CN104968616B - 用于在高回收率脱盐系统中防结垢的离子螯合 - Google Patents

用于在高回收率脱盐系统中防结垢的离子螯合 Download PDF

Info

Publication number
CN104968616B
CN104968616B CN201480006790.2A CN201480006790A CN104968616B CN 104968616 B CN104968616 B CN 104968616B CN 201480006790 A CN201480006790 A CN 201480006790A CN 104968616 B CN104968616 B CN 104968616B
Authority
CN
China
Prior art keywords
water
based composition
cation
multidentate ligand
brine
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201480006790.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN104968616A (zh
Inventor
普拉卡什·戈文丹
温莎·松
史蒂文·莱姆
马克西姆斯·圣约翰
约翰·林哈德
穆罕默德·米尔西
安纽拉·巴杰佩伊
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Massachusetts Institute of Technology
Original Assignee
Massachusetts Institute of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Massachusetts Institute of Technology filed Critical Massachusetts Institute of Technology
Publication of CN104968616A publication Critical patent/CN104968616A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN104968616B publication Critical patent/CN104968616B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F5/00—Softening water; Preventing scale; Adding scale preventatives or scale removers to water, e.g. adding sequestering agents
    • C02F5/08—Treatment of water with complexing chemicals or other solubilising agents for softening, scale prevention or scale removal, e.g. adding sequestering agents
    • C02F5/10—Treatment of water with complexing chemicals or other solubilising agents for softening, scale prevention or scale removal, e.g. adding sequestering agents using organic substances
    • C02F5/12—Treatment of water with complexing chemicals or other solubilising agents for softening, scale prevention or scale removal, e.g. adding sequestering agents using organic substances containing nitrogen
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F5/00—Softening water; Preventing scale; Adding scale preventatives or scale removers to water, e.g. adding sequestering agents
    • C02F5/08—Treatment of water with complexing chemicals or other solubilising agents for softening, scale prevention or scale removal, e.g. adding sequestering agents
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D61/00—Processes of separation using semi-permeable membranes, e.g. dialysis, osmosis or ultrafiltration; Apparatus, accessories or auxiliary operations specially adapted therefor
    • B01D61/02—Reverse osmosis; Hyperfiltration ; Nanofiltration
    • B01D61/025—Reverse osmosis; Hyperfiltration
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D61/00—Processes of separation using semi-permeable membranes, e.g. dialysis, osmosis or ultrafiltration; Apparatus, accessories or auxiliary operations specially adapted therefor
    • B01D61/36—Pervaporation; Membrane distillation; Liquid permeation
    • B01D61/364—Membrane distillation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D61/00—Processes of separation using semi-permeable membranes, e.g. dialysis, osmosis or ultrafiltration; Apparatus, accessories or auxiliary operations specially adapted therefor
    • B01D61/42—Electrodialysis; Electro-osmosis ; Electro-ultrafiltration; Membrane capacitive deionization
    • B01D61/44—Ion-selective electrodialysis
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D61/00—Processes of separation using semi-permeable membranes, e.g. dialysis, osmosis or ultrafiltration; Apparatus, accessories or auxiliary operations specially adapted therefor
    • B01D61/58—Multistep processes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/44—Treatment of water, waste water, or sewage by dialysis, osmosis or reverse osmosis
    • C02F1/444—Treatment of water, waste water, or sewage by dialysis, osmosis or reverse osmosis by ultrafiltration or microfiltration
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/66—Treatment of water, waste water, or sewage by neutralisation; pH adjustment
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F9/00—Multistage treatment of water, waste water or sewage
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K8/00—Compositions for drilling of boreholes or wells; Compositions for treating boreholes or wells, e.g. for completion or for remedial operations
    • C09K8/52—Compositions for preventing, limiting or eliminating depositions, e.g. for cleaning
    • C09K8/528—Compositions for preventing, limiting or eliminating depositions, e.g. for cleaning inorganic depositions, e.g. sulfates or carbonates
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2311/00—Details relating to membrane separation process operations and control
    • B01D2311/08—Specific process operations in the concentrate stream
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D61/00—Processes of separation using semi-permeable membranes, e.g. dialysis, osmosis or ultrafiltration; Apparatus, accessories or auxiliary operations specially adapted therefor
    • B01D61/02—Reverse osmosis; Hyperfiltration ; Nanofiltration
    • B01D61/04—Feed pretreatment
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D61/00—Processes of separation using semi-permeable membranes, e.g. dialysis, osmosis or ultrafiltration; Apparatus, accessories or auxiliary operations specially adapted therefor
    • B01D61/14—Ultrafiltration; Microfiltration
    • B01D61/145—Ultrafiltration
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/02—Treatment of water, waste water, or sewage by heating
    • C02F1/04—Treatment of water, waste water, or sewage by heating by distillation or evaporation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/44—Treatment of water, waste water, or sewage by dialysis, osmosis or reverse osmosis
    • C02F1/441—Treatment of water, waste water, or sewage by dialysis, osmosis or reverse osmosis by reverse osmosis
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/68—Treatment of water, waste water, or sewage by addition of specified substances, e.g. trace elements, for ameliorating potable water
    • C02F1/683—Treatment of water, waste water, or sewage by addition of specified substances, e.g. trace elements, for ameliorating potable water by addition of complex-forming compounds
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2101/00—Nature of the contaminant
    • C02F2101/10—Inorganic compounds
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2103/00—Nature of the water, waste water, sewage or sludge to be treated
    • C02F2103/08—Seawater, e.g. for desalination
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2103/00—Nature of the water, waste water, sewage or sludge to be treated
    • C02F2103/10—Nature of the water, waste water, sewage or sludge to be treated from quarries or from mining activities
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2303/00—Specific treatment goals
    • C02F2303/16—Regeneration of sorbents, filters
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A20/00—Water conservation; Efficient water supply; Efficient water use
    • Y02A20/124—Water desalination
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A20/00—Water conservation; Efficient water supply; Efficient water use
    • Y02A20/124—Water desalination
    • Y02A20/131—Reverse-osmosis

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Water Supply & Treatment (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Hydrology & Water Resources (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Urology & Nephrology (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)
  • Removal Of Specific Substances (AREA)
  • Heat Treatment Of Water, Waste Water Or Sewage (AREA)
  • Preventing Corrosion Or Incrustation Of Metals (AREA)
  • Manufacture And Refinement Of Metals (AREA)

Abstract

可以从一种水性组合物(22)中沉淀以便产生结垢的阳离子通过将多齿配体(24)添加至该水性组合物(22)中螯合。该多齿配体与该阳离子结合以便形成一种不结垢离子络合物；并且在一个从该水性组合物中生产基本纯净的水(32)的工艺(28)中使用具有该离子络合物的水溶液(26)，在该工艺中在不存在该离子络合物形成的情况下该阳离子经受结垢。然后降低该水性组合物(或包含该水性组合物的组分的盐水)的pH(36)以便从该多齿配体(42)中释放该阳离子(40)；并且在释放该阳离子之后然后在一个主要是闭合环路中再使用该多齿配体(42)。

Description

用于在高回收率脱盐系统中防结垢的离子螯合
背景
在本世纪，淡水的短缺将超过作为人类全球关注的能量的短缺；并且这两个挑战有着密不可分的联系，例如，正如2010年5月20日一期的《经济学家》(The Economist)中“关于水的特别报道(Special Report on Water)”中所解释的。淡水是人和其他生物体的最基本的需求之一；每个人每天需要消耗最少约两升。全世界还面临来自农业和工业过程的更大的淡水需求。
供水不足造成的危害是极其紧迫的。淡水的短缺可能导致多种危机，包括饥荒、疾病、死亡、被迫大规模迁移、跨地区冲突/战争以及崩溃的生态系统。尽管有对淡水需求的紧急程度和短缺的深远影响，淡水供应仍受到格外限制。地球上97.5％的水是咸水，并且其余部分中有约70％作为冰冻结(主要在冰盖和冰川中)，使得只剩下地球上所有水中的一小部分呈可供使用的淡(非咸)水形式。
此外，地球上作为淡水并可供使用的水是不均匀分布的。例如，人口众多的国家，如印度和中国，有很多受稀缺供应源影响的地区。再进一步，淡水供应往往季节性地不一致。同时，对淡水的需求在全球范围内逐渐紧张。水库干涸；蓄水层下降；河流枯竭；并且冰川和冰盖收缩。不断增长的人口使需求增加，正如在农业中的转变和增长的工业化所造成的。气候变化在许多地区造成甚至更大的威胁。因此，面临水短缺的人数越来越多。然而，天然存在的淡水典型地被局限于区域性流域；并且水运输是昂贵并且能量密集的。
此外，可以有利地从污染的废物流(例如，来自油气生产)提取水以便同时生产淡水和浓缩并且减少这些废物流的体积，由此减少污染和污染物并且减少成本。
然而，用于从海水(或从半咸水或污染的废物流)生产淡水的许多现有方法需要大量的能量。反渗透(RO)是目前领先的脱盐技术。在大型工厂中，与理论最小值约1kWh/m3相比，在30％回收率下所要求的比电量(specific electricity)可以低到4kWh/m3；规模更小的RO系统(例如，船载的)效率更低。
其他现有的海水脱盐系统包括基于热能的多级闪蒸(MSF)蒸馏和多效蒸馏(MED)，两者均是能量和资本密集型方法。然而，在MSF和MED系统中，最高盐水温度和热量输入的最高温度受到限制以便避免硫酸钙、氢氧化镁以及碳酸钙沉淀，该沉淀会导致在传热设备上形成软垢和硬垢。
增湿-除湿(HDH)脱盐系统包括一个增湿器和一个除湿器作为其主要部件并且使用一种载气(例如空气)在热源与盐水之间传送能量。这种技术的一种简单型式包括一个增湿器、一个除湿器及一个用于加热海水流的加热器。在增湿器中，热海水与干燥空气直接接触，并且该空气被加热并增湿。在除湿器中，使加热并增湿的空气与冷海水(间接)接触并且得到除湿，从而产生纯水和除湿的空气。就MSF和MED系统来说，如果温度上升太高结垢组分的沉淀伴随后续损坏在该系统内可能发生。
在美国专利号8,119,007B2(A.Bajpayee等人)中描述的另一种方法使用定向溶剂，该定向溶剂定向地溶解水但是不溶解盐。加热这种定向溶剂以将来自盐溶液中的水溶解于该定向溶剂中。将剩余的高度浓缩的盐水去除，并且将定向溶剂和水的溶液冷却以使基本纯净的水从该溶液中沉淀出来。
本发明人中有一些也被指定为以下专利申请的发明人，这些专利申请包括对HDH和用于纯化水的其他方法的另外的讨论：2009年9月4日提交的美国申请序列号12/554,726(公开为US 2011/0056822A1；代理人案号mit-13607)；2009年10月5日提交的美国申请序列号12/573,221(公开为US 20110079504 A1；代理人案号mit-13622)；2011年2月15日提交的美国申请序列号13/028,170(代理人案号mit-14295)；以及2011年9月23日提交的美国申请序列号13/241,907(代理人案号mit-14889)；以及2012年7月16日提交的美国申请序列号13/550,094(代理人案号mit-15410)。
概述
在此描述了用于在脱盐和其他工艺中防止结垢的装置和方法。该装置和方法的不同实施例可能包括以下描述的部分或全部的元素、特征以及步骤。
根据这些方法的实施例，可以从一种水性组合物中沉淀以便产生结垢的阳离子通过将一种多齿配体添加至该水性组合物中螯合。该多齿配体与该阳离子结合以便形成一种不结垢离子络合物；并且在一个涉及从该水性组合物中生产基本纯净的水的工艺中使用该水性组合物(其中该离子络合物存在或已去除)的至少一部分，在该工艺中在不存在该离子络合物形成的情况下该阳离子经受结垢。然后降低该包含该离子络合物的水性组合物(或包含该水性组合物的组分的盐水)的pH以便从该多齿配体中释放该阳离子；并且在释放该阳离子之后然后在一个主要是闭合环路(predominantly closed loop)中再使用该多齿配体(其中该多齿配体的大部分(尽管不一定是所有的)在该工艺的每次重复中被再循环并且再使用)。
该装置的实施例包括一个水性组合物源，该水性组合物包含至少一种类型的阳离子，该阳离子可以从该水性组合物中沉淀以便产生结垢。一个第一导管被配置成将来自该水性组合物源的该水性组合物进料至一个脱盐系统中；并且一个第二导管被配置成将来自多齿配体源的多齿配体进料至该第一导管中以使该多齿配体与在该水性组合物中的阳离子结合以便形成一种不结垢离子络合物。一个pH降低装置与pH降低试剂源联接并且被配置成在低pH水平下从该多齿配体中分离这些阳离子。此外，一个第三导管被配置成将在该水性组合物中的或在由该水性组合物产生的盐水中的不结垢离子络合物进料至该pH降低装置中。
通过螯合否则可能在高温操作(如脱盐(包括多种形式的水性废物处理))中生产结垢的阳离子，在此描述的这些方法和装置可以改进该操作的效力(例如，更高的回收率)并且防止该装置的损坏。此外，这些方法和装置可以在较高的温度下操作而不存在高温下结垢(以及后续伤害)的风险。再进一步，这些方法可以将水性原料的预处理的成本降低至在脱盐之前使用碱石灰来软化该水性原料以由此减少结垢的以前技术成本的约1/10。
附图简要说明
图1是Na4EDTA多齿配体的分子图。
图2是螯合阳离子的Na4EDTA多齿配体的分子图。
图3是用于防结垢脱盐的装置的第一个实施例的示意图。
图4是用于防结垢脱盐的装置的第二个实施例的示意图。
图5是可以用于图3、4或6的装置中的高回收率脱盐系统的示意图。
图6是用于防结垢脱盐的装置的第三个实施例的示意图。
在这些附图中，相同的参考符号遍及不同视图指代相同或相似的零件；并且撇号用于区别共用相同参考号的相同或相似项目的多个例子。这些附图不一定是按比例的，重点反而在于阐明如下讨论的详细原理。
详细说明
从这项或这些发明在更广泛的范围内的不同概念和具体实施例的以下更详细的描述中，这项或这些发明的不同方面的上述的和其他的特征和优点将是明显的。上文介绍的和下文更详细讨论的本主题的不同方面可以按多种方式中的任一种实施，因为本主题并不局限于任何特定的实施方式。主要是为了说明的目的提供具体实施和应用的实例。
除非在此另外定义、使用或表征，否则在此使用的术语(包括技术和科学术语)应被解释为具有与它们在相关领域背景下所接受的含义一致的含义，并且不应以理想化或过于正式的意义进行解释，除非在此明确如此定义。举例来说，如果提及一种特定组合物，那么该组合物可能是基本上纯的，尽管不是完美地纯的，因为实际且不完美的现实情况可能适用；例如，可能存在的至少痕量的杂质(例如，小于1％或2％，其中在此表达的百分比或浓度可以按重量计或按体积计)可以理解为在本说明的范围内；同样地，如果提及一种特定形状，那么该形状旨在包括与理想形状的不完美的偏差，例如归因于制造公差。
尽管术语第一、第二、第三等在此可能被用于描述不同要素，但这些要素并不受限于这些术语。这些术语只是用于将一个要素与另一个要素区分开来。因此，下面讨论的一个第一要素可以被称为一个第二要素，而没有脱离示例性实施例的传授内容。
空间相关的术语，如“上方”、“下方”、“左”、“右”、“前”、“后”等可能在此被使用以便于描述一个要素与另一个要素的关系，如图中所示出。应理解，除在此描述和在图中描绘的取向外，这些空间相关的术语以及所示出的配置旨在涵盖正在使用或运行的设备的不同取向。例如，如果翻转图中的设备，那么描述为位于其他要素或特征“下方”或“之下”的要素则将取向成位于该其他要素或特征的“上方”。因此，示例性术语“上方”可以涵盖上方和下方的取向两者。该设备可能另外取向(例如，旋转90度或其他取向)，并且在此使用的空间相关的叙述语被作相应地解释。
再进一步，在本披露中，当一个要素被称为是“在之上”、“连接到”或“联接到”另一个要素上时，它可以直接在之上，连接或联接到该其他要素或者可以存在中介元素，除非另有规定。
在此使用的术语是用于描述具体实施例的目的，并且不旨在限制示例性实施例。如在此所使用，单数形式，如“一个(a和an)”也旨在包括复数形式，除非上下文另有指示。此外，术语“包括(includes)”，“包括(including)”、“包含(comprises)”和“包含(comprising)”指定所陈述的要素或步骤的存在，但不排除一个或多个其他要素或步骤的存在或添加。
在水性组合物(例如，海水、半咸水或来源于页岩气或页岩油提取的采出水或回流水)中发现的各种离子(例如，阳离子，如Ca2+、Ba2+、Sr2+、Mg2+)例如通过与碳酸根和硫酸根结合可以沉淀以便形成结垢化合物。由于相反的溶解度(即，在较高的温度下该结垢化合物的较低的溶解度)这种结垢可能在高温下发生并且可折中这些水性组合物的处理和/或可弄脏或损坏该装置的高温组件，这些组件趋向是该装置中最昂贵的组件。
根据在此描述的方法，这些结垢离子可以被螯合并且通过将离子14捕获在螯合多齿配体12(如乙二胺四乙酸(H4EDTA))中防止沉淀。在一个实施例中，可以Na4EDTA的形式提供该多齿配体12，该Na4EDTA在溶液中形成EDTA4-。在图1中提供了H4EDTA的分子结构的图示。在阳离子14的存在下在该H4EDTA中的氢(H)原子从氧(O)原子中释放，并且在该H4EDTA中这些氢原子结合至其上的氧原子然后结合至这些阳离子14上；此外，在每个氮(N)原子上的自由电子对还与这些阳离子14形成键以便螯合在六个面上正交的阳离子14的每一个。
可以如下表示此方法的化学反应：
Na4EDTA+Ca2+→CaEDTA2-+4Na+
在以上表述中，EDTA充当该多齿配体(螯合剂)，并且钙(Ca2+)是该结垢离子。该钙离子的捕获通过在该水性组合物中建立大于4的pH(其中Ks基本上大于1)促进。如以上示出的，一摩尔EDTA捕获一摩尔的二价金属离子或过渡金属离子。具体地，在这种情况下，当以CaEDTA2-形式螯合时，该钙离子被捕获并且不结垢。在相关的温度下产生的新的络合物离子(CaEDTA2-)具有比甚至氯化钠(NaCl)高的多的溶解度。
使用EDTA作为该多齿配体是有利的，因为其高的稳定常数，尽管可以使用多种其他配体的任何一种。在以下表1中提供了这些方法中可以使用的配体的实例以及它们对应的稳定常数。
表1：
在图3中提供了用于防结垢脱盐的装置的第一个实施例的示意图。在这个实施例中，该水性原料组合物是来自油或气提取的采出水。可以将该水性组合物从源22(如槽或打开的池)中通过一个第一导管16进料至高回收率的脱盐系统28中。该多齿配体12可以最初地从源24提供并且补充并且被注入至该第一导管16中，其中该多齿配体12捕获该阳离子14以便形成一种不结垢离子络合物15，如在图2中示出的(其中为了简化氢键从该图示中省略)，然后该不结垢离子络合物15与该采出水一起被注入至一个高回收率的脱盐系统28中，还将热能46进料至该脱盐系统28中。
在图5中提供了该高回收率的脱盐系统28的一个实施例的组件的示意图。该水性组合物26(例如，采出水)首先通过一个导管进料穿过一个反渗透单元62，从该反渗透单元62通过一个第一输出导管提取第一淡水输出32’。然后将剩余的水性盐水组合物通过一个导管进料穿过一个机械式蒸汽压缩蒸馏单元64，从该单元64通过一个第二输出导管提取第二淡水输出32”。然后将剩余的水性盐水组合物通过一个导管进料穿过一个结晶器66，从该结晶器66通过一个第三输出导管提取第三淡水输出32”’。该结晶器66还输出(a)一种盐水34，该盐水34包含仍然被该多齿配体12螯合的处于离子络合物15形式的阳离子14以及(b)例如NaCl、KCl、Na2SO4、以及Na2CO3的固体(结晶的)输出30。可替代地，或此外，该高回收率的蒸馏系统28可以包括用于以下项的单元：多级闪蒸蒸馏(MSF)、多效蒸馏(MED)、提取蒸馏(ED)、膜蒸馏(MD)、增湿/除湿(HDH)蒸馏等。这些蒸馏过程在这种方法中可以在该阳离子14将从该水性组合物26中沉淀的温度(例如，至少50℃)下进行，该阳离子14不被该多齿配体12捕获。
返回到图3，将来自该高回收率的脱盐系统28的包含离子络合物15的盐水34，在去除淡(基本纯净的)水32和固体30之后，通过第三导管20进料至一个pH降低室36中，其中该盐水34的pH可以通过添加一种来自源38中的酸(例如，盐酸、硫酸或草酸)降低至低于2。在具体的实施例中，其中添加草酸，该pH需要仅仅降低至约5(或更小)的pH，因为草酸可能引发草酸钙而不是来自该离子络合物的EDTA的沉淀。此pH的降低导致该多齿配体12从该阳离子14中解离。然后该多齿配体12与剩余的水性组合物作为一种再循环的原料42进料通过一个第二导管18回到该第一导管16，通过该第一导管16进料该最初的水性组合物26。在途中，将来自源44的一种中和碱如NaOH注入至该第二导管18中以便将该再循环原料42的pH升高至约中性的；并且可以将来自源24的附加的(补充的)多齿配体12注入至该第二导管18中。
将从该pH降低室36中输出的盐水(在去除了多齿配体12(在组合物42中)之后)进料至一个冷冻器54中，该冷冻器54从该盐水中提取热能46(例如，将该盐水的温度降低至小于20℃)。然后可以将从该盐水中提取的热能46通过一个导热连接转移并且再引入至该高回收率的脱盐系统28中。在该冷冻器54中冷却该盐水导致附加的多齿配体12(没有在该pH降低室36中释放的)与该盐水中的阳离子14中分离。将具有附加释放的多齿配体12的组合物42’注入至来自该pH降低室36的组合物42的流中以便再循环甚至更多的多齿配体12。该冷冻器54还输出包含释放的离子(例如，Na、Ca、Ba、Sr、和/或Mg、以及Cl)的盐水至一个储罐40中。在图4中展示了其中没有冷冻器54并且没有附加释放的组合物42’的装置的第二实施例。
在图6中提供了用于防结垢脱盐的装置的第三个实施例的示意图。在这个实施例中，该水性组合物原料26通过第一导管16进料通过一个超滤单元48，该超滤单元48可以包括一个具有小于1μm(sub-1-μm)孔的膜，该水性组合物原料26流动通过该膜。在将该水性组合物的残留物52注入至该高回收率的脱盐系统28中之前，该超滤单元48从该水性组合物26中去除离子络合物15。通过该第三导管20将通过该超滤单元48从该水性组合物26中过滤出的具有该离子络合物15的盐水34引导至该pH降低室36中。该pH降低室36将一种具有所释放的阳离子的盐水输出至一个储罐50中并且还输出一种包含该多齿配体12的组合物42用于通过该第二导管18再注入至该水性原料组合物26中。因此，这个实施例与第一和第二实施例(在图3和4中示出的)的不同在于在该不结垢离子络合物15到达该高回收率的脱盐系统28中之前将其从该水性原料组合物26中去除。
在描述本发明的实施例中，专用术语是为清晰起见而使用的。为了说明的目的，专用术语旨在至少包括技术和功能上的等效物，这些等效物以相似的方式运作来达到相似的结果。此外，在其中本发明的具体实施例包括多个系统要素或方法步骤的一些情况下，那些要素或步骤可以被一个单一要素或步骤替换；同样，一个单一要素或步骤可以被达到相同目的多个要素或步骤替换。此外，当在此对于本发明的实施例指定不同性质的参数或其他值时，那些参数或值可以上下调整1/100th、1/50th、1/20th、1/10th、1/5th、1/3rd、1/2、2/3rd、3/4th、4/5th、9/10th、19/20th、49/50th、99/100th等(或上调1、2、3、4、5、6、8、10、20、50、100倍等)，或其四舍五入的近似值，除非另有规定。此外，虽然已经参考本发明的具体实施例展示并描述了本发明，但本领域普通技术人员将理解，在不脱离本发明的范围的情况下，其中可以在形式和细节上做出不同替代和改变。再进一步，其他方面、功能以及优点也在本发明的范围内；并且本发明的所有实施例并不需要实现所有的优点或具备上述所有特征。此外，在此与一个实施例结合讨论的步骤、要素以及特征同样可以与其他实施例结合使用。贯穿本文所引用的参考文献，包括参考文本、期刊论文、专利、专利申请等的内容通过引用以其全部内容结合在此；并且来自这些参考文献的适当的组件、步骤以及特征可能会或可能不会包括在本发明的实施例中。再进一步，在背景部分中鉴别的组件和步骤是本披露的整体部分并且可以与在本发明范围内的披露中其他地方描述的组件和步骤结合使用或者将其替代。在方法权利要求中，其中以一种特定的顺序来叙述多个阶段，无论带有或不带有为便于参考所加的顺序的前缀字符，这些阶段不被解释为在时间上受限于叙述它们的顺序，除非另有规定或由术语和措词进行暗示。

Claims (14)

1.一种用于螯合阳离子的方法，这些阳离子能够从一种水性组合物中沉淀，该方法包括：
将一种多齿配体添加至水性组合物中，该水性组合物包含至少一种类型的阳离子，该阳离子能够从该水性组合物中沉淀以便产生结垢；然后
使该多齿配体能够与该阳离子结合以便形成一种不结垢离子络合物；然后
通过具有小于1微米孔的超滤单元从该水性组合物中去除该不结垢离子络合物，其中该超滤单元被设置成从该水性组合物中过滤出具有该不结垢离子络合物的盐水并且使该水性组合物的残留物通过；
降低过滤出的所述具有该不结垢离子络合物的盐水的pH以便从该多齿配体中释放该阳离子；并且
在该阳离子被释放之后，将该多齿配体再引入至另外的水性组合物中以便在主要是闭合的环路中形成另外的不结垢离子络合物。
2.如权利要求1所述的方法，其中该阳离子包含以下项中的至少一种：钙、钡、锶以及镁。
3.如权利要求1所述的方法，其中该水性组合物包含来自油或气提取的回流水或采出水。
4.如权利要求1所述的方法，其中该水性组合物包含海水和半咸水中的至少一种。
5.如权利要求1所述的方法，其中该水性组合物包含废水。
6.如权利要求1所述的方法，其中过滤出的盐水的pH通过添加酸降低以便将该阳离子从该多齿配体中释放出来。
7.如权利要求1所述的方法，进一步包括通过一种选自以下项中的至少一种的脱盐方法使纯化水与该水性组合物的残留物的其他组分分离：反渗透、多级闪蒸蒸馏、多效蒸馏、机械式蒸汽再压缩、电渗析、膜蒸馏、定向溶剂提取以及增湿-除湿。
8.如权利要求1所述的方法，进一步包括在将该水性组合物的残留物加热一直到至少50℃的温度的工艺中使纯化水与该水性组合物的残留物的其他组分分离，在该温度，如果该阳离子以未结合的形式保留在该水性组合物的残留物中，则该阳离子将从该水性组合物的残留物中沉淀。
9.如权利要求1所述的方法，其中该水性组合物包含至少一种选自NaCl、KCl、Na2SO4、以及Na2CO3的化合物的溶解的组分。
10.如权利要求1所述的方法，其中包含该不结垢离子络合物的该盐水的pH通过将一种酸添加至该盐水中被降低，该方法进一步包括在释放并且去除该多齿配体之后将一种碱添加至该盐水中，其中该碱中和该酸。
11.如权利要求1所述的方法，其中在该pH被降低之后将包含该不结垢离子络合物的该盐水冷却至小于20℃以便增加释放出该阳离子的多齿配体的量。
12.如权利要求1所述的方法，其中该多齿配体包括一个乙二胺四乙酸离子。
13.一种用于防结垢脱盐的装置，该装置包括：
一个水性组合物源，该水性组合物包含至少一种类型的阳离子，该阳离子能够从该水性组合物中沉淀以便产生结垢；
一个脱盐系统；
一个被配置成将来自该水性组合物源的该水性组合物进料至该脱盐系统的第一导管；
一个多齿配体源；
一个第二导管，该第二导管被配置成将来自该多齿配体源的多齿配体进料至该第一导管以便使该多齿配体与在该水性组合物中的阳离子结合以便形成一种不结垢离子络合物；
超滤单元，该超滤单元与该第一导管联接并且被配置为从该水性组合物中过滤出具有该不结垢离子络合物的盐水，其中该超滤单元具有小于1微米孔，并且被设置成使该水性组合物的残留物通过并且在该水性组合物的残留物被注入到该脱盐系统之前去除该不结垢离子络合物；
一个与pH降低试剂源联接的并且被配置成从该多齿配体分离这些阳离子的pH降低装置；以及
一个被配置成将来自该超滤单元的具有该不结垢离子络合物的盐水进料至该pH降低装置的第三导管。
14.如权利要求13所述的装置，其中该第二导管被配置成将来自该pH降低装置的该多齿配体进料至该第一导管中。
CN201480006790.2A 2013-03-14 2014-03-12 用于在高回收率脱盐系统中防结垢的离子螯合 Active CN104968616B (zh)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201361783905P 2013-03-14 2013-03-14
US61/783,905 2013-03-14
US13/958,968 US9617179B2 (en) 2013-03-14 2013-08-05 Ion sequestration for scale prevention in high-recovery desalination systems
US13/958,968 2013-08-05
PCT/US2014/024384 WO2014150848A1 (en) 2013-03-14 2014-03-12 Ion sequestration for scale prevention in high-recovery desalination systems

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN104968616A CN104968616A (zh) 2015-10-07
CN104968616B true CN104968616B (zh) 2018-08-28

Family

ID=51522771

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201480006790.2A Active CN104968616B (zh) 2013-03-14 2014-03-12 用于在高回收率脱盐系统中防结垢的离子螯合

Country Status (15)

Country Link
US (2) US9617179B2 (zh)
EP (1) EP2969981B1 (zh)
JP (1) JP6386528B2 (zh)
KR (1) KR20150131180A (zh)
CN (1) CN104968616B (zh)
AU (1) AU2014235569B2 (zh)
BR (1) BR112015021932A2 (zh)
CA (1) CA2898882A1 (zh)
CL (1) CL2015002452A1 (zh)
IL (1) IL240462A (zh)
MX (1) MX2015011469A (zh)
RU (1) RU2015140613A (zh)
SA (1) SA515361048B1 (zh)
SG (1) SG11201505708RA (zh)
WO (1) WO2014150848A1 (zh)

Families Citing this family (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AU2014306078B2 (en) 2013-08-05 2018-10-18 Gradiant Corporation Water treatment systems and associated methods
CA2925869A1 (en) 2013-09-23 2015-03-26 Gradiant Corporation Desalination systems and associated methods
US9221694B1 (en) 2014-10-22 2015-12-29 Gradiant Corporation Selective scaling in desalination water treatment systems and associated methods
CN104386835B (zh) * 2014-11-25 2016-02-24 新昌县羽林街道昱泉机械厂 一种油田井下防垢剂及其制备方法
US10167218B2 (en) 2015-02-11 2019-01-01 Gradiant Corporation Production of ultra-high-density brines
US20160228795A1 (en) 2015-02-11 2016-08-11 Gradiant Corporation Methods and systems for producing treated brines
CN108367244B (zh) 2015-07-29 2022-05-03 格雷迪安特公司 渗透脱盐方法和相关系统
US10245555B2 (en) 2015-08-14 2019-04-02 Gradiant Corporation Production of multivalent ion-rich process streams using multi-stage osmotic separation
WO2017030932A1 (en) 2015-08-14 2017-02-23 Gradiant Corporation Selective retention of multivalent ions
US10345058B1 (en) * 2015-11-18 2019-07-09 Gradiant Corporation Scale removal in humidification-dehumidification systems
US10689264B2 (en) 2016-02-22 2020-06-23 Gradiant Corporation Hybrid desalination systems and associated methods
US10513445B2 (en) 2016-05-20 2019-12-24 Gradiant Corporation Control system and method for multiple parallel desalination systems
CN107512811B (zh) * 2017-07-31 2020-06-23 四川思达能环保科技有限公司 球形氢氧化镍生产工艺过程废水的处理方法
US10938329B2 (en) 2018-03-22 2021-03-02 University Of Notre Dame Du Lac Electricity generation from low grade waste heat
CN110156178A (zh) * 2018-03-27 2019-08-23 新疆环境工程技术有限责任公司 一种用于脱硫系统的软化除垢剂
WO2020041542A1 (en) 2018-08-22 2020-02-27 Gradiant Corporation Liquid solution concentration system comprising isolated subsystem and related methods
US20230174391A9 (en) * 2019-05-16 2023-06-08 The Trustees Of Columbia University In The City Of New York Temperature swing solvent extraction for descaling of feedstreams
CN110963541B (zh) * 2019-12-11 2021-04-13 西安交通大学 自维持海水淡化系统及淡化方法
CN111186950B (zh) * 2020-01-13 2020-12-08 西安交通大学 一种高产水率海水淡化系统及运行方法
KR102420223B1 (ko) 2020-03-26 2022-07-15 한국과학기술연구원 칼슘계 결정 생성 억제장치 및 이를 이용한 수처리장치
EP4247522A1 (en) 2020-11-17 2023-09-27 Gradiant Corporation Osmotic methods and systems involving energy recovery

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3625761A (en) * 1969-12-23 1971-12-07 Texaco Inc Method for the treatment of alkaline earth metal sulfate scale
EP0207390B1 (de) * 1985-06-22 1989-09-13 BASF Aktiengesellschaft Verfahren zur Rückgewinnung der Amin- und Metallkomponenten beider Polyphenylenethersynthese
EP0623561A1 (fr) * 1993-04-05 1994-11-09 Electricite De France Procédé et dispositif de décontamination d'effluents liquides contenant des métaux sous forme ionique
WO1995027683A1 (en) * 1994-04-06 1995-10-19 Zenon Environmental, Inc. Microfiltration enhanced reverse osmosis for water treatment
CN1623936A (zh) * 2004-10-26 2005-06-08 南京工业大学 燃煤电厂灰水回用工艺及其回用闭式循环系统

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5225087A (en) 1991-05-10 1993-07-06 Westinghouse Electric Corp. Recovery of EDTA from steam generator cleaning solutions
US5167828A (en) * 1991-10-07 1992-12-01 Nalco Chemical Company Phosphinate-containing polymers for controlling scale in underground petroleum-containing formations and equipment associated therewith
US5328616A (en) * 1992-11-20 1994-07-12 Monsanto Company Methods and apparatus for treating electroless plating baths
JPH08108048A (ja) * 1994-10-12 1996-04-30 Toray Ind Inc 逆浸透分離装置及び逆浸透分離方法
US8292272B2 (en) 2009-09-04 2012-10-23 Massachusetts Institute Of Technology Water separation under reduced pressure
US8252092B2 (en) 2009-10-05 2012-08-28 Massachusetts Institute Of Technology Water separation under varied pressure
CN102712502B (zh) 2009-11-25 2014-01-08 麻省理工学院 采用定向溶剂提取法进行海水淡化
JP5992506B2 (ja) * 2011-04-14 2016-09-14 ビーエーエスエフ ソシエタス・ヨーロピアＢａｓｆ Ｓｅ 系の表面上のスケール堆積物を溶解および／または抑制する方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3625761A (en) * 1969-12-23 1971-12-07 Texaco Inc Method for the treatment of alkaline earth metal sulfate scale
EP0207390B1 (de) * 1985-06-22 1989-09-13 BASF Aktiengesellschaft Verfahren zur Rückgewinnung der Amin- und Metallkomponenten beider Polyphenylenethersynthese
EP0623561A1 (fr) * 1993-04-05 1994-11-09 Electricite De France Procédé et dispositif de décontamination d'effluents liquides contenant des métaux sous forme ionique
WO1995027683A1 (en) * 1994-04-06 1995-10-19 Zenon Environmental, Inc. Microfiltration enhanced reverse osmosis for water treatment
CN1623936A (zh) * 2004-10-26 2005-06-08 南京工业大学 燃煤电厂灰水回用工艺及其回用闭式循环系统

Also Published As

Publication number Publication date
US20140263055A1 (en) 2014-09-18
US20170174543A1 (en) 2017-06-22
RU2015140613A (ru) 2017-04-19
JP6386528B2 (ja) 2018-09-05
CN104968616A (zh) 2015-10-07
WO2014150848A1 (en) 2014-09-25
IL240462A0 (en) 2015-09-24
US9957180B2 (en) 2018-05-01
BR112015021932A2 (pt) 2017-07-18
EP2969981A1 (en) 2016-01-20
JP2016515928A (ja) 2016-06-02
IL240462A (en) 2017-10-31
SA515361048B1 (ar) 2019-07-21
AU2014235569B2 (en) 2018-03-01
KR20150131180A (ko) 2015-11-24
EP2969981B1 (en) 2019-01-16
SG11201505708RA (en) 2015-09-29
MX2015011469A (es) 2016-01-22
CA2898882A1 (en) 2014-09-25
AU2014235569A1 (en) 2015-08-06
US9617179B2 (en) 2017-04-11
CL2015002452A1 (es) 2016-03-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN104968616B (zh) 用于在高回收率脱盐系统中防结垢的离子螯合
US10954150B2 (en) System for removing minerals from a brine
US10189733B2 (en) Heating system for desalination
CN105939970B (zh) 使用电渗析从盐水中除去矿物质的系统和方法
CN101734820B (zh) 一种高含盐废水的处理方法
CN102849887B (zh) 一种海水淡化方法
EP1206414B1 (en) A salt water desalination process using ion selective membranes
EP2919890A1 (en) Draw solutions and draw solute recovery for osmotically driven membrane processes
AU2010295259B2 (en) Thermal distillation system and process
CN208120896U (zh) 可资源回收利用的电厂脱硫废水零排放处理装置
EP2547628A1 (en) Systems and processes for treatment of solutions
CN111960591A (zh) 一种pta氧化尾气洗涤废水的回收利用方法
Mutlu-Salmanli et al. Boron removal and recovery from water and wastewater
CN204939142U (zh) 一种烟气脱硫系统排放的脱硫废水的处理设备
US20240198288A1 (en) Sustainable desalination systems and methods using recycled brine streams
CA2903122C (en) Process for treating brine recovered from a coal seam gas operation
KR101903771B1 (ko) 에너지 효율이 높은 담수화 방법 및 담수화 장치
CN217838624U (zh) 废线路板热解烟气脱酸废水溴化钠回收系统
EP1354855A2 (en) A salt water desalination process using ion selective membranes

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant