CN102190380B - 溶液的处理系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种处理系统及方法。该处理系统包括沉淀单元、回收单元及净化单元。所述沉淀单元利用混溶性有机溶剂来处理溶液从而产生沉淀物和液体的混合物。所述回收单元与所述沉淀单元相通可用来促进所述液体分离成有机相流体和包含一部分所述混溶性有机溶剂的水相流体。所述净化单元包括有膜装置，该膜装置与所述回收单元流体相通可用来从所述水相流体中分离出至少一部分包含在所述水相流体中的所述混溶性有机溶剂。

Description

溶液的处理系统和方法
技术领域
本发明涉及一种溶液的处理系统和方法，尤其涉及一种利用混溶性有机性溶剂(Miscible Organic Solvent)来处理水性盐溶液(Aqueous Saline Solution)的系统和方法。
背景技术
在工业生产中，大量的溶液，比如盐溶液被生产出来。通常，这样的盐溶液并不适合被直接用在生活或生产中。基于有限的可利用的水资源和环境保护的考量，一些处理方法，比如用来处理废水、海水或其他咸水的去离子化和脱盐方法被用来生产合格的产品水。
在目前的一些应用中，多种处理方法，比如蒸馏、气化和化学沉淀等被用来处理溶液。然而。这些处理方法通常效率比较低，而且当直接处理含盐较高的溶液，比如处理开采非常规天然气时产生的裂隙水(Fracturing water)常需要较高的能耗。这样也就阻碍了这些方法被广泛的应用。
所以，需要提供一种新的处理盐溶液，比如裂隙水的系统和方法。
发明内容
本发明的一个实施例提供了一种处理系统。该处理系统包括沉淀单元、回收单元及净化单元。所述沉淀单元利用混溶性有机溶剂来处理溶液从而产生沉淀物和液体的混合物。所述回收单元与所述沉淀单元相通可用来促进所述液体分离成有机相流体和包含一部分所述混溶性有机溶剂的水相流体。所述净化单元包括有膜装置，该膜装置与所述回收单元流体相通可用来从所述水相流体中分离出至少一部分包含在所述水相流体中的所述混溶性有机溶剂。
本发明的另一个实施例提供了一种处理系统。该处理系统包括沉淀单元、回收单元及净化单元。所述沉淀单元利用混溶性有机溶剂来处理溶液从而产生沉淀物和液体的混合物。所述回收单元与所述沉淀单元相通可用来促进所述液体分离成有机相流体和包含一部分所述混溶性有机溶剂的水相流体。所述净化单元包括离子化源和与所述回收单元相通的移除装置，所述离子化源可用于提供离子化物质来使至少一部分包含在所述水相流体中的混溶性有机溶剂离子化，所述移除装置可用来收容所述水相流体从而使至少一部分离子化的混溶性有机溶剂从所述水相流体中分离。
本发明的实施例进一步提供了一种处理方法。该处理方法包括使用混溶性有机溶剂来处理溶液以产生沉淀物和液体的混合物；分离所述液体至少成为有机相流体和包含一部分所述混溶性有机溶剂的水相流体；及使所述水相流体通过膜装置和离子移除装置中的一种或多种使至少一部分包含在所述水相流体中的混溶性有机溶剂从所述水相流体中分离。
附图说明
通过结合附图对于本发明的实施例进行描述，可以更好地理解本发明，在附图中：
图1为本发明溶液处理系统的一个实施例的示意图；
图2为本发明溶液处理方法的一个实施例的示意图。
具体实施方式
图1所示为用来处理溶液17的处理系统10的一个实施例的示意图。在一些示例中，溶液17可包括任何盐溶液或盐水。在一些应用中，该盐溶液可包括但不限于任何含盐量至少为总含盐量(Total Dissolved Salts，TDS)2000ppm的流体。在另一些应用中，该盐溶液可包括但不限于任何含盐量大于总含盐量10000ppm的流体。在一个实施例中，该盐溶液包括开采非常规天然气时产生的裂隙水(Fracturing water)。
在本发明的实施例中，处理系统10可通过使用混溶性有机性溶剂来处理溶液17，比如使溶液17中的盐沉淀来降低盐浓度以便生产产品水。混溶性有机溶剂并不局限于任何特定的有机溶剂，其可根据不同的应用来进行选择。
在一些应用中，混溶性有机溶剂包括胺(Amine)。在一个实施例中，该胺的分子式可为：
另外，混溶性有机性溶剂的分子式可为：
在上述两个分子式中，R1、R2和R3可以相同或者不同，而且分别可包括包含或不包含杂原子(Heteroatom)的饱和或不饱和(Saturated or Unsaturated)、有支链或无支链(Branched or Unbranched)、替换的或没有替换的(Substitutedor Unsubstituted)及/或线性的或环状的(Linear or Cyclic)C1到C14的碳氢化合物。
在一些实施例中，R1、R2和R3中的一个或多个可分别包括甲基(Methyl)，乙烷基(Ethyl)，N-丙基(n-Propyl)，异丙基(Isopropyl)，N-丁基(n-Butyl)，异丁基(Isobutyl)，2-甲基乙基(2-Methylhexyl)，辛基(Octyl)，苯甲基(Benzyl)和苯基(Phenyl)。混溶性有机溶剂可包括有机胺类，如异丙胺(isopropylamine)、丙胺(propylamine)、二异丙胺(diisopropylamine)；酮类，如丙酮(acetone)；醇类，如甲醇(methanol)、乙醇(ethanol)；烷类，如氰化甲烷(acetonitrile)、二氧杂环乙烷(dioxane)；四氢呋喃(tetrahydrofuran)；四氢嘧啶(tetrahydropyrimidine，THP)；N-甲基四氢嘧啶(N-methyltetrahydropyrimidine，MTHP)及以上组合。
此外，溶液17中的盐种类可包括但不限于钠(Sodium)、钙(Calcium)、钡(Barium)、锶(Strontium)和镭(Radium)的卤化物；钠、钾(Potassium)、镁(Magnesium)、钙、钡、锶和镭的重碳酸盐(Bicarbonates)；钠、钾、镁和镭的硅酸盐(Silicates)；亚硒酸盐(Selenites)；硒酸盐(Selenates)；钠、钾、镁、钙、钡、锶和镭的硒化物(Selenides)；包括一硒(Monoselenide)、二硒(Sub-selenide)、三硒(Tri-selenide)和五硒(Penta-selenide)化磷的硒化物盐(Selenide Salts)；包括一卤化硒、四卤化硒的硒卤化物盐(SeleniumHalide Salts)；一溴化硒；四溴化硒；钠、钾、镁、钙、钡、锶和镭的磷酸盐和硼化物盐；钠、钾和镭的硫酸盐；钠、钾和镁的碳酸盐及以上的组合。
如图1所示，处理系统10包括沉淀单元11，固液分离单元12，回收单元13和净化单元14。沉淀单元11包括有机溶剂源15和沉淀装置16。在一些实施例中，有机溶剂源15用来提供混溶性有机溶剂。沉淀装置16包括一个容器，其用来收容来自溶液源(未图示)的溶液17和来自有机溶液源15的有机溶剂，从而溶液17和有机溶剂可在沉淀装置16内混合。这样，溶液17中的一种或多种盐产生沉淀便形成了包括沉淀物18和流体19的固液混合物。
固液分离单元12和沉淀单元11相通以接收并分离沉淀物18和一部分流体19。固液分离单元12并不局限于任何特定的可用来分离沉淀物18和流体19的装置。在一些示例中，该固液分离单元12可包括水力旋流器、离心分离机、压滤机、过滤筒、真空过滤装置及微过滤装置中的一种或多种。在一些应用中，固液分离单元12可包括一个或多个串联的水力旋流器。当来自沉淀单元11的沉淀物18和一部分流体19进入固液分离单元12后，沉淀物18便可与流体19分离。
在图1所示的实施例中，回收单元13与固液分离单元12和沉淀装置16的上部相通以接收来自固液分离单元12和沉淀装置16的流体19。该回收单元13用来促进流体的分离，比如分离具有不同相的流体。在一些实施例中，回收单元13可包括一个容器，流体19的分离发生在该容器中。比如，对流体19进行加热使其在回收单元13内分离成水相流体20和有机相流体21。
在另一些实施例中，回收单元13可包括一个或多个膜蒸馏(MembraneDistillation)装置用来分离。这样，有机相流体21便可与水相流体20进行分离并回收。在一些应用中，回收的有机相溶剂可再输入到沉淀装置16中以便于对其他溶液进行处理。
在回收单元13中进行分离后，一部分混溶性有机溶剂从流体19中分离出来。另外，水相流体20中还剩余或包含一定量的混溶性有机溶剂。因此，来自回收单元13的水相流体20进一步的输入到净化单元14中来从水相流体20中分离出至少一部分包含在水相流体20中的混溶性有机溶剂。
在图1所示的实施例中，净化单元14包括一个移除装置23。该移除装置23可包括任何适合从水相流体20中分离混溶性有机溶剂的装置。在一些示例中，该移除装置23可包括设置有膜的膜装置来移除剩余的混溶性有机溶剂。所述膜装置可包括但不限于反渗透膜(Reverse Osmosis，RO)装置、纳滤膜(Nanofiltration)装置及膜蒸馏(Membrane Distillation，MD)装置中一种或多种.
这样，包含至少一部分有机溶剂的流体22从水相流体20中分离出来同时产品流体24也生产出来。此外，在一些应用中，移除装置23可包括离子移除装置。该离子移除装置包括但不限于离子交换树脂(Ion Exchange Resin)、反渗透膜装置、反向电渗析(Electrodialysis Reversal)装置、膜蒸馏装置及超级电容脱盐(Supercapacitor Desalination)装置中的一种或多种。
在一些实施例中，净化单元14可进一步包括离子化源25，其设置于移除装置23的上游并与其相通用来提供离子化物质从而使水相流体20中的至少一部分剩余的混溶性有机溶剂离子化。在一些示例中，离子化物质可包括pH值调整物质。这样，在剩余的有机溶剂在移除装置23内进行分离之前，pH值调整物质可加入水相流体20中以调整其pH值从而使至少一部分包含在水相流体20中的有机溶剂离子化以便于分离。
在一定应用中，水相流体20的pH值被调小。pH值调整物质可包括但不限于盐酸、硫酸和其他合适的酸物质的一种或多种。在另一些应用中，从水相流体20中移除的有机溶剂可再次被引入到沉淀单元11中。这样，由于混溶性有机溶剂和pH值调整物质的使用，一种或多种盐及有机溶剂可分别从溶液17中分离，从而以较高的效率和较低的能耗便获得产品流体24。
另外，在图1所示的实施例中，处理系统10可进一步包括设置于沉淀装置16上游并与其相通的预处理单元26。在一些示例中，预处理单元26可包括容器来容纳预处理物质。这样，当溶液17进入预处理单元26中时，在预处理单元26内的预处理物质和溶液17混合从而在溶液17进入沉淀单元11之前降低其中一种或多种盐的浓度。在一些应用中，处理系统10可包括有预处理源(未图示)来向预处理单元26中提供预处理物质。
在一定的应用中，预处理物质并不局限于任何特定的可进行预处理的物质，其可根据溶液17中不同的离子种类来进行选择。比如，该预处理物质可包括含有硫酸根离子的可溶性物质，如硫酸来以沉淀的形式移除一些阳离子，比如钡离子和硒离子。
在一些示例中，处理系统10还可包括有设置于预处理单元26和沉淀单元11间、固液分离单元12和回收单元13间及/或回收单元13和净化单元14间的温度控制装置27来进行热交换。该温度控制装置27可包括加热装置、制冷装置和热交换装置中的一种或多种。在一些应用中，温度控制装置27也可集成在回收单元13上。
在本发明实施例中，图1所示的实施例为示意性的。在图1所示的实施例中，沉淀装置16和固液分离单元12分别独立的设置。在一些应用中，该沉淀装置16和固液分离单元12可集成设置以作为一个可进行沉淀和分离的元件进行使用。在另一些示例中，预处理单元26及/或固液分离单元12也可不设置。液体17可直接进入沉淀单元11。这样，盐可沉淀并聚集在沉淀装置16的下部，流体19从沉淀装置16上部流出后进入回收单元13。
图2所示为处理方法30的流程示意图。如图1和图2所示，在处理时，在步骤31中，一定量的溶液17和一定量的预处理物质被引入预处理单元26中以去除溶液17中的一种或多种盐。在步骤32种，溶液17随后进入沉淀单元11中。来自有机溶剂源15的一定量的混溶性有机溶剂也进入沉淀装置16中和溶液17进行混合。这样，由于在有机溶剂中较低的溶解度，一种或多种盐便从溶液17中沉淀出来并且形成固体沉淀18和流体19的固液混合物。
在步骤33中，固体沉淀18和一部分流体19进入固液分离单元12中进行分离。在步骤34中，当沉淀18从部分流体19中分离后，来自于沉淀单元11和固液分离单元12的流体19进入回收单元13。在一些实施例中，对回收单元13中的流体19可进行加热，从而形成了分别由有机相流体21和水相流体20形成的分层。这样，混溶性有机溶剂21便可从流体19分离出来。
随后，在步骤35中，水相流体20进入净化单元14中来从水相流体20中移除至少一部分剩余的混溶性有机溶剂22。在一个示例中，一定量的pH值调整物质可与来自于回收单元13的水相流体20混合来使其中至少一部分剩余的有机溶剂离子化。这样，当通过净化单元14后，至少一部分剩余的混溶性有机溶剂22被分离。在一些示例中，水相流体20调整后的pH值大约为4-5。
在一些应用中，在沉淀步骤32前，溶液17可进行冷却，比如冷却到0℃以便于进行沉淀步骤32。液液分离步骤34可在较高的温度，如70℃下进行。在步骤35前，来自于回收单元13的水相流体20也可进行冷却，比如冷却到25℃以便于进行步骤35。此外，在一定的应用中，预处理步骤31及/或固液分离步骤33可不设置。
这样，在本发明的实施例中，由于溶液中混溶性有机溶剂的存在，溶液中的盐可以较低的成本和较高的效率进行移除。此外，通过调整水相流体的pH值，剩余的混溶性有机溶剂可以较低能耗分离出来从而产生产品流体。
虽然结合特定的实施例对本发明进行了说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于覆盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。

Claims (17)

1.一种处理系统，包括：
沉淀单元，其利用混溶性有机溶剂来处理溶液从而产生沉淀物和液体的混合物；
回收单元，其与所述沉淀单元相通，在其中可对所述液体进行加热，形成分层，从而使所述液体分离成有机相流体和包含一部分所述混溶性有机溶剂的水相流体；及
净化单元，其包括有膜装置，该膜装置与所述回收单元流体相通可用来从所述水相流体中分离出至少一部分包含在所述水相流体中的所述混溶性有机溶剂，
其中所述净化单元进一步包括有离子化源，该离子化源包括pH值调整源，用于提供pH值调整物质来调小所述水相流体的pH值从而使所述至少一部分包含在所述水相流体中的混溶性有机溶剂离子化，从而至少一部分所述离子化的混溶性有机溶剂可利用所述膜装置进行移除。
2.如权利要求1所述的处理系统，其中所述沉淀单元包括有机溶剂源和与所述有机溶剂源相通的沉淀装置，所述有机溶剂源可向所述沉淀装置内提供所述混溶性有机溶剂，所述沉淀装置可收容所述溶液和所述混溶性有机溶剂以便于所述沉淀物的产生。
3.如权利要求1所述的处理系统，其中所述膜装置包括反渗透膜装置、纳滤膜装置及膜蒸馏装置中的一种或多种。
4.如权利要求3所述的处理系统，其中所述膜装置包括反渗透膜装置。
5.如权利要求1所述的处理系统，进一步包括预处理单元，该预处理单元设置于所述沉淀单元上游并与其相通以来移除所述溶液中一种或多种离子。
6.如权利要求1所述的处理系统，进一步包括与所述沉淀单元和所述回收单元相通的固液分离单元，该固液分离单元可用来分离所述沉淀物和所述液体。
7.一种处理系统，包括：
沉淀单元，其利用混溶性有机溶剂来处理溶液从而产生沉淀物和液体的混合物；
回收单元，其与所述沉淀单元相通，在其中可对所述液体进行加热，形成分层，从而使所述液体分离成有机相流体和包含一部分所述混溶性有机溶剂的水相流体；及
净化单元，其包括离子化源和与所述回收单元相通的移除装置，所述离子化源可用于提供离子化物质来使至少一部分包含在所述水相流体中的混溶性有机溶剂离子化，所述移除装置可用来收容所述水相流体从而使至少一部分离子化的混溶性有机溶剂从所述水相流体中分离，
其中所述离子化源包括pH值调整源，该pH值调整源可提供pH值调整物质来调小所述水相流体的pH值从而使所述至少一部分包含在所述水相流体中的混溶性有机溶剂离子化。
8.如权利要求7所述的处理系统，其中所述沉淀单元包括有机溶剂源和与所述有机溶剂源相通的沉淀装置，所述有机溶剂源可用来向所述沉淀装置内提供所述混溶性有机溶剂，所述沉淀装置用来收容所述溶液和所述混溶性有机溶剂以便于所述沉淀物的产生。
9.如权利要求7所述的处理系统，其中所述移除装置包括离子移除装置，该离子移除装置包括离子交换树脂、反渗透膜装置、倒极电渗析装置、膜蒸馏装置及超级电容脱盐装置中的一种或多种。
10.如权利要求9所述的处理系统，其中所述离子移除装置包括所述反渗透膜装置和所述膜蒸馏装置中的一种或多种。
11.如权利要求7所述的处理系统，其中所述pH值调整物质包括盐酸和硫酸中的一种或多种。
12.如权利要求7所述的处理系统，进一步包括预处理单元，该预处理单元设置于所述沉淀单元上游并与其相通以来移除所述溶液中一种或多种离子种类。
13.如权利要求7所述的处理系统，其中所述溶液包括裂隙水。
14.一种处理方法，包括：
使用混溶性有机溶剂来处理溶液以产生沉淀物和液体的混合物；
对所述液体进行加热，形成分层，以分离所述液体至少成为有机相流体和包含一部分所述混溶性有机溶剂的水相流体；
用pH值调整物质来调小所述水相流体的pH值从而使所述至少一部分包含在所述水相流体中的混溶性有机溶剂离子化；及
使所述水相流体通过膜装置和离子移除装置中的一种或多种使至少一部分所述离子化的混溶性有机溶剂从所述水相流体中分离。
15.如权利要求14所述的处理方法，其中所述pH值调整物质包括盐酸和硫酸中的一种或多种。
16.如权利要求14所述的处理方法，其中反渗透膜装置、纳滤膜装置、离子交换树脂、反渗透膜装置、倒极电渗析装置、膜蒸馏装置及超级电容脱盐装置中的一种或多种使至少一部分包含在所述水相流体中的混溶性有机溶剂从所述水相流体中分离。
17.如权利要求14所述的处理方法，进一步包括在所述溶液利用所述混溶性有机溶剂处理之前对所述溶液进行预处理以减少所述溶液中的一种或多种离子的浓度。
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