CN106823802A - 渗透驱动膜工艺和系统以及用于驱动溶质回收的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及渗透驱动膜工艺和系统，和用于在渗透驱动膜工艺中回收驱动溶质的方法。渗透驱动膜工艺涉及通过使用第二浓溶液而将溶剂从第一溶液驱动穿过半透膜，从而从第一溶液中提取溶剂以浓缩溶质。驱动溶质回收可通过各种装置进行，包括使用膜装置。驱动溶质回收也可包括使用多级溶质回收，所述多级溶质回收使用蒸馏塔和/或膜，其中回收可由热泵协助。

Description

渗透驱动膜工艺和系统以及用于驱动溶质回收的方法

本申请是申请日为2011年9月21日、发明名称为“渗透驱动膜工艺和系统以及用于驱动溶质回收的方法”的申请号为201180055891.5的专利申请的分案申请。

技术领域

通常，本发明涉及渗透驱动膜工艺，更特别地涉及用于渗透驱动膜工艺的驱动溶质回收技术。

背景技术

通常，渗透驱动膜工艺涉及由半透膜分隔的两种溶液。一种溶液可为例如海水，而另一种溶液为浓溶液，以在海水与浓溶液之间产生浓度梯度。该梯度从海水中将水驱动通过膜而进入浓溶液，所述膜选择性地允许水而不是盐通过。逐步地，进入浓溶液的水稀释所述溶液。溶质则需要从该稀释的溶液中去除以产生饮用水。传统上，饮用水例如经由蒸馏而获得，然而，溶质通常不回收和再循环。

发明内容

本发明通常涉及渗透驱动膜系统和方法，例如，正向渗透(FO)、压力延缓渗透(PRO)、渗透稀释(OD)、直接渗透浓缩(DOC)等，并涉及用于渗透驱动膜系统/工艺中的驱动溶质回收的系统和方法。

在一方面，本发明涉及一种正向渗透分离工艺的方式的渗透驱动膜工艺。所述工艺包括如下步骤：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；基于所述至少一种检测特性选择包含氨和二氧化碳的浓驱动溶液的摩尔比；在所述半透膜的第二侧上引入包含所选摩尔比的氨和二氧化碳的浓驱动溶液，以保持穿过半透膜所需的渗透浓度梯度；促进所述第一溶液的至少一部分流动穿过所述半透膜，以在半透膜的第一侧上形成第二溶液，并在半透膜的第二侧上形成稀释的驱动溶液；将稀释的驱动溶液的至少一部分引入分离操作，以回收驱动溶质和溶剂流；将所述驱动溶质再引入半透膜的第二侧，以保持浓驱动溶液中氨与二氧化碳的所选摩尔比；以及收集溶剂流。

在各个实施例中，所述分离操作包括使用吸收器，所述吸收器构造为将驱动溶质凝结至浓驱动溶液中。溶剂流、稀释的驱动溶液或浓驱动溶液可用作吸收器中的吸收剂。吸收器可使用冷却。在一些实施例中，所述工艺还可包括使用气体压缩机或蒸汽喷射机压缩气体流的步骤以促进驱动溶质再吸收至浓驱动溶液中，所述气体流由从稀释的驱动溶液中分离驱动溶质而形成，所述气体压缩机或蒸汽喷射机由作用在吸收液体流上的液压驱动。所述工艺还可包括在第一溶液上施加压力的步骤，以提高或导致通量通过半透膜而进入浓驱动溶液中。所述工艺还可包括选择具有驱动溶质的浓驱动溶液的步骤，所述驱动溶质的特征在于能够通过使用催化剂而促进将其从溶液中去除或引入溶液中，特征在于能够通过可再利用的物理或化学试剂而促进将其从溶液中去除或引入溶液中，或者特征在于能够通过电能量场、磁能量场或其他环境变化而促进将其从溶液中去除或引入溶液中，从而增加驱动溶质分离的敏感性以促进驱动溶质的去除和再利用。

在另外的实施例中，所述工艺还可包括如下步骤：检测相对于第一溶液和浓驱动溶液中的至少一种的体积变化，并响应所检测的变化而改变与半透膜相关的流动通道以保持所需的流动特性。在其他实施例中，所述工艺还可包括使用催化剂、试剂、可消耗再利用材料、电能量场或磁能量场来促进驱动溶质去除或吸收的步骤。在其他实施例中，所述工艺还可包括通过使用机械蒸气再压缩、热蒸气再压缩、真空蒸馏、气扫式蒸馏、渗透蒸发(pervaporation)和/或闭循环热泵中的至少一种来降低工艺能量的步骤。所述工艺还可包括使用二氧化碳沉淀驱动溶质以及使用氨再吸收沉淀以用于压力延缓渗透的步骤。所述工艺还可包括将接种浆体引入第一溶液的步骤。在至少一个实施例中，所述工艺还包括在第一操作工艺中利用第一溶液中盐的过饱和以及在返回至用于再饱和的第一操作之前在第二操作工艺中利用盐的去饱和的步骤。

在另一方面，本发明涉及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，所述第一室具有流体连接至第一溶液源的入口；第二室，所述第二室具有流体连接至浓驱动溶液源的入口，所述浓驱动溶液包含摩尔比为至少1:1的氨和二氧化碳；半透膜系统，所述半透膜系统分隔所述第一室和所述第二室；分离系统，所述分离系统流体连接所述第二室的下游，并构造为从所述第二室接收稀释的驱动溶液且回收驱动溶质和溶剂流；和再循环系统，所述再循环系统具有吸收器，所述吸收器构造为促进将驱动溶质再引入所述第二室以保持浓驱动溶液中氨与二氧化碳的摩尔比。在一个实施例中，所述分离系统包括蒸馏塔。

在一些实施例中，所述吸收器可包括填充柱。在至少一个实施例中，所述吸收器包括膜接触器。可构建和设置所述膜接触器，以促进在膜接触器中的经冷却的吸收剂的并流和驱动溶质气体的串流。在一些实施例中，所述蒸馏塔可包括膜蒸馏设备。在一些实施例中，所述再循环系统还可包括在所述吸收器的下游的压缩操作以提高驱动溶质气体的凝结。在至少一个实施例中，所述压缩操作装置包括气体压缩机、蒸汽喷射器或液体蒸汽喷射器。所述分离操作装置还可包括碳固定回路以吸收和解吸驱动溶质，所述碳固定回路构造为完全吸收驱动溶质气体，并增加驱动溶质气体的压力以促进它们吸收至浓驱动溶液中。

在一些实施例中，所述半透膜系统可包括浸入所述第一溶液中的膜组件，其中浓驱动溶液流动通过所述膜组件的内部。在至少一个实施例中，所述半透膜系统具有：第一流动通道，所述第一流动通道与所述第一溶液相关，溶剂从所述第一溶液提取，所述第一流动通道具有渐缩的几何形状或流间隔物(flow spacer)的构造，使得第一流动通道的有效体积沿着第一流动通道的长度而减小；和第二流动通道，所述第二流动通道与所述浓驱动溶液相关，从所述第一溶液中提取的溶剂进入所述浓驱动溶液，所述第二流动通道具有扩张的几何形状或流动间隔的构造，使得第二流动通道的有效体积沿着第二流动通道的长度而增加。在一些实施例中，所述半透膜系统包括椎体形膜组件阵列以适应第一溶液的体积减小和浓驱动溶液的体积增加，构造所述锥体形膜组件阵列，使得在逆流设置中在驱动溶液入口和进料溶液出口的方向上存在更少的膜组件，并在进料溶液入口和驱动溶液出口的方向上存在更多的膜组件。

此外，所述系统可包括下游零液体排放或其他降低排放流操作装置，其具有构造为接收浓溶液的入口。所述系统还可包括构造为协助汽提(strip)驱动溶质的真空或空气洗净/汽提系统。所述系统还可包括构造为汽提驱动溶质的渗透蒸发系统。在一些实施例中，所述渗透蒸发系统可具有相对于水蒸气对驱动溶质气体选择性的膜。所述系统还可包括膜蒸馏系统以汽提驱动溶质。在至少一些实施例中，膜可用于驱动溶质的分离以及组件中的热交换。在一些实施例中，可将经回收的驱动溶质递送至一个或多个另外的下游操作。

在另一方面，本发明涉及一种用于动力的渗透产生的方法。所述方法可包括如下步骤：进行膜分离操作以形成第一溶液，从所述第一溶液沉淀驱动溶质，分离沉淀的驱动溶质以形成第二溶液，促进气体从所述第二溶液产生，用诸如基于动力学的差分吸收的技术分离气体，以及使用至少一种经分离的气体来再溶解沉淀的溶质，以形成在膜分离步骤中再利用的第三溶液。

在本发明的另一方面，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；在半透膜的第二侧上引入浓驱动溶液以保持穿过半透膜所需的渗透浓度梯度；促进第一溶液的至少一部分流动穿过所述半透膜，以在半透膜的第一侧上形成第二溶液，并在半透膜的第二侧上形成稀释的驱动溶液；将稀释的驱动溶液的至少一部分引入分离操作以回收驱动溶质和溶剂流；将驱动溶质再引入半透膜的第二侧以保持浓驱动溶液中所需的摩尔比；以及收集溶剂流。在一个或多个实施例中，使来自分离操作的经回收的驱动溶质与吸收溶液接触。

在本发明的另一方面，用于从第一溶液渗透提取溶剂的设备可包括：第一室，所述第一室具有流体连接至第一溶液源的入口；第二室，所述第二室具有流体连接至浓驱动溶液源的入口；半透膜，所述半透膜分隔所述第一室和所述第二室；和分离系统，所述分离系统流体连接所述第二室的下游，并且构造为从所述第二室接收稀释的驱动溶液并回收驱动溶质和溶剂流。所述设备也可包括回收系统，所述回收系统包括吸收器，所述吸收器构造为有利于将驱动溶质再引入所述第二室，以保持浓驱动溶液中所需的溶质浓度。

在各个实施例中，分离系统和回收系统中的至少一个可包括膜装置。可构建和设置膜装置以使经回收的驱动溶质与吸收溶液接触。可进一步构建和设置膜装置以从稀释的驱动溶液汽提驱动溶质。在一些实施例中，分离系统和回收系统中的至少一个可包括悬浮液体膜。分离操作可包括使用例如塔蒸馏(column distillation)或膜蒸馏的多级溶质回收操作。在多级溶质回收的情况下，可构建和设置所述系统，使得材料流和能量流均串流。在至少一个实施例中，多级溶质回收操作装置可包括至少一个热泵。

在另一方面，一种用于使用多个蒸馏塔从驱动溶液分离溶质和产物溶剂的方法可包括：将驱动溶液引入至少第一蒸馏塔和至少第二蒸馏塔中的每一个；将来自热能源的热能施加至所述第一蒸馏塔，以蒸发第一蒸馏塔中的驱动溶液的至少一部分；将驱动溶液的蒸发部分从第一蒸馏塔引导至第二蒸馏塔作为能量流，使得来自第一蒸馏塔的驱动溶液的蒸发部分充当用于第二蒸馏塔的热能源以蒸发第二蒸馏塔中的驱动溶液的至少一部分；以及使驱动溶液和能量流在至少第一蒸馏塔和第二蒸馏塔内串流，由此包含于驱动溶液中的驱动溶液溶质和产物溶剂在至少第一蒸馏塔和第二蒸馏塔中分离。在一些实施例中，所述方法可包括使用热泵协助第一蒸馏塔和第二蒸馏塔中的至少一个。

在另一方面，本发明涉及一种用于从稀释的驱动溶液中回收驱动溶液溶质的设备(和相关方法)。所述设备包括：渗透驱动膜系统，所述渗透驱动膜系统具有包含可热去除的溶质的稀释的驱动溶液源；和分离系统，所述分离系统与所述渗透驱动膜系统流体连通。所述分离系统包括至少一个具有第一侧和第二侧的膜接触器，其中所述第一侧与稀释的驱动溶液源流体连通。在一个或多个实施例中，所述分离系统还包括热能源和吸收溶液源，所述热能源与所述稀释的驱动溶液连通，以用于将驱动溶质的至少一部分从所述稀释的驱动溶液蒸发出来；所述吸收溶液源与所述膜接触器的第二侧流体连通。蒸发的驱动溶质的至少一部分从膜接触器的第一侧通过至第二侧，并被吸收溶液吸收。

在各个实施例中，吸收溶液也是例如蒸汽形式的热能源。所述分离系统也可包括：凝结器，所述凝结器在吸收溶液离开至少一个膜接触器时与吸收溶液连通；热泵，所述热泵与膜接触器连通；和/或再沸器，所述再沸器与所述热泵和由膜接触器排放的水源连通。在一个或多个实施例中，所述膜接触器为选择性膜，其基本上抑制水蒸气的传递，但有利于蒸发的驱动溶质的传递。在一个实施例中，所述选择性膜可为悬浮液体膜。

在另一方面，本发明涉及一种用于从渗透驱动膜系统回收驱动溶液溶质的设备。所述设备包括：膜组件，所述膜组件构造用于从渗透驱动膜系统接收稀释的驱动溶液；和热泵组件，所述热泵组件与所述膜组件流体连通，以用于将热能源提供(或协助)给所述膜组件。所述膜组件可包括可设置于外壳中的至少一个膜系统。在一个或多个实施例中，所述至少一个膜系统包括用于将溶质从稀释的驱动溶液汽提出来的至少一个膜系统(即汽提膜)和用于使驱动溶液溶质与吸收溶液接触的至少一个膜系统(即吸收膜)。在一个实施例中，所述膜系统为多级溶质回收系统，其中使用多个膜组件，其中材料流和能量流串联或并联以适应特定的应用。所述膜系统可包括选择性膜，例如悬浮液体膜。在一个或多个实施例中，所述热泵组件包括：热泵，所述热泵与由所述膜组件排出的蒸发的驱动溶质源流体连通；和再沸器，所述再沸器与由所述膜组件排出的水源流体连通。

在另一方面，本发明涉及一种用于从渗透驱动膜系统回收驱动溶液溶质的设备，其使用多个蒸馏塔和/或膜组件的多级溶质回收。在一个实施例中，所述设备包括第一蒸馏塔(或膜组件)、热泵、和第二蒸馏塔(或膜组件)。所述第一蒸馏塔包括：第一入口，所述第一入口联接至稀释的驱动溶液的第一来源(例如渗透驱动膜系统)，以用于将稀释的驱动溶液的一部分引入第一蒸馏塔的第一端；第一热传递装置，所述第一热传递装置在第二端联接至第一蒸馏塔，其中第一热传递装置具有联接至热能的第一来源的入口和联接至第一蒸馏塔的出口，以将热能引导至第一蒸馏塔而使得第一蒸馏塔中的稀释的驱动溶液溶质蒸发；第一出口，所述第一出口用于从第一蒸馏塔移出蒸发的稀释的驱动溶液溶质；和第二出口，所述第二出口用于从第一蒸馏塔移出底部产物。或者，可将热能的第一来源直接引入第一蒸馏塔。热泵联接至第一蒸馏塔的第一出口。第二蒸馏塔包括：第一入口，所述第一入口联接至稀释的驱动溶液的第二来源，以用于将稀释的驱动溶液的一部分引入第二蒸馏塔的第一端；第二热传递装置，所述第二热传递装置在第二端联接至第二蒸馏塔，其中所述第二热传递装置具有联接至热泵的入口以用于接收用作热能的第二来源的蒸发的稀释的驱动溶液溶质，联接至第二蒸馏塔的第一出口以用于将热能的第二来源引导至第二蒸馏塔，从而使第二蒸馏塔中的稀释的驱动溶液溶质蒸发，和构造为将在第二热传递装置内凝结的来自第一蒸馏塔的蒸发的稀释的驱动溶液溶质返回至渗透驱动膜系统的第二出口；第一出口，所述第一出口用于从第二蒸馏塔移出蒸发的稀释的驱动溶液溶质；和第二出口，所述第二出口用于从第二蒸馏塔移出底部产物。

在各个实施例中，所述设备包括第二热泵，所述第二热泵联接至第二蒸馏塔的第一出口和至少第三蒸馏塔。所述第三蒸馏塔包括：第一入口，所述第一入口联接至稀释的驱动溶液的第三来源(例如渗透驱动膜系统)，以用于将稀释的驱动溶液的一部分引入第三蒸馏塔的第一端；第三热传递装置，所述第三热传递装置在第二端联接至第三蒸馏塔，其中所述第三热传递装置具有联接至第二热泵的入口以用于接收用作热能的第三来源的蒸发的稀释的驱动溶液溶质，联接至第三蒸馏塔的第一出口以用于将热能的第三来源引导至第三蒸馏塔，从而使第三蒸馏室中的稀释的驱动溶液溶质蒸发，和构造为将在第三热传递装置内凝结的来自第二蒸馏塔的蒸发的稀释的驱动溶液溶质返回至渗透驱动膜系统的第二出口；第一出口，所述第一出口用于从第三蒸馏塔移出蒸发的驱动溶液溶质；和第二出口，所述第二出口用于从第三蒸馏塔移出底部产物。在一个或多个实施例中，第三蒸馏塔的第一出口构造为将来自第三蒸馏塔的蒸发的稀释的驱动溶液溶质返回至渗透驱动膜系统。在一个实施例中，第一蒸馏塔和第二蒸馏塔构造用于并行操作，且稀释的驱动溶液的第一来源和第二来源为渗透驱动膜系统。在另一实施例中，第一蒸馏塔和第二蒸馏塔构造用于串联操作，且稀释的驱动溶液的第二来源为第一蒸馏塔的底部产物。

在另一方面，本发明涉及一种用于从渗透驱动膜工艺回收驱动溶质的设备。所述设备包括：渗透驱动膜系统，所述渗透驱动膜系统包括具有可热去除的溶质的稀释的驱动溶液源；和分离组件，所述分离组件与所述渗透驱动膜系统流体连通。所述分离组件包括与稀释的驱动溶液源流体连通的膜装置或蒸馏设备中的至少一个和联接至所述膜装置或蒸馏设备中的至少一个的至少一个热泵。所述热泵构造为将热能源提供(或者协助现存的热能源)至膜装置或蒸馏设备中的至少一个以蒸发可热去除的溶质。

在各个实施例中，所述膜装置包括至少一个膜接触器，所述至少一个膜接触器构造为使蒸发的驱动溶质与吸收溶液接触或者从稀释的驱动溶液汽提驱动溶质中的至少一个。在一个或多个实施例中，所述膜接触器为悬浮液体膜。在一个或多个实施例中，所述蒸馏设备包括多级溶质回收设备，例如多级塔和/或膜蒸馏设备。在一个实施例中，构建和设置多级回收设备，使得材料流和能量流均串流例如通过第一蒸馏塔和第二蒸馏塔。

在另一方面，本发明涉及一种从渗透驱动膜系统回收驱动溶质的方法。所述方法包括如下步骤：提供来自渗透驱动膜系统的稀释的驱动溶液源，其中所述稀释的驱动溶液包含可热去除的溶质；将所述稀释的驱动溶液的至少一部分引入分离系统；将热能源引入所述分离系统；将稀释的驱动溶液溶质蒸发出所述稀释的驱动溶液；回收蒸发的稀释的驱动溶液溶质；以及将来自所述分离系统的驱动溶液溶质回收至渗透驱动膜系统。

在一个或多个实施例中，蒸发稀释的驱动溶液溶质的步骤包括经由膜接触器将稀释的驱动溶液溶质暴露于热能源，以从稀释的驱动溶液汽提溶质。回收蒸发的驱动溶液溶质的步骤可包括经由膜接触器将蒸发的驱动溶液溶质暴露于吸收溶液。在其他实施例中，蒸发稀释的驱动溶液溶质的步骤包括将稀释的驱动溶液暴露于多级溶质回收工艺，例如多级塔蒸馏。在一个实施例中，稀释的驱动溶液和热能源串流通过多级溶质回收工艺，例如通过至少第一蒸馏塔(或膜组件)和第二蒸馏塔(或膜组件)。另外，蒸发稀释的驱动溶液溶质的步骤包括使用热泵协助热能源。

通过参照如下描述和附图，本文公开的本发明的这些和其他目的以及优点和特征将变得显而易见。此外，应了解本文描述的各个实施例的特征并非互相排斥，并且可以以各种组合和排列存在。

附图说明

在附图中，类似的附图标记通常在不同的视图中指相同的部分。而且，附图不必为成比例的，相反，通常强调示出了本发明的原理，而不旨在作为本发明的限制的定义。为了清楚的目的，在每个附图中并未标记每个组件。在如下描述中，本发明的各个实施例参照如下附图进行描述，其中：

图1为根据本发明的一个或多个实施例使用溶质回收系统的示例性渗透驱动膜系统/工艺的示意图；

图2为根据本发明的一个或多个实施例的渗透驱动膜系统/工艺的示意图；

图3为根据本发明的一个或多个实施例的可选择的渗透驱动膜系统/工艺的示意图；

图4为根据本发明的一个或多个实施例的另一可选择的渗透驱动膜系统/工艺的示意图；

图5为根据本发明的一个或多个实施例的另一可选择的渗透驱动膜系统/工艺的示意图；

图6为根据本发明的一个或多个实施例使用膜接触器以促进驱动溶液蒸气的吸收的驱动溶质回收系统的一部分的示意图；

图7为根据本发明的一个或多个实施例使用膜接触器以促进驱动溶质的汽提的驱动溶质回收系统的一部分的示意图；

图8为驱动溶质回收系统的一部分的示意图，其中将稀释的驱动溶液汽提和吸收功能集成至单个组件中；

图9为根据本发明的一个或多个实施例使用与闭循环热泵一体的膜蒸馏的驱动溶质回收系统的一部分的示意图；

图10为根据本发明的一个或多个实施例使用与开循环热泵一体的膜蒸馏的驱动溶质回收系统的一部分的示意图；

图11为根据本发明的一个或多个实施例用于驱动溶质回收系统中的选择性膜的示意图；

图12为根据本发明的一个或多个实施例使用用于驱动溶质的同时汽提和吸收的选择性膜的驱动溶质回收系统的一部分的示意图；

图13为根据本发明的一个或多个实施例的驱动溶质回收系统的一部分的示意图；

图14为根据本发明的一个或多个实施例使用多级溶质回收的溶质回收系统的一部分的示意图；

图15为根据本发明的一个或多个实施例使用热泵协助的多级溶质回收的溶质回收系统的一部分的示意图；

图16为根据本发明的一个或多个实施例使用塔蒸馏和热泵的驱动溶质回收系统的一部分的示意图；

图17为根据本发明的一个或多个实施例使用塔蒸馏和热泵的驱动溶质回收系统的一部分的示意图；以及

图18为根据本发明的一个或多个实施例使用喷射器的驱动溶质回收系统的一部分的示意图。

具体实施方式

本发明的各个实施例可用于任何渗透驱动膜工艺，如FO、PRO、OD、DOC等。用于从溶液提取溶剂的渗透驱动膜工艺可通常涉及将溶液暴露于正向渗透膜的第一表面。在一些实施例中，第一溶液(称为工艺溶液或进料溶液)可为海水、苦咸水、废水、污染水、工业流(process stream)或其他水性溶液。在至少一个实施例中，溶剂为水，然而，其他实施例可使用非水性溶剂。可将相对于第一溶液具有增加的溶质浓度的第二溶液(称为驱动溶液)暴露于正向渗透膜的第二相对表面。然后，溶剂(例如水)可从第一溶液被驱动通过正向渗透膜，并进入第二溶液，从而经由正渗透产生富含溶剂的溶液。

正向渗透通常利用流体传递性质，其涉及溶剂从浓度较低的溶液移动至浓度较高的溶液。渗透压通常促进溶剂穿过正向渗透膜从进料溶液输送至驱动溶液。富含溶剂的溶液(也称为稀释的驱动溶液)可在第一出口处收集，并进行进一步的分离工艺。在一些非限制性的实施例中，纯化水可作为产物从富含溶剂的溶液制得。可在第二出口处收集第二产物流(即贫化(depleted)或浓缩的加工溶液)以用于排出或进一步处理。浓加工溶液可含有一种或多种目标化合物，所述一种或多种目标化合物可有利地浓缩或分离以用于下游使用。

图1显示了根据本发明的一个或多个实施例使用驱动溶质回收系统22的一个示例性渗透驱动膜系统/工艺10。如图1所示，系统/工艺10包括正向渗透组件12，如描述于美国专利No.6,391,205和No.7,560,029以及PCT公布No.WO2009/155596和WO2011/053794中的那些，所述专利的公开内容以全文引用方式并入本文。组件12与进料溶液源或流14和驱动溶液源或流16流体连通。驱动溶液源16可包括例如盐水流(如海水)，或者可充当渗透剂以通过渗透经过组件12内的正向渗透膜来将进料源14脱水的如本文所述的另一溶液。组件12输出来自进料流14的浓溶液流18，所述浓溶液流18可进一步加工。组件12也输出可如本文所述经由回收系统22进一步加工的稀释的驱动溶液20，在所述回收系统22处可回收驱动溶质和目标溶剂。根据本发明的一个或多个实施例，回收驱动溶质以再利用。相对于图2-5描述各种渗透驱动膜系统/工艺。

图2和图3显示了根据本发明的一个或多个实施例使用正向渗透的渗透驱动膜工艺。如图2所示，将称为第一溶液的溶液14(例如海水、苦咸水、废水、污染水或其他溶液)引入或设置于第一室9中。第一室9与半透膜12流体连通，如箭头A所示。将具有大于第一溶液的浓度的第二溶液引入或设置于第二室11中。更高浓度的溶液使得溶剂(例如水)能够从第一室9中的第一溶液渗透穿过半透膜12而进入位于第二室11内的更浓的第二溶液，如箭头B所示。损失许多溶剂之后，在第一室9中的剩余第一溶液的溶质浓缩。如果认为该溶质为废产物，则可丢弃该溶质，如箭头C所示。或者，溶质可为目标化合物，并可收集以用于进一步加工或作为所需产品用于下游使用。然后将在第二室11中的所得富含溶剂的第二溶液引入第三室13，如箭头D所示。在第三室13中，富含溶剂的第二溶液中的溶质可被分离出来并再循环回第二室11中，如箭头E所示，以保持第二溶液的浓度。在本发明的一个或多个实施例中，第三室13和再循环操作(箭头F)为任选的。然后可将在第三室13中的剩余富含溶剂的第二溶液引入第四室15，如箭头F所示。在第四室15中，可加热剩余富含溶剂的第二溶液，以去除任何剩余的溶质而产生溶剂流，如箭头G所示。在一些实施例中，如涉及废水处理的那些实施例，溶剂流可为纯化水。在第四室15中，热可通过将任何剩余的溶质破坏成它们的组成气体而去除该剩余的溶质，可将气体返回至第二室11，如箭头H所示，以保持室11中第二溶液的浓度梯度并充当试剂。

正向渗透膜可通常为半透的，例如，允许诸如水的溶剂通过，但排斥其中的溶解溶质，如氯化钠、碳酸铵、碳酸氢铵、氨基甲酸铵、其他盐、糖、药物或其他化合物。许多类型的半透膜适用于该目的，前提是它们能够允许溶剂(例如水)通过，并同时阻挡溶质通过，且不与溶液中的溶质反应。膜可具有多种构造，包括薄膜、中空纤维膜、螺旋缠绕膜、单丝和碟管。存在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，同时筛出溶质分子(如氯化钠)和它们的离子分子物质种类(如氯化物)。这种半透膜可由有机或无机材料制得。在一些实施例中，可使用由诸如醋酸纤维素、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得的膜。其他膜可为矿物膜或由诸如ZrO₂和TiO₂的材料制成的陶瓷膜。

通常，选择用作半透膜的材料应该能够承受膜可能经受的各种工艺条件。例如，可希望膜能够承受高温，如与灭菌或其他高温过程相关的那些。在一些实施例中，正向渗透膜组件可在约0摄氏度至约100摄氏度范围内的温度下操作。在一些非限制性的实施例中，工艺温度可为约40摄氏度至约50摄氏度。同样，可希望膜能够在各种pH条件下保持完整性。例如，在膜环境中的一种或多种溶液(如驱动溶液)可为或多或少酸性或碱性的。在一些非限制性的实施例中，正向渗透膜组件可在约2至约11的pH水平下操作。在某些非限制性的实施例中，pH水平可为约7至约10。所用的膜无需由这些材料中的一种制得，它们可为各种材料的复合材料。在至少一个实施例中，膜可为不对称膜，如在第一表面上具有活性层，并在第二表面上具有支承层。在一些实施例中，活性层可通常为排斥层。例如，在一些非限制性的实施例中，排斥层可阻挡盐通过。在一些实施例中，支承层(如背衬层)可通常为非活性的。

根据一个或多个实施例，可将至少一个正向渗透膜设置于外壳或壳体内。可通常将外壳的尺寸和形状形成为容纳其中设置的膜。例如，如果外壳螺旋缠绕正向渗透膜，则外壳可基本上为圆柱形的。组件的外壳可含有入口以及出口，所述入口用以将进料溶液和驱动溶液提供至组件，所述出口用于从组件收回产物流。在一些实施例中，外壳可提供用于保持或储存待引入组件或从组件收回的流体的至少一个贮存器或室。在至少一个实施例中，外壳可为绝缘的。

根据一个或多个实施例，可回收驱动溶质以用于再利用。溶质可从稀释的驱动溶液汽提，以产生基本上不含溶质的产物水。然后可凝结或吸收气态溶质以形成浓驱动溶液。吸收器可使用稀释的驱动溶液作为吸收剂。在其他实施例中，产物水可用作用于来自溶质再循环系统的气体流的吸收的全部或一部分的吸收剂。

根据一个或多个实施例，一部分稀释的驱动溶液可用于吸收例如来自蒸馏塔的驱动溶质气体。在至少一个实施例中，使用吸收剂的冷却和混合可在吸收塔或膜组件中发生，如本文所述。气体与充当吸收剂的一部分稀释的驱动溶液(随后变成浓驱动溶液)的混合可在容器中发生。通常容器的尺寸可形成为提供足够大以促进吸收剂和气体之间的相互作用的面积。在一些实施例中，填充柱可用作吸收器。在一个或多个实施例中，汽提蒸馏塔和吸收塔可结合使用。加热可在蒸馏塔中发生，同时冷却和与稀释的驱动溶液吸收剂的接触可在吸收塔中发生。在一个实施例中，可将大约25％的稀释的驱动溶液流引导至吸收器以充当吸收剂流体，剩余大约75％的稀释流作为汽提器的进料流而被引导至汽提器。这两个流之间的平衡将决定返回至膜系统的再浓化的驱动溶液的浓度，以及吸收器和/或汽提器的尺寸，以及汽提器中所需的加热的量和在吸收器或各级吸收器之前、之后和/或之内所需的冷却的量。

根据一个或多个实施例，考虑到具有低成本和极少或无替代使用的低温热源，可希望使用低温用于汽提溶质。然而，汽提温度越低，则其压力越低，并且较低压的浓缩和吸收具有越低的动力学，从而在一些情况下使得某些化合物(如二氧化碳)的吸收相当困难。在已汽提溶质之后，可使用各种方法来吸收剩余气体，这些剩余气体的一些部分(通常约60-80％之间)已被凝结，所述剩余气体具有较低的在短时间范围内继续吸收的趋势。

在一些实施例中，可压缩剩余蒸气流以升高其压力，由此增加吸收动力学。可使用压缩机。在其他实施例中，可使用蒸汽喷嘴，其中少部分蒸汽可与蒸气混合，以将压力增加至两个流之间的中间压力。在其他实施例中，可将吸收溶液加压并引入喷射器喷嘴以携带和压缩溶质蒸气(参见例如图16-18)。

在一个或多个实施例中，使用膜接触器、塔内填充或类似的装置，可以以各种构造使用具有蒸气串流或者吸收剂的串流或并流的吸收器。(参见例如图6-18)。在一个实施例中，蒸气的串流可与已冷却的吸收剂的并流结合，从而在吸收装置内无需进行冷却。在其他实施例中，可在装置内进行冷却。热交换区域以及质量界面区域均可在单个装置中。可使用吸收剂形成混合物，可引导所述混合物与浓驱动溶液流结合。吸收剂可包括稀释的驱动溶液、产物水、具有添加的氨的水、液体氨和非挥发性二氧化碳隔离物(sequestrate)(其可随后在产物水中离开或被去除或破坏)。

根据一个或多个实施例，可实施二氧化碳吸收/解吸回路，使得溶液在低压下用作吸收剂以吸收二氧化碳。然后，可将溶液以液体形式加压，并加热以在更高压力下解吸二氧化碳，从而使得二氧化碳在凝结器中或以上述其他方式吸收。这样，一些实施例可类似于二氧化碳隔离系统。在一些实施例中，吸收溶液可包括在水中的氨。在其他实施例中，吸收溶液可包括非挥发性溶质，所述非挥发性溶质可与二氧化碳复合，并且随后可被诱导而释放二氧化碳，使得溶质在吸收系统中再循环。在一些实施例中，可使用热。在一些实施例中，可使用催化剂和/或试剂。在一个或多个工艺中或者在凝结器中催化剂或试剂的使用可增加驱动溶质凝结或再吸收的动力学。

根据一个或多个实施例，可将稀释的驱动溶液引导至汽提器(参见例如图7)，在汽提器中低温加热使得驱动溶质蒸发，从而留下基本上不含所述溶质的产物水。可使用热交换器来凝结一部分蒸气。在至少一个实施例中，可凝结约70％的蒸气。可使用吸收器系统(参见例如图6)引入剩余蒸气的一部分以吸收至稀释的驱动溶液流中。在至少一个实施例中，第二吸收器系统可使用浓氨溶液来吸收剩余驱动溶质蒸气。可混合离开凝结器以及第一和第二吸收器的液体流，并将其用作浓驱动溶液的全部或部分。

如上所述，根据一个或多个实施例的分离工艺可起始于在第一容器12内包含的第一溶液。第一溶液可为水性或非水性溶液，所述水性或非水性溶液为经处理的，以用于纯化水回收的目的、用于不利的溶质的去除、或用于所需溶质的浓缩和回收。不利的溶质中包括不希望的可化学沉淀的可溶性盐，如氯化钠(NaCl)。第一溶液的典型例子包括水性溶液，如海水、盐水和其他盐溶液、苦咸水、矿化水、工业废水和与高纯度应用(如与食品和药物工业有关的那些)相关的产物流。通常，可使用与驱动溶液可相容的任何类型的溶剂，例如，能够溶解驱动溶质的任何溶剂。第一溶液可在渗透分离之前根据已知技术进行过滤和预处理，以去除固体和化学废物、生物污染物或者防止膜污染，然后将第一溶液提供至第一室9，如箭头10所示。

另外，第一溶液可为希望进行分离、纯化或其他处理的含有溶剂和一种或多种溶质的任何溶液。在一些实施例中，第一溶液可为非饮用水，如海水、盐水、苦咸水、中水(graywater)和一些工业水。可希望从这种流制备纯化水或饮用水以用于下游使用。待处理的工业流可包含盐和其他离子物质种类，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，第一溶液可为盐水，如咸水或海水、废水或其他污染水。在其他实施例中，第一溶液可为希望浓缩、分离或回收的含有一种或多种溶质(如目标物质种类)的工业流。这种流可来自工业过程，如药物或食品级应用。目标物质种类可包括药物、盐、酶、蛋白质、催化剂、微生物、有机化合物、无机化合物、化学前体、化学产物、胶体、食物产品或污染物。可从上游单元操作(如工业设施)或任何其他来源(如海洋)将第一溶液递送至正向渗透膜处理系统。

类似于第一溶液，第二溶液可为水性溶液，即溶剂为水。在其他实施例中，非水性溶液(如有机溶剂)可用于第二溶液。第二溶液可为含有相对于第一溶液更高浓度的溶质的驱动溶液。驱动溶液可通常能够在渗透驱动膜系统内产生渗透压。渗透压可用于多种目的，包括脱盐、水处理、溶质浓缩、发电和其他应用。可使用多种驱动溶液。在一些实施例中，驱动溶液可包含一种或多种可去除的溶质。在至少一些实施例中，可使用可热去除的(热解的)溶质。例如，驱动溶液可包含热解盐溶液。在一些实施例中，可使用氨和二氧化碳驱动溶液，如公开于美国专利No.7,560,029中的那些。在一个实施例中，第二溶液可为氨和二氧化碳的浓溶液。

根据一个或多个实施例，氨与二氧化碳的比率应该基本上允许驱动溶液气体完全吸收至吸收流体(即如上所述的稀释的驱动溶液的一部分)中，基于系统中驱动溶液的最高浓度。驱动溶液的浓度、体积和流量通常应匹配进料溶液的浓度、体积和流量，使得两个溶液之间的所需渗透压差在整个膜系统和给水回收范围中得以保持。根据一个或多个实施例，这可通过考虑膜中和其表面处的内部和外部浓度极化现象进行计算。在一个非限制性的脱盐实施例中，可使用大约为盐水给水流量的大约33％的浓驱动溶液入口流量，对于海水脱盐系统，通常在约25％至75％的范围内。较低盐度的进料可需要给水流量的约5％至25％的驱动溶液入口速率。稀释的驱动溶液出口速率可通常为给水入口速率的约50％至100％，并且为盐水排放体积的约3至4倍。

根据一个或多个实施例，氨与二氧化碳的比率通常应匹配在驱动溶质去除和回收工艺中所用的驱动溶液浓度和温度。若所述比率不足够高，则不可能完全将驱动溶质气体吸收至盐以在浓溶液中再利用，若所述比率过高，则在驱动溶液中将存在过量的氨，其不能在所需温度范围(如使用废热驱动工艺所需的温度范围)内适当凝结。例如，在一些实施例中，蒸馏塔可在约50℃下汽提气体，吸收塔可在约20℃下操作。应进一步考虑氨与二氧化碳的比率以防止氨通过膜进入进料溶液。若所述比率过高，则这可导致未离子化的氨以高于所需或合意的浓度存在于驱动溶液(通常主要是铵)中。其他参数，如给水类型、所需渗透压、所需通量、膜类型和驱动溶液浓度可影响优选的驱动溶液摩尔比。可在渗透驱动膜工艺中监测和控制氨与二氧化碳的比率。在至少一个实施例中，驱动溶液可包含摩尔比大于1:1的氨和二氧化碳。在一些非限制性的实施例中，在大约50℃下且驱动溶液的摩尔浓度规定为二氧化碳在该溶液内的摩尔浓度时，驱动溶液的比率可为至少约1.1至1(对于至多1摩尔驱动溶液)，约1.2至1(对于至多1.5摩尔驱动溶液)，约1.3至1(对于至多3摩尔驱动溶液)，约1.4至1(对于至多4摩尔驱动溶液)，约1.5至1(对于至多4.5摩尔驱动溶液)，约1.6至1(对于至多5摩尔驱动溶液)，约1.7至1(对于至多5.5摩尔驱动溶液)，约1.8至1(对于至多7摩尔驱动溶液)，约2.0至1(对于至多8摩尔驱动溶液)和约2.2至1(对于至多10摩尔驱动溶液)。实验表明，在此近似的温度下，这些比率大约为这些浓度的溶液的稳定溶解度所需的最小比率。在较低温度下，对于相同浓度需要较高的氨与二氧化碳的比率。在较高温度下，可需要较低的比率，但也可能需要溶液的一定加压以防止溶质分解为气体。即使在小于2摩尔的总浓度下，大于1:1的比率也大大增加溶液的稳定性，并且防止二氧化碳气体的形成以及通常防止响应于甚至中等量的热和/或压力降低的驱动溶液的热解分裂。驱动溶液通常具有大于进料溶液的溶质浓度。这可通过使用足够可溶以产生浓度比进料溶液更高的溶液的溶质而实现。可基于提供至分离系统用于处理的工业流而调节驱动溶液的一个或多个特性。例如，进料溶液中溶质的体积、流量或浓度可影响选择用于驱动溶液的一个或多个参数。关于与系统相关的排放流的要求也可影响一个或多个操作参数。其他操作参数也可基于正向渗透分离系统的预期应用而不同。优选地，在第二溶液内的溶质应该可易于通过分离工艺而从溶液中去除，其中所述分离工艺将溶质分离成更易于溶解于溶液的溶剂中的至少一种物质种类(即可溶性物质种类)和不易于溶解于溶剂内的一种物质种类(即溶解度较差的物质种类)，并且若痕量保留在所得溶剂中，则溶质不应造成健康风险。溶质的可溶性物质种类和溶解度较差的物质种类的存在允许根据需要调节或操纵溶液。通常，可溶性物质种类和溶解度较差的物质种类在溶液中达到一个点，其中在特定的条件温度、压力、pH等下，溶质的物质种类均不相对于彼此增加或减少，即溶质的可溶性物质种类与不溶性物质种类的比率为静态的。这称为平衡。考虑到溶液的特定条件，溶质的物质种类无需在平衡下以1:1比率存在。通过添加化学品(本文称为试剂)，溶质的物质种类之间的平衡可移动。通过使用第一试剂，溶液的平衡可移动以增加溶质的可溶性物质种类的量。同样地，通过使用第二试剂，溶液的平衡可移动以增加溶质的溶解度较差的物质种类的量。在添加试剂之后，溶质的物质种类的比率可在溶液条件所支持的新的水平下稳定化。通过操纵有利于溶质的可溶性物质种类的平衡，可获得具有接近饱和的浓度的第二溶液，其为溶液溶剂不能再溶解更多溶质的状态。

用于第二(驱动)溶液的优选溶质可为氨和二氧化碳气体和它们的产物，即碳酸铵、碳酸氢铵和氨基甲酸铵。当氨和二氧化碳以约1的摩尔比溶解于水中时，形成主要由碳酸氢铵、以及较小程度上的相关产物碳酸铵和氨基甲酸铵组成的溶液。在该溶液中的平衡有利于溶质的溶解度较差的物质种类(碳酸氢铵)，而不是溶质的可溶性物质种类(氨基甲酸铵和较小程度上的碳酸铵)。使用过量的氨缓冲主要由碳酸氢铵组成的溶液而使得氨与二氧化碳的摩尔比大于1，会将溶液的平衡朝向溶质的更加可溶的物质种类(氨基甲酸铵)移动。氨在水中更可溶，并且优先被溶液吸附。由于氨基甲酸铵更易于被第二溶液的溶剂吸附，因此其浓度可增加至溶剂不能再吸附更多的溶质(即饱和)的点。在一些非限制性的实施例中，通过所述操纵而获得的在该第二溶液内的溶质浓度大于约2重量克分子(molal)、超过约6重量克分子、或约6重量克分子至约12重量克分子。

氨可为优选的氨基甲酸铵的第一试剂，因为其是溶质氨基甲酸铵分解时所得的化学成分之一，或者称为组成成分。通常，优选的是用于溶剂的试剂为溶质的组成成分，因为当溶剂被去除时，任何过量的试剂都可容易地从溶液中去除，并且在优选实施例中，组成成分可作为第一试剂再循环。然而，预期可操纵溶液中的溶质物质种类的平衡的其他试剂，只要所述试剂易于从溶液中去除，并且如果试剂的痕量成分保留在最终溶剂内，所述试剂不具有健康风险。

根据一个或多个实施例，驱动溶液应该通常产生渗透压并且可去除，以例如用于再生和再循环。在一些实施例中，驱动溶液可特征在于发生催化相变的能力，在所述催化相变中，驱动溶质变化至气体或可使用催化剂而从水性溶液中沉淀的固体。在一些实施例中，所述机制可与一些其他方式结合，所述方式如加热、冷却、添加反应物、或引入电场或磁场。在其他实施例中，可引入化学品以与驱动溶质可逆或不可逆反应，从而降低驱动溶质的浓度、通过膜改变驱动溶质的排斥特性、或以其他方式使得驱动溶质更易于去除。在至少一个实施例中，引入电场可引起驱动溶质的改变，如相变、电离度的改变、或使得溶质更易于去除的其他电诱导改变。在一些实施例中，可操纵溶质通过和/或排斥，如通过调节pH水平、调节溶质的离子性质、改变溶质的物理尺寸或促进使得驱动溶质易于通过膜(驱动溶质之前在所述膜处被排斥)的另一改变。例如，可使离子物质种类为非离子的，或者可使大的物质种类相对更小。在一些实施例中，可应用不使用加热的分离技术，如电渗析(ED)、冷却、真空或加压。在至少一个实施例中，可根据一个或多个已知的分离技术应用电梯度。在一些实施例中，可使用某些分离技术(如ED)减少待分离的物质种类例如以达到更低的电气要求。在至少一个实施例中，可例如通过改变温度、压力、pH或溶液的其他特性来操纵有机物质种类的溶解度。在至少一些实施例中，可应用离子交换分离，如补钠的离子交换技术，或补酸和碱的离子交换来再循环驱动溶质，包括例如铵盐。

根据一个或多个实施例，所公开的驱动溶液可用于任何渗透驱动膜工艺，例如涉及压力延缓渗透、正向渗透或压力辅助正向渗透的应用。在一些实施例中，所公开的驱动溶液可用于渗透热机，如描述于PCT公布No.W02008/060435中的渗透热机，所述专利的公开内容以全文引用方式并入本文。渗透热机可使用半透膜而将热能转化为机械功，以将渗透压转化为电功率。浓的氨-二氧化碳驱动溶液可产生高渗透压，所述高渗透压可抵抗液压梯度而产生通过半透膜的水通量。将涡轮机中增加的驱动溶液体积减压可产生电功率。通过将稀释的驱动溶液分离成再浓化的驱动溶液和去离子水工作流体(两者均在渗透热机中再利用)而可使工艺保持为稳定态操作。在涉及在渗透热机中使用所公开的驱动溶液的一些实施例中，可通过沉淀驱动溶质而提高效率。在至少一个实施例中，所公开的驱动溶液可在用于电网储能的系统和方法中使用，其中涉及渗透压梯度的盐度梯度或两个溶液之间的差异的使用可用于在浓溶液中产生液压，从而允许发电。根据涉及蒸馏塔(如描述于PCT公布No.W02007/1146094中的多级蒸馏塔，所述专利的公开内容以全文引用方式并入本文)的一个或多个实施例，稀释的驱动溶液可用作热交换器或吸收器中的吸收流体以用于热传递至每一级。根据一个或多个实施例，所公开的驱动溶液也可用于各种直接渗透浓缩(DOC)应用中。

再次参照图2-3，根据一个或多个实施例，可通过分别使第一溶液和第二溶液接触半透膜12的第一和第二侧而开始渗透驱动膜工艺。尽管第一溶液和第二溶液可保持停滞，但优选的是通过横流(即平行于半透膜12的表面的流)引入第一溶液和第二溶液。这增加了给定量的溶液所接触的半透膜12的表面积的量，由此增加了正向渗透的效率。由于第二室11中的第二溶液相比于第一室9中的第一溶液具有更高的溶质浓度，因此在第一溶液中的溶剂通过正向渗透而扩散至第二溶液。在一些实施例中，两个溶液之间的浓度差异较大，使得溶剂通过半透膜12而无压力添加至第一溶液。总之，该工艺可导致去除包含于第一溶液内的溶剂的约50％至约99.9％。在分离工艺过程中，第一溶液由于损失溶剂而变得更浓，而第二溶液由于获得溶剂而变得更稀释。尽管如此，两个溶液之间的浓度梯度仍然保持显著。膜的第一侧上的贫化的溶液和膜的第二侧上的稀释的溶液可各自进一步加工以用于一种或多种所需产物的回收。例如，膜的第一侧上的贫化的溶液可含有作为目标物质种类的溶质，所述目标物质种类的浓缩和回收是所需的。或者，膜的第一侧上的贫化的溶液可作为废物丢弃。同样地，膜的第二侧上的稀释的溶液可富含溶剂，所述溶剂可为所需产物。

排出物18，即浓的第一溶液，具有更大的溶质浓度。因此，在将第一溶液返回至其来源或者通过本发明的方法再循环第一溶液之前，过量的溶质可从该浓的第一溶液中去除。这可例如通过如下方式完成：使浓的第一溶液与太阳能蒸发器、简单的筛网过滤机构、旋液分离器或沉淀物质(precipitation mass)或其他成核点接触而沉淀溶质。该沉淀的溶质可进一步加工，以使其适于消费者或工业目的。

在通过正向渗透将第一溶液的溶剂提取至第二溶液中，由此形成富含溶剂的第二溶液之后，随后可能希望从富含溶剂的第二溶液中去除溶质以分离溶剂。在一些非限制性的实施例中，这可通过如下方式完成：将溶质沉淀出溶液；使溶质分解成其组成气体，所述组成气体蒸发出溶液；将溶剂蒸馏出溶液或者将溶质吸收至表面上。在至少一个实施例中，通过沉淀去除溶质的一部分减少了加热溶液以分解剩余溶质所需的能量的量，并且分解得到溶质的完全去除。可能的沉淀和分解步骤分别参照第三和第四室13和15进行描述。

可将第二室11中的富含溶剂的第二溶液收回至第三室13，如箭头D所示。然后可处理富含溶剂的第二溶液，以通过沉淀而从富含溶剂的溶液中去除溶质的一部分。可引入第二试剂，从而调节可溶性溶质物质种类与溶解度较差的溶质物质种类的平衡以有利于溶解度较差的溶质物质种类。正如第一试剂一样，能够调节平衡的任何化学品是合适的，只要其易于从富含溶剂的第二溶液中去除并且不具有健康风险。优选地，所述试剂为溶质的组成成分，在优选的溶质氨基甲酸铵的情况下，所述溶剂为二氧化碳气体。在一些非限制性的实施例中，当富含溶剂的第二溶液用二氧化碳扩散时，溶液中的氨与二氧化碳的比率可降低至大约1至1.5之间，且富含溶剂的第二溶液中的平衡移动回至溶质的溶解度较差的物质种类碳酸氢铵。然后，溶质的溶解度较差的物质种类可沉淀出溶液。碳酸氢铵的沉淀可导致富含溶剂的第二溶液内的溶质浓度显著降低至约2至3摩尔。优选地，在第三室13中的富含溶剂的第二溶液的温度下降至约18至25℃，优选约20至25℃，以协助溶质的沉淀。然后，沉淀的溶质可从溶液中过滤。

在一些实施例中，沉淀的溶质可在第三室13内过滤，然而，在图3所示的实施例中，将溶液引导至过滤室17，如箭头I所示。使用公知的方法，如旋液分离器、沉降罐、塔过滤或简单的筛网过滤，沉淀的溶质可从富含溶剂的溶液中去除。例如，可通过重力使沉淀沉降出溶液，此时可随后将剩余溶液虹吸出去。可将剩余的富含溶剂的第二溶液从过滤室17转移至第四室15，如箭头F所示，在第四室15处随后加热所述剩余的富含溶剂的第二溶液以将溶质分解成它们的组成气体。在一个实施例中，这些组成气体可为氨和二氧化碳。分离工艺所需的能量为将溶液的温度升高至获得氨基甲酸铵溶质的完全去除的温度所需的热。也需要另外的热来弥补蒸发焓和在工艺内循环的溶质的溶液的热传递的低效率。特别地，加热导致富含溶剂的第二溶液中的剩余溶质分解成它们的组成气体，这留下溶液。在一些实施例中，可在富含溶剂的第二溶液被加热的同时在其上保持真空或空气流，以改进效率和/或降低分解气体蒸发出溶液时的温度。通过在第四室上产生空气流，有可能在比通常所用更低的温度下去除所有溶质。所述分解可产生可被进一步处理以用于最终用途的溶剂产物，如饮用水产物。通常，饮用水产物应该具有约7的pH，可能需要进一步的pH调节和/或所需成分(如盐和/或残余消毒剂)的添加以使水适于其预期目的。

可使用外部热源19与从气体和溶质(箭头J和K)的放热引入而泵送通过热交换器38的热的组合来加热富含溶剂的第二溶液。外部热源19可由任何热源(包括太阳能和地热能)提供。来源可类似于蒸馏的那些来源。在一些实施例中，来源可主要来自使用来自发电或工业过程的废热的热电联产环境。此外，可通过使用热交换器38来捕获在本发明的脱盐方法中的之前步骤过程中释放的热，从而保持工艺效率。如图3中的箭头J和K所示，从第二和第三室11、13内的化学反应所释放的热可被泵送至热交换器38，热交换器38随后将所述热泵送至第四室15以协助加热富含溶剂的第二溶液，如箭头L所示。在一个可选择的实施例中，通过允许释放的组成气体在室15(富含溶剂的第二溶液在其中加热)的外部凝结而产生另外的热，因此将来自该放热反应的能量传递至第四室15。凝结物(在一个实施例中其为氨基甲酸铵)可随后再循环至第二室11中的第二溶液。

也优选的是再循环从第二溶液中去除的溶质和溶质成分，以限制环境影响和本发明的正向渗透分离方法的成本。从过滤室中丢弃的沉淀的溶质可再循环至第二室11，在所述第二室11处，所述沉淀的溶质可溶解于第二溶液中，由此保持第二溶液的高浓度，如箭头E所示。另外，从第四室15中的富含溶剂的第二溶液中去除的组成气体可再循环回第二或第三室11、13，如分别由箭头H和M所示，在所述第二或第三室11、13处，所述组成气体充当试剂。在一个实施例中，溶质为氨基甲酸铵，其分解成其组成气体：氨和二氧化碳。然后这些气体再循环至第二室11，如箭头H所示。由于氨比二氧化碳更可溶，因此氨优先被第二溶液吸附，并通过调节溶质物质种类的平衡以有利于氨基甲酸铵而充当试剂。剩余二氧化碳从第二室11中收回，如箭头M所示，并传递至第三室13，在第三室13处，二氧化碳充当试剂，并改变第二溶液的平衡以有利于碳酸氢铵。由于一些实施例预期再循环衍生自溶质分解的组成气体，因此可能必要的是沉淀小于最佳量的溶质，以确保再循环足够的气体从而保持本发明的工艺的效率。通常，通过沉淀从溶液中去除约一半的溶质应确保产生足够量的组成气体以保持本发明的工艺。本文描述的工艺可连续或间歇式进行，以在整个工艺中从溶剂更好地分离溶质。

用于进行本发明的方法的设备的一个非限制性的实施例示于图4中。所述设备具有第一室9，所述第一室9具有入口21和出口23。第一室9的入口21与第一溶液源(如已进行预处理或正从上游操作引入的溶液的储存罐)或第一溶液的天然来源(如海洋、湖泊、溪流或其他水体和水路)连通。第一室9的入口21可引入泵以从第一溶液的来源虹吸第一溶液，和/或引入筛网或过滤器以去除颗粒。其也可任选地包括加热或冷却装置，以调节第一溶液的温度。类似地，第一室9的出口23可引入泵以从第一室9提取第一溶液。出口23可用于将第一溶液直接再循环至第一溶液源，尽管优选地，在第一溶液返回至第一溶液源之前，将第一溶液泵送至沉淀装置中或泵送穿过沉淀装置。这种沉淀装置可包括太阳能蒸发床、简单筛网过滤的机构、旋液分离器、或沉淀物质或其他成核点操作、或本领域技术人员已知的其他类型。第一室9通过半透膜12而与第二室11分隔。

第二室11具有入口25和第一和第二出口27、29。入口25提供第二溶液源，并可引入泵以及加热装置。第二室11的第一出口27与第三室13连通，并提供用于将富含溶剂的第二溶液传递至第三室13的管道。第二室11的该第一出口27可引入泵以从第二室11中收回富含水的第二溶液。在本发明的另一实施例中，第二室11的第一出口27可引入冷却装置以冷却富含溶剂的第二溶液，如上所述。第二室11的第二出口29提供用于当来自第四室15的气体通过入口25引入第二溶液中时所剩余的任何气体(其待传递至第三室13)的管道，所述剩余的气体在一个实施例中主要为二氧化碳气体，因为预期氨优先吸收至该溶液中。

在一些实施例中，第三室13为溶质的一部分从富含溶剂的第二溶液沉淀出来之处。除了用于连接至出口27、29的入口之外，第三室13具有与过滤装置17连通的出口31以用于从富含溶剂的第二溶液分离沉淀。过滤装置17具有如上公开的任何类型，在一个实施例中，其为沉降罐。过滤装置17具有两个出口33、35。第一出口33可用于处置沉淀的溶质，或将沉淀的溶质通过第二室入口25而返回至第二室11，并且第二出口35可用于将剩余的富含溶剂的第二溶液传递至第四室15。在一个可选择的实施例中，可将过滤装置17引入第三室13中，在此情况下，第三室13具有另外的出口，一个出口用于将剩余的富含溶剂的第二溶液传递至第四室15，另一出口用于处置沉淀的溶质，或者在一个可选择的实施例中用于将沉淀的溶质通过第二室入口25而返回至第二室11。

第四室15可引入用于加热剩余的富含溶剂的第二溶液的加热装置。第四室15也引入第一出口37，其可引入真空、风扇或用于产生排放组成气体的空气流的其他装置。优选地，第四室15的第一出口37与第二室11的入口25连通，以再循环作为第二溶质的组成气体。第二出口39充当用于收回最终溶剂产物如饮用水或纯化水的管道。

可使用任何材料来构建各种保持和/或储存装置(室、容器和贮器)、管道、管路和相关设备，只要它们承受溶液的重量，并且与溶液内的任何溶质不反应。典型的材料为非腐蚀性非反应性的材料，如不锈钢、塑料、聚氯乙烯(PVC)、纤维玻璃等。容器可采用任何合适的构造，但通常为圆柱形罐、波状罐或订制罐(fitted tank)等。贮器通常为水塔、圆柱形罐、波状罐或订制罐等。如上所述，重要的是注意所述室显示为分开的单元，但本发明不限于该构造，当适当时，可在单个容器内包括任何数量的室，例如划分成由半透膜12分隔的两个室。

加热和冷却装置可为电加热器、制冷单元、太阳能集热器和热交换器(如蒸汽凝结器、循环器等)，如本领域所公知，但优选为热交换器。加热和冷却装置以及可能具有功率要求的在工艺中所用的任何其他设备的能量可源自任何多种常用来源，包括例如废蒸汽、太阳能、风能或地热能、以及常规来源。

参照图5，公开了根据一个或多个实施例的浓缩工艺。将第一溶液14暴露于正向渗透膜12的一侧。在第一溶液14包含待处理的废物流的实施例中，第一溶液14通常为水性的，并含有诸如盐、蛋白质、催化剂、微生物、有机或无机化学品、化学前体或产物、胶体或其他成分的物质种类的溶液。在第一溶液14含有待浓缩和回收的所需目标物质种类的实施例中，第一溶液可包含药物、盐、酶、蛋白质、催化剂、微生物、有机化合物、无机化合物、化学前体、化学产物、胶体、食物产品或污染物。第一溶液14暴露于膜12的一侧可在许多配置中实现，所述许多配置中的两个为将膜12浸入溶液中，或将溶液引导经过膜12。该溶液可连续、间歇、一次或多次引入容器或引导装置。第一溶液14的该输入流在示意图中未显示。

使能够产生比第一溶液14更高的渗透压的第二溶液16(例如由包括水、氨和二氧化碳的物质种类组成)暴露于膜的一侧，该侧与暴露于第一溶液14的膜的一侧相对。所述暴露可通过许多技术实现，但可包括将膜12浸入第二溶液中(如果对第一溶液使用浸入，则否)或者将第二溶液引导经过膜表面。不可渗透第一溶液14的全部物质种类或一些物质种类(如盐、带电和/或大分子、微生物和颗粒物质)、但允许诸如水的溶剂通过的膜12允许第一溶液和第二溶液之间的渗透压差异诱导水通量从第一溶液穿过膜至第二溶液。可使该通量显著地、部分地稀释或几乎不稀释第二溶液16和/或浓缩第一溶液14。也可预期第一溶液的所选或目标物质种类中的一些、无、极少或一种通过膜12，这取决于膜类型和/或工艺使用的意图。

将富含溶剂的第二溶液的一部分(作为流20)引导至驱动溶质分离操作装置22，如蒸馏塔、膜蒸馏操作装置或渗透蒸发操作装置，使得富含溶剂的第二溶液中的溶质例如氨和二氧化碳溶质(包括铵盐物质种类)通过如下方式得以去除：将热施加至驱动溶质分离操作装置22，和/或将压力差施加至驱动溶质分离操作装置之上的气体和/或由驱动溶质分离操作装置产生的气体。根据一个或多个实施例，膜分离方法(如渗透蒸发)可允许从稀释的驱动溶液中分离驱动溶液气体并同时明显限制水蒸气的流动，这可增加分离工艺的效率。渗透蒸发材料可包括天然或合成聚合物(如聚氨酯或天然橡胶)或者悬浮液体膜，所述悬浮液体膜充当相对于水蒸气而选择氨和二氧化碳的被动或主动选择性膜。在一些实施例中，渗透蒸发或类似的膜分离方法可代替蒸馏塔使用或者与蒸馏塔结合使用。在至少一个实施例中，也可应用吸收塔。在另一实施例中，压缩流26的气体以升高温度，在该温度下所述气体可完全或接近完全地再吸收至驱动溶液中。根据一个或多个实施例，吸收器可在驱动溶质的再吸收之前或过程与冷却一起使用。在至少一些实施例中，可将稀释驱动流的一部分转移至吸收器作为吸收剂流。

驱动溶质分离操作产生指定为流32的溶剂流和指定为流26的气体流，所述溶剂流具有浓度部分、充分或完全降低的流20的物质种类，所述气体流含有来自流20的去除物质种类。将流26引导至指定为重构第二溶液16的操作装置41，所述操作装置41用于增加、替换或保持第二溶液16的特性，如体积或浓度。该操作可包括将物质种类溶解于水、第二溶液的一部分，沉淀并与第二溶液混合或者一些其他方法，使得在操作装置22中去除的物质种类被再引入第二溶液。所述再引入作为虚线流45显示。由于水从溶液14中移出，溶液14的被排斥的组分可定期地或连续地从溶液14中去除。该操作可包括沉降、旋流分离器分离、沉淀、力梯度(如电或磁)、泄料、或其他单元操作。从溶液14中去除的所述组分流作为流18显示。在一些实施例中，流18可为所需的产物流或可作为废物丢弃。通过这些技术，通过渗透驱动通量穿过半透膜而使用渗透压从溶液中去除溶质，例如从药物化合物、食物产品或溶液中的其他所需物质种类中分离溶剂，或者通过去除不希望的溶质来处理工业流以制得纯化的产物流。可另外处理流18，以从第二溶液16中去除已移动穿过膜进入第一溶液14中的任何驱动溶质。该处理可包括蒸馏、空气汽提、渗透蒸发、折点氯化、离子交换或其他方式。从流18中去除的驱动溶质可通过与流45混合或通过其他方式而被再引入第二溶液16。

图6-18显示了如上所介绍的可以与本文所述的渗透驱动膜系统一起使用的多种驱动溶质回收系统22。根据一个或多个实施例，回收系统22可包括使用膜接触器，例如相对于图6-10所述的膜接触器。用于液体流和气体流之间的质量和能量交换的膜的使用通常在膜装置中执行塔蒸馏的功能。该方法的一个益处是液体和气体体积流动和速度极大地独立，不发生溢流、夹带、发泡等。在液体渗透多孔膜进入气体流的极少情况下，这基本上不发生。另外，不像使用常规蒸馏塔进行的那样使用密度差异来使两个流相互作用。相反，正如仅具有液体或气体的管路那样，使用压力来使液体流和气体流流动。为此原因，基于膜的蒸馏装置不像常规蒸馏塔所需的那样需要竖直设置。因此，例如，可使用水平膜阵列(如在火车中的平行组件)来行使大直径、高的常规蒸馏塔的功能。这允许显著降低空间(footprint)和高度要求。

此外，常规通过在蒸馏塔内部填充而提供的气相和液相的混合现在可由膜区域提供。液体流可在膜的一侧上流动，而气体流在另一侧上流动，两相之间的自由气体穿过膜中的孔隙进行交换。涂布孔隙是可能的，如果这不会抑制气体传递到不能由涂层提供的益处所补偿的程度。膜可设计为干燥的或湿润的。在干膜设计中，膜的孔隙和膜的材料可使得表面张力防止水渗透穿过孔隙至气体流。在湿润设计中，水可填充孔隙，但可能不以显著的量流动超过这些孔隙而进入气体流中。在任一情况下，气体交换基本上未受到抑制。

使用所公开的膜接触器用于蒸馏的另一益处在于不需要金属，相比于可能极为昂贵并且随时间而腐蚀的合金，这获得了接触器的优良寿命。例如，在100℃下沸腾的流中数千ppm的NaCl的存在将需要钛或合金(如可得自印第安纳州科科莫的海恩斯国际公司(Haynes International,Inc.of Kokomo,Indiana)的那些)，但也可容易地使用聚合物(例如聚醚醚酮)接触器组件起作用。使用所公开的膜接触器用于驱动溶液回收的另一益处在于这种回收所需的温度在可在这种接触器中所用的聚合物的温度容限之内。另一益处在于相比于常规填充，HETP(每理论平衡级的流程长度)可相当小，从而获得与大得多的塔相同功能的紧凑且较便宜的接触器阵列。另一益处在于在所公开的膜接触器中，高得多的液体流量是可能的，而不会导致诸如夹带的困难，从而产生更有效的概念上等同于塔直径(由于它们涉及液体负载速率)的膜区域的使用。另一益处在于常规的塔需要在填充物上下的另外的高度以允许液相和气相彼此分离，这在所公开的膜接触器中是不必要的，因为两相从未在同一通道中混合，因此无需脱离。

图6显示了驱动溶质回收系统22的一个实施例，其使用膜装置24以使来自驱动溶质回收操作的蒸发的驱动溶质26与吸收溶液28接触。在一些实施例中，膜装置24可为膜接触器。如图6所示，蒸发的驱动溶质26在膜接触器24的第一侧上经过(如箭头27所示)，而吸收溶液28在膜接触器24的第二侧上经过(如箭头29所示)。蒸发的驱动溶质能够通过膜接触器24(如箭头25所示)，并由吸收溶液28吸收。在一个或多个实施例中，吸收溶液28为稀释的或浓驱动溶液，其中蒸发的驱动溶质被再吸收，以产生在渗透驱动膜系统/工艺中使用/再利用的更浓的驱动溶液源。

在至少一个实施例中，驱动溶质回收系统122可包括使用汽提器(如图7所示)来从稀释的驱动溶液中去除基本上所有的驱动溶质。如图7所示，稀释的驱动溶液120(来自例如渗透驱动膜系统)在膜接触器124的一侧上经过，而将蒸汽源130(即热能)引入膜接触器124的第二侧。稀释的驱动溶液120从蒸汽130吸收热量，驱动溶质从稀释的驱动溶液120中汽提。特别地，来自蒸汽130的热量通过膜接触器124(箭头131)、加热稀释的驱动溶液120并蒸发其中的驱动溶质。蒸发的驱动溶质126通过膜接触器124(箭头127)，并被蒸汽130吸收，从而产生离开系统122的浓驱动溶液116(以基本上蒸气的形式)。从稀释的驱动溶液120汽提驱动溶质产生离开系统122的水源132。

另外地或可选择地，可随后使用凝结器来凝结所有的或一部分蒸气(参见例如图9)。随后可使用第二膜装置，剩余的蒸气在膜接触器124的第一侧上，吸收器在膜接触器124的第二侧上。在一些实施例中，可在第二侧上存在使用或不使用另外的吸收溶液的蒸馏，使得蒸气可通过通过膜装置而凝结。在一些实施例中，凝结器可设置于膜装置的上游。在其他实施例中，可使各种流不接触中间单元操作。此外，膜吸收器可完全凝结来自汽提器或其他驱动溶质回收操作的蒸气。在其他实施例中，膜吸收器可在凝结器之后使用以完成将溶质再吸收至更浓的驱动溶液中。这对于减小溶质回收系统的尺寸而言是特别有用的。这也可在低温和低压下是特别有用的。

用于溶质回收系统的各个实施例中的膜可由适于其预期目的的基本上任何材料制成，包括例如聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚醚醚酮(PEEK)和聚丙烯(PP)。根据各个实施例，膜可为多孔的或致密的。在多孔膜中的孔隙的尺寸可形成为使得液体(例如水)不通过，但气体可通过。膜可为中空纤维或平坦片材的形式。在中空纤维的情况下，旨在用于热传递的其他纤维可与这些纤维混合，以提高冷却膜系统并凝结气体的能力。例如，一些纤维可为不可渗透的，但允许在纤维壁处通过热传递加热或冷却驱动溶液，而其他纤维可为选择性的并用于分离和再循环驱动溶质。每种类型的百分比可不同，各种纤维的纵向或竖直取向可不同，且在一些实施例中纤维可在区域中为分级的。这种设置可有利于降低应用(如涉及渗透热机的那些应用)中的能量需求。在一些实施例(如涉及相对较小规模的应用的那些实施例)中，可应用具有一体化机械学的可拆卸的移动构造。在平坦片材构造中，可将冷却特征集成至外壳中。在任一膜构造中，可在各级膜之间使用冷却。另外，膜可为涂布的或未涂布的以适应特定应用，并可为不对称的或对称的。在一些实施例中，可使用中空纤维、螺旋缠绕或含有膜的板框式膜组件。

在一些实施例中，中空纤维、螺旋缠绕或含有涂布或未涂布的多孔膜的板框式膜组件可用于在渗透驱动膜(包括发电和/或能量储存)工艺中所用的可热分离的驱动溶液的蒸馏。根据一个或多个实施例，纤维、膜片材或其他热传递材料的形式的热交换区域可被集成至膜组件中，或者与这些组件交替，以提高传递热以及质量的能力，并凝结溶质气体。可将汽提和吸收功能集成至单个组件中或在多个膜单元中展开。汽提和吸收功能可在单个膜上进行。在这种实施例中，通过渗透蒸发或膜蒸馏而从稀释的驱动溶液汽提可在第一侧上发生，膜系统的相对侧接收气体进入溶液。这可例如为吸收流体，诸如稀释的或浓驱动溶液。

图8显示了具有集成至单个组件或装置224中的稀释的驱动溶液汽提和吸收功能的回收系统222的一个实例。根据一个或多个实施例，可设计膜组件224，从而使用一个膜系统进行驱动溶质的汽提，并且使用凝结器和/或第二膜系统进行将气体吸收至驱动溶液中以增加其浓度而再利用。可选择地或另外地，汽提可通过膜蒸馏、渗透蒸发或其他类似的工艺完成，吸收可通过膜接触器、渗透蒸发工艺或其他类似的技术完成。

如图8所示，溶质回收系统222包括膜组件224，所述膜组件224包括至少一个吸收膜224a和至少一个汽提膜224b。组件224起到类似于相对于图6和7所述的膜的功能。特别地，将蒸汽230引入汽提膜224b的一侧，而将稀释的驱动溶液220引入汽提膜224b的另一侧。使热传递至稀释的驱动溶液220(箭头231)，从而蒸发驱动溶质，所述驱动溶质通过膜224b(箭头227)，留下水232离开组件224。将现在包含蒸发的驱动溶质226的蒸汽230引入吸收器膜224a的一侧，而将稀释的驱动溶液220引入吸收器膜的另一侧，在该处稀释的驱动溶液220充当吸收溶液来吸收通过膜224a(箭头225)的蒸发的驱动溶质226，从而获得离开组件224的浓驱动溶液216。在一个实施例中，组件224包括空白材料片材234，例如绝缘体，所述空白材料片材234用于防止来自两个流的质量和/或热彼此相互作用。

根据另外的实施例，基于膜的溶质回收系统可与热泵一体化，从而提供显著的能量效率改进，如图9所示。特别地，图9显示了溶质回收系统322，其包括联接至具有再沸器342和凝结器344的闭循环热泵340的膜组件324。膜组件324的操作与之前所述的那些类似到如下程度：将蒸汽330(在此情况下从再沸器342)引入组件324至两个膜接触器324a、324b之间，而将稀释的驱动溶液320引入那些膜接触器324a、324b的相对侧。可使用任意数目和设置的膜接触器以适应特定应用。

现在含有蒸发的溶质326的蒸汽离开组件324，并被引导至凝结器344，在凝结器344处，蒸汽和蒸发的驱动溶质326的至少一部分凝结并作为浓驱动溶液316排出。在一些实施例中，凝结器344可与吸收溶液一起使用。使用在凝结器344处移出的热的热泵340升高其温度，并将其引导至再沸器342以产生蒸汽330。热泵340可联接至电源346或其他功率装置。在驱动溶质已从稀释的驱动溶液320中汽提之后，水332由膜组件324排出。水332的至少一部分可由再沸器342使用，以产生另外的蒸汽330。

图10显示了溶质回收系统422的一个可选择的实施例，其包括联接至开循环热泵440和再沸器442的膜组件424。系统422的操作类似于相对于图9所述的操作。例如，将稀释的驱动溶液420引入组件424至在一个或多个膜接触器424a、424b的一侧上，而将蒸汽430从再沸器442引入组件424至在一个或多个膜接触器424a、424b的相对侧上。再次，可使用任意数目和设置的膜接触器以适应特定应用。蒸发的驱动溶质426离开组件424，并被引导至热泵440，在热泵440处，蒸发的驱动溶质426的温度升高，并被引导至再沸器442以产生用于汽提操作的蒸汽430。再沸器442排出可再循环回渗透驱动膜系统的浓驱动溶液416。组件424也排出水432，所述水432可直接使用、进一步加工使用、和/或其至少一部分被引导至再沸器442。

图11显示了悬浮液体膜形式的选择性膜524的一部分，其基本上抑制水蒸汽的传输，但有利于驱动溶质的传输，在液体中具有或不具有载体。根据一个或多个实施例，选择性材料区域536可不为液体，而是凝胶或固体，或者占所述膜的大多数或全部而不是被包含于另一材料内。通常，选择性膜可用于驱动溶质回收，例如，悬浮液体膜可用于回收驱动溶液，其中液体、凝胶、聚合物或其他材料可极大地不渗透水，但可渗透NH₃和CO₂。在其他实施例中，其可含有传输NH₃和/或CO₂的“载体”。一个例子为非极性液体，所述非极性液体允许渗透CO₂，但不渗透水或水蒸气，并且其内含有NH₃的载体分子。

图12显示了根据本发明的一个或多个实施例，使用选择性膜624以促进驱动溶质的同时汽提和吸收。在膜624的一侧上，可加热稀释的驱动溶液流620a以热解分裂例如铵盐，并增加NH₃和CO₂的蒸汽压。在膜624的另一侧上，冷却稀释的驱动溶液620b，使得NH₃和CO₂气体626被吸附于其内并形成铵盐。这样，稀释的驱动溶液可分成两个流620a、620b，其中一个被汽提而变成产物水632，其中另一个的浓度增加而变成用于再利用的浓驱动溶液616。

根据一个或多个实施例，此类载体介导的悬浮液体膜接触器将显著减少再循环驱动溶质所需的能量，因为没有水作为分离的部分而作为蒸气传递，从而节约了常规蒸馏所用的热负荷的水组分的蒸发焓。更广义地说，该方法可应用于再循环来自例如FO、DO、DOC、PRO、OGS(渗透网存储)或类似的渗透驱动膜系统的任何可热分离的驱动溶质，使得悬浮阻挡层相对不渗透水，并且传输驱动溶质或含有驱动溶质的载体或前述两者的某些组合。

图13显示了与渗透驱动膜工艺/系统710一起使用的驱动溶质回收系统722的另一实施例的一部分。如所示，可将稀释的驱动溶液720a的第一部分从系统710的室711引导至蒸馏塔750，可将稀释的驱动溶液720b的第二部分从室711引导至吸收器组件727。可将离开蒸馏塔750的流729引入吸收器组件727，在该处流729与稀释的驱动溶液720b混合以返回至室711，从而将驱动溶质再引入正向渗透膜712的驱动侧。

在一些实施例中，溶质回收系统使用多级溶质回收系统，例如，多级塔蒸馏或膜蒸馏。在多级塔蒸馏中，两个或更多个塔可接收稀释的驱动溶液的并流，每个流经完全处理以产生具有剩余驱动溶质的所需浓度(例如小于约1ppm NH₃)的产物水。热可在串联的塔之间流动，然而，将工艺所消耗的热以最高温度和压力引导至塔的再沸器，而来自该塔的顶部蒸气在温度和压力系列降低的下一个塔的再沸器的热传递表面的外侧上完全或部分凝结。该凝结可递送用于第二塔的完全或部分分离所需的热，对串联的每个塔重复此，直至通过冷却具有最低温度和压力的塔的顶部蒸气而排出的热被排斥至冷却流。可在顶部温度与底部温度之间所用的级数通常由串联的彼此临近的塔的凝结温度与再沸器温度之间的差异(其与稀释的驱动溶液的组成相关)所设定。热交换设备的所需ΔT也是重要因素。前述描述同样适用于多级膜蒸馏。

图14显示了根据本发明的一个或多个实施例的溶质回收系统822，其使用多级溶质回收工艺，其中能量流和材料流均串联。特别地，图14显示了使用多级塔蒸馏的多级溶质回收工艺，然而，多级膜蒸馏也可预期，并被认为在本发明的范围内。如图14所示，材料(例如来自渗透驱动膜工艺的稀释的驱动溶液820)和能量(例如蒸汽830)流均可串联流动。当热能830以相对更高的温度和压力经由第二入口802a引入以降低进料流820的浓度时，将稀释的驱动溶液820经由入口801a引入第一塔850a。来自第一塔850a的蒸气830’经由出口803a离开，并可用于将热提供给下一个塔750b，所述塔750b(经由出口804a和入口801b)接收更低温度和压力的第一塔的底部产物820’作为其进料。可将经加热的蒸气830’经由热传递装置(例如再沸器)842和入口805、出口806和第二入口802b引入第二塔850b。凝结的蒸气经由出口807作为浓驱动溶液816输出，而水832经由出口804b从最后的塔850b输出。这可在任何数目的塔中重复，直至获得所需的底沉积物组成。

这可有效地产生类似于McGinnis的美国专利申请公布No.2009/0297431中所公开的实施例的多个热效应，所述专利的公开内容以全文引用的方式并入本文，其中材料进料并联，且能量流串联。该方法可与在不同压力下操作、并为紧凑有效设置的膜接触器一起使用。对于更高浓度的进料流和/或更高温度的热源，该可选择的方法可为优选的。

根据另外的实施例，多级溶质回收工艺可由热泵协助，从而在使用如上热源(在环境温度以上，例如高于环境温度20℃)的环境中提供显著的能量效率改进。在一些实施例中，当使用燃料燃烧、更高温度的热源、或背压式涡轮机以将热提供至驱动溶质回收工艺时，可使用热泵。

根据一个或多个实施例，可在来自塔(或膜组件)的一个或多个蒸汽流上使用热泵，如热压机(也称为喷射器喷嘴)、机械压缩机(也称为鼓风机)、吸收热泵、闭循环热泵、制冷型热泵或其他类似单元，以升高一个或多个蒸汽流部分或完全凝结的温度。这样做可降低各级之间的温度差，从而在给定温度差内允许更多的级，或者在更低顶部压力和温度和/或更高底部温度和压力下允许给定的级数。这可首先用于增加能量效率，或者其次增加资本效率，或者前述两者的某个组合。

图15表示热泵协助的多级溶质回收的一个实例的示意图，其中使用闭循环或开循环热泵在顶部流上完成操作，以允许每个塔(或膜组件)的压力更接近，从而提供更多的级和更大的总效率。如图15所示，与相对于图14描述的回收系统类似的回收系统822包括两个或更多个蒸馏塔850，其中将材料流(稀释的驱动溶液820)(经由入口801)引入并联的塔850。将在相对更高的温度和压力下的热能源(蒸汽830)(经由入口802a)引入第一塔850a，以降低进料流820a的浓度。将来自第一塔850a的蒸气830’(经由出口803a)引导至热泵840(在该处蒸气830’的温度升高)，然后将其运送至下一个塔850b以降低第二进料流820b的浓度。在一个或多个实施例中，可经由热传递装置(例如再沸器)842引入经加热的蒸气830'，如之前相对于图14所述。凝结的蒸气可作为浓驱动溶液816输出，或者再循环至渗透驱动膜系统。每个塔850输出水832以直接使用或进一步加工，这取决于输出的水832的品质。

在另一实施例中，在紧凑且资本有效的应用中，上述类型的热泵可与单个塔(或膜组件)一起使用，以完全利用减少潜热产生的热泵热效率。在至少一个实施例中，热泵可在溶质回收系统中使用，以通过再循环潜热而降低工艺所需的能量。这也可在单个塔/组件热泵实施例中实施。

可应用用于降低在溶质回收和再循环系统中所需的ΔT的另外的技术。例如，可压缩驱动溶液气体以使它们在更低的ΔT下形成浓溶液。任何系统的所需ΔT也可通过集成机械热泵或吸收热泵而获得。

图16显示了溶质回收系统922的一个实施例，其使用具有半开放或半闭合热泵构造的塔蒸馏，其中具有或不具有再沸器的塔950的产物水932的一部分可被全部或部分引导至降低其压力的减压阀956，使得水932可通过在热交换器938中热传递(其来自具有或不具有混合的吸收剂的顶部蒸气930’的凝结)而部分或全部蒸发。可随后由机械或热力喷射装置952将通过产物水的蒸发所产生的所述蒸汽930”压缩至直接用作塔950(或前述膜接触器装置中的一个)的底部的进料以用于驱动溶质的汽提的点。例如，在230torr下操作的塔950可产生顶部蒸气930’，所述顶部蒸气930’在大约35-50℃下在热交换器938的一侧上凝结，从而使得在热交换器938的相对侧上的压力已降低至大约75-90torr的水932部分返回至蒸汽930”。可随后压缩所述蒸汽930”并升高其压力至230torr，并将其直接注入塔或膜组件的底部。该设置可称为半开放或半闭合热泵构造。

热和/或机械热泵的其他组合可与常规的或基于膜的多蒸馏塔级结合使用，以最好地平衡增加级数的需要并同时使设备成本达到最小。这些可根据需要包括例如在一个或多个塔上的热压机、在一个或多个其他塔上的机械压机、和在其他塔上的其他热泵类型，以及如可能有利于吸收热泵(其中在低温下吸收的热可递送更少量的在更高温度下的热)应用的热流之间的融合。相比于可需要所制得的所有水的相变的常规系统(如膜蒸馏或机械蒸气再压缩)，热再生渗透驱动膜系统的热力学优点可得以更完全程度地实现。

图17显示了类似于图16的一个可选择的实施例，其中可使用热压机954，使得产物水932的一部分可(经由锅炉942)而直接返回至蒸汽，并作为用于增加来自一个或多个塔950的蒸气流930’的压力的相对较高压力的流930引入，由此增加其凝结温度。在一个实施例中，系统922使用类似于相对于图16所述的任选的热交换器938和阀门956设置，以产生蒸气流930”而用于引入热压机954。在该情况下，可获得比热负荷的净降低，但可产生较低量的产物水。以非限制性的例子而言，需要381MJ/m3产物水的2-3级系统(所述级中的一个产生较小部分的分离)可通过允许4-5级设计而使用热压机将该负荷可能降低至200-250MJ/m3那样低。

在另一可选择的实施例中，可使用机械压缩机，从而使用电功或轴功压缩来自一个或多个塔顶部的蒸气，由此增加所述流凝结的温度，从而允许使用更多的级。在此情况下，不需要产物水量的降低，但需要电能来代替所需热的一部分。以非限制性的例子而言，需要381MJ/m3产物水的2-3级系统可通过允许4-5级设计而使用机械压缩将该负荷可能降低至150-200MJ/m3那样低。对于为5的COP(性能系数，热泵效率的典型量度)，还需要可能12.8kW那样多的另外的量的电能。可预期电能对热能的进一步取代，且认为其在本发明的范围内。

根据一个或多个实施例，如图18所示，真空蒸馏和/或气体吸收可与所公开的渗透驱动膜系统一体化。可使用由高压水溶液(可由泵1060协助)驱动的喷射器1058来在蒸馏塔1050上抽真空。离开喷射器1058的气体-水混合物可流动穿过静态混合器1062以确保气体溶解于水中。随后，水溶液可流动至气体-液体分离器1064，在该处气体可得以捕获和再循环，并且再循环一部分溶液1066以驱动喷射器。

现在已描述了本发明的一些说明性的实施例，对于本领域技术人员而言显而易见的是前述仅为说明性的，而非限制性的，仅以举例的方式表示。许多改变和其他实施例是在本领域普通技术人员范围内的，并预期落入本发明的范围内。特别地，尽管本文呈现的许多实例涉及方法行为或系统元件的特定组合，但应理解那些行为和那些元件可以以其他方式组合以实现相同的目的。

此外，还应了解本发明针对本文所述的每个特征、系统、子系统或技术以及两个或更多个本文所述的特征、系统、子系统或技术的任何组合，若这种特征、系统、子系统和技术相互不一致，则认为两个或更多个特征、系统、子系统和/或方法的任何组合在任何权利要求中具体描述的本发明范围内。此外，仅与一个实施例结合讨论的行为、元件和特征不旨在从其他实施例中的类似作用排除。

此外，本领域技术人员应了解本文所述的参数和配置为示例性的，实际的参数和/或配置将取决于使用本发明的系统和技术的特定应用。本领域技术人员也应认识到或能够确定仅仅使用常规实验、和本发明的特定实施例的等同物。因此应理解，本文所述的实施例仅以举例的方式呈现，在所附权利要求书和其等同物的范围内，可以以不同于具体描述的方式实施本发明。

Claims (26)

1.一种用于从稀释的驱动溶液回收驱动溶液溶质的设备，所述设备包括：

渗透驱动膜系统，所述渗透驱动膜系统包括包含可热去除的溶质的稀释的驱动溶液源；以及

分离系统，所述分离系统与所述渗透驱动膜系统流体连通，并包括至少一个具有第一侧和第二侧的膜接触器，其中所述第一侧与所述稀释的驱动溶液源流体连通。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述分离系统还包括：

热能源，所述热能源与所述稀释的驱动溶液连通，以用于将驱动溶质的至少一部分蒸发出所述稀释的驱动溶液；以及

吸收溶液源，所述吸收溶液源与所述膜接触器的第二侧流体连通，其中蒸发的驱动溶质的至少一部分从所述膜接触器的第一侧通过至第二侧，并被所述吸收溶液吸收。

3.根据权利要求2所述的设备，其中所述吸收溶液包含所述热能源。

4.根据权利要求3所述的设备，其中所述分离系统还包括在所述吸收溶液离开所述至少一个膜接触器时与所述吸收溶液连通的凝结器。

5.根据权利要求3所述的设备，其中所述分离系统还包括与所述膜接触器连通的热泵。

6.根据权利要求5所述的设备，其中所述分离系统还包括与所述热泵连通的再沸器和由所述膜接触器排出的水源。

7.根据权利要求2所述的设备，其中所述膜接触器为选择性膜，其基本上抑制水蒸汽的传递，但有利于蒸发的驱动溶质的传递。

8.根据权利要求7所述的设备，其中所述选择性膜为悬浮液体膜。

9.一种用于从渗透驱动膜系统回收驱动溶液溶质的设备，所述设备包括：

膜组件，所述膜组件构造用于接收来自所述渗透驱动膜系统的稀释的驱动溶液，所述膜组件包括至少一个膜系统；以及

热泵组件，所述热泵组件与所述膜组件流体连通，以用于将热能源提供至所述膜组件。

10.根据权利要求9所述的设备，其中所述至少一个膜系统包括用于将溶质汽提出所述稀释的驱动溶液的至少一个膜系统和用于使驱动溶液溶质与吸收溶液接触的至少一个膜系统。

11.根据权利要求9所述的设备，其中所述热泵组件包括热泵和再沸器，所述热泵与由所述膜组件排出的蒸发的驱动溶质源流体连通，所述再沸器与由所述膜组件排出的水源流体连通。

12.一种用于从渗透驱动膜系统回收驱动溶液溶质的设备，所述设备包括：

第一蒸馏塔，所述第一蒸馏塔包括：

第一入口，所述第一入口联接至稀释的驱动溶液的第一来源，以用于将稀释的驱动溶液的一部分引入所述第一蒸馏塔的第一端；

第一热传递装置，所述第一热传递装置在第二端联接至所述第一蒸馏塔，所述第一热传递装置具有联接至热能的第一来源的入口和联接至所述第一蒸馏塔的出口，以将热能引导至所述第一蒸馏塔而使得所述第一蒸馏塔中的稀释的驱动溶液溶质蒸发；

第一出口，所述第一出口用于从所述第一蒸馏塔移出蒸发的稀释的驱动溶液溶质；和

第二出口，所述第二出口用于从所述第一蒸馏塔移出底部产物；

热泵，所述热泵联接至所述第一蒸馏塔的第一出口；以及

第二蒸馏塔，所述第二蒸馏塔包括：

第一入口，所述第一入口联接至稀释的驱动溶液的第二来源，以用于将稀释的驱动溶液的一部分引入所述第二蒸馏塔的第一端；

第二热传递装置，所述第二热传递装置在第二端联接至所述第二蒸馏塔，所述第二热传递装置具有：联接至所述热泵的入口以用于接收用作热能的第二来源的蒸发的稀释的驱动溶液溶质；联接至所述第二蒸馏塔的第一出口以用于将所述热能的第二来源引导至所述第二蒸馏塔，从而使所述第二蒸馏塔中的稀释的驱动溶液溶质蒸发；和第二出口，所述第二出口构造为将在所述第二热传递装置内凝结的来自所述第一蒸馏塔的蒸发的稀释的驱动溶液溶质返回至所述渗透驱动膜系统；

第一出口，所述第一出口用于从所述第二蒸馏塔移出所述蒸发的稀释的驱动溶液溶质；和

第二出口，所述第二出口用于从所述第二蒸馏塔移出底部产物。

13.根据权利要求12所述的装置，其还包括：

第二热泵，所述第二热泵联接至所述第二蒸馏塔的第一出口；以及

至少第三蒸馏塔，其包括：

第一入口，所述第一入口联接至稀释的驱动溶液的第三来源，以用于将稀释的驱动溶液的一部分引入所述第三蒸馏塔的第一端；

第三热传递装置，所述第三热传递装置在第二端联接至所述第三蒸馏塔，所述第三热传递装置具有：联接至所述第二热泵的入口以用于接收用作用于所述第三蒸馏塔的热能的第三来源的蒸发的稀释的驱动溶液溶质；联接至所述第三蒸馏塔的第一出口以用于将所述热能的第三来源引导至所述第三蒸馏塔，从而使所述第三蒸馏室中的稀释的驱动溶液溶质蒸发；和第二出口，所述第二出口构造为将在所述第三热传递装置内凝结的来自所述第二蒸馏塔的蒸发的稀释的驱动溶液溶质返回至所述渗透驱动膜系统；

第一出口，所述第一出口用于从所述第三蒸馏塔移出所述蒸发的驱动溶液溶质；和

第二出口，所述第二出口用于从所述第三蒸馏塔移出底部产物。

14.根据权利要求12所述的设备，其中所述第一蒸馏塔和第二蒸馏塔构造用于并行操作，且所述稀释的驱动溶液的第一来源和第二来源为所述渗透驱动膜系统。

15.根据权利要求12所述的设备，其中所述第一蒸馏塔和第二蒸馏塔构造用于串联操作，且所述稀释的驱动溶液的第二来源为所述第一蒸馏塔的底部产物。

16.一种用于从渗透驱动膜工艺回收驱动溶质的设备，所述设备包括：

渗透驱动膜系统，所述渗透驱动膜系统包括包含可热去除的溶质的稀释的驱动溶液源；以及

分离组件，所述分离组件与所述渗透驱动膜系统流体连通，所述分离组件包括：

与所述稀释的驱动溶液源流体连通的膜装置或蒸馏设备中的至少一个；以及

至少一个热泵，所述至少一个热泵联接至所述膜装置或蒸馏设备中的至少一个，并构造为将热能源提供至所述膜装置和蒸馏设备中的至少一个以蒸发所述可热去除的溶质。

17.根据权利要求16所述的设备，其中所述膜装置或蒸馏设备中的至少一个包括至少一个膜接触器，所述至少一个膜接触器构造为使蒸发的驱动溶质与吸收溶液接触或者从所述稀释的驱动溶液汽提驱动溶质中的至少一种。

18.根据权利要求17所述的设备，其中所述膜接触器为悬浮液体膜。

19.根据权利要求16所述的设备，其中所述膜装置或蒸馏设备中的至少一个包括多级溶质回收设备。

20.根据权利要求19所述的设备，其中所述多级溶质回收设备包括多级塔蒸馏设备。

21.一种从渗透驱动膜系统回收驱动溶质的方法，所述方法包括如下步骤：

提供来自所述渗透驱动膜系统的稀释的驱动溶液源，其中所述稀释的驱动溶液包含可热去除的溶质；

将所述稀释的驱动溶液的至少一部分引入分离系统；

将热能源引入所述分离系统；

将稀释的驱动溶液溶质蒸发出所述稀释的驱动溶液；

回收蒸发的稀释的驱动溶液溶质；以及

将来自所述分离系统的驱动溶液溶质再循环至所述渗透驱动膜系统。

22.根据权利要求21所述的方法，其中蒸发稀释的驱动溶液溶质的步骤包括经由膜接触器将所述稀释的驱动溶液溶质暴露于所述热能源，以从所述稀释的驱动溶液汽提所述溶质。

23.根据权利要求21所述的方法，其中回收蒸发的驱动溶液溶质的步骤包括经由膜接触器将所述蒸发的驱动溶液溶质暴露于吸收溶液。

24.根据权利要求21所述的方法，其中蒸发稀释的驱动溶液溶质的步骤包括将所述稀释的驱动溶液暴露于多级溶质回收工艺。

25.根据权利要求24所述的方法，其中所述稀释的驱动溶液和热能源串流穿过至少第一蒸馏塔和第二蒸馏塔。

26.根据权利要求21所述的方法，其中蒸发稀释的驱动溶液溶质的步骤包括使用热泵协助所述热能源。