成果報告書詳細
管理番号20140000000590
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 PROシステム評価
公開日2015/3/5
報告書年度2010 - 2013
委託先名国立大学法人東京工業大学
プロジェクト番号P09025
部署名環境部
和文要約100万トンスケールの海水淡水化プラント構築にあたりエネルギーコストの削減,および発生する多量のブライン(濃縮海水)の処理は環境保護の観点から大きな課題である。これらを解決する方法として、浸透膜を通してブラインを淡水と接触させ濃度差エネルギーとして回収を行う浸透圧発電(PRO)がある。このシステムに要する設備面積は比較的小さく、メガトンスケールの海水淡水化プラントにコンパクトな形で付属させることができる。本委託事業の目的はメガトンスケール海水淡水化プラントにおける効率的な濃度差エネルギー回収システムの構築である。浸透圧発電システムにおいて高い発電量を得るために、(1)高い水透過性、(2)膜表面近傍での濃度分極によって引き起こされる浸透圧差の低下を抑えるための高い塩バリヤー性、(3)膜性能を長期間保持するために高い耐膜汚染性を兼備する浸透膜が必要である。本研究では、膜表面構造とファウラント(汚染物質)の相互作用の検討により膜汚染(ファウリング)発生機構の解析を行い、膜汚染の測定システムおよび分析システムを構築することで膜汚染を定量化し耐膜汚染性に優れた膜素材や膜モジュール構造を検討する。また、検討中のPROシステムでは淡水として下水処理水を使用するが、淡水側の膜表面(サポート層)に発生するファウリングを解決するために下水処理水の前処理に関しても検討を行う。事業初年度(平成22年度)においては、電気化学測定システムに依拠した検討を始めるに当たり、必要なシステムを構築するための最適な機器の選定と購入、セットアップから試運転等を行い、平成23年度から本格的に市販RO膜や市販NF膜について界面近傍における塩や膜汚染物質の分布評価を試みた。測定系に現れるノイズ低減とデータの精細化を期し、測定系の改良を行った。平成24年度には従来使用していた電気化学セルに対し電極と浸透膜の位置関係や溶存酸素の影響を避けるために窒素ガスの導入口の設置のような改良を施した新規アクリルセルを、さらに平成24年終盤期には外部電場の影響を避けるため構造の大半に金属を用いた新規セルを作製し測定法の刷新を行った。その結果、得られたCole-Coleプロットでは3相が独立して観測され、これは浸透膜系でのファウリングや濃度分極の観測に電気化学的なアプローチが有効であることを示した。平成24年度から、同じく濃度差エネルギー回収(PRO)Gに所属する長崎大グループとのコラボレーションを行った。特に奥村哲也准教授が担当する浸透膜表面近傍における非定常ナノ流動解析において適切なシミュレーション条件の提供を行った。
英文要約Among crucial problems at Megaton scale Sea Water Reverse Osmosis(SWRO) desalination plant are energy saving and management of concentrated brine. To solve these problems at the same time, Pressure Retarded Osmosis(PRO) power generation is studied in this research project. One of benefits from using PRO system is that power plant of the system needs smaller plant area, so the system can be easily combined with SWRO plant.
Although PRO power generation has many benefits and advantages, we have to overcome some challenges to implement that system effectively. One of them is a problem which takes place at semi permeable membranes. We need membranes with high water flux and lower salt leak. Obstacles against that nature of membrane come mainly from two phenomena as follows. Concentration Polarization (CP) is the phenomena that salt concentration near membranes becomes different from that in the bulk phase of aqueous solution, which is caused by the fact that membrane is lack of effective barrier against salt permeation. It would actually lower osmotic pressure difference across membranes and, as a result, reduce water flux through membrane. Membrane Fouling, which is caused by organic compound or micro organism existing in the aqueous phase touching membranes, would plug pores of membranes and also causes reduction of water flux through membranes.
Our research unit located at Tokyo Institute of Technology, led by Professor Akihiko TANIOKA, focused on Membrane Fouling. According to our preliminary surveys, membrane fouling was found to be affected by salt ions which co-exist near membrane’s interface against aqueous phase. So fouling and CP problem should not be separated from each other when seeking the total solution against these problems.
Our unit decided that we would investigate the state of salt ions or the activity of organic compounds near membrane phase from the electrochemical point of view. We have employed “impedance analyzer” system (EIS), as a electrochemical system. We have carried out the impedance analysis on the commercially available semi-permeable membranes immersed in the aqueous salt solution. Clearer impedance spectrum was obtained after the electrochemical system was improved, which let us analyze the state of ion near permeable membranes more particularly.
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