(57)【要約】【課題】  逆浸透膜モジュールを用いて海水やかん水などの塩水から淡水を得る塩水淡水化装置において、原水の温度や塩濃度によらず一定の処理水量を確保する造水方法を提供すること。【解決手段】塩水を昇圧する供給ポンプ１、昇圧された塩水を逆浸透膜によって淡水と濃縮水とに分離する１段目逆浸透膜モジュール２、１段目逆浸透膜モジュール２で得られた淡水を逆浸透膜によって処理水である淡水と濃縮水とに分離する２段目逆浸透膜モジュール３、及び２段目逆浸透膜モジュール３をバイパスして１段目逆浸透膜モジュール２で得られた淡水をそのまま処理水として取り出すためのバイパスラインを備えた塩水淡水化装置を用いた造水方法であって、塩水の温度及び塩濃度に応じてバイパスラインの使用是非の判断を行うことを特徴とする造水方法。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
塩水を昇圧する供給ポンプ、昇圧された塩水を逆浸透膜によって淡水と濃縮水とに分離する１段目逆浸透膜モジュール、１段目逆浸透膜モジュールで得られた淡水を逆浸透膜によって処理水である淡水と濃縮水とに分離する２段目逆浸透膜モジュール、及び２段目逆浸透膜モジュールをバイパスして１段目逆浸透膜モジュールで得られた淡水をそのまま処理水として取り出すためのバイパスラインを備えた塩水淡水化装置を用いた造水方法であって、塩水の温度及び塩濃度に応じてバイパスラインの使用是非の判断を行うことを特徴とする造水方法。
【請求項２】
塩水の温度をＴ［℃］、塩水の塩濃度をＣ［ｍｇ／Ｌ］としたときに、不等式Ｃ＜１５Ｔ２−２０００Ｔ＋７２８００が成り立つ場合にバイパスラインを使用する請求項１に記載の造水方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、逆浸透膜モジュールを用いて塩水から淡水を得る塩水淡水化装置を用いた造水方法に関するものであって、詳しくは、塩水の温度と塩濃度に応じて最適な運転方法を決定する塩水淡水化装置を用いた造水方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
逆浸透膜法による海水淡水化及びかん水淡水化は、相変化無しに塩分や有害物質を分離除去でき、運転管理が容易でエネルギー的に有利であることから、飲料用或いは工業用の淡水を取得する分野で利用されている。逆浸透膜の透過性、分離性の低下を防ぐために、通常、海水やかん水を逆浸透膜に供給する前に、砂ろ過、凝集沈殿、加圧浮上、精密ろ過膜と限外ろ過膜のろ過などの方法を用いて前処理を行っている。
【０００３】
逆浸透膜の透過原理から、海水またはかん水など、ある程度の塩分を含んだ供給水が逆浸透膜を透過するには、高圧ポンプなどを用いて供給水の圧力を浸透圧以上にする必要がある。浸透圧は塩分濃度と関係するが、例えば海水を逆浸透膜で分離する場合、最低３MPa程度以上、実用性を考慮すると少なくとも５MPa程度以上の圧力が必要となる。かん水の場合でも最低１MPa程度以上の圧力が必要となる。
【０００４】
また、処理水の水質の関係から、１段の逆浸透膜モジュールのみで必要な処理水水質が得られない場合、１段目逆浸透膜モジュールの処理水を２段目逆浸透膜モジュールに供給して処理を行う２段処理を行うことがある。２段処理を行うことにより、１段の逆浸透膜モジュールのみでは得られなかった良好な処理水水質を得ることができる。一方で、２段処理を行う上でのデメリットとして、トータル回収率の低下が挙げられる。回収率とは、処理水量／供給水量の比を示し、１に近いほど同量の供給水から得られる処理水量が多いことを示す。トータル回収率とは、２段の逆浸透膜モジュールを備えた塩水淡水化装置における、２段目処理水量／１段目供給水量の比を示す。一般的なTDS(総溶存塩濃度)が35000mg/Lの海水を処理する場合、１段目逆浸透膜モジュールの回収率は３０％〜６０％程度であり、２段目逆浸透膜モジュールの回収率は７０％〜９０％程度とすることが多い。つまり、１段処理では３０％〜６０％程度の回収率で処理水を生産できていたが、２段処理とすることよってトータル回収率が２１％〜５４％に低下する。
【０００５】
供給水が、あらかじめ塩濃度が明確となっている水であれば、その供給水塩濃度にあわせて装置を設計することによって、必要な処理水水質、水量を得ることができるが、災害対策用などの様々な原水を供給水として使用しなければならない装置においては、供給水塩濃度が設計時から明らかになっておらず、１段処理で処理可能な低塩濃度の水を２段処理してしまうと、無駄に処理水量を減らすことになってしまう。
【０００６】
この問題を解決するため、様々な提案がなされている。特許文献１では原水が海水の場合は２段処理を行い、かん水の場合は１段処理できるよう２段目逆浸透膜モジュールをバイパスするラインを設けることを提案している。また、特許文献２では、原水が海水の場合は２段処理を行い、かん水の場合は２段目逆浸透膜モジュールに直接１段目供給水を供給することによって、即ち、２段目逆浸透膜モジュールを１段目逆浸透膜モジュールとして使用することを提案している。いずれの場合も、供給水がかん水の場合に処理水量を増加させる効果を得ることができる。しかしながら原水が海水の場合は２段処理が前提となっており、トータル回収率は低くならざるを得ない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−２６３５４２号公報
【特許文献２】特許３９５７０８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
一方で、逆浸透膜モジュールによる２段処理においては、低水温時の水の粘度上昇による処理水量の低下の問題があることが分かった。同じ塩濃度の海水であっても水温が低下すると粘度上昇により逆浸透膜の透水性能が低下し、同量の処理水を得るためにはより高圧で供給水を供給しなければならなかった。例えば、２段目逆浸透膜モジュールの供給ラインにポンプを設置せず、１段目逆浸透膜モジュールの処理水ラインを２段目逆浸透膜モジュールの供給ラインに直結し、１段目逆浸透膜モジュール供給ラインのポンプによって２段目逆浸透膜モジュールまで連続して供給しようとすると、一般的な塩濃度35000mg/Lの海水の場合、水温がおよそ１５℃を下回ると、一般的な逆浸透膜の設計圧力である８．４MPaを上回る圧力が必要となってしまうことが分かった。その場合、設計圧力を上回る圧力で運転することは通常認められないことから、トータル回収率を下げるなどの対策を採り、処理水量を減らした運転をせざるを得ない。即ち低水温時に定格水量が得られないという問題があった。
【０００９】
本発明の目的は、逆浸透膜モジュールを用いて海水やかん水などの塩水から淡水を得る塩水淡水化装置において、原水の温度や塩濃度によらず一定の処理水量を確保する造水方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記課題を解決するための本発明は、次の特徴を有するものである。
（１）塩水を昇圧する供給ポンプ、昇圧された塩水を逆浸透膜によって淡水と濃縮水とに分離する１段目逆浸透膜モジュール、１段目逆浸透膜モジュールで得られた淡水を逆浸透膜によって処理水である淡水と濃縮水とに分離する２段目逆浸透膜モジュール、及び２段目逆浸透膜モジュールをバイパスして１段目逆浸透膜モジュールで得られた淡水をそのまま処理水として取り出すためのバイパスラインを備えた塩水淡水化装置を用いた造水方法であって、塩水の温度及び塩濃度に応じてバイパスラインの使用是非の判断を行うことを特徴とする造水方法。
（２）塩水の温度をＴ［℃］、塩水の塩濃度をＣ［ｍｇ／Ｌ］としたときに、不等式Ｃ＜１５Ｔ２−２０００Ｔ＋７２８００が成り立つ場合にバイパスラインを使用する（１）に記載の造水方法。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、比較的高温かつ低塩濃度の海水が原水の場合は２段処理を行い、必要な水量、水質とも確保でき、比較的低温かつ高塩濃度の海水が原水の場合は、２段目逆浸透膜モジュールを使用せずにバイパスすることによって、必要な水量、水質とも確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の造水方法に係る塩水の温度と塩濃度を計測可能とした塩水淡水化装置を示すフロー図である。
【図２】１段目逆浸透膜モジュール、及び２段目逆浸透膜モジュールを有する従来の塩水淡水化装置を示すフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の実施形態を説明するために、まず、１段目逆浸透膜モジュール、及び２段目逆浸透膜モジュールを有する従来の塩水淡水化装置を比較例として説明する。
【００１４】
従来の塩水淡水化装置は、図２に示すように、主に、供給ポンプ１、逆浸透膜（ＲＯ膜）からなる１段目逆浸透膜モジュール２、同じく逆浸透膜からなる２段目逆浸透膜モジュール３、２段目逆浸透膜モジュール３への通水とバイパスラインとを切り替えるための２段目逆浸透膜モジュール供給弁４、２段目逆浸透膜モジュールバイパス弁５、２段目逆浸透膜モジュールへの逆流を防止する逆止弁６からなる。
【００１５】
従来の塩水淡水化装置の塩水淡水化のフローは、典型的には次に述べるとおりである。前処理装置から導入された塩水が供給ポンプ１によって加圧され、１段目逆浸透膜モジュール２に供給される。浸透膜モジュール２にて、逆浸透膜法により淡水、及び濃縮水に分離され、淡水は２段目逆浸透膜モジュール３に供給される。２段目逆浸透膜モジュール３にて、逆浸透膜法により淡水、及び濃縮水に分離され、淡水は処理水として取り出される。１段目逆浸透膜モジュール２から排出される濃縮水、及び２段目逆浸透膜モジュール３から排出される濃縮水はいずれも濃縮水として系外に排出される。
【００１６】
従来の塩水淡水化装置を用いた造水方法は、典型的には次に述べるとおりである。前処理装置に導入される塩水が海水の場合、２段目逆浸透膜モジュール３を使用して処理水を得る。即ち、２段目逆浸透膜モジュール供給弁４を開とし、且つ２段目逆浸透膜モジュールバイパス弁５を閉止し、１段目逆浸透膜モジュール２で得られた淡水の全量を２段目逆浸透膜モジュール３に供給し、処理水を得る。前処理に供給される塩水がかん水の場合、２段目逆浸透膜モジュール３をバイパスして処理水を得る。即ち２段目逆浸透膜モジュール供給弁４を閉止し、且つ２段目逆浸透膜モジュールバイパス弁５を開とし、１段目逆浸透膜モジュール２で得られた淡水をそのまま処理水として系外に排出する。
【００１７】
なお、前処理設備から導入された塩水は、通常逆浸透膜モジュール２で処理される前に前処理されることが好ましく、本発明の塩水淡水化装置においても好ましく採用することができる。前処理設備が導入される位置は通常、供給ポンプ１の上流であり、図１においても供給ポンプの上流に前処理設備が導入されている。ここで、前処理設備としては、精密膜ろ過あるいは限外膜ろ過、活性炭ろ過、保安フィルターなどが使用される。また、必要に応じ、殺菌剤、凝集剤、さらに還元剤、ｐH調整剤、スケール防止剤などの薬液添加を行うことができる。
【００１８】
ここで、供給ポンプ１とは、様々な形式があるが、本発明においては目的の圧力と流量を得られるものであれば特に形式を限定するものではなく、例えばプランジャーポンプのようなピストンタイプのポンプ、渦巻ポンプ、遠心ポンプ、多段遠心ポンプなどを適宜目的に応じて用いることができる。
【００１９】
本発明で言う塩水とは、塩分を含む水の総称であり、塩化物イオン濃度が300から15,000mg/l程度の一般的にかん水と呼称する比較的低濃度の塩水や、塩化物イオン濃度が15,000から40,000mg/l程度の一般的に海水と呼称する比較的高濃度の塩水などを指すが、海水とかん水には明確な区分けは無く、比較的低濃度の海水をかん水として扱っても良い。また、塩水には北極圏などの０℃に近い海水から、中東の４０℃を超える海水も対象となる。設置場所が予め決まっている塩水淡水化装置であれば、当該水域の年間最低水温と最高水温を調査し、その最低と最高の温度範囲において必要な処理水量が得られるよう、高圧ポンプの揚程や逆浸透膜モジュールの本数を選定することができるが、災害対策用の塩水淡水化装置などではできるだけ広い温度範囲で必要な処理水量が得られるようにすることが望ましい。
【００２０】
即ち、原水が海水あるいはかん水であるという種類で運転方法を変えるのでなく、塩水の塩濃度と温度で運転方法を変えることが望ましい。即ち、塩濃度と温度にそれぞれしきい値を設けて、そのしきい値を超えた塩水の場合は２段目逆浸透膜モジュールを使用し、しきい値を下回った場合は２段目逆浸透膜モジュールをバイパスする、といった運転方法が採用できる。その場合の塩水の塩濃度測定の手段としては、装置内に組み込んだ電気電導度計の指示値を塩分濃度に換算しても良いし、電気電導度計の指示値そのものにしきい値を設けても良い。また、塩水のサンプリングを行って、ＴＤＳ濃度分析を行っても良いし、塩水中の一部又は複数のイオン濃度分析を行って、しきい値を設定しても良い。温度測定の方法としては、水温を測定できるものであれば制約は無く、熱電対、抵抗温度計、放射温度計、液柱温度計、バイメタル式温度計などを使用することができる。
【００２１】
ここで、本発明に係る１段目逆浸透膜モジュール２および２段目逆浸透膜モジュール３に使用される逆浸透膜とは、供給液の一部の成分、例えば塩分を透過させ他の成分を透過させない半透性膜である。その素材には酢酸セルロース系ポリマー、ポリアミド、ポリエステル、ポリイミド、ビニルポリマーなどの高分子素材が使用できる。膜形態には中空糸膜、平膜などがある。本発明では、逆浸透膜の素材、膜形態によらず利用することができる。
【００２２】
逆浸透膜エレメントとは上記逆浸透膜を実際に使用するための形態化したものであり平膜、スパイラル、チューブラー、プレート・アンド・フレームのエレメントに組み込んで、また中空糸膜は束ねた上でエレメントに組み込んで使用することができるが、本発明ではこれらの逆浸透膜エレメントの形態に左右されるものではない。
【００２３】
逆浸透膜モジュールとは上述の逆浸透膜エレメントの１本〜数本を圧力容器の中に収めたモジュールを並列に配置したもので、その組合せ、本数、配列は目的に応じて任意に行うことができる。
【００２４】
本発明では、図１に示す実施形態（実施例）のように、塩水淡水化装置のフローは比較例（図２）と同一である。但し、図１に示すとおり、供給ポンプ１の上流側に水温を測定する手段である水温計７、及び塩濃度を測定する手段である塩濃度計８を有することが望ましい。水温計、及び／又は塩濃度計は装置内に必ずしも組み込む必要は無く、塩水のサンプリングを行って、水温、及び／又は塩濃度を測定しても良い。また、水温計としては、水温を測定できるものであれば制約は無く、熱電対、抵抗温度計、放射温度計、液柱温度計、バイメタル式温度計などを使用することができる。塩濃度計としては、塩濃度を測定でき、若しくは塩濃度に換算できる物理量を測定できるもの、若しくは塩濃度の代替として使用可能な物理量を測定できるものであれば制約は無く、電気電導度計の指示値を塩分濃度に換算しても良いし、ＴＤＳ濃度分析を実施しても良い。また、塩水中の一部又は複数のイオン濃度分析を行い、その濃度を用いても良い。
【００２５】
本発明の造水方法は、塩水の温度及び塩濃度に応じて２段目逆浸透膜モジュール３を使用するかバイパスするかの判断を行う点に特徴を有する。本発明の造水方法は、この特徴を備えることで、塩濃度のみでバイパスする運転方法に比較し、低温時に処理水量を増加させることが可能となる。
【００２６】
本発明の具体的な実施例を以下に示す。この例では、処理水の塩濃度の目標は、ＴＤＳ濃度で２００ｍｇ／Ｌ以下とする。この時、１段目逆浸透膜モジュール２のみを使用し、２段目逆浸透膜モジュール３をバイパスした運転を行った場合に、処理水塩濃度（ＴＤＳ）が２００ｍｇ／Ｌとなる、塩水の水温と塩濃度の相関は以下の通りであった。
【００２７】
【表１】
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【００２８】
表１より、例えば塩水塩濃度が２５０００ｍｇ／Ｌの場合は、水温３０．７℃以下であれば２段目逆浸透膜モジュール３をバイパスした運転を行っても処理水塩濃度２００ｍｇ／Ｌ以下の処理水を得ることができ、逆に水温が３０．７℃を上回ると、２段目逆浸透膜モジュール３を使用した運転をしないと処理水塩濃度２００ｍｇ／L以下の処理水を得られないことが分かる。
【００２９】
ここで、塩水の温度をＴ［℃］、塩水の塩濃度をＣ［ｍｇ／Ｌ］として表１の結果からＴとＣの関係式を示す近似曲線を求めると、以下の式１が得られる。
【００３０】
Ｃ＝１５Ｔ２−２０００Ｔ＋７２８００    ・・・（式１）
即ち、以下の式２が成り立つ時には、２段目逆浸透膜モジュール３をバイパスした運転を行っても処理水塩濃度２００ｍｇ／Ｌを満足することができ、式２が成り立たない時には、２段目逆浸透膜モジュール３を使用することで処理水塩濃度２００ｍｇ／Ｌを満足することができることが分かる。このように、本発明の造水方法においては、式２を用いて２段目逆浸透膜モジュール３を使用するかバイパスするかの判断を行うことが好ましい。
【００３１】
Ｃ＜１５Ｔ２−２０００Ｔ＋７２８００    ・・・（式２）
（ただし、塩水の温度をＴ［℃］、塩水の塩濃度をＣ［ｍｇ／Ｌ］とする。）
式２を用いて運転方法の判断を行うことにより、海水であっても海水温度が式２を満たす程度に高ければ１段処理のみで処理水質を満足する処理水を得ることが分かることから、トータル回収率を高くすることができ、低温時の処理水量の減少を防止することができる。
【００３２】
なお、実施例では処理水塩濃度は２００ｍｇ／Ｌ以下とすることを前提にしているが、他のプラントに応用する場合は、このしきい値を自由に変更し、適用することができる。また、式２も様々なプラントによって様々な式を取り得ることから、シミュレーションを行って、適用するプラントに合わせた式２を導くことができる。
【００３３】
このように、本発明の造水方法に基づき、塩水の温度及び塩濃度に応じて２段目逆浸透膜モジュール３を使用するかバイパスするかの判断を行うことにより、原水の温度や塩濃度によらず一定の処理水量を確保することができる。
【符号の説明】
【００３４】
１：供給ポンプ
２：１段目逆浸透膜モジュール
３：２段目逆浸透膜モジュール
４：２段目逆浸透膜供給弁
５：２段目逆浸透膜バイパス弁
６：２段目逆浸透膜モジュール淡水出口逆止弁
７：水温計
８：塩濃度計
【図１】
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【図２】
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