(57)【要約】【課題】本発明では、加圧型であり且つクロスフロー方式の膜分離装置で生じたエネルギーを無駄にすることなく活用し、発電処理に利用することで膜分離装置の運転コストを低減するとともに、十分な分離流体の量を得ることができる流体膜分離発電システムを提供することを目的とする。【解決手段】本発明は、加圧した供給流体を、クロスフロー方式分離膜エレメントを用いて透過流体と濃縮流体に分離した後、少なくとも高温流体と低温流体を使用する温度差発電装置において、前記濃縮流体を高温流体として用いて発電することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加圧した供給流体を、クロスフロー方式分離膜エレメントを用いて透過流体と濃縮流体に分離した後、少なくとも高温流体と低温流体を使用する温度差発電装置において、前記濃縮流体を高温流体として用いて発電することを特徴とする流体膜分離発電システム。
【請求項２】
低温流体として、クロスフロー方式分離膜エレメントに供給する前の供給流体を用いることを特徴とする請求項１記載の流体膜分離発電システム。
【請求項３】
高温流体と低温流体の温度差が２０℃以上になるように濃縮流体を加熱することを特徴とする請求項１または２記載の流体膜分離発電システム。
【請求項４】
濃縮流体の加熱が太陽エネルギーを用いたものである請求項３記載の流体膜分離発電システム。
【請求項５】
供給流体が海水または、海水を分離処理した水である請求項１または２記載の流体膜分離発電システム。
【請求項６】
供給流体を１ＭＰａ以上１０ＭＰａ以下の圧力で加圧する請求項１または２記載の流体膜分離発電システム。
【請求項７】
加圧ポンプと、加圧ポンプを経由した流体を分離するクロスフロー方式分離膜エレメントと、分離膜から分離された濃縮流体を導入する温度差発電装置を備えた流体膜分離発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、精密濾過膜（ＭＦ膜）、限外濾過膜（ＵＦ膜）、ナノ濾過膜（ＮＦ膜）、逆浸透膜（ＲＯ膜）などを用いたクロスフロー方式の分離膜エレメントを用いて、供給流体を透過流体と濃縮流体に分離するとともに、温度差発電装置を用いて発電する流体膜分離発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
流体分離を行なう場合の膜分離とは、膜の有する孔の形状や大きさ、及び膜の持つ物理的化学的特性、処理対象物質の形状と大きさ、物理的化学的特性、ならびに圧力差など駆動力に関する３つの要素の組み合わせによって行われる分離法である。水処理の対象となる膜分離はその分離対象物質の種類やサイズによって精密濾過膜（ＭＦ膜）、限外濾過膜（ＵＦ膜）、ナノ濾過膜（ＮＦ膜）、逆浸透膜（ＲＯ膜）などに分類される。これらの分離膜は、超純水の製造、かん水または海水の脱塩や、排水処理などに好適に用いられる。さらには、染色排水、電着塗料排水や下水などから有害成分を分離し、除去・回収することや、食品用途における有効成分の濃縮などの高度処理に用いることができる。
【０００３】
例えば、海水の脱塩、つまり海水淡水化処理では一般に、ポリアミド系分離機能層を設けた複合逆浸透膜が用いられる。この複合逆浸透膜は、スパイラル型エレメントとして圧力容器内に装填してクロスフロー方式の膜分離装置として提供される。さらに、このような海水淡水化膜分離システムにおいては、濃縮水に残留した圧力を回収装置により回収し、ポンプの駆動に利用する試みが行なわれてきた。（特許文献１参照）。
【０００４】
温度差発電については、海洋表層における高温の温海水と海洋深層における低温の冷海水との温度差を利用した温度差発電装置が知られている。このような温度差発電装置は、蒸発器、凝縮器、タービン、発電機、ポンプなどから構成され、これらの構成機器はパイプで連結されている。クローズドサイクルシステムの場合、この装置内に封入されたアンモニア等の作動流体が、液体の状態で蒸発器に送られ、温海水などの高温流体の温度で加熱され、蒸気となる。この蒸気がタービンと発電機を回転させて発電した後、凝縮器で冷海水などの低温流体によって冷却され再び液体になる。この繰り返しによって発電する方法である（特許文献２参照）。
【０００５】
また、温度差発電装置を用いた海水淡水化について、オープンサイクルシステムにおいて、高温流体から得られた蒸気を凝縮する造水方法が提案されている（特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−１６７３５８号公報
【特許文献２】特開平０７−０９１３６１号公報
【特許文献３】国際公開第２００７／０２０７０７号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前記のような従来の膜分離装置においては、例えば、海水淡水化における逆浸透膜法での膜分離時には海水の浸透圧以上、つまり５〜７ＭＰａ程度の加圧が必要となるため、この加圧に必要とされるエネルギーが海水淡水化膜分離装置における運転コストの大部分を占め、造水コストを押し上げる要因となっている。これに対しては前記のように残留圧力を回収する方法などで効率化が検討されているが、原理上限界があるため、十分なものとは言えず、また、世界的な水需要の高まりとともに、さらなる効率化、造水コストの低減が求められている。また、温度差発電システムにおいても、前記のように海水淡水化が検討されているものの、いわゆる蒸発法を用いるものであり、発電システム内で十分な造水量を確保することは困難であった。
【０００８】
本発明では、加圧型の膜分離装置で生じたエネルギーを無駄にすることなく活用し、発電処理に利用することで膜分離装置の運転コストを低減するとともに、十分な分離流体の量も確保できるシステム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】
【０００９】
本発明は、加圧した供給流体を、クロスフロー方式分離膜エレメントを用いて透過流体と濃縮流体に分離した後、少なくとも高温流体と低温流体を供給する温度差発電装置において、前記濃縮流体を高温流体として供給して発電することを特徴とする流体膜分離発電システムに関する。
【００１０】
前記低温流体は、分離膜エレメントに供給する前の供給流体を用いることが好ましく、前記高温流体と前記低温流体の温度差は２０℃以上になるように前記濃縮流体を加熱することが好ましい。さらに、前記濃縮流体を加熱する場合には太陽エネルギーを用いたものであることが好ましい。
【００１１】
前記供給流体としては海水または、海水を分離処理した水であることが好ましく、さらには、前記供給流体が１ＭＰａ以上１０ＭＰａ以下の圧力で加圧されていることが好ましい。
【００１２】
また本発明は、加圧ポンプと、加圧ポンプを経由した流体を分離するクロスフロー方式分離膜エレメントと、分離膜から分離された濃縮流体を導入する温度差発電装置を備えた流体膜分離発電システムに関する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明を実施する構成の一例を示すブロック線図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明は、加圧した供給流体を、クロスフロー方式の分離膜エレメントを用いて透過流体と濃縮流体に分離した後、少なくとも高温流体と低温流体を用いる温度差発電装置において、前記濃縮流体を高温流体として供給することを特徴とする流体膜分離発電システムである。
【００１５】
本発明で用いる供給流体としては、クロスフロー方式の分離膜エレメントにおいて透過流体と濃縮流体に分離できるものであれば制限されるものではなく、超純水の製造、かん水または海水の脱塩や、排水処理、さらには、染色排水、電着塗料排水や下水などから有害成分を分離する方法、食品用途における有効成分の濃縮など、公知の方法に用いることができるが、工業排水や生活排水、農業用水、海水など、一定の量を継続的に処理する流体であることが好ましい。中でも海水淡水化のための海水や、この海水や前記排水を、砂濾過処理、沈殿処理および／または膜分離処理などにより前処理した水を好ましく用いることができる。
【００１６】
前記供給流体は加圧して分離膜エレメントに供給される。この加圧の方法としては、公知の加圧ポンプを用いる機械的手段を用いることができ、このときに加えられる圧力は供給流体と分離膜の性能に応じて適宜決定すればよいが、一般に１ＭＰａ以上１０ＭＰａ以下であることが好ましく、１．５ＭＰａ〜８ＭＰａがより好ましい。
【００１７】
前記分離膜エレメントは一般に、供給流体の加圧に耐えうる圧力容器に装填して用いられるか、圧力容器一体型のエレメントに加工されて用いられる。本発明では、加圧型でクロスフロー方式を用いる分離膜エレメントであれば、限定されるものではないが、一例として、海水淡水化処理などに用いられる、スパイラル型のポリアミド系複合分離膜エレメントについて説明する。
【００１８】
スパイラル型の分離膜エレメントは、特開２０００−１６７３５８の図２や図３（ａ）
に示されるように、分離膜と供給側流路材と透過側流路材とが積層された状態で中心管（集水管）の周囲にスパイラル状に巻回され、端部材や外装材などで固定される。このとき、必要に応じて分離膜の各辺は接着され、供給流体と透過流体が混合しない構造になっている。
【００１９】
ポリアミド系複合分離膜としては、多孔性支持体上にポリアミド系重合物からなる分離機能層を設けたものが挙げられる。
【００２０】
前記多孔性支持体としては、分離機能層を形成しうるものであれば特に限定されず、不織布や織布等の基材上にポリスルホンからなる微多孔層を設けたものが好ましく用いられる。他には、ポリイミドやポリフッ化ビニリデン、エポキシ等の多孔性膜を単独で用いることもできる。このとき、多孔性支持体の分離機能層を設ける表面の平均孔径は０．０１μｍ以上１μｍ以下程度であり、多孔性支持体の厚さとしては、１０〜１５０μｍ程度である。
【００２１】
前記ポリアミド系の分離機能層としては、公知の方法を用いることができるが、例えば、多孔性支持体上に多官能アミン成分を含む水溶液被覆層を形成し、そこに多官能酸ハライド成分を含む溶液を接触させることで前記ポリアミド系分離機能層を形成することができる。接触時間としては、通常５秒〜５分であり、余分な溶液を除去した後、接触により生じた界面で縮重合させる。さらに１５℃〜３５℃の空気中で約１〜１０分間乾燥させ、乾燥後に脱イオン水で膜面を洗浄することが好ましい。
【００２２】
前記多官能アミン成分としては、芳香族、脂肪族、または脂環式の多官能アミンがあげられる。またこれらの多官能アミン成分は単独で用いてもよく、混合物としてもよい。前記多官能酸ハライド成分としては、芳香族、脂肪族、または脂環式の多官能酸ハロゲン化物を用いることができる。これらの多官能酸ハライド成分においても単独で用いてもよいが、混合物として用いてもよい。
【００２３】
温度差発電装置としては、分離膜エレメントから供給される濃縮流体を高温流体として用いるとともに、別に供給される低温流体を用いて、これらの温度差を原理として発電する装置であれば限定されるものではないが、作動流体を封入された状態で気化と液化を繰り返すクローズドサイクルシステムを例として説明する。
【００２４】
分離膜エレメントから排出され、温度差発電装置に供給される濃縮流体は、適宜必要に応じて加熱され、温度差発電装置に高温流体として送られる。このときの濃縮流体の加熱温度は、作動流体の気化温度や封入圧力に応じて適宜決定されるが、１５℃以上１２０℃以下であり、１５℃以上５０℃以下で動作する温度差発電装置が好ましい。
【００２５】
濃縮流体を加熱する方法は特に限定されるものではなく、適宜周辺環境や装置設計に応じて火力、電熱線、太陽熱などを用いることができるが、エネルギー効率の観点からは、太陽光や太陽熱などの太陽エネルギーを用いて加熱する方法が好ましい。加熱方法としては、供給流体や濃縮流体の配管として金属などの熱伝導率の高い物質を用いるとともに、その部位に適切な公知の加熱を行えば良い。他には、前記配管として透明配管を用いるとともに、太陽光との対称位置に凹面鏡を設置して流体を加熱することや、透明配管内の太陽光との対称位置に当たる片面を鏡面とすることで太陽エネルギーを流体に集めて加熱することも好ましく用いられる。また加熱位置としては、加圧ポンプからの熱転移を考慮すると、加圧後の供給流体に対して行うことが好ましい。さらには、膜分離前、膜分離後、分離膜エレメント内、のいずれでも良く、これらを複数位置で組み合わせても良いが、膜分離前および／または、膜分離後に加熱することが好ましい。膜分離前に加熱すると、常温よりも高温の流体を分離膜エレメントに供給した場合に分離膜の透過性能を向上させられることがわかっているため、分離膜の透過性能を向上することができる。さらに、一定の温度で分離膜エレメントに供給することができるため、膜分離性能を一定に制御しやすくなる。また、膜分離後に加熱した場合には、加熱のエネルギーを無駄にすることなく、高温流体として用いる濃縮流体のみを効率的に加熱することができる。したがって、加圧された供給流体に対して、膜分離前に４０℃以下程度の予備加熱を行い、膜分離後に必要水準までの加熱を行うことが好ましい。
【００２６】
温度差発電装置に供給される低温流体は、凍結しておらず、流動に不具合のない流体であるとともに、できる限り低温のものが好ましいこと以外は特に限定されるものではなく、４℃以上２０℃以下の流体を用いることが好ましい。例えば、分離膜への供給流体、河川水、海水、海洋深層水や、アルコールなどの分離対象流体以外の流体、を用いることができるが、特に、膜分離と発電におけるシステム効率の観点からは分離膜への供給流体の一部を用いることが好ましく、より好ましくは、加圧前の供給流体である。
【００２７】
低温流体と高温流体の温度差は、作動流体にアンモニアを用いた、カリーナサイクルやウエハラサイクルなどの高効率の装置を用いる場合、２０℃以上あることが好ましく、２５℃以上であることが好ましい。温度差は高ければ高い方が良いが、エネルギー効率の観点からの温度差としては９０℃以下、好ましくは５０℃以下である。
【００２８】
供給流体は加圧のためにポンプを経由する際、熱エネルギーの転移により供給流体の温度が２〜３℃上昇する。これは上記ウエハラサイクルで必要とする動作温度差が２５℃程度であるため、この熱エネルギーは１０％程度にも相当するものであり、このエネルギーを余すことなく利用できる。
【００２９】
温度差発電装置としては、オープンサイクルシステムやクローズドサイクルシステム、これらのハイブリットサイクルシステムがあるが、適切な方法を用いることができる。これらは共通して、蒸発器、凝縮器、タービン、発電機、ポンプなどから構成され、これらの構成機器はパイプで連結される。例えば海面表層水を高温流体とし、海洋深層水を低温流体とするクローズドサイクルシステムの場合、この装置内に封入されたアンモニア等の作動流体が、液体の状態で蒸発器に送られ、蒸発器内で海面表層水の温度で加熱され蒸気となり、この蒸気がタービンと発電機を回転させて発電した後、海洋深層水の温度となっている凝縮器によって冷却され再び液体になる。この繰り返しによって発電することができる。
【００３０】
蒸発器および凝縮器としては、高温流体および低温流体と作動流体が混合せず、熱交換が適切に行なうことができ、さらに前記流体により腐食しないものであれば特に限定されるものではなく用いることができる。なお、蒸発器内においては、気化しやすくするために、大気圧よりも減圧することが好ましい。また、蒸発器および凝縮器大きさおよび形状については熱交換効率を考慮して適宜設計することが好ましい。タービンおよび発電機としても、作動流体蒸気により腐食しないものであれば、適宜市販のものを用いることができる。
【００３１】
作動流体としては、アンモニア、フロン化合物、炭化水素化合物、水や、これらの混合物が挙げられるが、動作効率の観点から、アンモニアと水の混合物であり、アンモニアを７０〜９５重量％用いた物質を特に好ましく用いることができる。
【００３２】
構成機器を連結するパイプとしては、特に限定されるものではなく、金属や樹脂パイプなどを用いることができるが、特に断熱効果が高いものを好ましく用いることができる。必要に応じて、適宜断熱材を用いることが効率を高める上で好ましい。
【００３３】
他に、温度差発電装置単独のシステムにおいては高温流体および低温流体を流動させるためのポンプがそれぞれ必要であるが、本発明によれば、膜分離処理の流体圧力を利用できるため、温度差発電装置における作動流体を流動させるポンプ以外の流動ポンプ、つまり、高温流体用と、低温流体に供給流体を用いた場合には低温流体用の、いずれのポンプも省略して動作させることができるため、省エネルギー効果が高い。
【００３４】
温度差発電装置での発電に利用した後の高温流体および低温流体は、特に限定されるものではないが、そのエネルギーや流体自体が膜分離システムに戻されて循環されることが好ましい。高温流体は、前記圧力エネルギー回収装置を用いて、圧力エネルギーを回収、再利用することが好ましい。圧力エネルギー回収装置としては例えば、Energy Recovery社のＰＸシリーズなどが挙げられる。また、さらにこの高温流体が高温であることを有効利用するために、各種蒸発法により淡水化する方法も組み合わせて好ましく用いることができる。低温流体は、分離膜エレメントへの供給流体として戻すことが好ましいが、さらに、前記圧力エネルギー回収装置への供給流体として供給し、圧力エネルギーを付加して分離膜エレメントに供給する方法が好ましく用いられる。
【００３５】
前記圧力エネルギー回収装置を用いる場合、この回収装置までの配管や装置などは高圧の流体圧力に耐えうる耐圧仕様の構成とする必要がある。そのため、耐圧構成が最小限度で済むように、加圧した供給流体を供給する分離膜の直後に前記圧力エネルギー回収装置を設け、これ以降の流体を適度に減圧することが好ましい。このときの減圧後の圧力は、特に限定されるものではないが、好ましくは０．１〜２ＭＰａ程度である。
【実施例】
【００３６】
以下に、本発明における流体膜分離発電システムの具体例を図１に基づいて示すが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００３７】
図１は海水淡水化逆浸透膜システムの後に温度差発電システムを設けた本発明の流体膜分離発電システムの一例である。これについて順を追って説明する。
【００３８】
（海水淡水化逆浸透膜システム）
まず、取水ポンプ１から原海水（原水）１０１を取水し、砂濾過装置２、限外濾過膜（ＵＦ膜）前処理装置３を経てＵＦ膜ろ過水槽５に貯留する。この際、微生物の繁殖抑制や殺菌の目的で薬剤注入装置４から次亜塩素酸ナトリウム約１ｐｐｍを添加した。その後、ＵＦ膜ろ過水槽５に貯留された水は供給ポンプ６により約０．５ＭＰａの圧力で送水する。その際、薬剤注入装置４で注入した次亜塩素酸ナトリウムによりＲＯ膜が化学劣化することを抑制するため、薬剤注入装置７から還元剤である重亜硫酸ナトリウム３ｐｐｍを添加し、さらに難溶性塩類（スケール）の発生を抑制するために薬剤注入装置８からスケール防止剤（ナルコ社製  パーマトリートＰＣ１９１）を３ｐｐｍ注入した。この時点で２０℃の供給水を、高圧ポンプ９により約５．５ＭＰａに加圧し、水温２３℃の状態で、ポリアミド系分離膜のスパイラル型エレメントを耐圧容器内に収容した逆浸透膜（ＲＯ膜）分離装置１０に導入して、透過水１０３と濃縮水１０４に分離した。
【００３９】
この濃縮水１０４は、直後に圧力エネルギー回収装置２１により圧力を回収し、高圧ポンプ９の手前から取水した供給水に圧力エネルギーを転移して、高圧ポンプ９の後のＲＯ膜供給水１０２と混合する。一方、圧力エネルギー回収装置２１により減圧された濃縮水１０４は、黒色の屋外配管で構成された太陽熱加熱装置１１で加熱し、３０℃となった濃縮水を、さらに加熱器（電気ボイラ）１２で加熱して５０℃とした。なお、電気ボイラ１２の加熱程度は加熱装置１１の加温状態と連動して５０℃まで昇温させる構成とした。この加熱した濃縮水を、温度差発電システムで用いる高温流体１０５として蒸発器１３に供給した。
【００４０】
（温度差発電システム）
温度差発電システムにおいては、作動流体１０７としてアンモニア９０重量％と純水１０重量％の混合物を用いた。蒸発器１３において高温流体１０５と作動流体１０７で熱交換を行い、気液分離器１５において作動流体蒸気と作動流体液体に分離した。この作動流体蒸気はタービン１６に送られ、発電機１７を回転させて発電を行い、この電力を高圧ポンプ９の動力として用いた。その後、タービン１６より排出された作動流体蒸気は凝縮器１４に送られ、低温流体１０６と熱交換を行って液体となり、貯留タンク１９に入る。低温流体１０６は、供給ポンプ６の後、薬剤注入装置７および８の前の水を用いており、凝縮器１４で使用された後の低温流体１０６は、ＵＦ膜ろ過水槽５に戻される。一方、作動流体液体は貯留タンク１８に一旦貯められ、凝縮器１４に送られた後、貯留タンク１９に貯留された。この貯留タンク１９に貯留された作動流体はポンプ２０を用いて蒸発器１３に送られ、この操作を繰り返すことで発電を行う。
【００４１】
上記のとおり本発明は、流体膜分離と温度差発電を用いた流体膜分離発電システムを提供する。このシステムでは膜分離における流体分離の性能に影響を与えることなく、これまで無駄に消費されてきた流体膜分離の流体にかかる圧力および熱エネルギーを無駄なく消費することができる。例えば、膜分離のための加圧により流体に加えられた２〜３℃のエネルギーは、高効率温度差発電装置を駆動することができる２０〜３０℃の温度差に対して約１０％のエネルギーであるため、少なくとも同程度の省エネルギーを実現することができる。また、流体膜分離に不可欠な流体の流動圧力を用いることで、温度差発電装置の駆動に不可欠な、高温流体および低温流体を流動させるポンプを用いることなく発電機能を動作させることができる。
【符号の説明】
【００４２】
１      取水ポンプ
２      砂濾過装置
３      限外濾過膜（ＵＦ膜）前処理装置
４，７，８  薬剤注入装置
５      ＵＦ膜ろ過水槽
６      供給ポンプ
９      高圧ポンプ
１０    逆浸透膜（ＲＯ膜）濾過装置
１１    太陽熱加熱装置
１２    加熱器（電気ボイラ）
１３    蒸発器
１４    凝縮器
１５    気液分離器
１６    タービン
１７    発電機
１８，１９  貯留タンク
２０    作動流体ポンプ
２１    圧力エネルギー回収装置
１０１    原水
１０２    ＲＯ膜供給水
１０３    透過水
１０４    濃縮水
１０５    高温流体
１０６    低温流体
１０７    作動流体
【図１】
2013146642.tif 000003