JP4092649B2

JP4092649B2 - 海水の淡水化装置

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Publication number: JP4092649B2
Application number: JP2003289182A
Authority: JP
Inventors: 健一稲村; 勝広小林; 雅哉橘; 茂尚当麻
Original assignee: Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Corp
Priority date: 2003-08-07
Filing date: 2003-08-07
Publication date: 2008-05-28
Anticipated expiration: 2023-08-07
Also published as: JP2005052802A

Description

本発明は海水を淡水化するための装置に関する。

周知のように、海水を淡水化するための方法としては逆浸透膜法あるいは電気透析法が一般的である。逆浸透膜法は、１ナノメートル程度の極微細な穴をあけた膜に浸透圧とは逆方向に１００気圧程度の高圧をかけることにより、海水中の塩分をろ過して純水を製造するものである。また、電気透析法は、陽極と陰極との間に複数の陰イオン交換膜と陽イオン交換膜を交互に配置し、それらイオン交換膜の間に海水を通すことにより、海水中の陰イオンを陽極側に引き寄せて陰イオン交換膜を通過させ、陽イオンを陰極側に引き寄せて陽イオン交換膜を通過させて海水を農塩水と淡水に分離するというものである。このような電気透析法は製塩法としても一般的であり、特許文献１および特許文献２には電気透析法により製塩と淡水化を同時に行うことが提案されている。
特開平８−８９９５８号公報特開平８−３１８１３６号公報

ところで、上記のような従来の淡水化方法を実施するにはいずれも大規模な淡水化プラントを必要とするものであり、当然にそのためにかなりの用地を必要とするものである。また、この種の淡水化プラントではその電源として太陽電池を利用することも検討されているが、この種の大規模な淡水化プラントでは大容量かつ安定な電源が不可欠であることから、その電源として太陽電池を利用する場合には大面積の太陽電池パネルのみならず大容量のバッテリーや充放電コントローラ、インバーター等を備えた複雑かつ高度な電源システムを必要とし、したがって設備費のみならず保守費も嵩むものとならざるを得ない。

そのため、太陽電池を利用する従来一般の淡水化プラントは比較的小規模なものには適用し難いものであり、よりコンパクトでシンプルな構成であって安価で保守も容易な淡水化装置の開発が望まれていた。

請求項１の発明は、海面に浮かべられて設置されて海水を淡水化する装置であって、この装置全体を海面に浮かべるためのフロートと、海面下に水没状態で設けられて海水を淡水化処理する電気透析装置と、処理された淡水を貯留する淡水タンクと、海面上に設けられて電気透析装置の電源となる太陽電池パネルとを具備していることを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１の発明の淡水化装置であって、淡水タンクを縦長チューブ状としてその下部を海中に水没させるとともに上部を海面上に突出させた起立状態とし、その淡水タンクの下部に電気透析装置とこの淡水化装置全体の浮力を調整し姿勢を安定させるための調整機構を取り付けたことを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１または２の発明の淡水化装置であって、電気透析装置は、電極間に配した複数のイオン交換膜間にポンプによって海水を通すことによりその海水を淡水と農塩水とに分離する構成とされ、太陽電池パネルはその電気透析装置における電極およびポンプに対して直流電圧を直接供給する構成とされていることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１，２または３の発明の淡水化装置であって、電気透析装置は、淡水化処理の際に陽極に発生する塩素によって淡水化すべき海水を塩素滅菌する構成とされていることを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１，２，３または４の発明の淡水化装置であって、電気透析装置は、淡水化すべき海水を上向流としてイオン交換膜間に通し、農塩水となるべき海水を下向流としてイオン交換膜間に通す構成とされていることを特徴とする。

請求項１の発明の淡水化装置は、電気透析装置と淡水タンクと太陽電池パネルとを主体とし、その全体をフロートによって海面に浮かべて設置する構成であり、特に電気透析装置を海面下に水没状態で設けるので、設置のための用地を必要とせず、装置全体をシンプルかつコンパクトに構成でき、日常の保守を殆ど必要とせず、処理コストも充分に抑えることができ、小規模の淡水化システムとして最適である。

請求項２の発明の淡水化装置は、縦長チューブ状の淡水タンクをメインフレームとして機能させてそれに他の構成部品を取り付けることで、少数のシンプルな部品を組み立てることで装置全体を簡単かつ安価に製作できるし、自ずと安定な姿勢で海面に浮かべることができる。

請求項３の発明の淡水化装置は、太陽電池パネルの出力である直流電圧を電気透析装置に直接供給する構成であるので、バッテリー等の補機類が不要であって電源設備および電気回路をシンプルにでき、エネルギ変換ロスも最小限で済む。

請求項４の発明の淡水化装置は、電気透析装置による淡水化処理の際に陽極に発生する塩素を利用して淡水に対する塩素滅菌を自ずと行うことができる。

請求項５の発明の淡水化装置は、電気透析装置による淡水化処理に際して塩分濃度が変化することで生じる比重差を利用して淡水と農塩水とを効率的に分離することができる。

図１〜図５に本発明の淡水化装置の一実施形態を示す。図１には３台の淡水化装置を示しており、それら各淡水化装置はそれぞれが電気透析法により海水の淡水化を行うものであり、その電源として太陽電池を利用するものであるが、各淡水化装置はそれ自体の浮力によって海面に浮かべられて設置されるものであって、充分にコンパクトなものでありその構成も極めてシンプルなものである。なお、本実施形態の淡水化装置の処理能力はたとえば２００リットル／日程度（１世帯による１日当たりの水使用量相当分）を想定している。

本実施形態の淡水化装置は、この装置全体を海面に浮かべることのできる浮力を有するフロート１と、海面下に水没した状態で設けられて海水を淡水化処理する電気透析装置２と、処理された淡水を貯留する淡水タンク３と、装置全体の電源となる太陽電池パネル４を主体として構成されており、特に上記の淡水タンク３を装置全体のメインフレームを兼ねる縦長チューブ状の形態としてそれに他の構成部品を取り付けた構成とされている。

すなわち、図２〜図３に示すように、本実施形態の淡水化装置では、淡水タンク３が縦長のテーパチューブ状の形態（たとえば最大直径２２５ｍｍφ、全高４．８ｍ、内容量２００リットル程度）とされていて、その中間部の周囲に６本のアーム５が放射状に取り付けられ、それら淡水タンク３とアーム５とによってこの装置全体の骨格ともいうべきメインフレームが構成されている。そして、アーム５間に三角形状のフロート１が取り付けられ、それらフロート１による浮力によって淡水タンク３は起立状態でその下半部が海面下に水没し上半部が海面上に突出した状態となり、その淡水タンク３の海面下に、バラストタンク６、上記の電気透析装置２、ウエイト７が取り付けられ、アーム５上には上記の太陽電池パネル４が取り付けられたものとなっている。上記のバラストタンク６およびウエイト７はフロート１とともに装置全体の浮力を調整しかつその姿勢を安定に保持するための調整機構として機能するものであり、それらバラストタンク６およびウエイト７ならびに電気透析装置２の重量によって装置全体の浮力が最適に調整され、かつ常に安定な姿勢が保持されるようになっている。

なお、淡水タンク３に対するアーム５の取り付けやアーム５に対する太陽電池パネル４の取り付けを相対変形を吸収可能なヒンジにより行うことにより、装置全体が揺動しても各部に無理な力がかかることを防止することができる。また、淡水タンク３の内部には取り出し管８を組み込んでそれに接続した吐出口９を淡水タンク３の上部に取り付けておくことにより、淡水を自由に取り出すことができるようになっており、その際には太陽電池パネル４の上に人が乗り込むことができるようにしておくと良い。

本実施形態における太陽電池パネル４は、たとえば結晶系合わせガラスによるもので、図示例のものは１辺が２ｍ程度の大きさの正三角形状の６枚のモジュールを全体として６角形をなすようにアーム５上に取り付け、その総面積は１０ｍ^２程度、総出力は１．２ｋＷ程度とされている。この太陽電池パネル４は、他にバッテリーや充放電コントローラ、インバーター等の補機類を一切必要とすることなく、後述する電気透析装置２の電極１０およびポンプ１３に対して直流電圧を直接供給するものとされている。

電気透析装置２は、図４に概念図を示すように、対の電極１０（陽極１０ａおよび陰極１０ｂ）の間に複数のイオン交換膜１１（陽イオン交換膜１１ａおよび陰イオン交換膜１１ｂ）を交互に配し、それらの間に形成される各流路１２（淡水化流路１２ａ、農塩水化流路１２ｂおよび予備流路１２ｃ、１２ｄ）に海水を通すことでその海水を電気透析により淡水と農塩水とに分離する構成とされたものであり、そのためのポンプ１３を備えたものである。ポンプ１３は海水を吸い込んでろ過フィルター１４を通して各流路１２に分岐して供給し、淡水化流路１２ａを通過して淡水化処理された淡水を淡水タンク３に導き、かつ農塩水流路１２ｂを通過して農塩水となった海水をそのまま海中に放出することのできる流量と揚程を有するものである。なお、上記のように１日当たりの処理能力を２００リットル程度と想定した場合、１日当たりの稼働時間（平均日照時間）を４時間程度として想定して、時間当たりの処理能力は５０リットル／Ｈ程度とすることが好ましい。

また、本実施形態の電気透析装置２では、図４に示しているように、淡水化すべき海水を上向流として淡水化流路１２ａを通して淡水タンク３に導くようにしているが、農塩水となる海水は下向流として農塩水化流路１２ｂを通して海中に放出するようにしており、それにより、淡水化される海水は淡水化流路１２ａを上昇する間に塩分濃度が次第に低下していって比重が小さくなっていき、逆に、農塩水化される海水は農塩水化流路１２ｂを降下する間に次第に塩分濃度が増大していって比重が大きくなっていくので、その比重差により農塩水と淡水との分離が効率的になされるようになっている。また、淡水化すべき海水をまず陽極１０ａに隣接している予備流路１２ｃに通すことでそこで発生する塩素により自ずと塩素滅菌がなされるようにしている。陰極１０ｂに隣接している予備流路１２ｄでは水素が発生するが、それはそのまま海中に放出すれば良い。

本実施形態の淡水化装置はこれ自体を単独で使用することが可能であるので、上述のようにその処理能力を１世帯による１日当たりの水使用量相当分である２００リットル／日程度として、１世帯が１台の淡水化装置を専有ないし専用するという使用形態が考えられるが、多数の淡水化装置を並設して共同水利システムとして利用することも考えられる。たとえば図５に示すように、海上に歩廊として設けた浮き桟橋２０の周囲に多数の淡水化装置を並べて設置するとともに、各装置の淡水タンク３どうしを集水管２１（図１参照）により接続して、各装置が処理した淡水を別途設置した大容量の貯留タンクに導き、そこから各所に配水することで共同利用することができる。その場合、たとえば図５（ｂ）に示すように集水主管２２を浮き桟橋２０の下部に敷設すれば良い。また、図１〜図３に示すように各装置を相互に連結するためのジョイント２３をアーム５の先端部に取り付けておくと良い。勿論、淡水化装置の所要台数は必要に応じて適宜増減することができる。

本実施形態の淡水化装置は、淡水化に必要な全ての機器類をコンパクトに備えており、その構成も極めてシンプルであって、これを海面に浮かべるだけで直ちに海水を効率的に淡水化処理できるものであるので、これを設置するための格別の用地を必要とすることはないし、大規模な淡水化プラントによる場合に比較して遙かに簡便にかつ安価に設置することができるものであり、たとえば離島に設ける小規模な淡水化プラントとして最適なものである。

特に、電気透析装置２の電源として太陽電池パネル４による直流電源を変換することなくそのまま利用するようにしているので、太陽電池パネル４と電気透析装置２とを簡単な直列回路にて直接的に接続すれば良く、従来の大規模な淡水化プラントにおいては不可欠である大容量のバッテリーや充放電コントローラ、インバーター等を必要としないのでこの点でシステム全体の大幅な簡略化を実現できるし、エネルギ変換ロスが最小で済み、廃棄物も全くなく、環境に優しい極めて有効な淡水化システムを実現し得ている。

また、淡水タンク３をメインフレームを兼ねる縦長チューブ状としてそれに少数の構成部品を組み合わせただけのシンプルな構成であり、特に淡水チューブ３の下部に電気透析装置２のみならず調整機構としてのバラストタンク６やウエイト７を取り付けたので、自ずと安定な姿勢で海面に浮かべられるものであるばかりでなく、装置全体を充分に安価に製作できるし、ろ過フィルター１４以外は日常的な保守を殆ど必要とせず、また各構成部品の素材として耐海水性を有する樹脂（炭素繊維強化樹脂、ポリプロピレン、オレフィン系ゴム等が好適に採用可能である）を用いることで１０年程度の耐用年数を確保でき、以上のことから淡水の処理コストを充分に抑制できるものである。

さらに、本実施形態の淡水化装置は、海水を淡水化することに伴って発生する農塩水をそのまま海水に放出するので、この淡水化装置の下方の海中においては塩分濃度が高まることになり、それにより高塩分濃度を好む多様な海生生物がそこに集まることで生態系の回復や閉鎖性海域の水質浄化効果が期待できるし、フィッシングポイントやダイビングポイント等の親水海域として有効に活用できる利点もある。

以上で本発明の一実施形態を説明したが、上記実施形態は本発明を実施するうえで最適な一例であり、本発明は上記実施形態に限定されることなく適宜の設計的変更が可能である。たとえば、上記実施形態では太陽電池パネル４を正三角形状のモジュールを６角形状に組み合わせたものとしたので、図５に示したように多数の淡水化装置を並設する場合には各太陽電池パネル４を隙間無く並べて連結することができる利点があるが、それに限るものではなく、太陽電池パネル４の形状や面積等は任意に設定すれば良い。勿論、電気透析装置２や淡水タンク３をはじめとして全ての構成要素の容量や形状、素材、それらの組み合わせの形態等は、要求される処理能力や周辺環境等の諸条件を考慮して最適に設計すれば良い。

本発明の一実施形態である淡水化装置の外観を示す図である。同、組立図である。同、拡大断面図である。同、電気透析装置の概念図である。同、多数の淡水化装置による共同水利システムの一例を示す図である。

符号の説明

１フロート
２電気透析装置
３淡水タンク
４太陽電池パネル
５アーム
６バラストタンク（調整機構）
７ウエイト（調整機構）
８取り出し管
９吐出口
１０電極
１０ａ陽極
１０ｂ陰極
１１イオン交換膜
１１ａ陽イオン交換膜
１１ｂ陰イオン交換膜
１２流路
１２ａ淡水化流路
１２ｂ農塩水化流路
１２ｃ，１２ｄ予備流路
１３ポンプ
１４ろ過フィルター
２０浮き桟橋
２１集水管
２２集水主管
２３ジョイント

Claims

海面に浮かべられて設置されて海水を淡水化する装置であって、この装置全体を海面に浮かべるためのフロートと、海面下に水没状態で設けられて海水を淡水化処理する電気透析装置と、処理された淡水を貯留する淡水タンクと、海面上に設けられて電気透析装置の電源となる太陽電池パネルとを具備していることを特徴とする海水の淡水化装置。
請求項１記載の淡水化装置であって、淡水タンクを縦長チューブ状としてその下部を海中に水没させるとともに上部を海面上に突出させた起立状態とし、その淡水タンクの下部に電気透析装置とこの淡水化装置全体の浮力を調整し姿勢を安定させるための調整機構を取り付けたことを特徴とする海水の淡水化装置。
請求項１または２記載の淡水化装置であって、電気透析装置は、電極間に配した複数のイオン交換膜間にポンプによって海水を通すことによりその海水を淡水と農塩水とに分離する構成とされ、太陽電池パネルはその電気透析装置における電極およびポンプに対して直流電圧を直接供給する構成とされていることを特徴とする海水の淡水化装置。
請求項１，２または３記載の淡水化装置であって、電気透析装置は、淡水化処理の際に陽極に発生する塩素によって淡水化すべき海水を塩素滅菌する構成とされていることを特徴とする海水の淡水化装置。
請求項１，２，３または４記載の淡水化装置であって、電気透析装置は、淡水化すべき海水を上向流としてイオン交換膜間に通し、農塩水となるべき海水を下向流としてイオン交換膜間に通す構成とされていることを特徴とする海水の淡水化装置。