貯留部位２２が形成されている。
【００６９】
また、本実施形態の膜蒸留装置１００では、多孔質膜２０を通過して生成された蒸気（水蒸気）３０ｂが排出される蒸気排出部位２４が形成されている。この構成例では、蒸気排出部位２４は、減圧装置（不図示）に接続された減圧配管１６に連結されており、蒸気排出部位２４の中の圧力は負圧（減圧状態）になっている。また、図示した構成では、フィルム固定部材１４による多孔質膜２０の固定位置によって、蒸気排出部位２４が形成されている。なお、多孔質膜２０を通過して蒸発した蒸気（水蒸気）は、矢印５５に示すように配管１６を通って移動し、その後、凝縮されて処理水（蒸留水）となる。
【００７０】
図６に示した膜蒸留装置１００における多孔質膜２０としては、上述した多孔質ポリテトラフルオロエチレン（多孔質ＰＴＦＥ）の他、他の多孔質フィルムを使用することができ、例えば、ＰＶＤＦ膜（ポリフッ化ビニリデン膜）などのフッ化樹脂フィルム（フッ化樹脂シート）、ＰＥ膜（ポリエチレン膜）、ＰＰ膜（ポリプロピレン）、アクリロニトリル膜、酢酸セルロース膜などを用いることができる。耐熱性および／または耐久性の観点からは、多孔質ポリテトラフルオロエチレン（多孔質ＰＴＦＥ）が優れているが、耐熱処理を施したり、適切な表面加工や材料組成変更を行ったり、蒸留膜部材１０の構造を工夫したりすることにより、多孔質ＰＴＦＥ以外の材料を使用することも可能である。
【００７１】
本実施形態の多孔質膜２０は、疎水性の材料（例えば、ポリテトラフルオロエチレン）から構成されていることが好ましい。これは、例えば図７に示すように、多孔質膜２０の表面２０ａが疎水性であると、含油水（５０）の水滴３５は多孔質膜２０で撥水（撥液）されるからである。その結果、多孔質膜２０の他面２０ｂ側が減圧状態であっても、水滴３５は多孔質膜２０を透過せずに、含有水（５０）の水蒸気３０（３０ａ）が選択的に（すなわち、専ら水蒸気が）多孔質膜２０を通過して、蒸発が実行される。つまり、膜蒸留が良好に実行される。
【００７２】
また、多孔質膜２０が疎水性材料でない場合や、疎水性（撥水性）を向上させたい場合には、多孔質膜２０のうちの含油水５０に接する側の面（あるいは、両面）に疎水性処理（または、撥水性処理）を施すことができる。本実施形態において多孔質膜２０として多孔質ＰＴＦＥを用いた場合でも、その表面に撥水性処理を行うことができる。
【００７３】
さらに、本実施形態の多孔質膜２０では、含油水（５０）の水（３５）を多孔質膜２０で透過させてろ過するわけではないので、親水処理が施されていない多孔質膜を用いることができる。なお、疎水性材料でない多孔質膜２０を工夫して用いて膜蒸留を行うことを排除するものではないが、多孔質膜２０に親水処理を施して、膜蒸留の効率または分離能力を低下させなくてもよい。
【００７４】
本実施形態の多孔質膜２０は、０．０１μｍ以上１０μｍ以下の平均孔径を有している。平均孔径は、例えば、バブルポイント法（ＪＩＳ  Ｋ３８３２）によって求めることができる。なお、多孔質膜２０の孔径は、必要とされる水蒸気の透過量などを基準に適宜好適なものを選択することができる。また、多孔質膜２０の厚さは、特に限定されるものではないが、例えば０．００５ｍｍ〜０．５ｍｍである。この多孔質膜２０の厚さも、使用する条件に応じて適宜適切なものを選択することができる。なお、多孔質膜２０は一枚で使用するだけでなく、同一種類のフィルムを重ねて積層したり、複数種類のフィルムを積層して使用しても構わない。加えて、多孔質膜２０の寸法は、蒸留膜部材１０または膜蒸留装置１００において適宜好適なものを選択することができる。一例としては、比較的小さい寸法で、縦０．１ｍ〜１ｍ、横０．１ｍ〜１ｍであり（面積０．０１〜１ｍ2）、比較的大きい寸法で、縦１ｍ〜１０ｍ、横１ｍ〜３ｍ（面積１〜３０ｍ2）である。
【００７５】
本実施形態の膜蒸留装置１００では、図５に示した構成における冷却器８７である程度冷却されているとはいえ、５０℃以上（例えば、６０℃以上、典型的には９０℃程度）の含油水８４が導入される。含油水８４が低い温度（例えば、１０℃〜２５℃）と比較して、含油水８４の温度が高い場合、それだけ水蒸気の発生量が多く、膜蒸留を行うのに適している。すなわち、本実施形態のビチェーメン生産システム２００では、加温された含油水（言い換えると、室温以上の含油水）８４を膜蒸留するので、エネルギー効率が良い。
【００７６】
なお、膜蒸留の効率を考えると含油水の温度が高温である方が、蒸留効率が向上するため、冷却器８７で冷却せずに膜蒸留装置（油水分離ユニット）１００へ含油水を送ってもよい。冷却するとしても、蒸留効率を考えると含油水の温度は６０℃以上にしておくことが好ましい。また、含油水８４の温度は高い方が水蒸気発生の点では好ましいが、多孔質膜２０の材料耐性温度（または、材料の分解温度）を考慮して、膜蒸留装置１００への導入温度を決めることが望ましい。多孔質膜２０が多孔質ＰＴＦＥからなる場合、含油水の温度が２００℃まではプラント動作上、好適に使用することができる。
【００７７】
また、図５に示した構成においては、膜蒸留装置１００は含有水８４を循環させる循環配管８５が設けられている。したがって、図６に示した例における含有水５０の排出分（矢印５２）は、循環配管８５を通って再び、流入分（矢印５１）として膜蒸留の処理に供することができる。なお、循環配管８５を用いずに（または、循環配管８５とともに）、膜蒸留装置１００を複数（２個以上または３個以上）連結させて、含油水８４（５０）の膜蒸留を多段的に実行することができる。
【００７８】
さらに、図５に示した構成では、膜蒸留装置１００の多孔質膜２０で蒸発した水蒸気は、膜蒸留装置１００内で凝縮されて処理水（蒸留水）となるか、膜蒸留装置１００の外で凝縮されて処理水（蒸留水）となって、処理水タンク８８で貯留される。処理水タンク８８の処理水は、他の水（淡水または海水）と一緒にされて、オイルサンド層１５００にスチームを導入する導入配管８９ａ（１１００）のための水として使用される。あるいは、ビチェーメン生産システム２００（または、石油プラント）の所定の工程における処理水として使用される。
【００７９】
本実施形態の膜蒸留装置１００（または、ビチェーメン生産システム２００）においては、地中（１０００）から回収したビチェーメン混合流体８１からビチェーメン８２を取り出した含油水８４（８３）を、多孔質膜２０から構成された蒸留膜部材１０を用いて膜蒸留する。ここで、多孔質膜を用いたろ過による油水分離方法では、含油水が多孔質膜を通過するので、多孔質膜の目詰まりが生じ、その結果、ろ過による分離効率の低下および多孔質膜の洗浄工程および洗浄に伴うスループットの低下がもたらされる。一方、本実施形態の手法では、多孔質膜２０を用いて膜蒸留を行うため、多孔質膜を用いたろ過の方法と比較して、目詰まりの頻度を低くすることができる。
【００８０】
本実施形態の膜蒸留装置１００においては、不純物（砂など）が多孔質膜２０の表面（２０ａ）に位置することがあるが、不純物（砂など）の粒子の大きさに比べて、水蒸気が通過する細孔は小さいために、ろ過の場合と比較して、その不純物の存在による影響を緩和することができる。また、図６に示した膜蒸留装置１００の例では、含油水５０は流動しているので（矢印５１から矢印５２へ）、そのような不純物は多孔質膜２０の表面（２０ａ）にずっと滞留せずに、上流から下流へと移動していくものが多い。
【００８１】
また、多孔質膜を用いたろ過による油水分離方法では、ＰＴＦＥ製のろ過膜に通水性を確保するための親水性処理が必要となるが、本実施形態の手法では、膜蒸留を行うために、疎水性の性質を活かすことができ、親水性処理を行わなくてもよい。また、当該親水性処理によってＰＴＦＥ膜の耐熱性が低下する可能性があるが、本実施形態の手法では、そのような問題を回避することができる。
【００８２】
加えて、図４に示したような油と水の比重差を利用した重力分離の方法では、油水分離に必要な機器および工程数が多く煩雑であり、設備費が高く運転管理も難しいという欠点がある。一方、本実施形態の手法では、そのような必要な機器を減らすことができるとともに、工程数を減らすことができ、さらに、それに伴って発生していた設備費を減らすことができ、運転管理も、専ら膜蒸留の管理になるので簡便化される。また、重力分離の方法と比較して、油水分離の効率を向上させることができる。その結果、処理水中の油の量が低下することにより、熱交換器やボイラ内の配管で有機物系のスケールが析出し、その結果、熱応力起源の腐食割れが起きる可能性が生じることを回避することができる。さらに、脱塩工程においてエバポレータを適用する場合、エバポレータ内での有機物によるスケールトラブルが発生することを回避することができる。
【００８３】
本実施形態の多孔質膜２０としてのＰＴＦＥ多孔質膜は、次のようにして製造することができる。まず、ＰＴＦＥファインパウダーに液状潤滑剤を配合し、丸棒状または平板状に押出した後、圧延を行い、次いで、液状潤滑剤を除去し、その後に、延伸を行う。このようにしてＰＴＦＥ多孔質膜を得ることができる。液状潤滑剤は、ソルベントナフサ、ホワイトオイルなどの石油系溶剤、ウンデカンなどの炭化水素油を使用することができる。
【００８４】
本実施形態の構成において、油の侵入による多孔質膜２０の目詰まりを防ぐためには多孔質膜２０（ＰＴＦＥ多孔質膜）に撥液処理を施す方が望ましい。具体的には、撥液処理は、表面張力の小さな物質を樹脂多孔質膜に塗布して乾燥した後、キュアすることにより行うことができる。溶液をはじく撥液処理に用いる撥液剤（撥水剤）は、樹脂多孔質膜の表面張力よりも低い表面張力を有する被膜を形成することができるものであればよい。そのような撥液剤は、例えば、パーフルオロアルキル基を有する高分子を含む撥液剤が好適である。撥液剤の塗布は、含浸、スプレー等で行うことができる。例えば、パーフルオロアルキル基を有する高分子を含む撥液被膜の形成方法を挙げると次の通りである。すなわち、パーフルオロアルキル基を有する高分子の溶液もしくはディスパージョンのコーティング法として、エアースプレー法、静電スプレー法、ディップコート法、スピンコート法、（キスコート法やグラビアコート法などの）ロールコート法、カーテンフローコート法、含浸法などが挙げられ、当該コーティング法の他のものとしては、電着塗装法、プラズマ重合法による被膜形成方法を挙げることができる。しかし、所望の被膜（撥液層）を形成することができるのであれば、その方法は特に限定されない。また十分な防水性を確保するという観点から、多孔質膜２０の平均孔径は、０．０１μｍ以上１０μm以下であることが望ましい。また、多孔質膜２０の通気度は、ガーレー値にて０．１〜３００秒／１００ｃｍ3であることが好ましい。
【００８５】
次に、図８を参照しながら、本発明の実施例について説明する。なお、本実施例は、本発明を詳細に説明するものであり、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【００８６】
図８は、本願発明者が実験を行った膜蒸留装置１１０である。図８に示した膜蒸留装置１１０は、含油水５０が保留される含油水保留タンク４０と、多孔質膜２０が収納されたハウジング４３とから構成されている。含油水保留タンク４０は、含有水５０を導入する導入移管４１ａを介してハウジング４３に接続されている。
【００８７】
ハウジング４３および含油水保留タンク４０は、ウォーターバス４５の内部に配置されており、ウォーターバス４５には、温水（例えば、５０℃または６０℃以上の水）４５ａが入れられており、ハウジング４３および含油水保留タンク４０内の含油水５０の温度を一定になるようにしている。また、ハウジング４３には、含油水５０を含油水保留タンク４０に戻す還流配管４１ｂが設けられている。なお、還流配管４１ｂの経路には、含油水５０を循環させる循環ポンプ（不図示）が配置されている。
【００８８】
ハウジング４３内には、多孔質膜２０が配置されており、含油水５０は、多孔質膜２０の第１面（ここでは、上面）２０ａの上にある含油水通過部位４２を流れる。含油水通過部位４２を流れる含油水５０は、多孔質膜２０を介して膜蒸留され（矢印３０ａ、３０ｂ）、多孔質膜２０の第２面（ここでは、下面）２０ｂからは蒸気（水蒸気）４６が出てくる。ハウジング４３における多孔質膜２０の第２面２０ｂ側には、蒸気収容部位４４が位置しており、この蒸気収容部位４４に蒸気４６が集められる。
【００８９】
蒸気収容部位４４には、蒸気移動配管４７ａが接続されており、この蒸気移動配管４７ａ内を蒸気４６は移動していく。蒸気移動配管４７ａは、コネクタ４７ｃを介して、トラップ器具４９の蒸気収容配管４７ｂに接続されている。トラップ器具４９は、蒸気収容配管４７ｂの周囲を囲むトラップ部材４９ａと、トラップ部材４９ａの一部（上部）に接続された減圧配管４９ｄとを備えている。トラップ部材４９ａの周囲には、内部に冷却媒体（例えば、液体窒素）４９ｃを保持可能な筒状部材４９ｂが設けられている。また、減圧配管４９ｄは、減圧装置（真空ポンプ）に接続されている。そして、蒸気収容部位４４に集められた蒸気４６は、圧力差によって移動し、ハウジング４３から蒸気移動配管４７ａおよび蒸気収容配管４７ｂを通って、トラップ器具４９にて冷却されて凝縮し、トラップ部材４９ａの下に液体（蒸留水）として貯まることになる。
【００９０】
図８に示したような膜蒸留装置１１０において、含油水５０は次のようなものを使用した。すなわち、含油水５０は、帝石トッピング・プラント株式会社製のC重油を１０００ｍｇ／リットル、界面活性剤である花王株式会社（製）のエマルゲンＡ９０を５０００ｍｇ／リットルイオン交換水に添加し、株式会社シンキー製のあわとり練太郎ＡＲＥ３１０を使用して２０００ｒｐｍで６分間撹拌したものを使用した。図８に示した構成例では、ウォーターバス４５を使用して、含油水５０が６０℃程度になるまで加温し、加温した含油水５０を多孔質膜２０の表面２０ａを通るように５分間循環させた後、１５分間減圧し、多孔質膜２０による膜蒸留を行った。
【００９１】
ここで、実施例１としての多孔質膜２０は、膜面積が約６０ｃｍ2、厚さが０．２ｍｍの未撥液処理ＰＴＦＥ多孔質膜を使用した。また、実施例２としての多孔質膜２０は、膜面積が約６０ｃｍ2、厚さが０．２ｍｍの撥液処理ＰＴＦＥ多孔質膜を使用した。
【００９２】
このようにして得られた実施例１、２の蒸留水の量は、実施例１が１０．０ｇで、実施例２が１０．７ｇであった。そして、得られた蒸留水をクロロホルムによって液−液抽出を行い、有機物量を秤量した。また、得られた有機物に対してＨ−ＮＭＲ測定を行い、有機物の成分分析を行った。その結果、実施例１、２ともに約１０ｐｐｍの有機物が得られた。さらに、Ｈ−ＮＭＲ測定の結果、有機物の主成分は、Ｃ重油由来と考えられる長鎖脂肪族成分（クロロホルムブランク由来成分も含む）であった。長鎖脂肪族成分にはクロロホルムブランク由来成分も含んでいるため、含油量は１０ｐｐｍ以下になることが結論付けられた。
【００９３】
以上のように、本実施例の結果によれば、多孔質膜２０による膜蒸留によって、油の成分を１０ｐｐｍ以下にする油水分離方法を提供することができることが確認された。また、本発明の実施形態の構成および分離方法は、オイルサンドからビチェーメンを生産する油層内回収法で生じる油水を分離する方法の他、図８に示した構成のように、ビチェーメン生産時の含油水以外のものにも、広く適用することができる。すなわち、本発明の実施形態の構成および分離方法は、油分成分および水を含有する含油水の処理方法として使用することができ、具体的には、油分成分および水を含有する含油水５０を、多孔質膜２０から構成された蒸留膜部材１０を用いて膜蒸留することによって実行される。さらに説明すると、ビチェーメン生産時の含油水に限らず、石油の生産時に発生する含有水の処理に使用することができるとともに、工場からでる工業排含油水処理、食品工場から排出される排含油水処理などにおいても使用することができる。
【００９４】
図９は、本発明の実施形態に係る膜蒸留装置１００の一例を示す斜視図である。図９に示した膜蒸留装置１００は平面型の構成を有しており、略直方体のハウジング（筐体）６０の内部に、蒸留膜部材１０（多孔質膜２０）がセットされている。図９に示した例では、多孔質膜２０から構成された蒸留膜部材１０を導入するための開口部を塞ぐ蓋部材６５がハウジング６０に設けられている。この蓋部材６５には、含油水を導入する導入配管６１、および、含油水を排出する排出配管（還流配管）６２が取り付けられている。
【００９５】
また、ハウジング６０の一部（ここでは、ハウジング下部部材）には、減圧配管１６が取り付けられている。減圧配管１６に減圧装置（不図示）を繋いで、ハウジング６０の内部に位置する多孔質膜２０の一方側を減圧状態にすることで、移動する含油水（５０）の膜蒸留を行うことができる。また、減圧配管１６からは蒸気５５が吐出される。なお、図９に示した例では、ハウジング６０の上部部材と下部部材とは締結部材（例えば、ネジ、ビス）６７によって互いに固定されているが、膜蒸留ができるハウジング６０の構築できれば、構成部材または締結部材などは特に制限されない。
【００９６】
さらに、図５に示した構成においては、図９に示したような膜蒸留装置１００として大型の装置を１つ（又は２〜３個）作製し、当該膜蒸留装置１００で大面積の膜蒸留を実行してもよい。あるいは、中小型の膜蒸留装置１００を多数連結して膜蒸留を実行しても構わない。大型の膜蒸留装置１００は、例えば、１ｍ2〜３０ｍ2（またはそれ以上）の膜蒸留の面積を有する。また、中小型の膜蒸留装置１００は、例えば、０．０１ｍ2〜１ｍ2（またはそれ以上）の膜蒸留の面積を有する。なお、図９に示した膜蒸留装置１００を、図６に示した構造のように、複数枚（上下式）の多孔質膜２０を用いて膜蒸留する装置に改変してもよい。
【００９７】
図１０は、本実施形態の膜蒸留装置１００の配管構成の一例を示す模式図である。図１０に示した膜蒸留装置１００では、蒸留膜部材１０（１０Ａ、１０Ｂ）は、複数設けられており、そして、第１蒸留膜部材１０Ａと第２蒸留膜部材１０Ｂとは互いに並列になるように配置されている。また、第１蒸留膜部材１０Ａおよび第２蒸留膜部材１０Ｂのそれぞれの上流および下流に弁６９が設けられている。この構成により、膜蒸留装置１００において、第１蒸留膜部材１０Ａおよび第２蒸留膜部材１０Ｂのいずれか一方で膜蒸留を行いながら、他方のものの定期メンテナンスや、洗浄、修理、部材交換などを実行することが可能となる。
【００９８】
本実施形態における膜蒸留の場合、ろ過方式のものと比較して目詰まりの頻度は少ないが、プラントの動作においては定期メンテナンスなどで検査、修理などをすることがある。したがって、図１０に示したような構成にて、いずれか一方の蒸留膜部材１０を用いて膜蒸留を実行しながら、他方のものの動作を停止することができる技術的なメリットは大きい。なお、図１０に示した構成では、２つの蒸留膜部材１０（１０Ａ、１０Ｂ）を使用しているが、３つ又はそれ以上の蒸留膜部材１０を並列に配置することも可能である。
【００９９】
また、図１０に示した構成では、還流配管（循環配管）８５の一部に循環ポンプ６８が設けられている。この循環ポンプ６８によって、還流配管８５内を含油水（５０）が循環して、そして、蒸留膜部材１０（１０Ａ、１０Ｂ）を用いた膜蒸留によって含油水（５０）は蒸発する。含油水（５０）からの蒸気５５は、配管１６を通って、凝縮ユニット７０に移動する。また、減圧装置（減圧ポンプ）７５が凝縮ユニット７０に接続されており、減圧装置７５によって、蒸留膜部材１０（１０Ａ、１０Ｂ）の片側の減圧状態を作ることができる。なお、蒸留膜部材１０は、上述したように、含油水５０を保持および通過させることができるハウジングの中に収納されている。
【０１００】
次に、図１１を参照しながら、本実施形態の凝縮ユニット７０の一例について説明する。図１１に示した凝縮ユニット７０は、蒸気（水蒸気）５５を凝縮する凝縮器７１を備えている。
【０１０１】
この例における凝縮ユニット７０は、複数の凝縮器７１（７１Ａ、７１Ｂ）を備えており、このように凝縮器７１を複数直列して設けることにより、一つの凝縮器７１Ａで凝縮させることができなかった場合に、次の凝縮器７１Ｂで凝縮させることができるので、凝縮の効率を向上させることができる。なお、図１１では、凝縮ユニット７０に２つの凝縮器７１（７１Ａ、７１Ｂ）を設けているが、３つ以上の凝縮器７１を設けることも可能である。また、凝縮効率の低下を考慮しなければ、あるいは、高性能の凝縮器７１を用いることにより、１つの凝縮器７１によって凝縮ユニット７０を構築することも可能である。
【０１０２】
図１１に示した構成では、凝縮器７１には、冷却媒体７６が移動する冷却配管７２（７２Ａ、７２Ｂ）が配置されている。冷却媒体７６は、冷却水、冷媒（例えば、アンモニア、フロン類、ハロゲン化炭化水素、イソブタンなど）を用いることができ、蒸気（水蒸気）を凝縮することができるのであれば、冷却媒体７６の種類は特に限定されるものではない。冷却媒体７６として液体窒素を用いるとさらに効率を向上させることができる。
【０１０３】
また、本実施形態の冷却配管７２は、蒸気５５との接触面積を増やすために屈曲および／または分岐して延びている。冷却配管７２はらせん状にすることも可能である。矢印７６ａに示すように冷却配管７２の一端から供給された冷却媒体７６は、冷却配管７２を移動して冷却しながら（それによって蒸気を凝縮させながら）、矢印７６ｂに示すように冷却配管７２の他端から排出される。
【０１０４】
図示した構成では、配管７３ａから凝縮器７１Ａに導入された蒸気５５は、冷却配管７２Ａで凝縮されて蒸留水となり、それが処理水８６となって排出される。凝縮器７１Ａは、連結配管７３ｂによって凝縮器７１Ｂに連結されているので、凝縮器７１Ａで凝縮しなかった蒸気は、凝縮器７１Ｂに導入される。次いで、凝縮器７１Ｂに導入された蒸気５５は、冷却配管７２Ｂで凝縮されて蒸留水となり、それが処理水８６となって排出される。得られた処理水８６は集められて、後工程の水として使用することができる。
【０１０５】
凝縮器７１Ｂ（７１）には減圧配管７４が接続されており、減圧配管７４は、減圧装置（ポンプ）７５に連結されている。減圧装置７５は、例えば、油回転真空ポンプ、液封真空ポンプなどを挙げることができるが、膜蒸留を行うことができる減圧状態が実現できるのであれば特に限定されるものではない。
【０１０６】
図１２は、水封式ポンプ９５を使用した場合の凝縮ユニット９０（７０）の構成を模式的に示した図である。水封式ポンプ９５は、水環真空ポンプとも称され、真空に引きながら、水分を回収することができる。本実施形態の凝縮ユニット９０は、１〜３段のスチームエゼクタ（９１、９２）と、サーフェイス式のインターコンデンサ９３と、水環（水封式）ポンプ９５とから構成されている。
【０１０７】
図１２に示した凝縮ユニット９０では、導入された蒸気（水蒸気）５５は、分岐管９１ａに移動し、分岐管９１ａから第１段スチームエゼクタ９１に導入され、駆動ガス９６ａとなる。第１段スチームエゼクタ９１では、吸入ガス９９ａも導入される。また、分岐管９１ａからの蒸気は、第２段スチームエゼクタ９２にも導入され、駆動ガス９６ｂとなる。エジェクタ（９１、９２）は、ポンプなどの機械的運動によらずに、駆動ガス（９６ａ、９６ｂ）から直接真空（減圧）を作ることができる装置であり、簡単な構造で運動部分がないために、機械的真空ポンプとは比較して優れた耐久性・信頼性を有している。なお、二段スチームエゼクタの他、三段またはそれ以上のスチームエゼクタにしてもよいし、一段のスチームエゼクタにしても構わない。
【０１０８】
インターコンデンサ９３には、冷却水９３ａが導入され、その冷却水で間接冷却を行って蒸気を凝縮させることができ、その後、冷却水９３ｂとなって排出される。また、水環（水封式）ポンプ９５には、補充水９３ｃを導入することができる。インターコンデンサ９３で凝縮された水は、矢印９７ａに示すように、インターコンデンサ９３に接続された配管９４ａ内に移動して、次いで、配管９４ｂ内を矢印９７ｂに示すように移動する。その後は、消音セパレータ９８内に、矢印９７ｃに示すように移動して、次いで、処理水８６として排出される。得られた処理水８６は集められて、後工程の水として使用することができる。
【０１０９】
なお、図１２に示した構造のものに限らず、他の構造のものを採用することも可能である。例えば、スチームエゼクタ（９１、９２）を用いずに、膜蒸留によって生成した蒸気（水蒸気）５５をインターコンデンサ９３に導入して、そこで凝縮させるような構成のものを採用してもよい。
【０１１０】
さらに、本実施形態の膜蒸留装置１００は、図１３または図１４に改変することも可能である。図１０に示した構成では、蒸留膜部材１０Ａと蒸留膜部材１０Ｂとを並列に配列した。一方、図１３に示した構成では、蒸留膜部材１０ａ及び１０ｂを直列に接続し、さらに、蒸留膜部材１０ｃと１０ｄとを直列に接続し、そして、それらの組み合わせを並列に接続している。また、図１４に示した構成では、蒸留膜部材１０ａ及び１０ｂを並列に接続し、さらに、蒸留膜部材１０ｃと１０ｄとを並列に接続し、そして、それらの組み合わせを並列に接続している。加えて、さらに種々の組み合わせを実現することができ、蒸留膜部材１０の数・配列は、適宜好適なものを採用することができる。なお、各蒸留膜部材１０の上流及び下流には、図１０に示した弁６９を設けることができる。また、還流配管（循環配管）８５には、循環ポンプ６８を配置することができる。
【０１１１】
また、上述した実施形態では、図６、図８、図９に示したような蒸留膜部材１０および膜蒸留装置１００（５０）の構成を示したが、膜蒸留を適切に実行することができるのであれば、それらの構成に限定されず、種々の改変が可能である。例えば、多孔質膜２０を半分折にして、その間にメッシュ状部材を挟み、それを複数枚並べて、蒸留膜部材１０とする。その蒸留膜部材１０におけるメッシュ状部材に含油水（５０）を流して、膜蒸留を行うようにしてもよい。さらに、多孔質膜２０とメッシュ状部材と積層して巻いたスパイラル型の蒸留膜部材１０を作製し、その蒸留膜部材１０のメッシュ状部材に含油水（５０）を流して、膜蒸留を行うこともできる。
【０１１２】
加えて、図８に示したような膜蒸留装置１１０においては、加温装置（温度調整装置）として、ウォーターバス４５を用いたが、他にも、オイルバス、投げ込みヒーター、マントルヒーターなどを使用することも可能である。また、配管４１ａ及び／又は４１ｂに、バンドヒータを巻いて温度を制御することもできる。なお、本実施形態の膜蒸留装置１００、ビチェーメン生産システム２００が、砂漠地域のような日照時間が長いところに設置される場合には、太陽熱エネルギー、太陽光エネルギーを用いて、含油水５０の加温を行うことが可能である。
【０１１３】
以上、本発明を好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、勿論、種々の改変が可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１１４】
本発明によれば、目詰まりの頻度を低くすることができる油水分離方法、含油水の処理方法、ビチェーメンの生産方法およびそれらのシステムを提供することができる。
【符号の説明】
【０１１５】
１０   蒸留膜部材
１２   ハウジング
１４   フィルム固定部材
１５   流動経路
１６   減圧配管
２０   多孔質膜（多孔質フィルム）
２０ｃ 微細孔
２２   含油水貯留部位
２４   蒸気排出部位
３０   水蒸気
３５   水滴
４０   含油水保留タンク
４１ａ 導入移管
４１ｂ 還流配管
４２   含油水通過部位
４３   ハウジング
４４   蒸気収容部位
４５   ウォーターバス
４６   蒸気
４７ａ 蒸気移動配管
４７ｂ 蒸気収容配管
４７ｃ コネクタ
４９   トラップ器具
４９ａ トラップ部材
４９ｂ 筒状部材
４９ｄ 減圧配管
５０   含油水
５５   蒸気
６０   ハウジング
６１   導入配管
６５   蓋部材
６８   循環ポンプ
６９   弁
７０   凝縮ユニット
７１   凝縮器
７２   冷却配管
７３ｂ 連結配管
７４   減圧配管
７５   減圧装置
７６   冷却媒体
８０   分離装置
８１   ビチェーメン混合流体
８２   ビチェーメン
８３、８４  含油水
８５   循環配管（還流配管）
８６   処理水
８７   冷却器
８８   処理水タンク
８９ａ 導入配管
８９ｂ 回収配管
９０   凝縮ユニット
９１   第１段スチームエゼクタ
９１ａ 分岐管
９２   第２段スチームエゼクタ
９３   インターコンデンサ
９５   水封式ポンプ
９８   消音セパレータ
１００ 膜蒸留装置（油水分離システム）
１１０ 膜蒸留装置
２００ ビチェーメン生産システム
１０００      地中
１１００      スチーム導入配管
１１５０      スチーム
１２００      回収配管
１２５０      ビチェーメン混合流体
１５００      オイルサンド層
２０００      オイルサンド
２５００      ビチェーメン
【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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