成果報告書詳細
管理番号20140000000521
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 正浸透膜の基礎特性評価
公開日2015/3/10
報告書年度2010 - 2013
委託先名国立大学法人山口大学
プロジェクト番号P09025
部署名環境部
和文要約現在、世界中で海水淡水化プラントによる造水が行われている。この造水過程において、高濃度の濃縮海水を海に放流する。最近、この濃縮海水が環境に及ぼす影響が懸念されている。また海水淡水化プラントの造水コストを削減するために、高い塩分濃度差エネルギーを有している濃縮海水からエネルギー回収を行うことが求められている。その解決策のひとつとして浸透圧発電(Pressure retarded osmosis: PRO)が注目されている。浸透圧発電に用いる正浸透(FO)膜は、高浸透圧溶液(DS)と淡水(FS)との浸透圧差を駆動力として水をDS側に透過させる。そのため圧力駆動の逆浸透(RO)膜とは、評価方法が大きく異なるため、FO膜及びFO膜モジュールの性能を評価するための新規な装置と評価方法の確立が求められている。
本研究課題では、新たなFO用平膜及びFO膜モジュール評価装置を開発して、その評価方法の確立を行った。さらに海水淡水化プラントにおけるエネルギー回収へのPRO運転に近い、模擬濃縮海水などの高濃度塩水、及び実際の海水淡水化プラントの排出濃縮海水を利用した連続評価試験を行うため、高濃度DSによるFO膜モジュールの性能評価を行えるように装置を改修した。
本研究で設計・製作したFO平膜評価装置は、これまでの研究報告の約2倍高い高圧条件下(4MPa以上)においてもPRO性能評価を行うことが出来た。その結果、1.2 mol/dm3 NaClにおいて12.2 W/m2の最大出力密度を達成した。この値は従来の研究報告と比較して2倍以上高い値である。またこの平膜評価装置を用いて、FS側のファウリング試験を行った結果、膜構造の違いやファウラントの種類により、膜汚染の状態が異なるという知見が得られた。
新たに開発したFO膜モジュール評価装置を用い、膜モジュールの評価と解析を行った。得られた印加圧力差ΔPと水流束Jw、出力密度PDの関係は理論式通りの挙動を示し、長時間安定した評価が可能であることを確認した。FO用CTA中空糸膜モジュールを用い、高濃度塩水である1.8 mol/dm3 NaCl溶液において、世界最高の出力密度である23.1 W/m2(平膜換算値)を達成した。また、海水淡水化プラントからの濃縮海水を実際に使用した試験において17.1 W/m2の出力密度を達成した。
これらの評価装置を使用することにより、高濃度塩水(1.8 mol/dm3 NaCl)や海水淡水化プラントから排出される濃縮海水をDSに使用した場合においても、平膜や膜モジュールの系統的なPRO性能評価が可能であることが実証された。
英文要約There are many seawater desalination plants in the world. In the water production process of these plants, seawater brine with a high salt concentration is released into coastal areas. Recently, the influence of this seawater brine on the environment is causing much concern. Moreover, energy recovery from the seawater brine is needed to reduce the water production costs in the seawater desalination plants. One of the technologies for solving these issues is pressure retarded osmosis (PRO) power generation. In forward osmosis (FO) and PRO processes, water permeates through a FO membrane driven by the osmotic pressure difference between a salt solution with high osmotic pressure (draw solution: DS) and a feed solution with low osmotic pressure (FS). Hence, the evaluation method for FO flat sheet membranes and FO membrane modules differs from that for pressure-driven membranes such as reverse osmosis (RO) membranes. Therefore, evaluation methods for FO flat sheet membranes and FO membrane modules are needed to develop membrane modules for a commercial PRO plant.
In this research project, a novel evaluation system for a FO flat sheet membrane and a FO membrane module was designed and built for verification of its evaluation method. Moreover, the evaluation system was improved to evaluate a FO membrane module using a salt solution with high concentrations and a concentrated seawater brine, in order to obtain PRO performance under almost the same conditions as a PRO pilot energy recovery system built in a seawater RO desalination (SWRO) plant.
The evaluation system for the PRO flat sheet membrane designed in the project was able to evaluate the PRO performance of a membrane under ca. applied pressure (> 4 MPa) two times higher than that in previous reports. The system gave 12.2W/m2 of maximum power density at 1.2mol/dm2 NaCl as DS, which is, to our best knowledge, the best power density in the world. A membrane fouling test on the FS side solution was performed using the membrane evaluation system. The test revealed that the foulant mechanism of FO membranes depends mainly on the structure of the support layer.
The evaluation system for FO membrane modules which was designed in the project could evaluate module performance at a steady state under a wide range of operational conditions: applied pressure, the flow rates of DS and FS, and DS concentrations. PRO performance of a CTA follow fiber (HF) membrane module was performed using the evaluation system. The CTA HF module showed 17.1W/m2 of maximum power density using concentrated seawater brine from an SWRO plant as DS. The CTA HF module also showed 23.1W/m2 of maximum power density at 1.8mol/dm2 NaCl as DS. This is, to our best knowledge, the highest maximum power density reported in literature regarding other membrane modules.
These results show that the evaluation methods for FO flat sheet membranes and FO membrane modules can be verified by using the evaluation systems built in the project.
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