淡水化システム
【課題】 塩分を含む原水の量に対する生成する淡水の量、すなわち、回収率の向上を図ることができる淡水化システムを提供する。
【解決手段】 淡水化システムは、前処理装置と、加圧手段と、逆浸透膜モジュールと、電気透析装置１００と、混合ラインとを備える。加圧手段は、前処理装置で不純物が除去された原水を加圧して送出する。逆浸透膜モジュールは、加圧手段から与えられる加圧された原水を、淡水と塩分濃度が高い濃縮水とに分離する。電気透析装置１００は、逆浸透膜モジュールで分離された濃縮水が与えられ、濃縮水を、高圧のまま、塩分濃度が低い希釈水と塩分濃度が高い濃縮水とに分離する。混合ラインは、電気透析装置１００で分離された希釈水を、逆浸透膜モジュールに与えられる前の前処理装置で不純物が除去された原水に混合させる。
【解決手段】 淡水化システムは、前処理装置と、加圧手段と、逆浸透膜モジュールと、電気透析装置１００と、混合ラインとを備える。加圧手段は、前処理装置で不純物が除去された原水を加圧して送出する。逆浸透膜モジュールは、加圧手段から与えられる加圧された原水を、淡水と塩分濃度が高い濃縮水とに分離する。電気透析装置１００は、逆浸透膜モジュールで分離された濃縮水が与えられ、濃縮水を、高圧のまま、塩分濃度が低い希釈水と塩分濃度が高い濃縮水とに分離する。混合ラインは、電気透析装置１００で分離された希釈水を、逆浸透膜モジュールに与えられる前の前処理装置で不純物が除去された原水に混合させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、淡水化システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
海水やかん水等の塩分（塩類）を含む水を淡水化する方法として、蒸発法、電気透析法や逆浸透法等の方法がある。また、これら複数の方法を組合せて利用することもある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−９５８２１号公報
【特許文献２】特許第２８８７１０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、逆浸透法は、電気透析法よりも少ないエネルギで淡水化ができるが、回収率（海水原水量に対する生成する淡水量の割合）が約４５％と低く、その分、逆浸透処理前の前処理工程等のプラントが大型化し、イニシャルコストが高くなり、また、海水を逆浸透圧（約６．５ＭＰａ）に昇圧する動力費がかさみランニングコストが高くなってしまう。
【０００５】
この発明は以上の点に鑑みなされたもので、その目的は、塩分を含む原水の量に対する生成する淡水の量、すなわち、回収率の向上を図ることができる淡水化システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一実施形態に係る淡水化システムは、
塩分を含む原水に凝集剤を添加して凝集させて原水中の不純物を濾過する前処理装置と、
前記前処理装置で不純物が除去された原水を加圧して送出する加圧手段と、
前記加圧手段から与えられる加圧された原水を、淡水と塩分濃度が高い濃縮水とに分離する逆浸透膜モジュールと、
前記逆浸透膜モジュールで分離された前記濃縮水が与えられ、前記濃縮水を、高圧のまま、塩分濃度が低い希釈水と塩分濃度が高い濃縮水とに分離する電気透析装置と、
前記電気透析装置で分離された希釈水を、前記逆浸透膜モジュールに与えられる前の前記前処理装置で不純物が除去された原水に混合させる混合ラインと、を備えている。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は、一実施形態に係る淡水化システムを説明する図である。
【図２】図２は、図１に示した前処理装置を説明する図である。
【図３】図３は、図１に示した淡水化装置を説明する図である。
【図４】図４は、図３に示した電気透析装置を説明する図である。
【図５】図５は、図３に示した電気透析装置の変形例を説明する断面図である。
【図６】図６は、図５の線Ａ−Ａに沿った上記電気透析装置の変形例を説明する他の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、図面を参照しながら一実施形態に係る淡水化システムについて詳細に説明する。この実施形態において、淡水化システムは、海水やかん水等の塩分を含む水を原水として淡水化するシステムであり、以下では海水を原水とした例で説明するが、塩分を含む水であれば海水でなくても同様である。
【０００９】
図１に示すように、淡水化システム１は、送水ポンプ１０によって原水（海水）が送水される前処理装置２０と、前処理装置２０で処理された原水が導入され、脱塩した淡水と塩分の濃度が高い濃縮水とに分離する淡水化装置３０とを備えている。
【００１０】
［前処理装置］
前処理装置２０は、淡水化の処理対象である原水を前処理する装置である。
図２に示すように、前処理装置２０は、送水ポンプ１０によって送水されて原水ラインＬ１を流れる原水に、消毒剤供給ラインＬ２１を介して次亜塩素酸ナトリウム等の塩素系消毒剤を供給する消毒剤供給装置２１と、ｐＨ調剤供給ラインＬ２２を介して硫酸等のｐＨ調整剤を供給するｐＨ調整剤供給装置２２と、凝集剤供給ラインＬ２３を介して凝集剤を供給する凝集剤供給装置２３と、凝集剤が供給された原水を濾過する濾過装置２４と、濾過水ラインＬ２を介して濾過装置２４から排出される濾過水を淡水化装置３０に送る前に、脱塩素剤供給ラインＬ２５を介して、重亜硫酸ナトリウム（ＳＢＳ）等の脱塩素剤を供給して濾過水中の残留塩素を分解する脱塩素剤供給装置２５とを有している。
【００１１】
前処理装置２０では、消毒剤供給装置２１にて、消毒剤供給ラインＬ２１を介して原水に次亜塩素酸ナトリウム等の消毒剤を混合して有効塩素の酸化作用によって原水中の貝類や微生物等の繁殖を防止し、機器の閉塞や故障、ラインの閉塞、バイオファウリングによる淡水化システム１の処理効率の低下を防止することができる。
【００１２】
ｐＨ調整剤供給装置２２は、原水中のスケール成分が、濾過膜や、淡水化装置３０の逆浸透膜で濃縮されて、析出する事による膜閉塞、劣化を防止するために、ｐＨ調剤供給ラインＬ２２を介して、硫酸等のｐＨ調整剤を供給して、原水のｐＨ（海水ｐＨ８乃至９）をｐＨ６乃至７に調整する。
【００１３】
凝集剤供給装置２３は、凝集剤供給ラインＬ２３を介して原水ラインＬ１を流れる原水に凝集剤を供給する。この凝集剤は、原水中の濁質等の不純物をフロックにするものであり、例えば、塩化第２鉄等の第２鉄塩である。第２鉄塩、特に塩化第二鉄FeC13・6H2O は、凝集ｐＨを低くできることから、逆浸透膜による海水淡水化施設の前処理装置に凝集剤として使われている。
【００１４】
濾過装置２４は、原水ラインＬ１を介して流入する原水を濾過する。例えば、濾過装置２４は、ＭＦ膜モジュールを多段に配列した膜分離装置である。ＭＦ膜としては、例えば中空糸膜を挙げることができる。この濾過装置２４は、流入される原水中の固形物質を濾過して分離する。濾過装置２４で固形物質が除去された原水は、濾過水として脱塩素剤供給装置２５により、残留する消毒剤（有効塩素）を除去してから濾過水ラインＬ２を介して淡水化装置３０に流出される。また、濾過装置２４では、所定のタイミング（例えば、３０分毎）で逆洗水を逆流させて原水から除去された固形物を含む排水を排水ラインＬ２４から排出する。
【００１５】
脱塩素剤供給装置２５は、淡水化装置３０の内部に構成されている第１逆浸透膜モジュール３２に供給する濾過水に重亜硫酸ナトリウム（ＳＢＳ）等の脱塩素剤を供給して濾過水中の残留塩素を分解する事により、ポリアミド系の逆浸透膜（ＰＡ膜）を使用した第１逆浸透膜モジュール３２の塩素の酸化作用による膜の劣化を防止することができる。また、脱塩素剤の殺菌作用を利用することで、残留塩素が分解された濾過水にて淡水化装置３０で貝類や微生物等が繁殖を防止し、機器の閉塞や故障、ラインの閉塞、バイオファウリングによる淡水化装置３０の処理効率の低下を防止することができる。
【００１６】
［淡水化装置］
淡水化装置３０は、塩分を含む原水を淡水化する装置である。
図３に示すように、淡水化装置３０は、濾過水ラインＬ２から流入する原水を脱塩する第１逆浸透膜モジュール３２と、第１逆浸透膜モジュール３２から排出される濃縮水（第１濃縮水）が圧力を保ったまま流入され、圧力を下げる事無しに電気透析法で脱塩された希釈水と濃縮水を排出する電気透析装置１００と、第１逆浸透膜モジュール３２から排出時の圧力を保って電気透析装置１００から排出される濃縮水の圧力エネルギを回収して前処理濾過水（濾過水ラインＬ２を流れる水）に圧力を加えるための動力回収装置３３と、動力回収装置３３で減圧された濃縮水の流量を調整する流量調整弁３４と、第１逆浸透膜モジュール３２で脱塩された逆浸透膜透過水のｐＨを９乃至１０に調整するためにｐＨ調整剤（苛性ソーダ）を供給するｐＨ調整剤供給装置３８と、ｐＨ調整された透過水が流入する第２逆浸透膜モジュール３７と、第２逆浸透膜モジュールにてホウ素を除去した淡水の硬度を調整するカルシウム等の硬度調整剤、およびｐＨ調整剤と次亜塩素酸ナトリウム等の消毒剤を供給する調整剤供給装置３９とを有している。
【００１７】
濾過水ラインＬ２には加圧手段としての高圧ポンプ３１が設置されている。この高圧ポンプ３１は、高圧ポンプであって、前処理装置２０から送水され、ｐＨが６乃至７に調整され、脱塩素剤が混合された濾過水に第１逆浸透膜モジュール３２に必要な圧力（例えば、３乃至７ＭＰａ程度）を与え、水圧を調整した濾過水を第１逆浸透膜モジュール３２に送出する。具体的には、原水の塩分濃度が３．５％で、電気透析装置１００による第１逆浸透膜モジュール３２か排出される濃縮水に対する脱塩率が５５％の場合、約６．５ＭＰａ必要になる。
【００１８】
ここで、濾過水ラインＬ２を介して前処理装置２０から流入した濾過水の一部は高圧ポンプ３１を介して第１逆浸透膜モジュール３２に送られ、残りは、動力回収装置３３に送られる。例えば、高圧ポンプ３１は、淡水化装置３０に流入した原水の４乃至９割程度（例えば、原水の塩分濃度が３．５％で、電気透析装置１００による濃縮水に対する脱塩率が５５％の場合、９割）を第１逆浸透膜モジュール３２に送る。
【００１９】
第１逆浸透膜モジュール３２は、ポリアミド系の逆浸透膜（ＰＡ膜）を使用し、濾過水ラインＬ２を介して流入する濾過水を、濃縮水と脱塩された逆浸透膜透過水とに分離する。第１逆浸透膜モジュール３２は、海水中の塩分のほとんどが脱塩された透過水を第１逆浸透膜透過水ラインＬ３２を介して、ｐＨを９乃至１０に調整してから第２逆浸透膜モジュール３７に供給する。第２逆浸透膜モジュール３７では、透過水中のホウ素が除去され淡水として流出する。
【００２０】
また、第１逆浸透膜モジュール３２は、第１逆浸透膜モジュール３２の運転圧力エネルギをほぼ維持した状態の濃縮水を第１濃縮水ラインＬ３３を介して、電気透析装置１００に流出させる。
【００２１】
電気透析装置１００は、第１濃縮水ラインＬ３３より流入する濃縮水を（図４を使って後で説明する）、電気透析槽１０１の希釈室１１３と濃縮室１１４に供給して、電気透析にて濃縮水を希釈水とさらに濃縮された濃縮水とに分離する。その時、希釈水量と濃縮水量が８：１乃至９：１（本実施形態では、９：１）になるように流量調整弁３４を調整する。分離された濃縮水は、圧力をほぼ維持したまま動力回収装置３３に流入される。一方、同様に第１逆浸透膜モジュール３２から排出される濃縮水の圧力をほぼ維持した希釈水は、混合ラインとしての希釈水ラインＬ３４を介して第１逆浸透膜モジュール３２に流入させる濾過水ラインＬ２を流れる濾過水に合流される。その際、電気透析装置１００を通過時の圧力ヘッドの分だけ、希釈水ラインＬ３４の途中に設置した循環ポンプ４０にて加圧してから濾過水ラインＬ２を流れる濾過水に合流させる。
【００２２】
通常、原水の塩分濃度が３．５％の場合、逆浸透法では、逆浸透膜の耐圧が６．５乃至７ＭＰａのため、逆浸透膜モジュールの圧力をそれ以下にする必要がある。その場合、原水（海水）量に対する透過水量の回収率は、４５％程度となり、濃縮水の塩分濃度が３．５％×１００／４５の７．８％程度になる。次に電気透析装置１００による脱塩率５５％とした場合、希釈水の塩分濃度は、７．８％×４５／１００＝３．５％となり、原水（海水）と塩分濃度がほぼ同等の希釈水を、圧力を下げること無く、濾過水ラインＬ２を流れる濾過水に合流させる。この結果、電気透析槽１０１における希釈水量と濃縮水量の割合を９：１で運転した場合、濃縮水量の9割を第１逆浸透膜モジュール３２の原水として戻す事ができ、淡水化プラント全体の回収率（生成淡水量／原水量）が向上する。
【００２３】
動力回収装置３３は、第１濃縮水ラインＬ３５にて流入する濃縮水から、第１逆浸透膜モジュール３２に与えられた圧力エネルギを回収し、濾過水ラインＬ２を介して第１逆浸透膜モジュール３２に送る濾過水に回収したエネルギを与える。具体的には、動力回収装置３３は、第１逆浸透膜モジュール３２の運転圧力エネルギをほぼ維持した状態の濃縮水を第１逆浸透膜モジュール３２から流入する。
【００２４】
動力回収装置３３は、流入する濃縮水からエネルギを回収する。また、動力回収装置３３は、回収したエネルギを濾過水に加えて、ラインＬ３６を介して、第１逆浸透膜モジュール３２の濃縮水の圧力をほぼ同等の希釈水と合流させてから第１逆浸透膜モジュール３２に流入させる濾過水に合流させる。
【００２５】
ここで、動力回収装置３３が濃縮水から得られた圧力エネルギは、第１逆浸透膜モジュール３２で必要な圧力の一部（例えば、８乃至１０割）である。したがって、ラインＬ３６には、加圧手段としての昇圧ポンプ３５を設置し、動力回収装置３３から送られる濾過水に第１逆浸透膜モジュール３２で必要な圧力エネルギを加え、濾過水ラインＬ２を流れる濾過水に合流させる。
【００２６】
一方、動力回収装置３３は、濾過水を加圧することによって、減圧（例えば、数百ｋＰａ程度）された濃縮水を濃縮水ラインＬ３７から排出する。なお、濃縮水量は、流量調整弁３４で調整される。また、排出された濃縮水は、排水に必要な処理（例えば、海水との混合による希薄化）を施した後には放水することができる。
【００２７】
例えば、動力回収装置３３には、多段タービン水車方式等のタービン式やピストン式等の方法で圧力エネルギから動力を回収する装置を利用することが可能である。この動力回収装置３３の性能に応じて濃縮水から回収して濾過水に与えることのできる圧力が異なる。
【００２８】
次に、第２逆浸透膜モジュール３７は、第１逆浸透膜モジュール３２（ＰＡ膜）の後段に配置されており、第１逆浸透膜モジュール３２から流出する透過水が第１逆浸透膜透過水ラインＬ３２を介して第２逆浸透膜モジュール３７に流入する。第１逆浸透膜透過水ラインＬ３２には昇圧ポンプ３６が配置されており、この昇圧ポンプ３６によって第１逆浸透膜モジュール３２の透過水に圧力を加えて第２逆浸透膜モジュール３７で必要な水圧（例えば、１〜３Ｐａ）に調整する。また、逆浸透膜透過水ラインＬ３２にはｐＨ調整剤ラインＬ３８が接続されており、苛性ソーダ等のｐＨ調整剤を第１逆浸透膜透過水に混合されてｐＨ値が９以上に調整される。
【００２９】
第２逆浸透膜モジュール３７は、アセチレンセルロース系の逆浸透膜（ＣＡ膜）であって、第１逆浸透膜透過水ラインＬ３２を介して流入する透過水を、濃縮水と淡水とに分離し、分離された濃縮水を第２濃縮水ラインＬ４０を介して濾過水ラインＬ２に循環させる。また、第２逆浸透膜モジュール３７を透過した淡水は、調整剤供給装置３９によって供給される調整剤によって硬度とｐＨ値が飲料水の基準に調整された後に淡水ラインＬ３を介して淡水化システム１から流出する。
【００３０】
第２逆浸透膜モジュール３７に送水される透過水は、苛性ソーダ水の混合によってｐＨ値９以上にされている為、原水中にホウ酸として溶解しているホウ素は、ホウ酸イオンに解離され、膜分離することができる。このように、透過水中のホウ素をホウ酸イオンにして第２逆浸透膜モジュール３７で分離することで、淡水化システムの処理水として得られる淡水中の残留ホウ素濃度を低減することができる。
【００３１】
淡水ラインＬ３には、調整剤ラインＬ３９が接続されており、調整剤供給装置３９から、この調整剤ラインＬ３９を介して淡水の硬度とｐＨ値を調整する調整剤を淡水に供給し、淡水を飲料水の基準値に調整する。硬度とｐＨ値が調整された淡水は、淡水ラインＬ３を介して淡水化システム１から流出される。調整剤供給装置３９は、硬度及びｐＨ値の調整のため、例えば、石灰等のカルシウムを調整剤として淡水に供給する。
【００３２】
第２逆浸透膜モジュール３７を透過して得られる淡水は、逆浸透の前に苛性ソーダを混合して第１逆浸透膜モジュール３２の透過水をアルカリ性にしているため、淡水化装置３０で得られる淡水は、腐食性が高いとともに水質基準を満たさない。また、第２逆浸透膜モジュール３７で得られる淡水は、カルシウムイオン及びマグネシウムイオンの硬度成分の含有量が少ない。したがって、ランゲリア指数を改善し、飲料水として味を改善するとともに、管材からの成分溶出を防止するために、淡水に調整剤を混合して淡水の硬度やｐＨ値を調整する。
【００３３】
また、国によっては（例えば、日本）、淡水をユーザに配水する前に、殺菌作用を持続させるため、次亜塩素酸ナトリウム等の消毒剤を添加して淡水中の残塩濃度を保つ必要がある。（例えば０．１mg/L以上）その場合、調整剤供給装置３９より淡水に次亜塩素酸ナトリウムを供給する。
【００３４】
［電気透析装置］
電気透析装置１００は、隔膜型の電気透析装置である。
図４に示すように、電気透析装置１００は、陰極１０９が設置される陰極室１１０と、陽極１１１が設置される陽極室１１２と、陰極室１１０と陽極室１１２との間に交互に設けられる複数の希釈室１１３及び濃縮室１１４と、陰極室１１０と希釈室１１３、希釈室１１３と濃縮室１１４又は希釈室１１３と陽極室１１２の間を隔てるために交互に設けられる複数の陰イオン交換膜１１５及び陽イオン交換膜１１６とを有している。また、陽極、陰極側とも、最初に接するのは、陽イオン交換膜１１６として、それぞれの内側に陰イオン交換膜、さらに内側に陽イオン交換膜の順番でイオン交換膜が配置されている。
【００３５】
陰極室１１０及び陽極室１１２は、濃縮室１１４及び希釈室１１３の両側を挟んでいる。電気透析装置１００は電気透析槽１０１を有している。陽イオン交換膜１１６及び陰イオン交換膜１１５は、電気透析槽１０１内を、濃縮室１１４、希釈室１１３、陰極室１１０及び陽極室１１２、に隔てる。
【００３６】
各希釈室１１３及び濃縮室１１４には第１濃縮水ラインＬ３３が接続されており、第１逆浸透膜モジュール３２から排出される濃縮水が希釈室１１３と濃縮室１１４に流入する。希釈室１１３及び濃縮室１１４が流入する原水には、ナトリウムイオン（Ｎａ＋）、塩化物イオン（Ｃｌ−）、水素イオン（Ｈ＋）、硫酸イオン（ＳＯ４２−）等を含んでいる。
【００３７】
陰極１０９と陽極１１１との間に電圧をかけると、希釈室１１３内の原水中のナトリウムイオン等の陽イオンは、陽イオン交換膜１１６を透過して濃縮室１１４又は陰極室１１０に移動する。一方、希釈室１１３内の原水中の塩化物イオン等の陰イオンは、陰イオン交換膜１１５を透過して濃縮室１１４又は陽極室１１２に移動する。
【００３８】
陰極室１１０には、陰極液供給ラインＬ１０１が接続されており、この陰極液供給ラインＬ１０１を介してｐＨ値が２乃至３に調整した３％硫酸ナトリウム水溶液等の電極液を循環ポンプ１０７を使って電極液タンク１０６から流入させる。陰極室１１０では、希釈室１１３からナトリウムイオンが移動すると、ナトリウムイオンの濃度が上がり、０．０１乃至１規定の苛性ソーダ水が生成される。具体的には、電気透析により陰極室１１０内の原水（海水）に含まれるナトリウムイオンが濃縮され、陰極１０９の表面で水が電気分解して生成する水酸化物イオンからなる苛性ソーダとなる。また、陰極室１１０では苛性ソーダ水の生成の際に水素が発生（副生成）する。
【００３９】
陰極室１１０には、陰極液排出ラインＬ１０２が、陰極室の上部の陰極液出口１２５（排出口）に接続されている。陽極室１１２には、陽極液排出ラインＬ１０６が、陽極室の上部の陽極液出口１２４（排出口）に接続されている。
【００４０】
ここで、濃縮室１１４、希釈室１１３、陰極室１１０及び陽極室１１２は、陰極室及び陽極室に与えられる電極液中の溶存ガスが浮き上がる方向に垂直な方向に隣合っている。陰極液出口１２５及び陽極液出口１２４は、陰極室１１０及び陽極室１１２の、それぞれ電極液中の溶存ガスが浮き上がる側に位置している。
【００４１】
陰極室１１０で生成された苛性ソーダと水素、硫酸ナトリウムは、陰極液排出ラインＬ１０２を介して気液分離タンク１０２に供給される。気液分離タンク１０２では、水素と苛性ソーダを含む電極液とに気液分離して、気体の水素は、圧力調整弁１０４にて減圧されてから水素ラインＬ１０４を介して排出される。一方、苛性ソーダよりアルカリ性の電極液は、陽極室１１２から排出された陽極液と合流して電極液タンク１０６で混合される。
【００４２】
陽極室１１２には、陽極液供給ラインＬ１０５が接続されており、この陽極液供給ラインＬ１０５を介してｐＨ値が２乃至３に調整した３％硫酸ナトリウム水溶液などの電極液が、循環ポンプ１０８を使って電極液タンク１０６から流入される。陽極室１１２では、陽極室１１２中のナトリウムイオンが濃縮室１１４に移動すると、陽極１１１で水が電気分解されて酸素が発生する。また、水素イオンが生成し、酸性水となってｐＨが低下する。
【００４３】
陽極室１１２で生成された酸性水と水素、残っている硫酸ナトリウムは、陽極液排出ラインＬ１０６を介して気液分離タンク１０３に供給される。気液分離タンク１０６では、酸素と酸性水を含む電極液とに気液分離して、気体の酸素は、圧力調整弁１０５にて減圧されてから酸素ラインＬ１０８を介して排出される。一方、酸性水より酸性の電極液は、陰極室１１０から排出された陰極液と合流して電極液タンク１０６で混合される。
【００４４】
電極液タンク１０６では、陰極室１１０で生成した苛性ソーダと陽極室１１２で酸性水が混合されて中和される。結果、電極液の硫酸ナトリウムの量、ｐＨが元に戻り、陽極室１１２と陰極室１１０に送られる事になる。従って、陽極室１１２と陰極室１１０から排出されるそれぞれの電極液を気液分離してから、電極液は、硫酸ナトリウム水溶液にして、陽極室と陰極室から排出されるそれぞれの電極液を気液分離してから、液体部分（脱気された電極液）を減圧することなく混合することにより、電極液は、新たに薬品を添加することなく循環させる事ができる。
【００４５】
この実施形態において、電極液タンク１０６、及び循環ポンプ１０７、１０８は、電極液供給手段として機能し、それぞれ陰極室１１０及び陽極室１１２から排出される電極液を、減圧することなく混合し、再度、陰極室及び陽極室に与えることができる。
【００４６】
より詳しくは、電極液タンク１０６、及び循環ポンプ１０７、１０８は、気液分離タンク１０２、１０３で脱気された電極液を、減圧することなく混合することができる。
【００４７】
また、陽極室１１２、陰極室１１０、希釈室１１３及び濃縮室１１４の圧力が、第１逆浸透膜モジュール３２から排出される濃縮水と同等の圧力になる様に圧力を調整する。特に第１逆浸透膜モジュール３２で分離された濃縮水を分けて、電気透析槽１０１の希釈室１１３と濃縮室１１４とに供給する事により、また、陽極液と陰極液を減圧・再加圧が不要な循環式混合式にする事により各室の圧力を一定に保つことができる。
【００４８】
結果、各室間で圧力差が無くなり、イオン交換膜が破損するのを防止できる。また、イオン交換膜が破損しないようにするイオン交換膜の支持セパレータを薄くでき、結果、電気透析時の効率を向上できる。また、気液分離タンクを設ける事により陽極液、陰極液の混合前に酸素と水素を分離除去（脱気）しておく事により爆発する危険がなく電極液を混合できる。
【００４９】
この実施形態において、循環ポンプ１０７、１０８は、圧力調整手段として機能し、濃縮室１１４及び希釈室１１３に与える濃縮水の圧力と、陰極室１１０及び陽極室１１２に与える電極液の圧力と、が同じになるように調整することができる。
【００５０】
また、複数の陽イオン交換膜１１６と陰イオン交換膜１１５の対の両側を陽イオン交換膜１１６としている。すなわち、陰極室１１０及び陽極室１１２は、それぞれ陽イオン交換膜１１６で隔てられている。特に、陽極側を陰イオン交換膜１１５ではなく陽イオン交換膜１１６にする事により、両電極液の混合循環が可能にでき、上記の両電極液の混合循環にする事による効果を得ることができる。
【００５１】
電気透析槽１０１のイオン交換膜対が縦になる様に、希釈室１１３、濃縮室１１４、電極室（１１０、１１２）を配置している。すなわち、陰極室１１０及び陽極室１１２に与えられる電極液中の溶存ガスが浮き上がる方向に垂直な方向に、濃縮室１１４、希釈室１１３、陰極室１１０及び陽極室１１２は隣合っている。
【００５２】
そして、電極室の上方（電極液中の溶存ガスが浮き上がる側）から電極液を排出する事により電極室に水素や酸素の気体が開滞留する事無く、さらに気液分離タンク１０２、１０３で分離する事ができる。結果、電極表面、イオン交換膜を表面に気泡がたまる事なく、効率良く電気透析を行う事が出来る。
【００５３】
また、陰極室１１０で生成されて水素ラインＬ１０４から排出する水素と、陽極室１１２で生成されて酸素ラインＬ１０８から排出される酸素は、燃料電池等の発電装置（図示せず）で利用可能であり、淡水化システム１に必要な電力を発電する燃料として利用することができる。
【００５４】
以上のように構成された一実施形態に係る淡水化システムによれば、淡水化システム１は、前処理装置２０と、加圧手段としての高圧ポンプ３１又は昇圧ポンプ３５と、第１逆浸透膜モジュール３２と、電気透析装置１００と、混合ラインとしての希釈水ラインＬ３４と、を備えている。
【００５５】
淡水化システム１は、逆浸透法と電気透析法を組合せて使用するものである。逆浸透法により、淡水と、濃縮水とに分離することができる。電気透析法により、逆浸透法により分離された濃縮水から脱塩した希釈水を生成することができる。電気透析法により生成した希釈水は、海水原水に戻され、再度、逆浸透法で淡水化する事ができる。
【００５６】
上記のことから、塩分を含む原水の量に対する生成する淡水の量、すなわち、回収率の向上を図ることができる淡水化システム１を得ることができる。
【００５７】
［変形例］
次に、上記実施形態に係る電気透析装置１００の変形例について説明する。この変形例において、上記実施形態と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。電気透析装置１００の変形例を図５及び図６に示す。
【００５８】
図５及び図６に示すように、電気透析装置１００を図４のイオン交換膜の平行配置型からスパイラル型に変更した構造である。陰極室１１０及び陽極室１１２は、一方が容器１２６（電気透析槽）の中心側に位置し、他方が容器１２６の外周側に位置している。ここでは、陽極室１１２が容器１２６の中心側に位置し、陰極室１１０が容器１２６の外周側に位置している。複数の陽イオン交換膜１１６及び陰イオン交換膜１１５は、筒状に形成されている。
【００５９】
また、第１逆浸透膜モジュール３２から排出される濃縮水は、ＲＯ濃縮水入口１２０より全てのスパイラル構造の内周から外周の平行に流れるように流入させて反対側の濃縮水出口１２１から排出される。また、ＲＯ濃縮水入口１２０では、希釈室１１３の外周側のみに第１逆浸透膜モジュール３２から排出される濃縮水を流入させてスパイラル状に内周側に向かうように流して、脱塩する。脱塩された希釈水は、スパイラル構造の内周側の希釈室１１３から排出される。
【００６０】
言い換えると、濃縮室１１４及び希釈室１１３は、第１逆浸透膜モジュール３２で分離された濃縮水のイオン移動を行いつつ、容器１２６の外周側から中心側に向かった濃縮水の流れを形成する。
【００６１】
このような構造にする事により、以下の効果を得ることができる。
【００６２】
（１）電流が放射状に均一にながれるため、イオン移動にムラが無くなり脱塩効率が向上する。
【００６３】
（２）円筒状にする事により、モジュール化ができ、モジュール交換が容易でメンテナンスしやすくなる。また、耐圧構造、かつ、小型が容易であり、平板型のように大型化して、逆浸透圧力にするための大規模な圧力容器にする必要はない。
【００６４】
なお、この発明は上記実施の形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化可能である。また、上記実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。
本発明は、上記淡水化システムに限らず、各種の淡水化システムに適用することが可能である。
【符号の説明】
【００６５】
１…淡水化システム、２０…前処理装置、３０…淡水化装置、３１…高圧ポンプ、３２…第１逆浸透膜モジュール、３４…流量調整弁、３５…昇圧ポンプ、３６…昇圧ポンプ、４０…循環ポンプ、１００…電気透析装置、１０１…電気透析槽、１０２，１０３…気液分離タンク、１０６…電極液タンク、１０７，１０８…循環ポンプ、１０９…陰極、１１０…陰極室、１１１…陽極、１１２…陽極室、１１３…希釈室、１１４…濃縮室、１１５…陰イオン交換膜、１１６…陽イオン交換膜、１２４…陽極液出口、１２５…陰極液出口、１２６…容器、Ｌ１…原水ライン、Ｌ３３…濃縮水ライン、Ｌ３４…希釈水ライン。
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、淡水化システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
海水やかん水等の塩分（塩類）を含む水を淡水化する方法として、蒸発法、電気透析法や逆浸透法等の方法がある。また、これら複数の方法を組合せて利用することもある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−９５８２１号公報
【特許文献２】特許第２８８７１０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、逆浸透法は、電気透析法よりも少ないエネルギで淡水化ができるが、回収率（海水原水量に対する生成する淡水量の割合）が約４５％と低く、その分、逆浸透処理前の前処理工程等のプラントが大型化し、イニシャルコストが高くなり、また、海水を逆浸透圧（約６．５ＭＰａ）に昇圧する動力費がかさみランニングコストが高くなってしまう。
【０００５】
この発明は以上の点に鑑みなされたもので、その目的は、塩分を含む原水の量に対する生成する淡水の量、すなわち、回収率の向上を図ることができる淡水化システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一実施形態に係る淡水化システムは、
塩分を含む原水に凝集剤を添加して凝集させて原水中の不純物を濾過する前処理装置と、
前記前処理装置で不純物が除去された原水を加圧して送出する加圧手段と、
前記加圧手段から与えられる加圧された原水を、淡水と塩分濃度が高い濃縮水とに分離する逆浸透膜モジュールと、
前記逆浸透膜モジュールで分離された前記濃縮水が与えられ、前記濃縮水を、高圧のまま、塩分濃度が低い希釈水と塩分濃度が高い濃縮水とに分離する電気透析装置と、
前記電気透析装置で分離された希釈水を、前記逆浸透膜モジュールに与えられる前の前記前処理装置で不純物が除去された原水に混合させる混合ラインと、を備えている。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は、一実施形態に係る淡水化システムを説明する図である。
【図２】図２は、図１に示した前処理装置を説明する図である。
【図３】図３は、図１に示した淡水化装置を説明する図である。
【図４】図４は、図３に示した電気透析装置を説明する図である。
【図５】図５は、図３に示した電気透析装置の変形例を説明する断面図である。
【図６】図６は、図５の線Ａ−Ａに沿った上記電気透析装置の変形例を説明する他の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、図面を参照しながら一実施形態に係る淡水化システムについて詳細に説明する。この実施形態において、淡水化システムは、海水やかん水等の塩分を含む水を原水として淡水化するシステムであり、以下では海水を原水とした例で説明するが、塩分を含む水であれば海水でなくても同様である。
【０００９】
図１に示すように、淡水化システム１は、送水ポンプ１０によって原水（海水）が送水される前処理装置２０と、前処理装置２０で処理された原水が導入され、脱塩した淡水と塩分の濃度が高い濃縮水とに分離する淡水化装置３０とを備えている。
【００１０】
［前処理装置］
前処理装置２０は、淡水化の処理対象である原水を前処理する装置である。
図２に示すように、前処理装置２０は、送水ポンプ１０によって送水されて原水ラインＬ１を流れる原水に、消毒剤供給ラインＬ２１を介して次亜塩素酸ナトリウム等の塩素系消毒剤を供給する消毒剤供給装置２１と、ｐＨ調剤供給ラインＬ２２を介して硫酸等のｐＨ調整剤を供給するｐＨ調整剤供給装置２２と、凝集剤供給ラインＬ２３を介して凝集剤を供給する凝集剤供給装置２３と、凝集剤が供給された原水を濾過する濾過装置２４と、濾過水ラインＬ２を介して濾過装置２４から排出される濾過水を淡水化装置３０に送る前に、脱塩素剤供給ラインＬ２５を介して、重亜硫酸ナトリウム（ＳＢＳ）等の脱塩素剤を供給して濾過水中の残留塩素を分解する脱塩素剤供給装置２５とを有している。
【００１１】
前処理装置２０では、消毒剤供給装置２１にて、消毒剤供給ラインＬ２１を介して原水に次亜塩素酸ナトリウム等の消毒剤を混合して有効塩素の酸化作用によって原水中の貝類や微生物等の繁殖を防止し、機器の閉塞や故障、ラインの閉塞、バイオファウリングによる淡水化システム１の処理効率の低下を防止することができる。
【００１２】
ｐＨ調整剤供給装置２２は、原水中のスケール成分が、濾過膜や、淡水化装置３０の逆浸透膜で濃縮されて、析出する事による膜閉塞、劣化を防止するために、ｐＨ調剤供給ラインＬ２２を介して、硫酸等のｐＨ調整剤を供給して、原水のｐＨ（海水ｐＨ８乃至９）をｐＨ６乃至７に調整する。
【００１３】
凝集剤供給装置２３は、凝集剤供給ラインＬ２３を介して原水ラインＬ１を流れる原水に凝集剤を供給する。この凝集剤は、原水中の濁質等の不純物をフロックにするものであり、例えば、塩化第２鉄等の第２鉄塩である。第２鉄塩、特に塩化第二鉄FeC13・6H2O は、凝集ｐＨを低くできることから、逆浸透膜による海水淡水化施設の前処理装置に凝集剤として使われている。
【００１４】
濾過装置２４は、原水ラインＬ１を介して流入する原水を濾過する。例えば、濾過装置２４は、ＭＦ膜モジュールを多段に配列した膜分離装置である。ＭＦ膜としては、例えば中空糸膜を挙げることができる。この濾過装置２４は、流入される原水中の固形物質を濾過して分離する。濾過装置２４で固形物質が除去された原水は、濾過水として脱塩素剤供給装置２５により、残留する消毒剤（有効塩素）を除去してから濾過水ラインＬ２を介して淡水化装置３０に流出される。また、濾過装置２４では、所定のタイミング（例えば、３０分毎）で逆洗水を逆流させて原水から除去された固形物を含む排水を排水ラインＬ２４から排出する。
【００１５】
脱塩素剤供給装置２５は、淡水化装置３０の内部に構成されている第１逆浸透膜モジュール３２に供給する濾過水に重亜硫酸ナトリウム（ＳＢＳ）等の脱塩素剤を供給して濾過水中の残留塩素を分解する事により、ポリアミド系の逆浸透膜（ＰＡ膜）を使用した第１逆浸透膜モジュール３２の塩素の酸化作用による膜の劣化を防止することができる。また、脱塩素剤の殺菌作用を利用することで、残留塩素が分解された濾過水にて淡水化装置３０で貝類や微生物等が繁殖を防止し、機器の閉塞や故障、ラインの閉塞、バイオファウリングによる淡水化装置３０の処理効率の低下を防止することができる。
【００１６】
［淡水化装置］
淡水化装置３０は、塩分を含む原水を淡水化する装置である。
図３に示すように、淡水化装置３０は、濾過水ラインＬ２から流入する原水を脱塩する第１逆浸透膜モジュール３２と、第１逆浸透膜モジュール３２から排出される濃縮水（第１濃縮水）が圧力を保ったまま流入され、圧力を下げる事無しに電気透析法で脱塩された希釈水と濃縮水を排出する電気透析装置１００と、第１逆浸透膜モジュール３２から排出時の圧力を保って電気透析装置１００から排出される濃縮水の圧力エネルギを回収して前処理濾過水（濾過水ラインＬ２を流れる水）に圧力を加えるための動力回収装置３３と、動力回収装置３３で減圧された濃縮水の流量を調整する流量調整弁３４と、第１逆浸透膜モジュール３２で脱塩された逆浸透膜透過水のｐＨを９乃至１０に調整するためにｐＨ調整剤（苛性ソーダ）を供給するｐＨ調整剤供給装置３８と、ｐＨ調整された透過水が流入する第２逆浸透膜モジュール３７と、第２逆浸透膜モジュールにてホウ素を除去した淡水の硬度を調整するカルシウム等の硬度調整剤、およびｐＨ調整剤と次亜塩素酸ナトリウム等の消毒剤を供給する調整剤供給装置３９とを有している。
【００１７】
濾過水ラインＬ２には加圧手段としての高圧ポンプ３１が設置されている。この高圧ポンプ３１は、高圧ポンプであって、前処理装置２０から送水され、ｐＨが６乃至７に調整され、脱塩素剤が混合された濾過水に第１逆浸透膜モジュール３２に必要な圧力（例えば、３乃至７ＭＰａ程度）を与え、水圧を調整した濾過水を第１逆浸透膜モジュール３２に送出する。具体的には、原水の塩分濃度が３．５％で、電気透析装置１００による第１逆浸透膜モジュール３２か排出される濃縮水に対する脱塩率が５５％の場合、約６．５ＭＰａ必要になる。
【００１８】
ここで、濾過水ラインＬ２を介して前処理装置２０から流入した濾過水の一部は高圧ポンプ３１を介して第１逆浸透膜モジュール３２に送られ、残りは、動力回収装置３３に送られる。例えば、高圧ポンプ３１は、淡水化装置３０に流入した原水の４乃至９割程度（例えば、原水の塩分濃度が３．５％で、電気透析装置１００による濃縮水に対する脱塩率が５５％の場合、９割）を第１逆浸透膜モジュール３２に送る。
【００１９】
第１逆浸透膜モジュール３２は、ポリアミド系の逆浸透膜（ＰＡ膜）を使用し、濾過水ラインＬ２を介して流入する濾過水を、濃縮水と脱塩された逆浸透膜透過水とに分離する。第１逆浸透膜モジュール３２は、海水中の塩分のほとんどが脱塩された透過水を第１逆浸透膜透過水ラインＬ３２を介して、ｐＨを９乃至１０に調整してから第２逆浸透膜モジュール３７に供給する。第２逆浸透膜モジュール３７では、透過水中のホウ素が除去され淡水として流出する。
【００２０】
また、第１逆浸透膜モジュール３２は、第１逆浸透膜モジュール３２の運転圧力エネルギをほぼ維持した状態の濃縮水を第１濃縮水ラインＬ３３を介して、電気透析装置１００に流出させる。
【００２１】
電気透析装置１００は、第１濃縮水ラインＬ３３より流入する濃縮水を（図４を使って後で説明する）、電気透析槽１０１の希釈室１１３と濃縮室１１４に供給して、電気透析にて濃縮水を希釈水とさらに濃縮された濃縮水とに分離する。その時、希釈水量と濃縮水量が８：１乃至９：１（本実施形態では、９：１）になるように流量調整弁３４を調整する。分離された濃縮水は、圧力をほぼ維持したまま動力回収装置３３に流入される。一方、同様に第１逆浸透膜モジュール３２から排出される濃縮水の圧力をほぼ維持した希釈水は、混合ラインとしての希釈水ラインＬ３４を介して第１逆浸透膜モジュール３２に流入させる濾過水ラインＬ２を流れる濾過水に合流される。その際、電気透析装置１００を通過時の圧力ヘッドの分だけ、希釈水ラインＬ３４の途中に設置した循環ポンプ４０にて加圧してから濾過水ラインＬ２を流れる濾過水に合流させる。
【００２２】
通常、原水の塩分濃度が３．５％の場合、逆浸透法では、逆浸透膜の耐圧が６．５乃至７ＭＰａのため、逆浸透膜モジュールの圧力をそれ以下にする必要がある。その場合、原水（海水）量に対する透過水量の回収率は、４５％程度となり、濃縮水の塩分濃度が３．５％×１００／４５の７．８％程度になる。次に電気透析装置１００による脱塩率５５％とした場合、希釈水の塩分濃度は、７．８％×４５／１００＝３．５％となり、原水（海水）と塩分濃度がほぼ同等の希釈水を、圧力を下げること無く、濾過水ラインＬ２を流れる濾過水に合流させる。この結果、電気透析槽１０１における希釈水量と濃縮水量の割合を９：１で運転した場合、濃縮水量の9割を第１逆浸透膜モジュール３２の原水として戻す事ができ、淡水化プラント全体の回収率（生成淡水量／原水量）が向上する。
【００２３】
動力回収装置３３は、第１濃縮水ラインＬ３５にて流入する濃縮水から、第１逆浸透膜モジュール３２に与えられた圧力エネルギを回収し、濾過水ラインＬ２を介して第１逆浸透膜モジュール３２に送る濾過水に回収したエネルギを与える。具体的には、動力回収装置３３は、第１逆浸透膜モジュール３２の運転圧力エネルギをほぼ維持した状態の濃縮水を第１逆浸透膜モジュール３２から流入する。
【００２４】
動力回収装置３３は、流入する濃縮水からエネルギを回収する。また、動力回収装置３３は、回収したエネルギを濾過水に加えて、ラインＬ３６を介して、第１逆浸透膜モジュール３２の濃縮水の圧力をほぼ同等の希釈水と合流させてから第１逆浸透膜モジュール３２に流入させる濾過水に合流させる。
【００２５】
ここで、動力回収装置３３が濃縮水から得られた圧力エネルギは、第１逆浸透膜モジュール３２で必要な圧力の一部（例えば、８乃至１０割）である。したがって、ラインＬ３６には、加圧手段としての昇圧ポンプ３５を設置し、動力回収装置３３から送られる濾過水に第１逆浸透膜モジュール３２で必要な圧力エネルギを加え、濾過水ラインＬ２を流れる濾過水に合流させる。
【００２６】
一方、動力回収装置３３は、濾過水を加圧することによって、減圧（例えば、数百ｋＰａ程度）された濃縮水を濃縮水ラインＬ３７から排出する。なお、濃縮水量は、流量調整弁３４で調整される。また、排出された濃縮水は、排水に必要な処理（例えば、海水との混合による希薄化）を施した後には放水することができる。
【００２７】
例えば、動力回収装置３３には、多段タービン水車方式等のタービン式やピストン式等の方法で圧力エネルギから動力を回収する装置を利用することが可能である。この動力回収装置３３の性能に応じて濃縮水から回収して濾過水に与えることのできる圧力が異なる。
【００２８】
次に、第２逆浸透膜モジュール３７は、第１逆浸透膜モジュール３２（ＰＡ膜）の後段に配置されており、第１逆浸透膜モジュール３２から流出する透過水が第１逆浸透膜透過水ラインＬ３２を介して第２逆浸透膜モジュール３７に流入する。第１逆浸透膜透過水ラインＬ３２には昇圧ポンプ３６が配置されており、この昇圧ポンプ３６によって第１逆浸透膜モジュール３２の透過水に圧力を加えて第２逆浸透膜モジュール３７で必要な水圧（例えば、１〜３Ｐａ）に調整する。また、逆浸透膜透過水ラインＬ３２にはｐＨ調整剤ラインＬ３８が接続されており、苛性ソーダ等のｐＨ調整剤を第１逆浸透膜透過水に混合されてｐＨ値が９以上に調整される。
【００２９】
第２逆浸透膜モジュール３７は、アセチレンセルロース系の逆浸透膜（ＣＡ膜）であって、第１逆浸透膜透過水ラインＬ３２を介して流入する透過水を、濃縮水と淡水とに分離し、分離された濃縮水を第２濃縮水ラインＬ４０を介して濾過水ラインＬ２に循環させる。また、第２逆浸透膜モジュール３７を透過した淡水は、調整剤供給装置３９によって供給される調整剤によって硬度とｐＨ値が飲料水の基準に調整された後に淡水ラインＬ３を介して淡水化システム１から流出する。
【００３０】
第２逆浸透膜モジュール３７に送水される透過水は、苛性ソーダ水の混合によってｐＨ値９以上にされている為、原水中にホウ酸として溶解しているホウ素は、ホウ酸イオンに解離され、膜分離することができる。このように、透過水中のホウ素をホウ酸イオンにして第２逆浸透膜モジュール３７で分離することで、淡水化システムの処理水として得られる淡水中の残留ホウ素濃度を低減することができる。
【００３１】
淡水ラインＬ３には、調整剤ラインＬ３９が接続されており、調整剤供給装置３９から、この調整剤ラインＬ３９を介して淡水の硬度とｐＨ値を調整する調整剤を淡水に供給し、淡水を飲料水の基準値に調整する。硬度とｐＨ値が調整された淡水は、淡水ラインＬ３を介して淡水化システム１から流出される。調整剤供給装置３９は、硬度及びｐＨ値の調整のため、例えば、石灰等のカルシウムを調整剤として淡水に供給する。
【００３２】
第２逆浸透膜モジュール３７を透過して得られる淡水は、逆浸透の前に苛性ソーダを混合して第１逆浸透膜モジュール３２の透過水をアルカリ性にしているため、淡水化装置３０で得られる淡水は、腐食性が高いとともに水質基準を満たさない。また、第２逆浸透膜モジュール３７で得られる淡水は、カルシウムイオン及びマグネシウムイオンの硬度成分の含有量が少ない。したがって、ランゲリア指数を改善し、飲料水として味を改善するとともに、管材からの成分溶出を防止するために、淡水に調整剤を混合して淡水の硬度やｐＨ値を調整する。
【００３３】
また、国によっては（例えば、日本）、淡水をユーザに配水する前に、殺菌作用を持続させるため、次亜塩素酸ナトリウム等の消毒剤を添加して淡水中の残塩濃度を保つ必要がある。（例えば０．１mg/L以上）その場合、調整剤供給装置３９より淡水に次亜塩素酸ナトリウムを供給する。
【００３４】
［電気透析装置］
電気透析装置１００は、隔膜型の電気透析装置である。
図４に示すように、電気透析装置１００は、陰極１０９が設置される陰極室１１０と、陽極１１１が設置される陽極室１１２と、陰極室１１０と陽極室１１２との間に交互に設けられる複数の希釈室１１３及び濃縮室１１４と、陰極室１１０と希釈室１１３、希釈室１１３と濃縮室１１４又は希釈室１１３と陽極室１１２の間を隔てるために交互に設けられる複数の陰イオン交換膜１１５及び陽イオン交換膜１１６とを有している。また、陽極、陰極側とも、最初に接するのは、陽イオン交換膜１１６として、それぞれの内側に陰イオン交換膜、さらに内側に陽イオン交換膜の順番でイオン交換膜が配置されている。
【００３５】
陰極室１１０及び陽極室１１２は、濃縮室１１４及び希釈室１１３の両側を挟んでいる。電気透析装置１００は電気透析槽１０１を有している。陽イオン交換膜１１６及び陰イオン交換膜１１５は、電気透析槽１０１内を、濃縮室１１４、希釈室１１３、陰極室１１０及び陽極室１１２、に隔てる。
【００３６】
各希釈室１１３及び濃縮室１１４には第１濃縮水ラインＬ３３が接続されており、第１逆浸透膜モジュール３２から排出される濃縮水が希釈室１１３と濃縮室１１４に流入する。希釈室１１３及び濃縮室１１４が流入する原水には、ナトリウムイオン（Ｎａ＋）、塩化物イオン（Ｃｌ−）、水素イオン（Ｈ＋）、硫酸イオン（ＳＯ４２−）等を含んでいる。
【００３７】
陰極１０９と陽極１１１との間に電圧をかけると、希釈室１１３内の原水中のナトリウムイオン等の陽イオンは、陽イオン交換膜１１６を透過して濃縮室１１４又は陰極室１１０に移動する。一方、希釈室１１３内の原水中の塩化物イオン等の陰イオンは、陰イオン交換膜１１５を透過して濃縮室１１４又は陽極室１１２に移動する。
【００３８】
陰極室１１０には、陰極液供給ラインＬ１０１が接続されており、この陰極液供給ラインＬ１０１を介してｐＨ値が２乃至３に調整した３％硫酸ナトリウム水溶液等の電極液を循環ポンプ１０７を使って電極液タンク１０６から流入させる。陰極室１１０では、希釈室１１３からナトリウムイオンが移動すると、ナトリウムイオンの濃度が上がり、０．０１乃至１規定の苛性ソーダ水が生成される。具体的には、電気透析により陰極室１１０内の原水（海水）に含まれるナトリウムイオンが濃縮され、陰極１０９の表面で水が電気分解して生成する水酸化物イオンからなる苛性ソーダとなる。また、陰極室１１０では苛性ソーダ水の生成の際に水素が発生（副生成）する。
【００３９】
陰極室１１０には、陰極液排出ラインＬ１０２が、陰極室の上部の陰極液出口１２５（排出口）に接続されている。陽極室１１２には、陽極液排出ラインＬ１０６が、陽極室の上部の陽極液出口１２４（排出口）に接続されている。
【００４０】
ここで、濃縮室１１４、希釈室１１３、陰極室１１０及び陽極室１１２は、陰極室及び陽極室に与えられる電極液中の溶存ガスが浮き上がる方向に垂直な方向に隣合っている。陰極液出口１２５及び陽極液出口１２４は、陰極室１１０及び陽極室１１２の、それぞれ電極液中の溶存ガスが浮き上がる側に位置している。
【００４１】
陰極室１１０で生成された苛性ソーダと水素、硫酸ナトリウムは、陰極液排出ラインＬ１０２を介して気液分離タンク１０２に供給される。気液分離タンク１０２では、水素と苛性ソーダを含む電極液とに気液分離して、気体の水素は、圧力調整弁１０４にて減圧されてから水素ラインＬ１０４を介して排出される。一方、苛性ソーダよりアルカリ性の電極液は、陽極室１１２から排出された陽極液と合流して電極液タンク１０６で混合される。
【００４２】
陽極室１１２には、陽極液供給ラインＬ１０５が接続されており、この陽極液供給ラインＬ１０５を介してｐＨ値が２乃至３に調整した３％硫酸ナトリウム水溶液などの電極液が、循環ポンプ１０８を使って電極液タンク１０６から流入される。陽極室１１２では、陽極室１１２中のナトリウムイオンが濃縮室１１４に移動すると、陽極１１１で水が電気分解されて酸素が発生する。また、水素イオンが生成し、酸性水となってｐＨが低下する。
【００４３】
陽極室１１２で生成された酸性水と水素、残っている硫酸ナトリウムは、陽極液排出ラインＬ１０６を介して気液分離タンク１０３に供給される。気液分離タンク１０６では、酸素と酸性水を含む電極液とに気液分離して、気体の酸素は、圧力調整弁１０５にて減圧されてから酸素ラインＬ１０８を介して排出される。一方、酸性水より酸性の電極液は、陰極室１１０から排出された陰極液と合流して電極液タンク１０６で混合される。
【００４４】
電極液タンク１０６では、陰極室１１０で生成した苛性ソーダと陽極室１１２で酸性水が混合されて中和される。結果、電極液の硫酸ナトリウムの量、ｐＨが元に戻り、陽極室１１２と陰極室１１０に送られる事になる。従って、陽極室１１２と陰極室１１０から排出されるそれぞれの電極液を気液分離してから、電極液は、硫酸ナトリウム水溶液にして、陽極室と陰極室から排出されるそれぞれの電極液を気液分離してから、液体部分（脱気された電極液）を減圧することなく混合することにより、電極液は、新たに薬品を添加することなく循環させる事ができる。
【００４５】
この実施形態において、電極液タンク１０６、及び循環ポンプ１０７、１０８は、電極液供給手段として機能し、それぞれ陰極室１１０及び陽極室１１２から排出される電極液を、減圧することなく混合し、再度、陰極室及び陽極室に与えることができる。
【００４６】
より詳しくは、電極液タンク１０６、及び循環ポンプ１０７、１０８は、気液分離タンク１０２、１０３で脱気された電極液を、減圧することなく混合することができる。
【００４７】
また、陽極室１１２、陰極室１１０、希釈室１１３及び濃縮室１１４の圧力が、第１逆浸透膜モジュール３２から排出される濃縮水と同等の圧力になる様に圧力を調整する。特に第１逆浸透膜モジュール３２で分離された濃縮水を分けて、電気透析槽１０１の希釈室１１３と濃縮室１１４とに供給する事により、また、陽極液と陰極液を減圧・再加圧が不要な循環式混合式にする事により各室の圧力を一定に保つことができる。
【００４８】
結果、各室間で圧力差が無くなり、イオン交換膜が破損するのを防止できる。また、イオン交換膜が破損しないようにするイオン交換膜の支持セパレータを薄くでき、結果、電気透析時の効率を向上できる。また、気液分離タンクを設ける事により陽極液、陰極液の混合前に酸素と水素を分離除去（脱気）しておく事により爆発する危険がなく電極液を混合できる。
【００４９】
この実施形態において、循環ポンプ１０７、１０８は、圧力調整手段として機能し、濃縮室１１４及び希釈室１１３に与える濃縮水の圧力と、陰極室１１０及び陽極室１１２に与える電極液の圧力と、が同じになるように調整することができる。
【００５０】
また、複数の陽イオン交換膜１１６と陰イオン交換膜１１５の対の両側を陽イオン交換膜１１６としている。すなわち、陰極室１１０及び陽極室１１２は、それぞれ陽イオン交換膜１１６で隔てられている。特に、陽極側を陰イオン交換膜１１５ではなく陽イオン交換膜１１６にする事により、両電極液の混合循環が可能にでき、上記の両電極液の混合循環にする事による効果を得ることができる。
【００５１】
電気透析槽１０１のイオン交換膜対が縦になる様に、希釈室１１３、濃縮室１１４、電極室（１１０、１１２）を配置している。すなわち、陰極室１１０及び陽極室１１２に与えられる電極液中の溶存ガスが浮き上がる方向に垂直な方向に、濃縮室１１４、希釈室１１３、陰極室１１０及び陽極室１１２は隣合っている。
【００５２】
そして、電極室の上方（電極液中の溶存ガスが浮き上がる側）から電極液を排出する事により電極室に水素や酸素の気体が開滞留する事無く、さらに気液分離タンク１０２、１０３で分離する事ができる。結果、電極表面、イオン交換膜を表面に気泡がたまる事なく、効率良く電気透析を行う事が出来る。
【００５３】
また、陰極室１１０で生成されて水素ラインＬ１０４から排出する水素と、陽極室１１２で生成されて酸素ラインＬ１０８から排出される酸素は、燃料電池等の発電装置（図示せず）で利用可能であり、淡水化システム１に必要な電力を発電する燃料として利用することができる。
【００５４】
以上のように構成された一実施形態に係る淡水化システムによれば、淡水化システム１は、前処理装置２０と、加圧手段としての高圧ポンプ３１又は昇圧ポンプ３５と、第１逆浸透膜モジュール３２と、電気透析装置１００と、混合ラインとしての希釈水ラインＬ３４と、を備えている。
【００５５】
淡水化システム１は、逆浸透法と電気透析法を組合せて使用するものである。逆浸透法により、淡水と、濃縮水とに分離することができる。電気透析法により、逆浸透法により分離された濃縮水から脱塩した希釈水を生成することができる。電気透析法により生成した希釈水は、海水原水に戻され、再度、逆浸透法で淡水化する事ができる。
【００５６】
上記のことから、塩分を含む原水の量に対する生成する淡水の量、すなわち、回収率の向上を図ることができる淡水化システム１を得ることができる。
【００５７】
［変形例］
次に、上記実施形態に係る電気透析装置１００の変形例について説明する。この変形例において、上記実施形態と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。電気透析装置１００の変形例を図５及び図６に示す。
【００５８】
図５及び図６に示すように、電気透析装置１００を図４のイオン交換膜の平行配置型からスパイラル型に変更した構造である。陰極室１１０及び陽極室１１２は、一方が容器１２６（電気透析槽）の中心側に位置し、他方が容器１２６の外周側に位置している。ここでは、陽極室１１２が容器１２６の中心側に位置し、陰極室１１０が容器１２６の外周側に位置している。複数の陽イオン交換膜１１６及び陰イオン交換膜１１５は、筒状に形成されている。
【００５９】
また、第１逆浸透膜モジュール３２から排出される濃縮水は、ＲＯ濃縮水入口１２０より全てのスパイラル構造の内周から外周の平行に流れるように流入させて反対側の濃縮水出口１２１から排出される。また、ＲＯ濃縮水入口１２０では、希釈室１１３の外周側のみに第１逆浸透膜モジュール３２から排出される濃縮水を流入させてスパイラル状に内周側に向かうように流して、脱塩する。脱塩された希釈水は、スパイラル構造の内周側の希釈室１１３から排出される。
【００６０】
言い換えると、濃縮室１１４及び希釈室１１３は、第１逆浸透膜モジュール３２で分離された濃縮水のイオン移動を行いつつ、容器１２６の外周側から中心側に向かった濃縮水の流れを形成する。
【００６１】
このような構造にする事により、以下の効果を得ることができる。
【００６２】
（１）電流が放射状に均一にながれるため、イオン移動にムラが無くなり脱塩効率が向上する。
【００６３】
（２）円筒状にする事により、モジュール化ができ、モジュール交換が容易でメンテナンスしやすくなる。また、耐圧構造、かつ、小型が容易であり、平板型のように大型化して、逆浸透圧力にするための大規模な圧力容器にする必要はない。
【００６４】
なお、この発明は上記実施の形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化可能である。また、上記実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。
本発明は、上記淡水化システムに限らず、各種の淡水化システムに適用することが可能である。
【符号の説明】
【００６５】
１…淡水化システム、２０…前処理装置、３０…淡水化装置、３１…高圧ポンプ、３２…第１逆浸透膜モジュール、３４…流量調整弁、３５…昇圧ポンプ、３６…昇圧ポンプ、４０…循環ポンプ、１００…電気透析装置、１０１…電気透析槽、１０２，１０３…気液分離タンク、１０６…電極液タンク、１０７，１０８…循環ポンプ、１０９…陰極、１１０…陰極室、１１１…陽極、１１２…陽極室、１１３…希釈室、１１４…濃縮室、１１５…陰イオン交換膜、１１６…陽イオン交換膜、１２４…陽極液出口、１２５…陰極液出口、１２６…容器、Ｌ１…原水ライン、Ｌ３３…濃縮水ライン、Ｌ３４…希釈水ライン。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
塩分を含む原水に凝集剤を添加して凝集させて原水中の不純物を濾過する前処理装置と、
前記前処理装置で不純物が除去された原水を加圧して送出する加圧手段と、
前記加圧手段から与えられる加圧された原水を、淡水と塩分濃度が高い濃縮水とに分離する逆浸透膜モジュールと、
前記逆浸透膜モジュールで分離された前記濃縮水が与えられ、前記濃縮水を、高圧のまま、塩分濃度が低い希釈水と塩分濃度が高い濃縮水とに分離する電気透析装置と、
前記電気透析装置で分離された希釈水を、前記逆浸透膜モジュールに与えられる前の前記前処理装置で不純物が除去された原水に混合させる混合ラインと、を備える淡水化システム。
【請求項２】
電気透析装置は、
電気透析槽と、
前記電気透析槽内を、前記逆浸透膜モジュールで分離された前記濃縮水が与えられる濃縮室及び希釈室、並びに前記濃縮室及び希釈室の両側を挟み電極液が与えられる陰極室及び陽極室、に隔てる複数の陽イオン交換膜及び陰イオン交換膜と、
前記濃縮室及び希釈室に与える前記濃縮水の圧力と、前記陰極室及び陽極室に与える前記電極液の圧力と、が同じになるように調整する圧力調整手段と、を有する請求項１に記載の淡水化システム。
【請求項３】
前記逆浸透膜モジュールで分離された前記濃縮水を分けて、前記濃縮室及び希釈室に与える濃縮水ラインをさらに備える請求項２に記載の淡水化システム。
【請求項４】
それぞれ前記陰極室及び陽極室から排出される前記電極液を、減圧することなく混合し、再度、前記陰極室及び陽極室に与える電極液供給手段をさらに備える請求項２又は３に記載の淡水化システム。
【請求項５】
前記陰極室から排出される前記電極液を気液分離する第１の気液分離タンクと、
前記陽極室から排出される前記電極液を気液分離する第２の気液分離タンクと、をさらに備え、
前記電極液供給手段は、それぞれ前記第１の気液分離タンク及び第２の気液分離タンクで脱気された前記電極液を、減圧することなく混合する請求項４に記載の淡水化システム。
【請求項６】
前記電極液は、硫酸ナトリウム水溶液である請求項４又は５に記載の淡水化システム。
【請求項７】
前記陰極室及び陽極室は、それぞれ前記陽イオン交換膜で隔てられている請求項４又は５に記載の淡水化システム。
【請求項８】
前記濃縮室、希釈室、陰極室及び陽極室は、前記陰極室及び陽極室に与えられる前記電極液中の溶存ガスが浮き上がる方向に垂直な方向に隣合い、
前記陰極室及び陽極室は、それぞれ前記電極液中の溶存ガスが浮き上がる側に、前記電極液の排出口を有している請求項５乃至７の何れか１項に記載の淡水化システム。
【請求項９】
前記陰極室及び陽極室は、一方が前記電気透析槽の中心側に位置し、他方が前記電気透析槽の外周側に位置し、
前記複数の陽イオン交換膜及び陰イオン交換膜は、筒状に形成されている請求項２乃至８の何れか１項に記載の淡水化システム。
【請求項１０】
前記濃縮室及び希釈室は、前記逆浸透膜モジュールで分離された前記濃縮水のイオン移動を行いつつ、前記電気透析槽の前記外周側から前記中心側に向かった前記濃縮水の流れを形成する請求項９に記載の淡水化システム。
【請求項１】
塩分を含む原水に凝集剤を添加して凝集させて原水中の不純物を濾過する前処理装置と、
前記前処理装置で不純物が除去された原水を加圧して送出する加圧手段と、
前記加圧手段から与えられる加圧された原水を、淡水と塩分濃度が高い濃縮水とに分離する逆浸透膜モジュールと、
前記逆浸透膜モジュールで分離された前記濃縮水が与えられ、前記濃縮水を、高圧のまま、塩分濃度が低い希釈水と塩分濃度が高い濃縮水とに分離する電気透析装置と、
前記電気透析装置で分離された希釈水を、前記逆浸透膜モジュールに与えられる前の前記前処理装置で不純物が除去された原水に混合させる混合ラインと、を備える淡水化システム。
【請求項２】
電気透析装置は、
電気透析槽と、
前記電気透析槽内を、前記逆浸透膜モジュールで分離された前記濃縮水が与えられる濃縮室及び希釈室、並びに前記濃縮室及び希釈室の両側を挟み電極液が与えられる陰極室及び陽極室、に隔てる複数の陽イオン交換膜及び陰イオン交換膜と、
前記濃縮室及び希釈室に与える前記濃縮水の圧力と、前記陰極室及び陽極室に与える前記電極液の圧力と、が同じになるように調整する圧力調整手段と、を有する請求項１に記載の淡水化システム。
【請求項３】
前記逆浸透膜モジュールで分離された前記濃縮水を分けて、前記濃縮室及び希釈室に与える濃縮水ラインをさらに備える請求項２に記載の淡水化システム。
【請求項４】
それぞれ前記陰極室及び陽極室から排出される前記電極液を、減圧することなく混合し、再度、前記陰極室及び陽極室に与える電極液供給手段をさらに備える請求項２又は３に記載の淡水化システム。
【請求項５】
前記陰極室から排出される前記電極液を気液分離する第１の気液分離タンクと、
前記陽極室から排出される前記電極液を気液分離する第２の気液分離タンクと、をさらに備え、
前記電極液供給手段は、それぞれ前記第１の気液分離タンク及び第２の気液分離タンクで脱気された前記電極液を、減圧することなく混合する請求項４に記載の淡水化システム。
【請求項６】
前記電極液は、硫酸ナトリウム水溶液である請求項４又は５に記載の淡水化システム。
【請求項７】
前記陰極室及び陽極室は、それぞれ前記陽イオン交換膜で隔てられている請求項４又は５に記載の淡水化システム。
【請求項８】
前記濃縮室、希釈室、陰極室及び陽極室は、前記陰極室及び陽極室に与えられる前記電極液中の溶存ガスが浮き上がる方向に垂直な方向に隣合い、
前記陰極室及び陽極室は、それぞれ前記電極液中の溶存ガスが浮き上がる側に、前記電極液の排出口を有している請求項５乃至７の何れか１項に記載の淡水化システム。
【請求項９】
前記陰極室及び陽極室は、一方が前記電気透析槽の中心側に位置し、他方が前記電気透析槽の外周側に位置し、
前記複数の陽イオン交換膜及び陰イオン交換膜は、筒状に形成されている請求項２乃至８の何れか１項に記載の淡水化システム。
【請求項１０】
前記濃縮室及び希釈室は、前記逆浸透膜モジュールで分離された前記濃縮水のイオン移動を行いつつ、前記電気透析槽の前記外周側から前記中心側に向かった前記濃縮水の流れを形成する請求項９に記載の淡水化システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１３−６３３７２（Ｐ２０１３−６３３７２Ａ）
【公開日】平成２５年４月１１日（２０１３．４．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２０２３８１（Ｐ２０１１−２０２３８１）
【出願日】平成２３年９月１５日（２０１１．９．１５）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月１１日（２０１３．４．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月１５日（２０１１．９．１５）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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