JPH08108048A - 逆浸透分離装置及び逆浸透分離方法 - Google Patents

逆浸透分離装置及び逆浸透分離方法

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JPH08108048A
JPH08108048A JP6246184A JP24618494A JPH08108048A JP H08108048 A JPH08108048 A JP H08108048A JP 6246184 A JP6246184 A JP 6246184A JP 24618494 A JP24618494 A JP 24618494A JP H08108048 A JPH08108048 A JP H08108048A
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stage
membrane
module unit
osmosis membrane
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Hiroyuki Yamamura
弘之 山村
Masaru Kurihara
優 栗原
Katsunosuke Maeda
勝之助 前田
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Toray Industries Inc
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 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
とが可能な装置および分離方法を提供する。 【構成】 逆浸透膜モジュールユニットを多段に配置
し、該逆浸透膜モジュールユニット間の濃縮液流路に昇
圧ポンプを配したことを特徴とする逆浸透分離装置。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、高濃度溶液を逆浸透分
離するための新規な逆浸透膜分離装置及び高濃度溶液の
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
ることができる装置および分離方法を提供することがで
きる。本発明の装置および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；Ｍｉｃｒｏ
ｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ）法、限外濾過（ＵＦ；Ｕｌｔｒ
ａｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ）法、逆浸透（ＲＯ；Ｒｅｖｅ
ｒｓｅ 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Ｒ
Ｏ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３０ａｔ
ｍ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９０ａｔ
ｍ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７
８ｍ３／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から１９ｍ３／日、２本目の
エレメントで１５から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Ｆｌ
ｕｘ）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Ｆ
ｌｕｘ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／ｍ
２・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２
６．５ｍ２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６３−２１８７７
３号公報、特開平４−９９１９９号公報、特公平５−１
４０３９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６３−６
９５８６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６
０％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２
０ａｔｍ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装置および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
るための装置および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、「逆浸透膜モジュールユニットを多段
に配置し、該逆浸透膜モジュールユニット間の濃縮液流
路に昇圧ポンプを配したことを特徴とする逆浸透分離装
置、および多段に配置した逆浸透膜モジュールユニット
を用いて、前段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することを特徴とする高濃度溶液
の逆浸透分離方法。」である。
【００２０】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。
【００２１】本発明において、逆浸透膜分離装置とは供
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。
【００２２】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。
【００２３】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。
【００２４】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。
【００２５】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６
０％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９
０ａｔｍ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。
【００２６】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。
【００２７】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、特にこの限りではなく、現状の４０％回収
の条件においても適用することができるが、装置全体の
エネルギーコスト低減を考慮すると、５０％以上が好ま
しく、より好ましくは５５％以上である。
【００２８】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以下であることが
最も好ましい。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、圧力は約１２０ａｔｍ（浸
透圧＋５０ａｔｍ））以下であることが望ましい。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好ましく、また、
より好ましくは、「１．３≦Ｐ（ｎ＋１）／Ｐ（ｎ）≦
１．６」が良いということを見出した。
【００２９】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１０ａｔ
ｍ〜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、かり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１００ａ
ｔｍでの運転が実施できるように少なくとも８０ａｔｍ
以上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、特に限定しないが、比較的高濃度で高い
浸透圧を有する液体である程本発明の効果が発揮され
る。
【００３３】溶質の濃度についても特に限定しないが、
溶質濃度として０．５重量％以上であることが好まし
い。また、特に好ましくは、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３
０％から７０％の範囲で低減させることが最も好まし
い。
【００３５】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。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
に運転することが最も好ましい。
【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不
可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３００ｍ
３／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。
【００４３】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４９８ｍ
３／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。
【００４４】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、１
００ｍ３／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６
５ａｔｍ，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。
【００４５】比較例２ 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。
【００４６】
【発明の効果】本発明により、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な装置および分離方法が提
供されうる。
【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
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｂ０１Ｄ 61/58 9538−4Ｄ 65/08 9538−4Ｄ Ｃ０２Ｆ 1/44 Ｇ 9538−4Ｄ Ｋ 9538−4Ｄ

Claims (25)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 逆浸透膜モジュールユニットを多段に配
    置し、該逆浸透膜モジュールユニット間の濃縮液流路に
    昇圧ポンプを配したことを特徴とする逆浸透分離装置。
  2. 【請求項２】 多段に配置した逆浸透膜モジュールユニ
    ットにおいて、次段のモジュールユニットの逆浸透膜有
    効膜面積の合計を、前段の４０％から６０％とすること
    を特徴とする請求項１記載の逆浸透膜分離装置。
  3. 【請求項３】 最終段の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装置を備えたことを特徴とす
    る請求項１記載の逆浸透膜分離装置。
  4. 【請求項４】 圧力エネルギーの回収装置が１段目モジ
    ュールユニットの供給水昇圧用高圧ポンプに連結してい
    ることを特徴とする請求項１記載の逆浸透膜分離装置。
  5. 【請求項５】 濃縮水の昇圧用ブースターポンプの吸い
    込み側ケーシングおよび軸シール部の耐圧性が５０ａｔ
    ｍ以上であることを特徴とする請求項１記載の逆浸透膜
    分離装置。
  6. 【請求項６】 多段の逆浸透膜モジュールユニットにお
    いて少なくとも最終段モジュールユニットの圧力容器の
    耐圧性が８０ａｔｍ以上であることを特徴とする請求項
    １記載の逆浸透膜分離装置。
  7. 【請求項７】 スケール防止剤の添加手段を設けたこと
    を特徴とする請求項１記載の逆浸透膜分離装置。
  8. 【請求項８】 膜濾過装置を第１段目モジュールユニッ
    トの上流側に設けたことを特徴とする請求項１記載の逆
    浸透膜分離装置。
  9. 【請求項９】 多段に配置した逆浸透膜モジュールユニ
    ットを用いて、前段の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に供給することを特徴
    とする逆浸透分離方法。
  10. 【請求項１０】「ｎ」段目の操作圧力「Ｐ（ｎ）」と
    「ｎ＋１」段目の操作圧力「Ｐ（ｎ＋１）」が、下記の
    範囲にあることを特徴とする、請求項９記載の逆浸透分
    離方法。 １．１５ ≦ Ｐ（ｎ＋１）／Ｐ（ｎ） ≦１．８
  11. 【請求項１１】 「ｎ」段目の操作圧力「Ｐ（ｎ）」と
    「ｎ＋１」段目の操作圧力「Ｐ（ｎ＋１）」が、下記の
    範囲にあることを特徴とする、請求項９記載の逆浸透分
    離方法。 １．３ ≦ Ｐ（ｎ＋１）／Ｐ（ｎ） ≦１．６
  12. 【請求項１２】 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、
    下記の関係になるように運転することを特徴とする請求
    項９記載の逆浸透分離方法。 最大濃縮水膜面流速／最小濃縮水膜面流速≦１．５
  13. 【請求項１３】 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、
    下記の関係になるように運転することを特徴とする請求
    項９記載の逆浸透分離方法。 最大濃縮水膜面流速／最小濃縮水膜面流速≦１．３
  14. 【請求項１４】 供給液が溶質濃度０．５重量％以上の
    水溶液であることを特徴とする請求項９記載の逆浸透分
    離方法。
  15. 【請求項１５】 供給液が、海水又は高濃度かん水であ
    ることを特徴とする請求項９記載の逆浸透分離方法。
  16. 【請求項１６】 多段に配置した逆浸透膜モジュールユ
    ニットにおいて、次段のモジュールユニットの透過水量
    を、前段の３０％から８０％の範囲で低減させたことを
    特徴とする請求項９記載の逆浸透膜分離装置
  17. 【請求項１７】 モジュールユニット各段から得られる
    透過水の合計量が、１段目供給水の５０％以上であるこ
    とを特徴とする請求項９記載の逆浸透膜分離装置。
  18. 【請求項１８】 各段の操作圧力と各段の濃縮液の浸透
    圧の差を５０ａｔｍ以下とすることを特徴とする請求項
    ９記載の逆浸透分離方法。
  19. 【請求項１９】１段目と最終段の膜の膜面積あたりの標
    準条件における透過流束が、下記の関係にあることを特
    徴とする請求項９記載の逆浸透分離方法。 １．０≦第１段目膜透過水量／最終段膜の透過水量≦
    １．２
  20. 【請求項２０】 １段目の逆浸透膜モジュールユニット
    の操作圧力を７０ａｔｍ以下とすることを特徴とする請
    求項９記載の逆浸透分離方法。
  21. 【請求項２１】 最終段の逆浸透膜モジュールユニット
    の操作圧力が８０から１２０ａｔｍであることを特徴と
    する請求項９記載の逆浸透分離方法。
  22. 【請求項２２】 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ことを特徴とする
    請求項９記載の逆浸透分離方法。
  23. 【請求項２３】 圧力エネルギーの回収を１段目モジュ
    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なうことを特徴とする請求項２２記
    載の逆浸透分離方法。
  24. 【請求項２４】 少なくとも最終段の供給水にスケール
    防止剤またはスケール防止剤の錯体、または複合体を含
    むことを特徴とする請求項９記載の逆浸透分離方法。
  25. 【請求項２５】 膜濾過装置の透過液を第１段目の逆浸
    透膜モジュールユニットの供給液とすることを特徴とす
    る請求項９記載の逆浸透分離方法。
JP6246184A 1994-10-12 1994-10-12 逆浸透分離装置及び逆浸透分離方法 Pending JPH08108048A (ja)

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