CN103476485A - 用于借助于二级薄膜法处理溶液的方法和设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于处理溶液的方法和设备。在至少一个第一薄膜单元(3)中将供应流(2)分成渗透物流(5)和滞留物流(6)。根据本发明，将滞留物流(6)的至少一部分输送给至少一个第二薄膜单元(7)。对于第二薄膜单元(7)，在薄膜(8)的一侧上存在滞留物。在另一侧上存在溶液(9)，该溶液的溶解物的浓度低于滞留物的浓度。因此溶液(9)的溶剂穿过薄膜(8)且稀释滞留物。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于处理溶液的方法和设备，其中，在至少一个第一薄膜单元中将供应流分成渗透物流和滞留物流。
背景技术
溶液为混合物，在其中，物质(例如盐或微粒)溶解或细微地分布在液态的溶剂(例如水)中。
为了制造大量产品而必需处理溶液。为此在根据本发明的前序部分的设备和方法中使用薄膜分离法。该方法的特别的优点在于其应付得了不加热的情况且因此相比热分离法通常在能源方面更有利。在薄膜技术中出现两种馏分，其被称为滞留物和渗透物。滞留物流在分离过程中由薄膜挡住。穿过薄膜的液体的部分称之为渗透物。
借助于薄膜法的分离已经尤其开设在食品工程、生物工程以及药学中。根据所使用薄膜的类型能实现选择性地分离单独的物质或者所确定的混合物。
根据分离所基于的驱动力来区分薄膜分离法。在本发明中涉及受压力驱动的工艺，在其中，优选将水使用为溶剂。
泵将尚未经处理的液体(其被称作为供应流)输送给第一薄膜单元。该所谓的薄膜单元可构造成模块，从而可使设备与分离问题的范围逐级地相匹配。分离借助于至少一个半透性的薄膜来实现。泵在半透性的薄膜之前建立压力。在此迫使溶剂且经常迫使溶解物的一部分通过薄膜。
经由选择薄膜可调节被挡住的物质的大小。根据被挡住的分子的大小而在微过滤、超过滤、纳米过滤和反渗透之间进行区分。
使用本发明用来执行反渗透尤其用来海水脱盐而证实为特别有利。如果浓缩的溶液加载有超过渗透压力的压力，则水分子扩散通过薄膜，而溶解的盐被挡住。因此盐溶液在一侧上被浓缩，而在另一侧上获得少盐的水。在所施加的运行压力与起调节作用的渗透压力之间建立有平衡。这种工艺被称为反渗透(英语: Reverse Osmosis－RO)且用于海水脱盐。
薄膜可在其运行时间期间附加有沉积物。为了清洁薄膜可利用周期性地交替不同的运行阶段。在此，在第一运行阶段期间在薄膜一侧上建立高压，使得进行反渗透。在第二运行阶段期间降低压力，从而发生渗透。已经附着在薄膜的表面处的沉积物由于流动方向的换向而脱落。
海水脱盐提供很好的可能性来在缺乏淡水的地区中利用至海洋的连接部(Meeresanbindung)成本有利地以充足的量提供饮用水。在此通常将产生的滞留物引回到海洋中。因为滞留物的盐浓度明显超过自然海水的盐浓度，这尤其在大型设备中可导致生态系统的严重负担。
在文献DE 44 05 365 A1中说明了一种用于根据反渗透的原理进行海水脱盐的方法。在此将高压水流引向渗透设备且分离成无压的净化水和还处在高压下的浓缩物。在该方法中在压力升高之前将低压水流分成两个子流。将第一子流带到高压上。将第二子流导引到管室送料器(Rohrkammeraufgeber)中。在该管室送料器中执行第二子流与浓缩物的高压水流的交换。
文献DE 100 59 536 A1说明了一种用于根据反渗透的原理进行海水脱盐的设备。在此将高压水流引向反渗透单元且分离成渗透物和浓缩物。浓缩物用来进行能量回收。将作为低压水流供给的液体分成两个子流。将第一子流带到高压上。将第二子流导引到换压器中。在换压器中进行低压水流与浓缩物的从反渗透单元流入的高压水流的交换。渗透扩展级(其经由具有升压器的输出管路联接到换压器处)与反渗透单元相关联。
在文献WO 2010/052651 A1中说明了一种根据反渗透的原理工作的系统。该系统包括第一分离单元，在其中，两个腔室由半透性的薄膜隔开。浓缩的液体流和稀释的液体流离开第一分离单元。将稀释的液体流输送给第二分离单元。在第二分离单元上游引开第二浓缩液体流和第二稀释液体流。第二浓缩液体流在净化系统中再次使用。
文献WO 96/05908 A1说明了一种用于利用自清洁的薄膜单元进行水脱盐或软化的设备。在此阻止盐层在薄膜的表面上的合成。为此利用建筑的水消耗的动力学，以便定期冲洗供给水处理单元的薄膜的再循环/存储容器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种环境友好的薄膜法和带有很高的效率的设备。
根据本发明，该目的由此实现，即将滞留物流的至少一部分至少输送给第二薄膜单元，在其中，在薄膜的一侧上存在滞留物而在另一侧上存在溶液，该溶液的溶解物的浓度低于滞留物的浓度，从而溶液的溶剂通过薄膜且稀释滞留物。
相对于传统的方法和设备来由此降低在滞留物中的溶解物的浓度。在应用用于海水脱盐的本方法时，滞留物的盐浓度因此至少部分地再次与自然海水的盐浓度相匹配。通过稀释而使得将滞留物引入到海水中对生态系统具有明显更小的影响。
根据本发明的方法为持续的方法，在其中，在至少一个第一薄膜单元中进行反渗透而同时在至少一个其它的薄膜单元中进行渗透过程。
术语“第一”薄膜单元和“第二”薄膜单元用于区分在这些薄膜单元中进行的不同的方法步骤。在“第一”薄膜单元中发生反渗透。在“第二”薄膜单元中进行渗透。在此相应可仅使用一个第一薄膜单元和一个第二薄膜单元或者可使用多个第一薄膜单元或多个第二薄膜单元。下文出于使文本容易理解的原因而相应谈及一个第一薄膜单元和一个第二薄膜单元。
优选为第一薄膜单元输送海水作为供应流，其中，已脱盐的水作为渗透物而被产生出来。将在第一薄膜单元中产生的、高浓度的盐水作为滞留物输送给第二薄膜单元。在第二薄膜单元的一侧上存在滞留物。在另一侧上优选将海水用作溶液。在海水中溶解的盐的浓度小于在滞留物中溶解的盐的浓度。在第二薄膜单元中水由于渗透压力而穿过薄膜且稀释滞留物。
在该方法的一特别有利的改型方案中，将在第一薄膜单元中产生的所有的滞留物流输送给第二薄膜单元。
在根据本发明的设备中，这通过在第一薄膜单元与第二薄膜单元之间的相应的管系(Verrohrung)来实现。
在根据本发明的方法中，反渗透和渗透的工艺步骤并行进行且在不同的薄膜单元中同时实施。这涉及持续的工艺。在第二薄膜单元中的压力级如此选择使得溶剂通过薄膜到达滞留物流中且稀释该滞留物流。
第一薄膜单元和第二薄膜单元在空间上可完全彼此分隔开或者集成在一个器具内。
压力级在第二薄膜单元中比在第一薄膜单元中更小。在一特别有利的工艺改型方案中，在第一薄膜单元与第二薄膜单元之间的不同的压力级借助于装置来利用。
在此，使用换压器特别适合，该换压器将滞留物的压力(如其在第一薄膜单元下游存在的那样)尽可能地传递到新鲜的海水上。由此利用还在滞留物流中存在的压力势且有助于明显节约能源且因此有助于提高效率。在换压器中，在第一薄膜单元下游的滞留物流在高压下流到第一压力管中且排挤存在于此的新鲜海水。同时新鲜海水流到第二压力管中。在此新鲜海水推出已经放出其压力的滞留物。紧接着进行转换，从而压力管交换其角色。在此保证持续地、无波动地运行，而未混合新鲜海水和滞留物。
高浓度的滞留物为可通过渗透过程来利用的蓄能器。接下来示例性地说明用于利用该蓄能器的两种可能性。存储富含能源的浓缩的滞留物在关于在第二薄膜单元中的利用的污染方面不需要特别的准备。
在一特别有利的实施方案中，滞留物的稀释在第二薄膜单元中引起压力级的升高。这例如可由此转换，即第二薄膜单元如此设计使得由于溶剂的流入在容器中的液位升高且以该方式增加流体静力压力。
用于在第二薄膜单元的滞留物侧上提升压力级的备选的或补充的变型方案为第二薄膜单元如此设计使得由于流入而压力(液体处在该压力下)上升。这例如可由此实现，即滞留物完全填满空间。如果溶剂通过薄膜流到该空间中，那么发生强烈的压力上升，因为滞留物不可转移。压力上升在溢流小量的溶剂时已经非常强烈，因为液体不可压缩。为了允许滞留物的更大的稀释效果，可在该空间中设置气垫。如果溶剂流到空间中，那么压缩气垫。因此虽然压力级未如此快地上升，但实现更强的稀释效果。
压力上升可最大如渗透压力那么大。在第二薄膜单元中在滞留物侧与海水侧之间的溶解的盐的浓度差越大，渗透压力越大。此外，渗透压力取决于温度。
在本发明的一特别有利的实施方案中，滞留物流在第二薄膜单元下游的压力级借助于能量获取单元来利用。在此，使用涡轮证明为特别有利。以该方式来提升工艺和设备的效率。涡轮的机械功可利用来产生电流或者直接用来驱动输送装置，例如泵。
在第一薄膜单元和第二薄膜单元中使用的薄膜可随着增加的运行时间而附加有污染物。因为在两个薄膜单元中通过薄膜的流动方向恰好相反，所有可互换薄膜以便使污染物脱落。在本发明的一特别有利的实施方案中，还可如此使流换向，即为了清洁的目的，在第一薄膜单元中进行渗透而在第二薄膜单元中进行反渗透。
在方法的一特别有利的改型方案中，输送给第二薄膜单元的溶液具有与输送给第一薄膜单元的供应流相同的溶解物浓度。在此，如果溶液和供应流从相同的贮存器中取出，这证实为特别有利。因此可共同利用供应流备料的重要成分。
在另一设计方案中，在设备中设置有传感器以用于在设备的单个区段中测量物质浓度，其中，传感器与上一级的控制系统相连接，其中，在上一级的控制系统中可存储用于单个区段的设定值，其中，上一级的控制系统与可操控来调节设定值的执行器相连接。如开头所示的那样，海水脱盐设备对当地的生态系统有显著的影响。根据本发明的组件已经能够实现非常有利地稀释滞留物。结合定期观察邻近的生态系统可通过脱盐设备确定用于盐输入的极限值，其可预定到上一级的控制系统中。
附图说明
本发明的其它特征和优点从借助附图的实施例的说明和从附图本身中得出。其中：
图1显示了用于海水脱盐的方法的示意性的流程图，
图2利用换压器的详细图示显示了工艺的第一部分的示意性的流程图。
具体实施方式
从贮存器1中将海水的供应流2输送给第一薄膜单元3。海水在其存储在贮存器1中之前或在输送至第一薄膜单元3之前被清除可损害或污染半透性的薄膜4的成分。
在第一薄膜单元3中发生反渗透，在其中，强迫海水在高压下通过薄膜4。在此必须克服渗透压力。半透性的薄膜4例如可包括聚酰胺、聚四氟乙烯或者带有5·10-7至5·10-6mm的孔径的硫化共聚物。薄膜4允许水通过且挡住盐。第一薄膜单元3将供应流2分成渗透物流5和滞留物流6。渗透物流5为很大程度地无盐的纯水。滞留物流6比输送的供应流2具有更高的盐浓度。
滞留物流6的至少一部分被输送给第二薄膜单元7。在第二薄膜单元7中在半透性的薄膜8的一侧上存在滞留物而在另一侧上存在溶液9，该溶液的溶解物的浓度低于滞留物的浓度。此外，在该实施例中，将海水从贮存器1中输送至第二薄膜单元7。
在第二薄膜单元7的滞留物侧上的压力小于在第一薄膜单元3的滞留物侧上的压力。借助于装置10利用在第一薄膜单元3与第二薄膜单元7之间的压差。装置10在第一薄膜单元3与第二薄膜单元7之间进行切换。
在该实施例中将换压器使用为装置10。换压器在图1中仅示出为正方形的标记10。在图2的说明的范围中进行详细的阐述。
在第二薄膜单元7中进行渗透。自发进行的渗透的驱动力为在通过薄膜8分离的滞留物侧与带有溶液9的侧部的一种或者多种物质的浓度之间的不同。溶液9由相同的贮存器1来供应，还从该贮存器中取出供应流2。溶液9的溶剂通过薄膜8。由此来稀释滞留物。在溶液9中存在的盐由薄膜8挡住。通过水溢流通过薄膜8来减少溶解的盐的浓度差。
由于溶剂的溢流而在第二薄膜单元7的滞留物侧上建立压力。压力通过能量获取单元11来利用。在该实施例中能量获取单元11在第二薄膜单元7下游。将涡轮使用为能量获取单元11。利用水来稀释的滞留物流向涡轮。涡轮的机械功可用来产生电能或者用来泵送。由此来提高工艺的效率。
在能量获取单元11之后将已稀释的滞留物引回到海洋中。在此，已稀释的滞留物流与流12集于一体。流12为溶液9，其相对于来自于贮存器1的纯的海水具有提高的盐浓度，因为来自溶液9的溶剂已经穿到薄膜8的另一侧上，盐然而被挡住。
图2利用换压器的详细图示显示了工艺的第一部分的流程图。滞留物流6在第一薄膜单元3下游在高压下流向转换单元13。转换单元13包括四个旋转活塞阀14，其关于图示在顺时针方向上旋转。
图2为瞬态图(Momentaufnahme)，在其中，旋转活塞阀14占据这样的位置，即在其中，从上压力管15中低压滞留物由分离体16压出至管道17。管道17引导至第二薄膜单元7。
同时上压力管15利用来自贮存器1的新鲜海水来填充。海水由泵18抽吸。海水的一部分在支路19处经由止回阀20流到上压力管15中。
与该过程同时发生分离体16'将海水压出下压力管15'。海水通过止回阀21和泵22流至第一薄膜单元3。供应流2附加地由经由泵24输送的流23供给。在海水从下压力管15'排挤期间，同时利用来自第一薄膜单元3的高压滞留物来填充。
紧接着转换转换单元13，其中，压力管15,15'交换其任务。在此保证持续地、无波动地运行，而未混合新鲜海水和滞留物。
Claims (21)
1. 一种用于处理溶液的方法，在其中，在至少一个第一薄膜单元(3)中将供应流(2)分成渗透物流(5)和滞留物流(6)，其特征在于，将所述滞留物流(6)的至少一部分输送给至少一个第二薄膜单元(7)，在其中，在薄膜(8)的一侧上存在滞留物而在另一侧上存在溶液(9)，该溶液的溶解物的浓度低于所述滞留物的浓度，从而所述溶液(9)的溶剂穿过所述薄膜(8)且稀释所述滞留物。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述滞留物的压力在所述第二薄膜单元(7)中比在所述第一薄膜单元(3)中更小。
3. 根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，借助于装置(10)来利用所述滞留物在所述第一薄膜单元(3)与所述第二薄膜单元(7)之间的压差。
4. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，借助于换压器来利用所述滞留物在所述第一薄膜单元(3)与所述第二薄膜单元(7)之间的压差。
5. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，借助于涡轮来利用所述滞留物在所述第一薄膜单元(3)与所述第二薄膜单元(7)之间的压差。
6. 根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，稀释在所述第二薄膜单元(7)的滞留物侧上引起压力的升高。
7. 根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，借助于能量获取单元(11)来利用在所述第二薄膜单元(7)下游的滞留物的压力。
8. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，借助于涡轮来利用在所述第二薄膜单元(7)下游的所述滞留物的压力。
9. 根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，输送给所述第二薄膜单元(7)的所述溶液(9)具有与输送给所述第一薄膜单元(3)的所述供应流(2)相同的溶解物的浓度。
10. 根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述溶液(9)和所述供应流(2)从相同的贮存器(1)中取出。
11. 根据权利要求10所述的方法，其特征在于，测量在已排出的溶液中的物质浓度且为了达到该物质浓度的设定值而相应地混合至所述第二薄膜单元的流入物。
12. 一种用于处理溶液的设备，带有至少一个第一薄膜单元(3)，在其中，可将供应流(2)分成渗透物流(5)和滞留物流(6)，其特征在于，所述设备包括至少一个第二薄膜单元(7)，所述滞留物流(6)的至少一部分和溶液(9)可如此输送给该第二薄膜单元使得在所述第二薄膜单元(7)的薄膜(8)的一侧上存在滞留物而在另一侧上存在所述溶液(9)，其中，在所述溶液(9)中的溶解物的浓度低于所述滞留物的浓度，从而所述溶液(9)的溶剂可穿过所述薄膜(8)且可稀释所述滞留物。
13. 根据权利要求12所述的设备，其特征在于，在所述第二薄膜单元(7)中可如此调节所述滞留物的压力使得其比在所述第一薄膜单元(3)中更小。
14. 根据权利要求12或13所述的设备，其特征在于，可借助于装置(10)来利用所述滞留物在所述第一薄膜单元(3)与所述第二薄膜单元(7)之间的压差。
15. 根据权利要求14所述的设备，其特征在于，可借助于换压器来利用所述滞留物在所述第一薄膜单元(3)与所述第二薄膜单元(7)之间的压差。
16. 根据权利要求12至15中任一项所述的设备，其特征在于，可借助于稀释在所述第二薄膜单元(7)的滞留物侧上实现压力的升高。
17. 根据权利要求12至16中任一项所述的设备，其特征在于，可借助于能量获取单元(11)来利用在所述第二薄膜单元(7)下游的滞留物的压力。
18. 根据权利要求17所述的设备，其特征在于，可借助于涡轮来利用在所述第二薄膜单元(7)下游的所述滞留物的压力。
19. 根据权利要求12至18中任一项所述的设备，其特征在于，可为所述第二薄膜单元(7)输送具有与可输送给所述第一薄膜单元(3)的所述供应流(2)相同的溶解物的浓度的溶液。
20. 根据权利要求19所述的设备，其特征在于，所述溶液(9)和所述供应流(2)可从相同的贮存器(1)中取出。
21. 根据上述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，设置有传感器以用于在所述设备的单个区段中测量物质浓度，其中，所述传感器与上一级的控制系统相连接，其中，在所述上一级的控制系统中可存储用于所述单个区段的设定值，其中，所述上一级的控制系统与可操控来用于调节设定值的执行器相连接。
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