CN109475818B - 多段渗透辅助的反渗透系统和方法 - Google Patents

Abstract

本文公开了用于净化和浓缩液体进料流的系统和工艺。在该系统中，将从反渗透段的高压侧输出的浓缩液体用作被称为渗透辅助反渗透的构造中的反渗透段的低压侧的提取液。这降低了跨过膜的渗透压差，从而允许获得高溶质浓度，加速了液体的净化。通过以逆流布置布置多个渗透辅助反渗透段也可以获得降低的系统压力。与用于高浓度流的传统热工艺相比，降低了整体系统能耗。

Description

多段渗透辅助的反渗透系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2016年6月6日提交的美国临时专利申请序列No.62/346,116和2017年3月7日提交的美国临时专利申请序列No.62/467,858的优先权。这些公开内容通过引用整体并入本文。

背景技术

本公开涉及通过从液体进料流中除去各种溶质来净化液体进料流以获得净化的渗透物或输出流的系统和方法。特别地，预期这些方法可用于盐水的脱盐和卤水的浓缩。以逆流渗透辅助反渗透(OARO)布置来布置多个反渗透段，与传统的反渗透工艺相比，逆流渗透辅助反渗透布置允许使用降低的压力和整体更低的能量消耗。另外，该布置允许将这种系统应用于这样的流，该流被浓缩至超过反渗透通常实用的浓度。

渗透膜是半渗透屏障，其允许较小分子(通常为溶剂分子，例如水)通过，同时阻止相对较大的分子或离子(例如溶解在溶剂中的溶质)的通过。渗透压通常与渗透膜两侧的液体之间的溶质浓度差有关。反渗透(“RO”)是向含有超过渗透压的较高溶质浓度的渗透膜一侧施加压力的工艺，其用于反向驱动渗透工艺，即驱动溶剂通过渗透膜至具有较低溶质浓度的一侧。RO适用于广泛的应用，特别是当需要从溶剂中除去盐和/或溶解的固体时，并且通常用于脱盐。

为了实现增加的溶剂分离，必须施加更高的驱动压力。然而，由于许多可用的渗透膜的操作压力限制，增加驱动压力并不总是可行的。已经使用了其他方法，如蒸馏(例如，多级闪蒸、真空等)；机械蒸汽再压缩；热蒸汽再压缩；正渗透；和/或单级或多级蒸发器。与反渗透相比，这些方法通常都是相对能量密集的。其他方法依赖于使用多个段间泵，阀门，从膜的低压侧到高压侧的旁路，以及混合相似浓度的流的管道，以提高工艺效率。然而，实际上，这样的设置操作起来很复杂，尤其是在启动和工艺异常期间。

仍然需要不太复杂的反渗透方法和系统，该方法和系统允许净化液体，但在降低的压力下操作和/或具有降低的整体系统能量消耗，并且可以与具有高溶质浓度和低溶质浓度的液体一起使用。

发明内容

本公开提出了满足这些需求的部分级联的逆流反渗透系统。本文的各种实施方案中公开了用于净化液流的系统和方法，其中以部分级联的逆流布置对反渗透段进行分段。与常规布置相比，本文公开的布置在具有类似的分离效率的情况下允许降低渗透压差，净化具有非常高的溶质浓度的溶液，以及在降低的压力下操作。

本文公开了用于净化液体进料流以获得渗透物的系统，包括：(a)初始渗透辅助反渗透段，其具有高压侧和低压侧，该高压侧具有用于接收液体进料流的高压侧入口和用于输出再循环流和浓缩物流的高压侧出口，该低压侧具有用于接收来自高压侧出口的再循环流的低压侧入口和用于输出稀释流的低压侧出口；(b)具有一个或多个串联布置的中间渗透辅助反渗透段的中间区段，其中各个中间段具有：具有高压侧入口和高压侧出口的高压侧，具有低压侧入口和低压侧出口的低压侧，排出高压侧出口的再循环流和浓缩物流，被送到低压侧入口的再循环流，以及排出低压侧出口的排出流；并且其中中间段接收来自初始渗透辅助反渗透段的稀释流并输出净化流；和(c)最终反渗透段，其具有：高压侧，具有用于接收净化流的高压侧入口和用于输出废料流的高压侧出口，以及输出渗透物的低压侧。

在一些实施方案中，最终反渗透段的废料流与来自初始渗透辅助反渗透段的稀释流合并并由中间区段接收。该系统还可以包括用于增加稀释流的压力的加压装置。在其他实施方案中，最终反渗透段的废料流与液体进料流合并，并由初始渗透辅助反渗透段接收。

有时，该系统还包括减压设备，其中至少初始渗透辅助反渗透段的再循环流通过该减压设备，以降低再循环流的压力。此外，该系统还可以包括位于各个中间渗透辅助反渗透段的高压侧出口处的能量回收设备。

在特定实施方案中，该系统还包括(i)进料泵，其用于对由初始渗透辅助反渗透段接收的液体进料流进行加压，(ii)一个或多个段间泵，其用于对由中间区段接收的稀释流进行加压，以及(iii)最终泵，其用于对由最终反渗透段接收的净化流进行加压。

在特定实施方案中，中间区段具有第一中间渗透辅助反渗透段和第二中间渗透辅助反渗透段，第一中间渗透辅助反渗透段接收来自初始渗透辅助反渗透段的稀释流，而第二中间渗透辅助反渗透段的高压侧接收第一中间反渗透段的排出流，净化流是第二中间渗透辅助反渗透段的排出流，并且最终反渗透段的废料流与第一中间渗透辅助反渗透段的排出流合并，并由第二中间渗透辅助反渗透段接收。

有时，该系统还包括用于对液体进料流进行预处理的装置。预处理装置可包括电容去离子系统和正渗透系统中的至少一者。而且，该系统还可以包括超声处理系统。

在一些实施方案中，初始渗透辅助反渗透段具有多个初始渗透辅助反渗透模块，其中各个初始渗透辅助反渗透模块的低压侧出口输出产出流，并且使产出流合并以形成稀释流。有时，对于各个初始渗透辅助反渗透模块，将高压侧出口排出的输出流分流，以形成供给到低压侧出口的再循环流。可以使再循环流通过阀门或能量回收设备，之后在将其再循环流进料到低压侧出口。

在其他实施方案中，中间区段具有多个中间渗透辅助反渗透段或模块，其中各个中间渗透辅助反渗透段/模块的低压侧出口输出产出流，并且使产出流合并以形成净化流。有时，对于各个中间渗透反向段/模块，将高压侧出口排出的输出流分流，以形成供给到低压侧出口的再循环流。可以使再循环流通过阀门或能量回收设备，之后将其再循环流进料到低压侧出口。

在一些其他实施方案中，初始渗透辅助反渗透段具有多个初始渗透辅助反渗透模块，其中各个初始渗透辅助反渗透模块的低压侧出口输出产出流，并且将各个产出流送至单独的渗透物浓缩段，该渗透物浓缩段输出浓缩物流和渗透物流。换句话说，各个初始反渗透模块都具有专用的渗透物浓缩段。

在其他实施方案中，中间区段具有多个中间渗透辅助反渗透段或模块，并且各个中间渗透辅助反渗透段/模块的低压侧出口输出产出流。将各个产出流送至单独的渗透物浓缩段，其输出浓缩物流和渗透物流。再次，换句话说，各个中间渗透辅助反渗透段/模块具有专用的渗透物浓缩段。

该系统还可以包括具有高压侧和低压侧的压力延迟渗透段。压力延迟渗透段的高压侧接收高压浓缩物流并输出高压稀释液。压力延迟渗透段的低压侧接收稀释液并输出浓缩液。高压浓缩物流是通过对(a)初始区段的浓缩物流和(b)中间区段的浓缩物流中的至少一者进行加压而产生的。

所述高压稀释液可以供给产生高压浓缩物流的压力交换器，和/或供给能量回收设备。

可以配置/操作压力延迟渗透段，使得流过高压侧和低压侧的流体是逆流或顺流的。

还公开了用于净化液体进料流以获得渗透物的方法，包括：将液体进料流进料至如上所述的系统。

最终反渗透段的废料流可以与来自初始渗透辅助反渗透段的稀释流合并并由中间区段接收。

该方法还可以包括在将稀释流与废料流合并之前增加稀释流的压力。

在一些实施方案中，稀释流的溶质浓度约等于合并之前废料流的溶质浓度。

最大系统压力可小于300psig。

在一些实施方案中，液体进料流的溶质浓度为约3重量％至约12重量％；初始反渗透段的浓缩物流具有约7重量％至约25重量％的较高溶质浓度。

该系统的能量消耗可为每产生1立方米渗透物小于4.0kWh。

在一些实施方案中，所述系统还包括用于对由初始渗透辅助反渗透段接收的液体进料流进行加压的进料泵，用于对由中间区段接收的稀释流进行加压的段间泵，以及用于对由最终反渗透段接收的净化流进行加压的最终泵。有时，进料泵、段间泵和最终泵的操作压力在彼此的50psig之内。在其他实施方案中，段间泵的操作压力和最终泵的操作压力大致相等。在又一些其他实施方案中，段间泵的操作压力比进料泵和最终泵的操作压力低至少50psig。

在特定实施方案中，从液体进料流中除去的溶质是氟化物、硼、氨或硝酸盐。

在特定实施方案中，所述方法还包括在将液体进料流进料到系统之前对液体进料流进行预处理。预处理可包括进行电容去离子和进行正渗透中的至少一者。而且，该方法还可以包括将超声频率施加到由于对液体进料流进行预处理而输出的浓缩物流。

本文还公开了包括至少一个渗透辅助反渗透模块的净化系统，其中该至少一个渗透辅助反渗透模块包括：液体进料流，其被分离成进料输入流和进料旁路流；高压侧；和低压侧。高压侧接收进料输入流并输出浓缩物流，并且低压侧接收进料旁路流并输出排出流。

可以操作至少一个渗透辅助反渗透模块，使得流过高压侧和低压侧的流体是逆流或顺流的。

进料旁路流可在进入低压侧之前通过能量回收设备或压力回收设备。

在一些实施方案中，在将液体进料流分离成进料输入流和进料旁路流之前对其进行预处理。可以通过电容去离子系统或正渗透系统对液体进料流进行预处理。可以使用超声处理模块或系统通过下游超声处理来进一步处理由电容去离子系统产生的浓缩物流。

如上所述，至少一个渗透辅助反渗透模块可以是用于从液体进料中流获得渗透物的初始段或中间区段的一部分。

净化系统还可包括具有高压侧和低压侧的压力延迟渗透段，其中压力延迟渗透段的高压侧接收高压浓缩物流并输出高压稀释液；其中压力延迟渗透段的低压侧接收稀释液并输出浓缩液；并且其中高压浓缩物流是通过对至少一个渗透辅助反渗透模块的浓缩物流进行加压而产生的。

高压稀释液可以供给产生高压浓缩物流的压力交换器，和/或供给能量回收设备。

可以操作净化系统的压力延迟渗透段，使得流过高压侧和低压侧的流体是逆流或顺流的。

本文还公开了用于净化液体进料流以获得排出流的方法，包括：将液体进料流分离成进料输入流和进料旁路流；将进料输入流送至渗透辅助反渗透模块的高压侧；和将进料旁路流送至渗透辅助反渗透模块的低压侧；其中低压侧输出排出流。可以使用上述净化系统进行这些方法。

以下更具体地描述这些和其他非限制性特征。

附图简要说明

以下是附图的简要说明，其中附图是出于说明本文公开的示例性实施方案的目的而给出的，而不是为了限制本发明的目的。

图1A是根据本公开的实施方案的第一逆流级联(cross-current cascading)的RO布置的示意图。

图1B是在包括在各段处的能量回收设备的图1A的逆流级联的RO布置的示意图。

图1C是根据本公开的实施方案的第二逆流级联的RO布置的示意图。这里，最终段的废料流被再循环到初始段而不是中间区段。

图2A是示出根据本公开的渗透辅助反渗透段内的渗透辅助反渗透模块的第一布置的示意图。这里，将各个模块的稀释流合并成单一较大的稀释流。

图2B是示出根据本公开的渗透辅助反渗透段内的渗透辅助反渗透模块的第二布置的示意图。这里，将各个模块的稀释流分别进一步处理成进一步稀释流和浓缩物流。

图3A是示出根据本公开的渗透辅助反渗透段内的渗透辅助反渗透模块的第三布置的示意图。这里，各个模块的进料流被分流成两个流，其中将这两个流供给至模块的高压侧和低压侧。这里，各个模块内的流体流动是逆流的。

图3B是示出根据本公开的渗透辅助反渗透段内的渗透辅助反渗透模块的第四布置的示意图。图3B类似于图3A，各个模块的进料流被分流成两个流，其中将这两个流供给至模块的高压侧和低压侧。这里，各个模块内的流体流动是顺流的。

图4是根据本公开的实施方案的在一个或多个段中具有多个OARO模块的逆流级联的RO布置的示意图。这里，将一个模块的高压侧的输出用作下一个模块的高压侧的输入，并且将一个模块的低压侧的输出用作下一个模块的低压侧的输入。流动是逆流的。

图5是根据本公开的实施方案的具有多个中间逆流渗透辅助反渗透段的逆流级联的RO布置的示意图。

图6是逆流级联的RO布置的示意图，该逆流级联RO布置示出了根据本公开的实施方案的压力延迟渗透(PRO)系统。PRO系统使用浓缩物流来产生电力或者来从本文所述的渗透辅助反渗透系统起作用。

图7是根据本公开的实施方案的具有电容去离子和超声处理预处理选项的逆流级联的RO布置的示意图。

图8是根据本公开的实施方案的具有正渗透预处理选项的逆流级联的RO布置的示意图。

图9是跨膜浓度极化效应的示意图。

图10A是根据图6的PRO系统的实施方案的跨六片半透膜的渗透压差的图。

图10B是根据图6的PRO系统的实施方案的跨六片半透膜的渗透压差的图。

图11是具有单段和任选的能量回收设备的传统反渗透(“RO”)工艺的示意图。

图12是具有多个渗透辅助反渗透段的现有级联的RO布置的示意图。

图13是具有多个渗透辅助反渗透段的另一现有级联的RO布置的示意图。

图14是现有的两段反渗透系统的示意图，该系统通常用于海水脱盐设备以通过膜除去具有低截留率的污染物。

具体实施方式

通过参照以下对所需实施方案及其所包括的例子的详细描述，本公开将更加易于理解。在以下说明书及其所附权利要求中，提及了大量术语，其应当被定义为具有以下含义。

虽然为了清楚起见在以下描述中使用了特定术语，但这些术语仅旨在指代被选择在图中示出的实施方案的特定结构，而不旨在限定或限制本公开的范围。在图中以及下文的描述中，应当理解相同的数字标号指代相同功能的部件。此外，应该理解，附图未按比例绘制。

除非特别说明，否则单数形式“一个”、“一种”和“所述”包括复数的所指对象。

本文所用术语“包括”是指需要存在所指部件/步骤，并且允许存在其他部件/步骤。术语“包括”应当被解释为包括术语“由……构成”，术语“由……构成”只允许存在所指部件/步骤。

数值应当被理解为包括当简化为相同数目的有效数字时相同的那些数值，以及本申请中所述的用于确定所述值的常规测量技术实验误差以内的与所述值不同的数值。

本文所公开的所有范围包括所述的端点和独立的组合(例如，范围“2克至10克”包括端点2克和10克，以及所有中间的值)。

术语“约”能够用于包括能够变化而不改变该值的基本功能的任何数值。当在范围中使用时，术语“约”还公开了由两个端点的绝对值限定的范围，例如，范围“约2至约4”还公开了范围“2至4”。更具体地，术语“约”可以指所指示数字的正或负10％。

本文使用的术语“液体”及其变体用于指溶剂/溶质混合物；并且除非另有说明，否则术语“液体”及其变体不是指更多内容。

本文使用的许多术语是相对术语。例如，术语“入口”和“出口”是相对于流动方向的，并且不应被解释为需要设备的特定定向或位置。术语“上游”和“下游”是相对于流体流过各种部件的方向，即流体在流过下游部件之前流过上游部件。应当注意，在循环中，第一部件可以被描述为在第二部件的上游和下游。

在本文中，可以将与其入口流相比具有增加的溶质浓度的渗透膜的一侧的排出流称为“浓缩物”流。在本文中，可以将与其入口流相比具有降低的溶质浓度的渗透膜的一侧的排出流称为“稀释物”溶液。

术语“高压”和“低压”用于指反渗透模块中渗透膜两侧的压力。这些术语彼此相对，并不表示压力高于或低于任何特定阈值。

本文所用的术语“级联”或“级联的”通常是指这样的事实，即当运行系统时，来自初始反渗透段的低压侧的稀释液和来自最终反渗透段的高压侧的浓缩液均通过中间反渗透段。

作为参考，正常海水的典型盐浓度为约3.5重量％。25℃时的海水的渗透压为约30atm(441psi)。浓度高于海水的流体通常被称为卤水。

本公开涉及“反渗透”。该术语旨在包括反渗透、传统的反渗透和渗透辅助反渗透(OARO)中的至少两种不同类型。与OARO相比，传统段在低压侧只有一个出口，在低压侧没有明显溶质浓度的溶液(通常低于高压侧上的溶液的浓度的约10-20％)，并且使用不同的反渗透膜。

本公开涉及在部分逆流布置中使用多个渗透辅助反渗透段来净化液体进料流的方法。将离开高压侧的浓缩物用作低压侧的提取液。这降低了渗透压差，从而与传统的反渗透工艺相比，允许在相对较低的驱动压力下使用反渗透净化含有非常高的溶质浓度的进料流。也降低了整体系统能量消耗。

为了解释本公开的系统的优点，首先回顾常规系统是有帮助的。图11示出了传统的反渗透单元1100，其配置用于典型的单一段非级联工艺。图11示出了通过管线1102将待处理的原始进料流溶液引导至系统中，其中进料泵1104用于施加驱动压力以驱动溶剂跨过反渗透(“RO”)段1108的半透膜1106。RO段1108具有第一端1110和相反的第二端1112。进料流1102被引导到位于第一端1110上的RO段的高压侧1116的入口1114。图中示出了通过位于第二端1112上的高压侧出口1118将浓缩产物或流1120从高压侧1116除去。与进料流1102相比，浓缩产物1120具有更高的溶质浓度，这是溶剂通过段1108内的半透膜1106转移的结果。图中示出了经由低压侧出口1125将渗透产物1122从RO段1108的低压侧1124除去。渗透产物1122是已经通过半透膜1106的溶剂。对于给定的RO系统，术语“渗透产物”或“渗透物”通常是指来自RO段1108的低压侧1124所产生的液流，其已经通过该段内的渗透膜，因此相对于入口进料流1102，该液流的溶剂浓度增加并且溶质浓度降低。

传统RO段1108可包括能量回收设备1126，高压侧出口1118对其进行供给。浓缩物流1120通过能量回收设备1126。通常已知能量回收设备可用于回收来自通过能量回收设备的液流的压力/能量。

通常将传统RO单元(例如反渗透段1108)与多个段结合使用，由此将浓缩物溶液和/或渗透物溶液从初始RO段排出，随后通过多个中间段进料以实现提高的分离效率。一个这样的系统被示为图12中的系统1200，其中RO段1108是产生渗透产物1122的最终段，在出口1125处除去该渗透产物1122。将浓缩物溶液1120从出口1118再循环到多个中间RO单元，其在传统的RO单元1108的上游。

图12示出了多个OARO段，包括具有高压侧1202a和低压侧1202b的初始OARO段1202。中间OARO段包括具有高压侧1204a和低压侧1204b的OARO段1204，具有高压侧1206a和低压侧1206b的OARO段1206，具有高压侧1208a和低压侧1208b的OARO段1208，具有高压侧1210a和低压侧1210b的OARO段1210，以及具有高压侧1212a和低压侧1212b的RO段1212。图12示出了通过管线1201将待处理的原始进料流引导到系统中。该系统包括具有相关旁路泵1218、1220的旁路1214、1216，该旁路泵1218、1220允许流体从低压侧流到高压侧。图12的系统还包括段间泵或增压泵1222、1224。在管线1226处输出最终浓缩物(即废物)产物。选择旁路和进料位置，使得对于将流混合的每个位置，各个流具有类似的浓度，以提高工艺效率。因此，图12示出了复杂的多段膜系统，其需要多个阀门、旁路和管道，所有这些都使系统的操作复杂化，特别是在启动和翻转过程期间。

图13示出了另一现有系统1300，其包括传统RO段1108，该RO段1108用于除去最终渗透产物1122和将浓缩物溶液1120再循环回多个OARO段。图中示出了通过管线1301将待处理的原始进料流引导到系统中。如图13所示，系统1300包括具有高压侧1302a和低压侧1302b的初始OARO段1302。中间OARO段包括具有高压侧1304a和低压侧1304b的OARO段1304，具有高压侧1306a和低压侧1306b的OARO段1306，具有高压侧1308a和低压侧1308b的OARO段1308，具有高压侧1310a和低压侧1310b的OARO段1310，以及具有高压侧1312a和低压侧1312b的OARO段1312。通常可以将系统1300称为渗透辅助反渗透段的常规级联。在该设置中，在传统的RO段1108处保持最高压力，使得仅需要一个泵1104。在浓度最接近进料浓度的段处再次加入进料1301，并在低压侧加入。为了放弃对段间泵的需要，再循环体积保持较高，使得任何一个段的通量不会引起渗透压差的大的变化。因此，图13示出了多个渗透辅助反渗透段的现有复杂级联的布局的另一个实例，其中需要高的再循环体积。

最后，图14示出了代表现有海水脱盐设备的两段反渗透系统1400，该现有海水脱盐设备被用于通过典型的半透膜除去具有低截留率的污染物(例如硼)。待处理的原始进料流经管线1402进入系统。进料流1402被分流成两个流，其中一个流由进料泵1404进行加压并通过高压侧1416上的入口1414进入第一RO段1408的第一端1410。经由高压侧1416上的出口1418通过在第一RO段1408的第二端1412处输出的废料浓缩物1420在等压压力交换器1426中对另一个流进行加压。增压泵1428对在等压压力交换器1426处分流的废料浓缩物1420的一部分1430进行加压，然后该废料浓缩物1420的一部分1430与由进料泵1404加压的进料流混合。渗透物1422穿过膜1406并经由第二端出口1425由第一RO段1408的低压侧1424排出。然后将渗透物溶液1422分流成旁路流1434和进料流1442，该旁路流1434将与最终渗透物或渗透产物1440一起被除去，该进料流1442被第二级泵1432加压，以被第二RO段1436的高压侧1437接收。第二RO段1436具有与第一RO段1408基本相同的构造，其中最终的废料浓缩液在1438处输出。已知图14所示的两段反渗透在高系统压力下操作并获得低回收率的最终渗透产物。

在图1A-1C、图2A-2B、图3A-3B和图4-8中的各种实施方案中示出了本公开的改进的反渗透系统及其变型。

首先参见图1A，附图标记500通常表示具有分段的、部分级联的逆流布置的系统和方法，该系统和方法用于对液体进料流进行脱盐或净化。图中示出了通过经由管线502将待处理的原始进料流引导至系统中，该系统包括用于向进料流施加压力的进料泵504。进料流可以是含水的或有机的，但通常含有低的悬浮固体和高的溶解固体。系统500包括初始渗透辅助反渗透段506，包含至少一个中间渗透辅助反渗透段508的中间区段，以及最终反渗透段(“RO”)段510。各个段506、508和510通常包括分隔高压侧和低压侧的半透膜，以及第一端和与第一端相对的第二端。膜可以是本领域已知的任何可用于溶液分离的膜，例如通常用于反渗透、正渗透、压力延迟渗透或压力辅助渗透的膜。如本文所示，通过高压侧的流动是通过低压侧的流动的逆流。

第一或初始OARO段506经由入口514在第一端512处的高压侧506a接收进料流502。进料泵504对进料流502加压以驱动溶剂跨过半透膜516，而由初始渗透辅助反渗透段506的高压侧506a到低压侧506b。在初始渗透辅助反渗透段506的第二端520处的高压侧506a上的出口518输出产出流522。产出流522被分流成两个流，再循环流522a和浓缩物流522b。浓缩物流522b作为浓缩产物或作为废物而从系统中除去。在将浓缩物流522b作为浓缩产物除去之前，可以对膜516的面积设定尺寸以在高压侧506a获得所需的溶质浓度。在初始渗透辅助反渗透段506的第二端520经由入口524将再循环流522a引入低压侧506b，在低压侧506b中，再循环流522a与已经跨过膜516的渗透物混合。渗透物和浓缩物的混合物经由初始反渗透段506的第一端512处的出口526离开低压侧506b，并且被称为稀释流528。

通过将再循环流522a的浓缩产物送回低压侧506b，降低了跨膜516的渗透压差。因此，与传统RO工艺相比，需要更低的压力来实现纯水通量。相对于进料流502，离开初始渗透辅助反渗透段506的低压侧506b的稀释流528的溶质浓度被稀释。稀释水平决定了初始渗透辅助反渗透段506的最大渗透压差。最大渗透压差可以出现在沿着膜516的任何点处，但通常在膜的中间附近出现开始直到邻近出口518的区域。可以通过产出流522的量来控制最大渗透压差和沿膜的长度出现最大压差的点，产物流522被分流并作为再循环流522a再循环进入低压侧506b。注意，由于通过浓缩物流522b除去溶质，所以减少了系统中剩余的溶质的绝对量。

离开初始渗透辅助反渗透段506的低压侧506b的稀释流528被供给到中间区段。这里，首先段间泵530对稀释流528加压，然后作为进料流532的一部分进料到中间渗透辅助反渗透段508，其是图1A中的整个中间区段。特别地，进料流532经由位于第一端534的入口536接收在高压侧508a中。段间泵530对进料流532加压以驱动溶剂跨过渗透膜538，而从中间反渗透段508的高压侧508a到低压侧508b。在中间反渗透段508的第二端542处的高压侧508a上的出口540输出浓缩产物作为产出流544。再次，产出流544被分流成再循环流544a和浓缩物流544b。将浓缩物流544b作为浓缩产物或作为废物而从系统中除去。通过位于第二端542处的入口546将再循环流544a重新引入中间渗透辅助反渗透段508的低压侧508b，在低压侧508b中，再循环流544a与已经跨过膜538的渗透物混合。从中间渗透辅助反渗透段508的低压侧508b经由第一端534处的出口548输出渗透物和浓缩溶物液的混合物(该混合物通常被称为排出流550)。类似于初始渗透辅助反渗透段506，通过将再循环流544a送回至低压侧508b，减小了跨膜538的渗透压差。

离开中间反渗透段508的低压侧508b的排出流550也表示由系统的中间段排出的净化流。如本文将进一步看到的，中间区段中存在多个渗透辅助反渗透段。通常，中间区段接受来自初始渗透辅助反渗透段的稀释流528，并输出净化流550。

继续，排出流/净化流550由最终泵552加压并被进料到最终反渗透段510。泵552施加驱动溶剂跨过最终RO段510的渗透膜558所需的压力。净化流550通过位于最终RO段510的第一端554处的入口556而接收于高压侧510a中。理想地，净化流550的溶质浓度如此之低以至于可以在低于初始段506或中间段508的压力的压力下操作最终段510。位于RO段510的第二端562处的高压侧510a的出口560输出标记为废料流564的浓缩物，其作为进料流532的一部分，以中间渗透辅助反渗透段508的进料的形式而再循环。废料流564理想地具有这样的溶质浓度，该溶质浓度约等于离开初始渗透辅助反渗透段506的低压侧506b的稀释流528的溶质浓度。为了本公开的目的，当稀释流528的溶质浓度除以废料流564的溶质浓度为0.5至2时，获得“大致相等”的浓度。当然，液流可以包含多于一种溶质，并且可以对任何溶质进行该比较。也可以将流560的一小部分再循环回到低压侧510b，以略微降低最终反渗透段510中的渗透压差。使低压侧510b中的流560的一小部分再循环也用于有效地“再矿化”净化流568。

通过出口566从低压侧510b上的最终RO段510中除去最终渗透产物568。渗透产物568是已经通过初始段506、中间段508和最终段510的最终净化溶剂(例如，水)。如此处所示，在除最终段之外的所有段中，来自高压侧的输出用作低压侧的输入，并且浓缩物流从系统中除去溶质。

现在参考图1B，存在图1A的相同系统，其包括进料流502、进料泵504、初始OARO段506、段间泵530、中间OARO段508、最终泵552和产生最终渗透物568的最终RO段510。这里，在各个段获得离开系统的输出流(即产出流522,544)之后，存在能量回收设备523、543。能量回收设备允许从输出流中回收能量，并且它们可以是压力恢复设备、或发生器、或阀门。

图1C中所示的系统类似于图1A和图1B中所示的系统，并且包括进料流502、进料泵504、初始OARO段506、段间泵530、中间OARO段508、最终泵552、产生最终渗透物568的最终RO段510，以及在产出流522、544之后的能量回收设备523、543。这里，最终RO段510的出口560输出被标记为废料流564的浓缩物，其作为进料流的一部分，以初始OARO段506的进料的形式而再循环。结果，最终RO段510废料流564被有效地再循环到可以布置在系统中的任何其他段(包括但不限于初始RO段506和中间OARO段508)中。废料流564理想地具有这样的溶质浓度，该溶质浓度约等于进入初始渗透辅助反渗透段506的高压侧506a的进料流502的溶质浓度。

与传统的RO系统相比，系统500的整体效果是峰值系统压力降低，能量效率更高并且浓缩产物和/或渗透产物的回收率更高。系统压力的降低是有利的，因为在RO系统中已知高压通过将固体或沉淀物压实到膜表面来加剧膜污染。另外，在较低压力下，可能降低泵成本。较低的压力也可允许使用较轻的泵材料，从而可能获得人-便携式或人工操作的海水脱盐系统。更高的回收率是有利的，因为在使用膜的任何分离工艺中，保护膜免于污染的预处理成本是显著的，并且更高的回收率通常转化为需要预处理的较少体积的进料液体(例如水)。

可以通过使用多个OARO模块在系统中形成各个段来进一步获得这些益处。在图2A和图2B中示出了本公开的一些不同实施方案。

图2A示出了可以布置在网络中的渗透辅助反渗透段，其中来自各个段的滞留物和渗透物被引导至单独的段以进行进一步处理，直到滞留物流达到期望的浓度。

现在参考图2A，示出了一个或多个段，其中各个段包括多个渗透辅助反渗透(“OARO”)模块。类似于图1A至1C，该系统包括初始渗透辅助反渗透段506、中间区段508和最终反渗透段510。初始段506被示出为由多个串联布置的OARO模块(这里为三个，572、573、574)组成。类似地，中间区段508被示出为由多个串联布置的OARO模块580、581、582构成。高压侧用字母“H”表示，低压侧用字母“L”表示。

如此处所示，进料流502由进料泵504加压，然后送入初始段的高压侧，并且进入第一初始OARO模块572的高压侧。离开第一初始OARO模块572的高压力侧的产出流被分流成两个流，再循环流575a和浓缩物流575b。将浓缩物流575b用作进入第二初始OARO模块573的进料。再循环流575a通过能量回收设备576。再次，能量回收设备可以是压力恢复设备、或发生器、或阀门。然后将再循环流575a引入第一初始OARO模块的低压侧。第一排出流577离开第一初始OARO模块572的低压侧。

类似地，第二排出流578离开第二初始OARO模块573的低压侧，并且第三排出流579离开第三初始OARO模块574的低压侧。在该实施方案中，将所有模块的三个排出流577、578、579合并成形成稀释流528的单一流，该稀释流528是初始段506的低压侧的输出物。离开第三初始OARO模块574的浓缩物流形成浓缩物流522b，其是初始段506的高压侧的输出物。

继续，稀释流528由段间泵530加压，然后通过中间区段508。类似于初始段，离开中间OARO模块580、581、582的低压侧的排出流被合并成形成净化流550的单一流，该净化流550是中间区段508的低压侧的输出物。离开第三中间OARO模块582的浓缩物流形成浓缩物流544b，其是中间区段508的高压侧的输出物。应注意，如双线583所示，中间区段可包含所需数量的段。

最后，净化流550进入最终段510的高压侧，并且废料流564离开最终段的高压侧。这里，废料流564作为进料而再循环到中间段508。最终渗透物流568离开最终段510的低压侧。最终渗透物流568是最终净化的溶剂(例如水)。浓缩物流522b、544b从系统中除去溶质。

图2B示出了不同的布置，这里仅示出了初始渗透辅助反渗透段506，但是在其他方面类似于图1A至1C的布置。同样，初始段506由多个串联布置的OARO模块572、573、574构成。高压侧用字母“H”表示，低压侧用字母“L”表示。

进料流502由进料泵504加压，然后送入初始段的高压侧，并且进入第一初始OARO模块572的高压侧。流过高压侧和低压侧的流体与图2A中描述的流体相同。该图的相关部分是第一排出流577离开第一初始OARO模块572的低压侧。再次，第二排出流578离开第二初始OARO模块573的低压侧，以及第三排出流579离开第三初始OARO模块574的低压侧。

在该图中，由专用的渗透物浓缩区段分别处理各个排出流577、578、579。相对于第一渗透物浓缩区段585对改图进行说明。第一排出流577由段间泵584加压，然后通过一个或多个渗透辅助反渗透(OARO)模块进料，所述模块通过其高压侧串联连接。这里，三个OARO模块586、587、588存在于第一渗透物浓缩区段585中。流过渗透物浓缩区段的高压侧的流体作为浓缩物流593排出。流过各个OARO模块的低压侧的流体作为渗透物流590、591、592排出，该渗透物流590、591、592相对于输入流577是稀释的。渗透物流590、591、592可以合并成单一流，或者作为单独的流而被进一步处理。

第二渗透物浓缩区段594处理第二排出流578，并且第三渗透物浓缩区段595处理第三排出流579。这些渗透物浓缩区段以相同的方式操作，并且具有与第一渗透物浓缩区段585所描述的那些相同的结构。第二渗透物浓缩区段594的输出物是浓缩物流597(来自高压侧)和渗透物流596(来自低压侧)。第三渗透物浓缩区段595的输出物是浓缩物流599和渗透物流598。各种渗透物流590、591、592、596、598可以合并成单一流，其对应于图2A中的稀释流528。类似地，各种浓缩物流522b、593、597、599也可以并成单一流。

图3A和图3B示出了渗透辅助反渗透模块相对于初始渗透辅助反渗透段506的进一步布置，尽管这也适用于中间区段和最终反渗透段。这里，各个模块的进料流被分流成两个流，这两个流同时供给模块的高压侧和低压侧。这里，各个模块内的流体流动是逆流的。经管线502将待处理的原始液体进料流引导至系统。液体进料流502被分流成进料输入流502a和进料旁路流502b。然后通过进料泵504对进料输入流502a加压，而不对进料旁路流502b加压。进料输入流502a被供给到第一OARO模块572的高压侧(“H”)中。进料旁路流502b被供给到第一OARO模块572的低压侧(“L”)中。稀释排出流577离开第一OARO模块572的低压侧。产出流571离开第一OARO模块572的高压侧。产出流571充当进入第二OARO模块573的进料流，并且被分流成进料输入流571a和进料旁路流571b。再次，进料输入流571a被供给到第二OARO模块573的高压侧(“H”)，并且进料旁路流571b被供给到第二OARO模块的低压侧(“L”)。第三模块574的流动未作标记，但与其他两个模块相同。再次，第二排出流578离开第二OARO模块573的低压侧，并且第三排出流579离开第三OARO模块574的低压侧。离开第三OARO模块574的浓缩物流形成浓缩流522b，其是初始段506的高压侧的输出物。

在图3A中，流过各个OARO模块的流体是逆流的。在图3B中，流过各个OARO模块的流体是顺流的。

图4示出了另一个实施方案，其中各个段由多个OARO模块形成。参考图4，附图标记600通常表示具有分段的、部分级联的逆流膜布置的系统和方法，该系统和方法使用一个或多个段来净化进料流，其中各个段包括多个渗透辅助反渗透(“OARO”)模块。系统600通常包括初始渗透辅助反渗透段506和中间区段508，其中各个段可包括多个OARO模块。系统600还包括最终反渗透段510，其也以与在图1A中如上所述的基本相同的方式操作。初始段506包括总共四个OARO模块606、608、610和611，各个模块具有分隔高压侧和低压侧的半透膜，其中模块以逆流布置连接在一起。中间区段以具有两个OARO模块612、613的一个段示出，其也具有分隔高压侧和低压侧的半透膜。虽然图6的系统600以两个段示出，其中初始段506包括四个OARO模块，而中间段508包括两个OARO模块，但是这些数字仅是示例性的，并且在给定段中可以包括任意期望数量的OARO模块。

在图4中，示出了使用所包括的用于向进料流施加压力的进料泵604，经由管线602将待处理的原始进料流溶液引导至系统中。进料泵604对进料流602加压，以在段506中驱动溶剂跨过各个OARO模块的膜，而从高压侧到低压侧。第一级506通过第一OARO模块606的高压侧606a上的入口614接收进料流602。驱动溶剂，使其跨过渗透膜616，而从第一渗透辅助反渗透模块606的高压侧606a到低压侧606b。第一OARO模块606的高压侧606a上的出口618输出第一浓缩物溶液620。仍然由进料泵604加压的浓缩物溶液620通过高压侧608a的入口622进入段506的第二OARO模块608，并且溶剂被驱动跨过膜624。第二OARO模块608的高压侧608a的出口626输出第二浓缩物溶液628，该第二浓缩物溶液628的溶质浓度通常比第一浓缩物溶液620的溶质浓度高。接下来，第二浓缩物溶液628经由高压侧610a的入口630进入段506的第三OARO模块610。由于进料泵604提供的压力导致溶剂被驱动跨过膜632，并且在出口634处输出第三浓缩物溶液636。第三浓缩物溶液636通常具有比第一浓缩物溶液620和第二浓缩物溶液628高的溶质浓度。然后，第三浓缩物溶液进入段506的第四OARO模块611。因此，第四RO模块611输出产出流638，其被分流成两个流，即，再循环流638a和浓缩物流638b。将浓缩物流638b作为浓缩产物或作为废物而从系统中除去。可以对膜616、624、632和615的面积进行设定尺寸以在浓缩物流638b作为浓缩产物被除去之前获得所需的溶质浓度。

将再循环流638a引入第四OARO模块611的低压侧611b，在该低压侧611b处，再循环流638a与已经跨过膜615的渗透物混合。渗透物和浓缩物的混合物离开第四OARO模块611的低压侧611b，并且被称为稀释流640。稀释流640经由低压侧610b的入口641进入第三OARO模块610，在低压侧610b处，稀释流640与已经跨过膜632的渗透物混合。渗透物和浓缩物的混合物离开第三OARO模块610的低压侧610b的出口642，并且被称为稀释流643。稀释流643经由低压侧608b的入口644进入第二OARO模块608，在该低压侧608b中，稀释流643与已经跨过膜624的渗透物混合。渗透物和浓缩物的混合物离开第二OARO模块608的低压侧608b的出口645，并被称为稀释流646。稀释流646通过低压侧606b的入口647进入第一OARO模块606，在低压侧606b处，稀释流646与具有已经跨过膜616的渗透物混合。渗透物和浓缩物的混合物离开第一OARO模块606的低压侧606b的出口648，并且被称为稀释流649。

通过将再循环流638a的浓缩产物送回至第四OARO模块611的低压侧611b，并通过低压侧610b、608b、606b，减小了跨过膜615、632、624、616的渗透压差。作为结果，与传统RO工艺相比，需要更低的压力来实现纯水通量。离开段506中的第一OARO模块606的低压侧606b的稀释流649的溶质浓度相对于进料流602是稀释的。稀释水平决定了段506的OARO模块606、608、610、611中的最大渗透压差。最大渗透压差可以通过浓缩物溶液638的量来控制，该浓缩物溶液638被分流并作为再循环流638a重新引入低压侧611b。注意，由于通过浓缩物流638b除去溶质，所以减少了系统中剩余的溶质的绝对量。

离开第一OARO模块606的低压侧606b，或更一般来说，离开第一段506的稀释流649被供给到中间区段。这里，稀释流649首先由段间泵650加压，然后作为进料流652的一部分供给到第二段508中，其中第二段508包括中间渗透辅助反渗透模块612和613。特别地，进料流652通过第一中间OARO模块612的入口654而接收在高压侧612a中。段间泵650对进料流649加压以驱动溶剂跨过OARO单元的所有膜，其中可以将所述OARO单元布置在第二段S2中。段间泵650首先驱动溶剂跨过膜656，即从第一中间OARO模块612的高压侧612a到低压侧612b。第一OARO模块612的高压侧612a的出口658输出作为输出流的浓缩物溶液660。仍然由段间泵650加压的浓缩物溶液660进入第二中间OARO模块613的高压侧613a。因此，第二中间RO模块613输出第二浓缩物溶液661，其被分流成两个流，即再循环流661a和浓缩物流661b。将浓缩物流661b作为浓缩产物或作为废物从系统中除去。再循环流661a被引入至第二中间OARO模块613的低压侧613b中，在该低压侧613b中，再循环流661a与已经跨过膜657的渗透物混合。从第二中间OARO模块613的低压侧613b输出渗透物和浓缩液的这种混合物，其通常被称为稀释流662。稀释流662经由低压侧612b的入口664进入第一中间OARO模块612，在低压侧612b处，稀释流662与已经跨过膜656的渗透物混合。该渗透物和浓缩物的混合物离开第一中间OARO模块612的低压侧612b的出口666，并且被称为排出流668。

类似于段506的第四OARO模块611，通过将再循环流661a送回低压侧613b并且通过低压侧612b，段508中的跨过膜657、656的渗透压差减小。

离开第一中间OARO模块612的低压侧612b的排出流668也表示由系统排出的中间段508的净化流。通常，中间段接收来自初始段506的稀释流649并输出净化流668。

继续，排出流/净化流668由最终泵670加压并且被供给到最终反渗透模块510。最终反渗透模块510以与关于图1A至1C中所述的基本相同的方式操作。因此，泵670施加驱动溶剂跨过最终反渗透模块510的渗透膜558所需的压力。净化流668被高压侧510a接收。理想地，净化流668的溶质浓度非常低，使得最终模块510可以在比段506中的模块606、608、610、611或者段508的中间模块612、613的压力低的压力下操作。被标记为废料流674的浓缩物离开最终RO模块510的高压侧510a。废料流674作为进料流652的一部分，以进料的形式再循环供给到中间段508的中间OARO模块612、613。理想地废料流674具有这样的的溶质浓度，该溶质浓度大约等于离开第一段506的稀释流649的溶质浓度。为了本公开的目的，当稀释流649的溶质浓度除以废料流674的溶质浓度为0.5至2时，得到“大致相等”的浓度。当然，液流可含有多于一种溶质，并且可对任何溶质进行该比较。

在低压侧510b，从最终RO段510中除去最终渗透产物672。渗透产物672是最终纯化的溶剂(例如水)，其已经过初始段506的模块606、608、610、611，中间段508的中间模块612、613和最终段510。

通过在中间区段中添加额外的中间OARO段，可以进一步获得本文所公开的示例性系统和方法的前述益处。图5中示出了根据该方面的本公开的实施方案。

参考图5，附图标记700通常表示具有分段的、部分级联的逆流膜布置的系统和方法，该系统和方法用于使用多个模块净化进料流。使用所包括的用于向进料流施加压力的进料泵704，通过管线702将待处理的原始进料流溶液引导至系统中。系统700包括初始反渗透段706和最终反渗透段712。该系统还包括中间区段，该中间区段在此被示出为包括第一中间段708和第二中间段710。各个段706、708、710、712具有分隔高压侧和低压侧的半透膜，以及第一端和与第一端相对的第二端。尽管图5的系统700被示出为具有两个中间段(即，708、710)，但该数字仅是示例性的，并且可以包括任意所期望数量的中间反渗透段。

第一或初始OARO段706经由第一端714处的入口716在高压侧706a接收进料流702。进料泵704对进料流702加压以驱动溶剂跨过渗透膜718，而从初始渗透辅助反渗透段706的高压力侧706a到低压侧706b。位于第二端722处的渗透辅助初始反渗透段706的高压侧706a的出口720输出产出流724。优选通过压力恢复设备、发生器或阀门(未示出)中的一者降低产出流724的压力，并将产出流724分流成再循环流724a和浓缩物流724b。将浓缩物流724b作为浓缩产物或作为废物从系统中除去。通过第二端722处的入口726将再循环流724a重新引入初始渗透辅助反渗透段706的低压侧706b，并与已经跨过膜718的渗透物混合。再次，使用再循环流724a作为低压侧的液体降低了渗透压差。从初始渗透辅助反渗透段706的低压侧706b经由位于第一端714的出口728输出该稀释流730。

离开初始渗透辅助反渗透段706的低压侧706b的稀释流730由段间泵732加压并供给至第一中间OARO段708中。特别地，稀释液730经由第一端734处的入口736由高压侧708a接收。段间泵732对稀释流730加压以驱动溶剂跨过渗透膜738，而从第二渗透辅助反渗透段708的高压侧708a到低压侧708b。第一中间渗透辅助反渗透段708的高压侧708a的出口740位于第二端742处并输出产出流744。优选通过压力恢复设备、发生器或阀门(未示出)中的一者降低产出流744的压力，并将产出流744分流成再循环流744a和浓缩物流744b。将浓缩物流744b作为浓缩产物或作为废物从系统中除去。通过第二端742处的入口746将再循环流744a重新引入第一中间渗透辅助反渗透段708的低压侧708b中，在该低压侧708b处，再循环流744a与已经跨过膜738的渗透物混合。从第一中间渗透辅助反渗透段708的低压侧708b经由第一端734处的出口748输出排出流750。

离开第一中间反渗透段708的低压侧708b的排出流750由段间泵752加压，并作为进料流754的一部分而被供给至第二中间渗透辅助反渗透段710中。特别地，通过位于第一端756的入口758在高压侧710a接收进料流754。段间泵752对进料流754加压以驱动溶剂跨过渗透膜760，而从第二中间渗透辅助反渗透段710的高压侧710a到低压侧710b。第二中间渗透辅助反渗透段710的高压侧710a的出口762输出来自第二端764的产出流766。优选通过压力恢复设备、发生器或阀门(未示出)中的一者降低产出流766的压力，并将产出流766分流成再循环流766a和浓缩物流766b。将浓缩物流766b作为浓缩产物或作为废物从系统中除去。通过第二端764处的入口768将再循环流766a重新引入第二中间渗透辅助反渗透段710的低压侧710b，在该低压侧710b处，再循环流766a与已经跨过膜760的渗透物混合。通过位于第二中间渗透辅助反渗透段710的第一端756的出口770从低压侧710b输出渗透物和浓缩物的混合物。排出流772也可以称为离开中间区段的净化流。

离开第二中间渗透辅助反渗透段710的低压侧710b的排出流/净化流772由最终泵774加压并且被供给到最终RO段712。泵774施加驱动溶剂跨过最终RO段712的渗透膜776所需的压力。经由位于第一端778处的入口780在RO段712的高压侧712a接收净化流772。最终RO段712的高压侧上的出口782位于第二端784处并输出被示出为废料流786的浓缩物，在此其被示出为作为进料流754的一部分而再循环至第二中间OARO段710。然而，还可以预期废料流786可以与被供给到第一中间区段中的稀释流730混合(由虚线785表示)。废料流786的溶质浓度优选大致等于与其混合的液流750或730的溶质浓度。

经由出口788将最终的稀释产物或渗透产物790从最终RO段712的低压侧712b除去。渗透产物790是最终的净化溶剂(例如，水)，其已通过系统700中的各个渗透辅助反渗透段。同样，对于除最终段之外的所有段，将来自给定渗透辅助反渗透段的高压侧的输出用作相同渗透辅助反渗透段的低压侧的输入，其中使用浓缩物流来除去溶质。对于除初始段之外的所有段，将给定段的低压侧的输出用作下游段的高压侧的输入。

通过添加如图5所示的额外的段，可以降低最大系统压力，或者可以降低能量消耗，或者可以产生更高浓度的废料。在特定实施方案中，最大系统压力小于300psig。液体进料流的溶质浓度可以为约3重量％至约12重量％；并且初始反渗透段的浓缩物流可以具有更高的溶质浓度，其可以为约7重量％至约25重量％。该系统的能量消耗可以为每产生1立方米渗透物小于4.0kWh。

参见图6，附图标记800通常表示具有产生浓缩物流的渗透辅助反渗透系统的系统和工艺，该浓缩物流被供给至压力延迟渗透(PRO)系统。如本文进一步解释的，可以将该浓缩物流用于做功。

虽然图6示出了单一渗透辅助反渗透段806，但是从本公开中应当理解，可以另外存在任意数量和组合的段，例如如上所述的那些。如这里所示，初始OARO段806类似于图1A至1C的初始段506。初始段806在高压侧806a接收进料流802。进料泵804对进料流802加压以驱动溶剂跨过半透膜816，而从初始渗透辅助反渗透段806的高压侧806a到低压侧806b。高压侧806a输出产出流822。产出流822被分流成两个流，即再循环流822a和浓缩物流822b。将再循环流822a引入初始渗透辅助反渗透段806的低压侧806b，在低压侧806b处，再循环流822a与已经跨过膜816的渗透物混合。渗透物和浓缩物的混合物离开初始渗透辅助反渗透段806的低压侧806b，并且被称为稀释流或净化溶剂828。将浓缩物流822b从初始段806中除去并最终用作压力延迟渗透(“PRO”)段832的输入。在将浓缩物流822b作为浓缩产物供给到PRO段832之前，可以对膜816的面积设定尺寸以在高压侧806a获得所需的溶质浓度。

必须首先将浓缩物822b加压至PRO段832的操作压力。因此，可以将浓缩物822b供给至泵830，该泵830将浓缩物加压至PRO段832的最终操作压力。可选地，压力交换器852可用于降低泵830上的负载。为此，离开PRO段832的第二端842处的出口840的高压稀释液844被分流成两个流844a和844b。将稀释液流844a供给压力交换器852以对离开初始段806的浓缩物流822b加压。浓缩物822b作为高压浓缩物流860离开压力交换器852。高压稀释液流844a作为低压稀释液845离开压力交换器852。有利地，浓缩物822b和高压稀释液流844a不混合。

高压浓缩物流860由泵830加压并供给至位于PRO段832的高压侧832a的第一端834处的入口836。由于高压侧832a中的高压浓缩物流860的较高渗透压，相对纯净的水从低压侧832b流动跨过半透膜838，从而稀释高压浓缩物流860。通过PRO段832的低压侧832b的入口843将稀释的进料溶液850供给至第二端842，以有助于保持跨过膜838的压差。随着渗透物流动跨过膜838，这种较低渗透压的稀释进料溶液850变得浓缩，并且作为浓缩的稀释液848经由位于PRO段832的第一端834处的出口846从PRO段中除去。PRO段832的高压侧832a与低压侧832b之间的渗透压差通常不应低于模块中任意点处的高压侧832a的操作压力，否则可能发生反向通量。

稀释的提取液850可以是具有较低渗透活性的任意合适的溶液。例如，稀释的提取液850可以包括淡水、市政水、井水、处理过的废水、处理厂流出物、微咸水、或者特别是当提取液的浓度足够高时的海水。

PRO系统832中的半透膜838可以由一个或多个膜组成，所述膜可以是与溶质相比允许溶剂优先通过的任意类型的膜。例如，为PRO系统832选择的膜可包括三乙酸纤维素膜、薄膜复合膜、或用水通道蛋白或其他通量增强组分改性的膜。例如，膜可以被布置成平板、螺旋缠绕或中空纤维模块。

最终，较低渗透压的进料溶液850变得浓缩，而高压浓缩物流860变得稀释，但保持进料压力。高压浓缩物流860作为高压稀释液844离开PRO段。高压稀释液844离开位于PRO段832的高压侧832a的第二端842处的出口840。然后，高压稀释液844可以任选地分流成如上所述的两个流，使得流844a用于对浓缩物进料822b进行加压。高压稀释液流844b前进通过涡轮机或能量回收设备(“ERD”)854以产生电力856。或者，高压稀释液流844b可用于做功，例如流过压力交换器(未示出)以将水泵送到系统800中的其他地方。

在将高压稀释液844用于产生功或电力之后，压力降低，从而产生低压稀释液流858。在较低压力和浓度下，可以安全地排放低压稀释液流858。例如，在海水系统的情况下，可以将低压稀释液流858安全地排放到海洋环境中。来自压力交换器834的低压稀释液845可与低压稀释液流858混合并类似地被排放。

虽然用一个PRO示出了图6的系统800，但PRO段832可包括任意所需数量的模块以实现最有效的能量回收。无论如何，向PRO系统提供更高浓度的进料是很重要的。这是因为PRO膜的高压侧和低压侧之间的渗透压差越大，通过膜的水通量越高。因此，需要更少的膜来产生有意义的功率输出。换句话说，在PRO系统中可以实现更高的功率密度。

可以根据需要控制进料泵、段间泵和最终泵的操作压力。然而，在特定实施方案中，进料泵、段间泵和最终泵具有特定关系。在一些情况下，进料泵、段间泵和最终泵的操作压力在彼此的50psig之内。在其他情况下，段间泵和最终泵的操作压力大致相等，“大致相等”意味着它们的操作压力在彼此的20psig之内。在不同的实施方案中，段间泵的操作压力比进料泵和最终泵的操作压力低至少50psig。

可从液体进料流中除去的溶质包括盐、氟化物、硼、氨或硝酸盐。本公开的工艺特别适用于通常在膜工艺中表现为截留率差的分子/化合物。

本公开的OARO系统和方法可以在高压下操作，其中已知高压会由于将固体或沉淀物压实到膜表面来加剧膜污染。因此，可以使用各种预处理选项，该预处理选项至少部分地保护膜免于污染。图7和图8中示出了说明预处理选项的本公开的实施方案。

参考图7，附图标记900通常表示可以对具有高污染倾向的进料流进行预处理的一种系统和工艺。预处理系统和工艺900通常在级联的渗透辅助反渗透系统(例如，如上所述的图1A至1C和图4至6所示的那些)中进行处理之前发生。图7中所示的预处理选项包括电容去离子和/或超声处理以减少进料流的污染或结垢倾向。

特别地，图7示出了待处理的原始进料流，其中使用所包括的用于向进料流施加压力的进料泵904，经由管线902将原始进料流引导到系统中。进料流可以是含水的或有机的，但通常含有特别关注的化合物，其包括通常具有较低溶解度极限的多价离子和酸不溶性化合物(如许多硫酸盐)。为了除去或减少这些结垢离子，电容去离子(“CDI”)系统906可以包括在管线902中。CDI系统906通过两个阶段的循环(吸附循环和解吸循环)来对进料流进行预处理。在吸附过程中，在两个多孔电极上施加电位差以吸附离子。特别地，根据电极的电荷，通过分开的电极吸附阴离子和阳离子。由于在吸附过程中将阴离子和阳离子分离，因此没有盐沉淀。作为结果，将进料流溶液去离子化成软化的进料流908。软化的进料流908在渗透辅助反渗透段或系统914的第一端入口912处被接收，以用于进一步处理。在解吸期间，在电极被离子饱和之后，电极之间的电位差被反转或减小到零，从而释放吸附的离子，再生电极，并形成CDI浓缩物流910。CDI浓缩物流910被引导远离渗透辅助反渗透段914，使得进入渗透辅助反渗透段的软化的进料流908始终缺乏结垢离子。可以将CDI浓缩物流910作为浓缩产物或作为废物930从系统中除去。可选地或可替代地，在将CDI浓缩物流910作为产物或废物930除去之前，可以在超声系统916中对CDI浓缩物流910进一步处理。由于CDI浓缩物流910的高积垢倾向，超声处理可能是期望的。超声处理系统916通常操作用于施加超声频率以将CDI浓缩物910中的固体分解成不易于聚集并导致污染的较小颗粒。然后，可以将软化的进料流908用于如上所述的渗透辅助反渗透工艺中。

有利地，CDI系统906可以对进料流中的多价金属具有选择性。可以通过设计电极材料来实现选择性。这种选择性是重要的，因为其通过放弃除去通常不太可能结垢的单价离子而降低了预处理成本。包括CDI系统906的另一个优点是该系统允许高的水回收率和污染物(例如多价金属)浓度。CDI系统906与渗透辅助反渗透系统914的组合在卤水浓缩应用中特别有用，其中由于存在通常引起某些化合物的沉淀的高浓度因子，因此，该卤水浓缩应用对膜工艺提出了独特的挑战。与通常具有高能量成本的热驱动卤水浓缩工艺相比，用CDI系统906增加对积垢的控制允许渗透辅助反渗透系统914以更低的能量成本实现卤水浓缩。

现在参考图8，示出了包括根据本公开的预处理选项的另一实施方案。如上文所述，本公开的OARO系统和方法通常在卤水浓缩应用中遇到高积垢进料流，这是由于当从进料流中除去水时超过了盐的溶解度极限。这种沉淀可能由于积垢租用而导致RO工艺停止。不能用酸洗清除的酸不溶性化合物(例如硫酸钙或硫酸钡)可能是特别令人关注的。为了解决这些积垢问题，本公开的一些实施方案将如上所述的和图1A至1C和图4至6中所示的渗透辅助反渗透方法与正渗透(“FO”)系统组合。

FO是低压、渗透驱动的工艺，与加压工艺相比，FO更不易于结垢。FO工艺通常用于从具有高积垢倾向或高固体含量的流中提取清洁水。图8中示出了根据本公开的实施方案的组合有渗透辅助反渗透工艺的示例性FO系统1000。在此类系统中，FO系统用作预处理，并且结垢应该优先在FO膜上发生而不是在用于回收提取液的OARO系统中发生，从而延长OARO膜的寿命。应注意，虽然常规FO系统仅能处理至多75psi的跨膜压力，但是本公开的FO系统和模块可处理200psi至400psi的跨膜压力，并且通常在这些压力范围内操作。

图8示出了待处理的原始进料流，其中使用所包括的用于向进料流施加压力的进料泵1004，经由管线1002将原始进料流引导到系统中。进料流可含有污染物，例如像硫酸钙或硫酸钡之类的酸不溶性化合物。为了除去这些化合物，管线1002中可以包括正渗透(“FO”)系统或模块1006。FO模块1006包括分隔两个低压侧1006a和1006b的半透膜1008。进料泵1004经由第一端入口1010将进料流1002输送到低压侧1006a。在FO段1006的低压侧1006a的第二端出口1012输出产出流1014。产出流1014可任选地被分流成两个流，即再循环流1014a和浓缩物流1014b。将浓缩物流1014b作为浓缩产物或作为废物从系统中除去。将再循环流1014a引入进料泵1004上游的进料流管线1002中。当从低压侧1006a跨过膜1008水被提取时，水将稀释FO模块1006的另一低压侧1006b上的提取液。提取液可以是施加显著渗透压的无机盐、有机盐或溶解固体的水溶液。提取液中的溶质应具有低蒸气压，是热稳定和化学稳定的，无毒性，并且能够抵抗跨膜的渗透，该膜是正渗透工艺和渗透辅助反渗透工艺中使用的膜。氯化钠是一种有用的提取溶质，因为氯化钠是化学稳定的，在水溶液中表现出高渗透压，是非挥发性的，并且与许多需要浓缩的卤水的化学组成相匹配，这消除了对跨FO膜1008的反向转移的担忧。然而，氯化钠卤水将被限制在这样的浓度中，该浓度能够使用氯化钠提取液来实现。因此，如果需要，可以使用其他溶质或溶质混合物。

稀释的提取液经由FO模块1006的第一端出口1016离开低压侧1006b，并且被称为稀释的提取液流1018。这里，稀释的提取液流1018首先由段间泵1020加压，然后作为进料流1022而被供给至渗透辅助反渗透系统1024中。渗透辅助反渗透系统1024以与如上所述的并在图1A至1C和图4至6中示出的渗透辅助反渗透系统和工艺基本相同的方式操作。通常，段1024进一步处理稀释的提取液1018的进料流1022，其通过第一末端入口1028进入渗透辅助反渗透系统。半透膜1026分隔高压侧1024a和低压侧1024b。通过高压侧的流动被示为与通过低压侧的流动顺流，但也可以是逆流的。段间泵1020对稀释的提取液1022的流加压，以驱动溶剂跨过半透膜1026，而从渗透辅助反渗透系统1024的高压侧1024a到低压侧1024b。渗透辅助反渗透系统1024的高压侧1024a的第二端出口1030输出浓缩的提取液的流1032。如前所述，在FO模块1008的低压侧1006b中使用浓缩的提取液1032。跨过渗透辅助反渗透系统1024的膜1026的渗透物经由第二端出口1036离开低压侧1024b，并且可以被供给到另外的渗透段或者可以作为净化水经由管线1038从系统中除去。

将FO模块1006具体设计成通过具有用于进料或滞留物流1002的宽流动路径来处理固体。还将FO模块1006设计成减少可捕获和积聚固体的点或位置的数量。为了进一步确保在膜1008上不发生沉淀，可以用来自管线1040的沉淀剂对进料流1002进行接种(seed)。这种接种确保在本体溶液中发生沉淀而不是在膜1008上发生沉淀。FO膜1008可以是平板片材、中空纤维或螺旋缠绕，并且由本领域技术人员已知的膜材料(例如三乙酸纤维素或薄膜复合材料)制成。如果需要，可以通过掺入防垢剂以防止沉淀，或通过降低固体的积垢倾向(例如超声波或超声处理以减小固体颗粒的尺寸)来进一步增强FO工艺。

虽然图8示出了单一渗透辅助反渗透段1024，但是从本公开中应当理解，可以使用任意数量和组合的正渗透和渗透辅助反渗透段或模块。

本公开的系统和方法必须克服跨过膜的内部和外部浓度极化，以确定所需的驱动力。图9示意性地描述了浓度极化，其中描绘了具有有源层1112和支撑层1114的膜1110。点C1表示膜1110的高浓度侧1116的本体中的溶质浓度，点C5表示膜的低浓度侧1118的本体中的浓度。通常认为高浓度侧1116和低浓度侧1118之间的本体渗透压差决定了所需的驱动力。然而，实际上，在有源层1112的表面1120处，浓度局部地高于高浓度侧1116的本体。这由有源层表面1120上的点C2表示。相反，因为纯水已经跨过膜，所以有源层1120的相对表面1122在点C3处表现出局部较低的浓度。该浓度从穿过膜支撑层1114开始逐渐增加至高达C4点，直至该浓度与较低浓度侧1118上的本体溶液混合。净效应是较高的有效渗透压差。用以下等式定义跨过膜的通量。等式1是跨过有源层的稳态质量平衡：

其中J_w是渗透通过膜的渗透物(即，水)通量，C_(x)是边界层中的溶质浓度，D是水中的溶质扩散系数，x是距离膜表面的距离，并且J_s是溶质通量。如等式2所示，可以根据渗透压和水压之间的关系来定义水通量J_w：

J_w＝A[ΔP-(π₂-π₃)] (2)

其中“A”是膜的水力渗透性，ΔP是静水压力的差值，其中负值表示反渗透流动，以及π₂-π₃是膜的有源层的两侧上的渗透压的差值。可以根据等式3通过菲克定律来对溶质(盐)通量J_s进行建模：

J_s＝B[C₂-C₃] (3)

其中B是溶质渗透性系数，并且C₂-C₃是溶质跨有源层的浓度差。

因此，确保有源层1112上的良好湍流混合以减少外部浓度极化变得至关重要。而且，在保持足够的压力支撑的同时，支撑层1114应该尽可能薄，并且应该在低压侧1118上保持湍流混合，以便限制内部浓度极化。膜、支撑层和模块设计对于管理浓度极化和该工艺的操作是至关重要的。通常，与传统反渗透膜相比，正渗透膜由于其较薄的支撑层而非常适合于本公开。特别地，中空纤维膜组件非常适合用于本公开。中空纤维膜组件包括小纤维，其本质上更适合于(由于小纤维的几何形状)以更小的支撑层处理外部压力。这种中空纤维膜组件可从TOYOBO商购获得。

用于本公开的任何工艺段的其他合适的膜包括RO膜、纳米滤膜、压力延迟反渗透膜、正渗透膜和任何其他水处理膜。这包括这样的膜，该膜是疏水和/或亲水的并且可以对其进行改性以增加有源层、支撑层或其他膜组件的疏水性或亲水性。特别值得注意的是，表现出小于100％的盐/溶质截留率的膜可以通过增加支撑层(C3)内的浓度来提高浓差极化效应，从而降低有效渗透压差。

本公开中的示例性实施方案的方面涉及在比传统反渗透系统更低的压力下使水脱盐的系统和方法，同时还实现更高的水回收率和相当的比能量使用。作为结果，可以降低与海水脱盐相关的预处理成本。另外，与通常使用热工艺的传统反渗透相比，可以实现更高的溶液浓度。与热工艺相比，示例性实施方案的能量效率得到提高。此外，示例性实施方案有利地在较低温度下操作，这对正在生产热敏产品时是重要的。与图11至14相比，本系统(图1A至1C和图4至6)包括在各个渗透辅助反渗透段之后的浓缩物流，其除去溶质并提高后续段的渗透压差。

对几个实例场景进行建模以实现由本公开的示例性实施方案实现的最大系统压力中的能量使用、回收和减少的益处，其结果包含在以下实施例中。

实施例

根据图11至14和图4至5中所示的膜布置，对以下用于反渗透(“RO”)的示例性系统和方法进行分段。使用氯化钠水溶液作为进料溶液。将整体泵效率保持在60％，并且假设任何能量回收设备的效率为90％。对于能量计算，假设为了克服膜的渗透性，必须在跨过膜的渗透压差之上添加额外的50psi的压力。

在具有和不具有能量回收的情况下，使用简单的传统反渗透实例以及其他现有技术系统作为能量使用的基线。然后，计算本公开的若干逆流级联的RO布置。根据本文公开的实施方案分段的所有示例性级联的逆流RO膜布置可以优于现有热工艺，现有热工艺通常需要每立方米纯水约24-40kWh来生产蒸馏水。

还发现根据本文公开的实施方案的逆流膜段增加了通常很难被膜截留的化合物的有效截留率。截留差的化合物(rejection compound)包括(例如)硼、氨和硝酸盐等。由于本文公开的逆流膜段的级联的布置，可以增加这些化合物的截留率以满足严格的排放标准。

实施例1(参考)

根据图11中所示的RO模块对具有单一段且没有能量回收设备的传统反渗透(“RO”)工艺进行建模，以用作与示例性实施方案进行比较的基准。由RO单元接收的进料流含有3.5重量％的氯化钠水溶液，并以约24,353千克/小时的流速提供。将全部体积的进料流加压并供给至RO模块，其产生净化水和浓缩物流。实施例1的工艺参数和结果如下表1所示。

表1：传统的反渗透参考例

段的数目	1
		质量回收率	38.6％
废料浓度，重量％	5.7％
		比能量使用，kWh/m<sup>3</sup>渗透物	6.078
最大渗透压差，psi	696.2
		泵的数目	1
能量回收单元的数目	0

在该例中，进入反渗透模块所需的压力必须足以克服浓缩物废料流的渗透压，其中浓缩物废料流的浓度为5.7重量％，以及流速为约14,953千克/小时。所需的压力还必须克服膜的渗透性(在该例中，额外的50psi)。结果，泵的最大系统压力为约746psi。以约9,400千克/小时的流速输出最终的渗透产物(即，纯水)。产生1立方米的净化水所需的能量为约6.078kWh。

实施例2(参考)

根据图11中所示的RO模块对具有单一模块和能量回收设备(“ERD”)的传统RO工艺进行建模，以与示例性实施方案进行比较。ERD用于从浓缩物流中回收压力。假设ERD的效率为90％，其中将能量作为储蓄(credit)而不是与对特定流加压相关联。流速和浓度与实施例1相同。实施例2的工艺参数和结果如下表2所示。

表2：具有能量回收的传统反渗透参考例

段的数目	1
		质量回收率	38.60％
废料浓度，重量％	5.70％
		比能量使用，kWh/m<sup>3</sup>渗透物	4.198
最大渗透压差，psi	696.2
		泵的数目	1
能量回收单元的数目	1

实施例2中的比能量使用为每产生1立方米的净化水约4.198kWh。

实施例3

在实施例3中，根据图1A中所示的系统对逆流级联RO装置进行分段。由初始段接收的进料流中氯化钠水溶液的浓度为约3.5重量％，其中进料流以约24,353千克/小时的流速提供，并用进料泵加压至约188psi。来自初始段的浓缩物流具有7.5重量％的溶质浓度和约5,143千克/小时的流速。段间泵将离开初始段的低压侧的稀释流加压到约332psi，稀释流的流速为约19,211千克/小时。来自中间段的浓缩物流具有7.7重量％的溶质浓度和约6,111千克/小时的流速。最终泵以约25,491千克/小时的流速将离开中间渗透辅助反渗透段的低压侧的净化流加压至约332psi。实施例3的工艺参数和结果如下表3所示。

表3：分段的逆流RO

段的数目	3
		质量回收率	53.80％
废料浓度，重量％	7.50％
		比能量使用，kWh/m<sup>3</sup>渗透物	4.48
最大渗透压差，psi	281.6
		泵的数目	3
能量回收单元的数目	0

由于各个泵仅需要克服跨过膜的最大渗透压差，所以与实施例1相比(在约14,953千克/小时下，约5.7重量％)由于离开高压侧的浓缩物再循环到低压侧导致浓缩物可具有更高的浓度(在约5,140千克/小时下，约7.5重量％)，从而在该工艺中获得更高的纯水回收率(约13,099千克/小时对比约9,400千克/小时)。由于通过浓缩物流的排出而减少了初始渗透辅助反渗透段和中间渗透辅助反渗透段的低压侧的体积，离开低压侧的排出流的浓度将低于进入高压侧的液流的浓度。可以通过再循环流和浓缩物流的相对流速来控制初始渗透辅助反渗透段和中间渗透辅助反渗透段的渗透压差以及随后所需的泵压。在最终RO段中，由于来自两个先前的渗透辅助反渗透段(即，初始渗透辅助反渗透段和中间渗透辅助反渗透段)的稀释，所以显著降低了进料浓度。结果，可以在较低压力下操作最终RO段。经计算，实施例3中的比能量消耗为每产生1立方米纯水约4.48kWh，这相对于实施例1的单一段RO(6.078kWh)得到了改善，但没有优于实施例2(4.198kWh)。然而，与实施例1和实施例2相比，最大系统压力从约746psi降至约332psi。

实施例4

在实施例4中，如实施例3中那样对逆流级联RO装置进行分段，然而通过增加从系统中除去的浓缩物流的浓度来增加水的回收率。在实践中，通过增加初始渗透辅助反渗透段和中间渗透辅助反渗透段中的膜面积来实现增加水的回收率。进料泵将进料流加压至约308psi且进料流的流速为约24,353千克/小时。来自初始段的浓缩物流具有12.7重量％的溶质浓度和约3,027千克/小时的流速。段间泵将离开初始渗透辅助反渗透段的低压侧的稀释流加压至约382psi且稀释流的流速为约21,326千克/小时。来自中间段的浓缩物流具有12.6重量％的溶质浓度和约3,733千克/小时的流速。最终泵将离开中间渗透辅助反渗透段的低压侧的净化流加压至约382psi且净化流的流速为约34,216千克/小时。实施例4的工艺参数和结果如下表4所示。

表4：具有增加的回收率的分段逆流RO

段的数目	3
		质量回收率	72.20％
废料浓度，重量％	12.60％
		比能量使用，kWh/m<sup>3</sup>渗透物	5.3
最大渗透压差，psi	332
		泵的数目	3
能量回收单元的数目	0

实施例4中的比能量使用为约5.3kWh/立方米，但回收率为约72％，该值远高于实施例1和2的RO的回收率。

实施例5

在实施例5中，根据图1B中所示的系统对具有能量回收设备的逆流级联RO布置进行分段。实施例5的参数与实施例4相同，但是将从离开初始渗透辅助反渗透段和中间渗透辅助反渗透段的高压侧的浓缩液流中回收的能量作为储蓄。进入初始中等渗透辅助反渗透段和中等渗透辅助反渗透段处的能量回收设备的浓缩物的流速分别为约6,728千克/小时和6,799千克/小时。实施例5的工艺参数和结果如下表5所示。

表5：具有能量回收的分段逆流RO

段的数目	3
		质量回收率	72.20％
废料浓度，重量％	12.60％
		比能量使用，kWh/m<sup>3</sup>渗透物	4.9
最大渗透压差，psi	332
		泵的数目	3
能量回收单元的数目	2

由于小的浓缩物体积和各个段的较低压力，所以与实施例4(约0.36kWh/m³)相比，实施例5中回收的能量相对较小。

实施例6

在实施例6中，根据图1A中所示的系统对逆流级联RO布置进行分段，以用于卤水流的浓缩。盐浓度为约10重量％的卤水流进入初始段。该浓度超出通常用反渗透工艺处理的浓度。具有这些浓度的进料流通常用热工艺(如蒸发器和多级闪蒸器)处理。卤水流以约24,353千克/小时的流速提供，并用进料泵加压至约554psi。来自初始段的浓缩物流具有19.8重量％的溶质浓度和约5,534千克/小时的流速。段间泵将离开初始渗透辅助反渗透段的低压侧的稀释流加压至约933psi且稀释流的流速为约18,819千克/小时。来自中间段的浓缩物流具有20.3重量％的溶质浓度和约6,602千克/小时的流速。最终泵将离开中间渗透辅助反渗透段的低压侧的净化流加压至约933psi且净化流的流速为约24,351千克/小时。实施例6的工艺参数和结果如下表6所示。

表6：具有10重量％卤水进料流的分段逆流RO

段的数目	3
		质量回收率	50.20％
废料浓度，重量％	20％
		比能量使用，kWh/m<sup>3</sup>渗透物	14.074
最大渗透压差，psi	882.7
		泵的数目	3
能量回收单元的数目	0

在最终RO段最终渗透产物(即，纯水)以约12,217千克/小时的流速回收。因为需要更高的渗透压差来进行分离，所以与3.5重量％实施例(实施例1至5)相比，实施例6中的整体系压力升高。实施例6中的比能量消耗为每产生1立方米纯水约14.074kWh，并且产生约20重量％的溶质浓缩物作为浓缩物流。相比之下，典型的热工艺的比能量消耗通常在25kWh/产生1立方米纯水至40kWh/产生1立方米纯水的范围内。

实施例7

实施例7类似于实施例6，其中浓度为10重量％的卤水流进入初始RO段。然而，增加了离开初始渗透辅助反渗透段和中间渗透辅助反渗透段的高压侧的溶质浓度。卤水流以约24,353千克/小时的流速提供，并用进料泵加压至约868psi。来自初始段的浓缩物流具有24.1重量％的溶质浓度和约5,503千克/小时的流速。段间泵将离开初始渗透辅助反渗透段的低压侧的稀释液加压至约1,090psi并且稀释液的流速为约19,300千克/小时。来自中间段的浓缩物流具有24.2重量％的溶质浓度和约5,026千克/小时的流速。最终泵将离开中间渗透辅助反渗透段的低压侧的净化流加压至约1,090psi并且净化流的流速为约27,778千克/小时。实施例7的工艺参数和结果如下表7所示。

表7：具有10重量％的卤水进料流的分段逆流RO

段的数目	3
		质量回收率	58.60％
废料浓度，重量％	24％
		比能量使用，kWh/m<sup>3</sup>渗透物	16.65
最大渗透压差，psi	1,039
		泵的数目	3
能量回收单元的数目	0

在最终RO段最终渗透产物(即，纯水)以约14,274千克/小时的流速回收。浓缩物流的24重量％溶质浓度接近氯化钠的溶解度水平。这种浓缩产物适合于(例如)供给到结晶器中。因此，实施例7证明了本文公开的示例性实施方案的逆流级联RO工艺能够代替通常用于结晶器的传统热浓缩器。实施例7中的比能量消耗为每产生1立方米纯水约16.65kWh。

实施例8

在实施例8中，根据图5中所示的系统对逆流级联RO布置进行分段，以显示通过使用根据本文公开的示例性实施方案的额外的渗透辅助反渗透段获得的总系统压力的降低。再次设置实施例8以接收进入初始段的浓度为约10重量％的卤水流。卤水流以约24,353千克/小时的流速提供，并用进料泵加压至约586psi。来自初始段的浓缩物流具有24.1重量％的溶质浓度和约3,638千克/小时的流速。第一段间泵将离开初始渗透辅助反渗透段的低压侧的稀释流加压至约886psi且稀释流的流速为约20,715千克/小时。来自第一中间段的浓缩物流具有24.2重量％的溶质浓度和约3,222千克/小时的流速。第二段间泵将离开第一中间段的低压侧的排出流加压至约852psi且排出流的流速为约17,493千克/小时。来自第二中间段的浓缩物流具有24.1重量％的溶质浓度和约3,327千克/小时的流速。最终泵将离开第二中间段的低压侧的净化流加压至约565psi且净化流的流速为约28,970千克/小时。实施例8的工艺参数和结果如下表8所示。

表8：具有10重量％的卤水进料流的四段逆流RO

段的数目	4
		质量回收率	58.10％
废料浓度，重量％	24％
		比能量使用，kWh/m<sup>3</sup>渗透物	14.8
最大渗透压差，psi	836
		泵的数目	4
能量回收单元的数目	0

在最终RO段最终渗透产物(即，纯水)以约14,166千克/小时的流速回收。由于需要各个段进行较少的渗透分离，所以添加另外的渗透辅助反渗透段降低了实施例8的最大系统压力。实施例8中的比能量消耗为每产生1立方米纯水约14.8kWh。

实施例9

在实施例9中，根据如上所述和图12中所示的系统对现有级联的RO膜布置进行分段，以与示例性实施方案进行比较。这里的进料流具有浓度为约3.5重量％氯化钠水溶液，流速为约23,182千克/小时。浓缩物流的溶质浓度为18.8重量％，流速为约4,312千克/小时。当使实施例9进行会聚时，进料流、段间泵和旁路的位置偶尔需要改变到不同的段以保持相似浓度的混合流。在实践中，这在启动和工艺异常(process upsets)期间将是复杂的，从而需要多个阀门、旁路和管道，以及非常熟练的操作员。实施例9的工艺参数和结果如下表9所示。

表9：现有级联的RO膜布置

段的数目	7
		质量回收率	81.40％
废料浓度，重量％	18.80％
		比能量使用，kWh/m<sup>3</sup>渗透物	5.62
最大渗透压差，psi	538
		泵的数目	5
能量回收单元的数目	0

实施例9中的比能量消耗为每产生1立方米纯水约5.62kWh，最大系统压力为约538psi，并且回收率为约81％。相对于基准单一段RO例(实施例1)，这些参数都有显著改善。然而，相对于具有能量回收的单一段RO(实施例2)，实施例9中的能量消耗没有得到改善。此外，与使用3.5重量％进料流的示例性实施方案(实施例3至5)相比，实施例9中的最大系统压力和能量消耗没有得到改善。

实施例10

在实施例10中，根据上述的和图13中所示的系统对另一常规级联的渗透辅助反渗透段进行布置，以与示例性实施方案进行比较。在实施例10中，将最高压力保持在最终RO段，因此仅需要一个泵。将溶质浓度为约3.5％(重量)，流速为约23,182千克/小时的进料流添加至浓度最接近进料浓度的段，并添加在低压侧上。浓缩物流的溶质浓度为14.8重量％，流速为约5469千克/小时。为了放弃对段间泵的需要，将再循环体积保持在约47,170千克/小时的高水平，使得任何一个段的通量不会引起渗透压差的大的变化。实施例10的工艺参数和结果列于下表10中。

表10：现有级联的RO膜布置

段的数目	7
		质量回收率	76.40％
废料浓度，重量％	14.80％
		比能量使用，kWh/m<sup>3</sup>渗透物	4.098
最大渗透压差，psi	405.9
		泵的数目	1
能量回收单元的数目	0

实施例10中的比能量使用为每产生1立方米纯水约4.098kWh，其与具有能量回收的单一段RO例(实施例2)相当，并且实施例10中最大系统压力降低至455psi。回收率也相对较高(为76.4％)，从而需要较少的进料体积进行预处理。

实施例11

实施例11类似于实施例10；然而，通过再循环更多的水使最大系统压力降低到280psi。实施例11的工艺参数和结果如下表11所示。

表11：现有级联的RO膜布置

段的数目	7
		质量回收率	76.37％
废料浓度，重量％	14.80％
		比能量使用，kWh/m<sup>3</sup>渗透物	4.675
最大渗透压差，psi	229
		泵的数目	1
能量回收单元的数目	0

在实施例11中再循环更多的水导致能量损耗，因此与实施例10相比，每产生1立方米纯水的比能量消耗增加至4.675kWh。

实施例12

在实施例12中，根据如上所述的和在图14中所示的系统布置了具有能量回收的现有两段RO，以与示例性实施方案进行比较。实施例12代表现有的海水脱盐设备，并且两个RO段允许通过传统膜除去可能具有低截留率的污染物(例如硼)。这里的进料流的浓度为约3.4重量％而不是3.5重量％，流速为约3,446,414千克/小时。产生了流速为约1,576,235千克/小时的最终渗透产物。将进料流大约分流成两半，其中一半由进料泵加压，而另一半通过第一RO段的废料在能量回收设备(“ERD”)(这里是等压压力交换器)中加压。使用增压泵将ERD分流加压至全压，然后将这些流混合并供给至第一RO段。将第一段渗透物的一部分送过另一RO段以产生最终渗透物。实施例12的工艺参数和结果如下表12所示。

表12：用于海水脱盐的具有能量回收的两段RO

段的数目	2
		质量回收率	45.74％
废料浓度，重量％
		比能量使用，kWh/m<sup>3</sup>渗透物	3.25
最大渗透压差，psi	812
		泵的数目	3
能量回收单元的数目	1

该实施例12中的最大系统压力为812psi，比能量消耗为每产生1立方米纯水3.25kWh，并且回收率为45.74％。

实施例13

在实施例13中，根据图1A中所示的系统对逆流级联RO布置进行分段，以便与实施例12进行比较。由初始逆流膜段接收的进料流的浓度为约3.4重量％而不是3.5重量％，其中该进料流以约3,585,560千克/小时的流速提供，并用进料泵加压至约184psi。来自初始段的浓缩物流具有7.46重量％的溶质浓度和约757,136千克/小时的流速。段间泵将离开初始渗透辅助反渗透段的低压侧的稀释液加压至约264psi且稀释液的流速为约2,828,424千克/小时。来自中间段的浓缩物流具有7.5重量％的溶质浓度和约899,402千克/小时的流速。最终泵将离开中间渗透辅助反渗透段的低压侧的稀释液加压至约325psi且该稀释液的流速为3,752,808千克/小时。实施例13的工艺参数和结果如下表13所示。

表13：用于海水脱盐的分段逆流RO

段的数目	3
		质量回收率	53.8％
废料浓度，重量％	7.5％
		比能量使用，kWh/m<sup>3</sup>渗透物	4.4
最大渗透压差，psi	275
		泵的数目	3
能量回收单元的数目	0

在最终RO段纯水以约1,929,022千克/小时的流速回收。与实施例12相比，回收率更高，所产生的最终渗透物超过1000万加仑/天。

实施例13中的段间泵在低于进料泵的压力下操作，特别是在中间渗透辅助反渗透段下的渗透压差值加上50psi的值(以克服膜的渗透性)下操作。在最终RO段的高压侧的浓缩液出口处包括阀门以将压力降低至匹配段间泵。作为结果，减少了段间泵的能量需求。实施例13中的比能量消耗为每产生1立方米纯水4.4kWh。与实施例12相比，最大系统压力从812psi降低至325psi，并且回收率更高(为53.8％)。与实施例12相比，使用实施例13中系统的设备将更小且预处理成本降低。对于能量回收设备，可以将比能量使用降低至3.8kWh/m³。

实施例14

在实施例14中，根据图1C中所示的系统对逆流级联RO布置进行分段，以进一步与实施例12进行比较。由初始逆流膜段接收的进料流的浓度为约3.4重量％，其中该进料流以约3,585,560千克/小时的流速提供并用进料泵加压至约230psi。来自初始段的浓缩物流具有7.3重量％的溶质浓度和约1,124,186千克/小时的流速。段间泵将离开初始渗透辅助反渗透段的低压侧的稀释液加压至约256psi，该稀释液的约4,398,603千克/小时。来自中间段的浓缩物流具有7.3重量％的溶质浓度和约551,285千克/小时的流速。最终泵将离开中间渗透辅助反渗透段的低压侧的稀释液加压至约230psi且该稀释液的流速为约3,847,523千克/小时。在初始渗透辅助反渗透段和中间渗透辅助反渗透段的高压侧的浓缩液流出口处包括能量回收设备。进入初始渗透辅助反渗透段和中间渗透辅助反渗透段的能量回收设备的浓缩物的流速分别为约2,043,974千克/小时和918,808千克/小时。实施例14的工艺参数和结果列于下表14中。

表14：用于海水脱盐的分段逆流RO

段的数目	3
		质量回收率	53.3％
废料浓度，重量％	7.3％
		比能量使用，kWh/m<sup>3</sup>渗透物
最大渗透压差，psi	206
		泵的数目	3
能量回收单元的数目	2

在最终RO段纯水以约1,910,293千克/小时的流速回收。与实施例12(回收率为45.74％)相比，回收率更高(为53.3％)。与实施例12相比，最大系统压力从812psi降至256psi。与实施例12相比，使用实施例14中的系统的设备将更小，同时预处理成本降低。

实施例15

存在这样的化合物，其通常在使用膜的溶液分离工艺中具有差的截留率，并且通常是具有小半径的化合物或者是非极性的化合物。一些实例化合物尤其包括氟化物、硼、氨和硝酸盐。特别地，因为海水含有大约5毫克/升的硼并且饮用水的要求可能低至0.5毫克/升，所以硼在海水脱盐中是个问题。为了评价示例性实施方案在去除低截留率的化合物方面的效果，进行建模，其中替代化合物(MR)跨膜的截留率保持在50％、80％和90％。据发现由于示例性实施方案的组合的浓缩和稀释作用，该系统的“有效”截留率远高于其任何一种膜的截留率。因此，本文公开的系统和方法可用于“提高”膜系统的截留率，并可以处理对于传统RO工艺难以处理的化合物。

根据图1A中所示的系统对逆流级联RO布置进行分段。由初始段接收的进料流的浓度为约3.4重量％，其中该进料流以约3,585,560千克/小时的流速提供并用进料泵加压至约327psi。将约5mg/L(即5ppmw)的替代化合物供给至进料流中。来自初始段的浓缩物流具有10.0重量％的溶质浓度和约713,879千克/小时的流速。段间泵将离开初始渗透辅助反渗透段的低压侧的稀释流溶液加压至约391psi且该稀释流溶液的流速为约2,871,680千克/小时。来自中间段的浓缩物流具有10.7重量％的溶质浓度和约481,844千克/小时的流速。最终泵将离开中间渗透辅助反渗透段的低压侧的稀释液加压至约391psi且该稀释液的流速为约4,010,814千克/小时。在最终RO段纯水以约2,389,837千克/小时的流速回收。

所有膜采用50％、80％和90％的截留率(即，分别为50MR、80MR和90MR)，初始段的浓缩物流中替代化合物的浓度为约9.78ppmw 50MR、12.65ppmw 80MR和13.61ppmw 90MR。中间段的浓缩物流中替代化合物的浓度为约15.27ppmw 50MR、16.79ppmw 80MR和16.39ppmw90MR。离开中间渗透辅助反渗透段的低压侧的净化流具有约0.69重量％的盐浓度，约2,389,837千克/小时的流速，以及约3.01ppmw 50MR、1.71ppmw 80MR和1.34ppmw 90MR的替代化合物浓度。据发现，最终渗透产物(例如纯水)中替代化合物的量为约1.51ppmw 50MR、0.34ppmw 80MR和0.13ppmw 90MR。换句话说，据发现，该系统的有效截留率分别为约69.8％50MR、93.2％80MR和97.4％90MR，该有效截留率高于任何一种膜的截留率。

对具有单一段且没有能量回收设备的传统反渗透(“RO”)工艺也根据上述RO模块进行建模，并在图11中示出，以与示例性实施方案进行比较。由RO单元接收的进料流与逆流级联布置相同，但需要来自进料泵的730psi的压力。离开传统RO段的高压侧的废料流具有约5.6重量％的溶质浓度和约2,200,430千克/小时的流速。渗透物以约1,385,131千克/小时的流速回收。膜采用50％、80％和90％的截留率(即，分别为50MR、80MR和90MR)，离开高压侧的废料流中的替代化合物的溶质浓度为约6.57ppmw 50MR、7.52ppmw 80MR和7.83ppmw90MR。据发现，最终渗透产物(例如，纯水)中的替代化合物的浓度为约2.5ppmw 50MR、1.0ppmw 80MR和0.5ppmw 90MR。因此，与单一段传统RO工艺的相对差的截留率相比，逆流级联RO布置的截留率得到显著提高。

实施例16

运行若干例以研究根据图6中所示的系统分段的布置。具体而言，可以回收的功率量可以抵消渗透辅助的RO系统的能量消耗。在实践中，压力延迟渗透(“PRO”)操作压力受到模块特性的限制，并且PRO系统是否在简化方面有意义取决于模块中可实现的功率密度。这有利于更高的驱动力，其中可以实现更高的通量。

进行例1以模拟用于海水的低回收率渗透辅助反渗透(“OARO”)工艺，其中浓缩物略高于传统反渗透的预期。将具有0.5％盐度的水用于PRO进给水。据推测，如果有海水脱盐设备，那么就不能容易地提供高质量的淡水。所有“淡水”例都是如此。

进行例2以模拟高回收率OARO工艺。PRO进料流是海水而不是淡水/微咸水。由于OARO废水的高浓度，因此PRO进料流可能是海水。

例3的布置类似于例2，然而，将淡水代替海水用作PRO进料，从而提高了效率。

例4和例5分别重复例2和例3的布置。然而，在更高的压力(900psi)下操作PRO段。这是因为高浓度OARO废料能够实现这种高压操作。对高压侧的出口浓度进行计算，使其保持900psi的渗透压差。

下表15提供了这些例的描述和结果：

表15：分段逆流渗透辅助反渗透和压力延迟反渗透

在所有例中，以逆流的方式布置系统，并且OARO浓缩物被稀释，从而产生更环保的排放。由PRO系统产生的功率的量是有意义的，并且在OARO工艺中可用的能量和压力匹配泵要求的情况下，可以将通常比涡轮机更有效的压力交换器用于驱动OARO工艺的一部分。这将改善整体系统功率要求，甚至超过上面所示例中的计算范围。

图10A和图10B分别示出了例1和例3的膜的渗透压差。对于例1和例3，在膜上制作六个相等通量的“切片”，以示出高回收率OARO可能提供的更高驱动力，为PRO系统提供浓缩的提取液(draw solution)。

可以在需要分离溶剂和溶质的任何情况下使用本文公开的示例性实施方案的系统和工艺，并且可以使用渗透分离(即，不用于悬浮固体的本体过滤)。这可以包括海水脱盐、废水处理、零液体排放设施、诸如食品或药物应用中的溶解物质的浓缩、以及尤其是对热敏感的溶解化合物的浓缩。

本公开考虑了至少如下所述的以下实施方案：

实施方案1：一种用于净化液体进料流以获得渗透物的系统，包括：(a)初始反渗透段，具有：高压侧，具有用于接收所述液体进料流的高压侧入口和用于输出再循环流和浓缩物流的高压侧出口，以及低压侧，具有用于接收来自所述高压侧出口的所述再循环流的低压侧入口和用于输出稀释流的低压侧出口；(b)具有一个或多个串联布置的中间反渗透段的中间区段，其中各个中间段具有：具有高压侧入口和高压侧出口的高压侧，具有低压侧入口和低压侧出口的低压侧，离开所述高压侧出口的再循环流和浓缩物流，被送到所述低压侧入口的所述再循环流，以及离开所述低压侧出口的排出流；并且其中所述中间区段接收来自所述初始反渗透段的所述稀释流并输出净化流；和(c)最终反渗透段，具有：高压侧，具有用于接收所述净化流的高压侧入口和用于输出废料流的高压侧出口，以及输出所述渗透物的低压侧。

实施方案2：根据实施方案1所述的系统，其中所述最终反渗透段的废料流与来自所述初始反渗透段的稀释流合并，并由所述中间区段接收。

实施方案3：根据实施方案2所述的系统，还包括用于增加所述稀释流的压力的加压装置。

实施方案4：根据实施方案1所述的系统，其中最终反渗透段的废料流与液体进料流合并，并由初始反渗透段接收。

实施方案5：根据实施方案1所述的系统，还包括减压设备，至少所述初始反渗透段的再循环流通过该减压设备，以降低所述再循环流的压力。

实施方案6：根据实施方案1所述的系统，还包括能量回收设备，其位于各个中间反渗透段的高压侧出口处。

实施方案7：根据实施方案1所述的系统，还包括进料泵，其用于对由所述初始反渗透段接收的液体进料流进行加压；段间泵，其用于对由所述中间段接收的稀释流进行加压；以及最终泵，其用于对由所述最终反渗透段接收的净化流进行加压。

实施方案8：根据实施方案1所述的系统，其中所述中间区段具有第一中间反渗透段和第二中间反渗透段，所述第一中间反渗透段接收来自所述初始反渗透段的稀释流，所述第二中间反渗透段的高压侧接收所述第一中间反渗透段的排出流，所述净化流是所述第二中间反渗透段的排出流；并且所述最终反渗透段的所述废料流与所述第一中间反渗透段的所述排出流合并，并由所述第二中间反渗透段接收。

实施方案9：根据实施方案1所述的系统，还包括用于对在所述初始反渗透段上游的液体进料流进行预处理的装置。

实施方案10：根据实施方案9所述的系统，其中用于对所述液体进料流进行预处理的装置包括电容去离子系统或正渗透系统。

实施方案11：根据实施方案10所述的系统，还包括超声处理系统，其用于接收来自所述电容去离子系统的浓缩物。

实施方案12：根据实施方案1所述的系统，所述初始反渗透段具有多个初始反渗透模块，并且各个初始反渗透模块的低压侧出口输出产出流，所述产出流合并以形成所述稀释流。

实施方案13：根据实施方案12所述的系统，其中对于各个初始渗透反向模块，离开高压侧出口的输出流被分流以形成再循环流，该循环流被供给到低压侧出口。

实施方案14：根据实施方案13所述的系统，其中在将再循环流供给到低压侧出口之前，使其通过阀门或能量回收设备。

实施方案15：根据实施方案1所述的系统，其中所述中间区段具有多个中间反渗透段，并且各个中间反渗透段的低压侧出口输出产出流，所述产出流合并以形成所述净化流。

实施方案16：根据实施方案15所述的系统，其中对于各个中间渗透反向模块，离开高压侧出口的输出流被分流以形成再循环流，该循环流被进料到低压侧出口。

实施方案17：根据实施方案16所述的系统，在将再循环流供给至低压侧出口之前，使其通过阀门或能量回收设备。

实施方案18：根据实施方案1所述的系统，其中所述初始反渗透段具有多个初始反渗透模块，并且各个初始反渗透模块的低压侧出口输出产出流，各个产出流被送到单独的渗透物浓缩段，其输出浓缩物流和渗透物流。

实施方案19：根据实施方案1所述的系统，其中所述中间区段具有多个中间反渗透段，并且各个中间反渗透段的低压侧出口输出产出流，各个产出流被送到单独的渗透物浓缩段，其输出浓缩物流和渗透物流。

实施方案20：根据实施方案1所述的系统，还包括具有高压侧和低压侧的压力延迟渗透段，其中所述压力延迟渗透段的高压侧接收高压浓缩物流并输出高压稀释液；其中所述压力延迟渗透段的低压侧接收稀释液并输出浓缩液；并且其中所述高压浓缩物流是通过对(a)初始区段的浓缩物流和(b)所述中间区段的浓缩物流中的至少一者进行加压而产生的。

实施方案21：根据实施方案20所述的系统，其中将所述高压稀释液供给产生所述高压浓缩物流的压力交换器。

实施方案22：根据实施方案20所述的系统，其中将所述高压稀释液供给能量回收设备。

实施方案23：根据实施方案20所述的系统，其中操作所述压力延迟渗透段，使得流过所述高压侧和所述低压侧的流体是逆流或顺流的。

实施方案24：一种用于净化液体进料流以获得渗透物的方法，包括：将所述液体进料流供给至系统，包括：(a)初始反渗透段，具有：高压侧，具有用于接收所述液体进料流的高压侧入口和用于输出再循环流和浓缩物流的高压侧出口；以及低压侧，具有用于接收来自所述高压侧出口的所述再循环流的低压侧入口和用于输出稀释流的低压侧出口；(b)具有一个或多个串联布置的中间反渗透段的中间区段，其中各个中间段具有：具有高压侧入口和高压侧出口的高压侧，具有低压侧入口和低压侧出口的低压侧，离开所述高压侧出口的再循环流和浓缩物流，被送到所述低压侧入口的所述再循环流，以及离开所述低压侧出口的排出流；并且其中所述中间区段接收来自所述初始反渗透段的所述稀释流并输出净化流；和(c)最终反渗透段，其具有：高压侧，具有用于接收所述净化流的高压侧入口和用于输出废料流的高压侧出口，以及输出所述渗透物的低压侧。

实施方案25：根据实施方案24所述的方法，其中所述最终反渗透段的废料流与来自所述初始反渗透段的稀释流合并，并由所述中间区段接收。

实施方案26：根据实施方案25所述的方法，还包括在将稀释流与废料流合并之前增加稀释流的压力。

实施方案27：根据实施方案25所述的方法，其中稀释流的溶质浓度约等于合并前废料流的溶质浓度。

实施方案28：根据实施方案24所述的方法，所述中间区段具有第一中间反渗透段和第二中间反渗透段，所述第一中间反渗透段接收来自所述初始反渗透段的所述稀释流，所述第二中间反渗透段的高压侧接收所述第一中间反渗透段的排出流，所述净化流是所述第二中间反渗透段的排出流；并且所述最终反渗透段的所述废料流与所述第一中间反渗透段的所述排出流合并，并由所述第二中间反渗透段接收。

实施方案29：根据实施方案24所述的方法，其中最大系统压力小于300psig。

实施方案30：根据实施方案24所述的方法，其中所述液体进料流具有约3重量％至约12重量％的溶质浓度；所述初始反渗透段的所述浓缩物流具有约7重量％至约25重量％的更高溶质浓度。

实施方案31：根据实施方案24所述的方法，其中当所述液体进料流为海水流时，所述系统的能量消耗为每产生1立方米渗透物小于4.0kWh/m³。

实施方案32：根据实施方案24所述的方法，当所述液体进料流是卤水流时，所述系统的能量消耗为每产生1立方米渗透物小于20kWh/m³。

实施方案33：根据实施方案24所述的方法，其中所述系统还包括用于对由所述初始反渗透段接收的所述液体进料流进行加压的进料泵，用于对由所述中间区段接收的所述稀释流进行加压的段间泵，以及用于对由所述最终反渗透段接收的所述净化流进行加压的最终泵。

实施方案34：根据实施方案33所述的方法，其中所述进料泵、所述段间泵和所述最终泵的操作压力在彼此的50psig之内。

实施方案35：根据实施方案33所述的方法，其中所述段间泵的操作压力和所述最终泵的操作压力大致相等。

实施方案36：根据实施方案33所述的方法，其中所述段间泵的操作压力比所述进料泵和所述最终泵的操作压力低至少50psig。

实施方案37：根据实施方案24所述的方法，其中从所述液体进料流中除去的溶质是盐、氟化物、硼、氨或硝酸盐。

实施方案38：根据实施方案24所述的方法，还包括在将所述液体进料流进料到所述系统之前对所述液体进料流进行预处理。

实施方案39：根据实施方案38所述的方法，其中对液体进料流进行预处理包括对液体进料流进行电容去离子或正渗透。

实施方案40：根据实施方案39所述的方法，还包括将超声频率施加到由于对液体进料流进行预处理而产生的预处理浓缩物流。

实施方案41：根据实施方案24所述的方法，还包括具有高压侧和低压侧的压力延迟渗透段，其中所述压力延迟渗透段的高压侧接收高压浓缩物流并输出高压稀释液；其中所述压力延迟渗透段的低压侧接收稀释液并输出浓缩液；并且其中所述高压浓缩物流是通过对(a)初始反渗透段的浓缩物流和(b)所述中间段的浓缩物流中的至少一者进行加压而产生的。

实施方案42：根据实施方案41所述的方法，其中所述高压稀释液供给产生高压浓缩物流的压力交换器。

实施方案43：根据实施方案41所述的方法，其中所述高压稀释液供给能量回收设备。

实施方案44：根据实施方案41所述的方法，其中操作所述压力延迟渗透段，使得流过所述高压侧和所述低压侧的流体是逆流或顺流的。

实施方案45：一种包括至少一个反渗透模块的净化系统，其中所述至少一个反渗透模块包括：液体进料流，其被分离成进料输入流和进料旁路流；高压侧；和低压侧；其中所述高压侧接收所述进料输入流并输出浓缩物流，并且其中所述低压侧接收所述进料旁路流并输出排出流。

实施方案46：根据实施方案45所述的净化系统，其中操作至少一个反渗透模块，使得流过高压侧和低压侧的流体是逆流或顺流的。

实施方案47：根据实施方案45所述的净化系统，其中进料旁路流在进入低压侧之前通过能量回收设备或压力回收设备。

实施方案48：根据实施方案45所述的净化系统，其中在将液体进料流分离成进料输入流和进料旁路流之前，对液体进料流进行预处理。

实施方案49：根据实施方案48所述的净化系统，其中通过电容去离子系统或正渗透系统对液体进料流进行预处理。

实施方案50：根据实施方案49所述的净化系统，其中通过超声处理对通过由电容去离子系统产生的浓缩物流进行进一步处理。

实施方案51：根据实施方案45所述的净化系统，其中所述至少一个反渗透模块是用于从液体进料流中获得渗透物的初始段或中间区段的一部分。

实施方案52：根据实施方案45所述的净化系统，还包括具有高压侧和低压侧的压力延迟渗透段，其中所述压力延迟渗透段的高压侧接收高压浓缩物流并输出高压稀释液；其中所述压力延迟渗透段的低压侧接收稀释液并输出浓缩液；并且其中所述高压浓缩物流是通过对至少一个反渗透模块的浓缩物流进行加压而产生的。

实施方案53：根据实施方案52所述的净化系统，其中所述高压稀释液供给产生所述高压浓缩物流的压力交换器。

实施方案54：根据实施方案52所述的净化系统，其中所述高压稀释液供给能量回收设备。

实施方案55：根据实施方案52所述的净化系统，其中操作所述压力延迟渗透段，使得流过高压侧和低压侧的流体是逆流或顺流的。

实施方案56：一种用于净化液体进料流以获得排出流的方法，包括：将所述液体进料流分离成进料输入流和进料旁路流；将所述进料输入流送至反渗透模块的高压侧；和将所述进料旁路流送至反渗透模块的低压侧；其中所述低压侧输出所述排出流。

实施方案57：根据实施方案56所述的方法，其中操作反渗透模块，使得流过高压侧和低压侧的流体是逆流或顺流的。

实施方案58：根据实施方案56所述的方法，其中进料旁路流在进入低压侧之前通过能量回收设备或压力回收设备。

实施方案59：根据实施方案56所述的方法，其中在将液体进料流分离成进料输入流和进料旁路流之前，对液体进料流进行预处理。

实施方案60：根据实施方案59所述的方法，其中通过电容去离子系统或正渗透系统对液体进料流进行预处理。

实施方案61：根据实施方案60所述的方法，其中通过超声处理对通过由电容去离子系统产生的浓缩物流进行进一步处理。

实施方案62：根据实施方案56所述的方法，其中所述反渗透模块与另一反渗透模块串联。

实施方案63：根据实施方案56所述的方法，还包括通过对离开所述反渗透模块的高压侧的浓缩物流进行加压来产生高压浓缩物流；和将所述高压浓缩物流送至具有高压侧和低压侧的压力延迟渗透段，其中所述压力延迟渗透段的高压侧接收所述高压浓缩物流并输出高压稀释液；并且其中所述压力延迟渗透段的低压侧接收稀释液并输出浓缩液。

实施方案64：根据实施方案63所述的方法，其中所述高压稀释液供给产生所述高压浓缩物流的压力交换器。

实施方案65：根据实施方案63所述的方法，其中所述高压稀释液供给能量回收设备。

实施方案66：根据实施方案63所述的方法，其中操作所述压力延迟渗透段，使得流过高压侧和低压侧的流体是逆流或顺流的。

已经参考示例性实施方案对本公开进行了描述。显然，在阅读和理解前面的详细描述后，将可以进行修改和变更而变为其他实施方案。本公开旨在被解释为包括所有这些修改和变更，只要这些修改和变更落入所附权利要求或其等同物的范围内。

Claims (17)

1.一种用于净化液体进料流以获得渗透物的系统，包括：

(a)初始反渗透段，具有：高压侧，具有用于接收所述液体进料流的高压侧入口和用于输出再循环流和浓缩物流的高压侧出口；以及低压侧，具有用于接收来自所述高压侧出口的所述再循环流的低压侧入口和用于输出稀释流的低压侧出口；

(b)具有一个或多个串联布置的中间反渗透段的中间区段，其中各个中间段具有：具有高压侧入口和高压侧出口的高压侧，具有低压侧入口和低压侧出口的低压侧，离开所述高压侧出口的再循环流和浓缩物流，被送到所述低压侧入口的所述再循环流，以及离开所述低压侧出口的排出流；并且其中所述中间区段接收来自所述初始反渗透段的所述稀释流并输出净化流；和

(c)最终反渗透段，具有：高压侧，具有用于接收所述净化流的高压侧入口和用于输出废料流的高压侧出口；以及输出所述渗透物的低压侧。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述最终反渗透段的所述废料流与来自所述初始反渗透段的所述稀释流合并并由所述中间区段接收，并且该系统还包括用于增加所述稀释流的压力的加压装置。

3.根据权利要求1所述的系统，还包括

(a)减压设备，其中至少所述初始反渗透段的再循环流通过该减压设备，以降低所述再循环流的压力；或者

(b)能量回收设备，其位于各个中间反渗透段的高压侧出口处；或者

(c)进料泵，其用于对由所述初始反渗透段接收的所述液体进料流进行加压；段间泵，其用于对由所述中间区段接收的所述稀释流进行加压；以及最终泵，其用于对由所述最终反渗透段接收的所述净化流进行加压。

4.根据权利要求1所述的系统，其中所述中间区段具有第一中间反渗透段和第二中间反渗透段，

所述第一中间反渗透段接收来自所述初始反渗透段的所述稀释流，

所述第二中间反渗透段的高压侧接收所述第一中间反渗透段的排出流，

所述净化流是所述第二中间反渗透段的排出流；并且

所述最终反渗透段的所述废料流与所述第一中间反渗透段的所述排出流合并，并由所述第二中间反渗透段接收。

5.根据权利要求1所述的系统，还包括用于对在所述初始反渗透段上游的所述液体进料流进行预处理的装置，其中用于对所述液体进料流进行预处理的装置包括电容去离子系统或正渗透系统。

6.根据权利要求1所述的系统，其中：

(a)所述初始反渗透段具有多个初始反渗透模块，并且各个初始反渗透模块的低压侧出口输出产出流，所述产出流合并以形成所述稀释流；或者

(b)所述初始反渗透段具有多个初始反渗透模块，并且各个初始反渗透模块的低压侧出口输出产出流，各个产出流被送到单独的渗透物浓缩段，该渗透物浓缩段输出浓缩物流和渗透物流。

7.根据权利要求1所述的系统，其中：

(a)所述中间区段具有多个中间反渗透段，并且各个中间反渗透段的低压侧出口输出产出流，所述产出流合并以形成所述净化流；或者

(b)所述中间区段具有多个中间反渗透段，并且各个中间反渗透段的低压侧出口输出产出流，各个产出流被送到单独的渗透物浓缩段，该渗透物浓缩段输出浓缩物流和渗透物流。

8.根据权利要求1所述的系统，还包括具有高压侧和低压侧的压力延迟渗透段，

其中所述压力延迟渗透段的高压侧接收高压浓缩物流并输出高压稀释液；

其中所述压力延迟渗透段的低压侧接收稀释液并输出浓缩液；并且

其中所述高压浓缩物流是通过对(a)初始反渗透段的浓缩物流和(b)所述中间区段的浓缩物流中的至少一者进行加压而产生的。

9.根据权利要求8所述的系统，其中将所述高压稀释液供给产生所述高压浓缩物流的压力交换器，或者其中将所述高压稀释液供给能量回收设备。

10.根据权利要求8所述的系统，其中操作所述压力延迟渗透段，使得流过所述高压侧和所述低压侧的流体是逆流或顺流的。

11.一种用于净化液体进料流以获得渗透物的方法，包括：

将所述液体进料流供给至系统，该系统包括：

(a)初始反渗透段，具有：高压侧，具有用于接收所述液体进料流的高压侧入口和用于输出再循环流和浓缩物流的高压侧出口；以及低压侧，具有用于接收来自所述高压侧出口的所述再循环流的低压侧入口和用于输出稀释流的低压侧出口；

(b)具有一个或多个串联布置的中间反渗透段的中间区段，其中各个中间段具有：具有高压侧入口和高压侧出口的高压侧，具有低压侧入口和低压侧出口的低压侧，离开所述高压侧出口的再循环流和浓缩物流，被送到所述低压侧入口的所述再循环流，以及离开所述低压侧出口的排出流；并且其中所述中间区段接收来自所述初始反渗透段的所述稀释流并输出净化流；和

(c)最终反渗透段，具有：高压侧，具有用于接收所述净化流的高压侧入口和用于输出废料流的高压侧出口；以及输出所述渗透物的低压侧。

12.根据权利要求11所述的方法，其中最大系统压力小于300psig。

13.根据权利要求11所述的方法，其中所述液体进料流具有3重量％至12重量％的溶质浓度；并且所述初始反渗透段的所述浓缩物流具有7重量％至25重量％的更高的溶质浓度。

14.根据权利要求11所述的方法，其中：

(a)当所述液体进料流为海水流时，所述系统的能量消耗为每产生1立方米渗透物小于4.0kWh；或者

(b)当所述液体进料流是卤水流时，所述系统的能量消耗为每产生1立方米渗透物小于20kWh。

15.根据权利要求11所述的方法，其中所述系统还包括用于对由所述初始反渗透段接收的所述液体进料流进行加压的进料泵，用于对由所述中间区段接收的所述稀释流进行加压的段间泵，以及用于对由所述最终反渗透段接收的所述净化流进行加压的最终泵；并且其中：

(a)所述进料泵、所述段间泵和所述最终泵的操作压力彼此之间在50psig之内；或者

(b)所述段间泵的操作压力和所述最终泵的操作压力大致相等；或者

(c)所述段间泵的操作压力比所述进料泵和所述最终泵的操作压力低至少50psig。

16.根据权利要求11所述的方法，其中从所述液体进料流中去除的溶质是盐、氟化物、硼、氨或硝酸盐。

17.根据权利要求11所述的方法，还包括在将所述液体进料流供给到所述系统之前，对所述液体进料流进行预处理。

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