渗透分离系统和方法
【专利说明】渗透分离系统和方法
[0001]相关申请的交叉参考
[0002]本申请要求于2013年2月8日提交的美国临时专利申请N0.61/762，385、2013年10月4日提交的美国临时专利申请N0.61/887，076、2013年11月5日提交的美国临时专利申请N0.61/900，095和2013年11月15日提交的美国临时专利申请N0.61/904，882的优先权和权益；由此其全部内容以引用的方式并入本文。
技术领域
[0003]一个或多个方面大体涉及渗透分离。更具体地，一个或多个方面涉及利用渗透驱动膜工艺(例如正向渗透)将溶质从水溶液中分离出来。
【背景技术】
[0004]正向渗透已被用于脱盐。通常，正向渗透脱盐工艺涉及具有被半透膜分隔开的两个室的容器。一个室容纳海水。另一个室容纳浓缩溶液，由此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。然后将溶质从该稀释的溶液中去除，以广生饮用水。
[0005]存在可能由供给到正向渗透工艺的原料液产生的各种问题。例如，原料液可能具有充分低的盐度使得在膜的相反侧的浓缩的驱动液变得被该工艺高度稀释，从而使驱动液的回收/再生复杂化。原料液的调节可能也需要利用特定预处理工艺以使其可用于正向渗透工艺。例如，大多数预处理工艺通过需要利用额外的能量或化学物质(例如，石灰软化)或进一步的步骤(例如，离子交换树脂的再生)使得整个工艺更加昂贵。另外，可能存在在正向渗透处理之后浓缩的原料液的处置问题。例如，高浓度的盐水提出了环保处置问题，例如，将浓缩的盐水排放到水体中会对局部生态系统产生不利影响。虽然对于这些问题存在一些解决方案，但是它们往往很昂贵和/或向基本的正向渗透工艺增加过度的复杂性。
【发明内容】
[0006]本发明的方面大体涉及渗透驱动膜系统和方法，包括正向渗透分离(FO)、直接渗透浓缩(DOC)、压力辅助正向渗透(PAFO)和压力延缓渗透(PRO)。
[0007]在一个方面，本发明涉及一种用于从第一溶液中渗透提取溶剂的系统(及其对应的方法步骤)。所述系统包括多个正向渗透单元，每个正向渗透单元都具有:第一室，第一室具有与第一溶液的源流体连接的入口 ；第二室，第二室具有与浓缩的驱动液的源流体连接的入口 ；和半透膜系统，所述半透膜系统将第一室与第二室隔开并构造成使所述溶剂与第一溶液渗透分离，从而形成第一室中的第二溶液和第二室中的稀释的驱动液。所述系统也包括:分离系统，所述分离系统与所述多个正向渗透单元流体连通并构造成将所述稀释的驱动液分离成浓缩的驱动液和溶剂流，和冲洗系统，所述冲洗系统与所述多个正向渗透单元和所述分离系统流体连通。所述冲洗系统包括:冲洗液的源(例如，前述溶剂流)；流体传递装置，所述流体传递装置与所述冲洗液的源和所述多个正向渗透单元中的至少一个流体连通；阀门装置，所述阀门装置与所述冲洗液的源、所述流体传递装置和至少一个正向渗透单元流体连通；和控制系统，所述控制系统与所述冲洗液的源、所述流体传递装置或所述阀门装置中的至少一个连通。所述控制系统构造成使所述冲洗液的源与至少一个正向渗透单元经由所述流体传递装置和所述阀门装置可操作地连接。
[0008]在上述方面的各个实施方案中，所述阀门装置包括多个阀门和至少一个传感器，其中所述至少一个传感器构造成基于所述系统的至少一种操作特性产生信号。所述控制系统包括构造成根据至少一个预定方案或在由所述至少一个传感器产生的一个或多个信号触发时控制所述冲洗系统的一组指令。所述控制系统可以启动所述多个阀门中的一个或多个以引导来自所述冲洗液的源的冲洗液的流经所述至少一个正向渗透单元的第二室。在一些实施方案中，所述控制系统将所述冲洗液引导到串联的多个正向渗透单元中的每个。
[0009]在另一方面，本发明涉及另一种用于从第一溶液中渗透提取溶剂的系统和方法。所述系统包括正向渗透单元，所述正向渗透单元具有:第一室，第一室具有与第一溶液的源流体连接的入口 ；第二室，第二室具有与浓缩的驱动液的源流体连接的入口 ；和半透膜系统，所述半透膜系统将第一室与第二室隔开并构造成使所述溶剂与第一溶液渗透分离，从而形成第一室中的第二溶液和第二室中的稀释的驱动液。所述系统也包括分离系统，所述分离系统与所述正向渗透单元流体连通并构造成将所述稀释的驱动液分离成浓缩的驱动液和溶剂流。所述分离系统包括全部与所述正向渗透单元流体连通的过滤单元、反向渗透单元和旁通线路。所述过滤单元包括:第一室，第一室具有与所述正向渗透单元的第二室流体连接的入口，用于接收所述稀释的驱动液的至少第一部分；第二室，第二室具有与所述反向渗透单元流体连接的出口，用于将较少稀释的驱动液转移到其中；和过滤膜，所述过滤膜将第一室与第二室隔开并构造成从所述稀释的驱动液部分地去除溶质，从而通过使剩余的稀释的驱动液从其通过来形成第二室中的较少稀释的驱动液。去除的溶质经由所述过滤单元的第一室的出口返回到所述正向渗透单元的第一室。所述反向渗透单元包括:第一室，第一室具有用于接收所述稀释的驱动液的至少第二部分的与所述正向渗透单元的第二室流体连接的入口和用于将所述浓缩的驱动液引入到其中的与所述正向渗透单元的第二室流体连接的出口 ；半透膜，所述半透膜与第一室连接；和第二室，第二室与所述半透膜连接并构造成接收穿过所述膜的溶剂，从而将所述浓缩的驱动液留在第一室中而传递到所述正向渗透单元。所述旁通线路构造成将所述稀释的驱动液的第一部分和第二部分选择性地引导到所述过滤单元和所述反向渗透单元。通常，所述旁通线路包括任意必需的阀门、传感器和控制器等以用于调节(并且在一些实施方案中也监测)引导到任一单元的稀释的驱动液的一部分。取决于所述系统或方法的特定应用(例如，原料/驱动液化学组成、操作参数和环境条件)，所述稀释的驱动液的0-100%都可以被引导到所述过滤单元或所述反向渗透单
J L ο
[0010]在上述方面的各个实施方案中，所述正向渗透单元包括多个正向渗透单元，其中每个正向渗透单元都包括:第一室，第一室具有与第一溶液的源流体连接的入口 ；第二室，第二室具有与浓缩的驱动液的源流体连接的入口 ；和半透膜系统，所述半透膜系统将第一室与第二室隔开并构造成使所述溶剂与第一溶液渗透分离，从而形成第一室中的第二溶液和第二室中的稀释的驱动液。另外，所述稀释的驱动液的一部分可以在压力下被输送到所述过滤单元和/或所述反向渗透单元(例如，经由栗或其他压力交换装置)。在一些实施方案中，所述分离系统还包括用于将添加剂引入所述稀释的驱动液的第一部分或第二部分中的至少一个的装置。用于引入添加剂的装置可以包括阀门和端口装置以将所述添加剂直接引入流体输送管线或其中一个单元中。另外，所述装置可以包括储存和/或混合槽以及计量装置等以用于将所述添加剂储存和/或输送到所述系统中。在所述系统的一个或多个实施方案中，所述分离系统可以包括热回收单元，所述热回收单元与所述反向渗透单元的第一室的出口流体连通的以用于接收将要更浓缩的浓缩的驱动液并与所述正向渗透单元的第二室流体连通以用于将更浓缩的驱动液引入其中。
[0011]在另一方面，本发明涉及一种用于从第一溶液中渗透提取溶剂的系统和方法。一个这种系统包括正向渗透单元、反向渗透单元和分离系统。所述正向渗透单元包括:第一室，第一室具有与第一溶液的源流体连接的入口；第二室，第二室具有与浓缩的驱动液的源流体连接的入口 ；和半透膜系统，所述半透膜系统将第一室与第二室隔开。所述半透膜构造成使所述溶剂与第一溶液渗透分离，从而形成第一室中(或在所述膜的一侧)的第二溶液和第二室中(或在所述膜的相反侧)的稀释的驱动液。所述反向渗透单元与所述正向渗透单元的第二室的出口流体连接并包括:第一室，第一室与所述正向渗透单元的第二室流体连通并构造成在压力下接收所述稀释的驱动液；半透膜，所述半透膜与第一室连接，和第二室，第二室与所述半透膜连接并构造成接收穿过所述膜的溶剂，将较少稀释的驱动液留在所述反向渗透单元的第一室中。所述分离系统与所述正向渗透单元和所述反向渗透单元流体连通并构造成将稀释或较少稀释的驱动液分离成浓缩的驱动液和溶剂流。所述分离系统包括:入口，所述入口与所述反向渗透单元的第一室的出口流体连接，用于从其接收所述较少稀释的驱动液；和出口，所述出口与所述正向渗透单元的第二室流体连接，用于将所述浓缩的驱动液引入所述正向渗透单元中。
[0012]在上述方面的各个实施方案中，所述系统包括设置在所述正向渗透单元的第二室和所述反向渗透单元的第一室之间并与它们流体连通的压力交换器。所述压力交换器构造成提高引入所述反向渗透单元的第一室中的稀释的驱动液的压力。所述系统也可以包括与所述反向渗透单元的第一室和所述正向渗透单元的第二室流体连通的旁路系统，用于将所述较少稀释的驱动液引导回到所述正向渗透单元。在一个或多个实施方案中，所述系统包括端口系统(例如，入口或出口和必要的阀门)以用于将引入物质引入所述稀释的驱动液或其他相关联的流(或将物质从所述稀释的驱动液或其他相关联的流去除)。所述系统也可以包括与所述正向渗透单元、所述反向渗透单元或所述分离系统中的至少一个流体连通的至少一个处理系统。所述至少一个处理系统可以构造成去除添加到所述稀释的驱动液中的物质。在一个实施方案中，所述端口系统与所述反向渗透单元的第一室流体连通。
[0013]在另外的实施方案中，所述系统包括用于改变(例如，降低)所述稀释的驱动液的渗透压的方式。用于改变所述稀释的驱动液的渗透压的方式可以包括化学品添加、化学品扣除、氧化还原、反应性萃取、过滤、沉淀或暴露于能量信号(例如，电磁信号(光解作用)、电信号(电解作用)或热信号(热解作用))中的至少一种。另外，所述系统也可以包括与所述正向渗透单元、所述反向渗透单元或所述分离系统中的至少一个流体连通的至少一个处理系统，用于反转所述稀释的驱动液的渗透压改变。在一个或多个实施方案中，用于改变所述稀释的驱动液的渗透压的方式与所述反向渗透单元的第一室流体连通。
[0014]在另一方面，本发明涉及另一种用于从溶液中提取溶剂的系统和方法。这种系统的一个例子包括:第一正向渗透单元、第二正向渗透单元和分离系统。第一正向渗透单元包括:第一室，第一室具有与第一溶液的源流体连接的入口 ；第二室，第二室具有与浓缩的第一驱动液的源流体连接的入口 ；和半透膜系统，所述半透膜系统将第一室与第二室隔开。所述半透膜构造成使所述溶剂与第一溶液渗透分离，从而形成第一室中(或在所述膜的第一侦U的第二溶液和第二室中(或在所述膜的相反侧)的稀释的第一驱动液。第二正向渗透单元与第一正向渗透单元流体连通并包括:第一室，第一室具有与第一正向渗透单元的第二室的出口流体连接的入口并构造成从第一正向渗透单元接收所述稀释的第一驱动液；第二室，第二室具有与浓缩的第二驱动液的源流体连接的入口 ；和半透膜系统，所述半透膜系统将第一室与第二室隔开。所述半透膜系统构造成使所述溶剂与所述稀释的第一驱动液渗透分离，从而形成第一室中(或在所述膜的第一侧)的浓缩的第一驱动液和第二室中(或在所述膜的相反侧)的稀释的第二驱动液。所述分离系统与第二正向渗透单元流体连通并构造成将所述稀释的第二驱动液分离成浓缩的第二驱动液和溶剂流。所述分离系统包括:入口，所述入口与第二正向渗透单元的第二室的出口流体连接，用于从其接收稀释的第二驱动液；和出口，所述出口与所述正向渗透单元的第二室流体连接，用于将浓缩的第二驱动液弓I入第二正向渗透单元中。
[0015]在上述方面的各个实施方案中，所述系统包括与第一正向渗透单元的第二室和第二正向渗透单元的第一室流体连通的汽提塔。所述汽提塔构造成使第一驱动液进一步浓缩和/或从第二驱动液去除可能反向穿过第二正向渗透单元的膜的驱动溶质。在一个或多个实施方案中，第一或第二正向渗透单元中的至少一个被浸没。另外，所述系统可以包括反向渗透单元，所述反向渗透单元与第一正向渗透单元的第二室和第二正向渗透单元的第一室流体连通。所述反向渗透单元可以构造成从所述稀释的第一驱动液去除溶剂。另外，该系统和本文描述的所有系统都可以包括所公开的用于改变驱动液的渗透压的方式以提高各个系统的操作。
[0016]在另一方面，本发明涉及另一种用于从溶液中提取溶剂的系统和方法。在这种系统的一个例子中，所述系统包括反向渗透单元、第一正向渗透单元、第二正向渗透单元和分离系统。所述反向渗透单元包括:第一室，第一室与第一溶液的源流体连通；半透膜，所述半透膜与第一室连接；和第二室，第二室与所述半透膜连接并构造成接收穿过所述膜的所述溶剂的第一部分，从而将浓缩的第一溶液留在所述反向渗透单元的第一室中。第一正向渗透单元与所述反向渗透单元流体连接并包括:第一室，第一室具有与所述反向渗透单元的第一室流体连通的入口并构造成接收所述浓缩的第一溶液；第二室，第二室具有与浓缩的驱动液的源流体连接的入口 ；和半透膜系统，所述半透膜系统将第一室与第二室隔开。所述半透膜系统构造成使所述溶剂的第二部分与所述浓缩的第一溶液渗透分离，从而形成第一室中(或在所述膜的一侧)的更浓缩的第一溶液和第二室中(或在所述膜的另一侧)的稀释的驱动液。第二正向渗透单元与第一正向渗透单元流体连通并包括:第一室，第一室具有与第一正向渗透单元的第一室的出口流体连接的入口并构造成接收来自第一正向渗透单元的更浓缩的第一溶液；第二室，第二室具有与原料液的源流体连接的入口 ；和半透膜系统，所述半透膜系统将第一室与第二室隔开。所述半透膜系统构造成使溶剂与所述原料液渗透分离，从而使第一室中(在所述膜的一侧)的浓缩的第一溶液稀释并使第二室中(在所述膜的另一侧)的原料液浓缩。在各个实施方案中，所述更浓缩的第一溶液在压力下被引导到第二正向渗透单元(例如，经由栗)。所述分离系统与第一正向渗透单元流体连通并构造成将所述稀释的驱动液分离成浓缩的驱动液和溶剂流。所述分离系统包括:入口，所述入口与第一正向渗透单元的第二室的出口流体连接，用于从其接收所述稀释的驱动液，和出口，所述出口与第一正向渗透单元的第二室流体连接，用于将浓缩的驱动液引入第一正向渗透单元中。
[0017]在上述方面的各个实施方案中，第二正向渗透单元是PRO单元并且所述系统包括与第二正向渗透单元的第一室流体连通并构造成