專(zhuān)利名稱(chēng)：溶劑去除處理的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于從溶液中去除溶劑的處理。具體地，而非排他地，本發(fā)明涉及一種用于從諸如海水的水溶液中去除水的處理。
背景技術(shù)：
已知各種用于從溶液中去除溶劑的方法。例如，可以通過(guò)諸如多級(jí)閃蒸餾(flash distillation)的蒸餾方法從海水中提取水。在多級(jí)閃蒸餾處理中，將海水引入一系列管子中，并將其加熱到增高溫度。隨后將經(jīng)加熱的海水引入蒸發(fā)室，并使其經(jīng)受低于其蒸汽壓的壓力。壓力的驟降導(dǎo)致出現(xiàn)沸騰或閃蒸(flashing)。閃蒸汽在輸入海水流的管子上通過(guò)冷凝與含鹽殘留物分離。采用了一系列蒸發(fā)室。因此，蒸發(fā)或閃蒸步驟發(fā)生在多級(jí)中。
還可以通過(guò)反滲透將水從海水中分離。在反滲透中，將海水置于半滲透隔膜的一側(cè)，并使其經(jīng)受5到8MPa的壓力。隔膜的另一側(cè)保持在大氣壓下。所產(chǎn)生的壓差使得水流過(guò)該隔膜，而將含鹽濃縮物留在隔膜的受壓面上。典型地，半滲透隔膜具有例如1到5埃的平均孔隙尺寸(poresize)。
經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的操作，半滲透隔膜的孔徑可能被海水中的淀積鹽、生物污染物以及懸浮顆粒所堵塞。由此，可能需要更高的壓力來(lái)維持流過(guò)隔膜的預(yù)期流量水平。增大的壓差會(huì)促進(jìn)發(fā)生進(jìn)一步堵塞。由此，必需定期清洗并更換隔膜，這中斷了處理的連續(xù)性并增加了操作成本。
已經(jīng)進(jìn)行了努力來(lái)降低隔膜的堵塞程度。例如，可對(duì)海水進(jìn)行預(yù)處理以去除懸浮顆粒和生物物質(zhì)。另選地或另外地，可以定期排放隔膜高壓側(cè)的剩余溶液以防止?jié)B透壓力超過(guò)預(yù)定閾值。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明第一方面，提供一種用于從第一溶液中去除溶劑的處理，所述處理包括以下步驟將一選擇性隔膜置于所述第一溶液與比所述第一溶液具有更高的滲透勢(shì)的第二溶液之間，從而使得來(lái)自所述第一溶液的溶劑穿過(guò)所述隔膜來(lái)稀釋所述第二溶液，以及從所述第二溶液中提取溶劑，其中所述隔膜具有至少10埃的平均孔隙尺寸，其中，所述第二溶液包含太大而不能透過(guò)所述隔膜的孔隙的溶質(zhì)物質(zhì)。
優(yōu)選地，所述隔膜具有10到80埃的平均孔隙尺寸，更優(yōu)選地，具有15到50埃的平均孔隙尺寸。在優(yōu)選實(shí)施例中，所述隔膜具有20到30埃的平均孔隙尺寸?？梢愿鶕?jù)要求分離的溶劑分子的大小來(lái)選擇隔膜的孔隙尺寸。通常，孔隙尺寸越大，通過(guò)隔膜的流量就越大。
在本發(fā)明的處理中可以使用任何合適的選擇性隔膜?？梢圆捎酶裟り嚵小：线m的選擇性隔膜包括一體式隔膜和復(fù)合隔膜。合適的隔膜的具體示例包括由醋酸纖維素(CA)形成的隔膜和由聚酰胺(PA)形成的隔膜。優(yōu)選地，該隔膜為離子選擇性隔膜。
所述隔膜可以是平面的或者采取管狀或中空纖維的形式。如果希望，可以將所述隔膜支承在諸如網(wǎng)孔支承體的支承結(jié)構(gòu)上。所述隔膜可以是波紋狀的或具有曲折的結(jié)構(gòu)。
在一個(gè)實(shí)施例中，可以在外殼或殼體內(nèi)設(shè)置一個(gè)或更多個(gè)管狀隔膜?？梢詫⒌谝蝗芤阂朐撏鈿?nèi)，同時(shí)將第二溶液引入管子中。由于第一溶液的滲透勢(shì)低于第二溶液的滲透勢(shì)，所以溶劑將穿過(guò)隔膜從第一溶液擴(kuò)散到第二溶液中。因此，第二溶液將變得益加稀釋?zhuān)谝蝗芤簞t益加濃縮?？梢詮墓茏觾?nèi)部來(lái)回收經(jīng)稀釋的第二溶液，同時(shí)可從外殼去除經(jīng)濃縮的第一溶液。
當(dāng)采用平面隔膜時(shí)，可以轉(zhuǎn)動(dòng)該片使得其在截面內(nèi)限定一螺旋。
在各溶液中可以存在一種或更多種溶質(zhì)。在優(yōu)選實(shí)施例中，第一溶液包括多種溶質(zhì)，而第二溶液通過(guò)在溶劑中溶解一種或更多種已知溶質(zhì)而形成。
在本發(fā)明的處理中，第一溶液置于選擇性隔膜的一側(cè)。具有更高滲透勢(shì)的第二溶液置于該隔膜的相對(duì)側(cè)。典型地，而非排他地，第二溶液比第一溶液具有更高的溶質(zhì)濃度(并因此具有更低的溶劑濃度)。
由于第一溶液與第二溶液之間的滲透勢(shì)差，溶劑穿過(guò)隔膜從低滲透勢(shì)側(cè)到高滲透勢(shì)側(cè)。由于隔膜的大平均孔隙尺寸會(huì)出現(xiàn)大流量的流動(dòng)。不需要高壓來(lái)促使溶劑流動(dòng)。然而，可以在隔膜上施加壓差，例如來(lái)加強(qiáng)分離處理的速度。
盡管第一溶液中的溶質(zhì)物質(zhì)可能小到足以通過(guò)隔膜的孔隙，但是由于隔膜另一側(cè)的高滲透壓至少最初防止了第一溶液中的溶質(zhì)物質(zhì)通過(guò)隔膜的孔隙。僅當(dāng)隔膜兩側(cè)的滲透勢(shì)相等或第一溶液中的滲透壓更高時(shí)，這些溶質(zhì)物質(zhì)才可能流過(guò)隔膜。
第二溶液包含太大而不能通過(guò)隔膜的孔隙的溶質(zhì)物質(zhì)。結(jié)果，來(lái)自第一溶液的溶劑將高速擴(kuò)散到第二溶液中，同時(shí)限制或防止了兩種溶液之間的溶質(zhì)通過(guò)。
可選地，第二溶液還可以包含小到足以通過(guò)隔膜的孔隙的溶質(zhì)物質(zhì)。如果這些小物質(zhì)在第二溶液中的濃度低于其在第一溶液中的濃度，則這些小物質(zhì)將不能穿過(guò)隔膜。因此，在優(yōu)選實(shí)施例中，第二溶液可選地包含至少一種小到足以穿過(guò)隔膜的孔隙的溶質(zhì)物質(zhì)，該溶質(zhì)物質(zhì)的濃度小于第一溶液中的對(duì)應(yīng)物質(zhì)的濃度。
因?yàn)槿軇牡谝蝗芤哼M(jìn)入第二溶液，所以第一溶液變得益加濃縮。一旦第一溶液的濃度達(dá)到一定閾值，則可以回收或排棄該溶液。因此，本發(fā)明的處理可用于將第一溶液轉(zhuǎn)變成濃縮形式以進(jìn)行處置。另選地，可以通過(guò)重復(fù)初始隔膜分離步驟，來(lái)從濃縮的第一溶液中去除另一溶劑。具體地，可以通過(guò)將濃縮的第一溶液置于半滲透隔膜的一側(cè)來(lái)從該溶液中去除另一溶劑?？梢詫⒕哂斜葷饪s的第一溶液的滲透勢(shì)更高的滲透勢(shì)的另一溶液置于隔膜的相對(duì)側(cè)，從而使得來(lái)自濃縮的第一溶液的溶劑穿過(guò)該隔膜進(jìn)入所述另一溶液中。所述另一溶液可以包含與第二溶液相同的溶質(zhì)和溶劑。另選地，所述另一溶液可包含不同的成分。
在來(lái)自第一溶液的溶劑已經(jīng)進(jìn)入第二溶液之后，可以回收第二溶液。即使沒(méi)有施加壓力來(lái)促使溶劑從第一溶液流入第二溶液，第二溶液也可以處于增高壓力下。這是因?yàn)槿軇牡谝蝗芤毫魅氲诙芤菏茄貪舛忍荻劝l(fā)生的。該壓力可以用于輔助從第二溶液中提取溶劑的后續(xù)提取。例如，當(dāng)通過(guò)諸如多級(jí)閃蒸餾(MSF)的熱方法來(lái)從第二溶液中提取溶劑時(shí)，第二溶液的壓力可以用于補(bǔ)充第二溶液到多級(jí)閃蒸餾單元的泵浦。當(dāng)通過(guò)諸如納米過(guò)濾和反滲透的隔膜方法來(lái)從第二溶液中提取溶劑時(shí)，第二溶液的壓力可以用于補(bǔ)充施加到第二溶液中的壓力，來(lái)促使溶劑從第二溶液中流過(guò)選擇性滲透隔膜。從而可以采用閥門(mén)和其它的壓力調(diào)節(jié)裝置來(lái)控制壓力。如果必要還可以使用一個(gè)或更多個(gè)泵來(lái)補(bǔ)充處理流的壓力。
即使沒(méi)有在第一溶液中施加壓力，穿過(guò)隔膜的溶劑的初始流量也可以為2到80lm-2hr-1，優(yōu)選地為5到40lm-2hr-1，例如為15到20lm-2hr-1。然而，流量可以根據(jù)諸如隔膜兩側(cè)的兩種溶液的濃度梯度的多個(gè)因素而改變。
穿過(guò)隔膜的表面的流速可根據(jù)需要而改變以降低淤塞隔膜的風(fēng)險(xiǎn)。通常，穿過(guò)隔膜的表面的流速越大，淤塞的風(fēng)險(xiǎn)越低。
可以利用任何合適的方法從第二溶液中提取出溶劑。例如，可以通過(guò)熱/壓力方法(例如結(jié)晶和蒸餾)或使用隔膜來(lái)提取溶劑。合適的隔膜方法包括反滲透、納米過(guò)濾、電滲析反轉(zhuǎn)(electrodialysis reversal)以及離子交換。當(dāng)采用反滲透時(shí)，可以將與直接(direct)滲透步驟中采用的同一類(lèi)型的隔膜用于反滲透步驟中。可利用結(jié)合例如熱和隔膜方法進(jìn)行分離的混合方法，來(lái)從第二溶液中提取溶劑。
在優(yōu)選實(shí)施例中，采用納米過(guò)濾隔膜來(lái)從第二溶液中提取溶劑。納米過(guò)濾尤其適合于將第二溶液中的大溶質(zhì)物質(zhì)與溶液的剩余物分離。
合適的納米過(guò)濾隔膜包括交聯(lián)聚酰胺隔膜，例如交聯(lián)芳香族聚酰胺隔膜。該隔膜可以在例如由微孔聚合物片形成的支承體頂部形成“表層”。所得隔膜具有復(fù)合結(jié)構(gòu)(例如，薄膜復(fù)合結(jié)構(gòu))。典型地，由“表層”的孔隙尺寸和電荷來(lái)控制隔膜的分離特性。該隔膜可以適用于分離0.01到0.001微米大小且分子量為100gmol-1或更高(例如，200gmol-1及以上)的成分。
除了根據(jù)粒子的尺寸來(lái)過(guò)濾粒子，納米過(guò)濾隔膜還可以根據(jù)粒子的靜電特性來(lái)過(guò)濾粒子。例如，在特定實(shí)施例中，可以控制納米過(guò)濾隔膜的表面電荷來(lái)提供預(yù)期的過(guò)濾特性。例如，納米過(guò)濾隔膜的至少一些孔隙的內(nèi)部可以充負(fù)電，這限制或防止陰離子物質(zhì)，尤其是多價(jià)陰離子的通過(guò)。
合適的納米過(guò)濾隔膜的示例包括Desal-5(Desalination Systems，Escondido，加利福尼亞)，NF 70、NF 50、NF 40以及NF 40 HF隔膜(FilmTech Corp，Minneapolis，Minn)，SU 600隔膜(Toray，日本)以及NRT 7450和NTR 7250隔膜(Nitto Electric，日本)。
納米過(guò)濾隔膜可以裝配成隔膜模塊。例如可以采用封裝在殼體內(nèi)的螺旋纏繞式隔膜和管狀隔膜。另選地，隔膜可以設(shè)置為板或設(shè)置在框架內(nèi)。
也可以采用多級(jí)閃蒸餾方法(MSF)來(lái)從第二溶液中提取溶劑。例如，可以加熱第二溶液，并將其引入蒸發(fā)室中，在蒸發(fā)室中使第二溶液經(jīng)受低于其蒸汽壓的壓力。壓力的驟降導(dǎo)致出現(xiàn)沸騰或閃蒸。閃蒸汽通過(guò)冷凝可以與溶液的剩余物分離。優(yōu)選地采用一系列蒸發(fā)室。因此，可在多個(gè)級(jí)中發(fā)生蒸發(fā)或閃蒸步驟。在優(yōu)選實(shí)施例中，通過(guò)熱交換將閃蒸汽的熱能傳遞到輸入溶液。由于此熱傳遞，對(duì)蒸汽進(jìn)行了冷凝并增加了輸入溶液的溫度。
還可以采用多效蒸餾(MED)來(lái)從第二溶液中提取溶劑。多效蒸餾產(chǎn)生一系列效果并在各種效果中利用降低周?chē)鷫毫?ambient pressure)的原理。這使得第二溶液在一系列級(jí)中發(fā)生沸騰，而無(wú)需在第一效果后再提供額外的熱量。
在多效蒸餾中，可預(yù)熱第二溶液，并將其噴在蒸發(fā)管表面上作為液體薄膜。通過(guò)使蒸汽通過(guò)管子來(lái)加熱這些管子。因此，在與管子的加熱表面接觸時(shí)，所噴的液體蒸發(fā)。該蒸汽被用于加熱下一效果的蒸發(fā)管，并且熱傳遞使得管中的蒸汽冷凝。通過(guò)以此方式蒸發(fā)并冷凝第二溶液，可以從第二溶液回收溶劑。
通過(guò)壓縮至少一個(gè)效果中的蒸汽可以提高多效蒸餾步驟的效率。多效蒸餾和壓縮的組合被稱(chēng)為MED熱壓縮。
還可以采用機(jī)械蒸汽壓縮(MVD)來(lái)從第二溶液中提取溶劑。在機(jī)械蒸汽壓縮中，典型地提取來(lái)自容器(vessel)的蒸汽，然后通過(guò)位于容器內(nèi)的管中的壓縮對(duì)該蒸汽進(jìn)行冷凝。壓縮和冷凝步驟產(chǎn)生熱，這加熱了管壁。當(dāng)將第二溶液噴在管的表面上時(shí)，其蒸發(fā)產(chǎn)生更多的蒸汽。通過(guò)重復(fù)提取、壓縮以及冷凝步驟，可以從第二溶液中回收另一溶劑。
還可以采用速?lài)姷?rapid spray desalination)來(lái)從第二溶液中提取溶劑。
也可以采用熱分離單元(其通過(guò)結(jié)晶來(lái)分離溶解的溶質(zhì))來(lái)從第二溶液中提取溶劑。例如，可以在熱分離塔中冷卻第二溶液，從而使得至少一部分溶解的溶質(zhì)從溶液中沉淀出來(lái)。可以將這些沉淀物聚集在熱分離塔底部，而將溶液留在具有減少了的溶質(zhì)濃度的該塔的頂部?？梢匀』卦摗吧喜俊比芤?，以例如直接使用或用于進(jìn)一步凈化。另一方面，可以對(duì)該塔底部的濃縮的溶液進(jìn)行加熱以溶解任何沉淀物。可以丟掉濃縮的溶液或?qū)⑵湓傺h(huán)利用為新的第二溶液。當(dāng)利用結(jié)晶方法來(lái)從第二溶液中分離溶劑時(shí)，優(yōu)選地使用鹽(其在第二溶液的溶劑中具有對(duì)溫度變化敏感的溶解性)來(lái)形成第二溶液。這種鹽的示例包括諸如磷酸氫二鈉(Na2HPO4·12H2O)的磷酸氫鹽。
還可以通過(guò)將微生物引入第二溶液中，以將第二溶液中溶解的溶質(zhì)變換為不溶物，來(lái)從第二溶液中回收溶劑(即，生物淡化)。然后例如通過(guò)過(guò)濾可以將這些不溶物與溶劑分離。另選地，可以將沉淀劑加入第二溶液中來(lái)沉淀溶解的溶質(zhì)。然后例如通過(guò)過(guò)濾來(lái)從溶劑中去除沉淀物。
可以利用多種技術(shù)的組合來(lái)從第二溶液中提取溶劑。在一個(gè)實(shí)施例中，采用下述技術(shù)中的至少兩種來(lái)從第二溶液中提取溶劑結(jié)晶、蒸餾、納米過(guò)濾以及反滲透。在采用蒸餾技術(shù)的情況下，可以采用多級(jí)閃蒸餾、多效蒸餾、機(jī)械蒸汽壓縮以及速?lài)娬麴s中的至少一種。當(dāng)利用多于一種技術(shù)來(lái)從第二溶液中提取溶劑時(shí)，可以順序地或并行地執(zhí)行這些技術(shù)。
在一個(gè)實(shí)施例中，可將第二溶液分成兩部分?？梢酝ㄟ^(guò)納米過(guò)濾或反滲透來(lái)處理第一部分，而可以通過(guò)結(jié)晶和/或從多級(jí)閃蒸餾、多效蒸餾、機(jī)械蒸汽壓縮、MED熱壓縮以及速?lài)娬麴s中的至少一種中選出的蒸餾技術(shù)來(lái)處理第二部分?？赏ㄟ^(guò)結(jié)晶和/或諸如多閃蒸餾、多效蒸餾、機(jī)械蒸汽壓縮、MED熱壓縮以及/或者速?lài)娬麴s的蒸餾技術(shù)來(lái)對(duì)納米過(guò)濾或反滲透步驟的殘留物進(jìn)行進(jìn)一步處理。
在一個(gè)示例中，可以通過(guò)諸如納米過(guò)濾或反滲透的隔膜方法，隨后通過(guò)諸如多級(jí)閃蒸餾(MSF)的熱方法來(lái)從第二溶液中提取溶劑。從第一隔膜方法步驟中排出的第二溶液可以處于增高的滲透壓下。例如，該壓力可用于幫助將第二溶液泵浦到MSF單元。
在另一示例中，可通過(guò)例如可以串行地執(zhí)行的兩個(gè)或更多個(gè)隔膜分離步驟，來(lái)從第二溶液中提取溶劑。從第一隔膜步驟中排出的第二溶液可以處于增高的滲透壓下。該壓力可以用于促使溶劑從第二溶液流過(guò)隨后的選擇性隔膜和/或半滲透隔膜。
第二溶液的溶劑可以與第一溶液的溶劑相同或不同。當(dāng)?shù)诙芤旱娜軇┎煌诘谝蝗芤旱娜軇r(shí)，提取出的溶劑將包含來(lái)自第一溶液的溶劑和來(lái)自第二溶液的溶劑的混合物。這在例如希望生成來(lái)自分離的不純?nèi)芤旱膬煞N溶劑的混合物時(shí)是有用的。
優(yōu)選地，第一溶液中的溶劑與第二溶液中的溶劑相同。因此，提取出的溶劑主要由一種溶劑構(gòu)成?？梢曰厥仗崛〕龅娜軇⒁云浠厥盏男问绞褂没蛘咴谑褂们斑M(jìn)一步進(jìn)行處理。例如，當(dāng)提取出的溶劑是水時(shí)，例如可通過(guò)后處理級(jí)來(lái)穩(wěn)定水。
當(dāng)從第二溶液中提取溶劑時(shí)，固體殘留物或殘留溶液通常留下了?？梢詠G掉這些殘留物或殘留溶液。
另選地，可以回收該固體殘留物，并用于形成新的第二溶液，以從第一溶液中提取溶劑。還可以回收并再循環(huán)利用殘留溶液，例如用作新的第二溶液來(lái)從第一溶液中提取溶劑。在特定情況下，可以直接使用殘留溶液作為新的第二溶液。在其它情況下，可能有必要例如通過(guò)相應(yīng)地改變殘留溶液的濃度來(lái)對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理。
第一溶液典型地包含需要凈化的溶劑。因此，本發(fā)明的處理可用于凈化諸如烴(例如，脂肪族烴和芳烴)的有機(jī)溶劑?？梢?xún)艋袡C(jī)溶劑的混合物。烴可以是直鏈、支鏈的以及/或者環(huán)狀的。示例包括(但并不限于)烷烴、烯烴以及炔。烴可取代有一種或更多種雜原子(例如，氟、氯、溴、碘、氧、硫、氮、以及/或者磷原子)。在一個(gè)實(shí)施例中，可以?xún)艋趸療N，例如醛、酮、羧酸、醚、酯、醇以及/或者其衍生物。例如，還可以采用乙二醇醚和乙二醇醚酯。另選地或者另外地，可以?xún)艋T如氯化烴、溴化烴以及/或者氟化烴的鹵化溶劑。
本發(fā)明的處理還可用于凈化無(wú)機(jī)溶劑，例如酸性溶劑、堿性溶劑以及諸如水的中性溶劑。這種溶劑優(yōu)選地存在于第一溶液中，并且另外可以存在于第二溶液中。例如，本發(fā)明的處理可用于凈化酸的水溶液。另選地，本發(fā)明的處理可用于凈化諸如氫氧化物水溶液的堿性溶劑。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，該處理用于從諸如鹽溶液(例如海水或半咸水)的水中去除雜質(zhì)。從海水和半咸水中去除鹽雜質(zhì)被稱(chēng)為淡化。另選地，該處理可用于凈化來(lái)自廢流(例如工業(yè)污水、農(nóng)業(yè)或生活污水)的水。因此，這種廢流可用作第一溶液，或者對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理以形成第一溶液。也可以?xún)艋宜?，例如廢洗滌水(例如洗衣店)和來(lái)自集水溝的水流。在一個(gè)實(shí)施例中，可利用本發(fā)明的處理對(duì)來(lái)自洗車(chē)房、洗衣房以及發(fā)電廠的鍋爐給水流的廢水進(jìn)行凈化以再利用。
本發(fā)明的處理還可用于凈化來(lái)自其它來(lái)源的水，例如來(lái)自河流或地下水源的水。本發(fā)明也可以?xún)艋钏匆援a(chǎn)生飲用水。
凈化水流可用于廣泛的應(yīng)用，例如，用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)以及生活使用(例如生產(chǎn)飲用水)。在一個(gè)實(shí)施例中，凈化水用于從油井中泵油。(為避免疑惑，術(shù)語(yǔ)“凈化水”指已通過(guò)本發(fā)明的處理進(jìn)行了處理的水。因此，凈化水流可包括一種或更多種溶解鹽)。在用于油回收的傳統(tǒng)方法中，將海水注入油井中來(lái)促使油從油井中到達(dá)地面。然而，使用海水會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的運(yùn)行和結(jié)垢(scaling)問(wèn)題。此外，難以將海水與油分離，這在回收油的時(shí)候會(huì)引起分離問(wèn)題。通過(guò)使用凈化水，可以減少和/或消除這些問(wèn)題。另外，凈化水可處于增高滲透壓力下；該增大的壓力可用于幫助將水泵入油井。
第二溶液是包含太大而不能穿過(guò)隔膜的孔隙的溶質(zhì)物質(zhì)的溶液。在一個(gè)實(shí)施例中，第二溶液中存在的基本全部溶質(zhì)物質(zhì)都太大而不能穿過(guò)隔膜的孔隙。合適的溶質(zhì)物質(zhì)的分子量可以為50到10000gmol-1，優(yōu)選地為150到5000gmol-1，更優(yōu)選地為200到2000gmol-1。
針對(duì)第二溶液的合適溶質(zhì)包括有機(jī)化合物、生物化合物以及/或者無(wú)機(jī)化合物。
合適的有機(jī)化合物包括烴，例如脂肪族烴和芳烴。可以采用兩種或更多種有機(jī)化合物的混合物。烴可以是直鏈的、支鏈的以及/或者環(huán)狀的。合適的烴的示例包括(但并不限于)烷烴、烯烴以及炔。烴可取代有一種或更多種雜原子，例如，氟、氯、溴、碘、氧、硫、氮、以及/或者磷原子。在一個(gè)實(shí)施例中，可以采用氧化烴，例如醛、酮、羧酸、醚、酯、醇以及/或者其衍生物。有機(jī)溶質(zhì)物質(zhì)的分子量可以為200到10000gmol-1，優(yōu)選地為300到5000gmol-1，更優(yōu)選地為400到2000gmol-1，進(jìn)一步優(yōu)選地為500到1000gmol-1。
合適的生物化合物包括蛋白質(zhì)、氨基酸、核酸、碳水化合物以及脂質(zhì)?？梢圆捎脙煞N或更多種生物化合物的混合物。優(yōu)選的生物溶質(zhì)包括糖，例如甘蔗糖和/或甜菜糖。也可采用葡萄糖、果糖以及蔗糖。生物溶質(zhì)物質(zhì)的分子量可以為100到10000gmol-1，優(yōu)選地為300到5000gmol-1，更優(yōu)選地為400到2000gmol-1，進(jìn)一步優(yōu)選地為500到1000gmol-1。
合適的無(wú)機(jī)化合物包括酸、堿以及鹽?？梢圆捎脙煞N或更多種無(wú)機(jī)化合物的混合物。在優(yōu)選實(shí)施例中，第二溶液中的溶質(zhì)為鹽。該鹽可以具有大于隔膜的平均孔隙尺寸的陽(yáng)離子和/或陰離子物質(zhì)。優(yōu)選地，該鹽中的溶劑化的陽(yáng)離子和陰離子物質(zhì)都大于隔膜的平均孔隙尺寸。
合適的陽(yáng)離子物質(zhì)包括金屬離子和銨離子。合適的金屬離子包括I族到III族金屬離子。合適的I族金屬離子的示例包括鈉離子和鉀離子。合適的II族金屬離子的示例包括鎂離子、鈣離子、鍶離子以及鋇離子。合適的II族陽(yáng)離子的示例包括鋁離子。還可以采用絡(luò)陽(yáng)離子。
在采用銨離子的情況下，例如可以使用烷基(例如C1到C20烷基)來(lái)取代這種離子。也可以采用帶有取代基的烷基。
優(yōu)選地，陽(yáng)離子在溶劑化(例如水合)形式下具有大于10埃的平均直徑。優(yōu)選地，金屬陽(yáng)離子在溶劑化(例如水合)形式下具有11到100埃、更優(yōu)選地為15到50埃的直徑。
合適的陰離子物質(zhì)包括氟化物、氯化物、溴化物、碘化物、硫酸鹽、亞硫酸鹽、硫化物、碳酸鹽、碳酸氫鹽、硝酸鹽、亞硝酸鹽、氮化物、磷酸鹽、磷酸氫鹽、鋁酸鹽、硼酸鹽、溴酸鹽、碳化物、氯化物、高氯酸鹽、次氯酸鹽、鉻酸鹽、氟硅酸鹽、氟硅酸鹽、氟硫酸鹽、硅酸鹽、氰化物以及氰酸鹽。
優(yōu)選地，陰離子在溶劑化形式下具有至少5埃的平均直徑。優(yōu)選地，陰離子在溶劑化形式下具有5到50埃、更優(yōu)選地為10埃到40埃、更優(yōu)選地為20到30埃的直徑。
優(yōu)選的鹽包括硫酸鎂(MgSO4·6H2O或者M(jìn)gSO4·7H2O)、氯化鎂(MgCl2·6H2O)、硫酸鈉(Na2SO4·10H2O)、氯化鈣(CaCl2·2H2O或者CaCl2·6H2O)、磷酸氫二鈉(Na2HPO4·12H2O)以及鉀明礬(24H2O)。
可選地，除了太大而不能通過(guò)隔膜的孔隙的溶質(zhì)，第二溶液還可包括小到足以通過(guò)隔膜的孔隙的溶質(zhì)。這種溶質(zhì)的示例包括堿金屬鹵化物，如堿金屬氯化物(例如，氯化鈉和氯化鉀)。
可以利用與從第二溶液中分離較大溶質(zhì)所采用的分離方法相同或不同的分離方法，來(lái)從第二溶液中分離這些較小的鹽。因此，可以通過(guò)諸如上述的隔膜方法和熱方法來(lái)分離較小的溶質(zhì)。在一個(gè)實(shí)施例中，通過(guò)與從第二溶液中分離較小溶質(zhì)所采用的方法不同的方法來(lái)分離較大的溶質(zhì)。例如，可以通過(guò)納米過(guò)濾來(lái)分離較大溶質(zhì)，并可通過(guò)直接滲透、反滲透、結(jié)晶以及/或者蒸餾技術(shù)中的至少一種來(lái)分離較小溶質(zhì)。
第二溶液可由有機(jī)溶劑和/或無(wú)機(jī)溶劑形成。適合的有機(jī)溶劑包括諸如脂肪族烴和芳烴的烴?？梢圆捎糜袡C(jī)溶劑的混合物。烴可以是直鏈、支鏈的以及/或者環(huán)狀的。示例包括(但并不限于)烷烴、烯烴以及炔。烴可取代有一種或更多種雜原子，例如，氟、氯、溴、碘、氧、硫、氮、以及/或者磷原子。在一個(gè)實(shí)施例中，可以采用氧化烴，例如醛、酮、羧酸、醚、酯、醇以及/或者其衍生物。例如，還可以采用乙二醇醚和乙二醇醚酯。另選地或者另外地，可以采用諸如氯代烴、溴代烴以及/或者氟代烴的鹵代溶劑。
適合的無(wú)機(jī)溶劑包括酸性溶劑、堿性溶劑以及/或者水。優(yōu)選地，采用水作為第二溶液中的溶劑。
優(yōu)選地，第二溶液具有已知成分。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，第二溶液是通過(guò)將已知量的溶質(zhì)引入已知量的溶劑中形成的。優(yōu)選地，第二溶液主要包括所選溶劑中溶解的所選溶質(zhì)。通過(guò)以此方式形成第二溶液，可以產(chǎn)生基本清潔的溶液。優(yōu)選地，第二溶液具有減小濃度的懸浮顆粒、生物體以及/或者其它成分，這些會(huì)導(dǎo)致淤塞用于從第二溶液中提取溶劑的裝置。更優(yōu)選地，第二溶液基本沒(méi)有這種成分。因此，隔膜技術(shù)可用于從第二溶液中提取溶劑，而不必?fù)?dān)心隔膜的孔隙經(jīng)受例如由生物體或懸浮顆粒造成的不可接受的高度淤塞。
優(yōu)選地，第二溶液是至少一種鹽的水溶液。鹽可選自硫酸鎂(MgSO4·6H2O或者M(jìn)gSO4·7H2O)、氯化鎂(MgCl2·6H2O)、硫酸鈉(Na2SO4·10H2O)、氯化鈣(CaCl2·2H2O或者CaCl2·6H2O)、磷酸氫二鈉(Na2HPO4·12H2O)以及鉀明礬(24H2O)的一種或更多種。
另選地，第二溶液是諸如葡萄糖、果糖以及/或者蔗糖的糖的水溶液。糖可以從任何適合來(lái)源中獲得。例如，可以采用甜菜糖和/或甘蔗糖。
在優(yōu)選實(shí)施例中，將鹽溶液(例如，海水或半咸水)用作第一溶液且置于隔膜的一側(cè)。將溶質(zhì)濃度高于鹽溶液的溶質(zhì)濃度的第二溶液置于隔膜的另一側(cè)。優(yōu)選地，采用如下物質(zhì)的水溶液作為第二溶液，即硫酸鎂(MgSO4·6H2O或者M(jìn)gSO4·7H2O)、氯化鎂(MgCl2·6H2O)、硫酸鈉(Na2SO4·10H2O)、氯化鈣(CaCl2·2H2O或者CaCl2·6H2O)以及磷酸氫二鈉(Na2HPO4·12H2O)、鉀明礬(24H2O)的水溶液，和/或諸如葡萄糖、果糖以及/或者蔗糖的糖的水溶液。如上所述，可以包括另外的溶質(zhì)，例如那些小到足以通過(guò)隔膜的孔隙的溶質(zhì)。這種溶質(zhì)的示例包括氯化鈉和氯化鉀。
第二溶液可以包含諸如防結(jié)垢劑、防腐劑、防污劑以及消毒劑的化學(xué)添加劑。例如當(dāng)?shù)诙芤涸谶B續(xù)回路中循環(huán)時(shí)，系統(tǒng)中可以包含這些添加劑。
隔膜任一側(cè)的溶質(zhì)濃度差(或滲透勢(shì))導(dǎo)致水通過(guò)滲透從鹽溶液(例如，海水或半咸水)進(jìn)入第二溶液。由于水的流動(dòng)沿濃度梯度發(fā)生，所以不需要高壓來(lái)促使流動(dòng)。然而，如果希望，也可以利用隔膜兩側(cè)的壓差。
盡管第一溶液中的溶解的物質(zhì)可以小到足以通過(guò)隔膜的孔隙，但由于隔膜另一側(cè)的高滲透勢(shì)防止了該溶解的物質(zhì)通過(guò)。由于第二溶液包含太大而不能通過(guò)隔膜的孔隙的溶質(zhì)物質(zhì)，所以防止了這些溶質(zhì)物質(zhì)穿過(guò)到隔膜的另一側(cè)。結(jié)果，來(lái)自第一溶液的水將高速擴(kuò)散到第二溶液中，同時(shí)限制或防止了兩種溶液之間的溶質(zhì)通過(guò)。
可以在不施加壓力的情況下來(lái)執(zhí)行該分離步驟。因此，盡管可能出現(xiàn)例如鹽溶液(例如，海水或半咸水)中的生物體(例如，海草、海藻、細(xì)菌、真菌以及浮游生物)和懸浮顆粒(例如，污垢、土壤、泥、淤泥、有機(jī)膠體、硅、沉淀物以及砂粒)淤塞隔膜，但可以在不中斷昂貴的處理進(jìn)程的情況下來(lái)清洗或替換隔膜。此外，由于該分離步驟可在不加壓的情況下來(lái)執(zhí)行，所以在重新開(kāi)始該處理時(shí)無(wú)需對(duì)隔膜重新加壓。
來(lái)自鹽溶液的水的流動(dòng)稀釋了第二溶液。隨后從稀釋后的第二溶液中提取出水。合適的提取技術(shù)包括上述的蒸餾和隔膜方法。如上所述，可以利用這些提取技術(shù)中的兩種或更多種的組合。
在一個(gè)實(shí)施例中，采用了反滲透。在反滲透中，第二溶液可置于半滲透隔膜的一側(cè)，并經(jīng)受高壓。隔膜的另一側(cè)保持在較低壓力下。所得壓差使得溶劑(例如，水)流過(guò)隔膜，而在隔膜的受壓側(cè)留下殘留溶液。
在反滲透步驟中可采用任何選擇性隔膜。例如，可采用傳統(tǒng)的半滲透隔膜和納米過(guò)濾隔膜。
反滲透中采用的壓差可約為0.1到20MPa，優(yōu)選地約為0.5到15MPa，更優(yōu)選地約為0.7到7MPa，最優(yōu)選地約為1到3MPa?？蓪?duì)隔膜的一側(cè)加壓，同時(shí)保持另一側(cè)在大氣壓下或低于大氣壓。優(yōu)選地，僅對(duì)隔膜的一側(cè)加壓。隔膜的受壓側(cè)可經(jīng)受約為0.1到20MPa、優(yōu)選地約為0.5到15MPa、更優(yōu)選地約為0.7到7MPa、最優(yōu)選地約為1到3MPa的壓力。應(yīng)當(dāng)明白，所需的精確壓力將例如隨隔膜任一側(cè)的溶液的相對(duì)溶質(zhì)濃度而變化。
如上所述，第二溶液可包含比第一溶液濃度低的導(dǎo)致隔膜淤塞的成分(例如，生物體和懸浮顆粒)。第二溶液還可以包含諸如防結(jié)垢劑、防腐劑、防污劑以及消毒劑的化學(xué)添加劑。在此實(shí)施例中，通過(guò)反滲透從經(jīng)稀釋的第二溶液中提取溶劑所需的壓力通常小于直接使用第一溶液通過(guò)反滲透從第一溶液中提取溶劑所需的壓力。例如，通過(guò)反滲透直接對(duì)海水進(jìn)行淡化需要5到8MPa的壓力。
本發(fā)明的處理可以是連續(xù)的或分批的處理。
溶劑流過(guò)隔膜的流量通常受到熱條件的影響。因此，如果希望，可以對(duì)隔膜任一側(cè)的溶液進(jìn)行加熱或冷卻?？梢詫⑷芤杭訜岬?0到100℃(例如，40到80℃)的溫度。另選地，可以將溶液冷卻到-20到20℃(例如7到12℃)?？梢詫?duì)隔膜一側(cè)的溶液進(jìn)行加熱，同時(shí)對(duì)另一側(cè)進(jìn)行冷卻。可以獨(dú)立地對(duì)各溶液進(jìn)行加熱或冷卻。如果希望，也可以在隔膜的任一側(cè)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。
本發(fā)明的處理可進(jìn)一步包括從第一溶液(例如，廢流、海水或半咸水)中去除污染物(例如，懸浮顆粒和生物體)的預(yù)處理步驟。另外或另選地，可以在第一溶液中加入閾值抑制劑來(lái)控制氧化。還可以采用預(yù)處理步驟來(lái)改變第一溶液的pH。當(dāng)將海水用作第一溶液時(shí)，優(yōu)選地采用深海海水，這是因?yàn)槠渫ǔ１葟暮Ｑ蟊砻娅@得的海水包含更少的懸浮顆粒和更少的生物體。從第一溶液中提取溶劑的處理可任選地在海洋表面或在靠近海岸處進(jìn)行。
可通過(guò)微波、激光電磁、電場(chǎng)(電滲透)以及動(dòng)電處理來(lái)提高第二溶液的滲透勢(shì)。
根據(jù)本發(fā)明第二方面，提供了一種用于從第一溶液去除溶劑的處理，所述處理包括以下步驟將選擇性隔膜置于第一溶液與比第一溶液具有更高滲透勢(shì)的第二溶液之間，使得來(lái)自第一溶液的溶劑穿過(guò)隔膜來(lái)稀釋第二溶液，以及通過(guò)從沉淀、生物淡化、多級(jí)閃蒸餾、多效淡化、機(jī)械蒸汽壓縮、速?lài)姷约凹{米過(guò)濾中選出的技術(shù)，從第二溶液中回收溶劑。
在本發(fā)明的處理中可以使用任何合適的選擇性隔膜。隔膜可以具有1到80埃、優(yōu)選地為5到70埃、更優(yōu)選地為10到65埃(例如，15到50埃)的平均孔隙尺寸。在一個(gè)實(shí)施例中，隔膜具有20到30埃的平均孔隙尺寸。
合適的選擇性隔膜包括一體式隔膜和復(fù)合隔膜。合適的隔膜的具體示例包括由醋酸纖維素(CA)形成的隔膜和由聚酰胺(PA)形成的隔膜。優(yōu)選地，該隔膜為離子選擇性隔膜。也可以采用傳統(tǒng)的半滲透隔膜。
隔膜可以是平面的或者采取管狀或中空纖維的形式。如果希望，可以將隔膜支承在諸如網(wǎng)孔支承體的支承結(jié)構(gòu)上。隔膜可以是波紋狀的或具有曲折的結(jié)構(gòu)。
在一個(gè)實(shí)施例中，可以在外殼或殼體內(nèi)設(shè)置一個(gè)或更多個(gè)管狀膜。可以將第一溶液引入外殼內(nèi)，同時(shí)將第二溶液引入管子中。由于第一溶液的溶劑濃度高于第二溶液的溶劑濃度，所以溶劑將穿過(guò)隔膜從第一溶液擴(kuò)散到第二溶液中。因此，第二溶液將變得益加稀釋?zhuān)谝蝗芤簞t益加濃縮?？梢詮墓茏觾?nèi)部來(lái)回收經(jīng)稀釋的第二溶液，同時(shí)可從外殼去除經(jīng)濃縮的第一溶液。
當(dāng)采用平面隔膜時(shí)，可以轉(zhuǎn)動(dòng)該片，使其在截面內(nèi)限定一螺旋。
在各溶液中可以存在一種或更多種溶質(zhì)。在優(yōu)選實(shí)施例中，第一溶液包括多種溶質(zhì)，而第二溶液通過(guò)在溶劑中溶解一種或多種已知溶質(zhì)而形成。
在本發(fā)明的處理中，第一溶液置于選擇性隔膜的一側(cè)。具有更高滲透壓的第二溶液置于該隔膜的相對(duì)側(cè)。典型地，而非排他地，第二溶液相比第一溶液具有更高的溶質(zhì)濃度(并因此具有更低的溶劑濃度)。
由于第一溶液與第二溶液之間的滲透壓差，溶劑穿過(guò)隔膜從低滲透勢(shì)側(cè)到達(dá)高滲透勢(shì)側(cè)。不需要高壓來(lái)促使溶劑流動(dòng)。然而，可以在隔膜上施加壓差，例如來(lái)提高分離處理的速度。
盡管第一溶液中的溶質(zhì)物質(zhì)可能小到足以通過(guò)隔膜的孔隙，但是由于隔膜另一側(cè)的高滲透勢(shì)防止了第一溶液中的溶質(zhì)物質(zhì)穿過(guò)該隔膜。
隨著溶劑從第一溶液進(jìn)入第二溶液，第一溶液變得益加濃縮。一旦第一溶液的濃度達(dá)到一定閾值，則可以回收或排棄該溶液。因此，本發(fā)明的處理可用于將第一溶液轉(zhuǎn)變成濃縮形式以進(jìn)行處置。另選地，可以通過(guò)重復(fù)初始隔膜分離步驟，來(lái)從濃縮的第一溶液中去除另一溶劑。具體地，可以通過(guò)將濃縮的第一溶液置于半滲透隔膜的一側(cè)來(lái)從該溶液中去除另一溶劑?？梢詫B透勢(shì)比濃縮溶液的要高的另一溶液置于該隔膜的相對(duì)側(cè)，從而使得來(lái)自濃縮的第一溶液的溶劑穿過(guò)該隔膜進(jìn)入所述另一溶液中。所述另一溶液可以包含與第二溶液中相同的溶質(zhì)和溶劑。另選地，所述另一溶液可包含不同的成分。
在來(lái)自第一溶液的溶劑已經(jīng)進(jìn)入第二溶液之后，可以回收第二溶液。即使沒(méi)有施加壓力來(lái)促使溶劑從第一溶液流入第二溶液，第二溶液也可以處于增高壓力下。這是因?yàn)槿軇牡谝蝗芤毫魅氲诙芤菏茄貪舛忍荻劝l(fā)生的。該壓力可以用于輔助隨后從第二溶液中提取溶劑。例如，當(dāng)通過(guò)諸如納米過(guò)濾和反滲透的隔膜方法來(lái)從第二溶液中提取溶劑時(shí)，第二溶液的壓力可以用于補(bǔ)充施加到第二溶液的壓力，來(lái)促使溶劑從第二溶液流過(guò)所采用的選擇性滲透隔膜。例如，當(dāng)通過(guò)諸如多級(jí)閃蒸餾(MSF)的熱方法來(lái)從第二溶液中提取溶劑時(shí)，第二溶液的壓力可以用于補(bǔ)充第二溶液到MSF單元的泵浦。從而可以采用閥門(mén)和其它的壓力調(diào)節(jié)裝置來(lái)控制壓力。如果必要還可以使用一個(gè)或更多個(gè)泵來(lái)補(bǔ)充處理流的壓力。
即使沒(méi)有對(duì)第一溶液施加壓力，穿過(guò)隔膜的溶劑的初始流量也可以為2到80lm-2hr-1，優(yōu)選地為5到40lm-2hr-1，例如為15到20lm-2hr-1。然而，流量可以隨諸如隔膜兩側(cè)的兩種溶液的濃度梯度的多個(gè)因素而改變。
穿過(guò)隔膜的表面的流速可根據(jù)需要而改變以降低淤塞隔膜的風(fēng)險(xiǎn)。通常，穿過(guò)隔膜的表面的流速越大，淤塞的風(fēng)險(xiǎn)越低。
可以利用任何合適方法從第二溶液中提取出溶劑。例如，可以通過(guò)熱/壓力方法(例如蒸餾)或使用隔膜來(lái)提取溶劑。合適的隔膜方法包括反滲透、納米過(guò)濾、電滲析、反轉(zhuǎn)以及離子交換。當(dāng)采用反滲透時(shí)，可以在反滲透步驟中使用與直接滲透步驟中采用的隔膜相同類(lèi)型的隔膜?？刹捎媒Y(jié)合例如熱和隔膜分離方法的混合方法，來(lái)從第二溶液中提取溶劑。
在優(yōu)選實(shí)施例中，采用納米過(guò)濾隔膜來(lái)從第二溶液中提取溶劑。納米過(guò)濾尤其適合于從溶液的剩余部分中分離第二溶液中的大溶質(zhì)物質(zhì)。
合適的納米過(guò)濾隔膜包括交聯(lián)聚酰胺隔膜，例如交聯(lián)芬芳聚酰胺隔膜。該隔膜可以在例如由微孔隙聚合物片形成的支承體頂部形成“表層”。所得隔膜具有復(fù)合結(jié)構(gòu)(例如，薄膜復(fù)合結(jié)構(gòu))。典型地，由“表層”的孔隙尺寸和電荷來(lái)控制該隔膜的分離特性。該隔膜可適用于分離0.01到0.001微米大小且分子量為100gmol-1或更高(例如，200gmol-1及以上)的成分。
除了根據(jù)尺寸來(lái)過(guò)濾粒子，納米過(guò)濾隔膜還可以根據(jù)粒子的靜電特性來(lái)過(guò)濾粒子。例如，在特定實(shí)施例中，可以控制納米過(guò)濾隔膜的表面電荷來(lái)提供預(yù)期的過(guò)濾特性。例如，納米過(guò)濾隔膜的至少一些孔隙的內(nèi)部可以充負(fù)電，這限制并防止陰離子物質(zhì)，尤其是多價(jià)陰離子的通過(guò)。
合適的納米過(guò)濾隔膜的示例包括Desal-5(Desalination Systems，Escondido，加利福尼亞)，NF 70、NF 50、NF 40以及NF 40 HF隔膜(FilmTech Corp.，Minneapolis，Minn)，SU 600隔膜(Toray，日本)以及NRT 7450和NTR 7250隔膜(Nitto Electric，日本)。
納米過(guò)濾隔膜可以裝配成隔膜模塊?？梢圆捎美绶庋b在殼體內(nèi)的螺旋纏繞式隔膜和管狀隔膜。另選地，隔膜可以設(shè)置為板或設(shè)置在框架內(nèi)。
也可以采用多級(jí)閃蒸餾方法(MSF)來(lái)從第二溶液中提取溶劑。例如，可以加熱第二溶液，并將其引入蒸發(fā)室中，在蒸發(fā)室中使第二溶液經(jīng)受低于其蒸汽壓的壓力。壓力的驟降導(dǎo)致出現(xiàn)沸騰或閃蒸?？梢酝ㄟ^(guò)冷凝將閃蒸汽與溶液的剩余部分分離開(kāi)。優(yōu)選地采用一系列蒸發(fā)室。因此，蒸發(fā)或閃蒸步驟可發(fā)生在多個(gè)級(jí)中。在優(yōu)選實(shí)施例中，通過(guò)熱交換將閃蒸汽的熱能傳遞到輸入溶液中。由于此熱傳遞，對(duì)蒸汽進(jìn)行了冷凝并提高了輸入溶液的溫度。
還可以采用多效蒸餾(MED)來(lái)從第二溶液中提取溶劑。多效蒸餾產(chǎn)生一系列效果并利用在各種效果中降低周?chē)鷫毫Φ脑怼＿@使得第二溶液在一系列級(jí)中發(fā)生沸騰，而無(wú)需在第一效果后再提供額外的熱量。
在多效蒸餾中，可預(yù)熱第二溶液，并將其噴在蒸發(fā)管表面上作為液體薄膜。通過(guò)令蒸汽通過(guò)該管子來(lái)加熱這些管子。因此，在與管子的加熱表面接觸時(shí)，所噴的液體蒸發(fā)。該蒸汽被用于加熱下一效果的蒸發(fā)管，并且熱傳遞使得管中的蒸汽冷凝。通過(guò)以此方式蒸發(fā)和冷凝第二溶液，可以從第二溶液回收溶劑。
通過(guò)壓縮至少一個(gè)效果中的蒸汽可以提高多效蒸餾步驟的效率。多效蒸餾和壓縮的組合被稱(chēng)為MED熱壓縮。
還可以采用機(jī)械蒸汽壓縮(MVD)來(lái)從第二溶液中提取溶劑。在機(jī)械蒸汽壓縮中，典型地提取來(lái)自容器的蒸汽，然后通過(guò)壓縮在位于容器內(nèi)的管中對(duì)該蒸汽進(jìn)行冷凝。壓縮和冷凝步驟產(chǎn)生熱，這加熱了管壁。當(dāng)將第二溶液噴在管的表面上時(shí)，其蒸發(fā)產(chǎn)生更多的蒸汽。通過(guò)重復(fù)提取、壓縮以及冷凝步驟，可以從第二溶液中回收另一溶劑。
還可以使用速?lài)姷瘉?lái)從第二溶液中提取溶劑。
也可以采用熱分離單元(其通過(guò)結(jié)晶來(lái)分離溶解的溶質(zhì))來(lái)從第二溶液中提取溶劑。例如，可以在熱分離塔中冷卻第二溶液，從而使得至少一部分溶解的溶質(zhì)從溶液中沉淀出來(lái)。這些沉淀物可以聚集在熱分離塔底部，而將溶液留在溶質(zhì)濃度減小的該塔的頂部?？梢匀』卦摗吧喜俊比芤海岳缰苯邮褂没蛴糜谶M(jìn)一步凈化。另一方面，可以對(duì)該塔底部的濃縮溶液進(jìn)行加熱以溶解任何沉淀物?？梢詠G掉濃縮溶液或?qū)⑵湓傺h(huán)利用為新的第二溶液。當(dāng)利用結(jié)晶方法來(lái)從第二溶液中分離溶劑時(shí)，優(yōu)選地使用鹽(其在第二溶液的溶劑中具有對(duì)溫度變化敏感的溶解性)來(lái)形成第二溶液。這種鹽的示例包括諸如磷酸氫二鈉(Na2HPO4·12H2O)的磷酸氫鹽。
還可以通過(guò)將微生物引入第二溶液中，以將第二溶液中溶解的溶質(zhì)變換為不溶物，來(lái)從第二溶液中回收溶劑(即，生物淡化)。然后例如通過(guò)過(guò)濾可以將這些不溶物與溶劑分離。另選地，可以將沉淀劑加入第二溶液中來(lái)沉淀溶解的溶質(zhì)。然后例如通過(guò)過(guò)濾來(lái)從溶劑中去除沉淀物。
可以利用多種技術(shù)的組合來(lái)從第二溶液中提取溶劑。在一個(gè)實(shí)施例中，采用下述技術(shù)中的至少兩種來(lái)從第二溶液中提取溶劑結(jié)晶、蒸餾、納米過(guò)濾以及反滲透。在采用蒸餾技術(shù)的情況下，可以采用多級(jí)閃蒸餾、多效蒸餾、機(jī)械蒸汽壓縮以及速?lài)娬麴s中的至少一種。當(dāng)利用多于一種的技術(shù)來(lái)從第二溶液中提取溶劑時(shí)，可以順序地或并行地執(zhí)行這些技術(shù)。
在一個(gè)實(shí)施例中，可將第二溶液分成兩部分。通過(guò)結(jié)晶和/或納米過(guò)濾或者反滲透來(lái)處理第一部分，而通過(guò)結(jié)晶和/或從多級(jí)閃蒸餾、多效蒸餾(包括MED熱壓縮)、機(jī)械蒸汽壓縮以及速?lài)娬麴s中的至少一個(gè)中選出的蒸餾技術(shù)來(lái)處理第二部分。可通過(guò)結(jié)晶和/或諸如多級(jí)閃蒸餾、多效蒸餾、機(jī)械蒸汽壓縮、以及/或者速?lài)娬麴s的蒸餾技術(shù)來(lái)對(duì)納米過(guò)濾或反滲透步驟的殘留物進(jìn)行進(jìn)一步處理。
在另一實(shí)施例中，可以通過(guò)隔膜技術(shù)，隨后通過(guò)結(jié)晶和/或諸如多級(jí)閃蒸餾、多效蒸餾、機(jī)械蒸汽壓縮、以及/或者速?lài)娬麴s的熱蒸餾來(lái)從第二溶液中提取溶劑。合適的隔膜技術(shù)包括納米過(guò)濾和反滲透?？梢圆捎镁哂兄辽?0埃的平均孔隙尺寸的選擇性隔膜(參見(jiàn)本發(fā)明第一方面)。另選地，可以使用傳統(tǒng)的半滲透隔膜。
第二溶液的溶劑可以與第一溶液的溶劑相同或不同。當(dāng)?shù)诙芤旱娜軇┎煌诘谝蝗芤旱娜軇r(shí)，提取出的溶劑將包含來(lái)自第一溶液的溶劑和來(lái)自第二溶液的溶劑的混合物。這在例如希望生成來(lái)自分離的不純?nèi)芤旱膬煞N溶劑的混合物時(shí)可以是有用的。
優(yōu)選地，第一溶液中的溶劑與第二溶液中的溶劑相同。因此，提取出的溶劑主要由一種溶劑構(gòu)成。可以回收提取出的溶劑，并以回收的形式使用或者在使用前進(jìn)一步進(jìn)行處理。例如，當(dāng)提取出的溶劑是水時(shí)，例如可通過(guò)后處理級(jí)來(lái)穩(wěn)定水。
當(dāng)從第二溶液中提取溶劑時(shí)，常留下固體殘留物或殘留溶液通?？梢詠G掉這些殘留物或殘留溶液。
另選地，可以回收該固體殘留物，并用于形成新的第二溶液，以從第一溶液中提取溶劑。還可以回收并再循環(huán)利用殘留溶液，例如用作新的第二溶液來(lái)從第一溶液中提取溶劑。在特定情況下，可以直接使用殘留溶液作為新的第二溶液。在其它情況下，有必要例如通過(guò)相應(yīng)地改變殘留溶液的濃度來(lái)對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理。
第一溶液典型地包含需要凈化的溶劑。因此，本發(fā)明的處理可用于凈化諸如烴(例如，脂肪族烴和芳烴)的有機(jī)溶劑?？梢?xún)艋袡C(jī)溶劑的混合物。烴可以是直鏈、支鏈的以及/或者環(huán)狀的。示例包括(但并不限于)烷烴、烯烴以及炔。烴可取代有一種或更多種雜原子，例如，氟、氯、溴、碘、氧、硫、氮、以及/或者磷原子。在一個(gè)實(shí)施例中，還可以?xún)艋趸療N，如醛、酮、羧酸、醚、酯、醇以及/或者其衍生物。例如，還可以采用乙二醇醚和乙二醇醚酯。另選地或者另外地，可以?xún)艋T如氯代烴、溴代烴以及/或者氟代烴的鹵代溶劑。
本發(fā)明的處理還可用于凈化無(wú)機(jī)溶劑，如酸性溶劑、堿性溶劑以及諸如水的中性溶劑。這種溶劑優(yōu)選地存在于第一溶液中，并且另外可以存在于第二溶液中。例如，本發(fā)明的處理可用于凈化酸的水溶液。另選地，本發(fā)明的處理可用于凈化諸如氫氧化物水溶液的堿性溶劑。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，該處理用于從諸如鹽溶液(例如海水或半咸水)的水中去除雜質(zhì)。從海水和半咸水中去除鹽雜質(zhì)被稱(chēng)為淡化。另選地，該處理可用于凈化來(lái)自廢流(例如工業(yè)污水、生活或農(nóng)業(yè)污水)的水。因此，這種廢流可用作第一溶液，或者對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理以形成第一溶液。也可以?xún)艋宜?，例如廢洗滌水(例如洗衣店)和來(lái)自集水溝的水流。在一個(gè)實(shí)施例中，可利用本發(fā)明的處理對(duì)來(lái)自洗車(chē)房、洗衣房以及發(fā)電廠的鍋爐給水流的廢水進(jìn)行凈化以再利用。
本發(fā)明的處理還可用于凈化來(lái)自其它來(lái)源的水，例如來(lái)自河流或地下水源的水。也可以利用本發(fā)明的方法來(lái)凈化生活水源以產(chǎn)生飲用水。
凈化水流可用于廣泛的應(yīng)用，例如，用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)以及生活使用(例如產(chǎn)生飲用水)。在一個(gè)實(shí)施例中，凈化水用于從油井中泵油。(為避免疑惑，術(shù)語(yǔ)“凈化水”指已通過(guò)本發(fā)明的處理進(jìn)行了處理的水。因此，凈化水流可包括一種或更多種溶解鹽)。在用于油回收的傳統(tǒng)方法中，將海水注入油井中來(lái)促使油從油井中到達(dá)地面。然而，使用海水會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的操作和結(jié)構(gòu)問(wèn)題。此外，難以將海水與油分離，這在回收油的時(shí)候會(huì)引起分離問(wèn)題。通過(guò)使用凈化水，可以減輕和/或消除這些問(wèn)題。另外，凈化水可處于增高滲透壓下；該增大的壓力可用于幫助將水泵入油井。
第二溶液是包含太大而不能穿過(guò)隔膜的孔隙的溶質(zhì)物質(zhì)的溶液。在一個(gè)實(shí)施例中，第二溶液中存在的基本全部溶質(zhì)物質(zhì)都太大而不能穿過(guò)隔膜的孔隙。合適的溶質(zhì)物質(zhì)可具有50到10000gmol-1、優(yōu)選地為100到5000gmol-1、更優(yōu)選地為200到2000gmol-1的分子量。
適合第二溶液的溶質(zhì)包括有機(jī)化合物、生物化合物以及/或者無(wú)機(jī)化合物。
合適的有機(jī)化合物包括烴，例如脂肪族烴和芳烴?？梢圆捎脙煞N或更多種有機(jī)化合物的混合物。烴可以是直鏈、支鏈以及/或者環(huán)狀的。合適的烴的示例包括(但并不限于)烷烴、烯烴以及炔。烴可取代有一種或更多種雜原子，例如，氟、氯、溴、碘、氧、硫、氮、以及/或者磷原子。在一個(gè)實(shí)施例中，可以采用氧化烴，例如醛、酮、羧酸、醚、酯、醇以及/或者其衍生物。有機(jī)溶質(zhì)物質(zhì)可具有100到10000gmol-1、優(yōu)選地為300到5000gmol-1、更優(yōu)選地為400到2000gmol-1、甚為優(yōu)選地為500到1000gmol-1的分子量。
合適的生物化合物包括蛋白質(zhì)、氨基酸、核酸、碳水化合物以及脂質(zhì)?？梢圆捎脙煞N或更多種生物化合物的混合物。優(yōu)選生物溶質(zhì)包括糖，例如甘蔗糖和/或甜菜糖。也可采用葡萄糖、果糖以及蔗糖。生物溶質(zhì)物質(zhì)可具有100到10000gmol-1、優(yōu)選地為300到5000gmol-1、更優(yōu)選地為400到2000gmol-1、甚為優(yōu)選地為500到1000gmol-1的分子量。
合適的無(wú)機(jī)化合物包括酸、堿以及鹽?？梢圆捎脙煞N或更多種無(wú)機(jī)化合物的混合物。在優(yōu)選實(shí)施例中，第二溶液中的溶質(zhì)為鹽。該鹽可以具有大于隔膜的平均孔隙尺寸的陽(yáng)離子和/或陰離子物質(zhì)。優(yōu)選地，該鹽中的溶劑化陽(yáng)離子和陰離子物質(zhì)都大于隔膜的平均孔隙尺寸。
合適的陽(yáng)離子物質(zhì)包括金屬離子和銨離子。合適的金屬離子包括I族到III族金屬離子。合適的I族金屬離子的示例包括鈉離子和鉀離子。合適的II族金屬離子的示例包括鎂離子、鈣離子、鍶離子以及鋇離子。合適的II族陽(yáng)離子的示例包括鋁離子。還可以采用絡(luò)陽(yáng)離子。
在采用銨離子的情況下，這種離子例如可以由烷基(例如C1到C20烷基)來(lái)取代。也可以采用取代烷基。
合適的陰離子物質(zhì)包括氟化物、氯化物、溴化物、碘化物、硫酸鹽、亞硫酸鹽、硫化物、碳酸鹽、碳酸氫鹽、硝酸鹽、亞硝酸鹽、氮化物、磷酸鹽、鋁酸鹽、硼酸鹽、溴酸鹽、碳化物、氯化物、磷酸氫鹽、高氯酸鹽、次氯酸鹽、鉻酸鹽、氟硅酸鹽、氟硅酸鹽、氟硫酸鹽、硅酸鹽、氰化物以及氰酸鹽。
優(yōu)選的鹽包括硫酸鎂(MgSO4·6H2O或者M(jìn)gSO4·7H2O)、氯化鎂(MgCl2·6H2O)、硫酸鈉(Na2SO4·10H2O)、氯化鈣(CaCl2·2H2O或者CaCl2·6H2O)、鉀明礬(24H2O)、磷酸氫二鈉(Na2HPO4·12H2O)、氯化鈉(NaCl)以及氯化鉀(KCl)。
第二溶液可由有機(jī)和/或無(wú)機(jī)溶劑形成。合適的有機(jī)溶劑包括諸如脂肪族烴和芳烴的烴。可以采用有機(jī)溶劑的混合物。烴可以是直鏈、支鏈的以及/或者環(huán)狀的。示例包括(但并不限于)烷烴、烯烴以及炔。烴可取代有一種或更多種雜原子，例如，氟、氯、溴、碘、氧、硫、氮、以及/或者磷原子。在一個(gè)實(shí)施例中，可以采用氧化烴，例如醛、酮、羧酸、醚、酯、醇以及/或者其衍生物。例如，還可以采用乙二醇醚和乙二醇醚酯。另選地或者另外地，可以采用諸如氯代烴、溴代烴以及/或者氟代烴的鹵代溶劑。
合適的無(wú)機(jī)溶劑包括酸性溶劑、堿性溶劑以及/或者水。優(yōu)選地，采用水作為第二溶液中的溶劑。
優(yōu)選地，第二溶液具有已知成分。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，通過(guò)將已知量的溶質(zhì)引入已知量的溶劑中形成第二溶液。優(yōu)選地，第二溶液主要包括所選溶劑中溶解的所選溶質(zhì)。通過(guò)以此方式形成第二溶液，可以產(chǎn)生基本清潔的溶液。優(yōu)選地，第二溶液具有濃度減小的懸浮顆粒、生物體以及/或者其它成分，這些會(huì)導(dǎo)致淤塞用于從第二溶液中提取溶劑的裝置。更優(yōu)選地，第二溶液基本沒(méi)有這種成分。因此，可利用隔膜技術(shù)來(lái)從第二溶液中提取溶劑，而不必?fù)?dān)心隔膜的孔隙經(jīng)受例如由生物體或懸浮顆粒造成的不可接受的高度淤塞。
優(yōu)選地，第二溶液是至少一種鹽的水溶液。該鹽可從氯化鈉、氯化鉀、硫酸鎂(MgSO4·6H2O或者M(jìn)gSO4·7H2O)、氯化鎂(MgCl2·6H2O)、硫酸鈉(Na2SO4·10H2O)、氯化鈣(CaCl2·2H2O或者CaCl2·6H2O)、磷酸氫二鈉(Na2HPO4·12H2O)以及鉀明礬(24H2O)的一個(gè)或更多個(gè)中選擇。另選地，第二溶液是諸如葡萄糖、果糖以及/或者蔗糖的糖的水溶液。該糖可以從任意合適來(lái)源中獲得。例如，可以采用甜菜糖和/或甘蔗糖。
在優(yōu)選實(shí)施例中，鹽溶液(例如，海水或半咸水)被用作第一溶液且置于隔膜的一側(cè)。溶質(zhì)濃度高于所述鹽溶液的溶質(zhì)濃度的第二溶液置于隔膜的另一側(cè)。優(yōu)選地，采用如下物質(zhì)的水溶液作為第二溶液，即氯化鈉(NaCl)、氯化鉀(KCl)、硫酸鎂(MgSO4·6H2O或者M(jìn)gSO4·7H2O)、氯化鎂(MgCl2·6H2O)、硫酸鈉(Na2SO4·10H2O)、氯化鈣(CaCl2·2H2O或者CaCl2·6H2O)、磷酸氫二鈉(Na2HPO4·12H2O)以及鉀明礬(24H2O)，和/或諸如葡萄糖、果糖以及/或者蔗糖的糖。
第二溶液可以包含諸如防結(jié)垢劑、防腐劑、防污劑以及消毒劑的化學(xué)添加劑。例如當(dāng)?shù)诙芤涸谶B續(xù)回路中循環(huán)時(shí)，系統(tǒng)中可包含這些添加劑并再用這些添加劑。
隔膜任一側(cè)的滲透勢(shì)差導(dǎo)致水通過(guò)滲透從鹽溶液(例如，海水或半咸水)進(jìn)入第二溶液。由于水的流動(dòng)沿濃度梯度發(fā)生，所以不需要高壓來(lái)促使流動(dòng)。然而，如果希望，也可以利用隔膜兩側(cè)的壓差。
盡管第一溶液中的溶解的物質(zhì)可以小到足以穿過(guò)隔膜的孔隙，但由于隔膜另一側(cè)的高滲透勢(shì)而防止了該溶解的物質(zhì)穿過(guò)。
可以在不施加壓力的情況下來(lái)執(zhí)行初始隔膜分離步驟。因此，盡管可能出現(xiàn)例如鹽溶液(例如，海水或半咸水)中的生物體(例如，海草、海藻、細(xì)菌、真菌以及浮游生物)和懸浮顆粒(例如，污垢、土壤、泥、淤泥、有機(jī)膠體、硅、沉淀物以及砂粒)淤塞隔膜，但可以在不中斷昂貴的處理進(jìn)程的情況下來(lái)清洗或更換隔膜。此外，由于該分離步驟可在不加壓的情況下來(lái)執(zhí)行，所以在重新開(kāi)始該處理時(shí)無(wú)需對(duì)隔膜重新加壓。
來(lái)自鹽溶液的水的流動(dòng)稀釋了第二溶液。隨后從稀釋后的第二溶液中提取出水。合適的提取技術(shù)包括上述的蒸餾和隔膜方法。如上所述，可以利用這些提取技術(shù)中的兩種或更多種的組合。
在一個(gè)實(shí)施例中，采用了反滲透。在反滲透中，第二溶液可置于半滲透隔膜的一側(cè)，并經(jīng)受高壓。隔膜的另一側(cè)保持在較低壓力下。所得壓差使得溶劑(例如，水)流過(guò)隔膜，并在隔膜的受壓側(cè)留下殘留溶液。
在反滲透步驟中可采用任何選擇性隔膜。例如，可采用傳統(tǒng)的半滲透隔膜和納米過(guò)濾隔膜。
反滲透中采用的壓差可約為0.1到20MPa，優(yōu)選地約為0.5到15MPa，更優(yōu)選地約為0.7到7MPa，最優(yōu)選地約為1到3MPa。可對(duì)隔膜的一側(cè)加壓，同時(shí)將另一側(cè)保持在大氣壓或低于大氣壓下。優(yōu)選地，僅對(duì)隔膜的一側(cè)加壓。隔膜的受壓側(cè)可經(jīng)受約為0.1到20MPa、優(yōu)選地約為0.5到15MPa、更優(yōu)選地約為0.7到7MPa、最優(yōu)選地約為1到3MPa的壓力。應(yīng)當(dāng)明白，所需的精確壓力將例如隨隔膜任一側(cè)的溶液的相對(duì)溶質(zhì)濃度而變化。
如上所述，第二溶液可包含比第一溶液濃度低的導(dǎo)致隔膜淤塞的成分(例如，生物體和懸浮顆粒)。第二溶液還可包含諸如防結(jié)垢劑、防腐劑、防污劑以及消毒劑的化學(xué)添加劑。在此實(shí)施例中，通過(guò)反滲透從經(jīng)稀釋的第二溶液中提取溶劑所需的壓力通常小于直接使用第一溶液通過(guò)反滲透從第一溶液中提取溶劑所需的壓力。例如，通過(guò)反滲透直接對(duì)海水進(jìn)行淡化需要5到8MPa的壓力。
本發(fā)明的處理可以是連續(xù)處理或批處理。
溶劑流過(guò)隔膜的流量通常受到熱條件的影響。因此，如果希望，可以對(duì)隔膜任一側(cè)的溶液進(jìn)行加熱或冷卻?？梢詫⑷芤杭訜岬?0到100℃(例如，40到80℃)的溫度。另選地，可以將溶液冷卻到-20到20℃(例如7到12℃)?？梢詫?duì)隔膜一側(cè)的溶液進(jìn)行加熱，同時(shí)對(duì)另一側(cè)進(jìn)行冷卻?？梢元?dú)立地對(duì)各溶液進(jìn)行加熱或冷卻。如果希望，也可以在隔膜的任一側(cè)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。
本發(fā)明的處理可進(jìn)一步包括從第一溶液(例如，廢流、海水或半咸水)中去除污染物(例如，懸浮顆粒和生物體)的預(yù)處理步驟。另外或另選地，可以在第一溶液中加入閾值抑制劑來(lái)控制結(jié)垢。還可以采用預(yù)處理步驟來(lái)改變第一溶液的pH。當(dāng)將海水用作第一溶液時(shí)，優(yōu)選地采用深海海水，這是因?yàn)槠渫ǔ１葟暮Ｑ蟊砻娅@得的海水包含更少的懸浮顆粒和更少的生物體。從第一溶液中提取溶劑的處理可任選地在海洋表面或在靠近海岸處進(jìn)行。
可通過(guò)微波、激光電磁、電場(chǎng)(電滲透)以及動(dòng)電處理來(lái)提高第二溶液的滲透勢(shì)。
本發(fā)明第一和第二方面的處理可用于濃縮第一溶液。例如，第一溶液可被濃縮為更便于處置的形式(縮小體積)。即使第一溶液是廢流，這也是有用的。


下面參照附圖，通過(guò)示例來(lái)描述本發(fā)明的處理的優(yōu)選實(shí)施例，在附圖中圖1是用于通過(guò)傳統(tǒng)反滲透處理對(duì)海水進(jìn)行淡化的裝置的示意性流程圖，圖2是用于利用根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的處理對(duì)海水進(jìn)行淡化的裝置的示意性流程圖，圖3是用于利用根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的處理對(duì)海水進(jìn)行淡化的裝置的示意性流程圖，圖4是用于利用根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的處理對(duì)海水進(jìn)行淡化的裝置的示意性流程圖，圖5是用于利用根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施例的處理對(duì)海水進(jìn)行淡化的裝置的示意性流程圖，圖6是用于利用根據(jù)本發(fā)明第五實(shí)施例的處理對(duì)海水進(jìn)行淡化的裝置的示意性流程圖，圖7是用于利用根據(jù)本發(fā)明第六實(shí)施例的處理對(duì)海水進(jìn)行淡化的裝置的示意性流程圖，圖8是用于利用根據(jù)本發(fā)明第七實(shí)施例的處理對(duì)海水進(jìn)行淡化的裝置的示意性流程圖，圖9是用于利用根據(jù)本發(fā)明第八實(shí)施例的處理對(duì)海水進(jìn)行淡化的裝置的示意性流程圖，以及圖10是用于利用根據(jù)本發(fā)明第九實(shí)施例的處理對(duì)海水進(jìn)行淡化的裝置的示意性流程圖。
具體實(shí)施例方式
首先參照附圖中的圖1。此圖描述了用于通過(guò)反滲透進(jìn)行傳統(tǒng)淡化處理的裝置10。裝置10包括高壓泵12和隔膜模塊14。模塊14包含半滲透隔膜16。
在使用中，使用高壓泵12將海水泵入模塊14中。這使得海水在高壓下與半滲透隔膜16的一側(cè)相接觸。典型地，采用5到8MPa的壓力。于是，水流過(guò)隔膜16，而將濃縮的海水溶液留在隔膜16的受壓側(cè)?？山?jīng)由管道18去除并排棄濃縮的海水溶液。
隔膜16的未受壓側(cè)聚集的水基本是純凈的，并經(jīng)由管道20將其從模塊14中去除。
使用一段時(shí)間后，海水中的沉積物和懸浮顆粒阻塞了半滲透隔膜16。因此，大約每?jī)蓚€(gè)或四個(gè)月就必須停止反滲透步驟來(lái)清洗和/或更換隔膜16。
下面參照附圖中的圖2，圖2描述了用于利用根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的處理對(duì)海水進(jìn)行淡化的裝置。
裝置100包括第一隔膜模塊110和第二隔膜模塊112。模塊110包含隔膜114a，模塊112包含隔膜114b。第一隔膜114a是平均孔隙尺寸為10埃的離子選擇性隔膜。第二隔膜114b是納米過(guò)濾隔膜。
第一隔膜模塊110連接至存儲(chǔ)罐116。存儲(chǔ)罐116經(jīng)由泵118連接至第二隔膜模塊112。裝置100還包括用于產(chǎn)生硫酸鎂溶液的混合罐120。
通過(guò)將已知量的硫酸鎂溶解到水中，在混合罐120中形成了硫酸鎂溶液。所得溶液具有的硫酸鎂濃度高于處理中的海水的總?cè)芙恹}(TDS)濃度。
經(jīng)由管道122將海水引入第一隔膜模塊110的隔膜114a的一側(cè)。將硫酸鎂溶液引入隔膜114a的另一側(cè)。由于硫酸鎂溶液具有的溶質(zhì)濃度高于海水的總?cè)芙恹}(TDS)濃度，所以水通過(guò)直接滲透流過(guò)隔膜114a。水的流動(dòng)稀釋了硫酸鎂溶液，并在隔膜114a的海水側(cè)留下了殘留鹽溶液。可以經(jīng)由管道124來(lái)去除后者。
鎂離子和硫酸離子太大而不能通過(guò)隔膜114a的孔隙。因此，不會(huì)出現(xiàn)溶質(zhì)從硫酸鎂溶液回流到海水中。
從第一隔膜模塊110回收經(jīng)稀釋的硫酸鎂溶液，并將其傳送到存儲(chǔ)罐116。隨后使用泵118將經(jīng)稀釋的硫酸鎂溶液傳送到第二隔膜模塊112。
在第二隔膜模塊112中，將經(jīng)稀釋的硫酸鎂溶液引入隔膜模塊112中，在隔膜模塊112處其與納米過(guò)濾隔膜114b的一側(cè)相接觸。經(jīng)稀釋的硫酸鎂溶液中的鎂離子和硫酸離子太大而不能通過(guò)隔膜114b的孔隙，并作為殘留物保留在隔膜上。經(jīng)由管道126可將該殘留物再循環(huán)到存儲(chǔ)罐120。
另一方面，來(lái)自硫酸鎂溶液的水穿過(guò)納米過(guò)濾隔膜114b，并經(jīng)由管道128被回收。
下面參照附圖中的圖3，圖3描述了用于利用根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的處理對(duì)海水進(jìn)行淡化的裝置。圖3的實(shí)施例與圖2的實(shí)施例類(lèi)似，并使用相同的標(biāo)號(hào)表示相同的部分。然而圖3的裝置進(jìn)一步包括第三隔膜模塊130和第四隔膜模塊132。
在混合罐120中形成硫酸鎂和氯化鈉溶液。所得溶液的總?cè)芙恹}(TDS)濃度高于處理中的海水的TDS。
經(jīng)由管道122將海水引入第一隔膜模塊110的隔膜114a的一側(cè)。將硫酸鎂/氯化鈉溶液引入隔膜114a的另一側(cè)。由于硫酸鎂/氯化鈉溶液具有的溶質(zhì)濃度高于海水的總?cè)芙恹}(TDS)濃度，所以水通過(guò)直接滲透流過(guò)隔膜114a。水的流動(dòng)稀釋了硫酸鎂/氯化鈉溶液，并在隔膜114a的海水側(cè)留下殘留鹽溶液。經(jīng)由管道124可以去除后者。
從第一隔膜模塊110中回收經(jīng)稀釋的硫酸鎂/氯化鈉溶液，并使用泵118將其傳送到第二隔膜模塊112。
在第二隔膜模塊112中，經(jīng)稀釋的硫酸鎂/氯化鈉溶液流過(guò)納米過(guò)濾隔膜114b。由于鎂離子和硫酸離子太大而不能通過(guò)隔膜的孔隙，所以納米過(guò)濾隔膜114b將這些保留作為殘留物。經(jīng)由管道126可將該殘留物再循環(huán)到混合罐120。另一方面，鈉離子和氯離子小到足以穿過(guò)納米過(guò)濾隔膜114b的孔隙。因此，將氯化鈉溶液收集為濾出液，并將其傳送到第三隔膜模塊130來(lái)進(jìn)一步進(jìn)行處理。
在第三隔膜模塊130中，氯化鈉溶液與半滲透隔膜的一側(cè)相接觸。具有更高總?cè)芙恹}濃度的硫酸鎂溶液與隔膜的另一側(cè)相接觸。由于隔膜兩側(cè)的滲透壓差，水流過(guò)隔膜稀釋硫酸鎂溶液。隔膜另一側(cè)的氯化鈉溶液變得益加濃縮，并被再循環(huán)到存儲(chǔ)罐120中。
從第三隔膜模塊回收經(jīng)稀釋的硫酸鎂溶液，并將其引入第四隔膜模塊132。在第四隔膜模塊中，經(jīng)稀釋的硫酸鎂溶液通過(guò)納米過(guò)濾隔膜。由于鎂離子和硫酸離子太大而不能通過(guò)隔膜，所以納米過(guò)濾膜將其保留為殘留物。該殘留物可再循環(huán)到第三隔膜模塊130。
由于來(lái)自氯化鈉溶液的水的流入，被引入第四隔膜模塊132中的經(jīng)稀釋的硫酸鎂溶液可處于增高壓力下。該增高壓力可有助于推動(dòng)硫酸鎂溶液穿過(guò)第四隔膜模塊132中的納米過(guò)濾隔膜。另選地或另外，可以使用泵來(lái)輔助液體穿過(guò)隔膜。
穿過(guò)納米過(guò)濾模塊的水基本是純凈的，并可經(jīng)由管道134將其去除。
下面參照附圖中的圖4，圖4描述了用于利用根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的處理對(duì)海水進(jìn)行淡化的裝置。
裝置200包括隔膜模塊210和多級(jí)閃蒸餾單元212。隔膜模塊210包含傳統(tǒng)的半滲透隔膜214。
將海水216引入隔膜214的一側(cè)。隔膜214的另一側(cè)與比海水216具有更高的總?cè)芙恹}濃度的硫酸鎂溶液218相接觸。滲透勢(shì)差使得水通過(guò)直接滲透流過(guò)隔膜214。水的流動(dòng)稀釋了硫酸鎂溶液，而在隔膜214的海水側(cè)留下了殘留鹽溶液?？梢越?jīng)由管道219來(lái)去除殘留溶液，并任選地將其返回大海。
從隔膜210回收經(jīng)稀釋的硫酸鎂溶液，并將其傳送到多級(jí)閃蒸餾單元212。在多級(jí)閃蒸餾單元212中，對(duì)第二溶液進(jìn)行加熱并將其引入蒸發(fā)室，在該蒸發(fā)室使第二溶液經(jīng)受低于其蒸汽壓的壓力。壓力的驟降導(dǎo)致出現(xiàn)沸騰或閃蒸。可對(duì)閃蒸汽進(jìn)行冷凝，并經(jīng)由管道220將其與溶液的剩余部分分離。剩余溶液經(jīng)由管道222再循環(huán)到模塊210。采用一系列蒸發(fā)室，使得在多個(gè)級(jí)中發(fā)生閃蒸或蒸發(fā)步驟。
圖5描述了用于利用根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施例的處理對(duì)海水進(jìn)行淡化的裝置。圖5的裝置與圖4的裝置類(lèi)似。因此，使用相同的標(biāo)號(hào)表示相同的部分。然而，與圖4的裝置不同的是，圖5的裝置包括串行使用的兩個(gè)模塊210a和210b。
第一模塊210a包括用于將海水216與通過(guò)將已知量的硫酸鎂溶液溶解到水中而形成的溶液218a相分離的半滲透隔膜214a。第二模塊210b包括用于將來(lái)自第一模塊210a的溶液218a與通過(guò)將已知量的硫酸鎂溶液溶解到水中而形成的溶液218b相分離的半滲透隔膜214b。
在使用中，海水216循環(huán)通過(guò)隔膜214a一側(cè)的模塊210a，同時(shí)硫酸鎂溶液218a循環(huán)通過(guò)隔膜214a的相對(duì)側(cè)的模塊214a。與隔膜214a相接觸的硫酸鎂溶液比海水216具有更高的總?cè)芙恹}(溶質(zhì))濃度。因此，水通過(guò)滲透從隔膜214a的海水側(cè)流到隔膜214a的溶液側(cè)。
水流過(guò)模塊214a稀釋了硫酸鎂溶液218a。經(jīng)稀釋的溶液218a循環(huán)通過(guò)隔膜214b一側(cè)的模塊210b，同時(shí)硫酸鎂溶液218b循環(huán)通過(guò)隔膜214b相對(duì)側(cè)的模塊210b。與隔膜214b相接觸的溶液218b比與隔膜214b相接觸的溶液218a具有更高的總?cè)芙恹}(溶質(zhì))濃度。因此，水通過(guò)滲透流過(guò)隔膜214b來(lái)稀釋硫酸鎂溶液218b。以參照?qǐng)D4所述的方式，將經(jīng)稀釋的溶液218b引入多級(jí)閃蒸餾單元212中。
隨著水通過(guò)滲透流過(guò)隔膜214b，硫酸鎂溶液218a變得益加濃縮，并被再循環(huán)至第一模塊210a。
圖6描述了用于利用根據(jù)本發(fā)明第五實(shí)施例的處理對(duì)海水進(jìn)行淡化的裝置。
裝置300包括兩個(gè)隔膜模塊310、312、熱分離單元314以及納米過(guò)濾單元316。
在使用中，海水318循環(huán)通過(guò)位于選擇性滲透隔膜320的一側(cè)的第一模塊310，同時(shí)硫酸鎂溶液322循環(huán)通過(guò)隔膜320的相對(duì)側(cè)的模塊310。與隔膜320相接觸的硫酸鎂溶液具有高于海水318的總?cè)芙恹}(溶質(zhì))濃度。因此，水通過(guò)滲透從隔膜的海水側(cè)流到隔膜的溶液側(cè)。
從模塊310取出經(jīng)稀釋的硫酸鎂溶液，并將其引入熱分離單元314。在熱分離單元314，對(duì)該溶液進(jìn)行冷卻從而使得一些溶解的溶質(zhì)從溶液中沉淀到該單元的底部。該溶液的剩余部分具有減小的溶質(zhì)濃度，并經(jīng)由管道324被引入第二隔膜模塊314。從單元314底部取出的溶液326具有增大的溶質(zhì)濃度。再使用該溶液326來(lái)從隔膜模塊310中的海水中提取水。
在第二隔膜模塊312中，經(jīng)由管道324取出的溶液與半滲透隔膜328相接觸。比經(jīng)由管道324取出的溶液具有更高的總?cè)芙恹}濃度的硫酸鎂溶液330與隔膜328的相對(duì)側(cè)相接觸。隔膜328任一側(cè)的滲透壓差使得水流過(guò)隔膜328以稀釋硫酸鎂溶液330。
將經(jīng)稀釋的硫酸鎂溶液330取出，并將其引入納米過(guò)濾單元316。單元316中的納米過(guò)濾隔膜用于從經(jīng)稀釋的硫酸鎂溶液中分離溶質(zhì)成分?；厥諡V出物332的一部分332，同時(shí)將剩余部分334返回第二模塊312。
即使不施加壓力來(lái)促使水流過(guò)隔膜320、328，從隔膜模塊310、312取出的該經(jīng)稀的釋溶液也可處于增高壓力下。這是因?yàn)樗牧鲃?dòng)沿濃度梯度發(fā)生。該壓力可用于輔助隨后從經(jīng)稀釋的溶液中提取水。例如，額外的壓力可用于驅(qū)動(dòng)溶液通過(guò)納米過(guò)濾單元316中的隔膜。
循環(huán)通過(guò)第一隔膜模塊310的硫酸鎂溶液322可任選地由磷酸氫二鈉(Na2HPO4·12H2O)所取代。磷酸鈉的溶解度對(duì)溫度變化比硫酸鎂的更敏感。這可以提高熱分離單元314的效率。
圖7的裝置與圖6的裝置類(lèi)似。因此，使用相同的標(biāo)號(hào)來(lái)表示相同的部分。然而與圖6的裝置不同的是，圖7的裝置還包括多級(jí)閃蒸餾單元336。
在使用中，從納米過(guò)濾單元316回收濾出物的一部分332，同時(shí)將濾出物的剩余部分334引入多級(jí)閃蒸餾單元336中。在多級(jí)閃蒸餾單元336中，將水作為蒸汽從濾出物334中分離，對(duì)該蒸汽進(jìn)行冷凝并經(jīng)由管道338進(jìn)行回收。來(lái)自多級(jí)閃蒸餾的殘留溶液340被返回至第二模塊312。
圖8的裝置與圖6的裝置類(lèi)似。因此，使用相同的標(biāo)號(hào)來(lái)表示相同的部分。然而，在使用中，將經(jīng)稀釋的硫酸鎂溶液322從第一隔膜模塊310直接引入到第二隔膜模塊312，而不是熱分離單元314。
在第二隔膜模塊312中，經(jīng)稀釋的硫酸鎂溶液322與半滲透隔膜328相接觸。具有高于溶液322的總?cè)芙恹}濃度的另一硫酸鎂溶液330與隔膜328的相對(duì)側(cè)相接觸。滲透壓差使得水流過(guò)隔膜328來(lái)稀釋另一硫酸鎂溶液330。
將來(lái)自第二模塊312的經(jīng)稀釋的溶液330引入熱分離單元314中。在熱分離單元314中，對(duì)該溶液進(jìn)行冷卻，從而使得該溶液中的溶解的溶質(zhì)沉淀在單元314的底部。溶液的剩余部分具有減小的溶質(zhì)濃度，并將其經(jīng)由管道324從單元頂部取出。將該流引入納米過(guò)濾單元316中，在該單元對(duì)其進(jìn)行過(guò)濾以產(chǎn)生經(jīng)過(guò)濾的水流?；厥账鞯囊徊糠?32，同時(shí)將剩余部分經(jīng)由管道334再循環(huán)至第二模塊312。
來(lái)自熱分離單元314底部的溶液326具有增大的溶質(zhì)濃度，并被再利用，以從第二隔膜模塊312中的海水中提取水。
在圖9的裝置400中，提供了隔膜模塊410、多級(jí)閃蒸餾單元412、納米過(guò)濾單元416以及熱分離單元414。
在使用中，海水418循環(huán)通過(guò)選擇性滲透隔膜的一側(cè)的第一模塊410，同時(shí)硫酸鎂溶液420循環(huán)通過(guò)隔膜的相對(duì)側(cè)的模塊410。與隔膜相接觸的硫酸鎂溶液420比海水418具有更高的總?cè)芙恹}(溶質(zhì))濃度。因此，水通過(guò)滲透從隔膜的海水側(cè)流到隔膜的溶液側(cè)。
將經(jīng)稀釋的硫酸鎂溶液420的一部分422引入多級(jí)閃蒸餾單元412中。在單元412中，將從溶液中提取出的蒸汽冷凝為純水流424。將單元412中排出的殘留溶液426引入熱分離單元414中。在熱分離單元414，對(duì)溶液426進(jìn)行冷卻，從而使得該溶液中的至少一些溶解的溶質(zhì)從該溶液中沉淀到單元414的底部。溶液的剩余部分428具有減小的溶質(zhì)濃度，并在納米過(guò)濾單元416中對(duì)其進(jìn)行過(guò)濾，來(lái)提供純水流430。取出來(lái)自熱分離單元414的底部的溶液，并將其返回至隔膜模塊410。
圖10的裝置與圖9的裝置類(lèi)似，并且使用相同的標(biāo)號(hào)表示相同的部分。
在使用中，從隔膜模塊410中取出溶液420，并將溶液420引入熱分離單元414。在熱分離單元414中，對(duì)溶液420進(jìn)行冷卻，使得溶解的溶質(zhì)從該溶液中沉淀到單元414的底部。溶液的剩余部分具有減小的溶質(zhì)濃度。從單元414中取出該溶液428，并將其引入納米過(guò)濾單元416中。在該單元414底部的溶液具有更高的溶質(zhì)濃度，并被引入多級(jí)閃蒸餾單元412中。
在納米過(guò)濾單元416中，溶液428穿過(guò)納米過(guò)濾隔膜(未示出)，該納米過(guò)濾隔膜將水與溶液428分離。經(jīng)由管道430提取部分水的一部分，同時(shí)經(jīng)由管道436排除剩余部分，以通過(guò)多級(jí)閃蒸餾進(jìn)行進(jìn)一步凈化。
在多級(jí)閃蒸餾單元412中，將水作為蒸汽從溶液434中提取出來(lái)，將該蒸汽冷凝為純水流424。來(lái)自多級(jí)閃蒸餾單元的殘留溶液426被再循環(huán)到隔膜模塊410。
權(quán)利要求
1.一種用于從第一溶液中去除溶劑的處理，所述處理包括以下步驟將選擇性隔膜置于第一溶液與比第一溶液具有更高滲透勢(shì)的第二溶液之間，使得來(lái)自第一溶液的溶劑穿過(guò)隔膜來(lái)稀釋第二溶液，和從第二溶液中提取溶劑，其中，隔膜具有至少10埃的平均孔隙尺寸，并且其中，第二溶液包含太大而不能穿過(guò)隔膜的孔隙的溶質(zhì)物質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的處理，其中，通過(guò)隔膜和/或熱分離方法來(lái)從第二溶液中提取溶劑。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的處理，其中，通過(guò)離子交換、電滲析、納米過(guò)濾、反滲透、多級(jí)閃蒸餾、多效蒸餾、機(jī)械蒸汽壓縮、速?lài)姷?、結(jié)晶以及反滲透中的至少一種，來(lái)從第二溶液中提取溶劑。
4.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的處理，其中，第二溶液中的溶質(zhì)物質(zhì)包括比隔膜的平均孔隙尺寸大的至少一種陽(yáng)離子物質(zhì)和/或至少一種陰離子物質(zhì)。
5.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的處理，其中，第二溶液是水溶液，該水溶液包括硫酸鎂(MgSO4·6H2O或MgSO4·7H2O)、硫酸鈉(Na2SO4·10H2O)、氯化鈣(CaCl2·2H2O或CaCl2·6H2O)、鉀明礬(24H2O)、磷酸氫二鈉(Na2HPO4·12H2O)、葡萄糖、果糖以及/或者蔗糖中的至少一種。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的處理，其中，第二溶液還包括氯化鈉和/或氯化鉀中的至少一種。
7.一種用于從第一溶液中去除溶劑的處理，所述處理包括以下步驟將選擇性隔膜置于第一溶液與比第一溶液具有更高滲透勢(shì)的第二溶液之間，使得來(lái)自第一溶液的溶劑穿過(guò)隔膜來(lái)稀釋第二溶液，和通過(guò)從生物淡化、沉淀、多級(jí)閃蒸餾、多效淡化、機(jī)械蒸汽壓縮、速?lài)姷?、結(jié)晶以及納米過(guò)濾中選擇的技術(shù)，從第二溶液中回收溶劑。
8.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的處理，其中，隔膜具有10到80埃的平均孔隙尺寸。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的處理，其中，隔膜是具有小于10埃的平均孔隙尺寸的半滲透隔膜。
10.根據(jù)權(quán)利要求7到9中的任何一項(xiàng)所述的處理，其中，第二溶液是水溶液，該水溶液包括硫酸鎂(MgSO4·6H2O或MgSO4·7H2O)、硫酸鈉(Na2SO4·10H2O)、氯化鈣(CaCl2·2H2O或CaCl2·6H2O)、鉀明礬(24H2O)、磷酸氫二鈉(Na2HPO4·12H2O)、葡萄糖、果糖、蔗糖、氯化鈉以及氯化鉀中的至少一種。
11.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的處理，其中，第二溶液具有已知成分。
12.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的處理，其中，第二溶液的溶劑與第一溶液的溶劑相同。
13.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的處理，其中，第二溶液的溶劑為水。
14.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的處理，其中，第一溶液為來(lái)自工業(yè)或農(nóng)業(yè)處理的廢流，或者為生活水流。
15.根據(jù)權(quán)利要求1到13中的任何一項(xiàng)所述的處理，其中，第一溶液為鹽溶液。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的處理，其中，鹽溶液為海水或半咸水。
17.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的處理，其中，溶劑從第一溶液流向第二溶液增高了第二溶液的壓力。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的處理，其中，所述增高的壓力用來(lái)在隨后的處理步驟中輔助從第二溶液中提取溶劑。
19.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的處理，其中，在來(lái)自第一溶液的溶劑穿過(guò)隔膜來(lái)稀釋第二溶液之后，使經(jīng)稀釋的第二溶液與另一選擇性隔膜的一側(cè)相接觸，而使比該經(jīng)稀釋的第二溶液具有更高滲透勢(shì)的另一溶液與隔膜的另一側(cè)相接觸，使得來(lái)自該經(jīng)稀釋的第二溶液的溶劑穿過(guò)隔膜來(lái)稀釋所述另一溶液。
20.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的處理，其中，第二溶液包含從防結(jié)垢劑、防腐劑、防污劑以及消毒劑中選擇的添加劑。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的處理，其中，所述第二溶液在閉環(huán)中進(jìn)行循環(huán)，使得所述添加劑得到再利用。
22.一種用于從第一溶液中去除溶劑的裝置，所述裝置包括外殼，包括用于將第一溶液與比第一溶液具有更高滲透勢(shì)的第二溶液進(jìn)行分離的選擇性隔膜，所述隔膜被構(gòu)造為選擇性地允許溶劑從隔膜的第一溶液側(cè)流到隔膜的第二溶液側(cè)，從多級(jí)閃蒸餾、多效淡化單元、機(jī)械蒸汽壓縮單元、速?lài)姷瘑卧⒔Y(jié)晶單元以及納米過(guò)濾單元中選擇的單元，以及用于將所述外殼連接至所述單元的裝置。
全文摘要
一種用于從第一溶液中去除溶劑的處理，所述處理包括以下步驟將選擇性隔膜置于第一溶液與比第一溶液具有更高滲透勢(shì)的第二溶液之間，使得來(lái)自第一溶液的溶劑穿過(guò)隔膜來(lái)稀釋第二溶液；和從第二溶液中提取溶劑，其中，隔膜具有至少10埃的平均孔隙尺寸，并且其中，第二溶液包含太大而不能穿過(guò)隔膜的孔隙的溶質(zhì)物質(zhì)。
文檔編號(hào)B01D61/00GK1856447SQ200480027912
公開(kāi)日2006年11月1日 申請(qǐng)日期2004年7月28日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月30日
發(fā)明者阿德?tīng)枴ど忱锓? 阿卜杜勒薩拉姆·阿勒·馬亞齊 申請(qǐng)人:薩里大學(xué)