用于渗透驱动膜工艺的驱动溶液和驱动溶质回收的制作方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求2012年11月16日提交的美国临时专利申请号61/727, 424、2012年 11月16日提交的美国临时专利申请号61/727, 426、2013年3月6日提交的美国临时专利 申请号61/773, 588、W及2013年3月12日提交的美国临时专利申请号61/777, 774的优先 权，W引用的方式将W上文献的全部公开内容整体并入本文。
技术领域
[0003] 一般说来，本发明设及渗透驱动膜工艺，更特别地设及用于渗透驱动膜工艺的驱 动溶液和驱动溶质回收技术。
【背景技术】
[0004] 一般说来，渗透驱动膜工艺设及由半透膜分隔的两种溶液。一种溶液可为例如海 水，而另一种溶液为浓溶液（concentratedsolution),W在海水与浓溶液之间产生浓度梯 度。该梯度驱动海水中的水通过膜而进入浓溶液，所述膜选择性地允许水而不允许盐通过。 逐步地，进入浓溶液的水稀释所述溶液。随后需要从该稀释的溶液中移除溶质，W产生饮用 水。传统上，通过蒸馈获得饮用水；然而，溶质通常不被回收和再循环。
【发明内容】
阳0化]本发明一般地设及新型驱动溶液，W及用于对该溶液的驱动溶质进行回收/再循 环的系统和方法。所述驱动溶液用于多种渗透驱动膜系统和方法中，例如正向渗透（F0)、压 力延缓渗透（PRO)、渗透稀释（0D)、直接渗透浓缩值0C)或依赖于溶液中溶质的浓度（或其 变化性）的其它工艺。用于驱动溶质回收的系统和方法可并入渗透驱动膜系统/工艺中。 美国专利号6, 391，205 和 7, 560, 029 ;W及美国专利公开号 2011/0203994、2012/0273417 和2012/0267306中公开了渗透驱动膜工艺的实例；W引用的方式将W上文献的公开内容 整体并入本文。此外，美国专利号8, 246, 791和美国专利公开号2012/0067819中公开了多 种驱动溶质回收系统，同样W引用的方式将W上文献的公开内容整体并入本文。
[0006] 此外，本文公开的多种驱动溶液组成没必要适合每一种渗透驱动膜工艺，并且可 对所述驱动溶液组成进行选择，W适应具体用途，例如F0或PROW及相关方面，例如驱动溶 质回收方法、膜/系统相容性、期望的通量、进料溶液（feedsolution)等。理想地，选定的 驱动溶液将表现出W下特征中的至少一些：相对低的成本、良好的溶剂通量、对预处理需求 的降低、系统效率的提高、抑灵活性W及低的逆向通量（reverseflux)。
[0007] 一般说来，驱动溶液是水性溶液，即溶剂是水；然而，在一些实施方式中，驱动溶液 是使用例如有机溶剂的非水性溶液。相对于进料溶液或第一溶液而言，驱动溶液旨在含有 更高浓度的溶质，W在渗透驱动膜系统内产生渗透压。渗透压可用于多种目的，包括脱盐、 水处理、溶质浓缩、发电和其它用途。在一些实施方式中，驱动溶液可包含一种或多种可移 除的（remov油le)溶质。在至少一些实施方式中，可使用可热移除的（热解的）溶质。例 如，驱动溶液可包含热解盐溶液，例如美国专利号7, 560, 029公开的热解盐溶液。其它可 能的热解盐包括多种离子物质种类，例如氯化物、硫酸盐、漠化物、娃酸盐、舰化物、憐酸盐、 钢、儀、觀钟、硝酸盐、神、裡、棚、锁、钢、儘、侣、儒、铭、钻、铜、铁、铅、儀、砸、银和锋。
[0008] 一般说来，进料溶液或第一溶液可为期望进行分离、纯化或其它处理的含有溶剂 及一种或多种溶质的任何溶液。在一些实施方式中，第一溶液可为非饮用水，如海水、盐水、 微咸水化rackishwater)、中水（graywater)和一些工业水。在其它实施方式中，第一溶 液可为含有期望进行浓缩、分离或回收的一种或多种溶质（如目标物质种类）的工艺流。运 种流可来自工业过程，如药物或食品级用途。目标物质种类可包括药物、盐、酶、蛋白质、催 化剂、微生物、有机化合物、无机化合物、化学前体、化学产物、胶体、食品或污染物。可从上 游单元操作（如工业设施）或任何其它来源（如海洋）将第一溶液递送至正向渗透膜处理 系统。
[0009] 一方面，本发明设及用于渗透驱动膜系统的驱动溶液。所述驱动溶液包含抑在 2-11范围内的水性溶剂；W及具有阳离子源和阴离子源的驱动溶质。或者，所述溶剂可具 有3-12、6-10或7-12的抑范围。所述阳离子源包含至少一种基于挥发性气体的阳离子 (例如N&)，并且所述阴离子源包含至少一种基于挥发性气体的阴离子（例如C〇2)。所述 阴离子源进一步包含粘度调节剂（viscositymodifier)。
[0010] 在多个实施方式中，阳离子源包含沸点低于水的烷基胺，且粘度调节剂包含硫化 氨。阳离子源可衍生于阳离子（包括例如烷基胺、氨、氨氧化钢和/或其它挥发性/非挥发 性阳离子）的共混物化lend)。阴离子源可衍生于阴离子（包括例如硫化氨、二氧化碳、氯 化氨、二氧化硫、=氧化硫和/或其它挥发性/非挥发性阴离子）的共混物。在一个或多个 实施方式中，粘度调节剂包含W下物质中的至少一种：乙醇、聚氧化締、二甲苯横酸钢、聚丙 締酸类、月桂基横酸钢、酸、酸衍生物、硫化物、硫化物衍生物，W及上述物质的组合。
[0011] 另一方面，本发明设及用于包含一种或多种基于硫醇（thiol)的驱动溶质的驱动 溶液的驱动溶液回收方法。该方法包括如下步骤：将稀驱动溶液（dilute化awsolution) 引入氧化环境，所述稀驱动溶液包含溶剂和至少一种基于硫醇的驱动溶质；从所述驱动溶 质汽提（stripping)氨离子；使所述氨离子穿越屏障，从而例如将所述氨离子与剩余的驱 动溶质分子分离；经由二硫化物聚合键合剩余的溶质，从而在所述剩余的溶质间形成二硫 桥；将所述溶剂和聚合的溶质导向至过滤组件；将至少一部分所述溶剂与所述聚合的溶质 分离，产生产物溶剂；将所述聚合的溶质和任何剩余的溶剂导向至还原环境；使所述聚合 的溶质解聚，破坏二硫桥；W及将所述氨离子重新引入解聚的驱动溶质，W重新形成所述至 少一种基于硫醇的驱动溶质，并生成浓驱动溶液。一般说来，"溶质（solute)"在本文中用 于表示一种或多种溶质分子，即溶质（solutes)。
[0012] 在多个实施方式中，可通过引入热、光、催化剂和/或其它能量源来增强聚合和解 聚步骤。所述方法还可包括将浓驱动溶液导向至渗透驱动膜系统的步骤。在一个或多个实 施方式中，从渗透驱动膜系统引入稀驱动溶液。过滤组件可包含反向渗透组件、微过滤组 件、纳米过滤组件、超滤组件、水力旋流器或上述组件的组合，W从稀驱动溶液分离产物溶 剂。此外，氧化环境和还原环境可为被一个或多个可透过氨的屏障分隔的一个或多个氧化 还原电池（redoxcells)的一部分。
[0013] 又一方面，本发明设及渗透驱动膜系统和相关工艺。一般说来，该系统包含一个或 多个正向渗透膜组件（该正向渗透膜组件中各自包含一个或多个膜）；与所述一个或多个 膜的一侧流体连通（fluidcommunication)的进料溶液源；与所述一个或多个膜的对侧流 体连通的浓驱动溶液源；W及与所述正向渗透膜组件流体连通的驱动溶液回收系统。所述 浓驱动溶液包含抑在2-11范围内的水性溶剂；W及包含阳离子源和阴离子源的驱动溶质， 所述阳离子源具有至少一种基于挥发性气体的阳离子，所述阴离子源具有至少一种基于挥 发性气体的阴离子。所述阴离子源可进一步包含粘度调节剂。
[0014] 在多个实施方式中，所述驱动溶液回收系统包含至少一个氧化还原电池W及与所 述至少一个氧化还原电池流体连通的过滤组件，所述氧化还原电池与所述一个或多个膜的 对侧流体连通，并被设置为用于从正向渗透膜组件接收稀驱动溶液。所述至少一个氧化还 原电池包含被元素（例如氨）可特异性透过的屏障分隔的氧化环境和还原环境。所述系统 可进一步包含与所述至少一个氧化还原电池连通（incommunicationwith)的能量源。
[0015] 通过参照如下描述和附图，本文公开的本发明的运些和其它目的W及优点和特征 将变得明显。此外，应理解的是，本文描述的多个实施方案的特征并非互相排斥，并且可W W各种组合和排列存在。
【附图说明】
[0016] 在附图中，类似的附图标记通常在不同视图中指相同的部分。而且，附图不一定是 成比例的，相反，通常强调示例说明本发明的原理，而不旨在作为本发明的限制的定义。为 了清楚的目的，在每个附图中可能并未标记每一个部件。在W下描述中，参照如下附图对本 发明的多个实施方式进行描述，其中：
[0017] 图1为根据本发明的一个或多个实施方式的使用溶质回收系统的示例性渗透驱 动膜系统/工艺的示意图；
[0018] 图2为根据本发明的一个或多个实施方式的驱动溶液反应示意图，所述反应使用 热解共价封存（thermolyticcovalentsequestration),用于对驱动溶质进行回收和再循 环；
[0019] 图3A-图3C为根据本发明的一个或多个实施方式的驱动溶质回收的另一方法的 多种化学相互作用的示意图；
[0020]图4为根据本发明的一个或多个实施方式的驱动溶质回收的反应萃取法的示意 图；
[0021] 图5A和图5B为根据本发明的一个或多个实施方式的用于驱动溶质回收/再循环 的还原-氧化操作的回收阶段和再循环阶段的形象化示意图；
[0022] 图6为根据本发明的一个或多个实施方式的还原-氧化操作的一个实施方式的形 象化不意图；
[0023] 图7A和图7B为根据本发明的一个或多个实施方式的用于驱动溶质回收/再循环 的还原-氧化操作的两个可替代实施方式的形象化示意图；
[0024]图8为根据本发明的一个或多个实施方式的用于驱动溶质回收系统的还原-氧化 操作的示意图；
[0025] 图9为根据本发明的一个或多个实施方式的驱动溶质回收的光反应聚合方法的 不意图；
[00%] 图lOA为根据本发明的一个或多个实施方式的驱动溶质回收的替代聚合方法的 示意图；
[0027] 图10B为根据图10A的实施方式的用于驱动溶质回收/再循环的还原-氧化操作 的形象化示意图；
[0028] 图11为根据本发明的一个或多个实施方式的驱动溶液回收系统的一个实施方式 的示意图；W及
[0029] 图12-图14为根据本发明的一个或多个实施方式的替代的驱动溶液回收系统的 示意图。
【具体实施方式】
[0030] 本发明的多个实施方式可用于任何渗透驱动膜工艺，例如F0、PRO、0D、D0C等。用 于从溶液提取溶剂的渗透驱动膜工艺通常可设及将溶液暴露于正向渗透膜的第一表面。在 一些实施方式中，第一溶液（称为工艺溶液或进料溶液）可为海水、微咸水、废水、污染水、 工艺流或其它水性溶液。在至少一个实施方式中，溶剂为水；然而，其它实施方式可使用非 水性溶剂。可将相对于第一溶液具有增加的溶质浓度的第二溶液（称为驱动溶液