成果報告書詳細
管理番号20130000000973
タイトル*平成24年度中間年報 最先端PG(Mega-ton Water System) 浸透圧発電 正浸透膜の基礎特性評価(H22-H25)
公開日2014/1/10
報告書年度2012 - 2012
委託先名山口大学
プロジェクト番号P09025
部署名環境部
和文要約 Mega-ton Water System 1-3 浸透圧発電 正浸透膜の基礎特性評価(FY2010-FY2013) FY2012 Annual Report和文要約書

浸透圧発電(PRO)は濃度差発電の一種で、海水等の駆動溶液(Draw Solution, DS)と河川水等の対象溶液(Feed Solution, FS)の溶液間に正浸透膜(FO膜)を挟み、水を透過させて発電する。PROの運転条件(PROモード)におけるPRO性能に対する、膜性能と運転条件の役割を理解するためには、プロトタイプ膜モジュールを用いた種々の条件における性能評価が必要である。本研究プロジェクトでは、市販サイズ規模のFO/PRO膜モジュールのPRO評価装置を構築した。
FY2012では、本評価装置をNaCl濃度1.2 mol/dm3以上の溶液を用いて測定を行えるよう改良した。DS再生ユニットは、逆浸透膜ユニットと電気透析ユニットを複合化させ、高濃度の塩水における連続測定を可能にした。東洋紡績(株)製の二種類の中空糸膜モジュールHFM-A, HFM-BとHydration Technology Innovations (HTI)社製スパイラル膜モジュールHTI-FOMを用い、本装置でPRO性能評価を行った。自作平膜セルを用いたCTA系平膜HTI-FOのPRO性能試験も行った。CTA系中空糸膜モジュールとCTA系平膜HTI-FSのPRO性能比較のため、換算水透過係数、換算塩透過係数、中空糸膜モジュール換算出力密度を提案した。
中空糸膜モジュールの換算水流束(Jw)は供給圧差(ΔP)の増加に伴い、理論式に示されるとおりに減少し、ΔPがDSとFSの濃度差から算出される浸透圧差(Δπ)とほぼ同じになる点でJwは0となり、換算出力密度はΔP=1/2Δπにおいて最大値を示す。これらの結果は理論式と合致し、本評価装置の結果が妥当であることを示す。最大換算出力密度はDS濃度の増加に伴い2次関数的に増加するが、これは水流束と最大出力密度を示すΔPの両方が増加するためである。SWRO海水淡水化プラントからの濃縮海水(7.0 wt%、水との浸透圧差Δπ=5.57 MPa)とほぼ同等の浸透圧差を示す1.2 mol/dm3 NaCl溶液(水との浸透圧差Δπ=5.64 MPa)において、HFM-Bは最大換算出力密度12.4 W/m2を示し、大面積モジュールにおける世界最大の値を示した。CTA系平膜HTI-FSはラボスケール実験においてHFM-Bとほぼ同等の換算出力密度を示したが、CTA系スパイラル膜モジュールであるHTI-FOMは、CTA系中空糸膜モジュールであるHFM-Bよりも大幅に小さな換算最大出力密度を示した。これは中空糸膜モジュールの構造がスパイラル膜モジュールより、PRO発電に適した構造をしていることを示す。これはPRO性能への外部濃度分極による影響が、中空糸膜モジュールではスパイラル膜モジュールより非常に小さいためである。
英文要約 Title;Megaton-Water System 1-3 PRO Group. Basic Characterization of Forward Osimosis Membrane (FY2010-FY2013) FY2012 Annual Report
 
 Pressure retarded osmosis (PRO) is one of the methods for generating electric energy from the salinity gradient between a draw solution (DS) and a feed solution (FS) through a forward osmosis (FO) membrane. To understand the role of the membrane characteristics and operational parameters on module flux performance in PRO mode, PRO performance evaluation of a prototype module is needed under various operational conditions. In this research project, we have built up an evaluation system for large-scale FO/PRO membrane modules.
During FY2012, the evaluation system was improved to evaluate PRO performance at high DS concentrations (more than 1.2mol/dm3 NaCl). The combination of a reverse osmosis unit and an electrodialysis unit allowed for evaluation under such high DS concentrations. A PRO performance test of two types of HF membrane modules (HFM-A and HFM-B) provided by Toyobo Co. Ltd., and a spiral membrane module (HTI-FOM) provided by Hydration Technology Innovations (HTI) was performed using the evaluation system. The PRO performance of CTA flat sheet coupon membranes (HTI-FS) was also evaluated with a lab scale test system. To compare the PRO performance of the CTA-HF modules with that of the CTA flat sheet coupon membranes, converted parameters for the water permeability, salt permeability, and power density in an HF module were proposed.
The converted water flux () of the HF membrane modules decreases with increasing applied pressure difference () as predicted in the theoretical equation, and becomes zero when is almost equal to the osmotic pressure difference between DS and FS (). The converted power density of the modules has a maximum value when ΔP=1/2Δπ. These results confirm the validity of the evaluation system for PRO modules. The maximum converted power density increases with an increase in DS concentration because both the water flux, and the applied pressure at the maximum point, also increases with an increase in DS concentration. In the case of 1.2mol/dm3 NaCl solution (5.64 MPa), which has almost equivalent osmotic pressure to concentrated seawater from an SWRO desalination plant (7.0 wt%, 5.57 MPa), the HFM-B modules show that maximum converted power density reaches 12.4W/m2 which is the highest power density in the world for a PRO membrane module with a large membrane area. The CTA spiral type membrane modules, HTI-FOM, show a much lower converted power density than the CTA hollow fiber type modules, HFM-B, although the CTA flat sheet coupon membranes, HTI-FS, show almost the same converted power density as HFM-B. This indicates that the configuration of a hollow fiber membrane module is more suitable for PRO than that of a spiral one because the effect of external concentration polarization in a hollow fiber configuration will be much lower than that in a spiral one.
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