用于脱盐的方法及设备的制造方法
【专利说明】用于脱盐的方法及设备
[0001] 本申请是申请日为2007年8月27日，申请号为200780034561. 1，发明名称为"用 于脱盐的方法及设备"的申请的分案申请。 发明领域
[0002] 本发明涉及用于水净化的方法和设备，尤其是利用过滤和电去电离作用 (electrodeionization)使水脱盐。
[0003] 发明背景
[0004] 世界范围内对饮用淡水、工业淡水及农业淡水的不断增长的需求导致对以海水、 半咸水及其他具有升高盐度的水为源的净化方法的需求有所增长。通过去除诸如盐等的溶 解固体（dissolved solid)而实现的高盐度水的净化已可通过包括蒸馏或反渗透（R0)等 在内的多种方法来实现。此类方法从经预处理的海水或半咸水的供给开始，然后将其净化 (即脱盐）到适宜于人类消费或其他用途的水平。尽管海水以及，很多情况下，半咸水是来 源丰富的原材料，但是以目前的反渗透或蒸馏工艺将其转化为饮用水通常由于所需的能量 而受到成本的抑制。
[0005] 如果能够开发出对环境影响低的有效的脱盐工艺，海洋就可提供取之不尽的水 源。虽然设备成本可能很高，但对高盐度的水脱盐的最大的持续费用是能耗。在能效上小 的改进都会由于脱盐系统通常处理大量的水而导致显著的费用节省。
[0006] 例如，由R0工艺从海水中生产饮用水所需的能量主要包括用于克服海水的渗透 压的能量，以及过程期间中压力损失导致的低效率。因为R0渗透液和R0废水（供应至系统 中的总水量的70%将会损失而成为废水）都须进行加压，R0的能耗远远高于脱盐所需要的 最小的热动力学理论能耗。通常需要昂贵的机械压力回收装置来试图回收加压所需要的某 些损失的能量。海水中通常包含约20,000-40,00(^口111(1^/1)的总溶解固体物〇1)54(^ &1 dissolved solids)，并且半咸水源可包含从2, OOOppm至多达20, OOOppm的TDS。
[0007] 这些溶解固体包括多种单价、二价、多化合价和/或多价盐或物质 (polyvalent, and/or multivalent salts or species)，其中氯化钠形成了总固体含量的 75%。
[0008] 虽然传统上已经使用诸如蒸馏法等蒸发方法来生产饮用水，但是这些方法通常需 要比采用反渗透技术的系统甚至更多的能量。此外这些系统通常利用复杂的热回收工艺， 以提高能效。由于基于R0或蒸馏技术的工艺是在高压或高温下操作的，并且由于高盐度的 水具很强的腐蚀性，所以需要特殊的金属和合金来承受这种操作条件，因此，在这类工艺中 增加复杂的装置以节省能源的需求进一步提高了设备的初始成本，并大大降低了设备的可 靠性。
[0009] 反渗透技术可有效地从海水中去除离子化合物。但是，R0系统一个严重的缺点是， R0膜有选择地拒绝非单价或多价盐的程度超过单价盐。因此，在诸如农业等的应用的净化 中，大多数二价离子，如钙和镁，实际上有利于灌溉，但它们也被有选择地拒绝了，从而导致 高于需要的运行压力，并增加了膜的污染（fouling)和结垢（scaling)的潜在风险，并且/ 或者丧失了利于作物生长的宝贵的矿物质。
[0010] 在含有超过3.5%固体的海水和103少于1，00(^口111，甚至少于50(^口111的饮用水 之间的渗透压上的差异决定了用来生产饮用品质的渗透液所使用高压仅仅用于克服热力 学自由能势。实际上，为了通过减少需要被有效地作预备以进行处理的海水用量来降低预 处理成本，海水通常在较高的水回收率下进行处理，所以，所需要的渗透压力甚至高过处理 含3.5%固体的海水所需要的渗透压力。例如，出于高压操作的实际考虑，RO系统中所利 用的压力常常大于800、900甚至1，OOOpsi，并且出于高压操作、抗腐蚀性、避免能量损失以 及防止由于二价选择性及硅拒绝所引起的结垢现象等实际因素，这些条件常常受到30%~ 40%左右的水回收率（产品水量与总水量的比率）的限制。当考虑到，将水的回收率从大约 67%改变至大约33%时，对于给定的纯净水需求，将导致预处理设备的成本加倍，且总耗水 量加倍，则这个限制会导致用于R0系统的所使用的水和预处理的费用大量增加。能源再利 用技术和R0膜的最新进展已经将使用R0系统生产饮用水的能耗降低至约7至14千瓦时 每1000加仑（14kwh/kgal)产品水。
[0011] 使用方法组合的备选技术也使将海水转化成淡水的能耗得以降低。例如，已经显 示双程（two-pass)纳米过滤系统能够在约750psi的总工作压力下生产饮用水，第一级 (stage)约500psi，第二级约250psi。因为能量使用涉及运行压力，所以同在大于800psi 的压力下运行的典型的R0系统相比，约750psi的总的工作压力使得能效更高的系统成为 可能。例如，参见美国专利US2003/0205526中Vuong所教授的方法，其通过引用而结合在 本文中。
[0012] 在另一用于从海水中生产淡水的方法中，纳米过滤技术用于连同R0或闪蒸技术 而使用。例如，参见美国专利6508936中Hassan所教授的方法，其通过引用而结合在本文 中。 发明概要
[0013] 本申请的主题在某些情况下可能涉及相关的产品、对具体问题的备选方案、和/ 或单一系统或物品的多种不同使用。
[0014] 根据本发明的一个方面，提供了一种用于净化水的方法。该方法包括采用这样的 一种或多种措施（act)，即，给纳米过滤装置（nanofiltration device)提供包含大于约 l，000ppm的总溶解固体物的供水（feed water)以生产出总溶解固体物方面有所降低的 第一滤液（filtrate)，并将此第一滤液供给至电去电离作用装置（electrodeionization device)，以生产包含小于约1，OOOppm的总溶解固体物的第二滤液。
[0015] 根据本发明的另一方面，提供了一种用于使海水脱盐的设备。该设备包含纳米过 滤装置和与纳米过滤装置成流体连通的电去电离作用装置。
[0016] 根据本发明的又一方面，提供了一种处理海水或其他高盐度水源以减少总溶解固 体物的方法。该方法包括这样的一种或多种措施，即，使原始水（source water)通过水处 理设备，同时施加数量少于约7kwh/kgal滤液（7kwh/kgal of filtrate)的能量至该设备， 并从设备中移出（removing)滤液，其中，该滤液包含小于约1，OOOppm的总溶解固体物。
[0017] 根据一个或多个实施例，本发明致力于一种处理海水的方法。该方法包含这样的 措施，即，在第一级中从海水中减少一种或多种非单价物质的浓度，并在第二级中从海水中 减少一种或多种单价物质的浓度，以生产具有小于约lOOOppm的IDS的水。第一级和第二 级是在低于约7kwh/kgal产品水的净能耗率（net energy consumption rate)下完成的。
[0018] 根据一个或多个实施例，本发明致力于一种处理含有溶解固体的水的方法，该方 法包含这样的措施，即，从水中减少单价溶解性物质的浓度以生产副产品流，从水中减少二 价溶解性物质的浓度，并在电去电离作用装置中从水中将溶解固体的浓度减少到少于大约 1，OOOppm 等。
[0019] 根据本发明的一个方面，提供了一种净化水的方法，其包括：
[0020] 将含有大于约lOOOppm总溶解固体物的供水提供至纳米过滤装置以生产总溶解 固体物有所减少的第一滤液；并
[0021] 将所述第一滤液供应至电去电离作用装置以生产包含少于约1，OOOppm总溶解固 体物的第二滤液。
[0022] 在该方法中，所述供水可以是海水、半咸水或油田回收水。在该方法中，任何多价 离子的多于约90%可由所述纳