CN107708843B - 用于净化液体的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

用于净化液体的方法和系统。所述方法使用多个第一阶段反渗透(RO)单元和至少一个最后阶段反渗透单元净化含盐液体(例如，盐水)。多个第一阶段反渗透单元串联布置。该系列的最后一个反渗透单元中的至少一些浓缩液被再循环回到该单元的渗透侧或输出侧，以提供混合渗透液。混合渗透液然后被连续地传送到该系列中各在前反渗透单元的渗透侧。这提高各阶段的渗透侧中的液体的盐含量，由此，减小跨第一阶段反渗透单元的反渗透膜的浓度差。

Description

用于净化液体的方法和系统
相关申请的交叉引用
这是2015年5月22日提交的、目前未决的本申请人的第14/720,666号在先申请的继续。
技术领域
本发明总体涉及液体处理系统和方法，并且更特别地涉及一种用于使用一系列反渗透单元净化液体的方法，在该方法中，减小跨反渗透单元的膜的压差。
背景技术
不断增大的人口压力、扩大工业化以及各种其它因素已经导致对世界许多地区中的淡水供应的需求日益增加。响应于该需求，已经开发用于净化水的若干技术。这些技术主要从海水去除盐和其它杂质，以产生淡水。
在水(或其它液体)净化中使用的最常见技术中的一个是反渗透(RO)，在该RO中，通过施加大于渗透压力的压力迫使溶剂从高溶质浓度的区域穿过渗透膜到达低溶质浓度的区域。然而，反渗透(RO)技术经受包括低再循环率和膜结垢的特定挑战。这两个挑战控制RO脱盐的经济意义，并且这两个挑战与跨膜的压力有关。更高回收可以通过增大跨膜的压力来获得。然而，压力的这种增大引起(1)由于压紧而促进的更高结垢和(2)膜的浓缩侧中的更高盐浓度。另外，增大的跨膜压力需要昂贵的膜组件和更高的功耗。
在过去已经开发了若干液体净化系统。这种系统的示例在2000年7月19日公开的Uwatech GMBH等人的欧洲专利公开No.1,020,407中找到。该参考(根据附图和英文摘要)描述了通过连续反渗透来处理包含硝酸铵的浓缩废水，以产生工艺水流和再循环的浓缩液。
由此，期望一种解决前面提及的问题的用于净化液体的方法。
发明内容
用于净化液体的方法包括第一阶段液体净化和最后阶段液体净化。第一阶段液体净化包括向多个第一阶段反渗透单元提供含盐液体。最后阶段液体净化包括向最后阶段反渗透单元提供来自第一阶段液体净化的已处理液体，以便通过反渗透脱盐。
第一阶段反渗透单元从第一个反渗透单元到最后一个反渗透单元彼此串联布置。各个第一阶段反渗透单元具有浓缩侧(concentrate side)、渗透侧(permeate side)以及分离浓缩侧与渗透侧的反渗透膜。第一阶段反渗透单元通过使用低截留膜(rejectionmembrane)和/或将盐水从浓缩侧传送到渗透侧以形成混合渗透液来维持跨膜的小离子浓度差。该小离子浓度差减小跨膜的压力梯度。来自第一个反渗透单元的混合渗透液被馈送到最后阶段反渗透单元。最后阶段反渗透单元包括高截留膜并产生纯脱盐水。
本发明的这些和其它特征将在进一步查阅以下说明书和附图时容易变得明显。
附图说明
图1是根据本发明的用于净化液体的系统和方法的第一实施方式的示意图。
图2是结合蒸发器和/或结晶器的根据本发明的用于净化液体的系统和方法的第二实施方式的示意图。
图3是在进入液体进料流中结合纳滤装置的根据本发明的用于净化液体的系统和方法的第三实施方式的示意图。
图4是在进入液体进料流中结合电渗析装置的根据本发明的用于净化液体的系统和方法的第四实施方式的示意图。
图5是在输出液体进料流中结合氢氧化镁回收装置的根据本发明的用于净化液体的系统和方法的第五实施方式的示意图。
类似附图标记贯穿附图一致地指示对应特征。
具体实施方式
用于净化液体的方法包括若干实施方式，各实施方式结合用于净化含盐液体的多个反渗透(RO)单元。如这里所用的，“含盐液体(saline liquid)”是指包含显著浓度的溶解盐(主要为NaCl)的液体。用于净化液体的方法可以用于净化含盐液体(诸如海水、苦咸水、工业废水、市政废水、沥出水、压裂水、油田采出水或需要脱盐的任意其它类型的水)。各实施方式包括用于执行第一阶段液体净化的多个第一阶段反渗透单元和用于执行最后阶段液体净化的最后阶段反渗透单元。第一阶段反渗透单元在第一阶段液体净化内提供多个反渗透阶段。第一阶段反渗透单元从第一个反渗透单元到最后一个反渗透单元彼此串联布置。各个第一阶段反渗透单元具有浓缩侧、渗透侧以及分离浓缩侧与渗透侧的反渗透膜。第一阶段反渗透单元通过使用低截留膜和/或将盐水从浓缩侧传送到渗透侧以形成混合渗透液来维持跨膜的小离子浓度差。该小离子浓度差减小跨膜的压力梯度。来自第一个反渗透单元的混合渗透液被馈送到最后阶段反渗透单元。最后阶段反渗透单元包括用于产生纯脱盐水的高截留膜。
附图中的图1是用于净化液体的方法的第一实施方式的示意图。第一实施方式方法包括执行第一阶段液体净化和最后阶段液体净化。第一阶段液体净化使用被指定为第一个反渗透单元100a、第二个反渗透单元100b以及最后一个反渗透单元100n的一系列第一阶段反渗透(RO)单元来执行。将看到，可以根据期望设置任意可实行数量的反渗透单元。最后阶段液体净化使用至少一个最后阶段反渗透单元101来执行。各第一阶段反渗透单元100a、100b、...100n包括浓缩侧(分别为102a至102n)、渗透侧(分别为104a至104n)以及分离各反渗透单元的浓缩侧与渗透侧的RO膜(分别为106a至106n)。最后阶段反渗透单元101包括浓缩侧103a、渗透侧103b以及RO膜103c。各个第一阶段反渗透单元100a-100n的浓缩侧102a-102n接连地与下一个反渗透单元的浓缩侧为连通关系。各个第一阶段反渗透单元100a-100n的渗透侧104a-104n接连地与在前反渗透单元的渗透侧连通。最后阶段反渗透单元101的浓缩侧103a与一系列第一阶段反渗透单元中的第一个反渗透单元100a的渗透侧104a为连通关系。
第一阶段液体净化包括在第一阶段反渗透单元100a-100n的浓缩侧102a-102n中连续地接收含盐液体的进料流。在各个第一阶段反渗透单元100a-100n中，通过反渗透迫使水从浓缩侧到渗透侧中。将来自最后一个反渗透单元100n的浓缩侧102n的浓缩液(concentrate)的至少一部分转移到最后一个反渗透单元100n的渗透侧104n中，以形成混合渗透液(permeate)。将来自最后一个反渗透单元100n的混合渗透液馈送到紧接在最后一个反渗透单元之前的反渗透单元100n-1的渗透侧104n-1，并且将来自该反渗透单元100n-1的混合渗透液传送到在前反渗透单元100b，以此类推，直到在各个第一阶段反渗透单元中形成混合渗透液为止。因为各第一阶段反渗透单元中的渗透液由来自下一个反渗透单元的再循环浓缩液浓缩，所以各个第一阶段反渗透单元中的渗透液与浓缩液之间存在更小浓度差。这允许跨各第一阶段反渗透单元减小压差，由此允许减小所需的功率。
最后阶段液体净化包括从第一个反渗透单元100a接收混合渗透液的进料流到最后阶段反渗透单元101的浓缩侧103a。如上所述，最后阶段反渗透单元101包括高截留RO膜103c。迫使纯水从最后阶段反渗透单元101的浓缩侧103a到渗透侧103b中，并且从渗透侧103b被释放，以提供已净化液体。来自最后阶段反渗透单元101的浓缩液可以经由管路118被馈送回到第一个反渗透单元100a的浓缩侧102a。
更详细地，第一个反渗透单元100a经由进料流114接收含盐液体(例如，盐水)。迫使水穿过第一个反渗透单元100a的RO膜106a到达渗透侧，剩余浓缩液经由浓缩液管路120a连续地传送到下一个反渗透单元100b的浓缩侧102b。来自该反渗透单元的浓缩液液体经由类似浓缩液管路被连续地传送到下一个反渗透单元。所有反渗透单元100a、100b、...100n的浓缩侧102a、102b、...102n由各浓缩液管路120a、120b、...120n-1彼此串联连接。液体处理装置可以串联地安装在各个浓缩液管路中，所有的浓缩液液体连续地穿过各个装置。由此，第一液体处理装置122a可以安装在第一反渗透单元100a和和第二个反渗透单元100b的浓缩侧102a与102b之间等，倒数第二个液体处理装置122n-2安装在在前反渗透单元的浓缩侧与反渗透单元100n-1的浓缩侧102n-1之间的浓缩液管路120n-2中，并且最后一个液体处理装置122n-1安装在倒数第二个反渗透单元100n-1的浓缩侧102n-1与最后一个反渗透单元100n的浓缩侧102n之间的浓缩液管路120n-1中。这些液体处理装置122a...122n-1通过去除结垢盐、离子和/或其它材料来提供通过本系统的水或其它液体的进一步净化。液体处理装置可以为过滤装置、化学物质播种(chemical seeding)装置、化学物质注入装置和/或纳滤装置，其后可以为另外过滤和/或离子交换。
浓缩液从来自最后一个反渗透单元100n的浓缩侧102n的输出流或浓缩液流108被再循环，通过第一再循环管路110a返回到该反渗透单元的渗透侧104a，以形成混合渗透液，由此增大该反渗透单元的渗透侧104n中的浓缩液水平。最后一个反渗透单元100n的渗透侧104n由第二再循环管路110b连接到紧接在前反渗透单元100n-1的渗透侧104n-1。混合渗透液从反渗透单元系列中的最后一个反渗透单元100n的渗透侧104n被传送到在前反渗透单元100n-1的渗透侧104n-1。该再循环处理继续，再循环管路110n-1将混合渗透液输送到第二个反渗透单元100b的渗透侧104b，并且来自第二个反渗透单元100b的混合渗透液传送到第一个反渗透单元100a的渗透侧104a。来自第一个反渗透单元的混合渗透液被馈送到最后阶段反渗透单元101。由产物水或溶剂管路112从最后阶段反渗透单元101排出在最后阶段反渗透单元101的渗透侧103b中的已净化液体。
将渗透液从各连续反渗透单元再循环到在前反渗透单元的处理具有以下效果：提高各反渗透单元的渗透侧中的浓缩液水平，由此，减小跨RO膜的浓度差。由此，需要更少的压力和更少的功率来迫使浓缩液穿过各反渗透单元的RO膜。进一步地，第一阶段反渗透单元的RO膜可以为将允许盐离子渗漏通过膜以减小跨膜的浓度差的低截留膜或渗漏膜。换言之，第一阶段反渗透单元的RO膜可以在某种程度上更多孔(更多可渗透)，而无其它要求。更大的多孔性和渗透性还得到降低的成本。
附图中的图2提供了用于净化液体的方法的第二实施方式的示意图。将看到，图2的第二实施方式的组件与图1的第一实施方式的对应组件基本相同，但图2实施方式的组件由开头是数字“2”的附图标记来指定，而不是如图1的实施方式的情况中那样由开头是“1”的附图标记来指定。除了安装在浓缩液或输出流或管路108的输出或排放端处的另外蒸发器和/或结晶器装置224以外，图2所例示的系统的操作的方法与以上对于图1的第一实施方式的操作方法描述的相同。任意剩余溶剂(例如，水等)从最后一个反渗透单元100n的浓缩侧102n经过浓缩液输出管路108，并且借助该装置224被处理，并且固体被回收(例如，从溶液沉淀，在液体蒸发之后被回收等)，以便用于期望使用或处理。
附图中的图3提供了用于净化液体的方法的第三实施方式的示意图。将看到，图3的第三实施方式的大部分组件与图1和图2的第一实施方式和第二实施方式的对应组件基本相同，但图3实施方式的组件由开头是数字“3”的附图标记来指定，而不是如图1和图2的实施方式的情况中由开头是“1”或“2”的附图标记来指定。除了在进料流314与蒸发器和/或结晶器装置324之间的并行系统之外，图3所例示的系统的操作的方法与以上对于图2的实施方式的操作方法描述的大体相同。在图3的系统中，纳滤装置326在进料流管路中串联安装在第一个反渗透单元304a的上游。纳滤装置326包括由进入进料流管路314a馈送的浓缩侧328、向向外进料流管路314b输送渗透液并从那里向第一RO反渗透单元300a的浓缩侧302a输送渗透液的渗透侧330、以及两侧328与330之间的反渗透单元元件332(例如，纳米反渗透单元等)。连接管路318在向外进料流管路314b与最后阶段反渗透单元301的浓缩侧303a之间延伸，以向最后阶段反渗透单元301输送已处理液体。最后阶段反渗透单元301还以以上对于图1的第一实施方式描述且在图2的第二实施方式中使用的方式来从第一个反渗透单元300a的渗透侧304a接收混合渗透液。
图3的第三实施方式还包括金属和固体回收装置334，该金属和固体回收装置经由互连管路320a从纳滤装置326的浓缩侧328接收并处理浓缩液，水和/或溶剂回收装置336经由互连管路320b接收并处理从金属和固体回收装置334输出的液体。由来自水和/或溶剂回收装置336的管路320c且由来自蒸发器/结晶器装置324的管路320d从系统输送已处理水或溶剂。由来自金属和固体回收装置334的输出308a且由来自蒸发器/结晶器装置324的输出308b从系统去除已处理固体和/或浓缩液。两个输出308a、308b可以延伸到单个输出目的地，与延伸到单个产物水或溶剂收集点的两个管路320c和320d类似。
附图中的图4提供了用于净化液体的方法的第四实施方式的示意图。将看到，图4的第四实施方式的大部分组件与图3的第三实施方式的对应组件基本相同，但图4实施方式的组件由开头是数字“4”的附图标记来指定，而不是如图3的实施方式的情况中由开头是“3”的附图标记来指定。除了安装电渗析装置426代替在图3的系统的纳滤装置326之外，图4所例示的系统的操作的方法与以上对于图3的实施方式的操作方法描述的大体相同。电渗析装置426包括输入侧或浓缩侧428、输出侧或渗透侧430以及其间的电渗析单元或组件432。浓缩液液体被提供到装置的浓缩侧428，并且在那里由电渗析单元432处理，已处理液体经由管路414b从输出侧430被传送到阶段1RO单元400a的浓缩侧402a，并且经由管路418被传送到最后反渗透单元401的浓缩侧403a。电渗析装置426的浓缩侧428也经由管路420a向金属和/或固体回收装置434提供浓缩液，图4的系统的剩余部分与图3的系统相同地操作。
附图中的图5提供了用于净化液体的方法的第五实施方式的示意图。将看到，图5的第五实施方式的大部分组件与图2的第二实施方式的对应组件基本相同，但图5实施方式的组件由开头是数字“5”的附图标记来指定，而不是如图2的实施方式的情况中由开头是“2”的附图标记来指定。除了布置在最后一个RO单元500n的浓缩侧502n与结晶器524之间的氢氧化镁(MgOH)回收装置538(该结晶器524可以与图2至图4的实施方式的蒸发器和/或结晶器装置相同)之外，图5所例示的系统的操作的方法与以上对于图2的实施方式的操作方法描述的大体相同。浓缩液流管路508a从最后阶段RO单元500a的浓缩侧502n延伸到MgOH回收装置538以供给。由第二浓缩液管路508b向蒸发器和/或结晶器524供给来自MgOH回收装置538的输出。由另外馈送管路540向MgOH回收装置馈送为石灰和/或高镁石灰、苏打灰和/或氢氧化钠形式的另外浓缩液，MgOH回收装置处理所输入的材料并从其输送MgOH。其它浓缩液由管路或馈送管路508b输送到结晶器或蒸发器和/或结晶器524，以便处理。蒸发器和/或结晶器524输送硫酸钾和结晶盐的固体输出，为产物水形式的液体由管路520来输出。产物水还由管路512从最后阶段反渗透单元501的渗透侧503b输送。这两条管路512和520如图5指示的可以将它们的产物水输出输送到公共收集点。
由本方法产生的产物水的体积可以为给水流(feed water)的体积的至少70％。例如，产物水的体积可以为给水流的体积的大约70％至大约95％。作为以上所描述的实施方式的效率的示例，在离子交换在第二个第一阶段反渗透单元之后的情况下，根据本示教，借助包括具有三个反渗透单元的第一阶段液体净化和具有一个反渗透单元的最后阶段液体净化的反渗透系统处理脱盐工厂截留流。以下的表1示出了三个浓缩液流以及来自最后阶段液体净化的渗透液流的浓缩液的浓度。从第三个RO单元的浓缩液流可以实现26％的浓度。
表1
Figure GDA0002715368830000071
将注意，可以通过添加高镁石灰进一步处理如在以上表1中描述的来自第三个RO单元的浓缩液流，以回收氢氧化镁。进一步地，如在以上表1中描述的来自第三个RO单元的浓缩液流可以被馈送到如图2至图5的示意图所示的三阶段结晶器，在该结晶器中，可以获得多达99.8％纯度的石膏、氢氧化镁以及结晶盐，并且回收水。
应理解，本发明不限于以上所描述的实施方式，但包含在所附权利要求范围内的任何和所有实施方式。

Claims (10)

1.一种用于净化液体的方法，所述方法包括以下步骤：
执行第一阶段液体净化，所述第一阶段液体净化包括设置多个第一阶段反渗透单元，所述第一阶段反渗透单元从第一个反渗透单元到最后一个反渗透单元彼此串联布置，各个所述第一阶段反渗透单元具有浓缩侧、渗透侧以及分离所述浓缩侧与所述渗透侧的反渗透膜，各个所述第一阶段反渗透单元的所述浓缩侧连续地与下一个反渗透单元的浓缩侧连通，各个所述第一阶段反渗透单元的所述渗透侧连续地与在前反渗透单元的渗透侧连通，
其特征在于，
执行最后阶段液体净化，所述最后阶段液体净化包括：提供至少一个最后阶段反渗透单元，所述最后阶段反渗透单元具有浓缩测、渗透侧、以及将所述最后阶段反渗透单元的所述浓缩侧与所述最后阶段反渗透单元的所述渗透侧分离的反渗透膜，所述最后阶段反渗透单元的浓缩侧与一系列所述第一阶段反渗透单元中的所述第一个反渗透单元的渗透侧连通；
其中，所述第一阶段液体净化包括：在所述第一阶段反渗透单元的所述浓缩侧中连续地接收含盐液体的进料流；通过反渗透迫使来自所述第一阶段反渗透单元的所述浓缩侧的纯水进入到所述第一阶段反渗透单元的所述渗透侧中；将来自所述最后一个反渗透单元的所述浓缩侧的浓缩液的至少一部分转移到所述最后一个反渗透单元的所述渗透侧中，以形成混合渗透液；以及在所述最后一个反渗透单元之前的所述反渗透单元的所述渗透侧中连续地接收混合渗透液；以及
所述最后阶段反渗透包括：在所述最后阶段反渗透单元的所述浓缩侧中接收混合渗透液的进料流；迫使来自所述最后阶段反渗透单元的所述浓缩侧的纯水进入到所述最后阶段反渗透单元的所述渗透侧中；以及从所述最后阶段反渗透单元的所述渗透侧释放所述纯水，以提供已净化液体。
2.根据权利要求1所述的用于净化液体的方法，所述方法还包括以下步骤：
设置纳滤或电渗析装置，所述纳滤或电渗析装置至少与所述第一阶段反渗透单元中的所述第一个反渗透单元的所述浓缩侧连通；
设置与所述纳滤或电渗析装置连通的金属和固体回收装置；
设置与所述金属和固体回收装置连通的溶剂回收装置；以及
借助所述纳滤或电渗析装置、所述金属和固体回收装置以及所述溶剂回收装置对液体进行处理，
其中，所述纳滤或电渗析装置、所述金属和固体回收装置以及所述溶剂回收装置相互串联设置。
3.根据权利要求2所述的用于净化液体的方法，所述方法还包括以下步骤：
在相邻的第一阶段反渗透单元的所述浓缩侧之间设置液体处理装置；以及
向所述液体处理装置供给含盐液体的进料流，
其中，所述液体处理装置包括至少一个处理装置，所述至少一个处理装置选自以下项构成的组：过滤系统、化学物质播种系统、化学物质注入系统。
4.根据权利要求2所述的用于净化液体的方法，其中，各个所述第一阶段反渗透单元中的所述反渗透膜是低截留膜，并且所述最后阶段反渗透单元的所述反渗透膜是高截留膜。
5.根据权利要求2所述的用于净化液体的方法，所述方法还包括以下步骤：
设置蒸发器和/或结晶器装置，所述蒸发器和/或结晶器装置与所述第一阶段反渗透单元中的所述最后一个反渗透单元的所述浓缩侧连通；以及
将来自所述最后一个反渗透单元的所述浓缩侧的浓缩液的至少一部分传送到所述蒸发器和/或结晶器装置。
6.根据权利要求2所述的用于净化液体的方法，所述方法还包括以下步骤：设置与所述最后一个反渗透单元的所述浓缩侧连通的氢氧化镁回收装置。
7.一种用于净化液体的系统，其特征在于：
多个第一阶段反渗透单元，所述第一阶段反渗透单元从第一个反渗透单元到最后一个反渗透单元彼此串联布置，各个所述第一阶段反渗透单元具有浓缩侧、渗透侧以及分离所述浓缩侧与所述渗透侧的反渗透膜，各个所述第一阶段反渗透单元的所述浓缩侧连续地与下一个反渗透单元的浓缩侧连通，各个所述第一阶段反渗透单元的所述渗透侧连续地与在前反渗透单元的所述渗透侧连通；
至少一个最后阶段反渗透单元，所述最后阶段反渗透单元具有浓缩侧、渗透侧以及分离所述最后阶段反渗透单元的所述浓缩侧与所述最后阶段反渗透单元的所述渗透侧的反渗透膜，所述最后阶段反渗透单元的所述浓缩侧与所述第一阶段反渗透单元中的所述第一个反渗透单元的所述渗透侧连通。
8.根据权利要求7所述的用于净化液体的系统，其中，所述系统还包括：
纳滤或电渗析装置，所述纳滤或电渗析装置至少与所述第一个反渗透单元的所述浓缩侧连通；
金属和固体回收装置，所述金属和固体回收装置与所述纳滤或电渗析装置连通；以及
溶剂回收装置，所述溶剂回收装置与所述金属和固体回收装置连通，
其中，所述纳滤或电渗析装置、所述金属和固体回收装置以及所述溶剂回收装置串联地布置。
9.根据权利要求8所述的用于净化液体的系统，其中，各个所述第一阶段反渗透单元中的所述反渗透膜是低截留膜，并且所述最后阶段反渗透单元的所述反渗透膜是高截留膜。
10.根据权利要求8所述的用于净化液体的系统，所述系统还包括：
蒸发器和/或结晶器装置，所述蒸发器和/或结晶器装置与所述第一阶段反渗透单元中的所述最后一个反渗透单元的所述浓缩侧连通。
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