(57)【要約】  複数の成分が溶解した対象溶液について、対象成分を他の成分よりも高い濃縮率で濃縮する、濃縮システムであって、対象溶液を規定温度まで冷却し、他の成分を析出させる、析出装置と、半透膜、並びに、半透膜で仕切られた第１室および第２室を有する半透膜モジュールを含み、第１室および第２室の各々に対象溶液を流し、かつ、第１室内の対象溶液の圧力が第２室内の対象溶液の圧力よりも高くなるように加圧することで、第１室内の対象溶液に含まれる水を半透膜を介して第２室内に移行させ、第１室内の対象溶液を濃縮すると共に、第２室内の対象溶液を希釈する、膜分離装置と、を備える。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１種の対象成分と少なくとも１種の他の成分とが水に溶解した対象溶液について、前記対象成分を前記他の成分よりも高い濃縮率で濃縮する、濃縮システムであって、
前記対象溶液を規定温度まで冷却し、前記他の成分を析出させる、析出装置と、
半透膜、並びに、前記半透膜で仕切られた第１室および第２室を有する半透膜モジュールを含み、前記第１室および前記第２室の各々に前記対象溶液を流し、かつ、前記第１室内の前記対象溶液の圧力が前記第２室内の前記対象溶液の圧力よりも高くなるように加圧することで、前記第１室内の前記対象溶液に含まれる水を前記半透膜を介して前記第２室内に移行させ、前記第１室内の前記対象溶液を濃縮すると共に、前記第２室内の前記対象溶液を希釈する、膜分離装置と、を備え、
前記規定温度は、その温度において、前記他の成分は析出し、かつ、前記対象成分が析出しないか、または、前記対象成分の析出量が前記他の成分の析出量より少ないように設定される、濃縮システム。
【請求項２】
前記膜分離装置において前記半透膜モジュールの前記第１室および前記第２室の各々に流される前記対象溶液は、前記析出装置において前記他の成分を析出させることにより濃縮された後に加温された前記対象溶液である、請求項１に記載の濃縮システム。
【請求項３】
前記膜分離装置で濃縮された前記対象溶液を前記析出装置に返送するための返送手段をさらに備える、請求項２に記載の濃縮システム。
【請求項４】
前記析出装置において前記規定温度まで冷却される前記対象溶液は、前記膜分離装置において濃縮された前記対象溶液である、請求項１に記載の濃縮システム。
【請求項５】
前記析出装置において前記他の成分を析出させることにより濃縮された前記対象溶液を前記半透膜モジュールに返送するための返送手段をさらに備える、請求項４に記載の濃縮システム。
【請求項６】
前記対象成分は無機塩である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の濃縮システム。
【請求項７】
前記対象成分は金属塩である、請求項６に記載の濃縮システム。
【請求項８】
前記対象成分はリチウム塩である、請求項７に記載の濃縮システム。
【請求項９】
前記半透膜が中空糸膜である、請求項１〜８のいずれか１項に記載の濃縮システム。
【請求項１０】
前記中空糸膜の外側の空間が前記第１室であり、前記中空糸膜の内側の空間が前記第２室である、請求項９に記載の濃縮システム。
【請求項１１】
少なくとも１種の対象成分と少なくとも１種の他の成分とが水に溶解した対象溶液について、前記対象成分を前記他の成分よりも高い濃縮率で濃縮する、濃縮方法であって、
半透膜、並びに、前記半透膜で仕切られた第１室および第２室を有する半透膜モジュールに対して、前記第１室および前記第２室の各々に前記対象溶液を流し、かつ、前記第１室内の前記対象溶液の圧力が前記第２室内の前記対象溶液の圧力よりも高くなるように加圧することで、前記第１室内の前記対象溶液に含まれる水を前記半透膜を介して前記第２室内に移行させ、前記第１室内の前記対象溶液を濃縮すると共に、前記第２室内の前記対象溶液を希釈する、膜分離工程と、
前記対象溶液を規定温度まで冷却し、前記他の成分を析出させる、析出工程と、を備え、
前記規定温度は、その温度において、前記他の成分は析出し、かつ、前記対象成分が析出しないか、または、前記対象成分の析出量が前記他の成分の析出量より少ないように設定される、濃縮方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、濃縮システムおよび濃縮方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高圧ポンプによって浸透圧より高い所定の圧力に昇圧された対象溶液を逆浸透（ＲＯ：Reverse  Osmosis）モジュールに供給し、ＲＯ膜を通過させることで、対象溶液中の成分を濃縮することができる。【０００３】
ＲＯ法よりも必要なエネルギーが少ない方法として、例えば、特許文献１（特開２０１８−６５１１４号公報）には、半透膜モジュールの一方の第１室に対象溶液の一部を流し、他方の第２室に対象溶液の他の一部を流して、第１室内の対象溶液を加圧することで、第１室内の対象溶液に含まれる水を半透膜を介して第２室内に移行させ、第１室内の対象溶液を濃縮し、第２室内の対象溶液を希釈する膜分離方法（ブラインコンセントレーション）（以下、「ＢＣ」と略す場合がある）が検討されている。【０００４】
ＲＯのように、対象溶液が加圧される半透膜の一方側（高圧側）だけに浸透圧を有する対象溶液を供給する場合、半透膜の他方側は基本的に浸透圧を有さない水だけであるため、半透膜の両側間の浸透圧差が大きく、これにより生じる圧力に打ち勝つ高い圧力で対象溶液を加圧する必要がある。そして、加圧の圧力は、半透膜の運転圧力（限界圧力）や使用するポンプの最大圧力によって制限されるため、ＲＯでは、対象溶液の浸透圧が半透膜の運転圧力やポンプの最大圧力等を超えるような高濃度まで、対象溶液を濃縮することはできない。【０００５】
これに対して、ＢＣでは、半透膜の他方側（低圧側）にも対象溶液を流すことで、半透膜の両側間の浸透圧差を低減し、高圧側の対象溶液への加圧の圧力を低減することができる。このため、ＢＣを用いることで、対象溶液の浸透圧が半透膜の運転圧力やポンプの最大圧力等を超えるような高濃度まで、対象溶液を濃縮することが可能となる。【０００６】
なお、ＢＣでは、対象溶液を溶解成分が飽和濃度に達するまで濃縮すると、飽和濃度に達した成分の析出により半透膜の目詰まり等が発生してしまう。このため、ＢＣによれば、対象溶液を飽和濃度以上に濃縮することはできないが、対象溶液を最大で飽和濃度付近まで濃縮することが可能である。【０００７】
一方、特許文献２（特開２０１３−４３８６０号公報）には、逆浸透によって濃縮された乳酸カルシウムを含む溶液を冷却することで、乳酸カルシウムを晶析させて除去する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１８−６５１１４号公報
【特許文献２】特開２０１３−４３８６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
対象溶液に複数の成分が溶解している場合、ＢＣでは、複数の溶解成分は基本的に同じ濃縮率で濃縮されるため、複数の成分のうちの所望の成分（対象成分）を他の成分よりも高い濃縮率で濃縮するといった選択的な濃縮を行うことはできない。【００１０】
また、複数の成分が溶解した対象溶液をＢＣで濃縮する場合に、対象成分以外の成分が先に飽和濃度に達してしまうと、それ以上は対象成分の濃縮を進行させることができなくなる。このように、対象溶液が対象成分よりも先に飽和濃度に達する成分を含んでいる場合、対象成分を飽和濃度付近の高濃度まで濃縮することができないという問題もあった。【００１１】
したがって、本発明は、複数の成分が水に溶解した対象溶液について、対象溶液の浸透圧が半透膜の運転圧力やポンプの最大圧力等を超えるような高濃度まで濃縮することができ、かつ、対象溶液に含まれる少なくとも１種の成分（対象成分）を他の成分より高い濃縮率で濃縮することのできる、濃縮システムおよび濃縮方法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】
【００１２】
（１）  少なくとも１種の対象成分と少なくとも１種の他の成分とが水に溶解した対象溶液について、前記対象成分を前記他の成分よりも高い濃縮率で濃縮する、濃縮システムであって、
前記対象溶液を規定温度まで冷却し、前記他の成分を析出させる、析出装置と、
半透膜、並びに、前記半透膜で仕切られた第１室および第２室を有する半透膜モジュールを含み、前記第１室および前記第２室の各々に前記対象溶液を流し、かつ、前記第１室内の前記対象溶液の圧力が前記第２室内の前記対象溶液の圧力よりも高くなるように加圧することで、前記第１室内の前記対象溶液に含まれる水を前記半透膜を介して前記第２室内に移行させ、前記第１室内の前記対象溶液を濃縮すると共に、前記第２室内の前記対象溶液を希釈する、膜分離装置と、を備え、
前記規定温度は、その温度において、前記他の成分は析出し、かつ、前記対象成分が析出しないか、または、前記対象成分の析出量が前記他の成分の析出量より少ないように設定される、濃縮システム。【００１３】
（２）  前記膜分離装置において前記半透膜モジュールの前記第１室および前記第２室の各々に流される前記対象溶液は、前記析出装置において前記他の成分を析出させることにより濃縮された後に加温された前記対象溶液である、（１）に記載の濃縮システム。【００１４】
（３）  前記膜分離装置で濃縮された前記対象溶液を前記析出装置に返送するための返送手段をさらに備える、（２）に記載の濃縮システム。【００１５】
（４）  前記析出装置において前記規定温度まで冷却される前記対象溶液は、前記膜分離装置において濃縮された前記対象溶液である、（１）に記載の濃縮システム。【００１６】
（５）  前記析出装置において前記他の成分を析出させることにより濃縮された前記対象溶液を前記半透膜モジュールに返送するための返送手段をさらに備える、（４）に記載の濃縮システム。【００１７】
（６）  前記対象成分は無機塩である、（１）〜（５）のいずれかに記載の濃縮システム。【００１８】
（７）  前記対象成分は金属塩である、（６）に記載の濃縮システム。【００１９】
（８）  前記対象成分はリチウム塩である、（７）に記載の濃縮システム。【００２０】
（９）  前記半透膜が中空糸膜である、（１）〜（８）のいずれかに記載の濃縮システム。【００２１】
（１０）  前記中空糸膜の外側の空間が前記第一室であり、前記中空糸膜の内側の空間が前記第二室である、（９）に記載の濃縮システム。【００２２】
（１１）  少なくとも１種の対象成分と少なくとも１種の他の成分とが水に溶解した対象溶液について、前記対象成分を前記他の成分よりも高い濃縮率で濃縮する、濃縮方法であって、
半透膜、並びに、前記半透膜で仕切られた第１室および第２室を有する半透膜モジュールに対して、前記第１室および前記第２室の各々に前記対象溶液を流し、かつ、前記第１室内の前記対象溶液の圧力が前記第２室内の前記対象溶液の圧力よりも高くなるように加圧することで、前記第１室内の前記対象溶液に含まれる水を前記半透膜を介して前記第２室内に移行させ、前記第１室内の前記対象溶液を濃縮すると共に、前記第２室内の前記対象溶液を希釈する、膜分離工程と、
前記対象溶液を規定温度まで冷却し、前記他の成分を析出させる、析出工程と、を備え、
前記規定温度は、その温度において、前記他の成分は析出し、かつ、前記対象成分が析出しないか、または、前記対象成分の析出量が前記他の成分の析出量より少ないように設定される、濃縮方法。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、複数の成分が水に溶解した対象溶液について、対象溶液の浸透圧が半透膜の運転圧力やポンプの最大圧力等を超えるような高濃度まで濃縮することができ、かつ、対象溶液に含まれる少なくとも１種の成分（対象成分）を他の成分より高い濃縮率で濃縮することのできる、濃縮システムおよび濃縮方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】実施形態１の濃縮システムを示す模式図である。
【図２】実施形態１の変形例の濃縮システムを示す模式図である。
【図３】実施形態２の濃縮システムを示す模式図である。
【図４】実施形態２の変形例の濃縮システムを示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表すものである。また、長さ、幅、厚さ、深さなどの寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜変更されており、実際の寸法関係を表すものではない。
【００２６】
本実施形態の濃縮システムは、少なくとも１種の対象成分と少なくとも１種の他の成分とが水に溶解した対象溶液について、対象成分を他の成分よりも高い濃縮率で濃縮する、濃縮システムである。濃縮システムは、析出装置と、膜分離装置とを備える。
【００２７】
対象溶液は、析出装置（析出工程）によって対象成分が選択的に液相に濃縮される。また、対象溶液は、膜分離装置（膜分離工程：ＢＣ）によって高濃度に濃縮される。
【００２８】
膜分離装置（膜分離工程：ＢＣ）による濃縮と、析出装置２（析出工程）による濃縮と、はいずれを先に行ってもよい。後述する実施形態１のように、析出装置２による濃縮の後に、膜分離装置による濃縮を行ってもよく、実施形態２のように、膜分離装置による濃縮の後に、析出装置２による濃縮を行ってもよい。
【００２９】
必要に応じて、これらの膜分離装置（半透膜モジュール）と析出装置とによる濃縮を繰り返すことで、対象成分が所望の濃度に達するまで対象溶液を濃縮してもよい。なお、膜分離装置による濃縮と析出装置による濃縮とを繰り返す場合、例えば、両者を交互に繰り返してもよく、一方を連続的に繰り返した後に他方を連続的に繰り返してもよい。
【００３０】
（対象溶液）
少なくとも１種の対象成分と少なくとも１種の他の成分とが水に溶解した溶液である。
対象成分は、好ましくは無機塩であり、より好ましくは金属塩である。
【００３１】
具体的な対象成分としては、特に限定されないが、例えば、塩化亜鉛、塩化アンモニウム、塩化イットリウム、塩化インジウム、塩化ウラニル、塩化カドミウム、塩化金、塩化コバルト、塩化サマリウム、塩化水銀、塩化スズ、塩化ストロンチウム、塩化セシウム、塩化セリウム、塩化鉄、塩化ニッケル、塩化ネオジム、塩化バリウム、塩化プラセオジム、塩化ベリリウム、塩化マンガン、塩化ラジウム、塩化ルビジウム、塩化ナトリウム、塩化マグネシウム、塩化アルミニウム、塩化リチウム、塩化カルシウムなどの塩化物、硫酸ナトリウム、硫酸マグネシウム、硫酸リチウム、硫酸亜鉛、硫酸アルミニウム、硫酸イッテルビウム、硫酸アルミニウムアンモニウム、硫酸アンモニウム、硫酸ウラニル、硫酸ウラン、硫酸カドミウム、硫酸カリウム、硫酸カルシウム、硫酸クロム、硫酸コバルト、硫酸ジルコニウム、硫酸水素アンモニウム、硫酸水素カリウム、硫酸スカンジウム、硫酸スズ、硫酸セシウム、硫酸タリウム、硫酸鉄、硫酸銅、硫酸ニッケル、硫酸プラセオジム、硫酸ベリリウム、硫酸マンガン、硫酸ルビジウムなどの硫酸塩などが挙げられる。
【００３２】
対象成分は好ましくはリチウム塩である。対象成分がリチウム塩である場合、リチウム塩は好ましくは硫酸リチウムである。
【００３３】
対象成分は、所定範囲（例えば、０〜１００℃）で温度の低下により溶解度が低下しない成分であることが好ましい。この場合、析出装置２により他の成分を析出させる際に対象成分が析出せず、効率的に対象成分を濃縮することができる。このような対象成分としては、例えば、硫酸リチウムなどが挙げられる。
【００３４】
無機塩以外の対象成分としては、例えば、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、プロピオンアルデヒド、アクロレインなどのアルデヒド類、メチルエチルケトン、ジアセチル、メチルイソブチルケトン、アセトンなどのケトン類、１，４−ジオキサン、２−メチル−１，３−ジオキソラン、１，３−ジオキソラン、テトラヒドロフラン、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、酢酸ブチルなどのエステル類、エタノール、ｎ−プロピルアルコール、イソプロピルアルコール、ブタノールなどのアルコール類、エチレングリコール、プロピレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコールなどのグリコール類、酢酸、プロピオン酸などの有機酸、フェノール類、トルエン、キシレン、シクロヘキサンなどの芳香族有機化合物、ジエチルエーテル、アリルグリシジルエーテルなどのエーテル類、アクリロニトリルなどの二トリル類、ジクロロメタン、１，２−ジクロロエタン、トリクロロエチレン、エピクロロヒドリン、２-クロロメチル-１,３-ジオキソランなどの塩素有機化合物、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、ジメチルアセトアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミドの有機化合物などが挙げられる。
【００３５】
なお、他の成分は、対象溶液を冷却することにより対象成分より先に析出する成分であることが好ましい。また、他の成分は、対象成分より溶解度が小さいことが好ましい。
【００３６】
他の成分は、好ましくは対象成分以外の無機塩であり、より好ましくは対象成分以外の金属塩である。金属塩は、好ましくはカリウム塩またはナトリウム塩であり、より好ましくは硫酸カリウムまたは硫酸ナトリウムである。
【００３７】
＜実施形態１＞
図１は、実施形態１の濃縮システムを示す模式図である。図１に示されるように、本実施形態の濃縮システムは、少なくとも析出装置２と、（半透膜モジュール１を含む）膜分離装置と、を備える。さらに、返送手段３を備えていてもよい。
【００３８】
本実施形態の濃縮システムでは、析出装置２において規定温度まで冷却される対象溶液は、膜分離装置（半透膜モジュール１）において濃縮された対象溶液である。
【００３９】
すなわち、対象溶液は、先に析出装置２（析出工程）によって対象成分が選択的に液相に濃縮され、その後に膜分離装置（膜分離工程：ＢＣ）でさらに濃縮される。
【００４０】
（析出装置）
析出装置２は、対象溶液を規定温度まで冷却し、他の成分を析出させる。ここで、規定温度は、その温度において、他の成分は析出し、かつ、対象成分が析出しないか、または、対象成分の析出量が他の成分の析出量より少ないように設定される。
【００４１】
これにより、対象液中の他の成分の濃度が低下するため、対象成分を他の成分よりも高い濃縮率で濃縮することができる。すなわち、対象溶液において対象成分を選択的に濃縮することができる。なお、必要に応じて、析出した他の成分等は除去される。
【００４２】
（膜分離装置）
膜分離装置は、半透膜１０、並びに、半透膜１０で仕切られた第１室１１および第２室１２を有する半透膜モジュール１を含む。
【００４３】
第１室１１および第２室１２の各々に析出装置２により濃縮された対象溶液である濃縮液（析出濃縮液）を流し、かつ、第１室１１内の対象溶液の圧力が第２室１２内の対象溶液の圧力よりも高くなるように加圧することで、第１室１１内の対象溶液に含まれる水を半透膜１０を介して第２室１２内に移行させ、第１室１１内の対象溶液を濃縮すると共に、第２室１２内の対象溶液を希釈することができる。これにより、対象溶液の浸透圧が半透膜の運転圧力やポンプの最大圧力等を超えるような高濃度まで、対象溶液を濃縮することができる。
【００４４】
なお、析出濃縮液（析出装置２で得られる析出物を除く上澄み液）は析出した成分（他の成分）の飽和溶液である。このため、析出濃縮液をそのままの温度で（加温せずに）膜分離装置（半透膜）で濃縮すると、飽和状態の成分が析出して半透膜の目詰まりが生じ、膜分離装置による濃縮を継続できない。このため、本実施形態では、析出濃縮液は、加温された後に膜分離装置（半透膜モジュール１の第１室１１および第２室１２）に供給される。これにより、析出濃縮液中の飽和成分（他の成分）の溶解度が上がるため、膜分離装置による濃縮を行う際の該成分の析出を防止することができる。
【００４５】
（半透膜モジュール）
半透膜モジュール１において、半透膜１０としては、例えば、逆浸透膜（ＲＯ膜：Ｒｅｖｅｒｓｅ  Ｏｓｍｏｓｉｓ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ）、正浸透膜（ＦＯ膜：Ｆｏｒｗａｒｄ  Ｏｓｍｏｓｉｓ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ）、ナノろ過膜（ＮＦ膜：Ｎａｎｏｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ）、限外ろ過膜（ＵＦ膜：Ｕｌｔｒａｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ）と呼ばれる半透膜が挙げられる。半透膜は、好ましくは逆浸透膜または正浸透膜、ナノろ過膜である。なお、半透膜として逆浸透膜または正浸透膜、ナノろ過膜を用いる場合、第１室１１内の対象溶液の圧力は、好ましくは０．５〜１０．０ＭＰａである。
【００４６】
通常、ＲＯ膜およびＦＯ膜の孔径は約２ｎｍ以下であり、ＵＦ膜の孔径は約２〜１００ｎｍである。ＮＦ膜は、ＲＯ膜のうちイオンや塩類の阻止率が比較的低いものであり、通常、ＮＦ膜の孔径は約１〜２ｎｍである。半透膜としてＲＯ膜またはＦＯ膜、ＮＦ膜を用いる場合、ＲＯ膜またはＦＯ膜、ＮＦ膜の塩除去率は好ましくは９０％以上である。
【００４７】
半透膜を構成する材料としては、特に限定されないが、例えば、セルロース系樹脂、ポリスルホン系樹脂、ポリアミド系樹脂などが挙げられる。半透膜は、セルロース系樹脂およびポリスルホン系樹脂の少なくともいずれかを含む材料から構成されることが好ましい。
【００４８】
セルロース系樹脂は、好ましくは酢酸セルロース系樹脂である。酢酸セルロース系樹脂は、殺菌剤である塩素に対する耐性があり、微生物の増殖を抑制できる特徴を有している。酢酸セルロース系樹脂は、好ましくは酢酸セルロースであり、耐久性の点から、より好ましくは三酢酸セルロースである。
【００４９】
ポリスルホン系樹脂は、好ましくはポリエーテルスルホン系樹脂である。ポリエーテルスルホン系樹脂は、好ましくはスルホン化ポリエーテルスルホンである。
【００５０】
半透膜１０の形状としては、特に限定されないが、例えば、平膜、スパイラル膜または中空糸膜が挙げられる。なお、図１では、半透膜１０として平膜を簡略化して描いているが、このような形状に限定されるものではなく、中空糸膜であることが好ましい。中空糸膜（中空糸型半透膜）は、スパイラル型半透膜などに比べて、膜厚が小さく、さらにモジュール当たりの膜面積を大きくすることができ、浸透効率を高めることができる点で有利である。この場合、半透膜モジュールは、複数の中空糸膜を含み、複数の中空糸膜の各々は両端に開口部を有することが好ましい。
【００５１】
半透膜１０が中空糸膜である場合、第１室１１は中空糸膜の外側であり、第２室１２は中空糸膜の内側であることが好ましい。中空糸膜の外側の溶液が加圧されることが好ましい。中空糸膜の内側（中空部）を流れる溶液を加圧しても、圧力損失が大きくなり加圧が十分に行われ難い場合があるほか、中空糸膜自体の構造が、外圧に対して構造を保持しやすく、高い内圧を付与すると膜が破裂することがあるからである。しかしながら、圧力損失が小さい、つまり大きな内径を持ち、内圧に対する耐圧が大きい中空糸膜を使用する場合は、第１室１１を中空糸膜の内側としても、なんら問題はない。
【００５２】
なお、膜分離装置は、図１に示されるように１つの半透膜モジュール１を用いた１段の装置であってもよいが、複数の半透膜モジュール１を用いた多段の装置であってもよい。
【００５３】
（返送手段）
本実施形態の濃縮システムは、膜分離装置で濃縮された対象溶液（膜濃縮液）を析出装置２に返送するための返送手段（返送流路）３をさらに備えていてもよい。これにより、析出装置２と膜分離装置（半透膜モジュール１）とによる濃縮を繰り返すことで、対象成分が所望の濃度に達するまで対象溶液を濃縮することが可能となる。
【００５４】
ここで、返送手段３により析出装置２に返送される膜濃縮液の濃度が当初の対象溶液中の他の成分の濃度と同程度（例えば、濃度変化率が１０質量％以内）であることが好ましい。この場合、析出装置２および膜分離装置の運転条件が一定のままで、析出装置２と膜分離装置とによる濃縮を繰り返すことができるため、濃縮システムの制御が容易になる。
【００５５】
析出装置２に返送される膜濃縮液の濃度を当初の対象溶液中の他の成分の濃度と同程度にするためには、例えば、析出装置２における析出率（当初の対象溶液中の他の成分の濃度と、規定温度での他の成分の溶解度と、の差分）と、膜分離装置における濃縮率と、を考慮して、上述の析出装置２の規定温度を設定すればよい。
【００５６】
また、析出装置２と膜分離装置とによる濃縮を繰り返す場合、返送手段３により析出装置２に返送される膜濃縮液の温度が当初の対象溶液の温度と同程度（例えば、初期の対象溶液の温度±５℃）であることが好ましい。この場合、析出装置２および膜分離装置の運転条件が一定のままで、析出装置２と膜分離装置とによる濃縮を繰り返すことができるため、濃縮システムの制御が容易になる。
【００５７】
析出装置２に返送される膜濃縮液の温度を当初の対象溶液の温度と同程度にするためには、上述の析出濃縮液の加温の温度を、析出濃縮液が初期の（析出装置２で冷却される前の）対象溶液の温度と同程度になるように設定することが好ましい。これにより、返送手段３において膜濃縮液を加温することなく、析出装置２に返送される膜濃縮液の温度を当初の対象溶液の温度と同程度にすることができる。
【００５８】
（変形例）
図２は、実施形態１の変形例の濃縮システムを示す模式図である。本変形例は、半透膜モジュール１の第２室１２に供給される対象溶液が、第１室１１を通過することにより濃縮された対象溶液の一部である点で、実施形態１とは異なる。それ以外の点は、実施形態１と同様である。
【００５９】
実施形態１では、半透膜モジュール１の入り口側では、半透膜１０の両側（第１室１１と第２室１２）の液の浸透圧差はないが、半透膜モジュール１の出口側に向かうにつれて、半透膜１０の両側の液の浸透圧差が徐々に大きくなるため、この浸透圧に打ち勝つ圧力を第１室１１の対象溶液に加える必要がある。
【００６０】
これに対して、本変形例では、半透膜モジュール１内での出口側（第１室１１の出口側）での半透膜１０の両側の液の差が減少するため、第１室１１の対象溶液に加える圧力を、実施形態１よりも低くすることができる。あるいは、実施形態１と同じ圧力で運転した場合は、実施形態１よりも高濃度に濃縮された膜濃縮液を得ることができる。
【００６１】
ただし、本変形例では、膜分離装置により濃縮された対象溶液の一部を希釈することになるため、対象溶液の濃縮効率は実施形態１よりも低下する。このため、例えば、実施形態１において、半透膜モジュール１の第１室１１の加圧に必要な圧力が、半透膜１０の運転圧力（限界圧力）またはポンプの最大圧力を超えるような場合に、本変形例を採用することが好ましいと考えられる。
【００６２】
＜実施形態２＞
図３は、実施形態２の濃縮システムを示す模式図である。本実施形態の濃縮システムでは、析出装置２において規定温度まで冷却される対象溶液は、膜分離装置（半透膜モジュール１）において濃縮された対象溶液である。
【００６３】
すなわち、対象溶液は、先に膜分離装置（膜分離工程：ＢＣ）で濃縮され、その後で析出装置２（析出工程）によって対象成分が選択的に液相に濃縮される。
【００６４】
（返送手段）
なお、本実施形態の濃縮システムは、析出装置２において他の成分を析出させることにより濃縮された対象溶液（析出濃縮液）を半透膜モジュール１に返送するための返送手段（返送流路）３をさらに備えていてもよい。これにより、膜分離装置（半透膜モジュール１）と析出装置２とによる濃縮を繰り返すことで、対象成分が所望の濃度に達するまで対象溶液を濃縮することが可能となる。
【００６５】
ここで、返送手段３により膜分離装置に返送される析出濃縮液の濃度が当初の対象溶液中の他の成分の濃度と同程度（例えば、濃度変化率が１０質量％以内）であることが好ましい。この場合、析出装置２および膜分離装置の運転条件が一定のままで、析出装置２と膜分離装置とによる濃縮を繰り返すことができるため、濃縮システムの制御が容易になる。
【００６６】
膜分離装置（半透膜モジュール１）に返送される析出濃縮液の濃度を当初の対象溶液中の他の成分の濃度と同程度にするためには、例えば、膜分離装置における濃縮率と、析出装置２における析出率（当初の対象溶液中の他の成分の濃度と、規定温度での他の成分の溶解度と、の差分）と、を考慮して、上述の析出装置２の規定温度を設定すればよい。
【００６７】
また、膜分離装置と析出装置２とによる濃縮を繰り返す場合、返送手段３により膜分離装置に返送される膜濃縮液の温度が当初の対象溶液の温度と同程度（例えば、初期の対象溶液の温度±５℃）であることが好ましい。この場合、膜分離装置および析出装置２の運転条件が一定のままで、膜分離装置と析出装置２とによる濃縮を繰り返すことができるため、濃縮システムの制御が容易になる。
【００６８】
膜分離装置（半透膜モジュール１）に返送される膜濃縮液の温度を当初の対象溶液の温度と同程度にするためには、析出濃縮液が初期の（析出装置２で冷却される前の）対象溶液の温度と同程度になるように、返送手段において析出濃縮液を加温すればよい。
【００６９】
上記以外の点は、実施形態１と同様であるため、重複する説明は繰り返さない。
【００７０】
（変形例）
図４は、実施形態２の変形例の濃縮システムを示す模式図である。本変形例は、半透膜モジュール１の第２室１２に供給される対象溶液が、第１室１１を通過することにより濃縮された対象溶液の一部である点で、実施形態２とは異なる。それ以外の点は、実施形態２と同様である。なお、本変形例の他の説明は、実施形態１の変形例と同様であるため、繰り返さない。
【実施例】
【００７１】
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。【００７２】
なお、以下の実施例１，２は、図１に示されるような濃縮システムを用いた上記実施形態１に相当する例である。実施例３，４は、図３に示されるような濃縮システムを用いた上記実施形態２に相当する例である。【００７３】
（実施例１）
まず、対象溶液を、析出装置２（規定温度１０℃に保持した容器）に移送することで、析出物が生成した。対象溶液は、６．６質量％の硫酸リチウムおよび１２質量％の硫酸カリウムが溶解した４０℃の水溶液である。この対象溶液では、温度が３４℃以下になると硫酸カリウムが析出する。しかし、当初の対象溶液中の硫酸リチウムの濃度は、４０℃での硫酸リチウムの溶解度の３分の１以下であり、硫酸リチウムの溶解度は温度が４０℃から１０℃に低下するときにむしろ大きくなるため、対象溶液を１０℃に冷却しても硫酸リチウムは析出しない。なお、後述する膜分離装置による濃縮後の対象溶液（膜濃縮液）中の硫酸カリウムの濃度が、当初の対象溶液中の硫酸カリウムの濃度（１２質量％）と同程度となるように、硫酸カリウムの析出量を調整するため、析出装置の規定温度を１０℃に設定した。【００７４】
析出装置２で得られた析出物を除く上澄み液（析出濃縮液）において、硫酸リチウムの濃度は６．８質量％であり、硫酸カリウムの濃度は８．８質量％であった。【００７５】
次に、この析出濃縮液を４０℃に加温した後、膜分離装置を構成する半透膜モジュール１の第１室１１および第２室１２の各々に、以下の条件で流入させた（図１参照）。
〔第１室側（高圧側）〕  圧力：６．５ＭＰａ、流量：３４ｇ／ｍｉｎ
〔第２室側（低圧側）〕  圧力：０．１ＭＰａ、流量：１４．６ｇ／ｍｉｎ【００７６】
半透膜モジュールの第１室から流出した対象溶液（膜濃縮液）を最終濃縮液として回収した。最終濃縮液において、硫酸リチウムの濃度は９．０質量％であり、硫酸カリウムの濃度は１１．５質量％であった。したがって、実施例１における最終濃縮液の濃縮率（当初の対象溶液の濃度に対する最終濃縮液の濃度の比率）は、硫酸リチウムで１．４倍、硫酸カリウムで１．０倍である。【００７７】
（実施例２）
本実施例での対象溶液は、実施例１とは異なり、硫酸リチウムおよび硫酸ナトリウムが溶解した水溶液である。すなわち、対象溶液は、４．５質量％の硫酸リチウムおよび２５質量％の硫酸ナトリウムが溶解した３０℃の水溶液である。【００７８】
この対象溶液について、以下の条件で実施例１と同様にして、析出装置（規定温度２０℃に保持した容器）および膜分離装置（半透膜モジュール）による濃縮を行い、最終濃縮液を回収した。
〔第１室側（高圧側）〕  圧力：６．５ＭＰａ、流量：３６ｇ／ｍｉｎ
〔第２室側（低圧側）〕  圧力：０．１ＭＰａ、流量：１１．１ｇ／ｍｉｎ【００７９】
本実施例の対象溶液では、温度が２６℃以下になると硫酸ナトリウムが析出するが、硫酸リチウムについては２０℃に冷却しても析出が生じない。すなわち、２０℃までの冷却により、最終濃縮液の硫酸ナトリウム濃度を対象溶液より低くすることができる。このため、析出装置の規定温度を２０℃に設定した。【００８０】
析出装置２で得られた析出物を除く上澄み液（析出濃縮液）において、硫酸リチウムの濃度は５．０質量％であり、硫酸ナトリウムの濃度は１６．８質量％であった。【００８１】
また、最終濃縮液において、硫酸リチウムの濃度は６．２質量％であり、硫酸ナトリウムの濃度は２１質量％であった。したがって、実施例２における最終濃縮液の濃縮率は、硫酸リチウムで１．４倍、硫酸ナトリウムで０．８４倍である。【００８２】
（実施例３）
まず、対象溶液を、膜分離装置を構成する半透膜モジュール１の第１室１１および第２室１２の各々に、以下の条件で流入させた（図１参照）。対象溶液は、６．６質量％の硫酸リチウムおよび７．３質量％の硫酸カリウムが溶解した４０℃の水溶液である。
〔第１室側（高圧側）〕  圧力：６．５ＭＰａ、流量：３４ｇ／ｍｉｎ
〔第２室側（低圧側）〕  圧力：０．１ＭＰａ、流量：１４．６ｇ／ｍｉｎ【００８３】
半透膜モジュールの第１室から流出した対象溶液（膜濃縮液）において、硫酸リチウムの濃度は９．２質量％であり、硫酸カリウムの濃度は１０．１質量％であった。なお、本実施例の膜濃縮液について硫酸カリウムが析出する温度は２０℃以下である。【００８４】
次に、この膜濃縮液を析出装置２（１０℃に保持した容器）に移送することで、析出物が生成した。析出物を除く上澄み液（析出濃縮液）を最終濃縮液として回収した。【００８５】
最終濃縮液において、硫酸リチウムの濃度は９．５質量％であり、硫酸カリウムの濃度は８．８質量％であった。したがって、実施例３における最終濃縮液の濃縮率は、硫酸リチウムで１．４倍、硫酸カリウムで１．２倍である。【００８６】
（実施例４）
本実施例での対象溶液は、実施例１とは異なり、硫酸リチウムおよび硫酸ナトリウムが溶解した水溶液である。すなわち、対象溶液は、３．６質量％の硫酸リチウムおよび２０質量％の硫酸ナトリウムが溶解した３０℃の水溶液である。【００８７】
この対象溶液について、以下の条件で実施例３と同様にして、膜分離装置（半透膜モジュール）および析出装置（２０℃に保持した容器）による濃縮を行い、最終濃縮液を回収した。
〔第１室側（高圧側）〕  圧力：６．５ＭＰａ、流量：３６ｇ／ｍｉｎ
〔第２室側（低圧側）〕  圧力：０．１ＭＰａ、流量：１１．１ｇ／ｍｉｎ【００８８】
半透膜モジュールの第１室から流出した対象溶液（膜濃縮液）において、硫酸リチウムの濃度は４．５質量％であり、硫酸ナトリウムの濃度は２５質量％であった。なお、本実施例の膜濃縮液について硫酸ナトリウムが析出する温度は２６℃以下である。また、最終濃縮液において、硫酸リチウムの濃度は５．０質量％であり、硫酸ナトリウムの濃度は１６．８質量％であった。したがって、実施例４における最終濃縮液の濃縮率は、硫酸リチウムで１．４倍、硫酸ナトリウムで０．８４倍である。【００８９】
（比較例１）
本比較例では、実施例３と同様の対象溶液を、実施例３の膜分離装置と同様の条件で半透膜モジュール１の第１室１１のみに流入させ、第２室１２には対象溶液を供給しなかった（すなわち、逆浸透処理を行った）。この場合、半透膜モジュールの第２室からは透過液が得られず、第１室から流出した対象溶液について、硫酸リチウムおよび硫酸カリウムのいずれも濃縮は行われなかった。【００９０】
この結果から、実施例３と同じ条件（圧力、流量）で第１室のみに対象溶液を供給した場合（すなわち、実施例３と同じ条件で逆浸透処理を行った場合）、対象溶液の濃縮（逆浸透）はできないことが分かる。これは、対象溶液の浸透圧が半透膜の運転圧力やポンプの最大圧力等より高いために、第１室中の対象溶液から水を半透膜を介して第２室側へ透過させることができなかったためである。したがって、本発明のように、析出装置と、半透膜の両側に浸透圧を有する液を流すブラインコンセントレーションを用いた膜分離装置と、組み合わせることで初めて、半透膜の運転圧力やポンプの最大圧力等を超える浸透圧を有する高濃度溶液に対して、膜分離による濃縮が可能になることが分かる。【００９１】
今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００９２】
１  半透膜モジュール、１０  半透膜、１１  第１室、１２  第２室、２  析出装置、３  返送手段（返送流路）。
【図１】
2020158456.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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