專利名稱：滲透能的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及驅動原動機的方法。本發(fā)明還涉及用于驅動原動機而產生例如水能的裝置。
背景技術：
當用半透膜把濃水溶液(高滲透勢、高熵)和稀水溶液(低滲透勢、低熵)隔開時，來自稀水溶液的水將流過半透膜而將濃水溶液稀釋。該現(xiàn)象被稱為滲透作用。
US 3,978,344描述了將滲透能轉化為其他能量形式的方法。具體地，該參考文獻描述了使用半透膜從大量海水中分離大量淡水的方法。淡水和海水之間滲透勢的差使得水穿過膜進入到海水中，導致了在膜的海水側的水壓增大。海水可以作為增壓水流而噴射出來，這可用來旋轉與發(fā)電機相連的渦輪。
穿過半透膜的淡水流通導致了海水的稀釋，這最終限制了來自給定量海水的能量產生。因此，必須周期性地或連續(xù)地用新鮮海水再次補充被稀釋的海水。

發(fā)明內容
根據(jù)本發(fā)明，提供了用于驅動原動機的方法，所述方法包括a)將選擇性膜置于液體和具有比所述液體更高的滲透勢的溶液之間，使得溶液因液體穿過膜的流入而增壓，b)使用在所述溶液中產生的壓力來驅動原動機，c)回收所述溶液，d)從所述溶液中分離至少部分溶劑以形成殘余產物，和e)將步驟d)中所分離出的溶劑和/或殘余產物再循環(huán)到步驟a)中。
在一個實施方式中，將步驟d)的殘余產物再循環(huán)到步驟a)的溶液中。替代地或附加地，可將所分離的溶劑再循環(huán)到步驟a)中的膜的液體側。
液體穿過選擇性膜的流入使溶液產生了壓力(例如流體靜壓)?？梢灾苯邮褂脕碜圆襟Ea)的增壓溶液來驅動原動機。替代地，可以回收來自步驟a)的溶液，并且可以除去所回收溶液的部分溶劑。在被再循環(huán)回步驟a)之前，可以使用所得的濃縮溶液來驅動原動機。替代地或附加地，可以使用從溶液中分離出的溶劑來驅動原動機。在所有情況下，可以使用步驟a)中的溶液所產生的至少部分壓力來驅動原動機。任選地，可以使用溶液中所產生的壓力來泵送溶液用于后續(xù)處理。
在步驟a)中可以使用任何合適的選擇性膜。所述膜可以具有1～60埃的平均孔徑，優(yōu)選為2～50埃，更優(yōu)選為5～40埃，例如為10～30埃。在一個實施方式中，膜的平均孔徑為12～25埃。
膜的平均孔徑優(yōu)選小于溶液中溶質的尺寸。有利地，這可以防止或降低溶質因擴散而穿過膜的流動，允許液體沿著滲透(熵)梯度流過膜。液體通過膜的流量受膜的孔徑的影響。通常，孔徑越大，流量越大。
合適的選擇性膜包括整體膜和復合膜。合適的膜的具體實例包括由乙酸纖維素(CA)形成的膜和由聚酰胺(PA)形成的膜。優(yōu)選地，所述膜為離子選擇性膜。也可以使用傳統(tǒng)的半透膜。
所述膜可以為平面的或采用管狀或者中空纖維的形式。如果需要，可以將膜負載在負載結構如網狀載體上。所述膜可為波紋狀或卷曲狀結構。
原動機可以為任何合適的裝置，其適合于將溶液中的能量轉化為機械能。合適的原動機包括旋轉式原動機，例如渦輪機。因此，可以使用原動機來產生能量。
替代地，原動機可以為壓力交換系統(tǒng)或構成壓力交換系統(tǒng)的一部分。因此，也可以使用原動機來將能量從增壓溶液傳送到另一流體。在US4,887,942、US 5,338,158、US 5,988,993和US 6,540,487中描述了合適的壓力交換系統(tǒng)。壓力交換系統(tǒng)可以包括具有機身(body)部分的外殼(housing)，該機身部分在其相對的末端具有末端元件?？梢詫⑥D子以基本與末端板密封接觸的方式布置在機身部分中。轉子可以配有至少一個從轉子的一個末端縱向延伸到轉子相對的末端的通道，在通道的每個末端均具有開口。在使用中，一個或多個通道在高壓液體(如來自步驟a)的增壓溶液)和低壓液體之間提供了交替的水力連通，從而在不同液體之間傳遞壓力。
在本發(fā)明的方法中，將選擇性膜配置在液體和溶液之間。所述溶液具有比所述液體更高的滲透勢。因此，溶液的總溶解鹽(TDS)濃度通常高于液體的總溶解鹽濃度。
液體和溶液之間的滲透勢的差值導致溶劑從低滲透勢(即，低溶質濃度或低熵或高溶劑濃度)側穿過選擇性膜到高滲透勢(即，高溶質濃度或高熵或低溶劑濃度)側。這種液體的流入導致溶液中壓力的增大。例如，由于液體的流入，溶液壓力可以從105～107Pa增大到1.1×105～5.0×107Pa。在優(yōu)選實施方式中，由于液體的流入，溶液壓力可以從105～107Pa增大到1.5×105～2.5×107Pa。
本發(fā)明方法的步驟a)可在外殼中進行。所述外殼優(yōu)選裝配有將液體引入到選擇性膜一側的入口和從膜的相反一側移出增壓溶液的出口。在優(yōu)選實施方式中，流入到溶液中的液體足以將溶液以1.1×105～5.0×107Pa，優(yōu)選1.5×105～2.5×107Pa的壓力從外殼中噴出。外殼出口的尺寸可以保證將溶液以合適壓力噴出。附加地或替代地，可將噴嘴(壓力調節(jié)器)連接到出口上從而相應地調節(jié)溶液的壓力。
例如，可將增壓溶液作為增壓流體從外殼中移出。在溶液中產生的壓力可以用來驅動原動機?？梢詫⑷芤褐苯右氲皆瓌訖C中來驅動原動機，例如，來產生能量。替代地，可以通過壓力交換系統(tǒng)將溶液中產生的壓力傳送到其它液體中。來自步驟a)的增壓溶液可以直接用在步驟b)中來驅動原動機。替代地，可以在步驟b)之前實施該方法的步驟c)和d)。
溶液中產生的壓力足以將溶液從外殼中噴射至例如10～2500m，優(yōu)選50～1500m的高度。因此，可從升高的高度將溶液引入到原動機中。以這種方法，溶液的至少部分勢能轉化成機械能。原動機的機械能可以隨后轉化成能量的其它形式，例如電能和/或熱能。在特定實施方式中，在將溶液引入到原動機前，在升高的位置存儲溶液是理想的。
在步驟c)中，將溶液回收。然后從所回收的溶液中除去溶劑(步驟d)。該溶劑除去步驟可以通過任何合適的溶劑除去/分離方法來進行。可以使用熱和/或膜分離步驟?？梢允褂靡环N或多種熱分離步驟和/或一種或多種膜分離步驟的組合。
合適的熱分離技術的實例包括蒸發(fā)、蒸餾和結晶。蒸發(fā)可以自然進行，例如通過在環(huán)境條件下使溶劑在空氣中蒸發(fā)。替代地，可在冷卻塔中進行蒸發(fā)。合適的蒸餾方法包括多級閃蒸(MSF)、多效蒸餾(multipleeffect Distillation，MED)、機械蒸汽壓縮(MVC)和快速噴霧脫鹽。
在多級閃蒸中，將溶液引入多個管中并加熱至高溫。然后將經加熱的溶液引入到蒸發(fā)室中且使壓力低于其蒸汽壓。壓力的急劇降低導致發(fā)生沸騰或閃蒸。通過在溶液流進入的導管上冷凝，將閃蒸氣從含鹽殘余產物中分離出來。通常使用多個蒸發(fā)室。因此，以多級方式進行蒸發(fā)或閃蒸步驟。
多效蒸餾通過一系列效應器(effect)來進行，并且利用了在不同的效應器中降低環(huán)境壓力的原理。這使得溶液在多個階段中沸騰，而不需要在第一效應器后另行補充熱。
在多效蒸餾中，可將溶液預熱并噴到蒸發(fā)器管的表面上形成液體薄膜。所述的管通過在管中傳送蒸汽而被加熱。當與管的加熱表面相接觸時，所噴灑的液體蒸發(fā)。該蒸汽用來加熱下一效應器的蒸發(fā)器管，并且熱的傳遞導致管中的蒸汽冷凝。通過以該方式蒸發(fā)和冷凝溶液，可從溶液中回收溶劑。
通過壓縮至少一個效應器的蒸汽可增大多效蒸餾步驟的效率。多效蒸餾和壓縮的組合被稱為MED-熱壓縮。
也可以使用機械蒸氣壓縮(MVD)來從溶液中除去溶劑。在機械蒸汽壓縮中，通常從容器中引出蒸汽然后在位于容器內的管中通過壓縮進行冷凝。壓縮和冷凝步驟產生了熱，該熱加熱了管壁。當將溶液噴到管的表面上時，其蒸發(fā)產生了更多的蒸汽。通過重復所述的引出、壓縮和冷凝步驟，可從溶液中除去更多的溶劑。
也可以使用快速噴霧脫鹽(RSD)來從溶液中除去溶劑。在典型的快速噴霧脫鹽方法中，空氣吹掃通過加熱元件進入蒸發(fā)室。隨著被加熱的空氣沿著蒸發(fā)室的移動，例如，將鹽水的霧化溶液注入到蒸發(fā)室中。移動中的蒸汽和鹽水液滴通過機械過濾器，該過濾器捕獲了鹽水液滴，而允許純蒸汽相通過而到達冷凝器。可周期性地從過濾器上沖洗掉鹽水液滴。
如上所述，也可使用結晶方法來從溶液中分離溶劑?？梢赃M行結晶來從溶液中結晶出溶劑或溶質。
可以通過將溶液冷卻到例如溶劑的凝固點而進行結晶。這會導致溶液中的至少部分溶劑發(fā)生結晶。然后可以除去該結晶的溶劑。優(yōu)選在冷環(huán)境下進行結晶，其中可以使用低環(huán)境溫度來降低溶液溫度以進行結晶。
替代地，可以使用熱分離塔來進行結晶。例如，可在熱分離塔中冷卻溶液，使得至少部分所溶解的溶質從溶液中沉淀析出。可在塔的底部收集這些沉淀物并回收，在塔的頂部留下降低了溶質濃度的溶液。有利地，可以使用溶解度對溫度變化敏感的鹽來形成溶液。優(yōu)選所述鹽在低溫下可以容易地從溶液中沉淀出來。所述鹽的實例包括例如磷酸氫二鈉(Na2HPO4·12H2O)等磷酸氫鹽。
在一個實施方式中，可將來自步驟a)的溶液轉移到升高的高度上(例如山頂)，那里的環(huán)境溫度為i)低至足以將溶液中的溶質物質結晶或ii)低于溶液的凝固點從而結晶溶劑。這會導致溶液分離成兩部分。一部分具有低溶質濃度，而另一部分具有較高的溶質濃度。這些溶液各自可以返回到地平面，從而可以使用溶液的勢能來驅動原動機。這些溶液可再循環(huán)回步驟a)。
用于從溶液中分離溶劑的合適的膜方法包括離子交換、電滲析、可逆式電滲析、納米過濾和反滲透。當使用膜時，它們應該能夠承受體系中所產生的高壓。
可通過多種來源提供驅動溶劑除去步驟所需的熱能。例如，可通過環(huán)境(例如，在環(huán)境溫度下蒸發(fā))、地熱資源和/或太陽能來提供熱能?？稍跓釟夂蛳略诃h(huán)境溫度下蒸發(fā)是有利的。也可以通過使空氣例如干燥的暖空氣在溶液上流過以引發(fā)溶劑的除去，從而進行溶劑的蒸發(fā)。替代地或附加地，可以使用來自工業(yè)過程(例如，發(fā)電站、精煉廠、化工廠)的過量的熱來驅動溶劑除去步驟。換句話說，可以使用本發(fā)明的溶劑除去步驟來除去工業(yè)過程中的過量的熱。
在其它實施方式中，可通過燃料燃燒來提供用于驅動溶劑除去步驟所需的熱能，所述燃料如油、木材、泥炭、灌木、草、稻草、天然氣和煤。也可焚燒廢品來提供驅動溶劑除去步驟所需的熱能。
在又一其它實施方式中，可通過生物過程例如生熱作用和發(fā)酵來提供驅動溶劑除去步驟所需的熱能。
在另一實施方式中，可以通過氣體(例如空氣)的壓縮和減壓來提供驅動溶劑除去步驟所需的熱能。當氣體在給定溫度下各向同性地膨脹時，其在新壓力下的最終溫度非常低?？梢灾苯釉陂_放系統(tǒng)中，或間接依靠封閉系統(tǒng)中的熱交換器將所得冷氣體用作制冷劑。相反，氣體的壓縮導致氣體溫度的升高?？梢允褂脡嚎s熱來加熱溶液和/或蒸發(fā)溶劑。
在又一實施方式中，可以通過風能提供驅動溶劑除去步驟所需的熱能?？梢允褂蔑L能來壓縮空氣，并且可以使用壓縮熱來加熱溶液和/或蒸發(fā)溶劑。然后可將空氣減壓，并且可以使用減壓的冷卻效果來冷卻溶液和/或冷凝蒸汽。使用空氣作為制冷劑是基于如下原理當氣體在給定溫度下各向同性地膨脹時，其在新壓力下的最終溫度非常低。在這種情況的空氣中，可直接在開放系統(tǒng)中，或間接依靠封閉系統(tǒng)中的熱交換器使用所得的冷氣體作為冷卻劑。
上述討論的熱能來源對于通過蒸發(fā)/蒸餾來除去溶劑特別有用。
一旦從溶液中除去了溶劑，便得到了殘余產物。優(yōu)選將該殘余產物再循環(huán)到適用于步驟a)中的溶液中。例如，該方法的步驟d)中所產生的殘余產物可再循環(huán)到該方法的步驟a)的溶液中。替代地，當進行本發(fā)明的超過一種方法時(例如同時進行)，可將一種方法的殘余產物循環(huán)到另一種方法的步驟a)中。
本發(fā)明的方法可以連續(xù)進行，以降低或消除對用新鮮溶液替換或補充步驟a)的溶液的需求。也可不必向溶液中加入新的溶質，盡管這在一些情況下是理想的。
殘余產物可以為固體產物或濃縮溶液的形式。當殘余產物為固體產物時，可將固體產物加入到步驟a)的溶液中以增大步驟a)溶液的溶質濃度。這可以有助于在膜兩側維持溶質的濃度差，并確保能以足夠的速度發(fā)生液體穿過膜的流動。
當殘余產物為固體產物時，也可以用溶劑稀釋該固體產物以產生濃溶液?？蓪⒃摑馊芤阂氲讲襟Ea)的溶液中。通過相應地調節(jié)該溶液的濃度，可將步驟a)溶液的溶質濃度維持在期望水平上。這有助于在膜兩側維持溶質的濃度差，并確保能以足夠的速度發(fā)生液體穿過膜的流動。
當殘余產物是濃縮溶液時，可將該濃縮溶液引入到步驟a)的選擇性膜的溶液側。在某些實施方式中，在使用前需要例如通過向溶液中加入更多的溶劑或溶質來改變濃縮溶液的濃度。通過相應地調節(jié)溶液的濃度，可將溶液的溶質濃度維持在期望水平上。這可以有助于在膜兩側維持溶質的濃度差，并確保能以足夠的速度發(fā)生液體穿過膜的流動。
在溶劑除去步驟中除去的溶劑可以回收并再循環(huán)到例如適合用于步驟a)的液體中。在本方法的步驟d)中除去的溶劑可再循環(huán)到本方法的步驟a)中，或替代地，當進行本發(fā)明的多種方法時(例如同時進行)，在一種特定方法的步驟d)中除去的溶劑可以再循環(huán)到另一種方法的步驟a)中。
替代地或附加地，可將所除去的溶劑丟棄或用于其他目的。在一個實施方式中，液體是海水且溶液是水溶液。因此，在步驟d)中從溶液中除去的溶劑是水?？蓪⒃撍糜诙喾N應用，包括農業(yè)、工業(yè)和民用(例如作為飲用水)。因此，在本發(fā)明的該實施方式中，可使用本發(fā)明的方法淡化海水。
可以例如周期性地或連續(xù)地用新鮮液體來補充或替換步驟a)的液體。
在本發(fā)明方法的步驟a)中使用的液體優(yōu)選為水或水溶液。例如，液體可為海水、淡水(例如來自河流、湖泊和地下源)和半咸水。也可使用灰水流，例如洗滌廢水(例如洗衣水)和來自排水溝的水流。因此，液體可以含有通常在這些來源的水中可發(fā)現(xiàn)的雜質。例如，液體可以含有溶解的鹽，例如金屬鹽或銨鹽?？纱嬖诘柠}的實例包括氟化物、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、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、氰化物和氰酸鹽。優(yōu)選使用堿金屬和/或堿土金屬的鹽。所述金屬的實例包括但不局限于鋰、鈉、鉀、鎂、鈣和鍶。在一個實施方式中，液體是海水，因此以至少3重量％的濃度包含氯化鈉。
在替代的實施方式中，液體可為來自工業(yè)或農業(yè)過程的廢水。
所述液體的溶質濃度(即TDS)可為0～40重量％，優(yōu)選為0.0～6重量％。
在滲透過程中，可以阻止液體中所溶解的至少部分溶質和懸浮雜質流過膜。優(yōu)選地，所有所溶解的溶質/雜質均保留在膜的液體側，而允許液體流過膜以稀釋在膜另一側的溶液。因此，當液體是溶質溶解在溶劑中的溶液時，優(yōu)選阻止溶質流過膜，而允許溶劑流過膜以稀釋另一側的溶液。具體地，當液體是水溶液時，優(yōu)選阻止溶液中所溶解的溶質和/或懸浮雜質流過膜，而允許水流過膜以稀釋另一側的溶液。
溶液可由有機和/或無機溶劑形成。合適的有機溶劑包括烴，例如脂肪烴和芳香烴。可以使用有機溶劑的混合物。烴可以是直鏈的、支鏈的和/或環(huán)狀的。實例包括但不限于烷烴、烯烴和炔烴。烴可以用一個或多個雜原子取代，例如氟、氯、溴、碘、氧、硫、氮和/或磷原子。在一個實施方式中，可以使用氧化的烴，例如醛、酮、羧酸、醚、酯、醇和/或其衍生物。例如，也可以使用二醇醚和二醇醚酯。替代地或附加地，可以使用鹵代溶劑，例如氯代烴、溴代烴和/或氟代烴。
合適的無機溶劑包括酸性溶劑、堿性溶劑和/或水。優(yōu)選使用水作為在溶液中的溶劑。
溶液優(yōu)選為水溶液。
用于溶液的合適溶質包括有機化合物、生物化合物和/或無機化合物。
合適的有機化合物包括烴，例如脂肪烴和芳香烴?？梢允褂脙煞N或兩種以上有機化合物的混合物。烴可以是直鏈的、支鏈的和/或環(huán)狀的。合適烴的實例包括但不限于烷烴、烯烴和炔烴。烴可以取代有一個或多個雜原子，例如氟、氯、溴、碘、氧、硫、氮和/或磷原子。在一個實施方式中，可以使用氧化的烴，例如醛、酮、羧酸、醚、酯、醇和/或其衍生物。有機溶質物質的分子量可以為100～10000gmol-1，優(yōu)選為300～5000gmol-1，更優(yōu)選為400～2000gmol-1，進一步優(yōu)選為500～1000gmol-1。
合適的生物化合物包括蛋白質、氨基酸、核酸、碳水化合物和脂質。可以使用兩種或兩種以上生物化合物的混合物。優(yōu)選的生物溶質包括糖，例如甘蔗糖和/或甜菜糖。也可以使用葡萄糖、果糖和蔗糖。生物溶質物質的分子量可以為100～10000gmol-1，優(yōu)選為300～5000gmol-1，更優(yōu)選為400～2000gmol-1，進一步優(yōu)選為500～1000gmol-1。
優(yōu)選溶液是一種或多種無機化合物例如無機鹽的溶液。合適的鹽包括金屬鹽或銨鹽?？梢允褂脙煞N或兩種以上鹽的混合物。實例包括但不限于氟化物、氯化物、溴化物、碘化物、硫酸鹽、業(yè)硫酸鹽、硫化物、碳酸鹽、碳酸氫鹽、硝酸鹽、亞硝酸鹽、氮化物、磷酸氫鹽、磷酸鹽、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、氰化物和氰酸鹽。優(yōu)選使用堿金屬和/或堿土金屬的鹽。所述金屬的實例包括但不局限于鋰、鈉、鉀、鎂、鈣和鍶。
優(yōu)選地，溶液是選自氯化鈉、氯化鉀、硝酸鉀、硫酸鎂(例如MgSO4·6H2O或MgSO4·7H2O)、氯化鎂(例如MgCl2·6H2O)、硫酸鈉(例如Na2SO4·10H2O)、氯化鈣(例如CaCl2·2H2O或CaCl2·6H2O)、碳酸鈉、磷酸氫二鈉(Na2HPO4·12H2O)和明礬(24H2O)的至少一種鹽的水溶液。在優(yōu)選實施方式中，溶液是氯化鈉的水溶液。
優(yōu)選地，通過將已知量的溶質引入到已知量的溶劑中而形成溶液。優(yōu)選地，溶液基本上由溶解在所選溶劑中的所選溶質組成。例如，在一個實施方式中，本發(fā)明的方法進一步包含將所選溶質溶解在所選溶劑中的步驟。在一個實施方式中，通過在水中混合氨和二氧化碳而形成溶液。如WO 02/060825中所述，所得溶液可包含氨、二氧化碳、碳酸銨、碳酸氫銨和氨基甲酸銨的濃溶液。
替代地，溶液可來源于現(xiàn)有流體，如來自工業(yè)過程的廢流體。例如，溶液可為冷卻塔排污廢水、海水、水脫鹽廢水或來自油提煉加工的廢水。
在一個實施方式中，溶液的溶質(例如鹽)濃度為1重量％～400重量％，優(yōu)選為2重量％～100重量％，更優(yōu)選為5重量％～80重量％，例如為10重量％～50重量％。溶質可以是上述溶質的一種或多種。例如，溶質可以是選自氯化鈉、氯化鉀、硝酸鉀、硫酸鎂(例如MgSO4·6H2O或MgSO4·7H2O)、氯化鎂(例如MgCl2·6H2O)、硫酸鈉(例如Na2SO4·10H2O)、氯化鈣(例如CaCl2·2H2O或CaCl2·6H2O)、碳酸鈉、磷酸氫二鈉(Na2HPO4·12H2O)和明礬(24H2O)的鹽。替代地，溶質可以是糖。
在一個實施方式中，溶液為氯化鈉溶液，該溶液的氯化鈉濃度為2重量％～39重量％，優(yōu)選為5重量％～35重量％，更優(yōu)選為10重量％～30重量％。在另一實施方式中，溶液為氯化鉀溶液，該溶液的氯化鉀濃度為5重量％～50重量％，優(yōu)選為10重量％～45重量％，更優(yōu)選為15重量％～35重量％。在另一實施方式中，溶液為硝酸鉀溶液，該溶液的硝酸鉀濃度為5重量％～80重量％，優(yōu)選為10重量％～60重量％，更優(yōu)選為15重量％～45重量％。在又一實施方式中，溶液為氯化鈣溶液，該溶液的氯化鈣濃度為5重量％～120重量％，優(yōu)選為10重量％～100重量％，更優(yōu)選為15重量％～80重量％。在一個替代的實施方式中，溶液是碳酸鈉溶液，該溶液的碳酸鈉濃度為5重量％～45重量％，優(yōu)選為10重量％～35重量％，更優(yōu)選為15重量％～30重量％。在進一步的實施方式中，溶液是磷酸氫二鈉溶液，該溶液的磷酸氫二鈉濃度為5重量％～39重量％，優(yōu)選為10重量％～35重量％，更優(yōu)選為15重量％～30重量％。在另一實施方式中，溶液為硫酸鈉溶液，該溶液的鹽濃度為5重量％～45重量％，優(yōu)選為10重量％～40重量％，更優(yōu)選為15重量％～39重量％。在又一實施方式中，溶液是硫酸鎂溶液，該溶液的硫酸鎂濃度為5重量％～100重量％，優(yōu)選為10重量％～80重量％，更優(yōu)選為15重量％～75重量％。
液體和溶液的TDS的差值至少為1重量％，例如為1重量％～39重量％，優(yōu)選為5重量％～35重量％。
在本發(fā)明的方法中可以使用任何合適的選擇性膜?？梢允褂靡唤M膜。合適的膜包括醋酸纖維素(CA)膜和聚酰胺(PA)膜。膜可為平面的或采用管狀或中空纖維的形式。可以使用薄膜。如果需要，可將膜負載在負載結構如網狀載體上。
在一個實施方式中，可將一種或多種管狀膜布置在外殼內?？蓪⒁后w引入到外殼內，同時可將溶液引入到管狀膜中。因為液體的溶劑濃度高于溶液的溶劑濃度，因此液體可以穿過膜擴散到溶液中。因此，溶液越來越被液體所稀釋?？蓮墓軤钅さ耐獠炕厥账♂尩娜芤?，同時可將液體從外殼中除去。
當使用平面膜時，可將該片材卷起，從而形成螺旋狀截面。
根據(jù)需要分離的溶劑分子的大小而選擇膜的孔徑。膜的平均孔徑可以為1?！?0埃，優(yōu)選為2?！?0埃，更優(yōu)選為5?！?0埃，例如為10?！?0埃。在一個實施方式中，膜的平均孔徑為12?！?5埃。
可以使用具有使得兩種或兩種以上不同類型的溶劑分子穿過膜的孔徑的膜。可以使用傳統(tǒng)的半透膜。通常地，該半透膜的孔徑為例如1埃～5埃。
溶劑穿過選擇性膜的流動通常受熱狀況的影響。因此，如果需要，可以加熱或冷卻在膜各側的液體和溶液。優(yōu)選將溶液加熱到30℃～90℃，優(yōu)選為50℃～70℃的溫度。例如，可將液體冷卻到-20℃～20℃，例如為7℃～12℃。如果需要，也可在膜的任一側進行化學反應。在一個實施方式中，可以攪拌溶液和/或液體。在另一實施方式中，可以對溶液和/或液體施加外部場，例如電場、微波場和/或激光場，以增大兩種溶液之間的滲透勢的差值。
本發(fā)明的方法可進一步包括從液體(例如，廢物流、海水、河水、湖水或半咸水)中除去雜質如懸浮顆粒和生物物質的預處理步驟。附加地或替代地，可向液體中加入控制結垢的閾值抑制劑(threshold inhibitor)。也可采用改變液體的pH的預處理步驟。
任選地，也可處理溶液以除去雜質，例如懸浮顆粒和生物物質。附加地或替代地，可向溶液中加入控制結垢的閾值抑制劑。也可采用改變溶液的pH的預處理步驟。
任選地，本方法的步驟a)可重復一次或多次。因此，可將來自步驟a)的增壓溶液置于另一選擇性膜的一側，且可將另一溶液置于該膜的另一側。該另一溶液具有比在該膜的另一側的溶液更高的滲透勢，使得通過液體穿過該膜的流入將該另一溶液增壓。可以使用該另一溶液的壓力來驅動原動機。
根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供了用于驅動原動機的裝置，所述裝置包括原動機，外殼，該外殼包含將液體和溶質濃度比所述液體更高的溶液隔開的選擇性膜，并將所述膜配置成使得所述液體穿過膜以增壓所述溶液，將所述溶液中產生的壓力傳遞到所述原動機的單元，用于回收所述溶液的單元，用于從所述溶液中分離溶劑以產生殘余產物的單元，和將所述殘余產物和/或所分離的溶劑再循環(huán)到外殼中的單元。
可以將殘余產物再循環(huán)到容納在所述裝置的外殼里的溶液中。替代地，可以將殘余產物再循環(huán)到容納在根據(jù)本發(fā)明的另一個裝置的外殼里的溶液中。
原動機可以為適于將溶液中的能量轉化為機械能的任何合適裝置。合適的原動機包括旋轉式原動機，例如渦輪機。因此，可以使用原動機來產生能量。
替代地，原動機可以是壓力交換系統(tǒng)或構成壓力交換系統(tǒng)的一部分。因此，也可使用原動機將能量從增壓溶液傳遞到另一流體。在US4,887,942、US 5,338,158、US 5,988,993和US 6,540,487中描述了合適的壓力交換系統(tǒng)的實例。


現(xiàn)在通過參考附圖來描述本發(fā)明的這些和其他方面，其中，圖1是根據(jù)本發(fā)明第一實施方式的方法的示意性流程圖，
圖2是根據(jù)本發(fā)明第二實施方式的方法的示意性流程圖，和圖3是根據(jù)本發(fā)明第三實施方式的方法的示意性流程圖。
具體實施例方式
首先參考附圖中的圖1。該圖描述了根據(jù)本發(fā)明的第一實施方式的方法。使用包括滲透池12、原動機14(例如連接到發(fā)電機上的渦輪)和分離器16的裝置10來實施該方法。滲透池12包含半透膜18。
在使用中，將水11(例如海水)引入到膜18的一側。將30重量％的氯化鈉溶液13引入到膜18的另一側。由于氯化鈉溶液具有高于海水的總溶解鹽(TDS)濃度的氯化鈉濃度，因此水通過滲透流過膜18。水穿過膜18的流入增大了氯化鈉溶液的壓力。
從滲透池12中除去增壓的氯化鈉溶液并將其引入到原動機14中。由于通過滲透步驟已將溶液增壓，因此并不需要泵送氯化鈉溶液。使用增壓的氯化鈉溶液來驅動原動機14。所產生的機械能可轉化成其他能量形式，例如電能。
然后可將氯化鈉溶液從原動機14中除去并引入到分離器16中。在分離器16中，通過蒸發(fā)從氯化鈉溶液中除去水。一旦將水從氯化鈉溶液中除去，將氯化鈉溶液再循環(huán)到滲透池12中以再次使用。因此，在滲透步驟中并不需要用新鮮的氯化鈉溶液來補充或替換氯化鈉溶液。
可以回收通過蒸發(fā)步驟而除去的水，并用作例如飲用水。因此，本發(fā)明的該實施方式可用來淡化海水。
裝置10位于常規(guī)發(fā)電站22的附近。電站22包括鍋爐24、原動機26(蒸汽輪機)和熱單元28(電廠中的冷凝器)。
在使用中，通過泵30將水引入到鍋爐24中。通過燃燒燃料32在鍋爐24中將水加熱以產生過熱蒸汽。然后在高壓下將該過熱蒸汽引入到原動機(蒸汽輪機)26中，并用來驅動原動機26以產生機械能。可將旋轉原動機26的機械能轉化成能量的其他形式，例如電能。
然后從原動機26中回收飽和或過熱蒸汽，并引入到熱單元28中。在熱單元中，將蒸汽冷凝成水。來自蒸汽的過量的熱可以用來從裝置10的氯化鈉溶液中蒸發(fā)水。因此，來自裝置10的原動機14的氯化鈉溶液可在發(fā)電站22的熱單元28中用作冷卻劑。因此，有效的是，裝置10的分離器16與發(fā)電站22的熱單元28是同一個裝置。
一旦被冷卻，將電廠的冷凝蒸汽通過泵30再循環(huán)到鍋爐24中。
通過分離器16從氯化鈉溶液中除去的蒸汽或水可用作純水產品或再循環(huán)到裝置10中。
現(xiàn)在參考附圖中的圖2。該圖描述了根據(jù)本發(fā)明第二實施方式的方法。使用裝置100來實施該方法。裝置100與圖1的裝置10類似，且裝置的相同部件用相同的數(shù)字進行標注。然而，裝置100適用于在寒冷氣候下使用。因此，與圖1的裝置10不同，裝置100包含分離器116，該分離器116為結晶器。在使用中，將從原動機14出來的溶液引入到分離器116中，并通過環(huán)境溫度進行冷卻以產生冰和濃縮的氯化鈉溶液。前者被除去并丟棄，而后者被再循環(huán)到滲透池12中。
現(xiàn)在參考附圖中的圖3。該圖描述了根據(jù)本發(fā)明第三實施方式的方法。使用裝置200來實施該方法。裝置200與圖1的裝置10類似，且裝置的相同部件用相同的數(shù)字進行標注。然而，裝置200適于在溫暖干燥的氣候下使用。因此，與圖1的裝置10不同，裝置200包含分離器216，該分離器依靠天然或有效蒸發(fā)和/或太陽能而將來自原動機14的溶液中的溶劑除去。
權利要求
1.一種用于驅動原動機的方法，所述方法包括a)將選擇性膜置于液體和具有比所述液體更高的滲透勢的溶液之間，使得所述溶液因液體穿過膜的流入而增壓，b)使用在所述溶液中產生的壓力來驅動所述原動機，c)回收所述溶液，d)從所述溶液中分離至少部分溶劑以形成殘余產物，和e)將步驟d)中所分離出的溶劑和/或殘余產物再循環(huán)到步驟a)中。
2.如權利要求1所述的方法，其中所述原動機是旋轉式原動機。
3.如權利要求1或2所述的方法，其中所述原動機構成了壓力交換系統(tǒng)的一部分。
4.如前述權利要求任一項所述的方法，其中所述溶液是水溶液。
5.如前述權利要求任一項所述的方法，其中所述溶液是選自氯化鈉、氯化鉀、硝酸鉀、硫酸鎂、氯化鎂、硫酸鈉、氯化鈣、碳酸鈉、磷酸氫二鈉和明礬的至少一種鹽的溶液。
6.如權利要求4所述的方法，其中通過將氨和二氧化碳溶解在水中而形成所述水溶液。
7.如權利要求6所述的方法，其為氨、二氧化碳、碳酸銨、碳酸氫銨和氨基甲酸銨的水溶液。
8.如前述權利要求任一項所述的方法，其中所述溶液的溶質濃度為1重量％～400重量％。
9.如前述權利要求任一項所述的方法，其中所述液體選自淡水、海水、半咸水和來自工業(yè)或農業(yè)過程的廢水。
10.如前述權利要求任一項所述的方法，其中所述液體是所述溶液的溶劑，或包含與所述溶液的溶劑相同的溶劑。
11.如前述權利要求任一項所述的方法，其中在步驟d)中通過熱和/或膜分離法除去溶劑。
12.如權利要求11所述的方法，其中使用選自蒸發(fā)、蒸餾和結晶的方法除去所述溶劑。
13.如權利要求12所述的方法，其中通過選自多級閃蒸、多效蒸餾、機械蒸汽壓縮和快速噴霧脫鹽的至少一種方法除去所述溶劑。
14.如權利要求11所述的方法，其中通過選自離子交換、電滲析納米過濾和滲透的至少一種方法除去所述溶劑。
15.如前述權利要求任一項所述的方法，其中通過風能、周圍環(huán)境的熱能、太陽能、地熱能、來自生物過程的能量、來自燃料燃燒的能量和/或來自發(fā)電站和其他工業(yè)過程的過量的熱來提供步驟d)中除去溶劑所需的能量。
16.如前述權利要求任一項所述的方法，其中將至少部分在步驟d)中回收的溶劑再循環(huán)到步驟a)的液體中。
17.如前述權利要求任一項所述的方法，所述方法包括使用溶液中所產生的壓力將所述溶液輸送到升高的位置，并使用升高的溶液的勢能來驅動所述原動機。
18.一種用于驅動原動機的裝置，所述裝置包括原動機，外殼，所述外殼包含將液體和溶質濃度比所述液體更高的溶液隔開的選擇性膜，并將所述膜配置成使得液體穿過所述膜以增壓所述溶液，將所述溶液中產生的壓力傳遞到所述原動機的單元，用于回收所述溶液的單元，用于從所述溶液中分離溶劑以產生殘余產物的單元，和將所述殘余產物和/或所分離的溶劑再循環(huán)到所述外殼中的單元。
全文摘要
用于驅動原動機的方法，所述方法包括a)將選擇性膜置于液體和比液體具有更高滲透勢的溶液之間，因此通過穿過膜的液體的流入來增壓溶液，b)使用溶液中產生的壓力來驅動原動機，c)回收溶液，d)從溶液中分離至少一部分溶劑以形成殘余產物，和e)將步驟d)的所分離的溶劑和/或殘余產物再循環(huán)到步驟a)中。
文檔編號F03G7/00GK1853044SQ200480026502
公開日2006年10月25日 申請日期2004年8月11日 優(yōu)先權日2003年8月13日
發(fā)明者阿卜杜勒薩拉姆·阿勒·馬亞齊, 阿德爾·沙里夫 申請人:薩里大學