CN102026713A - 用于正向渗透用途的螺旋卷绕的膜模块 - Google Patents

Abstract

公开一种用于正向渗透用途的螺旋卷绕的膜模块。该膜模块一般可包括处于螺旋卷绕构型的正向渗透膜。该模块可包括两个入口和两个出口，并可限定出第一流体流路和第二流体流路。通向各流体流路的入口可大致隔离以防止混合。在一些实施例中，膜模块可包括分配区域和收集区域。

Description

用于正向渗透用途的螺旋卷绕的膜模块

相关申请

本申请要求2008年3月20日提交的美国临时专利申请序号61/070,087的优先权；在此通过参引的方式将其全文结合入本文中。

技术领域

一个或多个方面总体上涉及渗透分离。更具体而言，一个或多个方面涉及用于工程渗透(engineered osmosis)的膜模块，如压力延迟渗透或任何通过例如正向渗透来从水溶液渗透分离溶质和水，例如海水脱盐、含盐水脱盐、废水净化和污水修复。

背景技术

已使用正向渗透进行脱盐。一般而言，正向渗透脱盐过程涉及具有两个腔室的容器，所述两个腔室由半透膜分隔开。一个腔室容纳海水。另一个腔室容纳浓缩溶液，这产生海水与浓缩溶液之间的浓度梯度。该梯度穿过所述膜从海水汲取水而进入浓缩溶液，该膜选择性地容许水但不容许盐通过。进入浓缩溶液的水逐渐稀释溶液。然后从稀释溶液中除去溶质以产生饮用水。

发明内容

发明方面总体上涉及用于渗透分离的系统和方法。

按照一个或多个实施方式，螺旋卷绕的正向渗透膜模块可包括螺旋卷绕的正向渗透膜，该膜限定出具有内部区域和外部区域的膜袋(pocket)，该螺旋卷绕的正向渗透膜具有第一端和第二端。该模块还可包括处于第一端的分配区域，该分配区域包括与膜袋的内部区域流体连通的第一入口和与膜袋的外部区域流体连通的第二入口。该模块又可包括处于第二端的收集区域，该收集区域包括与膜袋的内部区域流体连通的第一出口和与膜袋的外部区域流体连通的第二出口。

在一些实施例中，第一入口可与第二入口流体隔离。第一出口可与第二出口流体隔离。分配区域可包括端盖，该端盖可构造和布置成流体隔离第一入口和第二入口。在一个实施例中，端盖可包括至少一个管，该至少一个管具有与膜袋的内部区域流体连接的内腔和与膜袋的外部区域流体连通的外部区域。第一入口可与该至少一个管的内腔流体连接。第二入口可与该至少一个管的外部区域流体连通。

在一些实施例中，螺旋卷绕的正向渗透膜的第一端和第二端之一的至少一部分可被罐封/密封(pot)。在其它实施例中，螺旋卷绕的正向渗透膜的第一端和第二端中之一的至少一部分可被安装在板中。该模块还可包括至少一个间隔件，该至少一个间隔件沿由膜袋的内部区域限定的、从第一入口至第一出口的流体流路设置。该模块也可包括至少一个间隔件，该至少一个间隔件沿由膜袋的外部区域限定的、从第二入口至第二出口的流体流路设置。在一些实施例中，该至少一个间隔件的厚度可沿着膜模块的纵向轴线变化。在至少一个实施例中，该模块可包括与螺旋卷绕的正向渗透膜机械配合的中心支撑件。在一些实施例中，螺旋卷绕的正向渗透膜是不对称的。膜袋的外部区域可由螺旋卷绕的正向渗透膜的分离机能层(rejecting layer)限定。在一些实施例中，该模块可被集成在压力延迟渗透系统中。

按照一个或多个实施例，一种水处理系统可包括螺旋卷绕的正向渗透膜模块，该模块包括：螺旋卷绕的正向渗透膜，该膜构造和布置成沿模块的纵向轴线限定出隔离且大致平行的第一流体流路和第二流体流路；与第一流体流路流体连接的第一入口和第一出口；以及与第二流体流路流体连接的第二入口和第二出口。该水处理系统还可包括与第一入口流体连接的第一溶液源，以及与第二入口流体连接的第二溶液源。

在一些实施例中，第一入口和第二入口可设置在螺旋卷绕的正向渗透膜的第一端。第一溶液源可为盐溶液源。在一些实施例中，盐溶液包括海水。第二溶液源可包括汲取溶液源。在至少一个实施例中，汲取溶液中的氨和二氧化碳的摩尔每升比可大于约1∶1。

在一些实施例中，水处理系统还可包括第二正向渗透螺旋卷绕的膜模块。该系统还可包括控制系统，该控制系统构造成控制第一溶液在第一入口处的流速和第二溶液在第二入口处的流速中的至少一个。在至少一个实施例中，该系统可包括与第一出口和第二出口之一流体连接的分离系统。在一些实施例中，分离系统的出口可与第一入口和第二入口之一流体连接。在至少一个实施例中，该系统为压力延迟渗透系统，压力延迟渗透系统还包括流体连接在第一出口和第二出口之一的下游的涡轮机。

按照一个或多个实施例，一种促进脱盐过程的方法可包括提供螺旋卷绕的正向渗透膜模块，该模块包括：限定出具有内部区域和外部区域的膜袋的螺旋卷绕的正向渗透膜，该螺旋卷绕的正向渗透膜具有第一端和第二端；处于第一端的分配区域，其包括与膜袋的内部区域流体连通的第一入口和与膜袋的外部区域流体连通的第二入口；以及处于第二端的收集区域，其包括与膜袋的内部区域流体连通的第一出口和与膜袋的外部区域流体连通的第二出口。该促进方法还可包括使汲取溶液源与第一入口流体连接，以及使盐水溶液源与第二入口流体连接。

在一些实施例中，使汲取溶液的源与第一入口流体连接的步骤可包括流体连接其中氨和二氧化碳的摩尔每升比大于约1∶1的汲取溶液源。该方法还可包括使第一出口与蒸馏塔流体连接。在至少一个实施例中，该方法还可包括使蒸馏塔的出口与第一入口流体连接。所提供的模块的螺旋卷绕的正向渗透膜可构造和布置成沿模块的纵向轴线限定出隔离且大致平行的第一流体流路和第二流体流路。在至少一个实施例中，该方法为压力延迟渗透过程，该压力延迟渗透过程还包括使膜模块的收集区域与涡轮机流体连接。

下面详细说明这些示例性方面和实施例的再其它方面、实施例和优点。此外，应该理解的是，前面的信息和以下详细描述仅为各个方面和实施例的说明性实例，且旨在提供用于理解所要求保护权利的方面和实施例的性质和特征的总结或构架。包括了附图以便提供图示以及对各个方面和实施例的进一步的理解，且结合在本说明书中并构成本说明书的一部分。附图及说明书的余下部分用来解释所述和所要求保护的权利要求的各方面和实施例的原理和操作。

附图说明

附图中示出了至少一个实施例的各个方面。提供附图以用于图示和说明，而并非旨在作为对本发明的限制性定义。在附图中：

图1示出按照一个或多个实施例的螺旋卷绕的正向渗透膜模块的示意图；

图2示出按照一个或多个实施例的带端盖的螺旋卷绕的正向渗透膜模块构件的示意图；

图3示出按照一个或多个实施例的端盖的示意图；

图4示出按照一个或多个实施例的端盖的示意性侧视图；

图5示出按照一个或多个实施例的端盖的示意性剖视图；

图6示出按照一个或多个实施例的螺旋卷绕的正向渗透膜模块的端部的示意图；以及

图7示出按照一个或多个实施例的通过螺旋卷绕的正向渗透膜模块构件的流型示意图。

具体实施方式

按照一个或多个实施例，用于从水溶液提取水的渗透方法一般可包括将水溶液暴露于正向渗透膜的第一表面。浓度与水溶液的浓度相比增加的第二溶液或汲取溶液可暴露于正向渗透膜的相对的第二表面。然后可经由正向渗透穿过正向渗透膜从水溶液汲取水并进入第二溶液中而产生富含水的溶液，该正向渗透利用了涉及从浓度较低的溶液运动至浓度较高的溶液的流体迁移特性。富含水的溶液——也称为稀汲取溶液——可在第一出口处收集并经历又一分离过程以产生净化水。第二产品流——即被消耗或浓缩的水处理溶液——可在第二出口处收集以便排放或进一步处理。

液压压力一般可促进第一溶液和第二溶液沿它们相应通道的纵向轴线输送通过膜模块，而渗透压一般可促进水从进给溶液往汲取溶液的穿过模块内正向渗透膜的输送。可选地，可在进给溶液上施加液压压力以协助水从进给处流至汲取溶液处，或可在汲取溶液上作用液压压力以允许通过汲取溶液的体积膨胀产生动力(PRO)，该汲取溶液的体积膨胀由于来自进给溶液的水的膜通量——该膜通量由两种溶液之间的渗透压差驱动——所导致。一般而言，模块内的流动通道设计成使得导致流经这些通道(穿流)所需的液压压力最小化，但这通常与在流动通道中形成湍流的希望相冲突，湍流有助于有效地在两种溶液之间产生渗透压差，其趋于增加流动阻力。较高的渗透压差一般可增加穿过膜的通量，但也趋于增加从稀汲取溶液中分离汲取溶质以便产生稀释的水制品和再次浓缩的汲取溶液所需的热量。

按照一个或多个实施例，正向渗透膜模块可包括一个或多个正向渗透膜。正向渗透膜一般可以是半透的，例如允许水通过但不允许溶解于其中的溶质如氯化钠、碳酸铵、碳酸氢铵和氨基甲酸铵通过。众多类型的半透膜适于此目的，前提是它们能够允许水(即溶剂)通过、同时阻止溶质通过且不与溶液中的溶质发生反应。膜可具有多种构型，包括薄膜、中空纤维膜、螺旋卷绕膜、单丝和碟管式(disk tube)。存在许多众所周知、商业上可获得的半透膜，其特征在于具有小孔——所述小孔足够小以便允许水通过而同时筛出溶质分子(如氯化钠)和它们的离子型分子类型(如氯化物)。此类半透膜可由有机或无机材料制成。在一些实施例中，可使用由诸如醋酸纤维素、硝酸纤维素、聚砜、聚偏二氟乙烯、聚酰胺和丙烯腈共聚物的材料制成的膜。其它膜可以是由诸如ZrO₂和TiO₂的材料制成的矿物质膜或陶瓷膜。

优选而言，选择用于半透膜的材料一般应当能够耐受膜可能经历的各种处理条件。例如，可能希望膜能够耐受升高的温度，如与杀菌或其它高温处理相关的温度。在一些实施例中，正向渗透膜模块可在约0摄氏度至约100摄氏度的温度范围内操作。在一些非限制性实施例中，处理温度的范围可为从约40摄氏度至约50摄氏度。同样，可能希望膜能够在各种pH条件下保持完整/不受损。例如，膜环境中的一种或多种溶液——如汲取溶液——可以是或多或少呈酸性或碱性的。在一些非限制性实施例中，正向渗透膜模块可在介于约2到约11之间的pH水平下操作。在某些非限制性的实施例中，pH水平可为约7至约10。所使用的膜无需由这些材料中的一种制成，且它们可以是各种材料的复合物。在至少一个实施例中，膜可以是不对称膜，如在第一表面上带活性层，而在第二表面上带支撑层。在一些实施例中，活性层一般可以是分离机能层。例如，在一些非限制性实施例中分离机能层可阻止盐通过。在一些实施例中，如衬层的支撑层一般可以是无活性的。

按照一个或多个实施例，膜模块的至少一个正向渗透膜可以是螺旋卷绕的。螺旋卷绕的构型一般在促进模块内的正向渗透方面是有效的。就每单位体积中容纳大量表面区域而言，螺旋卷绕构型可能是有利的。就沿流体流路的接触表面积与处理流体在正向渗透膜模块内的停留时间的相对关系而言，螺旋卷绕构型也可能是有利的。膜模块也可有利地设计，以减小对通过流体流动通道的流体穿流的摩擦阻力，并减少死区和不良的质量传递，同时促进湍流。在至少一个实施例中，汲取溶液和进给溶液可沿膜模块的纵向轴线行进、同时流动阻力或分流最小。螺旋卷绕的正向渗透膜模块可具有任何希望的尺寸。

按照一个或多个实施例，至少一个正向渗透膜可定位在壳体或外壳内。该壳体的尺寸和形状一般可设计成容纳定位于其中的膜。例如，如果容纳螺旋卷绕的正向渗透膜，则该壳体可以是大致圆柱形的。模块的壳体可容纳进口以及出口，以向模块提供进给溶液和汲取溶液、以及从模块获取产品流。在一些实施例中，壳体可提供至少一个贮存器或腔室以便保持或存储要引导到模块或从模块获取的流体。在至少一个实施例中，壳体可以是隔热的。在一些非限制性的实施例中，模块组件可被密封在管状壳体内，以使得海水进入环氧树脂块体与主片状卷绕体之间的空间内。汲取溶液可通过扁平管内部，扁平管引导溶液穿过位于片状卷绕体内的支撑层侧。

按照一个或多个实施例，正向渗透膜模块一般可构造和布置成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。虽然第一溶液和第二溶液可保持静止，但优选地是第一溶液和第二溶液二者均由穿流(即，平行于半透膜的表面的流动)引导。这一般可增加沿一个或多个流体流路的膜表面区域接触，从而增加正向渗透的效率。在一些实施例中，第一溶液和第二溶液可沿相同方向流动。在其它实施例中，第一溶液和第二溶液可沿相反方向流动。在至少一些实施例中，膜表面的两侧上可具有相似的流体动力学。这可通过将一个或多个正向渗透膜策略性地集成在模块或壳体中来实现。

按照一个或多个实施例，正向渗透膜模块一般可构造并布置成提供第一流体流路和第二流体流路。流路一般可沿模块的纵向轴线延伸，如从第一端延伸至第二端。第一流体流路和第二流体流路可通过正向渗透膜分隔开。第一溶液可沿第一流体流路传送通过模块，而第二溶液可沿第二流体流路传送通过模块。在不对称正向渗透膜的情况下，膜的活性层可与第一流体流路相关联，而支撑层可与第二流体流路相关联。在至少一个实施例中，待处理的液态水如海水可与正向渗透膜的活性层接触而汲取溶液可与支撑层接触。在其它实施例中，情况可能相反。在一些实施例中，第一流体流路和第二流体流路彼此大致或基本上平行、沿着膜模块的纵向轴线。在至少一个实施例中，第一流体流路和第二流体流路彼此可基本隔离以便大致防止它们之间的混合，尽管希望水在模块内穿过所述膜从第一溶液渗透至第二溶液以实现溶剂如上所述的分离和净化。

按照一个或多个实施例，第一溶液可为任何希望对其进行分离、净化或其它处理的含有一种或多种溶质的溶剂或水溶液。在一些实施例中，第一溶液可为非饮用水，如海水、盐水、咸水、灰水(gray water)和一些工业用水。待处理的处理流可包括盐和其它离子类型如氯化物、硫酸盐、溴化物、硅酸盐、碘化物、磷酸盐、钠、镁、钙、钾、硝酸盐、砷、锂、硼、锶、钼、锰、铝、镉、铬、钴、铜、铁、铅、镍、硒、银和锌。在一些实例中，第一溶液可以是盐水，如含盐水或海水、废水或其它污水。第一溶液可从上游操作单元——如工业设施或任何其它来源如海洋——传送到正向渗透膜处理系统。第二溶液可为汲取溶液，其含有的溶质的浓度比第一溶液更高。可使用各种各样的汲取溶液。例如，汲取溶液可包括放热盐溶液。在一些实施例中，可使用氨和二氧化碳汲取溶液，如McGinnis的美国专利申请公开号2005/0145568中所披露的汲取溶液，在此基于各种目的通过参引的方式将其全文结合入本文中。在一个实施例中，第二溶液可为氨和二氧化碳的浓缩溶液。在至少一个实施例中，汲取溶液可包括摩尔比大于约1∶1的氨和二氧化碳。

汲取溶液一般具有大于进给溶液的浓度。这可使用可溶性足以产生具有比进给溶液更高浓度的溶液的溶质来实现。优选而言，第二溶液内的溶质应当容易通过分离过程从第二溶液除去，形成更易于在第二溶液的溶剂中溶解的至少一种物质——即可溶物质——以及不易于在溶剂内溶解的一种物质——即不易溶解的物质，并且即使在获得的溶剂中保留有痕量/微量(trace amount)的上述物质也不存在健康危险。存在可溶和不易溶解的溶质物质使得可以按需调节或操纵溶液。通常，可溶和不易溶解的溶质物质在溶液中达到这样一个点：其中，在特定温度、压力、pH等条件下，溶质物质相对于彼此都不增加或减少，即可溶溶质物质和不易溶解的溶质物质的比率保持不变。这称为平衡。在溶液的特定条件一定的情况下，溶质物质在平衡点处无需以一比一的比率存在。通过添加称为“试剂”的化学制品，可改变溶质物质之间的平衡。使用第一试剂，可改变溶液平衡以增加可溶的溶质物质的量。同样，使用第二试剂，可改变溶液平衡以增加不易溶解的溶质物质的量。在添加试剂后，溶质物质的比率可稳定在与溶液状态匹配的新水平上。通过以有利于可溶溶质物质的方式操纵平衡，可实现浓度接近饱和的第二溶液——其为溶液溶剂不能再溶解任何溶质的状态。

用于第二(汲取)溶液的优选溶质可为氨和二氧化碳气体及它们的产物：碳酸铵、碳酸氢铵和氨基甲酸铵。当以约1的比率溶于水中时，氨和二氧化碳形成的溶液主要包括碳酸氢铵以及浓度较低的相关产物碳酸铵和氨基甲酸铵。相比于可溶溶质物质碳酸氢铵和浓度更低的氨基甲酸铵而言，该溶液中的平衡偏向于不易溶解的溶质物质碳酸氢铵。使用过量氨气缓冲主要含有碳酸氢铵的溶液，使得氨与二氧化碳的比率增加到约1.75至约2.0，这将使溶液平衡朝可溶溶质物质氨基甲酸铵偏移。氨气更易溶于水且优选地被溶液吸附。由于氨基甲酸铵更易于被第二溶液的溶剂吸附，所以其浓度可增加到其中溶剂不能再吸收任何溶质的点，即饱和点。在一些非限制性的实施例中，通过这种操作实现的该第二溶液内的溶质的浓度大于约2摩尔每升，超过约6摩尔每升，或约6至约12摩尔每升。

氨气可为优选的用于氨基甲酸铵的第一试剂，因为它是当溶质氨基甲酸铵分解时产生的化学成分，也称为组成成分/组元。一般而言，用于溶剂的试剂为溶质的组成成分/组元是优选的，因为当除去溶剂时可容易地从溶液除去任何过量的试剂，并且在优选实施例中，组成成分/组元可再循环用作第一试剂。但是，可设想能够操纵溶液中的溶质物质的平衡的其它试剂，只要该试剂易于从溶液除去、且即使在最终溶剂内保留有微量成分的该试剂也不存在健康危险。

按照一个或多个实施例，正向渗透膜模块一般可包括第一入口和第二入口。第一入口和第二入口可与第一溶液和第二溶液的源相关联。在一些实施例中，第一溶液的源可为第一溶液贮存器且第二溶液的源可为第二溶液贮存器。第一入口可与待处理的水溶液的源流体连接，且第二入口可与汲取溶液的源流体连接。第一入口和第二入口可分别与第一流体流路和第二流体流路相关，以便利于将第一溶液和第二溶液传送至膜组件以用于正向渗透。在一些实施例中，第一入口可与第一流体流路流体连通，且第二入口可与第二流体流路流体连通。第一入口和第二入口可彼此流体隔离。在至少一个实施例中，第一入口和第二入口定位在正向渗透膜模块的一端，即第一端或第二端。在其它实施例中，第一入口和第二入口可定位在正向渗透膜模块的相对端。

按照一个或多个实施例，正向渗透膜模块一般可包括第一出口和第二出口。第一出口和第二出口可分别与第一流体流路和第二流体流路相关联，以利于从正向渗透膜模块移去一个或多个产品流。第一出口可收集稀汲取溶液，且第二出口可收集消耗或浓缩的水处理流。在一些实施例中，第一出口可与第一流体流路流体连通，且第二出口可与第二流体流路流体连通。第一出口和第二出口彼此可流体隔离。在至少一个实施例中，第一出口和第二出口定位在正向渗透膜模块的一端。在其它实施例中，第一出口和第二出口可定位在正向渗透膜模块的相对端。

在一些实施例中，第一入口和第二入口一般可定位在正向渗透膜模块的第一端，而第一出口和第二出口一般可定位在正向渗透膜模块的第二端。在一些此类实施例中，分配区域一般可提供第一入口和第二入口，且收集区域一般可提供第一出口和第二出口。分配区域可定位在膜模块的第一端，且收集区域可定位在膜模块的第二端。

按照一个或多个实施例，模块的正向渗透膜可构造和布置成限定出一膜隔室。膜隔室一般可限定一至少部分封闭的空间。因而，膜隔室可具有内部区域和外部区域。膜隔室的一侧或更多侧可被密封。在一些实施例中，膜隔室一般可称为膜袋，具有内部区域和外部区域。第一流体流路可与膜袋的内部区域相关联，且第二流体流路可与膜袋的外部区域相关联。膜袋一般可利于第一流体流路和第二流体流路的隔离，从而除希望的穿过膜的渗透输送以进行分离之外还防止混合。在包括不对称膜的实施例中，膜的第一层可提供隔室的内部区域的表面，而膜的第二层可提供隔室的外部区域的表面。在一些实施例中，分离机能层可与膜袋的外部区域相关联，而支撑层可与膜袋的内部区域相关联。

按照一个或多个实施例，正向渗透膜模块可包括多个正向渗透膜。模块可包括多个螺旋卷绕的正向渗透膜。在其中膜构造和布置成提供或限定出膜隔室或膜袋的实施例中，模块可包括多个此类隔室，各隔室均具有内部区域和外部区域。膜模块因此可包括多个第一流体通路和多个第二流体通路。在一些实施例中，第一流体流动通路可与膜袋的内部区域相关联，而第二流体流动通路可与膜袋的外部区域(或模块的相邻膜之间的空间)相关联。第一溶液可沿各第一流体通路流动，且第二溶液可沿各第二流体通路流动。因而，可通过增加模块中的正向渗透膜(如螺旋卷绕的正向渗透膜)的数量来按比例扩大模块。

按照一个或多个实施例，正向渗透膜模块可包括一个或多个用以促进将第一溶液和第二溶液引导到膜模块、同时防止它们之间的混合的特征。同样，正向渗透膜模块可包括一个或多个用以从膜模块获取或收集第一溶液和第二溶液、同时防止它们之间混合的特征。在一些实施例中，端盖可定位在螺旋卷绕的膜模块的每一端。在至少一个实施例中，端盖可定位在螺旋卷绕的膜的每一端。在具有多个螺旋卷绕的膜的模块中，各螺旋卷绕的膜可具有定位在每一端的端盖。端盖可包括与模块内的一个或多个流体流路流体连通的至少一个入口和/或出口。端盖可构造和布置成有利于模块内一个或多个流体流路的隔离。端盖可构造和布置成隔离一个或多个流体入口和/或流体出口。

在一些实施例中，端盖可包括与第一流体流路流体连通的第一入口和与第二流体流路流体连通的第二入口。在一个实施例中，端盖可包括与膜隔室的内部区域流体连通的第一入口。端盖可包括与膜隔室的外部区域流体连通的第二入口。

在一些实施例中，端盖可包括与第一流体流路流体连通的第一出口和与第二流体流路流体连通的第二出口。在一个实施例中，端盖可包括与膜隔室的内部区域流体连通的第一出口。端盖也可包括与膜隔室的外部区域流体连通的第二出口。

在其它实施例中，第一端盖可包括与第一流体流路流体连通的第一入口和与第二流体流路流体连通的第一出口。第二端盖可包括与第二流体流路流体连通的第二入口和与第一流体流路流体连通的第二出口。第一端盖可定位在螺旋卷绕的膜的第一端且第二端盖可定位在螺旋卷绕的膜的第二端。第一流体流路可沿着膜袋的内部区域，且第二流体流路可沿着膜袋的外部区域。

按照一个或多个实施例，端盖可包括与膜模块的一个或多个流体流路流体连通的一个或多个端口。端盖的端口一般可有利于在端盖处引导到螺旋卷绕的正向渗透膜模块或从其抽吸的溶液的隔离。端口可具有任何能够大致防止在端盖处导入和/或抽吸的各种溶液的混合的结构。端口可构造和布置成在端盖处隔离各种导入和/或抽吸的溶液。端口可包括与第一流体流路流体连通的第一区域和与第二流体流路流体连通的第二区域。第一区域和第二区域可布置成防止从其导入和/或抽吸的溶液之间的混合。端口的尺寸设计和间隔一般可有利于流体流经膜模块，例如以实现期望的通量。该通量一般通过促进从膜模块的一端至另一端的较直流路中的湍流实现，流路的特定尺寸使得流路的偏离最小且流动阻力最小。

在一些实施例中，端口可包括管，各管均具有内腔区域和外部区域。在至少一个实施例中，管可为基本扁平的管。其它实施例设想卵形或圆形的管开口，且管间空间采取例如矩形、卵形、三角形或波形的形状。一个或多个内腔可与第一流体流路如膜袋的内部区域流体连接，且管的外部区域可与第二流体流路如膜袋的外部区域流体连接。内腔可与膜模块的第一入口流体连接以有利于将第一溶液引导到第一流路，而管的外部区域可与膜模块的第二入口流体连接以利于将第二溶液引导到第二流体流路。另一端盖的内腔可与膜模块的第一出口流体连接以利于从第一流路获取第一溶液，而管的外部区域可与膜模块的第二出口流体连接以利于从第二流体流路获取第二溶液。在其中端盖包括入口和出口的实施例中，内腔可与膜模块的第一入口流体连接以将第一溶液传送到第一流体流路，而管的外部区域可与膜模块的第一出口流体连接以从第二流体流路获取第二溶液。除这些示例性构型外的各种其它构型是可能的。

按照一个或多个实施例，膜模块可包括一个或多个用以确保模块内流体流路的隔离但确保期望的穿过膜的输送以实现分离的特征。上述端盖可为一个此类特征。其它特征可单独地实施或结合端盖实施。在一些实施例中，螺旋卷绕的正向渗透膜的一个或多个端部的至少一部分可安装有板或其它能够防止各种供应至模块或从模块获取的溶液之间的混合的机械或结构方案。在其它实施例中，螺旋卷绕的正向渗透膜的一个或多个端部的至少一部分可被罐封/密封以利于流体流路的隔离。各种膜罐封/密封技术和材料是公知的，并且通常涉及可固化树脂材料的使用。在一些实施例中，罐封/密封一般可防止进入或离开第一流体流路的流体也进入或离开第二流体流路，反之亦然。例如，罐封/密封可防止流入端盖管的内腔中的第一流体也在管之间流动。同样，罐封/密封一般可防止在端盖管之间流动的第二流体也流入端盖管的内腔中。在一些非限制性的实施例中，这可通过任何环氧树脂类物质——其呈液体状态且随后固化——实现。一些罐封/密封材料的特征为大致呈刚性而其它材料更呈柔性。每种特性具有相关的益处，并且在一些实施例中，可能希望使用组合的树脂材料进行罐封/密封。在其中使用端盖和/或板或其它机械或结构设备的实施例中，罐封/密封可提供补充保护，以防止在螺旋卷绕的正向渗透膜模块的流体入口和/或出口处的不希望的混合。

按照一个或多个实施例，正向渗透膜模块一般可构造和布置成有利于如沿着模块纵向轴线的穿过膜模块的均匀通量。均匀通量通常可促进可获得的膜表面面积的有效使用。可促进均匀通量的设计考虑包括参数的优化，如流速、流动的湍流度、进给溶液和汲取溶液的浓度和量的平衡、流体通道高度、膜表面上的图案结构、位于膜模块任一端的用于确保在模块径向轴线上任何位置处在整个通道中的均匀流动的流量分配器或补充流量分配器、以及膜模块的直径和长度。

按照一个或多个实施例，支撑结构可与螺旋卷绕的膜模块相关联。例如，杆或轴可支撑螺旋卷绕的膜。在一些实施例中，一个或多个正向渗透膜可绕支撑结构卷绕。在特定实施例中，一个或多个正向渗透膜袋——如多个正向渗透膜袋——可盘绕在支撑结构周围。该一个或多个膜可与支撑结构连接。在其它实施例中，它们可能是不附连的。在一些实施例中，模块不包括用于引导或收集一股或多股流体流的渗透管，如中心渗透管。因而，在至少一个实施例中，支撑结构不是渗透管。

按照一个或多个实施例，一个或多个间隔件可沿一个或多个流体流路定位。间隔件一般可有利于促进沿流体流路的均匀通量，可引导流体沿流路流动，并且可促进模块内任何期望的湍流。一个或多个间隔件可沿着第一流体流路和/或第二流体流路定位。在一些实施例中，间隔件可沿着膜袋和/或沿着膜袋的外部区域定位。在至少一些实施例中，间隔件可定位在膜模块的相邻膜之间。间隔件可用来策略性地调节与流体流路相关联的一个或多个参数。例如，间隔件的诸如厚度、宽度或高度之类的尺寸可选择成实现流体流路的期望高度、体积、通量或其它参数。可能希望改变流体流路沿流体流路纵向轴线的一个或多个参数。在至少一个实施例中，可沿膜模块的纵向轴线改变间隔件的厚度以实现期望的轮廓。例如，可能希望使一个或多个流体流路沿模块的纵向轴线逐渐变细。

在至少一个实施例中，螺旋卷绕的正向渗透膜模块不包括胶粘线或基本上没有胶粘线。普遍公知地，胶粘线一般用于促进对膜模块内的流体流动的导引。在一些实施例中，正向渗透膜——如折叠或以其它方式构造和布置以形成隔室或袋的正向渗透膜——不包括沿流体流路的胶粘线以例如引导流体流动。例如，一些实施例可以不包括与膜袋的内部区域相关联的胶粘线。按照一个或多个实施例，一个或多个此类不带胶粘线的膜可螺旋卷绕在正向渗透膜模块内。在一些实施例中，仍可沿膜袋的边缘使用胶水或粘合剂以便密封袋、固定端盖、和/或将膜与支撑结构连接。

按照一个或多个实施例的螺旋卷绕的膜模块可用于压力延迟渗透中。压力延迟渗透一般可涉及从两种溶液——如浓缩的汲取溶液与稀释的工作流体——之间的盐浓度差生成渗透动力或盐度梯度能。在一些示例中，海水可为第一溶液，而淡水或几乎去离子的水可为第二溶液。在一些实施例中，可将一个或多个螺旋卷绕的正向渗透膜模块封装在压力容器中以促进压力延迟渗透。可针对压力延迟渗透用途修改正向渗透膜模块的一个或多个设计方面，如涉及膜、端盖、间隔件或流路的一个或多个特征或参数。在压力延迟渗透中，可例如沿螺旋卷绕的膜模块的第一流体流路将汲取溶液引导到位于膜的第一侧的压力腔室内。在一些实施例中，可基于汲取溶液与稀工作流体之间的渗透压差加压汲取溶液的至少一部分。可例如沿螺旋卷绕的膜模块的第二流体流路将稀工作流体引导到膜的第二侧。稀工作流体一般可经由渗透而移动穿过所述膜，从而增加膜的加压汲取溶液侧的体积。随着压力被补偿，涡轮机可旋转发电。然后可处理——如分离——所得到的稀汲取溶液以便重复利用。在一些实施例中，温度较低的热源——如工业废热——可用于压力延迟渗透系统或促进压力延迟渗透过程。

在一个非限制性的实施例中，结合有一个或多个螺旋卷绕的膜模块的压力延迟渗透系统可为渗透式热机，如McGinnis等人的WIPO公报No.WO2008/060435中所述的渗透式热机，在此基于所有目的通过参引的方式将其全文结合入本文中。渗透式热机可利用半透膜将热能转化为机械功，以将渗透压转化为电力。浓缩的氨-二氧化碳汲取溶液可形成一高的渗透压，其克服液压压力梯度产生穿过半透膜的水通量。涡轮机中增加的汲取溶液的压降可产生电力。可通过将稀汲取溶液分离为重新浓缩的汲取溶液和去离子的水工作流体(二者均重新用于在渗透式热机中)而将该过程维持于稳定状态操作。

在一些实施例中，正向渗透模块可在高达约2000psi的压力下操作。一些非限制性的正向渗透实施例可包括介于约20psi到约50psi之间的压力。在操作中，用于正向渗透模块的非限制性示例条件可包括约5摩尔每升的汲取溶液、其上没有施加液压压力，而不是施加实现穿流过汲取溶液流动通道所需的介于约20psi到约40psi之间的液压压力，该汲取溶液被来自进给溶液的穿过半透膜的水的穿过膜的通量稀释成大约1.5摩尔每升的浓度。此情形中，进给溶液例如可以通过海水(大约0.5摩尔每升)进给，海水没有被液压加压，没有被加压到介于约20psi到约40psi之间以引导其流动通过进给流动通道。

在一些实施例中，压力延迟渗透模块可在高达约2000psi的压力下操作。一些非限制性的压力延迟渗透实施例可涉及介于约1000psi到约2000psi之间的压力。在操作中，非限制性的用于压力延迟渗透模块的示例性条件可包括约5摩尔每升的汲取溶液浓度，其在大约100atm的液压压力下被稀释成约3摩尔每升。此情形中的进给溶液例如是去离子的水工作流体，其仅处在导致流动通过进给流动通道所需的液压压力(约20psi至约40psi)下。

图1示出按照一个或多个非限制性实施例的螺旋卷绕的正向渗透膜模块100。模块100包括多个螺旋卷绕的正向渗透膜110。模块100的每一端包括腔室120、130。腔室120包括入口124、126，而腔室130包括出口134、136。膜110的每一端被罐封/密封在罐状物140中。

模块100的尺寸可设计成具有任何希望的尺寸。例如，尺寸设计可基于各种因素——包括流速要求和可提供的占据空间(footprint space)。模块一般可按比例放大或缩小以适应特定应用的规格。在一些非限制性的实施例中，模块100的物理尺寸在长度上可介于约0.5米与约2米之间。在一个特定实施例中，模块100的长度可为约1米。在一些非限制性的实施例中，模块100的直径可介于约1英寸与约50英寸之间。在一些特定实施例中，模块100的直径可为约2英寸、约4英寸、约8英寸或约16英寸。

图2示出未卷绕或在螺旋卷绕之前的单个正向渗透膜210的示意图。多个此类膜210可包括图1的膜110。端盖250定位在正向渗透膜210的每一端。在一些非限制性的实施例中，端盖可以是按照图3所示端盖350设计的。端盖350可包括一排端口370，由这些端口之间的空间380隔开。在一些实施例中，端口370可为扁平管。附连结构或总管360可有利于端盖350在膜210侧的密封。端口370、空间380和总管360的尺寸可为任何希望的大小且可单独地优化。

图4中示出端盖450的侧视图。总管460一般可利于端盖450附连于膜袋。在操作中，第一流体可仅通过扁平管470的内腔475流经端盖450。第二流体可在扁平管470周围的空间480内流动。图5详细示出端盖550的截面，其中扁平管570与总管560接口/连接。总管560可密封在膜袋上。总管560的内部可与管570的内腔以及与膜袋的内部区域流体连通，而总管560的外部可与管570周围的空间580以及与膜袋的外部区域流体连通。因而，第一流体入口和第二流体入口可如图6所示互相隔离以防止混合。图6示出螺旋卷绕的正向渗透膜模块600的一端。端盖650的管670限定出内腔675和外部区域680。第一流体可在与内腔675流体连通的第一入口624处进入模块600。第二流体可在与外部区域680流体连通的第二入口626处进入模块600。罐封/密封可利于第一入口624和第二入口626的流体隔离。除如图7所示的用于渗透分离的希望的穿过膜的输送之外，由膜袋的内部区域和外部区域所限定的流体流路可流体隔离。图7示出带有溶液A的第一流体流路和溶液B的第二流体流路的膜袋，其中第一流体流路沿膜袋的外部区域，第二流体流路沿膜袋的内部区域。

按照一个或多个实施例，扁平片状膜可用于制造螺旋卷绕的正向渗透膜模块。在一些非限制性的实施例中，扁平片状正向渗透膜可自相折叠，如基本上对半地折叠。膜片的第一边缘可折叠在膜片的第二平行边缘上。在不对称正向渗透膜的情形中，片状物可折叠成使得一侧的支撑层面对另一侧的支撑层，且每一侧的分离机能层朝外。袋或隔室一般可由折叠的膜形成。在另一实施例中，在膜袋的内部区域中，活性层可互相面对。衬层和活性层的其它布置也是可能的。隔室的自然密封的边缘经由折叠操作形成。与自然密封的边缘相对且平行的边缘可通过任何众所周知的技术来密封，包括使用胶水、环氧树脂、粘合剂或摩擦来密封。折叠膜的两端也可被基本上密封，如下所述，同时提供流体隔离的入口和出口。在其它实施例中，可附连两个或多个膜片而非折叠单个片状物以形成膜隔室。

按照一个或多个实施例，可将端盖置于折叠膜片的两端边缘(通常在螺旋卷绕的壳体的任一端的边缘)中的每一个上，以实现经由模块的进给和汲取溶液的独立流动。端盖的长度方向侧可被大致密封。在卷起时处于螺旋束的中心的长度方向侧可选地固定在杆或其它内部结构支撑件上以便卷绕片状物。任何公知技术可被用来将端盖密封地附连在折叠的正向渗透膜片的端部边缘中的每一者上。膜袋的内部中可包括一个或多个湍流间隔件。

得到的改进的折叠正向渗透膜片——包括端盖——可卷绕成螺旋体。此时，卷绕的膜可具有来自端盖的扁平管，其从卷绕的膜束的任一端部突出。然后可罐封/密封这些端部。在一些实施例中，每一端可浸渍到环氧树脂或其它形式的密封剂中。在一个非限制性的实施例中，管的大约一半长度可采用这种方式密封。然后可在罐封/密封后切割环氧树脂密封的端部以允许流体流入管的内腔。在一些非限制性的实施例中，管的大约四分之一长度可保持密封。

然后可将膜束的每一端安装或密封在外壳体内。在操作中，如盐水或海水的进给溶液可被引入环氧树脂块体与主片状卷绕体之间的空间中，在端口周围流入壳体并沿着膜的海水侧流动。同样，汲取溶液可被引入端口的开口端中，流入膜壳体内并沿着膜的汲取溶液侧流动。此构型可使得在渗透膜两侧上的流体动力学类似。

系统——如脱盐系统或其它处理系统——可包括多个螺旋卷绕的正向渗透膜模块。多个螺旋卷绕的正向渗透膜模块可成列地布置。系统可包括多个入口和出口。第一溶液和第二溶液的源——如进给溶液的源和汲取溶液的源——可与膜模块流体连接。在一些实施例中，如蒸馏系统的分离系统可与膜模块的出口流体连接。分离系统可处理正向渗透过程所产生的稀汲取溶液，以产生饮用水或其它产品流并回收汲取溶液。然后可使汲取溶液再循环回到正向渗透膜模块的入口、同时可将产物水传送到使用位置。蒸馏塔——如McGinnis等人的WIPO公报No.WO 2007/146094中所述的蒸馏塔，在此基于各种目的通过参引的方式将其全文结合入本文中——可按照各种实施例实施。

按照一个或多个实施例的设备、系统和方法一般可包括控制器，该控制器用于调节或调整设备或系统构件——例如但不局限于致动阀和泵——的至少一个操作参数，并调节通过螺旋卷绕的正向渗透膜模块的一股或更多股流体流的性能或特性。控制器可与至少一个传感器电子通信，所述传感器构造成检测系统的至少一个操作参数如浓度、流速、pH水平或温度。该控制器一般可构造成产生控制信号以响应传感器所产生的信号而调节一个或多个操作参数。例如，该控制器可构造成接收正向渗透分离设备的任何液流、构件或子系统的条件、特性能或状态的表示。该控制器通常包括一有利于产生至少一个输出信号的算法，该至少一个输出信号通常基于所述表示以及如设定点的希望值或目标中的一个或多个。按照一个或多个特定方面，该控制器可构造成接收所有流的所有测量性能的表示，并对所有系统构件产生控制、驱动或输出信号，以减少测量性能与目标值的任何偏离。

至此已描述本发明的一些说明性的实施例，对本领域的技术人员来说应当显而易见的是，前述内容只是说明性的而非限制性的，已仅通过举例示出。许多改型和其它实施例在本领域的技术人员的知识范围内且预期落入本发明的范围内。特别地，虽然文中提出的众多实例包括方法方案或系统元件的特定组合，但应该理解：这些方案和元件可采用其它方式组合以实现相同目的。

应该理解：文中所述的设备、系统和方法的实施例不限于应用于在以下说明中所述或附图中示出的构件的结构和布置的细节。这些设备、系统和方法能够在其它实施例中实现并能采用各种方式实施或执行。特定方案的实例在文中是基于说明的目的而提供的，且并非旨在加以限制。特别地，结合任何一个或多个实施例说明的方案、元件和特征并非旨在将任何其它实施例中的相似功能排除在外。

本领域的技术人员应当理解：文中所述的参数和构型是示例性的且实际参数和/或构型将取决于其中使用了本发明的系统和技术的特定应用。本领域的技术人员在使用常规实验的情况下还应当认识或能够明确本发明的特定实施例的等效物。因此，应该理解：文中所述的实施例只是通过举例提出的，并且可在所附权利要求及其等效物的范围内可采用不同具体所述的方式来实施本发明。

此外，还应当理解：本发明涉及文中所述的每个特征、系统、子系统或技术以及文中所述两个或多个特征、系统、子系统或技术的任何组合，并且如果此类特征、系统、子系统和技术并非相互不一致，则两个或多个特征、系统、子系统和/或方法的任何组合视为在如权利要求中体现的本发明的范围内。此外，仅结合一个实施例说明的方案、元件和特征并非旨在将其它实施例中的相似功能排除在外。

文中所述的措辞和术语是基于说明的目的且不应当视为限制性的。如文中所用，用语“多个”是指两个或多个物品或构件。用语“包含”、“包括”、“带有”、“具有”、“含有”和“包括”，不论是在书面说明书还是权利要求等之中，都是开放式用语，即意味着“包括但不限于”。因而，使用此类用语意味着包含此后所列物品及其等效物，以及附加物品。仅过渡语“由...组成”和“主要由...组成”相对于权利要求分别是闭合或半闭合的过渡语。权利要求中使用的顺序用语如“第一”、“第二”和“第三”等来修饰权利要求要素本身并不意味着一个权利要求要素相对于另一个的任何优先、居先或次序或其中执行方法的方案的时间顺序，而是仅用作标签来将具有特定名称的一个权利要求要素与具有相同名称的另一个要素相区分(而不是用作顺序用语)以区分权利要求要素。

Claims (35)

1.一种螺旋卷绕的正向渗透膜模块，包括：

螺旋卷绕的正向渗透膜，其限定出具有内部区域和外部区域的膜袋，所述螺旋卷绕的正向渗透膜具有第一端和第二端；

处于所述第一端的分配区域，所述分配区域包括与所述膜袋的所述内部区域流体连通的第一入口和与所述膜袋的所述外部区域流体连通的第二入口；以及

处于所述第二端的收集区域，所述收集区域包括与所述膜袋的所述内部区域流体连通的第一出口和与所述膜袋的所述外部区域流体连通的第二出口。

2.根据权利要求1的模块，其中，所述第一入口与所述第二入口流体隔离。

3.根据权利要求2的模块，其中，所述第一出口与所述第二出口流体隔离。

4.根据权利要求1的模块，其中，所述分配区域包括端盖。

5.根据权利要求4的模块，其中，所述端盖构造和布置成流体隔离所述第一入口和所述第二入口。

6.根据权利要求5的模块，其中，所述端盖包括至少一个管，所述管具有与所述膜袋的所述内部区域流体连接的内腔和与所述膜袋的所述外部区域流体连通的外部区域。

7.根据权利要求6的模块，其中，所述第一入口与所述至少一个管的所述内腔流体连接。

8.根据权利要求6的模块，其中，所述第二入口与所述至少一个管的所述外部区域流体连通。

9.根据前述权利要求中任一项的模块，其中，所述螺旋卷绕的正向渗透膜的第一端和第二端之一的至少一部分被罐封。

10.根据前述权利要求中任一项的模块，其中，所述螺旋卷绕的正向渗透膜的第一端和第二端之一的至少一部分被安装在板中。

11.根据前述权利要求中任一项的模块，还包括至少一个间隔件，其沿由所述膜袋的所述内部区域限定的、从所述第一入口至所述第一出口的流体流路设置。

12.根据前述权利要求中任一项的模块，还包括至少一个间隔件，其沿由所述膜袋的所述外部区域限定的、从所述第二入口至所述第二出口的流体流路设置。

13.根据权利要求11或12所述的模块，其中，所述至少一个间隔件的厚度沿所述膜模块的纵向轴线变化。

14.根据权利要求1的模块，还包括与所述螺旋卷绕的正向渗透膜机械配合的中心支撑件。

15.根据权利要求1的模块，其中，所述螺旋卷绕的正向渗透膜是不对称的。

16.根据权利要求15的模块，其中，所述膜袋的所述外部区域由所述螺旋卷绕的正向渗透膜的分离机能层限定。

17.根据前述权利要求中任一项的模块，其中，所述模块被集成在压力延迟渗透系统中。

18.一种水处理系统，包括：

螺旋卷绕的正向渗透膜模块，其包括：

螺旋卷绕的正向渗透膜，其构造和布置成沿所述模块的纵向轴线限定出隔离且大致平行的第一流体流路和第二流体流路；

与所述第一流体流路流体连接的第一入口和第一出口；以及

与所述第二流体流路流体连接的第二入口和第二出口。

19.根据权利要求18的系统，还包括与所述第一入口流体连接的第一溶液源，以及与所述第二入口流体连接的第二溶液源。

20.根据权利要求18的系统，其中，所述第一入口和所述第二入口设置在所述螺旋卷绕的正向渗透膜的第一端。

21.根据权利要求19的系统，其中，所述第一溶液源为盐溶液源。

22.根据权利要求21的系统，其中，所述盐溶液包括海水。

23.根据权利要求19的系统，其中，所述第二溶液源为汲取溶液源。

24.根据权利要求23的系统，其中，所述汲取溶液包括摩尔每升比大于约1∶1的氨和二氧化碳。

25.根据前述权利要求中任一项的系统，还包括第二正向渗透的螺旋卷绕的膜模块。

26.根据前述权利要求中任一项的系统，还包括控制系统，所述控制系统构造成控制所述第一溶液在所述第一入口处的流速和所述第二溶液在所述第二入口处的流速中的至少一个。

27.根据前述权利要求中任一项的系统，还包括与所述第一出口和所述第二出口之一流体连接的分离系统。

28.根据权利要求27的系统，其中，所述分离系统的出口与所述第一入口和所述第二入口之一流体连接。

29.根据前述权利要求中任一项的系统，其中，所述系统为压力延迟渗透系统，所述压力延迟渗透系统进一步包括流体连接在所述第一出口和所述第二出口之一的下游的涡轮机。

30.一种促进脱盐过程的方法，包括：

提供一螺旋卷绕的正向渗透膜模块，其包括：

螺旋卷绕的正向渗透膜，其限定出具有内部区域和外部区域的膜袋，所述螺旋卷绕的正向渗透膜具有第一端和第二端；

处于所述第一端的分配区域，所述分配区域包括与所述膜袋的所述内部区域流体连通的第一入口和与所述膜袋的所述外部区域流体连通的第二入口；以及

处于所述第二端的收集区域，所述收集区域包括与所述膜袋的所述内部区域流体连通的第一出口和与所述膜袋的所述外部区域流体连通的第二出口；

使汲取溶液源与所述第一入口流体连接；以及

使盐水溶液源与所述第二入口流体连接。

31.根据权利要求30的方法，其中，使汲取溶液源与第一入口流体连接的步骤包括流体连接含有摩尔每升比大于约1∶1的氨和二氧化碳的汲取溶液源。

32.根据权利要求30的方法，还包括使所述第一出口与蒸馏塔流体连接。

33.根据权利要求32的方法，还包括使所述蒸馏塔的出口与所述第一入口流体连接。

34.根据权利要求30的方法，其中，所提供的模块的所述螺旋卷绕的正向渗透膜构造和布置成沿所述模块的纵向轴线限定出隔离且大致平行的第一流体流路和第二流体流路。

35.根据前述权利要求中任一项的方法，其中，所述方法为压力延迟渗透过程，所述压力延迟渗透过程还包括使所述膜模块的收集区域与涡轮机流体连接。

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