用于正渗透水处理的反向可溶溶质的回收的制作方法
【专利摘要】本发明公开了用于正渗透水净化或脱盐的改进的系统和方法。根据一种实施方式，提供用于净化受污染水的方法，其中包含水且具有第一渗透压的受污染原料溶液物流经过半透膜到达具有汲取溶液物流的汲取侧，该汲取溶液物流在半透膜的汲取侧上具有第二渗透压。稀释的汲取溶解物流被加热、聚结和冷却以产生冷却的单相富水物流，其被净化而产生水产品流。
【专利说明】用于正渗透水处理的反向可溶溶质的回收
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2011年4月25日提交的名称为“REGENERATION OF RETROGRADESOLUBLE SOLUTES FOR FORWARD OSMOSIS WATER TREATMENT (用于正渗透水处理的反向可溶溶质的再生)”的美国临时申请n0.61/517，687以及2011年7月15日提交的名称为“RETROGRADE SOLUBLE SOLUTE FOR FORWARD OSMOSIS WATER TREATMENT (用于正渗透水处理的反向可溶溶质)”的美国临时申请n0.61/572，394的权益，这二者的全部内容出于全部目的在此通过引用而被引入本文。
【技术领域】
[0003]本发明涉及海水、微咸水(brackish water)、废水和/或受污染水的脱盐。更特别地，本发明涉及正渗透脱盐。
【背景技术】
[0004]正渗透在现有技术中是已知的并且由于未来淡水短缺的可能性和对成本效益脱盐和水净化技术的需求相应提高的原因而已经成为最近研究的主题。海水、微咸水或者受污染水可通过半透膜汲取水(或溶剂)而进行净化，该半透膜截留盐和其它污染物(溶质)。这种自然或正渗透方法不同于被广泛使用的反渗透法，在该反渗透法中，在压力下使水强制经过类似起作用的半透膜。在正渗透法中，使用汲取溶液通过半透膜汲取水。该正渗透法并不净化水。正渗透只是将水从一组溶质转移到另一组溶质。
[0005]正渗透的回顾和概述由Miller和Evens在下文中提供:Forward osmosis:A newapproach to water purification and desalination (正渗透:水净化和脱盐的新方法)，Sandia Report SAND2006-4634，2006年7月，其中讨论了使用反向可溶聚合物汲取溶质的概念。用于实现溶质与水分离的方法并未被描述。
[0006]基于氨-二氧化碳的正渗透系统描述于McGinnis的美国专利N0.7，560，029和6，393，295中，其中溶质的温度依赖性溶解度被用于溶质与水的部分分离。公开的沉淀溶质是固体盐并且分离的平衡利用蒸馏实现。Collins的美国专利申请序列号11/632，994也描述了使用盐的温度依赖性溶解度以将汲取溶质与水分离。
[0007]美国专利申请序列号11/796，118描述了另一种正渗透系统，其使用经涂布的磁性纳米粒子作为汲取溶质。PCT W0/2010/107804描述了使用磁性粒子作为可控渗透剂。
[0008]Chakrabarti的美国专利N0.5，679，254描述了使用在水中的聚合物的温度依赖性溶解度以实现脱盐，不过不是通过正渗透。
[0009]Iyer的美国专利N0.8，021，553描述了一种系统，该系统使用反向可溶聚合物溶质和纳滤器用于从产品水分离和回收所产生的溶质胶束。Iyer详细说明了具有既疏水性又亲水性的组分的汲取溶质。Iyer还公开了通过在纳滤器上收集沉淀的(或相分离的)汲取溶质并且通过反冲纳滤器回收溶质来半批量回收溶质。
[0010]在此公开了用于正渗透水净化或脱盐的改进的系统和方法。
【发明内容】
[0011]在此公开了用于正渗透水净化或脱盐的改进的系统和方法。根据一种实施方式，提供用于净化受污染水的方法。该方法包括在半透膜的原料侧上提供包含水且具有第一渗透压的受污染原料溶液物流并且在半透膜的汲取侧上提供包含汲取溶质且具有第二渗透压的汲取溶液物流。水经过半透膜到汲取侧而产生稀释的汲取溶液物流。将该稀释的汲取溶液物流加热以过饱和该稀释的汲取溶液物流。使该稀释的汲取溶液物流中的汲取溶质沉淀而产生沉淀的两相流出物流。在该沉淀的两相流出物流中的汲取溶质聚结而产生聚结的流出物流。聚结的汲取溶质与聚结的流出物流分离而产生包含水和残余汲取溶质的富水物流以及包含聚结的汲取溶质和水的富溶质物流。该富水物流被冷却以溶解残余汲取溶质并且产生冷却的单相富水物流。该残余汲取溶质与该冷却的单相富水物流分离而产生残余汲取溶质物流和净化的水产品流。
[0012]本发明前述的和其它的目标、特征和益处通过本文公开的示例性实施方式的以下详细描述而变得更加明显。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]参考附图仅以实例的方式描述本发明的实施方式，其中:
[0014]图1示出了根据一种实施方式的示例性正渗透方法；
[0015]图2示出了根据另一种实施方式的示例性正渗透方法；
[0016]图3示出了根据另一种实施方式的示例性正渗透方法，并且
[0017]图4示出了根据一种实施方式的示例性正渗透系统的示例性方法流程图。
【具体实施方式】
[0018]应当理解，为了说明的简化和清楚，当认为合适时，附图标记在附图中可被重复以指代相应或类似的元件。另外，大量的特定细节被阐明以提供对在本文描述的示例性实施方式的彻底理解。不过，对于本领域技术人员而言可理解的是，在此描述的示例性实施方式可以在没有这些特定细节的情况下实施。在其它情况下，方法、程序和组成部分没有进行详细的描述，以便不会模糊在此描述的实施方式。
[0019]本公开针对用于正渗透水净化或脱盐的改进的汲取溶液系统和方法。该汲取溶液系统和方法包括作为正渗透水净化系统的一部分的用于将汲取溶液溶质与水溶剂分离并且将汲取溶液溶质浓缩的装置。
[0020]在此公开的汲取溶质具有反向(retrograde)溶解度。在此公开的汲取溶质的溶解度随着温度而显著降低但在环境条件下具有足够的溶解度以提供有用的工作渗透压。在此公开的汲取溶质优选是专门设计用在反向可溶正渗透水净化系统和方法中的聚合物。
[0021]在一种示例性实施方式中，该汲取溶质是低分子量二醇如1，2丙二醇、1，3丙二醇和/或1，2乙二醇的无规或序列共聚物。该汲取溶质具有对于所考虑的特定净化应用来说可接受的渗透压，具有40°C -90°C的浊点温度以及足够高以至能够使用纳滤器和/或反渗透膜精炼过滤溶解的聚合物的分子量。
[0022]在一种示例性实施方式中，该汲取溶质是与汲取溶质回收工艺一起使用的聚二醇(polyglycol)共聚物,该汲取溶质回收工艺包括用于大量溶质回收的聚结器(coalescer)/分离器和用于再溶解溶质的最终回收的纳滤器。
[0023]在此公开的汲取溶质共聚物由各种数目和顺序的二醇构成，其赋予了所要求的溶液性能。渗透压、浊点温度、分子量和分子结构通过增加或减去各种单体单元来调节。
[0024]在一种示例性实施方式中，1，2乙二醇单元被添加到该汲取溶质共聚物中以提高所产生的汲取溶质聚合物的分子量和浊点温度。相反,在该汲取溶质聚合物中增加1，2丙二醇单元导致所产生的汲取溶质聚合物具有较低的浊点温度和较高的分子量。
[0025]在另一种示例性实施方式中，1，3丙二醇或1，2乙二醇单体被一部分的较高分子量聚丙二醇聚合物的1，2丙二醇单体代替以提高所产生的聚合物的溶解度并降低浊点温度。
[0026]该示例性汲取溶质的渗透压取决于应用和所希望的回收。该示例性汲取溶质对于在利用包含较高浓度溶解固体的工艺流的应用中的高回收来说要求较高的渗透压。用于海水正渗透水脱盐的示例性系统和方法所需的汲取溶液渗透压通常大于最小~30atm，大于~40atm是优选的以允许合理的产品通量和回收。在一种示例性实施方式中，汲取溶质的溶解度在足够(~10°C)高于环境温度并且在足够(~10°C)低于泡点温度的温度下降低。换句话说，在40°C -90°C的温度之间，汲取溶质溶解度显著变化并且溶解度对温度的依赖性增加。在较低温度范围下(例如更接近40°C)具有强溶解度依赖性的示例性汲取溶质是优选的，以最小化该方法中的再生步骤的操作温度并且最小化所产生的能量损失。
[0027]在渗透压和浊点温度的限制中，示例性汲取溶质聚合物的化学被选择以控制聚合物的分子量和/或物理结构，导致通过过滤的汲取溶质的高(>90%且优选>99%)截留(rejection)。另外,示例性汲取溶质聚合物的化学被选择以最小化通过正渗透膜的溶质的反扩散。优选地，对于盐水脱盐，在水中包含40%汲取溶质共聚物的示例性汲取溶液的渗透压大于30atm,优选大于40atm,并且更优选大于50atm,而该汲取溶质共聚物的分子量大于500，优选大于1000并且更优选大于2000。
[0028]实例汲取溶质组合物
[0029]下面的非限制性实施例是提供来说明示例性实施方式的并且并不意图限制本公开的范围。
[0030]包含聚氧基(polyoxy)无规共聚物的汲取溶质聚合物组合物以溶解的30_70%重量汲取溶质的浓度配制。表1示出了在典型正渗透操作温度25°C下汲取溶液浓度对渗透压的影响。使用平衡透析直接针对NaCl参考标准测量渗透压。
[0031]表1:汲取溶质浓度vs.渗透压
[0032]
汲取溶质浓度(%)渗透压(atm)
3040
4045
506070[95
[0033]图1示出了根据一种实施方式的示例性正渗透方法。微咸水源物流I被供应到正渗透模块3中半透膜的原料侧。汲取溶液物流18被供应到正渗透模块3中半透膜的汲取侦U。微咸水源物流I的渗透压小于汲取溶液物流18的渗透压。这种压差驱动微咸水源物流I的水渗透经过半透膜，导致产生稀释的汲取溶液物流5和盐水物流2。
[0034]稀释的汲取溶液物流5经过换热器网络4，在该处温度被升高到足以引发相分离并且以溶质过饱和该稀释的汲取溶液物流5。换热器网络4可包括一个或多个串联或并联配置的换热器以用于提高稀释的汲取溶液5的温度。作为离开换热器网络4的流出物的稀释的汲取溶液物流19的温度足以沉淀出大部分的溶质并且产生两相流出物。
[0035]离开换热器网络4的两相汲取溶液流出物流19被供应到温度控制的聚结器6以聚结在换热器网络4中沉淀出的富含小溶质的小液滴。聚结器6被设计为聚结富溶质液滴足够大以便在随后的相分离工艺8中分离。在一种示例性实施方式中，聚结器6被设计为聚结富溶质液滴至大于10 μ m,优选大于25 μ m并且更优选大于50 μ m。由经过聚结器6的两相流动物流所引起的压降显著小于由经过纳滤器的两相流动物流所引起的压降。聚结器6的使用消除了额外的复杂性和在半批量操作中所需的反冲。
[0036] 聚结器6还可被分隔成包含疏水性聚结成分用于聚集汲取溶质的顶部部分以及包含亲水性聚结成分用于水聚集的底部部分。选择疏水性聚结成分的疏水性程度和亲水性聚结成分的亲水性程度以实现大于IOym的汲取溶质的特定聚结程度。在一种示例性实施方式中，选择疏水性聚结成分的疏水性程度和亲水性聚结成分的亲水性程度以聚结汲取溶质到大于10 μ m。
[0037]聚结器流出物流7被供应到温度控制的重力分离器8，离心机，水力旋流器或类似装置，在其中累积来自聚结器的富溶质液滴。重力相分离器8被设计为将溶质与水分离并且产生连续富溶质物流10和连续富水物流9。在一种示例性实施方式中，聚结器6和重力相分离器8的操作温度被保持在小于150°C，优选小于100°C并且更优选小于80°C，以实现作为从分离器8排出的流出物的富水物流9的特定的溶质浓度和渗透压。在一种示例性实施方式中，聚结器6和重力相分离器8的操作温度被选择以实现富水物流9中溶质浓度为小于5%，优选小于2%并且更优选小于1%重量溶解的溶质。
[0038]在一种示例性实施方式中，重力相分离器8被设计为将富溶质物流10中的溶质浓缩到大于60%，优选大于80%并且更优选大于90%重量溶解的溶质的浓度。作为流出物离开相分离器8的富溶质物流10在换热器16中被冷却。作为流出物离开相分离器8的富水物流9也通过换热器11冷却以允许残余的溶质再溶解并且产生单相冷却的富水物流12。冷却的富水物流12是单相物流，被供应到纳滤器13，超滤器或反渗透模块(包含半透膜)或者类似装置，其用于将残余溶质与产品水分离。纳滤器13被选择为根据尺寸或结构截留溶质分子并且理想地通过大部分的溶解的盐。在纳滤器13、超滤器、反渗透模块或类似装置中的最终过滤步骤仅用于回收单相冷却的富水物流12中的残余溶质。溶质再溶解在单相冷却的富水物流12中以最小化跨越纳滤器13的压降并且简化操作。无溶质水过滤器渗透物14是该方法广品。
[0039]离开纳滤器13的富溶质物流15在混合器17中与离开换热器16的冷却的富溶质物流10合并以产生合并的富溶质物流18。混合器17被用来在所产生的合并的富溶质物流18中完全溶解溶质。合并的富溶质物流18被供应到正渗透模块3以便以连续方式对源物流I进行净化或者脱盐。作为流出物离开相分离器8的富溶质物流10在换热器16中被冷却至特定温度，以保持合并的富溶质物流18的温度足够低并且提供在进入正渗透模块3的合并的富溶质物流18中溶质的完全溶解。
[0040]在图1的一种示例性实施方式中，聚结器6和/或相分离器8可利用另外的外部热源(未示出)加热到操作温度。
[0041]在图1的另一种示例性实施方式中，聚结器6和相分离器8被合并成一个物理装置。可选地，换热器网络4内的表面区域和换热器网络4与相分离器8之间的管道可被用来替代聚结器6。
[0042]在图1的另一种示例性实施方式中，并不根据溶质浓度保持温度，而是控制聚结器6和相分离器8的温度以保持富水物流9的渗透压在小于50m0sm，优选小于25m0sm并且更优选小于15m0sm。
[0043]在图1的另一种示例性实施方式中，稀释的汲取溶液物流5中的溶质浓度使用稀释的汲取溶液物流5或合并的富溶质物流18的流速来控制。稀释的汲取溶液5中的目标浓度被控制以保持至少4L/(m2*hr)的在正渗透模块3中的最小流量。
[0044]在图1的另一种示例性实施方式中，在稀释的汲取溶液物流5中的微生物浓度通过使用UV消毒器或者添加生物杀灭剂来控制。
[0045]在图1的另一种示例性实施方式中，先进的氧化方法或者吸附系统被用来从过滤器渗透物14中除去残余汲取溶质。
[0046]在图1的另一种示例性实施方式中，选择纳滤器13、超滤器或反渗透过滤器以获得小于2000，优选小于1000并且更优选小于500的分子量截止(cutoff);小于50%，优选小于25%并且更优选小于10%的NaCl截留；以及大于95%，优选大于99%并且更优选大于99.9%重量溶解的溶质的溶质截留。
[0047]实例聚结器操作条件
[0048]研究图1中所示正渗透工艺中聚结器操作温度对工艺物流浓度和渗透压的影响。在该工艺中使用包含聚氧基无规共聚物的优选汲取溶液。当在聚结器6中加热时，稀释的汲取溶液物流5的渗透压降低并且溶解分离成富溶质相和富水相。聚结器流出物7被供应到温度控制的重力分离器8，在其中重力相分离器8将溶质与水分离以产生连续富溶质物流10和连续富水物流9。随着聚结器操作温度的变化测量富水物流9的渗透压(其设定或限制最终过滤器13的功率消耗)和富溶质物流10的溶质组成(其设定或限制在正渗透模块中处理的最大盐水浓度和膜流量)。结果在表2中示出。
[0049]表2:聚结器操作温度的影响
[0050]
【权利要求】
1.用于净化受污染水的方法，包括: 在半透膜的原料侧上提供包含水且具有第一渗透压的受污染原料溶液物流； 在半透膜的汲取侧上提供包含汲取溶质且具有第二渗透压的汲取溶液物流； 使水经过半透膜到汲取侧而产生稀释的汲取溶液物流； 加热该稀释的汲取溶液物流以过饱和该稀释的汲取溶液物流； 使该稀释的稀汲取溶液物流中的汲取溶质沉淀而产生沉淀的两相流出物流； 聚结在该沉淀的两相流出物流中的汲取溶质而产生聚结的流出物流； 将聚结的汲取溶质与聚结的流出物流分离而产生包含水和残余汲取溶质的富水物流以及包含聚结的汲取溶质和水的富溶质物流； 冷却该富水物流以产生冷却的单相富水物流；并且 将该残余汲取溶质与该冷却的单相富水物流分离而产生残余汲取溶质物流和净化的水产品流。
2.权利要求1的方法，进一步包括: 冷却该富溶质物流以产生包含汲取溶质和水的冷却的富溶质物流； 合并残余汲取溶质物流与冷却的富溶质物流以产生重构的汲取溶液；并且 将重构的汲取溶液再循环到半透膜的汲取侧。
3.权利要求1的方法，`其中加热稀释的汲取溶液包括在换热器网络中加热稀释的汲取溶液。
4.权利要求1的方法，其中聚结汲取溶质包括在聚结器中聚结汲取溶质。
5.权利要求1的方法，其中将聚结的汲取溶质与聚结的流出物流分离包括在重力相分离器中将聚结的汲取溶质与聚结的流出物流分离。
6.权利要求1的方法，其中冷却富水物流包括在该换热器网络中冷却富水物流。
7.权利要求1的方法，其中将残余汲取溶质与冷却的单相富水物流分离包括在纳滤器、超滤器或反渗透模块中将残余汲取溶质与冷却的单相富水物流分离。
8.权利要求2的方法，其中冷却富溶质物流包括在该换热器网络中冷却富溶质物流。
9.权利要求4的方法，其中汲取溶质的浊点温度为40°C-90°C，并且聚结器的操作温度小于150。。。
10.权利要求1的方法，其中富水物流中的残余汲取溶质的浓度为小于5%重量溶解的溶质。
11.权利要求1的方法,其中单相冷却的富水物流的渗透压小于50m0sm。
12.权利要求1的方法，其中富溶质物流中的溶质浓度为大于60%重量溶解的溶质。
13.权利要求1的方法，其中汲取溶质是低分子量二醇的无规或序列共聚物。
14.权利要求13的方法，其中该无规或序列共聚物的分子量为大于500并且40%重量溶解的溶质的渗透压为大于30atm。
15.权利要求13的方法，其中该低分子量二醇是乙二醇和丙二醇并且汲取溶质的浊点温度、溶解度和渗透压通过调节乙二醇与丙二醇之比并且通过调节汲取溶质的分子量来控制。
16.权利要求1的方法，进一步包括测量富水物流中残余汲取溶质的浓度或渗透压并且通过调节聚结器的操作温度控制残余汲取溶质的浓度或渗透压。
17.权利要求1的方法，进一步包括控制汲取溶液物流的流速以保持稀释的汲取溶液物流中的汲取溶质的预定浓度。
18.权利要求4的方法，其中聚结器被分隔成包含疏水性聚结成分用于聚集汲取溶质的顶部部分以及包含亲水性聚结成分用于水聚集的底部部分，其中选择疏水性聚结成分的疏水性程度和亲水性聚结成分的亲水性程度以聚结汲取溶质到大于10 μ m。
19.权利要求3的方法，其中该换热器网络包括至少两个换热器。
20.权利要求7的方法，其中纳滤器、超滤器或反渗透工艺包括小于2000的分子量截止，小于50%的NaCl截留和大于95%的汲取溶质截留。
21.权利要求1的方法，其中该方法中的汲取溶质的微生物浓度使用UV消毒器或者生物杀灭剂来控制。
22.权利要求7的方法，其中使用先进的氧化方法或者吸附系统以从纳滤器、超滤器或反渗透模块的过滤器渗透物中除去残余汲取溶质。
23.用于净化受污染水的系统，包括: 包括原料侧和汲取侧的半透膜，该原料侧用于接受包含水且具有第一渗透压的受污染原料溶液物流，该汲取侧用于接受包含汲取溶质且具有第二渗透压的汲取溶液物流，其中该半透膜被配置为使来自受污染原料溶液物流的水经过而到达汲取侧以产生稀释的汲取溶液物流； 第一换热器，配置用于加热稀释的汲取溶液物流； 聚结器，配置用于聚结稀释的汲取溶液物流中的汲取溶质而产生聚结的流出物流； 重力相分离器，配置用于将聚结的汲取溶质与聚结的流出物流分离而产生包含水和残余汲取溶质的富水物流以及包含聚结的汲取溶质和水的富溶质物流； 第二换热器，配置用于冷却富水物流以产生冷却的单相富水物流；并且 反渗透模块，配置用于将该残余汲取溶质与该冷却的单相富水物流分离而产生残余汲取溶质物流和净化的水产品流。
【文档编号】C02F1/28GK103492038SQ201280017645
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2012年4月23日 优先权日:2011年4月25日
【发明者】G·卡米格纳尼, S·塞基维兹, J·W·维布雷 申请人:特雷维系统公司