CN111132749A - 利用水力空化防止反渗透净化系统中膜积污的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本披露提供了一种用于在具有至少一个膜的流体处理系统中防止膜积污的方法。该方法描述了在将流体流注入到该流体处理系统中并穿过该至少一个膜之前使该流体流水力空化，其中在该空化反应器中经历水力空化之后，该流体中的固体组分改变它们的(i)分子结构、(ii)电荷、或两者，使得这些组分相互排斥并分散在该膜的边缘周围以防止积污。还提供了一种用于在具有至少一个膜的流体处理系统中防止膜积污的系统。

Description

利用水力空化防止反渗透净化系统中膜积污的系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年5月8日提交的美国临时申请号US 62503313的权益。

技术领域

本发明总体上涉及流体的修复，并且更特别地涉及一种利用水力空化来防止或消除膜积污和/或结垢的系统和方法，因为本发明总体上涉及流体处理系统，并且更具体地涉及反渗透(RO)系统。

背景技术

人类的许多不同活动产生了无数的废料和副产物。随着污染物对环境、健康和工业的影响增加，开发用于快速且有效地从受污染的水体和其他液体中去除各种各样污染物的新方法变得越来越重要。通常所说的修复的目标是从流体中减少或消除污染物和其他不安全物质。

存在许多修复方法。一些生物处理技术包括生物强化、生物通风、生物注气、生物漱洗、以及植物修复。一些化学处理技术包括臭氧和氧气注入、化学沉淀、膜分离、离子交换、碳吸收、水性化学氧化、以及表面活性剂增强回收。一些化学技术可以使用纳米材料来实施。物理处理技术包括但不限于泵送与处理、空气鼓入和双相萃取。

结合了膜技术的使用的修复技术的一个实例是反渗透(RO)，这是一种水净化技术，该水净化技术使用半透膜，通过在压力下将水推动穿过半透膜来从被污染的水中去除离子、分子和较大颗粒，该半透膜是允许水分子通过但不允许大多数溶解盐、有机物、细菌和热原质通过的膜。

RO通过使用高压泵来增加RO的盐侧上的压力并且迫使水横穿半透膜，从而将几乎所有的溶解盐留在截留物流中来工作。被去矿化或去离子的脱盐水称为透过水。携带未穿过RO膜的浓缩污染物的水流称为截留物(或浓缩物)流。在供给水在压力下进入RO膜时，水分子穿过半透膜，并且盐和其他污染物不被允许通过并且通过浓缩物流排出。在一些RO系统中，浓缩物流可以通过供给水被送回到RO系统中，并通过RO系统再循环。穿过了RO膜的水被称为透过水或产品水，并且通常约有95％-99％的溶解盐从其中被去除。

反渗透可以从水中去除多种类型的溶解物质和悬浮物质(包括细菌)，并且用于工业过程和饮用水生产两者。结果是溶质被截留在膜的加压侧上，并且纯溶剂被允许流到另一侧。为了具有“选择性”，这个膜不应允许大分子或离子穿过孔(洞)，而应允许溶液的较小组分(比如溶剂分子)自由通过。溶质很多时候包括二氧化硅、钡和其他固体。美国专利号4,277,344披露了RO膜的实例，其描述了一种芳族聚酰胺膜，该膜是具有至少两个伯胺取代基的芳族多胺与具有至少三个酰基卤取代基的芳族酰基卤的界面反应产物。

尽管RO本身是高效的，但由于当污染物积聚在膜表面上时发生的所谓的“膜积污”而存在问题，膜积污有效地堵塞膜并显著降低其修复效力。积污通常发生在RO系统的前端中，并导致RO系统上的较高压降，并且因此导致较低的透过流量。积污主要来自三个来源，即：(i)进给水中的颗粒(例如，溶质或浓缩物)；(ii)稀小可溶性矿物的积聚；和(iii)微生物生长的副产物。由于积污，膜必须经常清洗，这是昂贵的并且由于需要更多的维护总体上降低了系统的效率。此外，清洗膜通常是昂贵的，并且导致膜元件的使用寿命较短。当存在一种以上的积污条件时尤其如此，这可以使膜被不可逆地积污，而唯一合适的解决方案是完全更换膜元件。

已经提出了使用机械和化学处理的几种预处理方法来减少膜积污。例如，防垢剂可以在到达RO膜之前被注入到供应源中。然而，这仅延迟了结垢形成过程。这种延迟足以避免碳酸钙和硫酸钙沉淀在膜表面上。由于这种延迟持续有限的时段，因此在停工的系统上可能发生结垢。另一实例是分散剂可以被注入到供给水中。分散剂防止细小的悬浮固体凝结并落到膜表面上。分散剂的正确使用可以最小化由于颗粒难以预过滤的问题导致的积污。然而，分散剂具有与防垢剂相同的问题。例如，美国专利号6365101披露了一种用于抑制包含多价金属硅酸盐和多价金属碳酸盐中的至少一种的水性体系中的结垢沉积的方法，其中该水性体系具有至少约为9的pH，并且其中防垢剂的平均粒度小于约3微米。

另一预处理解决方案包括使用多介质过滤器来帮助防止积污。多介质过滤器通常包含由无烟煤、沙子和石榴石组成的三层介质，而在底部处具有砾石支撑层。这种过滤器介质布置允许最大的灰尘颗粒在介质床的顶部附近被去除，同时较小的灰尘颗粒被更深地保留在介质中。这允许整个床充当过滤器，从而允许更长的过滤器运行时间和更有效的颗粒去除。另外的方法还包括使用微滤膜、有助于以非结垢形成离子交换结垢形成离子的水软化剂、亚硫酸氢钠的插入、以及颗粒活性炭。

然而，这些目前的预处理方法可能成本很高，并且积污仍然以可能被认为低率的速度发生。另外，不管小心程度如何，无论你的预处理和清洗计划有多有效，在给定非常细的RO膜孔径的情况下，最终都一定程度地发生积污。

由此，也提出了后处理方法。例如，已经提出了改变膜表面电荷以排斥某些溶质的方法，如已经披露了用于膜表面的某些涂层。例如，美国专利号6913694描述了一种选择性膜，该选择性膜是复合聚酰胺反渗透膜，其中亲水涂层已经被施加到膜的聚酰胺层上，该亲水涂层通过以下来制成：(i)将一定量的多官能环氧化合物施涂到膜上，该多官能环氧化合物包括至少两个环氧基团，并且(ii)然后以产生水不溶性聚合物的方式交联该多官能环氧化合物。

此外，美国专利号9089820描述了一种选择性膜，该选择性膜是复合聚酰胺反渗透膜，该复合聚酰胺反渗透膜具有亲水涂层，该亲水涂层是通过将亲水化合物共价键合到聚酰胺膜上而制成，该亲水化合物包括(i)适于直接共价键合到聚酰胺膜上的反应基团，该反应基团是伯胺和仲胺中的至少一种；(ii)非末端羟基基团；和(iii)酰胺基团。在另一实施例中，亲水化合物包括(i)适于直接共价键合到聚酰胺膜上的反应基团，该反应基团是伯胺和仲胺中的至少一种；(ii)羟基基团；和(iii)酰胺基团，该酰胺基团通过烷基和烯基中的一种直接链接到羟基基团上。

然而，这些方法仅实现中等程度的成功、可能是昂贵的、并且也使得清洗膜更加困难。因此，需要一种改进的系统和方法来防止膜积污。一个潜在的解决方案是在被污染的水被供给穿过RO膜之前使用水力空化。

空化通常是在液体中形成蒸气腔，这形成了小的无液体区。在工程术语中，术语空化在狭义上使用，即，用于描述在由液体系统的动态作用产生的局部压力减小而在内部中或在固体边界上形成蒸气填充的空腔。

在水力空化中，可以通过使用在液体中触发水力空化事件的浸没射流来实现除污。这些空化事件通过产生强氧化剂和还原剂并有效地分解和破坏污染性有机化合物以及一些无机物来驱动化学反应。这些相同的空化事件不仅物理上使微生物(比如大肠杆菌和沙门氏菌)和幼虫(比如斑马贻贝幼虫)的细胞壁或外膜破坏或破裂，并且还产生杀菌化合物(比如过氧化物、羟基自由基等)，这些杀菌化合物有助于摧毁这些生物。细胞壁或外膜被破坏之后，内部细胞组分易于受到氧化的影响。

空化技术已经在各种各样的工业和生态修复环境中使用，包括但不限于农业、采矿、制药、食品和饮料制造和加工、渔业、石油和天然气生产和加工、水处理、以及替代燃料。由于如此广泛的使用领域，公司越来越渴望进一步开发空化技术。

一些实例包括：在美国专利号5,749,384(Hayasi等人)和美国专利号4,508,577(Conn等人)中披露的使用旋转喷射喷嘴达到清洁和维护目的。Hayasi的设备采用一种驱动机构，该驱动机构能够使喷射喷嘴本身上下行进、旋转和摆动。Conn等人描述了旋转包括至少两个射流形成装置的清洁头，用于清洁导管的内侧壁。

在许多情况下，这些当前的水力空化技术旨在减小悬浮固体的颗粒分布尺寸，比如RO中经常被发现是膜积污的原因的那种颗粒分布尺寸。尽管在利用空化方面有了进展，但很少甚至没有将空化与RO结合使用，这可以利用空化的益处来帮助防止膜积污。因此，需要一种新的系统和方法来将水力空化结合到RO中以形成更高效和有效的并且还降低膜积污的可能性的RO工艺。

发明内容

提供以下发明内容是为了提供对本发明的一些方面和特征的基本理解。此发明内容不是对本发明的广泛概述，并且因此，它并不旨在特别指明本发明的关键或重要元素，也不旨在描绘本发明的范围。其唯一目的是以简化的形式呈现本发明的一些构思，作为下面呈现的更详细描述的序言。

为了实现前述和其他方面，并且根据本发明的目的，一种用于防止流体处理系统中的膜积污的系统和方法。

在本发明的实施例中，提供了一种防止膜积污的系统，该系统用于防止具有至少一个膜的流体处理系统中的膜积污，该系统包括：水力空化反应器，用于在将流体流注入到流体处理系统中并穿过该至少一个膜之前使流体流空化；其中在该空化反应器中经历水力空化之后，该流体中的固体组分改变它们的(i)分子结构、(ii)电荷、或两者，使得这些组分相互排斥并分散在该膜的边缘周围以防止积污。

在本发明的实施例中，提供了一种用于在具有至少一个膜的流体处理系统中防止膜积污的方法。该方法包括：在将流体流注入到流体处理系统中并穿过该至少一个膜之前，使流体流水力空化；其中在该空化反应器中经历水力空化之后，该流体中的固体组分改变它们的(i)分子结构、(ii)电荷、或两者，使得这些组分相互排斥并分散在该膜的边缘周围以防止积污。

这种方法在比如工业和生态修复环境的领域中是有用的，这些领域包括例如城市饮用水、脱盐、农业、采矿、制药、食品和饮料制造和加工、渔业、石油和天然气生产和加工、水处理、以及替代燃料。特别地，该系统和方法在利用具有易于积污的膜的过滤器的设置中是有用的，比如在反渗透系统和水脱盐中。

本发明的另一目的是提供一种新的和改进的系统和方法，该系统和方法构建起来容易且便宜。

从应结合附图来阅读的以下详细描述中，本发明的其他特征、优点、以及方面将变得更加清楚并且更容易理解。

附图说明

在附图中以举例而非限制的方式来展示本发明，并且在附图中同样的附图标记指代相似的元件，并且在附图中：

图1是根据本发明的一个实施例的结合了水力空化的流体修复系统的示意图；

图2是根据本发明的一个实施例的结合了水力空化的流体修复系统的框图；

图3是根据本发明的一个实施例的用于执行结合水力空化的流体修复的方法的分步流程图；

图4是根据本发明的一个实施例的用于在反渗透中使用的膜的正视图；

图5是展示了根据本发明的一个实施例的用于基于空化的水修复的实例方法的流程图；

图6是根据本发明的一个实施例的、详述了在农场中使用流体修复系统进行修复的用例的示意图；

图7示出了利用本文提供的系统和方法来执行修复的从测试用例中获取的数据；

图8是根据本发明的一个实施例的水力空化系统中使用的反应器板的前视图；并且

图9是根据本发明的一个实施例的利用水力空化以及智能平台和自动化硬件/软件布置的流体修复系统的示意图。

除非另有说明，附图中的展示不一定是按比例绘制的。

具体实施方式

通过参考在此阐述的详细附图和说明将最好地理解本发明。

以下将参考附图来讨论本发明的实施例。然而，本领域技术人员将容易了解的是，在此关于这些附图所给出的详细说明是出于解释的目的，因为本发明扩展到了这些有限的实施例之外。例如，应当了解的是，本领域技术人员鉴于本发明的传授内容、根据具体应用的需要、在所描述和示出的以下实施例中的这些具体的实现方式选择之外，将认识到多种替代的且适当的途径，以便实现在此描述的任何给定细节的功能。即，本发明存在许多修改和改变，这些修改和改变数目太多而未被列出、但都位于本发明的范围之内。

将进一步理解的是，本发明不限于在此描述的具体方法、化合物、材料、制造技术、用途和应用，因为这些可以发生改变。还应理解，本文所使用的术语仅用于描述特定实施例的目的而并非旨在限制本发明的范围。必须注意的是，除非上下文另外清楚地指明，比如本文中以及在所附权利要求中所使用的，单数形式“一个”、“一种”以及“该”包括复数指代物。因此，例如，提及“元件”是指一个或多个元件、并且包括本领域技术人员已知的其等效物。类似地，对于另一实例，提及“步骤”或“装置”是指一个或多个步骤或装置、并且可以包括子步骤以及子装置。所使用的所有连词应在可能的最具包容性的意义上来理解。因此，除非上下文另有明确规定，否则词语“或”应理解为具有逻辑“或”的定义而不是逻辑“异或”的定义。在此所描述的结构也应理解成是指此类结构的功能等效物。可以被解释为表达近似含义的语言应如此进行理解，除非上下文清楚地另作指示。

如本文所用，术语“浓缩物流”应指携带未穿过RO膜的浓缩的污染物的水流。截留物水在本文中也可以被称为“截留物流”。

如本文所用，术语“被污染的水”应指与溶解盐、有机物、细菌和热原质结合的水分子。

如本文所用，术语“透过水”应指通过RO膜后被去矿化或去离子的脱盐水。透过水在本文也可以称为“产品水”。

除非另作限定，否则在此使用的所有技术术语和科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员普遍理解的相同含义。描述了优选的方法、技术、装置以及材料，但是在本发明的实践或试验中可以使用类似于或等同于在此描述的这些的任何方法、技术、装置或材料。在此所描述的结构也应理解成是指此类结构的功能等效物。现在将参照如在附图中展示的本发明的实施例来对本发明进行详细描述。

根据本发明的教导内容，本领域技术人员将容易认识到，前述步骤和/或系统模块中的任何一个可以被适当地替换、重新排序、移除，并且可以根据特定应用的需要来插入额外的步骤和/或系统模块，并且前述实施例的系统可以使用多种合适的过程和系统模块中的任何一种来实施，并且不限于任何特定的计算机硬件、软件、中间件、固件、微码等。对于本申请中描述的可以在计算机器上执行的任何方法步骤，典型的计算机系统在被适当地配置或设计时，可以用作在其中可以实现本发明的这些方面的计算机系统。

虽然本发明的示例性实施例将参照空化可以应用于的某些行业进行描述，但是技术人员将认识到，本发明的实施例适用于空化是有益的任何类型的应用。

本发明的系统和方法防止膜积污并修复流体。该系统被配置用于改变有机和无机浓缩物物质的分子特性和/或结构特性，该浓缩物物质在正常情况下堵塞过滤系统中的膜或使其积污。通过进一步理解用于驱动物理和化学除污反应的空化现象，可以最好地理解本除污系统的详细元件和具体实施例。由于流动中的大压降，微气泡在压降区域中生长，而在压力升高区域中溃灭。当受到空化作用时，液体中的各种分子发生解离并形成自由基，这些自由基是强力的氧化剂或还原剂。例如，在水性液体中，由于微气泡的生长和溃灭，在强烈的空化作用下发生水解离形成羟基自由基。由于在水性溶液以及非水性液体和溶液中的空化，可能发生其他分子的类似解离，从而产生类似地有助于本文所述除污反应的自由基。而且，在不考虑特定自由基的产生的情况下，在任何液体环境中产生的空化将引起污染物的物理破坏。本发明的方法和系统将适用于包括易于通过所采用的空化的物理和/或化学效应而分解的污染物的所有流体环境。

发明人已经发现，使用本文所述的系统和方法，浓缩物会改变形式并且不会使RO膜的膜积污，如本文所述。发明人还发现，该系统和方法可用于利用膜技术的其他类型的过滤。

现在参考图1，根据本发明的一个实施例的结合水力空化的流体修复系统的示意图总体上以100表示。系统100限定了与入口102以及各种出口104A-E和RO膜160联接的水力空化系统158。在当前实施例中，存在一个入口102和5个出口104A-E，但是在可选实施例中，可以存在更多或更少数量的入口和/或出口。

仍然参考图1，修复通道101被配置成使用泵126沿着由162表示的路径将被污染的水引入到系统100中。穿过修复通道101的被污染的水最初可以是原水、棕色的或黑色的，并且可以包含沉积物、污染物等，并且将通过联接到水力空化系统158的泵126被引入到水力空化系统158中。泵126用于将被污染的水供应到水力空化系统158中以便于处理。

在当前实施例中，只有一个被配置成在高压下操作的泵148。在可选的实施例中，泵148可以在不同的压力下操作，以应对在被污染的水中发现的不同类型的污染物(例如砷、铅、镭、镉和锌)的浓度。在甚至其他可选的实施例中，可以使用一个以上的泵148。

虽然图1中展示了简单的矩形罐，但是应理解的是，可以采用各种尺寸、形状、容器位置和各种尺寸的部件的数量。

仍然参考图1，现在从入口102开始，系统包括传感器壳体106、第一阀108、多个注入器盘管110、添加剂端口112和流量计114。如本文使用的，系统的这个区域可以被称为“预空化区”或“混合区”。该系统可以进一步包括第一空气注入器116、以及第二传感器阵列118，之后是旋流板146和第二空气注入器120。还示出了附加的传感器(例如，压力传感器124)和第二阀122。修复路径101接着继续到达出口104。如本文使用的，系统的这个区域在此可以被称为“空化区”144。

仍然参考图1，传感器壳体106定位在入口102附近并且通信联接到修复路径101，使得被修复的污染水在进入预空化区之前被测试和监测。在本发明的可选的实施例中，提供分歧路径128和阀108，使得修复流体的样本被射出以用于测试。进一步提供了进入路径132，用于经由联接到进入路径132的阀134(例如，阻气阀)将测试流体注回到修复通道101中。传感器壳体106可以包括用于过程的自动化、表征和监测的传感器阵列。例如，传感器阵列可以包括许多不同的部件，包括机械传感器、电子器件、分析传感器和化学传感器、控制系统、遥测系统、以及允许传感器与可编程逻辑控制器(PLC)通信的软件，这将结合图9更详细地讨论。

仍然参考图1，在本发明的当前实施例中，传感器壳体106可以包括机械传感器、压力计和测量流速的流量计、测量各种参数(比如压力、比重、液体的存在(水位计和界面探针)、pH、温度和电导率)的电子传感器、以及测量化学参数(比如污染物浓度)的分析传感器。分析传感器的一些实例包括用于色度测量的pH探针和光学传感器。与传感器协同工作的控制系统包括PLC和其他电子微处理器设备。控制系统能够接收传感器输入、处理信息、并触发特定的动作。这些将结合图9更详细地讨论。

仍然参考图1，多个导管136流体联接到修复通道101，这些导管136被配置用于将某些物质注入修复通道101。作为实例，可以根据所选择的流体处理工艺的类型、待处理的污染物、现有水质、期望的水质和其他变量来采用呈固相、液相或气相的前体化合物的不同类型和组合。前体化合物140可以通过泵138A-E泵入或注入修复通道101中。在当前实施例中，使用五个泵138A-E，但是在可选的实施例中，可以使用多于五个泵。前体化合物140可以是原料，但是也可以包括可更换的筒、管线进料或其他类似的化学品输入，并且对于较大的水流，包括各种原料和前体进料材料的大量供应。

仍然参考图1，示例性前体化合物140包括作为固体引入的、或者溶解在水或某种其他溶剂中的可以包含卤盐(比如氟、氯、溴、碘)、硫酸盐、钠、钾等的化合物。可以采用溶解在水中或某种其他溶剂中的液体原料，比如臭氧、过氧化氢、过氧酸、盐水溶液、氯溶液、氨溶液、胺、醛、酮、甲醇、螯合剂、分散剂、氮化物、硝酸盐、硫化物、硫酸盐等。进一步，可以采用气态原料，比如臭氧、空气、二氧化氯、氧气、二氧化碳、一氧化碳、氩气、氪、溴、碘等，基于流体修复项目目标，上述每一个是处于预定的量。对于固体化合物，示出了添加剂端口112。干燥剂的注入可以通过操纵联接到添加剂端口112的阀142来进行。

仍然参考图1，用于将试剂引入到修复通道101的端口112可以在局部缩流部处或其附近将氧化剂引入流通通道中。在展示的实例中，端口可以被配置成允许在局部缩流部中将氧化剂引入流体中。应理解的是，端口可以被配置用于不仅在局部缩流部处、而且沿着在局部缩流部与进入形成空化气泡的空化区的区域之间(包含端点)的区域将氧化剂引入修复通道101中。

仍然参考图1，并且沿着修复通道101向下移动，沿着该路径放置比如流量计114等附加传感器。在预空化区中，流量计被配置用于量化大体积流体运动，以允许PLC计算空化变量，这参考图9更详细地讨论。一旦被污染的水进入空化区144，流体经历不同程度的空化。空化区144可以包括：第一空气注入器116，该第一空气注入器被配置成将空气注入修复通道101中；反应器板146；第二空气注入器120；以及控制阀124，该控制阀用于控制穿过空化区144的流量比例并且用于控制修复通道101中流体的平均停留时间。

仍然参考图1，第一空气注入器116和第二空气注入器120被配置用于在流体中引入空化，以在液体中形成蒸气空腔(即，小的无液体区、气泡或空隙)，这在流体经受压力的快速变化时发生，这种压力的快速变化导致形成空腔，在空腔中压力相对低。以这种方式，注入器用于增强化学反应并且由于空化气泡中捕获的蒸气的解离而在过程中引起的自由基形成来传播反应。

仍然参照图1，反应器板146被布置在第一空气注入器116与第二空气注入器120之间的修复通道101内。结合图8更详细地讨论的反应器板被配置用于引入进一步的空化，使得在空化区144中存在具有高挥发性的大量微气泡。当这些微气泡溃灭时，流体中会产生高达500个大气压的瞬时压力和大约5000度K的瞬时温度。这种现象完成了若干重要的化学反应：(1)H2O解离成OH自由基和H+原子；(2)复杂有机烃的化学键断裂；以及(3)长链化学物质在下游被紫外辐射所照射之前被氧化成更简单的化学成分，从而进一步促进氧化过程。

仍然参照图1，附加阀124被布置在修复通道101中，以在流体需要流出到出口104A-E时降低水头压力，该附加阀在当前实施例中是蝶形阀，但是在其他实施例中可以包括其他类型的阀。与系统中的其他阀一样，阀124可通信地联接到PCL使得其完全自主。

仍然参考图1，一旦流体已经通过空化区144，它将经修复通道101被朝向RO膜152供给。RO泵160联接到修复通道101，确保产生适当量，使得可以跨RO膜152发生RO。一旦在输出口104A-E处，流体将穿过到达RO膜152，在那里流体将经历RO。当被污染的水在压力下(足以克服渗透压)进入RO膜152时，水分子穿过RO膜152，并且盐和其他污染物不被允许穿过，并通过浓缩物流162排出并被储存在浓缩物容器156中。能穿过RO膜152的透过物将穿过透过物通道154，并将被储存在透过物容器150中。

发现一旦流体穿过图1的空化反应器，RO的过滤器就会以显著较慢的速度积污，并显著延长膜寿命。进一步，发现在将每天7MG的微咸水处理成饮用水后，该系统回收了55-65％之间的RO浓缩物(这在以前是不可处理的)，并且不会使膜积污。如表1所示的表格，其中每个纵轴代表一周：

表1

当RO单独运行时，过滤器不以几乎相同的速率积污，这将结合图2至图4进行讨论。

现在参考图2，根据本发明的一个实施例的结合水力空化的流体修复和/或处理系统的框图总体上以200示出。提供水源102，该水源被泵送到水力空化反应器204或者以其他方式被该水力空化反应器接收。在当前实施例中，讨论了水力空化。然而，在可选的实施例中，应当注意，其他类型的空化可以与本系统和方法一起使用，比如但不限于声空化等。一旦流体在水力空化反应器204中经历空化，它然后被第二流体处理系统208接收，在这个示例性实施例中该第二流体处理系统包括利用具有膜的过滤器来修复被污染的水的任何系统。

使用膜技术的废水处理的实例是RO。RO可以利用例如是螺旋缠绕元件的膜，该膜包括由两个膜片组成的夹层，其中被插入的透过物载体被胶粘在一起，并且供给间隔件被插入在相对的膜表面之间以完成膜包装。膜包装被缠绕在穿孔中心管的周围，透过物穿过该中心管离开该元件。在典型的设置中，膜将收集充当“积污层”的透过物。积污层通常由微生物群落、盐和无机物(比如，Al、As、Ch、Co、Mg、BaSO₄O、S、Ni、P、Si、Fe、Ba和Sr等)组成。

在反应器204中经历空化之后，微咸水或棕色水中的组分改变它们的分子结构和/或沉淀物的分子的电荷，以使它们“自然”分散并且不会堵塞膜或使膜积污。以这样的方式，作为预处理方法和修复技术，在第一次通过RO膜后使流体空化或者甚至使浓缩物空化降低了RO膜受到堵塞或积污的可能性。如果在“第一次通过”处使用空化，RO供给水的有效预处理(用于完全或部分去除潜在污物，比如颗粒、胶体和有机物质)。

发现过滤器的外部上的积聚由含有少量较大聚集体的细白色粉末组成，并且非常类似于玉米淀粉的外观。通过ICP/OES来分析动力，以检测样品中存在的无机组分。在给定溶解度测试的结果的情况下，怀疑粉末是不溶性盐的异质混合物。因此，通过元素分析检测到的任何金属组分都可以被认为是这些盐晶体中的阳离子物质。到目前为止，发现最丰富的金属是钙，其次是镁和钾。这些金属之间的摩尔比测定如下：钙:镁(摩尔:摩尔)18.6:1和钙:钾(摩尔:摩尔)114:1。还检测到痕量的以下金属(各自少于1ppm)：钡、钴、铜、钼、镍、钛、钒、锌和银。仪器检测到以下元素并产生可靠的光谱，但我们无法量化它们：碳、硫和磷。

为了测定粉末中的阴离子组分，通过离子色谱法(IC)分析小样品。测试的阴离子是氟离子、氯离子、亚硝酸根、硫酸根、溴离子和磷酸根。由于硝酸被用来溶解粉末，我们无法对硝酸盐进行测试。

基于可用的数据，结论是，所讨论的粉末主要由硫酸钙(>90％)和硫酸镁以及构成粉末剩余部分的痕量上述金属构成。尽管这一结论主要是通过定性手段得出的，但它得到了所观察到的经验数据和硫酸钙已知性质的支持。硫酸钙溶度积(KSP)的文献值为9×10-6，这与我们观察到的粉末微溶于水一致。硫酸钙和硫酸镁两者也以白色粉末出现，这与由实验室分析的粉末的物理外观相匹配。

最后，基于来自输入流的数据，钙和镁进入静水空化设备似乎有已知的来源。浓缩物输入流的水质分析发现钙和镁以很高的水平存在。似乎有这样的过程，这两种阳离子通过该过程与硫酸盐反应以在静水空化过程中形成不溶性聚集体，这有助于避免过滤器积污。

现在参考图3，根据本发明的一个实施例的用于执行结合水力空化的流体修复的方法的分步流程图总体上以300示出。在这个系统中，来自水源302的被污染的水被泵入空化反应器304中或由该空化反应器接收。一旦RO膜306接收到已经经历空化的被污染的水，它进行反渗透，并将过滤后的生产水送到生产储存罐308，并将浓缩物流与未准备好用于消耗的流体一起送到储存罐310。在储存罐310处，流体沉降并且颗粒沉降到底部。然后，具有浓缩物的流体被送回到空化反应器304，在那里，在被RO膜306再处理之前，其经历如本文所述的水力空化。

在测试期间，不仅大约55％-65％的流体被回收并变得可用于生产水，在使被污染的水流行进穿过空化反应器304之后，RO膜306不会像它们在被污染的水根本没有经历空化的情况下那样积污。相反，在整个日常循环中，膜上的压力被保持处于近似稳定的压力。在RO中的“正常”情况下，随着沉淀物积聚，膜上的压力在整个过程中积聚。对过滤器的检查表明，一旦被污染的水行进穿过空化反应器304，积污层不会在RO膜306上积聚，或者至少以低得多的速率积聚。RO膜306包括多个膜，在示例性实施例中这些膜具有范围为从0.0001μm至0.001μm的孔径，使得能够保留除水之外的几乎所有分子，并且由于孔的尺寸，所需的渗透压显著大于其他形式的过滤。因此，颗粒积聚可能发生并使RO膜306积污，并且还导致生产能力的损失并增加压力，直到有时可能出现故障情况。

仍然参考图3，在这个示例性实施例中，来自水源302的被污染的水被直接送到空化反应器304。然而，在可选的实施例中，来自水源302的被污染的水可以首先经历RO，并在被送到空化反应器304之前通过其自身的RO膜。

现在参考图4，根据本发明的一个实施例的反渗透中使用的膜的前视图总体上以400表示。在当前实施例中，示出了膜402和404。膜402用没有经过如本文所述的空化过程的流体运行，而膜404显示了已经经过如本文所述的空化过程的流体已经行进经过的膜。可以看到，积污层及其颗粒406积聚在膜的内部部分上，而在膜404中，最小积污层颗粒积聚在膜408的外部部分上。这意味着与HP膜相比可以使用LP膜，从而大大节省了成本。

现在参考图5，展示了根据本发明的一个实施例的基于空化的水修复的示例方法的流程图总体上以500表示。在当前实施例中，方法500可以包括：利用泵将水供应到修复通道，使被污染的水从入口开始流经修复通道，步骤502。

仍然参考图5，方法500可以进一步包括使用与修复通道处于流体连通的注入端口将至少一种试剂注入到透过水中，步骤504。方法500可以进一步包括使用位于注入端口下游的与修复通道处于流体连通的空气致动器将空气脉冲引入流体中，步骤506。方法500可以进一步包括使流体流经反应器板以形成旋流，步骤508。

仍然参考图5，方法500可以进一步包括使用位于注入端口下游的在第二位置处与修复通道处于流体连通的空气致动器将空气脉冲引入到透过水中，步骤510。方法500可以进一步包括在修复通道内的透过水中产生至少一个和更多、通常多个涡旋旋流和空化穴，步骤512。

仍然参考图5，方法500可以进一步包括使用流量调节阀来调节该流体的流量，该流量调节阀布置在该修复通道内并且与该空气致动器进行电子通信，该流量调节阀被配置用于优化压力以增加该液体内空化穴的数量，步骤516。方法500可以进一步包括将修复后的透过水输出到反渗透修复系统中(步骤516)，并且将透过水从反渗透系统输出到生产储存罐中，并使浓缩物从反渗透系统流入保持罐中，用于通过修复通道和反渗透系统进一步再处理(步骤518)。

实例1

该实例是为了展示实施例的目的，而不应被解释为限制。

现在参考图6，利用空化的修复系统的大规模商业实现方式的可选的实施例总体上以600表示。这个可选的实施例考虑了使用多列本文描述的系统。通过将多列联接在一起，这通过使列a和列b中生成的浓缩物通过其自身的反渗透程序而允许最高品质的修复。这被认为是多级系统，其中来自前两级的浓缩物成为第三级的供给水。附加级的使用允许增加从系统的透过水回收。在更大规模上的甚至更多可选的实施例中，在浓缩物被收集和处理之前，可以使用多于2个级。

从现有列A开始，从供给器602获得污染物水。泵604将被污染的水推向包括水力空化系统的反应器606和离心机608。一旦被污染的水穿过离心机608，固体就被转移到固体储存罐610，并且然后剩余的水通过泵612被送到列A的RO膜614，该泵被设计成提供足够的压力以在水穿过列A的RO膜614时使得反渗透发生。一旦穿过RO膜614，透过物通过泵616被送到透过物储存罐618，同时浓缩物通过泵620被送到浓缩物供给器622。

仍然参照图6，在现有列A操作的同时，现有列B也在操作。当从供给器626获得被污染的水时，列B开始。然后，泵628将被污染的水推向反应器630和离心机632，在这里发生水力空化。固体被转移到固体储存罐636，而剩余的水通过泵634被送到列B的RO膜646。与列A非常相似，泵634将提供足够的压力以在水穿过列B的RO膜646时使得反渗透发生。一旦穿过RO膜646，透过物通过泵624被送到透过物储存器640，同时浓缩物通过泵638被送到浓缩物供给器622。

仍然参考图6，一旦完成列A和列B两者，并且来自这两个列的浓缩物被送到浓缩物供给器622，那么将执行列C。反应器642接收来自浓缩物供给器622的浓缩物，然后该浓缩物通过泵644被输送穿过列C的RO膜648。如同列A和列B一样，泵644被设计成生成足够的压力以在浓缩物穿过列C的RO膜648时使得反渗透发生。由于穿过列C的RO膜648而生成的透过物将通过泵650被送到透过物储存器652，而剩余的浓缩物将通过泵654被送到浓缩物储存器656。

现在参考图7，示出了从利用本文提供的系统和方法来执行修复和空化的测试用例中获得的数据的表格总体上以700表示。表700示出了在测试时段期间每天的操作压力。膜操作压力是膜的积污量的指标。每个测试开始时，操作压力在330至350psi的范围内。在每次测试的前四个小时，压力增加到380至390psi，并且然后在剩余的测试中保持稳定。如果膜被逐渐积污，则操作压力将在测试时段的过程期间逐渐增加，并且在每次测试运行结束时不会回到基线值。在测试时段期间，操作压力没有可测量的增加，并且因此测试数据没有显示明显的膜积污。

现在参考图8，在根据本发明的一个实施例的系统中使用的反应器板的前视图总体上以800表示。返回参考图1，基本均匀混合的流从空气注入器116被引导至反应器板146。反应器板146包括预定尺寸的中心孔，流体穿过该中心孔。均匀条纹802被布置在反应器板146的面上，其数量基于用例而预先确定，并且这些均匀条纹被配置用于均匀地分散流体。在一些实施例中，条纹802是圆环，这些圆环在板的面的预定部分上形成相应的顶和谷。在总体上以800示出的实施例中，条纹从外半径向内覆盖板的大约半个面。在一些可选的实施例中，条纹可以相对于空化区段充当密封件。如图1中可见，凸缘允许这些区段易于复制。

仍然参照图8，旋流产生区段804朝向板146的中心向内布置，并包括前边缘部分，该前边缘部分首先向上且向后倾斜、接着以连续的凸形向后曲线进行弯曲，从而具有谷808和峰810，这些谷和峰融合成基本水平向后延伸到上边缘部分。这些峰810可以被称为“叶片”。这种形成确保了气泡开始以足够小的尺寸形成，从而产生促进气泡/颗粒附着的较长范围的疏水力、并在不断变化的混合环境中产生最佳尺寸和数量的气泡。反应器板146提高了羟基自由基(这些羟基自由基通常能够降解和/或氧化流体中的有机化合物)的量，并产生了包含在空化气泡内和/或与空化气泡相关联的大量的氧化剂。

反应器板146可以由相对不渗透到空化部中的材料(比如金属合金)形成，或者在一些实施例中由具有弹性的弹性体材料形成。反应器板146可以被实施为多种不同的形状和构型。例如，板可以是圆锥形的，其包括引起旋流的圆锥形表面，或者可以是如图所示的完全循环式的。应理解的是，也可以在不同程度上采用其他形状。

现在参考图9，根据本发明的一个实施例的利用水力空化以及智能平台和自动化硬件/软件布置的流体修复系统的示意图总体上以900示出。“智能平台”通常涉及比如可编程逻辑控件、高性能和高性能系统(例如，PAC系统)控制器等控件，这些控件具有可用性冗余、可扩展的开放式架构、可升级的CPU等。此外，在本发明的实施例中，利用

来最大化效率和数据分发的分布式I/O具有I/O灵活性，并且连接到从简单离散I/O到安全和过程I/O的整个范围的I/O。

如图9所示，PLC 902与多个控制器904、906、908电联接(例如，硬线、无线、等)，每个控制器联接到各种阀和传感器阵列。PLC 902被配置用于执行软件，该软件连续获取关于输入设备状态的数据，以控制输出设备的状态。众所周知，PLC通常包括处理器(其可以包括易失性存储器)、包括应用程序的易失性存储器、以及用于连接到该自动化系统中的其他设备的一个或多个输入/输出(I/O)端口。此外，在PLC中，对于业务分析应用来说对于控制级上可用的过程的情境了解会丢失。该平台可以进一步包括数据采集与监视控制(SCADA)、制造执行系统(MES)或企业资源计划(ERP)系统中的更高级软件功能性。可选地，PLC可以是“智能PLC”，其包括各种部件，这些部件可以被配置用于在控制应用中提供各种增强的功能。例如，在一些实施例中，智能PLC包括深度集成的数据历史和分析功能。这项技术特别适用于但不限于用于水修复的各种工业自动化环境。在操作中，自动化系统情境信息可以包括例如以下一个或多个：产生数据的设备的指示、包括智能PLC的自动化系统的结构描述、系统工作模式指示器、以及关于在生成过程图像区域的内容时所产生的产品的信息。此外或替代性地，情境化数据可以包括以下一个或多个：智能PLC所使用的自动化软件的描述、或指示在生成过程图像区域的内容时自动化软件的状态的状态指示器。

仍然参考图9，PLC电联接到泵124和流体源908、传感器壳体106、阀910、多个注入器盘管110、添加剂端口112和另一传感阵列114。附加的下行管线控制器904可通信地联接到PLC，并进一步与添加剂端口112和138通信。在本发明的可选实施例中，传感器阵列106被配置用于获取流体的所有相关性质，并将该信息发送到902的PLC。基于流体的性质，PLC被配置用于引导阀914将支持修复过程的试剂释放到流中。在一些实施例中，PLC 902载有关于流体品质的预定信息。作为实例，可以根据所选择的流体处理工艺的类型、待处理的污染物、现有水质、期望的水质和其他变量来采用呈固相、液相或气相的前体化合物的不同类型和组合，比如作为固体引入的、或者溶解在水或其他溶剂中的可以包含卤盐(比如氟、氯、溴、碘)、硫酸盐、钠或钾等的化合物。提供附加的传感器阵列912，用于测试和获取关于经处理流体的数据，并确保可以提供适当的压力和流速。

第一空气注入器116与附加的控制器906通信，该附加的控制器又与PLC902通信。在本发明的可选实施例中，PLC 902被配置用于基于所需的空化程度来控制空气压力。控制器906还与反应器板146和挡板(未示出)通信，以使反应器板旋转和倾斜来改变空化程度。类似于第一空气注入器，出于类似的目的，第二空气注入器120和控制阀124与控制器906通信。

仍然参考图9，可以采用附加的致动器918，也可以采用可选的传感器阵列920和UV反应器922，在穿过RO膜924并变成最终使用的经修复的流体926之前，这些各自连接到控制器。

第一和第二空气注入器被配置用于在流体中引入空化，以在液体中形成蒸气空腔(即，小的无液体区、气泡或空隙)，这在流体经受压力的快速变化时发生，这种压力的快速变化导致形成空腔，在空腔中压力相对低。以这种方式，注入器用于增强化学反应并且由于空化气泡中捕获的蒸气的解离而在过程中引起的自由基形成来传播反应。

反应器板146布置在第一和第二空气注入器之间的管线101内，并与PLC902通信，并且PLC 902被配置成使反应器板146在不同方向上倾斜(例如，15度)。结合图2更详细地讨论的反应器板被配置用于引入进一步的空化，使得在空化区144中存在具有高挥发性的大量微气泡。

附加阀124(例如，蝶阀)布置在管线中，以在需要将流体排出到出口104时降低水头压力。与系统中的其他阀一样，阀124可通信地联接到PCL使得其完全自主。

虽然已经结合目前被认为是最实用且优选的实施例描述了本发明，但是应理解的是，本发明不限于本文披露的这些实施例。而是，本发明旨在覆盖包含在所附权利要求的精神和范围内的所有这些不同的修改以及等效布置。

虽然本发明的多个不同实施例的具体特征可能在一些附图中示出而在其他附图中未示出，但这仅是为了方便。根据本发明的原理，一个附图的特征可以与任何其他附图中的任何或所有特征组合。如本文所使用的词语“包括”、“包含”、“具有”和“带有”应广义和全面地进行解释、并且不限于任何物理互连。此外，本文披露的任何实施例不应被解释为唯一可能的实施例。而是，修改和其他实施例都旨在包含在所附权利要求的范围内。

Claims (15)

1.一种用于在具有至少一个膜的流体处理系统中防止膜积污的方法，该方法包括：

在将流体流注入到该流体处理系统中并穿过该至少一个膜之前，使该流体流水力空化；

其中在该空化反应器中经历水力空化之后，该流体中的固体组分改变它们的(i)分子结构、(ii)电荷、或两者，使得这些组分相互排斥并分散在该膜的边缘周围以防止积污。

2.如权利要求1所述的方法，进一步包括将待处理的流体泵入第一反渗透列以产生浓缩物，其中该反渗透列包括多个膜，该至少一个膜是该多个膜中的一个膜。

3.如权利要求2所述的方法，进一步包括在水力空化反应器处接收该浓缩物，并使用空气致动器将空气脉冲引入到该浓缩物中。

4.如权利要求1所述的方法，进一步包括在该水力空化反应器处处理该浓缩物，并且将该浓缩物输送穿过至少一个膜，其中该至少一个膜包括第一RO膜或第二RO膜。

5.如权利要求1所述的方法，在使该流体水力空化之后，使该流体行进穿过离心机。

6.如权利要求1所述的方法，其中，该流体是作为第一RO处理的产物的浓缩物，并且该浓缩物在行进穿过第二RO处理之前行进穿过该空化反应器。

7.如权利要求6所述的方法，其中，在使该浓缩物行进穿过该空化反应器后，产生固体混合物，该固体混合物包含18.6:1的钙:镁比和114:1的钙:钾比。

8.一种用于在具有至少一个膜的流体处理系统中防止膜积污的系统，该方法包括：

水力空化反应器，用于在将流体流注入到该流体处理系统中并穿过该至少一个膜之前，使该流体流空化；

其中在该空化反应器中经历水力空化之后，该流体中的固体组分改变它们的(i)分子结构、(ii)电荷、或两者，使得这些组分相互排斥并分散在该膜的边缘周围以防止积污。

9.如权利要求8所述的系统，进一步包括：至少一个泵，该至少一个泵被配置用于将待处理的流体泵入第一反渗透列以产生浓缩物，其中该反渗透列包括多个膜，该至少一个膜是该多个膜中的一个膜。

10.如权利要求9所述的系统，其中，该反应器接收该浓缩物，并且使用空气致动器将空气脉冲引入到该浓缩物中。

11.如权利要求8所述的系统，进一步包括：在该水力空化反应器之后的用于处理该浓缩物的第二膜。

12.如权利要求8所述的系统，进一步包括：与空化反应器流体连通的离心机，该离心机被配置用于从该流体中去除颗粒。

13.如权利要求8所述的系统，进一步包括：第二水力空化反应器，以及流体入口，这些流体入口被配置用于将该浓缩物输送穿过至少一个膜，其中该至少一个膜包括第一RO膜或第二RO膜。

14.如权利要求13所述的系统，其中，在使该浓缩物行进穿过该空化反应器后，产生固体混合物，该固体混合物包含18.6:1的钙:镁比和114:1的钙:钾比。

15.如权利要求8所述的系统，其中，这些膜包括低压膜。

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