CN108136335A - 通过正向渗透、离子交换和再浓缩的流体净化 - Google Patents
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Abstract
一种用于净化流体的设备(100)，其中设备(100)包括渗透单元(102)，渗透单元配置为预净化待净化的流体，通过将待净化的流体正向渗透过渗透膜(104)进入包括溶解的第一离子尤其是第一阳离子和第一阴离子的室(106)；离子交换单元(108)，离子交换单元配置为将至少部分的第一离子，尤其是至少部分的第一阳离子和第一阴离子中的至少一种，交换为第二离子，尤其是第二阳离子和第二阴离子中的至少一种；以及再浓缩单元(110)，再浓缩单元配置为在离子交换后将预净化的流体分离为净化的流体以及富含各离子尤其是阴离子和阳离子的再浓缩物。
Description
本发明涉及用于净化流体的设备以及净化流体的方法。
按照惯例，膜分离过程，尤其是基于反向渗透的过程，应用于净化流体诸如水。在这样的过程中，将压力施加于整个原始流体由此连同所有污染物压在膜上。由于膜的孔太小不能允许污染物通过孔，污染物将直接累积在膜上。这可导致诸如积垢和生垢的问题，以及一段时间后膜的损毁。由于这个原因，需要在其被引入与反向渗透膜相互作用之前对待净化的原始流体预处理或预加工。该预加工可能涉及筛分、添加化学品(用于凝结和絮凝)、沉降、过滤(例如使用沙子，在单级或串联双级配置中)、添加阻垢剂和微滤。这很难处理且需要相当大量的能量。
可替换的净化流体(诸如水)的过程是基于蒸馏原理的热处理，尤其是多级闪蒸(MSF)。尽管该工艺是可靠的，但它涉及比反向渗透甚至更高的能量消耗(例如7至10kWh/m3)。
US 5,098,575公开了用于降低第一液体中第一物质的浓度的方法和设备，通过使第一液体相对于中间液体经由第一半透体而自然渗透，该中间液体是第二物质在第二液体中的溶液或混悬液，该第二液体与第一液体相同并穿过第一半透体，该第二物质比第一物质具有较大的分子尺寸且不能穿过第一半透体，由此增加了中间液体中第二液体的量，并然后经由第二半透体穿过第二液体使中间液体在压力下反向渗透。
US 7,901,577公开了通过杂化离子交换纳米过滤工艺进行淡化，其中离子交换之后是压力驱动纳米过滤。当穿过那些多价离子形式的离子交换器时，盐水中的钠和氯的一价离子被交换为当量浓度的多价离子(例如，钠离子交换为镁离子或氯离子交换为硫酸根离子)。得到的溶液比包含一价钠离子和氯离子的最初溶液具有较低的渗透压，且相比于传统的反向渗透需要较低的跨膜压用于膜淡化。从膜工艺中浓缩的排出流被用作耗尽的离子交换器的再生剂，其已经被转换为一价阴离子或一价阳离子形式。
WO 2011/059751公开了使用工程渗透的分离工艺，通常涉及从第一溶液提取溶剂来浓缩溶质，其使用第二浓缩的溶液将来自第一溶液的溶剂吸引穿过半透膜。使用工业来源或商业来源的低级废热可提高效率。
WO 2010/067063公开了用于从溶液中分离溶剂的工艺，所述工艺包括使溶液在反向渗透条件下穿过选择性膜来从溶液中分离溶剂，或通过热法从溶液中分离溶剂来制备具有增加溶质浓度的残余溶液，并将在选择性膜的渗余物侧的至少部分的溶液和/或至少部分的残余溶液通过纳米过滤膜来从部分溶液中分离另外的溶剂。
然而，仍然很难用合理的能量消耗有效地净化流体。
本发明的目的是提供稳健而可靠的系统来用合理的能量消耗有效地净化流体。
为实现上文限定的目标，根据独立权利要求，提供了用于净化流体的设备以及净化流体的方法。
根据本发明示例性的实施方式，提供了用于净化流体的设备，其包括渗透单元、离子交换单元和再浓缩单元，渗透单元配置为预净化流体，该流体是待净化的(因此也表示为“待净化流体”)，通过正向渗透(尤其通过渗透扩散)，正向渗透也表示为正渗透或直接渗透，将待净化的流体通过渗透膜(即适合于、能够或特别配置为支持渗透现象的任何膜)进入包括作为汲取液的溶解的第一离子(尤其是第一阳离子和第一阴离子)的室，其中该渗透扩散可导致汲取液中离子浓度的降低或稀释；离子交换单元配置为将至少部分的第一离子(尤其是至少部分的第一阳离子和/或第一阴离子)交换为第二离子(尤其是第二阳离子和/或第二阴离子)；以及再浓缩单元配置为在离子交换后将预净化流体分离为净化的流体(其也可表示为渗透流体或产品流体)和富含各离子(尤其是阴离子和阳离子)的再浓缩物(其也可表示为渗余物)。
根据本发明的另一个示例性实施方式，提供了净化流体的方法，其包括预净化待净化的流体，通过将待净化的流体正向渗透过渗透膜进入包括溶解的第一离子(尤其是第一阳离子和第一阴离子)的室，随即通过离子交换器将至少部分的第一离子(尤其是至少部分的第一阳离子和第一阴离子中的至少一种)交换为第二离子(尤其是第二阳离子和第二阴离子中的至少一种)，并在交换后将预净化的流体分离为净化的流体和富含各离子(尤其是阴离子和阳离子)的再浓缩物。
在本申请的上下文中，术语“流体”可具体表示液体和/或气体介质，可选地包括固体颗粒。
在本申请的上下文中，术语“正向渗透”可具体表示使用半透膜以引起流体(诸如水)与溶解的溶质和/或其他污染物的分离的渗透工艺。该分离的驱动力是渗透压梯度，如此用高浓度的汲取液(相对于进料溶液)来引导流体通过膜净流进汲取液中，因此将进料流体(即待净化的流体)与其溶质和其他污染物有效地分离。相比于正向渗透，完全不同工艺的反向渗透使用液压作为分离的驱动力，其用于抵消渗透压梯度，否则渗透压梯度将有助于流体从渗透侧流向进料侧。
在本申请的上下文中，术语“离子交换”可具体表示在两种电解质之间或电解质溶液和复合物(诸如离子交换基质，其可包括树脂、凝胶等)之间离子(即阳离子和/或阴离子)的交换。该术语可用于表示使用离子交换器(诸如固体聚合物离子交换器或矿物离子交换器，或任何其他种类的离子交换器)净化、分离以及水性溶液和其他含离子溶液去污化的工艺。
根据本发明的示例性实施方式，正向渗透、离子交换和再浓缩的过程在流体净化方面协同组合，并被整合至优选可逆操作、优选闭合循环处理系统的框架中。特别地，浓度梯度与正向渗透膜结合可用作净化机理。离子交换与再浓缩结合允许有效地回收用于正向渗透的汲取液以及允许完成净化。这样稳健且可靠的处理系统具有显著降低能量消耗的优点(尤其，根据本发明的示例性实施方式，如按传统反向渗透所需的耗时的高能量消耗和原始流体的繁琐预处理是非必要的；除此之外，本发明的示例性实施方式还可以在流体净化工艺期间产生或回收能量，其可进一步提高设备的能量效率)。唯一值得注意的是，此种系统的净能量消耗可能出现在再浓缩单元(例如当使用纳米过滤膜时，那里必须生成(例如20巴或40巴或任何其他适合的压力值的)压力)。通过正向渗透，通过允许流体而不允许其污染物通过能够或适合于支持渗透现象的任何期望的渗透膜，流体被预净化(优选地，而非必要地在基本上无压的工艺中(即不需要提供大量的外部压力))，这归因于在渗透膜一侧的待净化流体(低离子浓度)中和在渗透膜相对的另一侧的汲取液(高离子浓度)中的阳离子和阴离子的浓度差。当配置渗透膜以便阳离子和阴离子由于尺寸原因和/或电荷原因基本不能通过膜时，唯一可能的浓度平衡过程是待净化流体(而不是其污染物)从原始流体经由膜向用高浓度阳离子和阴离子调节汲取液的室扩散。随后，预净化的流体和离子(即阳离子和阴离子)的混合物可成为离子交换的对象，其中混合物的离子被交换为其他离子。在完成这种离子交换之后，可通过将流体的第一部分(例如，但不一定是主要部分)与溶解在流体的第二部分(例如，但不一定是较小的部分)的交换的离子分离来再浓缩包含其他离子的流体。在这种再浓缩之后，流体的第一部分构成净化的流体(如需要，其可以或可以不在随后进行进一步净化)，而具有交换离子的流体的第二部分可以进行进一步处理来建立闭合循环过程。为此目的，交换的离子可以由前面提到的原离子在进一步离子交换过程中再取代(其可优选地在已经用于前文提及的离子交换过程的相同的离子交换单元内完成，从而再生离子交换单元)，由此产生的具有回收的原离子的流体可再次用作下一批待净化流体的汲取液。
在下文中，将说明设备和方法的另外的示例性实施方式。
在实施方式中，离子交换单元由两个独立的离子交换元件(诸如柱)组成，其中第一离子交换元件实现阳离子(例如Na+->Mg2+)的交换，而第二离子交换元件实现阴离子(例如Cl-->SO4 2-)的交换。其他配置也是可能的。
在实施方式中，上文描述的正向渗透可另外由压力辅助渗透支持。在这类实施方式中，可对待净化的流体施加额外的压力以便进一步促进流动并增加通过渗透膜的流速。通过采取此措施，可以进一步增加通量。
在实施方式中，渗透单元配置为促进待净化流体流过渗透膜，同时抑制待净化流体中污染物流向室(容纳汲取液)并同时抑制第一离子(尤其第一阳离子和第一阴离子)以及其他杂质(悬浮的或在溶液中的)通过渗透膜流向待净化流体。这可以通过相应的配置渗透膜的孔大小来实现。另外或可替代地，渗透也可能取决于颗粒的电荷态和渗透膜(为本领域技术人员所知的库仑定律(Coulomb's Law)和道南排斥效应(Donnan ExclusionEffect))。
在实施方式中，离子交换单元被配置为将至少部分的第一阴离子交换为第二阴离子和/或将至少部分的第一阳离子交换为第二阳离子。例如，可能只有阳离子被交换。可替代地，也可能只有阴离子被交换。也可能阳离子和阴离子二者都被交换。可以特别地选择第一阴离子和第一阳离子以获得通过渗透膜汲取纯流体的高效率。通过用第二阴离子取代第一阴离子和用第二阳离子取代第一阳离子二者，可能将这些优点与特别地选择第二阴离子和第二阳离子的另外优点结合以便在再浓缩单元获得有效的再浓缩。
在实施方式中，离子交换单元配置为在再浓缩之前和再浓缩之后可逆地交换至少部分的离子(尤其是至少部分的阴离子和/或至少部分的阳离子)。作为实例，此类可逆离子交换可能意味着在从渗透单元向再浓缩单元的正向流体流动方向发生的第一离子交换过程(例如2CI-->SO4 2-和/或2Na+->Mg2+)，以及意味着在从再浓缩单元回到渗透单元的反向流体流动方向发生的逆向第二离子交换过程(例如SO4 2-->2CI-和/或Mg2+->2Na+)。这允许将流体净化工艺整合至闭合循环过程中并保持少量废物。
根据本发明的示例性实施方式，以反向方向的离子交换和以正向方向的离子交换可在一个且相同的离子交换单元中进行。可替代地，可以实施两种独立的离子交换单元，一种用于以正向方向的离子交换，而另一种用于以反向方向的离子交换。以反向方向的离子交换也可用于在以正向方向的离子交换之后再生离子交换单元，反之亦然。
在实施方式中，离子交换单元被配置为通过再浓缩之后的离子交换在离子交换为各自其他离子(尤其是阴离子和阳离子)之后交换回至少部分的离子(尤其至少部分的阴离子和/或至少部分的阳离子)。进一步的离子交换在再浓缩物或渗余物的离子(例如其不通过再浓缩膜等，而通过热处理等分离)和在再浓缩单元上游预净化流体中已被交换的各自其他阴离子和/或阳离子之间完成。
在实施方式中，再浓缩单元被配置为在离子交换之后通过再浓缩膜过滤预净化流体，以便净化的流体通过再浓缩膜，而至少部分的离子交换的离子(尤其是阴离子和阳离子)被再浓缩膜留存且由此被再浓缩。例如，此种再浓缩膜可以是纳米过滤膜、超滤膜、微滤膜和/或反向渗透膜。然而，其他类型的膜也是可能的。通过再浓缩膜实现再浓缩，能量消耗可以保持很低。
另外或可替代地提供再浓缩膜，再浓缩单元可配置为通过对流体的热处理实现再浓缩。例如，热处理可选自由多级闪蒸、多效蒸馏和太阳能蒸馏组成的组中。
另外或可替代地提供用于再浓缩的再浓缩膜和/或热处理，再浓缩单元可配置为通过由膜蒸馏、蒸气压缩淡化、冷冻处理、电渗析和Ionenkraft(“离子力”，如由SaltworksTechnologies实施的)工艺组成的组中的至少一种实现再浓缩。
在实施方式中，设备包括用于驱动预净化流体从离子交换单元流向再浓缩单元的流体驱动单元。此种流体驱动单元可以是提供(或额外的)泵力的泵，该泵力用于将预净化流体输送到再浓缩单元并建立足够的压力。
在实施方式中，至少部分的第一阳离子和/或至少部分的第一阴离子在溶液中具有电荷态的绝对值，该值低于至少部分的第二阳离子和/或至少部分的第二阴离子在溶液中的电荷态绝对值。更具体地，第一阳离子和第一阴离子中的至少一种可以是一价阳离子或阴离子，而第二阳离子和第二阴离子中的至少一种可以是多价的(尤其是二价的)阳离子或阴离子。具有此种构造，在正向(即以从渗透单元向再浓缩单元的方向)离子交换期间可以减少颗粒的数量，这对再浓缩的效率有积极的影响。除此之外，当膜表面充电(膜的ζ电位)排斥相应的带电颗粒时通过较高电荷态也可以简化沉积，并通过道南排斥效应保留逆向充电的抗衡离子。
另外或可替代地，第一阳离子小于第二阳离子和/或第一阴离子小于第二阴离子。因此，再浓缩单元的再浓缩膜可设置有较大的孔，由此增加了在再浓缩单元中回收净化流体的效率，而不存在相关数量的(较大的)离子无意中通过再浓缩膜的危险。
另外或可替代地，交换的第二离子可能比第一离子(例如水中的H2SO3，其在液体中溶解为H+和HSO3-)具有更好的热沉积能力。更通常地，离子交换可以被调整，从而改善再浓缩过程，例如使后者更有效。
在实施方式中，第一阴离子(Cl-)和第一阳离子(Na+)代表溶解的氯化钠(NaCl)。氯化钠具有促进正向渗透的有利特性/性能。氯化钠包括一价阳离子和一价阴离子。另外或可替代地，第二阴离子(SO4 2-)和第二阳离子(Mg2+)可代表溶解的硫酸镁(MgSO4)。当取代2CI-->SO4 2-和2Na+->Mg2+时，作为(至少基于膜的)再浓缩的相关参数的颗粒数量可以有利地减少。这降低了渗透压并因此降低了能量消耗，特别是再浓缩的能量消耗。氯化钠(NaCl)和硫酸镁(MgSO4)二者都是无害的、便宜和容易获得的材料。然而，作为氯化钠和硫酸镁组合的替代物，盐/离子化合物的任何其他组合(例如LiCl替代NaCl)可以在其他示例性实施方式中使用。
在实施方式中，设备包括能量产生单元，该能量产生单元配置为在操作设备期间产生能量，尤其是从渗透单元中基于渗透的压力水平中。当在汲取液室中的流体的压力水平由于正向渗透而增加时，涉及到该压力水平增加的势能或升高的能量例如可用于再次用流体向下流动的能量给涡轮机供能。例如，可能涉及本发明的示例性实施方式的能量生产过程是压力延滞渗透。
在实施方式中，能量产生单元配置为操作设备供应至少部分的产生的能量。因此，该设备的至少部分的能量消耗可通过在流体净化工艺期间产生的能量贡献。这进一步减少了设备操作期间的净能量消耗。
在实施方式中，设备包括压力交换单元(其可用作能量回收单元)，该压力交换单元配置为在(尤其从)从再浓缩单元传送至离子交换单元的流体和(尤其至)从离子交换单元传送至再浓缩单元的流体之间传输压力。尤其是，来自再浓缩单元流体的高压可以被转移至流向再浓缩单元低压的流体。此种压力交换单元，如图2所示的实例，可在下游流体和上游流体之间高效率的转移压力。能量回收的其他工艺也可以实施，例如实施涡轮机、皮尔逊泵(像由Spectra Watermakers建造的泵)等。
在实施方式中，设备被配置为闭合循环系统，其中阴离子和阳离子在闭合循环内被回收和再利用。这使得流体净化系统特别有效并减少了废物量。
在实施方式中，设备被配置为由淡化装置(诸如海水淡化装置或半咸水淡化装置)、便携式(尤其是背包式)移动水净化设备、用于为建筑净化水的生活用水净化设备、用于为工厂净化水的工业用水净化设备、农业用水净化设备和矿井水净化设备组成的组中的至少一种。然而，其他应用也是可能的。尤其是，该设备可用于基本上任何废水回收和再利用目的，尤其是用于公共供水和废物处理(例如在市政部门中)。
上文限定的方面和本发明的另外方面将从下文待述的实施方式的实例中显而易见，并将参照实施方式的这些实例进行说明。
参考实施方式的实例将在下文更详细地描述本发明，但本发明并不限于这些实例。
图1例示了根据本发明的示例性实施方式用于净化流体的设备的示意图。
图2例示了根据本发明的示例性实施方式的设备的压力交换单元。
附图中的插图是示意图。在不同的附图中，相似的或相同的元件具有相同的附图标记。
在进一步详细描述附图之前，基于已开发的示例性实施方式将总结一些基本的考虑。
本发明的示例性实施方式可涉及以下概念中的一者或多者：
-正向渗透可用作用于水净化的过程(尤其用于水处理或水淡化)。在相应的系统中，通过正向渗透将待净化的流体预处理或预加工是可能的，但不是必需的。
-可以实施可逆离子交换以降低用于基于膜的再浓缩的汲取液的渗透压。例如，离子交换可将NaCl交换为MgSO4。然而，材料的许多其他组合是可能的，其可以通过可逆离子交换来交换，以便获得随后再浓缩的优势。
-可以实施再浓缩阶段(优选，但不必需，基于膜的和/或热基于膜的)。
-可选地，能量回收机构可以整合到流体净化工艺(参见图1中附图标记118)。
-理想地，能量产生机构可以整合到流体净化工艺(参见图1中附图标记116)。
根据本发明的示例性实施方式，提供了具有高产出和低能耗的渗透水处理，其可以被用于，例如，饮用水处理、废水处理、海水淡化(包括半咸水(brackwater)淡化)等。示例性实施方式可应用在公共和工业供水以及废水管理中、在矿业中、在农业中、在军事部门中、在海军中以及用于食品加工。根据本发明的示例性实施方式，飞行器和航天器应用也是可能的。
根据本发明的示例性实施方式，系统的优点是高能量效率和高稳健性。此种系统的操作简单，且只涉及在操作员所需的技能(其使系统特别适合较低发达地区)和维护(其使系统适合于困难的应用)方面做较少的努力。
该工艺所需的化学品数量很少，其降低了成本和污染，并缓解了后勤工作。考虑到工艺中涉及的足够小的压力值，可以在系统中实施简单且有成本效益的部件。通过使用针对多价离子的离子交换，可以获得小压力值，从而相应地降低汲取液的渗透压。因此，压力管可以由塑料制成，而不是钢。足以实施简单的阀门和泵等。与热净化系统相比，根据本发明的示例性实施方式，用于净化流体的系统可以在任何期望的位置实施，因为它独立于任何经济热源(诸如由电场散发的热量)。
涉及本发明示例性实施方式的功能原理是正向渗透的物理现象，根据此通过半透膜将溶液彼此分离来平衡它们的浓度。
没有分离膜，溶解的颗粒将均匀地分布在室两侧的整个体积中(在混合熵的影响下)。由于提供尺寸只能让待净化的流体(尤其是水)通过膜而不能让污染物和离子二者通过膜的渗透膜有意地防止此情况，平衡的唯一可能就是稀释较高浓度的汲取液直到浓度差平衡或在稀释的溶液侧的液柱的静水压力抵消渗透压。为此目的，在室中在与待净化流体相对的渗透膜一侧提供汲取液。该汲取液应具有比待过滤或净化的流体(即原始流体)的溶液更高的离子浓度。非常有利的是，在每次循环后可以将汲取液再浓缩，从而分离获得的纯流体或产品流体。这允许协同获得净化的流体和渗透剂的再浓缩物(即在汲取液中的渗透活性溶解物质)。通过这样基本上无损回收汲取液，可以获得闭合循环工艺。
相应的系统将会参考图1在下文中进一步详述：
图1例示了根据本发明的示例性实施方式用于净化流体的设备100的示意图。待净化的流体从流体源120进入在渗透膜104左手侧的容纳空间122。
设备100包括配置为预净化待净化流体的渗透单元102，通过将待净化的流体正向渗透过渗透膜104进入室106，该室包括作为汲取液的第一溶解盐(在示出的实施方式中为氯化钠NaCl)的溶解的第一阳离子(在示出的实施方式中为Na+)和第一阴离子(在示出的实施方式中为Cl-)。渗透膜104是被配置的半透膜(尤其在孔径或ζ电位方面)使得其可被作为待净化流体的水通过，而被配置的半透膜使得待净化的原始流体中的污染物不能通过以及汲取液的第一阳离子和第一阴离子不能通过。在流体净化工艺开始之前，在液体载体诸如水中溶解的第一阳离子和第一阴离子位于室106中。例如在海水淡化的情况中，原始流体可以是有污染物的海水，且也可能包括溶解的氯化钠，即可能也包含一定浓度的第一阳离子(Na+)和第一阴离子(Cl-)。然而，在室106中的离子(即阳离子和阴离子)的浓度(例如5％或更大)相比于原始流体的浓度(例如3％或更小)应该更大。正向渗透单元102配置为通过正向渗透现象驱动，促进待净化流体通过渗透膜104的流动，同时抑制来自待净化流体的污染物向室106的流动，并同时抑制第一阳离子和第一阴离子经通过渗透膜104流向待净化的流体。如箭头124所示，这汲取纯水通过渗透膜104，同时迫使原始流体(其也被表示为进料溶液、进料水或进料流体)的污染物保留在容纳空间122中。
如附图标记126所示，如此加工的预净化流体与溶解的氯化钠(Na+、Cl-)一起流入离子交换单元108。离子交换单元108配置为将第一阳离子(Na+)交换为第二阳离子(Mg2+)，并将第一阴离子(Cl-)交换为第二阴离子(SO4 2-)。因此，该离子交换将一价小离子交换为对渗透压有明显积极影响的二价较大离子(更准确的说，有利地降低了渗透压)，因此改善了下文所述的再浓缩效率。技术人员将了解其他离子和/或其他价比是可能的。
在该初级离子交换之后，离子交换的预净化流体向前，经由压力交换单元118，至再浓缩单元110，如附图标记128、132所示。压力交换单元118，具体如图2所示，配置为在两种相对的流体之间传输压力，这两种相对的流体在离子交换单元108和再浓缩单元110之间流动并具有等压能量回收部件的功能。
此外，设备100包括流体驱动单元114诸如用于增加预净化流体从离子交换单元108流向再浓缩单元110的压力的泵。
根据本发明的示例性实施方式，压力交换单元118和流体驱动单元114可以整合形成一种共有实体(common entity)，即具有完整的能量回收功能的泵，该泵满足在上游和下游流动的流体之间压力交换的任务，以及在上游方向驱动流体(诸如克拉克泵(Clarkpump)或皮尔逊泵(Pearson pump)，如由Spectra Watermakers制造的)。
再浓缩单元110被配置为在离子交换后将预净化流体分离为净化的流体(其也可表示为渗透水或产品水或产品流体)以及富含各第二阳离子(Mg2+)和第二阴离子(SO4 2-)的再浓缩物(其也可表示为渗余物)。通过在离子交换后由再浓缩单元110的再浓缩膜112(和/或热法)诸如纳米过滤膜过滤预净化流体实现再浓缩，以便净化的流体通过再浓缩膜112且可被传送至目的地130，诸如消耗净化水的终端用户。
包括高浓度的第二阳离子(Mg2+)和第二阴离子(SO4 2-)的流体的另一部分被再浓缩膜112留存。该被再浓缩膜112留存的包括高浓度的第二阳离子和第二阴离子的流体的这另一部分然后经由压力交换单元118引导回离子交换单元108，附图标记134、136。随后，如上文提及的相同的离子交换单元108在所述的再浓缩后，在另外的离子交换过程中，将第二阴离子交换回第一阴离子(SO4 2-->2Cl-)并将第二阳离子交换回第一阳离子(Mg2+->2Na+)。因此，离子交换单元108高度有利地配置用于在再浓缩之前和在再浓缩之后可逆地交换离子。因此，设备100作为闭合循环系统操作，其中阴离子和阳离子在闭合循环中持续地并重复地回收和再利用，不需要为每批待净化的水向系统供应新的汲取液。
如附图标记138所示，回收的汲取液然后被引导回室106，其中它可被用于净化新的待净化的并从流体源120输送的水。
已被供应进容纳体积122并已不能通过渗透膜104的富含污染物的流体转送至排水管140诸如废水处理。富含污染物的流体也可能被引入新的净化循环中。
可选地，可提供能量生成单元116，其配置为从渗透单元102中(更具体地在汲取液侧)基于渗透的上升压力水平中生成能量。简而言之，可以说在汲取液中相应的压力增加包含可使用的能量。参照US 3,906,250。如图1中各种箭头示意性地所示，能量生成单元116配置为操作设备100的各种部件中的一种或多种供应生成的能量。
下文中，设备100的操作将被进一步详述：
在渗透单元102中，净化的水从污染的原始水侧(根据图1，渗透膜104的左手侧)汲取至汲取液侧(根据图1，渗透膜104的右手侧)，并由此稀释在室106中的汲取液。
可选地，该过程可以同时结合压力延滞渗透来产生能量。例如，该能量可被用来向设备100的一种或多种部件供应操作能量。
正向渗透之后，在室106中获得的稀释的汲取液然后流经离子交换单元108。在相应的离子交换过程期间，汲取液中小的且一价的离子(Na+、Cl-)被较大的且二价(或更通常多价的，例如三价)的离子(Mg2+、SO4 2-)取代。结果，汲取液的渗透压明显降低。在根据图1的离子的实例中，两个Na+离子可与一个SO4 2-离子结合，且两个Cl-离子可与一个Mg2+离子结合，这允许溶解的颗粒数量减少一半，其可因此将渗透压降低一半。
在随后的基于膜的再浓缩中，这导致了所需的液压和由此的能量消耗的大量减少。当实施其他再浓缩单元110(即除了基于膜的再浓缩单元110)时，离子交换单元108的配置可适于获取与渗透压减少无关的相应的优点。基于热的再浓缩的实例将是针对离子的交换，其可比在渗透单元102中使用的离子更低的温度下热沉积。相应的实例将是CO2-NH3。
其中离子交换是可逆的本发明的实施方式是非常优选的但非强制的。
接下来，离子交换溶液流过压力交换单元118。压力交换单元118将浓缩物的流体流(从再浓缩单元110流回至离子交换单元108)的压力的(优选大，例如大于50％)百分比(例如97％)转移至稀释的汲取液(从离子交换单元108流向再浓缩单元110)。
正向流动的预净化水然后通过流体驱动单元114，其可以是用于提供期望的或所需的剩余压力(即所需压力和压力交换单元118的正向流动的预净化水下游的压力之间的差值)的增压泵。
随后，正向流动的预净化水流向再浓缩膜112。另一个室150具有两个流体出口154、156，再浓缩膜112位于该室中，且正向流动的预净化水经由流体入口152流入该室中。
渗透物，即纯水和由此的最终产物，经由出口154流向目的地130。
然而浓缩物(或渗余物)经由出口156流回至压力交换单元118，并将具有低损耗的仍然存在的压力传递到从离子交换单元108流到再浓缩单元110的稀释汲取液，以便于再浓缩单元110在压力方面预加载后者。该压力也可能用于为产生电流的涡轮机供能，被供应于增压器等。
在离开压力交换单元118后，浓缩物优选但非强制以相对于稀释的汲取液的流动方向相反的方向流动，第二次通过可逆操作的离子交换单元108并将二价离子(Mg2+、SO4 2-)交换为原一价离子(Na+、Cl-)。这增加了(例如加倍了)汲取液中的渗透压。
最终，浓缩物流回到渗透单元102中，且该循环再一次从头开始。
接下来，设备100的各过程步骤和部件将进一步详述。
在渗透单元102内，基于正向渗透原理的任何配置都是可能的，即其中较高浓度的溶液从较低浓度的溶液中萃取溶剂诸如水。这可以通过人工制备汲取液(如图1)来实现，然而也可能实施渗透稀释或渗透能量回收等。然而，渗透应与(优选可逆的)离子交换和随后的再浓缩结合。例如，可能用具有较低渗透压的辅助流体(诸如污水或废水)稀释待净化的流体(诸如水)，以便于实际待净化的流体和辅助流体的混合物的净化(例如淡化)然后可以用较低浓度的流体实现。
至于在离子交换单元108中进行的(优选可逆的)离子交换，有利于在无外部的或独立的再生溶液下，通过引导在再浓缩单元110(若需要在浓缩过程后)中产生的溶液第二次通过离子交换单元108(优选但非强制在与起始流向相反的方向)来操作离子交换。有利地，在每个循环中，设备100可将具有预先确定的、可复制的且通常相同组成的人工产生的干净的稀释汲取液供应至离子交换单元108。
为了再生或再浓缩汲取液，可实施再浓缩膜112，其通过过滤在再浓缩单元110中保留溶解的离子，以便该离子可用于可逆离子交换过程的再生。例如，在本文可进行以下膜分离过程中的一种：纳米过滤、反向渗透(例如改成海水反向渗透或半咸水反向渗透)、超滤、微滤等。
然而，对于再浓缩还可能实施可涉及蒸馏的热工艺。例如，可应用多级闪蒸、多效蒸馏和/或太阳能蒸馏。进一步可替代地，通过膜蒸馏、蒸气压缩淡化、冷冻过程、电渗析或Ionenkraft方法可完成再浓缩。至于此种非基于膜的再浓缩过程的情况，离子交换单元108中的离子交换可然后针对对随后的再浓缩具有积极影响的离子交换渗透剂。至于热再浓缩的实例，初级离子可被交换为能在较低温度下沉积的次级离子。
如上文所述，能量回收过程可选地包含在净化流体工艺中。此种能量回收的实例是等压能量回收(例如以压力交换单元118的形式)、用于生成电流的涡轮机、涡轮增压器、具有完整的能量回收功能的泵(其可优选地替代流体驱动单元114)(诸如皮尔逊泵或克拉克泵，如Spectra Watermakers制造的)。
图2例示了根据本发明的示例性实施方式的设备100的压力交换单元118。
作为根据本发明的示例性实施方式的能量回收部件的实例的压力交换单元118的功能原理如下：浓缩物的流流经压力交换单元118并带着一定量(例如大约95％)的再浓缩单元110的所需入口压力离开压力交换单元(在之前的循环中，该浓缩物带着例如约98％的入口压力离开再浓缩单元110，且压力交换单元118可具有97％的效率程度)。
如图1和图2所示，压力交换单元118是等压能量转移部件，其将液压从一个流体流转移到另一个流体流上。此种过程可在明显较大程度的效率下进行，就好像需要能量类型的转换。
如图2可见，在从离子交换单元108流向再浓缩单元110(参见附图标记128、132)的初级流体和从再浓缩单元110流向离子交换单元108(参见附图标记134、136)的次级流体之间实现压力交换。旋转活塞(未示出)布置在套202(诸如柱体)内。箭头204表明处于压力下的相应流体，而箭头206表明处于压力较小或低压状态的相应流体。
在其中不应该实施能量回收的实施方式中，实施背压阀(可选地与泄压阀结合)是有利的，尤其当基于膜的再浓缩单元110将在设备100中实施时。
作为对根据图2配置的替代，例如可能实施涡轮机、增压器、皮尔逊泵和/或克拉克泵(例如如Spectra Watermakers制造的)。
应该值得注意的是，术语“包含”不排除其他元件或步骤，且“一(a)”或“一(an)”不排除复数。另外与不同实施方式相关的所述元件可以结合。
还应值得注意的是，权利要求中的附图标记不应解释为限制了权利要求的范围。
本发明的实施不限于图中所示和上文所述的优选的实施方式。相反，根据本发明甚至在根本上不同的实施方式的情况下使用所示溶液和原理的多重变体是可能的。
Claims (15)
1.一种用于净化流体的设备(100)，所述设备(100)包括：
渗透单元(102)，配置为预净化待净化的流体，通过将待净化的流体正向渗透过渗透膜(104)进入室(106)，所述室包括溶解的第一离子，尤其是第一阳离子和第一阴离子；
离子交换单元(108)，配置为将至少部分的所述第一离子，尤其是至少部分的所述第一阳离子和所述第一阴离子中的至少一种，交换为第二离子，尤其是第二阳离子和第二阴离子中的至少一种；
再浓缩单元(110)，配置为在所述离子交换后将预净化的流体分离为净化的流体以及富含各离子尤其是阴离子和阳离子的再浓缩物。
2.根据权利要求1所述的设备(100)，其中，所述渗透单元(102)配置为促进待净化的所述流体流过所述渗透膜(104)，同时抑制来自待净化的所述流体的污染物流向所述室(106)，且同时抑制所述第一离子尤其是所述第一阳离子和所述第一阴离子通过所述渗透膜(104)流向待净化的所述流体。
3.根据权利要求1或2所述的设备(100)，其中，所述离子交换单元(108)配置为将至少部分的所述第一阴离子交换为所述第二阴离子和/或将至少部分的所述第一阳离子交换为所述第二阳离子。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的设备(100)，其中，所述离子交换单元(108)配置为在再浓缩之前以及再浓缩之后，将至少部分的所述离子尤其是至少部分的所述阴离子和所述阳离子中的至少一种可逆地交换。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的设备(100)，其中，所述离子交换单元(108)配置为通过进一步的反向离子交换在离子交换为各自其他离子尤其是各自其他阴离子和阳离子之后交换回至少部分的所述离子尤其是至少部分的所述阴离子和所述阳离子中的至少一种，优选地在相同的离子交换单元(108)中根据在再浓缩之前、再浓缩之后的所述离子交换来操作。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的设备(100)，其中，所述再浓缩单元(110)配置为在所述离子交换后，通过再浓缩膜(112)过滤所述预净化的流体，以便净化的流体穿过所述再浓缩膜(112)，而通过所述再浓缩膜(112)留存至少部分的离子交换的离子，尤其是阴离子和阳离子。
7.根据权利要求6所述的设备(100)，其中，所述再浓缩单元(110)包括由纳米过滤膜、超滤膜、微滤膜和反向渗透膜组成的组中的至少一种。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的设备(100)，其中，所述再浓缩单元(110)配置为通过所述流体的热处理实现再浓缩，尤其是通过选自由多级闪蒸、多效蒸馏和太阳能蒸馏组成的组中的热处理。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的设备(100)，包括以下特征中的至少一种：
其中所述再浓缩单元(110)配置为通过由膜蒸馏、蒸气压缩淡化、冷冻处理、电渗析和Ionenkraft工艺组成的组中的至少一种实现再浓缩；
包括流体驱动单元(114)，其配置为提供或增强作用在从所述离子交换单元(108)流向所述再浓缩单元(110)的所述预净化流体的驱动力；
其中至少部分的所述第一离子，尤其是所述第一阳离子和所述第一阴离子中的至少一种，在溶液中具有的电荷态的绝对值低于至少部分的所述第二离子尤其是所述第二阳离子和所述第二阴离子中的至少一种在溶液中的电荷态的绝对值；
其中至少部分的所述第一离子，尤其是所述第一阳离子和所述第一阴离子中的至少一种，是一价离子，尤其是阳离子或阴离子，以及至少部分的所述第二离子，尤其是所述第二阳离子和所述第二阴离子中的至少一种，是多价离子，尤其是二价离子，尤其是阳离子或阴离子；
其中所述第一阳离子和所述第二阳离子依据离子特性选择，尤其依据热沉积特性，以便在所述再浓缩单元(110)中增加再浓缩的效率；
其中所述第一阳离子比所述第二阳离子小和/或所述第一阴离子比所述第二阴离子小；
其中所述第一阴离子和所述第一阳离子代表溶解的氯化钠；
其中所述第二阴离子和所述第二阳离子代表溶解的硫酸镁；
其中所述离子交换单元(108)配置为将至少部分的所述第一离子可逆交换为第二离子，尤其是所述离子交换单元(108)配置为通过所述再浓缩而再生。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的设备(100)，包括能量产生单元(116)，其配置为在操作所述设备(100)期间产生能量，尤其从所述渗透单元(102)的基于渗透的压力水平中。
11.根据权利要求10所述的设备(100)，其中，所述能量产生单元(116)配置为操作所述设备(100)供应产生的能量。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的设备(100)，包括压力交换单元(118)，包括以下特征中的至少一种：
所述压力交换单元(118)配置为在，尤其由，从所述再浓缩单元(110)传送至所述离子交换单元(108)的流体与，尤其到，从所述离子交换单元(108)传送至所述再浓缩单元(110)的流体之间传输压力；
所述压力交换单元(118)包括由涡轮机、增压器、克拉克泵和皮尔逊泵组成的组中的至少一种。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的设备(100)，配置为闭合循环系统，其中至少部分的所述离子，尤其是至少部分的所述阴离子和/或至少部分的所述阳离子，在闭合循环内回收和再利用。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的设备(100)，配置为由海水淡化装置、半咸水淡化装置、便携式尤其是背包式移动水净化设备、用于为建筑净化水的生活用水净化设备、用于为工厂净化水的工业用水净化设备、农业用水净化设备、矿井水净化设备、用于净化流体的市政设备(100)、用于净化流体的海军设备(100)、用于净化流体的飞行器设备(100)以及用于净化流体的航天器设备(100)组成的组中的至少一种。
15.一种净化流体的方法，所述方法包括：
通过将待净化的所述流体正向渗透过渗透膜(104)进入室(106)来预净化待净化的所述流体，所述室包括溶解的第一离子，尤其是第一阳离子和第一阴离子；
随即通过离子交换单元(108)将至少部分的所述第一离子，尤其是至少部分的所述第一阳离子和所述第一阴离子中的至少一种，交换为第二离子，尤其是第二阳离子和第二阴离子中的至少一种；
在离子交换之后，将所述预净化的流体分离为净化的流体以及富含各离子尤其是阴离子和阳离子的再浓缩物。
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