CN104056551A - 渗透分离系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了使用设计的渗透的分离工艺，大体而言，所述分离工艺涉及使用第二浓溶液以驱动第一溶液中的溶剂穿过半透膜，从而自第一溶液中提取溶剂以浓缩溶质。使用来自工业或商业来源的低品位废热可使效率提高。

Description

渗透分离系统和方法
本申请是申请日为2010年10月29日、发明名称为“渗透分离系统和方法”的申请号为201080060116.4的专利申请的分案申请。
相关申请的交叉引用
本申请为2010年10月29日提交的国际(PCT)专利申请PCT/US2010/054738的国家阶段，本申请要求2009年10月29日提交的美国临时专利申请61/256,757的优先权，将其公开整体引入本文作为参考。
技术领域
本发明的一个或多个方面大体涉及渗透分离。更具体地，本发明的一个或多个方面涉及利用设计的渗透工艺(例如正向渗透(FO))将溶质从水溶液中分离出来的用途。
背景技术
正向渗透已被用于脱盐。通常，正向渗透脱盐工艺涉及具有被半透膜分隔开的两个室的容器。一个室包含海水，另一个室包含浓溶液，由此在海水和浓溶液之间产生浓度梯度。该梯度驱动海水中的水穿过膜进入到浓溶液中，所述膜选择性地允许水通过而不允许盐通过。逐渐地，进入浓溶液中的水将该溶液稀释。然后将溶质从该稀释的溶液中移除，以产生适饮水(potable water)。
发明内容
本发明的数个方面大体上涉及设计的渗透系统和方法，包括正向渗透分离、直接渗透浓缩、压力辅助正向渗透(pressure assisted forwardosmosis)和压力延缓渗透(pressure retarded osmosis)。
根据一种或多种实施方式，用于从第一溶液中渗透提取溶剂的系统可包括：第一室，所述第一室具有与第一溶液源流体连接的入口；第二室，所述第二室具有与浓驱动溶液源流体连接的入口，所述浓驱动溶液包含摩尔比至少为1:1的氨和二氧化碳；半透膜系统，所述半透膜系统将所述第一室与所述第二室隔开；分离系统，所述分离系统流体连接到所述第二室的下游，所述分离系统包括蒸馏塔，所述分离系统被设置为接收来自所述第二室的稀驱动溶液以及回收驱动溶质和溶剂流；再循环系统，所述再循环系统包括吸收器，所述再循环系统被设置为便于将所述驱动溶质再引入到所述第二室，以维持所需的摩尔比；以及低品位热源(source of low grade heat)，所述低品位热源与所述分离系统进行热交换。
在一些实施方式中，所述系统可进一步包括驱动溶液储存系统，所述驱动溶液储存系统与所述浓驱动溶液源流体连通。所述驱动溶液储存系统可包括至少一个囊(bladder)。所述驱动溶液储存系统可包含在容器(vessel)中，所述容器进一步包括第一溶液储存囊和稀驱动溶液储存囊中的至少一个。在至少一种实施方式中，所述蒸馏塔可位于地平面以下。所述半透膜系统可包括浸于槽中的膜组件。所述槽可包括第一浓度区和第二浓度区。所述膜组件可包括多个平片膜(flat sheet membranes)。在一些实施方式中，所述系统可进一步包括气体冲洗系统(gas scoursystem)。所述系统可进一步包括预处理系统，所述预处理系统与所述第一溶液流体连通，所述预处理系统选自于由离子交换、化学软化、纳米过滤、阻垢剂(anti-scalants)和沉淀单元操作装置组成的组。在至少一种实施方式中，所述系统可进一步包括与所述分离系统协作的盐结晶器。所述系统可进一步包括pH计、离子探针、傅立叶变换红外光谱仪和流速计探针(flow rate meter probe)中的至少一种。
根据一种或多种实施方式，正向渗透分离工艺可包括：在半透膜的第一侧上引入第一溶液；在所述半透膜的第二侧上引入包含摩尔比至少为1:1的氨和二氧化碳的浓驱动溶液，以维持穿过所述半透膜所需的渗透浓度梯度；促使所述第一溶液的至少一部分的流(flow)穿过所述半透膜，以在该半透膜的第一侧上形成第二溶液，并在该半透膜的第二侧上形成稀驱动溶液；将至少一部分所述稀驱动溶液引入分离操作装置，以回收驱动溶质和溶剂流(stream)；将所述驱动溶质再引入所述半透膜的第二侧，以维持所述浓驱动溶液中所期望的氨对二氧化碳的摩尔比；收集所述溶剂流；以及控制所述半透膜的生物积垢(biological fouling)。
在一些实施方式中，控制生物积垢涉及使所述第一溶液脱气。控制生物积垢也可涉及调节所述半透膜环境中的渗透压。在至少一种实施方式中，控制生物积垢涉及亚硫酸盐还原、生物处理、渗透震扰(osmoticshock)、曝气(aeration)、产物水的通量和添加亚硫酸氢盐中的至少一种。
以下详细讨论这些示例性方面和实施方式的其它方面、实施方式和优点。此外，应理解上述信息和以下详细描述都仅为各个方面和实施方式的解释性实例，旨在提供用于理解要求保护的方面和实施方式的性质和特征的概述或框架。包括附图以提供各个方面和实施方式的阐述和进一步理解，将其并入并构成该申请文件的一部分。附图以及该申请文件的剩余部分用来解释所描述和要求保护的方面和实施方式的原理和操作。
附图说明
以下参考附图讨论至少一种实施方式的多个方面。在没有意图按比例绘制的附图中，各图中所示的各个相同或几乎相同的部件用相同数字表示。为清楚起见，可能并未在每个图中标记出每个部件。提供附图以阐述和解释本发明，并非用于限制本发明。在附图中：
图1是根据一种或多种实施方式的溶液储存系统的示意图；
图2是根据一种或多种实施方式的正向渗透组件的示意图；
图3是根据一种或多种实施方式的正向渗透池(basins)的流程示意图；
图4A-图4D是根据一种或多种实施方式的膜框架(frames)的示意图；
图5是根据一种或多种实施方式的组件阵列的示意图；
图6和图7是根据一种或多种实施方式的液压剖面(hydraulic profile)的示意图；
图8是根据一种或多种实施方式的系统集成体的示意图；
图9是根据一种或多种实施方式的结晶器集成体的示意图；
图10是根据一种或多种实施方式的二氧化硅过滤集成体的示意图；
图11是根据一种或多种实施方式的移动的设计的渗透工艺的示意图；以及
图12和图13是根据一种或多种实施方式的压力延缓渗透接触器的示意图。
具体实施方式
根据一种或多种实施方式，用于从水溶液中提取水的渗透方法通常涉及使该水溶液接触正向渗透膜的第一表面。可以使与该水溶液相比具有提高的溶质浓度的第二溶液(或驱动溶液)接触所述正向渗透膜的(与第一表面相对的)第二表面。然后水可被驱动而从水溶液穿过所述正向渗透膜并进入到第二溶液中，从而经由正向渗透生成富水的溶液，正向渗透通常利用涉及流体从较稀溶液移向较浓溶液的流体转移性质。可以在第一出口收集富水的溶液(也称作稀驱动溶液)，并进行进一步的分离工艺以生产纯净水。可以在第二出口收集第二产物流，即，贫化(depleted)或浓缩的工艺水溶液，以便排放或进一步处理。
液压压力通常可促使通过膜组件沿第一溶液和第二溶液各自的流道纵轴运送(transport)所述第一溶液和第二溶液，而渗透压通常可促使水穿过组件中的正向渗透膜，由进料溶液运送到驱动溶液中。或者，液压压力可作用于进料溶液，帮助水流由进料溶液进入驱动溶液中，或者，液压压力可施加于驱动溶液上，以使得因驱动溶液的体积膨胀产生动力，所述体积膨胀由两种溶液间的渗透压差驱动的进料溶液的水的膜通量产生(压力延缓渗透(PRO))。通常，将组件内的流道设计成能使引起经过这些流道的流(横流)所必需的液压压力最小，但这经常与希望在流道中产生湍流(产生湍流对在两种溶液间有效产生渗透压差有利)不相符，因为产生湍流具有增加流阻的倾向。较高的渗透压差通常可增加跨膜通量，但可能同时也具有增加从稀驱动溶液中分离驱动溶质以生产稀释的水产物(dilute water product)和再变浓的驱动溶液所需热量的倾向。
根据一种或多种实施方式，正向渗透分离膜组件可包括一个或多个正向渗透膜。正向渗透膜通常是半透的，例如允许水通过，但挡住其中溶解的溶质(例如氯化钠、碳酸铵、碳酸氢铵、氨基甲酸铵)。许多类型的半透膜适用于此用途，只要它们能够允许水(即溶剂)通过并阻挡溶质通过且不与溶液中的溶质反应即可。该膜可具有各种构造，包括薄膜、中空纤维膜、螺旋盘绕膜、单丝和碟管。有许多公知的市售半透膜，其特征在于具有足够小的孔隙，以允许水通过并筛出溶质分子(例如氯化钠)及其离子分子物质种类(species)(例如氯离子)。此类半透膜可以由有机材料或无机材料制成。在一些实施方式中，可以使用由例如乙酸纤维素、硝酸纤维素、聚砜、聚偏氟乙烯、聚酰胺和丙烯腈共聚物等材料制成的膜。其它膜可以是由例如ZrO2和TiO2的材料制成的陶瓷膜或矿物膜。
优选地，所选用作半透膜的材料通常应能承受可能向该膜施加的各种工艺条件。例如，该膜最好能承受升高的温度，例如与消毒或其它高温工艺相关的温度。在一些实施方式中，正向渗透膜组件可以在约0℃-约100℃的温度范围内运行。在一些非限制性实施方式中，工艺温度可以为约40℃-约50℃。同样地，该膜最好能在各种pH条件下保持完整。例如，膜环境中的一种或多种溶液(例如驱动溶液)可能或多或少是酸性或碱性的。在一些非限制性实施方式中，正向渗透膜组件可以在约2-约11的pH水平下运行。在某些非限制性实施方式中，所述pH水平可以为约7-约10。所用的膜不需要仅由这些材料之一制成，它们可以是多种材料的复合物。在至少一种实施方式中，该膜可以是不对称膜，例如在第一表面上具有活性层，在第二表面上具有支持层。在一些实施方式中，所述活性层通常是截留层(rejecting layer)。例如，在一些非限制性实施方式中，截留层可阻止盐通过。在一些实施方式中，支持层(例如衬垫层)通常是无活性的。
根据一种或多种实施方式，至少一个正向渗透膜可置于外罩(housing)或外壳(casing)内。该外罩的尺寸和形状通常适合容纳置于其中的膜。例如，如果容纳螺旋盘绕的正向渗透膜，该外罩可以基本上是圆柱体。该组件的外罩可包含向该组件提供进料溶液和驱动溶液的入口以及用于从该组件中抽取产物流的出口。在一些实施方式中，该外罩可提供至少一个用于容纳或储存待引入该组件或待从该组件中抽取的流体的储器或室。在至少一种实施方式中，该外罩可以是绝缘的。
根据一种或多种实施方式的分离工艺可涉及使第一溶液接触半透膜的第一表面。可以使浓度大于第一溶液的第二溶液接触该膜的(与第一表面相对的)第二表面。在一些实施方式中，可以使用第一试剂调节第二溶液内的溶质平衡，以提高第二溶液内可溶溶质物质种类的量，从而提高第二溶液的浓度。然后第一溶液和第二溶液之间的浓度梯度驱动溶剂穿过该半透膜从第一溶液进入到第二溶液中，产生富溶剂的溶液。根据一种或多种实施方式，可以从该富溶剂的第二溶液中回收一部分溶质并再循环到驱动溶液。该回收工艺可产生溶剂产物流。该浓度梯度也在半透膜的第一侧上产生贫化溶液，可以将其排出或进一步处理。该贫化溶液可包括需要浓缩或回收的一种或多种目标物质种类。
根据一种或多种实施方式，公开了使用渗透从第一溶液中提取溶剂的装置。在该装置的一种非限制性实施方式中，该装置具有含入口和出口的第一室。第一室的入口可与第一溶液源连接。半透膜将该第一室与第二室隔开。所述第二室具有入口以及第一出口和第二出口。在一些实施方式中，第三室可接收来自第二室的第一出口的富溶剂的第二溶液和来自第二室的第二出口的试剂。第三室可包括与分离操作装置(例如用于过滤该富溶剂的第二溶液的过滤器)连接的出口。所述过滤器可具有第一出口和第二出口，该第一出口与第二室的入口连接，以使沉淀的溶质再循环到第二室。在一些实施方式中，第四室可以接收来自所述分离操作装置的第二出口的富溶剂的第二溶液。第四室可具有用于将所述富溶剂的第二溶液加热的加热器。第四室的第一出口可以将成分气体(constituent gases)送回第二室的入口。如本文所述，各种物质种类(例如来自第四室的气体和/或来自第三室的沉淀的溶质)可以在该系统内再循环。例如，可以将这些物质种类在相同入口或不同入口引入第二室。第四室的第二出口可使最终产物(例如溶剂)离开该装置。由于从一个溶液到另一个溶液穿过所述膜产生通量，流道构造可能是改变进料溶液和驱动溶液中流量或流速的原因。对于短的流道长度以及低到中等的通量速率，用于膜系统中的进料溶液和驱动溶液的流道通常应该设计成近似相等；或者，对于较长的流道长度和/或较高的通量，所述流道可设计为逐渐变细的(tapering)，其中进料变窄、驱动变深。
根据一种或多种实施方式，正向渗透膜组件通常可被构建和设置为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。尽管所述第一溶液和第二溶液可保持不流动，但优选所述第一溶液和第二溶液都通过横向流(即与半透膜的表面平行的流)引入。这通常可以提高沿一个或多个流体流路接触的膜表面积，由此提高正向渗透效率。在一些实施方式中，所述第一溶液和第二溶液可以以相同方向流动。在另一些实施方式中，所述第一溶液和第二溶液可以以相反方向流动。在至少一些实施方式中，在膜表面的两侧上可都存在类似的流体动力学。这可以通过在该组件或外罩中战略性集成一个或多个正向渗透膜来实现。
根据一种或多种实施方式，可回收驱动溶质供再使用。可从稀驱动溶液中气提溶质以生产大体上不含该溶质的产物水。所述分离系统可包括蒸馏塔。然后可以将驱动溶质例如通过再循环系统送回浓驱动溶液中。可凝结或吸收气态的溶质以形成浓驱动溶液。吸收器可使用稀驱动溶液作为吸收剂。在其它实施方式中，产物水可用作吸收剂，用于全部或部分吸收来自溶质再循环系统的气流。
根据一种或多种实施方式，第一溶液可以是任何水溶液或含有希望进行分离、净化或其它处理的一种或多种溶质的溶剂。在一些实施方式中，第一溶液可以是非适饮水，例如海水、咸水(salt water)、微咸水、灰水(gray water)和某些工业水。待处理的工艺流可包括盐和其它离子物质种类，例如氯化物、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。在一些实施例中，第一溶液可以是盐水(例如咸水或海水)、废水或其它污水。第一溶液可以从上游单元操作装置(例如工业设施)或任何其它来源(例如海洋)递送至正向渗透膜处理系统。第二溶液可以是含有比第一溶液高的溶质浓度的驱动溶液。可使用各种驱动溶液。例如，驱动溶液可包括热分解盐溶液。在一些实施方式中，可以使用氨和二氧化碳驱动溶液，例如美国专利申请公开号2005/0145568(McGinnis)中公开的那些，该公开出于各种目的将其全文经此引用并入本文。在一种实施方式中，第二溶液可以是氨和二氧化碳的浓溶液。在至少一种实施方式中，所述驱动溶液可包括摩尔比大于1:1的氨和二氧化碳。
第二(驱动)溶液的优选溶质可以是氨和二氧化碳气体以及它们的产物碳酸铵、碳酸氢铵和氨基甲酸铵。当氨和二氧化碳以约为1的摩尔比溶解在水中时，形成由主要的碳酸氢铵和较低程度的相关产物碳酸铵和氨基甲酸铵构成的溶液。这种溶液中的平衡更偏向于较不溶溶质物质种类(碳酸氢铵)而不是可溶溶质物质种类(氨基甲酸铵以及较低程度的碳酸铵)。用过量氨气来缓冲主要由碳酸氢铵构成的溶液以使氨对二氧化碳的摩尔比提高到约1.75至2.0，会使该溶液的平衡移向可溶溶质物质种类氨基甲酸铵。氨气更可溶于水并优先被该溶液吸附。由于氨基甲酸铵更容易被第二溶液的溶剂吸附，其浓度可提高至溶剂不能再吸收该溶质的程度，即，饱和。在一些非限制性实施方式中，通过这种操作实现的这种第二溶液内的溶质浓度大于约2摩尔浓度、大于约6摩尔浓度、或为约6摩尔至约12摩尔浓度。
根据一种或多种实施方式，基于系统中驱动溶液的最高浓度，氨对二氧化碳的比应大体上使驱动溶质气完全被吸收到吸收流体(例如，如本文所述的稀驱动溶液的一部分)中。驱动溶液的浓度、体积和流速通常应与进料溶液的浓度、体积和流速相匹配，从而在整个膜系统和进料水回收的范围维持这两种溶液间所需的渗透压差。根据一种或多种实施方式，这可考虑膜内及其表面的内部和外部浓度极化现象来计算。在一种非限制性脱盐实施方式中，可使用盐进料水流速的33％左右的浓驱动溶液入口流速，对于海水脱盐系统，通常在约25％-75％的范围内。较低盐度的进料可能要求驱动溶液入口速率为进料水流速率的约5％-25％。稀驱动溶液出口速率通常可为进料水入口速率的约50％-100％，并且为盐水排出体积的约三到四倍。
根据一种或多种实施方式，氨对二氧化碳的比通常应该与驱动溶液的浓度和用在驱动溶质的除去和回收工艺中的温度相匹配。如果该比不够高，那么将不可能将驱动溶质气完全吸收为盐供浓溶液再使用，如果该比太高，则驱动溶液中会有过量的氨，这在所需的温度范围内(如利用废热驱动所述工艺所必需的温度)将不会适当地凝结。例如，在一些实施方式中，蒸馏塔可在约50℃气提气体，吸收塔可在约20℃下操作。氨对二氧化碳的比应该进一步被考虑为防止氨通过膜进入到进料溶液中。如果该比太高，可能会引起非离子化的氨以比必需的或理想的浓度高的浓度存在于驱动溶液中(通常地主要是铵)。其它参数，例如进料水的类型、所需的渗透压、所需的通量、膜的类型和驱动溶液浓度可能影响所优选的驱动溶液的摩尔比。在渗透分离工艺中，可监测和控制氨对二氧化碳的比。在至少一种实施方式中，驱动溶液可包括摩尔比大于1:1的氨和二氧化碳。在一些非限制性实施方式中，在约50℃且驱动溶液的摩尔浓度(molarity)规定为该溶液中二氧化碳的摩尔浓度时，驱动溶液的比对于1摩尔以下的驱动溶液可至少为约1.1:1，对于1.5摩尔以下的驱动溶液可至少为约1.2:1，对于3摩尔以下的驱动溶液可至少为约1.3:1，对于4摩尔以下的驱动溶液可至少为约1.4:1，对于4.5摩尔以下的驱动溶液可至少约1.5:1，对于5摩尔以下的驱动溶液可至少为约1.6:1，对于5.5摩尔以下的驱动溶液可至少为约1.7:1，对于7摩尔以下的驱动溶液可至少为约1.8:1，对于8摩尔以下的驱动溶液可至少为约2.0:1，对于10摩尔以下的驱动溶液可至少为约2.2:1。实验表明，在此近似温度下，这些比约为这些浓度的溶液的稳定溶解性所需要的最小比。在较低的温度，对于相同的浓度，需要较高的氨对二氧化碳的比。在较高的温度，可能需要较低的比，但可能还要求对溶液进行一定加压来阻止溶质分解成气体。大于1:1的比，即使在总浓度小于2摩尔时，也大大增加溶液的稳定性，防止二氧化碳气的形成以及通常防止由甚至是适量的热和/或适量降低的压力引起的驱动溶液的热分解。
根据一种或多种实施方式，正向渗透分离工艺可包括：在半透膜的第一侧上引入第一溶液；检测所述第一溶液的至少一种特性；基于所检测的至少一种特性，为包含氨和二氧化碳的浓驱动溶液选择摩尔比；在所述半透膜的第二侧上引入以所选择的摩尔比包含氨和二氧化碳的所述浓驱动溶液，以维持穿过所述半透膜所需的渗透浓度梯度；促使所述第一溶液的至少一部分的流穿过所述半透膜，以在该半透膜的第一侧上形成第二溶液，并在该半透膜的第二侧上形成稀驱动溶液；将至少一部分所述稀驱动溶液引入分离操作装置，以回收驱动溶质和溶剂流；将所述驱动溶质再引入所述半透膜的第二侧，以维持所述浓驱动溶液中所选择的浓度及氨对二氧化碳的摩尔比；以及收集所述溶剂流。
根据一种或多种实施方式，用于从第一溶液中渗透提取溶剂的装置可包括：第一室，所述第一室具有与第一溶液源流体连接的入口；第二室，所述第二室具有与浓驱动溶液源流体连接的入口，所述浓驱动溶液包含摩尔比至少为1:1的氨和二氧化碳；半透膜系统，所述半透膜系统将所述第一室与所述第二室隔开；分离系统，所述分离系统流体连接到所述第二室的下游，所述分离系统包括蒸馏塔，所述分离系统被设置为接收来自第二室的稀驱动溶液以及回收驱动溶质和溶剂流；以及再循环系统，所述再循环系统包括吸收器，所述再循环系统被设置为便于将所述驱动溶质再引入到第二室，以维持所述浓驱动溶液中氨对二氧化碳的摩尔比。
根据一种或多种实施方式，可为减少占用空间(footprint)而设计系统和方法。在一些实施方式中，可将各种溶液(例如浓的和稀的可重复使用的溶液)战略性储存于囊中。在至少一种非限制性实施方式中，囊可由氯丁橡胶或类似材料制成。在一些非限制性实施方式中，可在相同的容器内使用三个囊以储存进料水、产物水、浓缩物和稀盐溶液。不管是否分离或混合水与浓缩物，容器内的总体积可保持相同。可实现每种流体用一个囊；或者用两个囊，其中两种流体各用一个囊，第三流体储存在这两个囊外侧与容器壁之间。囊可以以垂直或水平排列的方式储存。图1阐明了两个囊和三个囊的多种构造(configurations)。
在与减少占用空间有关的其它实施方式中，可采用单个外壳(enclosure)，例如用作蒸馏塔的填充有填料的混凝土衬砌槽(concretelined tank)。钢盖可为真空的形成创造条件。可用聚合物涂覆混凝土或者可使用无混凝土的聚合物衬砌凹坑(pit lined with polymer)。也可使用埋地容器(buried vessels)。可提供辅助装置。低成本结构可促进进行热交换。在各种实施方式中，共同或共享的壁构造可用于将气提塔和吸收器集成到同一结构中，以使占用空间最小、成本最低，而且常用来提高美感(aesthetics)。
根据一种或多种实施方式，可利用涉及浸没式常压膜(atmosphericmembrane)设计的系统和方法实现正向渗透脱盐。正向渗透膜装置可设置在中空纤维构造中，驱动溶液在所述纤维的腔(lumens)中并以足以使所述驱动溶液侧的浓度极化最小的速度流动。为了使进料侧的浓度极化最小，可用分布于组件束(module bundle)支撑区域的空气连续地或间歇地冲洗纤维外侧。所述纤维可以平行于空气流的垂直排列方式取向，以使纤维受到的压力最小。在另一种实施方式中，还可在浸没式(submerged)或淹没式(flooded)容器构造中使用螺旋盘绕膜构造。可对这些膜组件施加足够的流体速度，以在膜表面产生对降低浓度极化现象有用的剪切力，并保持膜表面清洁。还可对它们施加用气泡进行的连续地或周期性地冲洗，以减小浓度极化并保持膜表面清洁。这些技术可使得能够处理具有高积垢和/或结垢(scaling)潜力的水。
在图2的简图所显示的操作装置中，浓驱动溶液可进入位于组件一端的分布室，沿纤维束的长度方向流动并进入位于组件另一端的收集室。离开组件的驱动溶液随后可流入相邻组件的分布装置。这种设置可允许驱动溶液以与待脱盐的进料水相反的水平方向流动。可有利地获得相对恒定的跨膜渗透驱动力。膜系统设计可涉及组件接触器的分级(staging)，从而使得在整个接触器池的范围内，经过膜表面的速度在进料溶液侧和驱动溶液侧保持相对恒定。
根据一种或多种实施方式，图3显示了原进料水沿池构造的外周进入的池构造的简图。流通过孔板(perforated plates)进入和离开池以保证均一的垂直流动速度。新鲜的驱动溶液进入最靠近盐水出口的组件的顶部，向下流过第二级组件，向上流过第一级组件。可调节级的相对数量和各级组件的相对数量以满足进料水和驱动溶液条件所必需的特定条件。
根据一种或多种实施方式，系统和方法可涉及平片正向渗透膜组件设计。平片膜封套(envelope)可利于驱动溶液在膜封套内流动。如图4A所示，膜片可粘结在提供结构支持的两个塑料框架之间。如图4B所示，两个膜框架可结合成一个膜封套。如图4C所示，所述框架可被设计为在框架相对的端产生一排孔(orifices)，以促进封套内驱动溶液的均匀分布和收集。
在至少一些实施方式中，所述驱动溶液流过封套时，由于跨膜的水运送的结果，体积可能实质上增加。采用上述流构造，经过组件的驱动溶液的速度可随体积增加而增大，这可导致压降增大和泵浦能增大。根据一种或多种实施方式，随着从封套入口到封套出口体积的增大，可有利地保持相对恒定的所述驱动溶液的速度。
或者，如图4D所示，关于所述组件的内部体积，其可以是不对称的，例如，对于较高的体积流，具有较厚的底部。或者，所述组件具有一定程度的柔韧性。
根据一种或多种实施方式，可将膜封套设置在由多个封套组成的组件中。封套间终间距及组件的规格可在产品开发期间确定。例如，在一个非限制性实施方式中，可利用每英寸组件宽度上三个封套来估计每单位体积的膜面积。
根据图5，可将多个组件垂直排列为堆叠组装体，每个组件之间的塑料支持框架被设计为允许水和驱动溶液的垂直流。基于包括在装配和拆卸和/或从膜槽移除期间操作方便等因素，可确定所有单个组件和堆叠的规格。可对组件、间隔物及堆叠进行设计以保持进料溶液和驱动溶液的液压特性。
关于根据一种或多种实施方式的贯穿膜接触器的液压剖面(hydraulic profile)，可应用各种设计参数。可在膜两侧保持相对恒定的速度以使低速引起的通量衰减和高速引起的过度压降最小。还可使速度保持适当地高以防止膜的水侧上的固体沉积。在工艺中流动的驱动溶液和水的体积流速可分别升高和降低，使得在一些实施方式中需要在水和驱动溶液流二者上串联使用两级或更多级。在至少一些实施方式中，可能优选使用最浓的驱动溶液(即，进入接触器的驱动溶液)以从最咸的水(离开接触器的盐水)中提取水。通常，应当使利用装置旋转来在该工艺中移动流体的操作最小化。所述设计应该提供如下特征：便于可靠处理具有悬浮固体和/或浓缩后可以沉淀的略溶盐的进料水源。
根据如图6所示的一种或多种实施方式，该构思的水侧的液压设计可具有如下的一个或多个特征：例如，两级或多级串联、各级并联一个或多个堆叠、用于控制横流速度的曝气、表面冲洗、经由空气提升作用再循环水的动力、直流(once-through)处理或浓缩物再循环、如果仅用空气存在不足时的进料泵和用于从再循环的浓缩物中除去和稠化悬浮固体的浓缩沉降槽(settling tank)。
如图7所示，根据一种或多种非限制性实施方式，驱动溶液侧的液压设计可任选地涉及驱动溶液以与水相反的方向流动和/或将稀浓缩物中产生的压力用作泵送浓缩物穿过系统的能量源。
根据一种或多种实施方式，各种设计的渗透系统和方法可与较大的系统集成。如图8所示，在一些实施方式中，系统和方法可与各种热源和水系统集成。在至少一种实施方式中，驱动溶液可在与凝结塔相关的管的内部进料。在一些实施方式中，可在再沸器中使用来自地下的热水。在其它实施方式中，可使用地热、来自工业源的废热、太阳能收集器、熔盐或储热系统中的余热。在其它实施方式中，可使用柴油发电机。
根据一种或多种实施方式，正向渗透系统和方法可与盐结晶器集成。对于集成的正向渗透系统和结晶器系统，可优化热管理，从而使结晶器产生可随后在用于驱动溶液再生的正向渗透工艺中使用的蒸汽品质(steam quality)。来自结晶器的蒸汽可为盐晶体分离后离开结晶器蒸气室主体(vapor body)的蒸汽，或者为来自用作结晶器的热能源的蒸气压缩机的输出的一部分。图9显示上述集成体的一个非限制性的实施方式的简图。
根据一种或多种实施方式，正向渗透系统和方法可与用于使来自废水源的水回收最大化的辅助工艺集成，所述废水源具有用于结垢沉淀的潜力。为了防止钙盐和镁盐沉淀，可首先通过例如涉及与钠在强酸阳离子交换树脂上进行离子交换的那些技术从进料中除去钙和镁。FO浓缩物可用于使树脂再生。化学分散剂可用来防止离子交换柱中的沉淀。对于二氧化硅结垢控制，可将二氧化硅结垢分散剂供应给所述系统的进料。如果所需的浓度因子导致二氧化硅的浓度超过分散剂供应者所推荐的最大浓度，可通过除去二氧化硅的小型外部微滤器或超滤器使一部分进料再循环。图10显示所述工艺的非限制性实施方式的简图。
在另一种实施方式中，利用或不利用阻垢化学剂，可在FO膜系统中将可溶盐浓缩到它们的溶解度或超出它们的溶解度，从而将所述浓进料溶液导向至包含晶种和/或添加有絮凝化学添加剂的沉淀槽(precipitation tank)中。然后可将这种溶液导向至沉降槽和/或过滤装置中以除去颗粒物。然后，可将来自该处理的流出物导向至另一个工艺进行处理，从FO膜系统中丢弃，或者在FO膜系统中再循环以进一步浓缩。在FO膜系统中，可利用剪切力和/或引入用于冲洗的气泡，以保证在膜表面不发生沉淀和/或积垢。
根据一种或多种实施方式，系统和方法可用在膜生物反应器(MBR)操作装置中用于处理废水。在一些实施方式中，可将来自废弃物的废水以单一步骤进行转化供再使用。一些实施方式可能不需要曝气，这样，将水与废物流中的悬浮固体和有机物分离的直接膜分离，或者膜蒸煮器(digester)操作可以在能量和总成本方面有所节省。在非限制性实施方式中，可以设计MBR系统从而使循环沿着膜片表面，并在膜片下的槽中存在相对未混合区。可从该沉降区域中除去固体。发酵也可发生在未混合区，使得能够除去和使用来自槽顶部的甲烷。所述槽可设置为使泵的出口位于该槽的一侧，如果需要的话，引导沿膜片横(宽度)轴的流诱导剪切力和湍流，从而使流沿着所述膜片的纵轴均匀分布、由上至下均匀分布。所述槽可进一步设置为：该槽中与泵侧相对的壁以这样的方式弯曲：在减小的阻力下将水送回槽的泵侧，该流在膜堆叠的任一侧上经过(passing)。根据需要，膜袋(pockets)内部的驱动溶液可自上而下、自下而上或者交替串联流动。可设置膜堆叠，使槽的不同区承受进料溶液的不同稳态浓度。气泡可用来冲洗膜表面以减小浓度极化现象并防止在膜表面上积垢和/或结垢，这种空气的引入意在上述目的而并非像典型的常规膜生物反应器一样在于将氧气引入溶液。
根据一种或多种实施方式，可以在批处理的设计的渗透(EO)工艺中实施系统和方法。在一些非限制性实施方式中，成批的微咸水和废水源可被脱盐和浓缩。待处理的流体可在批处理EO工艺和用于水源的储存槽之间再循环直到达到所需的盐浓度。可设计该批处理EO工艺以通过预过滤或使用可容纳悬浮固体的FO膜和组件设计来对进料水中悬浮的固体进行操作。该工艺可用于移动的临时处理装置或固定装置。图11显示如何用移动的EO工艺来浓缩蓄留的(impounded)微咸产出水的实例。
根据一种或多种实施方式的膜组件可用在压力延缓渗透中。压力延缓渗透通常可能涉及由两种溶液(例如浓驱动溶液和稀工作流体)间的盐浓度差带来的衍生渗透力或盐度梯度能。在一些实施例中，海水可以是第一溶液，淡水或接近去离子的水可以为第二溶液。在一些实施方式中，可将一个或多个螺旋盘绕正向渗透膜组件装入压力容器中以促进延缓渗透。可改变该正向渗透膜组件的一个或多个设计方面以用于压力延缓渗透用途。在压力延缓渗透中，可将驱动溶液引入在膜的第一侧上的压力室。在一些实施方式中，基于驱动溶液和稀工作流体间的渗透压差，可对至少一部分驱动溶液加压。可在膜的第二侧上引入稀工作流体。该稀工作流体通常可经由渗透穿过膜移动，由此增加在该膜的加压驱动溶液侧上的体积。由于压力被补偿，可使涡轮旋转发电。然后可对得到的稀驱动溶液进行处理(例如分离)供再使用。在一些实施方式中，较低温度的热源(例如工业废热)可用在压力延缓渗透系统或工艺中或有利于压力延缓渗透系统或工艺。
根据一种或多种实施方式，系统和方法可用在大规模压力延缓渗透接触器中。可使用如图12和图13中所示的中空纤维膜组件。可将该组件安装于垂直或水平压力容器内，为了解释目的，示出了垂直压力容器中的单个组件。对于利用海水和淡水间渗透压差的“开放”PRO，可控制盐浓度并可保持使在膜的淡水侧上的浓度极化作用最小的足够速度。淡水可进入该纤维的一端并从另一端离开，或者淡水可进入纤维的两端并使盐在纤维内积聚到一定程度，随后用在顶部引入的淡水周期性地冲洗腔内的盐。对于再生的驱动溶液和蒸馏水或者去离子水都被送回到接触器中的“闭合回路”PRO，可将水同时从纤维束的顶部和底部供应到组件中，以使纤维内的液压压力损失最小，使能量生产最大化。
在开放PRO或闭合回路PRO中，控制在高压区内纤维外侧的浓度极化可促进水通量速度和能量生产最大化。可在每个组件的底部引入气体以破坏CP边界层。可在高压区室(compartment)的顶部收集该气体并用小型压缩机使其再循环。该压缩机只须克服再循环配管系统和接触器内的分布系统的较低的压力损失，使能量消耗最小。
在涉及开放PRO的一些实施方式中，所述气体可以是空气但也可以是用于控制pH的其它气体或包括用于控制pH的其它气体(如氮气或二氧化碳)，以防止碳酸钙在组件中沉淀。在利用碳酸铵作为驱动溶质的闭合PRO的情况中，可能有利的是使用在热回收系统中离开蒸馏塔的氨和/或二氧化碳作为破坏气体(disruption gas)，在这种情况下，膜接触器容器将还能充当气体吸收器，由此为整个工艺节省一定资本成本并降低一定的复杂性。不进入溶液的气体在各种实施方式中再循环，从而使利用气体混合物(尤其是如果一种或多种气体能显著地溶解在驱动溶液中时)是可行的。例如，可以以适当的比和能保证充分的纤维搅动(agitation)的气体体积使用空气与氨和二氧化碳。
根据一种或多种实施方式，可监测和控制膜积垢。可利用例如涉及液体湍流和气体引入的那些冲洗技术来控制膜积垢。在一些实施方式中，剪切力(例如涉及在膜表面引起剪切的循环中的流体动力学的剪切力)可用于冲洗。在其它实施方式中，可将例如泡沫珠(foam balls)之类的物体置于流路中以进行冲洗。在一些实施方式中，可通过操纵操作参数以改变渗透压和流路来控制积垢和生物学活性，例如使在不同的时间，不同的膜区承受不同的溶液、渗透压、pH或其它条件。可计划(scheduled)随时间(例如基于分钟、小时或年)的变化。
根据一种或多种实施方式，可用各种技术控制驱动溶液中极端微生物(extremophiles)的存在。可对进料脱气或进行其它预处理以防止硝化细菌或其它生物通过与进料流中的气体(例如氧气)反应而消耗驱动溶液成分。可使用膜接触器或其它脱气技术。其它可实施的用于控制所述驱动溶液中的极端微生物的技术包括：亚硫酸盐还原、生物处理、渗透震扰、不与驱动溶液反应的常规清洁技术、无化学物质的产物水的通量、盐水溶液曝气和添加亚硫酸氢盐。
根据一种或多种实施方式，装置、系统和方法通常可涉及控制器，所述控制器用于调整或调节所述装置或所述系统的部件(例如但不限于启动阀和泵)的至少一个操作参数；以及用于调整经过螺旋盘绕正向渗透膜组件的一种或多种流体流动流(fluid flow streams)的性能或特性。控制器可与至少一个传感器电连通，设置所述传感器用于检测所述系统的至少一个操作参数(例如浓度、流速、pH水平或温度)。控制器通常可被设置为产生控制信号，以针对传感器产生的信号来调整一个或多个操作参数。例如，设置控制器可用于接收正向渗透分离装置的任何流、部件或子系统的条件、性能或状态的表现度(representations)。控制器通常包括便于产生至少1种输出信号的算法，该输出信号通常基于上述表现度中的任何一种或多种以及目标或所需值(例如设定点)。根据一个或多个特定方面，设置控制器可用于接收任何流的任何测定的性能的表现度，并产生控制信号、驱动信号或输出信号到任何系统部件，以减小测量性能与目标值的任何偏差。
根据一种或多种实施方式，工艺控制系统和方法例如可以基于所检测到的参数(包括pH和传导率)监测各种浓度水平。还可控制工艺流流速和槽液面(tank level)。可监测温度和压力。可利用离子选择性探针、pH计、槽液面和流的流速来检测膜泄漏(leaks)。还可通过使用气体对膜的驱动溶液侧加压、利用超声检测器和/或目测进料水侧的泄漏来检测泄漏。可监测其它操作参数和维护问题(maintenance issues)。例如可通过测量产物水流速和品质、热流和电能消耗来监测各个工艺效率。例如，可通过测量通量衰减(flux decline)(由在膜系统中特定点下的进料溶液和驱动溶液的流速确定)来控制用于减轻生物积垢的清洁方案。在盐水流上的传感器可表明何时需要例如采用蒸馏、离子交换、折点氯化处理或类似方案进行处理。这可采用pH计、离子选择性探针、傅立叶变换红外光谱仪(FTIR)或其它的感测(sense)驱动溶质浓度的手段完成。可监测并追踪驱动溶液的条件，以进行溶质的弥补(makeup)添加和/或替换。同样地，可通过传统方法或用探针(例如铵探针或氨探针)监测产物水质。可实施FTIR以检测存在的物质种类，从而提供对于例如保证合适的工厂操作(plant operation)以及识别例如膜离子交换作用的行为可能有用的信息。
根据一种或多种实施方式，浓驱动溶液和稀驱动溶液之一或二者都可储存于囊中，在某些情况下可储存在容器内。类似地，产物水和/或进料水可储存于囊中。当容器与多个囊一起使用时，因为各种贮存器的体积随通过膜的通量和驱动溶液的再循环而改变，无须改变容器的总体积，从而可使工艺占用空间最小。可通过利用例如填充有填料并加盖的经涂覆的混凝土衬砌凹坑将蒸馏塔置于地下。膜组件可浸于进料水槽中，驱动溶液位于膜的内部。膜可以是螺旋的、中空纤维、板和框架或其它构造。正向渗透膜应用中的空气冲洗可保持进料道清洁。空气冲洗可以是连续的或间歇的。膜组件可设置在浸没式槽内，从而使不同的区域具有不同的浓度。平片正向渗透膜可用在堆叠构造中并浸于槽中。低温热可用在正向渗透或压力延缓渗透中使驱动溶液再生。低品位热源可包括地热、太阳能热、来自储热系统的余热、来自工业和/或动力产生工艺的废热。正向渗透工艺可和盐结晶器集成，这样来自结晶器的热可用在正向渗透工艺中，并且与来自结晶器的气体一样，任何已流向正向渗透盐水的驱动溶质都可送回到正向渗透工艺中。正向渗透可与防结垢预处理配合以使能够高回收率地回收进料水，所述预处理包括，例如离子交换、化学软化、纳米过滤、阻垢剂和/或沉淀技术。用于FO的防结垢系统中的空气冲洗可用来防止在膜表面上结垢。正向渗透可用于没有为生物学活性而曝气的含有机物的水。可浓缩废物流以用于蒸煮器中潜在的应用中，同时在膜槽内潜在地生产甲烷供能量使用并生产具有再使用品质的产物水。这可能在浸没式的膜槽设计中特别有效。除了提供氧气外，空气冲洗还可以使得能够存在高浓度的有机物而没有膜积垢。可用正向渗透实现批处理或连续的搅拌槽反应器(CSTR)型操作，尤其以便于提高有机物浓缩正向渗透系统和/或沉淀系统的功能。压力延缓渗透系统也可为浸没式槽构造。可对压力延缓渗透系统曝气以阻止积垢和/或结垢并减小浓度极化。活性气体也可能对这一功能(functionality)有帮助。可通过使膜组件或阵列部件交替接触高渗透压或低渗透压来控制正向渗透系统中的生物生长。例如，可将通常处理0.5M水的膜阵列部件改为处理2M水。上述调整会使生物膜生长很困难。还可对进料流进行脱气以阻止特定类型的生物有机体的生长。例如，除去氧气可限制硝化菌的生长，所述硝化菌可氧化由驱动溶液传递到进料中的氨。其它可实施的用于限制生物学活性的技术包括：亚硫酸盐还原、生物处理、渗透震扰、不与驱动溶液反应的常规清洁技术、无化学物质的产物水的通量、盐水溶液曝气和添加亚硫酸氢盐。在一些实施方式中，pH计、离子探针、FTIR和/或流速计可用来控制正向渗透系统以保证所需的通量、渗透压差、氨对二氧化碳的比以及浓度。
在已经描述了一些示例性实施方式的情况下，对本领域技术人员显而易见的是上述仅为解释性的而非限制性的，仅作为实例提供。本领域技术人员能够采用多种修改和其它实施方式，且都落入本发明范围内。特别是，尽管本文提供的许多实例涉及方法动作或系统元素的具体组合，应理解那些动作和元素可以其它方式组合以实现相同目的。
应理解本文讨论的装置、系统和方法的实施方式并不限于以下说明或附图中所述的构造细节和组件设置的应用中。该装置、系统和方法能在其它实施方式中执行且以多种方式实施或进行。在此提供的具体实施的实例仅用于解释性目的，而非用于限制。特别是，与任何一个或多个实施方式相关的所讨论的动作、元素和特征不是用来将它们从任何其它实施方式中的类似角色排除。
本领域技术人员应理解本文所述的参数和构造(configuration)为示例性的，实际参数和/或构造将取决于所使用的本发明的系统和技术的具体应用。本领域技术人员仅利用常规实验，也应认识到或能确定本发明具体实施方式的等价物。因此应理解，本文所述的实施方式仅作为实例提供，且都落入所附权利要求及其等同物的范围内；本发明还可以不同于本文具体描述的方式实施。
此外，还应理解本发明涉及本文描述的各个特征、系统、子系统或技术以及两种或多种本文描述的特征、系统、子系统或技术的任意组合；如果特征、系统、子系统和技术不互相不一致，则认为所述两种或多种特征、系统、子系统和/或方法的任意组合都在权利要求所述的发明范围内。而且，仅就一种实施方式讨论的动作、元素和特征不应排除其在其它实施方式中的类似角色。
本文使用的措辞和术语用于描述，不应理解为限制。本文使用的术语“多个”是指两个或更多个项目或组分。术语“包含”、“包括”、“带有”、“具有”、“含”和“涉及”(“comprising”，“including”，“carrying”，“having”，“containing”，“involving”)无论是在说明书还是权利要求等中，为开放式术语，即，是指“包括但不限于”。因此，该术语的使用是指包括其后所列的项目及其等同物以及另外的项目。对于权利要求，仅有过渡短语“由……组成”和“基本由……组成”分别为封闭或半封闭的过渡短语。权利要求中使用序数术语如“第一”、“第二”、“第三”等来修饰权利要求要素(element)，并不意味着一个权利要求要素的任何优先级、在先权或次序超过另一个权利要求要素，也不意味着方法进行的时间性顺序，仅是作为标记以区分一个具有某一名称的权利要求要素与另一具有相同名称的要素(除序数术语的使用之外)，从而区分所述权利要求的要素。

Claims (10)

1.一种用于从第一溶液中渗透提取溶剂的系统，所述系统包括：
第一室，所述第一室具有与所述第一溶液源流体连接的入口；
板和框架式半透膜组件，所述板和框架式半透膜组件至少部分浸没在所述第一室中；
第二室，所述第二室由所述板和框架式半透膜组件限定，并具有与浓驱动溶液源流体连接的入口；
分离系统，所述分离系统流体连接到所述第二室的下游，所述分离系统被设置为接收来自所述第二室的稀驱动溶液以及回收驱动溶质和溶剂流。
2.权利要求1所述的系统，其中所述浓驱动溶液包含热分解盐。
3.权利要求1所述的系统，其中所述浓驱动溶液包含氯化钠。
4.权利要求1所述的系统，其中所述分离系统包含过滤器。
5.权利要求1所述的系统，所述系统进一步包括多个板和框架式半透膜组件，所述多个板和框架式半透膜组件至少部分浸没在多个第一室中，并限定多个第二室。
6.权利要求1所述的系统，其中所述膜组件或所述分离系统中的至少一者被设置用于移动操作。
7.权利要求1所述的系统，所述系统进一步包括气体冲洗系统。
8.权利要求1所述的系统，所述系统进一步包括预处理系统，所述预处理系统与所述第一溶液流体连通，其中所述预处理系统包括离子交换、化学软化、纳米过滤、阻垢剂或沉淀单元操作装置中的至少一种。
9.一种正向渗透分离工艺，所述工艺包括：
在两个以上半透膜组件的第一侧上引入第一溶液；
将浓度高于所述第一溶液的浓驱动溶液引入所述半透膜组件的第二侧，以维持穿过所述半透膜的所需的渗透浓度梯度；
促使所述第一溶液的至少一部分的流穿过所述半透膜，以在所述半透膜的第一侧上形成第二溶液，并在所述半透膜的第二侧上形成稀驱动溶液；
将至少一部分所述稀驱动溶液引入分离操作装置，以回收驱动溶质和溶剂流；
将所述驱动溶质再引入所述半透膜的第二侧；以及
收集所述溶剂流。
10.权利要求9所述的工艺，其中所述两个以上半透膜组件浸于槽中。
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