滲透分離系統(tǒng)和方法
【專利摘要】公開了使用滲透驅(qū)動(dòng)膜系統(tǒng)的分離方法，一般包括通過使用第二濃縮溶液來吸引第一溶液中的溶劑穿過半透膜，而從所述第一溶液提取所述溶劑以濃縮溶質(zhì)。使用來自工業(yè)或商業(yè)來源的低位廢熱可以得到增強(qiáng)的效率。預(yù)處理和后處理也可以增強(qiáng)滲透驅(qū)動(dòng)膜方法。
【專利說明】滲透分離系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]一個(gè)或多個(gè)方面一般涉及滲透分離。更具體地，一個(gè)或多個(gè)方面涉及使用滲透驅(qū)動(dòng)膜方法，例如正向滲透，以分離溶液中的溶質(zhì)。
【背景技術(shù)】
[0002]已經(jīng)將正向滲透用于脫鹽。一般而言，正向滲透脫鹽方法涉及具有被半透膜隔開的兩個(gè)室的容器。一個(gè)室包含海水。另一個(gè)室包含濃縮溶液，其在海水和濃縮溶液之間產(chǎn)生濃度梯度。該梯度吸引海水中的水穿過膜進(jìn)入到濃縮溶液中，所述膜選擇性地允許水通過而不允許鹽通過。逐漸地，進(jìn)入濃縮溶液中的水將該溶液稀釋。然后從該稀釋的溶液移除溶質(zhì)，以產(chǎn)生飲用水。
[0003]正向滲透系統(tǒng)的一個(gè)缺點(diǎn)是破壞系統(tǒng)離子平衡的離子交換現(xiàn)象。例如，在使用NH3-CO2吸引溶液和NaCl進(jìn)料溶液的系統(tǒng)中，Na+和NH4+離子將穿過膜而交換，這可以導(dǎo)致更高鹽度的產(chǎn)物水和增加的回收吸引溶質(zhì)的難度。一些脫鹽裝置目前使用預(yù)處理和后處理離子交換或類似方法；然而，該使用通常被用于進(jìn)一步調(diào)節(jié)產(chǎn)物溶劑，而不是試圖克服這些缺點(diǎn)，特別是對于回收吸引溶質(zhì)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]各方面一般涉及滲透驅(qū)動(dòng)膜系統(tǒng)和方法，包括正向滲透分離(FO)、直接滲透濃縮(DOC)、壓力輔助正向滲透和壓力延緩滲透(PRO)。
[0005]一方面，本發(fā)明涉及滲透驅(qū)動(dòng)膜方法以及維持其離子平衡的方法。所述過程/方法包括將第一溶液引入正向滲透膜的第一側(cè)并將濃縮吸引溶液引入正向滲透膜的第二側(cè)的步驟。所述濃縮吸引溶液具有足以維持跨膜的滲透濃度梯度的溶質(zhì)濃度。所述過程/方法還包括促進(jìn)所述第一溶液的溶劑流動(dòng)穿過所述膜，從而在所述正向滲透膜的第一側(cè)形成第二溶液，并在所述正向滲透膜的第二側(cè)形成稀釋的吸引溶液。所述第二溶液包含經(jīng)由通過膜的反向離子交換的至少一種第一離子物類的溶質(zhì)(例如，銨)。此外，所述過程/方法包括將所述稀釋的吸引溶液導(dǎo)入分離系統(tǒng)并將所述稀釋的吸引溶液分離成吸引溶質(zhì)和溶劑?；厥盏娜軇┌辽僖环N第二離子物類的溶質(zhì)；例如，通過正向滲透膜交換的鈉離子(Na+)和/或由于離子失衡而留存在回收溶劑中的碳酸根離子，離子失衡阻礙全部的吸引溶質(zhì)從稀釋的吸引溶液中回收。離子失衡可以是跨正向滲透膜發(fā)生的離子交換的結(jié)果。所述過程/方法還包括以下步驟:將吸引溶質(zhì)再循環(huán)入被引入正向滲透膜的第二側(cè)的濃縮吸引溶液以維持其中的滲透濃度梯度，將回收的溶劑導(dǎo)入反向滲透系統(tǒng)，給回收的溶劑加壓以產(chǎn)生純化的溶劑和包含至少一種第二離子物類的溶質(zhì)的濃縮溶液，并將所述濃縮溶液引入被引入正向滲透膜的第一側(cè)的第一溶液。第二離子物類的溶質(zhì)與第一離子物類的溶質(zhì)在第二溶液內(nèi)平衡形成第二溶液內(nèi)另外的可去除的吸引溶質(zhì)。具體地，各種正和負(fù)離子物類的溶質(zhì)以等電荷平衡駐留在第二溶液內(nèi)。然后將第二溶液導(dǎo)入分離/再循環(huán)系統(tǒng)以回收另外的吸引溶質(zhì)。與第二離子物類的溶質(zhì)(或其形式)組合的第一離子物類的溶質(zhì)(或其形式)使得每個(gè)物類的吸引溶質(zhì)可從第二溶液去除。
[0006]可選地，可以將來自反向滲透單元的濃縮溶液引入膜第一側(cè)的第二溶液、分離/再循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的第二溶液、和/或從膜第一側(cè)轉(zhuǎn)移至分離/再循環(huán)系統(tǒng)時(shí)的第二溶液。在一些實(shí)施方案中，來自反向滲透單元的濃縮溶液可以具有比第一溶液更大數(shù)目的總?cè)芙夤腆w(TDS)，在這種情況下，優(yōu)選將濃縮溶液引入正向滲透單元下游的第二溶液，從而避免更大TDS對正向滲透單元的可能的不利影響。在一些情況下，第二溶液可以包含來自其他來源的另外的銨，其也可以用公開的系統(tǒng)和方法來回收。
[0007]另一方面，本發(fā)明涉及使?jié)B透驅(qū)動(dòng)膜系統(tǒng)中吸引溶質(zhì)回收最大化的方法。該方法包括以下步驟:提供具有正向滲透膜并被配置用于在所述膜的第一側(cè)接收第一溶液并在所述膜的第二側(cè)接收濃縮吸引溶液的第一滲透驅(qū)動(dòng)膜系統(tǒng)，使用所述濃縮吸引溶液從所述第一溶液滲透分離溶劑，從而在所述膜的第一側(cè)形成第二溶液并在所述膜的第二側(cè)形成稀釋的吸引溶液。第二溶液包含經(jīng)由通過膜的反向離子交換的至少一種第一離子物類的溶質(zhì)?？梢詫⑾♂尩奈芤簩?dǎo)入分離/再循環(huán)系統(tǒng)以進(jìn)一步處理。所述方法還包括分離稀釋的吸引溶液以回收至少一種吸引溶質(zhì)和溶劑?；厥盏娜軇┌辽僖环N第二離子物類的溶質(zhì)。所述方法還包括以下步驟:使回收的至少一種吸引溶質(zhì)再循環(huán)至第一滲透驅(qū)動(dòng)膜系統(tǒng)；提供具有反向滲透膜的第二滲透驅(qū)動(dòng)膜系統(tǒng)；在所述第二滲透驅(qū)動(dòng)膜系統(tǒng)中給回收的溶劑加壓，以回收基本上純的溶劑和包含所述至少一種第二離子物類的溶質(zhì)的濃縮溶液；和將具有至少一種第二離子物類的溶質(zhì)的濃縮溶液再循環(huán)至第一滲透驅(qū)動(dòng)膜系統(tǒng)。將濃縮溶液添加至第一溶液，從而得到包含至少一種第一離子物類的溶質(zhì)和至少一種第二離子物類的溶質(zhì)的第二溶液。至少一種第一物類的溶質(zhì)與至少一種第二物類的溶質(zhì)平衡以形成另外的可去除的吸引溶質(zhì)。所述方法包括分離第二溶液以回收另外的吸引溶質(zhì)和第三溶液的步驟?？梢詫⒌诙芤簩?dǎo)入第二分離/再循環(huán)系統(tǒng)，或者可以使用與稀釋的吸引溶液使用的相同的分離/再循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行該分離步驟。
[0008]在前述方面的各種實(shí)施方案中，所述方法包括將另外吸引溶質(zhì)再循環(huán)入濃縮吸引溶液的步驟。在一個(gè)或更多實(shí)施方案中，分離稀釋的吸引溶液的步驟包括蒸餾。濃縮吸引溶液可以包含至少一種熱可去除的吸引溶質(zhì)和/或包含至少1:1摩爾比的氨和二氧化碳。
[0009]在另一方面，本發(fā)明涉及用于從第一溶液滲透提取溶劑的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括:正向滲透系統(tǒng)，該正向滲透系統(tǒng)具有具有與第一溶液源流體連接的進(jìn)口的第一室、具有與濃縮吸引溶液源流體連接的進(jìn)口的第二室、和分隔第一室與第二室的半透膜系統(tǒng)；第一分離系統(tǒng)，其與正向滲透系統(tǒng)在第二室的下游流體聯(lián)接，并被配置以從其接收稀釋的吸引溶液并將稀釋的吸引溶液分離成吸引溶質(zhì)和溶劑流；壓力交換器(例如，泵)，其與分離系統(tǒng)流體聯(lián)接并被配置以加壓并運(yùn)輸溶劑流；與壓力交換器流體聯(lián)接的反向滲透系統(tǒng)，其中反向滲透系統(tǒng)包括被配置用于接收加壓的溶劑流的第一室、與第一室聯(lián)接的半透膜、和與半透膜聯(lián)接并被配置用于接收流經(jīng)膜的溶劑的第二室。反向滲透單元的第一室與正向滲透單元的第一室流體聯(lián)接以提供至少一部分第一溶液。所述系統(tǒng)還包括第二分離系統(tǒng)，其與正向滲透單元的第一室流體聯(lián)接并被配置用于從其接收濃縮第一溶液并從所述濃縮第一溶液去除吸引溶質(zhì)和產(chǎn)物流的至少一種。
[0010]在另一方面，本發(fā)明涉及用于從第一溶液滲透提取溶劑的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括被配置用于接收半透膜一側(cè)的進(jìn)料溶液并接受所述膜對側(cè)的濃縮吸引溶液的正向滲透系統(tǒng)，與正向滲透系統(tǒng)流體聯(lián)接并被配置用于從正向滲透系統(tǒng)接收稀釋的吸引溶液并將稀釋的吸引溶液分離成吸引溶質(zhì)和溶劑流的第一分離系統(tǒng)，與所述分離系統(tǒng)流體聯(lián)接并被配置以加壓并運(yùn)輸所述溶劑流的壓力交換器，與所述壓力交換器流體聯(lián)接并被配置用于在半透膜第一側(cè)接收加壓溶劑流并具有用于接收流經(jīng)所述膜的產(chǎn)物溶劑的膜的對側(cè)的反向滲透系統(tǒng)，其中所述膜的第一側(cè)與正向滲透單元流體聯(lián)接以提供作為第一溶液的至少一部分的濃縮加壓溶劑，并且第二分離系統(tǒng)與正向滲透系統(tǒng)流體聯(lián)接并被配置用于從其接收濃縮第一溶液并從所述濃縮第一溶液去除吸引溶質(zhì)和產(chǎn)物流的至少一種。
[0011]在本發(fā)明前述方面的各種實(shí)施方案中，所述系統(tǒng)包括與所述第二分離系統(tǒng)流體連通的再循環(huán)系統(tǒng)，用于將分離的吸引溶質(zhì)返回所述濃縮吸引溶液。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，所述第一分離系統(tǒng)和第二分離系統(tǒng)可以包括蒸餾柱或接觸膜的至少一個(gè)。在某些實(shí)施方案中，濃縮吸引溶液包含至少一比一摩爾比的氨和二氧化碳。
[0012]另一方面，本發(fā)明涉及用于從第一溶液滲透提取溶劑的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括正向滲透系統(tǒng)、預(yù)處理系統(tǒng)和分離系統(tǒng)。正向滲透系統(tǒng)包括具有與第一溶液源流體連接的進(jìn)口的第一室、具有與濃縮吸引溶液源流體連接的進(jìn)口的第二室、和分隔所述第一室與所述第二室的半透膜系統(tǒng)。預(yù)處理系統(tǒng)與第一溶液源和正向滲透系統(tǒng)流體連通。在一個(gè)實(shí)施方案中，預(yù)處理系統(tǒng)置于第一溶液源和正向滲透系統(tǒng)之間。分離系統(tǒng)在第二室的下游流體連接以回收吸引溶質(zhì)或溶劑流的至少一個(gè)。分離系統(tǒng)可以包括蒸餾柱或接觸膜的至少一種、被配置用于從第二室接收稀釋的吸引溶液的分離系統(tǒng)。
[0013]在各種實(shí)施方案中，濃縮吸引溶液包含至少一比一的所需摩爾比的氨和二氧化碳。預(yù)處理系統(tǒng)可以包括以下的至少一個(gè):用于預(yù)熱第一溶液的熱源，用于調(diào)節(jié)第一溶液PH的裝置，用于過濾第一溶液的濾器或其他裝置(例如，碳或沙過濾)，用于聚合物添加的裝置，或用于軟化第一溶液的裝置。該系統(tǒng)還可以包括與溶劑流流體連通的后處理系統(tǒng)。后處理系統(tǒng)可以包括以下的至少一個(gè):反向滲透系統(tǒng)、離子交換系統(tǒng)、第二正向滲透系統(tǒng)、蒸餾系統(tǒng)、全蒸發(fā)器、機(jī)械蒸氣再壓縮系統(tǒng)或過濾系統(tǒng)。在其他實(shí)施方案中，該系統(tǒng)還可以包括再循環(huán)系統(tǒng)，包括被配置以促進(jìn)吸引溶質(zhì)重新引入第二室以維持所需摩爾比的吸引溶液的吸收器。
[0014]另一方面，本發(fā)明涉及用于從第一溶液滲透提取溶劑的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括正向滲透系統(tǒng)、分離系統(tǒng)和后處理系統(tǒng)。正向滲透系統(tǒng)包括具有與第一溶液源流體連接的進(jìn)口的第一室、具有與濃縮吸引溶液源流體連接的進(jìn)口的第二室、和分隔所述第一室與所述第二室的半透膜系統(tǒng)。分離系統(tǒng)在第二室的下游流體連接以回收吸引溶質(zhì)或溶劑流的至少一個(gè)。后處理系統(tǒng)與溶劑流流體連通。
[0015]在各種實(shí)施方案中，濃縮吸引溶液包含至少一比一的所需摩爾比的氨和二氧化碳。后處理系統(tǒng)可以包括以下的至少一個(gè):反向滲透系統(tǒng)、離子交換系統(tǒng)、第二正向滲透系統(tǒng)、蒸餾系統(tǒng)、全蒸發(fā)器、機(jī)械蒸氣再壓縮系統(tǒng)或過濾系統(tǒng)。該系統(tǒng)還可以包括與第一溶液源流體連通的預(yù)處理系統(tǒng)，例如，預(yù)處理系統(tǒng)可以置于第一溶液源和正向滲透系統(tǒng)之間。預(yù)處理系統(tǒng)可以包括以下的至少一個(gè):用于預(yù)熱第一溶液的熱源，用于調(diào)節(jié)第一溶液pH的裝置，用于過濾第一溶液的濾器或其他裝置(例如，碳或沙過濾)，用于聚合物添加的裝置，或用于軟化第一溶液的裝置。該系統(tǒng)還可以包括再循環(huán)系統(tǒng)，包括被配置以促進(jìn)吸引溶質(zhì)重新引入第二室以維持所需摩爾比的吸引溶液的吸收器。在一些實(shí)施方案中，分離系統(tǒng)可以包括蒸餾柱或接觸膜的至少一個(gè)、被配置用于從第二室接收稀釋的吸引溶液的分離系統(tǒng)。
[0016]根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案，用于從第一溶液滲透提取溶劑的系統(tǒng)可以包括具有與第一溶液源流體連接的進(jìn)口的第一室、具有與包含至少一比一的所需摩爾比的氨和二氧化碳的濃縮吸引溶液源流體連接的進(jìn)口的第二室、分隔第一室與第二室的半透膜系統(tǒng)、與第一溶液源或第一室的至少一個(gè)流體連通的預(yù)處理操作、在第二室的下游流體連接的分離系統(tǒng)、被配置以從第二室接收稀釋的吸引溶液并回收吸引溶質(zhì)和溶劑流的分離系統(tǒng)、包括被配置以促進(jìn)吸引溶質(zhì)重新引入第二室以維持所需摩爾比的吸收器的再循環(huán)系統(tǒng)、和與溶劑流流體連通的后處理操作。在一個(gè)實(shí)施方案中，分離系統(tǒng)包括蒸餾柱。
[0017]本發(fā)明的其他方面涉及利用本文描述的系統(tǒng)和方法來處理廢水。根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案，處理廢水的方法可以包括將具有高生化需氧量或高化學(xué)需氧量的廢水引入到半透膜的第一側(cè)，將包含至少一比一摩爾比的氨和二氧化碳的濃縮吸引溶液引入到半透膜的第二側(cè)以維持所需的跨半透膜的滲透濃度梯度，促進(jìn)至少一部分所述廢水流動(dòng)穿過所述半透膜以在所述半透膜的第一側(cè)形成第二溶液并在所述半透膜的第二側(cè)形成稀釋的吸引溶液，并將至少一部分所述稀釋的吸引溶液引入分離操作以回收吸引溶質(zhì)和溶劑流。所述方法還可以包括以下任選的步驟:將吸引溶質(zhì)重新引入半透膜的第二側(cè)以維持濃縮吸引溶液中氨與二氧化碳的所需摩爾比，和收集溶劑流。
[0018]在一些實(shí)施方案中，所述方法還可以包括將第二溶液引入二級過程，例如厭氧消化器。在其他實(shí)施方案中，所述方法還可以包括將第二溶液引入焚燒器?？梢詫姆贌骰蛘邚膩碜韵鞯募淄槿紵a(chǎn)生的熱提供至分離操作。在至少一些實(shí)施方案中，所述方法還可以包括控制半透膜積垢。
[0019]另一方面，本發(fā)明涉及正向滲透方法。所述方法包括以下步驟:將具有溶劑和至少一種溶質(zhì)的第一溶液引入半透膜的第一側(cè)，將多個(gè)沉淀成核結(jié)晶(“晶種”)引入第一溶液，將濃縮吸引溶液引入所述半透膜的第二側(cè)，促進(jìn)所述第一溶液中所述至少一種溶質(zhì)的成核，并促進(jìn)至少一部分所述溶劑流動(dòng)穿過所述半透膜，以在所述半透膜的第一側(cè)形成第二溶液并在所述半透膜的第二側(cè)形成稀釋的吸引溶液。所述多個(gè)晶種可以包括基本上均一組成和構(gòu)型的晶種，然而，可以將具有不同組成和/或構(gòu)型的晶種引入用于不同溶質(zhì)的選擇性成核。選擇晶種的量、組成和構(gòu)型以適合特定應(yīng)用；例如，回收藥物化合物的回收和/或不想要溶質(zhì)的去除。促進(jìn)成核的步驟可以包括溶液中晶種的引入和被動(dòng)分散以及任選地?cái)嚢?、通氣或促進(jìn)第一溶液內(nèi)晶種混合的其他手段。
[0020]在前述方面的各種實(shí)施方案中，所述方法可以包括將至少一部分所述稀釋的吸引溶液導(dǎo)入分離單元以回收溶劑流或吸引溶質(zhì)的至少一個(gè)的步驟，以及將吸引溶質(zhì)重新引入所述半透膜的第二側(cè)的濃縮吸引溶液以維持在所述濃縮吸引溶液中的所需摩爾比的步驟。在一個(gè)實(shí)施方案中，促進(jìn)至少一部分溶劑流動(dòng)的步驟包括維持跨半透膜的滲透濃度梯度，其可以包括維持濃縮吸引溶液中氨和二氧化碳至少1:1的摩爾比。任選地，所述方法可以包括以下步驟:監(jiān)測濃縮吸引溶液的一個(gè)或多個(gè)特征，并且必要時(shí)通過例如將吸引溶質(zhì)重新引入溶液以改變其摩爾比來調(diào)整吸引溶液。所述方法還可以包括回收至少一部分從所述第一溶液沉淀出的至少一種溶質(zhì)的步驟?；厥粘恋淼娜苜|(zhì)可以包括通過例如溶質(zhì)的過濾、重力沉降(例如，在分離的室中)、分類和優(yōu)先沉淀、熱交換或其他分離手段來進(jìn)一步處理所述溶質(zhì)和/或第一溶液。例如，在某些實(shí)施方案中，當(dāng)沉淀的溶質(zhì)包括或包含有機(jī)物質(zhì)時(shí)，可以將沉淀的溶質(zhì)或漿料導(dǎo)入焚燒器或消化器以進(jìn)一步處理。
[0021]另一方面，本發(fā)明涉及用于使用滲透處理溶液的系統(tǒng)。所述系統(tǒng)包括正向滲透模塊和用于將多個(gè)晶種引入正向滲透模塊的裝置。正向滲透模塊包括與包含溶劑和至少一種溶質(zhì)的第一溶液的源流體連通的第一室、與濃縮吸引溶液流體連通的第二室、和聯(lián)接所述第一室和所述第二室的半透膜。用于引入多個(gè)晶種的裝置被配置以將多個(gè)晶種引入第一室，其中當(dāng)將第一溶液引入第一室時(shí)，所述多個(gè)晶種導(dǎo)致至少一部分所述至少一種溶質(zhì)的成核。用于引入多個(gè)晶種的裝置可以包括來自系統(tǒng)中其他地方或者靠近第一室放置的料斗的一部分去除的沉淀晶體的再循環(huán)，以提供(有或沒有計(jì)量)晶種進(jìn)入第一室或分離系統(tǒng)，包括例如用于容納多個(gè)晶種(作為干晶體或漿料)的貯器和用于將晶種從貯器遞送至第一室的必要的泵(或其他原動(dòng)力)、鉛管和閥。所述裝置和/或第一室還可以包括空氣源、混合器和/或?qū)Я靼?，以輔助晶種在第一溶液內(nèi)的引入和分散。
[0022]在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，所述系統(tǒng)可以包括與第二室流體連通、用于回收溶劑流和吸引溶質(zhì)的至少一個(gè)的分離模塊，以及用于將吸引溶質(zhì)再循環(huán)入濃縮吸引溶液的裝置。分離模塊和再循環(huán)裝置可以包括例如其他室、濾器、熱交換器、蒸餾柱、接觸膜和必要的管路，以將吸引溶質(zhì)回收并重新引入濃縮吸引溶液。所述系統(tǒng)還可以包括與第一室流體連通、用于回收沉淀的溶質(zhì)的回收模塊?；厥漳K可以包括例如沉降罐、濾器、焚燒器和/或消化器(例如，其中沉淀隨著BOD或COD濃度而發(fā)生)。
[0023]另一方面，本發(fā)明涉及使用滲透處理溶液的裝置。所述裝置包括被配置用于接收包含溶劑和至少一種溶質(zhì)的第一溶液的室；置于所述室內(nèi)的膜模塊；和用于將多個(gè)晶種引入所述室的裝置，其中所述多個(gè)晶種導(dǎo)致所述室中第一溶液中至少一部分的所述至少一種溶質(zhì)的成核。膜模塊包括具有與所述室中所述第一溶液流體連通的外表面和用于接收濃縮吸引溶液的內(nèi)表面的半透膜。
[0024]下文詳細(xì)討論這些示例性方面和實(shí)施方案的其它方面、實(shí)施方案和優(yōu)點(diǎn)。此外,應(yīng)理解上述信息和以下詳細(xì)描述都僅為各個(gè)方面和實(shí)施方案的示例說明性實(shí)例，并且預(yù)期提供用于理解要求保護(hù)的方面和實(shí)施方案的性質(zhì)和特征的概述或框架。因此，通過參照如下描述和附圖，本文公開的本發(fā)明的這些和其他目的以及優(yōu)點(diǎn)和特征將變得明顯。此外，應(yīng)了解本文描述的各個(gè)實(shí)施方案的特征并非互相排斥，并且可以以各種組合和排列存在。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]在附圖中，類似的附圖標(biāo)記通常在不同的視圖中指相同的部分。而且，附圖不一定是成比例的，相反，通常強(qiáng)調(diào)示例說明本發(fā)明的原理，而不旨在作為本發(fā)明的限制的定義。為了清楚的目的，在每個(gè)附圖中可能并未標(biāo)記每一個(gè)部件。在以下描述中，本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施方案參照如下附圖進(jìn)行描述，其中:
[0026]圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案的用于廢水處理的正向滲透系統(tǒng)/方法的不意圖；
[0027]圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案的用于廢水處理的可選系統(tǒng)/方法的示意圖；
[0028]圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案的用于滲透提取溶劑的系統(tǒng)的示意圖；
[0029]圖4是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案的圖3的系統(tǒng)的一個(gè)應(yīng)用的示意圖；[0030]圖5是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案的包括正向滲透單元和反向滲透單元的滲透系統(tǒng)的示意圖；和
[0031]圖6是描述被配置用于維持其離子平衡的滲透驅(qū)動(dòng)膜方法的各個(gè)步驟的流程圖?！揪唧w實(shí)施方式】
[0032]根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案，用于從溶液提取溶劑(例如，水)的滲透方法一般可以包括將所述溶液暴露于正向滲透膜的第一表面。可將相對于第一溶液或過程溶液具有增加的濃度的第二溶液或吸引溶液暴露于正向滲透膜的第二相對表面。然后，溶劑可從溶液被吸引通過正向滲透膜并進(jìn)入第二溶液，經(jīng)由正向滲透產(chǎn)生富含溶劑的溶液，正向滲透利用流體轉(zhuǎn)移性質(zhì)，涉及從較不濃縮溶液向較濃縮溶液移動(dòng)。富含溶劑的溶液，也稱為稀釋的吸引溶液，可在第一出口收集并經(jīng)歷進(jìn)一步的分離過程，以產(chǎn)生例如純化的水。可在第二出口收集第二產(chǎn)物流，例如消耗或濃縮的過程溶液，以排出或進(jìn)一步處理。
[0033]液壓一般可以促進(jìn)第一和第二溶液通過膜模塊沿著其各自通道的縱軸運(yùn)輸，而滲透壓一般可以促進(jìn)溶劑從進(jìn)料跨模塊中正向滲透膜至吸引溶液的運(yùn)輸?？蛇x地，液壓可以施加于進(jìn)料溶液以幫助溶劑從進(jìn)料流動(dòng)至吸引溶液，或者液壓可以施加于吸引溶液以允許從吸液溶液的體積膨脹中產(chǎn)生粉末，吸液溶液的體積膨脹是由于兩種溶液之間滲透壓差驅(qū)動(dòng)的溶劑從進(jìn)料溶液的膜通量(PRO)。一般而言，可以設(shè)計(jì)模塊內(nèi)的流動(dòng)通道以使引起通過這些通道的流動(dòng)(錯(cuò)流)所必需的液壓最小化，但這常常與在流動(dòng)通道中產(chǎn)生湍流的希望不符，湍流有益于兩種溶液之間滲透壓差的有效產(chǎn)生，其傾向于增加流動(dòng)阻力。較高的滲透壓差一般可以增加跨膜通量，但是也可以具有增加從稀釋的吸引溶液分離吸引溶質(zhì)所需熱量以產(chǎn)生稀釋的水產(chǎn)物和再濃縮的吸引溶液的趨向。
[0034]根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案，正向滲透膜可以包括一個(gè)或多個(gè)正向滲透膜。正向滲透膜一般可以是半透性的，例如，允許水穿過，但是排除其中溶解的溶質(zhì)，例如氯化鈉、碳酸銨、碳酸氫銨和氨基甲酸銨。許多類型的半透膜適合該目的，條件是它們能夠允許水(即，溶劑)穿過的同時(shí)阻止溶質(zhì)穿過，并且不與溶液中的溶質(zhì)反應(yīng)。膜可以具有許多構(gòu)型，包括薄膜、中空纖維膜、螺旋纏繞膜、單絲和盤管。存在許多公知的可商業(yè)途徑獲得的半透膜，其特征在于具有足以允許水穿過的小孔徑，同時(shí)篩掉溶質(zhì)分子，例如氯化鈉及其離子分子物類，例如氯化物。這種半透膜可以由有機(jī)或無機(jī)材料制成。在一些實(shí)施方案中，可以使用由諸如以下材料制成的膜:醋酸纖維素、硝酸纖維素、聚砜、聚偏二氟乙烯、聚酰胺和丙烯腈共聚物。其他膜可以是由諸如ZrO2和TiO2等材料制成的礦物膜或陶瓷膜。
[0035]優(yōu)選地，被選擇用作半透膜的材料一般能夠經(jīng)受膜可能經(jīng)受的各種處理?xiàng)l件。例如，可能希望膜能夠經(jīng)受升高的溫度，例如與滅菌或其他高溫過程相關(guān)的那些。在一些實(shí)施方案中，正向滲透膜模塊可以在約0-100攝氏度范圍內(nèi)的溫度下操作。在一些非限制性實(shí)施方案中，處理溫度范圍可以是約40-50攝氏度。同樣，可能希望膜能夠在各種pH條件下維持完整。例如，在膜環(huán)境中的一種或多種溶液，例如吸引溶液，可以或多或少的酸性或堿性。在一些非限制性實(shí)施方案中，正向滲透膜模塊可以在約2和11之間的pH水平下操作。在某些非限制性實(shí)施方案中，PH水平可以是約7至10。使用的膜不需要由這些材料的一種制成，并且它們可以是不同材料的復(fù)合物。在至少一個(gè)實(shí)施方案中，膜可以是不對稱膜，例如在第一表面上具有活性層，并且在第二表面上具有支持層。在一些實(shí)施方案中，活性層一般可以是拒絕層。例如，在一些非限制性實(shí)施方案中，拒絕層可以阻止鹽的穿過。在一些實(shí)施方案中，支持層，例如襯里層，一般可以是非活性的。
[0036]根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案，至少一個(gè)正向滲透膜可以位于外套或罩內(nèi)。外套的大小和形狀一般可以適應(yīng)位于其中的膜。例如，如果外套螺旋纏繞正向滲透膜，則外套可以基本上是圓柱形的。模塊的外套可以含有對模塊提供進(jìn)料和吸引溶液的進(jìn)口和用于產(chǎn)物流從模塊退出的出口。在一些實(shí)施方案中，外套可以提供至少一個(gè)貯器或室，用于容納或儲存被引入模塊或從模塊退出的流體。在至少一個(gè)實(shí)施方案中，外套可以是絕緣的。
[0037]根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案，分離過程可以包括將第一溶液暴露于半透膜的第一表面。具有比第一溶液濃度大的濃度的第二溶液可以暴露于該膜的第二相對表面。在一些實(shí)施方案中，可以通過使用第一試劑來調(diào)節(jié)第二溶液中溶質(zhì)的平衡以增加第二溶液內(nèi)可溶物類的溶質(zhì)的量，來增加第二溶液的濃度。然后，第一溶液和第二溶液之間的濃度梯度通過半透膜從第一溶液吸引溶劑進(jìn)入第二溶液，產(chǎn)生溶劑富集的溶液。根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案，可以從溶劑富集的第二溶液回收一部分溶質(zhì)并再循環(huán)至吸引溶液?；厥者^程可以產(chǎn)生溶劑產(chǎn)物流。濃度梯度還在半透膜的第一側(cè)上產(chǎn)生消耗的溶液，其可以被排放或者進(jìn)一步處理。消耗的溶液可以包含希望濃縮或回收的一種或多種目標(biāo)物類。
[0038]根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案，公開了使用滲透從第一溶液提取溶劑的裝置。在該裝置的一個(gè)非限制性實(shí)施方案中，該裝置具有第一室，該第一室具有進(jìn)口和出口。第一室的進(jìn)口可以與第一溶液源連接。半透膜分隔第一室與第二室。第二室具有進(jìn)口和第一和第二出口。在一些實(shí)施方案中，第三室可以接收來自第二室的第一出口的溶劑富集的第二溶液以及來自第二室第二出口的試劑。第三室可以包括與分離操作連接的出口，所述分離操作例如用于過濾溶劑富集的第二溶液的濾器。該濾器可以具有第一和第二出口，第一出口與第二室的進(jìn)口連接以將沉淀的溶質(zhì)再循環(huán)至第二室。在一些實(shí)施方案中，第四室可以接收來自分離操作的第二出口的溶劑富集的第二溶液。第四室可以具有用于加熱溶劑富集的第二溶液的加熱器。第四室中的第一出口可以將組成氣體返回第二室的進(jìn)口。如本文討論的，各種物類，例如來自第四室的氣體和/或來自第三室的沉淀的溶質(zhì)，可以在系統(tǒng)內(nèi)再循環(huán)。例如，這種物類可以在相同進(jìn)口或不同進(jìn)口引入第二室。第四室中的第二出口可以允許最終產(chǎn)物、例如溶劑從裝置排出。當(dāng)發(fā)生從一種溶液至另一溶液的跨膜流動(dòng)時(shí)，流動(dòng)通道構(gòu)型可以負(fù)責(zé)改變進(jìn)料溶液和吸引溶液的流量或流速。一般應(yīng)該設(shè)計(jì)膜系統(tǒng)中進(jìn)料溶液和吸引溶液的流動(dòng)通道為對于短長度和低至中流速而言是大致相等的，或者是分等級的，其中對于較長的通道長度和或較高的流量而言進(jìn)料變得更窄并且吸引變得更深。
[0039]根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案，一般可以構(gòu)建并安排正向滲透膜模塊以使第一溶液和第二溶液分別與半透膜的第一和第二側(cè)形成接觸。盡管第一和第二溶液可以保持停滯，但優(yōu)選通過錯(cuò)流，即與半透膜表面平行的流動(dòng)引入第一和第二溶液。這一般可以增加沿著一個(gè)或多個(gè)流體流路的膜表面積接觸，從而增加正向滲透效率。在一些實(shí)施方案中，第一和第二溶液可以相同方向流動(dòng)。在其他實(shí)施方案中，第一和第二溶液可以相反方向流動(dòng)。在至少一些實(shí)施方案中，膜表面的兩側(cè)上可以存在相似的流體動(dòng)力學(xué)。這可以通過模塊或外套中一個(gè)或多個(gè)正向滲透膜的策略集成來實(shí)現(xiàn)。
[0040]根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案，可以將吸引溶質(zhì)回收再利用。吸引溶質(zhì)回收過程的實(shí)例描述于McGinnis的美國專利公布號2012/0067819( ‘819公布)，其公開內(nèi)容通過引用整體并入本文。分離系統(tǒng)可以從稀釋的吸引溶液剝離溶質(zhì)以產(chǎn)生基本上無溶質(zhì)的產(chǎn)物水。分離系統(tǒng)可以包括蒸餾柱。然后，可以例如通過再循環(huán)系統(tǒng)將吸引溶質(zhì)返回濃縮吸引溶液?？梢詽饪s或吸收氣態(tài)溶質(zhì)以形成濃縮吸引溶液。吸收器可以使用稀釋的吸引溶液作為吸收齊U。在其他實(shí)施方案中，可以使用產(chǎn)物水作為吸收劑，用于從溶質(zhì)再循環(huán)系統(tǒng)吸收氣體流的全部或部分。此外，作為廢水處理過程的部分而產(chǎn)生的氣體和/或熱可用于吸引溶質(zhì)回收過程。
[0041]根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案，第一溶液可以是含有期望分離、純化或其他處理的一種或多種溶質(zhì)的任何水溶液或溶劑。在一些實(shí)施方案中，第一溶液可以是非飲用水，例如海水、鹽水、苦咸水、中水(gray water)和一些工業(yè)水。待處理的過程流可包含鹽和其他離子物類，例如氯化物、硫酸鹽、溴化物、硅酸鹽、碘化物、磷酸鹽、鈉、鎂、鈣、鉀、硝酸鹽、砷、鋰、硼、鍶、鑰、錳、鋁、鎘、鉻、鈷、銅、鐵、鉛、鎳、硒、銀和鋅。在一些實(shí)例中，第一溶液可以是鹽水(例如鹽水或海水)、廢水或其它污水。第一溶液可以從上游單元操作(例如工業(yè)設(shè)施)或任何其它來源(例如海洋)遞送至正向滲透膜處理系統(tǒng)。第二溶液可以是含有比第一溶液高的溶質(zhì)濃度的吸引溶液。可使用多種吸引溶液。例如，吸引溶液可包含熱分解鹽溶液。在一些實(shí)施方案中，可以使用氨和二氧化碳吸引溶液，例如McGinnis的美國專利公布號2005/0145568中公開的那些，其公開內(nèi)容通過引用整體并入本文。在一個(gè)實(shí)施方案中，第二溶液可以是氨和二氧化碳的濃縮溶液。在至少一個(gè)實(shí)施方案中，吸引溶液可以包含大于I比I摩爾比的氨和二氧化碳。
[0042]第二(吸引)溶液的優(yōu)選溶質(zhì)可以是氨和二氧化碳?xì)怏w及其產(chǎn)物、碳酸銨、碳酸氫銨和氨基甲酸銨。當(dāng)以約I的比例溶解于水中時(shí)，氨和二氧化碳形成主要包含碳酸氫銨和更小程度的相關(guān)產(chǎn)物碳酸銨和氨基甲酸銨的溶液。該溶液的平衡偏向于較不可溶的物類溶質(zhì)碳酸氫銨，超過可溶性物類溶質(zhì)氨基甲酸銨和更小程度的碳酸銨。用過量氨氣緩沖主要包含碳酸氫銨的溶液，使銨與二氧化碳的比例增加到約1.75至2.0，將使溶液平衡轉(zhuǎn)向可溶性物類溶質(zhì)氨基甲酸銨。氨氣在水中更可溶，并且優(yōu)先被溶液吸收。因?yàn)榘被姿徜@更容易被第二溶液的溶劑吸收，其濃度可以增加至溶劑不能再吸收更多溶質(zhì)，即飽和的點(diǎn)。在一些非限制性實(shí)施方案中，通過該操作實(shí)現(xiàn)的該第二溶液中的溶質(zhì)濃度大于約2摩爾、大于約6摩爾或約6至12摩爾。
[0043]根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案，氨與二氧化碳的比例應(yīng)該基本上允許吸引溶液氣體完全吸收進(jìn)入吸收流體，例如一部分上述的稀釋的吸引溶液，基于系統(tǒng)中吸引溶液的最高濃度。吸引溶液的濃度、體積和流速一般應(yīng)匹配進(jìn)料溶液的濃度、體積和流速，使得兩個(gè)溶液之間所需的滲透壓差在整個(gè)膜系統(tǒng)和進(jìn)料水回收范圍中得以保持。這可根據(jù)考慮膜中和其表面處的內(nèi)部和外部濃差極化現(xiàn)象的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案來計(jì)算。在一個(gè)非限制性的脫鹽實(shí)施方案中，可使用大約為鹽水進(jìn)料水流速的大約33%的濃縮吸引溶液進(jìn)口流速,對于海水脫鹽系統(tǒng)，通常在約25%至75%的范圍內(nèi)。較低鹽度的進(jìn)料可需要進(jìn)料水流速的約5%至25%的吸引溶液進(jìn)口速率。稀釋的吸引溶液出口速率可通常為進(jìn)料水進(jìn)口速率的約50%至100%，并且為鹽水排放體積的約三至四倍。
[0044]根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案，氨與二氧化碳的比例一般應(yīng)該與吸引溶液的濃度和在吸引溶質(zhì)的除去和回收過程中使用的溫度相匹配。如果該比例不夠高，那么將不可能將吸引溶質(zhì)氣體完全吸收成鹽以再用于濃縮溶液，而如果該比例太高，則吸引溶液中會有過量的氨，其在希望的溫度范圍內(nèi)(如利用廢熱驅(qū)動(dòng)該過程所必需的溫度范圍)將不會適當(dāng)?shù)乩淠?。例如，在一些?shí)施方案中，蒸餾柱可在約50°C剝離氣體，吸收柱可在約20°C下操作。應(yīng)該進(jìn)一步考慮氨與二氧化碳的比例以防止氨通過膜進(jìn)入進(jìn)料溶液。如果該比例太高，可能引起非離子化的氨以高于必需的或理想的濃度存在于吸引溶液中(通常主要是銨)。其它參數(shù)，例如進(jìn)料水的類型、所需的滲透壓、所需的通量、膜的類型和吸引溶液濃度，可影響優(yōu)選的吸引溶液的摩爾比。在滲透分離過程中，可監(jiān)測和控制氨與二氧化碳的比例。在至少一個(gè)實(shí)施方案中，吸引溶液可包含摩爾比大于I比I的氨和二氧化碳。在一些非限制性實(shí)施方案中，在約50°C且吸引溶液的摩爾濃度規(guī)定為該溶液內(nèi)二氧化碳的摩爾濃度時(shí)，吸引溶液的比例對于最多I摩爾的吸引溶液可以是為至少約1.1比1，對于最多1.5摩爾的吸引溶液可以是約1.2比1，對于最多3摩爾的吸引溶液可以是約1.3比1，對于最多4摩爾的吸引溶液可以是約1.4比I，對于最多4.5摩爾的吸引溶液可以是約1.5比I，對于最多5摩爾的吸引溶液可以是約1.6比1，對于最多5.5摩爾的吸引溶液可以是約1.7比1，對于最多7摩爾的吸引溶液可以是約1.8比1，對于最多8摩爾的吸引溶液可以是約2.0比1，對于最多10摩爾的吸引溶液可以是約2.2比I。實(shí)驗(yàn)表明，這些比例大致為這些濃度的溶液在該近似溫度下的穩(wěn)定溶解性所需要的最小比例。在較低的溫度，對于相同的濃度，需要較高的氨與二氧化碳的比例。在較高的溫度，可能需要較低的比例，但可能還要求對溶液進(jìn)行一定加壓來防止溶質(zhì)分解成氣體。大于I比I的比例，即使在總濃度小于2摩爾時(shí)，也大大增加溶液的穩(wěn)定性，并防止二氧化碳?xì)怏w的形成和通常響應(yīng)于甚至是適量熱和或壓降的吸引溶液的熱分解。
[0045]根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案，正向滲透分離過程可以包括將第一溶液引入半透膜的第一側(cè)，檢測第一溶液的至少一個(gè)特征，基于至少一個(gè)檢測的特征來選擇包含氨和二氧化碳的濃縮吸引溶液的摩爾比，將以選定的摩爾比包含氨和二氧化碳的濃縮吸引溶液弓I入半透膜的第二側(cè)以維持跨半透膜的所需的滲透濃度梯度，促進(jìn)至少一部分第一溶液流動(dòng)穿過半透膜以在半透膜第一側(cè)形成第二溶液并在半透膜第二側(cè)形成稀釋的吸引溶液，將至少一部分稀釋的吸引溶液引入分離操作以回收吸引溶質(zhì)和溶劑流，將吸引溶質(zhì)重新引入半透膜的第二側(cè)以維持選擇的濃度和濃縮吸引溶液中氨與二氧化碳的摩爾比，并收集溶劑流。
[0046]根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案，用于從第一溶液滲透提取溶劑的裝置可以包括具有與第一溶液源流體連接的進(jìn)口的第一室、具有與包含至少I比I的摩爾比的氨和二氧化碳的濃縮吸引溶液的源流體連接的進(jìn)口的第二室、分隔第一室與第二室的半透膜系統(tǒng)、在第二室的下游流體連接的分離系統(tǒng)(包括蒸餾柱)、被配置以從第二室接收稀釋的吸引溶液并回收吸引溶質(zhì)和溶劑流的分離系統(tǒng)、和包括被配置以促進(jìn)吸引溶質(zhì)重新引入第二室以維持濃縮吸引溶液中氨與二氧化碳的摩爾比的吸收器的再循環(huán)系統(tǒng)。
[0047]根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案，各種滲透驅(qū)動(dòng)膜系統(tǒng)和方法可以與更大的系統(tǒng)集成。在一些實(shí)施方案中，系統(tǒng)和方法可以與各種熱源和水系統(tǒng)集成。在至少一個(gè)實(shí)施方案中，吸引溶液可以在與冷凝器相關(guān)的管內(nèi)部進(jìn)料。在一些實(shí)施方案中，來自地下的熱水可用于再煮器。在其他實(shí)施方案中，可以使用地?zé)?、工業(yè)來源的廢熱、太陽能集熱器、熔鹽或熱儲存系統(tǒng)中的余熱。在其他實(shí)施方案中，可以采用柴油發(fā)電機(jī)。
[0048]根據(jù)一個(gè)或多個(gè)其他實(shí)施方案，正向滲透系統(tǒng)和方法可以與用于最大化從具有結(jié)垢沉淀可能性的廢水源回收水的輔助過程集成。例如，為了防止鈣和鎂鹽的沉淀，可以首先通過諸如包括在強(qiáng)酸陽離子交換樹脂上與鈉離子交換的那些技術(shù)從進(jìn)料去除鈣和鎂。FO濃縮液可用于再生樹脂?；瘜W(xué)分散劑可用于防止離子交換柱內(nèi)的沉淀。為了二氧化硅結(jié)垢控制，可以向系統(tǒng)進(jìn)料提供二氧化硅結(jié)垢分散劑。如果所需濃度因子導(dǎo)致超過分散劑供應(yīng)商推薦的最大的二氧化硅的濃度，則可以通過去除二氧化硅的小的外部微濾器或超濾器再循環(huán)一部分進(jìn)料。
[0049]在另一實(shí)施方案中，可以在FO膜系統(tǒng)中濃縮可溶性鹽達(dá)到或超過其溶解度(使用或不使用阻垢化學(xué)品)，使得濃縮的進(jìn)料溶液被導(dǎo)入含有晶種和/或絮凝劑化學(xué)添加的沉淀罐。然后可以將該溶液導(dǎo)入沉降罐和/或過濾裝置以去除顆粒。然后可以將來自該處理的流出物導(dǎo)入另一過程、去除或在FO膜系統(tǒng)中再循環(huán)以進(jìn)一步濃縮。流體剪切力的使用和/或用于沖洗的氣泡的引入可用于FO膜系統(tǒng)，以確保膜表面不發(fā)生沉淀和/或積垢。
[0050]根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案，可以監(jiān)測并控制膜積垢。可以使用諸如涉及液體湍流和氣體引入的那些沖洗技術(shù)來控制膜積垢。在一些實(shí)施方案中，剪切力，諸如涉及在膜表面誘導(dǎo)剪切的循環(huán)流體動(dòng)力學(xué)的那些，可用于沖洗。在其他實(shí)施方案中，可以將諸如泡沫球的物體放入流路中以實(shí)現(xiàn)沖洗。在一些實(shí)施方案中，可以通過操縱操作參數(shù)以改變滲透壓和流路來控制積垢和生物活性，例如，使得不同膜區(qū)域在不同的時(shí)間經(jīng)歷不同的溶液、滲透壓、PH或其他條件?？梢詫㈦S時(shí)間的變化列表，例如基于分鐘、小時(shí)或年?？梢允褂昧硗獾腇O分離系統(tǒng)和方法來處理具有高結(jié)垢可能性的溶液。通過使用超飽和和去飽和或加入晶種的漿料，這些系統(tǒng)和方法將允許顯著提高進(jìn)料水流的回收，提供顯著的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境益處(例如，較少攝入水、較少排放水、較少化學(xué)使用等)。
[0051]未加入晶種的漿料系統(tǒng)將飽和溶液送至膜陣列，其進(jìn)料將通過流動(dòng)去除水而變得超飽和。將該超飽和的溶液導(dǎo)入罐，該罐混合該溶液與懸浮的晶體或其他成核點(diǎn)以沉淀。然后將漿料導(dǎo)入沉降罐、旋流器或其他過濾裝置以去除沉淀。
[0052]使用加入晶種的漿料的系統(tǒng)和方法將具有在膜模塊中溶液中懸浮的沉淀，使得在這些成核點(diǎn)上、而不是在膜表面發(fā)生另外沉淀，如下參考圖2更詳細(xì)描述的。漿料的處理將需要預(yù)過濾或旋流器系統(tǒng)以維持最大顆粒直徑。在各種實(shí)施方案中，可以將該系統(tǒng)的膜包衣并且在一些情況下定期重新包衣以防止阻擋層的磨損。這種包衣可以包括聚乙酸乙烯酯(PVA)。這些系統(tǒng)和方法的另外優(yōu)點(diǎn)包括例如其允許在或高于一種至多種鹽的溶解度極限下對溶液連續(xù)去鹽，減少或消除過程中消耗的化學(xué)品的使用，減少膜積垢，和減少反相鹽運(yùn)輸?shù)挠绊憽?br> [0053]根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案，系統(tǒng)和方法可用于膜生物反應(yīng)器(MBR)操作以進(jìn)行廢水處理。在一些實(shí)施方案中，可以在一步中將廢水轉(zhuǎn)化以從廢物重新利用。一些實(shí)施方案可能不需要通氣，使得在水系統(tǒng)或膜消化器操作中水從懸浮固體和有機(jī)物的直接膜分離可以提供在能量和總成本方面的節(jié)省。在非限制性實(shí)施方案中，可以設(shè)計(jì)MBR系統(tǒng)，使得循環(huán)沿著膜片表面，在膜片下罐中具有相對未混合的區(qū)域?？梢詮脑摮两祬^(qū)去除固體。也可以將發(fā)酵置于未混合區(qū)，允許從罐頂部去除和使用甲烷?？梢耘渲霉蓿沟帽贸隹谥糜诠抟粋?cè)，指導(dǎo)沿著膜片橫(寬度)軸的流動(dòng)，如果需要?jiǎng)t誘導(dǎo)剪切力和湍流，使得流動(dòng)沿著膜片的縱軸平均分布，從頂?shù)降拙鶆蚍植肌＜羟辛σ约袄缤夂蛿嚢鑾椭乐?減少膜表面的積垢。可以進(jìn)一步配置罐，使得罐的相對壁以使水在減少的阻力下返回罐的泵側(cè)的方式彎曲，該流動(dòng)在膜層疊的任一側(cè)穿過。膜袋內(nèi)部中的吸引溶液可以從頂流向底、從底流向頂或者按需要交替串聯(lián)?？梢圆贾媚盈B，使得罐的不同區(qū)域經(jīng)歷進(jìn)料溶液的不同穩(wěn)態(tài)濃度?？梢允褂脷馀輿_洗膜表面以減少濃差極化現(xiàn)象并防止膜表面上的積垢和/或結(jié)垢，該空氣引入預(yù)期為了這些目的，而不是為了如常規(guī)膜生物反應(yīng)器通常的向溶液引入氧。
[0054]根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案，可以用本文公開的正向滲透技術(shù)替代膜生物反應(yīng)器和常規(guī)反向滲透過程來處理工業(yè)廢水。在涉及高水平懸浮固體或高水平溶解的有機(jī)物的應(yīng)用中，正向滲透方法可能是特別有益的。對于處理具有高生化需氧量(BOD)或高化學(xué)需氧量(COD)的廢水，正向滲透也可能是理想的選擇。正向滲透發(fā)揮與MBR和反向滲透相同的功能，但是以一步進(jìn)行，并且沒有MBR正常所需的能量以對水通氣以引入氧以生物降解BOD和C0D。具體地，使用正向滲透濃縮污水消除了對獲得必要細(xì)菌以消耗廢物的空氣/氧的需要，得到更有效的方法-較少設(shè)備、較少能量和較小足跡。如下討論，然后可以將該濃縮的污水送至例如消化器以產(chǎn)生甲烷氣體。
[0055]根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案，還可以使用正向滲透來濃縮進(jìn)料流。與需要后精制階段(例如涉及反向滲透的那些)的常規(guī)微過濾或超過濾方法相反，正向滲透濃縮方法可以在一步過程中產(chǎn)生適于飲用或其他高質(zhì)量的水，即，F(xiàn)O-MBR產(chǎn)生與常規(guī)MBR加上反向滲透過程一樣質(zhì)量的水，但是在一步中完成。
[0056]在一些實(shí)施方案中，過程流可以含有待濃縮和回收的所需的目標(biāo)物類，例如藥物、鹽、酶、蛋白、催化劑、微生物、有機(jī)化合物、無機(jī)化合物、化學(xué)前體、化學(xué)產(chǎn)物、膠體、食品或污染物。在至少一個(gè)實(shí)施方案中，正向滲透可用于礦物回收。在一些實(shí)施方案中，正向滲透可用于在溶液采礦工業(yè)中濃縮鹽水。鹽水溶液可以用正向滲透操作達(dá)到飽和，使得沉淀可以促進(jìn)礦物、鹽、金屬和肥料例如鉀堿的回收。
[0057]可以使用正向滲透方法濃縮具有高BOD和/或高COD的流。在一些實(shí)施方案中，正向滲透濃縮方法可以與厭氧消化器聯(lián)接以產(chǎn)生用于燃燒的氣體。產(chǎn)生的氣體還可以為溶質(zhì)回收過程提供熱而無需單獨(dú)的消化器。在其他實(shí)施方案中，正向滲透濃縮方法可以與焚燒器聯(lián)接以直接燃燒固體以向上游正向滲透過程和/或溶質(zhì)回收過程提供熱。
[0058]圖1提供了用于廢水處理的正向滲透系統(tǒng)/方法的示意圖。待處理的廢水流可以含有一種或多種物類，例如鹽、蛋白、催化劑、微生物、有機(jī)或無機(jī)化學(xué)品、化學(xué)前體或產(chǎn)品、膠體或其他成分。在一些非限制性實(shí)施方案中，可以用如示例說明的正向滲透系統(tǒng)和方法來減少廢水廠的營養(yǎng)排放。
[0059]如圖1所示，系統(tǒng)/方法10包括正向滲透模塊12?？梢允褂酶鞣N正向滲透系統(tǒng)和方法，例如本文描述和美國專利號6，391，205、美國專利公布號2011/0203994 ;和2010年10月29日提交的PCT申請序號PCT/US10/054738和2010年10月28日提交的PCT/US10/054512中進(jìn)一步描述的那些，其公開內(nèi)容通過引用整體并入本文。模塊12與廢水源或流14( S卩，進(jìn)料溶液)和吸引溶液源或流16流體連通。廢水源14可以包括例如市政(例如，污水)和/或工業(yè)(例如，水力破碎回流)廢水，包括放射性水。吸引溶液源16可以包括例如鹽水流，例如海水或本文描述的另一溶液，其可用作滲透劑以通過模塊12內(nèi)的正向滲透膜滲透而使廢水源14脫水。模塊12從廢水源14向外輸出濃縮溶液的流18，其可以如本文所述進(jìn)一步處理。模塊12還輸出稀釋的吸引溶液20，其可以如本文所述進(jìn)一步處理，例如，可以將稀釋的吸引溶液20導(dǎo)入分離單元22，在那里可以回收吸引溶質(zhì)和靶溶劑。
[0060]圖2描繪了系統(tǒng)/方法110，其中正向滲透膜模塊102可以浸入或放入包封的組件內(nèi)。除了上述用于減少積垢的方法以外，圖2中描繪的系統(tǒng)/方法110利用了用于處理廢水或其他進(jìn)料溶液源的加入晶種的漿料方法。如所示的，系統(tǒng)/方法110包括與廢水流114和吸引溶液流116流體連通的正向滲透模塊112。模塊112包括用于接收廢水的室或罐104。室104被配置用于容納膜模塊102。如相對于圖1討論的，F(xiàn)O模塊112還輸出濃縮溶液118和稀釋的吸引溶液120。
[0061]根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案，向室104添加晶種以產(chǎn)生加入晶種的漿料106。晶種提供了用于選擇性沉淀其上的某些溶質(zhì)(例如，鹽或氨基酸)的成核點(diǎn)。靶向溶質(zhì)將從加入晶種的漿料106中沉淀出來，并且沉降至室104的底，與沉積在膜表面上相反，其中沉淀的溶質(zhì)可以如前討論的進(jìn)一步處理。這些可以在所述方法中部分地重復(fù)使用，例如，使用重新導(dǎo)入罐的沉淀的固體作為晶種。此外，室104可以包括用于改善正向滲透過程的其他裝置，例如通氣和攪拌，以減少膜積垢和/或改善晶種效力，如前所公開的。
[0062]正向滲透模塊中晶種的使用對于可能需要預(yù)處理或包含所需的溶質(zhì)的進(jìn)料、例如來自制藥過程的晶種是特別有益的。晶種輔助靶溶質(zhì)的回收。而且，相對于具有高水平懸浮固體的廢水的處理，可以從室104的底部抽取一部分固體，并且可以通過使用晶種沉淀出另一部分固體。此外，可以選擇晶種的尺寸和組成以適合特定應(yīng)用，例如，回收藥物化合物或減少反向鹽運(yùn)輸?shù)挠绊憽?br> [0063]圖3展示了使用包括一個(gè)或多個(gè)預(yù)處理和/或后處理單元操作214、216的正向滲透系統(tǒng)/方法212滲透提取溶劑的系統(tǒng)210的示意圖?？梢允褂酶鞣N正向滲透系統(tǒng)和方法，例如本文描述和上文引用的美國專利號6，391，205、美國專利公布號2011/0203994 ;和PCT公布號W02011/053794和W02011/059751中進(jìn)一步描述的那些。
[0064]根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案，系統(tǒng)210可以包括一個(gè)或多個(gè)預(yù)處理操作214以增強(qiáng)正向滲透過程212。預(yù)處理可以包括pH調(diào)節(jié)，例如升高待處理的過程流的pH水平，使用阻垢劑，各種類型的過濾，聚合物添加，熱交換，軟化，和納米過濾軟化。
[0065]根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案，系統(tǒng)210可以包括一個(gè)或多個(gè)后處理操作216。后處理可以包括第二單程反向滲透分離、離子交換分離、另外的正向滲透過程或其他氨和/或鹽去除操作。后處理可以使產(chǎn)物水鹽度降低至單程正向滲透系統(tǒng)產(chǎn)生的鹽度之下。在其他實(shí)施方案中，可以可選或附加地使用后處理以去除否則將在產(chǎn)物流中存在的吸引溶質(zhì)。在一些特定的非限制性實(shí)施方案中，可以使用離子交換、蒸餾、全蒸發(fā)、膜蒸餾、通氣、生物處理或其他過程來后處理正向滲透鹽水排出物，以去除反向擴(kuò)散進(jìn)入鹽水的吸引溶質(zhì)。另外的后處理操作可以包括零液體排放(ZLD)處理，使用例如結(jié)晶和蒸發(fā)。在一個(gè)實(shí)施方案中，ZLD處理利用例如正向滲透系統(tǒng)替換蒸發(fā)系統(tǒng)。
[0066]根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案，可以使用來自改善通量的吸引溶質(zhì)回收過程的拒絕熱來預(yù)熱進(jìn)料水。吸引溶質(zhì)回收過程的實(shí)例描述于上文引用的‘819公布。吸引溶質(zhì)回收系統(tǒng)可能需要冷卻。例如，剝離器的冷凝器可能需要冷卻。因此，可以由膜進(jìn)料流在其引入正向滲透膜之前提供冷卻。膜進(jìn)料流可以提供足夠的冷卻，以允許吸引溶質(zhì)流在吸引溶質(zhì)回收過程的重吸收。在一個(gè)實(shí)施方案中，進(jìn)料流可以冷卻回收過程中的一個(gè)或多個(gè)流至室溫。此外，通過增加水透過性、增加吸引和/或進(jìn)料溶質(zhì)擴(kuò)散性并通過熱膨脹改善膜孔結(jié)構(gòu)，較高的膜系統(tǒng)溫度可以伴隨較高的通量。
[0067]根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案，可以使用鹽水去除吸引溶質(zhì)回收過程的熱。加熱鹽水可以蒸發(fā)鹽水中的殘余溶質(zhì)。具體地，可以將來自正向滲透膜的鹽水濃縮物導(dǎo)入剝離器頂部的冷凝器以提供剝離器的冷卻。鹽水吸收的熱可以幫助驅(qū)動(dòng)來自鹽水的溶解氣體，并且可以用于作為鹽水后處理的剝離過程，類似于用于從產(chǎn)物水流的吸引溶質(zhì)再循環(huán)的過程。例如，已經(jīng)通過膜系統(tǒng)中反向鹽通量進(jìn)入鹽水流的吸引溶質(zhì)可以通過加熱鹽水來回收；在一些實(shí)施方案中與例如‘819公布中公開的其他過程相結(jié)合。在任一情況下，可以將吸引溶質(zhì)返回濃縮吸引溶液并再利用。
[0068]根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案，活性炭或其他有機(jī)物可用于吸收或過濾來自稀釋的吸引溶液剝離系統(tǒng)和/或鹽水后處理系統(tǒng)的氣流。吸收操作可以去除處理流的揮發(fā)性組分，否則其將在吸引溶液系統(tǒng)中累積。例如，穿過正向滲透膜的可溶性有機(jī)化合物可以在溶質(zhì)回收系統(tǒng)中揮發(fā)。類似系統(tǒng)可用于任何流組分從含有非吸引溶質(zhì)揮發(fā)性組分的吸引溶質(zhì)剝離的情況。應(yīng)該對來自剝離系統(tǒng)的蒸氣流使用任何適當(dāng)?shù)姆蛛x操作以防止揮發(fā)性化合物的累積。例如，可以在液相中剝離之前、在蒸氣相中濃縮之前、在液相中濃縮之后、或者在其中這些化合物的累積將被其使用所預(yù)防的任何點(diǎn)的吸引溶液系統(tǒng)內(nèi)提供分離。在一個(gè)實(shí)施方案中，吸引溶液蒸氣和液體流將被冷卻并相互接觸足以允許基本上完全重吸收吸引溶質(zhì)的時(shí)間段，這可以在填料塔或膜系統(tǒng)中進(jìn)行。
[0069]根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案，通過離子交換、納米過濾或類似過程的水軟化可以作為正向滲透過程的預(yù)處理來實(shí)施。在一些特定實(shí)施方案中，可以在零液體排放水處理之前提供軟化，以確保產(chǎn)物鹽具有高值。可以通過預(yù)處理軟化的操作來選擇鹽的純度及其組成，例如高純度氯化鈉，因?yàn)檐浕^程可以選擇性去除二價(jià)離子。因此，集成系統(tǒng)可以產(chǎn)生高價(jià)值產(chǎn)物。正向滲透處理后的鹽水可用于離子交換再裝填。在其他實(shí)施方案中，任何類型的結(jié)晶器可用于在正向滲透分離之后產(chǎn)生鹽。
[0070]圖4代表根據(jù)本發(fā)明一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案的用于滲透提取溶劑的系統(tǒng)210的一個(gè)可能應(yīng)用。如參考圖3所討論的，系統(tǒng)210包括正向滲透系統(tǒng)212和一個(gè)或多個(gè)預(yù)處理和后處理單元214、216。系統(tǒng)210可以包括與一個(gè)或多個(gè)正向滲透系統(tǒng)212結(jié)合的預(yù)處理和/或后處理單元214、216的任何組合，包括僅預(yù)處理或僅后處理。本文描述的各種系統(tǒng)/單元可以通過常規(guī)鉛管技術(shù)互連，并且可以包括任何數(shù)目和組合的組成部分，例如泵、閥、傳感器、計(jì)量器等，以監(jiān)測并控制本文所述各種系統(tǒng)和過程的操作。各種組成部分可以與本文描述的控制器組合使用。
[0071]在圖4所示的應(yīng)用中，使用系統(tǒng)210來處理來自內(nèi)陸來源218的苦咸水。如所示的，將進(jìn)料流220導(dǎo)入預(yù)處理單元214，在那里例如加熱進(jìn)料流。進(jìn)料流一經(jīng)預(yù)處理，則將處理的流222導(dǎo)入正向滲透系統(tǒng)212，其中它提供如本文討論的第一溶液。任選地，可以將處理的流222導(dǎo)入另外預(yù)處理單元以在進(jìn)入正向滲透系統(tǒng)212之前進(jìn)一步處理(例如，pH調(diào)節(jié))。將吸引溶液通過流224提供至正向滲透系統(tǒng)212以提供促進(jìn)溶劑跨膜運(yùn)輸所必需的滲透壓力梯度，如本文討論的。
[0072]至少兩個(gè)流退出正向滲透系統(tǒng)212:已經(jīng)提取了溶劑的濃縮進(jìn)料或處理的流226 ；和已經(jīng)添加了溶劑的稀釋吸引流228。然后可以將濃縮流226導(dǎo)入后處理單元216以進(jìn)一步處理，例如第二正向滲透系統(tǒng)以回收另外溶劑?？梢岳昧硗獾暮筇幚磉^程，例如結(jié)晶和蒸發(fā)，以進(jìn)一步提供零液體排放。根據(jù)濃縮物的性質(zhì)，可以處置、再循環(huán)或者以其他方式回收利用完全處理或濃縮的進(jìn)料(箭頭238)。[0073]可以將稀釋的吸引流228導(dǎo)入分離系統(tǒng)230，在那里可以回收溶劑和/或吸引溶質(zhì)。任選地，如對于另外處理所需要的，還可以將稀釋的吸引流228導(dǎo)入后處理單元(流228a)。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，分離系統(tǒng)230從稀釋的吸引流228分離吸引溶質(zhì)以產(chǎn)生基本上純化的溶劑流232例如飲用水、和吸引溶質(zhì)流236。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，根據(jù)溶劑的最終用途，還可以將溶劑流232導(dǎo)入后處理單元以進(jìn)一步處理(流232a)。例如，可以通過蒸餾以去除可能依然存在于溶劑中的另外的吸引溶質(zhì)來進(jìn)一步處理溶劑。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，根據(jù)回收的吸引溶質(zhì)的預(yù)期用途，可以將吸引溶質(zhì)流236直接返回吸引流224 (流236a)，導(dǎo)入再循環(huán)系統(tǒng)234以重新加入吸引流224 (流236b)，或者導(dǎo)入后處理單元(流236c)以進(jìn)一步處理。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，可以與預(yù)處理單元214結(jié)合使用再循環(huán)系統(tǒng)234，以例如提供與進(jìn)料流220 (流240)的熱交換。
[0074]圖5展示了滲透驅(qū)動(dòng)膜系統(tǒng)310，其被配置為調(diào)節(jié)總體系統(tǒng)的離子平衡，并通過使用反向滲透單元后處理分離/再循環(huán)單元排放的純化水并將來自反向滲透系統(tǒng)的濃縮物再導(dǎo)入正向滲透系統(tǒng)的進(jìn)料而從正向滲透系統(tǒng)回收另外的吸引溶質(zhì)。該布置允許另外的吸引溶質(zhì)的回收，并維持總體系統(tǒng)的離子平衡，而不需要添加和/或去除某些化學(xué)品或另外系統(tǒng)/過程(例如，離子交換器)。
[0075]如圖5所示(并且類似于圖4所示的系統(tǒng)210)，系統(tǒng)310包括正向滲透單元312，其包括含有或與進(jìn)料或第一溶液320的源流體連通的一個(gè)或多個(gè)第一室312a。正向滲透單元312還包括由半透性正向滲透膜313與第一室312a分隔的一個(gè)或多個(gè)第二室312b。第二室312b含有或者與濃縮吸引溶液324的源流體連通。濃縮吸引溶液324具有足以維持跨膜313的滲透濃度梯度的溶質(zhì)濃度，從而引起來自第一 /進(jìn)料溶液320的溶劑流動(dòng)穿過膜313進(jìn)入第二室312b并稀釋濃縮吸引溶液。第一溶液320在第一室312a內(nèi)濃縮，形成第二溶液322。
[0076]在正向滲透過程中，離子交換可以跨膜313發(fā)生。在使用NH3-CO2吸引溶液與含有NaCl的進(jìn)料溶液的示例性系統(tǒng)中，銨離子(NH4+)可以從正向滲透膜313的第二室/側(cè)312b移動(dòng)至滲透膜313的第一室/側(cè)312a，并且鈉離子(Na+)可以從膜313的第一室/側(cè)312a移動(dòng)至膜313的第二室/側(cè)312b。該離子交換得到含有至少一種第一離子物類的溶質(zhì)(例如，NH4+)的第二溶液322和含有至少一種第二離子物類的溶質(zhì)(例如，Na+)的稀釋的吸引溶液326。離子交換的負(fù)面作用可以導(dǎo)致可回收的吸引溶質(zhì)的損失和較高鹽度的產(chǎn)物水。如下所述的反向滲透系統(tǒng)和另外分離系統(tǒng)的新用途除了改善產(chǎn)物水的質(zhì)量，還克服了離子交換現(xiàn)象的負(fù)面作用，并且提供了對吸引溶質(zhì)回收的預(yù)料不到的改善。
[0077]將稀釋的吸引溶液326導(dǎo)入分離和/或再循環(huán)系統(tǒng)330，其中將稀釋的吸引溶液326分離成通過正向滲透過程獲得的吸引溶質(zhì)(或濃縮吸引溶液)328和溶劑(例如，飲用水)。該回收的溶劑332含有至少一種第二離子物類的溶質(zhì)，其通過膜交換，但是不在吸引溶質(zhì)回收操作過程中被去除?？梢酝ㄟ^本文描述的系統(tǒng)和方法(包括‘789專利中的那些)的任何一種來回收吸引溶質(zhì)?？梢詫⒒厥盏奈苜|(zhì)328再循環(huán)進(jìn)入濃縮吸引溶液324的源或形成其基礎(chǔ)。
[0078]因?yàn)殡x子交換現(xiàn)象，不是所有的吸引溶質(zhì)在該初始分離/再循環(huán)過程中可去除。例如，當(dāng)一種離子物類(例如，NH4+)通過膜反向離子交換并且另一種物類的溶質(zhì)(Na+)進(jìn)入吸引溶液時(shí)，稀釋的吸引溶液中吸引溶質(zhì)的比例是失衡的。需要平衡吸引溶質(zhì)(例如，氨(NH3)和二氧化碳(CO2))的平衡，以最有效地去除稀釋的吸引溶液中所有的吸引溶質(zhì)。因此，至少一種第二離子物類的溶質(zhì)可以包括保留在于回收的溶劑中的離子物類的吸引溶質(zhì)(例如，碳酸鹽)。在示例性實(shí)施方案中，氨離子的損失導(dǎo)致過量碳酸根離子保留在溶劑中。在該實(shí)施方案中，回收的溶劑中存在的至少一種第二離子物類的溶質(zhì)將包括溶液中的鈉離子(Na+)和碳酸根尚子(CO3J。
[0079]在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，分離/再循環(huán)系統(tǒng)330利用廢熱去除稀釋的吸引溶液中的氨和二氧化碳溶質(zhì)。如前討論的，因?yàn)殇@離子通過正向滲透膜313反向交換，銨與二氧化碳的比例改變，并且稀釋的吸引溶液中沒有足量的氨以去除所有二氧化碳，一些二氧化碳以碳酸鹽形式存在。以希望比例存在于稀釋的吸引溶液中的NH3CO2從溶液中蒸發(fā)，在含有回收的溶劑的溶液中留下溶劑和鈉離子和碳酸根離子(即，至少一種第二離子物類的溶質(zhì))。
[0080]將可能正常被認(rèn)為是最終產(chǎn)物的含有至少一種第二離子物類的溶質(zhì)的回收的溶劑332導(dǎo)入反向滲透系統(tǒng)316。通常，通過壓力交換裝置、例如泵338將溶劑332加壓并轉(zhuǎn)移至反向滲透系統(tǒng)316。在壓力下將溶劑332轉(zhuǎn)移至反向滲透系統(tǒng)316的第一室/側(cè)316a，從而迫使溶劑穿過反向滲透膜317并在膜317的第二室/側(cè)316b上得到純化的溶劑334?？梢允占兓娜軇?34用于任何預(yù)期目的。將含有至少一種第二離子物類的溶質(zhì)的濃縮溶液在壓力下保持在膜317的第一室/側(cè)316a中，其不能穿過膜317。然后將該濃縮溶液336導(dǎo)入正向滲透系統(tǒng)312。具體地，將濃縮溶液336添加至進(jìn)料/第一溶液320并與其一起引入系統(tǒng)312/膜313的第一室/側(cè)312a。濃縮溶液336的引入得到同時(shí)含有至少一種第一和至少一種第二離子物類的溶質(zhì)(例如，Na+、NH4+和CO3J的第二溶液。在可選實(shí)施方案中，濃縮溶液336不直接返回正向滲透單元312/第一溶液320，但是直接轉(zhuǎn)移至第二分離系統(tǒng)340，如虛線323所示，在這種情況下，濃縮溶液336與第二溶液或鹽水濃縮物混合。這在濃縮溶液336具有較高TDS的情況下是特別有益的，較高TDS可以通過例如降低系統(tǒng)中的滲透壓而負(fù)面影響正向滲透單元312的操作。
[0081]平衡第二溶液322中第一和第二離子物類的溶質(zhì)，從而導(dǎo)致碳酸銨和/或碳酸氫銨和/或氨基甲酸銨(即，另外的可去除的吸引溶質(zhì))的形成。將第二溶液322導(dǎo)入第二分離/再循環(huán)系統(tǒng)340。在一些實(shí)施方案中，使用系統(tǒng)340來濃縮/分離出鹽水。分離/再循環(huán)系統(tǒng)340類似于第一分離/再循環(huán)系統(tǒng)330工作，并分離出新形成的另外的吸引溶質(zhì)344?？梢詫⑦@些吸引溶質(zhì)344再循環(huán)回濃縮吸引溶液源324。銨離子和碳酸根離子的平衡比例允許基本上所有吸引溶質(zhì)從第二溶液去除并再循環(huán)?？梢赃M(jìn)一步處理或者以其他方式處置留下的第二溶液(例如，鹽水)342。
[0082]圖6是流程圖，總體描繪了被配置以維持總體系統(tǒng)的離子平衡并最大化吸引溶質(zhì)的回收的各種滲透驅(qū)動(dòng)膜系統(tǒng)的操作。如圖6所示，該過程開始于提供正向滲透系統(tǒng)形式的第一滲透驅(qū)動(dòng)膜系統(tǒng)(步驟405)。將第一溶液和濃縮吸引溶液引入第一系統(tǒng)內(nèi)正向滲透膜的對側(cè)(步驟415，425)。該過程還包括促進(jìn)溶劑從第一溶液流入濃縮吸引溶液的步驟(步驟435)。該步驟導(dǎo)致在膜的一側(cè)上形成第二溶液并且在膜的對側(cè)形成稀釋的吸引溶液。由于離子交換現(xiàn)象，第二溶液將包括通過膜反向交換的第一離子物類的溶質(zhì)，并且稀釋的吸引溶液將包括通過膜正向交換的第二離子物類的溶質(zhì)。
[0083]該過程接下來的步驟之一包括將稀釋的吸引溶液導(dǎo)入第一分離/再循環(huán)系統(tǒng)(步驟445)，在那里將吸引溶質(zhì)回收并再循環(huán)回濃縮吸引溶液。一般而言，因?yàn)闈饪s吸引溶液中第一離子物類吸引溶質(zhì)的損失，稀釋的吸引溶液內(nèi)存在吸引溶質(zhì)的失衡，這阻礙/防止稀釋的吸引溶液中所有吸引溶質(zhì)的回收。具體地，過量的至少一種吸引溶質(zhì)將作為一種離子物類的溶質(zhì)保留在回收溶劑中，其包括在至少一種第二離子物類的溶質(zhì)中。在一個(gè)示例性系統(tǒng)中，至少一種第二離子物類的溶質(zhì)將包括鈉離子和碳酸根離子。
[0084]然后將第一分離系統(tǒng)中回收的留下的溶劑在壓力下直接導(dǎo)入反向滲透系統(tǒng)形式的第二滲透驅(qū)動(dòng)膜系統(tǒng)(步驟455)。促進(jìn)溶劑跨反向滲透膜的流動(dòng)，在膜的一側(cè)得到純化的溶劑并且在膜的對側(cè)得到濃縮溶液(步驟465)。收集純化的溶劑供使用(例如，作為飲用水)或以其他方式進(jìn)一步處理。將含有至少一種第二離子物類的溶質(zhì)的濃縮溶液導(dǎo)入第一滲透驅(qū)動(dòng)膜系統(tǒng)，在那里它與第一溶液混合并被引入第一滲透驅(qū)動(dòng)膜系統(tǒng)(步驟475)。
[0085]至少一種第二離子物類的溶質(zhì)(例如，Na+和C03_)將與第二溶液中存在的至少一種第一離子物類的溶質(zhì)(NH4+)平衡(步驟485)，從而導(dǎo)致另外可去除的吸引溶質(zhì)的形成?？梢詮牡谝粷B透驅(qū)動(dòng)膜系統(tǒng)去除第二溶液并導(dǎo)入第二分離/再循環(huán)系統(tǒng)(步驟495)，其中可以將另外的吸引溶質(zhì)去除并再循環(huán)至濃縮吸引溶液。可以進(jìn)一步處理或以其他方式處置留下的濃縮的第二溶液(例如，鹽水)。
[0086]根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案，本文描述的裝置、系統(tǒng)和方法一般可以包括用于調(diào)節(jié)或調(diào)控裝置或系統(tǒng)組成部分的至少一個(gè)操作參數(shù)的控制器，例如但不限于開啟閥和泵，以及調(diào)節(jié)通過正向滲透膜模塊的一個(gè)或多個(gè)流體流動(dòng)流的性質(zhì)或特征?？刂破骺梢耘c至少一個(gè)傳感器電連通，配置所述傳感器以檢測系統(tǒng)的至少一個(gè)操作參數(shù)，例如濃度、流速、PH水平或溫度。一般可以配置控制器以響應(yīng)于傳感器產(chǎn)生的信號而產(chǎn)生調(diào)節(jié)一個(gè)或多個(gè)操作參數(shù)的控制信號。例如，可以配置控制器以接收滲透驅(qū)動(dòng)膜系統(tǒng)和相關(guān)預(yù)處理和后處理系統(tǒng)的任何流、組成部分或子系統(tǒng)的狀況、性質(zhì)或狀態(tài)的表現(xiàn)?？刂破魍ǔ０ù龠M(jìn)至少一種輸出信號產(chǎn)生的算法，所述輸出信號通?；谌魏嗡霰憩F(xiàn)和目標(biāo)或希望值例如設(shè)定點(diǎn)的一個(gè)或多個(gè)。根據(jù)一個(gè)或多個(gè)特定方面，可以配置控制器以接收任何流的任何測量性質(zhì)的表現(xiàn)，并對系統(tǒng)組成部分的任何一個(gè)產(chǎn)生控制、驅(qū)動(dòng)或輸出信號，以減少測量性質(zhì)與目標(biāo)值的任何偏差。
[0087]根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案，過程控制系統(tǒng)和方法可以監(jiān)測各種濃度水平，例如可以基于檢測的參數(shù)，包括PH和電導(dǎo)率。還可以控制過程流的流速和罐水平?？梢员O(jiān)測溫度和壓力?？梢允褂秒x子選擇性探針、PH計(jì)量儀、罐水平和流的流速來檢測膜泄漏?？梢酝ㄟ^用氣體在膜的吸引溶液側(cè)加壓并使用超聲檢測器和/或目視觀察進(jìn)料水側(cè)的泄漏來檢測泄漏?？梢员O(jiān)測其他操作參數(shù)和維護(hù)問題?？梢员O(jiān)測各種過程效率，例如通過測量產(chǎn)物水流速和質(zhì)量、熱流和電能消耗?？梢钥刂粕锓e垢減輕的清潔方案，例如通過測量如通過在膜系統(tǒng)中特定點(diǎn)的進(jìn)料和吸引溶液的流速所確定的通量下降。針對鹽水流的傳感器可以指示何時(shí)需要處理，例如使用蒸餾、離子交換、斷點(diǎn)加氯或類似方案。這可以利用pH、離子選擇性探針、傅里葉變換紅外光譜(FTIR)或感應(yīng)吸引溶質(zhì)濃度的其他裝置來進(jìn)行?？梢员O(jiān)測并追蹤吸引溶液狀況以補(bǔ)給添加和/或替換溶質(zhì)。同樣，可以通過常規(guī)手段或者使用諸如銨或氨探針的探針來監(jiān)測產(chǎn)物水質(zhì)量?？梢詫?shí)施FTIR來檢測存在的物類，提供可用于例如確保適當(dāng)工廠操作并堅(jiān)定諸如膜離子交換效果的行為的信息。
[0088]正向滲透可以與積垢預(yù)防預(yù)處理配合以允許高的進(jìn)料水回收，包括例如離子交換、化學(xué)軟化、納米過濾、阻垢劑和/或沉淀技術(shù)?？梢栽贔O的結(jié)垢預(yù)防系統(tǒng)中使用空氣沖洗來防止膜表面上的結(jié)垢。正向滲透可用于沒有針對生物活性的通氣的含有機(jī)物的水域?？梢詽饪s廢流以供在消化器中的可能用途，同時(shí)可能在膜罐內(nèi)產(chǎn)生甲烷用于能量用途，并產(chǎn)生再利用質(zhì)量的產(chǎn)物水。這可能在浸入的膜罐設(shè)計(jì)中特別有效。除了提供氧以外，還可以使用空氣沖洗來允許有機(jī)物的高濃縮而無膜積垢?？梢杂谜驖B透實(shí)施一批或連續(xù)攪拌罐反應(yīng)器(CSTR)類型的操作，特別以允許有機(jī)物濃縮正向滲透和/或沉淀系統(tǒng)的增強(qiáng)的功能。壓力阻滯滲透系統(tǒng)也可以是浸入的罐配置?？梢詫毫ψ铚B透系統(tǒng)通氣以防止積垢和/或結(jié)垢并減少濃差極化。反應(yīng)性氣體也可以輔助該功能?？梢酝ㄟ^交替暴露于高或低滲透壓的膜模塊或陣列部分來控制正向滲透系統(tǒng)中的生物生長。例如，可以將正?？吹?.5M水域的膜陣列部分更換為2M水域的處理。這種調(diào)整將使生物膜生長非常困難。還可以進(jìn)行進(jìn)料流的脫氣以防止某些類型的生物有機(jī)物的生長。例如，去除氧可以限制消化生物的生長，消化生物可能氧化從吸引溶液穿至進(jìn)料溶液的氨。可以實(shí)施以限制生物活性的其他技術(shù)有亞硫酸鹽減少、生物處理、滲透沖擊、不與吸引溶液反應(yīng)的常規(guī)清潔技術(shù)、無化學(xué)品的產(chǎn)物水通量、鹽水溶液通氣和硫酸氫鈉添加。在一些實(shí)施方案中，可以使用pH、離子探針、FTIR和/或流速來控制正向滲透系統(tǒng)以確保所需的通量、滲透壓差、氨與二氧化碳的比例、和濃度。 [0089]現(xiàn)在已描述了本發(fā)明的一些示例說明性的實(shí)施方案，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明了，前述僅是示例說明性而非限制性的，僅作為例子而提供。許多調(diào)整和其他實(shí)施方案在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員范圍內(nèi)，并預(yù)期落入本發(fā)明的范圍內(nèi)。特別地，盡管本文提供的許多實(shí)例涉及方法動(dòng)作或系統(tǒng)元件的特定組合，但應(yīng)理解那些動(dòng)作和那些元件可以以其他方式組合以實(shí)現(xiàn)相同的目的。
[0090]此外，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解本文所述的參數(shù)和配置為示例性的，而實(shí)際的參數(shù)和/或配置將取決于其中利用本發(fā)明的系統(tǒng)和技術(shù)的具體應(yīng)用。本領(lǐng)域技術(shù)人員僅僅使用常規(guī)實(shí)驗(yàn)也應(yīng)認(rèn)識到或能夠確定本發(fā)明的特定實(shí)施方案的等同替代。因此應(yīng)理解，本文所述的實(shí)施方案僅作為例子提供，并且在任何所附權(quán)利要求和其等同的范圍內(nèi)；可以以不同于具體描述的方式實(shí)施本發(fā)明。
[0091]本文使用的短語和術(shù)語用于描述目的并且不應(yīng)被認(rèn)為是限制性的。本文使用的術(shù)語“多個(gè)”指兩個(gè)或更多個(gè)項(xiàng)目或組成部分。術(shù)語“包含”、“包括”、“帶有”、“具有”、“含有”和“涉及”無論是在書面說明書還是權(quán)利要求等中，均為開放式術(shù)語，即，意思是“包括但不限于”。因此，此類術(shù)語的使用意思是包括其后所列的項(xiàng)目及其等同物以及另外的項(xiàng)目。對于任何權(quán)利要求，僅過渡短語“由……組成”和“基本由……組成”分別為封閉或半封閉的過渡短語。權(quán)利要求中修飾權(quán)利要求要素的諸如“第一”、“第二”、“第三”等序術(shù)語的使用本身不意味著一個(gè)權(quán)利要求要素超過另一權(quán)利要求要素的任何優(yōu)先、優(yōu)越或次序，也不意味著進(jìn)行方法動(dòng)作的時(shí)間順序，而僅是用作區(qū)分具有某一名稱的一個(gè)權(quán)利要求要素與具有相同名稱(除序術(shù)語的使用之外)的另一權(quán)利要求要素的標(biāo)記，以區(qū)分權(quán)利要求的要素。
【權(quán)利要求】
1.一種使?jié)B透驅(qū)動(dòng)膜系統(tǒng)中吸引溶質(zhì)回收最大化的方法，該方法包括以下步驟: 提供第一滲透驅(qū)動(dòng)膜系統(tǒng)，所述第一滲透驅(qū)動(dòng)膜系統(tǒng)包括正向滲透膜，并被配置用于在所述膜的第一側(cè)接收第一溶液并在所述膜的第二側(cè)接收濃縮吸引溶液； 使用所述濃縮吸引溶液從所述第一溶液滲透分離溶劑，從而在所述膜的第一側(cè)形成第二溶液并在所述膜的第二側(cè)形成稀釋的吸引溶液，其中所述第二溶液包含經(jīng)由通過所述膜的反向離子交換的至少一種第一離子物類的溶質(zhì)； 分離所述稀釋的吸引溶液以回收至少一種吸引溶質(zhì)和所述溶劑，其中回收的溶劑包含至少一種第二離子物類的溶質(zhì)； 使回收的至少一種吸引溶質(zhì)再循環(huán)至所述第一滲透驅(qū)動(dòng)膜系統(tǒng)； 提供第二滲透驅(qū)動(dòng)膜系統(tǒng)，所述第二滲透驅(qū)動(dòng)膜系統(tǒng)包括反向滲透膜； 在所述第二滲透驅(qū)動(dòng)膜系統(tǒng)中給回收的溶劑加壓，以回收基本上純的溶劑和包含所述至少一種第二離子物類的溶質(zhì)的濃縮溶液； 將包含所述至少一種第二離子物類的溶質(zhì)的所述濃縮溶液再循環(huán)至所述第一滲透驅(qū)動(dòng)膜系統(tǒng)，其中所述濃縮溶液被添加至所述第一溶液，從而得到包含所述至少一種第一離子物類的溶質(zhì)和所述至少一種第二離子物類的溶質(zhì)的第二溶液； 平衡所述至少一種第一物類的溶質(zhì)和所述至少一種第二物類的溶質(zhì)，以形成另外的可去除的吸引溶質(zhì)；和 分離所述第二溶液以回收所 述另外的吸引溶質(zhì)和第三溶液。
2.權(quán)利要求1所述的方法，還包括將所述另外的吸引溶質(zhì)再循環(huán)入所述濃縮吸引溶液的步驟。
3.權(quán)利要求1所述的方法，其中分離所述稀釋的吸引溶液的步驟包括蒸餾。
4.權(quán)利要求1所述的方法，其中所述濃縮吸引溶液包含至少1:1摩爾比的氨和二氧化碳。
5.一種用于從第一溶液滲透提取溶劑的系統(tǒng)，包括: 正向滲透系統(tǒng)，包括: 具有與所述第一溶液源流體連接的進(jìn)口的第一室； 具有與濃縮吸引溶液源流體連接的進(jìn)口的第二室；和 分隔所述第一室與所述第二室的半透膜系統(tǒng)； 第一分離系統(tǒng)，其與所述正向滲透系統(tǒng)在所述第二室的下游流體聯(lián)接，并被配置以從其接收稀釋的吸引溶液并將所述稀釋的吸引溶液分離成吸引溶質(zhì)和溶劑流； 壓力交換器，其與所述分離系統(tǒng)流體聯(lián)接并被配置以加壓并運(yùn)輸所述溶劑流； 反向滲透系統(tǒng)，其與所述壓力交換器流體聯(lián)接并且包括: 第一室，其被配置用于接收加壓的溶劑流； 與所述第一室聯(lián)接的半透膜；和 第二室，其與所述半透膜聯(lián)接并被配置用于接收流經(jīng)所述膜的溶劑，其中所述反向滲透單元的第一室與所述正向滲透單元的第一室流體聯(lián)接以提供至少一部分的所述第一溶液；和 第二分離系統(tǒng)，其與所述正向滲透系統(tǒng)的第一室流體聯(lián)接并被配置用于從其接收濃縮的第一溶液并從所述濃縮的第一溶液去除吸引溶質(zhì)和產(chǎn)物流的至少一種。
6.權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，還包括與所述第二分離系統(tǒng)流體連通的再循環(huán)系統(tǒng)，用于將分離的吸引溶質(zhì)返回到所述濃縮吸引溶液。
7.權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中所述濃縮吸引溶液包含至少一比一摩爾比的氨和二氧化碳。
8.權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中所述第一分離系統(tǒng)和第二分離系統(tǒng)的至少一個(gè)包括蒸餾柱或接觸膜的至少一種。
9.一種處理廢水的方法，包括: 將具有高生化需氧量或高化學(xué)需氧量的廢水引入到半透膜的第一側(cè)； 將包含至少一比一摩爾比的氨和二氧化碳的濃縮吸引溶液引入到所述半透膜的第二偵牝以維持所需的跨所述半透膜的滲透濃度梯度； 促進(jìn)至少一部分所述廢水流動(dòng)穿過所述半透膜，以在所述半透膜的所述第一側(cè)形成第二溶液并在所述半透膜的所述第二側(cè)形成稀釋的吸引溶液；和 將至少一部分所述稀釋的吸引溶液引入分離操作以回收吸引溶質(zhì)和溶劑流。
10.權(quán)利要求9所述的方法，還包括將所述第二溶液引入二級過程，所述二級過程包括焚燒器和厭氧消化器的至少一種。
11.權(quán)利要求10所述的方法，還包括向所述分離操作提供在所述二級過程期間產(chǎn)生的熱。
12.一種正向滲透方法，包括以下步驟: 將包含溶劑和至少一種溶質(zhì)的第一溶液引入半透膜的第一側(cè)； 將多個(gè)晶種引入所述第一溶液； 將濃縮吸引溶液引入所述半透膜的第二側(cè)； 促進(jìn)所述第一溶液中所述至少一種溶質(zhì)的成核；和 促進(jìn)至少一部分所述溶劑流動(dòng)穿過所述半透膜，以在所述半透膜的所述第一側(cè)形成第二溶液并在所述半透膜的所述第二側(cè)形成稀釋的吸引溶液。
13.權(quán)利要求12所述的方法，還包括以下步驟:將至少一部分所述稀釋的吸引溶液導(dǎo)入分離單元以回收溶劑流或吸引溶質(zhì)的至少一個(gè)。
14.權(quán)利要求13所述的方法，還包括以下步驟:將吸引溶質(zhì)重新引入所述半透膜的所述第二側(cè)的所述濃縮吸引溶液以維持在所述濃縮吸引溶液中的所需摩爾比。
15.權(quán)利要求12所述的方法，還包括以下步驟:回收至少一部分從所述第一溶液沉淀出的至少一種溶質(zhì)。
16.權(quán)利要求15所述的方法，其中回收沉淀的溶質(zhì)的步驟包括進(jìn)一步處理所述溶質(zhì)或所述第一溶液的至少一個(gè)。
17.一種用于使用滲透處理溶液的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括: 正向滲透模塊，包括: 第一室，其與包含溶劑和至少一種溶質(zhì)的第一溶液源流體連通； 第二室，其與濃縮吸引溶液流體連通；和 聯(lián)接所述第一室和所述第二室的半透膜；和 用于將多個(gè)晶種引入所述第一室的裝置，其中當(dāng)所述第一溶液被引入所述第一室時(shí)，所述多個(gè)晶種導(dǎo)致至少一部分所述至少一種溶質(zhì)的成核。
18.權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，還包括與所述第二室流體連通的分離模塊，用于回收溶劑流和吸引溶質(zhì)的至少一個(gè)。
19.權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，還包括用于將吸引溶質(zhì)再循環(huán)入所述濃縮吸引溶液的裝置。
20.權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，還包括與所述第一室流體連通的回收模塊，用于回收沉淀的溶質(zhì)。
21.—種使用滲透處理溶液的裝置,包括: 室，其被配置用于接收包含溶劑和至少一種溶質(zhì)的第一溶液； 膜模塊，其置于所述室內(nèi)并包括具有與所述第一溶液流體連通的外表面和用于接收濃縮吸引溶液的內(nèi)表面的半透膜；和 用于將多個(gè)晶種引入所述室的裝置，其中所述多個(gè)晶種導(dǎo)致所述室中所述第一溶液中至少一部分 的所述至少一種溶質(zhì)的成核。
【文檔編號】B01D61/00GK103619452SQ201280031184
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2012年4月24日 優(yōu)先權(quán)日:2011年4月25日
【發(fā)明者】羅伯特·麥金尼斯 申請人:Oasys水有限公司