CN107106950A - 用于提高盐水浓度的渗透驱动膜系统和处理 - Google Patents
用于提高盐水浓度的渗透驱动膜系统和处理 Download PDFInfo
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Abstract
本发明一般地涉及渗透驱动膜系统和处理，更加特别地涉及为了零液体排放而使用渗透驱动膜系统和处理来提高盐水浓度以及相关的用于渗透驱动膜系统和处理的驱动溶质回收技术。
Description
技术领域
一般地，本发明涉及渗透驱动膜系统和处理，更加特别地涉及为了零废液排放(ZLD)利用渗透驱动膜系统和处理增大盐水浓度。本发明还涉及用于渗透驱动膜系统和处理的相关的驱动溶质回收技术。
背景技术
一般而言，渗透驱动膜处理涉及由半透膜分隔的两种溶液。一种溶液可以例如是海水，而另一种溶液是浓溶液(concentrated solution)，其用于在海水与该浓溶液之间产生浓度梯度。该梯度驱动海水中的水穿过膜而进入浓溶液，所述膜选择性地允许水经过不允许盐经过。逐渐地，进入浓溶液的水稀释所述溶液。然后需要从稀释溶液中去除溶质以产生饮用水。通常，例如经由蒸馏获得饮用水；然而，溶质通常不被回收和再利用。
在使用蒸馏和低品位热量以回收驱动溶质的某些现有技术的系统中，必须在真空下进行冷凝和吸收步骤，以求使驱动溶质回收最大化。举例来说，将分液罐(knock-outpot)和排放器(eductor)(使用空气作为传动介质)设于冷凝和/或吸收处理的下游，以求提高驱动溶质回收。然而，这种配置需要排出无法冷凝的气体，也会造成驱动溶质的损失和可能的环境问题。此外，现有技术的驱动溶质回收系统需要相当大的能量输入(例如，直接水蒸气或电)，这使回收处理效率低且昂贵。
此外，用于浓缩供料流的许多现有技术一般(尤其是在未使用复杂的和/或能量非常密集型的设备的情况下)不能从所述流中充分去除所有水或其它溶剂(即，ZLD)，而上述设备又使得将供料流的浓缩最大化以满足ZLD的要求变得昂贵且不实用。
发明内容
本发明一般地涉及下述系统和方法：所述系统和方法用于使盐水浓度提高至ZLD或接近ZLD条件以及用于回收/再利用在这些系统和方法中使用的驱动溶液。所述驱动溶液用于各种渗透驱动膜系统和方法，例如：正渗透(FO)、压力阻尼渗透(PRO)、渗透稀释(OD)、直接渗透浓缩(DOC)或依赖于溶液中溶质的浓度(或浓度的可变性)的其它处理。用于驱动溶质回收的系统和方法可以被并入各种渗透驱动膜系统/处理。在美国专利第6391205、7560029和9039899号、美国专利公开第2011/0203994、2012/0273417和2012/0267306号和PCT公开第WO2015/157031号中公开了渗透驱动膜系统/处理的示例；这些专利的全部内容以引用的方式并入本文。此外，在美国专利第8246791和9044711号中公开了各种驱动溶质回收系统；这些专利的全部内容也以引用的方式并入本文。
一般地，使用的驱动溶液是水溶液，即，溶剂是水；然而，在一些实施例中，驱动溶液例如是使用有机溶剂的非水溶液。驱动溶液旨在含有相对于供料或第一溶液更高的浓度的溶质以此在渗透驱动膜系统内产生渗透压。渗透压可以用于包括脱盐、水处理、溶质浓缩、发电和其它用途在内的各种用途。在一些实施例中，驱动溶液可以包括一种或多种可去除溶质。在至少一些实施例中，可以使用可热去除(热分解)的溶质。例如，驱动溶液可以包括热分解盐溶液，诸如在美国专利第7560029号中公开的那些溶液。其它可能的热分解盐包括各种离子形态，例如氯化物、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、银和锌等。
一般地，供料溶液或第一溶液可以是期望进行分离、浓缩、净化或其它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，第一溶液可以是非饮用水，例如海水、盐水、微咸水、中水和一些工业水等。在其它实施例中，第一溶液可以是期望浓缩、隔离或回收的含有诸如目标种类等一种或多种溶质的处理液流。所述液流可以来自工业处理，例如药物或食物级应用。所述目标种类可以包括药物、盐、酶、蛋白质、催化剂、微生物、有机化合物、无机化合物、化学前驱体、化学产品、胶体、食物产品或污染物。第一溶液可以从上游单元操作(例如工业设备等)或任何其它来源(例如海洋等)被传送至正渗透膜处理系统。
在一个方面，本发明涉及一种渗透驱动膜系统及相关方法。一般地，所述系统包括：一个或多个正渗透膜模块，每个模块包括一个或多个膜，供料溶液的来源与所述一个或多个膜的一侧流体连通，浓缩的驱动溶液的来源与所述一个或多个膜的另一侧流体连通；和驱动溶液回收系统，其与正渗透膜模块流体连通。
在另一个方面，本发明涉及一种用于浓缩来自渗透驱动膜系统的供料流和回收来自渗透驱动膜系统的驱动溶液的溶质的系统。所述系统包括：一个或多个正渗透模块，各所述模块包括具有第一侧和第二侧的一个或多个膜，所述膜的第一侧与第一溶液的来源流体连接且所述膜的第二侧与浓缩的驱动溶液的来源流体连接，其中，所述膜被构造用于以渗透的方式分离所述第一溶液的溶剂，从而形成位于所述膜的第一侧的更浓缩的第一溶液和位于所述膜的第二侧的稀释的驱动溶液；和分离系统，所述分离系统与所述正渗透模块流体连通且被构造用来接收来自所述正渗透模块的浓缩的第一溶液和稀释的驱动溶液。所述分离系统包括第一分离装置和第二分离装置。所述第一分离装置与所述渗透驱动膜系统流体连通且包括：第一热回收设备；第一传热设施(例如，换热器或其它类型的凝结器)，所述第一传热设施与所述正渗透模块流体连通以用于接收所述稀释的驱动溶液，并且与所述第一热回收设备的第一入口连接以用于预热所述稀释的驱动溶液并将所述稀释的驱动溶液引入所述第一热回收设备；第二传热设施，所述第二传热设施与所述第一热回收设备连接且具有与热能的第一来源连接的入口和与所述第一热回收设备连接的出口，以将热能引导至所述第一热回收设备从而使所述第一热回收设备中的所述稀释的驱动溶液内的溶质汽化；第一出口，所述第一出口用于将汽化的所述稀释的驱动溶液的溶质从所述第一热回收设备去除，其中，所述第一出口与所述第一传热设施流体连通以将汽化的驱动溶液的溶质作为热能源提供至所述第一传热设施以用于预热所述稀释的驱动溶液(且使汽化的驱动溶液部分地凝结成至少居中浓缩的驱动溶液)；和第二出口，所述第二出口用于将底部产品从所述第一热回收设备去除。
所述第二分离装置与所述渗透驱动膜系统流体连通且包括：第二热回收设备；第一传热设施，所述第一传热设施与所述正渗透模块流体连通以用于接收所述浓缩的第一溶液，并且与所述第二热回收设备的第一入口连接以用于预热所述浓缩的第一溶液并将所述浓缩的第一溶液引入所述第二热回收设备；第二传热设施，所述第二传热设施与所述第二热回收设备连接且具有与热能的第二来源连接的入口和与所述第二热回收设备连接的出口，以将热能引导至所述第二热回收设备以使所述第二热回收设备中的所述浓缩的第一溶液内的溶质汽化；第一出口，所述第一出口用于将汽化的溶质从所述第二热回收设备去除，其中，所述第一出口与所述第一传热设施流体连通以将所述汽化的溶质作为热能源提供至所述第一传热设施以用于预热所述浓缩的第一溶液；和第二出口，所述第二出口用于将底部产品从所述第二热回收设备去除。
在又一个方面，本发明涉及一种用于浓缩来自渗透驱动膜系统的供料流和回收来自渗透驱动膜系统的驱动溶液的溶质的系统。所述系统包括：一个或多个正渗透模块，各所述模块包括具有第一侧和第二侧的一个或多个膜，所述膜的第一侧与第一溶液的来源流体连接且所述膜的第二侧与浓缩的驱动溶液的来源流体连接，其中，所述膜被构造用来以渗透的方式分离所述第一溶液的溶剂，从而形成位于所述膜的第一侧的更浓缩的第一溶液和位于所述膜的第二侧的稀释的驱动溶液；和分离系统，所述分离系统与所述正渗透模块流体连通且被构造用来接收来自所述正渗透模块的所述浓缩的第一溶液和所述稀释的驱动溶液。所述分离系统包括第一分离装置和第二分离装置。所述第一分离装置与所述渗透驱动膜系统流体连通且包括：第一热回收设备；第一传热设施，所述第一传热设施与所述正渗透模块流体连通以用于接收所述稀释的驱动溶液且与热能的第一来源流体连通以用于预热所述稀释的驱动溶液，所述第一传热设施与所述第一热回收设备的第一入口连接以将预热过的所述稀释的驱动溶液引入所述第一热回收设备；第二传热设施，所述第二传热设施与所述第一热回收设备连接且具有与热能的第二来源连接的入口和与所述第一热回收设备连接的出口，以将所述热能的第二来源引导至所述第一热回收设备以使所述第一热回收设备中的所述稀释的驱动溶液内的溶质汽化；第一出口，所述第一出口用于将汽化的稀释的驱动溶液的溶质从所述第一热回收设备中去除；和第二出口，所述第二出口用于将底部产品从所述第一热回收设备中去除，其中，所述第二出口与所述第一传热设施流体连通以将所述底部产品作为所述热能的第一来源提供至所述第一传热设施以用于预热所述稀释的驱动溶液。
所述第二分离装置与所述渗透驱动膜系统流体连通且包括：第二热回收设备；传热设施，所述传热设施与所述正渗透模块流体连通以用于接收所述浓缩的第一溶液且与热能源流体连通以用于加热所述浓缩第一溶液，所述传热设施与所述第二热回收设备的第一入口连接以将加热过的所述浓缩的第一溶液引入所述第二热回收设备，其中，所述第二热回收设备中的所述浓缩的第一溶液内的溶质被汽化；第一出口，所述第一出口用于将汽化的溶质从所述第二热回收设备去除；和第二出口，所述第二出口用于将浓缩的盐水从所述第二热回收设备去除。
在前述方面的各种实施例中，所述第一和第二热回收设备可以是蒸馏装置(例如，基于塔或膜的蒸馏装置)。在一些实施例中，所述第二热回收设备可以是结晶器。在一个或多个实施例中，所述系统可以包括一个或多个这样的压缩器：所述压缩器与所述第一热回收设备的第一出口以及第一和/或第二分离装置的至少一个传热设施流体连通；和/或一个或多个这样的压缩器：所述压缩器与所述第二热回收设备的第一出口以及所述第一和/或第二热回收设备的至少一个传热设施流体连通，以用于将所述热能源的至少一部分提供至所述第一和/或第二热回收设备。此外，所述系统可以包括至少一个凝结器，所述凝结器具有入口和出口，所述凝结器的入口与所述第一热回收设备的第一出口和/或所述第二热回收设备的第一出口中的至少一者流体连通以用于接收所述第一和/或第二热回收设备的底部产品，所述凝结器的出口与所述正渗透模块流体连通以将浓缩的驱动溶液提供至所述正渗透模块。所述第一和第二分离装置可以被构造用于基本上并联操作，且装置本身可以包括以串联、并联或串并结合的形式构造的一个或多个热回收设备(例如，蒸馏装置)。
在又一个方面，本发明涉及一种用于提高来自渗透驱动膜系统的盐水浓度和回收来自渗透驱动膜系统的驱动溶质的方法。所述方法可以包括以下步骤：提供来自所述渗透驱动膜系统的稀释的驱动溶液的来源，其中，所述稀释的驱动溶液含有能够热去除的驱动溶质；提供来自所述渗透驱动膜系统的浓缩的供料溶液的来源，其中，所述浓缩的供料包括盐水和通过所述膜系统逆向流通的能够热去除的驱动溶质；将所述稀释的驱动溶液的至少一部分引入第一分离系统；将热能的第一来源引入所述第一分离系统；使稀释的驱动溶液的溶质汽化出所述稀释的驱动溶液；回收来自所述第一分离系统的汽化的稀释的驱动溶液的溶质；将来自所述第一分离系统的驱动溶液的溶质再循环至所述渗透驱动膜系统；将所述浓缩的供料溶液的至少一部分引入第二分离系统；将热能的第二来源引入所述第二分离系统；使驱动溶质和溶剂汽化出所述浓缩的供料溶液；回收所述第二分离系统的汽化的驱动溶质和溶剂并且从所述第二分离系统排出进一步浓缩的供料溶液；且将来自所述第二分离系统的驱动溶质和溶剂再循环至所述渗透驱动膜系统。
在各种实施例中，所述方法还包括：将所述进一步浓缩的供料溶液引导至压滤机或离心机中的至少一者。此外，可以将所述进一步浓缩的供料溶液从所述压滤机或离心机中的至少一者重新引入第二分离装置。在一些实施例中，将稀释的驱动溶液的溶质汽化出所述第一分离系统的步骤可以包括：经由蒸馏装置将所述稀释的驱动溶液暴露于热能的所述第一来源；且将驱动溶质和溶剂汽化出所述第二分离系统的步骤可以包括：经由结晶器将所述浓缩的供料溶液暴露于热能的所述第二来源。此外，再循环来自所述第一分离装置的稀释的驱动溶液的溶质和再循环来自所述浓缩的供料溶液的驱动溶质的步骤包括：在将所述溶质重新引入所述渗透驱动膜系统作为所述浓缩的驱动溶液的来源之前对蒸气进行冷凝。
在又一个方面，本发明涉及一种用于浓缩来自渗透驱动膜系统的供料流和回收来自渗透驱动膜系统的驱动溶液的溶质的系统。所述系统包括：一个或多个正渗透模块，各所述模块包括具有第一侧和第二侧的一个或多个膜，所述膜的第一侧与第一溶液的来源流体连接且所述膜的第二侧与浓缩的驱动溶液的来源流体连接，其中，所述膜被构造用来以渗透的方式分离所述第一溶液的溶剂，从而形成位于所述膜的第一侧的更浓缩的第一溶液和位于所述膜的第二侧的稀释的驱动溶液；和分离系统，所述分离系统与所述正渗透模块流体连通且被构造用来接收来自所述正渗透模块的浓缩的第一溶液和稀释的驱动溶液。所述分离系统包括与所述渗透驱动膜系统流体连通的第一分离装置和与所述渗透驱动膜系统流体连通的第二分离装置。所述第一分离装置包括：第一热回收设备；第一传热设施，所述第一传热设施与所述正渗透单元流体连通且被构造用来接收所述稀释的驱动溶液，并且所述第一传热设施与所述第一热回收设备的第一入口连接以预热所述稀释的驱动溶液并将所述稀释的驱动溶液引入所述第一热回收设备；第二传热设施，所述第二传热设施与所述第一热回收设备连接且具有与热能的第一来源连接的入口和与所述第一热回收设备连接的出口，以将热能的所述第一来源引导至所述第一热回收设备以使所述第一热回收设备中的稀释的驱动溶液内的溶质汽化；第一出口，所述第一出口用于将汽化的驱动溶液的溶质从所述第一热回收设备中去除；和第二出口，所述第二出口用于将加热过的底部产品从所述第一热回收设备中去除，其中，所述第二出口与所述第一传热设施流体连通以将所述加热过的底部产品作为热能源提供给所述第一传热设施以用于预热所述稀释的驱动溶液。
所述第二分离装置包括：第二热回收设备；第一传热设施，所述第一传热设施与所述正渗透单元流体连通且被构造用来接收所述浓缩的第一溶液，并且与所述第二热回收设备的第一入口连接以预热所述浓缩的第一溶液并将所述浓缩的第一溶液引入所述第二热回收设备，其中，所述第一分离装置的第一出口与所述第二分离装置的第一传热设施流体连通以将汽化的驱动溶液的溶质作为热能源提供至所述第二分离装置的第一传热设施以用于预热所述浓缩的第一溶液；第二传热设施，所述第二传热设施与所述第二热回收设备连接且具有与热能的第二来源连接的入口和与所述第二热回收设备连接的出口，以将热能的所述第二来源引导至所述第二热回收设备以使所述第二热回收设备中的所述浓缩的第一溶液内的溶质汽化；第一出口，所述第一出口用于将汽化的溶质从所述第二热回收设备中去除，其中，所述第一出口与所述第一热回收设备流体连通以将所述汽化的溶质作为额外的热能来源提供至所述第一热回收设备；和第二出口，所述第二出口用于将底部产品从所述第二热回收设备去除。
在前述方面的各种实施例中，所述第一热回收设备或所述第二热回收设备中的至少一者可以是蒸馏装置，例如蒸馏塔或膜蒸馏装置等。在一些实施例中，所述第二热回收设备可以是结晶器。此外，所述系统还可以包括至少一个凝结器，所述凝结器具有入口和出口，所述凝结器的入口与所述第一热回收设备的第一出口或所述第二热回收设备的第一出口中的至少一者流体连通以用于接收所述第一和/或第二热回收设备的顶部产品(即，汽化的驱动溶质)(要么直接接收要么在离开一个传热设施后接收)，所述凝结器的出口与所述正渗透模块流体连通以将所述浓缩的驱动溶液提供至所述正渗透模块。
在又一个方面，本发明涉及一种用于浓缩来自渗透驱动膜系统的供料流和回收来自渗透驱动膜系统的驱动溶液的溶质的系统。所述系统包括：一个或多个正渗透模块，各所述模块包括具有第一侧和第二侧的一个或多个膜，所述膜的第一侧与第一溶液的来源流体连接且所述膜的第二侧与浓缩的驱动溶液的来源流体连接，其中，所述膜被构造用来以渗透的方式分离所述第一溶液的溶剂，从而形成位于所述膜的第一侧的更浓缩的第一溶液和位于所述膜的第二侧的稀释的驱动溶液；和分离系统，所述分离系统与所述正渗透模块流体连通且被构造用来接收来自所述正渗透模块的所述浓缩的第一溶液和所述稀释的驱动溶液。所述分离系统包括与所述渗透驱动膜系统流体连通以用于接收所述稀释的驱动溶液的第一分离装置和与所述渗透驱动膜系统流体连通以用于接收所述浓缩的第一溶液的第二分离装置。所述第一分离装置包括：第一热回收设备，其与所述正渗透模块流体连通且被构造用于接收所述稀释的驱动溶液；第一传热设施，其与所述第一热回收设备连接且具有与热能的第一来源连接的入口和与所述第一热回收设备连接的出口，以将热能的所述第一来源引导至所述第一热回收设备来使所述第一热回收设备中的所述稀释的驱动溶液内的溶质汽化；第一出口，所述第一出口用于将汽化的稀释的驱动溶液的溶质从所述第一热回收设备中去除；第二出口，所述第二出口用于将底部产品从所述第一热回收设备中去除；和压缩器，所述压缩器与所述热回收设备的第一出口和所述第一传热设施的入口流体连通以提供热能的所述第一来源的至少一部分。所述第二分离装置包括：第二热回收设备，其与所述正渗透模块流体连通且被构造用来接收所述浓缩的第一溶液；传热设施，其与所述第二热回收设备的第一入口连接以将热能的第二来源引入所述第二热回收设备以使所述第二热回收设备内的溶质汽化；第一出口，所述第一出口用于将汽化的溶质从所述第二热回收设备中去除并且所述第一出口与所述第一热回收设备的入口流体连通以将所述汽化的溶质传输至所述第一热回收设备且将额外的热能来源提供至所述第一热回收设备；和第二出口，所述第二出口用于将浓缩的盐水从所述第二热回收设备中去除。在各种实施例中，热能的所述第二来源是生产用或直接水蒸气。
在又一个方面，本发明涉及一种用于提高来自渗透驱动膜系统的盐水浓度和从例如前述的渗透驱动膜系统回收驱动溶质的方法。所述方法包括以下步骤：提供来自所述渗透驱动膜系统的稀释的驱动溶液的来源，其中，所述稀释的驱动溶液包括能够热去除的驱动溶质；提供来自所述渗透驱动膜系统的浓缩的供料溶液的来源，其中，所述浓缩的供料包括盐水和通过所述膜系统逆向流通的能够热去除的驱动溶质；将所述稀释的驱动溶液的至少一部分引入第一分离系统；将热能的第一来源引入所述第一分离系统；将驱动溶液的溶质汽化出所述稀释的驱动溶液；将来自所述第一分离系统的汽化的驱动溶液的溶质引导至压缩器；将压缩的所述汽化的驱动溶液的溶质作为热能的所述第一来源的至少一部分引入所述第一分离系统；将所述浓缩的供料溶液的至少一部分引入第二分离系统；将热能的第二来源引入所述第二分离系统；将驱动溶质和溶剂汽化出所述浓缩的供料溶液；将来自所述第二分离系统的汽化的驱动溶质和溶剂引导至所述第一分离系统以将额外的热能来源提供至所述第一分离系统；且从所述第二分离系统排出进一步浓缩的供料溶液。
在前述方面的各种实施例中，热能的所述第二来源是生产用或直接水蒸气。所述方法还可以包括步骤：将来自所述第一分离系统的驱动溶液的溶质再循环至所述渗透驱动膜系统。在各种实施例中，将所述稀释的驱动溶液的溶质汽化出所述第一分离系统的步骤可以包括：经由蒸馏装置使所述稀释的驱动溶液暴露于热能的所述第一来源；将驱动溶质和溶剂汽化出所述第二分离系统的步骤可以包括：经由蒸馏装置使所述浓缩的供料溶液暴露于热能的所述第二来源，且/或将驱动溶质和溶剂汽化出所述第二分离系统的步骤可以包括：经由结晶器使所述浓缩的供料溶液露于热能的所述第二来源。
通过参照下面的说明以及附图，本发明的这些和其它目的以及本文中公开的优势和特征将变得显然。此外，应当理解的是，本文中所述的各种实施例的特征不相互排斥且能够以各种排列和组合的形式存在。
附图说明
在附图中，相同的附图标记通常指代不同视角下的相同部件。此外，附图不是一定按照比例，而是通常是将重点放在图示出本发明的原理并且附图不是为了作为限制本发明的限定。为了清楚的目的，不是在每幅图中都标记了每个组件。在下面的说明中，参照下面的附图来说明本发明的各种实施例，其中：
图1是根据本发明的一个或多个实施例的利用溶质回收系统的示例性渗透驱动膜系统/处理的示意图；
图2是根据本发明的一个或多个实施例的驱动溶液回收系统的一个实施例的示意图；
图3A-3D是根据本发明的一个或多个实施例的渗透驱动膜系统和替代的驱动溶液回收系统的示意图；
图4是根据本发明的一个或多个实施例的用于盐水浓度提高和驱动溶质回收的替代的渗透驱动膜系统的示意图；
图5是根据本发明的一个或多个实施例的用于盐水浓度提高和驱动溶质回收的另一替代的渗透驱动膜系统的示意图；
图6是根据本发明的一个或多个实施例的用于盐水浓度提高和驱动溶质回收的又一替代的渗透驱动膜系统的示意图；且
图7是根据本发明的一个或多个实施例的用于提高驱动溶质回收的渗透驱动膜系统和另一替代的系统的示意图。
具体实施方式
本发明的各种实施例可以用于任何渗透驱动膜方法，例如FO、PRO、OD、DOC等。用于从溶液提取溶剂的渗透驱动膜处理通常涉及使溶液暴露于正渗透膜的第一表面。在一些实施例中，第一溶液(被称为处理或供料溶液)可以是海水、微咸水、废水、污水、处理液流或其它水溶液。在至少一个实施例中，溶剂是水；然而，其它实施例可以使用非水溶剂。相对于第一溶液具有高浓度溶质的第二溶液(被称为驱动溶液)暴露于正渗透膜的与第一表面相对的第二表面。然后，第一溶液的溶剂(例如，水)可以通过正渗透膜被汲取且进入第二溶液中，所述第二溶液经由正渗透而产生了富溶剂溶液。可以在第一出口处收集富溶剂溶液(也被称为稀释的驱动溶液)并且使之经受进一步分离处理。在一些实施例中，作为来自富溶剂溶液的产品，可以生产纯净水。可以在第二出口处收集第二产品流(即，耗减或浓缩的第一溶液)以使之排出或用于进一步处理。浓缩的第一溶液可以含有一种或多种目标化合物，该目标化合物可以期望浓缩或隔离以供下游使用。
图1图示了根据本发明一个或多个实施例的利用驱动溶质回收系统22的一个示例性渗透驱动膜系统/方法10。如图1所示，系统/方法10包括：正渗透模块12(例如以引用的方式并入本文的那些正渗透模块)，其与供料溶液源或流14以及驱动溶液源或流16流体连通。驱动溶液源16能够包含例如盐水流(诸如海水)或本文中所述的能够起到借助通过模块12内的正渗透膜的渗透使供料源14脱水的渗透剂作用的其它溶液等。模块12输出来自供料流14的能够被进一步处理的浓溶液18的液流。模块12还输出经由本文中所述的回收系统22能够被进一步处理的稀释的驱动溶液20，在回收系统22中能够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，驱动溶质被回收再利用。
正渗透膜通常可以是半透的，例如，允许溶剂(例如水等)通过但是不允许溶解于溶剂中的溶质(例如本文公开的那些溶质等)通过。许多类型的半透膜适于这样的目的，只要它们能够允许溶剂通过但是阻挡溶质通过且不与溶液中的溶质反应。所述膜能够具有包括薄膜、中空纤维、螺旋绕线、单丝和盘管在内的各种构造。存在很多众所周知的市售的半透膜，它们的特征在于，具有足够小到允许水通过而筛除溶质分子(例如氯化钠等)以及溶质分子的离子分子形态(例如氯化物等)的小孔。这样的半透膜能够由有机或无机材料制成，只要所选的材料与使用的特定驱动溶液兼容即可。
一般地，选作半透膜的材料应当能够禁得起膜可能经受的各种工艺条件。例如，可以期望的是，所述膜能够禁得起例如与灭菌或其它高温处理相关联的高温。在一些实施例中，正渗透膜模块可以在约0摄氏度至约100摄氏度的温度范围内工作。在一些实施例中，处理温度的范围可以是从约40摄氏度至约50摄氏度。同样，可以期望所述膜能够在各种pH条件下保持完整性。例如，膜环境中的一种或多种溶液(例如驱动溶液等)可能多少有些酸性或碱性。在一些实施例中，正渗透膜模块可以在约2与约11之间的pH值下工作。在一些实施例中，pH值可以是约7至约10。在至少一个实施例中，所述膜可以是不对称膜，例如具有第一表面的活性层和第二表面的支撑层。美国专利第8181794号公开了合适的膜的一个示例，该专利的全部内容以引用的方式并入本文。
一般地，能够通过使用如图2至图7所示的蒸馏装置、过滤器、凝结器、结晶器、压缩器和相关组件的各种组合回收和再利用驱动溶质，从而再生本文中所讨论的各种驱动溶液。图2图示了驱动溶质回收/分离系统422的一个实施例，其能够作为例如膜盐水浓缩器的一部分。如所示，系统422包括两个分离装置：稀释的驱动溶液(DDS)汽提塔460和浓缩或盐水汽提塔462。DDS塔的供料包括稀释的驱动溶液420，其包含从渗透驱动膜系统回收的水。DDS塔460最后输出产品溶剂。浓缩塔的供料至少包括来自渗透驱动膜系统的浓缩盐水418。这些塔与一个或多个压缩器470、475流体连通。机械蒸气压缩(MVC)与蒸馏塔相结合以回收和再利用热量。在本发明的范围内，膜蒸馏设备也是可预期的和可考虑的。
离开浓缩塔462顶部的蒸气464被供入DDS塔460以用于降低DDS塔460的总能量需求。在一些实施例中，蒸气464首先(经由压缩器475)被压缩至DDS塔460的压力以使两个塔460、462能够在不同的压力下操作。在一些实施例中，此蒸气464包括：可能通过渗透驱动膜系统的膜逆向流通的额外驱动溶质；和未通过膜的额外产品溶剂。离开DDS塔460顶部的蒸气466被压缩且与DDS塔再沸器468进行交换。通过对DDS塔蒸气466进行压缩，蒸气凝结温度上升至高于DDS塔再沸器468的温度，因此，蒸气的潜热能够被利用作为塔再沸器468的供热。通常，蒸气466将包含气态的驱动溶质。DDS塔蒸气466的压力受到压力控制阀477的控制且使用3级旋转叶片鼓风机系统或螺旋压缩器470被压缩成适当的压力。不同的压缩器/鼓风机和各种数量的级可以用来适应特定的用途。在一个实施例中，在约650kW的鼓风机输入功率的情况下，系统能够传送约6600kW的热能。在替代的实施例中，各级的热量被传送至塔再沸器。
离开DDS塔再沸器换热器469，压缩的部分凝结的DDS塔蒸气466’与浓缩塔再沸器472进行交换。在本示例性实施例中，为了降低再沸器回路水的沸点，浓缩塔462在真空(约0.1-0.9atm的绝对压力)下运行，所述回路水将水蒸气供给至所述塔以使DDS塔蒸气466’的剩余潜热与浓缩塔再沸器472进行交换。离开浓缩塔再沸器换热器473，大部分凝结的DDS塔蒸气466”利用冷却水476在最后凝结器474中完全凝结，从而形成浓缩的驱动溶液416。可替代地，在通常不使用压缩器的情况下，塔460、462能够在相同或基本相等的压力下工作且蒸气流466被分流且被分别送至各再沸器。在本实施例中，离开再沸器469、473的部分/大部分凝结的DDS塔蒸气466’、466”能够被组合并被发送至最后凝结器474从而形成浓缩的驱动溶液416。
在一些实施例中，例如在离开塔的蒸气基本上不含有液体成分的情况下，没有驱动溶质(例如，气态的氨或二氧化碳)被压入的对象。溶质可以从气相直接转变至固相(例如，沉积或去升华)，这可能会使回收系统422无法工作。在可能的这种情况下，系统422能够包括旁路管线461，其用于将一部分稀释的驱动溶液420引导至压缩操作，从而提供用于吸收气态溶质的液体。在一些实施例中，稀释的驱动溶液的引入可以促进(例如，当使用NH3-CO2驱动溶液时可能存在的)CO2的吸收。如所示，稀释的驱动溶液420能够在任何特定压缩器之前或之后与蒸气466组合以适应特定的应用(例如，单个压缩器或一系列压缩器、驱动溶质的性质等等)。此外，稀释的驱动溶液420或其它适合的液体也能够被用来在标识点441a、441b提供液体注入以降低热量。旁路管线461必要时能够包括任何数量和组合的阀门和传感器以适合特定的用途。
图3A图示了渗透驱动膜系统500，其包括用于回收驱动溶质的替代布置。如图3所示，系统500包括一个或多个与驱动溶质回收/分离系统522流体连通的正渗透膜模块512(类似于上述的正渗透膜模块)。各个正渗透模块能够包括一个或多个正渗透膜513，其至少部分地创建用于接收各种流的第一室512a和第二室512b。在具有多个正渗透膜模块512的实施例中，这些模块能够串联地、并联地或串并结合地布置。模块512还与供料源或流514和浓缩的驱动溶液源或流516流体连通，并且输出浓缩的供料流518(例如，盐水)和稀释的驱动溶液520。浓缩的供料流518和稀释的驱动溶液520中的全部或部分被引导至分离系统522。
一般地，稀释的驱动溶液520被引导至第一分离装置560，例如热回收设备(例如，蒸馏塔或膜蒸馏装置)等；然而，其它机械分离手段(例如，过滤或化学操作)能够与热回收设备组合使用或用于代替热回收设备。浓缩的供料518被引导至类似于560的第二分离装置562以进一步浓缩。两个分离装置560、562以及相关组件(例如，阀门、传感器、控件、管件等)组成了基本的驱动溶质回收/分离系统522。
分离系统522类似于图2所述的分离系统，但是为了替代的例如经由水蒸气或热流体的热集成和直接热应用而被修改。在一些情况下，这样的布置实际上可能具有与直接水蒸气的使用相关联的增加的成本；然而，与电相反地，直接水蒸气的使用能够实现整体的节能。一般地，先前的设计为了再利用浓缩的驱动溶液在最后凝结器处需要大量的冷却水，这是因为在热回收(例如，蒸馏塔)的情况下通向最后凝结器的驱动溶质蒸气来自分离装置560、562的顶部。在图示的实施例中，来自塔顶部的蒸气564、566用来预热被引入下面更详细说明的分离装置560、562的相关联的稀释的驱动溶液520和盐水518。
这样的布置至少具有两个优势：因为蒸气564、566与预热器543a、543b进行交换，所以驱动溶液蒸气564、566至少部分凝结，从而降低最后凝结器574的负荷；这也降低了分离装置560、562的总水蒸气需求。例如，在盐水分离装置562处，当与高能盐水蒸气流564进行交换时，预热使盐水供料518’部分汽化，从而降低装置再沸器573的负荷并且降低了水蒸气需求。通常不单独冷却被排出的盐水544，这对进一步浓缩盐水544而言是优势(例如，较高温度的盐水更有利于结晶处理或其它ZLD处理)。对于离开装置560的产品水552，除非要求具体的产品水排出温度否则通常不冷却它，从而提供额外的节省。如果需要冷却产品水，凝结器574负责实现的节省例如在特定的实施例中比产品水552的任何额外冷却需求超出了总冷却负荷的至少20％。在产品水552需要冷却或其它处理的实施例中，产品水552能够被引导至可选的第二级装置/处理558，第二级装置/方法558必要时能够包括冷却和/或过滤(例如，RO精制)。在RO精制或类似处理的情况下，渗余物(retentate)能够被引导回供料518。
再参照图3A，总的系统500包括一个或多个用于将添加剂(例如，阻垢剂、酸、催化剂等)引入至一个或多个流(例如，供料流514)和/或系统操作的设施545。通常，设施545将包括阀门和进出口装置，并且还可以包括用于其手动或自动操作所需的任何贮存器、传感器和/或控件。图3A还图示了可选阀门577，其用于为来自膜模块512的稀释的驱动溶液520的全部或部分提供旁路。一般地，必要时一部分稀释的驱动溶液520可以绕过分离装置560以维持在返回至膜模块512的浓缩的驱动溶液516中的驱动溶质的特定浓度水平。此外，在前述的一部分稀释的驱动溶液520绕过预热器543a的情况下，这一部分较冷的稀释的驱动溶液520可以有助于进一步降低最后凝结器574的冷却负荷。一般地，提供至最后凝结器574的冷却流体576可以是独立的冷却水源或可以是系统500内需要加热的其它流。在一些实施例中，供料流514可以用作冷却流体以为供料514提供预热，在这种情况下，离开的冷却流体576’被引导至膜模块512以被导入膜模块512。
在操作期间，离开预热器543a的经预热的稀释的驱动溶液520’被导入分离装置560，同时热能(例如，水蒸气)528a经由装置560的再沸器568被导入装置560。离开的热能(例如，凝结的水蒸气)528a’能够在系统中的别处被丢弃或被再利用。被挥发的驱动溶质(和一些溶剂)566形成装置560的顶部产品并且被引导通过预热器543a以预热稀释的驱动溶液520且至少部分地凝结驱动溶质566’，驱动溶质566’在作为浓缩的驱动溶液516被重新引导至膜模块512之前被引导至最后凝结器574。在一个或多个实施例中，部分凝结的驱动溶质566’必要时与一部分稀释的驱动溶液520和/或添加剂(例如，新增驱动溶质、阻垢剂、pH调节剂等)组合以维持期望的驱动溶质浓度和/或驱动溶液516成分。装置560的底部产品是先前所述的产品溶剂(例如，水)552，其可以被进一步处理且输出作为最终产品溶剂552’。
类似地，浓缩供料518被引导至第二分离装置562及其相关联的预热器543b。预热过的盐水518’进入装置562，同时热能528b经由装置562的再沸器573被引入至装置562。离开的热能528b’能够在系统500中的别处被丢弃或被再利用。通过膜逆向流通的任何驱动溶质将与浓缩供料518’内的额外溶剂一起被挥发以形成装置562的顶部产品564，顶部产品564被引导通过预热器543b以预热浓缩供料518且至少部分地凝结顶部产品中包含的任何驱动溶质564’。这些驱动溶质和溶剂在作为浓缩的驱动溶液516被重新导入膜模块512之前被引导至最后凝结器574。在一个或多个实施例中，部分凝结的驱动溶质564’与来自分离装置560的部分凝结的驱动溶质566’、一部分经旁路的稀释的驱动溶液520或添加剂(例如，新增驱动溶质)中的一者或多者结合。装置560的底部产品544是浓缩供料518’的进一步浓缩体，其能够被丢弃或被发送至诸如结晶器以进行进一步处理。
图3B图示了图3A的系统的替代实施例。一般地，图3B的系统被构造为使用不同的流来预热待被处理的各种流。这样的布置(下面将详述)提供用于进一步处理的冷却产品水并且降低了再沸器和最后凝结器的热负荷。一般地，该替代的布置降低了用于驱动溶质回收的直接热应用的水蒸气和冷却水这两者的消耗量。如图3B所示，来自第二分离装置562的汽化驱动溶质和溶剂564被引导至第一分离装置560以用作第一分离装置中热能的来源从而使稀释的驱动溶液520中的驱动溶质汽化。这些汽化驱动溶质566被引导至预热器543b，用于在浓缩的第一溶液518被导入至第二分离装置562之前对浓缩的第一溶液518预热。部分凝结的驱动溶质566’然后如前面参照图3A所述地被引导至最后凝结器574，然后用作浓缩的驱动溶液516返回至渗透驱动膜系统512。第一分离装置560的加热过的底部产品552(例如，产品溶剂)被引导至预热器543a以在稀释的驱动溶液520被引至第一分离装置560之前对稀释的驱动溶液520预热。冷却过的产品552’能够如上面参照图3A所述地被引导至进一步处理558然后作为最终产品552”而被收集。
图3C图示了图3A和图3B的系统的替代实施例。一般地，系统500类似于参照图3A和图3B所述的系统，除了来自第二分离装置562的加热过的盐水(即，底部产品)544用来预热输入的浓缩供料518。冷却过的盐水544’能够被丢弃或被发送用于如这里所述的进一步处理。第一分离装置560的顶部产品(即，汽化驱动溶质)566能够如图所示地被引导至最后凝结器574且/或一部分产品566例如能够使用与第一预热器543a串联的第二预热器或代替产品552作为热媒而被用来预热稀释的驱动溶液。
图3D图示了图3A-3C的系统的又一个替代实施例。一般地，系统500类似于参照图3A-5C所述的系统，来自第二分离装置562的加热过的盐水(即，底部产品)544的一部分用来预热输入的浓缩供料518且一部分在第二分离装置562内再循环。必要时，加热过的盐水544的分配能够使用计量/多路换向阀来实现。冷却过的盐水544’能够被丢弃或被发送用于本文中所述的进一步处理。如图3D所示，第二分离装置562的顶部产品(即，汽化驱动溶质)564被引导至压缩器575以针对第二分离装置562形成真空且降低用于使盐水518中的溶质汽化的温度。压缩蒸气564’如前面参照分离系统522的其它实施例所述地被引导至第一分离装置560。第一分离装置560通常如前所述地操作，顶部产品(即，汽化驱动溶质)566如图所示地被引导至最后凝结器574且/或一部分产品566能够用于预热稀释的驱动溶液。加热过的底部产品(即，产品水)552也能够经由计量阀577a被分配成一部分用于预热稀释的驱动溶液520而另一部分通过装置560再循环。在一个实施例中，用于加热第一分离装置的热能528a是具有凝结物的直接水蒸气(即，仅部分凝结的水蒸气)，该水蒸气被引导至第二分离装置562的再沸器573。
图4图示了替代的渗透驱动膜系统600，其被构造为除了回收驱动溶质以外还提高盐水浓度。如图4所示，系统600包括与驱动溶质回收/分离系统622流体连通的一个或多个正渗透膜模块612(类似于上述的正渗透膜模块)。在具有多个正渗透膜模块612的实施例中，这些模块能够串联、并联或串并组合地布置。模块612还与供料源或流614和浓缩的驱动溶液源或流616流体连通，并且输出浓缩的供料流618(例如，盐水)和稀释的驱动溶液620。驱动溶质回收系统622通常包括与浓缩的供料流618和稀释的驱动溶液620流体连通的一个或多个分离装置，并且还包括任何必需的阀门、换热器、传感器、控件、管件等。
一般地，稀释的驱动溶液620被引导至第一分离装置660，例如热回收设备(例如，一个或多个蒸馏塔和/或膜蒸馏装置)等。在一些实施例中，机械分离法(例如，过滤或化学操作)能够用于代替所述热回收设备或被添加至所述热回收设备。浓缩供料618被引导至第二分离装置662，例如结晶器或用于进一步浓缩的其它热分离器。此外，系统600能够包括一个或多个设施645，其用于将添加剂(例如，阻垢剂、酸、催化剂、晶种等)引入至一个或多个流(例如，供料流614)和/或系统操作。类似于上述的情况，设施645能够包括阀门和进出口装置以及用于其手动或自动操作所需的任何贮存器、传感器和/或控件。
如图4所示，第一分离装置660接收稀释的驱动溶液620且包括再沸器668，如本领域普遍所知，再沸器668被构造为接收热能源628a(例如，水蒸气)且输出耗减的热能流628a’(例如，凝结的水蒸气)，耗减的热能流628a’能够被丢弃或在系统600内再循环(例如，被添加至供料流614用于净化或被用于额外加热)。也如图所示，稀释的驱动溶液620在进入第一分离装置660前通过第一预热器643a，第一分离装置660输出底部产品(通常为加热过的溶剂)652和能够作为再浓缩的驱动溶液616(下述)而被再循环的顶部产品(通常为汽化的驱动溶质和一部分的溶剂)666。在一些情况下，底部产品652能够被回收作为产品溶剂或者被发送用于进一步处理(下述)。在一个或多个实施例中，全部或部分的产品溶剂652能够经由预热器643a而被用于预热输入的稀释的驱动溶液620。冷却过的产品溶剂652’能够被丢弃或被发送用于进一步处理。例如，全部或部分的产品溶剂652、652’能够被引导至额外系统/处理658，诸如过滤(例如，反渗透或纳米过滤)或额外热分离等。在一个或多个实施例中，额外系统658是精制RO单元，其产生更纯净的产品溶剂654和能够被回收至供料流618用于进一步处理的渗余物656。在一些实施例中，类似于参照图3A所述的情况，顶部产品666能够用于预热稀释的驱动溶液620。
如图4所示，全部或部分的浓缩供料618能够被引导至结晶器(例如，强迫循环结晶器)662。通常，浓缩供料618会包含浓度为大约75000至300000总溶解固体(TDS)的盐水，优选地，大约200000TDS或以上的盐水。一般地，浓度越大，盐水浓度处理效率越高。通常的渗透驱动膜系统不能产生足够高的浓缩供料并且需要在浓缩供料能够被送至结晶器或其它ZLD处理之前对浓缩供料进行的额外的热分离/浓缩处理。对更浓缩的盐水进行操作的第二分离装置在也回收额外的驱动溶质的同时消除了对于使渗透驱动膜系统的浓缩输出饱和的额外设备。
一般地，浓缩供料618在进入第二分离装置662(在这种情况下，一个或多个结晶器)前通过第二预热器643b。类似于上述的情况，第二预热器643b接收热能源628b且输出耗减的热能源628b’，耗减的热能源628b’能够被丢弃或在系统600内再循环。通常，某些驱动溶质将会通过膜模块612逆向流通且将会包含在浓缩供料618内。这些驱动溶质和额外的溶剂(统称产品664)在结晶器662内汽化且从结晶器662输出，它们能够与来自第一分离装置660的产品666结合且被回收。
结合产品664、666被引导至最后凝结器674，以将驱动溶质完全吸收进浓缩的驱动溶液616并且在必要时降低再浓缩的驱动溶液616的温度以便在被导入膜模块612。一般地，提供给最后凝结器674的冷却流体676可以是独立的冷却水源或者可以是系统600内需要加热的其它流，诸如供料流614等。在供料流614经由凝结器674被预热的情况下，离开的冷却液体(即，预热过的供料流)676’将被引导回膜模块612以被导入膜模块612。
结晶器662还输出进一步浓缩的盐水浆644，其能够被丢弃或发送用于进一步处理。通常，盐水644被引导至额外的脱水设备(未示出)，例如PCT公开第WO2015/157031号中所述的额外的脱水设备等，该专利的全部内容以引用的方式并入本文。在一个或多个实施例中，盐水644被送至压滤机或离心机，产生的母液644’被引导回结晶器662以用于进一步处理。在一些实施例中，盐水浆644的全部或一部分能够被再循环回结晶器662(例如，盐水浆644的一小部分被再循环而一大部分被引导至压滤机或离心机)。在一些实施例中，结晶回路还包括导入设施645b，其用于将晶种或其它添加剂导入至正在被引导至结晶器662的浓缩供料618和/或盐水644’以例如促进再结晶。
图4图示了使用直接水蒸气引入的驱动溶质回收和盐水浓度系统/处理622。图5所示的系统700类似于图4的系统600，但是包含类似于上面参照图2所述的机械蒸气再压缩，还包括类似于图2所示的再沸器开启水蒸气(srart-up steam)的使用。如图5所示，系统700包含与包括类似上述的第一分离装置760和第二分离装置762的驱动溶质回收/分离系统722流体连通的一个或多个正渗透膜模块712。膜模块712还与供料源或流714和浓缩驱动溶液源或流716流体连通，并且输出浓缩的供料流718和稀释的驱动溶液720，其中稀释的驱动溶液720和浓缩的供料流718如上面参照图4所述地被引至第一分离装置760和第二分离装置762。
如图5所示，驱动溶质回收系统722的分离装置760、762各自分别包括用于回收和再利用被引入对应的装置760、762的热能的热量的一个或多个压缩器770、775。离开第一分离装置760的蒸气766被引向压缩器770，压缩蒸气766’离开压缩器770且被引向再沸器768来降低第一分离装置760的总热能需求。如参照图2所述，通过对蒸气766进行压缩，蒸气凝结温度上升至高于再沸器768的温度以使压缩蒸气766’的潜热能够用作分离装置760的热能供给。压缩器的数量和容量将选择用于适应特定的用途(例如，再沸器处需要的温差、分离装置操作压力、压缩器的压缩比、流速和环境条件)。类似于参照图4所述，离开再沸器768的部分凝结的蒸气766”能够被引向最后凝结器774。
此外，离开结晶器/第二分离装置762的蒸气764也被引向一个或多个压缩器775，压缩蒸气764’离开压缩器775且被引向第二预热器743b以用来降低第二分离装置762的总热能需求。如上所述，提高的蒸气凝结温度使压缩蒸气764’的潜热能够被用作分离装置762的热能供给。用于第二分离装置762的压缩器的数量和容量也将选择用来适应特定的用途。类似于参照图4所述，离开预热器743b的部分凝结的蒸气764”能够被丢弃或者与蒸气766”结合并被引导至最后凝结器774。系统700的剩余部分类似于参照图4所述地进行操作。
图6图示了图5的系统700的替代系统800，但是与图5所示的两个单独子系统不同，系统800具有一体化的机械蒸气再压缩子系统。一般地，除了下面的内容之外，系统800及各种组件与参照图6和图7所述的相同。如图6所示，离开第二分离装置862(在本实施中也是结晶器)的加热过的蒸气864被引向一个或多个压缩器875然后被引导至第一分离装置860作为第一分离装置860的热能输入。类似于上述的情况，第一分离装置860的顶部产品866被引导至一个或多个压缩器870然后被引导至第一分离装置的再沸器868，以此进一步降低第一分离装置860的总热能需求。
与图5的系统700不同，部分凝结的蒸气866”不是被引导至最后凝结器874，而是先被引导至第二预热器843b以对被引向第二分离装置862的浓缩供料818预热。进一步凝结的蒸气866’”然后被引导至最后凝结器874以用于完成浓缩的驱动溶液816的回收和再利用。系统800的剩余部分类似于参照图4和图5所述地操作。
在一些前述的实施例中，驱动溶质回收处理和在一些情况下的额外盐水浓度处理要么经由直接水蒸气要么通过MVC的使用而供给热能。在一些情况下，MVC的使用具有至少部分地与系统中的大和/或多个压缩器和部分凝结的多个点相关联的高资本成本(CapEx)和处理复杂性。此外，第二分离装置(通常是用于进一步浓缩盐水的蒸馏装置)需要在真空下运行以利用任何的部分凝结的驱动溶质蒸气流来给再沸器供能。直接水蒸气系统趋于具有低资本成本且是更简单的处理；然而，直接水蒸气具有高操作成本(OpEx)。例如，在一些设备(例如，供能部)中，生产用水蒸气的费用是电的近两倍，且在这种情况下，驱动溶质蒸气的潜热不被集成返回至系统。水蒸气相对于MVC的另一个优势是，当在盐水浓缩装置(即，第二分离装置)中浓缩来自渗透驱动膜系统的盐水时，水蒸气的使用消除了对于达到在MVC系统中所需的高压缩比从而克服在盐水浓缩装置中的任何沸点升高问题的需要，这种需要可能更加昂贵和复杂并且在一些情况下不可能达到所需的沸点。正因如此，需要既利用直接的生产用水蒸气又利用电/MVC的混合系统以使得用于回收来自渗透驱动膜系统的驱动溶质以及浓缩从渗透驱动膜系统输出的盐水的总CapEx和OpEx费用最小化，同时提供在利用最佳的可用资源方面的灵活性。
图7图示了上面讨论的使用或不使用预热的前面提及的混合系统900的示例。一般地，用于回收驱动溶质和进一步浓缩盐水的系统900能够是将本文中说明的前述系统的各种特征中的任何特征并入的混合方案。在各种实施例中，第二分离装置962使用用于热能输入928的直接水蒸气来操作，而为第一分离装置960使用MVC和来自第二装置962的顶部蒸气作为热能。这种将生产用水蒸气和电结合以用来分离各种流的的配置导致了约一半能量被使用以及在能够使用单个压缩器的情况下CapEx的降低。这样的配置也降低了压缩器所需要的排放压力，这在压缩器的选择方面提供了更大的灵活性。
更加具体地，图7中所示的系统900包括类似于前述的渗透驱动膜系统912，其与供料溶液源914和浓缩的驱动溶液916流体连通且被构造为接收它们。渗透驱动膜系统912还与包括有两个或以上分离装置960、962的驱动溶质回收系统922流体连通，分离装置960、962被构造用于接收从膜系统912输出的稀释的驱动溶液920和浓缩的供料溶液918。
如所示，类似于前述，浓缩的供料溶液918的全部或至少一部分被引导至第二分离装置962，同时热能928的来源被引导至与第二分离装置962相关联的传热设施973(例如，再沸器)。热能928加热第二分离装置内的浓缩的第一溶液，从而造成溶液918内的驱动溶质蒸气和溶剂汽化。直接水蒸气用作用于第二分离装置962的热能928，并且离开装置962的汽化驱动溶质和溶剂964随后在特定的级进入第一分离装置960。
如图7进一步所示，稀释的驱动溶液920的至少一部分与用来补充第一分离装置再沸器968的热需求的汽化驱动溶质和溶剂964一起被引导至第一分离装置960。被引入第一分离装置960的热能使装置内的驱动溶质汽化。离开第一分离装置960的驱动溶质蒸气966被引导至一个或多个压缩器970，在压缩器中它们被机械压缩然后被引导至再沸器968以将额外热能提供给第一分离装置960。再沸器内凝结的蒸气基本上是再浓缩的驱动溶液916，其能够被引导回渗透驱动膜系统912或在用作浓缩的驱动溶液916前被进一步处理(例如，额外的凝结和/或浓缩)。
根据本发明的一个或多个实施例，这里所述的装置、系统和方法通常可以包括控制器，其用于调节或调整系统的装置或组件(例如但不限于执行阀和泵)的至少一个操作参数以及调节通过渗透驱动膜模块或特定系统中的其它模块的一个或多个流体流的性质或特征。控制器可以与被构造用来检测系统的诸如浓度、流速、pH值或温度等至少一个操作参数的至少一个传感器电通信。控制器通常可以被构造为响应于传感器产生的信号产生控制信号以调节一个或多个操作参数。例如，控制器能够被构造为接收渗透驱动膜系统以及关联的预处理系统和后处理系统的任何流、组件或子系统的条件、性质或状态的表示。控制器通常包括促进至少一个输出信号的产生的算法，所述至少一个输出信号的产生通常基于任何表示和目标值或期望值中的一者或多者，例如设定点等。根据一个或多个特定方面，控制器能够被构造为接收任何流的任何测量性质的表示，并且产生针对任何系统组件的控制、驱动或输出信号以降低测量性质偏离目标值的任何偏差。
根据一个或多个实施例，例如可以基于检测到的包括pH值和导电性在内的参数，处理控制系统和方法可以监测各种浓度水平。也可以控制处理液流流速和罐内液位。可以监测温度和压力。可以使用离子选择性探针、pH计、罐内液位和液流流速来检测膜泄漏。还可以通过使用气体对膜的驱动溶液侧进行加压并且在供料水侧使用超声波检测器和/或泄漏的目视观察法来检测泄漏。可以监测其它操作参数和维护问题。例如通过测量产品水流率和质量、热流和电能消耗等，可以监测各种处理效率。例如通过测量如膜系统中的特定点处的供料和驱动溶液的流速确定的通量下降等，可以控制用于生物污染减排的清洁方案。针对盐水流的传感器可以指示何时需要例如使用蒸馏、离子交换、折点氯化或类似方案进行的处理。这可以通过pH、离子选择性探针、傅里叶变换红外光谱法(FTIR)或感知驱动溶质浓度的其它手段来完成。可以监测和追踪驱动溶液条件以补充溶质的添加和/或替换。而且，可以通过常规手段或使用诸如铵或氨探针等探针来监测产品水质量。可以应用FTIR来检测存在的物质种类，提供可用于例如确保工厂正常运行并且识别例如膜离子交换效应等行为的信息。
本领域普通技术人员应当理解，本文中所述的参数和构造是示例性的且实际的参数和/或构造将取决于本发明的系统和技术的具体用途。本领域普通技术人员仅仅使用常规实验也应当认识到或能够确定本发明的具体实施例的等同物。因此，应理解，本文所述的实施例仅以示例的方式提供且在随附权利要求及其等同物的范围内；可以通过有别于具体说明的方式来实施本发明。
此外，还应当理解的是，本发明旨在提供本文中所述的各个特征、系统、子系统或方法以及本文中所述的两个或以上特征、系统、子系统或方法的任何组合，并且如果这些特征、系统、子系统和方法不相互抵触，那么两个或以上特征、系统、子系统和/或方法的任何组合被认为落在本发明的如权利要求书体现的范围内。此外，仅结合一个实施例讨论的动作、元件和特征不意味着被排除在其它实施例的类似作用之外。
Claims (12)
1.一种用于浓缩来自渗透驱动膜系统的供料流和回收来自所述渗透驱动膜系统的驱动溶液的溶质的系统，所述系统包括：
正渗透单元，所述正渗透单元包括具有第一侧和第二侧的至少一个膜，所述至少一个膜的所述第一侧与第一溶液的来源流体连接且所述至少一个膜的所述第二侧与浓缩的驱动溶液的来源流体连接，其中，所述至少一个膜被构造用于以渗透的方式分离所述第一溶液的溶剂，从而形成位于所述至少一个膜的所述第一侧的更浓缩的第一溶液和位于所述至少一个膜的所述第二侧的稀释的驱动溶液；和
分离系统，所述分离系统与所述正渗透单元流体连通且被构造用来接收来自所述正渗透单元的浓缩的第一溶液和所述稀释的驱动溶液，所述分离系统包括：
第一分离装置，所述第一分离装置与所述渗透驱动膜系统流体连通且包括：
第一热回收设备；
第一传热设施，所述第一传热设施与所述正渗透单元流体连通以用于接收所述稀释的驱动溶液，并且所述第一传热设施与所述第一热回收设备的第一入口连接以预热所述稀释的驱动溶液并将所述稀释的驱动溶液引入所述第一热回收设备；
第二传热设施，所述第二传热设施与所述第一热回收设备连接且具有与热能的第一来源连接的入口和与所述第一热回收设备连接的出口，以将热能引导至所述第一热回收设备以使所述第一热回收设备中的所述稀释的驱动溶液内的溶质汽化；
第一出口，所述第一出口用于将汽化的所述稀释的驱动溶液的溶质从所述第一热回收设备中去除，其中，所述第一出口与所述第一传热设施流体连通以将汽化的驱动溶液的溶质作为热能源提供至所述第一传热设施以用于预热所述稀释的驱动溶液；和
第二出口，用于将底部产品从所述第一热回收设备中去除；和
第二分离装置，所述第二分离装置与所述渗透驱动膜系统流体连通且包括：
第二热回收设备；
第一传热设施，所述第一传热设施与所述正渗透单元流体连通以用于接收所述浓缩的第一溶液，并且所述第一传热设施与所述第二热回收设备的第一入口连接以预热所述浓缩的第一溶液并将所述浓缩的第一溶液引入所述第二热回收设备；
第二传热设施，所述第二传热设施与所述第二热回收设备连接且具有与热能的第二来源连接的入口和与所述第二热回收设备连接的出口，以将热能引导至所述第二热回收设备以使所述第二热回收设备中的所述浓缩的第一溶液内的溶质汽化；
第一出口，用于将汽化的溶质从所述第二热回收设备中去除，其中，所述第二分离装置的第一出口与所述第二分离装置的第一传热设施流体连通以将所述汽化的溶质作为热能源提供至所述第二分离装置的第一传热设施以用于预热所述浓缩的第一溶液；和
第二出口，所述第二出口用于将底部产品从所述第二热回收设备去除。
2.一种用于浓缩来自渗透驱动膜系统的供料流和回收来自所述渗透驱动膜系统的驱动溶液的溶质的系统，所述系统包括：
正渗透单元，所述正渗透单元包括具有第一侧和第二侧的至少一个膜，所述至少一个膜的所述第一侧与第一溶液的来源流体连接且所述至少一个膜的所述第二侧与浓缩的驱动溶液的来源流体连接，其中，所述至少一个膜被构造用于以渗透的方式分离所述第一溶液的溶剂，从而形成位于所述至少一个膜的所述第一侧的更浓缩的第一溶液和位于所述至少一个膜的所述第二侧的稀释的驱动溶液；和
分离系统，所述分离系统与所述正渗透单元流体连通且被构造用于接收来自所述正渗透单元的浓缩的第一溶液和稀释的驱动溶液，所述分离系统包括：
第一分离装置，所述第一分离装置与所述渗透驱动膜系统流体连通且包括：
第一热回收设备；
第一传热设施，所述第一传热设施与所述正渗透单元流体连通以用于接收所述稀释的驱动溶液且与热能的第一来源流体连通以用于预热所述稀释的驱动溶液，所述第一传热设施与所述第一热回收设备的第一入口连接以将预热过的所述稀释的驱动溶液引入所述第一热回收设备；
第二传热设施，所述第二传热设施与所述第一热回收设备连接且具有与热能的第二来源连接的入口和与所述第一热回收设备连接的出口，以将热能的所述第二来源引导至所述第一热回收设备以使所述第一热回收设备中的所述稀释的驱动溶液内的溶质汽化；
第一出口，所述第一出口用于将汽化的所述稀释的驱动溶液的溶质从所述第一热回收设备中去除；和
第二出口，所述第二出口用于将底部产品从所述第一热回收设备中去除，其中，所述第二出口与所述第一传热设施流体连通以将所述底部产品作为热能的所述第一来源提供至所述第一传热设施以用于预热所述稀释的驱动溶液；和
第二分离装置，所述第二分离装置与所述渗透驱动膜系统流体连通且包括：
第二热回收设备；
传热设施，所述传热设施与所述正渗透单元流体连通以用于接收所述浓缩的第一溶液并且与热能源流体连通以加热所述浓缩的第一溶液，所述传热设施与所述第二热回收设备的第一入口连接以将加热过的所述浓缩的第一溶液引入所述第二热回收设备，其中，所述第二热回收设备中的所述浓缩的第一溶液内的溶质汽化；
第一出口，用于将汽化的溶质从所述第二热回收设备中去除；和
第二出口，用于将浓缩的盐水从所述第二热回收设备中去除。
3.如权利要求1或2所述的系统，其中，所述第一热回收设备是蒸馏装置。
4.如权利要求1或2所述的系统，其中，所述第二热回收设备是结晶器。
5.如权利要求2所述的系统，还包括一个或多个压缩器，所述一个或多个压缩器与所述第一热回收设备的第一出口流体连通并且与所述第一分离装置的所述第一传热设施或所述第二传热设施中的至少一者流体连通。
6.如权利要求2所述的系统，还包括一个或多个压缩器，所述一个或多个压缩器与所述第二热回收设备的第一出口流体连通并且与所述第二分离装置的所述传热设施流体连通以将所述热能源的至少一部分提供给所述第二分离装置的所述传热设施。
7.如权利要求1或2所述的系统，还包括至少一个凝结器，所述凝结器具有入口和出口，所述凝结器的入口与所述第一热回收设备的第一出口或所述第二热回收设备的第一出口中的至少一者流体连通以用于接收所述第一热回收设备和/或第二热回收设备的顶部产品，所述凝结器的出口与所述正渗透单元流体连通以用于将所述浓缩的驱动溶液提供至所述正渗透单元。
8.一种提高来自渗透驱动型膜系统的盐水浓度并且回收来自所述渗透驱动膜系统的驱动溶液的溶质的方法，所述方法包括以下步骤：
提供来自所述渗透驱动型膜系统的稀释的驱动溶液的来源，其中，所述稀释的驱动溶液包括可热去除的驱动溶质；
提供来自所述渗透驱动型膜系统的浓缩的供料溶液的来源，其中，所述浓缩的供料包括盐水和通过所述膜系统逆向流通的可热去除的驱动溶质；
将所述稀释的驱动溶液的至少一部分引导至第一分离系统；
将热能的第一来源引导至所述第一分离系统；
将所述稀释的驱动溶液中的溶质气化出所述稀释的驱动溶液；
回收来自所述第一分离系统的气化的所述稀释的驱动溶液的溶质；
将来自所述第一分离系统的所述驱动溶液的溶质再循环至所述渗透驱动型膜系统；
将所述浓缩的供料溶液的至少一部分引导至第二分离系统；
将热能的第二来源引导致所述第二分离系统；
将驱动溶质和溶剂气化出所述浓缩的供料溶液；
回收来自所述第二分离系统的气化的所述驱动溶质和溶剂并且从所述第二分离系统排出进一步浓缩的供料溶液；且
将来自所述第二分离系统的所述驱动溶质和溶剂再循环至所述渗透驱动型膜系统。
9.如权利要求8所述的方法，还包括：将所述进一步浓缩的供料溶液引导至压滤机或离心机中的至少一者。
10.如权利要求9所述的方法，还包括步骤：将来自所述压滤机或离心机中的至少一者的所述进一步浓缩的供料溶液重新引导至所述第二分离装置。
11.如权利要求8所述的方法，其中，将所述稀释的驱动溶液的溶质气化出所述第一分离系统的步骤包括：经由蒸馏装置将所述稀释的驱动溶液暴露于热能的所述第一来源。
12.如权利要求8所述的方法，其中，将所述驱动溶质和溶剂气化出所述第二分离系统的步骤包括：经由结晶器将所述浓缩的供料溶液暴露于热能的所述第二来源。
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