專利名稱:反滲透分離裝置以及反滲透分離方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及為了反滲透分離高濃度溶液的新的反滲透膜分離裝置以及高濃度溶液的反滲透分離方法。根據(jù)本發(fā)明,可以從高濃度溶液,以高收率、低能量、低費用得到低濃度溶液,另一方面可以提供比過去的反滲透法以更高的濃度、更少的能量,費用來得到濃溶液的裝置以及分離方法。本發(fā)明的裝置以及方法,可特別用于鹽水的脫鹽、海水的淡水化、或者排水的處理,有用物的回收中。特別是從高濃度的溶液得到低濃度溶液的情況,或者將高濃度溶液進(jìn)一步濃縮至高濃度時效果很大。
關(guān)于混合物的分離,為除去溶劑(例如水)中溶解的物質(zhì)(例如鹽類)的技術(shù)有各種各樣的,但近年來,作為其節(jié)省能量和節(jié)省資源的工藝而利用了膜分離法。在膜分離法之中有精密過濾法(MF;Microfiltration)、超濾法(UF;Ultrafiltration)、反滲透法(RO;Reverse Osmosis)。進(jìn)而到了近年.也出現(xiàn)介于反滲透和超濾之間的所謂稱作膜分離(ル-スRO或者NF;Nanofiltration)之概念的膜分離法而似乎被使用。例如,反滲透法利用于將海水或者低濃度的鹽水脫鹽而提供工業(yè)用,農(nóng)業(yè)用或者家庭用水方面。根據(jù)反滲透法,使之含鹽分的水,以滲透壓以上的壓力透過反滲透膜來制造脫鹽的水。此技術(shù)可用于例如從海水、鹽水、含有害物之水能夠得到飲料水,而且,也可用于工業(yè)用超純水的制造、排水處理有用物的回收等方面。
特別是由反滲透膜的海水淡水化,具有無蒸發(fā)那樣的相變化特征,從能量方面有利,而且運轉(zhuǎn)管理容易,則開始廣泛普及。
用反滲透膜分離溶液時,需要以根據(jù)溶液的溶質(zhì)濃度而決定的溶液本身具有的化學(xué)勢能(用滲透壓可以表示)以上的壓力,將溶液供給反滲透膜面上。例如,用反滲透膜模件分離海水時,需要最低約30大氣壓(atm)以上壓力,而考慮實用性時至少需要約50大氣壓(atm)以上的壓力,并且若不加此以上的壓力時看不出充分的反滲透分離性能。
根據(jù)反滲透膜的海水淡水的情況為例時,在通常的海水淡水化技術(shù)中,從海水回收淡水的比率(收率)最高為40%,對于海水供給量,相當(dāng)于40%量的淡水透過膜而得到的結(jié)果,在反滲透膜模件中,海水濃度從3.5%濃縮至6%左右。為了進(jìn)行如此從海水得到收率40%的淡水的反滲透分離操作,需要相對應(yīng)于濃縮水濃度的滲透壓(對海水濃縮水濃度6%而言大約為45大氣壓)以上的壓力。為使淡水的水質(zhì)可以對應(yīng)于飲用水標(biāo)準(zhǔn),而且要得到充分的水量,在實際上對反滲透膜需要加上比對應(yīng)于濃縮水濃度的滲透壓力約高20大氣壓(該壓力叫做有效壓力)左右的壓力,通常海水淡水化用反滲透膜模件是以加60~65大氣壓左右的壓力,收率40%的條件下進(jìn)行運轉(zhuǎn)。
對于海水供給量的淡水產(chǎn)率,直接影響成本,雖然產(chǎn)率越高越好,但實際上提高產(chǎn)率方面是有限度的。也就是說,要提高產(chǎn)率時,需要很高的壓力,其理由是不言而喻的,但存在濃縮水中的海水成分的濃度變高,在某一產(chǎn)率以上時,碳酸鈣或硫酸鈣、硫酸鍶等鹽,即所謂水垢成分濃度達(dá)到溶解度以上濃度,而析出在反滲透膜的膜面上,產(chǎn)生膜眼堵塞的問題。
在目前的(廣泛認(rèn)為是最高產(chǎn)率)產(chǎn)率40%左右的操作中,不必?fù)?dān)心這些水垢成分的析出而且不需要特別對應(yīng)的措施,但在此以上的產(chǎn)率進(jìn)行反滲透膜的運轉(zhuǎn)操作時,為了防止這些水垢成分的析出,需要添加提高鹽的溶解性的水垢防止劑。但是,即使添加了水垢防止劑,其能夠抑制上述水垢成分析出的是在縮水濃度中10~11%左右。因此,將鹽水濃度3.5%的海水進(jìn)行淡水化時,物料平衡方面其產(chǎn)率限度為65~68%左右,而且如果考慮原海水的變化異種成分影響時,認(rèn)為到可以穩(wěn)定地運轉(zhuǎn)反滲透膜海水淡水化設(shè)備的實際產(chǎn)率限度是60%左右。
實際上進(jìn)行海水淡水化時,如上所述,需要在反滲透膜模件上加以根據(jù)濃縮水濃度而決定的濃縮水滲透壓高于20大氣壓左右的壓力。海水濃度3.5%時的,相當(dāng)于產(chǎn)率60%的濃縮水濃度是8.8%,此滲透壓是大約為70大氣壓。其結(jié)果,在反滲透膜上需要加以90大氣壓左右的壓力。
反滲透膜元件,通常將多根反透膜的元件在1個壓力容器中串聯(lián)填裝的狀態(tài)(將其稱作模件)使用,在實際的設(shè)備中將多個此模件并聯(lián)設(shè)置而使用。所謂叫做海水淡水化產(chǎn)率是對于設(shè)備整體供給的總海水供給量的總透過水量的比例,在通常條件下,由于模件并聯(lián)設(shè)置,因而與一個模件的供給量和由一個模件得到的透過水量的比例(由模件內(nèi)各元件的透過水量之總和)相一致。因此,由模件內(nèi)部的各元件得到的透過水,例如,1個模件由6根反滲透膜構(gòu)成,對于1模件供給198m3/目的海水,合計得到78m3/日淡水的情況下(產(chǎn)率40%)模擬觀察實際上出現(xiàn)的現(xiàn)象時,由第1根元件中的透過水為18~19m3/日,第2根元件為15~17m3/日,而從第3根開始慢慢減少,總透過水為78m3/日。這樣,從各元件的透過水產(chǎn)率雖低,但作為模件整體的透過水總量而言,能夠達(dá)到相對于供給水的40%之高產(chǎn)率。
另一方面,關(guān)于反滲透膜分離裝置的運轉(zhuǎn)條件設(shè)定方面需要考慮的事項有水垢(膜面污染)的防止和濃差極化的防止。水垢的防止,具體地說使由1根反滲透膜元件得到的透過水量不要超過某值(耐水垢允許的流量)以上,采用超過該流量值的透過水時,加速元件膜面污染而不理想。該耐水垢允許流量,根據(jù)膜的材料或者結(jié)構(gòu)而不同,但通常,在高性能反滲透膜的情況下為0.75m3/m2·日左右,在膜面積26.5m2的反滲透膜元件(以下適用全反滲透膜元件的膜面積為26.5m2的情況而說)中,相當(dāng)于20m3/日。也就是說,為防止水垢,1個元件的日透過水量需要保持在20m3/日以下。
這里所說的濃差極化的防止,主要是防止由在模件內(nèi)部,從上流側(cè)元件沿著向下流側(cè)元件供給水量降低,最終元件中流動的供給水的膜面流速降低而引起的濃差極化。如果產(chǎn)生濃差極化,不能充分發(fā)揮膜性能,而且加速水垢的產(chǎn)生,則引起降低反滲透膜元件的壽命。因此,最終元件(膜面積26.5m2時)的濃縮水流量,需要保持在約50m3/日以下。
將反滲透膜海水淡水化裝置,以過去的最高產(chǎn)率水平的大約40%來進(jìn)行運轉(zhuǎn)時,只是將多根模件并聯(lián)排列,以壓力65大氣壓(溫度為20℃時)進(jìn)行運轉(zhuǎn),并設(shè)定對透過水的總量供給2.5倍的海水量,就能充分滿足防止上述水垢和濃差極化之條件,可以進(jìn)行穩(wěn)定的運轉(zhuǎn)。另外,不必特別考慮模件內(nèi)部的各元件透過水的平衡或濃縮水的水垢成分析出等。
另外,為了將反滲透膜海水淡水化裝置的淡水化成本的進(jìn)一步降低時,提高產(chǎn)率是非常重要的,如前所述,希望把海水濃度3.5%的海水淡水化產(chǎn)率提高至60%左右,并以添加適量的水垢防止劑的前提,其運轉(zhuǎn)壓力,需要高于濃縮水的滲透壓力約20大氣壓之90大氣壓的壓力下進(jìn)行運轉(zhuǎn)。
另外,水垢防止劑主要用于水處理設(shè)備或蒸發(fā)法的淡水化裝置等為主,在反滲透膜裝置中也可以使用,其目的主要是抑制二氧化硅,金屬鹽類等水垢物在裝置內(nèi)的析出,特別是用在二氧化硅水垢成分多的水處理時。例如,在特開昭53-30482號公報中公開的預(yù)先使供給液與螯合樹脂相接觸,以降低鈣或鎂等后進(jìn)行反滲透處理,以延長反滲透膜的壽命,而特開昭52-151670號公報,特開平4-4022號公報中公開了添加磷酸鹽以防止反滲透裝置內(nèi)水垢的產(chǎn)生。另外,在特開昭63-218773號公報,特開平4-99199號公報,特公平5-14039號公報中,公開了在電極沉積涂料或鍍銅的廢水中添加螯合劑,進(jìn)行反滲透濃縮而回收涂料或銅的方法。進(jìn)而在特開昭63-69586號公報以及特開平2-293027號公報中公開了供給加有氯或者氧化劑和磷酸鹽的溶液,以進(jìn)行反滲透膜裝置的殺菌和穩(wěn)定的運轉(zhuǎn)的方法。
但是,如過去那樣,若將在同一壓力容器內(nèi)部串聯(lián)排列多個反滲透膜元件的模件,以在并聯(lián)配置多個的狀態(tài)下加90大氣壓的壓力,進(jìn)行淡水化產(chǎn)率60%的運轉(zhuǎn)時,從模件內(nèi)部的上流側(cè)元件(第1個或第2個元件)得到的透過水量變大到允許值以上的過大值,在這些元件上出現(xiàn)濃差極化及污垢現(xiàn)象而使元件的網(wǎng)眼堵塞或降低壽命,其結(jié)果,很難進(jìn)行,反滲透膜裝置的長期穩(wěn)定的運轉(zhuǎn)。在淡水產(chǎn)率60%的海水淡水化中,從模件的入口至出口,物料平衡上海水濃度從3.5%變至8.8%,而滲透壓由26大氣壓變到70大氣壓。另一方面,為使操作壓力從入口至出口,大致穩(wěn)定在90大氣壓,使透過淡水所需要的有效壓力(操作壓與滲透壓之差)從64大氣壓至20大氣壓為止發(fā)生大的變化。也即,模件內(nèi)部的第1和最終段元件的透過水量的比例達(dá)到與該有效壓比率64∶20相同程度。也就是說,第1根元件的透過水量激增,得到稍超過耐水垢允許值20m3/日的透過水量,則存在非常容易產(chǎn)生水垢的問題。但是,在產(chǎn)率60%的條件下操作在需要90大氣壓,因而不能降低其操作壓力,結(jié)果,進(jìn)行產(chǎn)率60%的運轉(zhuǎn)是不適當(dāng)?shù)?,假如即使勉強進(jìn)行運轉(zhuǎn),由于加速水垢的產(chǎn)生,不可能進(jìn)行長期穩(wěn)定的操作。另外若無論如何也要進(jìn)行產(chǎn)率60%的運轉(zhuǎn)時,只能結(jié)合使用降低1根的透過水量的低性能元件,增加元件數(shù)來進(jìn)行運轉(zhuǎn)等,不得不選擇非經(jīng)濟(jì)的運轉(zhuǎn)條件。
另外,為簡單起見,將螺旋型反滲透膜元件為例進(jìn)行說明上述內(nèi)容,但在中空系膜模件的情況下在內(nèi)部也產(chǎn)生同樣的現(xiàn)象和同樣的問題。
本發(fā)明的目的在于提供從高濃度溶液,以高產(chǎn)率,低能量,較便宜地、高效率地可以較穩(wěn)定地得到低濃度溶液的裝置及分離方法,特別是提供從海水以60%之高產(chǎn)率,而且以低能量,有效、而且穩(wěn)定地得到淡水的裝置及分離方法。
本發(fā)明具有下述構(gòu)成。即,"一種高濃度溶液的反滲透分離方法,其特征在于用以多級地配置反滲透膜模外單元,并在該反滲透膜模件單元之間的濃縮液流路上設(shè)置升壓泵為特征的反滲膜裝置,以及多級地配置的反滲透膜模件單元,將前級的濃縮升壓而供給下一級的滲透膜模件單元上"。
所涉及的本申請發(fā)明的構(gòu)成,該反滲透膜分離裝置為3級以上的情況下,需要滿足特定的2級之間,而不需要滿足所有的級之間。
在本發(fā)明中的反滲透膜分離裝置,至少由供給液的取水部分,反滲透膜部分構(gòu)成。反滲透膜部分是指以造水、濃縮,分離等為目的,將被處理液在加壓下供給反滲透膜模件中,分離透過液和濃縮液的部分,通常是由反滲透膜元件和耐壓容器構(gòu)成的反滲透膜模件、加壓泵等而構(gòu)成的。在該反滲透膜部分所供給的被分離液,在前處理部分通常進(jìn)行添加殺菌劑、凝結(jié)劑、進(jìn)而還原劑,pH調(diào)整劑等試液和由砂過濾、活性炭過濾、安全過濾等前處理(除去濁質(zhì)成分)。例如,在海水脫鹽時,在取水部分取出海水之后,在沉淀池分離粒子等,并在此添加殺菌劑進(jìn)行殺菌。進(jìn)而,添加氯化鐵等凝結(jié)劑進(jìn)行砂濾。濾液貯存于貯槽中,用硫酸等調(diào)整pH值后送入高壓泵中。向此送液中添加亞硫酸氫鈉等還原劑,消除使反滲透膜材料變壞的殺菌劑,透過安全過濾器之后,用高壓泵升壓以供給到反滲透模件中。但是,這些前處理根據(jù)所用的供給液的種類,用途而適當(dāng)采用。
這里所說的反滲透膜是將被分離混合液中的一部分成分,例如使溶劑透過而不透過其他成分的半滲透性的膜。此材料經(jīng)常使用乙酸纖維素系聚合物,聚酰胺、聚酯、聚酰亞胺、乙烯聚合物等高分子材料。而且其膜結(jié)構(gòu)是膜的至少一面上具有微密層,并有從致密層向著其膜內(nèi)部或者對面漸大的微細(xì)孔的非對稱膜,而在非對稱膜的致密層上而有其他材料形成的,具有非常薄的活性層的復(fù)合膜。膜形狀有中空系、平膜。但是,實施本發(fā)明的方法時,不限于反滲透膜的材料,膜結(jié)構(gòu)非膜形狀,并均有效果。作為典型的反滲透膜,例如可以舉出醋酸纖維素系或聚酰胺系的非對稱膜以及具有聚酰胺系,聚脲系的活性層的復(fù)合膜。其中,醋酸纖維素系的非對稱膜,聚酰胺系的復(fù)合膜對于本發(fā)明方法有效,進(jìn)而,用芳香族系的聚酰胺復(fù)合膜時其效果大。
所謂反滲透膜光件是,為了實際使用上述反滲透膜而成形化的平膜,與螺旋管、管件、平板和構(gòu)架的元件組合,或者中空系膜是成束后與元件組合就可以使用,但本發(fā)明不受這些反滲透膜元件的形狀影響。
反滲透膜模件單元是指將1-數(shù)根的上述反滲透膜元件收裝在壓力容器中的模件,其組合,根數(shù),排列是根據(jù)目的而任意選擇。
在本發(fā)明中,使用多個反滲透膜模件單元和其排列上有特點。此反滲透膜模件單元排列成使供給液或者濃縮液的流向為串聯(lián)是重要的,即,一個反滲透膜模件單元的濃縮液成為下一個反滲透膜模件單元的供給液。這里根據(jù)
圖1說明本發(fā)明的反滲透分離裝置的基本構(gòu)成之例。圖1是表示采用本發(fā)明技術(shù)的海水淡水化設(shè)備之例,是從濃度3.5%的普通海水要得到60%的很高產(chǎn)率之淡水的設(shè)備,是由2組的反滲透膜模件單元和1臺的加壓泵,以及1臺升壓泵構(gòu)成的反滲透分離裝置的模擬圖。海水用前處理(圖中未示出)除去混濁物質(zhì)成分之后,用加壓泵1加壓至60-65大氣壓,并供給第1級反滲透膜模件單元中。在第1級的反滲透膜單元中,供給液分離成透過了膜的低濃度透過液和透不過的高濃度濃縮液。然后直接利用其透過液,但濃縮液,從其壓力60-65大氣壓(為簡便起見忽略壓力損失),用升壓泵2升壓至產(chǎn)率60%的高濃度濃縮水的分離所必需的90大氣壓的壓力,以供給第2級反滲透膜模件單元,再度進(jìn)行反滲透分離而分離成第2級的透過液和該濃縮液。該反滲透設(shè)備的供水總量與第1級透過液和第2級透過液和的比率就是淡水產(chǎn)率,此時為60%。
圖1是組合了2級反滲透膜模件單元和1臺加壓泵,1臺升壓泵的反滲透分離裝置(稱為濃縮水升壓2級法),但其級數(shù)、泵數(shù)沒有限制,可以任意設(shè)定。
關(guān)于產(chǎn)率,只要是接近于60%左右的理論臨界值的話就可顯著地發(fā)揮本發(fā)明的效果,沒有特殊限制,也可以適用于目前40%產(chǎn)率之條件,但考慮裝置整體能量成本降低時,較好的是50%以上,而更好的產(chǎn)率應(yīng)是55%以上。
對于向2級或者多級的反滲透膜模件單元的供給的原水進(jìn)行加壓的情況下,可以使用1臺加壓泵和1臺或者多臺的升壓泵。加壓泵是為要將供給原水加壓至供給原水的滲透壓以上壓力的,通常的高壓泵。壓力的必需條件是要大于供給原水的滲透壓(嚴(yán)格地講是供給原水的滲透壓和透過水的滲透壓之間的"滲透壓差",但為簡單起見以"滲透壓"表示),較好的是將壓力設(shè)定為比第1級反滲透壓模件單元的濃縮水滲透壓高20大氣壓左右,但不希望比該滲透壓高50大氣壓以上。也就是說,在海水淡水化的情況下考慮綜合電力成本時,最好是第1級模件單元的操作壓力為70大氣壓以下。最后1級的模件單元的壓力,理想的是比最后1級模件單元的濃縮水滲透壓大約高20大氣壓。產(chǎn)率60%的海水淡水化情況下,若考慮成本時其操作壓力最好是90大氣壓,但考慮到由于濃度高而使用超高脫鹽率膜(其結(jié)果傾向于透過水量變少)等時,也可能進(jìn)而提高壓力。但是,為了不影響反滲透膜元件的透過側(cè)的流路而進(jìn)行運轉(zhuǎn),理想的壓力約是120大氣壓(滲透壓+50大氣壓)以下。另外,將模件單元級數(shù)作成級多級的,并使各級的壓力用升壓泵一點點地升壓的方法也加大了降低能量成本效果大,因而可以任意設(shè)定。其中,本發(fā)明者們研究進(jìn)行了降低淡水化成本的多級升壓式的海水淡水化系統(tǒng)的研究,結(jié)果對于模件單元各級的操作壓力,發(fā)現(xiàn)了在第n級的操作壓力P(n)+第n+1級的操作壓力P(n+1)之間有較好的關(guān)系是,"1.15≤P(n+1)/P(n)≤1.8",而更好的關(guān)系是"1.3≤P(n+1)/P(n)≤1.6"。
當(dāng)然,在本申請發(fā)明中,限定了n級和n+1級之間的關(guān)系時,只要從所有的級選擇的至少1個的任意n級滿足此關(guān)系就足夠。構(gòu)成各級單元的,模件根數(shù),根據(jù)級數(shù)而減少,并最好要防止對每根模件的供水量極端變小。在配置了多級的反滲透膜模件中,特別好的是下一級模件的根數(shù),可在使之降低至前級的20%至80%的范圍,好的是30%-70%,進(jìn)而更好的是40%-60%。
所謂的升壓泵,將在前一級預(yù)先升壓的前級濃縮水的壓力進(jìn)一步升壓,以作為下一級反滲透膜模件的供給水而進(jìn)行供給的泵,但能比第1級的升壓進(jìn)行稍高的升壓(通常10atm~30atm)為好,由于需要將預(yù)先被升壓的液送入升壓泵吸入側(cè)的殼體內(nèi),升壓泵吸入側(cè)的殼體應(yīng)該具有耐壓性,至少需要具有50大氣壓的吸入側(cè)耐壓性。特別是,保證殼體,軸密封材料的耐壓性是非常重要的。只要能確保這樣的耐壓性,對其升壓泵的種類,結(jié)構(gòu)沒有特殊限定。
按照本發(fā)明,如果忽略污垢的影響,實施以往的一級法,在操作壓力90atm下運轉(zhuǎn)的,則壓力容器的選定有所不同。單純一級法的90atm的運轉(zhuǎn)下,對于反滲透膜元件來說當(dāng)然只要選擇收裝多個元件的壓力容器并能承受90atm的壓力,可是在本發(fā)明中的第一級模件單元可以實施60atm比較低的壓力運轉(zhuǎn),所以降低了壓力容器的耐壓標(biāo)準(zhǔn),在經(jīng)濟(jì)上是有利的。但是對于最終級的壓力容器,由于要在80-100atm下運轉(zhuǎn),所以必需至少具有80atm以上的耐壓性。
供給本發(fā)明反滲透膜分離裝置的供給液無有特殊的限制,越是比較高濃度具有高滲透壓液體,越能發(fā)揮本發(fā)明的效果。
對于溶質(zhì)的濃度無有特殊的限制,最好溶質(zhì)的濃度在0.5重量%以上。另外特別優(yōu)選的是在供給具有高滲透壓的海水或鹽分濃度為1%以上高濃度的咸水時,更能發(fā)揮本發(fā)明的效果。
根據(jù)本發(fā)明,可以設(shè)置多個反滲透膜模件單元,其級數(shù)是如前所述那樣可以任意地設(shè)定。另外,特別是考慮成本時,其模件單元最好是設(shè)定為2級或者3級。設(shè)置了多級反滲透膜模件的情況下,由于對各級的供給液的濃縮液流量減少,因而在設(shè)置相同(根)數(shù)的模件單元時,越是到后級對每1根模件的供水量變少而容易產(chǎn)生濃差極化,所以構(gòu)成各級單元的模件(根)數(shù)隨級數(shù)而減少,希望要防止對每1根模件供水流量變得極端小。在配置了多級的反滲透膜模件中,特別好的是使下級模件根數(shù)降至前級的40%-60%范圍。另外,對于各級透過水量而言,也基于同樣的理由,最好是使其減少,以保持整體裝置的平衡。即使已決定了各級的模件數(shù),也可通過選擇用升壓泵的升壓壓力而廣泛設(shè)定透過水量,但如果考慮裝置整體的能量成本之降低時,在以多級設(shè)置反滲透膜模件裝置中,最好是使下級的透過水量降至前級的30%-70%。
在本發(fā)明中,將模件單元作成多級,通過適當(dāng)降低后級模件數(shù),可以防止供給反滲透膜模件的側(cè)膜面流速的急激下降。膜面流速方面也存在最佳值,各級的膜面流速有大的差異是不好的。為使流動各級模件單元的海水的膜面流速差小,進(jìn)行不產(chǎn)生濃差極化的穩(wěn)定運轉(zhuǎn),對于各級的反滲透膜模件單元的濃縮水的膜面流速中,具有最大膜面流速的模件單元的濃縮水膜面流速(最大濃縮水膜面流速)和,具有最小膜面流速的模件單元的濃縮水膜面流速(最小濃縮水膜面流速),要使之滿足"最大濃縮水膜面流速/最小濃縮水膜面流速≤1.5",而最好的是"最大濃縮水膜面流速/最小濃縮水膜面流速≤1.3"的關(guān)系來進(jìn)行運轉(zhuǎn)。
在本發(fā)明中的來自最終級的反滲透膜模件的濃縮水,具有壓力能,并最好將該能量回收而再使用。作為回收最終級端的濃縮水能量的方法,可以通過渦輪機、水車等,進(jìn)行前級或者任意級升壓泵或者第1級加壓泵軸動力的不降低的方法。但是,為了充分回收能量,最好的方式是將該濃縮水連接返回到直接連結(jié)最需要大能量的第1級模件單元的加壓泵上的能量回收渦輪機,以回收該加壓泵的能量。
本發(fā)明以特別高產(chǎn)率的海水淡水化為其目標(biāo),為了穩(wěn)定運轉(zhuǎn),需要添加防水垢劑。
另外,本發(fā)明中的反滲透膜裝置的供給液中添加的防水垢劑,由于是與溶液中的金屬,金屬離子等形成配位化合物,或者可溶化金屬或者金屬鹽,所以可以使用有機或無機的離子型聚合物或單體。作為離子型聚合物,可以使用聚丙烯酸、磺化聚苯乙烯、聚丙烯酰胺、聚丙烯胺等合成聚合物或羧甲基纖維素、殼聚糖、藻朊等天然高分子。作為有機系的單體,可以使用乙二胺四乙酸等。作為無機等的防水垢劑可以使用多磷酸鹽等。在這些防水垢劑中從容易得到,溶解性等操作的簡便,以及價格方面考慮,多磷酸鹽、乙二胺四乙酸(EDTA)特別適用于本發(fā)明。所謂多磷酸鹽,是指以六偏磷酸鈉為代表的,分子內(nèi)具有2個以上磷原子,并由堿金屬、堿土類金屬與磷酸原子等而結(jié)合的聚合無機磷酸系物質(zhì)。作為代表性的多磷酸鹽,可以舉出焦磷酸四鈉、焦磷酸二鈉、三聚磷酸鈉、四聚磷酸鈉、七聚磷酸鈉、十聚磷酸鈉、偏磷酸鈉、六偏磷酸鈉,以及它們的鉀鹽等。
另外,這些防水垢劑的添加濃度,只要是能去除供給液中的水垢的量就可以,但考慮到費用或溶解需要的時間等的操作性時,通常為0.01-100ppm,準(zhǔn)確而言,取決于供給水的水質(zhì),但通常在海水情況下優(yōu)選的是0.1-50ppm,進(jìn)而更好的是1-20ppm。添加量少于0.01ppm時由于不能充分抑制水垢的產(chǎn)生,因而出現(xiàn)膜性能的惡化。另外,添加量大于100ppm以上時,防水垢劑本身吸附于膜表面上而降低了造水量,或者惡化水質(zhì),因而是不好的。但是,在含有大量的水垢物質(zhì)或金屬類的供給液時,也有需要添加數(shù)十~數(shù)百ppm的情況。
在本發(fā)明中,可以實施用過去的單純一級法難以達(dá)到的海水淡水化的高產(chǎn)率,并可期待淡水化成本的大幅度降低以及提高運轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性,通過將以多級排列的模件單元的供給水預(yù)先進(jìn)行超澄清化,以期待更一步穩(wěn)定的運轉(zhuǎn)。也就是說,本發(fā)明者們精心研究的結(jié)果,發(fā)現(xiàn)用洗滌可能的中空系膜過濾裝置的海水處理,作為海水淡水化前處理水的超澄清化手段是具有非常大的效果的事實。這些是將海水用捆扎多個中空系膜而成的中空膜模件進(jìn)行過濾海水以得到澄清的海水的,但其前提是通過物理洗凈手段除去中空系膜表面的污染,并使用能夠可長期使用的中空系膜。作為中空系膜的物理洗凈手段,可以采用通過過濾水反方向流水洗凈和空氣沖洗法,或者氣體洗滌等。
作為在本發(fā)明中使用的中空系膜模件是將中空系模束的端部,用粘接劑固定后切斷或使中空系膜內(nèi)部開孔而成的中空系膜模件,不論何種特殊結(jié)構(gòu),都可以采用和物理洗凈手段相組合的最佳形狀。特別好的是,在槽狀容器中,裝填了多根中空系膜元件形狀的模件適于大容量化。作為構(gòu)成中空系膜模件的中空系膜,只要是多孔質(zhì)的中空系膜就沒有特殊限定,可以選定聚乙烯、聚丙烯、聚砜、聚乙烯醇、纖維素乙酸酯、聚丙烯腈、及其他材質(zhì)。其中特別好的中空系膜材料,合適的是由至少含有聚丙烯腈為一種成分的聚合物而成的中空系膜。在聚丙烯腈系聚合物中最好的是,由至少丙烯腈為50摩爾%以上,較好的是60摩爾%以上和對該丙烯腈具有聚合性的乙烯化合物的一種或二種以上為50%以下,較好的是0-40摩爾而構(gòu)成的丙烯腈系共聚物。另外,也可以是這些丙烯腈系聚合物二種以上,進(jìn)而與其他聚合物的混合物。作為上述乙烯化合物,只要是對丙烯腈有共聚合性的公知的化合物即可,沒有特殊限定,但作為較好的共聚合成分,可以舉出丙烯酸、衣康酸、丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、乙酸乙烯酯、烯丙基磺酸鈉、對苯乙烯磺酸鈉等。
當(dāng)然,本發(fā)明可廣泛用于海水淡水化的外的很多反滲透膜分離操作,例如,化學(xué)工藝用途,食品分離用途等方面。
實施例1使用具有標(biāo)準(zhǔn)條件(壓力56大氣壓,3.5%海水,溫度25℃,產(chǎn)率12%)脫鹽率99.5%,造水量15m3/日性能的膜面積為26.5m2的聚酰胺系反滲透膜,制作圖1所示的反滲透膜分離裝置,該裝置具有使一個容器內(nèi)裝入6根上述反滲透膜而并聯(lián)組裝4根的第1級模件單元和,組裝同上模件2根的第2級模件單元和,對供給水之海水升壓而供給第1級模件單元的加壓泵和,對第1級的模件單元的濃縮水進(jìn)一步加壓以供給第2級模件單元中的升壓泵,進(jìn)行了海水淡水化實驗。使第2級濃縮水反回到連接聯(lián)結(jié)于第1級的高壓泵的能量回收渦輪機,進(jìn)行能量回收實驗。將以第1級高壓泵吸上來的海水加壓至65大氣壓,供給第1級反滲透膜模件上,而第1級的濃縮水(63大氣壓),用升壓泵加壓至90大氣壓。其結(jié)果,對于海水供給量770m3/日,得到第1級透過水量300m3/日、第2級透過水量162m3/日的,滿足飲用水標(biāo)準(zhǔn)的淡水。產(chǎn)率為60%。第1級模件單元的最上流側(cè)元件的透過水量為18m3/日,對每1m3透過水的電耗量為4.5KWh。
比較例1
制作圖2所示的裝置包括將與實施例1同樣的反滲透膜元件在1個壓力容器中裝填6個反滲透膜元件而構(gòu)成的,反滲透膜模件單元和,將海水升壓以供給模件單元中的加壓泵。并進(jìn)行了海水淡水化實驗。加壓泵壓力90大氣壓時,可以得到產(chǎn)率60%的第1級透過水量498m3/日淡水,最上流側(cè)元件的透過水量為22m3/日超過了耐垢允許值,則表明不適于長期使用的狀態(tài)。對每1m3透過水的電消耗量為4.9KWh。
實施例2將由分子量40萬,外徑50μm,內(nèi)徑350μm的聚丙烯腈中空系膜12000根而成的,膜面積為15m2的中空系膜模件7根,收納于1升不銹鋼容器中而作成的中空系膜模件單元上,通入海水,進(jìn)行過濾處理。過濾流量為100m3/日,過濾操作壓力為0.5大氣壓。過濾處理前海水的濁度為3.0表示膜堵塞指標(biāo)的F1(水垢指數(shù))值是不能測定(F1≤6.5)的值,但過濾處理后的海水濁度為0.1,F(xiàn)1為0.1以下。用此海水,在標(biāo)準(zhǔn)條件下(壓力56大氣壓,3.5%海水,溫度25℃,產(chǎn)率12%,將具有脫鹽率99.5%,造水量3.75m3/日性能的膜面積6.6m2的聚酰胺系反滲透膜元件8根(使用加入2根元件的4根模件)組裝在前級上,而在后級上組裝4根(使用相同模件),制作圖1所示的濃縮水升壓法的反滲透膜裝置,以第1級壓力65大氣壓,第2級壓力90大氣壓來實施海水淡水化的連續(xù)運轉(zhuǎn)。其結(jié)果從海水可以得到透過水40m3/日,產(chǎn)率60%。連續(xù)運轉(zhuǎn)2000小時,在此條件下所得到的透過水量(25℃換算法)沒有變化。
比較例2除了使用凝結(jié)砂濾裝置代替前處理中的中空系模件單元之外,其他與實施例2相同地進(jìn)行海水淡水化實驗。凝結(jié)砂濾裝置,作為凝結(jié)劑而加入氯化鐵,過濾處理后的水質(zhì),其濁度為0.6,F(xiàn)1值為4.5。在與實施例2相同條件下連續(xù)運轉(zhuǎn)2000小時,其結(jié)果在相同條件下的透過水量36m3/日,判明為約降低3%。
根據(jù)本發(fā)明,可提供一種從高濃度溶液,以高產(chǎn)率、低能量、較便宜價高效率地比較穩(wěn)定地得到低濃度溶液的裝置以及分離方法。
圖1是表示本發(fā)明反滲透膜裝置之一例的流程圖。
圖2是表示過去技術(shù)之一例的流程圖。
符號說明1 加壓泵2 第1級反滲透膜模件單元3 第1級透過液4 第1級濃縮液5 能量回收裝置6 供給液7 升壓泵8 第2級反滲透膜模件單元9 第2級透過液10 第2級濃縮液
權(quán)利要求
1.一種反滲透膜分離裝置,其特征在于多級配置反滲透膜模件單元,并在該反滲透膜模件單元之間的濃縮液流路上配設(shè)升壓泵,而且多級地配置反滲透膜模件中,下級模件單元的反滲透膜有效面積之和作成前級的20%-80%。
2.權(quán)利要求1中所記載的反滲透膜分離裝置,其特征在于多級配置的反滲透膜模件單元中下級模件單元的反滲透膜有效面積之和作成前級的40%-60%。
3.權(quán)利要求1中記載的反滲透膜分離裝置,其特征在于具有回收終極模件單元濃縮水的壓力能的回收裝置。
4.權(quán)利要求1記載的反滲透膜分離裝置,其特征在于壓力能的回收裝置連結(jié)于第1級模件單元的供給水升壓用高壓泵上。
5.權(quán)利要求1記載的反滲透膜分離裝置,其特征在于濃縮水壓用升壓泵的吸入側(cè)殼體以及軸密封部的耐壓性為50大氣壓以上。
6.權(quán)利要求1記載的反滲透膜分離裝置,其特征在于其中各級反滲透膜模件單元中至少最終極模件單元的壓力容器的耐壓性為80大氣壓以上。
7.權(quán)利要求1記載的反滲透膜分離裝置,其特征在于其中設(shè)置防水垢劑添加手段。
8.權(quán)利要求1記載的反滲透膜分離裝置,其特征在于其中第1級模件單元的上流側(cè)設(shè)置膜濾裝置。
9.一種反滲透分離方法,其特征在于用多級配置的反滲透膜模件單元,將前級模件單元的濃縮水進(jìn)行升壓以供給下級的反滲透膜模件中。
10.權(quán)利要求9記載的反滲透分離方法,其特征在于其中"n"級的操作壓力"P(n)"和"n+1"級的操作壓力"P(n+1)"處于下述的范圍;1.15≤P(n+1)/P(n)≤1.8
11.權(quán)利要求9記載的反滲透分離方法,其特征在于其中"n"級的操作壓力"P(n)"和第"n+1"級的操作壓力"P(n+1)"處于下述的范圍1.3≤P(n+1)/P(n)≤1.6。
12.權(quán)利要求9記載的反滲透膜分離方法,其特征在于其中關(guān)于各級的反滲透膜模件單元的濃縮水的膜面流速,具有最大膜面流速的濃縮水膜面流速(最大濃縮水膜面流速)和,具有最小膜面流速的模件單元的濃縮水膜面流速(最小濃縮水膜面流速),滿足下述關(guān)系而進(jìn)行運轉(zhuǎn)最大濃縮水膜面流速/最小濃縮水膜面流速≤1.5。
13.權(quán)利要求9記載的反滲透分離方法,其特征在于其中關(guān)于各級的反滲透膜模件單元的濃縮水膜同流速中,具有最大的膜面流速的模件單元的濃縮水膜面流速(最大濃縮水膜面流速)和,具有最小的膜面流速的模件單元的濃縮水膜面流速(最小濃縮膜面流速),滿足成為下述關(guān)系而進(jìn)行運轉(zhuǎn)最大濃縮水膜面流速/最小濃縮水膜面流速≤1.3。
14.權(quán)利要求9記載的反滲透分離方法,其特征在于其中的供給液是溶質(zhì)濃度為0.5%以上的水溶液。
15.權(quán)利要求9記載的反滲透分離方法,其特征在于其中的供給液是海水或者高濃度鹽水。
16.權(quán)利要求9記載的反滲透膜分離裝置,其特征在于其中在多級配置的反滲透膜模件單元中,使下級模件單元的透過水量降至前級的30%-80%的范圍。
17.權(quán)利要求9記載的反透膜分離裝置,其特征在于其中從各級模件單元得到的透過水量的總和為供給第1級的供給水的50%以上。
18.權(quán)利要求9記載的反滲透分離的方法,其特征在于其中各級的操作壓力和各級的濃縮液的滲透壓之差為50大氣壓以下。
19.權(quán)利要求9記載的反滲透分離方法,其特征在于其中對第1級和最終級的膜的膜面積的標(biāo)準(zhǔn)條件下的透過流速為處于下述關(guān)系1.0≤第1級膜透過水量/最終級膜的透過水量≤1.2。
20.權(quán)利要求9記載的反滲透分離方法,其特征在于第1級的反滲透膜模件單元的操作壓力為70大氣壓以下。
21.權(quán)利要求9記載的反滲透分離方法,其特征在于其中最終級的反滲透膜模件單元的操作壓力為80-120大氣壓。
22.權(quán)利權(quán)利9記載的反滲透分離方法,其特征在于回收最終級反滲透膜模件單元的濃縮水的壓力能。
23.權(quán)利要求22記載的反滲透分離方法,其特征在于回收壓力能是用連結(jié)于第1級模件單元的供水升壓用高壓泵的回收裝置進(jìn)行。
24.權(quán)利要求9記載的反滲透分離方法,其特征在于最終級的供給水中至少含有防水垢或者防水垢劑配位化合物,或者復(fù)合物。
25.權(quán)利要求9記載的反滲透分離方法,其特征在于將膜濾裝置的透過液作為第1級反滲透膜模件單元的供給液。
全文摘要
本發(fā)明提供一種從高濃度溶液,以高產(chǎn)率、低能量、較廉價,高效率地,比較穩(wěn)定地得到低濃度溶液可能的裝置及分離方法。本發(fā)明的反滲透膜分離裝置特征在于多級地配置反滲透膜模件單元,并在該反滲透膜模件單元之間的濃縮液流路上配設(shè)升壓泵。
文檔編號B01D65/08GK1132108SQ95119939
公開日1996年10月2日 申請日期1995年10月12日 優(yōu)先權(quán)日1994年10月12日
發(fā)明者山村弘之, 栗原優(yōu), 前田勝之助 申請人:東麗株式會社