CN106999816A - 用于废水再生的介质、系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种过滤装置，其从废水中选择性地移除疏水性废物，同时留下其他的水和表面活性剂组分，留下的其他水和表面活性剂组分可随后被再循环到使用点。废水处理系统可包括过滤单元和过滤介质。过滤单元可包括壳体，所述壳体具有与使用点的出口流体连通并被配置为接收待处理的来自使用点的废水流的入口、以及与使用点的入口流体连通并被配置为输送滤液至使用点的出口。过滤介质可位于所述壳体中。过滤介质可包括亲油性发泡材料基材和所述亲油性发泡材料基材上的疏水性涂层。过滤介质可被构造成从废水流中分离疏水性组分以产生包含水和表面活性剂的滤液。

Description

用于废水再生的介质、系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2014年9月18日提交的名称为“废水再生装置”的美国临时专利申请序列No.62/052,295的优先权的权益，出于所有目的，其全部内容通过引用在此并入本文。
技术领域
一个或更多个方面总体上涉及废水再生，包括过滤和再循环装置、系统和方法。更具体地，一个或更多个方面涉及使用过滤方法以从废水流的水和表面活性剂组分中分离疏水性废物组分。
发明内容
一些方面总体上涉及其中过滤装置将疏水性废物组分从废物流中分离的多种水处理系统和方法。在至少一些方面中，然后可再利用水和另一些组分(如表面活性剂)。
根据一个或更多个方面，提供了废水处理系统。废水处理系统可以包括过滤单元和过滤介质。过滤单元可包括壳体，所述壳体具有与使用点的出口流体连通并被配置为接收待处理的来自使用点的废水流的入口、以及与使用点的入口流体连通并被配置为输送滤液至使用点的出口。过滤介质可位于壳体中。过滤介质可包括亲油性发泡材料基材和所述亲油性发泡材料基材上的疏水性涂层。可将过滤介质构造成从废水流中分离疏水性组分以产生包含水和表面活性剂的滤液。
根据一个或更多个方面，使用点可以是洗衣机、洗碗机、洗车机或采油操作中之一。使用点可以是以下之一：石油化工厂、军用废水处理厂、城市用水处理厂、饮用水净化系统、航空航天水处理系统和旅店废水再循环系统。表面活性剂可以包括清洁剂。该系统还可以包括控制系统，所述控制系统包括被配置为测量系统参数的至少一个传感器；和与至少一个传感器连通并被配置为产生输出信号以控制所述过滤单元的操作来响应从所述至少一个传感器接收的输入信号的控制器。过滤单元还可包括位于壳体中的过滤介质上游的固体过滤器，和位于壳体中的过滤介质下游的离子交换过滤器。该系统还可以包括待与滤液混合的补充水源。
根据一个或更多个方面，提供了废水过滤介质。废水过滤介质可包括包含亲油性聚合物的发泡材料基材；和所述发泡材料基材上的疏水性涂层。
根据一个或更多个方面，所述发泡材料基材的平均孔径可为400μm至1000μm。所述发泡材料基材的平均孔径可为600μm至700μm。所述亲油性聚合物可选自：聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)、聚氨酯(PU)、聚苯乙烯(PS)、聚乳酸(PLA)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚碳酸酯(PC)、基于卤素的聚合物、基于氟的聚合物、基于氯的聚合物、聚硅氧烷、尼龙、丙烯酸类、纤维素及其复合物。所述亲油性聚合物可以是PU。所述发泡材料基材的油接触角可以是0°至90°。所述发泡材料基材的油接触角可以是0°至10°。所述发泡材料基材的临界表面张力可以是20mN/m至70mN/m。所述发泡材料基材的临界表面张力可以是20mN/m至40mN/m。所述疏水性涂层的水接触角可以是90°至180°。所述疏水性涂层可选自：基于氟的聚合物、基于氯的聚合物、聚乙二醇(PEG)、两性离子聚合物、糖、蛋白质脂质、石墨烯、和碳纳米管。所述疏水性涂层可包含聚四氟乙烯(PTFE)。所述疏水性涂层可包含平均直径为1μm至5μm的经沉积的颗粒。
根据一个或更多个方面，提供了一种分离包含水、表面活性剂和疏水性材料的废物流的方法。该方法可包括将大部分疏水性材料吸收到基于亲油性聚合物的发泡材料过滤器中；以及阻止大部分水和表面活性剂被吸收到发泡材料过滤器上以产生包含水和表面活性剂的滤液流。
根据一个或更多个方面，废物流可以包含来自洗衣、洗餐具、洗车或石油化工操作的灰水。
根据一个或更多个方面，提供了一种过滤并再循环废物流的方法。该方法可包括使来自使用点的包含水、表面活性剂和疏水性材料的废物流通过包括基于亲油性聚合物的发泡材料基材和疏水性涂层的过滤介质，以产生包含水、表面活性剂和减少的疏水性材料部分的滤液；以及使用于再次使用的所述滤液再循环至使用点。
根据一个或更多个方面，所述方法还包括在使用点处再次使用之前使所述滤液与补充水源混合以产生混合物。所述混合物包含10体积％或更少的补充水。使废物流通过过滤介质可包括将废物流泵送通过过滤介质。可使单批滤液反复再循环至使用点7至8个月的时间段。
根据一个或更多个方面，提供了一种使具有基于亲油性聚合物的发泡材料基材和疏水性涂层的饱和过滤介质再生的方法，所述方法可包括压缩所述饱和过滤介质以移除所吸收的疏水性材料并产生再生的过滤介质。
根据一个或更多个方面，所述方法还可包括捕集并处理经移除的疏水性材料。所述方法还包括在压缩所述饱和过滤介质5至10次循环之后更换过滤介质。
根据一个或更多个方面，提供了一种制造过滤介质的方法。所述方法可包括将亲油性发泡材料基材浸于包含有机溶剂的溶液中以产生溶胀的发泡材料；用疏水性微粒涂覆溶胀的发泡材料以产生经涂覆的发泡材料；以及加热所述经涂覆的发泡材料以产生过滤介质。
根据一个或更多个方面，所述有机溶剂可包括二氯甲烷或甲苯。所述亲油性发泡材料基材可包含PU。所述疏水性微粒可包含PTFE。所述疏水性微粒的平均粒径可为1μm至5μm。加热可在80℃至150℃的温度下进行。
下面详细讨论这些示例性方面和实施方案的另一些方面、实施方案和优点。此外，应理解，前述信息和以下详细描述仅仅是多个方面和实施方案的说明性实例，并且旨在提供用于理解所要求保护的方面和实施方案的性质和特性的概述或框架。因此，通过参考以下描述和附图，本文公开的本发明的这些和另一些目的以及优点和特征将变得显而易见。此外，应理解，本文所述的多个实施方案的特征不是相互排斥的，并且可以以多种组合和排列存在。
附图说明
在图中，相同的附图标记在所有不同视图中通常指代相同的部分。此外，附图不必按比例绘制，而是将重点通常放在说明本发明的原理上，并且不旨在作为本发明的范围的限定。为了清楚起见，不是每个组件都在每幅图中标注。在下面的描述中，将参考以下附图描述本发明的多个实施方案，在附图中：
图1是常规废水产生系统的示意图；
图2是通过根据本发明的一个或更多个实施方案的方法和系统产生的潜在的用水减少的图示；
图3是根据本发明的一个或更多个实施方案的用于分离和再循环废水的系统的示意图；
图4是根据本发明的一个或更多个实施方案的用于分离和再循环废水并且利用经分离的油的系统的示意图；
图5是根据本发明的一个或更多个实施方案的分离机理的示意图；
图6是根据本发明的一个或更多个实施方案的过滤介质的特性的示意图；
图7是示出了根据本发明的一个或更多个实施方案的在选择过滤介质期间所考虑的参数的图；
图8示出了根据本发明一个或更多个实施方案的经涂覆和未经涂覆的过滤介质的扫描电子显微镜(SEM)图像；
图9是示出了根据本发明的一个或更多个实施方案的涂层粗糙度与疏水性之间的关系的图；
图10是根据本发明的一个或更多个实施方案的用于涂覆过滤介质的方法的示意图；
图11是根据本发明的一个或更多个实施方案的过滤单元的示意图；以及
图12是示出了如在所附实施例中讨论的根据本发明的一个或更多个实施方案的过滤器在多个再生循环期间的油萃取速率的图。
具体实施方式
水资源短缺已经成为影响数十亿人的挑战。可以通过促进废水的再生来提高水的使用效率。例如，在占家庭耗水量的20％以上的洗衣和洗碗应用中，典型的清洁过程使用大量的水和清洁剂以除去一定量的疏水性废物(油脂或污点)，所述疏水性废物构成所得废水流的不到1％。图1示出了这种现有技术系统100的实例。包含污垢和油的经污染物品110与水和清洁剂的溶液120在使用点130(例如洗碗机或洗衣机)处混合。产生了所得的废水流140，也称为灰水140。
根据一个或更多个实施方案，所公开的系统、方法和装置可以将室内家庭用水总消耗降低至少20％，并且显著地减少家用清洁剂向环境中的释放。如图2所示，多个实施方案可以显著减少进行重复的水密集型清洁作业(例如洗衣和洗碗)所需要输入的水和清洁剂的量。水、表面活性剂和/或热量均可再利用以提高效率。有利地，与诸如与应用热和/或压力相关的常规方法相比，所公开的系统和方法一般与更低的能量需求有关。在至少一些实施方案中，所公开的装置、系统和方法可以与高达或超过约95％的水和/或表面活性剂的节约相关。所公开的装置、系统和方法易于安装和缩放以满足多种负载需求。本文所述的实施方案是环境友好的。在具体涉及洗衣的实施方案中，所得的洗好的衣服在外观、手感和质地方面的质量与相关于常规技术的质量相同，没有可辨差别。
根据一个或更多个实施方案，提供了一种过滤装置，其从废水流中选择性地移除疏水性化合物，并允许所述流中的水和任何表面活性剂(如清洁剂)再循环以再利用。例如，可以从洗衣机废水中选择性地移除油性废物材料，然后可以使包含清洁剂的过程用水再循环以进一步使用。在一些实施方案中，可以使用相分离过滤器。过滤介质的特征一般可为拒水并吸油。过滤装置可以包括可用于使灰水(或其他过程用水)再生的再生油选择性聚合物过滤介质。在至少一些实施方案中，过滤介质可以是经涂覆的发泡材料。
根据一个或更多个实施方案，所公开的使水再循环的装置、系统和方法可以实现为用于多种水处理系统和过程中废水处理的平台技术，包括但不限于：水力压裂操作如与石油化学工业相关的那些、军用废水处理厂、城市用水处理厂、饮用水净化系统、航空航天水处理系统、旅店废水再循环系统如与洗碗和洗衣有关的那些、与包括洗碗和洗衣有关的家庭用水再循环系统、外包洗衣服务、商业自助洗衣店和洗车店。
可以将公开的过滤介质并入到还包括另外的过滤器(例如固体和盐过滤器)的过滤单元或系统中。例如，可以在所公开的过滤过程之前进行预处理，如线屑捕集。同样，可以在所公开的过滤过程之后进行后处理，如离子交换操作。在多个实施方案中，预处理和/或后处理单元操作可以包括在具有过滤介质的壳体中或者与其流体连通。过滤单元能够实现或近乎实现废水的再生。在洗衣和洗碗的情况下，利用所公开的技术，估计单批水和清洁剂可用于重复的清洁操作长达约7或8个月。在该特定实施例中，所公开的过滤单元可以每人每月节省超过20％的室内水消耗和超过1kg的清洁剂。所公开的过滤单元的优点包括但不限于，高度的油选择性、可再生、廉价、可缩放和易于实施。其广泛应用于以下领域中的废水再生和水净化：包括但不限于军用、商业洗衣、旅店和餐馆、航空航天、食品加工、洗车石油化工和城市水处理。
图3示出了根据一个或更多个实施方案的用于灰水再生的系统300的示意图。在使用点330处用水和清洁剂或其他表面活性剂源320清洁或处理含有疏水性废物310的经污染物品。从使用点330产生灰水(或废水)340，所述使用点330可包括家庭和工业过程，包括但不限于洗衣、洗碗、洗车、采矿、食品加工、工业清洁、石油化工加工和城市废水处理。废水340包含多种疏水性化合物(例如人体废物、烹饪油、汽油、油脂和发动机油)、亲水性化学品(例如盐、糖、醇)、表面活性剂(例如清洁剂或其他应用具体表面活性剂)、和固体(例如污垢、颗粒悬浮体和线屑)。存在于废水中的表面活性剂的类型取决于特定应用。潜在的阴离子表面活性剂包括但不限于：十二烷基硫酸钠(SDS)、二辛基磺基琥珀酸钠、全氟辛烷磺酸盐和全氟辛酸盐。阳离子表面活性剂包括但不限于：奥替尼啶二盐酸盐、十六烷基氯化吡啶二甲基双十八烷基氯化铵。两性离子表面活性剂包括但不限于：椰油酰胺基丙基羟基磺基甜菜碱、椰油酰胺基丙基甜菜碱和磷脂酰胆碱。非离子表面活性剂包括但不限于：八乙二醇单十二烷基醚、癸基葡糖苷和月桂酸甘油酯。
基于发泡材料的过滤器350将疏水性化合物从过程废水中移除，同时允许再循环为流320的剩余水和表面活性剂的进一步使用。过滤介质可以基于待处理的多种废水流的组成进行具体地调整。
所公开的过滤介质使得能够在半闭环过程中再循环并再利用废水。使主要包含水、清洁剂(或一些其他表面活性剂)和疏水性废物的废水通过选择性过滤器，所述选择性过滤器截留疏水性废物并释放清洁剂和亲水性化合物作为滤液。然后可以将滤液再循环以用于使用表面活性剂和水的混合物的后续的多轮过程。这样的过程包括但不限于洗衣、洗车、食品加工和石油化工过程。当将滤得的含水混合物再循环至另一轮使用(例如清洁或洗衣)时，为了过滤器的使用寿命，可添加水和/或清洁剂和/或其他化学品如漂白剂以补充在再循环过程期间这样的化合物的任何部分的损耗或以其他方式替代这样的合物的任何部分。在洗衣应用中，例如，补充水的量可以通过在漂洗循环中使用的水的量来确定。新鲜的漂洗水可用作补充水，以限制小分子在循环水中积累。因此，在一些实施方案中，可以对清洗流(即从储存罐排出的水)进行设置以与添加的漂洗水的量相关联或相匹配。因此，可以将一些水从半闭环过程中排出并用新鲜的补充水(例如在漂洗循环中所使用的)替换。同样，可以在再循环期间补充清洁剂和/或其他化学品。可以监测这些化合物的量以促进该过程。在一些实施方案中，添加物占再循环流中这些组分总量的10％或更少。在一些实施方案中，添加物占再循环流中这些组分总量的5％或更少。在通过补充一种或更多种组分进行补充的实施方案中，该过程可以被描述为半闭环过程。
图4示出了根据一个或更多个实施方案的系统400的示意图，其中收集所捕集的疏水性废物360并在分离之后在进行或者不进行进一步的化学处理370的情况下将其用作生物燃料或其他能源380，并且所述系统400中还提供了补充水源390。根据一些实施方案，在饱和之后立即将发泡材料介质350从壳体中取出。然后可从所述介质中提取疏水性废物或截留物。例如，可在压力系统360中压缩所述介质以释放废油用于进一步处理。将再生的介质装回到过滤单元壳体中用于以后的过滤过程。在另一些实施方案中，过滤介质可在过滤器单元中的某一位置再生。
如图5所示，在过滤过程500期间，疏水性废物被捕集并暂时存储在过滤介质中。在洗衣的实例中，在清洁步骤510期间通过添加清洁剂并形成由水溶液中的清洁剂半稳定的胶束或油滴将油和油脂从衣物中除去。当清洁剂和废物移动到过滤介质中时，油和油脂在分离步骤520期间从水相中分离，并在吸收步骤530期间被吸收到过滤介质上。废物与过滤介质的极性是一致的，使得与水相相比，疏水性废物对过滤介质具有更大的亲和力。因此，介质捕集并暂时存储废物。同时，使水和清洁剂(其通常分类为两亲性的，其中部分结构亲水并且部分为疏水)以及另一些亲水性化合物通过过滤器以形成滤液。
疏水性和亲油性二者均是过滤介质的期望特性。在一些实施方案中，过滤介质可以是发泡材料或其他结构。在至少一些实施方案中，过滤介质可以由聚合物制成。然而，高度疏水性的聚合物通常也是疏油性的。根据一个或更多个实施方案，可以通过使用涂覆有疏水性(拒水)颗粒层的亲油性基体发泡材料来结合这两种特性以克服这种障碍。
根据一个或更多个实施方案，如图6所示，过滤介质600包括覆盖有涂层620的发泡材料基材610。发泡材料基材610或基体可以由一种或更多种类型的亲油性聚合物形成。涂层620可以由一种或更多种亲水性化合物形成。如图6所示，涂层620阻止水640(显示为与表面具有高接触角)，而发泡材料基材吸收疏水性废物630(显示为具有低接触角)。
根据一个或更多个实施方案，过滤介质的主要特性是疏水性、亲油性和孔径。疏水性可以通过发泡材料材料的水接触角测量。90°至180°的水接触角被认为是疏水性的，其为根据一个或更多个优选实施方案的接触角。根据一些实施方案，70°至90°的接触角也是可接受的。亲油性可以通过基体发泡材料材料的油接触角来测定。根据一个或更多个实施方案，接触角为0°至90°。根据优选实施方案，接触角小于10°并且接近0°。
亲油性也可以通过聚合物材料的临界表面张力来测定。只有当临界表面张力高于液体的表面张力时，液体才会润湿表面。在该设计中，期望过滤介质的临界表面张力高于油且低于水，使得其将吸收油相并且不太有利于亲水性材料。聚合物的临界表面张力超过油的临界表面张力(其为约20mN/m)以实现亲油性。根据一些实施方案，过滤材料的临界表面张力为20mN/m至70mN/m，优选20mN/m至40mN/m。图7中提供了不同材料的临界表面张力的实例。
除了对基材聚合物的亲油特性进行选择之外，还至少部分地基于其油容量(即每克处于平衡状态的聚合物可以捕集的油量)来进行选择。影响油容量的参数包括聚合物的表面能和发泡材料介质的孔隙率。表面能的定义遵循以下等式：W＝γA，其中W是界面能或表面能，γ是两个基材之间的表面张力，并且A是表面积。γ和临界表面张力(γs)之间的关系如下：γ＝(γL 1/2-γs 1/2)，其中γL是液体表面张力。系统中最有利的状态是其中界面能已经被最小化的状态。因此，过滤器的基体材料应具有有利的特性，如对水的扩展参数低于对废物的扩展参数，使得废物组分优选渗透并保留在过滤介质内部，从而使其与水的相互作用或界面能最小化。
根据以下等式扩展参数与表面张力有关，因此与界面能有关：S＝γS-(γL+γ)，其中S是扩展参数，γS是临界表面张力，γL是液体表面张力，并且γ是液体和固体之间的表面张力。根据某些实施方案，过滤介质与油之间的S具有正值，而过滤介质与水之间的S具有负值。
为了高油萃取容量，对发泡材料的孔径进行优化。孔径可以通过例如SEM图像的分析来测定。高的保留油的容量是所公开的发泡材料材料过滤介质的另一个有益特征。除了过滤材料的热力学特性之外，过滤器的孔径也是重要的。大于600μm的孔径已表现出高的油容量。根据一个或更多个实施方案，平均孔径为400μm至1000μm。根据一个或更多个优选实施方案，平均孔径为600μm至700μm。
在一些优选实施方案中，用于发泡材料基材的材料包括但不限于：聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)、聚氨酯(PU)、聚苯乙烯(PS)、聚乳酸(PLA)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚碳酸酯(PC)、基于氟/氯的聚合物、聚硅氧烷、尼龙、丙烯酸类、纤维素、以及这些材料的复合物。所述材料可以是聚合物或非聚合物。发泡材料基材可以包括一个或更多个单独的发泡材料块。或者，发泡材料基材可包括多个填充的发泡材料块。根据一个或更多个实施方案，所述发泡材料基材包括以商品名为FROST从Thermwell Product Co.，Inc商购的聚氨酯发泡材料。
根据一个或更多个实施方案，通过在高温下挤出与发泡剂混合的聚合物材料来形成过滤介质。在压力和温度降低时，形成发泡材料。
通过在发泡材料基材上施加涂层来进行的发泡材料的另外表面改性改善了过滤介质的选择性。特别地，施加拒水涂层以提高移除疏水性废物的效率。当处理含表面活性剂的废水时，涂层提供了提高废物移除效率的选择屏障(拒水并吸油)。
涂层可包括颗粒涂层。涂层材料选自具有高水接触角的材料，水接触角用作疏水性的量度。涂层可以使用包括但不限于基于氟/氯的聚合物、聚乙二醇(PEG)、两性离子聚合物、糖、蛋白质和脂质的化学品形成。无机化合物如石墨烯或碳纳米管已显示出也起作用。
涂层的物理特性，例如涂层的粗糙度，也有助于其阻止水和表面活性剂的功效。涂层的粒度决定了微观表面的粗糙度，其影响对水相的阻止。经涂覆的发泡材料纤维的粗糙度提高了过滤介质的疏水特性。如通过图9的SEM图像所示，与没有涂层的基体聚合物相比，涂层的引入增加了发泡材料表面的粗糙度。期望的粗糙度可以通过控制沉积以形成涂层的颗粒的大小来实现。根据一个或更多个实施方案，经沉积的涂层颗粒的直径为1μm至5μm，更优选为更小的直径。如图9的图所示，以及如通过包括Wenzel模型和Cassie-Baxter模型的多种模型所证明，增加的表面粗糙度增强了疏水性。例如，Wenzel模型通过以下方程式(1)描述了粗糙度如何增加水接触角：
cosθ＊＝rcosθ
其中θ＊是观察到的接触角，r是粗糙度比(实际面积与表观面积之比)，并且θ是杨氏接触角。方程式(1)证明了粗糙度和接触角之间的关系，表明随着粗糙度增加，观察到的接触角也增大，所述接触角是疏水性的量度。
根据一个或更多个实施方案，提供了一种用于涂覆发泡材料的方法1000，如图10所示。根据一个或更多个实施方案，涂覆方法中的步骤1010可以包括将基体发泡材料浸入与所述发泡材料材料的相互作用参数低(亲和力高)的有机溶剂如二氯甲烷或甲苯中。在步骤1020期间，浸入时发泡材料溶胀，这致使发泡材料的孔径和发泡材料纤维的张力增加。在步骤1030期间，将由氟化聚合物组成的直径高达5μm的颗粒分散并擦涂到经润湿的发泡材料上。分散和擦涂进行到所有侧面都均匀地涂覆有颗粒为止。然后在步骤1040期间，将发泡材料在80℃至150℃下热处理以蒸发有机溶剂。在步骤1050期间，加热使发泡材料收缩至其原始尺寸，从而产生经涂覆的发泡材料。
根据一个或更多个实施方案，如图11所示，提供了包括过滤介质1120的过滤单元1100。单元1100包括壳体1150，所述壳体1150包括将流入物引导至过滤介质1120的入口1170。单元1100包括另外任选的过滤器。这些过滤器包括位于过滤介质1120上游的线屑过滤器1110或其他固体移除过滤器，以及位于过滤介质1120下游的离子交换过滤器1130以从水流中除去残留的离子物质(如盐)用于软化。这些过滤器可以串联设置以除去线屑、疏水性化合物和亲水性化合物。单元1100内(或者替代地位于单元1100外部)的泵1160控制通过单元1100的液体的流量。对于0.1L至0.5L的实验室规模系统来说，流量为约5mL/分钟至10mL/分钟。废水在过滤器内的停留时间为约10分钟。能量消耗主要来自流体传输(泵送)。消耗通常与系统的大小成比例。每传输一千克水，估计消耗5焦耳至10焦耳。
储水罐1190和废物收集罐1195也与过滤单元1100相关联。水出口1190与过滤器入口1170流体连接。离子交换过滤器1130购自现有的商业供应商，例如具有阳离子R-SO3 -H+和阴离子R4N+OH-官能结构的去离子树脂。线屑捕集器1110也是商业上购买的。
过滤单元的出口连接到使用点如洗衣机的入口，以允许水和清洁剂被再次使用。基于监测和控制系统1140，过滤器将间或再生。系统1140测量诸如浊度、电导率等的参数。监测和控制系统1140可用于使任意或全部过滤步骤自动化，所述过滤步骤包括但不限于：来自洗衣机的进水量、通过过滤器的流量、清洁并存储于存储罐中的水量、泵送回洗衣机用于新洗衣循环的水量、排出和更换的水量等。过滤器再生也可以是自动化的。控制系统可以包括被配置为测量系统参数(如上述参数)的一个或更多个传感器，以及与传感器连通并被配置为产生输出信号以控制过滤单元的操作(如上述操作)来响应从传感器接收的输入信号的控制器。
在达到容量之后，过滤器可以再生并恢复使用。根据一个或更多个实施方案，再生包括用于废物提取的物理压缩步骤。物理压缩对发泡材料施加较大的力，使得发泡材料暂时变形并且体积收缩。物理压缩可以通过使用压机来完成。在较小的应用中，例如家庭应用，压机可以是例如注射器式压机。在较大的应用中，可以使用工业规模的压机。由于发泡材料的主要过滤机理是吸收，所以通过物理压缩发泡材料，松散结合的疏水性废物化合物将由于施加压力产生的变形而从发泡材料中释放。然后过滤器可以恢复使用。过滤器的使用寿命为5至10个压缩/再生循环。用于再生过滤介质的其他技术包括液体提取、加压空气和抽吸真空。
根据一个或更多个实施方案，从过滤器移除的所得疏水性废物可以进一步加工成有用产物，如生物柴油或乙醇。所述加工可以原位进行，或者可以将浓缩的废物产物和/或用过的过滤介质运送到别处以根据服务合同进行处理。或者，废物可以用粘土或类似材料捕集并作为固体废物处理。
根据一个或更多个实施方案，为了效率，可以改进现有的使用点以并入如本文所述的废水过滤和再循环技术。可以提供过滤单元。与使用点相关联的废物出口可以与过滤单元的入口流体连接。过滤单元的出口可以与使用点的入口流体连接。或者，如可以由原始设备制造商实施的，可以将使用点系统设计成并入如本文所讨论的过滤和再循环方法。
从以下实施例将更充分地理解这些和另一些实施方案的功能和优点。所述实施例本质上是说明性的，并且不认为是限制本发明的范围。
实施例
实施例1
在具有包含聚氨酯(PU)的发泡材料基材和包含聚四氟乙烯(PTFE)的颗粒涂层(平均粒度约1μm)的过滤介质上进行测试。
涂覆的方法遵循类似于参考图10所述的步骤的步骤。使用二氯甲烷作为溶剂。将经涂覆的发泡材料在100℃下加热以除去有机溶剂。
用1体积％的植物油和1M的十二烷基硫酸钠(SDS)制备1L合成洗衣废水。将油相染成蓝色用于目视检查。将废水用磁力搅拌棒以300rpm的速率搅拌，产生均匀的乳液。然后通过蠕动泵将废水泵送至过滤介质。将过滤器安放在装有四个过滤器发泡材料的玻璃圆筒(直径约2cm，长度为8cm)中。发泡材料完全填满了圆筒空间。在过滤器的出口收集滤液，并且通过电导率计测量电导率并通过IR光谱仪测量油含量。当过滤器发泡材料达到饱和时，即当滤液的颜色变为蓝色时，将这些发泡材料从过滤器中取出并在注射器中压缩以再生。
测试结果示于图12中。发泡材料表现出初始高的油吸收速率，并且当发泡材料达到饱和时，吸收速率减慢。第一次循环中发泡材料的最大油容量为约12g/g发泡材料，而清洁剂浓度在整个过滤过程中保持恒定。这表明，如所希望，清洁剂没有被发泡材料移除。在从饱和发泡材料中压出油之后，聚合物发泡材料恢复其一部分吸油能力——在第二次循环中再生了发泡材料油容量的约70％。一经重复的过滤-再生循环，则油容量劣化。在第10次循环中，发泡材料结构开始损坏，并且涂层颗粒从聚合物上分离并开始在过滤容器内聚集。
该测试证明过滤器可以成功地将疏水性废物组分与表面活性剂/水混合物分离，并且也证明过滤介质可以在多次循环期间再生并恢复有益用途。
实施例2
收集、过滤并分析来自商业洗衣服务的废物流样品，以确定所公开的过滤介质对在实际条件下产生的废物流的有效性。用光散射仪对原始废水和滤液二者进行浊度测量。滤液的提高的透明度表明所公开的过滤介质在现实世界条件下有效地起作用。
将50mL废水样品以5mL/分钟的流量泵送通过固体过滤器以除去过量的固体，然后泵送通过过滤介质。在过滤介质中的停留时间约为3分钟。
然后测定1mL滤液样品的浊度，将结果与原始样品废水进行比较。在过滤之后样品的透明度从0提高到100，表明移除了全部废物组分。
还测试了由过滤介质捕集的滞留物，并且确定清洁剂没有被过滤介质意外捕集。该测试的方案如下。将发泡材料压缩以移除滞留物。然后将液体滞留物置于等体积的甲苯的溶液中。使溶液剧烈混合。移除甲苯部分并进行超声处理。如对照组中所发生的，已知剩余的清洁剂在甲苯相中沉淀，而来自发泡材料过滤器内的液体没有形成沉淀，表明没有清洁剂被过滤介质捕集，并且清洁剂保留在滤液中。
原始废水组合物包含以下：水、清洁剂、线屑、固体颗粒和疏水性油滴。滤液组合物包含水和清洁剂。
现已描述了本发明的一些说明性实施方案，对于本领域技术人员来说应当显而易见的是，上述仅仅是说明性的而不是限制性的，仅通过实施例的方式呈现。许多修改和其他实施方案在本领域普通技术人员的范围内，并且被认为落入本发明的范围内。特别地，尽管本文提出的许多实施例涉及方法操作或系统元件的特定组合，但是应理解，那些操作和那些元件可以以其他方式组合以实现相同的目的。
此外，本领域技术人员应理解，本文所述的参数和构造是示例性的，并且实际的参数和/或构造将取决于其中使用本发明的系统和技术的具体应用。本领域技术人员还应使用不超过常规实验来认识到或能够确定本发明的具体实施方案的等同物。因此，应理解，本文所述的实施方案仅以实例的方式呈现，并且在任意所附权利要求及其等同物的范围内；本发明可以不同于具体描述的来实施。
本文使用的措辞和术语是为了描述的目的，并且不应被认为是限制。如本文所使用，术语“多个”是指两个或更多个物品或组份。无论在说明书还是权利要求等中，术语“包括”、“包含”、“携带”、“具有”、“含有”和“涉及”是开放式术语，即意指“包括但不限于”。因此，这样的术语的使用意旨涵盖其后列出的项目及其等同物，以及另外的项目。对于任意的权利要求，只有过渡性短语“由......组成”和“基本上由......组成”分别是封闭或半封闭的过渡短语。在权利要求中使用诸如“第一”、“第二”、“第三”等序数术语来修饰权利要求元素本身并不意味着一个权利要求元素相对于另一个权利要求元素的任何优先权、优先级或顺序，或者执行方法的动作的顺序，而是仅仅用作标记以将具有某个名称的一个权利要求元素与具有相同名称(如果不使用序数术语的话)的另一个元素加以区分以区分权利要求的元素。

Claims (37)

1.一种废水处理系统，包括：
过滤单元，包括：
壳体，所述壳体具有与使用点的出口流体连通并被配置为接收待处理的来自使用点的废水流的入口、以及与使用点的入口流体连通并被配置为输送滤液至使用点的出口；以及
位于所述壳体中的过滤介质，所述过滤介质包括亲油性发泡材料基材和所述亲油性发泡材料基材上的疏水性涂层，所述过滤介质被配置为从所述废水流中分离疏水性组分以产生包含水和表面活性剂的滤液。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述使用点为以下之一：洗衣机、洗碗机、洗车机、或油萃取操作。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述使用点为以下之一：石油化工厂、军用废水处理厂、城市用水处理厂、食品加工废水处理系统、航空航天水处理系统、和旅店废水再循环系统。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述表面活性剂包括清洁剂。
5.根据权利要求1所述的系统，还包括控制系统，所述控制系统包括被配置为测量所述系统的参数的至少一个传感器；和与所述至少一个传感器连通并被配置为产生输出信号以控制所述过滤单元的操作来响应从所述至少一个传感器接收的输入信号的控制器。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述过滤单元还包括位于所述壳体中所述过滤介质上游的固体过滤器、和位于所述壳体中所述过滤介质下游的离子交换过滤器。
7.根据权利要求1所述的系统，还包括待与所述滤液混合的补充水源。
8.一种废水过滤介质，包括：
包含亲油性聚合物的发泡材料基材；和
所述发泡材料基材上的疏水性涂层。
9.根据权利要求8所述的过滤介质，其中所述发泡材料基材的平均孔径为400μm至1000μm。
10.根据权利要求8所述的过滤介质，其中所述发泡材料基材的平均孔径为600μm至700μm。
11.根据权利要求8所述的过滤介质，其中所述亲油性聚合物选自聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)、聚氨酯(PU)、聚苯乙烯(PS)、聚乳酸(PLA)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚碳酸酯(PC)、基于氟的聚合物、基于氯的聚合物、聚硅氧烷、尼龙、丙烯酸类、纤维素、及其复合物。
12.根据权利要求8所述的过滤介质，其中所述亲油性聚合物为PU。
13.根据权利要求8所述的过滤介质，其中所述发泡材料基材的油接触角为0°至90°。
14.根据权利要求13所述的过滤介质，其中所述发泡材料基材的油接触角为0°至10°。
15.根据权利要求8所述的过滤介质，其中所述发泡材料基材的临界表面张力为20mN/m至70mN/m。
16.根据权利要求15所述的过滤介质，其中所述发泡材料基材的临界表面张力为20mN/m至40mN/m。
17.根据权利要求8所述的过滤介质，其中所述疏水性涂层的水接触角为90°至180°。
18.根据权利要求8所述的过滤介质，其中所述疏水性涂层选自基于卤素的聚合物、聚乙二醇(PEG)、两性离子聚合物、糖、蛋白质脂质、石墨烯、和碳纳米管。
19.根据权利要求18所述的过滤介质，其中所述疏水性涂层为基于氟的聚合物。
20.根据权利要求19所述的过滤介质，其中所述疏水性涂层包括聚四氟乙烯(PTFE)。
21.根据权利要求8所述的过滤介质，其中所述疏水性涂层包括平均直径为1μm至5μm的经沉积的颗粒。
22.一种分离包含水、表面活性剂和疏水性材料的废物流的方法，所述方法包括：
将大部分疏水性材料吸收到基于亲油性聚合物的发泡材料过滤器中；以及
阻止大部分水和表面活性剂被吸收到所述发泡材料过滤器上以产生包含水和表面活性剂的滤液流。
23.根据权利要求22所述的方法，其中所述废物流包括来自洗衣、洗碗、洗车、或石油化工操作的灰水。
24.一种过滤并再循环废物流的方法，所述方法包括：
使来自使用点的包含水、表面活性剂和疏水性材料的废物流通过包括基于亲油性聚合物的发泡材料基材和疏水性涂层的过滤介质，以产生包含水、表面活性剂和减少的疏水性材料部分的滤液；以及
使用于再次使用的所述滤液再循环至所述使用点。
25.根据权利要求24所述的方法，还包括在所述使用点处再次使用之前，使所述滤液与补充水源混合以产生混合物。
26.根据权利要求25所述的方法，其中所述混合物包含按体积计10％或更少的补充水。
27.根据权利要求24所述的方法，其中使所述废物流通过过滤介质包括将所述废物流泵送通过所述过滤介质。
28.根据权利要求27所述的方法，其中将单批滤液反复再循环至所述使用点7至8个月的时间段。
29.一种使具有基于亲油性聚合物的发泡材料基材和疏水性涂层的饱和过滤介质再生的方法，所述方法包括：
压缩所述饱和过滤介质以移除所吸收的疏水性材料并产生再生的过滤介质。
30.根据权利要求29所述的方法，还包括捕集并处理被移除的疏水性材料。
31.根据权利要求29所述的方法，还包括在压缩所述饱和过滤介质5至10次循环之后更换过滤介质。
32.一种制造过滤介质的方法，包括：
将亲油性发泡材料基材浸于包含有机溶剂的溶液中以产生溶胀的发泡材料；
用疏水性微粒涂覆所述溶胀的发泡材料以产生经涂覆的发泡材料；以及
加热所述经涂覆的发泡材料以产生所述过滤介质。
33.根据权利要求32所述的方法，其中所述有机溶剂包括二氯甲烷或甲苯。
34.根据权利要求32所述的方法，其中所述亲油性发泡材料基材包括PU。
35.根据权利要求32所述的方法，其中所述疏水性微粒包括PTFE。
36.根据权利要求32所述的方法，其中所述疏水性微粒的平均粒径为1μm至5μm。
37.根据权利要求32所述的方法，其中加热在80℃至150℃的温度下进行。
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