专利名称：用于正向渗透液净化的系统及方法
技术领域：
该文件总体上涉及液体的净化，更具体而言涉及海水或微咸水(brackish water) 的淡化及净化问题。
背景技术：
当今世界对淡水即饮用水的需求日益增加。目前，由于人口不断增加带来的日益膨胀的需求，全球沙漠化的趋势正在以前所未有的速度蔓延。此外，随着水资源日益枯竭， 人们越发迫切地需要找到一种全新的经济有效的方式以生产饮用水。面对全球有限的淡水供应和资源这个日益紧迫的问题，丰富的海水资源以及新的浓盐水和微咸水淡化技术的发展无疑是一种可行的解决方法，并将带来巨大的社会效益和影响。因此，总体来说，世界范围内存在对淡化和液体净化的需求。膜法淡化主要借助于反向渗透(RO)，目前是发展最快的技术，大约占全球淡化能力的22%。反向渗透借助于动态压力来克服盐溶液的渗透压，从而使无盐水实现水选择性渗透，从膜的盐水侧转移到淡水侧。但是，RO系统需要较高的压力(50至IOOatm或800至 1500psi)以及大规模的海水预处理，以通过RO膜实现充分的渗透，从而使海水转化率介于 35%至50%之间。而且，最初膜成本与更换问题会造成RO系统较高的资本投入和运营成本。尽管水净化技术、尤其是水淡化(净化)技术取得了很大的发展，这些方法的资本和运营成本一直要比提取天然淡水并作为饮用水推向市场的成本要高出很多。在美国，根据地理位置和到淡水资源的距离，水的批发价一般为每英亩英尺100美元至450美元。在加利福尼亚州，淡水的批发价接近每英亩英尺500美元。目前，淡化成本介于每英亩_英寸淡化水617美元至987美元之间。通过RO方法对微咸水进行淡化的成本低一些，但价格仍然相对较高，介于每英亩英尺247美元至432美元之间。因此，人们仍需要找到比目前现有的液体净化方法能耗更低、效率更高及/或成本更低的水净化方法。
发明内容
本文公开的系统及方法利用正向渗透进行液体净化，例如海水淡化及微咸水净化。各种实施方案包含以下的认识通过利用一种或多种浊点溶质产生相对于盐水或待处理的液体的高渗透压差，能够改善正向渗透作用。浊点溶质的使用可以有利地通过浊点萃取实现正向渗透液的循环利用。其结果获得了能够以与以前的液体净化方法(如反向渗透)相比更低的能耗、更低的工作温度和压力、更高的效率、更高的液体流速及/或更低的成本工作的系统和方法。在某些实施方案中，正向渗透系统和方法包括一个封闭的处理环。该系统和方法输入的是盐水，排出的是可饮用的净化水以及排入海洋或用于商业目的的浓盐水。浊点溶质是水从盐水中正向渗透出来的驱动力，通过浊点沉淀和过滤进行回收并在未来的处理中再次使用。在各种实施方案中均提供了正向渗透液净化系统。一种系统可包括半透膜，该膜包括一个原料溶液侧表面和一个反面的提取溶液侧表面。一种系统可包括与所述半透膜的原料溶液侧表面连通的原料溶液，其中，所述原料溶液包括待净化的液体和溶解于该待净化的液体中的杂质。所述系统可包括与所述半透膜的提取溶液侧表面连通的提取溶液。所述系统可包括一沉淀系统，所述沉淀系统被构造为从提取溶液中沉淀出所述至少一种浊点溶质。一种正向渗透液净化系统可包括原料溶液室以及置于所述原料溶液室中的原料溶液，所述原料溶液包括一种液体和溶解在所述液体中的杂质。一种系统可包括提取溶液室以及置于所述提取溶液室中的提取溶液，所述提取溶液包括所述液体和溶解在所述液体中的至少一种浊点溶质。一种系统可包括置于原料溶液室和提取溶液室之间的、将所述原料溶液和提取溶液分开的半透膜，该半透膜被构造为使液体能够从所述原料溶液扩散到所述提取溶液中。一种系统可包括与所述提取溶液室连通的沉淀系统，其中所述沉淀系统被构造为使提取溶液中的所述至少一种浊点溶质发生沉淀。一种系统可包括与所述沉淀系统连通的过滤系统，其中所述过滤系统被构造为将沉淀下来的至少一种浊点溶质的至少一部分与所述提取溶液中的液体分离。一种系统可包括与所述过滤系统连通的回流管，其中该回流管被构造为接收分离出来的至少一种浊点溶质并将其回送至所述提取溶液室。一种系统可包括与所述过滤系统连通的排流管，其中该排流管被构造为接收从所述提取溶液中分离出的液体。所述提取溶液可包含至少一种浊点溶质。在提取溶液中的所述至少一种浊点溶质的浓度可大于原料溶液中杂质的浓度。所述原料溶液可包括海水或微咸水。待净化的液体可以是水。所述至少一种浊点溶质在待净化的液体中的溶解度的摩尔比率可至少为3 1。 所述至少一种浊点溶质的分子量可介于300道尔顿及800道尔顿之间。所述至少一种浊点溶质可包括疏水性组分和亲水性组分。所述至少一种浊点溶质可包括多氧有机链。所述至少一种浊点溶质可包括聚乙二醇或聚丙二醇。所述至少一种浊点溶质包括的聚乙二醇可选自由FA PEG-300、FA PEG_400、FA PEG-400ML以及FA PEG-600组成的组。所述至少一种浊点溶质可包括乙氧基化物。所述至少一种浊点溶质包括脂肪酸乙氧基化物或脂肪醇乙氧基化物。所述提取溶液中所述至少一种浊点溶质的浓度可介于约30%至75%之间。所述提取溶液中所述至少一种浊点溶质的浓度可介于约50%至70%之间。所述沉淀系统可包括一个加热器，所述加热器被构造为将提取溶液至少加热至提取溶液的浊点温度。所述沉淀系统可包括一个气体处理系统，其中所述气体处理系统被构造为向提取溶液中添加至少一种不溶于水的气体，以降低所述提取溶液的浊点。所述系统可包括过滤系统，其中该过滤系统被构造为将沉淀下来的至少一种浊点溶质从提取溶液中待净化的液体中除去。所述过滤系统可包括纳米滤膜或超滤膜。所述系统可包括再溶解系统，所述再溶解系统被构造为使沉淀下来的浊点溶质再次溶解，以形成循环的提取溶液。在各种实施方案中均提供了液体的净化方法。一种方法可包括将原料溶液和提取溶液置于半透膜的两侧。所述原料溶液可包括待净化的液体和溶解于该待净化的液体中的杂质。所述提取溶液可包括至少一种浊点溶质。在提取溶液中的所述至少一种浊点溶质的浓度可大于原料溶液中杂质的起始浓度。所述方法可包括让一定量的待净化液体从原料溶液中通过正向渗透作用扩散穿过半透膜达到提取溶液中。所述方法可包括使所述浊点溶质从提取溶液中的待净化液体中沉淀下来。所述方法可包括对提取溶液进行处理，以使所述浊点溶质发生沉淀。所述方法可包括使提取溶液流经过滤系统，以使沉淀下来的至少一种浊点溶质的至少一部分与待净化的液体分离。所述方法可包括将分离出来的至少一种浊点溶质回送至半透膜对面的提取溶液中。所述原料溶液可包括海水或微咸水。所述待净化的液体可以是水。浊点溶质的沉淀过程可包括注入至少一种水不溶性气体，以降低提取溶液的浊点。浊点溶质的沉淀过程可包括将提取溶液至少加热到所述提取溶液的浊点。所述方法可包括将沉淀下来的浊点溶质从提取溶液中除去。沉淀下来的浊点溶质的除去过程可包括用纳米滤膜过滤所述提取溶液。所述方法可包括使沉淀下来的浊点溶质再次溶解以形成循环的提取溶液。沉淀下来的浊点溶质的再次溶解过程可包括在低于所有浊点溶质的浊点温度下冲刷所述纳米滤膜。在各种实施方案中均提供了用于正向渗透的组件。一种组件可包括半透膜，该膜包括一个原料溶液侧表面和一个反面的提取溶液侧表面。所述组件可包括与所述半透膜的原料溶液侧表面连通的原料溶液，其中，所述原料溶液被设定为提供包含待净化的液体和溶解于该液体中的杂质的原料溶液。所述组件可包括与所述半透膜的提取溶液侧表面连通的提取溶液，其中该提取溶液包括至少一种浊点溶质。所述至少一种浊点溶质的分子量可介于约300道尔顿至800道尔顿之间。所述至少一种浊点溶质可包括疏水性组分和亲水性组分。所述至少一种浊点溶质可包括多氧有机链。所述至少一种浊点溶质可包括聚乙二醇或聚丙二醇。所述至少一种浊点溶质包括的聚乙二醇选自由FA PEG-300、FA PEG_400、FA PEG-400ML以及FA PEG-600组成的组。所述至少一种浊点溶质可包括乙氧基化物。所述至少一种浊点溶质包括脂肪酸乙氧基化物或脂肪醇乙氧基化物。在各种实施方案中均提供了溶剂净化方法。一种方法可包括通过使用提取溶液产生渗透压差，从而诱导透过半透膜的正向渗透，其中，所述提取溶液包含一种或多种浊点低于溶剂沸点的溶质；通过上述正向渗透，随着溶剂被提取穿过所述膜，所述提取溶液会变得越来越稀。该方法可包括将稀释后的提取溶液加热到稍高于浊点温度，从而触发溶质的相分离。该方法可包括通过过滤将溶质从提取溶液中分离出来。该方法可包括回收溶质， 以在正向渗透过程中循环使用。至少一种所述溶质可包括以高渗透压为特征的有机化合物。至少一种所述溶质可包括以高渗透压为特征的高分子化合物。所述溶质可具有大约200-600的分子量。在各种实施方案中均提供了盐水淡化方法。一种方法可包括使用溶质的浓缩水溶液以制成渗透压高于淡水的溶液，由此产生跨半透膜的渗透压差，诱导跨膜的正向渗透， 从而通过渗透技术从盐水中分离出淡水。该渗透分离借助于溶剂中所使用的溶质的高溶解度和高渗透压，能够驱动淡水从盐水侧穿过膜到达含有溶质的一侧。这种通过正向渗透实现的渗透分离会得到一稀释的溶液。该方法可包括通过将溶液加热到溶质的浊点以上诱导稀释的溶质溶液发生浊化，当溶液到达一定温度时，溶剂中溶质的溶解度发生逆转，从而降低其溶解度并使其从溶液中沉淀下来。该方法可包括通过过滤机构将饮用水作为渗透液从有机溶质中分离出来。该方法可包括通过在低于溶质浊点的温度时反向冲刷过滤系统将从水中过滤出来的浊化的溶质再次溶解，并生成有机溶质的浓缩水溶液，以在正向渗透过程中循环使用。至少部分所述溶质可包括有机溶质。至少部分所述溶质可包括高分子溶质。至少部分所述有机溶质的浊点可远低于水的沸点，在35度至70度之间。通过注入水不溶性气体可诱导浊化，从而将溶液的浊点降低至环境温度或接近环境温度。至少部分所述溶质的分子量可介于约300道尔顿至800道尔顿之间。所述溶质可包括疏水性组分和亲水性组分，从而能产生足够高的渗透压以通过正向渗透过程驱动水穿过半透膜。所述溶质在所述溶剂中可具有摩尔比率大于3的高溶解度，从而能产生足够高的渗透压以通过正向渗透过程驱动水穿过半透膜。在各种实施方案中均提供了溶剂净化系统。一种系统可包括具有半透膜的正向渗透设备，该设备被构造为通过使用包含一种或多种浊点基本低于所述溶剂沸点的溶质的提取溶液能够产生跨膜的渗透压差，从而使得所述提取溶液随着溶剂被提取穿过所述膜而变得越来越稀。该系统可包括当提取溶液在所述正向渗透系统中变稀之后，诱导所述提取溶液中的溶质发生浊化的机构。该系统可包括用于分离所述溶质与溶剂的过滤机构，以使所述溶质可被回收用于在所述正向渗透设备中循环使用。为了总结这些超越现有技术的实施方案和优点，我们在此描述了一些项目和优点。当然，应该认识到，某个具体的实施方案未必可以实现所有的项目或优点。因此，例如， 本领域技术人员可以发现，实施本发明可能会实现或优化本文所教导或暗示的某一种或一组优点，但未必需要实现本文所教导或暗示的其他优点。
用于实现所公开的系统及方法的各种特征的总体架构将参照附图予以说明。此处提供的附图纸和相关说明意在解释实施方案，而无意于限制公开的范围。图1是正向渗透系统的示意图。图2是包括正向渗透系统和过滤系统的液体净化系统的示意图。图3是提取溶液浓度和渗透压之间的关系图。在所有附图中，附图标记重复使用，以说明相关元素之间的对应关系。此外，每个附图标记的首位表示了该元素首次出现的图号。
具体实施例方式为了更深入地了解公开的信息，首先需参阅图1，该图是一示例性的正向渗透系统 10的示意图。该正向渗透系统10包括被半透膜30分隔的原料溶液18和提取溶液24。原料溶液池12被构造为存放原料溶液18。该原料溶液池12可通过第一导管16 从第一源(未显示)获得原料溶液18。在该示例性的实施方案中，原料溶液18通过可选的第一隔板36与膜30液体连通。提取溶液池14被构造为存放提取溶液24。该提取溶液池14可通过第二导管22 从第二源(未显示)获得提取溶液24。在该示例性的实施方案中，提取溶液24通过可选的第二隔板36与膜30液体连通。
原料溶液原料溶液18包含待净化的液体和一种或多种杂质。在至少一个实施方案中，所述原料溶液包含约35，000-40, OOOppm的盐分在水中，例如海水。在至少一个实施方案中，所述原料溶液包含约10，000-35，OOOppm的盐分在水中，例如微咸水。原料溶液18适合具有多种温度和压力。例如，原料溶液18可具有海水的环境温度和压力。本文公开的系统和方法同样适用于需要从液体中除去至少一种污染物或溶质的多种液体净化应用领域，例如废水净化和污水净化。提取溶液提取溶液24包含待净化的液体和一种或多种浊点溶质。所述浊点溶质的溶解度与温度之间的关系与人们对于与溶剂相混合的溶质的一般预测相反。提取溶液24适于具有多种温度和压力。例如，所述提取溶液24可具有海水的环境温度和压力。浊点溶质浊点溶质在较低温度下可溶解在溶剂中，但在较高温度下会从溶剂中“浊化出来，， 形成浑浊的沉淀。根据浊点溶质的比重，所述浊点溶质要么会沉淀至溶剂底部，要么会飘浮在溶剂顶部。因此，某些浊点溶液在较高温度下会发生相分离，形成两个或多个不可混合的相。优选该浊化效应是可逆的。即，在冷却后，溶液会再次变得清澈。溶解的溶质开始沉淀的温度被称为“浊点”。这种行为是某些高分子及/或有机化合物的特点，包括各种表面活性剂、分散剂、发泡剂、乳化剂、柔软剂以及润滑剂。很多浊点溶质的组成适用于本文中公开的各种实施方案。优选地，所述浊点溶质的分子量至少为200道尔顿左右。在优选的实施方案中，所述浊点溶质的分子量介于约300 道尔顿至800道尔顿之间，例如300、400、600道尔顿或800道尔顿。优选地，可选择一种或多种浊点溶质，以使所述溶质在低于浊点的水中表现出较高的溶解度及/或溶混性，从而能够产生较高的渗透压差，进而导致较高的液体流速。在某些实施方案中，浊点溶质的溶解度以摩尔比计至少约为2，优选以摩尔比计至少为3，以产生足够高的渗透压，从而驱动水通过正向渗透过程穿过半透膜。某些实施方案包含以下的认识正向渗透流速可通过使用包含疏水性组分和亲水性组分的浊点溶质(如表面活性剂)来进行改善。包含疏水性组分和亲水性组分的溶质在水中的溶解度基于化合物中的氧基团通过氢键实现的水合作用。由于水合作用会随着温度的上升而减小，因此这些化合物在水中的溶解度也会相应地减小。在某些实施方案中，这些溶质为非离子有机化合物。在某些实施方案中，所述溶质为聚合物。包含疏水性组分和亲水性组分的理想溶质的其它实例还有带有多氧有机链的有机化合物，例如聚氧乙烯或聚氧丙烯链。优选的溶质包括聚乙二醇(例如，脂肪酸或脂肪醇聚乙二醇，例如 FA PEG-300、FA PEG_400、FA PEG-600 以及 FA PEG-400ML)和聚丙二醇。理想溶质的其它实例还包括乙氧基化物、例如脂肪酸乙氧基化物和脂肪醇乙氧基化物。浊点温度取决于所使用的浊点溶质的组成和浓度。在某些优选的实施方案中，选择的浊点溶质使所述提取溶液具有单一的浊点。在各种实施方案中，选择的浊点溶质的组成和浓度使浊点比所述原料溶液的常温至少高出约10°c (50 T ) 0在某些实施方案中，所述浊点介于约 30°C (90 0F )至 75°C (170 0F )、约 35°C (95 0F )至 70°C (160 0F )或者约 400C (100°F)至50°C (120 °F)之间。优选地，所述浊点溶质倾向于在介于约45°C (IlO0F)或50°C (120 T )至70°C (160 T )之间的温度范围内发生浊化。优选所述浊点溶质倾向于在介于约5%至20%之间的浓度范围内发生浊化。在各种温度下测试各种浊点溶质的稳定性。当温度介于25°C至100°C之间时，pH、 颜色、体积和重量均未发生明显变化。提取溶液24中浊点溶质的浓度比原料溶液18中的杂质浓度高。优选地，在提取溶液中所述浊点溶质的初始浓度比原料溶液中杂质的初始浓度高出至少两倍或三倍。更优选地，提取溶液的初始浓度比原料溶液初始浓度高出至少四倍或五倍。更优选地，提取溶液的初始浓度比原料溶液的初始浓度高出至少的八、九、十或十一倍。在某些实施方案中，在待净化的液体中浊点溶质的初始浓度介于约30%至75%之间。在某些实施方案中，浊点溶质的初始浓度介于约50%至70%之间，例如67. 5%。H再回到图1所示的示例性的实施方案，膜30置于两个垫片(第一垫片32a和第二垫片32b)以及两个法兰(第一法兰34a和第二法兰34b)之间。在该示例性的实施方案中，垫片32a及32b与法兰34a及34b用于在使用中固定所述膜。法兰_垫片系统仅是个例子，在正向渗透系统10中，可利用各种替代的技术来定位膜30。膜30对于待净化的液体是可渗透性的，但对于原料溶液中的一种或多种杂质基本上是不可渗透性的。优选地，所述膜对于提取溶液中的一种或多种浊点溶质基本上是不可渗透性的。优选的实施方案包括至少一个正向渗透膜。合适的正向渗透膜的例子包括 Hydration Technologies Inc.生产的膜，例如 SeaPack ，X-Pack 以及 Hydrowell 膜。 SeaPack 和X-Pack 膜包括热焊的(heat-welded)聚乙烯/聚酯衬层(back ing)上的纤维素三醋酸酯(CTA)。Hydrowell 膜包括带有内嵌的聚酯网的CTA流延件。市场上销售的反向渗透膜也可用于正向渗透系统10。这些膜包括薄膜复合体 (TFC)和CTA膜。TFC膜由多层组成，在活性的聚酰亚胺薄膜层上叠加聚砜多孔支撑层而获得。CTA膜由纤维素和醋酸酯制成。作为有机物，它们需要消毒以预防细菌的滋生。合适的反向渗透膜的例子如下表1所示。表1.市场上销售的反向渗透膜
权利要求
1.一种正向渗透液体净化系统，包括半透膜，具有一原料溶液侧表面和一反面的提取溶液侧表面；原料溶液，与所述半透膜的原料溶液侧表面连通，其中所述原料溶液包含待净化的液体和溶解于所述待净化的液体中的杂质；提取溶液，与所述半透膜的提取溶液侧表面连通，其中所述提取溶液包含至少一种浊点溶质，并且，在所述提取溶液中所述至少一种浊点溶质的浓度大于所述原料溶液中杂质的浓度；以及沉淀系统，被构造为使所述至少一种浊点溶质从所述提取溶液中沉淀出来。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述原料溶液包括海水或微咸水，所述待净化的液体是水。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述至少一种浊点溶质在所述待净化的液体中的溶解度以摩尔比计为至少3 1。
4.根据前述任一权利要求所述的系统，其特征在于，至少一种浊点溶质的分子量介于 300道尔顿至800道尔顿之间。
5.根据前述任一权利要求所述的系统，其特征在于，至少一种浊点溶质包括疏水性组分和亲水性组分。
6.根据前述任一权利要求所述的系统，其特征在于，至少一种浊点溶质包括多氧有机链、聚乙二醇、聚丙二醇或乙氧基化物。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，至少一种浊点溶质包括脂肪酸乙氧基化物、脂肪醇乙氧基化物，或选自由FA PEG-300、FA PEG_400、FA PEG-400ML以及FA PEG-600 组成的组的聚乙二醇。
8.根据前述任一权利要求所述的系统，其特征在于，在所述提取溶液中所述至少一种浊点溶质的浓度介于约30%至75%之间。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，在所述提取溶液中所述至少一种浊点溶质的浓度介于约50%至70%之间。
10.根据前述任一权利要求所述的系统，其特征在于，所述沉淀系统包括加热器，所述加热器被构造为将所述提取溶液至少加热至它的浊点温度。
11.根据前述任一权利要求所述的系统，其特征在于，所述沉淀系统包括气体处理系统，所述气体处理系统被构造为向所述提取溶液中加入至少一种水不溶性气体，以降低所述提取溶液的浊点。
12.根据前述任一权利要求所述的系统，其特征在于，所述系统进一步包括过滤系统， 所述过滤系统被构造为从提取溶液中将沉淀出来的浊点溶质与待净化的液体分离。
13.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述过滤系统包括纳米滤膜或超滤膜。
14.根据权利要求12或13所述的系统，其特征在于，所述系统进一步包括再溶解系统， 所述再溶解系统被构造为使被所述过滤系统除去的浊点溶质再次溶解，以形成循环使用的提取溶液。
15.一种液体净化方法，包括将原料溶液和提取溶液分别置于半透膜的两侧，其中所述原料溶液包含待净化的液体和溶解于所述待净化的液体中的杂质，所述提取溶液包含至少一种浊点溶质，并且，在所述提取溶液中，所述至少一种浊点溶质的浓度大于所述原料溶液中杂质的起始浓度；使大量的待净化液体通过正向渗透作用从所述原料溶液中扩散穿过所述半透膜，进入所述提取溶液；以及在所述提取溶液中使所述浊点溶质从待净化的液体中沉淀出来。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述原料溶液包括海水或微咸水，所述待净化的液体是水。
17.根据权利要求15或16所述的方法，其特征在于，使浊点溶质沉淀的步骤包括加入至少一种水不溶性气体，以降低所述提取溶液的浊点。
18.根据权利要求15-17中任意一项所述的方法，其特征在于，使浊点溶质沉淀的步骤包括将所述提取溶液至少加热到它的浊点。
19.根据权利要求15-18中任意一项所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括从所述提取溶液除去沉淀出来的浊点溶质。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括使已被除去的浊点溶质再次溶解，以形成循环使用的提取溶液。
21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，除去沉淀出来的浊点溶质的步骤包括用纳米滤膜或超滤膜过滤所述提取溶液，并且，使沉淀出来的浊点溶质再次溶解的步骤包括在低于所述浊点溶质的浊点温度下冲刷所述纳米滤膜或超滤膜。
全文摘要
本发明涉及一种液体净化的方法，例如海水或微咸水淡化的方法，将有机溶质的浓缩水溶液用于正向渗透过程中，以通过正向渗透膜从海水中萃取淡水，随后借助于浊点萃取法从稀释的正向渗透液中分离出有机溶质，进而再次生成用于在正向渗透过程中循环的浓缩的有机溶液和用作饮用水的淡水。
文档编号B01D61/04GK102325581SQ200980157093
公开日2012年1月18日 申请日期2009年12月17日 优先权日2008年12月18日
发明者苏布拉马尼亚恩·耶尔 申请人:Nrg泰克有限公司