渗透分离系统和方法
【专利说明】渗透分离系统和方法
[0001]本申请是申请日为2012年4月24日、发明名称为“渗透分离系统和方法”的申请号为201280031184.7的专利申请的分案申请。
技术领域
[0002]—个或多个方面一般涉及渗透分离。更具体地，一个或多个方面涉及使用渗透驱动膜方法，例如正向渗透，以分离溶液中的溶质。
【背景技术】
[0003]已经将正向渗透用于脱盐。一般而言，正向渗透脱盐方法涉及具有被半透膜隔开的两个室的容器。一个室包含海水。另一个室包含浓缩溶液，其在海水和浓缩溶液之间产生浓度梯度。该梯度吸引海水中的水穿过膜进入到浓缩溶液中，所述膜选择性地允许水通过而不允许盐通过。逐渐地，进入浓缩溶液中的水将该溶液稀释。然后从该稀释的溶液移除溶质，以产生饮用水。
[0004]正向渗透系统的一个缺点是破坏系统离子平衡的离子交换现象。例如，在使用NH3-C02吸引溶液和NaCl进料溶液的系统中，Na+和冊4+离子将穿过膜而交换，这可以导致更高盐度的产物水和增加的回收吸引溶质的难度。一些脱盐装置目前使用预处理和后处理离子交换或类似方法;然而，该使用通常被用于进一步调节产物溶剂，而不是试图克服这些缺点，特别是对于回收吸引溶质。
【发明内容】
[0005]各方面一般涉及渗透驱动膜系统和方法，包括正向渗透分离(F0)、直接渗透浓缩(D0C)、压力辅助正向渗透和压力延缓渗透(PRO)。
[0006]—方面，本发明涉及渗透驱动膜方法以及维持其离子平衡的方法。所述过程/方法包括将第一溶液引入正向渗透膜的第一侧并将浓缩吸引溶液引入正向渗透膜的第二侧的步骤。所述浓缩吸引溶液具有足以维持跨膜的渗透浓度梯度的溶质浓度。所述过程/方法还包括促进所述第一溶液的溶剂流动穿过所述膜，从而在所述正向渗透膜的第一侧形成第二溶液，并在所述正向渗透膜的第二侧形成稀释的吸引溶液。所述第二溶液包含经由通过膜的反向离子交换的至少一种第一离子物类的溶质(例如，铵)。此外，所述过程/方法包括将所述稀释的吸引溶液导入分离系统并将所述稀释的吸引溶液分离成吸引溶质和溶剂。回收的溶剂包含至少一种第二离子物类的溶质；例如，通过正向渗透膜交换的钠离子(Na+)和/或由于离子失衡而留存在回收溶剂中的碳酸根离子，离子失衡阻碍全部的吸引溶质从稀释的吸引溶液中回收。离子失衡可以是跨正向渗透膜发生的离子交换的结果。所述过程/方法还包括以下步骤:将吸引溶质再循环入被引入正向渗透膜的第二侧的浓缩吸引溶液以维持其中的渗透浓度梯度，将回收的溶剂导入反向渗透系统，给回收的溶剂加压以产生纯化的溶剂和包含至少一种第二离子物类的溶质的浓缩溶液，并将所述浓缩溶液引入被引入正向渗透膜的第一侧的第一溶液。第二离子物类的溶质与第一离子物类的溶质在第二溶液内平衡形成第二溶液内另外的可去除的吸引溶质。具体地，各种正和负离子物类的溶质以等电荷平衡驻留在第二溶液内。然后将第二溶液导入分离/再循环系统以回收另外的吸引溶质。与第二离子物类的溶质(或其形式)组合的第一离子物类的溶质(或其形式)使得每个物类的吸引溶质可从第二溶液去除。
[0007]可选地，可以将来自反向渗透单元的浓缩溶液引入膜第一侧的第二溶液、分离/再循环系统内的第二溶液、和/或从膜第一侧转移至分离/再循环系统时的第二溶液。在一些实施方案中，来自反向渗透单元的浓缩溶液可以具有比第一溶液更大数目的总溶解固体(TDS)，在这种情况下，优选将浓缩溶液引入正向渗透单元下游的第二溶液，从而避免更大TDS对正向渗透单元的可能的不利影响。在一些情况下，第二溶液可以包含来自其他来源的另外的铵，其也可以用公开的系统和方法来回收。
[0008]另一方面，本发明涉及使渗透驱动膜系统中吸引溶质回收最大化的方法。该方法包括以下步骤:提供具有正向渗透膜并被配置用于在所述膜的第一侧接收第一溶液并在所述膜的第二侧接收浓缩吸引溶液的第一渗透驱动膜系统，使用所述浓缩吸引溶液从所述第一溶液渗透分离溶剂，从而在所述膜的第一侧形成第二溶液并在所述膜的第二侧形成稀释的吸引溶液。第二溶液包含经由通过膜的反向离子交换的至少一种第一离子物类的溶质。可以将稀释的吸引溶液导入分离/再循环系统以进一步处理。所述方法还包括分离稀释的吸引溶液以回收至少一种吸引溶质和溶剂。回收的溶剂包含至少一种第二离子物类的溶质。所述方法还包括以下步骤:使回收的至少一种吸引溶质再循环至第一渗透驱动膜系统；提供具有反向渗透膜的第二渗透驱动膜系统;在所述第二渗透驱动膜系统中给回收的溶剂加压，以回收基本上纯的溶剂和包含所述至少一种第二离子物类的溶质的浓缩溶液;和将具有至少一种第二离子物类的溶质的浓缩溶液再循环至第一渗透驱动膜系统。将浓缩溶液添加至第一溶液，从而得到包含至少一种第一离子物类的溶质和至少一种第二离子物类的溶质的第二溶液。至少一种第一物类的溶质与至少一种第二物类的溶质平衡以形成另外的可去除的吸引溶质。所述方法包括分离第二溶液以回收另外的吸引溶质和第三溶液的步骤。可以将第二溶液导入第二分离/再循环系统，或者可以使用与稀释的吸引溶液使用的相同的分离/再循环系统进行该分离步骤。
[0009]在前述方面的各种实施方案中，所述方法包括将另外吸引溶质再循环入浓缩吸引溶液的步骤。在一个或更多实施方案中，分离稀释的吸引溶液的步骤包括蒸馏。浓缩吸引溶液可以包含至少一种热可去除的吸引溶质和/或包含至少1:1摩尔比的氨和二氧化碳。
[0010]在另一方面，本发明涉及用于从第一溶液渗透提取溶剂的系统。该系统包括:正向渗透系统，该正向渗透系统具有具有与第一溶液源流体连接的进口的第一室、具有与浓缩吸引溶液源流体连接的进口的第二室、和分隔第一室与第二室的半透膜系统;第一分离系统，其与正向渗透系统在第二室的下游流体联接，并被配置以从其接收稀释的吸引溶液并将稀释的吸引溶液分离成吸引溶质和溶剂流;压力交换器(例如，栗)，其与分离系统流体联接并被配置以加压并运输溶剂流;与压力交换器流体联接的反向渗透系统，其中反向渗透系统包括被配置用于接收加压的溶剂流的第一室、与第一室联接的半透膜、和与半透膜联接并被配置用于接收流经膜的溶剂的第二室。反向渗透单元的第一室与正向渗透单元的第一室流体联接以提供至少一部分第一溶液。所述系统还包括第二分离系统，其与正向渗透单元的第一室流体联接并被配置用于从其接收浓缩第一溶液并从所述浓缩第一溶液去除吸引溶质和产物流的至少一种。
[0011]在另一方面，本发明涉及用于从第一溶液渗透提取溶剂的系统。该系统包括被配置用于接收半透膜一侧的进料溶液并接受所述膜对侧的浓缩吸引溶液的正向渗透系统，与正向渗透系统流体联接并被配置用于从正向渗透系统接收稀释的吸引溶液并将稀释的吸引溶液分离成吸引溶质和溶剂流的第一分离系统，与所述分离系统流体联接并被配置以加压并运输所述溶剂流的压力交换器，与所述压力交换器流体联接并被配置用于在半透膜第一侧接收加压溶剂流并具有用于接收流经所述膜的产物溶剂的膜的对侧的反向渗透系统，其中所述膜的第一侧与正向渗透单元流体联接以提供作为第一溶液的至少一部分的浓缩加压溶剂，并且第二分离系统与正向渗透系统流体联接并被配置用于从其接收浓缩第一溶液并从所述浓缩第一溶液去除吸引溶质和产物流的至少一种。
[0012]在本发明前述方面的各种实施方案中，所述系统包括与所述第二分离系统流体连通的再循环系统，用于将分离的吸引溶质返回所述浓缩吸引溶液。在一个或多个实施方案中，所述第一分离系统和第二分离系统可以包括蒸馏柱或接触膜的至少一个。在某些实施方案中，浓缩吸引溶液包含至少一比一摩尔比的氨和二氧化碳。
[0013]另一方面，本发明涉及用于从第一溶液渗透提取溶剂的系统。该系统包括正向渗透系统、预处理系统和分离系统。正向渗透系统包括具有与第一溶液源流体连接的进口的第一室、具有与浓缩吸引溶液源流体连接的进口的第二室、和分隔所述第一室与所述第二室的半透膜系统。预处理系统与第一溶液源和正向渗透系统流体连通。在一个实施方案中，预处理系统置于第一溶液源和正向渗透系统之间。分离系统在第二室的下游流体连接以回收吸引溶质或溶剂流的至少一个。分离系统可以包括蒸馏柱或接触膜的至少一种、被配置用于从第二室接收稀释的吸引溶液的分离系统。
[0014]在各种实施方案中，浓缩吸引溶液包含至少一比一的所需摩尔比的氨和二氧化碳。预处理系统可以包括以下的至少一个:用于预热第一溶液的热源，用于调节第一溶液pH的装置，用于过滤第一溶液的滤器或其他装置(例如，碳或沙过滤)，用于聚合物添加的装置，或用于软化第一溶液的装置。该系统还可以包括与溶剂流流体连通的后处理系统。后处理系统可以包括以下的至少一个:反向渗透系统、离子交换系统、第二正向渗透系统、蒸馏系统、全蒸发器、机械蒸气再压缩系统或过滤系统。在其他实施方案中，该系统还可以包括再循环系统，包括被配置以促进吸引溶质重新引入第二室以维持所需摩尔比的吸引溶液的吸收器。
[0015]另一方面，本发明涉及用于从第一溶液渗透提取溶剂的系统。该系统包括正向渗透系统、分离系统和后处理系统。正向渗透系统包括具有与第一溶液源流体连接的进口的第一室、具有与浓缩吸引溶液源流体连接的进口的第二室、和分隔所述第一室与所述第二室的半透膜系统。分离系统在第二室的下游流体连接以回收吸引溶质或溶剂流的至少一个。后处理系统与溶剂流流体连通。
[0016]在各种实施方案中，浓缩吸引溶液包含至少一比一的所需摩尔比的氨和二氧化碳。后处理系统可以包括以下的至少一个:反向渗透系统、离子交换系统、第二正向渗透系统、蒸馏系统、全蒸发器、机械蒸气再压缩系统或过滤系统。该系统还可以包括与第一溶液源流体连通的预处理系统，例如，预处理系统可以置于第一溶液源和正向渗透系统之间。预处理系统可以包括以下的至少一个:用于预热第一溶液的热源，用于调节第一溶液pH的装置，用于过滤第一溶液的滤器或其他装置(例如，碳或沙过滤)，用于聚合物添加的装置，或用于软化第一溶液的装置。该系统还可以包括再循环系统，包括被配置以促进吸引溶质重新引入第二室以维持所需摩尔比的吸引溶液的吸收器。在一些实施方案中，分离系统可以包括蒸馏柱或接触膜的至少一个、被配置用于从第二室接收稀释的吸引溶液的分离系统。
[0017]根据一个或多个实施方案，用于从第一溶液渗透提取溶剂的系统可以包括具有与第一溶液源流体连接的进口的第一室、具有与包含至少一比一的所需摩尔比的氨和二氧化碳的浓缩吸引溶液源流体连接的进口的第二室、分隔第一室与第二室的半透膜系统、与第一溶液源或第一室的至少一个流体连通的预处理操