用于水回收的方法和系统的制作方法
【专利说明】用于水回收的方法和系统
[0001] 相关申请
[0002] 本申请获得来自以下的优先权：于2013年1月28日提交的美国临时专利申请US 61/757, 369;于2013年5月03日提交的US61/819, 195;于2013年11月09日提交的US 61/902, 174;和于2013年11月19日提交的US61/906, 112,其全部通过引用被并入，如同 在本文中被完全地陈述。 发明领域
[0003] 本发明是在水处理的领域中。
[0004] 发明背景
[0005] 水，相似于许多其他的自然资源，在地球上以有限的量存在。地球上的水的多于 95%作为含有盐浓度的微咸水或海水存在，这使其不适合用于许多目的。
[0006] 据估计，多于三分之二的剩下的非盐水作为冰存在，主要地在极地冰冠和冰川中。
[0007] 这意味着地球上的水的小于1%作为淡水是可用的。
[0008] 淡水的这样小的分数必须不仅维持生命而且还有工业。虽然对于饮用水的需求随 着世界的人口而增加，但水的被人的直接消耗（即饮水）和被人的间接消耗（例如洗浴、洗 衣、在卫生设备中）组成世界上的总的水消耗的相对地小的百分数。
[0009] 世界上的总的水消耗的大部分是在工业过程中，包括作为冷却介质的用途。
[0010] 例如，加拿大的国家能源委员会（TheNationalEnergyBoardofCanada) (2006) 估计约2至4. 5桶的淡水被用于生产一桶的合成原油。用于合成原油的生产的总的水消耗 被预计达到5. 29亿立方米/年。来自合成原油生产的废水是碱性的并且微咸的。
[0011] 用于从页岩生产天然气和其他的石油化学产品的诱导水力压裂（亦称液压破碎 法（fracking))也消耗很大的量的水。据估计，20%至多于40%的液压破碎法水作为回流 水或作为采出水被回收。
[0012] 仅在宾夕法尼亚州由液压破碎法产生的并且需要处置的高IDS(总溶解固体）废 水的量被天然气工业预计在2011年达到73亿加仑每年。液压破碎法水中的盐的水平可以 高于在海水中多于六倍。
[0013] 发明概述
[0014] 本发明的一个宽泛的方面涉及从含有亲水性的或水溶性的污染物的水的流分离 可用水。在本发明的某些示例性的实施方案中，所述流是来自工业过程的流出物并且可用 水被足够地纯化以在同一工业过程中被再使用。
[0015] 如在本说明书和伴随的权利要求中使用的，术语"双向溶剂"指示有机溶剂或两种 或更多种这样的溶剂的混合物，该有机溶剂的特征在于在20°C下与5% (WZV)NaCl水溶液 平衡时，水相中的溶剂浓度是至少1 %并且小于50% (W/W)并且溶剂相中的水浓度是至少 5%并且小于50%(1/￥)。
[0016] 双向溶剂的实例包括但不限于3至6个碳的醇和/或3至6个碳的酮和/或3至 6个碳的酯和/或3至6个碳的有机酸和胺。在某些实施方案中，双向溶剂包括丁醇。在 某些实施方案中，丁醇是双向溶剂的混合物中的主要的活性组分。在某些实施方案中，丁醇 用作单独的活性的双向溶剂。可选择地或另外地，在某些实施方案中，一种或更多种双向溶 剂包括由以下组成的组中的一个或更多个成员：正丁醇、仲丁醇、异丁醇、叔丁醇、正戊醇、 仲戊醇、异戊醇和叔戊醇。可选择地或另外地，在某些实施方案中，一种或更多种双向溶剂 作为萃取剂被提供。任选地，萃取剂包含不是双向溶剂的组分。根据实施方案，萃取剂包含 水。
[0017] 本发明的某些实施方案的另一个方面涉及从被污染的废水流回收可用水，而没有 污染物的固化（例如沉淀和/或结晶）。
[0018] 根据本发明的多种示例性的实施方案，待被处理的水流包含一种或更多种亲水性 溶质和任选地一种或更多种疏水性溶质。
[0019] 如在本说明书和伴随的权利要求中使用的，术语"亲水性溶质"指示具有 log PS-0. 5的溶质。根据本发明的多种示例性的实施方案，亲水性溶质的log P 是-0? 55 ;-0? 6-0. 65 ;-0? 7 ;-0? 75 ;-0? 8或中间的或更小的值。根据本发明的多种示例性 的实施方案，术语"亲水性溶质"包括离子化合物。
[0020] 如在本说明书和伴随的权利要求中使用的，术语"疏水性溶质"指示具有log P多0. 0的溶质。根据本发明的多种示例性的实施方案，疏水性溶质的log P是0. 1;〇.15 ; 0. 2 ;0. 25 ;0. 3 ;0. 35或中间的或更大的值。根据本发明的多种示例性的实施方案，术语"疏 水性溶质"指示具有大于3的C:0原子比的有机化合物。
[0021] 本发明的某些实施方案的一个方面涉及含有亲水性溶质和疏水性溶质二者的产 品工艺用水的处理。在本发明的某些示例性的实施方案中，疏水性溶质是与原油相关联的。
[0022] 如在本说明书和伴随的权利要求中使用的，术语"废水流"和"产品工艺用水"是 可互换的或所述"废水流"包含"产品工艺用水"。因此，根据实施方案，所述废水流包含与 另外的流的产品工艺用水混合物。根据实施方案，所述另外的流包括补充水。根据相关的 实施方案，所述补充水包括微咸水或海水。
[0023] 如在本说明书和伴随的权利要求中使用的，术语"与原油相关联的"指示在原油 (即未精炼的油）中存在的材料、在原油的精炼或原油的化学转化期间产生的材料、在采出 气中存在的材料、在采出气的精炼或采出气的化学转化期间产生的材料。根据本发明的多 种示例性的实施方案，术语原油包括石油和/或植物油（例如棕榈油厂流出物-POME)。在 某些实施方案中，与原油相关联的疏水性溶质在废水流中以10PPM、25PPM、50PPM100PPM、 200PPM、300PPM、400PPM或500PPM的浓度或中间的或更高的浓度存在。
[0024] 如在本说明书和伴随的权利要求中使用的，术语"蒸馏"和"蒸发"被可互换地使 用。
[0025] 如在本说明书和伴随的权利要求中使用的，术语"水贫化的"和"水富集的"分别 地意指含有在量或通量或浓度的方面与在接触之前的含量相比更少的水和更多的水。
[0026] 在本发明的某些示例性的实施方案中，提供了方法，所述方法包括：
[0027] (a)使包含一种或更多种亲水性溶质的废水流的至少一部分与包含双向溶剂的萃 取剂第一接触以形成水贫化的第一水溶液和水富集的第一有机相；
[0028] (b)使所述第一有机相与已浓缩的水溶液第二接触以形成第二有机相和第二水溶 液；
[0029] (c)把水从所述第二水溶液分离以形成已浓缩的水溶液和已分离的水；
[0030] (d)把所述已浓缩的水溶液再循环至所述第二接触；以及
[0031] (e)把双向溶剂从所述第二有机相再循环至所述第一接触；
[0032] 其中所述废水流、所述水贫化的第一水溶液、所述已浓缩的水溶液和所述第二水 溶液在50°C的水蒸气分压（waterpartialvaporpressure)分别地是Pl、P2、P3和P4 ; 并且其中所述双向溶剂被选择为使得P1>P2 ;P1>P3并且P4>P3。
[0033] 根据本发明的多种示例性的实施方案，所述第一接触在高于1°C、10°C、20°C、30°C 或40 °C并且低于99 °C、90 °C、80 °C、70 °C或60 °C的温度下进行。
[0034] 根据本发明的多种示例性的实施方案，所述第二接触在高于1°C、10°C、20°C、30°C 或40 °C并且低于99 °C、90 °C、80 °C、70 °C或60 °C的温度下进行。
[0035] 可选择地或另外地，在某些实施方案中，所述废水流包含一种或更多种与原油相 关联的疏水性溶质。可选择地或另外地，在某些实施方案中，所述方法包括把所述一种或更 多种与原油相关联的疏水性溶质的至少一部分从所述第二有机相的至少一部分分离。
[0036] 可选择地或另外地，在某些实施方案中，分离水包括加热所述第二水溶液。
[0037] 可选择地或另外地，在某些实施方案中，所述加热分离气态的和/或固体的化合 物，并且所述方法包括使所述已分离的气态的和/或固体的化合物与第三水溶液接触以形 成所述已浓缩的水溶液。
[0038] 可选择地或另外地，在某些实施方案中，所述气态的或固体的化合物包括由以下 组成的组中的至少一个成员：NH3、C0、C02、CaCl2、Ca(NO2)3、KBr、KCl、KHC03、K2S04、MgCl2、 MgS04、NaCl、NaHC03、Na2S04、NH4Cl、（NH4) 2C03、（NH4)HC03、H2NCOONH4^p(NH4) 2S04C3
[0039] 可选择地或另外地，在某些实施方案中，所述已浓缩的水溶液包含铵化合物。
[0040] 可选择地或另外地，在某些实施方案中，所述第二水溶液包含所述双向溶剂的至 少一部分并且所述加热分尚第三有机相。
[0041] 可选择地或另外地，在某些实施方案中，分离水包括使所述第二水溶液与膜接触 以形成已分离的水和渗余物。
[0042] 可选择地或另外地，在某些实施方案中，所述方法的特征在于所述膜是反渗透膜。
[0043] 可选择地或另外地，在某些实施方案中，所述第二水溶液包含所述双向溶剂的至 少一部分并且所述渗余物包含第四有机相。
[0044] 可选择地或另外地，在某些实施方案中，所述方法包括把所述第三有机相的至少 一部分或所述第四有机相的至少一部分再循环至所述第一接触。
[0045] 可选择地或另外地，在某些实施方案中，所述分离水包括加热所述第二水溶液并 且使所述第二水溶液与膜接触。
[0046] 可选择地或另外地，在某些实施方案中，所述方法的特征在于所述已分离的水包 含所述废水流的所述至少一部分中的所述水的至少60%。
[0047] 可选择地或另外地，在某些实施方案中，P2>P3。可选择地或另外地，在某些实施方 案中，P1>P4。
[0048] 可选择地或另外地，在某些实施方案中，所述双向溶剂具有与二价离子相比更大 的对一价离子的亲合力；所述废水流包含以多价与一价离子比率Rl的至少一种多价离子 和至少一种一价离子，所述第一水溶液包含以多价与一价离子比率R2的至少一种多价离 子和至少一种一价离子，并且R2相似于Rl。
[0049]可选择地或另外地，在某些实施方案中，所述废水流包含以多价与一价离子比率Rl的至少一种多价离子和至少一种一价离子，所述已浓缩的水溶液包含以多价与一价离子 比率R3的至少一种多价离子和至少一种一价离子，并且R3>R1。
[0050]可选择地或另外地，在某些实施方案中，所述废水流和所述已浓缩的水溶液二者 都包含至少一种多价离子并且所述废水流中的多价离子的组成不同于所述已浓缩的水溶 液中的多价离子的组成。
[0051]可选择地或另外地，在某些实施方案中，所述方法包括使所述第一有机相和所述 第二有机相中的至少一个的至少一部分与具有至少2倍大于所述双向溶剂中的C: 0比率的 C: 0比率的疏水性溶剂接触。
[0052]可选择地或另外地，在某些实施方案中，所述一种或更多种与原油相关联的疏水 性溶质包含由以下组成的组中的至少一个成员：环烷酸、其他的包含至少5个碳原子的有 机酸、1，4-二氧六环、丙酮、溴仿、二苯并（a，h)蒽、吡啶、酚类和油。
[0053]可选择地或另外地，在某些实施方案中，所述第二有机相包含所述废水流中的所 述一种或更多种与原油相关联的疏水性溶质的至少85%。
[0054]可选择地或另外地，在某些实施方案中，所述水贫化的第一水溶液包含所述废水 流中的所述一种或更多种亲水性溶质的至少80 %。
[0055]可选择地或另外地，在某些实施方案中，所述方法包括把来自所述废水流的