膜蒸留

AGMDの概略配置

膜蒸留には様々な技術が存在する。基本的な4つの技術は、主に蒸留液流路の配置やその操作方法によって区別される。最も一般的な技術は以下のとおりである。

• ダイレクトコンタクトMD（DCMD）
• エアギャップMD（AGMD）
• 真空MD（VMD）
• スイーピングガスMD（SWGMD）
• 真空多重効果膜蒸留（V-MEMD）
• パーミエイトギャップMD（PGMD）

DCMDでは、膜の両側に、蒸発器側に高温の供給水、透過側に冷却された透過水が供給されます。膜を通過する蒸気の凝縮は、膜境界表面の液相内で直接起こります。膜は物質輸送を遮断する唯一の障壁であるため、DCMDでは比較的高い表面関連透過流量を実現できます。^{[ 8 ]}欠点は、単層膜の断熱性が低いため顕熱損失が大きいことです。しかし、蒸発器と凝縮器間の熱損失が大きいのも単層膜の結果です。この失われた熱は蒸留プロセスに利用できないため、効率が低下します。^{[ 9 ]}他の膜蒸留の構成とは異なり、DCMDでは、膜全体の冷却は供給水の予熱ではなく透過水の流れによって行われます。そのため、透過水から熱を回収するための外部熱交換器も必要であり、供給水の高い流量を慎重に最適化する必要があります。^{[ 10 ]}

エアギャップMDでは、蒸発器チャネルはDCMDのものと似ていますが、透過ギャップは膜と冷却壁の間にあり、空気で満たされています。膜を通過する蒸気は、より冷たい表面で凝縮する前に、このエアギャップをさらに越える必要があります。この方法の利点は、凝縮器チャネルに対する高い断熱性により、熱伝導損失が最小限に抑えられることです。しかし、欠点は、エアギャップが物質輸送に対する追加の障壁となり、DCMDと比較して表面関連の透過出力が減少することです。^{[ 13 ]} DCMDに対するもう1つの利点は、 AGMDでは液体透過物と膜が接触しないため、アルコールやその他の溶媒などの表面張力の低い揮発性物質を希釈溶液から分離できることです。AGMDは、高塩濃度の場合、他の方法と比較して特に有利です。^{[ 14 ]} AGMDのバリエーションには、フラックスとエネルギー効率を向上させるための疎水性凝縮面^{[ 15 ]}や多孔質凝縮器^{[ 16 ]}が含まれる。AGMDでは、ギャップの厚さ、凝縮面の疎水性、ギャップスペーサーの設計、傾斜角など、特に重要な設計上の特徴がある。^{[ 17 ]}

スイープガスMD（エアストリッピングとも呼ばれる）は、透過側に空隙のあるチャネル構成を使用する。この構成はAGMDと同じである。蒸気の凝縮は、MDモジュールの外側にある外部コンデンサーで行われる。AGMDと同様に、このプロセスでは表面張力の低い揮発性物質を蒸留することができる。 ^{[ 18 ]} AGMDに対するSWGMDの利点は、強制流による物質輸送の障壁が大幅に低減されることである。これにより、AGMDよりも高い表面関連生成水質量流量を達成できる。ガス成分、ひいては総質量流量の増加によって生じるSWGMDの欠点は、より高いコンデンサー容量が必要となることである。ガス質量流量が少ない場合、高温の膜表面でガス自体が加熱され、蒸気圧差、ひいては駆動力が低下するリスクがある。SWGMDとAGMDの両方におけるこの問題の解決策の1つは、透過チャネルに冷却壁を使用し、ガスでフラッシングして温度を維持することである。^{[ 19 ]}

真空膜蒸留（Vacuum MD）は、エアギャップチャネル構成を採用しています。蒸気は膜を通過した後、透過チャネルから吸引され、SWGMDと同様にモジュールの外側で凝縮します。VCMDとSWGMDは、水溶液からの揮発性物質の分離、または濃縮塩水からの純水の生成に適用できます。この方法の利点の1つは、膜の細孔を塞いでいる未溶解の不活性ガスが真空によって吸引され、より広い有効膜表面積が維持されることです。^{[ 20 ]}さらに、沸点の低下により、より低い全体温度と膜を介したより低い温度差で同量の製品が得られます。必要な温度差が低いほど、総熱エネルギー需要と比熱エネルギー需要が低くなります。ただし、塩水温度に合わせて調整する必要のある真空の生成には複雑な技術設備が必要となるため、この方法の欠点となります。電気エネルギー需要は、DCMDやAGMDと同様にかなり高くなります。もう1つの問題は、供給水からCO2_を除去することによってpH値が上昇することです。真空膜蒸留を効率的に行うには、多段構成で運転されることが多い。^{[ 21 ]}

以下では、標準的なDCMDモジュールおよび透過液ギャップを分離したDCMDモジュールの基本的なチャネル構成と動作方法について説明する。隣の図は平面チャネル構成を示しているが、平面型、中空糸型、またはらせん状巻線型のモジュールの概略図としても理解できる。

完全なチャネル構成は、入口と出口を備えた凝縮器チャネルと、入口と出口を備えた蒸発器チャネルから構成されます。これら2つのチャネルは、疎水性の微細多孔質膜によって分離されています。冷却のため、凝縮器チャネルには真水が、蒸発器には例えば塩水が供給されます。冷却液は20 ℃（68 °F）の温度で凝縮器チャネルに入ります。膜を通過した後、蒸気は冷却水中で凝縮し、潜熱を放出して冷却液の温度を上昇させます。顕熱伝導によっても、膜表面を通して冷却水が加熱されます。膜を通る物質輸送により、蒸発器の質量流量は減少し、凝縮器チャネルの質量流量は同量増加します。予熱された冷却液の質量流量は、約72 ℃（162 °F）の温度で凝縮器チャネルを出て熱交換器に入り、供給水を予熱します。この供給水は、さらに別の熱源に送られ、最終的に80 ℃（176 °F）の温度でMDモジュールの蒸発器チャネルに入ります。蒸発プロセスは供給流から潜熱を奪い、流れ方向に沿って供給水を徐々に冷却します。顕熱が膜を通過することによって、さらに熱が減少することもあります。冷却された供給水は、約28 ℃で蒸発器チャネルから出ます。凝縮器入口と蒸発器出口、および凝縮器入口と蒸発器出口の間の全温度差はほぼ等しくなります。PGMDモジュールでは、透過液チャネルは凝縮面によって凝縮器チャネルから分離されています。これにより、塩水供給液が透過液と接触しないため、冷却剤として直接使用できます。これを考慮すると、温度T1で凝縮器チャネルに入る冷却水または供給水は、透過液の冷却にも使用できます。蒸気の凝縮は、液体透過液の内部で起こります。凝縮器の冷却に使用された予熱済みの給水は、凝縮器を出た温度T2の後、最終加熱のために直接熱源に送られます。温度T3に達した後、蒸発器に送られます。透過水は温度T5で抽出され、冷却された濃縮水は温度T4で排出されます。       

PGMDがDCMDよりも優れている点は、モジュール内部で供給水を冷却液として直接使用できるため、蒸発器に入る前に供給水を加熱するための熱交換器が1つだけで済むことです。これにより熱伝導損失が低減され、高価な部品を削減できます。さらに、透過液と冷却液が分離されるという利点もあります。そのため、プロセス後半で透過液を抽出する必要がなく、凝縮器チャネル内の冷却液の質量流量は一定に保たれます。透過液ギャップにおける透過液の流速が低いことは、この構成の欠点です。これは、膜表面から凝縮器壁への熱伝導が悪くなるためです。この効果（温度分極）により、透過液側の膜境界表面の温度が高くなり、蒸気圧差が低下し、プロセスの駆動力が低下します。しかし、この効果により膜を介した熱伝導損失も低減されるという利点があります。このギャップの熱伝導不良の問題は、ギャップに熱伝導スペーサーを追加する CGMD（伝導ギャップ膜蒸留）と呼ばれる PGMD の変種によってほぼ解消されます。^{[ 22 ] [ 23 ]} AGMD と比較して、PGMD または CGMD では、質量流量が空気層の拡散抵抗によってさらに阻害されないため、より高い表面関連透過液出力が達成されます。^{[ 7 ]}

一般的な真空多段式膜蒸留装置（例えば、memsysブランドのV-MEMD）モジュールは、蒸気発生器、蒸発凝縮段、および凝縮器で構成されています。各段で凝縮熱が回収され、多段式設計となっています。各蒸発凝縮段と凝縮器で留出液が生成されます。^{[ 25 ]}

蒸気発生器：外部熱源（太陽熱や廃熱など）によって発生した熱は、蒸気発生器で熱交換されます。蒸気発生器内の水は、周囲圧力に比べて低い圧力（例えば400hPa）になっています。高温の蒸気は、最初の蒸発・凝縮段階（第1段階）へと流れます。 

蒸発・凝縮段階：各段階は、疎水性膜とフォイル（ポリプロピレン、PP）フレームを交互に配置した構造になっています。供給液（例えば海水）はモジュールの第1段階に導入されます。供給液は蒸発・凝縮段階を順次通過し、最終段階の終わりに濃縮塩水として排出されます。

ステージ1：蒸発器からの蒸気は、圧力レベルP1、対応する温度T1でPP箔上に凝縮します。箔と疎水性膜の組み合わせにより供給液用の流路が形成され、そこで供給液は蒸気発生器からの蒸気の凝縮熱によって加熱されます。供給液は負圧P2の下で蒸発します。真空は常に膜の透過側に適用されます。

ステージ[2、3、4、x]：このプロセスはさらに後のステージで繰り返され、各ステージはより低い圧力と温度で行われます。

凝縮器：最終蒸発凝縮段階で生成された蒸気は、冷却液（例えば海水）の流れを利用して凝縮器で凝縮されます。

留出液の製造：凝縮された留出液は、各段間の圧力差によって各段の底部から輸送される。

memsysモジュールの設計：各memsysフレーム内部およびフレーム間にチャネルが形成されます。フォイルフレームは「蒸留液チャネル」、メンブレンフレームは「蒸気チャネル」です。フォイルフレームとメンブレンフレームの間には「供給チャネル」が形成されます。蒸気はステージに入り、平行なフォイルフレームに流れ込みます。フォイルフレームに入った蒸気は凝縮するしかなく、つまり蒸気は「行き止まり」のフォイルフレームに入ります。「行き止まり」フレームと呼ばれていますが、非凝縮性ガスを除去し、真空をかけるための小さなチャネルが含まれています。

凝縮された蒸気は蒸留液チャネルに流れ込みます。凝縮熱は箔を通して伝達され、すぐに蒸発エネルギーに変換されて、海水供給チャネルで新しい蒸気を生成します。供給チャネルは、1枚の凝縮箔と膜によって制限されています。蒸気は膜チャネルを出て、主蒸気チャネルに集められます。蒸気はこのチャネルを通ってステージを出て、次のステージに入ります。Memsysはモジュール用の高度に自動化された生産ラインを開発しており、容易に拡張できます。memsysプロセスは比較的低い温度（ 90 ℃または194 °F未満）と中程度の負圧で動作するため、すべてのモジュールコンポーネントはポリプロピレン（PP）で作られています。これにより、腐食やスケールの発生がなくなり、大規模でコスト効率の高い生産が可能になります。