Salt & Seawater Science Seminar 2023
海水総合研究所 加留部智彦

2

海水中の溶存資源
海水中の元素の平均濃度1)（高濃度順に20種類）
平均濃度
平均濃度
元素名
元素名(mg/kg)(mg/kg)
1 塩素
19,350 11 ホウ素
4.5
2 ナトリウム
10,780 12 ケイ素
2.8
3 マグネシウム
1,280 13 酸素
2.8
4 硫黄
898 14 フッ素
1.3
5 カルシウム
412 15 アルゴン
0.62
6 カリウム399 16 リチウム
0.18
7 臭素
67 17 ルビジウム
0.12
8 炭素
27 18 リン
0.062
9 窒素
8.7 19 ヨウ素
0.058
10 ストロンチウム
7.8 20 バリウム0.015

海水中には数多くの元素が存在しているが、ほとんどが低濃度である
1) 野崎, 日本海水学会誌, 51, 302 – 308（1997）

3

海水からの資源回収と経済性
10,000 Pt

市場価格 [＄/lb]

1,000
10010

●：既に工業化
●：研究中
○：未検討

Au
ReGa
AgGe Cs

Co

10.1
0.01

0.001
10-4 10-3 10-2 0.1

URbMoVCr NiCuZn
FeMn

LiI

Mg
SrBr

経済性が成り立つ

経済性が成り立たない
110 100 1000 104
海水中の濃度 [μｇ/l]

105 106

海水からの資源回収を考えた場合、市場価格と海水中の濃度（回収の難易度）との関係から経済性が成り立つ元素は限られている
Driscoll, MIT Report, 1982

海水からの回収が工業的に実用化されている溶存資源例

4マグネシウム（ Mg ）海水中に1,280 mg/kg 存在
海水に石灰乳（ Ca（OH）2スラリー ）等のアルカリを添加し、Mgイオンと反応させて水酸化マグネシウム（ Mg（OH）2 ）として回収
Mg2+ + 2OH- → Mg(OH)2
水酸化マグネシウムは、難燃剤、各種マグネシウム塩の原料になる臭素（ Br ）海水中に67 mg/kg 存在
難燃剤、医薬品等の原料になる海水を酸性にし、塩素（ Cl2 ）を吹き込むことによって臭素を遊離
2Br- + Cl2 → Br2 + 2Cl-発生塔の上部から、遊離臭素を含む海水を流下させ、下部から多量の空気を送り、臭素を空気中に追い出したのち、臭素－空気の混合ガスから臭素を回収

海水からの回収が研究されてきた溶存資源例

5リチウム（ Li ）海水中に0.18 mg/kg 存在
リチウムイオン電池の原料等に使用吸着材としてスピネル型マンガン酸化物を使用して、海水から回収する方法2)が検討されている

2) 大井, 地質ニュース670号, 60 – 69（2010）

海水からの回収が研究されてきた溶存資源例

6ウラン（ U ）海水中に0.0032 mg/kg 存在
原子力発電用燃料に使用
海水ウランの採取のために、多くの吸着材が研究されている無機系では含水酸化チタン、有機系ではアミドキシム樹脂がすぐれている3)
グラフト重合によって、中空糸繊維にアミドキシム基を導入する検討も実施されている5)

アミドキシム樹脂によるウランの捕集4)3) 海水の科学と工業, 525 – 532（1994）
4) 国立研究開発法人 量子科学技術研究機構HP, https://www.qst.go.jp/site/kankyou/28708.html
5) 須郷ら, 膜, 13, 272 – 282（1988）

海水中に溶存する元素の回収
海水中に存在する元素について、様々な回収技術が研究されてきたが、単体での回収が経済的に成り立つ元素は少ない
海水中のより多くの資源について、回収を経済的に成立させるためには、回収コストの低減が必要
一つの方法として、海水淡水化と資源回収を組み合わせた、海水総合利用プロセスの利用が考えられる
そこで、逆浸透（RO）膜法海水淡水化とイオン交換膜電気透析（ED）法海水濃縮を組み合わせた、海水総合利用プロセスの経済性について検討した

7

8

RO膜法海水淡水化
イオンは濃縮ポンプで圧力をかけた原水（海水）

RO膜

濃縮海水RO膜を水分子のみ透過
淡水（RO水）海水に浸透圧以上の圧力をかけてRO膜面に供給し、水のみを透過させて淡水（RO水）を生成する

9

RO膜法海水淡水化のポンプ所要電力
高高海水

ポン
プ
所
要電力

ポン
プ
圧力

浸透圧 ［MPa］

10525℃020

低低406080

全塩分濃度（TDS） ［g/kg］

海水、蒸発法かん水（濃縮海水）の浸透圧6)

全塩分濃度（TDS）が低いほど浸透圧は低い⇒ RO膜法海水淡水化において、TDSが低い海水（脱塩海水）を使用すると、所要電力が低く、エネルギーコストは低い

6) 公益財団法人 塩事業センター, 海水と製塩-データブック-（2006）（低濃度側を抜粋）

10

RO膜法海水淡水化の淡水回収量
使用する海水濃度が異なる場合の淡水回収量
淡水を生成する上限

海水を使用
脱塩海水を使用回収量増加分
脱塩海水

海水

濃縮海水
全塩分濃度（TDS）

濃縮海水のTDSを一定とした場合
TDSが低い脱塩海水を使用すると淡水の回収量は増加

11ED法海水濃縮
陽イオン交換膜 陰イオン交換膜 陽イオン交換膜 陰イオン交換膜

+－

かん水

Cl－Na+Cl-Na+－＋Na+Cl-

Cl-－Cl-＋－Na+＋＋Na+Na+
Cl-

Na+ ＋－Na+Na+

Cl- ＋Na+

Cl-＋－－

かん水－＋＋－

Cl-＋Cl-脱塩海水

Na+－＋Cl－＋Cl-

イオンが濃縮される槽とイオンが減少する槽が交互にできる。
－－＋＋Na+－Cl-＋Na+-Na+－

電力を使って海水を濃縮

Cl-＋Na+Cl-

12ED法海水濃縮の所要電力

所
要電力0.07

低電気抵
抗電気伝導率 × 102 ［S/m］

低海水

0.06
0.05
0.04
0.03

30℃
25201510500.020.01

高高0102030

全塩分濃度（TDS） ［g/kg］

40

全塩分濃度（TDS）が高いほど電気抵抗は低い⇒ EDにおいて、TDSが高い海水（濃縮海水）を使用すると、所要電力が低く、エネルギーコストは低い

海水の電気伝導率7)7) 公益財団法人 塩事業センター, 海水と製塩-データブック-（2006）

13

ED法海水濃縮のNaCl回収量
使用する海水濃度が異なる場合のNaCl回収量
海水を使用かん水を生成する下限
回収量
増加分
脱塩海水

海水

濃縮海水を使用

濃縮海水

全塩分濃度（TDS）

脱塩海水のTDSを一定とした場合
TDSが高い濃縮海水を使用するとNaClの回収量は増加

RO膜法海水淡水化とED法海水濃縮の組み合わせによる効率化
ED法海水濃縮

RO膜法海水淡水化
海水TDS 35g/kg

RO14

濃縮海水
TDS 60g/kg

海水よりも高濃度

海水
TDS 35g/kg

脱塩海水
TDS 23g/kg
海水よりも低濃度

ED

淡水
TDS 0g/kg

かん水TDS 200g/kg

回収Na+,K+,Mg2+,Ca2+,Cl-,Br濃縮回収

海に排出
高濃度⇒環境への負荷

現行：海水⇒淡水
原水に海水よりもTDSの低い脱塩海水を使用すると、エネルギー削減、淡水回収量増加

一部を除き海に排出

現行：海水⇒かん水
原水に海水よりもTDSの高い濃縮海水を使用すると、エネルギー削減、NaCl回収量増加

RO膜法海水淡水化とED法海水濃縮を上手く組み合わせると、エネルギー削減となり、効率的8)8) 長谷川ら, 日本海水学会60周年記念シンポジウム (2011)他

15

RO膜法淡水化とED法海水濃縮を組み合わせた海水総合利用プロセス
において、所要エネルギー、淡水、NaClの回収量等について検討した

RO膜法淡水化とED法海水濃縮の統合
・ 一過流型プロセス
・ 循環型プロセス
循環型プロセスの課題
排水をともなう循環型プロセス
完全循環型プロセスRO膜法淡水化とED法海水濃縮の統合

16

海水処理能力10万t/日のRO膜法淡水化、 ED法海水濃縮を組み合わせた場合の試算を実施
試算条件
RO 排出される濃縮海水のTDS：60g/kg
ED 陽イオン交換膜：2価イオン透過性膜
陰イオン交換膜：2価イオン難透過性膜生成されるかん水のTDS：200g/kg
排出される脱塩海水のTDS：23g/kg
評価指標
RO水生産量 [t /日]RO水の生産量
NaCl回収量 [t /日]
かん水中に回収するNaClの量
RO電力原単位 [kWh / t-水] RO水1 t の回収に必要なポンプの電力量
ED電力原単位 [kWh / t-塩] NaCl 1 t の回収に必要な透析電力量

RO膜法淡水化、ED法海水濃縮単独での運転RO

海水
TDS 35g/kg
10万t/日ED

濃縮海水
TDS 60g/kg
5.8万t/日RO

淡水
TDS 0g/kg
4.2万t/日17

海水TDS 35g/kg
10万t/日脱塩海水
TDS 23g/kg
9.35万t/日ED

かん水
TDS 200g/kg NaCl回収率34%
0.65万t/日 所要電力=9,290kW

淡水回収率42%
所要電力=9,320kW

処理水（海水）量

単位t/日

RO単独100,000

ED単独100,000

RO水生産量t/日

42,400-

RO電力原単位kWh/t-水5.3-

NaCl回収量
ED電力原単位t/日
kWh/t-塩-925241

RO膜法淡水化とED法海水濃縮の一過流型プロセス

18

RO+ED一過流型（濃度は設定値）
海水 10万t/日TDS 35g/kg

濃縮海水 5.8万t/日
TDS 60g/kg

脱塩海水
TDS 23g/kg

ROED

淡水TDS 0g/kg

かん水
TDS 200g/kg

RO 水回収率*11.00倍
電力原単位*1 1.00倍
ED NaCl回収率*2 2.06倍
電力原単位*2 0.87倍

ED+RO一過流型（濃度は設定値）
脱塩海水 9.4万t/日
TDS 23g/kg

海水 10万t/日TDS 35g/kg
EDRO

かん水TDS 200g/kg

淡水TDS 0g/kg

濃縮海水
TDS 60g/kg

ED NaCl回収率*2 1.00倍
電力原単位*2 1.00倍
RO 水回収率*11.46倍
電力原単位*1 0.70倍

一過流型では、後段設備において効率が向上する*1 RO単独との比較*2 ED単独との比較

19

RO膜法淡水化とED法海水濃縮を組み合わせた海水総合利用プロセス
において、所要エネルギー、淡水、NaClの回収量等について検討した

RO膜法淡水化とED法海水濃縮の統合
・ 一過流型プロセス
・ 循環型プロセス
循環型プロセスの課題
排水をともなう循環型プロセス
完全循環型プロセス

20

ED+RO循環型プロセスの課題
一過流型では後段設備のみ効率が良くなる⇒循環型にすると、前段も後段も効率が良くなると考えられる

海水

海水＋濃縮海水

濃縮海水
高濃度SO42-ED

脱塩海水（23g/kg）
SO42-

かん水
Na+,K+,Mg2+,Ca2+,Cl-,Br- 濃縮RO

濃縮海水（60g/kg）

淡水TDS 0g/kg

ただし、SO4イオンは系外に排出できないため高濃度となり、石膏（CaSO4）が析出する可能性がある21

RO膜法淡水化とED法海水濃縮を組み合わせた海水総合利用プロセス
において、所要エネルギー、淡水、NaClの回収量等について検討した

RO膜法淡水化とED法海水濃縮の統合
・ 一過流型プロセス
・ 循環型プロセス
循環型プロセスの課題
排水をともなう循環型プロセス
完全循環型プロセス排水をともなうED+RO循環型プロセス

海水＋濃縮海水（10万t/日）
海水
濃縮海水
高濃度SO42-ED

脱塩海水（23g/kg）
SO42-

かん水
Na+,K+,Mg2+,Ca2+,Cl-,Br-濃縮22RO淡水TDS 0g/kg

濃縮海水（60g/kg）

排水（排水率*：0～40%）*排水率 = 排水量 ÷ 循環塩水（循環する濃縮海水）の量 ×100

循環塩水（濃縮海水）を一部排水することで、SO4イオン濃度の増加を抑制してはどうか？

循環塩水のCaSO
濃度[g/kg][g/kg]かん水のCaSO44濃度

循環塩水の排出による硫酸イオン濃縮の抑制効果

2310
ED脱塩液濃度23g/kg
8CaSO4が析出する濃度

6420010203040
RO濃縮水の排水率[%]
循環塩水の排水率[%]50

CaSO4は濃度が4g/kgを超えると析出すると仮定9）すると、循環塩水の20%以上を排出することで析出を抑制できると考えられる
9) 曾我, 長南, 小試報告 11, 115(1966)

排水をともなうED+RO循環型プロセス

24単位

RO単独

ED単独

RO水生産量*1t/日t/日-

100,000
100,000
1.00

100,000
100,000-

ED+RO循環（循環水20%排水）73,000100,000
1.30

RO電力原単位*1-

1.00

-

0.59

NaCl回収量*2--

1.00

1.74

ED電力原単位*2--

1.00

0.95

取水海水量
処理水量（循環水+海水）

回収量向上

原単位削減*1 RO単独との比較*2 ED単独との比較

循環塩水の20%を排出するED+RO循環型プロセスにより、省エネルギー化が達成できると期待できる
しかし、排出する循環塩水は高濃度⇒環境への負荷が懸念

25

RO膜法淡水化とED法海水濃縮を組み合わせた海水総合利用プロセス
において、所要エネルギー、淡水、NaClの回収量等について検討した

RO膜法淡水化とED法海水濃縮の統合
・ 一過流型プロセス
・ 循環型プロセス
循環型プロセスの課題
排水をともなう循環型プロセス
完全循環型プロセスRO膜法淡水化とED法海水濃縮の完全循環型プロセス

26

SO4イオンの除去が可能になり、完全循環型プロセスが成立すると？
RO+ED循環型（濃度は設定値）
脱塩海水
*1
RO
水回収率1.19倍
海水+脱塩海水 10万t/日
濃縮海水 5.0万t/日
4.0万t/日
電力原単位*1 0.78倍
TDS 30g/kg
TDS 60g/kg
TDS 23g/kg
ED
ED NaCl回収率*2 2.03倍RO
電力原単位*2 0.78倍
かん水TDS 200g/kg

淡水
TDS 0g/kg

ED+RO循環型（濃度は設定値）
海水+濃縮海水 10万t/日
TDS 43g/kg

脱塩海水 8.9万t/日
TDS 23g/kg

EDRO

かん水
TDS 200g/kg

淡水TDS 0g/kg

濃縮海水3.4万t/日
TDS 60g/kg

ED NaCl回収率*2 1.57倍
電力原単位*2 0.84倍
RO 水回収率*11.46倍
電力原単位*1 0.46倍

循環型では、前段設備における効率も向上*1 RO単独との比較*2 ED単独との比較

排水をともなうED+RO循環型プロセス

27単位

RO単独

ED単独

RO水生産量*1t/日t/日-

100,000
100,000
1.00

100,000
100,000-

ED+RO循環（循環水20%排水）73,000100,000
1.30

RO電力原単位*1-

1.00-

0.59

0.46

NaCl回収量*2--

1.00

1.74

1.90

ED電力原単位*2--

1.00

0.95

0.84

取水海水量
処理水量（循環水+海水）

ED+RO循環
66,000100,000
1.29

回収量向上

原単位削減

*1 RO単独との比較*2 ED単独との比較

ED+RO完全循環型プロセスの方が、循環塩水の20%を排出するプロセスより、省エネルギー化が達成できると期待できる完全循環型プロセスによる取水海水量、生産量への影響

取水海水量 [千t / 日]

100
80
6040
200取水海水量（RO,ED単独）

70

RO水生産量NaCl回収量

2,000

6050

1,500

40
1,00030

20100500

NaCl回収量 [t / 日]

120

RO水生産量（RO単独）

RO水生産量[千t / 日]

取水海水量

28

NaCl回収量
0 （ED単独）・ 取水海水量は循環型では大幅に減少
・ 生産量は一過流型では後段設備が、循環型では両者ともに増加
・ 循環型の生産量を比較すると、ED+RO循環型の方が若干多い完全循環型プロセスによる経済性への影響

54200

32100

1000.15

RO設備費（RO単独）
RO設備費
ED基数（ED単独）
ED基数

0.04

0.03

0.10
0.02
0.05
0.01

00.00

ED基数[基/t-NaCl]

300

RO設備費 [百万円/t-RO水]ED電力原単位

ED電力原単位 [kWh / t-NaCl]

RO電力原単位 [kWh / t-RO水]6

RO電力源単位（RO単独）
RO電力原単位
ED電力源単位（ED単独）

2900.00

・ 電力原単位は一過流型では後段設備で抑制され、循環型では両者ともに抑制される・ 特に ED+RO循環型のRO電力原単位抑制効果が顕著である
・ 淡水量当たりのRO設備費（昇圧ポンプ+モジュール）は淡水生産量が多いほど低い
・ ED基数には大きな差はないが、循環型の方が少なくなる

ナノろ過（NF）膜を使用したSO4イオンの削減

SO42-阻止率 [-]30

SO42-濃度 [mol/L]
Na2SO4溶液+3mol/L NaCl溶液におけるSO42-の阻止率10)NF膜を使用すると、海水中のSO4イオンを選択的に分離除去することが可能
10) 高橋ら, 日本海水学会誌, 76, 233 – 237（2022）

31

NF膜を使用した完全循環型プロセス

海水

脱塩海水
NF膜

ED

濃縮海水
RO

主に2価イオンを分離
Ca2+,Mg2+,SO42-ほか

かん水
Na+,K+,Cl-,Br-ほか

Mg(OH)2, CaCO3などを回収

NaCl,KCl,Br2などを回収

淡水を回収

NF膜を使用することで、・ 前段設備、後段設備ともに効率の良い循環型が達成できる可能性
・ 濃縮海水の放出が必要ない可能性⇒海洋の環境負荷を軽減

まとめ
逆浸透膜法海水淡水化とイオン交換膜電気透析法海水濃縮を組み合わせた海水総合利用プロセスの経済性について検討した

・ 循環塩水の20%を排出するED+RO循環型プロセスにより、省エネル
ギー化が達成できると期待できるが、環境負荷に課題・ RO+ED完全循環型プロセスにナノろ過膜を適用できれば、省エネル
ギー化と排水による環境負荷の軽減とが両立できると期待できる

32