CN101626982B - 用于水提取的深水暴露薄膜 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示一种DEMWAXTM水处理系统，其包含薄膜模块(102)及收集通道(104)。所述薄膜模块(102)浸没于深水下且链系到位于海底上的一个或一个以上锚(100)。呼吸管(106)延伸于所述收集通道(104)与浮动于海洋表面上的浮筒(108)之间以将所述收集通道暴露到大气压力。泵(110)通过渗透物管道(112)将渗透物从所述收集通道(104)抽送到海岸。一个或一个以上渗透物储存罐(114)可任选地安置在所述系统内，例如，作为所述收集通道(104)的一部分或从所述收集通道(104)延伸出，以提供额外储存。

Description

用于水提取的深水暴露薄膜
相关申请案交叉参考
本申请案根据35 U.S.C.§119(e)主张2007年2月14日提出申请的第60/889,839号美国临时申请案及2007年4月27日提出申请的第60/914,690号美国临时申请案的权益。上述申请案的揭示内容以全文引用的方式明确并入本文中。
技术领域
本发明提供用于淡化海水及净化地表与地下水的系统及方法。所述系统利用自然或促使水柱的流体静压力来使水滤过反渗透、纳米过滤或其它薄膜，借此获得某一所需的水质或饮用水。
背景技术
地球上超过97％的水为海水；剩余四分之三的水封闭在冰川冰中；且不足1％的水处于含水层、湖泊及河流中，其可用于农业、工业、卫生及人类消耗。由于含水层、湖泊及河流中的水是可再生资源，因此地球上的此小部分的水被不断地再使用。正是此再使用的速率才使得常规水资源紧张。
在上个世纪中，这些水源因增长的人口及污染限制了容易接近的淡水的可用性而变得紧张。近来，局部缺水需要开发用咸海水制取饮用水的淡化厂。常规淡化过程包含三个主要步骤：预处理；淡化；及后处理。在所述预处理步骤中，将海水从海洋引到淡化地点，并接着根据将要采用的淡化过程来对其进行调节。水通常取自含有必须在脱盐过程之前滤除的悬浮(例如有机或无机)物质的浅的、近岸区域。在所述淡化步骤中，采用例如多级闪急蒸馏(MSF)、多效蒸馏(MED)、电渗析(ED)或反渗透(RO)的方法从水中移除盐。所述淡化过程通常需要呈各种形式(例如机械、电等)的大量能量，且处置所述过程所产生的浓缩浓盐水可为重要环境问题。在所述预处理步骤中，根据所述淡化过程的产品水的最终用途来对其进行调节。
多年来，多级闪急蒸馏或多效蒸馏是淡化工业的精选过程，但从二十世纪九十年代以来，薄膜技术的改进及能量成本的增加已使反渗透成为新能力的明显领导者。
反渗透是薄膜过程，其充当分子过滤器以移除95到99％的溶解盐及无机分子以及有机分子。渗透是当水或另一溶剂从不太浓缩的溶液自发地流过半渗透薄膜并进入到更浓缩的溶液中时发生的自然过程。在反渗透中，通过向浓缩溶液(给水)施加外部压力来克服自然渗透力。因此，使水的流动反向并从给水溶液中移除已淡化的水(渗透物)，从而留下更浓缩的盐溶液(浓盐水)。可通过添加第二遍薄膜来进一步改进产品水质，借此将来自第一遍的产品水馈送到第二遍。在如通常在商业上所采用的反渗透过程中，在容器外壳(例如螺旋卷绕式反渗透薄膜)中将经预处理的海水加压到介于850与1,200磅/每平方英寸(psi)(5,861到8,274kPa)之间。海水接触薄膜的第一表面，且通过施加压力，饮用水穿透所述薄膜且收集于相对侧处。将所述过程中所产生的浓缩浓盐水(其具有高达约两倍于海水的盐浓度的盐浓度)处置回到海洋中。
发明内容
本发明提供一种用于淡化海水及净化地表与地下水的高效及创新的过程。所述过程使用水体的流体静压力来驱动用以移除例如溶解盐的反渗透过程或用以筛选出不需要的成分(例如病毒及细菌)的淡水体过滤过程。所述过程有利于其免除对原本在常规淡化厂中或在常规水处理厂中必不可少的系统的需要，因为其允许有效地使用流体静压力来促进反渗透或其它过滤过程。在优选实施例中，提供一种用于水提取的深水暴露的薄膜(DEMWAXTM)模块，其可悬挂于浮动平台上、链系到底部或以其它方式定位于其中压力足以经由反渗透从海水中产生降低的溶解盐含量的饮用水或水的深度下。在其它优选实施例中，DEMWAXTM模块可具备纳米过滤薄膜且用于从地表水或地下水中筛选污染物。
因此，在第一方面中，提供一种过滤系统，所述系统包括经配置以在水体中浸没于浸没深度处的薄膜模块，所述薄膜模块包括：至少一个薄膜滤筒，所述薄膜滤筒包括至少一个薄膜元件，所述薄膜元件具有第一侧及第二侧，其中所述薄膜元件的所述第一侧暴露到将要在所述浸没深度特有的压力下过滤的水；收集器通路，其经配置以浸没于所述水体中，其中所述收集器通路的至少一部分与其中收集过滤水的所述薄膜元件的所述第二侧流体连通；及呼吸通路，其从所述收集器通路延伸到所述水体的表面且经配置以将所述收集器通路的内部暴露到大气压力在所述水体的所述表面处或在高于所述水体的所述表面的高程处特有的压力，其中所述浸没深度特有的压力与大气压力在所述水体的所述表面处或在高于所述水体的所述表面的高程处特有的压力之间的差致使渗透物从所述薄膜元件的所述第一侧流到所述薄膜元件的所述第二侧。
在所述第一方面的实施例中，所述薄膜元件包括两个由至少一个渗透物间隔件间隔开的薄膜层。
在所述第一方面的实施例中，所述薄膜元件是大致平面的。
在所述第一方面的实施例中，所述薄膜滤筒包括至少两个薄膜元件。
在所述第一方面的实施例中，所述水处理系统包括多个薄膜元件，其中每一薄膜元件均与邻近薄膜元件间隔开至少约1mm。
在所述第一方面的实施例中，所述水处理系统包括多个薄膜元件，其中每一薄膜元件均与邻近薄膜元件间隔开至少约2mm。
在所述第一方面的实施例中，所述水处理系统包括多个薄膜元件，其中每一薄膜元件均与邻近薄膜元件间隔开约2mm到约8mm。
在所述第一方面的实施例中，所述水处理系统包括多个薄膜元件，其中每一薄膜元件均与邻近薄膜元件间隔开约6mm。
在所述第一方面的实施例中，所述薄膜元件包括呈平行配置的两个平片式薄膜，所述薄膜元件进一步包括设置于两个平片式薄膜之间的至少一个收集器间隔件，其中所述收集器间隔件经配置以使所述两个平片式薄膜彼此分离。
在所述第一方面的实施例中，所述薄膜模块包括多个所述薄膜滤筒。
在所述第一方面的实施例中，所述薄膜元件包括至少一个纳米过滤薄膜。所述薄膜模块可经配置以浸没到至少约6米的深度、或到至少约8米的深度、或到至少约10米的深度、或到从约12米到约18米的深度、或到至少约30米的深度、或到至少约60米的深度、或到约60米的深度、或到从约60米到约244米的深度、或到从约122米到约152米的深度、或到从约152米到约183米的深度。
在所述第一方面的实施例中，所述薄膜元件包括至少一个反渗透薄膜。所述薄膜模块可经配置以浸没到至少约190米的深度、或到至少约244米的深度、或到从约259米到约274米的深度。
在所述第一方面的实施例中，所述薄膜元件包括至少一个超过滤薄膜。所述薄膜模块可经配置以浸没到至少约6米的深度、或到至少约8米的深度、或到至少约10米的深度、或到从约12米到约18米的深度、或到至少约22米的深度、或到从约22米到约60米的深度。
在所述第一方面的实施例中，所述薄膜元件包括至少一个微过滤薄膜。所述薄膜模块可经配置以浸没到至少约6米的深度、或到至少约8米的深度、或到至少约10米的深度、或到从约12米到约18米的深度。
在所述第一方面的实施例中，所述薄膜模块经配置以浸没到至少约7米的深度，且进一步经配置以大致避免在渗透物从所述薄膜元件的所述第一侧流通到所述薄膜元件的所述第二侧时吸入水生生物。
在所述第一方面的实施例中，在不存在机械装置以增加所述薄膜的所述第一侧所暴露到的压力的情况下，且在不存在机械装置以减小所述薄膜的所述第二侧所暴露到的压力的情况下，所述浸没深度特有的所述压力与大气压力在所述水体的所述表面处特有的所述压力之间的所述差提供驱动过滤过程的大致所有力。
在第二方面中，提供一种水处理系统，其包括：至少一个薄膜，其经配置以在将要处理的水体中浸没到一深度，所述水在所述浸没深度处具有第一压力，所述薄膜具有浓缩物侧及渗透物侧；收集器，其与所述薄膜的所述渗透物侧流体连通；及通路，其经配置以将所述收集器的内部暴露到低于所述第一压力的第二压力，其中将所述薄膜的所述浓缩物侧暴露到所述第一压力驱动其中渗透物从所述浓缩物侧跨越所述薄膜移动到所述渗透物侧的过滤过程。
在所述第二方面的实施例中，所述第二压力是大气压力在所述水体的所述表面处特有的。
在所述第二方面的实施例中，所述通路从所述收集器延伸到所述水体的至少所述表面。
在所述第二方面的实施例中，所述收集器是所述通路。
在第三方面中，提供一种水处理系统，其包括：用于从源水中筛选出至少一种成分以产生产品水的构件，所述筛选构件具有源水侧及产品水侧，其中所述源水侧经配置以暴露到所述源水的流体静压力；及用于收集所述产品水的构件，其中所述收集构件经配置以暴露到低于所述流体静压力的压力。
在所述第三方面的实施例中，所述更低压力是大气压力在所述源水的所述表面处特有的。
在第四方面中，提供一种水处理系统，其包括：用于过滤源水以产生产品水的构件，所述过滤构件具有源水侧及产品水侧；用于利用所述源水中及所述源水上方的周围压力条件在所述源水侧与所述产品水侧之间形成足以促使渗透物从所述源水侧跨越到所述产品水侧的压力差的构件。
在第五方面中，提供一种过滤系统，其用于从给水中产生产品水，所述系统包括至少一个反渗透薄膜，其中所述薄膜经配置以准许水从其穿过而限制溶解于所述给水中的一种或一种以上离子从其穿过，其中所述薄膜经配置以在给水体中浸没于一深度处，所给水体含有溶解于其中的所述离子，其中所述深度为至少约141米，其中所述薄膜的第一侧经配置以在所述浸没深度特有的压力下暴露到所述给水，且其中所述薄膜的第二侧上的收集器经配置以暴露到大气压力在海平面处特有的压力，借此，在使用中，跨越所述薄膜的压力差驱动反渗透过滤过程，使得在所述薄膜中的所述第二侧上获得降低的溶解离子浓度的渗透物，其中所述薄膜经设置使得在使用中重力及水流中的至少一者将较高密度的浓缩物有效地移离所述薄膜。
在所述第五方面的实施例中，所述系统经配置以在海水体中浸没到从约113米到约307米的深度，其中所述海水具有从约20,000ppm到约42,000ppm的盐度。
在所述第五方面的实施例中，所述系统经配置以在海水体中浸没到从约247米到约274米的深度，其中所述海水具有从约33,000ppm到约38,000ppm的盐度。
在所述第五方面的实施例中，所述系统包括多个薄膜，其中每一薄膜均与邻近薄膜间隔开至少约1mm。
在所述第五方面的实施例中，所述系统包括多个薄膜，其中每一薄膜均与邻近薄膜间隔开至少约2mm。
在所述第五方面的实施例中，所述系统包括多个薄膜，其中每一薄膜均与邻近薄膜间隔开从约2mm到约8mm。
在所述第五方面的实施例中，所述系统包括多个薄膜，其中每一薄膜均与邻近薄膜间隔开约6mm。
在所述第五方面的实施例中，所述收集器经由通路暴露到大气压力在海平面处特有的压力。
在所述第五方面的实施例中，所述通路是呼吸管。所述呼吸管可从约所述浸没深度延伸到所述给水体的至少一表面。
在所述第五方面的实施例中，所述通路包括位于两个薄膜之间的至少一个空间。
在所述第五方面的实施例中，所述收集器是与所述给水体的表面处的空气流体连通的存放罐。
在所述第五方面的实施例中，所述系统进一步包括经配置以将渗透物从第一位置传送到第二位置的泵。
在所述第五方面的实施例中，所述系统进一步包括至少部分地浸没于所述给水体中的渗透物储存罐。
在所述第五方面的实施例中，所述渗透物储存罐被至少部分地浸没且包括可适应渗透物的填充及排放的挠性材料。
在所述第五方面的实施例中，所述系统进一步包括至少一个薄膜模块，其中所述薄膜模块包括在边缘处密封以防止给水进入的一个或一个以上配对的平片式薄膜，其中所述配对的平片式薄膜的外表面经配置以暴露到给水，且其中，在使用中，可通过渗透物收集模块从所述配对的薄膜片之间抽取渗透物。
在所述第五方面的实施例中，所述系统进一步包括离岸平台，所述薄膜模块悬挂于所述离岸平台上。
在所述第五方面的实施例中，所述系统进一步包括经配置以将饮用水输送到海岸的通道。
在第六方面中，提供一种从给水中产生产品水的过滤系统，所述系统包括至少一个纳米过滤薄膜，其中所述薄膜经配置以准许水从其穿过而限制至少一种成分从其穿过，其中所述薄膜经配置以在含有所述成分的给水体中浸没于一深度处，其中所述深度为至少约6米，其中所述薄膜的第一侧经配置以在所述浸没深度特有的压力下暴露到所述给水，且其中每一所述薄膜的第二侧上的收集器经配置以暴露到大气压力在所述给水体的表面处特有的压力，借此，在使用中，跨越所述薄膜的压力差驱动过滤过程，使得在所述薄膜的所述第二侧上获得具有所述成分的降低的浓度的渗透物，其中所述薄膜经设置以防止表面张力抑制给水跨越所述薄膜的所述第一侧的充分自由流动。
在所述第六方面的实施例中，所述深度为至少约8米。
在所述第六方面的实施例中，所述深度为至少约10米。
在所述第六方面的实施例中，所述浸没深度特有的压力与所述大气压力特有的压力之间的所述压力差提供驱动所述过滤过程的大致所有力。
在所述第六方面的实施例中，所述过滤过程在不受真空泵影响的情况下发生。
在所述第六方面的实施例中，所述系统进一步包括经配置以将渗透物从所述收集器移到所述给水体的所述表面的正水头泵。
在第七方面中，提供一种用于淡化水的两遍式系统，所述系统包括第一遍过滤系统，所述第一遍过滤系统包括至经配置以准许水从其穿过而限制一种或一种以上溶解离子从其穿过的少一个第一纳米过滤薄膜，其中所述第一薄膜经配置以在海水体中浸没到至少约113米的深度，其中所述第一薄膜的第一侧经配置以在所述浸没深度特有的压力下暴露到所述海水，且其中所述第一薄膜的第二侧经配置以暴露到大气压力在海平面处或在高于海平面的高程处特有的压力，借此，在使用中，跨越所述第一薄膜的压力差驱动过滤过程以使得在所述第一薄膜的所述第二侧上获得降低的盐度的渗透物，其中所述第一薄膜经配置使得在使用中重力及水流中的至少一者将较高密度的浓缩物移离所述第一薄膜；及第二遍过滤系统，所述第二遍过滤系统包括至少一个第二薄膜，其中所述第二薄膜是纳米过滤薄膜或反渗透薄膜。
在所述第七方面的实施例中，所述第二薄膜的第一侧经配置以暴露到降低的盐度的渗透物，且经配置以使得在使用中跨越所述第二薄膜施加的压力差驱动过滤过程，使得在所述第二薄膜的所述第二侧上获得进一步降低的盐度的渗透物。
在所述第七方面的实施例中，所述第一遍过滤系统经配置以在所述海水体中浸没到从约152米到约213米的深度，所述海水具有从约33,000ppm到38,000ppm的盐度。
在所述第七方面的实施例中，所述系统包括多个第一纳米过滤薄膜，其中所述第一纳米过滤薄膜中的每一者均与邻近薄膜间隔开约1mm或更大。
在所述第七方面的实施例中，所述系统包括多个第一纳米过滤薄膜，其中所述第一纳米过滤薄膜中的每一者均与邻近薄膜间隔开约2mm或更大。
在所述第七方面的实施例中，所述系统包括多个第一纳米过滤薄膜，其中所述第一纳米过滤薄膜中的每一者均与邻近薄膜间隔开从约2mm到约8mm。
在第八方面中，提供一种用于处理水的方法，所述方法包括：将薄膜模块在源水中浸没到浸没深度，所述薄膜模块包括至少一个薄膜单元，所述薄膜单元具有第一侧及第二侧，其中所述第一侧的至少一部分与收集器通道流体连通，且其中在第一压力下将所述第一侧暴露到所述源水，其中所述第一压力是所述浸没深度特有的；将所述收集器通道暴露到第二压力，其中所述第二压力足以促使渗透物从所述第一侧跨越到所述第二侧；及将渗透物收集于所述收集器系统中。
在所述第八方面的实施例中，所述第二压力是大气压力在所述源水的表面处或在高于所述源水的所述表面的高程处特有的。
在所述第八方面的实施例中，在不使用真空泵的情况下，促使渗透物从所述第一侧跨越到所述第二侧。
在所述第八方面的实施例中，所述薄膜单元包括至少一个纳米过滤薄膜。可将所述薄膜模块浸没到至少约6米的深度、或到至少约8米的深度、或到至少约10米的深度、或到从约12米到约18米的深度、或到至少约30米的深度、或到至少约60米的深度、或到约60米的深度、或到从约60米到约244米的深度、或到从约122米到约152米的深度、或到从约152米到约183米的深度。
在所述第八方面的实施例中，所述薄膜单元包括至少一个反渗透薄膜。所述薄膜模块可浸没到至少约190米的深度、到至少约244米的深度、或到从约259米到约274米的深度。
在所述第八方面的实施例中，所述薄膜单元包括至少一个超过滤薄膜。所述薄膜模块可浸没到至少约6米的深度、或到至少约8米的深度、或到至少约10米的深度、或到从约12米到约18米的深度、或到至少约22米的深度、或到从约22米到约60米的深度。
在所述第八方面的实施例中，所述薄膜单元包括至少一个微过滤薄膜。所述薄膜模块可浸没到至少约6米的深度、或到至少约8米的深度、或到至少约10米的深度、或到从约12米到约18米的深度。
在所述第八方面的实施例中，所述薄膜模块浸没到至少约7米的深度，且进一步经配置以大致避免在渗透物从所述薄膜元件的所述第一侧流通到所述薄膜元件的所述第二侧时吸入水生生物。
在第九方面中，提供一种用于处理水的方法，所述方法包括将设置于水体中的至少一个薄膜暴露到所述薄膜的浸入深度特有的流体静压力，所述薄膜具有浓缩物侧及渗透物侧，其中所述渗透物侧与收集器流体连通；将所述收集器的内部的至少一部分暴露到低于所述流体静压力的压力，借此渗透物从所述浓缩物侧流通到所述薄膜的所述渗透物侧；及从所述收集器收集渗透物。
在所述第九方面的实施例中，所述第二压力是大气压力在所述水体的表面处或在高于所述水体的所述表面的高程的高程处特有的。
在所述第九方面的实施例中，所述薄膜用作所述收集器。
在第十方面中，提供一种用于处理水的方法，所述方法包括浸没用于从源水中筛选出至少一种不需要的成分的构件，所述筛选构件界定源水侧及产品水侧，其中将所述源水侧暴露到所述源水的流体静压力；将所述产品水侧暴露到低压系统，所述低压系统具有低于所述流体静压力的压力，借此产品水从所述源水侧流通到所述产品水侧；及收集所述产品水。
在第十一方面中，提供一种用于制造水处理模块的方法，所述方法包括将至少一个源水间隔件附接到第一薄膜单元，所述薄膜单元包括由渗透物间隔件层间隔开的两个薄膜层，所述第一薄膜单元具有密封的边缘部分及未密封的边缘部分；将第二薄膜单元附接到所述第二源水间隔件；及将收集器间隔件耦合到所述第一薄膜单元的所述未密封的边缘部分及所述第二薄膜单元，其中所述收集器间隔件经配置以形成使所述第一薄膜单元及所述第二薄膜单元的源水侧与所述第一薄膜单元及所述第二薄膜单元的产品水侧分离的水密密封。
在第十二方面中，提供一种用于将水从离岸收集设施输送到陆地的方法，所述方法包括将收集单元浸没在水体中的第一深度处，其中将所述收集单元的至少一部分暴露到大气压力；提供与所述收集单元流体连通的通路，所述通路从所述收集单元延伸到陆地上的位置，其中所述陆地上的位置处于低于所述第一深度的高程处。
在所述第十二方面的实施例中，所述收集单元包括至少一个薄膜元件，每一薄膜元件均具有第一侧及第二侧，其中将所述第一侧暴露到所述水体在所述第一深度处特有的压力，且其中所述第二侧与所述收集单元的暴露到大气压力的部分流体连通。
附图说明
图1提供链系到水体底部的DEMWAXTM模块的图示(未按比例)。
图2提供适合在临时装备中使用的DEMWAXTM模块的图示(未按比例)。
图3提供悬挂于浮动平台上的DEMWAXTM模块的图示(未按比例)。
图4提供适合与大规模应用一起使用或适合与需要更多地接近薄膜模块的那些用户一起使用的DEMWAXTM模块的图示(未按比例)。
图5提供利用呈方框配置的垂直对准的薄膜的DEMWAXTM薄膜模块的平面图(未按比例)。
图6描绘常规反渗透薄膜模块的螺旋卷绕式元件(在卷动之前)。
图7A及7B显示具有缠绕于渗透物管周围的十二个薄膜层的反渗透薄膜模块的剖面图。
图8显示来自常规反渗透单元的薄膜元件(在卷动之前)的横截面。
图9A显示根据实施例的薄膜滤筒的透视图(未按比例)。
图9B到9F图解说明用于制作薄膜滤筒的过程中的步骤。
图10示意性地描绘所产生的浓盐水的反渗透过滤及向下运动的过程。
图11A到11C示意性地描绘用于将离岸收集的水输送到海岸的各种系统。
图12以横截面形式显示DEMWAXTM薄膜滤筒的基本图式，其图解说明盐水间隔件且显示具有与收集系统流体连通的薄膜元件的渗透物侧。所述盐水间隔件是排列成棋盘图案且与强塑料纤维连接的塑料‘球’。所述间隔件消除对用以分离所述薄膜的格子方框的需要。
图13描绘适合用作盐水或源水间隔件的波纹形编织塑料纤维。
图14显示适合与DEMWAXTM系统一起使用的渗透水收集器通道的基本图示(未按比例)。
图15A显示供与DEMWAXTM系统一起使用的模块的基本图示(未按比例)，所述模块具有含有多个薄膜元件的多个滤筒及一收集器通道。
图15B显示供与DEMWAXTM系统一起使用的模块的基本图示(未按比例)，所述模块具有含有多个薄膜元件的多个滤筒及一收集器通道。
图15C显示DEMWAXTM模块的基本图示(未按比例)，所述模块具有含有以流体方式连接到收集系统的多个薄膜元件的多个滤筒。
图16显示收集框架的侧视图，其中以虚线来图解说明薄膜滤筒的布局。
图17A显示薄膜模块的剖面透视图(未按比例)，其中已移除薄膜滤筒及收集系统的一部分以更好地图解说明所述收集系统的若干部分。
图17B显示薄膜模块的透视图(未按比例)，其中收集框架支撑四组滤筒。
图18显示描绘DEMWAXTM工厂的俯视图的基本图示(未按比例)，其显示浸没的薄膜模块悬挂于离岸平台上。
图19显示描绘悬挂于平台上且布置成平行及串列配置的呈一阵列的浸没的DEMWAXTM模块的俯视图的基本图示(未按比例)。
图20显示具有多个DEMWAXTM模块阵列的工厂的平面图。
图21显示DEMWAXTM模块的浮筒阵列系统的侧视图。
图22提供适合与地下水应用一起使用的DEMWAXTM滤筒的图示。
图23A及23B图解说明圆柱形DEMWAXTM滤筒。
图24A及24B图解说明圆柱形DEMWAXTM滤筒。
具体实施方式
以下说明及实例详细地图解说明本发明的优选实施例。所属领域的技术人员将认识到，存在由本发明的范围所包括的本发明的众多变化及修改形式。因此，对优选实施例的说明不应被视为限制本发明的范围。
常规反渗透淡化厂将反渗透薄膜暴露到高压盐水。此压力迫使水穿过薄膜而阻止(或阻碍)离子、选定分子及粒子穿过所述薄膜。淡化过程通常在高压下操作，且因此具有高能量需要。各种淡化系统描述于第3,060,119号(Carpenter(卡彭特))；第3,456,802号(Cole(科尔))；第4,770,775号(Lopez(洛佩兹))；第5,229,005号(Fok(富奥克))；第5,366,635号(Watkins(沃特金斯))；及第6,656,352号(Bosley(鲍斯利))美国专利；及第2004/0108272号(鲍斯利)美国专利申请案中，所述专利及专利申请案中的每一者的揭示内容均以全文引用的方式并入本文中。
提供用于净化及/或淡化水的系统。所述系统涉及将一个或一个以上薄膜(例如纳米过滤(NF)或反渗透(RO)薄膜)暴露到自然或诱发水柱(例如海洋的深水中的高压水)的流体静压力。将薄膜浸没到其中压力足以克服存在于所述薄膜的第一侧上的给水(或未净化水)的渗透压力与薄膜本身的跨膜压力损失的总和的深度。对于海水或含有较高溶解盐量的其它水来说，跨膜压力损失通常比渗透压力小得多。因此，在某些应用中，渗透压力是在确定所需压力(及因此所需深度)时比跨膜压力损失更重要的驱动器。在处理淡地表水或含有更低溶解盐量的水时，渗透压力往往较低，且跨膜压力损失成为在确定所需压力(及因此所需深度)时更重要的因素。通常，适于淡化海水的系统需要更大的压力，且因此比用于处理淡水的系统需要更大的深度。
优选实施例的系统利用各种配置的薄膜模块。在优选配置中，薄膜模块采用其中两个平行薄膜片由渗透物间隔件保持间隔开且其中包封薄膜片之间的容积的薄膜系统。渗透水穿过薄膜并进入到其中收集所述渗透水的被包封的容积中。特别优选实施例采用刚性分离物来维持低压(渗透物)侧上薄膜之间的间隔；然而，可采用能够维持所述两个薄膜片的分离的任何适合渗透物间隔件配置(例如具有某一挠度或变形度的间隔件)。所述间隔件可具有能够维持薄膜片之间的分离的任何适合的形状、形式或结构，例如正方形、矩形或多边形截面(实心或至少部分地空心)、圆形截面、工字梁等等。可采用间隔件来维持其中收集渗透物的空间中的薄膜片之间的分离(渗透物间隔件)，且间隔件可维持暴露到未净化或未经处理的水的区域中的薄膜片之间的分离(例如，未净化水间隔件)。或者，可采用不利用未净化水间隔件的配置。而是，通过将薄膜保持在适当位置的结构(例如支撑框架)来提供分离。还可通过下列各物来提供分离：例如，一系列间隔开的膨胀塑料媒介(例如，球体)、波纹形编织塑料纤维、多孔整料、非编织纤维片或类似物。类似地，间隔件可由任何适合的材料制作而成。适合材料可包含刚性聚合物、陶瓷、不锈钢、复合物、涂覆有聚合物的金属等等。如上文所述，间隔件或提供间隔的其它结构用于所述两个薄膜表面之间的其中收集渗透物的空间内(例如渗透物间隔件)，或用于暴露到未净化水的薄膜表面之间(例如未净化水间隔件)。
或者，可采用呈松散卷式配置的一个或一个以上螺旋卷绕式薄膜单元，其中重力或水流可使较高密度浓缩物移动穿过所述配置并远离薄膜表面。薄膜元件可替代地排列成使表面暴露最大化且使空间要求最小化的各种其它配置(平面、螺旋形、曲形、波纹形等等)。在优选配置中，这些元件垂直排列、略微间隔开且降低到深水。在海水应用中，海洋的流体静压力迫使水穿过薄膜，且采集系统收集经处理的水并将其抽送到地表、到海岸、或到任何其它所需位置。如果采用螺旋卷绕式配置，则薄膜优选比在常规反渗透系统中间隔开更远，例如约0.25英寸或更大(约6毫米或更大)，且所述配置优选处于“敞开”模块中(也就是说，经配置以将薄膜直接暴露到周围源水并允许源水能够大致不受抑制地越过所述薄膜)。此配置促进给水流过所述薄膜，且尤其促进重力将所述过滤过程在薄膜的表面处所产生的较高密度的浓缩物向下拉的能力。尽管敞开配置通常为优选的，但在某些实施例中，可能需要不同于敞开配置的配置。
优选实施例的系统提供免除对通过使薄膜降低到处于从约194米到约307米或更大的深度下的海水中来对给水或未净化水加压的需要的优点。常规基于陆地的反渗透过程通常需要大量能量来产生此压力。优选地，当需要从具有平均盐度的海水(例如来自具有约35,000毫克/升的盐度的太平洋的水)中产生饮用水时，使用反渗透薄膜的优选实施例的系统中所采用的深度是从约247米到约274米；最优选地，所述深度为约259米。当然，使用渗透薄膜的系统也可部署于更浅的深度下。如果需要降低的盐度的水(例如适于灌溉、工业冷却用途或类似用途的微咸水)，则使用纳米过滤薄膜的系统的优选深度是从约113米到约247米或更大。优选地，所述深度是从约152米到约213米以从具有平均盐度的海水(例如来自具有约35,000ppm或mg/L盐度的太平洋的水)中产生微咸水。当然，使用纳米过滤薄膜的系统也可部署于大于213米的深度下；这些系统可部署于与采用反渗透薄膜的那些系统相同的深度下。
所述优选深度可取决于各种因素，包含但不限于薄膜化学性质、薄膜间隔、周围水流、海水的盐度(或给水的溶解离子含量)、渗透物的盐度(或渗透物的溶解离子含量)等等。在深水下，与薄膜接触的海水自然地处于连续高压下。优选实施例的系统的其它优点在于其不需要高压管道、水摄取系统、水预处理系统或浓盐水处置系统。优选实施例的系统也可部署于甚至更浅的深度下。举例来说，实施例可部署于浅海水域中以供在淡化预处理系统或海水摄取系统中使用。由于不具有高速摄取，因此这些系统有利地避免伤害海洋生物。优选实施例的选定系统优选地经配置以使得海水不与任何内部金属组件形成接触，从而明显地减轻影响常规反渗透系统的选定溶解离子的腐蚀效应。所述系统优选地经配置以用于公海中，因此不需要如在常规基于陆地的反渗透系统中一样的大量近岸陆地面积。尽管在247米到约274米的深度下操作优选实施例的系统通常为优选的，但系统可有利地配置用于在更浅的深度下的操作。举例来说，包含微过滤、超过滤或纳米过滤薄膜的系统可定位于处于浅得多的深度下的地表水域及水库中且经配置以从淡水源中滤除细菌、病毒、有机物及无机物。最优选地，地表水处理系统采用纳米过滤薄膜。此类系统的薄膜可定位于约6米到61米的深度下，或定位于任何其它适当深度下，此视将要移除的总溶解固体、所需的摄取速度及所需的产品水质而定。包含微过滤、超过滤或反渗透薄膜的系统还可适于从受污染供水中产生净化水且可配置用于放置在地面井中。
某些优选实施例的薄膜模块用来将不需要的成分与给水分离并将由此产生的产品水传送到包含泵的水下收集系统。此收集系统可充当存放足以缓冲薄膜生产与泵速的可变性的渗透物的罐。所述泵可具有任何适合的形式，包含潜水泵、干井泵或类似泵。所述收集系统连接到至少两个管道、管、通路或其它引流构件，通过其中一者将渗透水引导到地表、海岸或其它所需位置；且其中一者隔离(或保护)薄膜以使其免受泵操作的影响(例如，‘呼吸管’)。可通过呼吸管排空或填充而非突然增加或减小跨越薄膜的压力差来减轻因接通或关断泵而引起的系统中的压力波动。在没有呼吸管的情况下，由于泵循环(例如，因系统维护)而引起的薄膜单元上的应力可减少薄膜寿命或引起其它机械磨损。尽管采用呼吸管将渗透物存放罐暴露到大气压力是特别优选的，且借此允许渗透物在暴露到深水压力时流过薄膜，但还可采用将减小的压力施加到薄膜的渗透物侧的其它构件来驱动过滤过程。可采用单一呼吸管或多个呼吸管。同样地，可有利地采用多个引流构件(例如，用以将渗透水运送到单一位置或运送到不同位置的多个管道等等)。所述呼吸管优选地经配置以避免在启动或停止所述泵时空气非常迅速地流过所述呼吸管的情况下所观察到的音速效应。
供在海洋应用中使用的收集系统经配置以采集或积累渗透物并将其运送到海面或某一其它所需位置(浸没位置、岸上的地下或地表储存罐、或类似位置)。此类收集系统优选地有浮力且链系到海底以避免水面风暴或视觉冲击的效应；然而，也可有利地采用其它配置。举例来说，可在海洋中设置水面平台(浮动式或固定式)，且可将薄膜模块悬挂于所述水面平台上。在悬挂所述模块时，优选地考虑到洋流。水流施加作用于所述悬挂的模块上的力，从而使所述模块移位到侧。如同在钟摆中一样，当使所述模块移位到所述侧时，迫使所述模块更靠近水面。如果水流相对恒定，则所述模块可悬挂于长于优选模块深度的线路上，因此所述水流的力将把所述模块推动到所述侧且直到所述优选深度。反之，这些相同的考虑因素适用于链系到水体的底部的有浮力的模块。因此，在某些实施例中，可调节所述线路的长度以对水流的改变进行补偿(例如，水流传感器可连同绞盘一起使用)，以使得所述模块维持在所述优选深度下。或者，可将所述模块设置于一深度下以使得水流位移不会导致所述模块上升超过所述优选深度。
优选实施例的系统可采用常规海洋平台技术。举例来说，可采用带有混凝土外壳的浮动平台来支撑用于发电(例如，发电机、变压器等等)、燃料储存、维护备用件储存及用以运行所述系统的其它基础架构的电力模块。由于陆地上的饮用水需求并非整天均匀，因此连续生产过程优选地采用储存系统。当需求低时，作为对岸上储存的补充，所述平台可采用浮动罐，所述浮动罐由随着所述罐被填充与排空而膨胀与收缩的挠性材料(例如HYPERLONTM)制成。此类储存系统悬浮于海洋中，且因此不需要如在靠近滨地所设置的岸上水罐或罐中所需的繁重建造工程。
所述系统所产生的饮用水或减少的离子含量的水优选地通过利用管线的内侧与外侧几乎相同的压力来输送到海岸。举例来说，在选定实施例中，可采用由HYPERLONTM或其它适合材料制成的水下浮动的挠性管道。此类管道优选地悬浮于海面下方，例如，在水面下方约100英尺处，或沿着海底。所述管道的深度优选为其将不妨碍任何水面交通。如果所述系统位置处不存在任何水面交通，则采用位于海洋的表面处的管道可为有利的。尽管有利地采用挠性管道，但可采用刚性管道、水泥流动通道或其它管或通路配置。
依据本地规章，淡化厂经常向已淡化的水添加某些化学物质(例如氯、氟、除藻剂、防沫剂、抗微生物剂、锅炉水化学品、凝结剂、防腐剂、消毒剂、凝聚剂、中和剂、氧化剂、除氧剂、pH调节剂、树脂清洁剂、水垢抑制剂及类似化学物质)。此活动可在将水递送到配送系统时在岸上进行或在系统中任何其它适合的位置处进行。
DEMWAX TM 系统
图1中显示优选实施例的DEMWAXTM系统的图示。链系到海底上的锚100的是DEMWAXTM系统的元件，包含薄膜模块102及收集通道104。薄膜模块102可包含例如下文结合图9C所描述的一个或一个以上薄膜滤筒。所述系统的这些及其它元件优选地配置为接近中性浮力以便可依据应用来添加浮子或配重以将所述模块保持在所需深度下。呼吸管106延伸于收集通道104与浮动于海洋的表面上的浮筒108之间以将所述收集通道暴露到大气压力。或者，所述呼吸管可顺着渗透物管道112通到海岸。泵110通过管道112将渗透物从收集通道104抽送到海岸。泵110可放置在所述收集通道内或邻近收集通道104放置，如图中所图解说明，或者可安装于与管道112流体连通的海岸处或附近。所述泵优选地处于与薄膜大约相同的深度下以使得背压不停止反渗透过程。如果所述泵处于小于850英尺的深度下，则可能需要给所述薄膜提供负压力以准许所述反渗透过程继续进行。一个或一个以上渗透物储存罐114可任选地安置在所述系统内，例如作为收集通道104的一部分或从收集通道104延伸出，以提供额外储存。此额外储存有利地用于缓冲泵速的变化。储存罐114可包含传感器(未显示)，所述传感器经配置以感测储存在罐114中的渗透物的容积并相应地调节泵110的操作。
图2图解说明尤其很适合临时(非永久)应用的DEMWAXTM系统的另实施例。DEMWAXTM模块120链系到海底上的一个或一个以上锚122。模块120包含至少一个薄膜滤筒及一收集通道。所述薄膜模块暴露到深水下的海洋的流体静压力，且所述收集通道经由延伸到浮动于水的表面上的浮筒126的呼吸管124暴露到大气压力。渗透物被收集于模块120中且通过渗透物管道127被抽送到靠近浮筒126的移动式储存容器128，以供输送到海岸。例如此系统的系统可在紧急情况下迅速地被部署成(例如)靠近经历供水污染或短缺的区域。
图3图解说明DEMWAXTM系统的替代配置。薄膜模块132悬浮在浮动平台130下面。在所描绘的系统中，模块132产生沉淀到含有潜水泵、干井泵或类似泵136的一或多个存放罐134中的淡水。借助延伸于存放罐134与浮动平台130之间的呼吸管138，存放罐134的内部维持处于大气压力下。所述产品水可被抽送到地表140并接着进入到挠性储存罐142中。虽然图解说明为储存罐142浮动在平台130的向海侧上，但还可将所述储存罐设置成任何其它适当的配置，例如在平台130的向陆地侧上或悬浮于所述水的表面140下方。接着通过管道144将所述产品水抽送到海岸以供最终处理及配送。发电设备146可提供于浮动平台130中且经配置以给所图解说明的系统的其它组件提供电力。还可提供泵148以将水从储存库移到海岸。虽然例如悬索、电力电缆、系链及锚的组件未描绘于图3中，但其可期望地用于例如所描绘的系统的系统中。
图4图解说明DEMWAXTM系统的另一替代配置，其中柱160悬挂于浮动平台162上。柱160可经配置以提供对下部室164的接近。室164可经配置以装纳DEMWAXTM系统的各种组件，例如泵、阀、配电盘、仪表设备及其它辅助设备168。室164的尺寸的大小可大到足以允许工人接近所述室以对设备进行维护。薄膜模块170可排列于室164外侧、暴露到周围给水，但其中渗透物部分与收集通道及系统166流体连通。收集系统166可暴露到室164的内部，室164的内部又可经由柱160暴露到大气压力。通过此配置，室164本身可用作收集系统166的“呼吸管”。单独的呼吸管也可顺着所述柱的外侧通到表面。收集系统166可以流体方式连接到经配置以将产品水输送到储存库或输送到海岸的管道172。例如这些系统的优选实施例的系统对于大规模应用是尤其有利的，且可采用比其它实施例更大的薄膜滤筒、更大的薄膜模块、及/或更大的薄膜模块阵列。此类系统有利地提供对泵的选择的额外灵活性以及出于维护目的而对泵及其它设备的接近的简易性。在此应用中，可使用除潜水泵以外的其它类型的泵。柱160及室164可由结构紧固、稳定且防腐的材料(例如混凝土)构成，以使得所述系统可保持更少地受波浪或洋流的影响。此系统可(但不必)如上文结合图1所描述链系到海底。
虽然上文说明特别地参照海洋应用，但类似配置的系统-自由浮动式及锚定式两者-也可与配置用于淡水或地表水应用的实施例一起使用。
DEMWAXTM薄膜模块200的一个配置利用由呈方框配置的薄膜单元或元件202构成的垂直对准的薄膜滤筒。图5中显示一个此类模块的简化横截面。薄膜元件202优选地间隔靠近在一起，但并非如此靠近以致表面张力实质上削弱重力将由过滤过程在薄膜表面204处所产生的较高密度的海水向下拉的能力。避免显著表面张力效应的最小间隔可取决于包含薄膜化学性质的各种因素，但通常为约1mm或更大，优选地约2mm或更大，更优选地从约2mm到约25mm，且最优选地从约5mm到约10mm。在某些实施例中，小于1mm的间隔可能为可接受的或甚至所需的。同样地，在某些实施例中，大于25mm的间隔可能为可接受的或甚至所需的。使所述间隔最小化以便针对所述安装的每一占用面积使薄膜表面积最大化通常为优选的。
图5未按比例绘制且出于说明性目的而放大薄膜之间的距离。所述图示显示收集通道206的两侧上的总共七个薄膜元件202；然而，在优选实施例中，可采用更大数目的元件，此视将要产生的水量或其它因素而定。在海水DEMWAXTM系统的优选实施例中，所述模块通常含有数百个彼此间隔开约1/4英寸(约6毫米)的这些元件。薄膜元件之间的间隔取决于数个因素，包含(但不限于)给水中的总溶解固体；薄膜的高度及周围水流的速度。在地表或淡水应用中，可能需要采用薄膜元件之间的约1/8英寸(约3毫米)的间隔。
在优选实施例的系统中，薄膜模块及/或滤筒可垂直排列或排列成任何其它适合的配置，例如从垂直倾斜、或水平(如果存在洋流)。在某些实施例中，所述模块可聚合于其中淡水从所述薄膜模块流到收集通道的刚性壳体处。为提供此类反渗透系统的有效操作，优选地针对每单位占用面积使暴露到高压盐水的薄膜的表面积最大化，例如，通过将所述薄膜元件放置为非常靠近在一起成平行‘鳍片’配置(例如，类似于散热器或热交换器中的‘鳍片’)。
或者，选定优选实施例的薄膜模块的配置可类似于常规反渗透薄膜模块的配置。举例来说，图6中所描绘的是四个矩形薄片210(a)到210(d)。构成图6中所描绘的反渗透薄膜元件的四个薄片包含：聚酰胺薄膜210(a)；渗透物间隔件210(b)(例如，用以分离两个薄膜片210(a)及210(c)以使淡水可在其之间流动)；第二聚酰胺薄膜210(c)；及未净化水间隔件210(d)(例如，用以将所述薄膜元件彼此分离以使得未净化盐水可在其之间流动)。图6显示在接合、卷动并插入到压力容器中之前的这些薄片。间隔件210(b)及210(d)为多孔的以允许水在其之间流动。未净化水流到整个薄膜表面且渗透物流到收集系统。可有利地采用的薄片的典型尺寸为约三英尺(0.91米)或三英尺四英寸(1米)乘以八英尺(2.44米)；然而，可采用任何适合的尺寸。采用可从薄膜制造商购得的具有一定宽度及/或长度的薄膜片可为优选的；然而，可采用任何适合的大小。在一个尺寸上较大的薄片可通过使用此项技术中已知的技术将较窄的长度结合在一起而获得，或者可按任何所需的尺寸来制造。采用整体薄片通常为优选的，因为此类薄片通常展示出比由在接缝处接合在一起的较小的薄片制备而成的薄片更大的结构完整性。同样地，当将薄膜制作成平坦夹层配置时，可能需要折叠所述薄膜(或系统中所采用的任何其它薄片组件)以形成所述夹层的一个侧，由此使封口及/或结合的数目最小化并借此增加所述系统的结构完整性，除非所述折叠赋予薄膜的性质的弱化。在卷动之前，密封这些薄片的三个侧(两个薄膜片及渗透物间隔件)。使第四侧处于敞开状态并将其接合到渗透物管道以便可将产品水移到收集系统。可采用任何适合的密封方法(例如，层压、粘合剂、压接、热封等等)。图7A及7B中呈现常规螺旋卷绕式模块中的这些元件的尺寸。所述照片显示具有缠绕于渗透物管周围的十二个薄膜层211的反渗透薄膜模块的剖面。在约二分之一英尺(12.7毫米)的半径中，存在上文结合图6所描述的四个薄片的十二个层。此类常规系统中的薄膜之间的流动空间通常极小，但所采用的压力高，从而允许将大薄膜表面积装配到小空间中。在优选实施例的薄膜滤筒中，薄膜元件之间的间隔不像常规反渗透系统中一样小使得表面张力实质上影响给水在薄膜元件之间的流动。而是，所述间隔大到足以使流动于所述薄膜元件之间的给水的容积足以维持所述薄膜之间的空间中的渗透压力，但小到足以将大薄膜表面积装配到相对小的容积中。
图8显示来自常规反渗透单元的薄膜元件212(在卷动之前)的横截面。在优选实施例中，不是将薄膜卷绕于收集装置周围，而是垂直排列薄膜214(a)、214(c)及渗透物间隔件214(b)，以便可用实际空间来替换未净化水间隔件214(d)，但在某些实施例中，可采用聚合物或其它间隔件薄片。
薄膜滤筒
图9A显示根据优选实施例配置的薄膜滤筒220的透视图。滤筒220包含大致安置于包括两个侧壁224(a)、224(b)的壳体内的一个或一个以上薄膜元件222。一个或一个以上刚性榫钉226(a)在滤筒220的顶部、底部及后部处延伸于侧壁224之间以维持侧壁224的间隔并给滤筒220提供结构支撑。一个或一个以上刚性榫钉226(b)在滤筒220的前部处延伸于侧壁224之间以执行此相同功能，以及提供供渗透物流过滤筒220的前部的空间(参见，例如下文对图17A的说明)。显示榫钉226(a)、226(b)延伸到侧壁224；然而，可能有其它配置。榫钉226(a)、226(b)还可经配置以维持薄膜元件222之间的间隔，但还可提供单独的间隔构件来执行此功能。在滤筒220的前端处，薄膜元件222由一个或一个以上密封间隔件227分离，所述间隔件从薄膜元件222的顶端延伸到元件222的底端。共同地，密封间隔件227形成滤筒220的前壁229。密封间隔件227经配置以提供水密密封，所述水密密封使流动于薄膜元件222之间的源水与流过薄膜元件222并进入到位于滤筒220的前端处的收集系统中的渗透物分离。侧壁224(a)、224(b)各自可包含一个或一个以上凹口228或经配置以与所述收集系统的对应结构配合的其它特征，以促进对穿过薄膜单元222的前端的渗透物的收集。薄膜滤筒220可经配置以耐受其将在操作期间暴露到的流体静压力，且可包括适于特定应用的材料。所述图示显示滤筒220中的总共七个薄膜元件222；然而，在优选实施例中，可依据将要产生的水量、薄膜之间的所需间隔或其它因素采用更大或更小数目的元件。图9A未按比例绘制且出于说明性目的而放大薄膜单元222之间的距离(举例来说，一个优选实施例的薄膜滤筒可为一米高，其中薄膜元件之间的间隔仅为6毫米)。
图9B到9F图解说明制造薄膜滤筒220的过程中的步骤。为建造薄膜滤筒，首先制备若干薄膜单元或元件222。每一薄膜元件222均包括由渗透物间隔片236间隔开的两个薄膜234。密封每一薄膜元件222的顶部、底部及后部边缘，如图9B中的虚线230所示，从而使薄膜元件222的前部边缘(图9B的右侧)处于敞开状态。密封所述边缘可使用粘合剂、压接方法、热封或能够形成可耐受所述薄膜元件的内侧与外侧之间的压力差的密封的任何适合的方法来实现。接着，将一个或一个以上间隔件232附接于薄膜元件222的边缘周围。间隔件232可延伸于薄膜元件222的周边以外，如图9B中所示，或可邻接所述周边。间隔件232可任选地包含经配置以接纳延伸穿过一系列元件222的榫钉的一个或一个以上凹口、凹罐或开口。当然，间隔件232可具有适于其既定用途的任何其它配置。在薄膜元件222的前端处，附接沿元件222的高度延伸的密封间隔件227。可使用粘合剂或任何其它适合的构件将间隔件232及密封隔离227附接或以其它方式耦合到薄膜元件222。一旦附接了间隔件232及密封间隔件227，即将另一薄膜元件222附接到间隔件232及密封间隔件227。重复所述过程直到建造出具有所需数量的薄膜元件222的滤筒为止。
图9C到9E显示薄膜元件222堆叠中的间隔件的各种配置。图9C显示由间隔件232间隔开的薄膜元件222堆叠的横截面。间隔件232延伸于薄膜元件222的边缘以外以缠绕于跨越所述滤筒中的所述系列的薄膜元件222的连续榫钉238周围。共同地，间隔件232与榫钉238形成跨越所述系列的薄膜元件222且可充当所述薄膜滤筒的结构组件的加强结构(参见，例如图9A中的榫钉226(a))。图9D显示替代实施例，其中间隔件240延伸于薄膜元件222的边缘以外。间隔件240可带有凹罐或凹口以接纳跨越所述系列的薄膜元件222的榫钉242，其中榫钉242装配到间隔件240中的凹罐中。榫钉242可包括(例如)聚合材料、复合物或金属。图9E显示再实施例，其包含经配置以紧密地接纳每一薄膜单元222的梳状榫钉244。在此配置中，薄膜单元222的间隔由榫钉244的齿维持，而无需额外间隔件。为制造此配置的滤筒，可将一系列薄膜单元222插入到榫钉244的齿之间的每一空间中。粘合剂或其它适合的啮合构件可任选地提供于这些空间中以确保榫钉244与单元222的适当啮合。另外，虽然图解说明为间隔件232延伸到薄膜234之间的区域中，但实施例还可采用未延伸到薄膜234之间的区域中的间隔件。举例来说，实施例可包含由延伸于所述薄膜区域以外的密封部件密封(在顶部、后部及底部边缘处)的薄膜元件。在此类实施例中，所述间隔件可安置于所述密封部件中延伸于所述薄膜区域以外的那些部分之间，而非所述薄膜本身之间。
图9F中更详细地图解说明薄膜滤筒220的前壁229。如图中所示，密封间隔件227安置于每一薄膜单元222之间。密封间隔件227沿薄膜单元222的长度延伸(参见图9B)且经配置以使流动于薄膜单元222之间的源水(如箭头231所示)与流过渗透物间隔件236并进入到收集通道的渗透物(如箭头233所示)分离。密封间隔件227实质上不妨碍渗透物在薄膜元件222之间的流动。可使用粘合剂或任何其它适合的方法将密封间隔件227附接到薄膜片234。
优选实施例的系统的占用面积随所需的容量、薄膜高度及薄膜元件之间的空间而变化。对于海水应用来说，假设薄膜元件间隔开1/4英寸(6.35毫米)，且薄膜为40英寸(1米)高，则针对每1,000平方英尺(93平方米)薄膜滤筒占用面积，所述系统可生产约400,000加仑/每天(约一百六十万升/每天)，假设约1.5gpfd(约61升/每平方米薄膜/每天)的通量率。薄膜模块可堆叠于深水下以进一步减少占用面积。如果所述薄膜系统部署于其中水流很大的区域中，则所述模块可比其中水流最小的那些区域中更紧密地堆叠，因为大水流将促进混合并移动离开顶部模块的浓缩物，借此使盐度与所述顶部模块下方短距离内的周围海水相均衡。在不存在大水流的情况下，可能需要提供用于促进混合海水并使海水移动跨越所述薄膜的系统，例如起泡器、喷射器或类似装置。
任何适合的薄膜配置均可用于优选实施例的系统中。举例来说，一个此类配置采用中心收集器，所述中心收集器具有从两侧毗连所述收集器的薄膜单元或滤筒。另一配置采用与径向收集器呈同心圆的薄膜单元来将饮用水移到所述中心收集器。
薄膜模块的深度
在所述海水应用中，优选实施例的薄膜模块优选地浸没到足以通过海水作用于薄膜上的周围压力而无需施加额外压力来产生所需渗透水的深度。此类深度通常为至少约194米，优选地至少约259米。然而，依据应用，优选实施例的系统可部署于其它深度下。所述259米深度对于海水反渗透从平均盐度(例如，约35,000mg/L)的海水中产生饮用水是优选的。如果准许一定程度的微咸性(例如，对于用于灌溉或工业过程的水)，则可采用更浅的深度。举例来说，生产适于灌溉农业的微咸水可借助浸没到从约100米到约247米的深度的某些薄膜来实现。可接受程度的微咸性可通过以下方式来加以选择：依据周围海水的盐度来选择薄膜类型(例如化学性质)及薄膜模块的深度。举例来说，利用纳米薄膜的优选实施例的系统可部署于约43米的深度下的海洋中以筛选出给水的约20％的盐度，而且移除钙及许多其它不需要的成分。此类系统可用作岸上淡化厂的离岸预处理系统，从而扩展现有工厂的容量并使维护以及总能量需要与标准岸上反渗透工厂相比减少约50％。利用超过滤(UF)及/或微过滤(MF)薄膜的优选实施例的系统还可结合不接近于海洋或更大深度的其它水体的常规淡化厂或工业应用使用。优选实施例的系统可经配置以供与其中钙或其它不合需要的成分的存在带来问题(例如腐蚀或水垢积累)的工业应用一起使用，例如发电厂冷却应用。供与优选实施例一起使用的适合RO及NF薄膜在市面上可从Dow Water Solutions，Midland，MI(密西根州，密德兰，陶氏水处理公司)及从Saehan Industries，Inc.，SouthKorea(韩国，世韩株式会社)购得。
在某些实施例中，系统可配置用于部署在较浅的深度下。举例来说，实施例可部署于浅海水域中(例如处于约7米的深度下)且用作低速海水摄取系统，例如以为岸上的发电厂生产冷却水。此类低速摄取系统有利地避免伤害海洋生物。此类系统还可采用滤布或滤网来替代次多孔薄膜。
另外，采用微过滤、超过滤或纳米过滤薄膜的优选实施例的系统可定位于处于浅至6米的深度下的地表水域及水库中且可经配置以从源水中滤除细菌、病毒、有机物质及无机化合物。举例来说，采用纳米过滤薄膜的系统可定位于约6到30米的深度下或定位于任何其它适当深度下，此视将要移除的总溶解固体及所需的产品水质而定。包含微过滤、超过滤或纳米过滤薄膜的优选实施例的系统也可适于从受污染供水中产生清洁水且配置用于放置在地面井中。在具有极低程度的溶解固体的淡水源中，源水的渗透压力是过滤过程中的不太重要的因素(通常，源水中每100mg/L总溶解固体需要1磅/每平方英寸(大约6.9kPa)的压力)。因此，薄膜的跨膜压力损失在针对所期望程度的处理确定所需深度时变得更占主导地位。
在某些实施例中，可使用诱发水柱来提供用以驱动过滤过程的压力。当小溪或河流不具有所必需的深度时，可将其转移到类似于大的深池的人工容器中。可将DEMWAXTM系统设置于所述池中。所述池通过以下方式来维持原始水源的流经性质：使多余的水流回到现有河流或小溪中、或流回到新的位置中(例如出于灌溉目的而转移)。因此，由薄膜筛选出的杂质可保留在其自然所在之处，例如在河流或小溪中。返回到河流或小溪的杂质的量通常足够小以使得其返回不显著改变水体相对于其自然状态的化学性质。用于此类应用的系统通常使转移多余的水成为必需；然而，原始水源的重力流动通常免除对大量(如果存在)人工抽送能量的需要。还可将薄膜模块设置于压力容器或罐内。可通过将源水抽送到罐中来诱发水柱。在具有显著高程改变(山区)的小溪的情况下，可引导水流入给水罐中，所述给水罐设置于高于具有所述模块的压力罐的预选高度处以诱发所需的水柱高度。
优选的情形是在距水源的底部足够的距离处安置DEMWAXTM模块以避免由淤泥、沉淀物及通常以更高浓度存在于水体底部附近的其它悬浮固体引起的薄膜积垢。优选地，将所述海水DEMWAXTM模块设置于距海底至少几百英尺处；然而，在某些实施例中，将DEMWAXTM模块设置于更靠近海底的深度处可能为可接受的。
同样地，如果需要在其中海洋很浅以致无法达到259米的深度的位置(例如，接近于海岸的某些位置)处采用所述系统，则在此类优选实施例中，可采用两遍式系统。通过将纳米过滤薄膜浸没到更浅的深度(例如，约152米)，优选实施例的系统可产生处于约7,000ppm盐度下的微咸水。接着，可以实质上低于常规反渗透系统的总操作成本使此微咸水经受另一反渗透过程(例如，在陆地上、在离岸平台上、或在任何其它适合的位置处)以得到饮用水。或者，可挖掘水体的底部以提供准许将薄膜模块设置于所需的深度下的腔、室或通道。
在优选实施例中，两遍式过程的第一遍使用具有纳米过滤薄膜的DEMWAXTM系统来产生盐度适当降低的水。将降低盐度的水抽送到海岸，在那里其经受第二遍过滤过程以使溶解离子浓度降低到具有大约80％回收率的饮用等级特有的浓度。第二遍过滤过程可采用常规螺旋卷绕式反渗透或纳米过滤薄膜系统。此过程所产生的浓盐水含盐度与原始海水相同或略低于原始海水。因此，可将此过程所产生的浓盐水处置(例如，回到海洋中)而不存在与常规基于陆地的反渗透系统中所产生的含盐度更高的浓盐水(其含盐度可接近原始海水的两倍)相关联的环境问题。所述两遍式过程还比常规基于陆地的淡化更具能量效益。所述过程的两遍(通过处于500英尺深度下且离岸六英里的DEMWAXTM系统的第一遍及常规淡化过程中的岸上第二遍)总共仅消耗约7.5kWh/kgal(约2kWh/m3)，而现有技术水平的反渗透工厂消耗超过16kWh/kgal(约4.2kWh/m3)或更多。可有利地将此系统用于现有常规岸上RO淡化系统以在(例如)红海中产生更清洁的给水(也就是说，具有更低盐度及其它不合需要的成分(例如钙)的更低浓度的给水)，从而改进效率并降低系统维护成本。
不同的海水域具有不同的盐度(例如，红海的盐度(40,000ppm)高于北大西洋(37,900ppm)，而北大西洋又高于黑海(20,000ppm))。不受陆地影响的公海的盐含量很少低于33,000ppm且几乎不高于38,000ppm。优选实施例的方法可经调整或修改以适应不同盐度的海水。举例来说，用于浸没优选实施例的DEMWAXTM系统的优选深度在盐度较高的水(例如红海)中较深，而在盐度较低的水(例如黑海)中较浅。本文中所提及的深度是对于平均盐度(33,000到38,000ppm，优选地约35,000ppm)的水优选的深度，且可经调整以适应更高或更低盐度的水。
间隔算法
薄膜元件优选地以一距离间隔开，所述距离允许未净化水在其之间自由流动，且在高溶解固体(即，海水)的情况下，近似地维持薄膜元件之间的整个空间中的给水的渗透压力。图10中描绘优选实施例的DEMWAXTM薄膜模块中的渗透物、给水及所产生的浓缩物(例如，浓盐水)的流动，其显示两个间隔开的薄膜元件300。每一薄膜元件300均包括由渗透物间隔件304间隔开的两个薄膜片302。如上文所论述，常规淡化压力容器中允许未净化水在薄膜之间流动的空间极小。优选实施例的系统优选地采用更大的间隔以促进海水或其它未净化水利用重力自然地流到薄膜表面302以将表面处所产生的较高密度的盐水向下拉(如箭头306所示)，借此从上方汲取周围盐度的海水。薄膜302所暴露到的水流越快，浓缩物处置得就越快，从而允许更大体积的给水接触薄膜302。箭头308指示穿透薄膜的渗透水。优选实施例的系统还可经配置以利用由重力向下牵引的密度更大的浓缩物所产生的对流在没有水流的水中操作。
为使每单位工厂‘占用面积’的工厂产量最大化，更靠近的间隔通常为优选的。已开发出一种算法，其在确定薄膜元件的优选间隔时虑及数个参数，此视存在的条件而定。
用于确定优选间隔的外生变量包含薄膜元件高度、浓缩物速度、通量、回收率及未净化水间隔件容积(如果存在)。薄膜元件的顶部与底部之间的距离确定浓盐水在与常规海水相遇之前落下多远。在不存在速度、通量或回收率改变的情况下，较高的元件优选地比较矮的元件与相邻元件间隔开更远。当饮用水穿透薄膜时，剩余的浓盐水由于其更高盐度而更重且重力致使更重的浓盐水落下，从而将更多的原始海水从系统的顶部向下拉。穿透每单位薄膜表面积的淡水的量依据系统的通量而变化。通量通常以加仑渗透物/每天/每平方英尺薄膜表面积(或者，替代地，以升渗透物/每天/每平方米薄膜表面积)为单位来测量，且通量越高，每单位渗透物容量所需的薄膜表面即越小。通量率可根据薄膜材料、海水盐度及深度(压力)而变化。暴露到实际穿透的薄膜的水的百分比称作‘回收’率。尽管高回收率(大约30％到50％或更高)对于常规岸上淡化厂的商业生存力通常是关键的，但其在优选实施例的系统中通常仅具有较低的重要性。以岸上工厂的50％回收率，所述系统必须处理、加压或以其它方式加工两倍于所生产的淡水的容积的海水。优选实施例的系统不需要如同在常规基于陆地的水处理及淡化系统中一样的以机械方式产生的压力、给水预处理或浓盐水处置。根据某些实施例，需要较低的回收率，因为较高的回收率导致接触薄膜元件的下部分的较高盐度的给水。优选实施例的海水DEMWAXTM系统的估计的回收率为约百分之二(2％)。回收率越高，必须暴露到薄膜表面的水即越少。如果使用未净化水间隔件，则在确定薄膜元件的间隔时必须考虑到所述未净化水间隔件的容积。
下文规定用于配置优选实施例的选定系统的薄膜间隔算法。尽管根据此算法的薄膜间隔特别优选，但可采用任何适合的间隔。
S = FH kRV
其中S是薄膜元件之间的空间，其以毫米(或英寸)为单位来测量；F是系统的通量，其以升/每平方米/每天(或加仑/每平方英尺薄膜表面积/每天)为单位来测量；H是薄膜元件的高度，其以米(或英寸)为单位来测量；R是回收率(暴露到薄膜的水流量的百分比)；V是浓盐水在元件之间落下的速度，其以米/每分钟(或英尺/每分钟)为单位来测量；且k是常数，其等于720(当通量以升/每平方米/每天为单位来测量时，高度以米为单位来测量，且速度以米/每分钟为单位来测量)或5,386(当通量以加仑/每平方英尺/每天为单位来测量且高度以英寸为单位来测量且速度以英尺/每分钟为单位来测量)。
因此，对于具有百分之二回收率及两加仑/每平方英尺/每天的通量的36英寸(在高度上)薄膜元件(其中浓盐水以每分钟三英尺的速度落下)，优选间隔为0.223英寸。
0.223 = 2 × 36 5,386 × 0.02 × 3
如果采用未净化水间隔件以例如在周围条件(水流等等)导致薄膜扰动时维持结构完整性，则间隔件的容积优选地成比例地增加薄膜元件之间的间隔。举例来说，如果间隔件占据薄膜元件之间20％的容积，则薄膜之间的距离增加以使得薄膜之间的容积增加20％。
呼吸管及存放容器
为使水流过薄膜，必须维持跨越薄膜的压力差。优选地，此通过以下方式实现：用潜水泵或干井泵抽空所述存放容器并使用呼吸管将所述容器暴露到大气压力。用于每天五百万加仑(一万九千立方米)的模块的呼吸管的直径的优选近似大小为五英寸(12.7厘米)；然而，可采用其它适合的大小。所述呼吸管可由任何适合的材料制作而成。举例来说，所述呼吸管可由聚合物、金属、复合物、混凝土或类似物建造而成。所述呼吸管经配置以耐受其在操作期间所暴露到的流体静压力而不塌缩。结构完整性可由所述材料本身或通过使用加强部件(所述管的内部或外部上的肋、所述管内侧的间隔件或或类似物)提供。
在优选实施例中，呼吸管连接到位于水下的存放容器。可将一个或一个以上潜水泵、干水泵或类似泵设置于所述存放容器中，所述存放容器可提供有用以将水运送到其既定目的地(例如更大的储存容器)的管线。所述存放容器的优选大小随泵操作要求而变化。
抽送能量
优选实施例的系统有效地利用深水流体静压力来替代泵来给反渗透过滤过程提供动力，且因此不需要常规基于陆地的淡化系统中所需要的巨大能量。优选实施例的系统采用抽送系统来将所产生的产品水抽送到地表并接着抽送到海岸，但此类能量要求实质上低于在基于陆地的系统中淡化水所需的能量要求。假定深水下水头压力，将水抽送到地表通常比将水从地表抽送到海岸需要多得多的能量。对于采用常规反渗透聚酰胺薄膜的优选实施例的系统，采用850英尺的操作深度来从海水中产生饮用水。对于其它薄膜化学性质或当净化不同盐度的水(淡水、微咸水、极咸水)时，可能需要更低深度或更高深度来获得具有相同的减少盐含量的水。
图11A到11C图解说明用于将渗透物从离岸DEMWAXTM系统抽送到海岸的各种配置。图11A显示悬浮于深水下的DEMWAXTM系统700。系统700包含一个或一个以上薄膜模块(或模块阵列)及经由呼吸管暴露到大气压力的收集系统，如本文中所描述。系统700连接到可包含挠性及/或刚性部分的渗透物管道702。渗透物管道702可从悬浮的系统700向下延伸到海底，接着跨海底延伸且直到海岸。悬浮的系统700还包含泵704，泵704经配置以通过管道702运送渗透物且直到海岸。由于悬浮的系统700中的收集系统保持处于大气压力下，因此在此配置中泵704必须克服以抽送渗透物直到海岸的水头压力随悬浮的系统700之间的垂直距离、渗透物管道出口的高程及将处理系统连接到海岸706的管线的系统水头损失而变化。
图11B显示悬浮于深水下的另一DEMWAXTM系统720。系统720包含一个或一个以上薄膜模块及经由呼吸管暴露到大气压力的收集系统，如本文中所描述。系统720连接到可包括挠性及/或刚性部分的渗透物管道702。渗透物管道702可从悬浮的系统720向下延伸到海底，接着穿过海底并到达去往海岸的中途。渗透物管道702在位于悬浮的系统720正下方的位置处进入隧道726。由于悬浮的系统720中的收集系统保持处于大气压力下，且由于所述抽送是从位于悬浮的系统720正下方的位置进行，因此悬浮的系统720无需包含用以将渗透物传送到陆地的渗透物泵。可替代地在渗透物管道702进入所述隧道处提供泵724，以将渗透物向上抽送到地表728。
图11C显示悬浮于深水下的另一DEMWAXTM系统740。系统740包含一个或一个以上薄膜模块及经由呼吸管暴露到大气压力的收集系统，如本文中所描述。系统740连接到可包含挠性及/或刚性部分的渗透物管道742。渗透物管道742可从悬浮的系统700向下延伸到海底，接着穿过海底并到达去往海岸的中途。渗透物管道742在位于悬浮的系统740正下方的位置处、在通向湿井745的隧道744的顶部处进入陆地。进入竖井746从地表750向下延伸到湿井745。由于悬浮的系统740中的收集系统与大气压力连通，且由于渗透物管道742终止于位于悬浮的系统740正下方的位置处，因此悬浮的系统740无需包含用以将渗透物传送到陆地的渗透物泵。另外，由于渗透物泵742在位于井745正上方的位置处进入陆地，因此在进入到陆地的点处不需要任何泵。系统740仅需要悬浮于井745正上方的短距离(例如，一英尺或两英尺(约三分之一米)处以在不使用泵的情况下将渗透物输送到海岸。可替代地在湿井745中提供泵748以经由进入竖井746将渗透物向上抽送到地表750。此系统的一个优点在于所有移动零件(例如泵)均可在陆地上或土壤下面而非离岸及在深水下容易地接近。
如上文所论述，优选实施例的系统相对于常规基于陆地的海水淡化系统提供实质性的能量节省。举例来说，将淡水从海下850英尺引导到地表的能量及将水抽送六英里到海岸的能量计算如下，且显示大多数能量要求在于将水引导到地表：
HP = HF pE
其中HP＝马力；H＝总动力水头(其以英尺为单位)；F＝水流(其以加仑/每分钟为单位)；p＝抽送常数＝3,960(在压头以英尺为单位且流以gpm为单位的情况下)；且E＝泵效率(假设为对于大型泵是典型的85％)。
为将五百万加仑饮用水/每天(或3,472gpm)(约18,900,000升，或13,144升/每分钟)抽送到地表，马力计算如下：
Figure G2008800047710D00231
由于淡化工业通常使用千瓦时/每千加仑(或kWh/m3)的单位来比较系统效率，因此使用转换因素0.745千瓦/每马力来将马力转换成千瓦。
876.8马力X 0.745＝653.2千瓦
因此，653.2千瓦将以3,472加仑/每分钟(5百万加仑/每天，18,900,000升/每天，或13,144升/每分钟)的容量给泵提供动力。所述周期内所消耗的能量为15,677千瓦时。能量要求与抽送的水的比产生3.14千瓦时/每千加仑的值。
为将水抽送到海岸，能量要求计算如下。使用与以上相同的公式，但假设针对每1,000英尺(305米)水平距离的六英尺(1.83米)水头压力损失设计值。假设六英里行程(9,656米)，所述值等效于190英尺(58米)水头损失(5,280英尺/每英里x六英里x六英尺＝190英尺；(9,656米÷305米)x 1.83米＝58米)。在这些假设下，需要额外190马力(146千瓦)抽送功率来将水抽送到海岸。
Figure G2008800047710D00232
将马力转换成能量产生146千瓦能量要求。达24小时的146千瓦负载(3.506兆瓦时除以五百万加仑)产生0.70千瓦时/每千加仑的能量消耗。
除所述抽送能量以外，优选实施例的系统通常还具有站及维护能量负载，其估计为所述抽送功率需要的5％。举例来说，用于优选实施例的一个系统的总能量使用提供于表1中。
表1.
  能量使用   千瓦时/每千加仑(kWh/m3)
  到地表的泵能量   3.14(0.83)
  到海岸(6英里)的泵能量   0.70(0.18)
  辅助能量(泵能量的5％)   0.19(0.05)
  总能量使用   4.03(1.06)
此仅为四千瓦时/每千加仑(约1.1kWh/m3)的总能量要求实质上低于通常消耗超过十六千瓦时/每千加仑(超过4kWh/m3)的现有技术水平的反渗透系统的能量要求。举例来说，Tuas(大士)淡化厂于2005在新加坡竣工且其承包商将其吹捧为仅需要16.2千瓦时/每千加仑(约4.3kWh/m3)的“世界上最有效的淡化厂之一”。即使常规水源也往往需要比用于沿海居民的DEMWAXTM系统多得多的能量。表2提供证明与大士淡化厂及众所周知的干旱沿海地区的两个主要水资源的能量效率相比优越的优选实施例的系统的能量效率的资料。
表2.
  水资源   千瓦时/每千加仑(kWh/m3)
  加利福尼亚州水项目   9.2到13.2(2.4到3.5)
  科罗拉多州河流输水道   6.1(1.6)
  大士淡化厂   16.2(4.3)
  DEMWAXTM海井系统   4.0(1.1)
DEMWAX TM 系统的优点
DEMWAXTM系统提供相对于常规水资料且更具体来说相对于常规水处理及淡化技术的众多成本优点。举例来说，常规反渗透系统需要相对高的操作压力(大约800psi(5,516kPa))来生产饮用水。DEMWAXTM系统不需要能量来加压给水。由于DEMWAXTM系统中利用深水自然压力，因此不存在对人工形成压力的泵的需要。
优选实施例的系统中不需要如同在常规水净化或淡化系统中一样的源水处置。由于常规淡化过程摄取给水并接着处置具有两倍盐度的浓盐水，因此所述系统的组件必须经策划以耐受海水及盐水的腐蚀作用。优选实施例的系统不需要处置任何给水。仅薄膜及壳体被暴露到给水，因此所述组件因不需要专用防腐材料来输送源水及浓盐水或浓缩物而制造起来费用少得多，其需要较少的维护，且其具有较长的寿命。在常规淡化厂中，用于耐受盐暴露的腐蚀效应的材料制造起来比用于优选实施例的系统的材料昂贵得多。此外，假定常规反渗透系统的大约50％产量，针对所生产的每一加仑淡水必须处置两加仑海水。相比之下，在优选实施例的系统中，仅须处置一个加仑的淡水。
在优选实施例的系统中不采用专用摄取及预处理系统。常规反渗透工厂中的海水摄取系统靠近海岸及水面，且因此摄取包含有机材料的大量悬浮的物质。此材料造成需要维护且减少薄膜寿命的薄膜积垢及压实。在某些实施例中，DEMWAXTM薄膜部署于其中减少的光使有机生长最小化的深水下。此也消除对筛选出较大固体及有机材料的预处理系统的需要。
在操作于深水下以生产产品水的优选实施例的系统中不采用浓盐水或浓缩物处置系统。当采用优选实施例的系统来在较浅的深度下产生将要在第二过程中进一步净化的微咸水时，浓盐水生产显著低于在常规淡化过程中。同样地，当采用优选实施例的系统来以一步过程(或甚至两步或两步以上的过程)在深水下产生饮用水时，浓盐水生产亦显著更低。处置常规反渗透过程的浓盐水副产品具有不利的环境影响。处置浓缩浓盐水危及处置点处的海洋生物。往往，环境机构要求反渗透工厂在将浓盐水返回到海洋之前以额外成本用更多海水稀释盐水，从而将另一重要组件及因此费用添加给工厂。
与需要靠近居住区中的海岸的大片陆地的典型大效用规模工厂(其必然成本昂贵)相比，优选实施例的系统没有很高的陆地要求。优选实施例的系统通常不需要任何陆地，除了为提供对所产生的水的接近或在某些实施例中为提供内陆混合设施(如果必须在配送之前对水进行添加处理(例如，加氯处理、加氟处理等等)所必需以外。用以缓冲连续生产与可变当天需求之间的关系的储存罐可能很大；因此，供应缓冲优选地由离岸链系的水下、挠性罐提供。这些储存罐消除对大型刚性岸上罐及附带高度策划的基础设施的需要；然而，在需要时(例如在现有罐的情况下)，优选实施例的系统可与岸上罐一起使用。同样地，在某些实施例中，可期望不采用任何类型的罐。可丢弃所产生的任何多余的水，或者可在其产生时采用所产生的全部水。此配置的优点在于减少的设备费用。
优选实施例的其它益处包含恒定生产的能力。水的温度影响通量(水穿透薄膜的速率)。由于常规淡化厂所收集的近地表水全年中在温度方面有差异，因此常规反渗透工厂产量也可变化。DEMWAXTM系统没有此波动产量的缺点，因为不管季节或水面上的气候条件如何，薄膜暴露到的深水域通常均处于相对恒定的温度下。
优选实施例的系统在与常规基于陆地的工厂相比时提供优越的灵活性。此类常规工厂可视为位于陆地上的硬资产，其可遭受比可用作位于海上且潜在地位于国际水域中的移动资产的优选实施例的系统更大的风险。与陆地及移动性的隔离允许将系统移到具有更大需要或更大利润率的区域。
优选实施例的系统有助于针对受到可使常规饮用水源污浊的自然灾害(例如地震及海啸)影响的区域的移动的临时大规模水生产。优选实施例的模块化及可按比例调整设计也有助于极大规模的离岸应用。此外，假定此模块化性质，大部分成本在于系统本身而非经受比其中制造DEMWAXTM滤筒及其它组件的受控工厂背景多得多的变量的原地设计、策划、建造及土建工程。
除成本优点以外，优选实施例的系统具有显著的环境及生产优点。环境优点包含零浓盐水产生及因此处置。常规淡化厂摄取海水并将其中约一半以具有两倍盐度的浓盐水的形式返回(在许多情况下到靠近海岸的位置)。此更高盐度的浓盐水对处置的区域中的海洋生物具有不利的影响。通过分散及混合，浓盐水最终由海水稀释，但由于连续淡化过程，在常规淡化系统的排放管周围始终存在其中海洋生物受到影响的区域。优选实施例的系统通常净化暴露到薄膜的水的约百分之1到3，由此仅在薄膜附近产生远远快得多地被周围海水稀释的略高浓度的海水。此外，在从约500英尺到约1,000英尺的深水下，由于光不足而存在少得多的海洋生物。
优选实施例的系统还提供显著的应用灵活性。举例来说，优选实施例的系统可用于淡水应用中以从供水中滤除不需要的成分，例如细菌病毒、有机物及无机物。例如，适合与淡水应用一起使用的优选实施例的系统几乎没有陆地要求，且不需要源水摄取系统或专用浓缩物处置。此外，适合与地下水应用一起使用的优选实施例的系统可防止当其它水处理方法为价格高得令人不敢问津时放弃受污染的地面井。用于处理地表、地面或其它淡水源的优选实施例的系统提供与用于处理海水或盐水的系统类似的优点。
水使用具有显著的环境影响。由于来自海洋的廉价水可替换从天然水流抽取的水，因此可使此类小溪及河流返回到其天然状态，或者可在上游取出更多水以保证更大的内陆水需要。科罗拉多河由于上游抽取而很少溢出至北墨西哥的科特斯海。科罗拉多河输水道每天向南加利加利福尼亚提供12亿加仑(45亿升)水。优选实施例的各自能够产生100MGD(约3亿7千8百万升/每天)的十二个淡化系统可替换来自科罗拉多河的南加利福尼亚分配。
能量与水密切关联。将水抽送到使用点时使用巨大的能量。优选实施例的系统具有比常规淡化厂或水项目(例如科罗拉多河输水道及加利福尼亚州水项目)大得多的能量效益。因此，增加的效率促成较低的能量消耗。由于大部分发电排放温室气体(例如燃煤发电厂)，因此较低的水的单位能量使用成比例地降低温室气体排放。
优选实施例的系统的附加优点在于常规及廉价技术以及材料可用于所述系统的许多组件，例如，薄膜材料(例如聚酰胺)、用于水罐及管道的HYPERLONTM型材料、用于薄膜模块壳体及存放罐的聚氯乙烯(PVC)、常规潜水泵或干井泵、常规发电设备(例如引擎、涡轮机、发电机等等)，且可采用常规平台(混凝土或其它材料通常用于离岸平台，例如在石油生产工业中)。此外，用于优选实施例的系统中的薄膜材料由于较低的通量率及较低的操作压力而通常具有比用于常规反渗透系统的那些薄膜材料更长的寿命；因此，可产生较低的维护及材料成本。用于支撑薄膜模块的平台或浮筒可方便地由预应力混凝土以低成本建造而成，且可以模块化形式制造而成以使得其可通过组合各种模块(例如悬浮模块；发电模块；燃料储存模块；控制室模块；备用件储存模块；等等)来加以大规模生产并配置到特定项目。
大型基础架构项目(例如淡化厂或发电厂)的建造通常主要在现场进行。因此，与常见装配线制造相比，调度及工作流程顺序问题以及现场具体策划显著增加建造复杂度及成本。相反，优选实施例的系统可在现场外的方便位置处建造并输送到所需位置来进行部署。
可用于优选实施例的系统的浮动平台是移动式且可在世界上数个位置处生产并输送到所需要的位置。或者，可利用建造于海床上的固定平台。优选实施例的系统可(例如)通过使用位于海底下面的短管道及处于近岸环境中的达数百码的开罐连接到现有基于陆地的水系统。
薄膜模块
图12到15描绘优选实施例的DEMWAXTM系统的各种配置。图12以平面图显示DEMWAXTM薄膜模块310的基本图示(未按比例)，其图解说明具有刚性渗透物间隔件314的薄膜元件312。刚性间隔件314使膜面316在深水压力下维持分离，从而促进从每一薄膜元件312的相对膜面316之间收集淡饮用水(渗透物)。渗透物的流动由箭头318、320指示。海水(盐水)在薄膜片312之间的空间中自由流通。位于薄膜片312的一个端处的刚性PVC壳体322收集渗透物并将其传送到与收集系统流体连通的管道324。薄膜片312由在未净化给水侧上放置于薄膜片312之间的任选盐水间隔件326维持呈间隔开配置。
图13描绘具有波纹形元件332及直元件334的波纹形编织塑料纤维330。这些纤维适合用作薄膜单元之间的间隔件以用于维持供未净化水流动的充足空间。
图14显示供与DEMWAXTM系统一起使用的收集器元件340的基本图示(未按比例)。水平螺柱(未描绘)用于在收集器元件340暴露到深水压力时给其提供结构完整性，同时允许渗透物流过收集器340。依据用于建造所述收集器元件的材料，可省略螺柱(水平、垂直、或其它配置、或整体式或其它多孔内部支撑物)(例如，当采用能够耐受深水压力的高强度材料时)。收集器元件340可具有带有狭罐以允许对薄膜滤筒或元件的附接的侧342、以及配置用于附接到收集系统的连接器管道344。
图15A显示供与DEMWAXTM系统一起使用的壳体元件350的基本图示(未按比例)。薄膜单元或元件352在一个端处附接到收集器元件354。壳体350使薄膜352维持呈间隔开的松散格子，从而维持薄膜352的结构完整性、薄膜352的间隔及海水到薄膜352的自由流动。
图15B提供中心收集器元件362的薄膜模块360的视图，其中薄膜364附接在中心通道的两个侧上。图15C显示根据另实施例的薄膜模块380，其中滤筒382耦合到具有延伸穿过其的内部通道388的收集通道384。每一滤筒382可包含多个薄膜单元387。内部通道388与源水分离但与薄膜单元387的渗透物侧流体连通。收集通道384经由出口389(a)、389(b)以流体方式连接到存放罐386的湿井部分390。在收集通道384与湿井390之间提供两个出口389(a)、389(b)允许释放在填充内部通道388期间所陷闭的空气。泵392可提供于湿井部分390中且经配置以通过渗透物管道394将渗透物抽送到离岸或岸上储存罐器。存放罐386通过呼吸管396暴露到大气压力。还可提供电力电缆398并将其连接到离岸或岸上发电设施以给泵392提供动力。
图16图解说明根据优选实施例配置的收集器系统400。系统400包含两个翼402，所述两个翼402包括形成、弯曲、连接或以其它方式配置成类似框架的形状以形成收集通道的管道或管。薄膜滤筒401于翼402上的布局由虚线图解说明。翼402的顶部及底部部分403(a)、403(b)可经穿孔以允许渗透物从滤筒401流入翼402中。然而，翼402的端部分403(c)可具有实心外壁，因为这些部分暴露到源水。翼402可包含经配置以使滤筒401的渗透物侧与源水分离的端板405。翼402还可具备用于结构增强的支柱(未显示)
每一翼402均经由一个或一个以上出口407以流体方式连接到装纳潜水泵406(以虚线显示)的中心通道或存放罐404。渗透物管道412可从存放罐404延伸到临时储存库或一直到海岸。存放罐404可具有延伸于翼402下方的被包封的底部部分408。底部部分408可经配置以装纳感测设备，例如温度感测设备。存放罐404还可具有延伸于翼402上方的被包封的上部部分410。呼吸管414从上部部分410延伸到水体的表面，且经配置以将收集系统400的内部维持在约大气压力下。上部部分410可具备传感器(未显示)，所述传感器经配置以感测储存于收集系统400中的渗透物的程度并根据对产品水的需求来调节泵406的操作。上部部分410可任选地包含经配置以提供临时浸透物储存的侧向延伸臂416。临时储存库还可在渗透物管道412的路径内提供于收集系统410外侧。臂416可包括(例如)来自存放罐404的管道延部部分。翼402及存放罐404可具有适于其既定用途的配置。举例来说，翼402及存放罐404可具有大体圆形或大体矩形的横截面形状。翼402及存放罐404还可具有连续或可变横截面。依据特定应用的深度及收集器系统400将被暴露到的条件，翼402及存放罐404可包括金属、PVC或任何其它适合的材料。通过此配置，收集系统400可起到收集渗透物及为所述系统提供结构加强以免受环境条件影响的双重作用。
图17A显示包括附接到收集系统430的若干薄膜滤筒432的薄膜模块的局部剖面透视图。滤筒432中的一者已被移除以更好地图解说明收集系统430的若干部分。收集系统430的端部分也已被移除以图解说明所述收集系统的内部通道431。收集系统430具有顶部部分434及底部部分436，且由延伸于顶部部分与底部部分434、436之间的支柱440加强。薄膜滤筒432经置放以使其前壁433(参见图9A到9F)在系统430的两侧上与收集系统430成邻接关系。滤筒432的前端上的榫钉438坐靠在支柱440上，从而允许渗透物在支柱440周围自由流动。包封滤筒432的前壁433与收集系统430的顶部及底部部分434、436的区域以使薄膜的渗透物侧与周围源水分离。顶部及底部部分434、436经穿孔以接收从滤筒432流入收集系统430的内部通道431中的渗透物。薄膜的渗透物侧通过与收集系统430流体连通的呼吸管(未显示)保持处于约大气压力下。
当薄膜模块被浸没时，周围源水充分自由地流过每一滤筒432的顶部、底部及后部。薄膜的源水侧与薄膜的渗透物侧之间的压力差致使渗透物流到薄膜的低压(渗透物)侧。虽然图解说明呈其中滤筒位于收集系统的两侧上的大体对称配置，但薄膜模块可配置成任何其它适合的配置。
图17B显示根据另实施例配置的薄膜模块450的透视图(未按比例)。模块450包含附接到包括各种互连管道的收集框架451的若干滤筒452。收集框架451包含设置于框架451的拐角处的四个柱454。柱454包括垂直定向的管道，所述垂直定向的管道由一个或一个以上端管456连接于框架451的两个相对侧处。于框架451的其它两个侧处，柱454由一个或一个以上收集通道458连接。所图解说明的实施例包含两个上部及两个下部收集通道458，每一通道458均具有顶部区段460(a)及底部区段460(b)。每一收集通道458经配置以支撑一组滤筒452并接收流过滤筒452的前壁(即，滤筒的邻接收集通道458的端)的渗透物，同时阻止源水流入收集通道458中。每一收集通道458可包含端板462或经配置以使滤筒452中的薄膜的渗透物侧与周围源水分离的其它特征。薄膜的渗透物侧通过与收集框架451流体连通的呼吸管(未显示)保持处于约大气压力下。收集通道458可大致如上文结合图17A所述来加以配置，或可具有适于其既定用途的任何其它配置。通过此互连管道系统，收集框架451可起到储存渗透物及为所述系统提供结构加强以免受环境条件影响的双重作用。一个或一个以上泵(未显示)可提供于柱454中的一者或多者中，或所述系统中的任何其它地方，以将所收集的渗透物抽送到地表。
框架451还可包含经配置以给模块450提供额外结构支撑的一个或一个以上加强部件464。加强部件464可安置于柱454与端管456之间，如图中所示。另外或替代地，加强部件可安置于端管456与收集通道458之间、两个或两个以上柱454之间、两个或两个以上收集通道458之间、及/或呈任何其它适合的配置。所述加强部件可包含实心部件，或者可包括空心管道以形成所述收集系统的一部分并提供所述系统内的额外储存。走道466可任选地附接在框架451的中心处以在模块450的建造及维护期间提供接近。
图18显示描绘DEMWAXTM工厂的俯视图的基本图示(未按比例)，DEMWAXTM工厂包含离岸平台500及数个浸没的薄膜模块502。模块502配置成不同排且连接到渗透物收集器线路503。所述平台可支撑用于所述系统的操作的设备(发电、抽送、等等)。
图19显示描绘布置成平行及串列配置的浸没的DEMWAXTM模块504的俯视图的基本图示(未按比例)。
图20显示支撑DEMWAXTM模块508的浮筒506的阵列系统的平面图。电力电缆将浮筒/模块站连接到发电平台510，且水管将每一浮筒/模块站的收集系统连接到离岸或岸上储存库。
图21显示支撑DEMWAXTM模块522的浮筒520的阵列系统配置的侧视图。每一模块522均包括以流体方式连接到收集器系统526的一个或一个以上薄膜模块524。收集器系统526经由呼吸管528暴露到大气压力。电力电缆及渗透物管道530(其设置得深到足以避开水面交通)将浮筒/模块站连接到离岸或岸上发电及水储存库。每一浮筒/模块站均由系链532锚定到海底。
为使多排阵列的占用面积最小化，成排的模块可在彼此顶部上堆叠成层。所述层可垂直间隔开以允许在从上层的薄膜模块落下的较重的渗透物与周围海水之间发生混合。可采用任何适合的配置，且可根据需要添加或移除成排的模块，例如，以增加或减少渗透物生产量、以替换受损模块、以清洁模块、或以分解所述系统的一部分以供输送到别处。
反渗透薄膜系统及配置
如上所论述，任何适合的配置均可用于优选实施例的系统中所使用的反渗透薄膜。这些配置包含松散螺旋卷绕式配置，其中平片式薄膜缠绕于中心收集管道周围。此类系统的密度通常为从约200到1,000m2/m3。模块直径通常大到40cm或更大。给水在圆柱形模块上沿轴向流动而渗透物流入所述中心管道中。螺旋卷绕式系统展示出高压耐久性，是紧凑的，展示出低渗透压力降及低薄膜浓度，并展示出最小浓度极化。优选地，将所述螺旋卷绕式模块设置成垂直配置，以促进将密度较大的浓缩物远离薄膜表面来传送。
可用于优选实施例的系统的另一配置通常称作板或框架。薄膜片被放置成其中给水侧彼此面对的夹层式配置。给水从所述夹层的侧流动且从所述框架(例如，在一个或一个以上侧上)收集渗透物。薄膜通常由波纹形间隔件保持分开。密度通常为从约100到约400m2/m3。此类配置是有利的，因为结构及薄膜替换相对简单。在板及框架配置中，如同在其它配置中一样，薄膜优选地间隔开足够远以使表面张力不妨碍对流水流向下并远离薄膜表面传送密度较大的浓缩物。
可有利地用于优选实施例的系统的另一薄膜类型是空心纤维薄膜。大量的这些空心纤维(例如数百或数千)被捆绑在一起并装纳于模块中。在操作中，深水压力被施加到所述纤维的内部，从而迫使饮用水进入所述纤维中的每一者的中心通道或内腔中而溶解离子保留在外侧。饮用水收集于所述纤维内侧且通过端汲取出来。
所述纤维模块配置是高度期望的配置，因为其使得模块能够实现每单位容积极高的表面面积。密度通常高达约30,000m2/m3。所述纤维通常布置成在端上被罐装的束或圈，其中纤维的端在一个端上敞开以抽取渗透物。薄膜模块中的纤维薄膜的充填密度界定为由所述纤维所占据的横截面罐装面积。在优选实施例中，薄膜是间隔开的(例如，以低充填密度)，举例来说，通常采用从约1mm或更小到约10mm或更大的纤维壁之间的间隔。
通常，模块内的纤维具有从约5％或更小到约75％或更大，优选地从约10％到约60％，且更优选地从约20％到约50％的充填密度(如上文所界定)。任何适合的内径均可用于优选实施例的纤维。由于纤维暴露到的深水高压，针对较大的结构完整性采用小内径是优选的，例如，从约0.05mm或更小到约1mm或更大，优选地从约0.10、0.20、0.30、0.40或0.50mm到约0.6、0.7、0.8或0.9mm。纤维的壁厚度可基于所使用的平衡材料及过滤效率所需的强度来加以选择。通常，在某些实施例中，可采用从约0.1mm或更小到约3mm或更大，优选地从约1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8或1.9mm到约2.0、2.1、2.2、2.3、2.4、2.5、2.6、2.7、2.8或2.9mm的壁厚度。可能需要在所述纤维中采用多孔支撑物或充填材料(例如，当纤维具有相对大的直径或相对薄的壁时)以防止在深水压力下塌缩。优选支撑物是乙酸纤维素；然而，可采用任何适合的支撑物。
纤维的长度优选地相对短，以克服流动阻力。如果暴露到相对快速移动的水流，则可采用更长的纤维。
在某些实施例中，可有利地给位于纤维下方的薄膜模块提供通风及/或液体流动源(例如，经加压的水或含有夹杂空气的经加压的水)，以使得气泡或液体可沿纤维的外部流动以提供擦洗作用从而减少污积垢并增加薄膜寿命，或减少薄膜表面处的浓缩极化。类似地，可使薄膜振动(例如，以机械方式)以产生类似效应。通常优选的情形是允许薄膜在周围条件下作用而无需将以机械方式产生的水流或流引入到薄膜中(例如纤维或薄片)，以便使能量消耗最小化。然而，在某些实施例(例如具有高浑浊度或有机物含量的水)中，可能需要提供此类水流或流以便通过减少积垢来增加薄膜寿命。
纤维优选地布置成圆柱形阵列或束，然而，还可采用其它配置，例如正方形、六边形、三角形、不规则及类似配置。使薄膜维持呈敞开间隔开配置以便促进海水及渗透物在其中流动是优选的；然而，在某些实施例中，可能需要将纤维或纤维群组捆绑在一起，以分隔所述纤维，或将所述纤维封包封于保护屏栅、护罩或其它配置内以保护薄膜不受机械力影响(例如，在处理期间)并维持其间隔。优选地，所述分隔物或间隔件由相应纤维群组之间的间隔形成，然而，还可采用多孔(例如，屏栅、夹片或环)或实心分隔物或间隔件。所述纤维束可由支撑屏栅来保护，所述支撑屏栅具有适当间隔开以使海水能够在所述纤维周围不限制地流动的垂直及水平元件两者。
在某些优选实施例中，可能需要将薄膜包封于可提供保护以免受机械力影响(例如，如同在封闭于保护管内的常规螺旋卷绕式薄膜中一样)的容器或其它外壳内，并连续地或间歇地将海水引入到含有薄膜的容器中(并从含有薄膜的容器中移除浓缩浓盐水)。然而，通常优选的情形是使薄膜部分地或全部地不被包含在内以使其直接暴露到周围源水。
任何特定配置(薄片、螺旋卷绕式或纤维)的薄膜均有利地提供成滤筒形式。所述滤筒形式准许将所需数目的滤筒接合到渗透物抽取系统以便产生所需体积的渗透物。滤筒系统还有利于促进对具有被污浊或泄漏薄膜的滤筒的移除及替换。
随着时间推移，薄膜的效率由于杂质吸附于薄膜表面上而降低。结垢因悬浮的无机粒子(例如碳酸钙、硫酸钡及铁化合物)阻碍过滤能力及/或增加操作压力而降低薄膜的效率。当有机、胶状及悬浮的粒子阻碍过滤能力时，出现积垢。可使用常规防阻剂及防垢剂来清洁薄膜以再生过滤能力并增加薄膜寿命。物理清洁方法(例如回洗)也可有效地再生薄膜以增加薄膜寿命。在回洗中，迫使渗透物往回穿过薄膜。用于优选实施例的系统中的薄膜可按照针对预防性维护的正常清洁时间表或正常薄膜替换时间表来放置。或者，可采用系统来检测何时必须进行清洁或替换(例如当渗透物流动速率降低预选量时，或当维持渗透物流动速率所必需的压力增加到预选量时)。
支撑结构
适合与优选实施例的系统一起使用的离岸平台包含通常用于离岸石油钻探及石油生产的那些离岸平台。固定式离岸平台建造成多种多样的结构配置，且包含建立在海底上并从海底延伸穿过水面的任何结构。平台中装纳支持淡化过程的设备的部分通常称作平台最上层或甲板。平台中从海底延伸穿过水面并支撑最上层的部分通常为称作管道架(管状空间框架)、拉索平台或张力腿平台的类型。平台包含其中浮动平台经由钢筋束(例如钢缆)连接到海底的张力腿平台。
另一类型的浮动平台是通常呈借助钢缆锚定到到海底的浮动圆柱形结构的翼梁平台。所述平台可以是刚性的，或包含刚性框架结构的活节连接。拉索平台通常在垂直及横向方向上支撑于基座上同时围绕所述基座自由地旋转脱离垂直。通过朝向所述平台顶部附接且远离所述平台基座某一距离锚定到海底的拉索线阵列来给所述平台供应稳定性。使所述平台在因所附接的拉索内的张力水平偏斜之后恢复到垂直位置。基于重力的结构是大型结构，其经设计以牵引到安装位置，在那里其稳定下来并由重力在海底上保持在适当位置中。基于重力的结构具有用于在到安装地点的海上牵引期间携载大的甲板有效负载的巨大能力，且其一旦就位即将甲板传送到所述结构。其它平台(通常称作半潜水平台)包含在极端气候事件期间提供稳定性的通常超过20,000吨排水量的大体矩形或圆柱形浮桥。
或者，可使用容器来支撑优选实施例的系统，例如，驳船、油船或翼梁平台。翼梁平台通常具有细长沉箱壳，所述细长沉箱外壳具有极深的龙骨吃水(通常大于500英尺)。所述翼梁将上甲板支撑于海面上方且使用附接到所述壳并附接到海床锚的悬链锚索来系泊。立管通常从所述翼梁平台的壳中的月池向下延伸到海底。典型翼梁平台的壳呈大体圆柱形形状，其通常由以圆形形式定位且具有穿过所述壳的等深点以形成圆柱形结构的垂直径向平面的一大系列的弯曲板形成。此圆柱形设计用来降低由洋流引起的涡流散发的严重程度并更有效地抵抗流体静压力。
在较浅的水中，可有利地使用海底支撑平台。位于较浅水域中的平台是针对静态风及波浪负载而设计。
在另一配置中，可采用例如气球的浮力结构(例如包封空气的混凝土壳体或其她此类配置)来使DEMWAXTM模块悬浮于深水上方。所述浮力结构可链系到海底，或者可配备有推进装置以将所述模块维持在所需位置(深度及/或纬度及经度)处。在此配置中，所述浮力结构可位于水面处，或被浸没。如果浸没所述浮力结构，则可采用浮筒或其它水面结构来支撑呼吸管(如果存在)。可根据需要采用浮力结构来支撑系统的任何其它组件，或者可结合其它支撑系统使用浮力结构。用以支撑DEMWAXTM模块的浮筒系统描绘于图20及21中。
可提供甲板结构来支撑用于操作优选实施例的系统的人员及设备(例如发电机、或引擎驱动式液压发动机、泵、船员住处等等)。离岸平台可以是载人式的，或者(优选地)不载人式的。不载人式离岸平台需要周期性维护；然而，出于周期性维护目的，维护队必须访问平台以实施所必需的维护工作。对离岸平台的接近可(例如)通过直升机或船来提供。因此，可有利地为平台提供直升机甲板或支撑船员及设备到平台上及离开平台的传送的其它结构。可在平台上提供能量产生器(例如发电机或引擎驱动式液压发动机)以供在将要实施维护时使用。当供维护使用的此类发电机或发动机永久地安装于平台上时，此还增加平台的成本。如果替代地其由支援船舶来输送，则此对船员来说是不方便的，尤其当将此设备从船舶输送到平台时。在某些实施例中，可能需要在深水下发电(例如，水下发电)。在此配置中，可能需要将除呼吸管(如果采用)以外的所有组件设置在深水下。
在替代配置中，单一DEMWAXTM模块或小模块群组可悬挂于浮筒上或直接链系到底部。可将数个此类模块串在一起以形成较大的工厂，此可免除其中不需要平台(例如，出于美学或环境影响的原因)的那些区域中对大型平台的需要。浮筒单元可并入有小型发电机及燃料罐或水下传输电缆。或者，可采用更大的浮筒或小型平台等等来装纳具有悬挂于其上的DEMWAXTM模块的数个更小浮筒的发电设备。在优选配置中，所述浮筒设置于渗透物储存罐或结构周围。
优选实施例的薄膜收集系统可以任何适合的配置使用，例如，以同心圆配置、或其它配置(例如‘最紧密充填的’六边形配置、具有馈入到径向收集器中的八个梯形薄膜模块的同心八边形阵列、或馈入到中心收集器中的呈任何配置的一系列收集器。除了水平间隔开的阵列或模块以外，还可采用垂直间隔开的阵列或模块。
替代电力供应
由于DEMWAXTM具有比常规淡化系统低得多的能量要求，因此其特别适合与可再生电力资源(例如风力发电机或太阳能光电伏打)整合以服务于小的、远程水负载。同样地，如果DEMWAXTM系统设置于经历极高及极低潮汐的区域中，则可有利地利用潮汐能量来为所述系统发电。如果可使用本地的丰富及/或低成本燃料源(例如，生物柴油、甲烷、天然气、沼气、乙醇、甲醇、柴油、汽油、船用燃料、煤或其它含烃燃料)，则可能需要选择可利用这些燃料源的发电机。或者，如果电可方便地从岸上的地点得到，则可针对电力需要提供通到DEMWAXTM平台的电力电缆。其它能量产生系统可包含涌浪及潮涌系统或核能系统(基于陆地或水下)。
替代实施例
虽然上文特别参照反渗透薄膜及海水淡化应用描述实施例，但实施例可有利地与其它类型的薄膜一起使用并用于例如下文所描述的众多其它应用中。
淡水应用
例如野生动物、城市排水及有机生长等源给来自湖泊、水库及河流的水带来污染。最常见的处理方法是一种包含化学增强澄清、过滤及淡化的三步过程。常规澄清过程通常使用昂贵的化学物质来凝结有机污染物从而产生必须处置到填埋场的泥渣。沙或薄膜过滤步骤是资金及空间密集型的。通过使用水体中的水柱所施加的自然压力来驱动处理过程，可有利地使用DEMWAXTM系统的实施例以比常规系统更有效地替换这些过程中的头两个过程，其不使用化学物质，具有降低的复杂度，以少得多的资金成本且具有更好的产品水质。
适于处理地表水以供饮用使用的优选实施例的系统通常利用包含纳米薄膜单元的薄膜模块。纳米薄膜的更小的孔大小产生远远超过当前EPA地表水处理要求的水，且低通量(～5到10gfd)使维护更简单，因为杂质不容易附着到与现行微过滤(MF)薄膜系统相比更小的纳米薄膜的孔。当采用微过滤薄膜来替代纳米过滤薄膜时，淤泥可堵塞在其更大的孔中从而需要更加复杂及频繁的清洁。优选实施例的DEMWAXTM系统减少或免除对频繁回洗及其附带复杂度(阀及泵)的需要。针对微过滤系统的维护规范需要更复杂的系统及硬件。优选实施例的纳米过滤系统具有低维护障碍且将微生物、病毒、有机物及其它不需要的成分排斥在供水以外。通过将薄膜模块降低到从约6米到约200米的深度(此视具体薄膜及源水质而定)，所述水自然地处于高到足以驱动过滤过程的持续压力下。当然，使用反渗透薄膜的实施例也可用于淡水应用中。举例来说，使用反渗透薄膜的实施例可部署于约15米的深度(或更深)下并用来生产超纯水。
适合在淡水应用中使用的优选实施例的系统可基本上如上文结合海洋应用所述配置，例如有一个或一个以上薄膜模块及悬浮于深水下的收集系统以及从所述收集系统向上延伸到地表的呼吸管。优选实施例的某些系统可经由一个或一个以上系链锚定到水体底部，但链系并非为必需的，除非所述系统有浮力。
优选实施例的薄膜模块包含一个或一个以上薄膜单元，且可配置成允许源水在薄膜单元之间的空间中充分自由地流动的任何适合的形式。针对海洋应用所描述的间隔算法略加修改以用于淡水处理应用。
在淡水应用中，薄膜单元之间的间隔的限制因素是表面张力。由于溶解固体通常不以高浓度存在于地表水源中，因此克服渗透压力不需要与淡化相关联的高压。因此，与在海水应用中不同，如果间隔不足，则略微地浓缩给水可能不引发压力要求。因此，适合与淡水应用一起使用的优选实施例的系统可利用比在海水应用中通常所采用的间隔更窄的间隔(约3毫米或约1/8英寸间隔)。
每一薄膜元件均可包含两个薄膜片，其中分离物(例如，聚合物、复合物、金属等)安置于所述两个层之间，以允许渗透物(经处理的引用水)在其之间流动。所述两个层片可以是矩形薄膜片，其滤除杂质并使清洁的水穿过所述分离物到达收集器。薄膜层与分离物层可接合并在侧上的边缘处密封，其中提供通路或其它开口以移除渗透物。优选地，其在三个侧上接合，其中提供第四侧作为开口以移除渗透物。将边缘的敞开(未密封)边缘或未密封部分放置成与所述收集系统流体连通。所述收集系统可包含适于给所述系统提供结构支撑的收集通道。淡水应用中不存在与海洋应用中相同程度的波浪及水流，且可考虑到这一点来选择适当材料及结构。
所述收集系统优选地含有潜水泵，且连接到两个管道(或管、通路、开口、或其它引流构件)：一个为通过其将渗透物抽送到海岸的管道、及适于将大气压力从水体的表面传递到薄膜的经处理水侧借此提供驱动处理过程所必需的压力差的管道或呼吸管。所述呼吸管的直径经选择以避免在泵操作期间出现气缚或过大的速度。从所述收集系统，将渗透物抽送到最终处理设施。在许多淡水应用中，到海岸的抽送距离通常相对短，因为水库及湖泊具有至少6米的深度而非靠近海岸。
可在所述系统内或岸上提供储存库以缓冲连续过滤过程与对水的不均匀每小时需求之间的关系。举例来说，可在如上文结合图16所描述的收集通道或系统内提供临时储存库。替代地或另外，实施例可通过以下方式来建立虚拟水储存库：将薄膜置放于其中可通过接通更多的泵容量来诱发更高的通量率的更大的深度下。当所述薄膜模块浸没到比基本负载设计能力所需更大的深度时，恒定基本负载抽送速度诱发系统中的背压，因为薄膜正在产生比泵可空出更多的水。在高需求时，增加渗透物泵的流动速率减轻所述系统中的背压，从而增加跨越薄膜的压力差并增加渗透物生产速率。
在淡水应用中，有机生长(例如藻类)的积累可阻碍水生产且使周期性清洁成为必要。因此，优选实施例的系统可经设计以使藻类及其它污染物与薄膜松开。可提供自动系统来迫使压缩空气或水穿过位于薄膜下方的喷嘴阵列。还可提供纤维搅拌器来协助使任何固体与膜面松开。此类清洁系统可以每日间隔部署，且可补充以更彻底的一年两次，或者视需要，涉及从水中移除薄膜滤筒的清洁过程。因此，优选实施例的系统可包含用于(例如)通过使用压载罐或类似物来升高并降低模块的自动系统。
将电力传输到DEMWAXTM系统以抽送产品水。存在许多种用以实现此目的的方式且所选择的方法可取决于系统的大小及接近所述单元的电力可用性。对电力供给的考虑包含现场距海岸的距离(线路损失及布缆成本)以及位于水源(浮动于浮筒上)的表面上的电力侵占(视觉及导航)。
地下水应用
重金属及挥发性有机化合物常常污染地下水供应。常规移除方法是昂贵的且根据附带责任需要处置所产生的有毒废物。优选实施例的DEMWAXTM系统可有利地用于从对于其其它类型的处理可能成本高得令人不敢问津的受污染井中产生清洁水。
图22图解说明适合在地下水应用中使用的DEMWAXTM系统的实例。所述系统包含圆柱形薄膜滤筒600，圆柱形薄膜滤筒600包括浸没于现有井602中的一个或一个以上纳米过滤薄膜。所述薄膜环绕中心收集室，其中所述薄膜的浸透物侧与所述室流体连通。所述室通过延伸到地下水位606的至少顶部的呼吸管604维持处于大气压力下，所述水位，如图中所示，可在井602的区中被略微向下拉。通过将位于井泵608下方的滤筒600浸没到位于地下水位606的顶部下方约33英尺(10米)的深度，可产生清洁的水并将其抽送出井602，从而使污染物留在地面中。地下含水层的移动及再装填可阻止这些污染物积累在井周围的区域中。
图23A-23B及24A-24B图解说明适于地下水应用的圆柱形薄膜滤筒的各种配置。圆柱形薄膜滤筒通常包含环绕中心收集通道的薄膜。在优选实施例中，所述薄膜以这样一种方式配置以使得地面井的圆柱形约束范围内的薄膜表面积最大化。举例来说，如图23A及23B中所图解说明，薄膜620以圆柱形配置的手风琴折叠形式布置于中心收集通道622周围。一个或一个以上渗透物间隔件624连续地或于离散位置处安置于每一折叠内侧，以防止薄膜折叠自身塌缩。所述图中的虚线指示中心收集通道622中的穿孔，所述穿孔经提供以允许渗透物穿过间隔件624并进入通道622中。当浸没于井壳体626中时，薄膜620的外表面暴露到井中的周围地下水，以使得渗透物可穿透到中心收集通道622。例如包括肋及支柱的框架(未显示)可任选地提供在折叠的薄膜周围以为系统提供结构支撑。采用呈堆叠式配置的多个滤筒的系统可包含连接器管道628以连接每一滤筒的收集通道622。在某些实施例中，如图24A及24B中所示，圆柱形滤筒630可包含具有折叠的薄膜632，所述折叠可于所述圆柱的外部周长处彼此对折以便在从滤筒的中心到周边的折叠之间维持类似间隔。折叠的薄膜632环绕经穿孔的中心收集通道638。源水相对于薄膜632的流动由箭头634指示。渗透物到收集通道638中的流动由箭头636指示。在针对地下水应用而配置的实施例中，薄膜折叠可比在海水应用中间隔开更靠近在一起，但优选地并非如此靠近以致表面张力抑制给水在薄膜之间流动。
适合结合优选实施例的系统使用的装置及方法描述于以下参考文献中，所述参考文献中的每一者均以全文引用的方式并入本文中：Pacenti(佩森逖)等人，“Submarineseawater reverse osmosis desalination system(水下海水反渗透淡化系统)”，淡化126(1999)213-218；第5,229,005号美国专利；第3,060,119号美国专利；Colombo(科伦坡)等人，“An energy-efficient submarine desalination plant(具有能量效益的水下淡化厂)”，淡化122(1999)171-176；第6,656,352号美国专利；第5,366,635号美国专利；第4,770,775号美国专利；第3,456,802号美国专利；及第US-2004-0108272-A1号美国专利公开案。
本文所引用的全部参考文献均以全文引用的方式并入本文中。由于以引用方式并入的公开案及专利或专利申请案与本说明书中所含有的揭示内容相矛盾，因此打算使本说明书取代及/或优先于任何此类矛盾材料。
本文所用术语“包括(comprising)”与“包含(including)”、“含有(containing)”或“其特征在于”同义，且具包罗性或者无限定性，且并不排除额外的未列举的元件或方法步骤。
用于本说明书及权利要求书中的表示配料数量、反应条件等等的所有数值均应理解为在所有情况下由术语“大约”来修饰。因此，除非说明相反，否则，说明书及所附权利要求书中所阐述的数字参数均为可依据本发明试图实现的所需性质而变化的近似值。无论如何，且并非试图限制权利要求书的范围的等效内容的原则的应用，每一数字参数均应依据有效数字及普通舍入方法来加以解释。
上述说明揭示本发明的数个方法及数种材料。本发明容许有对所述方法及材料的修改，以及对制造方法及设备的改动所属领域的技术人员通过考虑本揭示内容或实践本文中所揭示的本发明将明了此类修改。因此，本发明并不打算局限于本文中所揭示的特定实施例，而是本发明涵盖归属于所附权利要求书中所包括的本发明的真实范围及精神的所有修改及替代形式。

Claims (41)

1.一种过滤系统，所述系统包括：
薄膜模块，其经配置以在水体中浸没于浸没深度处，所述薄膜模块包括至少一个薄膜滤筒，所述薄膜滤筒包括多个反渗透或纳米过滤薄膜元件，每一薄膜元件具有大致平面的配置并在大体垂直的平面内延伸，沿着在与所述垂直的平面正交的方向延伸的轴线，每一薄膜元件均与紧邻的薄膜元件间隔开至少1mm，每一薄膜元件具有第一侧及第二侧，其中每一薄膜元件的所述第一侧暴露到将要在所述浸没深度特有的压力下过滤的水；
收集器通路，其经配置以浸没于所述水体中，其中所述收集器通路的至少一部分与每一薄膜元件的收集经过滤的水的所述第二侧流体连通；及
呼吸通路，其经配置以从所述收集器通路延伸到所述水体的表面且经配置以将所述收集器通路的内部暴露到大气压力在所述水体的所述表面处或在高于所述水体的所述表面的高程处特有的压力，所述过滤系统经配置使得，在使用中，所述浸没深度特有的所述压力与大气压力在所述水体的所述表面处或在高于所述水体的所述表面的高程处特有的所述压力之间的压力差致使的盐度降低的渗透物从每一薄膜元件的所述第一侧流到每一薄膜元件的所述第二侧；其中在每一薄膜元件的所述第一侧产生的浓缩物在重力作用下沿着每一薄膜元件的所述第一侧向下移动，且其中所述压力差基本上提供了驱动过滤过程的所有的力，而不需要使供给水达到所述薄膜元件的所述第一侧的机械装置，也不需要将浓缩物从所述薄膜元件移离的机械装置。
2.如权利要求1所述的过滤系统，其中每一薄膜元件包括由至少一个渗透物间隔件间隔开的两个薄膜层。
3.如权利要求1所述的过滤系统，其包括多个薄膜元件，其中沿所述轴线，每一薄膜元件均与邻近薄膜元件间隔开至少2mm。
4.如权利要求1所述的过滤系统，其包括多个薄膜元件，其中每一薄膜元件均与邻近薄膜元件间隔开从2mm到8mm。
5.如权利要求1所述的过滤系统，其包括多个薄膜元件，其中每一薄膜元件均与邻近薄膜元件间隔开6mm。
6.如权利要求1所述的过滤系统，其中每一薄膜元件包括呈平行配置的两个平片式薄膜，每一薄膜元件进一步包括设置于两个平片式薄膜之间的至少一个收集器间隔件，其中所述收集器间隔件经配置以使所述两个平片式薄膜彼此分离。
7.如权利要求1所述的过滤系统，其中所述薄膜模块包括多个所述薄膜滤筒。
8.如权利要求1所述的过滤系统，其中所述薄膜元件包括至少一个纳米过滤薄膜。
9.如权利要求8所述的过滤系统，其中所述薄膜模块经配置以浸没到至少6米的深度。
10.如权利要求8所述的过滤系统，其中所述薄膜模块经配置以浸没到至少8米的深度。
11.如权利要求8所述的过滤系统，其中所述薄膜模块经配置以浸没到至少10米的深度。
12.如权利要求8所述的过滤系统，其中所述薄膜模块经配置以浸没到从12米到18米的深度。
13.如权利要求8所述的过滤系统，其中所述薄膜模块经配置以浸没到至少30米的深度。
14.如权利要求8所述的过滤系统，其中所述薄膜模块经配置以浸没到至少60米的深度。
15.如权利要求8所述的过滤系统，其中所述薄膜模块经配置以浸没到60米的深度。
16.如权利要求8所述的过滤系统，其中所述薄膜模块经配置以浸没到从60米到244米的深度。
17.如权利要求8所述的过滤系统，其中所述薄膜模块经配置以浸没到从122米到152米的深度。
18.如权利要求8所述的过滤系统，其中所述薄膜模块经配置以浸没到从152米到183米的深度。
19.如权利要求1所述的过滤系统，其中所述薄膜元件包括至少一个反渗透薄膜。
20.如权利要求19所述的过滤系统，其中所述薄膜模块经配置以浸没到至少190米的深度。
21.如权利要求19所述的过滤系统，其中所述薄膜模块经配置以浸没到至少244米的深度。
22.如权利要求19所述的过滤系统，其中所述薄膜模块经配置以浸没到从259米到274米的深度。
23.如权利要求1所述的过滤系统，其中所述薄膜模块经配置以浸没到至少7米的深度，且进一步经配置以大致避免在渗透物从所述薄膜元件的所述第一侧流通到所述薄膜元件的所述第二侧时吸入水生生物。
24.一种用于从供给水中产生产品水的过滤系统，所述系统包括：
多个反渗透薄膜，其布置为水平延伸的堆叠，每一反渗透薄膜具有大致平面的配置，其中每一薄膜经配置以准许水从其穿过而限制溶解于所述供给水中的一种或一种以上离子从其穿过，其中所述薄膜经配置以在供给水体中浸没于一深度处，所述供给水体含有溶解于其中的所述离子，其中所述深度为至少141米，其中所述薄膜中的每一者的第一侧经配置以在所述浸没深度特有的压力下暴露到所述供给水，其中两个紧邻的薄膜的所述第一侧在所述水平延伸的堆叠中间隔开至少2mm，且其中所述薄膜中的每一者的第二侧上的收集器经配置以暴露到大气压力在海平面处特有的压力，借此，在使用中，跨越所述薄膜中的每一者的压力差驱动反渗透过滤过程，使得在所述薄膜中的每一者的所述第二侧上获得降低的溶解离子浓度的渗透物，其中所述薄膜大体垂直地延伸，使得在使用中重力能够有效地将较高密度的浓缩物沿所述垂直延伸的薄膜的所述第一侧向下移动，并移离所述薄膜。
25.如权利要求24所述的系统，其中所述系统经配置以在海水体中浸没到从113米到307米的深度，其中所述海水具有从20,000ppm到42,000ppm的盐度。
26.如权利要求24所述的系统，其中所述系统经配置以在海水体中浸没到从247米到274米的深度，其中所述海水具有从33,000ppm到38,000ppm的盐度。
27.如权利要求24所述的系统，其中两个紧邻的薄膜的所述第一侧在所述水平延伸的堆叠中间隔开从2mm到8mm。
28.如权利要求24所述的系统，其中两个紧邻的薄膜的所述第一侧在所述水平延伸的堆叠中间隔开6mm。
29.如权利要求24所述的系统，其中所述收集器经由通路暴露到大气压力在海平面处特有的压力。
30.如权利要求29所述的系统，其中所述通路是呼吸管。
31.如权利要求30所述的系统，其中所述呼吸管从所述浸没深度延伸到所述供给水体的至少一表面。
32.如权利要求29所述的系统，其中所述通路包括位于两个薄膜之间的至少一个空间。
33.如权利要求24所述的系统，其中所述收集器是与所述供给水体的表面处的空气流体连通的存放罐。
34.如权利要求24所述的系统，其进一步包括至少部分地浸没于所述供给水体中的渗透物储存罐。
35.如权利要求34所述的系统，其中所述渗透物储存罐至少部分地被浸没且包括可适应渗透物的填充及排放的挠性材料。
36.如权利要求24所述的系统，其进一步包括经配置以将饮用水输送到海岸的通道。
37.一种用于淡化水的两遍式系统，所述系统包括：
第一遍过滤系统，所述第一遍过滤系统包括多个第一纳米过滤薄膜，每一第一纳米过滤薄膜具有大致平面的配置，每一第一薄膜具有在不同且大体垂直地延伸的平面内延伸的表面，沿着在与所述第一薄膜的所述表面垂直的方向延伸的轴线，每一第一薄膜均与紧邻的第一薄膜间隔开至少1mm，其中每一第一薄膜经配置以准许水从其穿过而限制一种或一种以上溶解离子从其穿过，其中每一第一薄膜经配置以在海水体中浸没到至少113米的深度，其中每一第一薄膜的第一侧经配置以在所述浸没深度特有的压力下暴露到所述海水，且其中每一第一薄膜的第二侧经配置以暴露到大气压力在海平面或高于海平面的高程处特有的压力，借此，在使用中，跨越所述第一薄膜的压力差驱动过滤过程，使得在所述第一薄膜的所述第二侧上获得盐度降低的渗透物，其中所述第一薄膜经配置使得在使用中，重力能够将较高密度的浓缩物沿所述薄膜有效地向下移除，并移离所述薄膜；及
第二遍过滤系统，所述第二遍过滤系统包括多个第二薄膜，其中所述第二薄膜是纳米过滤薄膜或反渗透薄膜。
38.如权利要求37所述的系统，其中所述第二薄膜的第一侧经配置以暴露到降低的盐度的所述渗透物，且经配置以使得在使用中跨越所述第二薄膜施加的压力差驱动过滤过程，使得在所述第二薄膜的所述第二侧上获得进一步降低的盐度的渗透物。
39.如权利要求37所述的系统，其中所述第一遍过滤系统经配置以在海水体中浸没到从152米到213米的深度，所述海水具有从33,000ppm到38,000ppm的盐度。
40.如权利要求37所述的系统，其中所述第一纳米过滤薄膜中的每一者均与邻近薄膜间隔开2mm或更大。
41.如权利要求37所述的系统，其中所述第一纳米过滤薄膜中的每一者均与邻近薄膜间隔开从2mm到8mm。
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