CN106232210A - 反渗透装置和方法 - Google Patents

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CN106232210A CN201580017433.0A CN201580017433A CN106232210A CN 106232210 A CN106232210 A CN 106232210A CN 201580017433 A CN201580017433 A CN 201580017433A CN 106232210 A CN106232210 A CN 106232210A
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卢秀玲
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Abstract

一种反渗透装置，该装置包括：单级反渗透(SSRO)单元；以及再循环逆流膜级联(CMCR)单元，该CMCR单元包括多个反渗透级，所述多个反渗透级至少包括第一级和第二级，其中，所述第一级的滤出物作为进料引入所述第二级，所述SSRO单元的截留物作为进料引入所述第一级，通过该装置所获得的产品包括所述SSRO单元的滤出物以及所述CMCR单元的最后一级的滤出物。

Description

反渗透装置和方法
技术领域
本发明涉及一种从水溶液中回收产品的反渗透装置和方法。
背景技术
迫于世界人口膨胀、人口结构变化以及全球气候变化带来的压力，需要持续不断地提高饮用水的供应效率并降低饮用水的供应成本。2010年，世界水理事会报告称，世界上六分之一的人(2010年为11亿人)无法获得安全的饮用水。海洋因含有地球上97％的水而成为重要的水资源。然而，海水所含的盐量(氯化钠)可高达50000百万分率(ppm)，因此不适于在未经处理之前供人类消费。反渗透(Reverse Osmosis，RO)已成为一种从海水以及含盐量为500ppm～30000ppm的内陆咸水中生产饮用水的主要技术。反渗透技术在高压下使用脱盐膜，从而在迫使水透过该膜的同时，阻止盐分和其他溶质的渗透。然而，现有反渗透技术需要使用一般为40巴或更高的极高压，从而极大地提高了海水淡化的成本。此外，现有反渗透技术的饮用水收率有限，通常为50％。这样使得从盐水生产饮用水的比能耗(SpecificEnergy Consumption，SEC)极高。
在膜的脱盐率为0.993、水收率为50％、压力为55.5巴的条件下，现有单级反渗透(Single-Stage RO，SSRO)技术在从含盐量为35000ppm的海水中生产含盐量为350ppm的饮用水产品时的理论最小比能耗为3.084kwh/m3(每立方米产品水的千瓦时能量)。现有反渗透工艺技术的比能耗之所以高的原因在于，其需要高的压力，而且其饮用水产品的收率较低。之所以需要高压的原因在于，膜的截留物侧(或称高压侧)的盐浓度和膜的滤出物侧(或称低压侧)的盐浓度之间的差异较大。此外，利用渗透压差从水溶液中分离乙醇等低分子量溶质时也需要较高的压力。
发明内容
本发明的高能效反渗透(EERO)工艺装置具有新型的多级膜结构，该结构可在低比能耗(SEC)及低渗透压差条件下提高从含盐或乙醇等低分子量溶质的水溶液中回收产品时的产品收率。该工艺的例示用途包括，以比现有方法更低的比能耗和更低的渗透压差从盐水或废水中回收饮用水。
此处描述的EERO发明利用一种新型多级反渗透工艺技术实现了更低的比能耗、更低的渗透压差以及更高的饮用水收率，所述技术涉及将单级反渗透(SSRO)与使用两个或更多反渗透级的带再循环功能逆流膜级联(Counter-current Membrane Cascade withRecycle，CMCR)相接合。
在一种实施方式中，将所述SSRO高压侧的截留产物以最佳方式引入所述CMCR的两级之间的一点。在所述CMCR中，截留物流和滤出物流相互之间以逆流方式流动。以下，将所述截留物流称为上行向流，所述滤出物流称为下行向流。
滤出物再循环包括将上游级的滤出物流送入下一下游级的截留物(高压)侧。所述SSRO–CMCR综合工艺的滤出物(如饮用水)产品流为所述SSRO的滤出物产品流与所述CMCR最后一级的滤出物产品流的结合产物。所述CMCR中逆流功能和滤出物再循环功能的结合显著降低了该CMCR每一级膜两侧的浓度差，从而降低了渗透压差。此外，由于本来应该从所述SSRO截留物侧排出而损失的部分水在流过所述CMCR级中的膜后被回收于所述CMCR的滤出物产品中，所以上述两功能的结合还提高了饮用水收率。
根据第一方面，提供一种反渗透装置，该装置包括：单级反渗透(SSRO)单元；以及再循环逆流膜级联(CMCR)单元，该CMCR单元包括多个反渗透级，所述多个反渗透级至少包括第一级和第二级，其中，所述第一级的滤出物作为进料引入所述第二级；所述SSRO单元的截留物作为进料引入所述第一级；利用所述装置获得的产品包括所述SSRO单元的滤出物以及所述CMCR单元的最后一级的滤出物。
所述最后一级可以为所述第二级，所述第二级的截留物可作为进料与所述SSRO单元的截留物一起引入所述第一级。
所述SSRO单元的渗透压差可设置为与所述CMCR单元的多个反渗透级中的每一级的渗透压差相同。
或者，所述第一级的渗透压差可设置为小于所述SSRO单元的渗透压差。所述第二级的渗透压差可设置为大于所述SSRO单元的渗透压差。
再或者，所述第二级的截留物可作为进料与所述SSRO单元的截留物一起引入所述第一级，所述CMCR单元的最后一级可以为第三级，所述第二级的滤出物可作为进料引入所述第三级，所述第三级的截留物可作为进料引入所述第二级。
所述第一级的渗透压差可设置为小于所述第二级的渗透压差，所述第二级的渗透压差可设置为小于所述SSRO单元的渗透压差。
再或者，所述CMCR单元的多个级可包括至少四级，所述SSRO单元的截留物可作为进料引入所述至少四级中的一级，其中仅从所述CMCR单元内部向所述至少四级中的所述一级提供的进料的浓度可与所述SSRO单元的截留物的浓度最为接近。
在上述所有实施方式中，所述SSRO单元可包括并联的多个反渗透膜模组。
所述CMCR单元的多个反渗透级中的每一级均可包括并联的多个反渗透膜模组。
所述CMCR单元的多个反渗透级中的每一级的膜脱盐率可沿该CMCR单元的截留物流方向降低。
所述CMCR的多个反渗透级中的每一级可包括从其截留物流至其滤出物流的再循环流。
所述CMCR的多个反渗透级中的至少一级设置为将其截留物的一部分作为进料再循环至其本身。
所述CMCR的多个反渗透级中的一级可设置为具有小于1的安全系数。
根据第二方面，提供一种反渗透方法，该方法包括如下步骤：将水溶液作为进料引入至单级反渗透(SSRO)单元；将所述SSRO单元的截留物引入CMCR单元的第一级，该CMCR单元包括多个反渗透级，所述多个反渗透级至少包括所述第一级和一第二级；将所述第一级的滤出物作为进料引入所述第二级；以及将所述SSRO单元的滤出物以及所述CMCR单元的最后一级的滤出物收集为产品。
所述最后一级可以为所述第二级，所述方法可还包括：将所述第二级的截留物作为进料与所述SSRO单元的截留物一起引入所述第一级。
所述SSRO单元的渗透压差可与所述CMCR单元的多个反渗透级中的每一级的渗透压差相同。
或者，所述第一级的渗透压差可小于所述SSRO单元的渗透压差。所述第二级的渗透压差可大于所述SSRO单元的渗透压差。
再或者，所述CMCR单元的最后一级可以为第三级，所述方法可还包括：将所述第二级的截留物作为进料与所述SSRO单元的截留物一起引入所述第一级，将所述第二级的滤出物作为进料引入所述第三级，以及将所述第三级的截留物作为进料引入所述第二级。
所述第一级的渗透压差可小于所述第二级的渗透压差，所述第二级的渗透压差可小于所述SSRO单元的渗透压差。
再或者，所述CMCR单元的多个反渗透级可包括至少四级，所述方法可包括将所述SSRO单元的截留物作为进料引入所述至少四级中的一级，其中仅从所述CMCR单元内部向所述至少四级中的所述一级提供的进料的浓度与所述SSRO单元的截留物的浓度最为接近。
所述方法可还包括，针对所述CMCR的多个反渗透级中的每一级，将其截留物流的一部分再循环至其滤出物流。
所述方法可还包括，针对所述CMCR的多个反渗透级中的至少一级，将其截留物的一部分作为进料再循环至其本身。
所述CMCR的多个反渗透级中的一级的安全系数可小于1。
附图说明
为使本发明可被完全理解并易于付诸实效，以下将参考说明性附图，以非限制性示例的方式仅对本发明的例示实施方式进行描述。
图1为本发明EERO的三级实施方式示意图。
图2为各盐水进料浓度下作为渗透压差Δπ的函数的比能耗的图：实线为本发明EERO三级实施方式的数据；虚线为现有SSRO工艺数据。
图3为各盐水进料浓度下作为渗透压差Δπ的函数的饮用水收率的图：实线为本发明EERO三级实施方式的数据；虚线为现有SSRO工艺数据。
图4为本发明EERO四级实施方式示意图。
图5为各盐水进料浓度下作为渗透压差Δπ的函数的比能耗的图：实线为本发明EERO四级实施方式的数据；虚线为现有SSRO工艺数据。
图6为各盐水进料浓度下作为渗透压差Δπ的函数的饮用水收率的图：实线为本发明EERO四级实施方式的数据；虚线为现有SSRO工艺数据。
具体实施方式
以下参考图1～图6，对本发明高能效反渗透(EERO)工艺的例示实施方式进行描述，各附图中采用相同附图标记指代相同或相似部件。
如图1所示，在本发明EERO装置和方法的第一实施方式103中，SSRO级10的高压截留物10R进料至具有两个级21，22的逆流膜级联CMCR单元20，而滤出物21P则从第一级21再循环至第二级22的高压(截留物)侧22H。由于此实施方式为一个SSRO级10和CMCR单元20的两级21，22构成的混合构型，因此将在下文中称为EERO的三级实施方式103。
SSRO级10包括并联的一个或多个反渗透模组(未图示)。在CMCR单元20中，级21，22中的每一级可包括并联的一个或多个膜模组(未图示)。截留物在CMCR单元20中的流动方向称为上行方向(图1中表示为向右)，而滤出物在CMCR单元20中的流动方向称为下行方向(图1中表示为向左)。
在图1中，SSRO单元10的截留物(高压)流10R引入CMCR单元20的两级21，22之间。CMCR单元20的操作压力可与SSRO单元10截留物流10R的操作压力相同，这表示无需增压泵便可进料至CMCR单元20。当CMCR单元20采用多于两级21，22的级时，所有级均可具有相同的操作压力，这表示CMCR单元20膜级联的高压侧无需使用级间泵送。作为替代方案，为了降低渗透压差(Osmotic Pressure Differential，OPD)，可沿CMCR单元20截留物流动方向逐级降压，此方案的代价在于降低水收率。
以下首先通过定性方式对本发明EERO工艺如何在降低比能耗的同时降低渗透压差并提高水收率进行说明，然后将以定量方式对图1所示实施方式进行详细分析。需要注意的是，所述分析针对在热力学极限下工作时的情况，这表示所分析的压力恰好等于克服每一膜模组的膜的高压和低压两侧之间的浓度差所引起的渗透压差所需的压力。在朝向及远离各膜级的流路中，或者在高压侧各膜模组内，或者在穿透各膜时，不允许发生小的压力损失。这在膜工艺效率的测定中为一种标准做法，该做法将既用于本EERO工艺各种实施方式的性能评价，也用于作为比较基础的现有SSRO工艺的性能测定。
本EERO工艺通过将SSRO单元10的截留物流10R送出为CMCR单元20的进料而实现SSRO单元10与CMCR单元20的结合，该SSRO单元10本身在55.5巴的压力下使用脱盐率为0.993的膜从含盐量为35000ppm的盐水进料中回收水时可实现高达50％的收率。
在图1实施方式中，SSRO单元10的截留物流10R作为进料引入CMCR单元20的第一级21和第二级22之间。通过将SSRO单元10的截留物10R作为进料引入CMCR单元20，可提高水收率，从而有利于比能耗的降低。这一目的的实现无需增加任何压力，从而尽量减少导致比能耗增大的泵送成本。
因此，在本EERO发明的一种构型中，CMCR单元20的操作压力与SSRO单元10的截留物流10R的操作压力相同，而且CMCR单元20的高压(截留物)侧不使用任何级间泵送。由于SSRO单元10的截留物的盐浓度高于SSRO单元10的盐水进料的盐浓度，因此要想在不使用任何级间泵送的情况下操作CMCR单元20，需要降低CMCR单元20内的渗透压差。这可通过在将滤出物21P从第一级21再循环至CMCR单元20的第二级22的高压侧22H的同时，使第一级21所用膜21M的盐透性大于第二级22所用的高脱盐膜22M的方式实现。此外，通过将CMCR单元20的级21，22中的膜脱盐率设置为沿该CMCR单元内截留物流动方向降低，部分盐或其它溶质可从各膜的高压侧向低压侧渗透，从而降低渗透压差。
因此，通过将滤出物21P至高压侧22H的再循环与部分盐从第一级21的膜21M的高压侧21H向其滤出物侧21L的渗透相结合，可降低第一级和第二级中膜两侧的浓度差，从而可在无需将压力提升至高于SSRO单元10的截留物流10R的压力的条件下，以高收率从SSRO单元10和CMCR单元20的第二级22的滤出物侧22L回收水。本EERO发明的另一实施方式允许压力从进料10R的引入点沿自CMCR单元20的第二级22流出的截留物流22R的方向降低，该方向在图1中为向右。
为了定量展示将SSRO单元10和CMCR单元20相结合的本EERO发明可在比作为行业标准的现有SSRO单元10更低的渗透压差和比能耗的条件下实现更高的收率，以下将对描述在图1中表示为Qi的体积流率和在图1中表示为每单位体积质量Ci的浓度之间关系的数学方程进行分析求解，其中，下标“i”表示具体液流位置或浓度。此代数方程组的解可确定收率、渗透压差、比能耗以及CMCR单元20每一级所需的脱盐率。
以下，在建立所述代数方程组的过程中，首先考虑描述SSRO单元10性能的方程式，然后考虑描述CMCR单元20的方程式。
图1中SSRO单元10级的总质量平衡和组分质量平衡由以下方程式给出：
Qf＝Q0+Q1 (1)
QfCf＝Q0C0+Q1C1 (2)
式(1)和式(2)两式具有六个未知量。因此，需要给定四个量才能使该方程组成为可解方程组，即该方程组的所有未知量均可解。此处，给定进料流率Qf、进料浓度Cf、饮用水产品浓度C0以及渗透压差Δπ这四个量，该渗透压差与截留物浓度和滤出物浓度相关，并由下式表示：
Δπ＝K(C1-C0) (3)
其中，K＝0.801L·bar/g为经验常数。或者，也可给定以下各量当中的任何量：收率S≡Q0/Qf，安全系数χ≡Q1/Q0,膜脱盐率式(1)、(2)和(3)可同时求解，以获得未知浓度C1和未知体积流率Q0和Q1。之后，便可根据所述初始给定量求出收率YSSRO，SEC＝QfΔπ/Q0，以及SSRO单元10的截留物浓度C1和流率Q1，如下所示：
Y S S R O = 1 - K Δ π ( C f - C 0 ) - - - ( 4 )
S E C = K ( C f - C 0 ) Y S S R O ( 1 - Y S S R O ) - - - ( 5 )
σ = K ( C f - C 0 ) + Δ π K ( C f + C 0 ) + Δ π - - - ( 6 )
C 1 = Δ π K + C 0 - - - ( 7 )
Q 1 = KQ f Δ π ( C f - C 0 ) - - - ( 8 )
描述CMCR单元20的方程组如下所示。以下各式表示第一级21和第二级22的总质量平衡和组分质量平衡，以及液流Q1和液流Q5混合为液流Q6的混合点处的总溶质质量平衡：
Q4＝Q3+Q5 (9)
Q6＝Q2+Q4 (10)
Q6＝Q1+Q5 (11)
Q4C4＝Q3C3+Q5C5 (12)
Q6C6＝Q2C2+Q4C4 (13)
Q6C6＝Q1C1+Q5C5 (14)
式(9)～(14)的6个方程带12个未知量，包括6个流率Q1～Q6以及6个浓度C1～C6。这表示其自由度为6。由于其中3个方程仅涉及流率，还有3个方程涉及流率与浓度的积，因此可最多给定三个流率或三个与流率相关的量。
由于本EERO发明涉及将SSRO单元10的截留物流10R送出为CMCR单元20的进料，因此给定浓度C1和体积流率Q1。CMCR单元20膜级联的饮用水产品浓度C3给定为与SSRO单元10的给定值相等，即C3＝C0。这表示饮用水产品总浓度Cp＝C3＝C0。
本EERO发明的一个可选项为，给定两个额外流率或两个涉及流率的额外量，以及一个涉及浓度的额外方程或一个涉及浓度的额外量。就目前而言，作为本EERO发明的概念验证，分别给定CMCR单元20的第一级21和第二级22的收率Y1和Y2，并且将第一级21的渗透压差设置为等于第二级22的渗透压差，从而使得所述膜级联高压侧无需级间泵送；在CMCR单元20具有两个以上的级的本EERO发明其他实施方式中，可给定所有级的渗透压差均相等，或者渗透压差沿上行方向逐级递减：
Y 1 = Q 4 Q 6 - - - ( 15 )
Y 2 = Q 3 Q 4 - - - ( 16 )
K(C2-C4)＝K(C5-C3) (17)
式(9)～(17)可同时求解，以获得各未知浓度和未知体积流率，如以下各式所示：
Q 2 = ( 1 - Y 1 ) 1 - ( 1 - Y 2 ) Y 1 Q 1 - - - ( 18 )
Q 3 = Y 1 Y 2 1 - ( 1 - Y 2 ) Y 1 Q 1 - - - ( 19 )
Q 4 = Y 1 1 - ( 1 - Y 2 ) Y 1 Q 1 - - - ( 20 )
Q 5 = ( 1 - Y 2 ) Y 1 1 - ( 1 - Y 2 ) Y 1 Q 1 - - - ( 21 )
Q 6 = 1 1 - ( 1 - Y 2 ) Y 1 Q 1 - - - ( 22 )
C 2 = Q 1 C 1 - Q 3 C 3 Q 2 - - - ( 23 )
C 4 = Q 6 C 6 - Q 2 C 2 Q 4 - - - ( 24 )
C 5 = ( Q 4 - Q 2 ) C 1 + ( Q 2 ) 2 C 2 + ( Q 2 - Q 3 ) Q 4 C 3 Q 2 ( Q 4 + Q 5 ) - - - ( 25 )
C 6 = Q 1 C 1 + Q 5 C 5 Q 6 - - - ( 26 )
通过式(18)～(26)可解出CMCR单元20的两级21，22的渗透压差Δπ，此两级的渗透压差相等并如下所示：
Δ π = K ( Q 4 - Q 2 ) C 1 + ( Q 2 ) 2 C 2 - ( Q 3 Q 4 + Q 2 Q 5 ) C 3 Q 2 ( Q 4 + Q 5 ) - - - ( 27 )
本EERO发明的三级实施方式103的总收率YT通过SSRO单元10生产的饮用水及CMCR单元20生产的饮用水求出，并如下所示：
YT＝YSSRO+Q3(1-YSSRO) (28)
本EERO发明的三级实施方式103的比能耗通过SSRO单元10的泵送需求、CMCR单元20滤出物再循环流21P的泵送需求以及水的总收率求出，并如下所示：
S E C = 1 + Q 4 ( 1 - Y S S R O ) Y S S R O + Q 3 ( 1 - Y S S R O ) Δ π - - - ( 29 )
本EERO发明的三级实施方式103的第一级21脱盐率和第二级22脱盐率如下所示：
σ 1 = C 6 + C 2 - 2 C 4 C 6 + C 2 - - - ( 30 )
σ 2 = C 4 + C 5 - 2 C 3 C 4 + C 5 - - - ( 31 )
图2实线为本EERO发明三级实施方式103中SSRO单元10不同进料浓度值Cf下根据式(29)预测的比能耗图，其中，比能耗为渗透压差Δπ的函数。所示各预测线的渗透压差范围上限为本EERO发明SSRO单元10级的安全系数小于1时的某个高值，下限为SSRO单元10无法为给定盐水进料浓度Cf实现给定饮用水产品浓度C0＝C3＝Cp时的某个低渗透压差值。
需要注意的是，在实际的反渗透操作中，需将安全系数(即同一膜级的截留物流率与滤出物流率的比值)保持于大于或等于1的值，以尽可能减小膜积垢。由于大部分的积垢物在SSRO单元10和CMCR单元20的第一级21被除去，因此CMCR单元20的第二级22可在更低的安全系数值下工作，从而进一步降低比能耗。这构成本EERO发明的另一构型。
作为比较基础，图2虚线所示为不带所述两级CMCR单元20的现有SSRO单独在相同进料浓度值Cf范围下根据式(5)预测的比能耗图，其中，比能耗为渗透压差Δπ的函数。同样的，所示SSRO单独的各预测线的渗透压差范围上限为安全系数小于1时的某高值，下限为SSRO单独无法为给定盐水进料浓度Cf实现给定水产品浓度C0时的某低值。可以看出，在任何给定的进料浓度和渗透压差下，将SSRO单元10与两级CMCR单元20结合的本发明EERO实施方式所给出的比能耗均低于单独由现有SSRO所能实现的比能耗。
图2和图3的总结结果表明，与现有SSRO相比，本EERO发明三级实施方式103可在更低的渗透压差和更低的比能耗下实现更高的水收率。举例而言，对于含盐量为35000ppm的盐水进料，本EERO发明三级实施方式103可在渗透压差为44.7巴且比能耗为2.998kwh/m3的条件下实现59％的饮用水收率。在最小可允许的安全系数1.0的情况下，现有SSRO可实现的最大饮用水收率仅为50％，其中所需要的渗透压差为55.5巴，比能耗为3.087kwh/m3。因此，当本EERO发明三级实施方式103以最佳方式工作时，其可在将收率提高18％的同时，将渗透压差降低19％，并将比能耗降低2.9％。
如果本EERO发明三级实施方式103在降低比能耗的意义上不是以其最佳方式工作，而是工作于现有SSRO可实现最佳性能的比能耗3.087的相应条件下时，本EERO发明三级实施方式103可在55.5巴的渗透压差下实现66.7％的收率。这表示其在相比于现有SSRO未提高渗透压差或比能耗的条件下可将收率提高33％。
如果因在SSRO和第一级(即在截留物流方向上处于第二级前端的两级)中去除积垢物而允许将本EERO发明三级实施方式103的第二级的安全系数降至1以下的值，还可进一步提高性能。例如，如果第二级的安全系数降至0.67，本EERO发明的三级实施方式103可在47.9巴的渗透压差和2.811kwh/m3的比能耗下，实现59％的收率。这表示，相比于现有SSRO，其可在将收率提高18％的同时，将渗透压差降低14％，并将比能耗降低8.9％。
本EERO发明的第二实施方式104包括将SSRO与图4所示三级CMCR相结合，其中，SSRO级10的高压截留物10R进料于三级逆流膜级联(CMCR)20，而滤出物21P从第一级21再循环至第二级22的高压侧22H，且滤出物22P从第二级22再循环至第三级23的高压侧23H。此实施方式将称为本EERO发明的四级实施方式104。当CMCR单元20中采用的级数多于两级时，最佳地，将SSRO单元10的截留物流10R引入CMCR单元20的两个级之间，其中，最佳引入点为进料10R的浓度最接近于进料10R引入点的下一下游级(如22)的截留物(如22R)与上一上游级(如21)的滤出物再循环流(如21P)的合流的浓度的点。换句话说，SSRO单元10的截留物10R设置为作为进料引入至CMCR单元20各级当中的一级，其中，从CMCR单元20内向所述各级当中的一级的进料浓度最接近于所述SSRO单元截留物10R的浓度。
本EERO发明第二实施方式104的性能分析与上述图1三级实施方式103的性能分析类似。但是，需要针对另一级以及从第二级22至第三级23高压侧23H的滤出物再循环22P所需的另一混合点实施总质量平衡和溶质质量平衡。所得8个方程涉及16个未知量，分别为8个流率以及8个浓度，从而表明求解本EERO发明的四级实施方式104对应的方程组时具有8个自由度。这些量分别选为进料流率和进料浓度，饮用水产品浓度，所述三级当中每一级的收率，以及将CMCR单元20的所有三个级21，22，23的渗透压差均设置为相等所对应的两个方程。参考上述针对三级实施方式103所作的分析，此分析将变得简单易懂，因此此处不再详细描述针对此四级实施方式104的分析。
图5实线为本EERO发明四级实施方式104中SSRO单元10不同进料浓度值Cf下的预测比能耗图，其中，比能耗为渗透压差Δπ的函数。同样地，所示各预测线的渗透压差范围上限为本EERO的SSRO单元10级的安全系数小于1时的某个高值，下限为SSRO单元10无法为给定盐水进料浓度Cf实现给定饮用水产品浓度C0时的某个低值。作为比较基础，图5虚线所示为现有SSRO单独在相同进料浓度值Cf范围下根据式(5)预测的比能耗图，其中，比能耗为渗透压差Δπ的函数。同样的，所示SSRO单独的各预测线的渗透压差范围上限为安全系数小于1时的某高值，下限为现有SSRO单独无法为给定盐水进料浓度Cf实现给定水产品浓度C0时的某低值。
与图1所示本发明三级实施方式相比，四级实施方式104未在所有渗透压差值下均实现更低的比能耗。此外，可以看出，虽然本发明四级实施方式104在某些随着SSRO单元10进料盐浓度的下降而下降的渗透压差下具有更低比能耗，但现有SSRO在最佳方式下工作时具有更低的比能耗。例如，对于35000ppm的盐水进料浓度，本发明四级实施方式104在小于42巴的任何渗透压差下均比现有SSRO的比能耗低。
图6实线为SSRO单元10各种进料浓度Cf值下，本EERO发明四级实施方式104的总收率YT图，其中，总收率为渗透压差Δπ的函数。可以看出，相比于现有SSRO，本EERO发明四级实施方式104在所有进料浓度下均实现了收率的显著提高。此外，还可以看出，在所有进料浓度下，本EERO发明四级实施方式104的收率均高于三级实施方式103的收率。
图5和图6的总结结果表明，与现有SSRO相比，本EERO发明四级实施方式104可在更低的渗透压差和仅稍微提高的比能耗下实现显著提高的水收率。举例而言，对于含盐量为35000ppm的盐水进料，当在比能耗最低的最佳方式下工作时，本EERO发明的四级实施方式可在渗透压差为41.5巴且比能耗为3.472kwh/m3的条件下实现67％的饮用水收率。在最小可允许的安全系数1.0的情况下，现有SSRO可实现的最大饮用水收率仅为50％，其中所需要的渗透压差为55.5巴，比能耗为3.087kwh/m3。因此，当本EERO发明四级实施方式104以最佳方式工作时，其可以比能耗增加12％的代价，将收率提高34％，并将渗透压差降低25％。
为了比较目的，下表1总结了现有SSRO，本EERO发明三级实施方式103和本EERO发明四级实施方式104在各种盐水进料浓度下的最小比能耗，最小比能耗下的饮用水收率，最小比能耗下的渗透压差，以及最小比能耗下每一级的脱盐率。表1表明，膜的脱盐率沿截留产物流方向下降。通过采用自截留物侧向同一级的滤出物侧的再循环流(图中未示出)，可使用商售膜实现上述脱盐率。
表1
以上就包括与两级CMCR单元20结合的SSRO单元10的三级实施方式103以及与三级CMCR单元20结合的SSRO单元10的四级实施方式104，详细展示了本EERO发明的概念验证。结果表明，本发明三级实施方式103通过针对所有盐水进料浓度，在更低的渗透压差和更低的比能耗提供更高的收率而实现了现有SSRO技术的实质性改善。四级实施方式104在仅稍微提高比能耗的同时，显著提高了水收率，并降低了渗透压差。
本EERO发明的其他实施方式包括在CMCR单元20中加入四个或更多级。将CMCR单元20的级数增加至三级以上将实现比现有SSRO更高的收率以及进一步降低的渗透压差，然而其代价在于，其比能耗比现有SSRO以及本发明的三级实施方式103和四级实施方式104都高。
以上对本EERO发明概念验证的展示基于在SSRO级10和所有CMCR单元20的级中保持相同的渗透压差。本EERO发明的此构型的优点在于，其可避免在CMCR单元20的高压侧采用任何的级间泵送。本EERO发明的第二构型在允许降低CMCR单元20的一个或多个级中的渗透压差的同时，避免在CMCR单元20的高压侧采用任何的级间泵送。此构型可以以降低饮用水收率为代价降低泵送成本。对应某些应用，本EERO发明的第二构型更为理想。
以上已根据比能耗、饮用水收率和渗透压差这些指标，对本EERO发明和现有SSRO进行了比较。然而，本EERO发明所实现的渗透压差的降低不但可使得单位比能耗的运行成本降低，而且由于无需再使用现有SSRO所需的泵、膜模组和管件，因此还能减少固定成本。此外，由于工作压力更低，因此还能降低设备维护成本。
由上所述，本发明EERO的上述各种实施方式可总结如下：
·一种将SSRO与两级CMCR结合的EERO工艺，其中，所述SSRO的截留物进料至所述CMCR的第一级，各CMCR级的序号采用惯例，从该CMCR的截留产物端开始编号。
·一种将SSRO与两级CMCR结合的EERO工艺，其中，所述SSRO和各CMCR级具有相同的渗透压差，并忽略因在流路和膜模组高压侧中流动而发生的压降，或者为穿透各膜所需的压降导致的小的压力损失。
·一种将SSRO与两级CMCR结合的EERO工艺，该工艺与现有SSRO相比，可在更低的渗透压差和更低的比能耗下，以更高收率从盐水中回收饮用水。
·一种将SSRO与两级CMCR结合的EERO工艺，该工艺与现有SSRO相比，可在更低的渗透压差和更低的比能耗下，以更高收率从含有较低分子量的溶质的水相进料流中回收产品。
·一种将SSRO与两级CMCR结合的EERO工艺，其中，第一级中的渗透压差小于SSRO级中的渗透压差。
·一种将SSRO与两级CMCR结合的EERO工艺，其中，第二级中的渗透压差大于SSRO级中的渗透压差。
·一种将现有SSRO与三级CMCR结合的EERO工艺，其中，所述SSRO的截留物进料至所述CMCR膜级联的第二级，各CMCR级的序号采用惯例，从该CMCR的截留产物端开始编号。
·一种将现有SSRO与三级CMCR结合的EERO工艺，其中，所述SSRO的截留物进料至所述CMCR的第一级，各CMCR级的序号采用惯例，从该CMCR的截留产物端开始编号。
·一种将SSRO与三级CMCR结合的EERO工艺，其中，所述SSRO和各CMCR级具有相同的渗透压差，并忽略因在流路和膜模组高压侧中流动而发生的压降，或者为穿透各膜所需的压降导致的小的压力损失。
·一种将SSRO与三级CMCR结合的EERO工艺，该工艺与现有SSRO相比，可在更低的渗透压差下，以更高收率从盐水进料中回收饮用水。
·一种将SSRO与三级CMCR结合的EERO工艺，该工艺与现有SSRO相比，可在更低的渗透压差下，以更高收率从含有较低分子量的溶质的水相进料流中回收产品。
·一种将SSRO与三级CMCR结合的EERO工艺，其中，第一级中的渗透压差小于第二级中的渗透压差，第二级中的渗透压差小于SSRO级中的渗透压差。
·一种将现有SSRO与三级以上CMCR结合的EERO工艺，其中，所述SSRO的截留物进料至所述CMCR的浓度与进入其中的其他液流的浓度最为接近的一级。
·一种将现有SSRO与三级以上CMCR结合的EERO工艺，该工艺与现有SSRO相比，可在更低的渗透压差下，实现更高的饮用水收率。
·一种EERO工艺，其中，SSRO级由并联的一个或多个反渗透膜模组组成。
·一种EERO工艺，其中，CMCR的每一级均由并联的一个或多个反渗透膜模组组成。
·一种EERO工艺，其中，CMCR膜级的脱盐率沿截留产物方向降低，以部分允许盐或其他溶质从各膜的高压侧渗透至其低压侧，从而降低渗透压差。
·一种EERO工艺，其中，CMCR每一级的有效脱盐率由从该级的截留物流至该级的滤出物流的再循环流实现。
·一种EERO工艺，其中，一个或多个级的部分截留物被再循环至同一级的进料中，以提高收率。
·一种EERO工艺，其中，通过将在截留物流方向上处于某级前端的一个或多个级中的难溶积垢物除去，允许该级的安全系数小于1。
虽然以上对本发明的例示实施方式进行了描述，本领域技术人员可以理解的是，在不脱离本发明的前提下，还可在设计、结构和/或运行细节中作出多种改变。

Claims (25)

1.一种反渗透装置，其特征在于，包括：
单级反渗透(SSRO)单元；以及
再循环逆流膜级联(CMCR)单元，该CMCR单元包括多个反渗透级，所述多个反渗透级至少包括第一级和第二级，其中，所述第一级的滤出物作为进料引入所述第二级，
其中，所述SSRO单元的截留物作为进料引入所述第一级，
通过该装置所获得的产品包括所述SSRO单元的滤出物以及所述CMCR单元的最后一级的滤出物。
2.如权利要求1所述的反渗透装置，其特征在于，所述最后一级为所述第二级，所述第二级的截留物作为进料与所述SSRO单元的截留物一起引入所述第一级。
3.如权利要求2所述的反渗透装置，其特征在于，所述SSRO单元的渗透压差设置为与所述CMCR单元的多个反渗透级中的每一级的渗透压差相同。
4.如权利要求2所述的反渗透装置，其特征在于，所述第一级的渗透压差设置为小于所述SSRO单元的渗透压差。
5.如权利要求2或4所述的反渗透装置，其特征在于，所述第二级的渗透压差设置为大于所述SSRO单元的渗透压差。
6.如权利要求1所述的反渗透装置，其特征在于，所述第二级的截留物作为进料与所述SSRO单元的截留物一起引入所述第一级，所述CMCR单元的最后一级为第三级，所述第二级的滤出物作为进料引入所述第三级，所述第三级的截留物作为进料引入所述第二级。
7.如权利要求6所述的反渗透装置，其特征在于，所述第一级的渗透压差设置为小于所述第二级的渗透压差，所述第二级的渗透压差设置为小于所述SSRO单元的渗透压差。
8.如权利要求1所述的反渗透装置，其特征在于，所述CMCR单元的多个反渗透级包括至少四级，所述SSRO单元的截留物作为进料引入所述至少四级中的一级，其中仅从所述CMCR单元内部向所述至少四级中的所述一级提供的进料的浓度与所述SSRO单元的截留物的浓度最为接近。
9.如前述权利要求中任一项所述的反渗透装置，其特征在于，所述SSRO单元包括并联的多个反渗透膜模组。
10.如前述权利要求中任一项所述的反渗透装置，其特征在于，所述CMCR单元的多个反渗透级中的每一级均包括并联的多个反渗透膜模组。
11.如前述权利要求中任一项所述的反渗透装置，其特征在于，所述CMCR单元的多个反渗透级中的每一级的膜脱盐率沿该CMCR单元的截留物流的方向降低。
12.如前述权利要求中任一项所述的反渗透装置，其特征在于，所述CMCR的多个反渗透级中的每一级包括从其截留物流至其滤出物流的再循环流。
13.如前述权利要求中任一项所述的反渗透装置，其特征在于，所述CMCR的多个反渗透级中的至少一级设置为将其截留物的一部分作为进料再循环至其本身。
14.如前述权利要求中任一项所述的反渗透装置，其特征在于，所述CMCR的多个反渗透级中的一级的安全系数设置为小于1。
15.一种反渗透方法，其特征在于，包括如下步骤：
a)将水溶液作为进料引入至单级反渗透(SSRO)单元；
b)将所述SSRO单元的截留物引入再循环逆流膜级联(CMCR)单元的第一级，该CMCR单元包括多个反渗透级，所述多个反渗透级至少包括所述第一级和一第二级；
c)将所述第一级的滤出物作为进料引入所述第二级；以及
d)将所述SSRO单元的滤出物以及所述CMCR单元的最后一级的滤出物收集为产品。
16.如权利要求15所述的反渗透方法，其特征在于，所述最后一级为所述第二级，该方法还包括：
将所述第二级的截留物作为进料与所述SSRO单元的截留物一起引入所述第一级。
17.如权利要求16所述的反渗透方法，其特征在于，所述SSRO单元的渗透压差与所述CMCR单元的多个反渗透级中的每一级的渗透压差相同。
18.如权利要求16所述的反渗透方法，其特征在于，所述第一级的渗透压差小于所述SSRO单元的渗透压差。
19.如权利要求16或18所述的反渗透方法，其特征在于，所述第二级的渗透压差大于所述SSRO单元的渗透压差。
20.如权利要求15所述的反渗透方法，其特征在于，所述CMCR单元的最后一级为第三级，该方法还包括：
将所述第二级的截留物作为进料与所述SSRO单元的截留物一起引入所述第一级，
将所述第二级的滤出物作为进料引入所述第三级，以及
将所述第三级的截留物作为进料引入所述第二级。
21.如权利要求20所述的反渗透方法，其特征在于，所述第一级的渗透压差小于所述第二级的渗透压差，所述第二级的渗透压差小于所述SSRO单元的渗透压差。
22.如权利要求15所述的反渗透方法，其特征在于，所述CMCR单元的多个反渗透级包括至少四级，该方法包括将所述SSRO单元的截留物作为进料引入所述至少四级中的一级，其中仅从所述CMCR单元内部向所述至少四级中的所述一级提供的进料的浓度与所述SSRO单元的截留物的浓度最为接近。
23.如权利要求15至22中任一项所述的反渗透方法，其特征在于，还包括针对所述CMCR的多个反渗透级中的每一级，将其截留物流的一部分再循环至其滤出物流。
24.如权利要求15至23中任一项所述的反渗透方法，其特征在于，还包括针对所述CMCR的多个反渗透级中的至少一级，将其截留物的一部分作为进料再循环至其本身。
25.如权利要求15至24中任一项所述的反渗透方法，其特征在于，所述CMCR的多个反渗透级中的一级的安全系数小于1。
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