渗透分离系统的制作方法
【技术领域】
[0001] -个或多个方面大体上涉及渗透分离。更具体地讲，一个或多个方面涉及使用诸 如正向渗透的渗透驱动膜过程来从水溶液分离溶质以及用于使溶剂和/或溶质回收率最大 化的系统和方法。
【背景技术】
[0002] 正向渗透已被用于脱盐。通常，正向渗透脱盐过程涉及具有由半透膜分离的两个 室的容器。一个室包含海水。另一个室包含浓缩溶液，该溶液在海水和浓缩溶液之间产生浓 度梯度。该梯度将来自海水的水汲取通过膜，所述膜选择性地允许水(但不允许盐)通过并 进入浓缩溶液中。渐渐地，进入浓缩溶液的水稀释该溶液。然后，将溶质从稀溶液移除以生 成饮用水。 【实用新型内容】
[0003] 本实用新型的方面大体上涉及渗透驱动的膜系统和方法，包括正向渗透分离 (F0)、直接渗透浓缩(D0C)、压力辅助正向渗透(PAF0)和压力延迟渗透(PRO)。
[0004] 在一个方面，本实用新型涉及一种用于从第一溶液渗透提取溶剂的系统(和其对 应的方法步骤）。该系统包括多个正向渗透单元，每个正向渗透单元具有:第一室，其具有流 体联接到第一溶液的源的入口；第二室，其具有流体联接到浓缩的汲取溶液的源的入口；以 及半透膜系统，其将第一室与第二室分离并且被构造用于从第一溶液渗透分离溶剂，从而 形成在第一室中的第二溶液和在第二室中的稀汲取溶液。该系统还包括分离系统，该分离 系统与所述多个正向渗透单元流体连通并且被构造用于将稀汲取溶液分离成浓缩的汲取 溶液和溶剂流。
[0005] 在前述方面的各种实施方案中，浓缩的汲取溶液包含处于大于1:1的所需摩尔比 的氨和二氧化碳。然而，在本实用新型的范围内设想和考虑其它汲取溶液，包括例如NaCl或 在PCT专利公布第W02014/078415号（'415公布）中公开的各种备选汲取溶液中的任一种，该 专利的公开内容以引用方式全文并入本文中。此外，在本实用新型的范围内设想和考虑用 于分离和回收汲取溶质和溶剂的其它系统和方法，例如在'415公布中所公开的那些系统和 方法。此外，可将各种预处理和后处理系统并入本实用新型的前述方面中。预处理系统可包 括下列中的至少一种：用于预热第一溶液的热源，用于调整第一溶液或汲取溶液的pH值的 装置，用于消毒(例如，化学或紫外线）、分离和澄清的装置，用于过滤第一溶液的过滤器或 其它装置(例如，碳或砂石过滤或反渗透），用于聚合物添加、离子交换的装置，或用于软化 (例如，石灰软化)第一溶液的装置。后处理系统可包括下列中的至少一种:反渗透系统、离 子交换系统、第二正向渗透系统、蒸馏系统、渗透蒸发器、机械蒸气再压缩系统、热交换系统 或过滤系统(例如，纳米过滤、微米过滤或超滤）。在附加的实施方案中，该系统还可包括循 环利用系统，其包括吸收器，该吸收器被构造成有利于将汲取溶质重新引入到第二室以维 持汲取溶液的所需摩尔比。
[0006] 在又一方面，本实用新型涉及一种用于从第一溶液渗透提取溶剂并使汲取溶质的 回收率最大化的系统。该系统包括具有至少一个膜的正向渗透单元，所述至少一个膜具有 第一侧和第二侧。所述一个或多个膜可布置成串联的、并联的或两者的组合。所述至少一个 膜的第一侧流体联接到第一溶液的源，并且所述至少一个膜的第二侧流体联接到浓缩的汲 取溶液的源。所述至少一个膜被构造用于从第一溶液渗透分离溶剂，从而形成在所述至少 一个膜的第一侧上的更浓缩的第一溶液和在所述至少一个膜的第二侧上的稀汲取溶液。该 系统还包括分离系统，该分离系统与正向渗透单元流体连通并且被构造用于接纳来自正向 渗透单元的稀汲取溶液。分离系统包括压力驱动的膜装置，例如，一个或多个反渗透装置 (例如，布置成串联的、并联的或两者的组合），其为独立的或与其它压力驱动的膜装置结 合，例如纳米过滤、超滤和/或微米过滤以适合特定的应用。压力驱动的膜装置包括入口，该 入口被构造用于接纳稀汲取溶液的第一部分。压力辅助的膜装置还包括:第一出口，其被构 造用于输出稀汲取溶液的渗余物部分（即，由膜保留的稀汲取溶液的部分）；和第二出口，其 被构造用于输出稀汲取溶液的渗透物部分（即，在压力下穿过膜的稀汲取溶液的部分（溶 剂））。分离系统还包括与压力驱动的膜装置流体连通的渗透辅助的压力驱动膜(0APDM)装 置。0APDM装置包括:第一入口，其被构造用于接纳稀汲取溶液的第二部分;第二入口，其被 构造用于接纳稀汲取溶液的渗余物部分;第一出口，其被构造用于输出进一步稀释的稀汲 取溶液；以及第二出口，其被构造用于输出稀汲取溶液的更浓缩的渗余物部分(或再浓缩的 汲取溶液）。通常，第一部分将是稀汲取溶液的主要部分;然而，这可以变化以适合特定的应 用(例如，分离系统的性质、装置的数量等），并且在一些实施方案中可以是几乎所有可用的 稀汲取溶液，其中备选溶液用来提供渗透辅助作用。
[0007] 在前述方面的各种实施方案中，渗透辅助的压力驱动膜装置的第二出口与正向渗 透膜的第二侧流体连通，以用于将浓缩的汲取溶液提供至正向渗透单元。分离系统也可包 括阀布置(例如，一个或多个阀，其带有或不带有用于操作阀的必要的传感器和控制器），以 用于使进一步稀释的汲取溶液返回到稀汲取溶液源。在一些实施方案中，进一步稀释的汲 取溶液可以被导向至附加的或备选的回收过程。在其它实施方案中，稀汲取溶液的第二部 分由备选的汲取溶液取代，该溶液的组合物可针对特定应用而定制（例如，在0ATOM装置上 抵消的所需的压差）。在一些实施方案中，从0APDM装置输出的再浓缩的汲取溶液可被导向 至附加的过程/装置，例如蒸发器或膜盐水浓缩器，以用于进一步浓缩和/或溶剂回收。
[0008] 在附加的实施方案中，分离系统还包括一个或多个增压栗和/或其它压力传递装 置，其设置在正向渗透单元和压力驱动的膜装置之间以对稀汲取溶液加压。分离系统还可 包括一个或多个增压栗和/或压力传递装置，其设置在压力驱动的膜装置的第一出口和渗 透辅助的压力驱动膜装置的第二入口之间，以用于提高稀汲取溶液的渗余物部分的压力。 在一个或多个实施方案中，压力驱动的膜装置包括至少一个R0单元。在一些实施方案中，多 个R0单元布置成串联的、并联的或它们的组合。在一些实施方案中，压力驱动的膜装置包括 不同类型的压力驱动的膜装置(例如，串联的至少一个纳米过滤单元和至少一个反渗透单 元）。通常，从压力驱动的膜装置输出的渗透物部分是基本上不含任何汲取溶质的产物溶 剂。在各种实施方案中，稀汲取溶液和/或备选的盐水溶液可就稀汲取溶液而言被定制或以 其它方式修改以在渗透辅助的压力驱动膜装置上产生具体的渗透压差，这又可允许装置在 更高的液压下操作，从而获得更高浓度的渗余物流。在一些实施方案中，在渗透辅助的压 力驱动膜装置上的理想渗透压差（A π)为零，这能够实现施加到渗余物流的最大净驱动力。 然而，实际的Απ将根据引入到渗透辅助的压力驱动膜装置的汲取侧(例如，膜包）的盐水溶 液的总渗透压而变化。另外，该系统可包括串联布置的多个正向渗透单元，其中第一溶液与 浓缩的汲取溶液逆流地引入到每个正向渗透单元。在一些实施方案中，离开最后一个正向 渗透单元的浓缩进料可被导向至附加的过程/装置，例如，结晶器或喷雾干燥器，以用于进 一步浓缩。
[0009] 在另一方面，本实用新型涉及一种从第一溶液提取溶剂并使汲取溶质的回收率最 大化的方法。该方法包括提供正向渗透单元，其具有诸如上文所述那样的至少一个膜。系统 中的所述一个或多个膜中的每一个具有第一侧和第二侧，其中（多个)膜被构造用于从第一 溶液渗透分离溶剂。该方法还包括以下步骤:将第一溶液引入到正向渗透膜的第一侧;将包 含汲取溶质的浓缩的汲取溶液引入到正向渗透膜的第二侧;使来自第一溶液的溶剂的一部 分横跨所述至少一个膜流出到浓缩的汲取溶液中，从而形成在所述至少一个膜的第一侧上 的更浓缩的第一溶液和在所述至少一个膜的第二侧上的稀汲取溶液;将稀汲取溶液的第一 部分导向至压力驱动的膜装置;将来自压力驱动的膜装置的稀汲取溶液的渗余物部分在压 力下引入到渗透辅助的压力驱动膜装置的进料侧;将稀汲取溶液的第二部分引入到渗透辅 助的压力驱动膜装置的汲取侧以抵消在渗透辅助的压力驱动膜装置上的总压差；以及将来 自渗透辅助的压力驱动膜装置的渗余物输出导向至正向渗透单元，其中渗余物输出包含汲 取溶质。
[0010] 该方法的各种实施方案包括以下步骤:将来自压力驱动的膜装置的稀汲取溶液的 渗透物部分输出为产物溶剂和/或使稀汲取溶液的第二部分和来自渗透辅助的压力驱动膜 装置的渗透物返回至稀汲取溶液源。在一些实施方案中，在渗透辅助的压力驱动膜装置上 的渗透压差可被调节以控制来自压力驱动的膜装置的渗余物的浓度水平，从而控制导向至 正向渗透单元的浓缩的汲取溶液的浓度。一般来讲，最大汲取溶液浓度和溶剂的额外回收 率(by extension recovery)可通过增加施加到在渗透辅助的压力驱动膜装置中浓缩的渗 余物的净压力（即，总驱动力)来控制，这可通过J W=A( △ P-△ π)来表示，其中Jw表示在膜上 的通量，A表示膜渗透率(基本上恒定），ΔΡ表示在膜上的静水压，△:π表示在膜上的净渗透 压。△ π通过增加稀汲取溶液或备选溶液的盐度来降低，从而能够实现心的增加和溶剂的额 外回收。
[0011] 另外的方面、实施方案和这些示例性方面和实施方案的优点在下文中进行详细讨