先進の膜プロセスを用いた新しい廃水処理システム

水の保全と保全に対する状況はますます厳しくなっています。 水供給の不足、水質の低下、場合によっては水へのアクセスが完全に失われることが、世界中でますます一般的になってきています。 残念ながら、これらの水問題はもはや発展途上国や乾燥地域だけのせいではなく、干上がった湖底、崩壊して枯渇した帯水層、かつての目的地に流れなくなった川などの形で、今や誰もが目にし、感じることができるようになりました。 。 UN-Water によると、2025 年までに 18 億人が絶対的な水不足で暮らすことになるでしょう。1 カリフォルニアでは、2022 年には農地への水の供給コストが 10 倍も増加しました。2 熱帯雨林に指定されているカナダのブリティッシュ コロンビア州では2022 年の秋には厳しい干ばつ制限下に置かれ、3、2017 年に南アフリカのケープタウンは「デイ ゼロ」、つまり貯水池が実質的に枯渇し、政府が断水せざるを得なくなった日を迎えました4。

2022 年にテスラが水制限のために電気自動車 (EV) 計画を停滞させたとき、欧州ですら製造業に障壁が生じています。5 水不足は工業製造、輸送、さらには食糧安全保障を含むいくつかの部門に大きな脅威となっています。 水不足がさらに深刻化した場合、人々と産業はそれを求めて競争し始めるのでしょうか、あるいはさらに悪いことに、それを求めて争うことになるのでしょうか? 私たちがこの角を曲がろうとするなら、水をより適切に管理し始める必要がありますが、それよりも重要なこととして、水を資源として評価し始める必要があります。 工業プロセスの場合、水を再利用できるかどうかが、経済的で持続可能な操業を続けるか、水がないために廃業するかの違いとなる可能性があります。 節水の強化により、廃水処理に新しい方法を採用する必要性が浮き彫りになり、その中に含まれる貴重な水を抽出、浄化して工業プロセスに戻して再利用したり、帯水層の涵養や埋め戻しのために環境に戻したりすることができます。給水の様子。

水不足の問題には解決策があります。 水ストレスの軽減には複数の面での取り組みが必要ですが、その戦場の一つは水の産業利用と再利用に焦点を当てているでしょう。 世界では、毎年 3,590 億立方メートルの産業廃水が発生しており、処理されているのはわずか約 50% です6。最小限のエネルギー要件でコスト効率よく水を回収することは、現在利用可能なより高度な技術を使用することで達成可能です。 既存のプラントの場合、既存の廃水処理プロセスをアップグレードまたは変更することは、本質的に、プラントに入る水を無期限に再利用できることを意味し、一度の購入でプラントのリソースとなる可能性があります。 この一例として、ロレアル グループは、2030 年までに自社の工業プロセスで使用される水の 100% を継続的な水ループでリサイクルし、再利用することを約束しました。7

過去数十年にわたって、産業的に汚染された廃棄物の流れを処理するための技術と方法の進歩がより頻繁に現れています。 これらの進歩の中で最も顕著なのは、従来の廃水処理プラントを高度な持続可能な再利用施設に移行できる膜ベースの新しい技術の出現です。 膜技術の中で最も成熟しているのは逆浸透（RO）で、市場規模は 2025 年までに 135 億ドル、年平均成長率（CAGR）は 8.7% になると予測されています8。この市場の成長は、部分的には水不足によって促進されており、工業廃水や都市廃水の用途、さらに最近では、飲料水の需要を満たすために建設される淡水化プラントの増加による塩水管理の処理義務が課せられています9。

より多くの水の必要性と需要は、新しい膜技術の開発やその他の技術の進化につながりました。 最近の膜技術の開発には、浸透圧補助逆浸透 (OARO)、閉回路逆浸透 (CCRO)、膜蒸留 (MD)、および正浸透 (FO) が含まれます。 FO は、過去 15 年間の化学と材料科学の進歩によってのみ実現された技術進化の好例です。 FO は、新たに商品化された水選択膜と新しい熱分解ドロー ソリューション (TDS) の使用を通じてこれらの進歩を活用し、より低いエネルギーでより高い水回収率を実現しました。 これらの進歩の最終結果は、「ドロー」溶液に含まれる自由浸透エネルギーを使用して廃水から大量のきれいな水を抽出および回収できることです。 歴史的に、FO 技術の商業化における課題は、最小限のエネルギー需要で簡単に再生できる、経済的に実行可能な描画ソリューションを特定することでした。 熱分解描画ソリューションを選択して使用することで、この課題を解決できます。 FO 熱分解ドロー ソリューションは、浄水の抽出と生産に関して、従来の熱蒸発 (TE) に比べて 40 ～ 50% のエネルギー削減を実現できます。10 FO は TE よりも使用するエネルギーが少ないため、二酸化炭素排出量がはるかに小さいことが証明されています。環境、社会、ガバナンス (ESG) 評価の向上を目指す企業にとって有益です。 さらに、FO は圧力ではなく浸透エネルギーを使用して半透膜を通して水を引き込むため、固体の圧縮/圧縮、細孔の閉塞、不可逆的なフラックス損失など、RO 操作に関連する一般的な課題/問題が排除または最小限に抑えられます。 FO の堅牢な運用性質。

Forward Water Technologies Corporation は、深井戸処理または高エネルギー一括沸騰蒸発以外に廃水処理の代替手段がほとんどない処理困難な廃棄物およびプロセス水向けに、産業用 MAX-FOTM プロセスを商品化しました。

産業用 FO プロセスでは、通常、3 段階のアプローチが使用されます。 最初のステップでは、膜を使用して廃棄物またはプロセスの流れから水を抽出します。 水抽出は、抽出溶液の膜透過性と浸透圧の関数です。 浸透圧ポテンシャルは使用する抽出溶液の種類に関連しており、供給溶液と抽出溶液の間に非常に高い浸透圧電位差が生じるはずです。 浸透圧は膜を通って水の輸送を引き起こす力であるため、浸透圧が高くなるほど水の輸送も大きくなります。 浸透ポテンシャルを最大化するには、水が輸送される間、抽出溶液が可能な限り最高の濃度に保たれるように FO プロセスを設計する必要があります。 水の移動の最終的な結果は、供給溶液の濃度と、希釈誘導溶液（DDS）と呼ばれる「誘導」溶液の希釈につながります。 操作中に誘導溶液の高濃度を維持するには、閉ループプロセス内で DDS を継続的に再濃縮または再生する必要があります。 Forward Water Technologies は、熱分解ドロー ソリューションを使用してこれを実現します。

熱分解ドローソリューションは、RO の制限をはるかに超えた、大幅に高い TDS レベルで FO システムを動作させることができるため、優先されます。 熱分解ドロー溶液の独自性は、低級の熱が加えられると溶解塩からガスに変換して溶液を残し、その結果きれいな水が残る能力にあります。 対照的に、サーマルエバポレーターは、蒸留水の製造に圧力と高温を使用するバルクボイラーです。 説明したように、FO と TE の運用上の違いは大きく、FO のエネルギー使用量は 40 ～ 50% 少なくなります。 CDS を再生するには、発生したガスが捕捉され、吸着プロセスで CDS にリサイクルされます。これは FO サイクルのステップ 3 です。 この 3 段階の FO プロセスにより、水の回収量が増加し、必要なエネルギーが削減され、連続ループ再生プロセスが実現します。

フォワード ウォーターは、2019 年にはすでにアルバータ州の製油所廃水処理と石油・ガス産業からの生成水の処理プロセスを拡張しました。 このように、MAX-FOTM 技術は拡張性があり、困難な廃棄物の流れに対処でき、輸送や廃棄、または強制蒸発と比較して比較的低いエネルギー投入できれいな水を回収するという運用目標を達成できることが示されました。

Forward Water の MAX-FOTM プロセスの商業化を進める鍵となるのは、急速に導入が進む分野に焦点を当てることです。 広い意味では、これは工業製造、鉱業または鉱物抽出、および食品および飲料の加工廃棄物を指します。 これらの分野を合わせると、670 億ドルの機会が生まれます。11a、b、c これらの各産業の商業生産高は異なりますが、いずれも FO プロセスによる処理に適した汚染された廃水をもたらします。

さまざまな市場やアプリケーションに関連した FO 設計の開発において、FO ベンチトップ テストおよびクライアント プロセスおよび廃水流の FO パイロットから得られたテスト データが、予測よりも優れたパフォーマンスを提供していることが明らかになりました。 FO のパフォーマンスの向上により、水の回収率が向上し、運用コストが削減され、ブライン管理などの新しいアプリケーションに取り組むことが可能になりました。 塩水は、高塩分、高ミネラル含有量、またはその両方として定義できます。 人工または自然の中で見つけることができます。 そして、それらが果たす目的（塩水の酸洗い）または含まれる鉱物/金属によって価値がある場合があります。 どちらの場合（人工または天然の塩水）でも、水を抽出して可能な限り最高レベルまで濃縮できるため、取り扱い、管理、処理に利点がもたらされます。 Forward Water の MAX-FOTM のこれらの塩水を濃縮する能力が認められ、顧客のニーズを満たすためにいくつかの新しい市場が出現しました。

FO が従来の TE に新たな付加価値を提供している市場の 1 つは、直接リチウム抽出 (DLE) と組み合わせて使用​​される、非従来型のリチウム塩水源からのリチウムの回収です。 DLE プロセスでは、リチウム塩水を通過させながら、イオン交換材料または吸収材料のいずれかにリチウムを「直接」抽出して充填します。 ブライン中のリチウム含有量が高いほど、DLE 材料へのリチウムの充填がより速く、より容易になります。 地熱や油田の塩水などの非従来型リチウム源には、一般に 75 ～ 200 ppm のリチウム濃度が含まれています。 このリチウム含有量の低さは、DLE 材料にリチウムを充填するために、より大きなポンプ、より多くのブライン量、およびより高い資本コストが必要であることを意味します。 MAX-FOTM プロセスは、多くの場合、非従来型リチウム塩水ソースを最大 10 倍まで濃縮することができ、その結果、リチウム濃度が増加し、非従来型ソースが経済的に実行可能な生産サイトに変換されます。 非在来型リチウム塩水源の開放により、2,500 万トンの LCE 生産が可能になると推定されています。12

2022年にはリチウムの需要が急増し、需要の激化に供給側が追いつけなくなっている。 サプライチェーンにおけるこのギャップは少なくとも 2040 年まで続くと予想されます。13

さらに、バッテリーグレードのリチウムの供給は、硬岩採掘ではなく、地下に含まれる塩水から主に調達されると予測されています。 これらのブラインからのリチウムの複数段階の収集には、いくつかの重大な制約があります。 上流および下流の処理ニーズを伴う DLE 手順の多くは、本質的にすべて水性ブライン処理です。 プロセスコストは重要な考慮事項であり、すべてではないにしても多くの場合、集中したプロセスストリームが DLE 抽出反応速度論および DLE 後のプロセス、および汚染物質の除去において最高の利点をもたらします。 これらの濃縮された塩水とリチウムの流れは、他の方法で予想されるよりも低い資本フットプリント、より良い収率、より低いコスト、そしてより高い純度につながります。 さらに、これらのリチウム源の多くは水不足地域または乾燥地域にあり、水を交換せずに汲み上げると、地域社会が事業者にとって大きな障壁となるため、リチウム事業で発生する水の再生利用も重要な考慮事項となる可能性があります。節水に直接取り組む。 最後に、DLE 操作とリチウム純度精製を実行する際に重要な考慮事項は、これらのプロセスでの電力需要要件です。 再生可能材料産業は、特にその電力が従来の炭化水素ベースまたは石炭ベースのエネルギー生成を使用して生成される場合、大量のエネルギー消費者になることはできません。 したがって、所望のブライン濃度は、例えば多重効用熱蒸発を使用する従来の強制蒸発方法に依存することはできない。

リチウムの回収を支援するために特別に開発されたフォワード ウォーターの Li-FOTM 処理プロセスは、水ベースのプロセスブラインストリームの濃縮を可能にし、大幅に低い電力要件の結果として運用コストの削減と資本コストの削減につながります。 CO2 排出量は、同等の多重効用蒸発器のわずか 50% になるまで蒸発の場合よりも少なくなります 10。さらに、Li-FOTM プロセスは、きれいな水を元の水源に戻すか、他の産業用途に利用できるようにします。 さらなる研究により、熱需要は太陽熱施設によって供給できることが明らかになり、水の回収と再利用がコストと CO2 排出量の削減の点でさらに効果的になります。 現在、フォワード ウォーターは、世界的な鉱山会社数社と協力してリチウム DLE プロセスの開発とサポートを行っており、再利用のための水の回収を最大限に高め、CO2 排出量を最小限に抑えることで、環境への影響をゼロまたは最小限に抑えています。

より厳格な水規制、操業コストの上昇、ネットゼロエミッションへの取り組みの組み合わせにより、MAX-FOTM および Li-FOTM プロセスは今日の顧客のニーズを満たす革新的なソリューションとして位置づけられています。 熱分解ドローリサイクルは、先進的な膜材料と組み合わせて、水回収と CO2 排出において新たな低エネルギー基準を設定しています。 フォワード ウォーターは成功するたびに、従来の技術をよりクリーンで効率的な技術に置き換えることで、水の持続可能性への世界的な移行を支援します。 FO は、より高い水回収率、より高い濃縮係数、より大きな体積削減、より低いエネルギー要件など、FO 事業によってもたらされる固有の機会をクライアントが認識しているため、新たな市場と新たな用途の発見を続けています。 これらの FO の利点の 1 つによって、プロセスまたは廃水処理システムを改善できますか?

2. https://www.cnn.com/2022/11/01/us/california-water-cost-profiteering-climate

3. https://globalnews.ca/news/9205042/sunshine-coast-drought-emergency/

4. https://time.com/cape-town-south-africa-water-crisis/

5. https://www.npr.org/2022/11/03/1131695382/tesla-ev-electric-vehicles-europe-germany-drought-climate-change-factory

6. https://www.aquatechtrade.com/news/wastewater/50-per-cent-of-wastewater-now-treated-worldwide/

7. https://www.loreal.com/en/commitments-and-responsibility/for-the-planet/managing-water-sustainively/

8. https://www.alliedmarketresearch.com/reverse-osmosis-membrane-market

9. https://www.marketsandmarkets.com/Market-Reports/reverse-osmosis-membrane-market-423.html?gclid=CjwKCAiA68ebBhB-EiwALVC-NiI3ThKAsmjCLnlx2JX6Zyr7VYNDmBBqdgVFN9OSgsO9IWoxPnUcVxoCEQ4QAvD_Bw E

10. 第三者の研究では、MEE にはエネルギーが必要で、その結果 CO2 が 197.4 kg 放出されるのに対し、FWTC の FO プロセスを使用した同じ処理ニーズでは 98.6 kg であると予測されています。

11a. https://www.statista.com/statistics/1099424/market-size-industrial-wastewater-treatment-global-by-region/

11b. フレーバーシロップおよび濃縮物製造市場グローバルブリーフィング 2019、The Business Research Company、2019 年 6 月

11c. https://www.prnewswire.com/news-releases/global-mining-water–wastewater-treatment-market-report-2019-2023-focus-on-growth-opportunities-for-sustainable-solutions-300962194.html

12. https://www.fastmarkets.com/insights/unconventional-lithium-sources-can-it-fill-the-supply-gap

13. ベンチマークミネラル 2022

なお、この記事は季刊誌第13号にも掲載される予定です。

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