用于从流体中除去重金属污染物的系统和方法

专利名称：用于从流体中除去重金属污染物的系统和方法
技术领域：
本发明涉及用于处理被污染流体的系统和方法，更具体而言，涉及从流体除去重 金属污染物。
背景技术：
从海上石油平台生产的流体例如水可包含有毒的重金属，例如汞。在墨西哥湾， 汞含量很少超过100十亿分率(ppb)。然而，在泰国湾，所生产水中的平均汞浓度可为约 200ppb 至约 2000ppb。目前，将汞排放到美国领海的海洋环境中目前由美国环境保护局(EPA)根据清洁 水法(Clean Water Act)通过国家污染物排放消除系统(National Pollutant Discharge Elimination System)许可程序进行管制。根据40 CFR § 131. 36规定的海洋环境标准，限 值包括约1800ppb的急性暴露和约25ppb的长期暴露。另一方面，关于生产水中的汞排放 的国际标准为泰国的约5ppb至北海的约300ppb。生产水通常包含在批量油/水分离工艺期间利用水除去的油。例如，来自北海油 田的生产水包含约15-30百万分率(ppm)的含有苯、甲苯、乙苯和二甲苯(BTEX)的分散油； 浓度为约0. 06ppm至约760ppm的萘、菲、硫芴(NPD)、多环芳烃(PAH)、苯酚和有机酸。此夕卜， 这些生产水包含有毒的重金属，例如浓度为小于约0. lppb至约82ppb的汞、镉、铅和铜。与 高浓度的溶解盐结合的成分的复杂混合物的存在可能给利用目前可用的常规技术进行的 重金属除去带来挑战。具体而言，用于从污染的海水除去金属和汞的现有技术包括活性碳吸附、浸硫活 性碳、微乳液膜、离子交换和胶体沉淀浮选。这些技术可能不适合用于水处理，其原因是金 属负载(例如金属吸附率小于吸附剂材料质量的20%)和选择性(受地下水中的其它丰富 离子干扰)差。此外，汞可以以除单质之外的物质存在。因此，所用方法必须能够除去这些 其它物质，例如甲基汞等。此外，它们对于负载金属的产物缺乏稳定性，使其不可作为永久 性废弃物的形式直接处置掉。结果，需要进行二次处理以处置或稳定分离的汞或负载汞的 产物。也难以从非水的污泥、吸附的液体、或者部分或完全稳定化的污泥以及汞污染的土壤 中除去汞，其原因如下(1) 一些废弃物的非水性质使得溶浸剂难以进入，(2)具有大体积 的一些废弃物流使热脱附过程昂贵，和(3) —些废弃物流的处理因所述废弃物的性质而在 技术上难以进行。从玻璃化器和汞热脱附工艺中的尾气中除去汞通常是通过活性碳吸附来完成的。 然而，基于碳的吸附剂只能有效除去75-99. 9%的汞，其负载能力相当于吸附剂材料质量的 1-20%。通常需要最后一步，即利用昂贵的金进行的汞齐化，以达到EPA空气释放标准。碳 床通常在温度通常低于250° F的尾气系统的后期使用。在浸渍硫的碳工艺中，汞被吸附 至碳，该吸附远弱于与例如表面功能化的介孔材料形成的共价键。结果，所吸附的汞需要二 次稳定化，其原因是负载汞的碳由于汞与活性碳之间的弱结合而没有期望的长期化学耐久 性。此外，活性碳中大部分的孔大到足以使微生物进入从而溶解所吸附的汞-硫化合物。汞负载限于所用物料的约0. 2g/g。微乳液膜技术使用包含硫酸作为内部相的油酸微乳液膜将废水的汞浓度从约 460ppm降低至约0. 84ppm。然而，它涉及萃取、反萃、去乳化和通过电解来回收汞的多个步 骤且使用大量有机溶剂。液膜溶胀对萃取效率也有不利影响。金属离子交换反应的缓慢动力学需要长的接触时间。该工艺还产生大量的二次有 机废气物。一种离子交换工艺采用Duolite GT-73离子交换有机树脂来将废水中的汞含 量从约2ppm降低至低于约lOppb。树脂的氧化导致树脂寿命明显缩短，并且不能将汞含量 降低至低于约0. lppb的容许含量。汞负载也受到限制，其原因是多数土壤与汞阳离子的高 结合能力使离子交换工艺失效，尤其是在来自土壤的大量Ca2+使离子交换器的阳离子容量 饱和时如此。此外，负载汞的有机树脂无法抵抗微生物侵袭。因此，如果将汞作为废物的形 式处理掉，则汞可被释放到环境中。除了受到溶液中除含汞离子以外的其它阳离子干扰之 外，离子交换工艺对除去中性的汞化合物如HgCl2、Hg(OH)2和有机汞物质例如甲基汞(其为 最毒的汞形式)完全无效。该离子交换工艺在从非水溶液和吸附液体中除去汞方面也没有 效果。经报道的通过胶体沉淀浮选从水中除去金属的工艺将汞浓度从约leoppb降低至 约1. 6ppb。该工艺涉及添加HC1以将废水调节至pH为1以及添加Na2S和油酸溶液至废水 以及从废水除去胶体。在该工艺中，经处理的废水可能受Na2S、油酸和HC1污染。已分离的 汞需要进一步处理以稳定成永久性的废弃物形式。酸性卤化物溶液溶浸和氧化萃取也可用于使土壤中的汞迁移。例如，KI/I2溶液通 过氧化和络合来增强汞的溶解。基于次氯酸盐溶液的其它氧化萃取剂也已用于从固态废弃 物中迁移汞。然而，尚未开发出用于有效除去这些废弃物中包含的汞的处理技术。由于溶 浸技术依赖于其中溶解对象(例如汞)在溶液和固态废弃物之间达到溶解/沉淀平衡的溶 解过程，所以达到平衡后阻止来自固态废弃物的污染物的进一步溶解。此外，土壤通常是抑 制目标离子从土壤向溶液迁移的良好目标离子吸收剂。一直缺乏以原型工艺速率从非水液体、吸附液体、土壤、或者部分或完全稳定化污 泥中除去汞的方法。这主要是因为实际废弃物中的汞污染物比许多通常基于一些简单的汞 盐开发的实验室级试验所处理的汞系统复杂得多。任何实际污染物中的实际汞污染物几 乎总是包含多种汞物质，包括离子或无机汞(例如，二价阳离子Hg2+、一价阳离子Hg22+和中 性化合物例如HgCl2、Hg
2)；有机汞，例如由于污泥中的酶促反应产生的甲基汞(例如 CH3HgCH3或者CH3 Hg+)；以及因为还原形成的单质或金属汞。因为许多实验室技术是只针 对一种汞形式或物质开发的，所以利用实际废弃物证实并不成功。修复和工业分离所关注的其它金属包括但不限于银、铅、砷、铀、钚、镎、镅、镉及其 组合。目前的分离方法包括但不限于离子交换、沉淀、膜分离及其组合。这些方法通常具有 效率低、工艺复杂和运行成本高的缺点。因此，提供一种能以显著的量和成本有效的方式从复杂的废弃流体如生产水中除 去重金属污染物例如汞、镉、铅以及砷的系统和方法将会是有利的。

发明内容
在一个实施方案中，本发明提供一种用于从流体中除去重金属污染物的系统。在
8一个实施方案中，所述系统包括源，包含重金属污染物各种物质或形式(包括单质、有机形 式和无机形式)的流体流可以从所述源引入所述系统中。所述系统还包括第一工段，其用 于从所述流体流中物理分离或者除去目标重金属污染物的单质物质。在一个实施方案中， 所述第一工段可包括液/液聚结器，其具有设计为将包含所述目标重金属污染物的单质物 质的小直径微滴聚结或合并成较大微滴的聚结元件，该微滴随后可通过重力从所述流体流 中分离出来。所述系统还包括第二工段，其位于所述第一工段的下游并与其流体连通，用于 从所述流体流中分离或除去预定重金属污染物的剩余单质物质以及其它物质。在一个实施 方案中，第二工段包括具有由多孔颗粒制成的吸附剂纳米材料的反应器。所述多孔颗粒例 如可以是介孔载体上的自组装单层(SAMMS)。在一个实施方案中，所述系统可包括在所述第 一工段上游以从所述流体流除去固体污染物的预过滤器工段，从而延长所述第一工段中的 聚结器的寿命。在另一实施方案中，所述系统还可包括在所述第二工段下游并与其流体连 通的第三工段，所述第三工段用于分离或除去与从所述第二工段除去的预定污染物所不同 的其它预定污染物。第三工段可设计为也包含吸附剂纳米材料，其包括由介孔载体上的自 组装单层(SAMMS)制成的多孔颗粒。在另一实施方案中，本发明提供一种用于从流体除去重金属污染物的系统。在一 个实施方案中，该系统包括源，包含各种重金属污染物各种物质或形式(包括单质、有机形 式和无机形式)的流体流可以从所述源引入所述系统中。所述系统还包括第一工段，其用 于从所述流体流中物理分离或除去目标重金属污染物的单质物质。在一个实施方案中，所 述第一工段可包括液/液聚结器，其具有设计为将包含所述目标重金属污染物的单质物质 的小直径微滴聚结或合并成较大微滴的聚结元件，该微滴随后可通过重力从所述流体流中 分离出来。所述系统还包括第二工段，其位于所述第一工段的下游并与其流体连通，用于从 所述流体流中吸附分离或除去预定重金属污染物的剩余单质物质以及其它物质。在一个 实施方案中，所述第二工段包括具有由多孔颗粒制成的吸附剂纳米材料的过滤器装置的容 器。所述多孔颗粒例如可以是介孔载体上的自组装单层(SAMMS)。在一个实施方案中，所述 系统可包括在所述第一工段上游以从所述流体流除去固体污染物的预过滤器工段，从而延 长所述第一工段中的所述聚结器的寿命。在另一实施方案中，所述系统还可包括在所述第 二工段下游并与其流体连通的第三工段，所述第三工段用于分离或除去与从所述第二工段 除去的预定污染物不同的其它预定污染物。第三工段可设计为也包含过滤器装置，所述过 滤器装置具有包括由介孔载体上的自组装单层(SAMMS)制成的多孔颗粒的吸附剂纳米材 料。在另一实施方案中，本发明提供一种用于从流体除去重金属污染物的方法。所述 方法包括首先将含有待除去的重金属污染物的流体流引入路径中，所述重金属污染物包 括目标重金属污染物的各种物质。接下来，所述流体流可经受物理分离程序以从所述流体 除去包括所述目标重金属污染物的单质物质的目标重金属污染物，以降低所述流体流中所 述目标重金属污染物的总浓度。随后，目标重金属污染物总浓度降低的所述流体流可以暴 露于吸附分离程序，以从所述流体除去包括额外量的所述目标重金属污染物的单质物质以 及其它物质的额外量的所述目标重金属污染物，从而将所述目标重金属污染物的浓度进一 步降低至可接受的水平。所述方法可包括在所述物理分离步骤之前的预过滤处理以从所述 流体流中除去固体污染物。所述方法还可包括在所述吸附分离之后的另一吸附分离，以除
9去与初始吸附分离的目标不同的目标重金属污染物或与所述初始吸附分离的目标类似的 目标重金属污染物。


图1示出根据本发明一个实施方案的具有用于从流体除去重金属污染物的第一 工段和第二工段的系统。图2示出用于图1中显示的系统的第一工段的液/液聚结器。图3示出用于图1中显示的系统的第二工段的反应器。图4A示出用于图1中显示的系统的预过滤器工段。图4B示出用于图4A中显示的预过滤器工段的反应器和过滤器元件。图5示出用于图1中显示的系统以允许除去与所述第一和第二工段除去的污染物 不同的污染物的第三工段。图6示出根据本发明的具有用于从流体除去重金属污染物的第一工段和第二工 段的另一系统。图7示出用于图6中显示的系统的第二工段的容器。图8示出用于图7中显示的容器的过滤器元件。图9示出用于图6中显示的系统的预过滤器工段。图10示出图6中显示的系统以允许除去与所述第一和第二工段除去的污染物不 同的污染物的第三工段。图11示出根据本发明的用于从流体除去重金属污染物的另一系统。
具体实施例方式参照图1，在一个实施方案中，本发明提供一种用于通过除去流体中存在的污染物 来处理被污染流体的系统10。可以用本发明进行处理的流体的性质可以是粘性的，例如油， 或者非粘性的，例如液体或气体。可以通过本发明的系统10除去的污染物包括重金属例如 来自复杂废物流体如生产水中汞、砷、镉和铅，以及来自各种废物溶液和被污染废油的汞。 可以通过本发明的系统10除去的其它污染物包括银、铀、钚、镎、镅或其组合。在一个实施方案中，如图1所示的系统10包括可以从其将被污染流体引入所述 系统中的源11。被污染的流体可包含重金属污染物的各种物质或形式，包括其单质形式、有 机形式和离子形式。根据一个实施方案，被污染流体可以是废流体，例如钻探油或气产生的 生产水，并且可包含例如汞的各种物质。不同的汞物质的实例包括离子或无机汞(例如，二 价阳离子Hg2+、一价阳离子Hg22+和中性化合物例如HgCl2、Hg
2)；有机汞，例如由于污泥 中的酶促反应产生的甲基汞(例如CH3HgCH3或者CH3 Hg+)；以及单质或金属汞。如图1所示，可以以受控速率将被污染的流体引入系统10中。为了控制流体流 量，可以在源11下游设置流量控制阀111。此外，可以在源11和控制阀111之间设置流量 计112以帮助确定流量，并且在必要时允许将控制阀111调节至合适的水平。应注意，虽然 系统10显示为具有控制阀111，但是如果能够基于流量计112的读数从源11调节流量，则 可以不需要该阀。系统10还可以包括第一工段12，其设计为实施用于从流体流中除去例如目标重金属污染物如汞的单质物质的物理分离程序。在一个实施方案中，第一工段12可以通过路 径13例如管、软管或任何类似的能够将流体流从源11导至第一工段12的导管而与源11 流体连通。现在参照图2，在一个实施方案中，第一工段12可包括聚结单元20，其具有至少 一个设计为将包含重金属污染物的单质物质的小直径微滴聚结成大微滴用于随后脱除的 聚结元件21。聚结单元20的一个实例包括液/液聚结器，例如可从德州Mineral Wells 的 Perry Equipment Corporation 获得的 Series IlOH 或 Series IlOV0 聚结元件 21 的一个实例可以是PEACH LiquiS印元件，其也可从德州Mineral Wells的Perry EquipmentCorporation 获得。在一个实施方案中，聚结单元20可包括可通过其接收经路径13来自源11的被 污染流体的连续流的入口 22、以及经处理的流体可通过其流出的出口 23。聚结单元20还 可以包括聚结元件21，其设计为允许被污染流体流过其中并引发将重金属污染物的单质物 质从流体流中除去的物理分离过程。在一个实施方案中，聚结元件21可由亲水或亲油材料 制成，以允许流体流分离成不连续相(例如，胶体流)和连续相(即，工艺/流体流)。而 且，由于聚结元件21设计为允许实施饱和深度聚结过程，所以当不连续相移动穿过聚结元 件21时，可以使得不连续相中包含重金属单质物质的相当小直径的微滴聚结。具体而言， 聚结元件21允许“相似材料”吸引“相似材料”，以接收不连续相中包含重金属单质物质的 相当小直径的微滴并允许这些相当小直径的微滴合并或结合形成显著更大直径的微滴。随 着时间的推移，所述更大直径的微滴可形成甚至更大的微滴并最终可变得足够大和重。应 注意，由于这些足够大的微滴内的重金属的密度以及面间表面张力，这些足够大的微滴倾 向于在重力存在下从聚结元件21排出，并且从连续相沉降到聚结单元20底部。为了收集 和随后处置包含已分离重金属的单质物质的所排出液体，聚结单元20可配有容器24。虽然所示出的聚结元件21是竖直的，但是应当理解，聚结元件21可以设计成在聚 结单元20内基本上是水平的。同样，虽然所示出的聚结单元20是水平的，但是聚结单元20 可以设计成基本上竖直的。而且，虽然本发明描述了使用聚结单元，但是也可以通过其它相 分离装置例如叶片、网垫、填充床、离心机、其它类似装置或这些装置的组合，来进行重金属 的单质物质的物理分离和处置。如图1所示的系统10还可包括位于第一工段12下游且与聚结单元20的出口 23流体连通的第二工段14。在一个实施方案中，可提供第二工段14用于从流体流中吸附 分离或除去额外量的单质物质以及目标重金属污染物例如汞的其它物质。参照图3，第二工段14可包括反应器，例如反应器30，其中可容纳批量的吸附剂材 料以用于进一步处理来自第一工段12的流体。在一个实施方案中，所述吸附剂材料可以是 由介孔载体上的自组装单层(SAMMS)制造的纳米吸附剂材料(即，吸附剂纳米材料)。应当 理解，下文提及的术语“吸附剂材料”包括纳米吸附剂材料或吸附剂纳米材料，二者可以互 换使用。在一个实施方案中，介孔载体可由各种多孔材料包括二氧化硅制成。SAMMS材料 的优点是其根据与SAMMS相关的特定官能团具有除去各种目标重金属的所有物质的能力。 可用于本发明的反应器30的SAMMS材料的一个实例包括用于以所有的汞物质为目标的硫 醇-SAMMS (即，已经用硫醇基官能化的SAMMS材料)，与美国专利6，326，326中公开的类似； 该专利通过引用并入本文。当然，根据待从流体中除去的目标污染物，SAMMS材料可用其它基团官能化。例如，SAMMS材料可用镧基进行官能化以除去砷，或用胺基官能化以除去C02。根据本发明的一个实施方案，吸附剂材料可包括尺寸为约5微米至约200微米的 多孔颗粒。在一个实施方案中，尺寸平均为约50微米至约80微米的颗粒包括约2纳米(nm) 至约7nm的孔径，并且可以具有约0. 2克/毫升至约0. 4克/毫升的表观密度。虽然上文公开的吸附剂材料是由SAMMS制造的，但是应当理解，可以使用其它吸 附剂材料，只要这些吸附剂材料可用于从流体流中除去污染物即可。替代吸附剂材料的一 个实例包括尺寸约8至约30目的市售碳颗粒。
为了容易地引入反应器30，吸附剂材料可以作为浆料混合物提供。具体而言，吸 附剂材料可以与液体例如水混合以提供必要的浆料混合物。在一个实施方案中，该浆料混 合物可以通过本领域中已知的方法，例如通过能够产生必要的湍流的任何机械装置或流体 注射机构以混合形式保持在储器31内。或者，应理解，由于经过路径15引入反应器30中， 所以沿路径15移动的浆料混合物的流的自然湍流可足以产生适当的混合。如果有必要或 者进一步增强浆料的混合，可以在储器31下游紧接着提供混合器(未显示)，例如可通过 许多工业品牌直销中心商业购得的静态混合器。这种静态混合器的存在可进一步优化沿路 径15流入反应器30中的浆料的混合。当然，如果期望的话，可以在反应器30中提供干燥 的吸附剂材料来代替浆料。在一个实施方案中，可以在从第一工段10引入流体流之前在反应器30中提供吸 附剂材料。或者，可以将吸附剂材料与来自第一工段12的流体一起引入路径15中，并且使 其在进入反应器30之前混合。在该实施方案中，所引入的吸附剂材料的量可能是关键的， 可需要确定合适的量以提供最佳的重金属污染物去除能力。具体而言，可需要的吸附剂材 料的量可与来自第一工段12的流体流量以及流体流中的污染物的量成比例。通常，污染物 的量会是恒定的，使得流体流量可以是需要控制的参数。为了控制来自第一工段12的流量，参照图1，可以在第一工段12的下游提供流量 控制阀121。此外，可以在第一工段12和控制阀121之间提供流量计122以帮助在调节控 制阀121至恰当水平之前确定流量。应注意，如果能够基于流量计122的读数调节来自第 一工段12的流量，则可以不需要控制阀121。参照图3，为了控制将吸附剂材料从储器31引入路径15中，以使吸附剂材料的量 可与来自第一工段12的流体流量以及该流体流中污染物的量成比例，可以提供计量泵311 以允许人工或自动控制所引入的吸附剂材料的量。在一个实施方案中，反应器30提供如下环境可以容纳来自第一工段12的流体和 来自储器31的吸附剂材料(“流体/吸附剂材料混合物”)一段时间。在这段时间内，来自 流体的其余重金属污染物物质可以被吸附剂材料吸附并从流体除去，直至在流体内已经达 到可接受的重金属污染物浓度。在一个实施方案中，该时间段可以通过污染物吸附到吸附 剂材料中的动力学以及通过流体流中的污染物进入吸附剂材料中的扩散时间来确定，并且 可以持续约少于两分钟至约10分钟。应注意，将流体/吸附剂材料混合物引入反应器30 中可以提供足够的湍流，以在被污染流体和吸附剂材料之间获得必要的混合。在需要的情 况下，可以在反应器30中提供混合机构。根据本发明的一个实施方案，反应器30可设置有入口 32和出口 33。如图3所示， 入口 32可以通过入口阀321控制，出口 33可以通过出口阀331控制。在一个实施方案中，阀321和331可以通过本领域已知的手段自动开动或电子控制。或者，这些阀可以设计成手工开动。反应器30还可以包括液位变送器或传感器34以指示反应器30何时充满和其 何时变空。在图3所示的实施方案中，传感器34包括确定和指示反应器30何时基本上充 满的顶部传感器341、以及确定和指示反应器30何时基本上变空的底部传感器342。反应 器30还可以包括泵(未显示)以帮助通过出口 33移除或排出经处理的流体。在一个替代实施方案中，不用泵，反应器30可包括连接至例如两个天然气管351 和352的第二入口 35以帮助从反应器30中移除经处理的流体。具体而言，管351可以是 可通过进气阀353调节至比被污染流体的工作压力稍高的压力的“进气”管。这样，该较高 的压力可用于随后从反应器30将经处理的流体推出。另一方面，管352可以是可通过出气 阀354调节以保持与被污染流体压力基本上类似的压力的“出气”管。下文将详细讨论与 从反应器30排空经处理流体相关的这些气体管的操作。而且，虽然是关于天然气进行说明 的，但是应理解，也可以使用其它气体。如图1所示的系统10还可以设置有用于与从系统10排放经清洁或处理的流体相 关的用途的排放阀16和流量计17。在一个实施方案中，流量计17可以帮助确定经清洁或 处理的流体流量，而排放阀16可用于相对于流量控制排放量。系统10中还可设置分离装置(未显示)以除去用完的吸附剂材料。在一个实施 方案中，分离装置可以是离心型分离装置。在一个实施方案中，该装置使用离心力以将用完 的吸附剂材料集中在装置底部。还可以提供收集器(未显示)，使得可以将集中在分离装置 底部的用完的吸附剂材料导入其中并从系统10中移除。或者，分离装置可以是设计有孔或 网孔的过滤器，其能够防止颗粒尺寸为约5微米至约200微米的颗粒如吸附剂材料穿过该 过滤器。在一个实施方案中，所述分离装置可以位于反应器30的下游。或者，分离装置可 以位于例如出口 33附近以在用完的吸附剂纳米材料从反应器30离开时将其移除。在操作时，可以将源11中包含重金属污染物的被污染流体导入路径13并送至第 一工段12。在一个实施方案中，来自源11的被污染流体流量可以通过控制阀111控制，以 允许适当的体积连续流入第一工段12中。在到达第一工段12之后，污染物可以通过入口 22引入聚结单元20中。一旦进入 聚结单元20中，可以引导被污染流体流通过聚结元件21，以引发用于除去重金属污染物的 单质物质的物理分离过程。特别地，当流体进入元件21时，流体流可以分离成不连续相和 连续相。此后，当这两个相连续穿过元件21时，可通过饱和深度聚结过程使不连续相聚结。 具体而言，聚结单元21允许“相似材料”吸引“相似材料”，以吸取不连续相中包含重金属单 质物质的相当小直径的微滴，并且使这些相当小直径的微滴合并或结合形成显著更大直径 的微滴。随着时间的推移，所述更大直径的微滴可形成甚至更大的微滴。当它们已变得足 够大时，这些足够大的微滴内的重金属的密度以及面间表面张力倾向于使这些微滴在重力 存在下从聚结元件21排出，并且从连续相沉降到聚结单元20底部。随后可以将包含已分 离重金属的单质物质的排出液体收集在聚结单元20的容器23中以随后处置。来自第一工段12的聚结单元20的流体随后可通过路径15引至第二工段14。在 一个实施方案中，在第二工段14处，反应器30可以基本上充满吸附剂材料。或者，吸附剂 材料可与来自第一工段的流体流一起引入路径15中，以形成通过入口 32引入反应器30中 的流体/吸附剂材料混合物。在图3显示的实施方案中，随着流体/吸附剂材料混合物填充反应器30并接近顶部传感器341的位置，当反应器30充满时，顶部传感器341可向PLC 传送信号。在接收到信号之后，PLC可以动作以随后关闭反应器30的入口阀321。应注意， 在该填充过程期间，如上所述的吸附剂材料可以用于从被污染流体中除去重金属污染物以 提供基本清洁的流体。具体而言，在吸附剂材料(在一个实施方案中其可以为介孔SAMMS) 的存在下，可允许所述流流过SAMMS材料中的颗粒的孔。在这些孔内，目标重金属污染物如 所有的汞物质和流体流的其它成分一起与设计为吸引和结合这些污染物的分子的化学物 单层接触。这样，这些特定污染物可以被截留在SAMMS材料中并从流体流中除去。根据本发明一个实施方案的分离和除去目标重金属污染物的性能效率可取决于多种因素，包括被处理的流体、流体中可能存在的目标重金属污染物的形式或物质、其它污 染物的存在等。因此，所除去的量可能不同。例如，由于在例如汞和气体或空气(即流体) 之间存在明显的密度差，所以可以获得低的流出物浓度。随后，可以打开出口阀331，使得清洁流体通过出口 33离开并流出反应器14。该 排空过程可以持续到直至经清洁的液面达到底部传感器342，此时底部传感器342可向PLC 传输信号。此后，PLC可动作以关闭出口阀331。此后，反应器30可准备好用于进行另一填 充循环。在反应器30中的吸附剂材料用光或用完之后，可使反应器30停用，除去吸附剂材 料，并且将一批新的吸附剂材料放入反应器30中。为了确定吸附剂材料何时可用光，可以 实施几种方法。在一种方法中，已知的是，随着吸附剂材料充满污染物，其压差将增加。这 是因为被吸附剂材料截留之后流体中的重金属污染物随时间的推移将倾向于堵塞吸附剂 材料。因此，监测吸附剂材料的压差很重要。在另一方法中，可以通过周期性或连续地监测出口流中经处理流体的污染物的含 量来确定吸附剂材料的状态。当出口流中的含量增加至一定程度时，可以更换吸附剂材料。应理解，物理分离不可能除去基本上所有的目标重金属污染物的微量单质物质， 或者将单质物质的浓度降低至基本上安全或可许可的水平，例如，如政府对某些重金属例 如汞所提出的十亿分率(PPb)或万亿分率(PPt)。然而，该过程在许多情况下可明显降低单 质物质的浓度至远低于百万分率(ppm)的水平。为此，通过采用物理分离来初始降低不连 续相(即胶体流)中单质物质的浓度，可以显著延长后续第二工段14中使用的吸附剂材料 的寿命以及性能。例如，如果来自源11的被污染流体包含约IOOOppb的单质汞、约IOOppb的离子型 汞和约IOOppb的有机汞，则被污染流体中汞的总量为约1200ppb。当利用物理分离过程对 流体进行初始处理以除去单质汞时，随后保留在流体中的单质汞的量可为约lOOppb。这样， 引至第二工段14的流体将只有约300ppb的汞，与1200ppb的汞形成对照。这种汞浓度的 降低可将第二工段14中的昂贵吸附剂材料的寿命和性能延长4倍，因此也大幅降低处理工 艺的总成本。为了进一步降低处理过程的成本，现在参照图4A-B，根据本发明另一实施方 案的系统10可在第一工段12上游设置有预过滤器工段40。预过滤器工段40的使用尤其 可延长工段12处聚结单元20中更为昂贵的聚结元件21的寿命以及性能。在一个实施方案中，预过滤器工段40可包括预过滤器反应器41，如图4B所示，其 具有设计为除去固体污染物的至少一个过滤器元件42。预过滤器反应器41的一个实例可 以是可从德州 Mineral Wells 的 PerryEquipment Corporation 获得的 Series 55 反应器。过滤器元件42的一个实例可以是PEAGHsGold技术元件，其也可从德州Mineral Wells 的PerryEquipment Corporation 获得。如图所示的预过滤器41可包括入口 43，来自源11的被污染流体的连续流可以经 过路径411从该入口 43引入反应器41中。反应器41还可以包括出口 44，经过滤器元件 42处理的流体可以从该出口 44离开并经路径13引至聚结单元20。在一个实施方案中，过 滤器元件42可设计为允许来自源11的被污染流体流从中穿过，并且从所述流体流中分离 并除去固体污染物。应理解，根据当流体流从源11引至第一工段12中时未除去的和在流 体流中可以存在的固体污染物的程度，该固体污染物可堵塞聚结元件21的孔，由此降低其 性能和预期寿命。在一些情况下，过滤器元件42按其设计可以从流体流中除去重金属污染 物。具体而言，当被污染流体可能具有相当高负载(即高浓度)的重金属污染物时，在使流 体穿过工段12处的聚结单元20和聚结元件21之前，过滤器元件42可用于分离并降低流 体流中的重金属浓度以及固体污染物的浓度。为此，可以进一步延长聚结元件21的寿命和 性能。现在参照图5，其中示出根据本发明一个方面的系统10的另一实施方案。如图5 所示的系统10可以在第二工段14的下游设置有第三工段50，用于吸附分离和除去其它重 金属污染物。在本发明的一个实施方案中，第三工段50可包括与第二工段14的反应器30 基本上相似的反应器(未显示)，并且在该反应器中可容纳用于处理经路径51从第二工段 14接收的流体的吸附剂材料。在一个实施方案中，在第三工段50的反应器中的吸附剂材 料也可以是由介孔载体上的自组装单层(SAMMS)制造的纳米吸附剂材料，与第二工段14的 反应器30中的吸附剂材料类似。然而，应当理解，第三工段50的反应器中的吸附剂材料可 以包括不同的官能团以除去与第二工段14的目标不同的重金属污染物。具体而言，虽然硫 醇-SAMMS可以对汞起很好的作用并且对例如一种形式的砷具有一定吸附能力，但是二价 铜的或基于铜的SAMMS对于所有的砷物质可具有显著更大的容量。在世界上的许多地区中，这些地区中生产的烃流经常可被汞和砷二者污染。因此， 根据本发明的一个实施方案，可以使第三工段50的反应器中的吸附剂材料官能化以从被 处理的流体中除去砷。具体而言，SAMMS材料可以利用铜-EDA(即铜-EDA SAMMS)或镧基 (即镧SAMMS)功能化，使得可以在第二工段14中除去例如汞之后从流体流中有效地除去 石申。同样，虽然上文公开的吸附剂材料是由SAMMS制造的，但是应理解，也可以使用其 它吸附剂材料，只要这些吸附剂材料可以用于从流体流中除去污染物即可。替代吸附剂材 料的一个实例包括尺寸为约8至约30目的市售碳颗粒。而且，虽然第三工段50显示为在第二工段14的下游，但是，在期望的情况下，第三 工段50可以位于第二工段14上游，使得可以在除去例如汞之前初始除去砷。此外，如果需 要从被处理的流体中除去其它重金属污染物，可以提供具有反应器的其它工段，所述反应 器具有特定官能化吸附剂材料以除去目标重金属污染物。在一个实施方案中，这类其它工 段可以串联置于系统10中。当然，这些其它工段可以以并联、串联和并联相结合或任意结 构置于第二工段14上游，并且随后可将来自这些其它工段的经处理流体进料到第二工段 14中。此外，应理解，可以在存在或不存在预过滤器工段的情况下(如图4所示)，在系统 10中提供用于除去其它重金属污染物的第三工段50或其它工段。
在图6中，示出了本发明的用于处理被污染流体的另一系统60。与系统10类似，可以用系统60处理的流体的性质可以是粘性的，例如油，或者是非粘性的，例如液体或气体。 而且，与系统10类似，可通过本发明的系统60除去的污染物包括重金属，例如来自复杂的 废流体例如生产水的汞、砷、镉和铅，以及来自各种废物溶液和被污染的废物土壤的汞。可 以通过本发明的系统10除去的其它污染物包括银、铀、钚、镎、镅或其组合。在一个实施方案中，如图6所示的系统60包括源61，被污染的流体可从该源61引 至系统中。被污染的流体可包含重金属污染物的各种物质或形式，包括其单质形式、有机形 式和离子形式。可以以受控速率将被污染的流体引入系统60中。为了控制流体流量，可以 在源61下游设置流量控制阀611。此外，可以在源61和控制阀611之间设置流量计612以 帮助确定流量，并且在必要时允许将控制阀611调节至合适的水平。虽然系统10显示为具 有控制阀111，但是如果从源61能够调节流量，则可以不需要该阀。系统60还可以包括第一工段62，其设计为实施用于从流体流中除去例如目标重 金属污染物如汞的单质物质的物理分离程序。在一个实施方案中，第一工段62可以通过路 径63例如管、软管或任何类似的能够将流体流从源61导至第一工段62的导管而与源61 流体连通。此外，第一工段62可包括与图2所示的聚结单元20基本上类似的聚结单元，其 内可设置至少一个与图2中显示的聚结元件21基本上类似的聚结元件。与聚结元件21类 似，第一工段62的聚结元件可设计为将包含重金属污染物的单质物质的小直径微滴聚结 成更大的微滴以随后从流体流中移除。系统60还可包括位于第一工段62下游且通过路径65与其流体连通的第二工段 64。与系统10中的第二工段14类似，第二工段64可用于从流体流中吸附分离或除去剩余 的单质物质(此时为痕量)以及目标重金属污染物例如汞的其它物质。参照图7，第二工段64可包括容器70，其中可包括至少一个过滤器元件71以通过 吸附分离除去目标重金属污染物的各种物质从而进一步处理来自第一工段62的流体。根据本发明的一个实施方案，容器70包括其中可容纳过滤器元件71的外壳72。 如图所示，外壳72包括用支撑板75隔开的入口室73和出口室74。在一个实施方案中，支 撑板75可设计为包括过滤器元件71可接合的至少一个路径76。当然，可以提供多个路径 76，其中可以安全地设置补充数量的过滤器元件71。如果期望的话，可以给这些路径76提 供塞或盖以不与设备10接合。为了有利于将过滤器元件71放置为沿入口室73中的期望 方向与路径76牢固地接合和/或从其取下过滤器元件71，容器70可设置有可密封的封闭 物 77。该容器可通过德州 Mineral Wells 的 PerryEquipment Corporation 购得。如图8中更为详细示出的过滤器元件71可包括基本上为管状的主体部81，并且可 由可透过流体的材料制成。过滤器元件71还可以包括在其两端之间延伸的路径82，并且经 处理的流体可以沿其在与进入过滤器元件71中的流体流动基本上横向的方向上从元件71 中导出。在一个实施方案中，过滤器元件71可在主体部81内具有用于除去目标重金属污 染物各种物质的吸附剂材料，与上述公开的类似。与用于系统10中的类似的吸附剂材料 可以是由介孔载体上的自组装单层(SAMMS)制造的纳米吸附剂材料。在一个实施方案中， 介孔载体可以由各种多孔材料包括二氧化硅制成。SAMMS材料的优点是其根据与SAMMS 相关的官能团具有除去各种目标重金属的所有物质的能力。可用于本发明的过滤器元件71的SAMMS材料的一个实例包括用于以所有的汞物质为目标的硫醇-SAMMS，与美国专利6，326，326中公开的类似；该专利通过引用并入本文。当然，根据待从流体中除去的目标污 染物，SAMMS材料可用其它基团官能化。例如，SAMMS材料可用镧基官能化以除去砷，或用胺 基官能化以除去CO2。根据本发明的一个实施方案，吸附剂材料可以包括尺寸为约5微米至约200微米 的多孔颗粒。在一个实施方案中，尺寸平均为约50微米至约80微米的颗粒包括约2纳米 (nm)至约7nm的孔径，并且可以具有约0. 2克/毫升至约0. 4克/毫升的表观密度。如上文提及的，虽然公开的吸附剂材料是由SAMMS制造的，但是应当理解，也可以 使用其它吸附剂材料，只要这些吸附剂材料可用于从流体流中除去污染物即可。替代吸附 剂材料的一个实例包括尺寸约8至约30目的市售碳颗粒。过滤器元件71还可包括上端帽83。在一个实施方案中，上端帽83可以为基本上 固体的帽，以防止路径82中的流体流过元件71的顶端。在过滤器元件71上可类似地提供 相反的下端帽84。然而，下端帽84可包括与路径82轴向对准的孔85，以允许经处理的流 体从过滤器元件71离开。在一个实施方案中，下端帽84可与从孔85中伸出的接合机构86 配合。接合机构86可允许过滤器元件71与容器70中大量补充路径76牢固地接合，使得 可以引导被污染的流体穿过过滤器元件71并进入路径82中。在一个实施方案中，上端帽83和下端帽84可由刚性材料制成。这种刚性材料的 实例包括金属、塑料或其它合成材料，例如聚酯、聚丙烯或尼龙。在操作中，可以将过滤器元件71置于容器70的入口室73内，含有来自第一工段 62的剩余重金属污染物的流体可被导入其中。在将过滤器元件71沿期望的取向(S卩，元件 71的路径82与路径76基本对准)设置为与路径76牢固接合且密封容器70的封闭物77 之后，可以将被污染的流体通过入口 731导入室73中。一旦在入口室73中，被污染的流体 可浸渍过滤器元件71并被引导为基本上沿径向流过过滤器元件71。换言之，被污染流体 可以在与路径82基本上横向(更具体而言，基本上垂直)的方向上流入并横过过滤器元件 71。当被污染流体流过过滤器元件71时，其与吸附剂材料例如SAMMS材料接触，并且可以 流过SAMMS材料中的颗粒的孔。在这些孔内，目标污染物诸如重金属(例如汞)和流体流 中的其它成分一起与设计为吸引和结合这些污染物的分子的化学物单层接触。这样，这些 目标污染物可以截留在SAMMS中，并从流体流中除去。所得的经处理流体随后可流入元件71的路径82中。一旦进入路径82中，流体流 改变方向并在与路径82基本上平行的方向上(S卩，与横过元件71的流体的径向流动基本 上横向)移动。当其沿路径82移动时，经处理的流体被引导为穿过下端帽84的孔85、穿过 路径76并进入容器70的出口室74，随后，流体可以在该处通过出口 741从外壳72导出。应理解，本发明还设想过滤器元件71与其中被污染流体可从所述过滤器元件71 内向外流动的容器一起使用。换言之，可以引导被污染流体初始穿过孔85、上行至路径82 中并沿径向向外横穿过滤器元件71。在过滤器元件71中的吸附剂材料用光或用完之后，可使容器70停用，除去过滤器 元件71，并且将新的过滤器元件71放入该位置。为了确定吸附剂材料何时可用光，可以实 施几种方法。在一种方法中，已知的是，随着过滤器元件71充满污染物，其压差将增加。这 是因为被吸附剂材料截留之后流体中的重金属随时间的推移将倾向于堵塞吸附剂材料。因此，监测过滤器元件71的压差很重要。在另一方法中，可以通过周期性或连续地监测出口流中经处理流体的污染物的含 量来确定吸附剂材料的状态。当出口流中的含量增加至一定程度时，可以更换过滤器元件 71。虽然显示为垂直位置，但是应当理解，容器70可设计为水平位置，其中流体流动方向因此相应变化。而且，如上所述，容器70可制造为容纳多个过滤器元件71。在这种实 施方案中，每个过滤器元件71可以设计为具有额定的或可容许的通过流量。具体而言，可 以通过例如得到待处理的总流量并除以每个过滤器元件71的可容许流量来确定过滤器元 件71的数目。容器70的尺寸可以为将该数目的过滤器元件71放置为在外壳72中紧密相 邻所需的尺寸。应当理解，过滤器元件71可以是能够在其中引入吸附剂材料的任何过滤器元件。 这种过滤器元件的实例包括类似于在美国申请11/607，364、11/731，230和11/731，556中 公开的那些；这些申请全都通过引用并入本文。而且，尽管吸附剂材料的主要目的是吸附目标重金属污染物，但是由于其小的尺 寸(即，为约5微米至约150微米)，吸附剂材料也可以是非常良好的固体过滤器。这种过 滤固体的能力可导致吸附剂材料较快地用完或者堵塞。为了使这些昂贵的过滤材料的更换 最小化，参照图9，系统60可以在第一工段62的上游设置有预过滤器工段90，与系统10的 预过滤器工段40类似。使用预过滤器工段90还可延长第一工段62的更为昂贵的聚结元 件的寿命以及性能。在一个实施方案中，预过滤器工段90可包括与图4B中显示的预过滤反应器类似 的预过滤反应器。这种反应器可包括来自源61的被污染流体的连续流可以通过其经路径 91导入预过滤反应器中的入口、以及经处理的流体可通过其经路径63流出并导至第一工 段62的出口。这种反应器还可以包括与图4B中显示的类似的至少一个过滤器元件，其设 计为从流体流中除去固体污染物。现在参照图10，根据本发明的一个实施方案，系统60可以在第二工段64的下游设 置有第三工段100，用于除去通过路径101从第二工段64导入的流体流中的重金属污染物。 在本发明的一个实施方案中，第三工段100可包括与第二工段64的容器70基本上类似的 容器(未显示)、以及与第二工段的过滤器元件71基本上类似的至少一个过滤器元件(未 显示)。这种过滤器元件可包括其中用于通过吸附分离处理从第二工段64接收的流体的吸 附剂材料。在一个实施方案中，吸附剂材料也可以是由介孔载体上的自组装单层(SAMMS) 制造的纳米吸附剂材料。然而，应理解，吸附剂材料可包含不同的官能团，以除去与第二工 段64的目标不同的重金属污染物。具体而言，虽然硫醇-SAMMS可以对汞起很好的作用并 且对例如一种形式的砷具有一定的吸附能力，但是二价铜的或基于铜的SAMMS(即铜-EDA SAMMS)对于所有的砷物质可具有显著更大的容量。同样，虽然上文公开的吸附剂材料是由SAMMS制造的，但是应理解，也可以使用其 它吸附剂材料，只要这些吸附剂材料可以用于从流体流中除去污染物即可。替代吸附剂材 料的一个实例包括尺寸为约8至约30目的市售碳颗粒。虽然第三工段100显示为在第二工段64的下游，但是，在期望的情况下，第三工段 100可以位于第二工段64上游，使得可以在除去例如汞之前初始除去例如砷。此外，如果需要从被处理的流体中除去其它重金属污染物，可以提供具有反应器的其它工段，所述反应 器具有特定官能化吸附剂材料以除去目标重金属污染物。在一个实施方案中，这类其它工 段可以串联置于系统60中。当然，这些其它工段可以以并联、串联和并联相结合或任意结 构置于第二工段64上游，并且随后可将来自这些其它工段的经处理流体进料到第二工段 64中。此外，应理解，可以在存在或不存在预过滤器工段90的情况下(如图9所示)，在系 统60中提供用于除去其它重金属污染物的第三工段100或这些附加工段。在本发明的又一实施方案中，本发明的系统10或系统60的第三工段的目标可以 是与其第二工段中的目标相同的重金属污染物。如图11所示，系统110可包括串联的多个 工段111、112，其设计用于吸附分离相同的目标重金属污染物。通过提供可以以相同的重金 属污染物为目标的多个工段111和112，系统110可以采用连续处理来提高其流动能力(即 动力学)和负载容量。下文系统110的描述将针对使用与上述系统60中相似的容器和过滤器元件的实 施方案。然而，应理解，系统110可设计为使用与系统10中所使用的类似的反应器和吸附 剂材料。关于流动能力，由于可能需要使流体与吸附剂材料具有一定接触时间，所以如果 只使用以特定的重金属污染物为目标的一个工段111，则所述流可能需要足够缓慢地流过 该一个工段，以允许与吸附剂材料进行充分的接触。然而，如果使用串联布置的多个工段 111和112来除以去相同的目标重金属污染物，则流量和体积可显著增加例如两倍或三倍， 而仍然允许流体与吸附剂材料具有充分的接触时间。为此，可以减小每个工段的反应器或 容器的尺寸。而且，经常是这种情形多个相对小的容器或反应器可比一个相对大的容器或 反应器更便宜。除了流动能力以外，还可以提高负载容量。公知的是，一般地，吸附剂材料可具有 作为流体中目标污染物的浓度的函数的污染物负载容量(即平衡点)。为此，随着被污染的 流体流过一定体积的吸附剂材料，当目标污染物被吸附时可产生等温线。具体而言，最靠近 反应器或容器入口的吸附剂材料与在入口处或其附近的流体中的污染物浓度达到平衡。然 后，根据反应动力学和流量，流体中污染物的浓度在吸附剂材料的剩余体积内达到相对低 的水平。为了使出口出来的流体达到设定或可容许的污染物水平(该水平必须明显低于入 口处的浓度)，可以采用单个工段111，直至反应器或容器处或其附近的吸附剂材料与容许 从出口离开的流体中的污染物的设定或可容许浓度达到平衡。当达到该点时，必须更换该 工段111中的吸附剂材料，因为其可能不再充分吸附污染物以将污染物的量降低至可容许 从出口出来的浓度水平。然而，通过将第二工段112与第一工段111串联，第一工段111内 的吸附剂材料可以直至第一工段111的出口处或其附近的吸附剂材料与入口处或其附近 的流体中的污染物浓度达到平衡时才需要更换。换言之，直至第一工段111内的吸附剂材 料的总体积或量用完且在吸附剂材料的每个颗粒上具有最大的目标污染物浓度时才需要 更换第一工段111中的吸附剂材料。这是因为，即使第一工段111中的吸附剂材料不再能 吸附目标污染物，第二工段112中的吸附剂材料还可以用于吸附相同的目标污染物。在例如图11中所示的该多工段系统中，当过滤器元件中的吸附剂材料用完时，可以关闭工段111处的容器入口，并且可以打开其出口以允许排放流体。随后可处置具有用 完的吸附剂材料的过滤器元件。在第一工段111未使用时进入系统110中的流体流可以被再次导至第二工段112。在第一工段111处的容器已经再次负载具有新吸附剂材料的新过滤器元件时，可以将来自第二工段112的流体流导向第一工段112以重新开始连续处理程 序。当第二工段112中的吸附剂材料用完时，可以应用相同的过程。根据本发明的一个实施方案，用完的或用尽的吸附剂材料可以再生。为了使吸附 剂材料再生以用于后续使用，可用酸性流体处理吸附剂材料以除去所吸附的污染物。在这 种再生过程之后，可以将吸附剂材料放回使用以再次除去污染物。当然，可以对上述系统10 和系统60中的吸附剂材料进行吸附剂材料的再生。在其中使用与系统10类似的反应器和吸附剂材料的实施方案中，为了收集用于 再生的吸附剂材料，可以在工段111和112中每个工段的容器或反应器的出口附近提供过 滤器(未显示)以截留用尽的吸附剂材料。在一个实施方案中，该过滤器可设置有显著小 于吸附剂材料但同时仍然足够大以允许清洁流体从中穿过的孔。当过滤器充满用尽的吸附 剂材料时，可以将过滤器分开并与吸附剂材料一起除去。可以将新过滤器置于原位以随后 除去吸附剂材料。在一个替代方法中，可以使用离心机型分离装置(未显示)。该装置使用离心力以 将用尽的吸附剂材料集中在装置底部。在装置底部之后，可以移除吸附剂材料并导至收集 器，同时可以排放经清洁的经处理流体。用尽的吸附剂材料可以处置掉或再生用于后续使用。虽然只示出和描述了两个工段，但是应注意，系统110可包括以相同的重金属污 染物为目标的三个或更多串联的工段。虽然已经结合本发明的特定实施方案描述了本发明，但是应理解，能够对其进行 进一步的修改。而且，本申请还涵盖本发明的任意变化方案、用途或变化方案，包括脱离本 公开而在本发明所属领域内已知或常规实践内的那些。
权利要求
一种用于从流体中除去重金属污染物的系统，所述系统包括路径，包含重金属污染物的流体流和目标重金属污染物的各种物质一起能够沿所述路径引入所述系统中用于移除；第一工段，其用于通过物理分离从所述流体流中除去包括所述目标重金属污染物的单质物质的目标重金属污染物，以降低所述流体流中所述目标重金属污染物的总浓度；和第二工段，其位于所述第一工段的下游并与所述第一工段流体连通，用于从所述流体流吸附分离包括额外量的所述目标重金属污染物的单质物质以及其它物质的所述目标重金属污染物，以将所述目标重金属污染物的浓度进一步降低至可接受的水平。
2.权利要求1所述的系统，其中所述路径在包含重金属污染物的流体源和所述第一工 段之间延伸。
3.权利要求1所述的系统，其中所述目标重金属污染物包括汞、砷、镉、铅、银、铀、钚、 镎、镅、其它重金属中的一种或其组合。
4.权利要求1所述的系统，其中被污染的流体是粘性的。
5.权利要求4所述的系统，其中所述粘性流体包括油、废油、其它粘性流体中的一种或其组合。
6.权利要求1所述的系统，其中所述被污染流体是非粘性的。
7.权利要求6所述的系统，其中所述非粘性流体包括液体或气体。
8.权利要求6所述的系统，其中所述非粘性流体包括生产水。
9.权利要求1所述的系统，其中所述第一工段包括相分离装置，所述相分离装置设计 为通过重力收集包含从所述流体流分离的所述目标重金属污染物的单质物质的微滴。
10.权利要求9所述的系统，其中所述相分离装置是液/液聚结器。
11.权利要求10所述的系统，其中所述聚结器包括由亲水性和亲油性材料制成以允许 将所述流体流分离成不连续相和连续相的过滤器元件。
12.权利要求9所述的系统，其中所述相分离装置包括叶片、网垫、填充床、离心机、其 它类似装置中的一种或其组合。
13.权利要求9所述的系统，其中所述相分离装置设计为用于延长所述第二工段的寿 命和吸附分离性能。
14.权利要求1所述的系统，其中所述第二工段包括设计用于从流体流中除去目标重 金属污染物的各种物质的吸附剂纳米材料的浆料混合物。
15.权利要求14所述的系统，其中所述吸附剂纳米材料包括由介孔载体上的自组装单 层(SAMMS)制成的多孔颗粒。
16.权利要求15所述的系统，其中所述SAMMS材料是用硫醇官能化的。
17.权利要求15所述的系统，其中所述颗粒由二氧化硅制成。
18.权利要求1所述的系统，其中所述第二工段包括其中引入有设计为从流体流中除 去所述目标重金属污染物的各种物质的吸附剂纳米材料的过滤器元件、以及沿所述元件的 长度延伸的路径，经处理的流体能够沿所述路径从所述元件导出。
19.权利要求18所述的系统，其中所述吸附剂纳米材料包括由介孔载体上的自组装单 层(SAMMS)制成的多孔颗粒。
20.权利要求19所述的系统，其中所述SAMMS材料是用硫醇官能化的。
21.权利要求19所述的系统，其中所述颗粒由二氧化硅制成。
22.权利要求1所述的系统，还包括位于所述第一工段上游以从所述流体流除去固体 污染物的预过滤器工段。
23.权利要求22所述的系统，其中所述预过滤器工段用于延长所述第二工段的寿命和 物理分离性能。
24.权利要求1所述的系统，还包括在所述第二工段下游并与所述第二工段流体连通 的第三工段，用于吸附分离与所述第二工段所针对的目标重金属污染物不同的目标重金属 污染物。
25.权利要求24所述的系统，其中所述第三工段包括设计为从流体流中除去与所述第 二工段所针对的目标重金属污染物不同的目标重金属污染物的吸附剂纳米材料的浆料混 合物。
26.权利要求25所述的系统，其中所述吸附剂纳米材料包括由介孔载体上的自组装单 层(SAMMS)制成的多孔颗粒。
27.权利要求26所述的系统，其中所述SAMMS材料是用铜-EDA或镧中的一种官能化的。
28.权利要求24所述的系统，其中所述第三工段包括其中引入有设计为从流体流中 除去与所述第二工段的目标重金属污染物不同的目标重金属污染物的吸附剂纳米材料的 过滤器元件、以及沿所述元件的长度延伸的路径，经处理的流体能够沿所述路径从所述元 件导出。
29.权利要求28所述的系统，其中所述吸附剂纳米材料包括由介孔载体上的自组装单 层(SAMMS)制成的多孔颗粒。
30.权利要求29所述的系统，其中所述SAMMS材料是用铜-EDA或镧中的一种官能化的。
31.权利要求1所述的系统，还包括在所述第二工段下游并与所述第二工段流体连通 的第三工段，用于吸附分离所述第二工段所针对的目标重金属污染物。
32.权利要求30所述的系统，其中所述第三工段设置有包括由介孔载体上的自组装单 层(SAMMS)制成的多孔颗粒的吸附剂纳米材料。
33.权利要求32所述的系统，其中所述SAMMS材料是用硫醇官能化的。
34.权利要求31所述的系统，其中所述第三工段用于提高系统中的流动能力、负载容 量之一或两者。
35.一种用于从流体除去重金属污染物的系统，所述系统包括相分离装置，其用于通过物理分离从流体流中除去包括目标重金属污染物的单质物质 的目标重金属污染物，以降低所述流体流中所述目标重金属污染物的总浓度；位于所述相分离装置下游的吸附分离装置，用于从所述流体流中额外地除去包括额外 量的所述目标重金属污染物的单质物质以及其它物质的所述目标重金属污染物，以将所述 目标重金属污染物的浓度进一步降低至可接受的水平；和在所述相分离装置和所述吸附分离装置之间延伸以允许在所述装置之间流体连通的 路径。
36.权利要求35所述的系统，其中所述目标重金属污染物包括汞、砷、镉、铅、银、铀、钚、镎、镅、其它重金属中的一种或其组合。
37.权利要求35所述的系统，其中所述相分离装置设计为通过重力收集包含从所述流 体流中分离的所述目标重金属污染物的单质物质的微滴。
38.权利要求35所述的系统，其中所述相分离装置是液/液聚结器。
39.权利要求38所述的系统，其中聚结器包括由亲水性和亲油性材料制成以允许将所 述流体流分离成不连续相和连续相的过滤器元件。
40.权利要求35所述的系统，其中所述相分离装置包括叶片、网垫、填充床、离心机、其 它类似装置中的一种或其组合。
41.权利要求35所述的系统，其中所述相分离装置设计为用于延长所述吸附分离装置 的寿命和吸附分离性能。
42.权利要求35所述的系统，其中所述吸附分离装置包括设计用于从流体流中除去目 标重金属污染物的各种物质的一定量的吸附剂纳米材料。
43.权利要求42所述的系统，其中所述吸附剂纳米材料包括由介孔载体上的自组装单 层(SAMMS)制成的多孔颗粒。
44.权利要求43所述的系统，其中所述SAMMS材料是用硫醇官能化的。
45.权利要求35所述的系统，还包括位于所述相分离装置上游以从所述流体流除去固 体污染物的预过滤器工段。
46.权利要求45所述的系统，其中所述预过滤器工段用于延长所述相分离装置的寿命 和物理分离性能。
47.权利要求35所述的系统，还包括在第一吸附分离装置下游的用于除去与所述第一 吸附分离装置所针对的目标重金属污染物不同的目标重金属污染物的额外的吸附分离装置。
48.权利要求47所述的系统，其中所述额外的吸附分离装置包括设计为从流体流中 除去与所述第一吸附分离装置所针对的目标重金属污染物不同的目标重金属污染物的一 定量的吸附剂纳米材料。
49.权利要求48所述的系统，其中所述吸附剂纳米材料包括由介孔载体上的自组装单 层(SAMMS)制成的多孔颗粒。
50.权利要求49所述的系统，其中所述SAMMS材料是用铜-EDA或镧中的一种官能化的。
51.权利要求47所述的系统，其中所述额外的吸附分离装置包括设计为从流体流中 除去与所述第一吸附分离装置所针对的目标重金属污染物类似的目标重金属污染物的一 定量的吸附剂纳米材料。
52.权利要求51所述的系统，其中所述吸附剂纳米材料包括由介孔载体上的自组装单 层(SAMMS)制成的多孔颗粒。
53.权利要求52所述的系统，其中所述SAMMS材料是用硫醇官能化的。
54.权利要求47所述的系统，其中所述额外吸附分离装置提高系统中的流动能力、负 载容量之一或两者。
55.一种用于从流体除去重金属污染物的方法，所述方法包括将含有待除去的重金属污染物的流体流引入路径中，所述重金属污染物包括目标重金属污染物的各种物质；使所述流体流经受物理分离程序，以从所述流体除去包括所述目标重金属污染物的单 质物质的目标重金属污染物，以降低所述流体流中所述目标重金属污染物的总浓度；和将所述目标重金属污染物的总浓度降低的所述流体流暴露于吸附分离程序，以从所述 流体除去包括额外量的所述目标重金属污染物的单质物质以及其它物质的额外量的所述 目标重金属污染物，以将所述目标重金属污染物的浓度进一步降低至可接受的水平。
56.权利要求55所述的方法，在所述引入步骤中，所述路径与包含所述重金属污染物 的流体的源流体连通。
57.权利要求55所述的方法，其中在所述引入步骤中，所述目标重金属污染物包括汞、 砷、镉、铅、银、铀、钚、镎、镅、其它重金属中的一种或其组合。
58.权利要求55所述的方法，其中在所述引入步骤中，所述被污染流体是粘性的。
59.权利要求58所述的方法，其中在所述引入步骤中，所述粘性流体包括油、废油、其 它粘性流体中的一种或其组合。
60.权利要求55所述的方法，其中在所述引入步骤中，所述被污染流体是非粘性的。
61.权利要求60所述的方法，其中在所述引入步骤中，所述非粘性流体包括液体或气体。
62.权利要求60所述的方法，其中在所述引入步骤中，所述非粘性流体包括生产水。
63.权利要求55所述的方法，其中在所述经受步骤中，所述物理分离程序包括相分离， 所述相分离通过重力收集包含从所述流体流中分离的所述目标重金属污染物的单质物质 的微滴。
64.权利要求55所述的方法，其中所述经受步骤包括使所述流体流分离成不连续相和 连续相。
65.权利要求55所述的方法，其中所述暴露步骤包括采用设计为从流体流中除去所述 目标重金属污染物的各种物质的吸附剂纳米材料。
66.权利要求65所述的方法，其中在所述采用步骤中，所述吸附剂纳米材料包括由介 孔载体上的自组装单层(SAMMS)制成的多孔颗粒。
67.权利要求66所述的方法，其中在所述采用步骤中，所述SAMMS材料是用硫醇官能化的。
68.权利要求55所述的方法，还包括在所述经受步骤之前处理所述流体流以从所述流 体流中除去固体污染物。
69.权利要求55所述的方法，还包括对所述流体流施加额外的吸附分离程序以除去与 所述初始吸附分离程序所针对的目标重金属污染物不同的目标重金属污染物。
70.权利要求69所述的方法，其中所述施加步骤包括采用设计为从流体流中除去与所 述初始吸附分离程序所针对的目标重金属污染物不同的目标重金属污染物的吸附剂纳米 材料。
71.权利要求70所述的方法，其中在所述采用步骤中，所述吸附剂纳米材料包括由介 孔载体上的自组装单层(SAMMS)制成的多孔颗粒。
72.权利要求70所述的方法，其中在所述采用步骤中，所述SAMMS材料是用铜-EDA或 镧中的一种官能化的。
73.权利要求55所述的方法，还包括对所述流体流施加额外吸附分离程序以除去与所 述初始吸附分离程序所针对的目标重金属污染物类似的目标重金属污染物。
74.权利要求73所述的方法，其中所述施加步骤包括采用设计为从流体流中除去与所 述初始吸附分离程序所针对的目标重金属污染物类似的目标重金属污染物的吸附剂纳米 材料。
75.权利要求74所述的方法，其中在所述施加步骤中，所述吸附剂纳米材料包括由介 孔载体上的自组装单层(SAMMS)制成的多孔颗粒。
76.权利要求75所述的方法，其中在所述施加步骤中，所述SAMMS材料是用硫醇官能化的。
77.权利要求73所述的方法，其中所述施加步骤包括提高流动能力、负载容量之一或两者。
全文摘要
提供一种用于从流体中除去重金属污染物的系统。所述系统包括源，被污染的流体可从所源引入所述系统中；第一工段，其用于通过物理分离从所述流体流中除去包括所述目标重金属污染物的单质物质的目标重金属污染物；和第二工段，其位于所述第一工段的下游并与所述第一工段流体连通，以用于从所述流体流吸附分离包括额外量的所述目标重金属污染物的单质物质以及其它物质的所述目标重金属污染物。还提供一种用于从流体除去重金属污染物的方法。
文档编号C02F1/62GK101808948SQ200780100902
公开日2010年8月18日 申请日期2007年7月31日 优先权日2007年7月31日
发明者米歇尔·休伊特, 约翰·A·克罗格, 蒂莫西·L·霍姆斯 申请人:派瑞设备公司