CN105102381B - 浸没式板式正渗透系统 - Google Patents

Abstract

本文描述的是一种浸没式板式膜装置，其意图用于正渗透工艺、特别地用于浓缩各种工艺流例如池中的那些。可以被浓缩的进料流的特定示例是例如以下进料液：盐水、海水、钻井泥浆、废水、生物沼渣、及类似物。因此，本文描述的工艺和装置对于使太阳能蒸发池和钻井泥浆池的内容物脱水以及因此浓缩该内容物是有用的。

Description

浸没式板式正渗透系统

相关申请的交叉引用

本申请是美国非临时申请，其基于2012年7月2日提交的美国临时专利申请序号61/667,375并且要求该美国临时专利申请的优先权，该美国临时专利申请的全部公开内容据此通过引用并入。

发明领域

本发明涉及正渗透工艺。正渗透(FO)是相对新的膜技术，其具有与其他渗透膜系统极其不同的要求和性能。与为压力驱动工艺的反渗透(RO)相反，FO是基于扩散的工艺并且需要提取液以及将被浓缩的进料液。在FO中，水通过高度选择性膜从较低浓度的流体扩散至较高浓度的溶液即扩散至提取液内。两个流体流(提取液和进料液)的需求使FO工厂的设计比压力驱动工艺更复杂。

发明概述

本文中描述的是浸没式板式膜装置及利用浸没式板式膜装置的工艺。该装置意图用于正渗透工艺，具体地用于浓缩各种工艺流。更具体地，该装置设计成在池中使用。可以利用公开的装置和工艺浓缩的进料流的具体示例包括盐水、海水、钻井泥浆、废水、生物沼渣及类似物。本文中描述的工艺和装置对于使太阳能蒸发池和钻井泥浆池的内容物脱水以及因此浓缩该内容物是有用的。

附图简述

图1A是根据本发明的实施方式的装置的透视图。图1B是第一侧(前面)示意性透视图，且图1C是第二侧(后面)的示意性透视图，各自显示了根据本发明的实施方式的装置的横截面，示出了该装置的部件层。图1D是根据本发明的实施方式的装置的分解图。

图2A是根据本发明的实施方式的装置的左侧或右侧的示意性侧视图。图2B是俯视图，且图2C是根据本发明的实施方式的装置的仰视图。

图3A示出了部分地浸没于池中的根据本发明的实施方式的装置，且图3B示出了完全地浸没于池中的根据本发明的实施方式的装置。

发明详细描述

本发明涉及用于利用正渗透(“FO”)处理某种工艺流的装置和工艺，所述工艺流倾向于非常难以加工，这是因为它们对于渗透膜是高度污染的并且具有高渗透势。通过本发明处理的示例性工艺流是盐水蒸发池中的盐水溶液、从其他工艺产生的盐水溶液、尾矿、钻井泥浆、通过生物反应处理的工业废水等等。在这些情况下，膜通量通常远低于反渗透(“RO”)工艺例如海水淡化中得到的膜通量。因此，反映RO系统的膜通量的膜元件和系统设计变得不适当。本发明设计成利用FO处理当前将废弃的现有的工艺流、废水，或其中工艺流的浓度对于生产有益产品是必要的。

本发明的装置包括依靠浸没式板的膜元件构造。可以利用本发明的装置和工艺处理的进料液的类型的非限制性示例包括从天然气钻井产生的钻井泥浆、尾矿和盐水太阳能蒸发池中的盐水。

膜元件板式装置通过使其完全地或部分地浸没于容纳待加工或浓缩的进料液的池或容器内来使用。优选地，装置完全地浸没于进料液的表面下方。虽然对于在池或容器中待泵送或另外循环的进料液是不必要的，但是可以任选地采用某些循环方法。

图1A示出了根据本发明的实施方式的装置的透视图。在该实施方式中，示出了装置2的第一侧或第一面(相反侧大体上是第一侧的镜像)。图1A示出了膜23和夹具48，膜23与进料液接触，夹具48沿着周边用于将膜23和26(膜26未示出)保持到下部支撑板20。螺钉50有助于使夹具固定至膜和支撑板。另外示出的是提取液进口44和提取液出口46，它们分别用于将提取液引入装置并且用于使稀释的提取液离开装置。

当使用装置2时，提取液进口44和提取液出口46中的每一个经由管、管道或其他导管连接，所述管、管道或其他导管通过进口44将相对浓缩的提取液输送至装置内，并且通过出口46将相对稀释的提取液从装置输送出去。相对浓缩的提取液被输送至提取液进口内，提取液进口横穿(经过)夹具48。提取液接下来与装置的所有层接触，并且前进通过提取液隔离物并且经由提取液出口46离开装置。提取液出口46也横穿(穿过)夹具。在可选择的实施方式中，当除夹具之外的工具用于固定例如焊接膜和支撑板时，提取液进口和出口从装置2的内部横穿至装置的外部。

图1A中还示出的是任选的把手52，把手52有助于移动并安放装置2。

如图1B和1C所示，浸没式板式FO元件装置2包括大体上平的主体，所述主体包括若干层。图1B和1C不按尺寸绘制，以便示出组装在一起的各层，并且因此，构成装置的各层被示出为比它们实际上厚的多。装置2具有第一大体上平的面10和第二大体上平的面11，每个第一平的面和第二平的面具有：第一侧12和第二侧13，其中第一侧和第二侧大体上彼此平行；第三侧14和第四侧15，其中第三侧14和第四侧15大体上彼此平行，并且第一侧12和第二侧13大体上垂直于第三侧14和第四侧15。

图1D示出装置2的实施方式的分解图，但是未示出提取液进口和出口。如图1D所示，在本发明的优选实施方式中，装置2包括布置成彼此邻近的层的以下元件：

支撑物或板20，其包括大体上平的主体并且具有第一面21和第二面22(面22是相对的面21)；图1D示出了支撑物的第一面21，但是第二面22不可见；

第一膜23，其包括大体上平的主体并且具有第一面24和第二面25(面24是相对的面25)；图1D示出了第一面24，但是第二面25不可见；

第二膜26，其包括大体上平的主体并且具有第一面27和第二面28(面27是相对的面28)；图1D示出了第一面27，但是第二面28不可见；

第一提取液隔离物29，其安置于支撑物20和第一膜23之间，并且界定第一提取液通道30；和

第二提取液隔离物31，其安置于支撑物20和第二膜26之间，并且界定第二提取液通道32。

根据本发明的正渗透膜装置具有板式构造并且包括以下部件：

大体上平的膜支撑物，其具有第一侧和第二侧；

第一大体上平的膜，其以大体上平行的方式附接至支撑物的第一侧；

第二大体上平的膜，其以大体上平行的方式附接至支撑物的第二侧；

第一提取通道，其在支撑物的第一侧和第一膜之间，该第一提取通道具有进口侧和出口侧；

第二提取通道，其在支撑物的第二侧和第二膜之间，该第二提取通道具有进口侧和出口侧；

其中膜的周边被夹住、焊接或粘附至支撑物；和

提取液进口，其与第一提取通道和第二提取通道的进口侧相连通；和提取液出口，其与第一提取通道和第二提取通道的出口侧相连通。

提取通道可以例如通过压花由形成于支撑物中的通道或凹部形成。可选择地，提取通道可以由夹在并且固定在膜中的每一个和支撑物之间的织物网眼组成。更具体地，提取液隔离物被夹在膜23、26中的每一个和支撑物20之间，从而在支撑物和膜之间形成通道，当膜元件板式装置在使用中时，提取液流过该通道。

支撑物20包括固塑性膜支撑物，其中膜被固定至塑料。塑性支撑物的厚度通常为约1cm至约2cm，并且由刚性的、可模制的、抗生物性塑料例如ABS或PVC制成。提取液进口和出口或端口提供将提取液引入装置并从装置引出来的方式。

膜23和26的周边通过夹具、或更优选地通过粘合剂或热焊接被附接至支撑板20。提取液经由装置2的底侧12处的提取液入口44被引入隔离物29和31。提取液经由装置的顶侧13处的提取液出口46离开装置2。通常，隔离物29和31由用于RO渗透隔离物的织物的类型组成，并且厚度小于约0.5mm。提取液进口和出口通常具有约3mm或更少的内径，然而其他尺寸是可能的。重要的是，提取液进口和出口不干扰膜的周边密封，以便防止进料液除通过膜23、26之外进入装置2。提取液通过隔离物的速度通常小于约5cm/秒。

膜元件板式装置通过使其浸没至含水的工艺流产物的池或容器内来操作。池或容器内的物质被称作进料液。进料液可以是浓缩的海水、污水、钻井泥浆或需要除去水的其他含水流体。

用于在池中浓缩进料液的工艺，包括以下步骤：

(a)将正渗透膜板式装置浸没在池中，所述正渗透膜板式装置包括大体上平的主体并且包括：大体上平的支撑物，其具有第一侧和第二侧；第一大体上平的膜，其以大体上平行的方式附接至支撑物的第一侧；第二大体上平的膜，其以大体上平行的方式附接至支撑物的第二侧；第一提取通道，其在支撑物的第一侧和第一膜之间，该第一提取通道具有入口和出口；和第二提取通道，其在支撑物的第二侧和第二膜之间，该第二提取通道具有入口和出口；和

(b)将提取液的流引入提取通道的进口内并且从提取通道的出口除去提取液的流；

其中来自进料液的水通过FO移动至提取液内，从而浓缩进料液。

提取液流优选地通过在提取通道的出口处对提取液施加负压来提供。

可以与该装置和工艺一起使用的池的类型的示例包括太阳能蒸发池、钻井泥浆池、废水容纳池、尾矿池和生物沼渣废物池。在图3A和3B中，示出了池，一个装置2浸没于该池内。池中的进料液指示为元件42，且容纳进料液的池的表面指示为元件40。

在使用中，如图3A所示，装置被部分地浸没于池内，以致装置的大部分在池中的进料液的表面的下方。然而，如图3B所示，装置优选完全地浸没于池中的进料液的表面的下方。装置可以通过浮力漂浮被支撑在表面的下面或者可以安放在池底部。

附图中未示出的是用于使装置2保持在适当位置的支撑物、或提取液通过其流入和流出提取液通道的管道或其他导管。

虽然图3A和3B中的每一个中仅示出了根据本发明的单一膜元件板式装置，但是更典型地，同时使用多个膜元件装置。举例来说，支架或其他保持装置可以用于将若干个装置并列地维持在进料液的池或其他主体内。优选地，装置离彼此被间隔开约6mm。所使用的装置的数量将取决于各种因素。支架尺寸，即，支架内的装置的数量，将取决于载量和维护考虑。典型的支架的示例将测量为约80cm宽、2m长和2m高，并且将容纳约80个板式装置，每个板式装置具有2m²膜。然而，可以使用其他的支架尺寸、板式装置的数量以及膜尺寸。

装置被浸没于进料液内的大体上垂直的位置中。换言之，如图3A和图3B所示，装置2被浸没，以致提取液通道的至少进口被浸没。

提取液在垂直板式膜元件装置的底部被引至支撑板和膜之间的通道或空间，并且稀释的提取液在装置的顶部处从出口除去。提取液通道可以通过使通道压花至支撑板内或者通过使织物网眼附接于支撑板和膜之间来产生。

随着提取液流过膜元件装置，进料液中的水流过膜进入提取液通道内的提取液，导致进料液变得更浓缩且提取液变得更稀释。

穿过提取液通道的提取液流通过在装置上在提取液通道的顶部处在出口上抽吸来提供，因此提取液压力总是低于池的压力。

不需要泵送进料液来加工进料。然而，利用气泡、叶轮或其他循环方法来循环进料液可以是有利的。

浸没式板中的穿过膜的水通量低于泵送系统例如FO螺旋缠绕的膜元件的水通量，这归因于膜的池(进料)侧上的停滞边界层。然而，在污染或高渗透势进料的正渗透加工中，通量低，且由于外部边界层的影响的通量下降是最小的且不具有同样大的重要性。

在利用本发明的多个膜元件装置的某些情况下，有帮助的是，在装置之间引入进料液的最小流体流或间歇性流体流以打破外部边界层。此流可以是小于约5cm/秒的稳定流，或者是在小于约5％的时间发生的小于约40cm/秒的间歇性流。这种最小流体流或间歇性流体流可以通过在装置下方进行曝气、或者通过在板上方、下方或侧部的泵或混合叶轮来引起，以使气泡经过装置之间的间隙。

根据本发明的浸没式板式膜元件设计的优势包括降低成本、降低能源利用以及手动清洁元件的能力。此外，本发明的浸没式板式膜元件在已经存在进料池的情况下不需要额外的足迹空间(footprint space)，从而降低了对放置加工设备的用地的需求。这在放置加工设备的额外用地仅是不可用的情况下或者高成本获得的情况下是特别有益的。成本和能源利用较低，这是因为避免了膜外壳、进料管道以及泵送系统中所需的泵送。

FO工艺本质上是低污染的，但是如果板被污染，则以下方法可以用于从本发明的膜元件装置除去污染材料：

1)板可以被渗透地反冲洗，这是在短时期用水替换提取液的工艺。这具有使水从膜的提取液侧扩散至进料液内的效应。粘附至膜的污染物被去除并且从板落下。

2)空气喷布器可以安装在膜板的下面，并且大气泡的间歇性排放将从膜洗涤许多污染物。

3)对于非常严重的污染，可以使板从池中升起并且手动清洁。

在根据本发明的工艺的一个优选实施方式中，本发明的膜板式装置元件可以通过使其浸没于容纳钻井泥浆例如作为钻探天然气井的副产物的泥浆的池或容器中来使用。该工艺从泥浆除去水，因此减少了泥浆的体积，从而利于其运输和处理。在根据本发明的工艺的另一个实施方式中，膜板式元件装置通过使其浸没于盐水太阳能蒸发池中来使用，以从池中的盐水除去水，从而产生浓缩的盐水。

实施例1

在用于天然气井增产措施的水力压裂中，从水平钻井作业产生了大量的钻井泥浆(多于1,000,000加仑/井)。该泥浆在钻井期间常常被保持在大的池中，然后被拖走用于深井注入。与水利用一样，注入成本和货车运输(运输)成本是相当大的。

在钻井之后，井增产措施中的下一步是需要甚至更大量的水的水力压裂(液压破裂)。这种压裂水需要不含泥浆，但是取决于岩层，其常常需要是含盐的。可能通过使浓盐水经过根据本发明的浸没于钻井泥浆保持池中的FO装置的提取液侧而从钻井泥浆产生干净的盐水。稀释的提取液用作压裂水。这具有减小待处理的钻井泥浆的体积和减少用于压裂步骤的水的结果。

实施例2

用于盐生产的盐水的太阳能蒸发在许多场所中被实践。通常，盐水的来源是来自内陆海的海水或咸水。盐水被供给至一系列池，其中相对纯的盐被相继地结晶。在大多数情况下，一旦收获了有价值的盐，则溶液中的剩余的高度可溶盐被返回至大海。

太阳能蒸发的约束在于其需要非常大的池用于商业规模生产。本文描述的工艺的实施方式提供了一种通过经由FO除去水来预浓缩进料盐水的方式。在本文描述的工艺中，在除去有价值的盐之后剩余的高度浓缩的废盐水可以接下来被用作FO板中的提取液，所述FO板被浸没于连续蒸发池的第一池中。这样使进料盐水溶液浓缩，并且在排放之前大体上同时稀释了废盐水(提取液)。

本发明的具体方面包括：

1)利用浸没式板进行FO浓缩。

2)通过渗透反冲洗、空气洗涤或手动清洁除去污染物。

3)通过从池渗透地拉动水来减少太阳能池足迹。

4)减少设备足迹，所述设备足迹用于通过使膜板浸没于池中而使盐水太阳能池、废水容纳池、生物沼渣废物池及其他池脱水。

5)浸没式板将不负面影响太阳能池的太阳能活性。

Claims (5)

1.一种正渗透膜装置，适合于浸没至盐水太阳能蒸发池中用于预浓缩盐水，具有板式构造并且包括：

平的膜支撑物，其具有第一侧和第二侧；

第一平的膜，其以平行的方式附接至所述支撑物的所述第一侧；

第二平的膜，其以平行的方式附接至所述支撑物的所述第二侧；

第一提取通道，其在支撑物的所述第一侧和所述第一膜之间，所述第一提取通道具有进口侧和出口侧；

第二提取通道，其在所述支撑物的所述第二侧和所述第二膜之间，所述第二提取通道具有进口侧和出口侧；

其中所述膜的周边被夹住、焊接或粘附至所述支撑物；

提取液进口，其与所述第一提取通道和所述第二提取通道的所述进口侧相连通；和提取液出口，其与所述第一提取通道和所述第二提取通道的所述出口侧相连通；

其中所述提取通道是由夹在并且固定在所述支撑物和所述膜之间的织物网眼制成。

2.如权利要求1所述的装置，其中所述装置适合于被完全地或部分地浸没于所述池中的进料液的表面下方。

3.一种用于在池中浓缩进料液的正渗透工艺，包括使权利要求1所述的正渗透膜板式装置完全地或部分地浸没于所述池内。

4.如权利要求3所述的工艺，包括将提取液的流引入浸没于所述池中的所述装置的提取通道中的进口以及从所述提取通道中的出口除去所述提取液的流，

其中来自所述进料液的水通过正渗透移动至所述提取液中，从而浓缩所述进料液。

5.如权利要求4所述的工艺，其中所述装置包括平的主体，所述平的主体包括：

平的支撑物，其具有第一侧和第二侧；

第一平的膜，其以平行的方式附接至所述支撑物的所述第一侧；

第二平的膜，其以平行的方式附接至所述支撑物的所述第二侧；

第一提取通道，其在所述支撑物的所述第一侧和所述第一膜之间，所述第一提取通道具有入口和出口；和

第二提取通道，其在所述支撑物的所述第二侧和所述第二膜之间，所述第二提取通道具有入口和出口；且

其中来自所述进料液的水通过正渗透移动至所述提取液中，从而浓缩所述进料液。