成果報告書詳細
管理番号20140000000519
タイトル平成22年度-平成25年度成果報告書 最先端PG(Mega-ton Water System) 100万m3/日規模大型プラント構成最適化 流体解析と発電システム
公開日2015/3/31
報告書年度2010 - 2013
委託先名国立大学法人長崎大学
プロジェクト番号P09025
部署名環境部
和文要約淡水化施設では海水に高圧力をかけるため、多くの動力を必要とする。したがって、動力回収は省エネの観点から非常に重要である。淡水化により生じた濃縮海水は浸透圧の高濃度エネルギーを有しており、その有効利用が期待される。本研究は、高濃度エネルギーを回収する濃縮海水発電の実用化を図るものである。
 長崎大学では、このシステムで中心をなすモジュールの流れの解析を実験により行い、さらに、中空糸表面近傍における微小な流れの状況をシミュレーションにより解析した。また、モジュール内流れ及び浸透の状況をシミュレーションにより評価して、形状・運転状況と浸透性能との関係を評価した。以下にその概要をまとめる。
 現行のモジュールでは、 (1)塩水の流れはモジュール内で均一ではなく、モジュール入口および中央部分で早く、そのほかの部分で遅くなっている。(2)塩分濃度は出口へ向かうにつれて次第に上昇する傾向にある。(3)塩水流量が少ない場合は、モジュール内の塩分濃度に分布が著しいものの、塩水流量が多くなると、塩分濃度は一様となる。ただ、塩分濃度に対する十分な浸透量が得られるとは限らない。(4)塩水の塩分濃度が高くなると、モジュール内で塩分濃度に分布が出てくる。塩分濃度が低い場合は、モジュール形状を十分に発揮できていない。
 中空糸表面近傍における塩化ナトリウム水溶液の挙動を分子シミュレーションによって検討した結果(1)固液相互作用エネルギーと水滴の接触角には強い相関があり,接触角で相互作用エネルギーを評価できる。(2)固液相互作用エネルギーが大きい膜表面では、水分子、イオンの拡散係数は小さい。表面近傍の拡散係数と接触角と強い相関がある。(3)固液相互作用エネルギーが大きい膜は、水の浸透量が多い。ただし、膜の孔内部のエネルギーが重要であり、膜表面の相互作用力は影響を及ぼさない。
 モジュール内流れ及び浸透の状況をシミュレーションにより評価した結果、(1)濃縮海水の圧力に対する浸透圧発電用塩水圧力の比が0.5付近で,エネルギー回収が最も良好である。(2)膜透過率が向上するにつれて,エネルギー回収が向上し,また圧力比による変化も大きくなる。(3)エネルギー回収が良い場合は,モジュールの流れがより均一に近くなる。(4)中空糸の性能が向上しても、モジュール内の流れの不均一さが残っており、モジュール性能の向上をさらに期待することができる。(5)モジュール長さおよび直径は、中空糸の性能に応じた適正な寸法がある。(6)モジュールの形状に応じた適正な塩水流量の運転領域がある。
以上により、これまで以上に性能がすぐれた中空糸およびモジュール形状の実用化に向けての条件が明らかになった。
英文要約It is required to reduce the input power of RO plant system. The pressure retarded osmosis (PRO) is recently concerned to reduce it. The PRO power generation is based on the osmotic potential energy of the concentrated salt water. This research is to improve the PRO power recovery system in the RO plant.
The flow and permeation characteristics in the PRO module and around the hollow fiber are researched. The flow of the salt water was investigated in the module by experiments. The behaviors of water molecules and salt ions near the hollow fiber were analyzed by the molecular dynamics simulation. The influences of the geometry and the salt water to the flow and the permeation characteristics are analyzed by the simulations.
It was analyzed the flow in the module by the experiments. The permeation flow increased and the salt concentration at outlet decreased with the lower flow rate of the salt water. The distribution of the salt concentration in the module was uniform at high salt water flow rate, but the permeation flow was not so large as the salt water flow. The lower concentration of the salt water made the uniform concentration distribution of the module flow.
It was analyzed the salt water diffusion effect by the molecular dynamics simulation. There was pointed out the strong correlation between the contact angle and the energy of the interaction force. The diffusion coefficient of the water molecules and the salt ions was small at the large energy of the interaction force. The membrane with the large energy of the interaction force permeated the water large. The energy of the interaction force in the hollow fiber was important, but the surface interaction force was not so important.
The condition that is required to the new PRO module was clear by the simulation. The permeation coefficient of the module is good at over 0.6. The pressure ratio of the PRO and RO is recommended to 0.5. The concentration distribution in the module has to be uniform in span direction. The uniform flow is also need for the comfortable permeation. When we investigated the relationship about flow rate of sea water, module length and module diameter, it was found that there is best condition about these.
ダウンロード成果報告書データベース(ユーザ登録必須)から、ダウンロードしてください。

▲トップに戻る