用于水萃取的系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種用于水萃取的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一罩住過濾薄膜的流動(dòng)槽，其中 該薄膜具有一包含固定的水通道蛋白水道的活性層及一多孔支撐層，并且其中，一水性來(lái) 源溶液與該薄膜流體連通。此外，本發(fā)明設(shè)及一種用W從水源去除污染物的系統(tǒng)、用W使用 肥料抽吸前向滲透（fertiliser化awn化rwardosmosis)而產(chǎn)生用于灌概目的的經(jīng)稀釋 的營(yíng)養(yǎng)溶液的系統(tǒng)、用W濃縮在水溶液中的有機(jī)和/或無(wú)機(jī)溶質(zhì)的系統(tǒng)；使用前向滲透和 /或逆向滲透，通常來(lái)說(shuō)，諸如低壓逆向滲透的水萃取系統(tǒng)；用于壓力延遲滲透（pressure retardedosmosis)、廢水或程序用水處理（processwatertreatment)的系統(tǒng)，包括從使 用過的透析液萃取出水；W及用于去鹽和/或能量生成而具有低碳排放或零碳排放的結(jié)合 系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 水是生命的最基本組分。但是，隨著干凈水的日益缺乏，越來(lái)越有興趣進(jìn)行從海水 及工業(yè)水中萃取出干凈水、及處理工業(yè)程序用水和有難度廢水流。對(duì)從有價(jià)值的溶液萃取 出柔性水（gentlewater)的可能性亦有興趣，其中，該有價(jià)值的溶液有食物流至蛋白質(zhì)和 勝膚（peptide,縮氨酸）溶液或有用的小有機(jī)化合物。
[0003] 在不同的水純化技術(shù)當(dāng)中，逆向滲透、前向滲透及納米過濾已變成受水萃取歡迎， 因?yàn)樵谌コ头肿恿咳苜|(zhì)諸如小有機(jī)化合物及離子方面有效。但是，運(yùn)些水萃取技術(shù)仍然 是能量密集且不總是具有足夠的選擇性。污染物的實(shí)施例有諸如天然存在于海水中和在污 染地下水中溶解的棚化合物，并且其可在用于灌概及飲用水的去鹽水中引起問題；W及時(shí) 常存在于天然的地面和地下水源中的神化合物，例如在沖積平原及冰賴堆積中。
[0004] 齊姆化im)等人于2012年在多種F0和R0水過濾實(shí)驗(yàn)中研究棚擬除，并已發(fā)現(xiàn)在 F0模式中有約50至55%的最大棚殘留。因此，此低棚過濾效率可需要多個(gè)過濾循環(huán)W在 所產(chǎn)生的濾出液中獲得想要的低棚含量。因此，重要的是發(fā)展出改良的水萃取系統(tǒng)，諸如能 夠去除水污染物諸如棚或神的系統(tǒng)，并且優(yōu)選地使用較少過濾步驟或僅一個(gè)過濾步驟。此 夕F，本發(fā)明的目的為提供一種適應(yīng)于肥料抽吸前向滲透（FDF0)的水萃取系統(tǒng)，其中可使用 海水、咸水、受損的地下或地面水或任何其它合適的水源作為進(jìn)料溶液，W及使用濃無(wú)機(jī)植 物營(yíng)養(yǎng)溶液作為抽吸溶液而產(chǎn)生具有足夠低滲透壓濃度或棚含量的最后肥料溶液，W便允 許其使用作為液體肥料，例如作為含有加入的營(yíng)養(yǎng)素之灌概水。再者，本發(fā)明的目的為提供 一種用于能量?jī)?chǔ)存的新穎系統(tǒng)和用于血液透析中重復(fù)利用水諸如超純水的新穎系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目標(biāo)為提供一種使用固定在支撐過濾薄膜中或上的水通道蛋白水道，諸 如呈支撐或固定的液體薄膜調(diào)配物形式的水萃取系統(tǒng)。參照?qǐng)D1，該系統(tǒng)包含一包含薄膜 (2)的流動(dòng)槽（1)，其中該薄膜包含一活性層（3)及一多孔支撐層（4)，活性層包含水通道蛋 白水道，及該薄膜具有一進(jìn)料側(cè)（5)和一非進(jìn)料側(cè)化）；并且該系統(tǒng)還包含一與該進(jìn)料側(cè)流 體連通的水性來(lái)源溶液（7)。本發(fā)明提供一種用于選擇性水萃取的新穎系統(tǒng)，其中，并入水 通道蛋白水道（諸如水通道蛋白Z水道）的過濾薄膜向該系統(tǒng)提供該通道的獨(dú)特性和選擇 性水運(yùn)輸性質(zhì)，即，特別是使用在該系統(tǒng)中的薄膜的高效率水通量、高鹽擬除、呈前向滲透 操作模式的低能量消耗、小的有機(jī)及無(wú)機(jī)溶質(zhì)的高擬除、固有的低污染傾向、W及穩(wěn)健的操 作條件。
[0006] 本發(fā)明的其它目標(biāo)將由本領(lǐng)域的技術(shù)人員通過下列詳細(xì)說(shuō)明和實(shí)施例明了。
【附圖說(shuō)明】
[0007] 圖1A顯示出一種水萃取系統(tǒng)的基本特征的示意圖，其中：（1)是流動(dòng)槽；似是薄 膜；W及（7)是水性來(lái)源溶液。圖1B顯示出該具體實(shí)例，其中該活性層（3)在該薄膜的進(jìn) 料側(cè)（5)上并且該支撐層（4)在該薄膜的非進(jìn)料側(cè)（6)上。圖1B薄膜構(gòu)造已顯示出在某 些實(shí)驗(yàn)中較高的含棚溶質(zhì)擬除百分比，參照實(shí)施例1。圖1C顯示出該具體實(shí)例，其中該支撐 層（4)在該薄膜的進(jìn)料側(cè)妨上W及該活性層做在該薄膜的非進(jìn)料側(cè)（6)上。
[000引圖2顯示出一用于從進(jìn)料流的水萃取的前向滲透（F0)系統(tǒng)的示意圖，其中：（10) 是進(jìn)料流；（1)是含有薄膜（2)的流動(dòng)槽；（11)是經(jīng)濃縮的進(jìn)料流；(8)是與該薄膜的抽吸 側(cè)流體連通之抽吸溶液；W及（9)是抽吸溶液濃縮單元巧）。
[000引圖3顯示出一肥料抽吸前向滲透師F0)去鹽系統(tǒng)的示意圖，其中：（10)是進(jìn)料 流，優(yōu)選為不適于飲用的水；（13)是濃肥料溶液；（1)是含有薄膜的流動(dòng)槽；（12)是經(jīng)部分 稀釋的肥料溶液，其可再循環(huán)W達(dá)成較高的稀釋程度；（14)是用W最后調(diào)整肥料溶液的稀 釋程度的額外的淡水池；（11)是經(jīng)濃縮的進(jìn)料流，例如向上濃縮的海水；（15)是準(zhǔn)備好使 用的經(jīng)稀釋的肥料溶液。
[0010] 圖4顯示出一逆向滲透（R0)系統(tǒng)的示意圖，其中：（18)是進(jìn)料槽；（16)是累；（17) 是閥；（19)是滲透物W及（20)是滲透物槽。從累經(jīng)由流動(dòng)槽并回至該閥的流是加壓流。
[0011] 圖5顯示出一用于去鹽與抽吸溶液的再生W萃取產(chǎn)物水的前向滲透（F0)系統(tǒng)的 示意圖，其中（21)是進(jìn)料流，例如海水；（1)是含有薄膜（2)的流動(dòng)槽；（22)是經(jīng)濃縮的進(jìn) 料流；（23)是濃抽吸溶液；抽吸溶液（8)與該流動(dòng)槽流體連通；（24)經(jīng)稀釋的抽吸溶液； (9)該抽吸溶液回收系統(tǒng)；W及（25)無(wú)抽吸溶液溶質(zhì)的去鹽的產(chǎn)物水。
[001引圖6顯示出一壓力延遲滲透（PRO)系統(tǒng)的示意圖，其中：（1)是含有薄膜似的流 動(dòng)槽；（26)是進(jìn)料流，例如具有比抽吸流低的滲透壓濃度的淡水或海水；（16)是累；（27) 是進(jìn)料水流出；（28)是抽吸流，例如海水或鹽水；（29)是累；（30)是經(jīng)稀釋及加壓的抽吸 流；（31)是產(chǎn)生電力的滿輪機(jī)；（32)和（34)是減壓的抽吸水；W及（33)是壓力交換器W 輔助加壓該進(jìn)入的抽吸流。
[001引圖7顯示出一F0濃縮器的示意圖，其中（41)是一包括輸入流及輸出流的基礎(chǔ)單 元，W保證在薄膜（45)下有最理想的抽吸溶液流動(dòng)曲線；(42)是可棄換式上部單元；該薄 膜（45)是使該上部單元穩(wěn)固并密封，并且一起具有一對(duì)該基礎(chǔ)單元的額外密封（43) ; (44) 是一選擇性流動(dòng)產(chǎn)生器W攬拌在上部單元中的溶液；(46)是一線上監(jiān)視系統(tǒng)，W監(jiān)視并連 續(xù)地顯示出在該上部單元進(jìn)料溶液中的濃度程度，例如可視覺地檢查體積及重量；（47)是 該反饋回路機(jī)構(gòu)，其經(jīng)設(shè)計(jì)W便一旦達(dá)到想要的濃度時(shí)，停止該濃縮工藝；（48是一再循環(huán) 該抽吸溶液的累；W及（49)是一包含定制的用于不同濃縮工藝的抽吸溶液的可棄換式抽 吸溶液袋。
[0014] 圖8顯示出經(jīng)修改的F0濃縮器的示意圖，其中（41)是一包括定制的輸入流及輸 出流的基礎(chǔ)單元，W保證在薄膜（45)下有最理想的抽吸溶液流動(dòng)曲線，該基礎(chǔ)單元包括 一用于該可棄換式上部單元（42)的穩(wěn)固機(jī)構(gòu)；(43)系一 0形環(huán)，W穩(wěn)固及密封該流動(dòng)槽； (44)是一選擇性流動(dòng)產(chǎn)生器W攬拌在該上部單元中的溶液；(46)是一線上監(jiān)視系統(tǒng)，W 監(jiān)視并連續(xù)地顯示出在該上部單元進(jìn)料溶液中的濃度程度；(47)是該反饋回路機(jī)構(gòu)，其經(jīng) 設(shè)計(jì)W便一旦達(dá)到想要的濃度時(shí)，停止該濃縮工藝；（48)是一再循環(huán)該抽吸溶液的累；及 (49)是一包括定制的用于不同濃縮工藝的抽吸溶液的可棄換式抽吸溶液袋；及巧0)是一 在薄膜（45)上之選擇性的篩網(wǎng)支撐物，W提供穩(wěn)定性。
[0015] 圖9顯示出一在圖8中的F0濃縮器的上部單元從上方觀看的示意圖，其中巧1) 是用W將上部與基礎(chǔ)單元錯(cuò)在一起的工具。
[0016] 圖10顯示出一在圖8中的F0濃縮器的基礎(chǔ)單元從上方觀看的示意圖。
[0017] 圖11顯示出一通過濃縮鹽溶液儲(chǔ)存來(lái)自再生源的能量的逆向滲透（R0)系統(tǒng)與通 過稀釋濃縮溶液來(lái)產(chǎn)生能量的壓力延遲滲透（PRO)系統(tǒng)結(jié)合的組合的示意圖，其中（1)是 含有薄膜（2)的流動(dòng)槽；(61)是鹽溶液側(cè)；化2)是去鹽的水側(cè)；化3)是去鹽的水槽；（16) 是累；（17)是閥；化4)是鹽溶液槽；（31)是產(chǎn)生電力的滿輪機(jī)；(65)是減壓的稀釋鹽溶液 的輸出；化6)是減壓的稀釋鹽溶液的返回流；W及化7)是新鮮鹽溶液的輸入。
【具體實(shí)施方式】
[0018] 更特別的是，本發(fā)明設(shè)計(jì)一種用于水萃取的系統(tǒng)，如詳述在下列。
[0019] 去除污染物的水萃取系統(tǒng)
[0020] 本發(fā)明設(shè)及一種使用R0和/或F0從水源去除污染物諸如微量污染物包括重金屬 及有毒的無(wú)機(jī)化合物的系統(tǒng)。實(shí)施例包括從用于多種目的不需要棚的例如用于人類消耗的 淡水源中去除棚污染物。當(dāng)海水源是使用于去鹽W產(chǎn)生灌概水及適于飲用的水時(shí)，棚是在 其中特別麻煩的污染物?，F(xiàn)有的技術(shù)需要二次過濾通過W獲得足夠低的棚濃度。本發(fā)明的 系統(tǒng)在僅有一次R0通過后于約中性抑下提供最高去除約65%在淡水源中溶解的棚，化及 在F0工藝期間于中性抑下最高去除約75%，參照下列實(shí)施例1。另一個(gè)實(shí)施例為去除神 污染物，其中本發(fā)明的系統(tǒng)可在R0及F0過濾二者后去除約100%，參照下列實(shí)施例2。 [002。 用于肥料抽吸前向滲透去鹽（抑F0)的水萃取系統(tǒng)
[0022] 最近，已經(jīng)增加了對(duì)W去鹽水取代來(lái)減少將淡水源用于農(nóng)作物灌概，及進(jìn)一步對(duì) 該灌概水加入稀釋的營(yíng)養(yǎng)鹽溶液（抑F0)興趣。但是，使用可購(gòu)得的F0薄膜諸如可從水 井過濾器模組（Hy化0wellfiltermodules)(水合科技公司（Hy化ationTechnologies Inc.))購(gòu)得的薄膜具有相關(guān)聯(lián)的缺點(diǎn)，該缺點(diǎn)主要為該營(yíng)養(yǎng)鹽（例如氯化鐘）的相當(dāng)大的 逆向鹽通量（Js)，其中指出在文獻(xiàn)中已經(jīng)提到高如59. 58g/m2s(0. 222mmoles/m2s，費(fèi)敦爾 (Phuntsho)等人2011年）或6. 8至15. 3g/m2s(阿奇利（Achilli)等人于2010年使用來(lái)自 亞利桑那州斯克茨戴爾市的水合科技創(chuàng)新公司（Hy化ationTechnologiesInnovations, 化C，Scottsdale,A幻的平板S醋酸醋纖維素（CTA)薄膜）。想要具有盡可能低的JsW最 小化有價(jià)值的營(yíng)養(yǎng)素離子損失。于本文中我們顯示出在F0系統(tǒng)中使用具有兩親物P8061 作為囊泡形成物質(zhì)的TFC-AqpZ薄膜（根據(jù)下列實(shí)驗(yàn)部分制備），2MKC1溶液作為抽吸，及 具有5M巧黃綠素的去離子水作為進(jìn)料時(shí)，可獲得Js少于4g/m2h，參照下表：
[0023]
[0024] 該表明顯地顯示出可對(duì)鐘鹽KC1獲得平均3. 41 [g/m2h]之一致的低逆向鹽通量。 [00巧]此外，透過使用較低等級(jí)或不適于飲用的水（諸如經(jīng)污染的地下水、咸水及甚至 海水）供應(yīng)，本發(fā)明提供一種降低在農(nóng)業(yè)中的淡水消耗（多如約40%)的低能量工具。本 發(fā)明的水萃取系統(tǒng)與其獨(dú)特水通道蛋白薄膜（諸如呈根據(jù)于本文的實(shí)驗(yàn)部分所制備的TFC 薄膜形式）與液體濃肥料抽吸溶液組合著使用，W選擇性從于本文中使用作為進(jìn)料源的較 低等級(jí)水供應(yīng)中萃取出干凈的水。最后結(jié)果為稀釋的液體植物營(yíng)養(yǎng)溶液，其需要較少準(zhǔn)備 好使用于農(nóng)業(yè)灌概及施肥的淡水。在下列實(shí)施例中，我們描述出薄膜測(cè)試如何在來(lái)自丹麥 厄勒海峽的resund)的相對(duì)低鹽度（約10至15〇/〇〇)的海水的較低等級(jí)的水供應(yīng)的情況 中顯示出概念性驗(yàn)證（proof-of-concept)。
[0026] 在太空中從尿分離出尿素的水萃取系統(tǒng)
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