JPH04150923A - 低圧用逆浸透膜による高濃度溶液の濃縮方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野〕 本発明は、低圧用逆浸透膜を用いた溶液の濃縮方法及び
装置、詳しくは、原液が、従来の高圧用逆浸透膜では処
理できないレベルの濃度の液である場合、この原液を低
圧用逆浸透膜を用いてさらに濃縮する方法及び装置に関
するものである。

〔従来の技術〕

従来、溶液の濃縮を行う方法としては、■蒸発法、■電
気透析法、■逆浸透法などが工業的に利用されている。

この中で蒸発法は相変化を伴うため、一般に電気透析法
、逆浸透法に比べて消費エネルギーがはるかに大きい。

一方、電気透析法、逆浸透法は相変化を伴わないので、
消費エネルギーが非常に少ないと言う利点を有するが、
電気透析法は原理上、処理対象液が電解質溶液以外の場
合には、適用不可である。この点逆浸透法では、処理対
象液は電解質溶液も含め広範囲な溶液の処理が可能であ
る。

従来、逆浸透膜を用いた溶液の濃縮では、濃縮の効率を
上げるため、できるだけ高い溶質排除率を持つ膜が用い
られていた。この場合、供給原液の濃度が薄い間は効率
的に濃縮することが可能であるが、供給原液の濃度が高
くなると、膜の濃縮側と透過側との溶質濃度差が大きく
なり、これに伴い浸透圧差も大きくなるため、 （１）逆浸透のために必要な圧力が非常に大きくなり、
エネルギー消費大となる。

（２）　　Ｉｌｌ自身、及び膜エレメント、膜エレメン
トを装填するベッセルの耐圧強度が問題となる。

（３）透過液量が極端に低下するため、結果的に濃縮不
可となる。

等の問題があった。

したがって、従来高度な−ａ縮が必要な場合には、最初
逆浸透法を用いたとしても、途中段階からは、逆浸透法
による濃縮水を暴発法などエネルギー消費の高い方法に
よらざるを得なかった。

従来、特開昭５５−１８２７号公報には、逆浸透膜によ
り処理液を処理する場合、濃厚液（処理液）の温度を、
希薄液（透過液）の温度よりも高くするようにした逆浸
透処理法が記載されている。

また、特開昭４９−１３４５７６号公報には、逆浸透膜
セルの第１室へ、高圧の処理すべき溶液を通し、第２室
へ、第１室からの透過液の浸透圧より高い浸透圧を有す
る液体（例えば、塩水）を通じるようにした溶液の濃縮
方法が記載されている。

［発明が解決しようとする課題］ 従来の高圧用逆浸透膜で濃縮すべき原液を処理する場合
、原液の濃度の上昇に伴う濃縮側液と透過側液との浸透
圧差の増大により、処理のために印加すべき圧力が膜自
身、又は膜の容器の耐圧限界を趙えるようになる。この
圧力は、対象とする溶質によって異なるが、通常４０〜
７０ｋｇ／ｅｊを超える値である。したがって、この場
合の濃度以上になると、従来の高圧用逆浸透膜では処理
できなくなる。

前記の特開昭５５−１８２７号公報では、逆浸透膜によ
る溶液の濃縮について述べているが、この公報記載の発
明の主旨は、逆浸透膜の濃縮側液の温度を透過側液の温
度より高くすることにより、膜の濃縮側と透過側との間
に温度差浸透圧を発生させ（濃縮側から透過側に向かっ
て正の浸透圧が働く）濃縮側への印加圧力低減を図った
ものである。この場合、温度差をつけない場合と同一印
加圧ならば、濃縮の度合を上げることができる０以上の
ように、特開昭５５−１８２Ｔ号公報記載の方法は、′
ａ縮側液と透過側液との間に温度差をつけることを特徴
としたものである。

また、特開昭４９−１３４５７６号公報記載の発明も、
逆浸透膜による溶液の濃縮に関するものであるが、これ
は逆浸透膜の高圧側（濃縮側）に濃縮の対象となる液を
供給し、低圧側（透過側）には濃縮側から透過側への透
過液の透過圧より高い浸透圧を存する液体を通じること
を特徴とした溶液の濃縮方法である。

何れの先行技術も、逆浸透膜の濃縮側と透過側との間の
浸透圧差の低減を目積した点では、本発明と一致してい
るが、本発明は、特開昭５５−１８２７号公報記載の発
明のように、温度差浸透圧を利用したものでもないし、
また、特開昭４９−１３４５７６号公報記載の発明のよ
うに、膜の透過側に強制的に透過液より浸透圧の高い液
体を通じるものでもない、あくまで低圧用逆浸透膜の特
性を利用して浸透圧差の低減を図り、高度な濃縮を可能
としたものである。

本発明は、このような点に鑑みなされたもので、従来、
逆浸透法で濃縮し得なかった高濃度の溶液について新規
な逆浸透膜の適用を特徴とする方法及び装置を提供する
ことを目的とするものである。

〔課題を解決するための手段及び作用〕上記の目的を達
成するために、請求項１の逆浸透膜による溶液の濃縮方
法は、第１図に示すように、高濃度原液を低圧用逆浸透
膜に通し、さらに濃度の高い濃縮液と中濃度の透過液と
に分離することを特徴としている。１０は低圧用逆浸透
膜部で、エレメントの形式としては、ホローフィーバ−
型、スパイラル型、管型、プリーツ型、平板型等が適用
できる。

高濃度溶液とは、従来の高圧用逆浸透膜では処理できな
いレベルの濃度の液のことを指称し、溶液の種類によっ
てその濃度は異なる０例えば、塩水の場合は５＠ｔ％以
上の濃度のものを指称する。

また、請求項２の方法は、第２図に示すように、請求項
１の方法において、高濃度原液よりさらに濃度の高い濃
縮液を低圧用逆浸ｉ３１！！に通す工程を１〜複数回付
加することを特徴としている。第２図は、−例として３
段の低圧用逆浸透膜部を用いる場合を示している。すな
わち、第１段低圧用逆浸透膜部１０の濃縮液を第２段低
圧用逆浸透膜部１２に通し、この第２段低圧用逆浸透膜
部１２からのｉｌＩ縮液をさらに第３段低圧用逆浸透膜
部１４に通して、高濃度の濃縮液と透過液とに分離する
ようにしたものである。

さらに、請求項３の方法は、第３図に示すように、請求
項１又は２記載の方法において、透過液をその濃度に応
じて高圧用逆浸透膜または低圧用逆浸透膜に通して、濃
縮液と透過液とに分離することを特徴としている。第３
図は、−例として第２図に示す方法において、第１段低
圧用逆浸透膜部１０からの透過液を高圧用逆浸透膜部１
６に通して、［ｉｔ液と飲料水レベルの透過液とに分離
し、この濃縮液をさらに低圧用逆浸透膜部１８に通して
、濃縮液と透過液とに分離する。高圧用逆浸透膜部１６
を用いる場合は、飲料水レベルの透過液が得られるとい
う利点があるが、飲料水レベルの透過液を必要としない
場合は、高圧用逆浸透膜部１６の代りに、低圧用逆浸透
膜部を用いる。また、処理する透過液は第１段のものに
限ることなく、第２段以降のものでもよい。

また、第２図及び第３図において、同程度の濃度の濃縮
液同士、同程度の濃度の透過液同士、又は同程度の濃度
の濃縮液と透過液とを合流させて処理することもある。

そして、請求項４の装置は、第２図及び第３図に示すよ
うに、高濃度原液をさらに濃度の高い濃縮液と中濃度の
透過液とに分離する第１段低圧用逆浸透膜部１０と、こ
の第１段低圧用逆浸透膜部１０に濃縮液抜出部２０を介
して接続された第２段低圧用逆浸透膜部１２とを少なく
とも備えたことを特徴としている。

第２図及び第３図では、−例として低圧用逆浸透腹部を
３段設ける場合を示しているが、２段又は４段以上とす
る場合もある。

本願において、高圧用膜とは、塩水処理の場合を例にと
ると、１〜５ｗｔ％濃度の塩水処理の場合脱塩率が約９
８％以上のもので、一般に５０ｋｇ／ｃｄｃ以上の高圧
下で使用される膜を言う。一方、低圧用膜とは、０．１
〜１ｗｔ％程度の濃度の塩水に対し脱塩率が約９８％以
下のもので、一般に３０ｋｇ／ｃｄｃ以下の低圧下で使
用される膜を言う。両方の膜とも、中空糸型、スパイラ
ル型、背型、プリーツ型、平板型等の形式を有し、材質
としては酢酸セルロース及び高分子複合材料が用いられ
る。特に、低圧膜では合成高分子複合膜が普及している
。

逆浸透腹部を形成する場合、逆浸透膜エレメントを１つ
のモジュールとして、モジュール単位で濃縮を重ねて行
く方法と、複数個のエレメントを１つのヘラセル内に、
いわゆるリジェクトシリーズの形式で接続し、１つのモ
ジュールを形成し、このモジュール内で必要な濃縮を終
わらせる方法、さらにこれらの方法の組合せが考えられ
る。

第４図〜第６図は逆浸透腰部の一例で、スパイラル型モ
ジュールを示している。

多数の小孔２２を有するセンターパイプ２４の回りに、
扁平な袋状の逆浸透膜２６をスペーサ２８を介して円弧
状に重ねて巻いて逆浸透膜エレメント３０ｂを形成し、
このエレメントの複数個を円筒状のベッセル３２内に直
列に配置している。

３４はエンドキャップ、３６は濃縮液シール、３８はコ
ネクターである。

ヘラセル３２の一端の供給液人口４０から導入された供
給液（高濃度原液、濃縮液又は透過液）は第１段の逆浸
透膜ニレメン）３０ａの逆浸透膜２６に通され、透過液
はセンターバイブ２４内に集められ、濃縮液は第２段の
逆浸透膜エレメント３０ｂに供給される。そして、透過
液はセンターバイブ２４内に集められ、濃縮液は第３段
の逆浸透隙エレメント３Ｄｃに供給され、透過液はセン
ターバイブ２４内に集められ、前記の透過液とともに、
透過液出口４２から抜き出され、高濃度の濃縮液は濃縮
液出口４４から抜き出される。

第４図では、−例として逆浸透膜エレメントを３段に接
続する場合を示しているが、２段又は４段以上とするこ
とも勿論可能である。

低圧用逆浸透膜は通常、脱塩率が９８％以下、操作圧力
３０ｋｇ／ｅｊｃ；以下で用いられる膜であり、用途は
比較的低濃度（塩水の場合１　、０００〜１０．　ＯＯ
Ｏｐｐｍ程度）の液に対して適用される。この膜を高濃
度の液に対して適用することは、従来この種の膜が主と
して透過液側の濃度を下げる目的で使用されていたため
殆ど行われていなかった。すなわち、脱塩率が低いため
透過側に、溶質が相当量移動し所期の目的を達すること
ができなかった訳である。

本発明は、低圧用逆浸透膜のこのような性質を逆に利用
し、高濃度液をさらに濃縮できる点に注目したものであ
る。以下この濃縮の原理を述べる。

逆浸透膜に印加すべき圧力は、■　膜の濃縮側と透過側
の液の濃度差に基づく浸透圧と、■　膜内を液体が通過
する時の物理的流体圧損である。

低圧用逆浸透膜ｉ膜では溶質の排除率は高圧用逆浸透膜
に比べて、小さく、またＮ’１ｍ度が高くなるにつれて
、この排除率は低下する傾向にあるので、高濃度の溶液
を供給しても透過側の液濃度は、排除率の高い高圧用逆
浸透膜を用いる場合のように、極端な低濃度とならず、
中間濃度の溶液が得られる。この結果膜の濃縮側と透過
側の濃度差は、過大とならず、この間の浸透圧差も過大
なものとならない。

この様子を模式的に示すと第７図に示すようになる。

第７図は、一定圧力下での低圧用逆浸透膜の濃縮特性を
示した図である。すなわち濃度ａの原液を供給するとｂ
なる濃度の濃縮液と（ｂ＞ａ）、Ｃなる濃度の透過液が
得られる（ｃ＜ａ）。次に、濃度すの濃縮液を次段の逆
浸透膜への供給原液とすると、ｄなる濃度のさらに濃縮
された濃縮液と（ｄ＞ｂ）、ｅなる濃度の透過液が得ら
れる（ｅくｂ）＠この操作を繰り返すことによって高度
な濃縮が可能となる。但し第７図は、あくまで模式図で
あり実際には原液濃度が高くなるにつれ、濃縮の効率が
悪くなる（実際には、濃縮液の線と透過液の線との間隔
が徐々に狭くなる）ので、どこまでｉｌ！縮するかは、
経済性を考慮して決定する必要がある。

［実施例］ つぎに本発明の実施例について説明する。

実施例１ 下記の特性を有する低圧用逆浸透膜Ａの膜エレメントを
用いて、従来ｉ１１！縮が不可能であった６、８〜１４
．８ｗｔ％の高濃度塩水の濃縮試験を行った。

塩排除率　　９７％ 評価条件　　圧力　　　１５ｋｇ／ｃｄ（１；温度　　
　２５°Ｃ 給水濃度　ＮａＣｌとして５００ｍｇ／　ｊ２試験装置
としては、第８図に示す装置を用い、試験条件はつぎの
如くであった。第８図において、５０は供給原液槽、５
２は冷却器、５４は高圧ポンプ、５６は逆浸透膜モジュ
ール、５８は圧力調整弁、６０は濃縮液流量針、６２は
透過液流量計である。

供給液温度　　３０”Ｃ 供給圧力　　　６５ｋｇ／ｃｄＧ ｉｌｌｌｌ流水流量１５　Ｅ　／ｓｉｎこの結果、第１
表に示すような結果が得られた。

第　　　１　　　表 なお、 上表で塩除去率は次式で定義する値である。

実施例２ 下記の特性を有する低圧用逆浸透膜Ｂの膜エレメントを
用いて、従来ｆｊＡ縮が不可能であった９、８〜１４．
９ｗｔ％の高濃度塩水の濃縮試験を行った。

塩排除率　　９８％ 評価条件　　圧力　　　１５ｋｇ／ｃ１ｉＣ温度　　　
２５°Ｃ 給水濃度　ＮａＣ１として１５００ｐｐｍ試験装置とし
ては、第８図に示す装置を用い、試験条件はつぎの如く
であった。

供給液温度　　３０°Ｃ 供給圧力　　　６５ｋｇ／ｃ＋ｊＧ 濃縮水流量　　１５１１　／ｓｉｎ この結果、第２表に示すような結果が得られた。

第　　　２　　　表 ［発明の効果〕 本発明は上記のように構成されているので、ぎのような
効果を奏する。

つ （１）本発明の方法による効果は、処理する液により異
なってくるが、従来蒸発法によらざるを得なかった高濃
度液の濃縮が可能となることにより、ｖＩＡ縮に要する
エネルギーの削減が可能になる。但し本発明によっても
濃縮には限界があるので、さらなる濃縮には１発法など
によらねばならない、この場合でも、逆浸透膜による濃
縮量が増した分蒸発量が減ることになり、エネルギー削
減が可能である。

（２）また、エネルギー削減以外の効果として、本発明
の方法を果汁１縮に適用した場合、果汁の香気成分の保
持率が蒸発法に比し、はるかに高いことなどが挙げられ
る。

（３）本発明は、現在逆浸透膜処理の対象となっている
各種溶液に対し適用できる。具体的には、各種塩１！溶
液、メツキ廃液（有用金属の濃縮回収）、有機物台を廃
水、果汁、糖液等である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の逆浸透膜による溶液の１縮装置の一実
施例を示す模式図、第２図は同じく他の実施例を示す模
式図、第３図は同じくさらに他の実施例を示す模式図、
第４図は第１図〜第３図における逆浸透膜部の一例を示
し、スパイラル型モジュールを用いる場合の縦断面説明
図、第５図は第４図におけるＡ−Ａ線拡大断面説明図、
第６図は第５図における逆浸透膜の一部の拡大図、第７
図は低圧用逆浸透膜を用いた溶液濃縮における原液濃度
と濃縮液・透過液濃度との関係を模式的に示すグラフ、
第８図は実施例１、実施例２における濃縮試験に用いた
試験装置のフローを示す図である。 １ト・・第１段低圧用逆浸透膜部、１２・・・第２段低
圧用逆浸透膜部、１４・・・第３段低圧用逆浸透膜部、
１６・・・高圧用逆浸透膜部、１８・・・低圧用逆浸透
膜部、２０・・・ｆｉ縮液液抜出部２２・・・小孔、２
４・・・センターパイプ、２６・・・逆浸透膜、２８・
・・スペーサ、３０ａ、３０し、３０ｃ・・・逆浸透膜
エレメント、３２・・・ベッセル、３４・・・エンドキ
ャ・ンブ、３６・・・濃縮液シール、３８・・・コネク
ター、４ｏ・・・供給液入口、４２・・・透過液出口、
４４・・・濃縮液出口、５０・・・供給原液槽、５２・
・・冷却器、５４・・・高圧ポンプ、５６・・・逆浸透
膜モジュール、５８・・・圧力調整弁、６０・・・濃縮
液流量針、６２・・・透過液流量計 第 図 第 図 原看儂度

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　高濃度原液を低圧用逆浸透膜に通し、さらに濃度の
   高い濃縮液と中濃度の透過液とに分離することを特徴と
   する逆浸透膜による溶液の濃縮方法。 ２　高濃度原液よりさらに濃度の高い濃縮液を低圧用逆
   浸透膜に通す工程を１〜複数回付加することを特徴とす
   る請求項１記載の逆浸透膜による溶液の濃縮方法。 ３　透過液をその濃度に応じて高圧用逆浸透膜または低
   圧用逆浸透膜に通して、濃縮液と透過液とに分離するこ
   とを特徴とする請求項１又は２記載の逆浸透膜による溶
   液の濃縮方法。 ４　高濃度原液をさらに濃度の高い濃縮液と中濃度の透
   過液とに分離する第１段低圧用逆浸透膜部（１０）と、
   この第１段低圧用逆浸透膜部（１０）に濃縮液抜出部（
   ２０）を介して接続された第２段低圧用逆浸透膜部（１
   ２）とを少なくとも備えたことを特徴とする逆浸透膜に
   よる溶液の濃縮装置。