本專利申請(qǐng)要求2014年4月23日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)No.61/982,955的權(quán)益，所述美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)的公開內(nèi)容以其整體通過(guò)引用結(jié)合在本文中。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及液體純化系統(tǒng)，并且更具體來(lái)說(shuō)，涉及利用與其他過(guò)濾系統(tǒng)結(jié)合的電滲析系統(tǒng)的液體純化系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

在過(guò)去10年中，微咸水脫鹽的經(jīng)濟(jì)成本以12％的估算年化速率增長(zhǎng)。微咸水脫鹽涉及在天然含鹽的內(nèi)陸含水層或變得遭受海水侵襲的沿海蓄水層中存在的輕(1,000-3,000ppm總?cè)芙夤腆w，TDS)到中等鹽度(3,000-10,000ppm TDS)的水的處理。從環(huán)境和成本角度來(lái)看，被稱為回收率RR的回收的水與抽取的水的比率是重要的考慮因素。較高回收率的益處包括：(1)減小脫鹽設(shè)備攝入量的尺寸；(2)減少產(chǎn)生的鹽水的體積，所述產(chǎn)生的鹽水需要棄置到海洋、地表水或在抽取水的含水層下面的承壓含水層；和(3)減少所需的含水層補(bǔ)給率，所述含水層的補(bǔ)給可以用處理過(guò)的廢水連續(xù)進(jìn)行，或在低需求量時(shí)段期間，用另一個(gè)地方的水源定期進(jìn)行。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)本公開的一種實(shí)施方式，液體純化系統(tǒng)包括具有過(guò)濾器組以及進(jìn)料流、濃縮物流和滲透物流的過(guò)濾器系統(tǒng)。所述進(jìn)料流構(gòu)成所述液體純化系統(tǒng)的輸入物。所述液體純化系統(tǒng)還包括電滲析系統(tǒng)，所述電滲析系統(tǒng)具有至少一個(gè)至少一對(duì)電極的堆棧(stack)，在所述電極之間布置著至少一個(gè)具有陰離子交換膜和陽(yáng)離子交換膜的電池對(duì)。所述電滲析系統(tǒng)包括稀釋物入口、稀釋物出口和濃縮物出口。所述稀釋物入口與所述濃縮物流流體連接，并且所述稀釋物出口的至少一部分與所述滲透物流的至少一部分流體連接，以產(chǎn)生純化的輸出物流。所述純化的輸出物流與所述進(jìn)料流的電導(dǎo)率比不小于約0.55。

根據(jù)本公開的另一種實(shí)施方式，運(yùn)行液體純化系統(tǒng)的方法包括提供具有過(guò)濾器組以及進(jìn)料流、濃縮物流和滲透物流的過(guò)濾器系統(tǒng)。所述進(jìn)料流構(gòu)成所述液體純化系統(tǒng)的輸入物。所述方法還包括提供具有稀釋物入口、稀釋物出口和濃縮物出口的電滲析系統(tǒng)。所述稀釋物入口與所述濃縮物流流體連接，并且所述稀釋物出口的至少一部分與所述滲透物流的至少一部分流體連接，以產(chǎn)生純化的輸出物流。所述方法還包括運(yùn)行所述過(guò)濾器系統(tǒng)和所述電滲析系統(tǒng)，使得所述純化的輸出物流與所述進(jìn)料流的電導(dǎo)率比不小于約0.55。

在一些實(shí)施方式中，所述濃縮物流的電導(dǎo)率與所述進(jìn)料流的電導(dǎo)率之比不大于2倍。所述電滲析系統(tǒng)還可以包括在所述陰離子交換膜和所述陽(yáng)離子交換膜之間的離子交換樹脂。所述過(guò)濾器系統(tǒng)可以是反滲透系統(tǒng)和/或納米過(guò)濾系統(tǒng)。所述過(guò)濾器組內(nèi)的過(guò)濾器可以包括反滲透膜、納米過(guò)濾膜或二者。利用標(biāo)準(zhǔn)微咸水試驗(yàn)條件，所述過(guò)濾器組內(nèi)的過(guò)濾器可以具有不大于約90％的氯化鈉截留率。

附圖說(shuō)明

通過(guò)參考以下詳細(xì)說(shuō)明，結(jié)合參考附圖，將更容易理解實(shí)施方式的前述特征，在所述附圖中：

圖1顯示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的液體純化系統(tǒng)的示意圖；

圖2顯示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的過(guò)濾器系統(tǒng)中過(guò)濾器的示例性示意圖；

圖3示意性地顯示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的過(guò)濾器系統(tǒng)中示例性的過(guò)濾器組的透視圖；

圖4顯示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的電滲析堆棧的示例性示意圖；

圖5顯示了在運(yùn)行期間圖4的電滲析堆棧的一部分；

圖6顯示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式在所述膜之間具有離子交換樹脂的電滲析堆棧的示例性示意圖；

圖7顯示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式具有多個(gè)電滲析堆棧的液體純化系統(tǒng)的示意圖；

圖8描繪了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式用于液體純化系統(tǒng)中的示例性的多堆棧電滲析系統(tǒng)；

圖9是混雜系統(tǒng)的水成本對(duì)回收率的圖；和

圖10是最佳回收率對(duì)純化的輸出物與進(jìn)料的電導(dǎo)率比的圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的各種實(shí)施方式提供了液體純化系統(tǒng)及其運(yùn)行方法。所述液體純化系統(tǒng)是混雜系統(tǒng)，其將過(guò)濾器系統(tǒng)與電滲析系統(tǒng)組合，以便提供相對(duì)于獨(dú)立的電滲析系統(tǒng)而言的水成本降低和相對(duì)于一些過(guò)濾器系統(tǒng)例如反滲透系統(tǒng)和/或納米過(guò)濾系統(tǒng)而言的回收率改善。通過(guò)將電滲析的能量和設(shè)備成本作為產(chǎn)物鹽度的函數(shù)進(jìn)行建模而將除鹽移向更高的鹽度，所述液體純化系統(tǒng)的實(shí)施方式降低了所述系統(tǒng)的運(yùn)行成本。下面論述了說(shuō)明性實(shí)施方式的細(xì)節(jié)。

定義：在本說(shuō)明書和權(quán)利要求書中使用時(shí)，除非上下文另有要求，否則下列術(shù)語(yǔ)應(yīng)該具有所指出的含義：

“組”包括至少一個(gè)構(gòu)件。

如果“過(guò)濾器組”具有多于一個(gè)的構(gòu)件，則所述組的每個(gè)構(gòu)件都與至少一個(gè)其他構(gòu)件流體連接。

“過(guò)濾器”是限定截留物側(cè)和滲透物側(cè)的過(guò)濾介質(zhì)，跨所述截留物側(cè)和滲透物側(cè)建立液壓梯度。

“過(guò)濾介質(zhì)”是選自納米過(guò)濾膜、反滲透膜及其組合的介質(zhì)。

圖1顯示了液體純化系統(tǒng)10的示意圖。所述液體純化系統(tǒng)10包括具有一個(gè)或多個(gè)過(guò)濾器22以及進(jìn)料流24、濃縮物流26和滲透物流28的過(guò)濾器系統(tǒng)20。所述進(jìn)料流24構(gòu)成所述液體純化系統(tǒng)10的輸入物。所述過(guò)濾器系統(tǒng)20在下面更詳細(xì)地描述。所述液體純化系統(tǒng)10還包括電滲析系統(tǒng)40，所述電滲析系統(tǒng)40具有與所述濃縮物流26流體連接的稀釋物入口42、稀釋物出口44和濃縮物出口46。所述電滲析系統(tǒng)40產(chǎn)生濃縮物50，所述濃縮物50流過(guò)所述濃縮物出口46，并且所述系統(tǒng)40產(chǎn)生稀釋物48，所述稀釋物48流過(guò)所述稀釋物出口44。所述稀釋物出口44的至少一部分與所述滲透物流28的至少一部分流體連接，以便產(chǎn)生所述液體純化系統(tǒng)10的純化的輸出物流14。所述電滲析系統(tǒng)40及其變化在下面更詳細(xì)地描述。

在某些應(yīng)用中，希望顯著降低微咸水進(jìn)料的鹽度，例如，希望將水進(jìn)料的鹽度降低5、10、30或甚至100倍。在這些情況下常見(jiàn)的方式是采用兩級(jí)反滲透系統(tǒng)。首先，反滲透很好地截留鹽并可以達(dá)到100或更高的進(jìn)料與最終產(chǎn)物鹽度比。第二，每級(jí)反滲透通常允許回收其進(jìn)入流的最高50％作為滲透物。因此，兩級(jí)系統(tǒng)能回收進(jìn)料流的75％作為純化的產(chǎn)物流，從而將廢物最小化。然而，回收超過(guò)水進(jìn)料的75％作為純化產(chǎn)物需要三級(jí)或四級(jí)反滲透系統(tǒng)。因而，這種方法可能變得相當(dāng)昂貴。所述液體純化系統(tǒng)10使用允許獲得高水進(jìn)料回收率的電滲析，外加允許獲得最終產(chǎn)物高純度和總系統(tǒng)高回收率的過(guò)濾器系統(tǒng)，例如反滲透系統(tǒng)和/或納米過(guò)濾系統(tǒng)。

當(dāng)前的混雜系統(tǒng)尚未解決的另一種應(yīng)用是含鹽進(jìn)料流的部分脫鹽，例如，進(jìn)料流與最終產(chǎn)物流的鹽度比小于4、小于2或甚至小于1.5。一個(gè)這樣的實(shí)例是微咸水的部分脫鹽，從1,000ppm總?cè)芙夤腆w降至500ppm總?cè)芙夤腆w(世界衛(wèi)生組織飲用水標(biāo)準(zhǔn))。在部分脫鹽應(yīng)用中，通常使用電滲析，因?yàn)殡姖B析系統(tǒng)的尺寸與除鹽量大致成比例。因此，如果只需要部分脫鹽，電滲析可以是非常成本有效的。

在部分脫鹽應(yīng)用中，本發(fā)明的實(shí)施方式通過(guò)在所述電滲析系統(tǒng)40之前引入過(guò)濾器系統(tǒng)20例如反滲透和/或納米過(guò)濾系統(tǒng)，降低了總系統(tǒng)成本。這是有益的，因?yàn)榉礉B透和納米過(guò)濾系統(tǒng)有效阻擋鹽通過(guò)。因此，如果將過(guò)濾器系統(tǒng)的滲透物28與電滲析稀釋物48摻混以形成最終產(chǎn)物流14，則有可能提高電滲析稀釋物48的鹽度并且仍然達(dá)到在引入過(guò)濾器系統(tǒng)20之前達(dá)到的最終產(chǎn)物流14的相同鹽度。同時(shí)，由于引入了所述過(guò)濾器系統(tǒng)20，所述電滲析系統(tǒng)40的稀釋物輸入增加。因此，從電滲析系統(tǒng)40的角度來(lái)看，總效應(yīng)在于除去鹽的范圍的值上移。這是有益的，因?yàn)橛秒姖B析除去一個(gè)單位的鹽的成本隨著稀釋鹽度的倒數(shù)而增加。電滲析系統(tǒng)通常在剛剛低于它們的極限電流密度下運(yùn)行。極限電流密度與鹽度成正比，并且每單位除去的鹽的膜面積(與資本成本相關(guān))與電流密度成反比。因此，電滲析系統(tǒng)與過(guò)濾器系統(tǒng)例如反滲透和/或納米過(guò)濾系統(tǒng)的混雜，降低了電滲析系統(tǒng)的資本成本，這是通過(guò)所述電滲析系統(tǒng)與用于相同目的的獨(dú)立電滲析系統(tǒng)相比尺寸減小所要求的。

當(dāng)考慮將水進(jìn)料只部分脫鹽的系統(tǒng)和方法類別時(shí)，對(duì)混雜ED-RO系統(tǒng)中使用的反滲透系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有進(jìn)一步的興趣。例如，微咸水進(jìn)料的典型反滲透系統(tǒng)是兩級(jí)系統(tǒng)。它們通常提供大約4的濃縮物與進(jìn)料鹽度比。然而，在用于部分脫鹽的電滲析系統(tǒng)中，每單位最終產(chǎn)物水體積流率(flow rate)的電滲析系統(tǒng)成本已經(jīng)是低的。此外，對(duì)于要評(píng)判的混雜系統(tǒng)而言，引入的過(guò)濾器系統(tǒng)例如反滲透或納米過(guò)濾系統(tǒng)的成本必須比在所述電滲析系統(tǒng)中能夠節(jié)約的成本更低。因此，與除了打算用于部分脫鹽的那些系統(tǒng)之外的系統(tǒng)相比，所述過(guò)濾器系統(tǒng)優(yōu)選較小并因而在成本上較低。具體而言，為了降低所述過(guò)濾器系統(tǒng)的成本，優(yōu)選降低濃縮物與進(jìn)料流的鹽度比，這減少了每單位進(jìn)料流率的滲透物流率。這繼而又減少了所需要的系統(tǒng)面積并從而降低了成本。例如，所述濃縮物與所述進(jìn)料流的鹽度比可以是3、2或1.5。最后，為了使所述過(guò)濾器系統(tǒng)單元的成本最小化，選擇在微咸條件下標(biāo)準(zhǔn)氯化鈉鹽截留率不超過(guò)99％、并優(yōu)選98％、97％、95％或90％的膜例如反滲透或納米過(guò)濾膜，是有益的。在這種情況下，這些類型的膜允許跨膜施加的每單位水壓的滲透物通量更高，并從而允許獲得較小的膜面積和較小的系統(tǒng)尺寸。截留率值遠(yuǎn)低于90％是有問(wèn)題的，因?yàn)橛谑菍⑿枰喈?dāng)大的膜面積來(lái)達(dá)到3、2或1.5的濃縮物與進(jìn)料的鹽度比，這是降低所述電滲析系統(tǒng)成本所必需的。

如圖2中更詳細(xì)所示，所述過(guò)濾器系統(tǒng)20包括一個(gè)或多個(gè)具有過(guò)濾介質(zhì)30的過(guò)濾器22，所述過(guò)濾介質(zhì)限定所述過(guò)濾器的截留物側(cè)32和滲透物側(cè)34，跨所述兩側(cè)建立液壓梯度。例如，所述過(guò)濾器系統(tǒng)可以是反滲透系統(tǒng)并且所述過(guò)濾介質(zhì)可以是反滲透膜。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所知，反滲透(RO)是使用半透膜從液體例如飲用水中除去粒子和/或溶質(zhì)的液體純化方法。在反滲透中，使用外加電壓來(lái)克服滲透壓，以便從溶液中除去各種類型的分子和離子。所述溶質(zhì)被保留在所述膜的加壓側(cè)，或截留物側(cè)32，并讓純化的溶劑傳到所述膜30的滲透物側(cè)34。反滲透膜阻止溶質(zhì)通過(guò)的能力取決于運(yùn)行參數(shù)，例如流入物壓力、溶質(zhì)濃度和水通量。在一些實(shí)施方式中，所述反滲透膜可以具有小于約0.001μm的平均孔徑。在某些實(shí)施方式中，所述反滲透膜可以具有小于約200g/mol的分子量截止值。

替代或附加地，所述過(guò)濾器系統(tǒng)可以是納米過(guò)濾系統(tǒng)并且所述過(guò)濾介質(zhì)可以是納米過(guò)濾膜。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所知，納米過(guò)濾是包括具有納米尺度孔的膜的過(guò)濾系統(tǒng)。例如，所述納米過(guò)濾膜在一些實(shí)施方式中可以具有約0.001μm和約0.01μm之間的平均孔徑。在某些實(shí)施方式中，所述納米過(guò)濾膜可以具有約200g/mol和約20,000g/mol之間的分子量截止值。與反滲透相似，納米過(guò)濾膜阻止溶質(zhì)通過(guò)的能力取決于運(yùn)行參數(shù)，例如流入物壓力、溶質(zhì)濃度和水通量。

當(dāng)所述過(guò)濾器在穩(wěn)態(tài)下運(yùn)行時(shí)，過(guò)濾介質(zhì)對(duì)于鹽的截留百分比一般通過(guò)滲透物流內(nèi)鹽的重量百分比除以液體進(jìn)料流內(nèi)次要組分的重量百分比并乘以100％來(lái)計(jì)算。當(dāng)在標(biāo)準(zhǔn)微咸水試驗(yàn)條件下確定過(guò)濾介質(zhì)對(duì)于鹽的截留百分比時(shí)，所述過(guò)濾介質(zhì)應(yīng)該被布置成單個(gè)螺旋卷式膜元件，所述元件例如直徑8英寸和長(zhǎng)度40英寸。優(yōu)選地，所述過(guò)濾介質(zhì)應(yīng)該含有30密耳厚的進(jìn)料通道隔離物，以產(chǎn)生400平方英尺的活性膜面積。所述滲透物流率應(yīng)該等于進(jìn)料流率的10％。另外，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)微咸水試驗(yàn)條件而言，進(jìn)料流應(yīng)該只包含待測(cè)定截留百分比的鹽和水，所述鹽的濃度是0.15重量％。另外，進(jìn)料流應(yīng)該被設(shè)置在25攝氏度的溫度下，pH為7，并且在200psi表壓的壓力下被進(jìn)料到所述過(guò)濾器。

當(dāng)所述過(guò)濾器系統(tǒng)20包括兩個(gè)或更多個(gè)過(guò)濾器22時(shí)，例如圖3中顯示的，每個(gè)過(guò)濾器與進(jìn)料流24、濃縮物流26和滲透物流28流體連接。

在一些實(shí)施方式中，所述過(guò)濾器22可以包含薄膜復(fù)合膜。例如，所述薄膜復(fù)合膜可以包括用作機(jī)械支撐物的厚度約150μm的無(wú)紡布。多孔聚砜層(例如，厚度大約60μm)可以通過(guò)任何已知的方法例如相轉(zhuǎn)化法而被放置在所述支撐層上。聚酰胺層(例如，約200nm)可以利用任何已知的方法例如界面聚合而被布置在所述聚砜層上。

合適的過(guò)濾器可以包括可從以下公司獲得的那些過(guò)濾器：Hydranautics(Oceanside，CA)(例如，以零件編號(hào)ESPA2-4040、ESPA2-LD-4040、ESPA2-LD、ESPA2MAX、ESPA4MAX、ESPA3、ESPA4-LD、SanROO HS-4、SanRO HS2-8、ESNA1-LF2-LD、ESNA1-LF2-LD-4040、ESNA1-LF-LD、SWC4BMAX、SWC5-LD-4040、SWC5-LD、SWC5MAX、SWC6-4040、SWC6、SWC6MAX、ESNA1-LF2-LD、ESNA1-LF-LD、ESNA1-LF2-LD-4040、ESNA1-LF-LD-4040、HYDRAcap60-LD、和HYDRAcap60)；Dow Filmtec via Dow Chemical Company(Midland，MI)(例如，以零件編號(hào)HSRO-390-FF、LC HR-4040、LC LE-4040、SW30HRLE-4040,SW30HRLE-440i、SW30HRLE-400i、SW30HRLE-370/34i、SW30XHR-400i、SW30HRLE-400、SW30HR-380、NF90-400、NF270-400、NF90-4040)；Toray Industries，Inc.(例如，以零件編號(hào)TM720-440，TM720C-440，TM720L-440)；Koch Membrane Systems，Inc.(Wilmington，MA)(例如，以零件編號(hào)8040-HR-400-34、8040-HR-400-28)；和LG NanoH2O(El Segundo，CA)(例如，以零件編號(hào)Qfx SW 400 ES、Qfx SW 400 SR、Qfx SW 400 R)。

如圖4中更詳細(xì)所示，所述電滲析系統(tǒng)40包括至少一個(gè)電滲析堆棧100。所述堆棧100包括一對(duì)電極，即，陽(yáng)極52和陰極54。所述堆棧100還包括布置在所述電極52、54之間的至少一個(gè)電池對(duì)56。每個(gè)電池對(duì)56包括只允許陰離子通過(guò)的陰離子交換膜58；只允許陽(yáng)離子通過(guò)的陽(yáng)離子交換膜60；由所述膜58、60限定的稀釋物通道62，以允許稀釋物48通過(guò)所述通道62；和由所述膜58、60限定的濃縮物通道64，以允許濃縮物50通過(guò)所述通道64。在各種實(shí)施方式中，所述離子交換膜58、60可以是由總部設(shè)在日本東京的Astom Corporation制造的Neosepta CMX、CIMS、CMB、AMX、AHA、ACS、AFN、AFX或ACM膜中的任一種。

如上所述，每個(gè)電池對(duì)56的陰離子和陽(yáng)離子交換膜58、60限定了流體可以流過(guò)的通道。當(dāng)所述堆棧100包括多個(gè)電池對(duì)56時(shí)，所述電池對(duì)56被排列成使得在所述膜的層中陰離子交換膜58與陽(yáng)離子交換膜60交替。在各種實(shí)施方式中，堆棧100可以包括由交替的陰離子和陽(yáng)離子交換膜58、60限定的各種通道，例如多達(dá)兩千(2000)個(gè)通道。在一些實(shí)施方式中，所述交換膜58、60相隔恒定的距離，使得所述通道具有均一的高度。然而，所述交換膜58、60可以被另行排列以形成不同高度的通道。

所述堆棧100包括接收稀釋物48的入口42，并且所述堆棧100分流所述稀釋物48以流過(guò)所述電池對(duì)56的交替通道62。所述堆棧100通過(guò)入口/出口46接收濃縮物50，所述濃縮物50被所述堆棧100分流以流過(guò)未被稀釋物48占據(jù)的交替通道64。以這種方式，當(dāng)稀釋物48流過(guò)通道62時(shí)，濃縮物50流過(guò)緊挨在稀釋物48上面和下面的通道64，反之亦然。在一些實(shí)施方式中，緊鄰所述陽(yáng)極52和陰極54的通道既不含稀釋物48也不含濃縮物50。

為了運(yùn)行所述電滲析堆棧100，電壓源66向電極52、54施加電壓，并且作為響應(yīng)，稀釋物48中的離子型溶解固體流過(guò)所述陰離子和陽(yáng)離子交換膜58、60進(jìn)入濃縮物50中。結(jié)果，堆棧100將所述稀釋物48至少部分脫鹽，同時(shí)增加所述濃縮物50的鹽度。

這種方法在圖5中更詳細(xì)地顯示，圖5顯示了所述堆棧100中三個(gè)通道的放大視圖，同時(shí)為了清楚起見(jiàn)已經(jīng)除去了所述堆棧100的各種特征。在運(yùn)行期間，當(dāng)向電極52、54施加電壓時(shí)，陽(yáng)極52吸引稀釋物48和濃縮物50中的陰離子。對(duì)于稀釋物48流過(guò)的每個(gè)通道62而言，更靠近陽(yáng)極52的層是陰離子交換膜58。因?yàn)殛庪x子交換膜58允許陰離子通過(guò)，所以來(lái)自稀釋物48的陰離子透過(guò)陰離子交換膜58，流入濃縮物50。然而，對(duì)于濃縮物50流過(guò)的每個(gè)通道64而言，更靠近陽(yáng)極52的層是陽(yáng)離子交換膜60。雖然濃縮物50中的陰離子被吸引到陽(yáng)極52，但陽(yáng)離子交換膜60禁止陰離子透過(guò)膜60。因此，陰離子從稀釋物48流向濃縮物50，并且陽(yáng)離子交換膜60禁止?jié)饪s物50中的陰離子流入稀釋物48。

類似地，對(duì)于稀釋物48流過(guò)的每個(gè)通道62而言，更靠近陰極54的層是陽(yáng)離子交換膜60，并且對(duì)于濃縮物50流過(guò)的每個(gè)通道64而言，更靠近陰極54的層是陰離子交換膜58。所述陰極54吸引稀釋物48和濃縮物50中的陽(yáng)離子，但陽(yáng)離子交換膜60允許陽(yáng)離子從稀釋物48流入濃縮物50中，同時(shí)陰離子交換膜58禁止陽(yáng)離子離開濃縮物50。

如圖6中所示，電滲析堆棧100可以包括在所述陰離子和陽(yáng)離子交換膜58、60之間的離子交換樹脂68。在這種情況下，帶有所述離子交換樹脂68的堆棧100以類似于上文已經(jīng)對(duì)于圖4和5描述的方式起作用。當(dāng)所述電滲析系統(tǒng)40使用一個(gè)或多個(gè)具有離子交換樹脂68的堆棧100時(shí)，所述系統(tǒng)40也可以被稱為電脫離子系統(tǒng)。

如圖7和8中所示，所述電滲析系統(tǒng)40可以包括串聯(lián)連接的多個(gè)堆棧100、100’、100”。在這種情況下，每個(gè)堆棧100、100’、100”包括以前對(duì)于圖4至6中的堆棧100所描述的元件，即，一對(duì)電極52、54和至少一個(gè)具有陰離子交換膜58、陽(yáng)離子交換膜60、稀釋物通道62和濃縮物通道64的電池對(duì)56。任選地，一個(gè)或多個(gè)堆棧100可以包括在所述陰離子和陽(yáng)離子交換膜58、60之間的離子交換樹脂68。所述堆棧100、100’、100”在每個(gè)堆棧中可以包括相等數(shù)量的電池對(duì)56，或者可以具有不同數(shù)量的層。

如圖8中更詳細(xì)地顯示，所述多堆棧電滲析系統(tǒng)40使?jié)饪s物50連續(xù)流過(guò)所述堆棧100的交替通道，并且所述系統(tǒng)40包括流體連接的濃縮物入口47和濃縮物出口46以將所述濃縮物50在所述堆棧100之中再循環(huán)。第一個(gè)堆棧100通過(guò)入口47接收濃縮物50，分流所述濃縮物50以流過(guò)交替通道64，在所述層的末端處將濃縮物50聚集成單個(gè)流，并將所述濃縮物50流送過(guò)出口46，出口46與下一個(gè)堆棧100’的入口47’流體連接。下一個(gè)堆棧100’以類似的方式處理濃縮物50，并且最后一個(gè)堆棧100”將濃縮物50送過(guò)出口46”，出口46”與第一個(gè)堆棧100的入口47流體連接。替代或附加地，所述稀釋物入口42可以與所述濃縮物入口47連接，以便允許流體排出流從所述進(jìn)料到濃縮物50。

至于稀釋物48，第一個(gè)堆棧100通過(guò)入口42接收稀釋物48并且分流所述稀釋物48以流過(guò)未被所述濃縮物50占據(jù)的通道62。電壓源66向第一個(gè)堆棧100的電極52、54施加電壓，并且所述電壓牽引所述稀釋物48中的離子型溶解固體跨過(guò)所述陰離子和陽(yáng)離子交換膜58、60而進(jìn)入所述濃縮物50，從而將所述稀釋物48至少部分脫鹽。在每個(gè)層的末端處，所述堆棧100將稀釋物48的通道聚集成單個(gè)流并使所述稀釋物48流過(guò)出口44。在所述多堆棧系統(tǒng)40中，堆棧100的每個(gè)出口44與隨后的堆棧100的入口42流體連接。因此，每個(gè)隨后的堆棧100接收已經(jīng)被前面的堆棧100進(jìn)一步脫鹽的稀釋物48，并且施加于所述堆棧的電極52、54的電壓牽引所述稀釋物48中另外的離子型溶解固體跨過(guò)所述交換膜58、60而進(jìn)入所述濃縮物50中。所述系統(tǒng)40中的最后一個(gè)堆棧100使稀釋物48流過(guò)與至少一部分所述滲透物流28流體連接的出口44”，以便產(chǎn)生所述液體純化系統(tǒng)10的純化的輸出物流14。

電滲析系統(tǒng)通常在每個(gè)電池對(duì)約0.5-1.5伏的電壓下運(yùn)行，以對(duì)鹽度水平比較低的稀釋物48脫鹽。另外，電滲析系統(tǒng)常規(guī)用于對(duì)電導(dǎo)率低于0.1西門子/米的流體脫鹽。

由于至少三個(gè)原因，電滲析非常適合于需要高回收率的應(yīng)用。第一，電滲析是除鹽而不是除水技術(shù)，因此水進(jìn)料的大部分容易作為產(chǎn)物回收。這與反滲透相反，在反滲透中高回收率在連續(xù)方法中需要多個(gè)級(jí)或者在半分批式(或分批式)方法中需要更長(zhǎng)的加工時(shí)間。第二，電滲析能夠達(dá)到超過(guò)10％總?cè)芙夤腆w(TDS)的鹽水濃度，這超出當(dāng)前反滲透系統(tǒng)可達(dá)到的滲透壓。第三，電滲析過(guò)程中密封劑的晶種沉淀在有些情況下可以規(guī)避由水進(jìn)料溶質(zhì)的溶解性造成的水回收障礙。

雖然電滲析系統(tǒng)具有水回收率高的優(yōu)點(diǎn)，但成本隨著需要除鹽的量而增加。在低鹽度(此時(shí)，與電流成比例的除鹽速率受離子向膜表面的擴(kuò)散速率限制)時(shí)，情況尤其如此。這種現(xiàn)象(稱為極限電流密度)以及溶液在低濃度下的高電阻，增加了在低鹽度下電滲析的成本。因此，本發(fā)明的實(shí)施方式利用了提供高回收率的電滲析系統(tǒng)與提供最終高產(chǎn)物純度的過(guò)濾器系統(tǒng)例如反滲透系統(tǒng)和/或納米過(guò)濾系統(tǒng)之間的協(xié)同作用。

例如，為了了解用于部分脫鹽的本發(fā)明實(shí)施方式的益處，按總系統(tǒng)的每單位體積的純化的輸出物流來(lái)考慮成本。這種總成本可以被分解為所述電滲析系統(tǒng)的成本和所述反滲透系統(tǒng)的成本的貢獻(xiàn)之和：

C_tot＝C_ED+C_RO

其中C_tot是以$/m³純化的輸出物流為單位的總成本，C_ED是所述電滲析系統(tǒng)對(duì)總成本的貢獻(xiàn)(也以$/m³純化的輸出物流為單位度量)并且C_RO是所述反滲透系統(tǒng)對(duì)總成本的貢獻(xiàn)(也以$/m³純化的輸出物流為單位度量)。

所述反滲透系統(tǒng)對(duì)總成本的貢獻(xiàn)可以約等于：

其中RR是所述反滲透系統(tǒng)的回收率，被定義為所述滲透物流與所述進(jìn)料流的體積流率比，RR^O是參比反滲透系統(tǒng)的回收率，所述參比反滲透系統(tǒng)產(chǎn)生每立方米滲透物花費(fèi)K_RO$(包括能量成本、運(yùn)行成本和設(shè)備折舊(資本)成本)。例如，在一些實(shí)施方式中，K_RO在約$0.05/m³和$0.5/m³之間，并且可以是例如約0.2/m³。

所述電滲析系統(tǒng)對(duì)總成本的貢獻(xiàn)可以被分解為來(lái)自能量的貢獻(xiàn)C_ED,E和來(lái)自資本的貢獻(xiàn)C_ED,C：

C_ED＝C_ED,E+C_ED,C

電滲析能量成本的貢獻(xiàn)可以寫為：

K_E是電的成本，其可以在約$0.05/kWh和$0.3/kWh之間，并且可以是例如約$0.1/kWh。

V是每個(gè)電滲析堆棧中跨每個(gè)電池對(duì)的電壓，并且可以在約0.1V和2V之間，例如約0.6V。

k_c是所述反滲透系統(tǒng)的濃縮物流(或所述電滲析系統(tǒng)的稀釋物入口)的電導(dǎo)率，以西門子/米為單位，而k_d,o是所述電滲析系統(tǒng)的稀釋物出口的電導(dǎo)率，以西門子/米為單位。

F是法拉第(Faraday)常數(shù)并且等于約100,000庫(kù)倫/摩爾。

Λ_c是所述濃縮物流(或稀釋物入口)的摩爾電導(dǎo)率，以西門子乘以平方米/摩爾為單位，Λ_d,o是稀釋物出口的電導(dǎo)率，也以西門子乘以平方米/摩爾為單位。

電滲析設(shè)備成本的貢獻(xiàn)可以寫為：

上式假定所述堆棧中的電流密度大致等于極限電流密度(嚴(yán)格來(lái)說(shuō)它必須低于極限電流密度)。K_C是多堆棧電滲析系統(tǒng)的資本成本除以所述堆棧中陰離子和陽(yáng)離子交換膜的總面積的一半。在一些實(shí)施方式中，所述表面積可以以m²為單位表示。在一些實(shí)施方式中，K_C可以在約25和約150$/m²之間，并且在一種實(shí)施方式中，K_C為約50$/m²。

r是資本的年度成本，表示為利率。在一些實(shí)施方式中，所述利率可以在約5-15％之間，并且可以是例如約5％。

T是以年為單位的設(shè)備壽命。在一些實(shí)施方式中，T可以在約10年和約20年之間，并且可以是例如約20年。

D是所述電滲析系統(tǒng)中稀釋物中鹽的數(shù)均擴(kuò)散率，例如1.61e-9平方米/秒。

Sh是所述ED系統(tǒng)的稀釋物通道中無(wú)因次空間平均舍伍德數(shù)(dimensionless spatially averaged Sherwood number)，例如20。

MW_s是所述電滲析系統(tǒng)中稀釋物中鹽的質(zhì)量平均摩爾質(zhì)量，以克/摩爾為單位，例如氯化鈉為58.66克/摩爾。

h_d是稀釋物通道的高度。這種高度可以是稀釋物在其間流動(dòng)的陰離子和陽(yáng)離子交換膜之間的距離，并且所述高度可以以米為單位表示。在各種實(shí)施方式中，所述高度可以在約0.3和約2.5mm之間(例如，在約0.3x 10^-3m和2.50x 10^-3m之間)，并且可以是例如約0.0005m。

所述反滲透系統(tǒng)的回收率RR、進(jìn)料流電導(dǎo)率k_f和濃縮物流電導(dǎo)率k_c之間的關(guān)系大致由下式給出：

上述關(guān)系假定所述進(jìn)料流中大部分溶解的離子型固體被保留在所述濃縮物流內(nèi)。描述整個(gè)系統(tǒng)的純化的輸出物電導(dǎo)率的關(guān)系大致由下式給出：

k_p＝(1-RR)k_d,o+k_fSP RR

SP是鹽通過(guò)率，其可以被定義為滲透物與進(jìn)料流的電導(dǎo)率比，并且可以在約0.5和0.998之間，并且可以是例如約0.992。

圖9顯示了在進(jìn)料流電導(dǎo)率為0.15S/m并且純化的輸出物流的電導(dǎo)率為0.08S/m時(shí)，ED-RO混雜系統(tǒng)的水成本如何取決于所述反滲透系統(tǒng)的回收率?；厥章授呌诹愕臉O限相當(dāng)于沒(méi)有反滲透系統(tǒng)的電滲析系統(tǒng)。顯然，當(dāng)回收率超過(guò)零(事實(shí)上，在這種情形下約70％)時(shí)，水的總成本被最小化——意味著包括反滲透系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)上是有益的。這說(shuō)明了本發(fā)明的液體純化系統(tǒng)相對(duì)于只使用電滲析系統(tǒng)的常規(guī)途徑而言在部分脫鹽中的效用。

圖10示出了本發(fā)明的液體純化系統(tǒng)途徑特別是用于部分脫鹽應(yīng)用時(shí)的益處。在此，進(jìn)料電導(dǎo)率保持在0.15S/m不變，純化的輸出物與進(jìn)料的電導(dǎo)率比變化(在這張圖中因?yàn)檫M(jìn)料電導(dǎo)率保持不變，相當(dāng)于純化的輸出物的電導(dǎo)率變化)，并且，對(duì)于純化的輸出物與進(jìn)料的電導(dǎo)率比的每個(gè)值來(lái)說(shuō)，將上述方程式求解，以找到使水成本C_tot最小化的回收率值(即，圖9上的最小值)。當(dāng)所述最佳回收率達(dá)到一時(shí)(例如，所有產(chǎn)物水由所述反滲透系統(tǒng)產(chǎn)生而沒(méi)有由所述電滲析系統(tǒng)產(chǎn)生)，這提示最好的系統(tǒng)是純反滲透系統(tǒng)。當(dāng)最佳回收率小于一(但大于零)時(shí)，這提示本發(fā)明的液體純化系統(tǒng)是最成本有效的。重要的是，圖10顯示了對(duì)于顯著水平的除鹽而言(即，當(dāng)產(chǎn)物輸出物與進(jìn)料的電導(dǎo)率比低于約0.5時(shí))，用反滲透系統(tǒng)而不是混雜系統(tǒng)運(yùn)行是最經(jīng)濟(jì)的(不管文獻(xiàn)中對(duì)這樣的應(yīng)用建議使用混雜系統(tǒng))。然而，對(duì)于部分脫鹽來(lái)說(shuō)(即，當(dāng)產(chǎn)物輸出物與進(jìn)料的電導(dǎo)率比超過(guò)約0.5時(shí))，采用本發(fā)明的液體純化系統(tǒng)是最經(jīng)濟(jì)的。

雖然以上論述公開了本發(fā)明的各種示例性實(shí)施方式，但應(yīng)該顯而易見(jiàn)的是，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不背離本發(fā)明的真正范圍的情況下做出將取得本發(fā)明的某些優(yōu)點(diǎn)的各種修改。