正浸透（FO） - 佛山鉱業研究所グループ有限公司

npj クリーンウォーター 4 巻、記事番号: 51 (2021) この記事を引用

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57 オルトメトリック

メトリクスの詳細

現在、脱塩はエネルギー消費量が多く、運転コストとメンテナンスコストが高いため制限されています。この研究では、環境への影響が少ない（自由エネルギー摂取で前処理や塩水の排出がない）中空糸正浸透（HFFO）ベースの無限脱塩プロセスの新しい概念が提案されています。コンセプトを評価するために、従来の FO モードと圧力補助 FO モードの両方で要素スケールの HFFO が実行され、水中 HFFO 動作をシミュレートしました。 HFFO テストでは、最適なケースを選択するために、HFFO の性能に対するいくつかの動作条件の影響が調査されました。これらの結果に基づいて、エネルギーコストが計算され、FO と海水のハイブリッド逆浸透 (SWRO) プロセスのエネルギーコストと比較されました。 HFFO は誘導溶液の高い希釈率 (最大約 400%) を示し、下流の SWRO プロセスを 25 bar で同じ透過量生成 (回収率 60%) で操作できるようにしました。その結果、100,000 m3/日のプラントに基づくスタンドアロンの 2 段階 RO プロセスと比較して、HFFO ベースの無限脱塩プロセスの年間エネルギー収入は 1 億 8,383 万ドルになります。

膜ベースの脱塩プロセスは相変化を起こさないため、熱ベースの脱塩と比較して費用対効果が高く、必要な設置面積も比較的小さい技術として注目を集めています1、2。これらの方法では高品質の水を安定して生産でき、生産量は簡単に調整できます。しかし、膜の汚れ、化学物質の使用量と運用コストが依然として重大な問題として残っています 3,4。現在利用可能な膜ベースの淡水化プロセスのうち、逆浸透（RO）プロセスは独立したプロセスであり、海水淡水化における市場シェアが急速に拡大しています。しかし、海水逆浸透 (SWRO) プロセスにおけるエネルギー消費には依然として限界があります 2,5。

SWRO プロセスの現在のエネルギーコストは、熱ベースの脱塩プロセス (多段フラッシュ (MSF) の場合は 15.5 kWh/m3、多重効用蒸留 (MED) の場合は 7.5 kWh/m3) よりもはるかに低いです。内部ステージ設計技術の適用とエネルギー回収装置の開発にもかかわらず、SWRO は膜ベースの廃水処理などの従来の水処理プロセスと比較して、引き続きエネルギー集約型 (2.2 ～ 3.5 kWh/m3) プロセスです6,7。 (0.29 ～ 0.43 kWh/m3) およびオゾンベースの水処理 (0.041 ～ 0.073 kWh/m3)8,9。したがって、SWRO ベースの淡水化は理論的かつ実用的な限界に達しており、エネルギー消費をさらに削減するためのプロセス開発またはグラフト化の時期が来ています 10,11。エネルギーの限界は、エネルギーハーベスティング、海水希釈、不可逆的な削減などの追加の技術的解決策によって克服する必要があります10,12。海水淡水化中のこの大量のエネルギー使用は、大気汚染や化石燃料からのエネルギー生産を使用した水冷に伴う熱などの環境問題を引き起こします2,4。 SWRO プロセスにおけるエネルギー問題を解決するために、いくつかの研究が実施されてきました 10、13、14。正浸透（FO）15、膜蒸留（MD）16、ナノ濾過（NF）6などの他の膜プロセスが組み合わされ、海水は他の利用可能な水資源と直接的または間接的に混合され、エネルギーコストを削減してきました。 SWROプロセス。 SWRO プロセスは、高いエネルギー消費を相殺するために、遅延圧力浸透 (PRO)17、逆電気透析 (RED)18、微生物燃料電池 (MFC)19 などのエネルギー生産プロセスとハイブリッド化されています。

SWRO ベースの脱塩のもう 1 つの欠点は、高塩分濃度の塩水が生成されることです。この塩水には、腐食性物質、残留する前処理および後処理化学薬品、イオン金属および重金属、および海に直接放出すると環境に有害な塩が含まれています5,20。塩水は、海洋生態系の富栄養化や pH 変動に直接影響を与える可能性もあります。いくつかの研究では、塩水の影響を軽減するための解決策が提案されています。まず、水を 100% 回収し、ブライン中の有用な資源をリサイクルするゼロ液体排出 (ZLD) 技術が適用され、ブラインの排出 (流出) を最小限に抑えています21。この場合、FO、PRO、MD、MED、オーム蒸発器などのいくつかの新しい後処理プロセスが適用され、高塩分水を処理し、塩水濃度を低減し、化学沈殿の効率を最大化します（貴重な資源の回収）。 22、23、24。しかし、ZLD 技術は本格的な淡水化プラントで使用するには高価すぎます 25。

FO は自然浸透圧差を駆動力として使用します。この原理に基づいて、動作中に必要なエネルギー消費は最小限に抑えられます26。しかし、FO プロセスでは最終的な水を生成するために RO や NF などの後プロセスが必然的に必要となり、スタンドアロンの脱塩プロセスとしての使用や商業化には大きな障害となります 27,28。下流で加圧膜プロセスが必要な場合、FO が独立型の脱塩プロセスおよび低エネルギープロセスであると言うのは困難です 29,30。

この点において、従来の SWRO プロセスの欠点を補う、低エネルギーで環境に優しい次世代海水淡水化プロセスとして、FO-RO ハイブリッドプロセスが最近提案されています31。同時に、適切な供給溶液 (FS) が FO プロセスで使用されている場合、廃水をこのシステムで再利用できます 32,33。

それでも、FO-RO ハイブリッドプロセスのいくつかの機能には、FS およびドロー溶液 (DS) の取入れ、前処理、排水 (または処理) など、多額の運用コストがかかり、経済的負担が生じます。塩水の排出は、経済面と環境面の両方で別の制限を生み出します6,27。取水、前処理、排水、ブライン排出の利用は、海水淡水化プラントの運営支出 (OPEX) と資本支出 (CAPEX) の両方に直接影響します34。

したがって、この研究は、FO-RO ハイブリッドプロセスの限界を補うために、中空糸 FO (HFFO) を使用した新しいハイブリッドプロセスである FO-RO を提案します。この新しい構成 (FO – RO – sHFFO (水中 HFFO)) には、独特のシーケンスといくつかの利点があります。まず、海水 (最初の FO の DS) は sHFFO プロセス (2 番目の FO) を通じて希釈され、RO プロセスを通じて再濃縮されます。RO プロセスは、元の SWRO よりも低い圧力で操作できるか、または高い回収率を生成することができ、クリーンな水が生成されます。同時に水を与えます。続いて、RO 工程で生成した濃縮海水（ブライン）は、sHFFO 工程を経て海水で希釈され、そのまま第 1 回目の FO 工程の DS としてリサイクルされます。その結果、sHFFOを導入したFO-RO淡水化プロセスでは、取水ポンプや前処理をすることなく海水を送水することが可能となります。さらに、sHFFOプロセスの駆動力としてブラインを使用するため、ブライン排出システムは必要ありません。 HFFO工程からの希釈海水を使用するため、下流のRO工程の運転圧力を下げることができ、FSは最初のFO工程からの廃水によってさらに希釈されるため、エネルギー消費量が削減されます。さらに、sHFFOプロセスにおけるDSの循環エネルギー（圧力）は、ROプロセスに適用されるエネルギー回収装置により回収後のブラインの残圧として利用することができます。 sHFFOプロセスのFSは天然海水をFSとして使用するため、循環ポンプが不要です。 sHFFO プロセスはさまざまな水位で操作できるため、FO 操作がより柔軟になります。言い換えれば、水位によって発生する圧力を加えて動作させることができ、圧力アシスト FO (PAO) と呼ばれます35。このプロセスにより、RO 回収率に応じて FO の動作を変更できるようになり、浸透レベルの違いによる自然な物理洗浄が可能になります。

この研究では、HFFO モジュールをさまざまな FS および DS 濃度および流量で動作させました。 PAO モードでは、プロセスのパフォーマンスに影響を与える適用圧力が変化しました。さらに、このプロセスの実現可能性と適用可能性がエネルギーコスト評価を通じて評価され、FO-ROハイブリッドプロセスおよびZLDシステムによる2段階ROと比較されました。

図 1 は、さまざまな (i) 動作モード (a および b: FO; c および d: PAO)、(ii) FS および DS の流量でテストされた HFFO エレメントの水流束と逆塩流束 (RSF) の値を示しています。、および (iii) DS 濃度。結果は、各側の流量が要素スケール HFFO の性能に影響を与えることを示しました (図 1a、b)。異なる FS 流量 (0.7、1.0、および 1.5 L/min) で DS 流量を 0.20 から 0.35 L/min に増加すると、全体的な水流束が増加しました (最大: 35,000 mg/L – 1 平方あたり 1.05 ～ 1.24 リットル)。メートル毎時 (LMH)、最小: 高 DS 濃度条件で 0.95 ～ 1.08 LMH) (最大: 35,000 mg/L – 高 DS 濃度条件で 0.83 ～ 1.24 LMH、最小: 低 DS 濃度条件で 0.46 ～ 0.60 LMH)、ただし、HFFO 操作中、FS 流量の影響は DS 流量より支配的ではありませんでした。これは、DS 流量が FS 流量よりも強く水流束に影響を及ぼしたことを示しています。これは、流路直径と HFFO エレメント内の滞留時間に起因する可能性があります。 HFFO エレメントでは、DS 流路は 85 μm (内径に基づく) であり、この狭い流路により、単位面積あたりのチャネル内の希釈が大幅に強化される (水流束が減少する) (補足表 1 および 2 を参照)。ただし、HFFO エレメントには FS 流路が存在せず（浸漬型のようなもの）、膜は直径 90 mm、長さ 280 mm の PVC セルに充填されました。したがって、DS および FS の流量がそれぞれ 0.35 および 1.50 L/min で、DS 濃度 35,000 mg/L が使用された場合、約 2 倍となる最高の水フラックス (1.24 L/m2h、LMH) が観察されました。 DS濃度が10,000 mg/Lのときのフラックス。興味深いことに、全体的な RSF 傾向は、FS 流量よりも DS 流量の影響をより強く受けました (例: FS 0.7/DS 0.2: 1 時間あたり 1 平方メートルあたり 0.0139 グラム (GMH) から FS 0.7/DS 0.35: 25,000 mg/L で 0.0266 GMH DS濃度）。水流束パターンと同様に、DS 流量が増加すると RSF が増加しました (補足表 1 および 2 を参照)。しかし、RSF傾向は水流束傾向ほど比例的に増加するわけではなく、変動は比較的大きい26,32。これは比較的少量の塩の質量輸送現象であり、今後の実験室規模の実験を通じて明確に特定する必要があります。対照的に、DS 流量が 0.20 L/min から 0.35 L/min に増加すると、RSF 値は増加しましたが、DS 濃度の全範囲にわたって FS 流量が増加するにつれて RSF 値は減少しました。 RSF は、DS 濃度の増加 (10,000 から 35,000 mg/L) に伴って減少パターンを示しました。 HFFO 要素は、さまざまなタイプの FO 要素と比較して、比較的低い水流束と RSF を示したことに注意する必要があります。以前の研究では、スパイラル型 FO (SWFO) 要素とプレートフレーム FO (PFFO) 要素の水流束は、それぞれ 26.5 と 17.7 LMH でした。さらに、DS 濃度 35,000 mg/L では、RSF 値はそれぞれ 12.4 および 8.4 g/m2h (GMH) と観察されました 26、28、33、36。しかし、35,000 mg/L では、HFFO は 0.7 ～ 1.3 LMH の水フラックス (SWFO および PFFO の約 20 分の 1 未満) と 0.005 ～ 0.030 GMH の RSF を示し、これは他の元素よりもはるかに低いです。したがって、HFFO 要素の場合、プロセス運転条件の影響は深刻ではなく、HFFO-RO-sHFFO プロセス運転では RSF の考慮が必要ないことを間接的に示しています。

パネル a、b は FO モードでの水流束と RSF の変化を示し、パネル c、d は PAO モードを示します。濃度および圧力条件: FO モード (FS として脱イオン水、DS として合成海水 (10,000 ～ 35,000 NaCl mg/L)、圧力 0 bar) および PAO モード (FS として脱イオン水、合成海水 (10,000 ～ 35,000 NaCl mg/L) /L) DS として、圧力は 2 および 3 bar)。流量：FOモード（FS：0.7、1.0、1.5L/min、DS：0.20、0.35L/min）、PAOモード（FS：0.7、1.0、1.5L/min、DS：0.35L/min）。

水流束の低下は、FO を PAO モードで動作させることでわずかに克服できます。図1c、dに示すように、PAOモードでのHFFO動作の結果を示しています。FSとDSの流量をそれぞれ0.7から1.5、0.2から0.35 L/minに増加させ、3 barの圧力を加えたとき、同じ条件下で水流束は FO モード (圧力なし) の約 2 倍 (1.39 ～ 2.33 LMH) でした (黒い点の円を参照)。人工圧力を加えると、DS 希釈率は最大 408% (35,000 mg/L、FS 1.5、DS 0.35 L/分、2 bar)、最小 131% (15,000 mg/L、 FS 0.7、DS 0.35 L/分、3 bar)。興味深いことに、DS 濃度が海水レベル (35,000 mg/L) と同程度の場合、PAO モードの比 RSF (SRSF = RSF/水フラックス (g/L)) は FO モード (PAO) よりもはるかに低かった。同じ条件（FS および DS 流量 = それぞれ 1.50 および 0.35 L/min）下で = 0.008 g/L および FO = 0.018 g/L）。これは、PAO モードでの HFFO 操作が、海水淡水化の前処理オプションを使用した安定した水の再利用に有益であることを示しています。

詳細な水フラックス、RSF、SRFS 値、DS 希釈率、および希釈 DS 濃度。 FO および PAO モードの場合は、それぞれ補足表 1 および補足表 2 に記載されています。

FO-RO-sHFFO 脱塩プロセスの特性（コンセプト）については、海面（海面から）に応じて PAO モードで HFFO 運転を行った場合の sHFFO プロセスをシミュレーションしました。重力、水の密度、深さによってさまざまな自然水圧が膜にかかる可能性があり、sHFFO では FS (海水) と DS (RO ブライン) の間の避けられない濃度差に直面しました。したがって、この実験では、FS 濃度を 10,000 から 25,000 mg/L に変更し、DS 濃度を 35,000 から 80,000 mg/L に変更し、FS 側に 2 ～ 4 bar の範囲の圧力を加えました。

図 2a、b は、FS と DS の間の濃度差 (DS-FS) と FS に加えられた圧力に応じて、それぞれ水流束と RSF の値を示しています。水フラックス値は、FS 流量、適用圧力、濃度差の増加に伴って連続的に増加しました。圧力 4 bar で、得られた最高水フラックス値は、FS 流量 1.5、1.0、0.7 L/min でそれぞれ 3.92、1.04、1.21 LMH でした (DS 流量 = 0.35 L/min、濃度差) FS と DS の間 = 70,000 mg/L)。ただし、RSF 値は FO モードに比べて比較的安定していました。これは、HFFO 操作中に FS に加えられた圧力が DS から FS (RSF) への塩の通過を妨げるためである可能性があります。さらに、加えられた圧力は性能にプラスの影響を与え、予想通り、FS と DS の濃度に変動がある場合、FS の流量と FS に加えられた圧力は FO の性能 (つまり、水流束) にプラスの影響を与えました。およびRSF）37。

パネル a、b は、さまざまな濃度および圧力条件での PAO モード HFFO エレメントの水流束および RSF 値を示しています。 FS として合成海水 (NaCl)、DS として合成海水またはブライン (NaCl)、FS 濃度 10,000 ～ 35,000 mg/L、DS 濃度 35,000 ～ 80,000 mg/L、圧力 2、3、および 4 bar。流量: FS: 0.7、1.0、および 1.5 L/min、DS: 0.35 L/min。

図 3a、b は、DS 濃度 35,000 mg/L での DS および FS の流量および動作モード (FO および PAO) に応じた DS 希釈率と希釈 DS 濃度を示しています。 HFFO モード (図 3a) では、DS 流量が 0.20 および 0.35 L/min の場合、DS 希釈率はそれぞれ 150 および 200% を超えました。この違いは、DS 流量の変化に応じて DS の体積と透過率 (水流束) を変化させることによって発生しました (補足表 1 および 2)。したがって、最終希釈 DS 濃度は、流量に応じて 16,000 ～ 23,000 mg/L の範囲でした。しかし、DS 流量を 0.35 L/min に一定にし、FS 流量を変化させた状態 (0.7 ～ 1.5 L/min) で FS 側に圧力を加えた場合、DS の希釈濃度はさらに 11,000 mg/L および 9,600 mg/L に減少しました。それぞれ 2 バールと 3 バールの動作圧力で)。

パネル a、b は、FO および PAO モード操作時の DS 希釈率と濃度を示しています。パネル c、d は、FS と DS の間のさまざまな濃度差による DS の希釈率と濃度を示しています。

図 3c は、50,000 ～ 70,000 mg/L の範囲の FS と DS 濃度の差、FS 流量、および適用圧力に応じた希釈率と希釈 DS 濃度を示しています。 FS 流量 = 0.70、DS 流量 = 0.35 L/min、印加圧力 = 2 bar の操作条件で、FS と DS の濃度の差が 50,000 mg/L の場合、希釈した DS 濃度と希釈率を観察しました。それぞれ 34,000 mg/L と 146% になります。 HFFO エレメントが推奨条件 (つまり sHFFO) で動作すると、DS 濃度を海水の濃度と等しくすることができます。したがって、この条件は、HFFO ベースの無限海水淡水化プロセス (FO-RO-sHFFO) を最適化するために使用できます (表 1 のケース 7)。濃度差が存在する条件の実験では、膜間の濃度差とFSへの圧力の印加（PAOモード）により、さまざまな希釈率と希釈DS濃度が観察されました（図3c）。図3b)。これは、異なる濃度が存在する場合、外部濃度分極が FO の性能に大きな影響を及ぼし、濃度が異なるとより顕著な内部濃度分極が発生するために発生します。 FS と DS の濃度に差がなく、FS と DS の流量がそれぞれ 1.5 L/min、0.35 L/min で、FS に 3 bar の圧力が加わった場合、400% 以上の希釈率と約 8500 mg/L の希釈 DS 濃度を達成できました (図 2 および 3)。ただし、FS 濃度と DS 濃度の差が 70,000 mg/L の場合、約 350% の希釈率が有効になり、プロセスにより DS 濃度を 22,580 mg/L まで希釈できました (詳細な水フラックス、RSF、および SRFS 値は、補足表 3) に記載されています。さらに、HFFO プロセス後の SWRO プロセスでの予想される操作圧力と透過水濃度を、クロスフロー HFFO プロセスのさまざまな操作条件 (2 段階 SWRO を含む 9 つのケース) および RO プロセスの 2 つの異なる回収率の下でシミュレーションしました。 (50 および 60%) (表 1)。さまざまな動作条件（セクション1、2）におけるHFFO素子の性能評価結果に基づき、FOモードの4条件（ケース1～4）、 PAO モードの 4 つの条件 (ケース 5 ～ 8)。同じ動作条件が、HFFO ベースの無限脱塩プロセスの HFFO エレメントと sHFFO エレメントに適用されました。場合に応じて、下流の SWRO プロセスの必要な圧力と最終透過水濃度が予測されました。

しかし、FO-RO-sHFFO 淡水化プロセスにおいて、下流の 2 段 SWRO プロセスを回収率 60% で運転すると、塩水濃度が海水濃度より低くなり、sHFFO プロセスの運転が不可能となる。したがって、排出されるブライン濃度が約 60,000 mg/L である、より高い回収率 (80%) で運転される 2 段階 SWRO プロセスについて、運転圧力、透過水濃度、および比エネルギー消費 (SEC) 値が再計算されました。表 2 に示すように、2 段階 SWRO では、ケース 1 および 2 について、そのような条件下で計算された SWRO の動作圧力は許容できませんでした。ただし、ケース 5 では、2 段階 SWRO プロセスよりも低い圧力 (37.9 bar) で操作することが可能でした。

詳細な SEC 値、SWRO プロセスの操作圧力、およびさまざまな回収率での透過水濃度は、補足表 4、5、および 6 に記載されています。

次のセクションでは、i) 2 段 RO と FO-RO-sHFFO、および ii) ZLD を使用した SWRO と FO-RO-sHFFO を比較して、エネルギーの観点から経済性の評価を説明します。

FO-RO-sHFFOプロセスの経済的利益を評価するために、図4a、bに示すように、FOプロセスとROプロセスの両方のSECが計算されました。計算中、プラントの能力は 100,000 m3/日と仮定されました。ポンプ効率は 90%、エネルギー消費量は 0.1 kWh/m3 でした。要素スケールのHFFOプロセスの構造的特徴により、FSポンプのエネルギー要件はDSポンプのエネルギー要件よりも高くなります（図4a）。 HFFOの動作条件（表1）に応じて、FO側の動作エネルギーも変動し、ROプロセスの計算されたSEC値は異なりました（図4b）。驚くべきことに、FO セクションと RO セクションの両方のエネルギー要件を考慮した場合の合計 SEC 値 (図 4c) に関して、ケース 5 (FS 流量 = 1.5 L/min、 DS 流量 = 0.35 L/min、適用圧力 = 3 bar)、2 段階 RO プロセスと比較して約 62% のエネルギーが節約されました。その結果、FOとROのSEC値に基づくエネルギーコストが計算されました（図4d）。淡水化プラントの運転期間は 20 年と仮定した。コスト結果は SEC と同様であり、FO-RO-HFFO は 2 段階 RO プロセスと比較してコストを約 66% 削減できます (2 段階 RO = 2 億 8,000 万ドルおよび FO-RO-HFFO プロセス)。 (ケース 5) = 9,600 万ドル)。さらに、回収率を60%から80%に高めると、2段SWROのSEC値は6.02kWh/m3まで増加した。ただし、回収率60％の2段階SWROと比較して、プラントの耐用年数にわたって約1億7,000万ドルが節約されます（図4cおよび補足図S7）。

パネル a、b は、さまざまな回収率での 2 段階 RO プロセスと比較したエネルギー消費値 (SEC) を示しています。パネル c は、回収率 60% および 80% における FO-RO-HFFO プロセスの総エネルギーコストを RO プロセスと比較して示しています。

FO-ROハイブリッドプロセスの償却CAPEXは、設置/サービス、法的/専門的、取水/排水、前処理、配管/高合金、土木工学、ポンプ、圧力容器、膜、設備/材料を考慮したケース5に基づいて計算されました。、およびデザイン/専門家の費用。 HFFO の場合、組み込まれた脱塩プロセス、前処理のコスト、および取水/排水は除外されます。この除外により、設備投資も大幅に節約されます。取水口/出口および前処理を含む HFFO を組み込んだ脱塩プロセスでは、償却総額 CAPEXRO の約 15.8% (2,000 万米ドル)、償却総額 CAPEXFO の約 1.2% (4,300 万米ドル) になります。その結果、ケース 5 の条件と性能に基づいて、HFFO を組み込んだ脱塩プロセスの総コストを従来の FO-RO ハイブリッドプロセスと比較すると、FO-RO-sHFFO 脱塩プロセスは 20 年間で 6,300 万ドルも節約できます。 -年の期間。経済性評価の詳細なデータを補足図1に示します。

従来の海水淡水化プラントはきれいな水を生成しますが、高塩分濃度の塩水も生成されます21,24。回収率に応じてブラインの質と量が変わります。このセクションでは、HFFO ベースの無限海水淡水化プロセスと、ZLD プロセスを組み合わせた 2 段階 SWRO を比較することにより、エネルギーコストの評価が行われました。 ZLD プロセスは、脱塩プロセスからすべての液体廃棄物を除去し、環境への有害な影響を軽減し、必要な規制を満たすように定義できます20。ただし、HFFO ベースの無限脱塩プロセスでは、ブラインは HFFO を介して再循環 (または希釈) され、その後最初の HFFO プロセスに再供給されるため、ブラインは排出されません。したがって、HFFO ベースの無限脱塩プロセスには環境コストの利点があります。図 5 に示すように、ブライン濃縮装置と晶析装置を備えた 2 段階 SWRO のエネルギーコストは 11 億 9,100 万ドルでした。結果として生じるコストは、100,000 m3/日のプラント容量と 60% の回収率に基づいて計算されました。また、2 段階 SWRO プロセスによるブライン容量 (ブライン濃縮装置給水) は 400,000 m3/日であり、ブライン濃縮装置の回収率は 80% でした。下流晶析装置の入口流量は 8000 m3/日であり、回収率は 100% と仮定されました。塩水濃縮装置と晶析装置の駆動力は熱エネルギーであり、熱ベースの脱塩方法 (つまり、MED と MSF) には高いエネルギー消費が必要です。ただし、前のセクションで述べたように、HFFO ベースの無限脱塩プロセスでは、塩水を海水濃度まで回収するための FS および DS 用の循環ポンプは必要ありません。したがって、HFFO ベースの無限脱塩プロセスは、20 年間でエネルギーコストを 10 億ドル以上節約できます。

ZLD プラント能力 = 40,000 m3/日 (2 段階 SWRO プロセス回収率 = 60%)、ブライン濃縮装置によるエネルギー消費 = 19.8 kWh/m3 (回収率 = 80%)、晶析装置 = 56.8 kWh/m3 (回収率 = 60%) 100%）。

回収率が固定されている場合、FO-RO-sHFFO プロセスのブラインの濃度と量は、スタンドアロン 2 段階 SWRO プロセスの 100,000 m3/日の生産時とは異なります。スタンドアロンの 2 段階 SWRO プロセスで回収率が 60% の場合、ブラインの濃度と流量はそれぞれ 87,500 mg/L と 66,667 m3/日に達します。 FO–RO–-sHFFO プロセスの場合、最終製品量 100,000 m3/日を達成するには、SWRO を低圧 (25 bar) および低い入口流量 (46,519 m3/日) で操作できます。最初の HFFO プロセス中に廃水によって希釈され、SWRO プロセスに供給することができます。ただし、FO-RO-sHFFO プロセス (ブライン排出ゼロの無限循環) で使用される 2 番目の HFFO プロセス (sHFFO) の場合、持続可能な操業のためには SWRO からのブラインの濃度が海水の濃度よりも高くなければなりません。これは、SWRO プロセスの回収率が 60% 以上でなければならないことを意味します。そこで、SWRO プロセスの処理能力を固定して追加の経済性評価を行ったところ、回収率 = 45%、流入水 = 222,222 m3/日、最終生成物 = 100,000 m3/ が SWRO の合理的な条件であることが判明しました。日、操作圧力 = 59.2 bar、ブライン濃度 = 63,636 mg/L。 sHFFO プロセスに適したブライン濃度を考慮すると、最適な操作を達成するには約 85% の回収率が推奨されます。この場合、動作圧力は 37.9 bar、ブライン濃度と流量はそれぞれ 65,127 mg/L と 33,333 m3/日です。条件を変更すると、FO-RO-sHFFO プロセスの水生成量は、独立した 2 段階 SWRO プロセスの約 2 倍になります。詳細な経済評価結果は補足図1にあります。

この研究では、クロスフロー HFFO、RO、sHFFO で構成される、環境への影響を最小限に抑えた低エネルギーの脱塩プロセスを導入しました。 HFFO ベースの無限脱塩プロセスのパフォーマンスは、さまざまな動作条件下で評価されました。このプロセスのエネルギーコストを、2 段階 RO、FO-RO ハイブリッドプロセス、および ZLD を使用した 2 段階 RO と比較しました。 HFFO 素子をさまざまな動作モード（FO および PAO モード、流量、DS 濃度変化）で評価した場合の各分野の結果をまとめると、HFFO 素子の構造的特徴（DS 流路が狭く、DS が存在しない） FS 流路）、FS は DS38 よりも流量や濃度の変化による影響が少なくなります。逆に、DS 濃度の増加とともに水フラックスは増加しました。さらに、HFFO 操作中の RSF は無視できるほどであるため、廃水を再利用することには大きな利点があります。他の側面では、FO 操作中に DS から FS として使用される廃水への塩の通過は心配の原因ではありません。ただし、PAO モードでテストしたすべての条件下での RSF 値は FO モードの値と同様であり、加えられた圧力は水流束にのみプラスの影響を及ぼし、RSF39 には重大な影響を与えないことを示しています。前述したように、このプロセスは、RO プロセスで生成された海水ブライン (sHFFO の DS と同様) を海水で希釈するために適用されました。さらに、RO ブラインと海水の間の自然浸透圧差、および水位 (または深さ) に応じて自然に発生する水圧が使用されました。さらに、淡水化プラント（FO-RO）にはきれいな海水（前処理はしていませんが、きれいな海水）が供給されました。水流束、RSF 値、希釈率、および希釈 DS 濃度は、取水または塩水管理 (海水で希釈) に関する HFFO 性能の持続性と適用性について評価されました。結果は、FO-RO-sHFFO 脱塩プロセスの場合、HFFO プロセスに供給される希釈 DS 濃度は海水濃度 (35,000 mg/L) と同様である必要があることを示しています。これは、希釈が海水の濃度レベルに達するまで続くためです。 sHFFOプロセス。

経済性の面では、RO プロセスの動作圧力と回収率は海水淡水化プラントの OPEX に直接関係しており、結果的に水の総生産コストに影響を与えます。したがって、FS 濃度、操作圧力、回収率を考慮してエネルギーコストを計算することが重要です。これらの計算により、HFFO を組み込んだ FO-RO ハイブリッド脱塩プロセス (FO-RO-sHFFO) の経済的利点を評価することができます。 HFFO プロセスは、下流の SWRO プロセスに適用すると、(i) モジュール内の高い表面積 (31.5 m2)、(ii) 高い充填密度 (55.6 m2/m3)、(iii) といったいくつかの利点があることに注意してください。 ) 高い DS 希釈率 (最大約 400%)、および (iv) 低い RSF (0.008 ～ 0.034 GMH)。その結果、SWROプロセスから生成される塩水を海水に希釈（または回収）するために必要なHFFO元素（sHFFO）の数が比較的少ないため、エネルギーフリーの海水取水と組み合わせた持続可能な塩水管理（塩水の排出なし）が可能になります。塩分の損失を最小限に抑えながらレベルを高めます。したがって、性能結果は、SWRO プロセス (動作エネルギー) の制限を克服する HFFO ベースの無限脱塩プロセスの実現可能性を十分に実証しました。さらに、HFFO ベースの無限脱塩プロセスでは、プロセスからブラインが生成されず、取水システムと前処理システムが不要になるため、ZLD を達成できます。 ZLD は、自然の差圧浸透圧によってきれいな海水が HFFO システムに取り込まれるため、CAPEX と OPEX の両方を削減します。

全体の結果は、HFFO ベースの無限脱塩プロセスが高い DS 希釈率 (最大 400%) と RO プロセスのより低い操作圧力を達成できることを示しています。さらに、エネルギーコストの評価では、RO プロセスと比較して、さまざまな運転条件下で HFFO ベースの無限脱塩プロセスが良好な結果を示しました。これらの結果は、FO および海水淡水化産業に新たな道を開く可能性があります。研究結果から、HFFO ベースの無限脱塩プロセスは持続可能で環境に優しく、経済的であると結論付けることができます。まず、DS（海水）の前処理工程が不要で、最初のHFFO→SWRO→sHFFO工程の無限循環ループ構成により持続可能な運転が可能です。第二に、このプロセスは従来の SWRO プロセスよりも高い回収率 (約 80%) で操作できるため、大量の透過水が生成されます。同時に、生成された塩水は海洋生態系に放出されるのではなく、sHFFO プロセスに直接供給されます。その結果、従来の SWRO プロセスの制限である環境塩水負荷や後処理ステップが不要になります。第三に、HFFO ベースの無限脱塩プロセスは、DS 前処理の設置、運転、保守コストが不要で、SWRO プロセスは低圧で運転できるため、従来の SWRO ベースの淡水化プラントと比較して 20 年間で 6,300 万ドルを節約できます (つまり 25 バール)。しかし、HFFOベースの無限脱塩プロセスにはさらなる最適化が必要であり、膜ファウリングや商業化への応用に関して検証研究を実施する必要がある。要約すると、FO–RO–sHFFO プロセスには、ZLD プロセスを使用した 2 段階 SWRO に比べて多くの利点があります。まず、塩水の排出や処理が不要となり、追加のエネルギーコストがかからない（さらなる環境負荷低減）。第二に、FO-RO-sHFFO ハイブリッドプロセスが同じ水の生産をターゲットにしている場合、最終的な水コストまたはプラントの能力を削減できます。第三に、ブラインは継続的に再循環されるため、海水の前処理プロセスが不要となり、取水、前処理、ブラインの排出にかかる設備投資と運用コストの両方が削減されます。

この研究では、FO-RO-sHFFO の概念を評価するために (図 6b)、さまざまな動作条件下で HFFO 素子を評価しました (図 6a)。 HFFO 膜の仕様は補足表 7 にあります。要素スケール HFFO システムは、2 つの循環ポンプ (Longer Pump WT3000-1FA、中国)、デジタル圧力計 (Omegadyne Inc.、モデル PX319-050G5V、Sunbury) で構成されています。、オハイオ州、米国）、およびシステムの両側に流量計（DLCL、MiLESEEY、中国）を備えています。デジタル天秤（Potable Bench、CAS、韓国）と導電率計（Orion 4 Star、Thermo Scientific、アルバニー、米国）を FS タンクに設置し、30 秒間隔で重量と導電率の変化を測定しました。水フラックスとRSFを計算します。水流束と RSF の計算に使用される詳細な方程式は、補足情報に記載されています。要素スケールの HFFO 実験は、さまざまな動作条件下で実施されました (表 3)。 FO モードでのテスト (図 1a の最初の FO プロセスを評価するため)、脱イオン (DI) 水 (抵抗率 >18 MΩ/cm) および合成海水溶液 (99% NaCl) (Samchun Chemicals、韓国)をそれぞれ FS および DS として適用しました。ここでは、海水濃度の範囲内で FO モードで第一の HFFO 素子の性能を評価しました。 PAO モードで HFFO エレメントを使用したテストは、2 番目の FO (異なる水位によって自然圧力が変化する sHFFO を適用) を評価するために、塩水と海水の濃度の差の範囲内で異なる浸透圧下で実施されました。圧力範囲は 2 から 2 です。 4バールまで。この場合、FS 濃度は海水範囲内、DS 濃度は塩水範囲内でした。さらに、HFFO エレメントの性能を両側のさまざまな流量で評価しました (流量は性能評価係数として選択され、その範囲は製造業者によって提供されました)。 FO モードでは、FS と DS の流量はそれぞれ 0.7、1.0、1.5、0.20、0.35 L/min で変化しました。 PAO モードでは、同じ FS 流量が使用されましたが、DS 流量は 0.35 L/min に固定されました。

パネル a と b は、HFFO を組み込んだ FO-RO ハイブリッド脱塩プロセス (FO-RO-sHFFO) と要素スケール HFFO 試験システムの概略図を示しています (FS と DS はそれぞれ上部ポートと側面ポートに供給されました。モードは向流であり、側面入口の流量と圧力は継続的に維持されました）。

ＨＦＦＯ実験は、ＤＳ３０Ｌ、ＦＳ６０Ｌで開始し、ＤＳ希釈率が１００％に達した時点で実験を終了した。次に、次の実験に備えて装置を物理的に洗浄しました (DI 水を使用した前方洗浄)。

Microsoft 2013 Excel 計算シートと逆浸透システム解析シミュレーターを用いて、環境負荷の小さい HFFO ベースの無限淡水化プロセスの実現可能性を得るために、性能結果に基づいてエネルギーコスト評価を実施しました27,34。この研究では、以前の研究で使用されたいくつかの仮定が選択され6、27、34、このプロセスと2段階SWROプロセスを比較する経済性評価に適用されました（補足表8および9）。最初の FO の DS および FS として、限外濾過膜処理海水および二次排水を使用しました（2 段階 SWRO プロセスおよび FO-RO-sHFFO システムの両方）。経済性評価では、FO モジュールのコストを含む 7,000 ドルの FO 要素コストが使用されました。最適化された HFFO エレメントの動作条件 (FS の側入口圧力、FS および DS の最小流量および希釈率) および多数の直列アレイがコスト評価のために固定されました 28。それ以外の場合、他のすべての経済計算および関連要因は以前の研究で使用されたものと同じでした 28,30。 HFFO エレメントのコストと性能、FS ポンプと DS ポンプの数と容量、配置に応じた並列 HFFO エレメントの数が計算されました。 HFFO要素の経済性評価に使用される方法と想定される要因を補足表9に示します。

追加の詳細な経済要因を補足表 10 に示します。

研究デザインの詳細については、この記事にリンクされている Nature Research レポートの概要をご覧ください。

著者らは、この研究の結果を裏付けるデータが論文およびその補足資料内で入手可能であることを確認しています。

エイミー、G.ら。膜ベースの海水淡水化：現在と将来の展望。脱塩 401、16–21 (2017)。

記事 CAS Google Scholar

Shahzad, MW、Burhan, M.、Ang, L. & Ng, KC 将来の淡水化の持続可能性を支えるエネルギー、水、環境の結びつき。脱塩 413, 52–64 (2017)。

記事 CAS Google Scholar

Tarnacki, K.、Meneses, M.、Melin, T.、van Medevoort, J. & Jansen, A. 脱塩プロセスの環境評価: 逆浸透と Memstill®。脱塩 296, 69–80 (2012)。

記事 CAS Google Scholar

Miller, S.、Shemer, H.、Semiat, R. 淡水化におけるエネルギーと環境問題。脱塩 366、2–8 (2015)。

記事 CAS Google Scholar

Missimer, TM & Maliva, RG 海水逆浸透膜淡水化における環境問題: 取水口と排出口。脱塩 434、198–215 (2018)。

記事 CAS Google Scholar

Kim、JE、Phuntsho、S.、Chekli、L.、Choi、JY & Shon、HK 鉱山で損なわれた水の処理のための、選択された無機抽出溶質を使用したハイブリッド FO-RO/NF システムの環境および経済評価。脱塩 429、96–104 (2018)。

記事 CAS Google Scholar

Zarzo, D. & Prats, D. 淡水化とエネルギー消費。近い将来、何が期待できるでしょうか? 脱塩 427、1–9 (2018)。

記事 CAS Google Scholar

Wardenier, N.、Liu, Z.、Nikiforov, A.、Van Hulle、SWH & Leys, C. O3、UV、プラズマベースの AOP による微量汚染物質の除去: 治療費とエネルギーコストの評価。 Chemosphere 234、715–724 (2019)。

記事 CAS Google Scholar

彼、Y.ら。中国の都市下水処理場のエネルギー消費量の評価。 J. クリーン。製品。 228、399–404 (2019)。

記事 Google Scholar

Kim, J. & Hon, S. 内部段階設計で海水の逆浸透を最適化し、製品の水質とエネルギー効率を向上させます。 J.メンバー科学。 568、76–86 (2018)。

記事 CAS Google Scholar

Jeong, K.、Park, M.、Chong, TH エネルギー効率の高い逆浸透 (EERO) プロセスの数値モデルベースの解析: パフォーマンスのシミュレーションと最適化。脱塩 453、10–21 (2019)。

記事 CAS Google Scholar

MG の Ahunbay、SB の Tantekin-Ersolmaz および WB の Krantz 海水淡水化のための多段階逆浸透プロセスのエネルギー最適化。脱塩 429、1–11 (2018)。

記事 CAS Google Scholar

ガフォー、N. et al. 再生可能エネルギーを活用した革新的なエネルギー効率の高い淡水化技術。応用エネルギー 136、1155–1165 (2014)。

記事 CAS Google Scholar

エネルギー削減と低環境負荷を実現する「メガトン水システム」の栗原正和・竹内英 SWRO-PRO システム。 Water 10、48–63 (2018)。

記事 CAS Google Scholar

Im、SJ、Choi、J.、Jeong、S.、Jang、A. ポンプレスの順浸透 (FO) および低圧膜 (LPM) プロセスの新しいコンセプト。科学。議員 7、14569 (2017)。

記事 CAS Google Scholar

González, D.、Amigo, J. & Suárez, F. 膜蒸留: 持続可能かつ改善された脱塩の展望。更新します。持続する。エネルギー改訂 80、238–259 (2017)。

記事 Google Scholar

Lee, S.、Park, T.-s.、Park, Y.-G.、Lee, W.-i. & キム、S.-H. 海水逆浸透 (SWRO) と圧力遅延浸透 (PRO) ハイブリッドシステムのスケールアップに向けて: 240 m3/日のパイロットプラントのケーススタディ。淡水化 491、114429 (2020)。

記事 CAS Google Scholar

トリスタン、C.ら。海水逆浸透淡水化プラントにおける逆電気透析による塩分勾配エネルギー回収のライフサイクル評価。持続する。 Energy Fuels 4、4273–4284 (2020)。

記事 Google Scholar

ElMekawy, A.、Hegab, HM & Pant, D. 微生物脱塩セルと逆浸透技術の近い将来の統合。エネルギー環境。科学。 7、3921–3933 (2014)。

記事 CAS Google Scholar

Giwa、A.、Dufour、V.、Al Marzooqi、F.、Al Kaabi、M. & Hasan、SW 塩水管理方法: 最近の技術革新と現状。脱塩 407、1–23 (2017)。

記事 CAS Google Scholar

Heijman、SGJ、Guo、H.、Li、S.、van Dijk、JC & Wessels、LP 液体排出ゼロ: ナノ濾過と逆浸透で 99% の回収を目指しています。脱塩 236, 357–362 (2009)。

記事 CAS Google Scholar

Nayar, KG、Fernandes, J.、McGovern, RK、Al-Anzi, BS & Lienhard, JH ブライン排出ゼロの海水淡水化のための RO-ED 晶析装置システムのコストとエネルギーの必要性。脱塩 457、115–132 (2019)。

記事 CAS Google Scholar

Zhang、C.ら。液体排出ゼロの実際の海水ブライン処理のための次世代太陽晶析装置を設計します。ナット。共通。 998 年 12 月 (2021 年)。

記事 CAS Google Scholar

Tong, T. & Elimelech, M. 廃水管理におけるゼロ液体排出の世界的な台頭: 推進力、技術、および将来の方向性。環境。科学。テクノロジー。 50、6846–6855 (2016)。

記事 CAS Google Scholar

ツァイ、J.-H. 他。膜ベースのゼロ液体排出: 神話か現実か? J.台湾研究所化学。工学 80、192–202 (2017)。

記事 CAS Google Scholar

Im, S.-J.、Jeong, S. & Jang, A. 逆浸透と直接接続するための要素スケールの正浸透の実現可能性評価。 J.メンバー科学。 549、366–376 (2018)。

記事 CAS Google Scholar

Im, SJ、Jeong, S.、Jeong, S. & Jang, A. 海水淡水化のための元素スケールの順浸透-逆浸透ハイブリッドプロセスの技術経済的評価。脱塩 476、https://doi.org/10.1016/j.desal.2019.114240 (2020)。

イム、S.-J. & Jang, A. スパイラル巻き正浸透システムの効率に対する工学的要因の影響: 性能と経済性の評価。淡水化 501、https://doi.org/10.1016/j.desal.2020.114884 (2021)。

Im、SJ、Choi、J.、Lee、JG、Jeong、S.、Jang、A. 水再生のための体積遅延浸透と低圧膜ハイブリッドプロセスの応用。ケモスフィア 194、76–84 (2018)。

記事 CAS Google Scholar

ワン、CF & チョン、T.-S. さまざまな RO+PRO および RO+FO 統合プロセスの技術経済的評価。応用エネルギー 212、1038–1050 (2018)。

記事 CAS Google Scholar

Sreedhar, I.、Khaitan, S.、Gupta, R.、Reddy, BM、Venugopal, A. 順浸透におけるプロセスとエンジニアリングのトレンドに関する大冒険。環境。科学。水耐性テクノロジー。 4、129–168 (2018)。

記事 Google Scholar

Lee, S. & Kim, YC プレートアンドフレーム正浸透膜エレメントの性能分析とスケールアップ設計への影響。 J.メンバー科学。 550、219–229 (2018)。

記事 CAS Google Scholar

Song, M.、Im, S.-J.、Jeong, S. & Jang, A. 元素スケールのプレート型順浸透の評価: 構造パラメーターと操作条件の影響。脱塩 430、15–23 (2018)。

記事 CAS Google Scholar

Kook, S. et al. 圧力補助正浸透-逆浸透ハイブリッドシステムの直列接続された正浸透膜エレメント: プロセスパフォーマンスと経済分析。脱塩 448、1–12 (2018)。

記事 CAS Google Scholar

Wang, J.、Chen, J.、Chen, B.、Yan, F. & Xue, Q. 海水静水圧をカバーする模擬深海環境下でのいくつかの合金の摩耗挙動と摩耗メカニズム。トリボル。内部。 56、38–46 (2012)。

記事 CAS Google Scholar

キム、J.ら。 8 インチスパイラル巻正浸透モジュールの操作性に関する実際的な考慮事項: 流体力学、汚れの挙動、および洗浄戦略。脱塩 404、249–258 (2017)。

記事 CAS Google Scholar

Kook, S. et al. ゼロ圧力条件下の正浸透膜: 水圧と浸透圧は同じ性質を持っていますか? 環境。科学。テクノロジー。 52、3556–3566 (2018)。

記事 CAS Google Scholar

渋谷正人他圧力補助浸透における中空糸正浸透膜の性能に対する動作条件と膜構造の影響。脱塩 365、381–388 (2015)。

記事 CAS Google Scholar

Oh, Y.、Lee, S.、Elimelech, M.、Lee, S.、Hong, S. 圧力補助浸透における水流束と逆溶質流束に対する水圧と膜配向の影響。 J.メンバー科学。 465、159–166 (2014)。

記事 CAS Google Scholar

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この研究は、韓国政府（科学情報通信部（MSIT））の資金提供を受けた韓国国立研究財団（NRF）を通じた気候変動影響最小化技術開発プログラム（番号2020M3H5A1081109）によって支援されました。

成均館大学校水資源大学院 (SKKU)、2066 Seobu-ro, Jangan-gu, Suwon, Gunggi-do, 16419, Republic of Korea

S.-J. イム＆A.チャン

カリフォルニア大学土木環境工学部、ロサンゼルス、カリフォルニア州、90095-1593、米国

S.-J. 私は

環境工学、釜山国立大学、釜山、46241、大韓民国

チョン・セ

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この提案では、S.-JI と AJ が省エネ脱塩コンセプトを提案し、S.-JI と SJ が実験を設計して実行しました。 S.-JI、SJ、AJ は経済プロセスを評価し、原稿を作成しました。著者全員が実験結果と経済結果について議論し、原稿を読みました。

A. Jang への通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

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転載と許可

Im, SJ.、Jeong, S. & Jang, A. 中空糸 FO を組み込んだ順浸透 (FO) - 逆浸透 (RO) ハイブリッドプロセス。 npjクリーンウォーター4,51（2021）。 https://doi.org/10.1038/s41545-021-00143-0

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受信日: 2021 年 2 月 4 日

受理日: 2021 年 10 月 11 日

公開日: 2021 年 12 月 9 日

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npj クリーンウォーター (2022)