化学工業特論...

1

Dr. Masaru Kurihara, Fellow,

Toray Industries, Inc.

Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ２８, 201５

逆浸透膜

化学工業特論ケミカルズが産み出す日本の力

2

Ⅰ 世界の水問題とＲＯ膜利用の増大

Ⅱ ＲＯ膜の歴史

Ⅲ ＲＯ膜技術のトレンドと進歩

Ⅳ ＲＯ膜の新技術と将来の脱塩技術

Contents

3





Contents

4

水

エネルギー食料

世界の人々

農業淡水化発電

食料生産

バイオ燃料

バーチャル・

ウォーター

健康・安全

Reference: Council for Science and Technology Policy, 67th Meeting (held on May 18, 2007)

原因：世界の人口増加と経済発展対策：水の量と質の確保が必要

水需要は、人口増加率の２倍で伸長！

水環境の汚染の拡大により、水資源へのアクセスが困難に！

水は人間にとって重要な物質、健康・安全への配慮が必須！

水とエネルギー・食料問題

© Toray Industries, Inc. All Rights Reserved

5出典：第３回世界水フォーラム国土交通省土地・水資源局水資源部資料

河川・湖沼などの淡水は、わずか０.０１％地球全体の水（およそ１４億ｋｍ３）のうち、比較的使いやすい

地球上の限られた水資源

6

現在の世界的な水の不足状況（出典：IWMI Report 2006）

渇水のない地域

物理的渇水地域（水資源使用率>75%）

物理的渇水に近い地域（同上>60%）

経済的渇水地域（同上<25%，貧困地域）

評価なし

水資源の現状

USAthe Caribbean Sea

North AfricaSpain

India

Australia

Middle East

China

淡水化・再利用の造水市場

水問題は、CO2炭酸ガス問題と同列に扱うべき世界的課題。

飲料水と衛生設備のない人口を半減するという国連の目標が未達。

水問題は、食料問題、エネルギー問題と一体化して解決すべき世界的課題である。

世界人口７０億人

飲料水（生活用水含む）が得られない７億人

衛生設備（下廃水・屎尿処理）がない２７億人

（2015時点での予測）

（2015時点での予測）


7NIKKEI BUSINESS 2012.8.27

世界人口の予測と取水量予測

8

0

20

40

60

80

100

120

1600 1700 1800 1900 2000 2100 22002000年1800年 1900年1700年

（億人）

100

80

60

40

20 自然の浄化作用

⑤膜処理

④蒸発法

2100年

①緩速ろ過法

③急速ろ過法（オゾン/活性炭）②微生物処理

世界の人口

高品質・高速処理・省エネプロセスの膜処理技術は、２１世紀の基幹技術

120

【東レ試算】

炭酸ガス排出量換算

（kg/m3）

5

10

15

0蒸発法膜処理法

～10

～2

約80％削減

0

海水淡水化プロセスのエネルギー消費量比較

人口増加と経済発展により、自然の浄化作用だけでは「水量」と「水質」の確保が困難。

人口の増加と水処理技術の進化


9

膜分離法（ＲＯ）

低圧ＲＯ高圧ＲＯ

濃縮海水

前処理

海水淡水

淡水

加熱蒸気

海水

気化

濃縮海水

蒸気回収

海水

熱

（蒸気）

気化

冷却・凝縮

濃縮海水

淡水

蒸発法（ＭＥＤ）

蒸発法（ＭＳＦ）

加熱蒸気と気化海水を凝縮させる。ＭＳＦより高効率だが複雑。

海水を気化・凝縮させて、淡水を得る。中東海淡の主流蒸発法の一種。

圧力をかけて膜から水を透過させる。要求水質に応じて多段対応。

冷却

蒸気凝縮

特長：発電設備併設により熱源利用可能。（中東で主流の理由）前処理がほぼ不要で、運転がシンプル。（ＭＥＤはやや複雑）

特長：設備費が安い。蒸発法の０．５～０．９倍所要海水量が少ない（高回収率）蒸発法の１／４以下所要エネルギー（熱＋電力）が小さい。蒸発法の１／５以下

蒸発法と膜分離法


10

4. ＲＯ法と蒸発法の造水コスト比較

ＲＯ膜法は、技術進歩とコスト低減により、造水技術の

基幹プロセスとして世界の水不足地域で導入されてきた。

0

2

4

6

8

10

12

14

1970 1980 1990 2000 ADC2006

年代

エネルギー　(kWh/m3)

100.0

19.8 15.9 9.8 9.727.8

0

20

40

60

80

100

120

1978 1989 1995 2000 2002 2006

1.4

1

0.8

0.50.4

0.2

0

0.5

1

1.5

1978 1989 1995 2000 2002 2006

塩透過率(%)

2. ＲＯ膜造水性能の向上と量産化によるコストダウン

1. ＲＯ膜性能の向上（塩透過率の低減）

3. エネルギー消費量の低減

D&WR, 16(2), 10-22 (2006).

IDA news Water,15 , 9-10 (2006).

膜コスト比／造水量

塩透過率（％

）エネルギー（K

Wh/m

3）

1.03

1.33 1.38

0

0.5

1

1.5

RO MSF MED

造水コスト（$/m

3）

Shuqaiq （サウジアラビア）（21万m3/日）での例

蒸発法Global Water Intelligence , August (2006).

海水淡水化ＲＯ膜・技術進歩と造水コストの低減


11

1990

1991

1992

1993

1994

1995

1996

1997

1998

1999

2000

2001

2002

2003

2004

2005

2006 MED

MSFNF

RO0

2,000,000

4,000,000

6,000,000

8,000,000

10,000,000

12,000,000

14,000,000

16,000,000

18,000,000

MEDMSFNFRO

Authority: IDA Inventory no19

19

90

19

95

20

00

20

05

RO membrane

MSF

NF membrane

Distillation

MEDMembraneAD

Cum

ulat

ive

Cap

acity

(m3 /d

ay)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

201

99

0

19

92

19

94

19

96

19

98

20

00

20

02

20

04

20

06

20

08

Accum

ula

ted

Cap

acity (

ord

er

base)

Mm

3/d

Distillation

Membrane

Autholity: 2009 Desalination Market Forecast by Christopher Gasson

Authority: 2009 Desalination Market

膜技術は既に脱塩分野でリーディングテクノロジーとなっている

Expanding at an

annualized rate

of 25%

脱塩技術別の水処理設備生産容量


12

Desalination market 2006-2016

(Authority) Christopher Gasson: “Desalination market outlook 2012–2016”, 2012/3/6

13

Desalination market forecast 2012-2016

0.0

2.0

4.0

6.0

8.0

10.0

12.0

14.0

16.0

2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016

mill

ion

m3

/d

Other water

Brackish water

Seawater

(Authority) Christopher Gasson: “Desalination market outlook 2012–2016”, 2012/3/6

14





Contents

15

-

500

1,000

1,500

2,000

2,500

3,000

3,500

4,0001

95

0

19

55

19

60

19

65

19

70

19

75

19

80

19

85

19

90

19

95

20

00

20

05

海水淡水化

（ＲＯ）

かん水淡水化

排水再利用

（ＲＯ・ＮＦ）

飲料水製造

排水処理

（ＵＦ・ＭＦ）

米国でＲＯ膜基礎研究開始（1953）

ＲＯ膜研究開始（1968）

ＵＦ膜研究開始（1990）

故・ケネディ大統領*、海水淡水化を国家事業として承認（196１）

ＭＢＲ研究開始（1996）

水量換算累積出荷量（世界市場）

（万m3/d）

0

＊“If we could produce fresh water from salt water at a low cost that would indeed be a great service to humanity, and woulddwarf any other scientific accomplishment.”

John F. Kennedy.

膜処理技術の研究開発と普及状況

20

10


16

逆浸透法の原理

浸透逆浸透浸透圧

浸透圧よりも大きな

圧力をかけて濃厚溶液側の溶媒を希薄溶液側へ移動させる。

浸透が平衡に達した

とき、両液間に生じる圧力差（＝浸透圧）

半透膜を介した濃度の異なる溶液が平衡に達しようとして、

希薄溶液の溶媒が濃厚溶液側へ移動。

17

Materials and Morphology- Molecular design of high performance materials suitable for

each separation mode or object- Morphological design of high performance membrane

Classification of RO Membrane Technology

CH2OCOCH3

HOHOCOCH3H

HHCH2OCOCH3HOHOCOCH3H

H

HO

O

OCOCH3

OCOCH3

Cellulose acetate membraneLinear Polymer : Asymmetric Membrane

Cross-linked Polymer : Composite MembraneCross-linked aromatic polyamide membraneNHNHCOCONHNHCO

CONH

NHCO

2

nm

-NHNH-COCOOH

CO

Asymmetric structure

Composite structure

membrane top surface

membrane top surface© Toray Industries, Inc. All Rights Reserved

18

Polymer Coating Method

Dry-Wet Coating (Phase Separation)

Float-casting

Coating

Physical Vapor Deposition

Monomer coating and polymerization

Interfacial polymerization, polymer reaction

Polycondensation

UV Polymerization

Electron Beam Polymerization

Radiant Ray Polymerization

Plasma Polymerization

In Situ Polymerization Method

Classification of Thin-layer Fabrication Method


19

Structure of Reverse Osmosis Membrane Elements

Spiral Type Hollow Fiber Type Tube Type


20

ModuleConfiguration

Example of Membrane & Module, Membrane Suppliers

1. Toray, UOP, Environgenics, Osmonics, Desalination, Ajax, Hydranautics, Daiseru

4. Toray-Polyamidic acid, Du Pont-DP-1, Monsanto

6. Cellanese-Polybenzimidazole

9. UOP-CTA

10. North Star-NS-100, UOP-PA-300, -100, LP-300, RC-100

12. North Star-NS-200, Osmonics-NS-200Environgenics-SPFA(NS-200),Desalination-NS-200(?)

14. North Triangle Inst.-Plasma Polym. Toray-UTC,PEC-1000, FilmTec-FT-30Asahi Glass-MVP, Nihon Syokubai

MembraneMaterial

Cellulose

Acetate

Polyamide

Hetero Cyclic

Polymer

Crosslinked

Water Soluble

Polymer

Polymerizable

Monomer

(Crosslinking)

2. Dow, Monsanto, Toyobo

5. Du Pont

7. Cellanese-Polybenzimidazole

13. FRL-NS-200, Gulf South Research Inst.-NS-100

3. UOP, Environgenics, Universal Water Co. Raypak, Abcor, PCI, Nitto, Daiseru

8. Teijin-PBIL

11. North Star-NS-100, OthersSumitomo-PAN-Composite Membrane

Spiral

Hollow

Fiber

Tubular

Membrane Morphology

Composite

Membrane

Asymmetric

Membrane

14

1 6

54

3

12

8

37

52

4

10

9

9

8

7

6

13

13

11

1110

12

12

Primary Membrane Materials, Morphology and Configuration for RO


21

The Theme for the 21st Century

1. The investigation of membrane technologyQuantity, Quality and Cost

(Water productivity, Water quality and Water cost)

If you sink shallow, you get water. But you sink deep, you can get oil.

Discover new things by taking a lesson from the past

2. Leading Edge Technologies on Commercially Available Membranes

3. Innovative Membranes in R&D Stage

深は新

温故知新© Toray Industries, Inc. All Rights Reserved

22

Basic Research Commercial Operation

Development & Scale-up

Valley of Death

Real Innovation

Avoid falling into the valley of death

Learning from the past (fruitful experience)


23





Contents

24

Separation layer

RO element

RO Composite membrane

Permeate

Feed Water

Crosslinked aromatic polyamide

200 nm

Polyester non-woven fabric100 μm

Polysulfone supporting layer

45 μm

Surface structure 200 nm

RO Membrane, Element & Plant

RO membrane sheet

RO plant (Skid) © Toray Industries, Inc. All Rights Reserved

25

Interfacial Polycondensation

Aqueous amine solution

NH2

NH2NH2

NH2H2N

TAB m-PDA

Acid chloride solution

COCl

COClClOC

TMCCOCl

COCl

TPC

Picture)P. W. Mogan, “Condensation Polymers”, Wiley Interscience, New York (1965).

NHNHCOCONHNHCO

CONH

NHCO

2

nm

-NHNH-COCOOH

CO

Obtained polyamide

Crosslinked Aromatic Polyamide Formation


26

逆浸透膜の製膜

NH2

NH2NH2

NH2H2N

TAB m-PDA

①支持膜へアミン水溶液を含浸

②酸塩化物有機溶媒溶液と接触

COCl

COClCOCl

COClClOC

TMC TPC

支持膜上での界面

重縮合により超薄膜を形成


27

Membrane Brackish water

Wastewater

Seawater Energy Saving (High Flux)

High Water Quality (High Cl-, B Rejection)

Element 16 inch

High Membrane Area

Energy Saving (Low Pressure)

Low Fouling

Energy Saving & Plant Downsizing

Trends for Aromatic Polyamide RO Membrane

High Water Quality (High TDS Rejection)

Technology based on Aromatic Polyamide membrane has been improved to meet market demand.


28

Technical Trends of RO Membranes

Focus on energy saving and high solute removal in SWRO

Ultra low Low High Ultra high0.3 0.5 1.0 2.0 5.5 10.0

OperatingPressure

[MPa]

High TOC removalHigh water

permeability

Notes

High TDS removalHigh water

permeability

Super low

Low-foulingHigh water permeability

Ultr

apu

rew

ater

Lower pressure

Was

te

wat

erre

use Low-fouling

High water permeability

SWR

OB

W RO

Energy-SavingHigh solute removal rate

( Boron and others)


29

Progress of Brackish Water RO PerformanceSa

lt R

ejec

tion(

%)

99.9

99.8

99.5

99.0

98.0

95.0

90.0

Medium Low Ultra Low Super Ultra Low1.0 0.50.71.52.0 0.83.05.0

Operating Pressure normalized with Flux [ MPa/( m3/m2/d) ]

1987 1988 1996 1999 2009Salt Rej

increased more than 10 times.

Operating Pressure decreased to 1/10

Material Progress Morphology ProgressMembrane Process

Cellulose AliphaticPolyamide

Molecular Design

AromaticPolyamide

0.35

Asymmetric Composite

Performance of RO membrane has been progressed by improvement of membrane materials, morphology, process, and molecular design.


30

高性能海水淡水化ＲＯ膜開発のコンセプト

課題：高透水性と溶質除去性能の両立（水質＝安全・安心と省エネ）

膜性能の向上

水透過性

省エネルギー

高品質な水

ＲＯ膜におけるホウ酸透過現象の予想図＊ホウ酸：生物に有害、柑橘類の病因

H2O

Na+

（水和物）

溶質（ホウ酸）

ＲＯ膜のポリマー鎖

ポリマー鎖間の隙間＝ “細孔”

透過に影響を与える因子:

1. 空孔の大きさ

2. 空孔の数

溶質除去性

ポテンシャルライン

より精密な膜構造の解析を基に、高性能ＲＯ膜を開発


31

0.1nm 1nm 10nm 100nm 1000nm

2.0nm

Hg

0.38nm0.38nm

0.38nm0.38nm

N2

H2O

陽電子

0.000001nm

１）電子顕微鏡法

２）水銀圧入法

４）示差走査熱量計法

３）吸着法

５）陽電子寿命測定法

測定範囲

分離膜の空孔を測定する方法

＊陽電子：電子の反粒子。プラスの電荷を持つ

陽電子を用いてナノメーター以下の大きさを測る© Toray Industries, Inc. All Rights Reserved

32

陽電子消滅寿命測定法によるRO膜の孔径分析

： BOH

OHHO4Å

孔径 : 5.0-7.0Åと推定

3. ＲＯ膜の孔径*) とホウ素除去率の相関

868890

9294

9698

100

4 5 6 7 8孔径 (Å)

ホウ素除去率

(%)

▲ S1◆ S2■B1●B2

*)陽電子消滅寿命測定法による測定値

4. 分子動力学シミュレーションによる孔径解析

1. ホウ素除去メカニズム

除去

透過孔径小孔径大

2. 陽電子消滅法 (PALS)

孔径小大陽電子消滅時間短長

原子分子

孔

陽電子

電子

e+

e-

e+e+

e-e-

e-

e-

孔径が陽電子消滅法で推定可能


33

表面断面

断面

従来の走査型電子顕微鏡による解析

形状のみの情報

最先端の透過型電子顕微鏡技術（ＴＲＣ独自技術）による解析

新しい情報

• ひだの内部構造

• 表面積（定量的データ）

• 膜の真の厚み

先端電子顕微鏡（ＴＥＭ）技術による形態解析

微細構造の定量化でＲＯ膜性能との関係が

明らかになり、膜形態設計に繋がった


34

海水淡水化用ＲＯ膜の性能はこの5年間で: 1) 造水量が 1.5 倍2) ホウ素除去率が 90% から 95% に (透過率は半分)

海水淡水化用ＲＯ膜の性能革新の歴史

省エネルギー

造水量 (m3/day)

水質の向上

NaCl 除去率

(%)

70

90

95

99

5025 30 35 40

97.0

99.0

99.6

99.9

95.0

ホウ素除去率

(%)

99.3 93

2005 2007 2009 2010

NaCl

ホウ素

膜造水量 : 1.5 倍の増大

ホウ素除去率: 90 95%

素材選択

形態制御

生産プロセス適正化

分子設計


35

世界最大の海水淡水化プラント：マグタ（アルジェリア）

地中海に面した巨大海水淡水化プラント

- 造水量 500,000 m3/day- 1段RO 処理システム- 高温、高塩濃度及び高ホウ素濃度- 2012年中稼働

省エネルギーと阻止性能の極限

を追求した海水淡水化膜

（TM820R）を採用。

Algiers

（Magtaa）

（Algeria）

Mali Nigeria

Liby

a

Mau

ritan

ia

Morocco

Spain

Tuni

sia

★

省エネルギー

造水量 (m3/day)

水質の向上

NaCl 除去率

(%)

70

90

95

99

5025 30 35 40

97.0

99.0

99.6

99.9

95.0

ホウ素除去率

(%)

99.3 93

2005 2007 2009 2010

NaCl

ホウ素

マグタ

アルジェリア


36

3,4) microbe

a) Hydrophobic interaction

b) Electrostatic interaction

2. Bio-fouling Formation of bio-film

1. Chemical Fouling ( Adsorption of organic compound )

1) Adsorption of organic compound

2) Attachment of hydrophobic microbe

( Hydrophobic, Electrostatic )

3) Increase of microbe

4) Extra cellular polymer

5) Growth of bio-film

Organic compound

CO2- NH3

+

OOSurfaceNH

HN

HN

O

Membrane surface

5) Growth of bio-film

1) organiccompound

2) microbe

Concept of Fouling Reduction

★ Reduction both of hydrophobic & electrostaticinteraction is key technology


37

600nm

The surface of RO membrane is modified with hydrophilic polymer

600nm

Membrane surface of conventional RO

Cross sectional SEM image of membrane surface

Membrane surface of low fouling RO

Feature of Low Fouling RO Membrane

Surface modification


38

Results of Membrane Biofouling (MBP) Assay

0.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

0.12

0.14

B/F　Ratio

疎水性微生物(Mycobacteria)

親水性微生物（Flavobacteria）

Bad(High attachment)

RO Low-fouling ROTarget levelGood

(Low attachment)

Bac

teria

l Atta

chm

ent （

B/F

ratio

) (Orange County water district: Dr.Ridgway)

Mycobacteria(hydrophobic cell surface)Flavobacteria(hydrophilic cell surface)

Low fouling membrane has extremely low bacteria attachment.


39

ＭＦ膜、ＵＦ膜ＭＦ膜、ＵＦ膜

II. 浄水分野

Feed 生産水

ＲＯ膜ＲＯ膜ＭＦ膜、ＵＦ膜

I. 海水淡水化分野

Feed 生産水

III. 排水再利用分野-1

ＭＦ膜、ＵＦ膜ＲＯ膜

2nd

Effluent Product

MBR: Membrane BioreactorMBR ＲＯ膜

Waste Water Product

III. 排水再利用分野-2

2nd Effluent: Biological Treatment Effluent

例）日本 0.3 万m3/d

例）日本 8.8 万m3/d

例）クエート 32 万m3/dシンガポール 22.8 万m3/d

例）インド 1.1 万m3/d

統合的膜処理システム（ＩＭＳ）

種々の水源と用途に最適な水処理膜システムを構築できるので、

最高のパーフォーマンスとコスト削減が実現できま

す。

IMS： Integrated Membrane System


40

<Singapore >228 k m3/d

<Kuwait>320 k m3/d

RO for Wastewater Reclamation

<Trinidad >136 k m3/d


<KSA>150 k m3/d

<UAE>136 k m3/d

RO for Seawater

Desalination

<China >78 k m3/d

Total Shipment of RO：30.7 mil m3/dequivalent to daily life water of 123 million people (1.7% of World population)

Seawater Desalination ： 7.2 mil m3/d （≒daily life water of 29 mil people, Top share）

Wastewater Reclamation ： 2.5 mil m3/d （Supplied to World’s 1st and 2nd largest Plant, Top share）Brackish Water Desalination ： 16.6mil m3/d (Largest application, main market is USA, ME,FE）

RO for Brackish Water Desalination

<KSA >120 k m3/d

<Iran >100 k m3/d （Equivalent to Water Production）

<Algeria>500 k m3/d

<Bahrain>218 k m3/d

<Korea >126 k m3/d

Global Sales Expansion of Toray RO Membrane

<Algeria>200 k m3/d

<Kuwait >136 k m3/d

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Global Sales Expansion of Toray’s RO Membrane As of the end of Mar. 2013


41

<Trinidad >136 k m3/d


<KSA>150 k m3/d

<UAE>136 k m3/d

Seawater Desalination

Brackish Water Desalination

<KSA >120 k m3/d

<Iran >100 k m3/d

<Algeria>500 k m3/d

<Bahrain>218 k m3/d

<Kuwait>136 k m3/d

<Korea >126 k m3/d

<Algeria>200 k m3/d


uTotal Shipment of RO Membrane: 31 million m3/dEquivalent to daily life water of 123 million people. 1.7% of World population.

70 Countries, through 600 OEM Companies


<Kuwait>320 k m3/d

Wastewater Reclamation

<China >78 k m3/d

Global Sales Expansion of Toray’s RO Membrane

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As of the end of Mar. 2013

Total Shipment of RO Membrane: 31 million m3/d

42

沖縄海水淡水化プラント (合計造水能力 40,000m³/日 1996年)

プラント内部ＲＯモジュール部分(各ユニットの造水能力 5,000m3/日)

プラント全景

40,000m³/日=生活用水16万人分


43

Capacity : 136,000m3/dMembrane Type

1st Pass : SU-8202nd Pass : SUL-G20F

Recovery Rate1st Pass : 53%,2nd Pass : 94.5%

The largest BCS (Brine Conversion System) SWRO plant in the world2nd Pass RO system is applied for low salinity permeate

RawWater P P Product

Water

2nd Pass ROSUL-G20F

94.5% Recovery

1st Pass ROSU-820

53% Recovery

PP

BCS

Dual MediaFilter

CartridgeFilterSedimentation

Flocculation

Started on March 2002 - 6 years reliable operation with Toray’s RO

High Recovery Seawater Desalination Plant in Trinidad and Tobago


44

Tuas SWRO Plant / Singapore

-Capacity : 136,000m3/d- Boron regulation : <0.5mg/l- Recovery Rate

1st Pass : 45%, 2nd Pass : 90%,- 4 years operation

Pass 1Permeate

Tank

PostTreatment

Energy Recovery(DWEER : Calder)

Pass 1 : SWRORecovery : 45%

Pass 2 : BWRORecovery : 90%pH : 10.0 – 10.4

RO FeedWaterTank

BypassScaleinhibitorNaOH

RO section DetailLow PressurePump (VFD)

High PressurePump

BoosterPump (VFD)

Low PressurePump

The largest plant in Asia-Pacific region.


45

UF/MF membrane RO membrane

Sterilization Industrial Water,Agricultural Water,Indirect Drinking

Water

Waste WaterSecondary

Effluent

Wastewater Reclamation & Reuse

Country LocationCapacity

m3/dOperation year

1 Kuwait Sulaibiya 320,000 20052 Singapore Changi 228,000 20093 USA Fountain Valley 220,000 20074 Singapore Ulu Pandan 140,000 20065 USA West Basin 75,000 1997-20016 Australia Luggage Point 66,000 20087 Singapore Kranji 40,000 20038 Singapore Bedok 32,000 20039 China Tianjin 30,000 2006

10 Singapore Seletar 24,000 2004

Fouling : Deterioration of membrane performance caused by stainsMembrane fouling is critical issue.


46

世界第２位、東アジア最大の下水再利用プラント。シンガポール最新のNEWater Plant

生産能力：228,000m3/day東レの低ファウリングＲＯ膜を採用

Sembcorp NEWater Plant 外観

ＲＯユニット

Photo Credit: sembcorp Industries

最新・世界2位の Changi NEWater プラント


47

自然由来河川、湖沼等

廃水再利用

海水淡水化

水資源、水リサイクル及び水再利用

廃水

農業用水

工業用水

家庭用水

従来処理

膜処理

RO

MF/UF

MBR/RO

パイプライン水資源

水分配

エンドユーザー


48高橋, 小野寺, 用水と廃水 2012年6月号, 66.

49高橋, 小野寺, 用水と廃水 2012年6月号, 67. 6) 浅野孝氏論文

50





Contents

51

-

500

1,000

1,500

2,000

2,500

3,000

3,500

4,0001

95

0

19

55

19

60

19

65

19

70

19

75

19

80

19

85

19

90

19

95

20

00

20

05

SWRO

BW(RO, NF)

OthersBeginning of Basic RO Research （1953, USA）

Desalination is approved as a national project by JFK* （196１）

（×104 m3/d）

50-year Research on RO and Other Membranes

0

Annu

al W

orld

Tot

al o

f Con

verte

dW

ater

Vol

ume

＊“If we could produce fresh water from salt water at a low cost that would indeed be a great service to humanity, and woulddwarf any other scientific accomplishment.”

John F. Kennedy.

Seed-Oriented Need-Oriented

1st generation 2nd generation 3rd generation

20

10


52

History of Water Treatment Research

Generation

1st (1960-1970) 2nd (1970-1985) 3rd (1990-)

Opening of Market ChannelReduction of Energy,

Environmental load, Cost

Science&

Technology

•RO (CTA, Linear PA)•UF / MF•MSF / MED•ED•Capacitor-based Water Treatment

•Piezodialysis

•RO (Cross-linked PA)

•UF / MF•MBR•MSF / MED•ED•FO Concept•PRO Concept

•Pursuit of Existing Ultimate Technology

•Pursuit of Future Essential Technology

•FO Process•PRO Process•CNT Membrane•Biomimetic Membrane•Capacitor-based Water Treatment

ParticipantNations

(Leading & Newcomer)

•USA, EU (Germany), Israel

•USA, EU, Israel, Japan

•China, Korea

•USA, EU, Israel, Japan, Singapore

•China, Korea• KSA


53

1. 正浸透（Forward Osmosis）

2. カーボンナノチューブ（Carbon Nanotubes）

3. 生体模倣（Biomimetics）

脱塩エネルギーの30%低減が期待される3つの革新技術

1. 正浸透 2. カーボンナノチューブ 3. 生体模倣in National Geographic, April 2010

革新膜・膜プロセス


54

浸透圧発電Osmotic power

正浸透

前処理

淡水

発電機

前処理

正浸透

前処理

発電機

前処理

浸透膜

海水

FIRST Program: Mega-ton Water System正浸透膜の実用化（世界初）に向けたチャレンジ

正浸透（淡水化）Forward Osmosis


55

The Current Status of Innovative Process

Process Player Topic

ROMega-ton Project High efficient "Mega-ton RO" achieved 20%

reduction of operation energy

NanoH2O Nanoparticle-embeded polyamide composite membrane was commercialized

FO

HTI New polyamide spiral wound element for FO/PRO was released

Oasys Water The Engineered OsmosisTM (NH3/CO2 draw solution system) was patented

Modern Water * The first commercial 200m3/d seawater FO-RO plant in the world is running in Oman

PROStatkraft New plant which has 400,000m2 of membrane area

is planned

Mega-ton Project The world highest power density of 13W/m2 at 7% brine is expected with commercial size module

REDstack 5,000m3/d pilot plant on barrage between sea and lake (Afsluitdijk Project) was started

* Desalination & Water Reuse Feb-Mar 2013, Page 36© Toray Industries, Inc. All Rights Reserved

56

The Actual State of Innovative Membrane Material

FO/PRO

PilotStage

Innovative

Conventional

Material

Polyamide,CA

CNT

Bio-mimetics(Aquaporin)

Hybrid (Embedded) of Polyamide

CommercialLab

?

?

ROFO(HTI)PRO

RO(NanoH2O)


What is the post RO technology?

- no more FO, Biomimetics & CNT -

57

Nations StartRepresentative Organizations

ProjectsRepresentative

1 USA 1996 DWPR Program WaTER Group

2 EU 2003 NanoMemPro MEDINA Enrico Drioli

3 Singapore 2005 NUS,NTU,CAWT Anthony Fane 4 KOREA 2007 GIST seaHERO InS. Kim

5 Saudi Arabia 2009 KAUST Gary Amy

6 Australia 2010 NCEDNeil Palmer,

David Furukawa

7 Japan 2010 Mega-ton Water System (FIRST)

Masaru Kurihara

8 Others ( Israel, German, China )

State-Sponsored R&D on Membrane & Membrane Process

From leftDavid FurukawaInS. KimAnthony FaneMasaru KuriharaGary Amy

Enrico Drioli


58

*Advances in materials and processes for polymeric membrane mediated water purification 2011(2 March 2011)

米国の膜研究における大学間連携 -バージニア工科大 & テキサス大*-

B. D. Freeman, J. E. McGrath, et al. Polymer, 49, 2243 (2008)

バージニア工科大

テキサス大

新材料の創出・スルホン化度・親水性・化学構造

膜性能の評価・透水性及び塩除去率・ファウリング特性・塩素耐性


59

経済産業省

独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構 (NEDO)- 海淡・下水等再利用統合システム- 省水型環境調和型水循環システム (革新的 RO 膜、省エネMBR)

内閣府

日本学術振興会 (JSPS) / 最先端研究開発支援プログラム（FIRST）- メガトン水システム（Mega-ton Water System）

国土交通省

- MBRの実用化（次世代MBR技術展開プロジェクト、下水道革新的技術実証事業）

文部科学省

科学技術振興機構(JST) / 戦略的創造研究推進事業 (CREST)- 持続可能な水利用を実現する革新的な技術とシステム

国際競争力獲得のための水環境に関する日本の国家プロジェクト

赤字：本講演で紹介する国家プロジェクト


60

膜素材と要求特性

素材 RO膜性能化学的耐久性用途の多様性

有機高分子 ○ △ ○

有機－無機

ハイブリッド△ ○ △

無機 × ○ △～×

○：良、 △：可、×：不適


61

高水透過性と低溶質透過性の両立

膜の“性能改良"

水透過性

省エネルギー

高品質な水

RO膜中の透過現象のイメージ図

溶質除去性

ポリマー間隙：溶質：水：高分子鎖

理想的なRO膜

革新RO膜のコンセプト

１．化学薬品に強い膜素材

２．サブナノオーダーの空孔をコントロールする分子設計

３．薄い分離機能層を形成

“無機高分子”

支持構造

“有機高分子”

分離機能コントロール


62

分離機能層中の孔径を均一化する分子設計によって、

膜性能が向上した。

膜性能

現状

従来のRO膜

60

70

80

90

100

0 0.5 1.0 1.5

透水性能 (m3/m2/d)N

aCl 除

去率

(%)

分子設計の改良

現状

研究初期

研究初期

2.0

有機－無機ハイブリッド膜の性能

＊ＮＥＤＯ「省水型環境調和型水循環プロジェクトにおける成果


63

薬品接触時間

1.0

0

有機無機ハイブリッド

酢酸セルロース系

ポリアミド系

重金属存在化での耐塩素性比較

評価条件：

pH7

NaClO 1000 mg/L

CuCl2 1 mg/L

実用的な薬品耐久性*

＊ＮＥＤＯ「省水型環境調和型水循環プロジェクトにおける成果

塩素耐久性指標

(-)

高耐久性

有機無機ハイブリッドＲＯ膜で塩素耐久性を確認


64





（最先端研究支援プログラム “メガトン水システム”）

Contents

65

4Loss trends and climate change

Development of World Cities

1950

Data source:U.N. Population Division

World Cities exceeding 5 million residents

2.5 billion

Source: Paul Reiter, IWA, “Presentation from the 2009 World Water Week in Stockholm”

8 cities

66

6Loss trends and climate change

2015 World Cities exceeding 5 million residents

Data source:U.N. Population Division

Development of World Cities

Source: Paul Reiter, IWA, “Presentation from the 2009 World Water Week in Stockholm”

7.2 billion

Water shortage and water environment pollution become serious problems

46 cities

67

Target1,000,000m3/d

Trend of Largest Plant

Industrial Water

Daily Life Water

Agricultural Water

SoreqMagtaa

Melbourne

SulaibiyaHadera

Ashkelon

Tuaspring

Technological development for 1,000,000 m3/day plant is required Soreq

Changes in RO plant scale

©2013 Mega-ton Water System Project. All rights reserved.

68

海水淡水化プラントの例

フジャイラ２海水淡水化プラント－UAE 出展：IDA DESALINATION Year Book 2011-2012

海水淡水化RO前処理

取水

69

最先端研究開発支援（FIRST）プログラムメガトン水システム（Mega-ton Water System）

21世紀型の水処理基幹技術を構築し、世界の水問題解決に貢献する水環境の持続性

環境低負荷

省エネ

低コスト

国際競争力

価格

性能

信頼性

：ケミカルレス海水淡水化システム

：浸透圧発電、次世代型正浸透プロセス

：インテリジェント・メガプラント

Vision要素技術（Science）からシステム技術（Technology）までを含む広範囲な水処理基幹技術の研究開発を、オールジャパン体制で推進する。

水・エネルギー・食料の世界の問題解決を背景に、我が国の中長期的な国際的競争力の強化を

図るとともに、日本国民及び国際社会への確かな還元を目的とする。

研究開発内容 Ⅰ．水処理要素（コンポーネント）技術

１）極限技術追求型、２）将来の基幹技術追求型

Ⅱ．水処理システム技術

最終開発目標：海水淡水化 “メガトン水システム”にて、設備コスト、造水コストを半減する

Mission

さまざまな分野及びステージを対象とした「研究者最優先」の研究支援制度として2009年4月に導入された新制度で、公募５６５件（採択３０件）中の唯一の水処理研究。


70

高効率・大型分離膜エレメント・モジュール

海水取水技術

高効率エネルギー回収

資源生産型革新的下水統合膜処理システム

無薬注海水淡水化システム

濃度差エネルギー回収（ＰＲＯ）

低コスト・高耐久性配管

100万ｍ3/日規模大型プラント構成最適化

Mega-ton Water Systemの研究アウトプット

要素技術

システム技術

極限技術追求型

将来の基幹技術追求型

1-1

1-2

1-3

1-4

1-5

2-1

2-2

2-3

100万m3/日規模海水淡水化システム

10万m3/日規模下水処理システム

研究テーマ研究アウトプット

コンパクトＭＢＲ

栄養塩固定化・発電

エネルギー生産・資源回収

インテリジェントメガシステム

プラントシミュレータ

モニタリング＆センシング

１）

２）

無薬注海水淡水化システム

高分子学会Webinar2012


71

海水取水生活用水工業用水1-2. 海水

取水技術

1-3.濃度差エネルギー回収（ＰＲＯ）

1-5. 低ｺｽﾄ・高耐久性配管

1-1.高効率・大型分離膜エレメント・モジュール

2-2. 資源生産型革新的下水統合膜処理システム

2-1. 100万m3/日規模大型プラント構成最適化

前処理

1. 水処理要素（コンポーネント）技術2. 水処理システム技術

生産水

1-4. 高効率エネルギー回収

発電下水処理

省エネ

低コスト

低環境負荷

逆浸透

FIRST Program: Mega-ton Water System海水淡水化及び下水再利用システム全体の強化

2-3. 無薬注海水淡水化システム


72

Polyamide Composite RO Membrane Structure of polyamide composite RO membrane

Interfacial polycondensation

PolyamideThin layer

Amine

Acid halide

Membrane surface

Protuberancestructure

Separating layer

Support layer

Substrate

Cross-linked aromatic polyamide, 0.2µm

Poly sulfone, 60µm

Non-woven fabric, 150µm

Organic Layer

Aqueous Layer

Supposed chemical structure

Insoluble to any solvent©2013 Mega-ton Water System Project. All rights reserved.

73

Target of High Efficiency Membrane( for Reduction of Energy Consumption )

Schematic diagram ofwater permeation

Permeate

H２OH２O

H２OH２O

H２OH２O

H２OH２O

H２OH２O

H２O

NaClNaClNaClNaCl

NaClNaCl

NaClNaCl

Permeate

(1) Fine Structural Analyses of

Functional Layer in RO membrane

(a) Pore Size Estimation

(b) Precise Estimation of the

“protuberance” structure

(2) Innovative Low Pressure

Seawater RO membrane

RO Membrane Separation Mechanism


74

Pore Size Estimation PALS: Positron Annihilation Lifetime Spectroscopy

Pore size Small LargePositron Annihilation Lifetime

Short Long

Atom MoleculePoreo-PositroniumElectron

o-Pse-

o-Ps o-Pse-

e-

e-

e-

Correlation between pore size and boron removal rate in SWROs

Bor

on re

mov

al ra

te (%

)

0.25 0.30 0.35 0.40Pore radius (nm)

0.20

10098969492908886

▲ S1◆ S2■ B1● B2

●●■■

◆◆

▲


75

Surface1. Scanning Electron Microscopy (SEM)

2. Transmission Electron Microscopy (TEM)

Polymer

Substrate

（N-S-O）

Conventional method

Elemental mapping by STEM-EELS※

Leading-Edge method

Prepared by Pretreatment to keep wet conditionPrepared by Vacuum Freeze Drying

Fixed by Polymer Embedding※STEM（Scanning Transmission Electron Microscopy），EELS（Electron Energy Loss Spectroscopy）

“Protuberance” Structure


76

Comparison of High and Low Pressure Desalination

20～30% Energy Reduction (compared to conventional) as membrane has been achieved

Innovative Low Pressure Seawater RO membrane

Operation Pressure for Energy Saving (MPa @ 1.0m3/m2/d)

Conventional

Rej

ectio

n (%

) This Study

High PressureDesalination

Energy Reduction

99.9

99.5

99.07.5 7.0 6.5 6.0 5.5 5.0 4.5

Target

Low Pressure Desalination


77

海水淡水化メガプラントに必要なコア技術の開発

１）1段目ROに本研究の成果である世界初の高性能低圧海水淡水化膜（①）を採用、運転圧力の大幅低減（約1～2MPa）によりエネルギーを１５％削減。

２）世界トップレベルの次世代型高効率エネルギー回収装置（ERD ②）を採用、エネルギーを５％削減。

３）昇圧二段方式にて、エネルギー２０％削減と生産水の高収率化（60～65% ③）を同時に達成。

従来ROシステム

ERDERD

海水海水

濃縮水

濃縮水

生産水

生産水

生産水

（注）ERD:圧力ｴﾈﾙｷﾞｰ回収装置

RO 1段目RO

2段目RO

（注）上記フローは簡略表記。

圧力:6～7MPa

圧力:2MPa

①圧力:約5MPa ①低圧海水淡水化膜

回収率:40～50%③回収率:60～65%

低圧海水淡水化ＲＯ膜、圧力エネルギー回収装置（ERD）などの要素（機器・部品）技術とシステム技術を融合し、世界初の実用化可能な昇圧二段高収率ＲＯシステムを開発。

②次世代型ERD

“昇圧二段高収率ROシステム”の特徴

“昇圧二段高収率ROシステム”


78

５）（1系列100,000m3/d）の特徴

機器・部品の大型化、系列の大型化

（大型ＲＯ膜エレメント、高耐圧樹脂配管）

高収率化による取水・前処理設備の

コンパクト化（設置面積３０％削減）

設備費・運転費の大幅削減（半減）

エネルギーの大幅削減（２０％超）

従来ＲＯシステム

設置面積の大幅削減

２段目RO１段目RO次世代型ERD

Mega-ton Water System昇圧二段高収率ＲＯシステム


79

濃度差エネルギー回収（PRO）

高効率圧力エネルギー回収装置(ERD)

インテリジェントメガプラント無薬注前処理

高耐圧樹脂配管低圧海水淡水化RO膜

（N-S-O）

必要に応じて付加

海水同等の

塩濃度

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%

No.1

No.2

Proteobacteria

Planctomycetes

Bacteroidetes

Firmicutes

Actinobacteria

Verrucomicrobia

Cyanobacteria

Chloroflexi

Acidobacteria

Euryarchaeota

Lentisphaerae

Deinococcus-Thermus

Chordata

Chlorobi

Ascomycota

unclassified (derived from Bacteria)

Chlamydiae

unclassified (derived from Eukaryota)

Streptophyta

Gemmatimonadetes

Other

高性能低圧海水淡水化RO膜を活用し、消費エネルギーを大幅に削減（２０％）。 “昇圧二段高収率ROシステム” （＊）を開発。

前処理システムや配管技術等を統合、“Mega-ton Water System” を構築。

Mega-ton Water System－研究成果まとめ－

Mega-ton Water System“昇圧二段高収率ROシステム”

ＲＯＰＲＯ取水前処理

ＥＲＤ排水濃縮水海水

（＊）

“Mega-ton Water System”

１．世界初の海水水質指標（ＢＦＲＩ）を開発。２．無薬注化に必要な前処理の知見を獲得。

高性能低圧海水淡水化ＲＯ膜及び高効率ＥＲＤを有効活用した昇圧二段高収率ＲＯシステムを世界初で開発。大幅コストダウンとエネルギーの削減を両立させた。

濃縮海水7%と高度処理下水の濃度差エネルギーから世界最高のエネルギー回収（出力密度１３W/m2）を実現。

３０％の省エネルギー化を達成３０％のコスト削減を達成世界最高レベルの圧力エ

ネルギー回収率を実現


80

１．国際シンポジウム（2013年11月21～22日）

参加登録者約350名（内海外50名）

講師23名（内海外19名）

２．海外派遣団

１）サウジアラビア【SWCC（海水淡水化公団）、民間企業】

総裁、副総裁、技術開発担当役員が同行。

メガトンチーム３社が対応、ポストメガトン研究の海外実証に向けた取り組みがスタートした。

100万m3/d 海淡プラント計画を推進中

２）中国【中国膜工業会、北控水務集団有限公司】

北控水務集団有限公司は、100万m3/d海淡プロジェクトを事業主体として推進中

３．メガトン研究に対する評価

１）本研究の目標設定の妥当性を確認できた。

２）海外派遣団は、研究内容にたいへん関心を持ったこと、具体的に検討したいと表明した。

Mega-ton Water System－国際シンポジウム開催－期待どおりに多数の関係者が来場、高評価が得られた


81

『FIRST PROGRAM/Mega-ton Water System』の効率的運営

キーポイント

１）全体マネジメント／世界最先端の目標設定

２）国益還元に繋がる知財権の取扱いと情報管理

３）海外への情報発信

１）日本国民及び社会への研究開発成果の確かな還元２）諸外国への情報発信

FIRST PROGRAMに要求されること：

水・エネルギー・食料の世界の問題解決を背景に、21世紀型の水処理基幹技術を構築し、世界の水問題解決に貢献する

Mega-ton WSの目的：

水環境の持続性

環境低負荷

省エネ

低コスト

中心研究者栗原優

TechnologyScienceⅡ．システム技術の研究開発Ⅰ．要素技術の研究開発

Mega-ton Water System

国際競争力

価格

性能

信頼性

FIRST PROGRAM


82

東レは、膜技術を通じて、安全で持続可能な水資源と

水環境の保護に貢献していきます。

ご静聴ありがとうございました。

化学工業特論...

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