(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
多段に配置した逆浸透膜モジュールユニットを用い、前段の逆浸透膜モジュールユニットの濃縮水を昇圧して次段の逆浸透膜モジュールユニットに供給しながら処理する逆浸透分離方法であって、海水または塩分濃度１％以上の高濃度かん水を供給液とし、多段に配置した逆浸透膜モジュールユニットを、最も大きい濃縮水膜面流速を有するモジュールユニットの濃縮水膜面流速（最大濃縮水膜面流速）と、最も小さい濃縮水膜面流速を有するモジュールユニットの濃縮水膜面流速（最小濃縮水膜面流速）とを（１）式の関係にし、ｎ段目の逆浸透膜モジュールユニットの操作圧力Ｐ（ｎ）とｎ＋１段目の逆浸透膜モジュールユニットの操作圧力Ｐ（ｎ＋１）とを（２）式の範囲とし、かつ、１段目の逆浸透膜モジュールユニットの操作圧力を７０ａｔｍ以下、最終段の逆浸透膜モジュールユニットの操作圧力を１２０ａｔｍ以下の範囲に保ち、さらに、各段の逆浸透膜モジュールユニットから得られる透過水の合計量が、１段目の逆浸透膜モジュールユニットの供給水の５０％以上になるように運転することを特徴とする逆浸透膜分離方法。
最大濃縮水膜面流速／最小濃縮水膜面流速≦１．５        （１）
１．１５≦ Ｐ（ｎ＋１）／Ｐ（ｎ） ≦１．８ （２）
【請求項２】
逆浸透膜モジュールユニットの段数を２段または３段にする、請求項１に記載の逆浸膜分離方法。
【請求項３】
前段の逆浸透膜モジュールユニットの濃縮水を１０〜３０ａｔｍの範囲で昇圧して次段の逆浸透膜モジュールユニットに供給する、請求項１または２に記載の逆浸透分離方法。
【請求項４】
各段の逆浸透膜モジュールユニットの操作圧力と濃縮液の浸透圧との差が５０ａｔｍ未満になるように運転する、請求項１〜３のいずれかに記載の逆浸透分離方法。
【請求項５】
最終段の逆浸透膜モジュールユニットの濃縮水の圧力エネルギーを回収する、請求項１〜４のいずれかに記載の逆浸透膜分離方法。
【請求項６】
圧力エネルギーの回収を１段目の逆浸透膜モジュールユニットの供給水昇圧用高圧ポンプに連結したエネルギー回収装置で行う、請求項１〜５のいずれかに記載の逆浸透膜分離方法。
【請求項７】
多段に配置した逆浸透膜モジュールユニットに膜濾過水を供給する、請求項１〜６のいずれかに記載の逆浸透膜分離方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高濃度溶液を逆浸透分離するための新規な高濃度溶液の逆浸透分離方法に関するものである。本発明によって、高濃度溶液から高い収率、少ないエネルギー、費用で低濃度溶液を得ることができ、一方では濃縮液を従来の逆浸透法より一層高い濃度、少ないエネルギー、費用で得ることができる分離方法を提供することができる。本発明の方法は特にかん水の脱塩、海水の淡水化、また排水の処理、有用物の回収に用いることができる。特に高濃度の溶液から低濃度溶液を得る場合や、高濃度溶液をさらに高い濃度に濃縮する場合に効果が大きい。
【０００２】
【従来の技術】
混合物の分離に関して、溶媒（例えば水）に溶解した物質（例えば塩類）を除くための技術には様々なものがあるが、近年、省エネルギーおよび省資源のためのプロセスとして膜分離法が利用されてきている。膜分離法のなかには、精密濾過（ＭＦ；Ｍｉｃｒｏｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ）法、限外濾過（ＵＦ；Ｕｌｔｒａｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ）法、逆浸透（ＲＯ；Ｒｅｖｅｒｓｅ  Ｏｓｍｏｓｉｓ）法がある。さらに近年になって逆浸透と限外濾過の中間に位置する膜分離（ルースＲＯあるいはＮＦ；Ｎａｎｏｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ）という概念の膜分離法も現われ使用されるようになってきた。例えば逆浸透法は海水または低濃度の塩水（かん水）を脱塩して工業用、農業用または家庭用の水を提供することに利用されている。逆浸透法によれば、塩分を含んだ水を浸透圧以上の圧力をもって逆浸透膜を透過させることで、脱塩された水を製造することができる。この技術は例えば海水、かん水、有害物を含んだ水から飲料水を得ることも可能であるし、また、工業用超純水の製造、排水処理、有価物の回収などにも用いられてきた。
【０００３】
特に逆浸透膜による海水淡水化は、蒸発のような相変化がないという特徴を有しており、エネルギー的に有利である上に運転管理が容易であり、広く普及を始めている。
【０００４】
逆浸透膜で溶液を分離する場合は、溶液の溶質濃度によって定まる溶液自身の持つ化学ポテンシャル（これを浸透圧で表わすことができる）以上の圧力で溶液を逆浸透膜面に供給する必要があり、たとえば海水を逆浸透膜モジュールで分離する場合は、最低３０ａｔｍ程度以上、実用性を考慮すると少なくとも５０ａｔｍ程度以上の圧力が必要となり、これ以上の圧力に加圧されないと充分な逆浸透分離性能は発現されない。
【０００５】
逆浸透膜による海水淡水化の場合を例にとると、通常の海水淡水化技術では海水から真水を回収する割合（収率）は高々４０％であり、海水供給量に対して４０％相当量の真水が膜を透過して得られる結果、逆浸透膜モジュールの中で海水濃度が３．５％から６％程度にまで濃縮されることになる。このように海水から収率４０％の真水を得るという逆浸透分離操作を行うためには、濃縮水の濃度に対応する浸透圧（海水濃縮水濃度６％に対しては約４５ａｔｍ）以上の圧力が必要である。真水の水質がいわゆる飲料水レベルに対応でき、かつ充分な水量を得るためには、実際には、濃縮水濃度に対応する浸透圧よりも約２０ａｔｍ（この圧力を有効圧力と呼ぶ）程度高めの圧力を逆浸透膜に加えることが必要であり、海水淡水化用逆浸透膜モジュールは６０から６５ａｔｍ程度の圧力をかけて収率４０％という条件で運転されるのがふつうであった。
【０００６】
海水供給量に対する真水の収率は、直接コストに寄与するものであり、収率は高いほど好ましいが、実際に収率を上げることについては限度があった。すなわち、収率を上げると、非常に高い圧力が必要であるという理由は言うまでもないが、濃縮水中の海水成分の濃度が高くなり、ある収率以上では炭酸カルシウムや硫酸カルシウム、硫酸ストロンチウムなどの塩、いわゆるスケール成分濃度が溶解度以上になって逆浸透膜の膜面に析出して膜の目つまりを生じさせる問題がある。
【０００７】
現在の（最高収率として広く認識されている）収率４０％程度においては、これらのスケール成分の析出の心配は小さく特に対応は不要であるが、それ以上の収率で逆浸透膜の運転操作を行おうとすると、これらのスケール成分の析出防止のために、塩の溶解性を高めるスケール防止剤を添加することが必要となる。しかしながら、スケール防止剤を添加したとしても上記のスケール成分の析出を抑制できるのは濃縮水濃度で１０から１１％程度である。このため、塩水濃度３．５％の海水を淡水化する場合では、物質収支的に収率は６５から６８％程度が限度であり、また原海水の変動異種成分の影響などを考慮すると、逆浸透膜海水淡水化プラントを安定に運転できうる可能性のある実際の収率限度は６０％程度であると認識される。
【０００８】
実用的に海水淡水化を行う場合は、前述のように、濃縮水濃度によって決まる濃縮水浸透圧よりも２０ａｔｍ程度高い圧力を逆浸透膜モジュールに付与する必要がある。海水濃度３．５％の場合の、収率６０％に相当する濃縮水濃度は８．８％であり、この浸透圧は約７０ａｔｍとなる。その結果、逆浸透膜には９０ａｔｍ程度の圧力を付与する必要がある。
【０００９】
逆浸透膜エレメントは、通常複数本の逆浸透膜のエレメントを１本の圧力容器に直列に装填した状態（これをモジュールと称す）で使用され、実際のプラントではこのモジュールを多数本並列に設置して使用される。海水淡水化の収率というのは、プラント全体に供給される全供給海水に対する全透過水量の割合であり、通常の条件では、モジュールが並列に設置されているので、モジュール１本あたりの供給量とモジュール１本から得られる透過水量の割合（モジュール内の各エレメントからの透過水量の合計）と一致する。ここで、モジュール内部の各エレメントから得られる透過水は、例えば１モジュールが逆浸透膜エレメント６本から構成され、１モジュールに１９８ｍ3／日の海水を供給し、合計７８ｍ3／日の真水が得られる場合（収率４０％）は、実際に起こっている現象をシミュレーションしてみると、１本目のエレメントで１８〜１９ｍ3／日、２本目のエレメントで１５〜１７ｍ3／日、３本目からも徐々に減っていき、合計して７８ｍ3／日の透過水となる。このように、各エレメントからの透過水収率は小さいがモジュール全体の透過水の総量としては、供給水に対して４０％と大きな収率が達成されることになる。
【００１０】
一方、逆浸透膜分離装置の運転条件設定について考慮する必要のある事項としては、ファウリング（膜面汚れ）の防止と濃度分極の防止がある。ファウリングの防止は、具体的には１本の逆浸透膜エレメントから得られる透過水量をある値（耐ファウリング許容Ｆｌｕｘ）以上にしないということで、この値を越えて透過水を採取すると、そのエレメントの膜面汚れが加速されることになり好ましくない。この耐ファウリング許容Ｆｌｕｘは膜素材やエレメント構造によっても異なるが、通常、高性能の逆浸透膜の場合では、０．７５ｍ3／ｍ2・日  程度であり、膜面積２６．５ｍ2の逆浸透膜エレメント（以下、全て逆浸透膜エレメントの膜面積は２６．５ｍ2を適用して話を進める）では２０ｍ3／日に相当する。すなわち、ファウリング防止のために、１エレメントの透過水量は２０ｍ3／日以下に保つことが必要である。
【００１１】
ここでいう濃度分極の防止というのは、主にモジュール内部で上流側エレメントから下流側エレメントに向かうに従って供給水の量が低下しており、最終のエレメントに流れる供給水の膜面流速が低下することによる濃度分極の防止である。濃度分極が生じると膜性能を十分に発揮できないばかりでなく、ファウリングの発生を加速し、逆浸透膜エレメントの寿命低下を引き起こす。このため、最終エレメント（膜面積２６．５ｍ2の場合）の濃縮水流量は５０ｍ3／日程度以上に保って置く必要がある。
【００１２】
逆浸透膜海水淡水化装置を従来の最高収率レベルの約４０％で運転する場合は、単にモジュールを複数本並列に配列させて圧力６５ａｔｍ（温度２０℃の場合）で運転し、透過水の全量に対して供給海水量を２．５倍に設定することで、上記のファウリングおよび濃度分極の防止条件は十分に満足されており、安定な運転が行われてきた。また、特にモジュール内部の各エレメントの透過水のバランスや濃縮水のスケール成分析出などを考慮することなどは必要なかった。
【００１３】
また、逆浸透膜海水淡水化装置の淡水化コストの更なるコスト低減をめざしていく場合は、収率を高めることが非常に重要であり、前述のように、海水濃度３．５％の海水淡水化収率としては６０％程度まで高めることが望ましく、適量のスケール防止剤の添加を前提として、運転圧力としては、濃縮水の浸透圧よりも約２０ａｔｍ高い９０ａｔｍの圧力で運転することが必要となる。
【００１４】
一方、スケール防止剤は水処理施設や蒸発法の淡水化装置などを始め逆浸透膜装置においても使用されているがその目的は主にシリカ、金属塩類などのスケール物質の装置内での析出を抑制することであり、特にシリカスケール成分の多い水を処理する際に用いられてきた。
【００１５】
例えば、特開昭５３−３０４８２号公報にはあらかじめ供給液をキレート樹脂に接触させてカルシウムやマグネシウムなどを低減した後逆浸透処理を行なうことで逆浸透膜の寿命が延びることが、特開昭５２−１５１６７０号公報、特開平４−４０２２号公報には燐酸塩を添加して逆浸透装置内のスケール発生を防止する方法が開示されている。また、特開昭６３−２１８７７３号公報、特開平４−９９１９９号公報、特公平５−１４０３９号公報には電着塗料や銅メッキの廃水にキレート剤を添加して逆浸透濃縮することで塗料や銅の回収を行なう方法が開示されている。さらに、特開昭６３−６９５８６号公報および特開平２−２９３０２７号公報では塩素、あるいは酸化剤と燐酸塩を添加した溶液を供給して逆浸透膜装置の殺菌と安定運転を行なう方法が開示されている。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のように、同一の圧力容器内部に複数本の逆浸透膜エレメントを直列に配列させたモジュールを、複数本並列に配置した状態で９０ａｔｍの圧力をかけて、淡水化収率６０％の運転を行おうとすると、モジュール内部の上流側のエレメント（１本目または２本目のエレメント）から得られる透過水量が許容値以上に大きくなりすぎて、これらのエレメントに濃度分極およびファウリングという現象が生じてエレメントの目つまりや寿命低下が生じ、その結果、長期にわたる逆浸透膜装置の安定運転を行うことが非常にむずかしくなる。淡水収率６０％の海水淡水化では、モジュールの入り口から出口にかけては、物質収支的に海水濃度は３．５％から８．８％にまで、浸透圧は２６ａｔｍから７０ａｔｍにまで変化している。一方、操作圧力は入り口から出口にかけて、９０ａｔｍでほぼ一定であるために、真水を透過させるのに必要な有効圧力（操作圧力と浸透圧の差）は６４ａｔｍから２０ａｔｍまでと大きく変化している。すなわち、モジュール内部の１番目と最後段エレメントとの透過水量の比率はこの有効圧比率の６４：２０と同程度となる。すなわち一本目のエレメントの透過水量が激増し、耐ファウリング許容値である２０ｍ3／日を軽く越える透過水量が得られ、ファウリングが非常に生じ易くなるという問題があった。しかし、収率６０％という条件では操作圧力９０ａｔｍというのは必須であるために操作圧力を低下させることができず、結局、収率６０％の運転を行うことは適当ではなく、もし、無理矢理運転したとしても、ファウリングが加速されるという問題が生じるために長期の安定運転は不可能であった。また、どうしても収率６０％運転を行おうとすれば、エレメント１本の透過水量を低下させた低性能エレメントをあえて使用して、エレメント数を増加させて運転するなどという、非経済的な方向を指向した運転条件を選定せざるを得なかった。
【００１７】
また、上記内容は、簡単のためにスパイラル型逆浸透膜エレメントを例にとり説明しているが、中空糸膜型モジュールの場合でも内部では同様の現象と同様の問題が生ずる。
【００１８】
本発明は、高濃度溶液から高い収率、少ないエネルギー、より安価に高効率に低濃度溶液をより安定に得ることができる分離方法を提供することにあり、特に、海水から６０％という高い収率で、かつ少ないエネルギーで真水を効率的に、かつ安定的に得るための分離方法を提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明は下記の構成を有する。すなわち、「多段に配置した逆浸透膜モジュールユニットを用い、前段の逆浸透膜モジュールユニットの濃縮水を昇圧して次段の逆浸透膜モジュールユニットに供給しながら処理する逆浸透分離方法であって、海水または塩分濃度１％以上の高濃度かん水を供給液とし、多段に配置した逆浸透膜モジュールユニットを、最も大きい濃縮水膜面流速を有するモジュールユニットの濃縮水膜面流速（最大濃縮水膜面流速）と、最も小さい濃縮水膜面流速を有するモジュールユニットの濃縮水膜面流速（最小濃縮水膜面流速）とを（１）式の関係にし、ｎ段目の逆浸透膜モジュールユニットの操作圧力Ｐ（ｎ）とｎ＋１段目の逆浸透膜モジュールユニットの操作圧力Ｐ（ｎ＋１）とを（２）式の範囲とし、かつ、１段目の逆浸透膜モジュールユニットの操作圧力を７０ａｔｍ以下、最終段の逆浸透膜モジュールユニットの操作圧力を１２０ａｔｍ以下の範囲に保ち、さらに、各段の逆浸透膜モジュールユニットから得られる透過水の合計量が、１段目の逆浸透膜モジュールユニットの供給水の５０％以上になるように運転することを特徴とする逆浸透膜分離方法。
最大濃縮水膜面流速／最小濃縮水膜面流速≦１．５ （１）
１．１５≦ Ｐ（ｎ＋１）／Ｐ（ｎ） ≦１．８ （２）
である。
【００２１】
かかる本願発明の構成は、該逆浸透膜分離装置が３段以上の場合、特定の２段の間で満足されることが必要であるが、すべての段の間で満足されることは必須ではない。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明において、逆浸透膜分離とは供給液の取水部分、逆浸透膜部分から少なくともなる。逆浸透膜部分は造水、濃縮、分離などの目的で被処理液を加圧下で逆浸透膜モジュールに供給し、透過液と濃縮液に分離するための部分をいい、通常は逆浸透膜エレメントと耐圧容器からなる逆浸透膜モジュール、加圧ポンプなどで構成される。該逆浸透膜部分に供給される被分離液は前処理部分で通常、殺菌剤、凝集剤、さらに還元剤、ｐＨ調整剤などの薬液添加と砂濾過、活性炭濾過、保安フィルターなどによる前処理（濁質成分の除去）が行なわれる。例えば、海水の脱塩の場合には、取水部分で海水を取込んだ後、沈殿池で粒子などを分離し、またここで殺菌剤を添加して殺菌を行なう。さらに、塩化鉄などの凝集剤を添加して砂濾過を行なう。ろ液は貯槽に貯められ、硫酸などでｐＨを調整した後高圧ポンプに送られる。この送液中に亜硫酸水素ナトリウムなどの還元剤を添加して逆浸透膜素材を劣化させる原因となる殺菌剤を消去し、保安フィルターを透過した後、高圧ポンプで昇圧されて逆浸透モジュールに供給されることもしばしば行われる。ただし、これらの前処理は、用いる供給液の種類、用途に応じて適宜採用される。
【００２３】
ここで逆浸透膜とは、被分離混合液中の一部の成分、例えば溶媒を透過させ他の成分を透過させない半透性の膜である。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よく使用されている。またその膜構造は膜の少なくとも片面に緻密層を持ち、緻密層から膜内部あるいはもう片方の面に向けて徐々に大きな孔径の微細孔を有する非対称膜、非対称膜の緻密層の上に別の素材で形成された非常に薄い活性層を有する複合膜がある。膜形態には中空糸、平膜がある。しかし、本発明の方法は、逆浸透膜の素材、膜構造や膜形態によらず利用することができいづれも効果がある。代表的な逆浸透膜としては、例えば酢酸セルロース系やポリアミド系の非対称膜およびポリアミド系、ポリ尿素系の活性層を有する複合膜などがあげられる。これらのなかでも、酢酸セルロース系の非対称膜、ポリアミド系の複合膜に本発明の方法が有効であり、さらに芳香族系のポリアミド複合膜では効果が大きい。
【００２４】
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に形態化したものであり平膜は、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。
【００２５】
逆浸透膜モジュールユニットとは上述の逆浸透膜エレメントを１〜数本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なうことができる。
【００２６】
本発明においては該逆浸透膜モジュールユニットを複数用いることと、その配列に特徴がある。該逆浸透膜モジュールユニットの配列は供給液あるいは濃縮液の流れが直列であることが重要であり、すなわちひとつの逆浸透膜モジュールユニットの濃縮液が次の逆浸透膜モジュールユニットの供給液となる。ここで、本発明の逆浸透分離装置の基本的な構成の例を図１に基づいて説明する。図１は、本発明の技術を採用した海水淡水化プラントの例であり、濃度３．５％の通常海水から６０％という非常に高い収率で真水を得る為の設備であり、２基の逆浸透膜モジュールユニットと１台の加圧ポンプ、および１台のブースターポンプからなる逆浸透分離装置を模式的に示したものである。海水は、前処理（図示されていない）で濁質成分を除去された後、加圧ポンプ１によって６０〜６５ａｔｍに加圧され、１段目の逆浸透膜モジュールユニットに供給される。１段目の逆浸透膜ユニットで、供給液は膜を透過した低濃度の透過液と膜を透過しない高濃度の濃縮液とに分離される。次に、透過液はそのまま利用されるが、濃縮液はその圧力の６０〜６５ａｔｍ（簡単のために圧力損失を無視する）から、収率６０％の高濃度濃縮水の分離に必須の９０ａｔｍにまでブースターポンプ２によってさらに昇圧され、２段目の逆浸透膜モジュールユニットに供給され、再度逆浸透分離が行われて２段目透過液と同濃縮液とに分離される。この逆浸透膜プラントの供給水の総量と１段目透過液と２段目の透過液の合計との比率が淡水収率であり、今回の場合は６０％となる。
【００２７】
図１は、２段の逆浸透膜モジュールユニットと１台の加圧ポンプ、１台のブースターポンプが組み合わされた逆浸透分離装置（濃縮水昇圧２段法とよぶ）であるが、段数、ポンプの数についてはこの限りではなく、任意に設定することができる。
【００２８】
収率については、特に６０％程度という理論限界の値に近い領域であれば本発明の効果が著しく発揮されるが、装置全体のエネルギーコスト低減を考慮すると、５０％以上であることが必要であり、好ましくは５５％以上である。
【００２９】
２段または複数段の逆浸透膜モジュールユニットへの供給原水を加圧する場合、１台の加圧ポンプと１台または複数台のブースターポンプが使用される。加圧ポンプは供給原水を供給原水の浸透圧以上に加圧するためのもので汎用の高圧ポンプと呼ばれるものである。圧力は供給原水の浸透圧（厳密には供給原水の浸透圧と透過水の浸透圧との「浸透圧差」であるが、簡単のために「浸透圧」で表現する。）より大きいことが必須条件であり、より好ましくは、１段目逆浸透膜モジュールユニットの濃縮水浸透圧よりも２０ａｔｍ程度高い圧力に設定することが良いが該浸透圧よりも５０ａｔｍ以上にしないことが望ましい。すなわち、海水淡水化の場合では総合的な電力コストを考慮すると１段目のモジュールユニットの操作圧力は７０ａｔｍ以下とすることが必要である。最終段のモジュールユニットの操作圧力は、最終段のモジュールユニットの濃縮水浸透圧よりも約２０ａｔｍ高い圧力が望ましい。収率６０％の海水淡水化の場合はコストを考慮すると操作圧力９０ａｔｍが好ましいが、濃度が高いために超高脱塩率膜（結果的に透過水量が小さくなる傾向にある）を使用する場合なども考慮すると更に圧力を高めることも可能である。しかし、逆浸透膜エレメントの透過側の流路に障害を与えることなく運転するためには、圧力は１２０ａｔｍ（浸透圧＋５０ａｔｍ））以下とすることが必要である。また、モジュールユニット段数を多段にして、各段の圧力はブースターポンプで少しづつ昇圧する事もエネルギーコスト低減に効果が大きく、任意に設定することができる。ここにおいて、発明者らは淡水化コストを低減しうる多段昇圧式の海水淡水化システムの検討を行った結果、モジュールユニット各段の操作圧力については、ｎ段目の操作圧力Ｐ（ｎ）とｎ＋１段目の操作圧力Ｐ（ｎ＋１）との間に、「１．１５≦Ｐ（ｎ＋１）／Ｐ（ｎ）≦１．８」という関係があることが必要であり、また、好ましくは、「１．３≦Ｐ（ｎ＋１）／Ｐ（ｎ）≦１．６」が良いということを見出した。もちろん、本願発明において、ｎ段目とｎ＋１段目との関係が限定されている場合、すべての段から選ばれる少なくとも１つの任意のｎ段目に付いて当てはまれば充分である。
【００３０】
ブースターポンプというのは、前段であらかじめ昇圧された前段濃縮水の圧力を更に昇圧して次段の逆浸透膜モジュールの供給水として供給するものであるが、１段目の昇圧よりも軽度の昇圧（通常は１０ａｔｍ〜３０ａｔｍ）を行うことができれば良いが、あらかじめ昇圧された液をブースターポンプの吸い込み側ケーシング内に送り込む必要があるために、ブースターポンプの吸い込み側ケーシングはしかるべき耐圧性を有している必要があり、少なくとも、５０ａｔｍの吸い込み側耐圧性を有していることが必須である。特に、ケーシング、軸シール材の耐圧性確保は非常に重要である。このような耐圧性が確保されておりさえすれば、ブースターポンプの種類、構造は特に限定しない。
【００３１】
本発明によれば、仮にファウリングの影響を無視して従来の単純１段法で操作圧力９０ａｔｍの運転を実施した場合と、圧力容器の選定が異なってくる。単純１段法の９０ａｔｍ運転では、逆浸透膜エレメントはもちろん、複数本のエレメントを収納する圧力容器まで９０ａｔｍに耐える耐圧が必要であるが、本発明では１段目モジュールユニットは例えば６０ａｔｍ程度と比較的低圧の運転を実施できるので、圧力容器の耐圧レベルを下げることができ、経済的メリットが大きい。ただし、最終段の圧力容器については８０から１００ａｔｍでの運転が実施できるように少なくとも８０ａｔｍ以上での耐圧性を有していることが必要である。
【００３２】
本発明の逆浸透膜分離装置に供給される供給液としては、比較的高濃度で高い浸透圧を有する液体である。
【００３３】
溶質濃度としては、高い浸透圧を有している海水または塩分濃度１％程度以上の高濃度かん水を供給した場合に特に本発明の効果が発揮される。
【００３４】
本発明においては複数の逆浸透膜モジュールユニットを設けることができるが、段数については前述のとおり任意に設定することができる。また、特にコスト面を考慮するとモジュールユニットの数は、２段または３段であることが最も好ましい。多段の逆浸透膜モジュールユニットを設けた場合、各段の供給液に対して濃縮液の流量は減少しているので、同じ本数のモジュールユニットを設置する場合は、後段になるほど１モジュールあたりの供給水量が少なくなって濃度分極が生じ易くなるので、各段のユニットを構成するモジュール本数は、段数に従って減らしていき、モジュール１本あたりの供給水流量が極端に小さくなることを防止することが望ましい。多段に配置した逆浸透膜モジュールにおいて、特に好ましくは、次段のモジュール本数は、前段の４０％から６０％の範囲になるように低減させることが良い。また、各段の透過水量についても同様の理由により減少させていくことがプラント全体のバランスを保つ上で好ましい。各段のモジュール本数が決定されていてもブースターポンプによる昇圧圧力を選ぶことで透過水量を広く設定することが可能であるが、装置全体のエネルギーコストの低減を考慮すると、多段に配置した逆浸透膜モジュール装置において次段の透過水量は前段の３０％から７０％の範囲で低減させることが最も好ましい。本発明ではモジュールユニットを多段にして、後段のモジュール数を最適に低減させていくことによって、逆浸透膜モジュールの供給側膜面流速の急激な低下を防止することができる。
【００３５】
また、本発明では、膜面流速にも最適値が存在しており、各段によって膜面流速に大きな差異があることは好ましくない。各段のモジュールユニットを流れる海水の膜面流速の差異を小さくして、濃度分極を起こさない安定運転を行うためには、各段の逆浸透膜モジュールユニットの濃縮水の膜面流速について、最も大きい膜面流速を有するモジュールユニットの濃縮水膜面流速（最大濃縮水膜面流速）と、最も小さい膜面流速を有するモジュールユニットの濃縮水膜面流速（最小濃縮水膜面流速）とが、「最大濃縮水膜面流速／最小濃縮水膜面流速≦１．５」、好ましくは、「最大濃縮水膜面流速／最小濃縮水膜面流速≦１．３」、という関係になるように運転する。
【００３６】
本発明において最終段の逆浸透膜モジュールユニットからの濃縮水は、圧力エネルギーを持っており、このエネルギーを回収して再使用することが好ましい。最終段の濃縮水のエネルギー回収方法としては、タービン、水車などによって、前段または任意の段のブースターポンプまたは１段目の加圧ポンプの軸動力の負荷低減を行う方法ができる。しかしながら、回収エネルギーを余らせることなく活用するためには、この濃縮水を、最も大きなエネルギーが必要とされている１段目モジュールユニットの加圧ポンプに直結するエネルギー回収タービンに直接戻して同加圧ポンプのエネルギーを回収する方式が最良である。
【００３７】
本発明は、特に高収率の海水淡水化をめざしており、安定運転のためには、スケール防止剤の添加が有用である。また、本発明において逆浸透膜装置の供給液に添加するスケール防止剤とは溶液中の金属、金属イオンなどと錯体を形成し、金属あるいは金属塩を可溶化させるもので、有機や無機のイオン性のポリマーあるいはモノマーが使用できる。イオン性のポリマーとしてはポリアクリル酸、スルホン化ポリスチレン、ポリアクリルアミド、ポリアリルアミンなどの合成ポリマーやカルボキシメチルセルロース、キトサン、アルギン酸などの天然高分子が使用できる。有機系のモノマーとしてはエチレンジアミン四酢酸などが使用できる。無機系スケール防止剤としてはポリ燐酸塩などが使用できる。これらのスケール防止剤の中では入手のしやすさ、溶解性など操作のしやすさ、価格の点から特にポリ燐酸塩、エチレンジアミン四酢酸（ＥＤＴＡ）が本発明において好適に用いられる。ポリ燐酸塩とはヘキサメタ燐酸ナトリウムを代表とする分子内に２個以上の燐原子を有し、アルカリ金属、アルカリ土類金属と燐酸原子などにより結合した重合無機燐酸系物質をいう。代表的なポリ燐酸塩としては、ピロ燐酸４ナトリウム、ピロ燐酸２ナトリウム、トリポリ燐酸ナトリウム、テトラポリ燐酸ナトリウム、ヘプタポリ燐酸ナトリウム、デカポリ燐酸ナトリウム、メタ燐酸ナトリウム、ヘキサメタ燐酸ナトリウム、およびこれらのカリウム塩などがあげられる。
【００３８】
また、これらスケール防止剤の添加濃度は供給液中の少なくともスケール成分を取込める量であれば充分であるが、費用や溶解にかかる時間などの操作性を考慮すると一般的には０．０１〜１００ｐｐｍであり、正確には供給水の水質に依存するが通常、海水の場合では０．１〜５０ｐｐｍが好ましく、さらに好ましくは１〜２０ｐｐｍである。添加量が０．０１ｐｐｍよりも少ない場合にはスケールの発生を充分に抑制できないため、膜性能の劣化が起こる。また、１００ｐｐｍ以上ではスケール防止剤自体が膜表面に吸着して造水量を低下させたり、水質を悪化させるため好ましくない。ただし、多量にスケール物質や金属類を含む供給液では数十〜数百ｐｐｍの添加が必要な場合もある。
【００３９】
本発明においては、従来の単純一段法では困難であった海水淡水化の高収率運転が可能となり、淡水化コストの大幅削減と運転の安定化の向上が期待されるが、多段に配列させたモジュールユニットの供給水をあらかじめ超清澄化させておくことによって、一層の運転安定化が図られる。すなわち、本発明者らは、鋭意検討の結果、洗浄可能な中空糸膜濾過装置による海水の処理が、海水淡水化前処理水の超清澄化手段として非常に大きな効果を持つことを見出した。これは、海水を多数の中空糸膜を束ねてなる中空糸膜モジュールで濾過して清澄海水を得るものであるが、中空糸膜表面の汚れを物理洗浄手段によって除去しつつ、長期にわたって使用できるような中空糸膜を使用することが前提である。中空糸膜の物理洗浄手段としては、濾過水の逆方向流水洗浄や空気によるエアーフラッシング、またはスクラビング洗浄などを採用することができる。
【００４０】
本発明で使用する中空糸膜モジュールとしては中空糸膜束の端部を接着剤で固めた後で切断により中空糸膜内部を開孔させてなる中空糸膜モジュールであり、特に構造は問わないが、物理洗浄の手段と組み合わせて最適形状を採用することができる。特に好ましくは、タンク形状の容器の中に、複数本の中空糸膜エレメントを装填した形状のモジュールが大容量化に適しており、最も好ましい。中空糸膜モジュールを構成する中空糸膜としては、多孔質の中空糸膜であれば特に限定しないが、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスルホン、ポリビニルアルコール、セルロースアセテート、ポリアクリロニトリル、その他の材質を選定することができる。この中で特に好ましい中空糸膜素材としては、アクリロニトリルを少なくとも一成分とする重合体からなる中空糸膜が適当である。アクリロニトリル系重合体の中でも最も好ましいものとしては、アクリロニトリルを少なくとも５０モル％以上、好ましくは６０モル％以上と該アクリロニトリルに対して共重合性を有するビニル化合物一種または二種以上を５０％以下、好ましくは０から４０モル％とからなるアクリロニトリル系共重合体である。また、これらアクリロニトリル系重合体二種以上、さらに他の重合体との混合物でも良い。上記ビニル化合物としては、アクリロニトリルに対して共重合性を有する公知の化合物であれば良く、特に限定されないが、好ましい共重合成分としては、アクリル酸、イタコン酸、アクリル酸メチル、メタクリル酸メチル、酢酸ビニル、アリルスルホン酸ソーダ，ｐ−スチレンスルホン酸ソーダ等を例示することができる。
【００４１】
もちろん、本発明は海水淡水化以外の多くの逆浸透膜分離操作、例えば化学プロセス用途、食品分離用途などに広く適用できる。
【００４２】
【実施例】
＜実施例１＞
標準条件（圧力５６ａｔｍ、３．５％海水、温度２５℃、収率１２％）で脱塩率９９．５％、造水量１５ｍ3／日の性能を有した膜面積２６．５ｍ2のポリアミド系逆浸透膜を使用し、これを１つの圧力容器内に６本入れたモジュールを並列に４本組込んだ第１段目のモジュールユニットと、同モジュールを２本組込んだ第２段目のモジュールユニットと、供給水である海水を昇圧して１段目のモジュールユニットに供給する加圧ポンプと、第１段目のモジュールユニットの濃縮水を更に加圧して第２段目のモジュールユニットに供給するブースターポンプを有した図１に示す逆浸透膜分離装置を製作し、海水淡水化実験を行った。２段目濃縮水は１段目の高圧ポンプに直結したエネルギー回収タービンに戻してエネルギー回収を行った。１段目高圧ポンプで汲み上げた海水を６５ａｔｍにまで加圧して１段目の逆浸透膜モジュールに供給し、１段目の濃縮水（６３ａｔｍ）はブースターポンプで９０ａｔｍにまで加圧した。この結果、海水供給量７７０ｍ3／日に対して、１段目透過水量３００ｍ3／日、２段目透過水量１６２ｍ3／日の飲料水基準を満足する真水を得た。収率は６０％であった。１段目モジュールユニットの最上流側のエレメントの透過水量は１８ｍ3／日であり、透過水１ｍ3あたりの電力消費量は４．５ｋＷｈであった。
＜比較例１＞
実施例１と同じ逆浸透膜エレメントを１本の圧力容器内に６エレメント装填したモジュール６本からなる逆浸透膜モジュールユニットと、海水を昇圧してモジュールユニットに供給する加圧ポンプからなる図２に示す逆浸透膜分離装置を製作し、海水淡水化実験を行った。加圧ポンプ圧力９０ａｔｍにおいて、１段目透過水量４９８ｍ3／日の真水を収率６０％で得ることができた。最上流側のエレメントの透過水量は、２２ｍ3／日と耐ファウリング許容値を越えており、長期にわたる使用は不適当な状態であることがわかった。透過水１ｍ3あたりの電力消費量は、４．９ｋＷｈであった。
＜実施例２＞
分子量４０万、外径５００μｍ、内径３５０μｍのポリアクリロニトリル中空糸膜１２０００本からなる膜面積１５ｍ2の中空糸膜モジュール７本を１台のステンレス容器に収納してなる中空糸膜モジュールユニットに１パスで海水を通水し、濾過処理を行った。濾過流量は、１００ｍ3／日であり、濾過操作圧力は０．５ａｔｍであった。濾過処理前の海水の濁度は３．０、膜の目詰まり度を表す指標のＦＩ（ファウリングインデックス）値は、測定不能（ＦＩ≧６．５）であったが、濾過処理後の海水の濁度は０．１、ＦＩ値は１以下であった。この海水を用いて、標準条件（圧力５６ａｔｍ，３．５％海水、温度２５度、収率１２％）で脱塩率９９．５％，造水量３．７５ｍ3／日の性能を有した膜面積６．６ｍ2のポリアミド系逆浸透膜エレメント８本（エレメント２本入りモジュール４本使用）を前段に、エレメント４本（同モジュール２本使用）を後段に組み込んだ図１に示す濃縮水昇圧法の逆浸透膜装置を製作し、１段目圧力６５ａｔｍ，２段目圧力９０ａｔｍで海水淡水化の連続運転を実施した。この結果、海水から透過水４０ｍ3／日を収率６０％で得ることができた。２０００時間の連続運転によっても、この条件において透過水が得られる量（２５度Ｃ換算値）は変化認められなかった。
＜実施例３＞
前処理に中空糸膜モジュールユニットを使用する代わりに、凝集砂濾過装置を使用した以外は実施例２と同等の海水淡水化実験を実施した。凝集砂濾過装置は凝集剤として塩化第二鉄を添加しており、濾過処理後の水質は、濁度０．６，ＦＩ値は４．５であった。実施例２と同じ条件で２０００時間連続運転した結果、同じ操作条件で透過水量は、３６ｍ3／日と、約３％の低下が認められた。
【００４３】
【発明の効果】
本発明により、各段のモジュールユニットを流れる海水の膜面流速の差異を小さくして、濃度分極を起こさない安定運転を行うことができるので、高濃度溶液から高い収率、少ないエネルギー、より安価に高効率に低濃度溶液をより安定に得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の逆浸透膜装置の一例を示すフロー図である。
【図２】従来技術の一例を示すフロー図である。
【符号の説明】
１：加圧ポンプ
２：１段目逆浸透膜モジュールユニット
３：１段目透過液
４：１段目濃縮液
５：エネルギー回収装置
６：供給液
７：ブースターポンプ
８：２段目逆浸透膜モジュールユニット
９：２段目透過液
１０：２段目濃縮液
【図１】
0003963304.tif 000002
【図２】
0003963304.tif 000003