膜浄水のための真のターンキー ソリューション

Sep 25, 2023

工業製造、海洋石油・ガス生産、食品・飲料生産、製薬、マイクロエレクトロニクス、発電に至るまで、さまざまな産業の用途に対処するには、さまざまな原水を高品質の膜精製水に変換することが重要です。

キャメロン・W・ヒップウェル、PE

工業製造、海洋石油・ガス生産、食品・飲料生産、製薬、マイクロエレクトロニクス、発電に至るまで、さまざまな産業の用途に対処するには、さまざまな原水を高品質の膜精製水に変換することが重要です。

特に、化石燃料による発電は、先進国のすべての処理水のかなりの部分を消費するため、水を大量に消費します。

川や湖から都市の飲料水、海水に至るまでの源水はすべて、最終用途に適した処理済み製品水を生産するために一連のステップを経る必要があります。 発電所は、沿岸地域、川や湖の近くの内陸部、または都市の飲料水、地下水、または生物学的に処理された二次排水を利用する場所に設置できます。 これらのさまざまなソース中の不純物は、全懸濁固体 (TSS)、シリカなどのコロイド種、全溶解固体 (TDS)、および溶解有機物です。 これらの不純物の性質とそれぞれのレベルによって、水の適合性と発電所での使用に必要な処理手順が決まります。

現場で精製水を製造する鍵となるのは、膜濾過プロセスシステムの利用です。 図 1 に示す精密ろ過 (MF)、限外ろ過 (UF)、ナノろ過 (NF)、および逆浸透 (RO) というよく知られたろ過プロセスは、それぞれ、浮遊またはコロイド状固体の除去の段階を個別に提供します。ナノろ過の場合は、逆浸透、特定の溶解イオン種の除去。

これらの各プロセスでは半透膜が使用されますが、MF の場合は微多孔質デプスフィルターも使用できます。

高純度水と超純水の生産は、発電業界全体のボイラーとタービンの動作要件に対処する上で重要です。

図 1 に示すように、発電所内の主要な給水サービスには、プラント全体の原補給水、水/蒸気回路のボイラー補給水、蒸気タービン復水器冷却水、および補助冷却水が含まれます。 特定のプラントに応じて必要となるその他の水サービスには、排煙脱硫システム用の補給水、灰の処理および廃棄用の水、および単純および複合サイクル ガス タービン プラントの場合は、プラントの直接水噴霧が含まれます。出力と排出ガス (NOx) 制御を向上させるためのガス タービン吸入空気 (湿式圧縮)。

精製水には、その最終用途に応じて特定の制限があるという特徴があります。 産業用および発電用に最も広く使用されている一般パラメータは、総溶解固形分 (TDS) です。 たとえば、食品および飲料の製造では、TDS レベルが 5 ～ 100 mg/リットルの NF または RO 透過水が通常許容され、冷却塔補給水の場合、TDS レベルは 100 ～ 500 mg/リットルの範囲にあります。

ただし、発電用途や医療機器製造用の脱塩水など、より厳しい純水サービスの場合は、抵抗率/導電率の値が最も便利です。 水が電気を通す能力は、溶解したイオン化種の濃度によって決まります。 脱イオン水の導電率は 0.055 μジーメンスと低く、海水の導電率は 50,000 μジーメンスを超えます。

便宜上、最も引用される超純水パラメータはメグオーム (MΩ) で表される導電率の逆数であるため、導電率 0.055 μジーメンスの脱イオン水の抵抗は 18 MΩ です。 比抵抗 18 MΩ の超純水は、通常、半導体製造や超臨界発電ボイラー用の補給水の製造などの過酷な用途に必要な仕様として指定されています。 発電所におけるほとんどの脱塩水の用途では、>10 MΩ 抵抗率 (0.1 マイクロジーメンス) の水で十分です。

あらゆる発電所にとって最も重要な給水サービスは、蒸気発生器コンポーネントの完全性と性能を維持することです。 蒸気発生器への腐食生成物の移動を最小限に抑えるには、構成品質が十分な純度でなければなりません。 表 1 に示すように、ボイラーの構成に適した高純度水は、通常、溶解した一価および多価イオンの汚染レベルと水の抵抗率によって特徴付けられます。

ボイラー補給水を適切に調整すると、腐食に関連した動作上の問題やコンポーネントの故障を軽減できます。 発電所で高純度水を製造するための膜プロセスが登場する前は、従来の技術を使用した前処理が普及していました。

従来の主な前処理システムには、化学凝固剤を使用した沈降浄化装置、マルチメディアろ過、その後のイオン交換 (IX) 脱塩システムが含まれていました。 典型的な IX システムは 3 つの樹脂床で構成されており、陽イオン交換体、陰イオン交換体、混合床交換体の順に構成されています。 カチオン交換体では、ナトリウム（Na+）やカリウム（K+）などの正電荷を帯びた一価カチオンや、カルシウム（Ca++）やマグネシウム（Mg++）などの二価カチオンを、カチオン樹脂に結合した水素（H+）と交換します。 陰イオン交換体では、負に帯電した塩化物 (Cl-)、硫酸塩 (SO4-)、硝酸塩 (NO3-)、および CO2 が、陰イオン樹脂に結合している水酸化物 (OH-) と交換されます。 IX 樹脂から放出される H+ および OH- イオンとして水が形成されます。

最終的な混合床イオン交換体には、カチオン樹脂とアニオン樹脂の緊密な混合物が含まれており、一連の一連の連続するカチオンおよびアニオン交換段階として機能し、最終製品として非常に高純度の水を生成します。 混合床は、単一のカチオン交換体またはアニオン交換体を含む単一の樹脂容器と比較して、はるかに複雑です。 再生前に容器内の 2 つの樹脂を分離するための設備、および 2 つの異なる再生剤を注入および収集するための分配器のセットが必要です。 さらに、使用を再開する前に樹脂を再混合するための準備が必要です。

イオン交換は、カチオン樹脂床に強酸（典型的には塩酸または硫酸）を通過させた後、樹脂ビーズから過剰な酸を洗い流すことによってカチオン樹脂を再生できる可逆プロセスです。 同様に、アニオン樹脂は濃アルカリ溶液 (通常は水酸化ナトリウム) を使用して再生されます。

従来の脱イオン (DI) 樹脂ベースのシステムは、樹脂が使い果たされるまでバッチで操作されます。 非連続プロセスは、大量の有害な酸や苛性化学物質を使用するため、本質的に持続可能性が低いアプローチです。

発電所向けの最新の水処理プロセスには、従来の前処理装置や IX 技術の代わりに、より持続可能な膜技術が組み込まれています。 図 2 に示すコンパクトな MF および UF 膜システムは、RO の前に懸濁固体やコロイド状固体を除去するための前処理ステップとして、ますます人気のあるオプションとなっています。 UF は 0.02 ミクロン未満まで濾過し、濁度と懸濁物質を高効率で処理します。

RO は、低 TDS 水を製造するための主要な技術として進歩してきました。 これは通常、図 3 に示すようにダブルパス RO 膜構成を使用して達成されます。最初のパスからの TDS レベルは 5 ～ 300 mg/リットルに達する可能性があります。 最初の RO パスの透過液は、最終的な TDS 除去のために 1 ～ 20 mg/リットルまでの RO 膜の 2 番目のセットに供給されます。 また、RO 膜を使用して、それぞれ最大 40,000 mg/リットルと 15,000 mg/リットルの TDS レベルを持つ海水と汽水の両方から TDS を直接除去できます。 海水および汽水供給水からの RO 透過水は、通常、2 回目の通過 RO 透過水で 10 mg/リットル未満に減らすことができます。

RO 透過水は、最終研磨に理想的な処理水質を提供し、>10 MΩ 脱塩 (デミン) 化粧水を生成します。 この最終研磨ステップでは、膜 (CO2) 脱気を伴う連続電気脱イオン (EDI) が IX テクノロジーよりも好ましい選択肢になりつつあります。 IX テクノロジーと同様に、EDI はイオン交換樹脂を使用して水からイオン化種を除去し、そのプロセスにはイオン交換膜と DC 電位が組み込まれています。

EDI 膜モジュール (図 4 を参照) に入る給水は、イオン交換樹脂を含む膜コンパートメントに流れます。 モジュールにはカチオン透過性膜とアニオン透過性膜が含まれており、直流電位はカチオンがカチオン透過性膜を通過し、アニオンがアニオン透過性膜を通過するための駆動力を提供します。 EDI 供給水は、カチオン膜とアニオン膜を通ってイオンが除去されるため、高純度 EDI 製品水として EDI モジュールから排出されます。

EDI システムは、99% 以上の TDS 除去を達成し、最大 18 MΩ の抵抗率を持つ超純水を提供できます。 EDI は、従来のイオン交換 (IX) システムに必要な強力な酸や苛性化学物質を使用せずに継続的に再生することで、持続可能な超純水ソリューションを提供します。

EDI over IX 樹脂ベッド システムを利用することで、危険な化学物質のトラック輸送、化学物質の保管、酸や腐食性化学物質の廃棄を回避できます。 環境に配慮したソリューションには、EDI を備えた高回収 RO システムが組み込まれており、パフォーマンスの最適化と運用コスト (OPEX) の削減を実現します。

前処理、UF、RO、EDI を組み込んだ多段階の膜プロセススキームは、信頼性の高い高効率の膜精製水の生産を保証するために徹底的に設計されています。

ほとんどの場合、これらのシステムのプロバイダーは、膜モジュール、ポンプ、計装、制御装置、相互接続配管などの個別のコンポーネントを調達し、それらをプロセス システムに統合します。

いくつかの膜フィルター媒体メーカーは、自社の膜製品を使用した完全なプロセス システムを提供していますが、ほとんどの周辺アイテムは外部委託しています。 膜メーカーがすべてのコンポーネントを提供できるほど十分に垂直統合されていることはほとんどありません。

図 5 に示す 1200 MW コンバインド サイクル天然ガス タービン発電所では、イオン交換樹脂ベースの脱塩を利用した従来型の水処理プラントに関連して、高い運用コストが発生していました。

このプラントは最近、既存の従来の清澄器、濾過器、陽イオン/陰イオン IX 脱水システムを置き換えるために、200 gpm の限外濾過 (UF) と汽水逆浸透 (BWRO) をパッケージ化したシステムを納入しました。

新しい膜ベースのシステムは、ロサンゼルスにあるパーカーの浄水施設での現場パフォーマンスをシミュレートする完全な湿式テストが行​​われました。

膜プロセスシステムは、浄化装置、大型媒体フィルター、カチオンおよびアニオン IX 樹脂床を含む従来の水処理プロセスよりも好ましい選択肢へと容易に進化しました。 RO および EDI の前に浮遊固体を除去するための MF および/または UF は、以前は下流の IX 樹脂床の汚れの原因となっていた浮遊固体を 0.02 ミクロンのサイズまで除去することができます。

MF、UF、RO、および EDI メンブレンは、最大限の柔軟性を実現するためにモジュール化されたコンパクトなシステムに完全に統合されています。 RO および EDI 膜プロセスは、有害な化学薬品を使用した樹脂の再生が回避されるため、IX よりも環境的にも有利です。

プレエンジニアリング海水 RO (SWRO) システムは、海辺の発電所用の淡水の生成、またはオンデマンドで生成される超純水を必要とする産業用途に最適です。

コンパクトな設置面積と完全自動制御を備えた SWRO ユニットは、生産水 1 トンあたりのエネルギー消費量を最小限に抑えながら、1 日あたり最大 1500 トンの RO 水を生産できます。 RO で生成された水は、EDI 膜モジュールを使用して研磨され、最大 18 MΩ の抵抗率を持つ超純水を提供できます。

著者

Cameron Hipwell は、Parker Hannifin Filtration Group の登録プロフェッショナル エンジニアです。