渗透分离系统和方法与流程

相关申请的交叉参考

本申请是中国专利申请第201480017179.x号的分案申请，第201480017179.x号的专利申请其申请日是2014年2月5日，发明名称是“渗透分离系统和方法”。

本申请要求于2013年2月8日提交的美国临时专利申请no.61/762,385、2013年10月4日提交的美国临时专利申请no.61/887,076、2013年11月5日提交的美国临时专利申请no.61/900,095和2013年11月15日提交的美国临时专利申请no.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。

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：

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，以产生饮用水。

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。

技术实现要素：

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)。

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。

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。

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元。

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，经由泵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。

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。

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。

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。

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(或在所述膜的第一侧)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引入第二正向渗透单元中。

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。

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，经由泵)。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。

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接收加压的稀释的第一溶液的涡轮机。所述系统也可以包括与所述反向渗透单元和第二正向渗透单元流体连通并构造成使所述稀释的第一溶液从第二正向渗透单元的第一室的出口返回到所述反向渗透单元的第一室的入口的阀门装置(例如，旁路系统)。在各个实施方案中，所述原料液包括废水流出物流。另外，所述系统可以包括与所述反向渗透单元流体连通以从所述反向渗透单元收回能量的能量回收装置。

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。一个这种系统包括选择性膜单元、正向渗透单元、分离系统和至少一个阀门装置。所述选择性膜单元用于调节第一溶液并包括：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，第二室具有与第二溶液的源流体连接的入口；和选择性膜，所述选择性膜将第一室与第二室隔开。所述选择性膜构造成选择性地允许至少第一溶液内的特定离子从第一溶液通过到第二溶液，从而调节第一溶液(例如，软化所述溶液)。所述正向渗透单元与所述选择性膜单元流体连通并包括：第一室，第一室具有与第一溶液的源或所述选择性膜单元的第一室的出口中的至少一个流体连接的入口，用于接收经过调节的第一溶液；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与第一溶液渗透分离，从而形成第一室中的第二溶液的源和第二室中的稀释的驱动液。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：入口，所述入口与所述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。所述阀门装置与所述正向渗透单元的第一室、所述选择性膜单元的第二室和第二溶液的可替代源流体连通。所述阀门装置可以构造成将第二溶液从所述正向渗透单元的第一室或所述可替代源引导到所述选择性膜单元的第二室。

在上述方面的各个实施方案中，所述系统包括与第一溶液的源、所述选择性膜单元和所述正向渗透单元流体连通的第二阀门装置。第二阀门装置构造成将第一溶液引导到所述选择性膜单元或所述正向渗透单元或者将经过调节的第一溶液引导到所述正向渗透单元。在一个或多个实施方案中，各种阀门装置可以包括端口(例如，入口)和必要的阀门以用于将溶液引入所述选择性膜单元和/或所述正向渗透单元中，例如，以起动任一个或两个单元。另外或可选择地，所述端口可以是用于去除任一单元中的溶液的出口。在一个或多个实施方案中，所述系统包括与所述选择性膜单元、所述正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。所述选择性膜可以是阳离子选择性膜或任意其他类型的膜以适合特定的应用。

在上述方面的各个实施方案中，所述浓缩的驱动液包括至少1：1的所需摩尔比的氨和二氧化碳。然而，其他驱动液被预期并认为在本发明的范围内，例如，包括nacl溶液或2013年11月13日提交的pct专利申请no.pct/us13/69895(‘895申请)(由此其全部公开内容以引用的方式并入本文)中公开的各种可替代的驱动液中的任意一种。另外，用于分离和回收驱动溶质和溶剂的其他系统和方法(例如，‘895申请中所公开的那些系统和方法)被预期并认为在本发明的范围内。此外，各种预处理和后处理系统可以结合在本发明的上述方面中。所述预处理系统可以包括用于使第一溶液预热的热源、用于调节第一溶液的ph值的装置、用于消毒(例如，化学或uv)、分离和净化的装置、过滤器或用于使第一溶液过滤的其他装置(例如，碳过滤或砂过滤或反向渗透)、用于聚合物添加的装置、离子交换器或用于使第一溶液软化(例如，石灰软化)的装置中的至少一个。所述后处理系统可以包括反向渗透系统、离子交换系统、第二正向渗透系统、蒸馏系统、渗透蒸发器、机械蒸汽再压缩系统、热交换系统或过滤系统中的至少一个。在另外的实施方案中，所述系统也可以包括包含构造成便于将驱动溶质重新引入第二室以维持驱动液的所需摩尔比的吸收器的再循环系统。

下文详细讨论这些示例性方面和实施方案的其他方面、实施方案和优点。此外，应理解上述信息和以下详细描述都仅为各个方面和实施方案的示例说明性实例，并且预期提供用于理解要求保护的方面和实施方案的性质和特征的概述或框架。因此，通过参照如下描述和附图，本文公开的本发明的这些和其他目的以及优点和特征将变得明显。此外，应了解本文描述的各个实施方案的特征并非互相排斥，并且可以以各种组合和排列存在。

附图说明

在附图中，类似的附图标记通常在不同的视图中指相同的部分。另外，附图不一定是成比例的，相反，通常强调示例说明本发明的原理，而不旨在作为本发明的限制的定义。为了清楚的目的，在每个附图中可能并未标记每一个部件。在以下描述中，本发明的各个实施方案参照如下附图进行描述，其中：

图1是根据本发明一个或多个实施方案的用于渗透提取溶剂的系统的示意图；

图2是根据本发明一个或多个实施方案的图1的系统的一种应用的示意图；

图3是根据本发明一个或多个实施方案的包括正向渗透单元和反向渗透单元的另一种渗透系统的示意图；

图3a是图3的系统的另一种实施方案的示意图；

图4是根据本发明一个或多个实施方案的包括两个正向渗透单元的另一种渗透系统的示意图；

图4a是图4的系统的另一种实施方案的示意图；

图5是根据本发明一个或多个实施方案的包括反向渗透单元、正向渗透单元和压力延缓渗透单元的另一种渗透系统的示意图；

图6是根据本发明一个或多个实施方案的包括正向渗透单元和选择性膜单元的另一种渗透系统的示意图；

图6a是图6的选择性膜单元的详细示意图；

图7是根据本发明一个或多个实施方案的包括渗透反冲洗系统的另一种渗透系统的示意图；

图8a和图8b是通过利用根据本发明一个或多个实施方案操作的图7的另一种渗透系统而可能存在的额外的溶剂回收的曲线图；和

图9是根据本发明一个或多个实施方案的另一种渗透系统的示意图。

具体实施方式

根据一个或多个实施方案，用于从水溶液提取水的渗透方法通常可以包括使水溶液接触正向渗透膜的第一表面。可使相对于水溶液具有增加的浓度的第二溶液或驱动液接触正向渗透膜的相对第二表面。然后，水可以被驱动从水溶液穿过正向渗透膜并进入第二溶液，从而经由正向渗透产生富含水的溶液，正向渗透利用涉及从浓度较低的溶液向浓度较高的溶液移动的流体传递性质。富含水的溶液(也称为稀释的驱动液)可在第一出口收集并经历进一步的分离过程以产生纯化的水。可以在第二出口收集第二产物流，即，贫化或浓缩的工艺水溶液，以便排出或进一步处理。可选择地，本文所述的各种系统和方法以非水溶液实施。

根据一个或多个实施方案，正向渗透膜模块可以包括一个或多个正向渗透膜。正向渗透膜通常可以是半透性的，例如，允许水通过，但是挡住其中溶解的溶质(例如氯化钠、碳酸铵、碳酸氢铵和氨基甲酸铵)。许多类型的半透膜适用于此用途，条件是它们能够允许水(即，溶剂)通过并阻挡溶质通过且不与溶液中的溶质反应。

根据一个或多个实施方案，至少一个正向渗透膜可以位于壳体或外壳内。该壳体的尺寸和形状通常可以容纳位于其中的膜。例如，如果容纳螺旋盘绕的正向渗透膜，那么该壳体可以为基本上圆柱形。该模块的壳体可以包含向该模块提供原料液和驱动液的入口以及用于从该模块抽取产物流的出口。在一些实施方案中，壳体可以提供至少一个用于保持或储存待引入该模块中或待从该模块中抽取的流体的储器或室。在至少一个实施方案中，壳体可以是绝热的。

根据一个或多个实施方案，正向渗透膜模块通常可以被构建和设置为使第一溶液和第二溶液分别与半透膜的第一侧和第二侧接触。尽管第一溶液和第二溶液可以保持不流动，但是优选第一溶液和第二溶液都通过横向流(即，与半透膜的表面平行的流)引入。这通常可以提高沿着一个或多个流体流路的膜表面积接触，由此提高正向渗透工艺的效率。在一些实施方案中，第一溶液和第二溶液可以沿着相同的方向流动。在另一些实施方案中，第一溶液和第二溶液可以沿着相反的方向流动。在至少一些实施方案中，在膜表面的两侧可能都存在类似的流体动力学。这可以通过在模块或壳体中战略性集成一个或多个正向渗透膜来实现。

根据一个或多个实施方案，可以回收驱动溶质供再利用。分离系统可以从稀释的驱动液中气提溶质以生产基本上不含该溶质的产物水。在一些实施方案中，分离系统可以包括蒸馏塔或其他热或机械回收机构。然后可以将驱动溶质例如通过再循环系统送回浓缩的驱动液中。可以凝结或吸收气态溶质以形成浓缩的驱动液。吸收器可以将稀释的驱动液用作吸收剂。在其他实施方案中，可以将产物水用作吸收剂，用于全部或部分吸收来自溶质再循环系统的气流。

图1示出了包括一个或多个预处理和/或后处理单元操作14，16的利用正向渗透系统/工艺12的用于渗透提取溶剂的系统10的示意图。可以利用各种正向渗透系统和工艺，例如在本文中所说明的以及在美国专利no.6,391,205和8,002,989、美国专利公开no.2011/0203994、2012/0273417、2012/0267306和2012/0267307中进一步说明的那些正向渗透系统和工艺；由此其全部公开内容以引用的方式并入本文。

根据一个或多个实施方案，系统10可以包括一个或多个预处理操作14以提高正向渗透工艺12。预处理操作可以包括用于使第一溶液预热的热源、用于调节第一溶液的ph值的装置、用于消毒(例如，化学品或uv)、分离和净化的装置、过滤器或用于使第一溶液过滤的其他装置(例如，碳过滤或砂过滤、纳米过滤或反向渗透)、热交换器、用于聚合物添加的装置、使用阻垢剂、离子交换器或用于使第一溶液软化(例如，石灰软化)的装置中的至少一个。

根据一个或多个实施方案，系统10可以包括一个或多个后处理操作16。后处理系统/操作可以包括反向渗透系统、离子交换系统、额外的正向渗透工艺、蒸馏系统、渗透蒸发器、机械蒸汽再压缩系统、热交换系统或过滤系统中的至少一个。后处理可以将产物水盐度降低到由单级正向渗透系统生产的产物水盐度以下。在其他实施方案中，后处理可以可选择地或另外用来去除原本存在于产物流中的驱动溶质。在一些特定的非限制性实施方案中，正向渗透盐水排出可以利用离子交换、蒸馏、渗透蒸发、膜蒸馏、通气、生物处理或其他处理进行后处理以去除反向扩散到盐水中的驱动溶质。例如，额外的后处理操作可以包括利用结晶和蒸发的零液体排放(zld)处理。在一个实施方案中，例如，zld处理使用正向渗透系统代替蒸发系统。在另外的实施方案中，该系统也可以包括再循环系统，该再循环系统包括构造成便于将驱动溶质重新引入到第二室中以维持所需的驱动液的摩尔比的吸收器。

图2示出了根据本发明一个或多个实施方案的用于渗透提取溶剂的系统10的一种可能的应用。如参照图1所述的，系统10包括正向渗透系统12以及一个或多个预处理单元和后处理单元14，16。系统10可以包括预处理单元和/或后处理单元14，16连同仅包括预处理或后处理的一个或多个正向渗透系统12的任意组合。本文所述的各种系统/单元可以通过常规的管道技术互相连接并且可以包括诸如任意数量的泵、阀门、传感器和计量仪等部件及其组合以监测和控制本文所述的各种系统和工艺的操作。各种部件可以连同如下文所述的控制器一起使用。

在图2所示的应用中，系统10用来处理来自内陆源18的半咸水；然而，其他原料源也被预期并且认为是在本发明的范围内。如图所示，例如，原料流20被引导到其中原料流被加热的预处理单元14。一旦对原料流进行了预处理，那么处理过的流22于是就被引导到其中提供如上所述的第一溶液的正向渗透系统12。任选地，处理过的流22在进入正向渗透系统12中之前可以被引导到额外的预处理单元以进一步处理(例如，ph值调节)。在一些实施方案中，预处理单元14可以包括反向渗透模块以在将原料流20引入fo模块中之前使其浓缩。如下所述，这种配置对于其中初始原料具有低盐度的情况可能特别有用。驱动液经由流24提供到正向渗透系统12以提供如本文所述的促进溶剂穿过膜传输所必需的渗透压梯度。

至少两个流离开正向渗透系统12：已从中提取出溶剂的浓缩的原料或处理过的流26；和已添加溶剂的稀释的驱动流28。然后，浓缩的流26可以被引导到后处理单元16以进一步处理，例如被引导到第二正向渗透系统以回收额外的溶剂。可以利用例如结晶和蒸发等额外的后处理工艺以进一步提供零液体排放。完全处理的或浓缩的原料取决于浓缩物的性质可以被丢弃、回收利用或收回(箭头38)。

稀释的驱动流28可以被引导到分离系统30，在那里可以回收溶剂和/或驱动溶质。任选地，稀释的驱动流28也可以根据需要被引导到后处理单元以额外处理(流28a)，例如，稀释的驱动液可以在被引导到分离系统30之前进行预热(流28b)。在一个或多个实施方案中，分离系统30将驱动溶质与稀释的驱动流28分离以产生基本上纯化的溶剂流32(例如，饮用水)和驱动溶质流36。在一个或多个实施方案中，溶剂流32也可以取决于溶剂的最终用途被引导到后处理单元以进一步处理(流32a)。例如，溶剂可以通过蒸馏被进一步处理以去除可能仍然存在于溶剂中的额外的驱动溶质。在一个或多个实施方案中，驱动溶质流36取决于回收的驱动溶质的预期用途可以直接返回到驱动流24(流36a)，被引导到再循环系统34以重新整合到驱动流24中(流36b)，或被引导到后处理单元(流36c)以进一步处理。在一个或多个实施方案中，例如，再循环系统34连同预处理单元14一起使用以提供与原料流20的热交换(流40)。

在另一种可能的应用中，其中系统10用来处理低盐度原料20，预处理系统14可以是在将原料20引导到正向渗透系统12之前将其浓缩的反向渗透单元。在本实施方案中，预处理单元14提供溶剂/渗透物流32c和由fo模块12进行处理的浓缩的原料流22。另外，该预处理/ro单元14可以连同处理来自分离系统30的产物溶剂32的后处理单元16一起使用或代替其使用(流32a)。具体地，产物溶剂流32b被从分离系统30引导到原料流20，在那里可以组合并引入预处理/ro单元14中。可选择地或另外，产物流32b可以被直接送入单元14中。通常，必要时各种流可以在各种处理单元14，16、模块12和子系统之间被引导以使工艺的操作最优化。

图3是利用全部流体连通的正向渗透单元212、反向渗透单元216和分离/再循环系统230的另一种用于提取溶剂的系统210的简化示意图。系统210与之前公开的那些类似，例如，正向渗透单元212包括正向渗透膜213，反向渗透单元包括反向渗透膜217等。系统210也包括所有必要的阀门、泵和管路等以适合特定的应用。在一个实施方案中，系统210被配置用于低盐度原料，这可能产生高度稀释的驱动液。

具体地并且如图3所示，原料液220被引导到正向渗透单元212的膜213的一侧，同时浓缩的驱动液224被引导到膜213的另一侧。在原料液220为低盐度原料的情况下，驱动液变得被高度稀释。高度稀释的驱动液226离开正向渗透单元212并被引导到反向渗透单元216，同时浓缩的原料液222离开正向渗透单元212，可以将其送去进一步处理或丢弃。在一些情况下，浓缩的原料液222含有一种或多种期望的组分，例如食品或药品。

在反向渗透单元216中对高度稀释的驱动液226进行加压以强制溶剂通过膜217。这种产物溶剂232a可以作为例如可以按原样使用的产物水被从反向渗透单元216去除、被丢弃、被送去进一步处理或用作集成系统内的热传导流体。保留在反向渗透单元216的第一侧216a的驱动液现在被较少稀释并且可以送去进一步处理以使驱动液进一步浓缩和/或必要时按原样再循环回到正向渗透单元212以适合特定的应用。如图3所示，较少稀释的驱动液227被引导到分离/再循环单元230以进一步浓缩。然而，系统210也包括任选的旁通管线229(以及任意必要的阀门)，以将至少一部分的较少稀释的驱动液直接或与离开分离/再循环单元230的浓缩的驱动液流224组合而引导回到正向渗透单元212。

通常，例如，分离/再循环单元可以是美国专利公开no.2012/0067819(‘819公开)(由此其全部公开内容以引用的方式并入本文)或‘895申请中公开的任意类型。在一个实施方案中，单元230包括热回收工艺以将驱动溶质与溶剂分离。在另一个实施方案中，单元230包括反向渗透模块。回收的驱动溶质离开单元230(在一个实施方案中与旁路分流的稀释的驱动液流229混合)并且作为浓缩的驱动液224被引导到正向渗透单元212，同时剩余溶剂232b作为例如可以按原样使用的产物水离开单元230、被丢弃或被送去进一步处理。

图3a描绘了图3的系统210的另一种选择，其中系统210包括用于改变(例如，降低)被引导到反向渗透单元216的稀释的驱动液的渗透压的手段。降低稀释的驱动液的渗透压使得反向渗透工艺更有效，因为需要较少的能量来克服稀释的驱动液的渗透压，从而从反向渗透单元216提取更多的溶剂。通常，用于降低渗透压的手段可以包括多种机构和/或工艺，例如，催化相变、加热、冷却、添加反应物或引入电场或磁场。在一些实施方案中，物理或化学试剂可以引入稀释的驱动液226中以与其中的驱动溶质可逆或不可逆地反应来降低其浓度或改变其被膜排斥的特性。在至少一个实施方案中，电或电磁(例如，uv光)信号的引入可以引起驱动溶质的变化(例如，相变)、电离度的变化或降低溶液226的渗透压的其他引起的变化。在一些实施方案中，稀释的驱动液226的渗透压可以通过调节ph值水平、调节溶质离子性质或改变溶质物理尺寸来降低。例如，离子物质可以呈现非离子性，或大的物质可以制成较小。在一些实施方案中，可以实施不利用加热的技术，例如，电渗析(ed)、冷却、真空或加压。在至少一个实施方案中，例如，可以通过改变稀释的驱动液226的温度、压力、ph值或其他特性来操纵溶质的有机物质的溶解度。在至少一些实施方案中，可以实施离子交换，例如，钠补给离子交换技术或者酸和碱补给离子交换。用于降低渗透压的其他手段被预期并认为在本发明的范围内。

在各种实施方案中，系统210包括用于向稀释的驱动液226添加物质的具有任意必需的阀门的入口225或其他引入点(即，端口系统)。在一个实施方案中，该物质是氢氧化铜[cu(oh)2]；然而，其他金属/物质被预期并认为在本发明的范围内。额外的物质可以用来清除稀释的驱动液226内的特定驱动溶质或与其结合。在其中驱动液是氨系的特定实施方案中，氢氧化铜将与氨结合以形成更容易被反向渗透单元216的膜217排斥的较大分子，从而改变稀释的驱动液的渗透压。

为了更全面地回收驱动溶质以供再利用以及为了回收添加的物质(或使已经改变的稀释的驱动液的渗透压的结果反转)，系统210也将包括例如可以设置在分离/再循环单元230的入口上和/或产物溶剂出口上的一个或多个处理单元214a，214b。处理单元214可以是之前所述的预处理单元和后处理单元14，16的任意类型。例如，第一处理单元214a可以包括相变机构以将氢氧化铜和氨分离开，同时第二处理单元214b可以包括纳米过滤以从产物溶剂232b去除氢氧化铜。另外或可选择地，预处理单元214可以是或包括热源(例如，热交换器)。例如，在一个实施方案中，稀释的驱动液在进到分离/再循环系统230之前可以进行预热。各种处理单元214也可以结合用于改变稀释的驱动液的渗透压的任意的上述机构和/或工艺。在一个或多个实施方案中，该工艺可以包括将较少稀释的驱动液227暴露到热、电磁或电信号(例如，电解池)中。在特定的实施方案中，例如，将稀释的驱动液226暴露到紫外线或其他能量发射源以通过克服活化能将离子物质转化成具有较高分子量的单一中性化合物来降低其渗透压。改变稀释的驱动液的化学组成允许反向渗透工艺以相同的泵送压力获得较高的溶剂回收。

图4是另一种可替代的用于提取溶剂的系统310的简化示意图。然而，系统310利用全部流体连通的两个正向渗透单元312，316和分离/再循环系统330。系统310与之前公开的那些类似，例如，正向渗透单元312，316包括正向渗透膜313，317并且系统310也包括所有必要的阀门、泵和管路等以适合特定的应用。在一个实施方案中，系统310被配置用于其中第一正向渗透单元312浸没在例如槽305中并且使用与第二正向渗透单元316不同的驱动液的情况。

如图4所示，原料液320被引导到第一正向渗透单元312的膜313的一侧，同时浓缩的第一驱动液324被引导到膜313的另一侧。在一个实施方案中，第一驱动液选自mgcl2、cacl2、ca(no3)2、nacl、kcl或类似物。在一个或多个实施方案中，第一驱动液选择为适合浸没系统。稀释的第一驱动液326离开正向渗透单元312，同时浓缩的原料322离开正向渗透单元312。在一个或多个实施方案中，浓缩的原料322可以排放到槽305中或可以被丢弃或送去进一步处理。在一些实施方案中，驱动液包括光解驱动溶质，在这种情况下稀释的第一驱动液326在被送到第二正向渗透单元316之前可以暴露于uv光或其他激发源以降低其渗透压。用于降低渗透压的其他手段(例如，化学品添加)可以如上文所述结合进来。

稀释的第一驱动液326被引导到第二正向渗透单元316的膜317的一侧，同时浓缩的第二驱动液325被引导到膜317的另一侧以从稀释的第一驱动液326提取溶剂，从而使第一驱动液再浓缩(排出324’)。例如，再浓缩的第一驱动液324’被引导到汽提塔340或其他处理工艺以进行第一驱动液的进一步调节/浓缩(排出324)，从而使得其可以再被引导到第一正向渗透单元312。

稀释的第二驱动液327从第二正向渗透单元316排出并被引导到分离/再循环系统330以进行第二驱动液的再浓缩和产物溶剂332的回收。通常，分离/再循环单元330可以是包括‘819公开或‘895申请中公开的本文公开的任意类型，并且将驱动溶质与溶剂分离开。回收的驱动溶质/再浓缩的驱动液325离开单元330并被引导回到第二正向渗透单元316。剩余溶剂332作为例如可以按原样使用的产物水离开单元330、被送去进一步处理或被丢弃。

图4a描绘了图4的系统310的另一种选择，其中系统310包括与第一正向渗透单元312的稀释的第一驱动液326的出口以及第二正向渗透单元316的原料侧流体连通的额外的反向渗透单元346。这种可替代的系统的一种特定应用是其中第一原料320是低盐度原料并且第一稀释的驱动液326可以变成高度稀释的情况。反向渗透单元346可以在将高度稀释的驱动液326送到第二正向渗透单元316之前至少部分使其浓缩。如图4a所示，稀释的驱动液326在压力下被引入反向渗透单元346的膜345的一侧。稀释的驱动液326的加压可以借助离开第一正向渗透单元312的溶液的体积增大或借助压力交换装置(例如，泵)进行。产物溶剂332b(例如，饮用水)从膜345的另一侧回收并且可以按原样使用、被丢弃或送去进一步处理。在一个或多个实施方案中，产物溶剂可以用作饮用水。如前所述，较少稀释的第一驱动液326’离开反向渗透单元346并被引导到第二正向渗透单元316以进行处理。另外，上述的用于改变驱动液的渗透压的各种手段可以结合到系统310中。

图5是另一种可替代的用于提取溶剂的系统510的简化示意图。系统510利用全部在各种流体连通状态下的反向渗透单元516、两个正向渗透单元512，546和分离/再循环系统530。系统510与之前公开的那些类似，例如，如前所述，各渗透单元512，516，546包括膜513，517，545，并且系统510也包括所有必要的阀门、泵和管路等以适合特定的应用。在一个实施方案中，系统510被配置用于其中废水流出物用来稀释浓缩的原料(例如，高浓度的盐水)以使得其更容易被丢弃的应用。

如图5所示，原料流520(例如，海水)在压力下被引入反向渗透单元516的膜517的一侧。产物溶剂532a(例如，饮用水)从膜517的另一侧回收并且可以被送去进一步处理或丢弃。然后，浓缩的原料522(例如，盐水)被引导到第一正向渗透单元512的膜513的一侧。在一个实施方案中，反向渗透单元516可以用来在将低盐度原料引导到正向渗透单元512之前将其浓缩。可选择地，可以省略反向渗透单元516并且将原料520直接送到第一正向渗透单元512。

浓缩的驱动液524被引导到第一正向渗透单元512的膜513的相反侧以驱动来自原料流522(或者在某些实施方案中为520)的溶剂。在一个实施方案中，如下所述，浓缩的原料流522’被引导到第二正向渗透单元546。现在稀释的驱动液526离开第一正向渗透单元512并被引导到分离/再循环系统530以进行产物溶剂532b的再浓缩和回收。通常，分离/再循环单元530可以是之前所述的任意类型。回收的驱动溶质/再浓缩的驱动液524离开单元530并被引导回到第一正向渗透单元512。剩余溶剂532b作为例如可以按原样使用的产物水离开单元530、被送去进一步处理或被丢弃。可选择地或另外，该溶剂可以经由溶剂管线532c被引导到原始原料520并与原料520组合以引入到ro模块516或直接送到ro模块516。

更浓缩的原料液522’(例如，浓缩的盐水)被引入第二正向渗透单元546的膜545的一侧。在各个实施方案中，浓缩的原料液522’在压力下被引入并且第二正向渗透单元作为pro单元操作。通常，浓缩的原料522’，尤其是在浓缩的盐水的情况下，如果将其按原样排出，可能对环境具有负面影响。例如，将超高盐溶液排放到天然水源可能破坏其当地生态系统。使用第二正向渗透单元546来稀释浓缩的原料522’可以使得这种稀释的原料522”总体比较容易丢弃并且通常更易于接受将其排放。在本应用中，浓缩的原料522’被用作驱动液的源。浓缩的原料522’从其驱动溶剂(例如，水)的二次原料液通常是具有有限的应用和/或通常是不希望供人类使用的源。在一个实施方案中，二次原料547是虽然经过处理并且对于许多应用来说使用是安全的但是通常不希望供人类使用的废水流出物。可选择地或另外，二次原料547可以来自原始原料520，例如，可以是原料520的一部分替换或补充二次原料547的分流。

如图5所示，二次原料547被引导到第二正向渗透单元546的膜545的相反侧。浓缩的原料522’驱动溶剂穿过膜545以形成离开正向渗透单元546并可以被丢弃或送去进一步处理的稀释的原料522”。在其中第二正向渗透单元546是pro单元的实施方案中，系统510可以包括与原料/驱动液出口543流体连通的涡轮机548。在由此其全部公开内容以引用的方式并入本文的美国专利公开no.2010/0024423和2010/0183903中公开了pro单元的例子。可选择地或另外，系统510可以包括用于将至少一部分的稀释的原料522”引导回到原料520以引导到反向渗透单元516和/或第一正向渗透单元512的旁通管线529(以及任意必要的阀门)。

浓缩的二次原料549离开第二正向渗透单元546并且可以被丢弃或送去进一步处理。在废水流出物原料547的情况下，现在由于溶剂的去除而具有较小体积的浓缩的流出物549可以被引导到焚化炉或被引导回到废水处理设施以进一步浓缩/处理。另外，在一个或多个实施方案中第二正向渗透单元546可以浸没。

图6是另一种可替代的用于提取溶剂的系统610的简化示意图。然而，系统610利用与选择性膜单元656和分离/再循环系统630流体连通的一个或多个正向渗透单元612。在各个实施方案中，选择性膜是阳离子选择性膜655并且选择性膜单元656是水软化模块。系统610与之前公开的那些类似并且可以包括如下所述的一个或多个预处理单元和/或后处理单元614，616。预处理单元和后处理单元614，616可以是之前所述的任意类型。另外，系统610也包括所有必要的阀门、泵和管路等以适合特定的应用。

如图6所示，系统610包括选择性膜单元656、旁通线路或阀门装置611(阀门623a、623b和管线621)、正向渗透单元612、分离/再循环系统630、启动系统或第二阀门装置619(阀门623c和入口625)和各种预处理单元和后处理单元614，616。正向渗透单元612和分离/再循环单元630通常如之前关于其他系统10，210，310，510所述的操作。通常，第一阀门装置611被配置用于将原料液流620引导到选择性膜单元656或从选择性膜单元656旁路经过并使原料流620直接与正向渗透膜613的一侧流体连接。分离/再循环系统630与正向渗透膜613的另一侧流体连接并供给浓缩的驱动液624以及处理稀释的驱动液626。

在其中选择性膜单元656是阳离子选择性膜单元的各个实施方案中，单元656用来去除来自原料液620的硬性离子，例如，钙、镁、钡和锶。这些各种硬性离子在脱盐系统中具有沉淀的倾向，导致积垢和结垢，这对脱盐过程是有害的。软化的原料液620’被引导到正向渗透单元612的膜613的一侧。在一个或多个实施方案中，初始原料液620可以由第一处理单元614a处理和/或软化的原料液620’可以在引入正向渗透单元612中之前在第二处理单元614b中被进一步处理。通常，如参照图6a更详细讨论的，阳离子选择性膜单元656将在膜655的相反侧的来自正向渗透单元612的浓缩的原料622用作进行硬性离子交换的初始原料620。然而，因为各单元612，656有赖于其他的“原料”流，所以单元612，656中的一个或两个将通常需要启动。

通常，系统610包括旁通线路611，该旁通线路包括用于将原料液作为原料直接地或在被其中一个处理单元614处理后间接地提供到正向渗透单元612所需的阀门623a，623b和管线621。必要时，旁通线路611可以包括任意数量的阀门和管线及其配置以适合特定的应用并且必要时甚至可以包括一个或多个处理单元614。旁通线路611允许系统610开始生产阳离子选择性膜单元656软化原料620所需要的浓缩的原料622。可选择地，原料620可以直接通过单元656被送去而不在其中处理以初始启动正向渗透单元612。在另一种可能的实施方案中，旁通线路611可以包括用于将可替代的原料引入正向渗透单元612的端口或其他装置。

另外或可选择地，系统610可以包括可以向阳离子选择性膜单元656提供启动溶液(例如，盐水)以软化进到正向渗透单元612的初始原料的启动系统619。启动系统619包括用于将启动溶液引入系统610中的一个或多个阀门623c和一个或多个入口625(其他装置)。一旦系统610达到稳定状态，那么启动溶液的供给就可以关闭。例如，系统阀门623c也可以用来将浓缩的原料622重新引导以绕过阳离子选择性膜单元656或排出浓缩的原料622。在一个或多个实施方案中，系统610可以包括后处理单元616以在将浓缩的原料622引导到阳离子选择性膜单元656或排出之前对其进行进一步处理。

图6a示出了关于其中原料是盐水源的一种可能的实施方案的阳离子选择性膜单元656的操作。如图6a所示，盐水原料620被引入单元656的阳离子选择性膜655的一侧。原料620包括钠离子(na⁺)和氯离子(cl^-)以及各种硬性离子，例如钙(ca²⁺)、镁(mg²⁺)、钡(ba²⁺)和锶(st²⁺)。来自正向渗透单元612(或其他源)的浓缩的盐水622被引入阳离子选择性膜655的另一侧。用于使正钠离子(na⁺)穿过膜655的化学活性差驱动钠离子穿过膜655从盐水622到达原料620。电-选择性致使带正电的硬性离子(例如，ca²⁺、mg²⁺、ba²⁺和st²⁺)穿过膜655从原料620到达盐水622。因为膜655是阳离子选择性的，所以带负电的离子(例如，cl^-、so^4-、hco^3-和co^3-)不通过膜655，从而致使软化的原料620’引导到正向渗透单元612。现在含有硬性离子的浓缩的或重盐水622’可以被送去进一步处理或丢弃。

图7绘出了另一种渗透系统710，该系统利用一个或多个正向渗透模块712a，712b，712“n”(整体表示为712，其中“n”表示可以包含在系统710的任意特定的实施方案中的几乎无限数量的模块)，这些正向渗透模块可以串联或并联设置。如图7所示，正向渗透模块712与分离/再循环系统730和用于清洗膜713a，713b，713n(再次地，整体表示为713，其中n表示对应数量的膜)的渗透反冲洗系统750串联设置。通常，正向渗透模块712配置为与之前描述的那些类似并与其类似地工作。另外，分离/再循环系统730与之前描述的那些类似。仅绘出了一个分离/再循环系统730；然而，可以使用多个系统730以适合特定的应用(例如，针对串联或并联的各正向渗透模块712或者针对多个系统/阶段定制单个系统730的尺寸并铺设管道)。如下面更详细地描述的，反冲洗系统750通常包括反冲洗液751的源755、流体传递装置(例如，泵)753、一系列的阀门757，759，765，767，769、传感器761(具有或不具有视觉指示器(例如计量仪或状态灯))和进行反冲洗及相关处理的相关管道设备。需要指出的是，不是所有的阀门和其他部件都可能需要单独铺设管道，因为阀门或其他部件的任意数量/组合可以结合到一个或多个歧管组件中。

基本系统710的操作按如下所述进行：将原料流720引入被半透膜713a分成第一室或侧712’和第二室/侧712”的第一正向渗透模块712a中。原料流720被引导到各个连续的正向渗透模块712a、712b和712n并作为浓缩的原料流722离开最后的模块712n。正向渗透模块712的具体数量和配置选择为适合特定的应用(例如，原料流的起始浓度和所需要的最终浓度、通量和流量等)并且可以包括串联和/或并联设置的任意数量的模块。例如，多个平行对的正向渗透模块可以串联设置。在图7所示的实施方案中，浓缩的驱动液724被引入串联的正向渗透模块712中的最后的模块712n中并引入膜713n的与原料流720相反的一侧，从而在原料流720和驱动液724之间提供横向流，因为驱动液720被引导通过连续的模块712。然而，浓缩的驱动液724可以在原料流720首先引入时首先引入同一模块712a和/或可以同时(即，平行)引入多个阶段以适合特定的应用。另外，必要时可以对各种流/溶液进行调节/分割以在必要时实现最优的差动渗透压，从而维持穿过膜713的所希望的通量。

当原料流720通过各个正向渗透模块712时变得浓度更高，使得前述浓缩的原料流722被从最后的正向渗透模块712n排出。当浓缩的驱动液724通过各连续的正向渗透模块712时，该浓缩的驱动液由于溶剂穿过膜713从原料流进入驱动液而变得被稀释；将稀释的驱动液726从“第一”正向渗透模块712a排放。通常，将浓缩的原料流722丢弃或送去进一步处理，同时稀释的驱动液726被引导到分离/再循环系统730以回收驱动溶质/使驱动液再浓缩并回收产物溶剂(例如，水)732。可选择地或另外，离开各正向渗透模块712的一部分浓度更高的原料流可以被重新引导回到初始原料流720并与其结合或在必要时被引导到随后的正向渗透模块712以维持跨过膜713的最优差动渗透压。例如，如果被引导到随后的模块712的原料流被过于浓缩，使得跨过膜713的差动渗透压如此小以至于发生不可接受的通量下降，那么离开较早模块712的一部分浓度较低的原料可以例如经由阀门767b-767n的适当启动而与进入随后的模块的原料组合。

如前所述，渗透反冲洗系统750包括经由一个或多个阀门757，759，765，767与一个或多个正向渗透模块712流体连通的冲洗液751的源755。在一些实施方案中，冲洗液751是水(例如，产物溶剂732或其他低盐度溶液)；然而，其他流体被预期并认为在本发明的范围内，例如，稀释版的驱动液(例如，可以被引导到经历反冲洗的模块的离开其他模块中一个的稀释的驱动液)或应用特定溶液化学组成(例如，与系统的一个或多个方面化学相容和/或当流到原料流中时可以具有额外的有益效果的溶液)，条件是该溶液具有低于原料流的渗透压，从而产生从膜713的驱动侧712’到原料侧712”的通量。在一些实施方案中，冲洗液751包括可以使通过膜的通量反转以减少/消除在膜的活性层上的积垢的添加剂，例如酸、螯合剂或表面活性剂。这种添加剂的例子包括：柠檬酸、硫酸、盐酸、乙二胺四乙酸(edta)和其他低分子量物质。在另外的实施方案中，冲洗液751的温度可以变化以适合特定的应用，例如，冲洗液的温度可以提高以协助添加剂通过膜的反向冲洗。在一个或多个实施方案中，冲洗液751储存在作为整个系统710的一部分的槽755内；然而，例如，其也可以经由端口763b和阀门759b装置从外部源供给。如在业界众所周知的，阀门757，759，765，767，769基本上可以是切断阀和方向阀的任意组合并且通常是可以控制各种系统730，750和模块712之间的多个流的多方向阀。

通常，例如，取决于考虑到原料流720，722和/或驱动液724，726的性质/化学组成、操作条件(例如，温度、流量、通量和压力等)、是否存在预处理及其组合的方案，反冲洗系统750可以根据需要(例如，经由手动起动或在通过表示系统710的一个或多个性能特征变化的信号触发时)或以特定间隔操作。例如，反冲洗系统750可以编程为以例如三(3)小时间隔或应用其他特定间隔在单一操作中冲洗所有的模块712，例如，在其中原料流720具有很大可能性使膜713积垢的情况下，可以优选更频繁的间隔。例如，其他间隔可以包括在第一操作周期时为每隔48小时或每隔6小时并且对于随后的操作周期为更短或更长的间隔。另外，渗透反冲洗步骤的持续时间可以选择为适合特定的应用。可选择地或另外，必要时反冲洗系统750可以基于由位于模块712的上流和/或下流的一个或多个传感器761产生的一个或多个信号来冲洗各个模块712。在一些实施方案中，该系统可以对每个都具有单独方案的各个模块运行渗透反冲洗步骤。例如，各模块可以按交错时间表每隔6～24小时被冲洗，例如第一模块每隔12小时被冲洗，第二模块在第一模块之后2小时并且每隔12小时被冲洗，第三模块在2小时后并且也是每隔12小时被冲洗等。模块的冲洗持续时间基本上可以相同或可以不同以适合特定的应用。例如，原料入口下流的最后的模块可能遭受更多的积垢，因为其暴露在最浓缩的原料中，因此其可能需要冲洗更长的持续时间，或者在一些情况下，另外或可选择地，比其他模块冲洗得更频繁。基本上冲洗间隔和持续时间的任意组合都是可以的以适合特定的应用，如可以由模块的数量、原料和驱动液化学组成、环境条件和膜材料等限定。

当确定反冲洗步骤必要时，基于预定方案或者基于系统性能特征变化的测量(例如，通常被连续监测的通量下降)，阀门中的一个或多个可以被启动(手动或由控制系统电动)以重新引导各种流/溶液的流动路径。通常，在根据本发明一个或多个实施方案的正常操作中，阀门757a、757b和757d定位成允许浓缩的驱动液724直接流动到正向渗透模块712中(从分离/再循环系统730或者例如经由端口763b和阀门759b装置引入系统710)以及将稀释的驱动液726从正向渗透模块712排放到分离/再循环系统730。可以存在额外的阀门(例如，流动控制或减压式)和传感器761以进一步监测和控制各系统和它们之间的流动。例如，系统710可以在将稀释的驱动液726运载到分离/再循环系统730的管线中包括额外的端口763a和阀门759a装置，例如，其可以用作排污装置以去除稀释的驱动液726内过量的和/或不希望的溶质(例如，从原料流720穿过膜713的溶质)，如在业内众所周知的。可选择地或另外，端口763a和阀门759a装置可以用来将额外的化学物质和/或补充驱动液引入到系统710中，例如，磷酸二钠可以添加到稀释的驱动液726中以调节其ph值。在一个或多个实施方案中，端口763b和阀门759b装置可以用来引入额外的化学物质和/或利用浓缩的驱动液724的初始或补充源来启动系统710。

为了开始反冲洗步骤，至少阀门757d被启动以使浓缩的驱动液724向正向渗透模块712的流动停止并且将冲洗液751从反冲洗系统750引入正向渗透模块712的驱动侧712’。可选择地，取决于冲洗液的性质，阀门757d可以被启动以显著降低浓缩的驱动液724的流动并计量其进入冲洗液751中的部分，例如，从而定制被引入任意给定模块712的冲洗液751。通常，冲洗液751被引入串联的正向渗透模块712中；然而，冲洗液751可以经由阀门757，759，765，767，769的适当组合及启动被引入并联或单个模块712。例如，阀门757c可以被启动以将冲洗液引导到整个串联的模块或在多个模块712之间分配冲洗液751。在一个实施方案中，一次对单个模块/阶段进行渗透反冲洗步骤(该模块经由启动适当阀门可以与其余模块隔离开)，同时其他模块/阶段继续正常操作，从而保持整个系统的稳定状态操作。额外的阀门装置可以用来使冲洗液751与其他流/溶液混合以适合特定的应用。在一个例子中，稀释的驱动液726通过将溶液724经由阀门757，759，765重新引导到模块712可以用作冲洗液。因为冲洗液751具有较低的溶质浓度(或者在去离子水的情况下基本上没有溶质)，即，较低的渗透势，所以溶剂将从模块712的驱动侧712’穿过膜713流入原料侧712”(即，流入原料流720中)，从而去除可能落在膜713的原料侧712”的任意水垢或其他积垢物质的至少一部分。反冲洗步骤的持续时间将变化以适合特定的应用并且可以持续1分钟至60分钟，优选5分钟至45分钟，更优选10分钟至20分钟。通常，该步骤的持续时间将选择为以最小量的停机时间(例如，当原料流720不被浓缩时的时间)去除粘附到膜上的绝大部分或所有的水垢/积垢物质。在一个示例性实施方案中，渗透反冲洗每隔48小时运行约15分钟。在另一个实施方案中，渗透反冲洗每隔1-2小时运行约5-10分钟。另外，在冲洗步骤期间原料流或驱动液通过模块712的流量可以变化。例如，原料流720(在反冲洗步骤期间的驱动流)的流量可以提高，例如，从而提高对在膜表面上形成的任意积垢/结垢的剪切力。提高的流量也可以在渗透反冲洗期间产生较高的通量率，进一步协助清洗膜。另外，系统710可以在各正向渗透模块712上包括再循环线路771a，771b，771n。线路771可以包括泵(或其他压力交换装置)以及任意渗透模块712。在一个实施方案中，渗透反冲洗方案包括操作再循环线路771以例如通过改变(例如，提高)通过模块712的流量和/或使至少一部分的原料流的流动方向反转来协助清洗膜。再次地，具体的冲洗方案将选择为适合特定的应用。原料流的化学组成的性质、目标通量、操作压力和/或温度以及其他操作参数可以都包括在内来确定合适的渗透反冲洗步骤(例如，间隔、持续时间、溶液化学组成等)。

取决于冲洗液751的性质，离开模块712的“用过的”冲洗液751’可以被引导到分离/再循环系统730，通过一个或多个模块712再循环返回，或经由适当启动阀门757，759，765，769返回到反冲洗系统750。在一个或多个实施方案中，冲洗液751’经由端口763a和阀门759a装置被去除并丢弃，返回到反冲洗系统750，添加到原料流720中，或送到其他地方以进一步处理。现在稀释的原料流722’可以例如经由启动至少阀门757e被再循环回到初始原料流720或丢弃/送去用浓缩的原料722进一步处理。

通常，当操作串联配置的模块712时，如图7所示以及上述的，通常希望以原料流720和驱动液724的横向流来进行操作，从而使得在原料流流红模块712时其浓度提高以及在驱动液流经模块712时其浓度降低。在本实施方案中，原料流和驱动液的横向流取向可以认为是垂直的；然而，在其他实施方案中，原料流和驱动液的横向流也可以是相切的，而不是仅仅平行或垂直。这种配置导致在模块712a中跨过膜713a的浓度最小的原料流对着浓度最小的驱动液并且在模块712n中跨过膜713n的浓度最大的原料流对着浓度最大的驱动液。这产生跨过所有模块712的最优差动渗透压。然而，在一些实施方案中，可能希望改变跨过一个或多个正向渗透模块712的差动渗透压以提高穿过其或后面/随后的(如由驱动液流动方向确定的)正向渗透模块712的通量，从而提高来自原料流720的溶剂回收/去除。在一个或多个实施方案中，这可以通过使用至少一部分的反冲洗系统750来将一种或多种其他溶液的一部分引入特定模块712，从而改变穿过任意特定膜713的差动渗透压来实现。

在一个这种例子中，一部分浓缩的(或者取决于源至少浓度更大的)驱动液724可以添加到在其他典型操作中被引入随后的正向渗透模块712中的部分稀释的驱动液中，这可以产生穿过膜的额外的通量(即，更多的溶剂回收)。取决于系统中模块712的数量和它们的配置，这可以通过启动阀门757b和阀门759c，759n，765中的一个或多个来完成，并且针对该模块的通量率进行变化。例如，在一个或多个实施方案中，阀门757b可以用来计量到多个模块712的浓缩的驱动液724的一部分以不打破浓缩的驱动液到任意特定模块712的流动。可选择地，阀门757，759，765，769的不同组合可以被启动以将稀释的驱动液726的一部分单独或与浓缩的驱动液724的一部分的共混物引入被引导到任意特定模块712的部分稀释的驱动液中，从而致使具有定制浓度的驱动液引入特定模块712中以适合特定的应用。一个这种应用可以包括其中原料流浓度改变，使得驱动液浓度需要改变以维持穿过所有模块712的较恒定的通量率的情况。在这种实施方案中，多种传感器761可以用来监测原料流720，722和驱动液724，726的不同特性(例如，通过电导传感器来监测浓度水平)并在必要时触发适当阀门757，759，765，767,769的启动以改变到一个或多个模块712的驱动液浓度。

图8a和图8b中的曲线图示出了当根据一个或多个在先的例子操作时用于从随后的正向渗透模块712(即，相对于原料流流动方向较早的模块，其也是其中原料流浓度较低的地方)进行的溶剂回收提高的势能。如图8a和图8b所示，线801/801’表示系统710在正常操作下的平均通量，而线803/803’表示利用渗透反冲洗系统750作为浓缩的驱动液的部分旁通的系统710的平均通量，相对通量(jw)绘制在纵坐标上以及模块的数量(n)绘制在横坐标上。

在图8a中绘制的具体例子中，系统710包括6个正向渗透模块712并且浓缩的驱动液724的一部分绕过最后的三个模块(即，712d，712e，712f)(“1/2n”)；然而，系统710可以包括任意数量的正向渗透模块712并且浓缩的驱动液724可以以任意顺序绕过任意数量的模块。通常，额外的浓缩的驱动液引入到进入任意随后的模块712中的部分稀释的驱动液中提高了相对于该模块712的差动渗透压，这引起穿过相关联的膜713的提高的通量(即，回收额外的溶剂)。

如在图8a中所看到的，未变化的差动渗透压(即，正常操作)产生通过多个串联的正向渗透膜的相当稳定的通量率，而通过利用变化的差动渗透压，系统通量(具体地，在模块712d，712e，712f中)具有初始提高，在后面的模块712a，712b，712c中最终返回到“正常”。如由图8b所示，浓缩的驱动液724的部分被引入交替模块712(例如，712f，712d，712b)中，从而对于平均系统通量的整体提高来说产生模块通量的交替提高。

此外，反冲洗系统750或其部分也可以用来控制整个系统710的其他操作和/或运行交替的反冲洗方案。例如，在一些实施方案中，在膜713的驱动侧和原料侧712’，712”之间的差动渗透压可以很大使得该膜可能存在剥离和/或起泡的风险。在这种情况下，反冲洗系统的各种阀门和管线可以用来使不同的流/溶液分流和/或混合。例如，在反冲洗步骤期间，稀释和/或浓缩的驱动液724，726的一部分可以与冲洗液751混合以实现其合适的渗透势，以及通过延伸，实现膜713的相反侧之间的最优差动渗透压。在一些情况下，例如在其中在反冲洗步骤期间原料流720首先并且在其最大浓缩下被引入(图7中的模块712a)的情况下，阀门757a和/或阀门757b以及阀门759b和可能的阀门765(取决于引入哪种溶液)可以被启动以将驱动液的一部分引入被引入正向渗透模块712a中的冲洗液751中，从而降低穿过膜713a的差动渗透压。取决于在系统710的任意特定实施方案中所使用的正向渗透模块712的数量，通过启动适当的阀门757，759，765，767,769，必要时可以将驱动液的其他部分/浓缩物添加到其他正向渗透模块712a，712n中以获得穿过膜713的最优差动渗透压。

图9是另一种可替代的用于提取溶剂的系统910的简化示意图。系统910利用全部在各种状态下流体连通的一个或多个正向渗透单元912(例如，串联和/或并联设置以适合特定的应用的多个单元)以及结合了一个或多个纳米过滤/超滤单元914、反向渗透单元916和膜蒸馏单元958的分离系统930。系统910与之前公开的那些类似，例如，各种渗透/过滤单元912，914，916包括如前所述的膜913，915，917，并且系统910也包括所有必要的阀门、泵、管路、传感器和控制器等以适合特定的应用。在一个实施方案中，系统910被配置用于其中原料流包括可以设置成选择性渗透过膜913和/或另外需要预处理的特定溶质的应用。在一些实施方案中，膜可以具有高的选择性渗透性，从而允许这些溶质通过膜913；然而可替代的类型的膜可以用来使系统910的性能最大化以用于特定应用，例如，原料化学组成、驱动液化学组成和环境条件等。

如图9所示，原料液920被引导到正向渗透单元912的膜913的一侧，而浓缩的驱动液924’被引导到膜913的另一侧。稀释的驱动液926离开正向渗透单元912并被引导到分离系统930，同时浓缩的原料液922离开正向渗透单元912，其中其可以被按原样使用、被送去进一步处理或丢弃。在一些情况下，浓缩的原料液922含有一种或多种期望的组分，例如食品或药品。

通常，分离系统930包括用于初始处理至少一部分的稀释的驱动液926的纳米过滤(nf)或超滤(uf)单元914和用于处理由nf/uf单元914处理的稀释的驱动液926’与由正向渗透单元912直接输出的稀释的驱动液926中至少一种的反向渗透单元916。如在下面更详细讨论的，系统930可以可选地包括膜蒸馏单元958或本文之前所述的其他热回收系统以用于额外浓缩驱动液和/或回收额外的产物水。在一个或多个实施方案中，稀释的驱动液926可以包括选择性地渗透过膜913的一种或多种溶质962，例如钙离子(ca²⁺)、镁离子(mg²⁺)或各种硫酸盐、磺酸盐或者一般其他难溶无机溶质或有机组分。至少一部分的稀释的驱动液926(包括渗透的溶质)可以被引导到nf/uf单元914。在一些实施方案中，部分取决于稀释的驱动液926的条件/化学组成，所有或一部分的稀释的驱动液可以经由旁通管线929和阀门装置959绕过nf/uf单元914并直接被送到反向渗透单元916。在一些实施方案中，旁通阀门装置959可以包括可以计量稀释的驱动液926到nf/uf单元914和/或反向渗透单元916的部分的三通阀。可选择地，多个阀门可以用来选择性地将稀释的驱动液926或其部分引导到适当的处理工艺。

通常，nf/uf膜915是允许至少绝大部分的驱动溶质(例如，nacl)通过同时阻挡至少绝大部分的渗入的溶质962的“松的”nf膜(或者也许是“紧的”uf膜)。通常，排斥率仅为约30％的膜915是可接受的(例如，如果使用nacl驱动溶质，那么优选0％-20％的排斥率)，尽管考虑到所希望的排斥率将取决于各种系统条件(例如，溶液的化学组成、操作参数和环境条件)而变化。在一个或多个实施方案中，包含单价化合物(例如，nacl)的驱动溶质更容易通过nf膜915，它们可以在反向渗透单元916中被浓缩以用作浓缩的驱动液924，而二价或多价化合物(ca²⁺，硫酸盐)或有机化合物被膜915排斥并返回到原料流920。这些溶质962可以经由管线968被引导到系统原料920，该管线可以包括任意必需的泵、阀门和控制器等以将溶质962返回到原料920。在一个或多个实施方案中，仅约10％的稀释的驱动液926被引导到nf/uf单元914，其与溶质排放处理的作用类似以去除可能在驱动液中积累的至少一部分的不希望的溶质和/或协助正向渗透单元912的原料侧和驱动侧912a，912b之间的离子平衡，从而不再需要单独的排放线路。

另外，分离系统930/旁通线路(929，959)可以包括装置964(例如，具有或不具有槽、计量/混合装置等的端口和阀门装置)以在处理之前将一种或多种添加剂引入到稀释的驱动液926中。在一些实施方案中，分散剂(例如，木质素磺酸钠)可以在nf/uf单元914之前添加到稀释的驱动液926中以便于将添加剂引入原料流920，因为至少绝大部分的添加剂将被nf/uf膜排斥，使得其返回到具有不希望的溶质962的原料中。在一些实施方案中，添加剂可以在被引导到原料流920之前减少或消除nf/uf膜的积垢或结垢。可选择地或另外，引入装置964可以用来将其他添加剂(例如，阻垢剂、缓蚀剂、络合剂、分散剂、螯合剂、污泥调理剂或淤渣抑制剂)引入系统910的其他区域。例如，系统910可以包括用于将额外的驱动溶质引入到驱动液的类似的装置966。在一些实施方案中，这些装置966包括盐水制造机(例如，其中主要驱动溶质是nacl)以替换可能已经反向流经膜913或在驱动液回收过程中丢失的任意溶质。这些装置966通常会设置成接近其中浓缩的驱动液被引入正向渗透单元912的地方；然而，也可以是其他位置以适合特定的应用。

在反向渗透单元916中对稀释的驱动液926，926’进行加压(例如，通过泵953或其他压力交换器)以强制溶剂通过膜917。产物溶剂932可以作为例如可以按原样使用的产物水从反向渗透单元916去除、被丢弃、被送去进一步处理或用作集成系统内的热传导流体。在反向渗透单元916的第一侧916a剩余的驱动液现在是浓缩的驱动液924并且可以被原样送回到正向渗透单元912，或者必要时送去进一步处理以使驱动液进一步浓缩和/或回收额外的产物溶剂，以适合特定的应用。如图9所示，离开反向渗透单元916的浓缩的驱动液924被引导到可选的膜蒸馏单元958以用于进一步浓缩，产生额外的产物水932’和浓度更高的驱动液926’。

根据一个或多个实施方案，本文所述的装置、系统和方法通常可以包括控制器，所述控制器用于调节或调整所述装置或所述系统的部件(例如但不限于启动阀门和泵)的至少一个操作参数，以及用于调节经过渗透驱动膜模块或特定系统中的其他模块的一个或多个流体流动流的性能或特性。控制器可以与至少一个传感器电连通，设置所述传感器用于检测所述系统的至少一个操作参数(例如浓度、流量、ph水平或温度)。控制器通常可以被设置成产生控制信号，以针对传感器产生的信号来调节一个或多个操作参数。例如，设置控制器可用于接收渗透驱动膜系统和相关联的预处理和后处理系统的任何流、部件或子系统的条件、性能或状态的表现度(representation)。控制器通常包括便于产生至少一种输出信号的算法，该输出信号通常基于上述表现度中的任何一种或多种以及目标或所需值(例如设定点)。根据一个或多个特定方面，设置控制器可用于接收任何流的任何测定的性能的表现度，并产生控制信号、驱动信号或输出信号到任何系统部件，以减小测量性能与目标值的任何偏差。

根据一个或多个实施方案，工艺控制系统和方法例如可以基于所检测到的参数(包括ph值和传导率)监测各种浓度水平。还可控制工艺流流量和槽液面(tanklevel)。可以监测温度和压力。可利用离子选择性探针、ph计、槽液面和流的流量来检测膜泄漏。还可以使用气体对膜的驱动液侧加压、利用超声检测器和/或目测原料水侧的泄漏来检测泄漏。可以监测其他操作参数和维护问题。例如可通过测量产物水流量和品质、热流和电能消耗来监测各个工艺效率。例如，可通过测量通量衰减(fluxdecline)(由在膜系统中特定点下的原料液和驱动液的流量确定)来控制用于减轻生物积垢的清洁方案。在盐水流上的传感器可表明何时需要例如采用蒸馏、离子交换、折点氯化或类似方案进行处理。这可以采用ph计、离子选择性探针、傅里叶变换红外光谱计(ftir)或其他感测驱动溶质浓度的装置来完成。可以监测并追踪驱动液的条件以进行溶质的弥补增加和/或替换。同样地，可通过传统方法或用探针(例如，铵探针或氨探针)监测产物水质。可以实施ftir以检测存在的物质种类，从而提供对于例如保证合适的工厂操作以及识别例如膜离子交换作用的行为可能有用的信息。

本领域技术人员应理解本文所述的参数和构造为示例性的，实际参数和/或构造将取决于所使用的本发明的系统和技术的具体应用。本领域技术人员仅利用常规实验，也应认识到或能确定本发明具体实施方案的等同物。因此应理解，本文所述的实施方案仅作为实例提供，且都落入所附权利要求及其等同物的范围内；本发明还可以不同于本文具体描述的方式实施。

另外，还应理解本发明涉及本文描述的各个特征、系统、子系统或技术以及两种或多种本文描述的特征、系统、子系统或技术的任意组合；如果特征、系统、子系统和技术没有互相不一致，则认为所述两种或多种特征、系统、子系统和/或方法的任意组合都在权利要求所述的发明范围内。此外，仅就一种实施方案讨论的动作、元素和特征不应排除其在其他实施方案中的类似角色。