JP6160864B2 - ナノファイバー膜蒸留装置 - Google Patents

Description

本発明は、家庭用からプラント向きまで幅広い用途に適したナノファイバー膜蒸留装置に関するものである。

近年、世界中できれいな水が求められている。海や河川、地下水など水はどこにでも存在するが、これらは多くの塩分や重金属、バクテリアを含み安全に飲むことができない。中東などで淡水化施設を多く建築しているが、これらは都市部近郊に設立されるだけで地方には水を供給することが困難である。また、淡水化過程で非常に大きなエネルギーを使用するため二酸化炭素などを多く排出するなど環境に多大な影響を与えている。

例えば、海水または汚水を熱して蒸発させ、出て来た水蒸気を回収して冷やして真水を生成する多段フラッシュ法（蒸発法とも言う）がある。この方法は蒸発させるため、多量の熱を必要とするため、原子力発電所や火力発電所、ごみ焼却炉や製油所などで出る熱を２次利用して行うことが多い。

また、水を通すが、塩分は通さない逆浸透膜という膜を用いて、圧力をかけることにより、真水を生成する逆浸透膜方法がある。この方法は、膜を通す際に非常に大きな圧力をかけてやる必要があるため、膜の性能が大事であり、尚且つ、消耗が激しいため維持コストがかかる。しかし、多段フラッシュ法に比べて、エネルギーコストが安いため、世界各地でＲＯ膜を用いた大型プラントが稼動している。この方式は、金属イオンやホウ酸などが微量ですが漏えいする問題もある。

さらに、水蒸気は通すが水は通さない特殊な膜を用いた膜蒸留法がある。この方法は太陽熱温水器と、太陽光発電を用いて行うことができ、消耗品もほとんどないので、非常に低コストで操業することが可能な膜蒸留法がある。しかしこの方法は生産量が少量であるため実用化されていない。

そこで本発明者はこれらの問題を解決しょうとしたもので、本発明の第１の目的は、家庭用からプラントまで対応ができるナノファイバー膜蒸留装置を提供しょうとしたことである。

本発明のもう１つの目的は、太陽光やバイオマスなどの熱を利用して少ないエネルギー消費量で淡水を安価に且つ大量に増水しょうとしたものである。

本発明のもう１つの目的は、沸騰で発生する飛沫からナノファイバー膜が汚染するのを防止したことである。

本発明のもう１つの目的は、留塩分濃度のない真水を造水しょうとしたものである。

本発明のもう１つの目的は、造水効率を向上させ、造水量を増やすために大型にせざるを得なかった装置を小型化して、設備費を低減しょうとしたものである。

本発明のもう１つの目的は、海水または汚水の淡水化処理の操作を簡単にすると共にメンテナンスも容易にしたものである。

本発明のもう１つの目的は、産業廃棄物の発生を極力少なくし、環境に悪影響を与えないようにしたものである。

本発明の第１の解決手段は、海水を貯留する冷却ユニットタンクと、ナノファイバー厚膜で蒸留室と淡水室とに二分して形成した蒸発器と、蒸発器の底部に設けた貯水タンクと、貯水タンクの下部に設けた加熱部とからナノファイバー膜蒸留装置本体を構成したことである。

本発明の第２の解決手段は、ナノファイバー膜蒸留装置本体の冷却ユニットタンクには海水を導入する海水導入管が接続されていることである。

本発明の第３の解決手段は、冷却ユニットで貯えられた海水を貯水タンクへ送り込む移送管を冷却ユニットと貯水タンクの間に設けたことである。

本発明の第４の解決手段は、蒸発器内にナノファイバー厚膜を傾斜して配置したことである。

本発明の第４の解決手段は、蒸発器内にナノファイバー厚膜を傾斜して配置したことである。

本発明の第５の解決手段は、ナノファイバー厚膜が傾斜した下方位置に取水口を設け、この取水口に回収管を接続して淡水容器に淡水を貯留するようにしたことである。

ここで、ナノファイバー厚膜は、本発明者が発明したエアーブロー方式の電界紡糸法あるいは溶融電界紡糸法で繊維径が１０ｎｍ〜１μｍのナノファイバーからなる薄い層を積層してマット形状に形成するか、ＮＦが多数重なり合った状態で構成されているこナノフィルタ製疎水性多孔質膜の下部に繊維径が１０ｎｍ〜１μｍのナノファイバーからなる薄い層を積層して製作する。この場合、エアーブロー方式の電界紡糸法あるいは溶融電界紡糸法で製造すると、均一の層厚のナノファイバー層を大量生産でき好ましい。

（１）安価で大量の淡水を生成することができる．
（２）装置構造が簡単であるため、家庭用から大規模プラントまで対応ができる。
（３）高濃度塩水を排出しないようにすることも可能である。
（４）塩の生産が可能である。
（５）硬水からミネラルを抽出することも可能である。
（６）太陽光やバイオマスなどこれまで使用されていなかった熱を利用する。
（７）常に海水を沸騰させて生産する。
（８）蒸留方式であるため海水、汚水などを淡水化できる。（塩分だけでなく重金属、ヒ素を除去することができる。）
（９）高塩分濃度の海水や塩を生産できる。
（１０）構造が簡単であるため装置が安価。
（１１）ランニングコストが安い。
（１２）海水と膜が非接触であるためメンテナンスフリー。

ナノファイバー膜蒸留装置の一実施例を示す図。 ナノファイバー膜蒸留装置の他の実施例を示す図。

図１を参照して説明する。１はナノファイバー膜蒸留装置本体で、この本体１は、海水を貯留する冷却ユニット２のタンク３と、ナノファイバー厚膜４で蒸発室５と淡水室６とに二分して形成した蒸留器７と、蒸留器７の底部に設けた貯水タンク８と、貯水タンク８の下部に設けた加熱部９とから構成されている。

また、ナノファイバー膜蒸留装置本体１の冷却ユニット２のタンク３には海水を導入する海水導入管１０が接続されている。そして、冷却ユニット２のタンク３で貯えられた海水を貯水タンク８へ送り込む移送管１１が冷却ユニット２のタンク３と貯水タンク８の間に配置されている。

さらに、ナノファイバー厚膜４が蒸発器７内に傾斜して配置されており、ナノファイバー厚膜４が傾斜した下方位置に取水口１２が形成され、この取水口１２には回収管１３が接続され、この回収管１３の末端に淡水容器１４が取り付けられている。

また、蒸留器７の淡水室６上部には真空ポンプ１５がとりつけられている。

なお、海水導入管１０および移送管１１にはそれぞれバルブ１０Ａ、１１Ａ、が取り付けられている。

本発明の実施例１は上記のような構造であるので、その動作について説明する。

図１に示すように太陽光などで５０度〜１００度程度海水を加熱した海水を冷却ユニット２のタンク３に送り込む。次に、冷却ユニット２のタンク３に送り込まれた温海水は移送管１１を経由し、所定量の温海水が貯水タンク８に貯留される。ここで、貯水タンク８と蒸発器７は一体化して密閉空間が形成されていることから、真空ポンプ１５の駆動により貯水タンク７および蒸発器６の空間が低い気圧に維持される。この状態で貯水タンク７内に貯留した海水を加熱部９によって沸騰させる。１気圧の場合、水は１００度が沸点である。液体は沸点以下の場合、蒸気圧と大気圧の差によって水蒸気が発生するため、沸点までは海水の表面でのみ水蒸気が発生する。ところが、沸点を超えると水中からも水蒸気が発生するため小さな空間で大量の水蒸気を発生させることが可能となる。

そこで、本発明の特徴は、海水を沸騰させることで大量の淡水を生成できることである。海水が沸騰して大量の水蒸気を生成することで蒸発室５の水蒸気空間の圧力が高くなり、ナノファイバー厚膜４を通り抜け、冷却ユニット２に水蒸気が触れることで水蒸気の潜熱が奪われて結露して下に落下する。ナノファイバー厚膜４は、水蒸気を通して水を通さない性質を持っているため、ナノファイバー厚膜４の傾斜に沿って取水口１２に溜り回収管１３を通して淡水容器１４に貯められる。水蒸気は冷却ユニット２で潜熱を奪われて水になることで蒸気圧が下がり内部の気圧差が保たれる。冷却ユニット２は、水蒸気から潜熱を奪って海水を加熱する。ナノファイバー厚膜４は、ナノファイバーで構成されているため通常のフッ素系の膜に比べて格段に通気性が高い。また、ナノファイバー厚膜４は、傾斜を付けることで結露した水を淡水容器１４に運ぶ役割があるが、傾斜によって表面積が増え圧損を軽減することができる。

加熱部９に太陽光で加熱した熱媒体を利用する場合は、昼間は１００度以上となるため、真空ポンプ１５を使用することなく海水を沸騰させて使用することができる。また、加熱部９の温度が１００度以下の場合は、真空ポンプ１５を使用して沸騰させることができる。この際、真空ポンプ１５が下げる気圧は温海水が沸騰する程度に下げるだけで良い。また、一度気圧を下げれば、沸騰によって発生した水蒸気圧は、結露することで消滅するため必要以上に真空ポンプ１５を稼働させる必要はない。沸騰させると塩分を含んだ飛沫が飛ぶためナノファイバー厚膜の表面に付着する可能性があるが、ナノファイバー厚膜は、ナノファイバーが多数重なり合った状態で構成されていることで塩の結晶によって目詰まりを起こすことはない。

冷却ユニット２では、水蒸気から潜熱を奪うことで海水が過熱される。これによって冷却ユニット２のタンク３内の海水の温度が上がることで上昇し、温度が低い海水が入れ替わり冷却ユニット２を低い温度に保つ。上昇したタンク３内の海水は移送管１１を経由し貯水タンク８へ送り出される。

次に、実施例２は、基本的には実施例１のナノファイバー膜蒸留装置本体１を必要に応じ多数連接して設けたもので、実施例１に相当する部材については同じ番号を付し図２を参照して説明する。
１はナノファイバー膜蒸留装置本体で、この本体１の上部には、海水を貯留する冷却ユニット２のタンク３が一体化して設けられている。蒸留器７内はナノファイバー厚膜４で蒸発室５と淡水室６とに二分されている。８は蒸留器７の底部に設けた貯水タンクで、この貯水タンク８と冷却ユニット２間にはタンク３で貯えられた海水を貯水タンク８へ送り込む移送管１１が配置されている。さらに、貯水タンク８の下部には加熱部９が配置されている。１３は取水口１２に取り付けられた回収管で、この回収管１３は淡水容器１４まで延びている。

次に、実施例２の動作については実施例１と同じであるため、省略する。

なお、上記実施例では海水を淡水化する方法について述べたが、本発明のナノファイバー膜蒸留法は汚水、雨水などを利用して飲料水を生成することができるもので、種々変更しても何ら本発明の要旨を変更するものではない。

本発明は、蒸留器７内に通常のフッ素系の膜に比べて格段に通気性の高いナノファイバー厚膜を装着し、海水を沸騰して大量の水蒸気を生成するようにしたので、大量の淡水を生成でき、従来、海水から大量の淡水を生成するのに必要であった設備の大型化を解消したもので、海水から淡水を得るのにランニングコストおよび設備費のかからない安価な装置を提供しょうとしたもので、実用的上なはだ大なるものである。

１・・・ナノファイバー膜蒸留装置本体 ２・・・冷却ユニット
３・・・タンク ４・・・ナノファイバー厚膜 ５・・・蒸発室
６・・・淡水室 ７・・・蒸発器 ８・・・貯水タンク
９・・・加熱部 １０・・・海水導入管 １１・・・移送管
１２・・・取水口 １３・・・回収管 １４・・・淡水容器
１５・・・真空ポンプ
１０Ａ・・・バルブ １１Ａ・・・バルブ

Claims (1)

1. 海水を貯留する冷却ユニットのタンクと、ナノファイバー厚膜で蒸発室と淡水室とに二分して形成した蒸留器と、蒸留器の底部に設けた貯水タンクと、貯水タンクの下部に設けた加熱部および取水口とから構成したナノファイバー膜蒸留装置本体において、冷却ユニットのタンクに海水を導入する海水導入管を接続し、冷却ユニットのタンクと貯水タンク間に移送管を取り付け、さらに、繊維径が１０ｎｍ〜１μｍのナノファイバーからなる薄い層を積層してマット形状に形成したナノファイバー厚膜を蒸発器内に傾斜して配置し、ナノファイバー厚膜が傾斜した下方位置に取水口を設け、この取水口に接続した回収管を介して淡水容器に大量の淡水を貯留できるようにしたことを特徴とするナノファイバー膜蒸留装置。

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