CN114786797A

CN114786797A - 反渗透设备及其方法

Info

Publication number: CN114786797A
Application number: CN202080085795.4A
Authority: CN
Inventors: 威廉·B·克兰斯; 张智皓
Original assignee: Nanyang Technological University
Current assignee: Nanyang Technological University
Priority date: 2019-10-10
Filing date: 2020-10-09
Publication date: 2022-07-22
Also published as: WO2021071435A1; US20240091712A1

Abstract

一种反渗透设备，包括具有壳体的反渗透单元；圆筒形滚筒可旋转地设置在所述壳体内，其中二者之间的侧向间隙限定中间腔室，并且所述圆筒形滚筒包括外部圆筒形壁和内部圆筒形壁，以在其中限定内部圆筒形进料室和外部环形分离室；以及至少一个通道结构，其限定从所述内部圆筒形壁径向延伸到所述外部圆筒形壁的渗透物通道，其中，第一通道端是封闭的，而第二通道端通入所述中间腔室中。所述至少一个通道结构包括纵向延伸的膜元件，所述膜元件在所述渗透物通道和与所述内部圆筒形进料室流体连通的进料流动区域之间形成半渗透界面。所述设备包括泵和马达，所述泵用于对所述内部圆筒形进料室加压，所述马达用于使所述圆筒形滚筒旋转以产生离心力。

Description

反渗透设备及其方法

技术领域

各种实施例总体上涉及从进料中分离溶剂的反渗透设备和反渗透方法。特别地，各种实施例总体上涉及从进料中分离溶剂的离心反渗透设备和离心反渗透方法。

背景技术

20世纪期间对水的需求的增长率是人口增长率的两倍以上。因此，世界上40％的人现在生活在遭受用水压力的地区，预计到2025年将达到48％。此外，世界有限的淡水供应中的致病污染物现在影响近10亿人，并且预计到2025年将影响多达35亿人。尽管地球的70％被水覆盖，但估计只有0.008％的这种水可作为淡水获得，以维持目前世界上77亿人的人口。由于与增加的工业和农业使用相关联的污染和毒害，这种有限的水供应受到损害。因此，增加我们可获得的淡水供应现在是全球关注的问题。

通过反渗透(RO)的海水或微咸水脱盐已经成为用于增加世界淡水供应的技术。国际脱盐协会报告说，在2019年，世界上有超过20,000家脱盐工厂向150个国家的3亿人供应淡水。然而，反渗透脱盐仍然是昂贵的淡水来源。通过反渗透脱盐生产淡水的成本为0.66美元/m³至1.32美元/m³，相比之下，直接淡水来源的平均成本为0.53美元/m³。反渗透脱盐的高成本的主要原因是在克服盐水和淡水之间的渗透压差(OPD)的同时实现合理的水回收率所需的高压。例如，对于产生含有0.35g/L盐的淡水产物的含有35g/L盐的典型海水，使用常规单级反渗透(SSRO)实现50％总水回收率所需的最小跨膜压力(TMP)为55.5bar。

通常，可以通过使用多于一级的反渗透级增加施加的压力来降低反渗透脱盐的成本，由此将来自第一反渗透级的浓缩物或渗余物盐水(即，在第一反渗透级中不通过膜的盐水)作为进料送至第二反渗透级。来自两个反渗透级的组合渗透物是淡水产物。使用串联的两个反渗透级通过仅将一部分盐水进料泵送至高达期望的水产物回收率所需的最大压力来降低比能耗(SEC)，即每单位体积淡水产物所需的能量。使用串联的三个反渗透级将进一步降低比能耗。然而，使用串联的反渗透级需要在串联的各个反渗透级之间的高压增压泵，这增加了固定和维护成本以及工艺复杂性。用于盐水脱盐的最佳操作通常涉及使用一至三个串联的反渗透级。增加级数的变化是通过理论上具有无限级数的闭路反渗透工艺来完成的。这在闭路反渗透工艺中通过连续再循环盐水同时随着膜进料侧的浓度增加而逐渐增加进料压力并连续添加进料来实现。然而，闭路反渗透是分批或半分批工艺，而不是不容易适应或适用于大规模脱盐的连续脱盐工艺。此外，闭路反渗透由于熵混合效应(即，海水进料以与渗透物被抽出并与再循环盐水混合的速率相同的速率添加到系统中)以及由于再循环引起的累积摩擦损失而具有缺陷。

因此，需要一种用于进行反渗透的更经济和有效的解决方案。

发明内容

根据各种实施例，提供了一种反渗透设备。该设备可以包括具有壳体的反渗透单元。所述反渗透单元还可以包括圆筒形滚筒，所述圆筒形滚筒设置在所述壳体内并且以能够相对于所述壳体围绕所述圆筒形滚筒的纵向轴线旋转的方式联接到所述壳体，其中，所述圆筒形滚筒的外圆筒形表面与所述壳体之间的侧向间隙限定了中间腔室。圆筒形滚筒可以包括外部圆筒形壁和内部圆筒形壁，外部圆筒形壁限定圆筒形滚筒的内部圆筒形空间，内部圆筒形壁将内部圆筒形空间分隔成由内部圆筒形壁环绕的内部圆筒形进料室和在内部圆筒形壁与外部圆筒形壁之间的外部环形分离室。反渗透单元还可以包括至少一个通道结构，所述至少一个通道结构从圆筒形滚筒的内部圆筒形壁径向延伸到圆筒形滚筒的外部圆筒形壁，并将外部环形分离室细分成至少渗透物通道和进料流动区域，所述至少一个通道结构在其中限定渗透物通道，其中所述至少一个通道结构的在所述内部圆筒形壁处的第一通道端是封闭的，以将所述渗透物通道与所述内部圆筒形进料室分离，并且所述至少一个通道结构的第二通道端穿过所述外部圆筒形壁敞开，以将所述渗透物通道通入所述中间腔室中，其中所述内部圆筒形壁具有开口，用于在所述内部圆筒形进料室与所述外部环形分离室的所述进料流动区域之间直接流体连通。所述至少一个通道结构可以包括膜元件，所述膜元件沿着所述至少一个通道结构从所述圆筒形滚筒的内部圆筒形壁纵向延伸到所述圆筒形滚筒的外部圆筒形壁，所述膜元件是所述渗透物通道与所述外部环形分离室的进料流动区域之间的半渗透界面。该设备还可以包括泵，泵与反渗透单元的圆筒形滚筒的内部圆筒形进料室流体连通，该泵可操作以将内部圆筒形进料室加压至等于或高于用于反渗透的进料的渗透压。该设备还可以包括马达，该马达联接到反渗透单元的圆筒形滚筒，该马达可操作以使圆筒形滚筒旋转，以便随着从圆筒形滚筒的内部圆筒形壁到圆筒形滚筒的外部圆筒形壁的距离的增加，借助产生的离心力，沿着膜元件持续地增加所述外部环形分离室的所述进料流动区域中的进料的压力。

根据各种实施例，提供了一种从进料中分离溶剂的反渗透方法。该方法可以包括用进料填充反渗透设备的反渗透单元的圆筒形滚筒，使得圆筒形滚筒的内部圆筒形进料室和圆筒形滚筒的外部环形分离室的进料流动区域被进料填充。反渗透单元可以包括壳体。反渗透单元还可以包括圆筒形滚筒，该圆筒形滚筒设置在壳体内并且以能够相对于壳体围绕圆筒形滚筒的纵向轴线旋转的方式联接到壳体，其中，圆筒形滚筒的外圆筒形表面与壳体之间的侧向间隙限定了中间腔室。圆筒形滚筒可以包括外部圆筒形壁和内部圆筒形壁，外部圆筒形壁限定圆筒形滚筒的内部圆筒形空间，内部圆筒形壁将内部圆筒形空间分隔成由内部圆筒形壁环绕的内部圆筒形进料室和在内部圆筒形壁与外部圆筒形壁之间的外部环形分离室。反渗透单元还可以包括至少一个通道结构，所述至少一个通道结构从圆筒形滚筒的内部圆筒形壁径向延伸到圆筒形滚筒的外部圆筒形壁，并且将外部环形分离室细分成至少渗透物通道和进料流动区域，所述至少一个通道结构在其中限定渗透物通道。其中所述至少一个通道结构的在所述内部圆筒形壁处的第一通道端是封闭的，以将所述渗透物通道与所述内部圆筒形进料室分离，并且所述至少一个通道结构的第二通道端穿过所述外部圆筒形壁敞开，以将所述渗透物通道通入所述中间腔室中，其中所述内部圆筒形壁具有开口，用于在所述内部圆筒形进料室与所述外部环形分离室的所述进料流动区域之间直接流体连通。所述至少一个通道结构可以包括膜元件，所述膜元件沿着所述至少一个通道结构从所述圆筒形滚筒的内部圆筒形壁纵向延伸到所述圆筒形滚筒的外部圆筒形壁，所述膜元件是所述渗透物通道与所述外部环形分离室的进料流动区域之间的半渗透界面。该方法还可以包括：借助与圆筒形滚筒的内部圆筒形进料室流体连通的反渗透设备的泵，将圆筒形滚筒的内部圆筒形进料室和圆筒形滚筒的外部环形分离室的进料流动区域中的进料加压至等于或高于用于反渗透的进料的渗透压。该方法还可以包括：借助反渗透设备的联接到圆筒形滚筒的马达使圆筒形滚筒相对于壳体旋转，以借助所产生的离心力随着从圆筒形滚筒的内部圆筒形壁到圆筒形滚筒的外部圆筒形壁的距离的增加而沿着膜元件持续地增加外部环形分离室的进料流动区域中的进料的压力。

附图说明

在附图中，相同的附图标记在不同视图中一般指代相同的部分。附图不一定按比例绘制，而是通常将重点放在说明本发明的原理上。在以下描述中，参考以下附图描述各种实施例，其中：

图1A示出了根据各种实施例的用于从进料中分离溶剂的反渗透设备的示意图；

图1B示出了根据各种实施例的图1A的反渗透设备的示意图，其中能量回收单元(或能量回收装置，ERD)联接到图1A的反渗透单元；

图2A示出了根据各种实施例的反渗透设备的透视视图；

图2B示出了根据各种实施例的图2A的反渗透设备的侧视图和俯视图；

图2C示出了根据各种实施例的反渗透设备沿图2B的侧视图的A-A平面的截面图；

图3A示出了反渗透设备的圆筒形滚筒的示意图，渗透物通道延伸通过该圆筒形滚筒以将渗透物排出到中间腔室中；

图3B示出了根据各种实施例的图3A的反渗透设备的圆筒形滚筒的内部布置的示意图，该内部布置包括三个内部歧管以增加中空纤维在径向方向上的数量；

图4是根据各种实施例的反渗透设备(例如离心反渗透(CRO)模块)的横截面中的进料通道、反渗透膜和渗透物通道的示意图；

图5示出了对于含有35g/L盐的典型海水进料，可以由反渗透设备产生的水回收率与在R处的渗余物排出口和在R₀处的进料入口之间的压力差的函数关系；

图6示出了对于含有35g/L盐的典型海水进料，各种实施例的反渗透设备(或离心反渗透，CRO)和单级反渗透(SSRO)的性能指标的比较：(a)总水回收率与渗透压差(OPD)的函数关系，(b)总水回收率与总比能耗(SEC_gross)和净比能耗(SEC_net)的函数关系；

图7示出了对于含有10g/L盐的典型微咸水进料，各种实施例的反渗透设备(或CRO)和SSRO的性能指标的比较：(a)总水回收率与OPD的函数关系，(b)总水回收率CRO与SEC(实线)的函数关系；以及

图8示出了对于含有4g/L盐的典型内陆盐水进料，各种实施例的反渗透设备(或CRO)和SSRO的性能指标的比较：(a)总水回收率与OPD的函数关系，(b)总水回收率与SEC的函数关系。

具体实施方式

下面在设备的上下文中描述的实施例对于相应的方法类似地有效，反之亦然。此外，应当理解，可以组合下面描述的实施例，例如，一个实施例的一部分可以与另一个实施例的一部分组合。

应当理解，当在以下描述中使用时，术语“在...上”、“在...上方”、“顶部”、“底部”、“向下”、“侧”、“后”、“左”、“右”、“前”、“侧向”、“侧”、“向上”、“向下”等是为了方便并且帮助理解相对位置或方向而使用的，并且不旨在限制任何装置或结构或任何装置或结构的任何部分的方位。另外，单数术语“一”，“一个”和“所述”包括复数指代，除非上下文另有明确说明。类似地，除非上下文另有明确说明，否则词语“或”旨在包括“和”。

各种实施例总体上涉及从进料中分离溶剂的反渗透设备和反渗透方法。特别地，各种实施例总体上涉及从进料中分离溶剂的离心反渗透设备和离心反渗透方法。各种实施例可适用于通过反渗透产生淡水的海水或微咸水脱盐。根据各种实施例，用于反渗透的进料可包括海水或微咸水。

各种实施例可以包括采用膜元件(例如中空纤维膜或平片膜)的反渗透模块或单元，由于膜元件的进料侧、浓缩物或渗余物侧的离心加速，反渗透模块或单元可以围绕旋转轴线旋转以在径向方向上产生持续地增加的压力。根据各种实施例，压力的这种持续地增加可以类似于使用串联的无限数量的反渗透级，而不需要任何级间泵送。因此，它可以显著降低用于脱盐、从水溶液中浓缩乙醇以及用于将液体与溶解的溶质分离的其他膜工艺的比能耗(SEC)。

根据各种实施例，膜元件(例如，平片膜或中空纤维膜)可以是半渗透的，使得进料中的溶剂(例如，水)可以渗透通过膜元件，充当相对于进料的溶剂中包含的一种或多种溶质(例如，盐)的屏障或壁。以这种方式，可以分离溶剂和溶质以产生富含溶剂的渗透产物(例如，饮用水)和浓缩有不可渗透或相对不可渗透的溶质的渗余物产物(例如，盐水)。借助反渗透通过膜元件的渗透在膜元件的进料侧或渗余物侧上需要压力。对于给定的进料浓度，反渗透工艺的回收率取决于跨过由膜元件形成的壁的跨膜压力(TMP)。

通常，在大规模反渗透操作中，该压力通过常规高压机械泵产生。这些常规机械泵可以仅在一个阶段(或一级)中将进料的压力增加直至反渗透的期望回收率所需的最大跨膜压力，或者它们可以在两个或更多个阶段(串联的两级或更多级)中将压力增加直至期望回收率所需的最大跨膜压力。在两个或更多个阶段或级中增加压力降低了泵送能量需求，因为它不会将所有进料泵送直至最大跨膜压力；也就是说，溶剂的一些渗透将在低于期望回收率所需的最大跨膜压力的压力下发生。因此，不需要将所有进料泵送直至期望回收率所需的最大跨膜压力，因为一些渗透将在高于由膜元件的进料侧或渗余物侧与膜元件的渗透物侧之间的热力学平衡决定的最小跨膜压力的任何压力下发生。因此，将所有进料泵送直至期望的回收率所需的最大跨膜压力会浪费能量。虽然在两个阶段或级中增加压力可能比在仅一个阶段或级中增加压力更节能，并且在三个阶段或级中增加压力可能比在两个阶段或级中增加压力更节能，但是使用串联的反渗透级需要在串联的各个反渗透级之间的高压增压泵，这增加了固定和维护成本以及工艺复杂性。

相比之下，各种实施例可以以微分或无穷小的步长增加跨膜元件的跨膜压力；这可以等同于使用无限数量的阶段或级来将压力增加到反渗透工艺的期望回收率所需的最大跨膜压力。因此，各种实施例可以比常规反渗透技术更节能。根据各种实施例，渗透所需的跨膜压力可以通过采用离心力以微分或无穷小的步长或以连续的方式增加，以增加膜元件的进料侧或渗余物侧上的压力，其中所述膜元件从旋转轴线附近延伸到旋转装置的外径。

各种实施例的本质可以是通过使包含膜元件的容器或滚筒围绕旋转轴线(其也可以是反渗透模块或反渗透单元的对称轴线)旋转来以微分或无穷小的步长或连续的方式增加压力。因此，各种实施例可以利用包含膜元件的容器或滚筒的旋转来借助角加速度产生离心压力。各种实施例利用了由角加速度产生的离心压力，该离心压力随着距旋转轴线的径向距离的增加而持续地增加以进行反渗透。根据各种实施例，包含膜元件的适当配置的容器或滚筒围绕旋转轴线的旋转可以提供在进料径向流过容器或滚筒时持续地增加容器或滚筒内的跨膜压力的方式，从而在热力学限制下接近反渗透。各种实施例可以是可以容易地容纳能量回收装置(ERD)的连续过程。

图1A示出了根据各种实施例的用于从进料中分离溶剂的反渗透设备100的示意图。根据各种实施例，反渗透设备100可以被配置为用于进料的反渗透。进料可包括海水、微咸水或内陆低盐度水。因此，反渗透设备100可以被配置为用于反渗透以产生饮用水。根据各种实施例，反渗透设备100可包括反渗透单元110。因此，反渗透工艺可以由反渗透单元110进行。根据各种实施例，反渗透单元110可以包括壳体120。壳体120可以是反渗透单元110的外壳。

根据各种实施例，反渗透单元110可以包括圆筒形滚筒130或容器。根据各种实施例，圆筒形滚筒130可以设置在壳体120内部。根据各种实施例，圆筒形滚筒130可以以能够围绕圆筒形滚筒130的纵向轴线131相对于壳体120旋转的方式联接到壳体120。根据各种实施例，圆筒形滚筒130可以借助一个或更多个轴承(例如，旋转轴承、滚珠轴承、滚柱轴承、润滑滑动轴承等)联接到壳体120，以便相对于壳体120可旋转。根据各种实施例，一个或更多个轴承可以相对于圆筒形滚筒130的纵向轴线131同轴。因此，圆筒形滚筒130的纵向轴线131可以是圆筒形滚筒130的旋转轴线。

根据各种实施例，圆筒形滚筒130可以设置在壳体120内部并且以使得圆筒形滚筒130的外表面132和壳体120(例如，壳体120的内表面124)之间的侧向间隙122限定中间腔室123的方式联接到壳体120。中间腔室123可以是圆筒形滚筒130和壳体120之间的中间空间、中间间隙或空隙。因此，圆筒形滚筒130的直径可以小于壳体120的直径或宽度，使得尺寸差异产生限定中间腔室123的侧向间隙122。根据各种实施例，壳体120还可以用作安全屏障以隔离旋转的圆筒形滚筒130。根据各种实施例，中间腔室123还可以用作流体可以连续流过其中的通过室、流通室或中间腔室，或者用于在排出之前临时保持流体的保持室或收集室。

根据各种实施例，圆筒形滚筒130可以包括限定圆筒形滚筒130的内部圆筒形空间133的外部圆筒形壁134。因此，外部圆筒形壁134可以为圆筒形滚筒130提供圆筒形结构或主体或形状。因此，圆筒形滚筒130可以由外部圆筒形壁134实现。此外，圆筒形壁134可以是形成封闭内部圆筒形空间133的闭环圆形形状的环形连续壁。

根据各种实施例，圆筒形滚筒130可以包括内部圆筒形壁136。根据各种实施例，内部圆筒形壁136可以与外部圆筒形壁134同心。因此，内部圆筒形壁136和外部圆筒形壁134可以形成同心圆筒形结构。此外，内部圆筒形壁136的直径可以小于外部圆筒形壁134的直径。因此，内部圆筒形壁136可以包含在外部圆筒形壁134内。根据各种实施例，内部圆筒形壁136可以将圆筒形滚筒130的内部圆筒形空间133分隔成由内部圆筒形壁136环绕的内部圆筒形进料室135和在内部圆筒形壁136与外部圆筒形壁134之间的外部环形分离室137。因此，内部圆筒形壁136可以包围并限定内部圆筒形进料室135。此外，内部圆筒形壁136与外部圆筒形壁134之间的环形空间可限定外部环形分离室137。

根据各种实施例，反渗透单元110可以包括从圆筒形滚筒130的内部圆筒形壁136径向延伸到圆筒形滚筒130的外部圆筒形壁134的至少一个通道结构140。因此，至少一个通道结构140可以垂直于圆筒形滚筒130的纵向轴线131，并且可以相对于圆筒形滚筒130的纵向轴线131沿着径向方向从圆筒形滚筒130的内部圆筒形壁136向外延伸到圆筒形滚筒130的外部圆筒形壁134。根据各种实施例，至少一个通道结构140可以将外部环形分离室137细分成至少渗透物通道138和进料流动区域139。因此，至少一个通道结构140可以在圆筒形滚筒130的外部环形分离室137内至少划定渗透物通道138和进料流动区域139。根据各种实施例，至少一个通道结构140可以在其中限定渗透物通道138。因此，至少一个通道结构140可以包围或建立渗透物通道130的边界。

根据各种实施例，至少一个通道结构140的在内部圆筒形壁136处的第一通道端142可以是封闭的，以便将渗透物通道138与内部圆筒形进料室135分开。因此，至少一个通道结构140的第一通道端142可以被关闭或阻挡或阻塞，使得渗透物通道138和内部圆筒形进料室135可以彼此断绝联系，以切断渗透物通道138和内部圆筒形进料室135之间的任何直接流体连通或在渗透物通道138和内部圆筒形进料室135之间没有任何直接流体连通。例如，根据各种实施例，至少一个通道结构140的第一通道端142可以联接到内部圆筒形壁136的实心部分。因此，内部圆筒形壁136的实心部分可以用作屏障或封闭结构，以关闭或阻挡或阻塞至少一个通道结构140的第一通道端142。

根据各种实施例，至少一个通道结构140的第二通道端144可以穿过外部圆筒形壁134敞开，以将渗透物通道138通入中间腔室123中。因此，渗透物通道138和中间腔室123可以借助穿过外部圆筒形壁134的直接管路或通路直接流体连通。例如，根据各种实施例，外部圆筒形壁134可以包括开口134a，至少一个通道结构140可以通过该开口134a通入中间腔室123中。

根据各种实施例，内部圆筒形壁136可具有开口136a，用于内部圆筒形进料室135与外部环形分离室137的进料流动区域139之间的直接流体连通。因此，流体可以从内部圆筒形进料室135自由地转移到外部环形分离室137的进料流动区域139。

根据各种实施例，至少一个通道结构140可以包括一个膜元件146或至少一个膜元件146或一个或更多个膜元件146。根据各种实施例，膜元件146可以包括平片膜或中空纤维膜。根据各种实施例，膜元件146可以沿着至少一个通道结构140从圆筒形滚筒130的内部圆筒形壁136纵向延伸到圆筒形滚筒130的外部圆筒形壁134。因此，膜元件146可以相对于圆筒形滚筒130的纵向轴线131在径向方向上从圆筒形滚筒130的内部圆筒形壁136延伸到圆筒形滚筒130的外部圆筒形壁134。

根据各种实施例，膜元件146可以是外部环形分离室137的渗透物通道138和进料流动区域139之间的半渗透界面。因此，当进料流动区域139被加压时，膜元件146可以允许进料中的溶剂从进料流动区域139穿过膜元件146到达渗透物通道138，同时将进料的溶质保留在进料流动区域139中。因此，在反渗透设备100的操作期间，可以在渗透物通道138中获得渗透产物，并且溶质浓度高的渗余产物可以沿着膜元件146保留在进料流动区域139中。

根据各种实施例，反渗透设备100可包括泵150。根据各种实施例，泵150可以与反渗透单元110的圆筒形滚筒130的内部圆筒形进料室135流体连通。泵150可以将进料沿着进料管线泵送到圆筒形滚筒130的内部圆筒形进料室135中。根据各种实施例，泵150可操作以将内部圆筒形进料室135加压至等于或高于用于反渗透的进料的渗透压。根据各种实施例，泵150可以泵送进料以填充内部圆筒形进料室135以及外部环形分离室137的进料流动区域139，并且继续泵送以将内部圆筒形进料室135和外部环形分离室137的进料流动区域139中的进料加压至等于或高于用于反渗透的进料的渗透压。根据各种实施例，用于反渗透的进料的渗透压可以对应于进料和渗透产物之间的热力学平衡，由此在小于该热力学平衡压力的压力下不会发生溶剂渗透跨过膜元件146。换句话说，跨过膜元件146的溶剂渗透可以仅在等于或高于用于反渗透的进料的渗透压的压力下发生。根据各种实施例，泵150可包括高压泵。根据各种实施例，内部圆筒形进料室135和外部环形分离室137的进料流动区域139中的进料可以借助泵150预加压到引发渗透所需的最小压力，例如渗透压(例如，对于图5中的35g/L进料为28.0bar)。将进料预加压到引发渗透所需的最小压力可以优化反渗透设备100，使得由于圆筒形滚筒130的旋转而增加离心压力的角加速度的后续效果可以完全用于沿着从内部圆筒形壁136径向延伸到外部圆筒形壁134的膜元件146的整个长度发生渗透。

根据各种实施例，反渗透设备100可包括马达160。根据各种实施例，马达160可以联接到反渗透单元110的圆筒形滚筒130。根据各种实施例，马达160可以以驱动圆筒形滚筒130围绕其纵向轴线131旋转的方式联接到圆筒形滚筒130。例如，根据各种实施例，马达160可以借助传动机构联接到圆筒形滚筒130，该传动机构包括但不限于齿轮传动、轴传动、带传动、链传动或转子(例如参见图2B、图2C、图3A的276)。

根据各种实施例，马达160可操作以使圆筒形滚筒130旋转，以便随着从圆筒形滚筒130的内部圆筒形壁136到圆筒形滚筒130的外部圆筒形壁134的距离的增加，借助所产生的离心力沿着膜元件146持续地增加外部环形分离室137的进料流动区域139中的进料的压力。因此，马达160可以使圆筒形滚筒130旋转以在圆筒形滚筒130内产生离心力。所产生的离心力可以使外部环形分离室137的进料流动区域139中的进料的压力相对于距圆筒形滚筒130的旋转轴线(其为纵向轴线131)的径向距离持续地增加。因此，在径向方向上离圆筒形滚筒130的纵向轴线131越远，所得压力越高。因此，在相对于圆筒形滚筒130的纵向轴线131的径向方向上沿着膜元件146的进料的压力可以以连续的方式从圆筒形滚筒130的内部圆筒形壁136到圆筒形滚筒130的外部圆筒形壁134增加。根据各种实施例，由于通过圆筒形滚筒130的旋转在进料流动区域139中产生的离心压力，在随着膜元件146的高压侧上的进料而逐渐增加的渗透压下发生的水渗透由于水渗透而变得更浓缩。根据各种实施例，由于渗透物通道138通入中间腔室123中，因此由于圆筒形滚筒130的旋转而产生的离心力可能不会引起渗透物通道138中的压力的任何类似增加。

根据各种实施例，为了利用圆筒形滚筒130的径向方向上的压力的持续地增加以进行反渗透，膜元件146可以沿着径向方向并在圆筒形滚筒130内尽可能长地拉伸。因此，圆筒形滚筒130的内部圆筒形壁136的尺寸被设计成具有尽可能小的直径，以便尽可能靠近圆筒形滚筒130的纵向轴线131。例如，根据各种实施例，圆筒形滚筒130的外部圆筒形壁134的直径可以等于或大于圆筒形滚筒130的内部圆筒形壁136的直径的两倍。作为另一示例，根据各种实施例，圆筒形滚筒130的外部圆筒形壁134的直径可以等于圆筒形滚筒130的内部圆筒形壁136的直径的两倍、或三倍、或四倍、或五倍、或六倍。

根据各种实施例，反渗透单元110可包括渗透物排出端口126a。根据各种实施例，渗透物排出端口126a可以以与中间腔室123流体连通的方式设置在壳体120处，用于在环境压力下排出渗透产物。根据各种实施例，中间腔室123可以包括用于将中间腔室123排放到大气的排出端口123a。根据各种实施例，由于渗透物通道138通入中间腔室123中，因此通过反渗透穿过膜元件146获得的渗透物通道138中的渗透产物可以通过外部圆筒形壁134从渗透物通道138自由地转移到中间腔室123中。通过靠近圆筒形滚筒130的内部圆筒形壁136的膜元件146的渗透产生了使渗透产物沿着渗透物通道138从圆筒形滚筒130的内部圆筒形壁136朝向圆筒形滚筒130的外部圆筒形壁134移动并且例如借助开口134a通过圆筒形滚筒130的外部圆筒形壁134进入中间腔室123所需的小压力。渗透产物可以通过渗透物排出端口126a从中间腔室123排出。根据各种实施例，渗透产物从渗透物通道138通过中间腔室123并从渗透物排出端口126a流出的流动可以是连续过程。根据各种实施例，渗透物排出端口126a可以包括但不限于壳体120中的用于排出渗透产物的开口、端口、喷嘴、龙头、管路、通路等。例如，根据各种实施例，渗透物排出端口126a可以在壳体120的壁126处，并且位于壁126的朝向壳体120的基部128的底部部分处。作为另一示例，根据各种实施例，渗透物排出端口126a可以在壳体120的基部128处。

根据各种实施例，反渗透单元110可以包括一个或更多个渗余物排出喷嘴172a。根据各种实施例，一个或更多个渗余物排出喷嘴172a可以以与外部环形分离室137的进料流动区域139流体连通的方式设置在圆筒形滚筒130的基部172处，以用于排出渗余物产物。基部172可以与圆筒形滚筒130的顶部174相对，由此基部172和顶部174形成圆筒形滚筒130的两个相对端。因此，渗余物产物可以从外部环形分离室137的进料流动区域139自由地流动到一个或更多个渗余物排出喷嘴172a以进行排出。例如，根据各种实施例，一个或更多个渗余物排出喷嘴172a可以联接到圆筒形滚筒130的基部172，以便直接连接到外部环形分离室137的进料流动区域139，用于排出渗余物产物。作为另一个示例，根据各种实施例，反渗透单元110可以包括一个或更多个渗余物管线，用于将在圆筒形滚筒130的外部圆筒形壁134附近的渗余物产物朝向在圆筒形滚筒130的基部172处的一个或更多个渗余物排出喷嘴172a引导。根据各种实施例，一个或更多个渗余物排出喷嘴172a可以朝向其周边设置在圆筒形滚筒130的基部172处，以便靠近圆筒形滚筒130的外部圆筒形壁134。

根据各种实施例，作为示例，两个平行的环形膜片可以在外部环形分离室137内一个在另一个上方布置，以从内部圆筒形壁136伸展到外部圆筒形壁134，以便形成至少一个通道结构140，由此渗透物通道138夹在其间。因此，至少一个通道结构140可以包括从内部圆筒形壁136径向延伸到外部圆筒形壁134的两个环形膜片，由此渗透物通道138夹在其间。根据各种实施例，作为另一个示例，至少一个通道结构140可以包括一个布置在另一个上方的两个平行的环形扇区膜片，以及分别在从内部圆筒形壁136延伸到外部圆筒形壁134的两个环形扇区膜片的两对相对直边之间延伸的至少两条渗透物通道间隔件。因此，渗透物通道138可以被两个环形扇区膜片和至少两条渗透物通道间隔件包围。根据各种实施例，作为又一示例，至少一个通道结构140可以包括中空纤维膜。因此，中空纤维膜的内腔可以限定渗透物通道138。

图1B示出了根据各种实施例的图1A的反渗透设备100的示意图，其中能量回收单元180(或能量回收装置，ERD)联接到反渗透单元110。能量回收单元180可以被配置为回收从一个或更多个渗余物排出喷嘴172a排出的渗余物产物的压力能量。根据各种实施例，能量回收单元180可以包括固定毂182和支撑结构186。根据各种实施例，支撑结构186可以固定地联接到反渗透单元110的壳体120。例如，根据各种实施例，支撑结构186可以固定地联接到反渗透单元110的壳体120的基部128。根据各种实施例，固定毂182可以借助支撑结构186固定地联接到反渗透单元110的壳体120。因此，固定毂182可以相对于反渗透单元110的壳体120固定。因此，固定毂182可以相对于反渗透单元110的壳体120不可移动。根据各种实施例，固定毂182可以牢固地附接或稳固地紧固到支撑结构186，使得圆筒形滚筒130可以相对于固定毂182旋转。根据各种实施例，固定毂182可以与圆筒形滚筒130的纵向轴线131对准。因此，圆筒形滚筒130可以围绕圆筒形滚筒130的纵向轴线131旋转，而固定毂182可以沿着圆筒形滚筒130的纵向轴线131保持静止。根据各种实施例，圆筒形滚筒130可以可旋转地联接到固定毂182。例如，根据各种实施例，圆筒形滚筒130的基部172可以可旋转地联接到固定毂182。

根据各种实施例，能量回收单元180可包括从固定毂182径向延伸的多个固定叶片184。根据各种实施例，所述多个固定叶片184和固定毂182可以形成扇形结构。由于固定毂182相对于反渗透单元110的壳体120固定，因此所述多个固定叶片184也相对于反渗透单元110的壳体120固定。根据各种实施例，所述多个固定叶片184可以固定地联接到支撑结构186。根据各种实施例，由所述多个固定叶片184和固定毂182形成的扇形结构可以具有等于或大于圆筒形滚筒130的直径的直径。根据各种实施例，圆筒形滚筒130的基部172处的一个或更多个渗余物排出喷嘴172a可以指向所述多个固定叶片184。根据各种实施例，例如，一个或更多个渗余物排出喷嘴172a可以成角度或定向成使得一个或更多个渗余物排出喷嘴172a的排出轴线可以在与圆筒形滚筒130的旋转方向相反的方向上。此外，所述多个固定叶片184中的每一个可以具有轮廓，由此从一个或更多个渗余物排出喷嘴172a排出的渗余物产物的射流在所述多个固定叶片184上的撞击可以在圆筒形滚筒130的基部172上在其旋转方向上产生扭矩，以便增强圆筒形滚筒130在旋转方向上的旋转。因此，从一个或更多个渗余物排出喷嘴172a排出的渗余物产物可以将渗余物产物的射流的压力能转换成动能，该动能又可以转换成作用在所述多个固定叶片184上的力，该力可以产生增加圆筒形滚筒130在旋转方向上的旋转的反作用力。根据各种实施例，渗余物产物然后可以从能量回收单元180收集和/或排出以用于进一步处理或处置。

图2A至图2C示出了根据各种实施例的使用平片膜246的反渗透设备200。图2A示出了根据各种实施例的反渗透设备200的透视视图。图2B示出了根据各种实施例的反渗透设备200的侧视图和俯视图。图2C示出了根据各种实施例的反渗透设备沿图2B的侧视图的A-A平面的截面图。根据各种实施例，提供反渗透设备200以示出图1A和图1B的反渗透设备100的示例，其中平片膜246用作反渗透设备100的至少一个通道结构140的膜元件146。因此，反渗透设备200包括图1A和图1B的反渗透设备100的所有特征和限制，并且在下面进行描述，其中相同的附图标记始终表示相同/共同的部件。

根据各种实施例，采用平片膜246(例如，参见图2C)的反渗透设备200可以围绕圆筒形滚筒130的纵向轴线131(或旋转轴线或对称轴线)旋转。因此，反渗透设备200可以包括具有顶部174(或顶部圆形实心板)和基部172(或底部圆形板)的圆筒形滚筒130(或内部旋转圆筒形容器)，其在反渗透单元110的壳体120(或外部固定圆筒形容器)内旋转。根据各种实施例，包括圆筒形滚筒130和平片膜246的内部圆筒形组件可以通过附接到马达160(例如图1A和图1B中的马达160)的转子276旋转。如图2A所示，当从反渗透设备200的顶部观察时，箭头201可以表示顺时针旋转。根据各种其他实施例，当从反渗透设备200的顶部观察时，逆时针旋转也是可能的。

参考图2A，根据各种实施例，进料(例如，盐水)可以从位于反渗透设备200的圆筒形滚筒130的纵向轴线131(或旋转轴线或对称轴线)上的中空管277的顶部进料到圆筒形滚筒130的内部圆筒形进料室135中。参考图2C，根据各种其他实施例，进料也可以从位于反渗透设备200的圆筒形滚筒130的纵向轴线131(或旋转轴线或对称轴线)上的中空管279的底部进料到圆筒形滚筒130的内部圆筒形进料室135中。根据各种实施例，进料(例如，盐水)可以进入圆筒形滚筒130的内部圆筒形壁136(或歧管)内的内部圆筒形进料室135，内部圆筒形进料室135将进料分配到平片膜246之间的圆筒形滚筒130的外部分离室137(或进料通道)的进料流动区域139，平片膜246可以刚性地附接到圆筒形滚筒130的内部圆筒形壁136(或歧管)。根据各种实施例，进料管线可以借助旋转接头或旋转联接器或转动联接器等联接到中空管277、279和/或圆筒形滚筒130的内部圆筒形进料室135。

根据各种实施例，平片膜246可以包括布置在平行堆叠290中的环形平片膜，其中环形平片膜的内弧(或内边缘)和外弧(或外边缘)可以分别连接到圆筒形滚筒130的内部圆筒形壁136(或歧管)和圆筒形滚筒130的外部圆筒形壁134(或外缘)。根据各种实施例，平片膜246的平行堆叠290中的每个环形平片膜可以在一侧/面上具有进料流动区域139(或进料通道)，并且在相对侧/面(另一侧/面)上具有渗透物通道138。根据各种实施例，平行堆叠290可以形成平片膜246、具有间隔件(例如，图2A中的进料流动通道间隔件247b)的进料流动区域139(或进料通道)以及具有间隔件(例如，图2A中的渗透物通道间隔件247a)的渗透物通道138的“夹层”。根据各种实施例，平行堆叠290可以具有交替的具有间隔件的进料流动区域139(或进料通道)和具有间隔件的渗透物通道138，由此平片膜246将进料流动区域139(或进料通道)和渗透物通道138分开或分隔。根据各种实施例，间隔件(例如，图2A中的渗透物通道间隔件247a和图2A中的进料流动通道间隔件247b)可以设置在通道138、139内，用于将相邻的环形平片膜彼此保持预定距离(即，保持预定的通道尺寸)并且用于为通道138、139提供结构支撑。

根据各种实施例，进料流动区域139(或进料通道)可以在它们附接到内部圆筒形壁136(或歧管)的位置敞开，以允许进料(例如，盐水)从内部圆筒形进料室135流入或进入两个相邻平片膜246之间的进料流动区域139(或进料通道)。根据各种实施例，渗透物通道138可以在它们附接到内部圆筒形壁136(或歧管)的位置处闭合。因此，通过平片膜246渗透到渗透物通道138中的溶剂(例如，水)可以流过在圆筒形滚筒130的外部圆筒形壁134(或内部旋转圆筒形容器的外缘)处开口的渗透物通道138而进入中间腔室123中。

图2C示出了来自渗透物通道138中的一个的渗透物流动路径203的示例。根据各种实施例，渗透产物(例如，饮用水)可以通过圆筒形滚筒130的外部圆筒形壁134(或内部旋转圆筒形容器的外缘)中的开口134a(或端口)排出，并流入壳体120的中间腔室123(或静止外容器的环形区域)，渗透产物可以在环境压力下从中间腔室123分配以供使用或进一步处理。根据各种实施例，平片膜246的高压侧上的渗余物可以朝向圆筒形滚筒130的外部圆筒形壁134(或内部旋转圆筒形容器的外缘)流动。

根据各种实施例，平片膜246、进料流动区域139(或进料通道)和渗透物通道138的“夹层”的平行堆叠290可以在图2A中分成若干环形扇区区段292(或饼形区段)。根据各种实施例，除了图2A中的小开口294(或通孔或槽)之外，图2A中的每个环形扇区区段292(或饼形区段)的侧面可以被密封，例如在图2C中的靠近圆筒形滚筒130的外部圆筒形壁134(或内部旋转圆筒形容器的外缘)的进料流动区域139(或进料通道)的间隔件(例如，图2A中的进料流动通道间隔件247b)的外端处，其中两个的位置由图2A中的圆圈示出。小开口294可以允许高压渗余物在相邻环形扇区区段292(或饼形区段)之间的小间隙中向下流动。

图2C示出了高压渗余物向下朝向圆筒形滚筒130的基部172(或下圆形板)的流动路径205。根据各种实施例，高压渗余物可以流过在圆筒形滚筒130(或内部旋转圆筒形容器)的底部处刚性地附接到基部172(或下部圆形板)的一系列渗余物排出喷嘴172a(或喷嘴)。根据各种实施例，渗余物的射流可以冲击一系列固定叶片184，固定叶片184刚性地附接到静止容器形式的支撑结构186中的环形区域的底部，从而产生用于旋转圆筒形滚筒130(或内部旋转圆筒形容器)的扭矩。以这种方式，离开平行堆叠290(或膜“夹层”)的渗余物产物的压力能可以转换成射流的动能，该动能又通过冲击固定叶片184转换成扭矩以使圆筒形滚筒130旋转。根据各种实施例，在诸如海水脱盐的高压应用中，当渗余物产物(例如，浓缩盐水)可以通过渗余物排出喷嘴172a喷射时，其压力可以降低到环境压力，之后其通过支撑结构186中的端口排出以进行处置或进一步处理，支撑结构186呈包含多个固定叶片184的静止容器的形式。根据各种实施例，在渗余物压力足够高以证明使用某种类型的能量回收装置(ERD)(例如海水脱盐)是合理的应用中，渗余物排出喷嘴172a可用于维持所需的背压。根据各种实施例，在涉及较低渗余物压力的应用中，例如能量回收装置(ERD)对其不具有成本效益的微咸水或内陆水的脱盐，背压调节器175(例如参见图1B)可以安装在渗余物排出管线上以保持渗余物的压力。连接到位于旋转轴线(对称轴线)上的中空管276、279的圆筒形滚筒130可以在两个或更多个轴承内旋转，这两个或更多个轴承允许圆筒形滚筒130相对于静止的同心环形容器(例如，壳体120和静止容器形式的支撑结构186)旋转，用于接收和排出渗透产物(例如，饮用水)并且用于接收和排出环境压力渗余物产物(例如，浓缩盐水)。

参考图2A至图2C，根据各种实施例，反渗透设备200的至少一个通道结构140(例如参见图2C)可包括图2A中的环形扇区膜片246a。根据各种实施例，环形扇区膜片246a的内弧246b可以联接到圆筒形滚筒130的内部圆筒形壁136，并且环形扇区膜片246a的外弧246c可以联接到圆筒形滚筒130的外部圆筒形壁134。因此，环形扇区膜片246a可以在径向方向上从圆筒形滚筒130的内部圆筒形壁136延伸到圆筒形滚筒130的外部圆筒形壁134。

根据各种实施例，反渗透设备200的至少一个通道结构140可包括两个环形扇区膜片246a(或至少两个环形扇区膜片246a或两个或更多个环形扇区膜片246a)，呈一个在另一个上方的堆叠布置。根据各种实施例，反渗透设备200的至少一个通道结构140可包括在两个环形扇区膜片246a之间的至少两条渗透物通道间隔件247a，以将两个环形扇区膜片246a间隔开。根据各种实施例，至少两条渗透物通道间隔件247a可以以使得由两个环形扇区膜片246a和至少两条渗透物通道间隔件247a包围的空间可以限定图2C中的渗透物通道138的方式分别衬设于两个环形扇区膜片246a的两对相对直边之间。因此，在两个环形扇区膜片246a一个在另一个上方间隔开的情况下，每个环形扇区膜片246A的两个直边可以与另一个环形扇区膜片246a的两个直边相对。然后至少两条渗透物通道间隔件247a可以分别将两个环形扇区膜片246a中的第一个膜片的两个直边连接到两个环形扇区膜片246a中的第二个膜片的两个直边。因此，至少两条渗透物通道间隔件247a可以分别密封两个间隔开的环形扇区膜片246a的两个直边。根据各种实施例，具有两个环形扇区膜片246a和至少条渗透物通道间隔件247a的至少一个通道结构140可以是环形扇区形状的，或者可以是环形扇区通道结构140。

根据各种实施例，圆筒形滚筒130的内部圆筒形壁136的由两个环形扇区膜片246a的内弧246b和至少两条渗透物通道间隔件247a的内端毗邻的部分可以是实心部分，以封闭至少一个通道结构140的第一通道端142。因此，内部圆筒形壁136的实心部分可以用作屏障或封闭结构，以关闭或阻挡或阻塞至少一个通道结构140的第一通道端142(参见例如图2C)。因此，由两个环形扇区膜片246a和至少两条渗透物通道间隔件247a限定的图2C中的渗透物通道138可以被关闭或阻塞或切断，或者不与内部圆筒形进料室135进行任何直接的流体连通。

根据各种实施例，圆筒形滚筒130的外部圆筒形壁134的由两个环形扇区膜片246a的外弧246c和至少两条渗透物通道间隔件247a的外端毗邻的一部分可以包括开口134a，用以将至少一个通道结构140的第二通道端144通入中间腔室123中。因此，由两个环形扇区膜片246a和至少两条渗透物通道间隔件247a限定的图2C中的渗透物通道138以及中间腔室123可以借助穿过圆筒形滚筒130的外部圆筒形壁134的开口134a直接流体连通。

根据各种实施例，圆筒形滚筒130的内部圆筒形壁136的由至少两个环形扇区通道结构140的两个相对的内弧形边缘和至少两条进料流动通道间隔件247b的内端毗邻的一部分可以包括开口136a，用于内部圆筒形进料室135和进料流动区域139(或进料通道)之间的直接流体连通。流动路径207示出了从内部圆筒形进料室135到进料流动区域139(或进料通道)的流动。因此，进料流动区域139(或进料通道)和内部圆筒形进料室135可以借助穿过圆筒形滚筒130的内部圆筒形壁136的开口136a直接流体连通。

根据各种实施例，由至少两个环形扇区通道结构140的两个相对的外弧形边缘和至少两条进料流动通道间隔件247b的外端毗邻的圆筒形滚筒130的外部圆筒形壁134的一部分可以是实心部分，以将图2C中的进料流动区域139(或进料通道)和中间腔室123分开。因此，外部圆筒形壁134的实心部分可以用作屏障或封闭结构，以相对于中间腔室123关闭或阻挡或阻塞进料流动区域139(或进料通道)。因此，进料流动区域139(或进料通道)可以被关闭或阻塞或切断，或者与中间腔室123没有任何直接流体连通。

根据各种实施例，反渗透设备200可以包括堆叠在所描述的布置中的多个环形扇区通道结构140，以便在单个堆叠内形成图2C中的交替的渗透物通道138和进料流动区域139(或进料通道)。

根据各种实施例，至少两条进料流动通道间隔件247b中的每一个可以包括在外端处的开口294(或通孔或槽)。根据各种实施例，反渗透设备200可包括环状扇区通道结构140的至少两个相邻堆叠(或两个相邻的平行堆叠290)，每个堆叠在堆叠布置中具有至少两个环状扇区通道结构140。根据各种实施例，环状扇区通道结构140的至少两个相邻堆叠可以以使得在其之间形成平行于圆筒形滚筒130的纵向轴线131的图2A中的竖向的渗余物通道296的方式相对于圆筒形滚筒130的纵向轴线131彼此成角度地间隔开。因此，图2A中的竖向的渗余物通道296可以是环状扇区通道结构140的两个相邻堆叠之间的空间或间隙。根据各种实施例，竖向的渗余物通道296可以沿着圆筒形滚筒130的整个长度延伸。根据各种实施例，在至少两条进料流动通道间隔件247b的外端处的通孔294可以敞开图2C中的进料流动区域139，用于与图2A中的竖向的渗余物通道296直接流体连通。因此，当进料在进料流动区域139中沿径向方向移动使得溶剂渗透到渗透物通道138中时，沿着图2A中的环形扇区膜片246A的进料可以在其接近圆筒形滚筒130的外部圆筒形壁134时转化为渗余物产物。因此，渗余物产物然后可以通过至少两条进料流动通道间隔件247b的外端处的通孔294流入渗余物通道296中。从渗余物通道296，渗余物产物然后可以借助一个或更多个渗余物排出喷嘴172a排出。

根据各种实施例，使用中空纤维膜346的反渗透设备300可以以类似于使用平片膜246的图2A至图2C的反渗透设备200的方式操作。图3A是根据各种实施例的具有中空纤维膜346的反渗透设备300的透视图。图3B示出了根据各种实施例的用于反渗透设备300的中空纤维膜346的布置的示例。根据各种实施例，提供反渗透设备300以示出图1A和图1B的反渗透设备100的示例，其中中空纤维膜346用作反渗透设备100的至少一个通道结构140的膜元件146。因此，反渗透设备300包括图1A和图1B的反渗透设备100的所有特征和限制，并且在下面进行描述，其中相同的附图标记始终表示相同/共同的部件。

根据各种实施例，在反渗透设备300中，中空纤维膜346的组件可以借助转子276围绕圆筒形滚筒130的纵向轴线131(或旋转轴线或对称轴线)旋转，转子276可以由马达160(例如图1A和图1B中的马达160)驱动。中空纤维膜346的阵列可以包含在圆筒形滚筒130(或旋转圆筒形容器)内，圆筒形滚筒130包括外部圆筒形壁134、顶部174和基部172(或外缘、顶部和底部圆筒形板)。根据各种实施例，类似于反渗透设备200，进料(例如，盐水)可以借助管道277a进入位于圆筒形滚筒130的纵向轴线131(或旋转轴线或对称轴线)上的中空管277。根据各种实施例，图3A示出了转子276和进料在反渗透设备300的顶部进入。根据各种其他实施例，转子276和/或进料在反渗透设备300的底部进入。根据各种实施例，进料可以从中空管277流入圆筒形滚筒130的内部圆筒形壁136(或歧管)内的内部圆筒形进料室135，内部圆筒形进料室135将进料分配到内部圆筒形壁136的外部进入中空纤维膜346的阵列中。根据各种实施例，中空纤维膜346可以在其附接到圆筒形滚筒130的内部圆筒形壁136(或歧管)的端部处闭合，但是可以在其另一端处敞开，例如借助外部圆筒形壁134中的开口134a，该开口134a可以延伸穿过圆筒形滚筒130的外部圆筒形壁134(或外缘)(或旋转圆筒形容器的外缘)。根据各种实施例，溶剂(例如，水)可以从外部通过中空纤维膜346的壁渗透到中空纤维膜346的内腔中，然后流过中空纤维膜346以在其开口端处排出到壳体120(或同心静止圆筒形容器)的中间腔室123中。因此，渗透产物(例如，饮用水)可以以与针对使用平片膜246的反渗透设备200所描述的相同的方式在环境压力下排出。根据各种实施例，浓缩的渗余物(例如，盐水)可以以与针对使用平片膜246的反渗透设备200所描述的相同的方式通过固定附接到圆筒形滚筒130的基部172(或旋转组件的底部圆形板)的一系列喷射器排出。根据各种实施例，这可以用作能量回收装置(ERD)，由此浓缩的渗余物的压力能可以转换成射流的动能，射流的动能又可以借助图2A和图2B中的固定叶片184转换成扭矩以使圆筒形滚筒130旋转。

根据各种实施例，在圆筒形滚筒130(或旋转装置)中使用中空纤维膜346的反渗透设备300可以导致围绕圆筒形滚筒130的圆周的中空纤维膜346之间的间距随着距圆筒形滚筒130的纵向轴线131(或旋转轴线或对称轴线)的径向距离的增加而增加。图3B示出了用于反渗透设备300的中空纤维膜346的布置，用于提高圆筒形滚筒130(或旋转装置)的体积的使用效率。根据各种实施例，通过采用相对于圆筒形滚筒130的纵向轴线131(或旋转轴线或对称轴线)同心地位于圆筒形滚筒130的内部圆筒形壁136(或歧管)和外部圆筒形壁134(或外缘)之间的一个或更多个附加环形框架352(或附加歧管)，该布置可以最小化或减轻围绕圆筒形滚筒130的圆周的中空纤维密度的任何降低以及进料侧或渗余物侧上的液体速度随着距圆筒形滚筒130的纵向轴线131(或旋转轴线或对称轴线)的径向距离增加的任何相关联的降低。该布置还可以最小化或减轻随着半径增加的浓度极化、结垢和堵塞，以及防止浓缩物或渗余物浓度由于溶剂渗透通过中空纤维膜346而增加，否则溶剂渗透通过中空纤维膜346可能逐渐浓缩渗余物。因此，该布置可以防止膜面积与用于浓缩物或渗余物溶液流动的横截面积的比率随着距圆筒形滚筒130的纵向轴线131(或旋转轴线或对称轴线)的径向距离的增加而逐渐减小。根据各种实施例，从每个附加环形框架352(或附加歧管)离开的中空纤维膜346可以比进入附加环形框架352(或附加歧管)的中空纤维膜346更多。例如，如图3B所示，具有三个额外的环形框架352(或额外的歧管)额外的环形框架352(或额外的歧管)的反渗透设备100可以允许中空纤维膜346的数量从圆筒形滚筒130的内部圆筒形壁136(或歧管)到外部圆筒形壁134(或外缘)增加八倍。

根据各种实施例，反渗透设备300的至少一个通道结构140可包括中空纤维膜346作为膜元件。根据各种实施例，中空纤维膜346的内端可以联接到圆筒形滚筒130的内部圆筒形壁136，并且中空纤维膜346的外端可以联接到圆筒形滚筒130的外部圆筒形壁134。因此，中空纤维膜346可以从圆筒形滚筒130的内部圆筒形壁136径向延伸到圆筒形滚筒130的外部圆筒形壁134。根据各种实施例，中空纤维膜346的内腔可以限定渗透物通道138。根据各种实施例，反渗透设备300可以包括从圆筒形滚筒130的内部圆筒形壁136径向延伸到圆筒形滚筒130的外部圆筒形壁134的多个中空纤维膜346。因此，反渗透设备300可以包括从圆筒形滚筒130的内部圆筒形壁136径向延伸到圆筒形滚筒130的外部圆筒形壁134的多个渗透物通道138。

根据各种实施例，由中空纤维膜346的内端的孔口环绕的圆筒形滚筒130的内部圆筒形壁136的一部分可以是实心部分，以封闭至少一个通道结构140的图1A中的第一通道端142。因此，内部圆筒形壁136的实心部分可以用作屏障或闭合结构，以关闭或阻挡或阻塞至少一个通道结构140的第一通道端142或中空纤维膜346的内腔的第一端。因此，由中空纤维膜346的内腔限定的渗透物通道138可以被关闭或阻挡或切断，或者与内部圆筒形进料室135没有任何直接流体连通。

根据各种实施例，由中空纤维膜346的外端的孔口环绕的圆筒形滚筒130的外部圆筒形壁134的一部分可包括图1A中的开口134a，以将至少一个通道结构140的第二通道端144通入中间腔室123中。因此，由中空纤维膜346的内腔和中间腔室123限定的渗透物通道138可以借助穿过圆筒形滚筒130的外部圆筒形壁134的开口134a直接流体连通。

根据各种实施例，在反渗透设备300中，圆筒形滚筒130还可以包括图3B中的环形框架352，该环形框架352设置在图1A中的外部分离室137内，以按照与内部圆筒形壁136和环形框架352之间的第一环形空间以及环形框架352和外部圆筒形壁134之间的第二环形空间同心的方式围绕内部圆筒形壁136。因此，在图3B中，环形框架352的直径可以大于内部圆筒形壁136的直径并且小于外部圆筒形壁134的直径。因此，内部圆筒形壁136、环形框架352和外部圆筒形壁134可以相对于圆筒形滚筒130的纵向轴线131以同心方式彼此依次间隔开。根据各种实施例，在内部圆筒形壁136和外部圆筒形壁134之间延伸的中空纤维膜346可以延伸穿过环形框架352。例如，环形框架352可以包括通孔，中空纤维膜346可以插入穿过或通过过该通孔，使得中空纤维膜346可以从内部圆筒形壁136连续延伸到外部圆筒形壁134。

根据各种实施例，反渗透设备300可包括至少一个次级通道结构340a。至少一个次级通道结构340a可包括次级中空纤维膜346A。根据各种实施例，次级中空纤维膜346a的内端可以联接到环形框架352，并且次级中空纤维膜346a的外端可以联接到圆筒形滚筒130的外部圆筒形壁134。因此，次级中空纤维膜346A可以从环形框架352径向延伸到圆筒形滚筒130的外部圆筒形壁134。根据各种实施例，次级中空纤维膜346a的内腔可以限定次级渗透物通道。根据各种实施例，反渗透设备300可包括从环形框架352径向延伸到圆筒形滚筒130的外部圆筒形壁134的多个次级中空纤维膜346a。因此，反渗透设备300可以包括从环形框架352径向延伸到圆筒形滚筒130的外部圆筒形壁134的多个次级渗透物通道。

根据各种实施例，反渗透设备300可包括至少一个环形框架352或一个或更多个环形框架352。例如，反渗透设备300可以包括一个或两个或三个或四个或更多个环形框架352。根据各种实施例，每个环形框架352可以以同心方式设置在内部圆筒形壁136和外部圆筒形壁134之间。因此，内部圆筒形壁136、环形框架352中的每一个和外部圆筒形壁134可以相对于圆筒形滚筒130的纵向轴线131以同心方式以依次的方式彼此间隔开。根据各种实施例，反渗透设备300可以包括一组次级中空纤维膜346a，该组次级中空纤维膜346a以径向方式从每个环形框架352延伸到圆筒形滚筒130的外部圆筒形壁134。因此，当反渗透设备300具有两个或更多个环形框架352时，反渗透设备300可以具有两组或更多组次级中空纤维膜346A，其中由于分别从环形框架到圆筒形滚筒130的外部圆筒形壁134的距离不同，不同组的次级中空纤维膜346a可以具有不同的长度。

根据各种实施例，由次级中空纤维膜346的内端的孔口环绕的图3B中的环形框架352的一部分可以是实心部分，以封闭至少一个次级通道结构340a的第一通道端。因此，环形框架352的实心部分可以用作屏障或封闭结构，以关闭或阻挡或阻塞至少一个次级通道结构340a的第一通道端或次级中空纤维膜346a的内端。因此，由次级中空纤维膜346a的内腔限定的次级渗透物通道可以被关闭或阻塞或切断，或者没有借助次级中空纤维膜346a的内端与图1a中的自由流动区域139有任何直接流体连通。

根据各种实施例，由次级中空纤维膜346a的外端的孔口环绕的圆筒形滚筒的外部圆筒形壁134的一部分可包括图3A中的开口134a，以将图3B中的至少一个次级通道结构340a的第二通道端通入中间腔室123中。因此，由次级中空纤维膜346a的内腔和中间腔室123限定的次级渗透物通道可以借助穿过圆筒形滚筒130的外部圆筒形壁134的开口134a直接流体连通。

根据各种实施例，在操作中，多个实施例的反渗透设备100、200、300可以进行以下将溶剂与进料分离的反渗透方法。

根据各种实施例，反渗透方法可以包括用进料填充反渗透设备100、200、300的反渗透单元110的圆筒形滚筒130，使得圆筒形滚筒130的内部圆筒形进料室135和圆筒形滚筒130的外部环形分离室137的进料流动区域139可以用进料填充。反渗透方法还可以包括：借助与圆筒形滚筒130的内部圆筒形进料室135流体连通的反渗透单元100、200、300的泵150将圆筒形滚筒130的内部圆筒形进料室135和圆筒形滚筒130的外部环形分离室137的进料流动区域139中的进料加压至等于或高于用于反渗透的进料的渗透压。根据各种实施例，用于反渗透的进料的渗透压可以对应于进料和渗透产物之间的热力学平衡，由此在小于该热力学平衡压力的压力下不会发生穿过膜元件146、246、246a、346、346a的溶剂渗透。换句话说，穿过膜元件146、246、246a、346、346a的溶剂渗透可以仅在等于或高于用于反渗透的进料的渗透压的压力下发生。根据各种实施例，反渗透方法还可以包括借助联接到圆筒形滚筒130的反渗透设备100、200、300的马达160使圆筒形滚筒130相对于壳体120旋转，以借助所产生的离心力随着从圆筒形滚筒130的内部圆筒形壁136到圆筒形滚筒130的外部圆筒形壁134的距离的增加而沿着膜元件146、246、246a、346、346a持续地增加外部环形分离室137的进料流动区域139中的进料的压力。因此，压力可以沿着膜元件146、246、246a、346、346a在径向方向上以微分或无穷小的步长或连续的方式增加，其中压力的这种持续地增加可以类似于使用串联的无限数量的反渗透级，而不需要任何级间泵送。

根据各种实施例，反渗透方法还可以包括在环境压力下借助图1A中的渗透物排出端口126a排出含有溶剂的渗透产物，渗透物排出端口126a设置在壳体120处并与中间腔室123流体连通。

根据各种实施例，反渗透方法还可以包括至少借助反渗透单元110的背压调节器175(参见例如图1B)来维持外部环形分离室137的进料流动区域139中的进料的压力，该背压调节器175联接在外部环形分离室137的进料流动区域139与设置在圆筒形滚筒130的基部172处的一个或更多个渗余物排出喷嘴172a之间。根据各种实施例，背压调节器175可以沿着外部环形分离室137的进料流动区域139与一个或更多个渗余物排出喷嘴172a之间的流动管线。

根据各种实施例，反渗透方法还可以包括将渗余物产物从外部环形分离室137的进料流动区域139朝向图1B中的多个固定叶片184排出，所述多个固定叶片184从相对于壳体120固定的固定毂182径向延伸并与圆筒形滚筒130的纵向轴线131对准，以便从渗余物产物回收压力能以增强用于旋转圆筒形滚筒130的马达160。根据各种实施例，从一个或更多个渗余物排出喷嘴172a排出的渗余物产物的射流冲击在多个固定叶片184上可以在圆筒形滚筒130的基部172上在其旋转方向上产生扭矩，以便增强圆筒形滚筒130在旋转方向上的旋转。

以下提出了基于数学模型的概念验证，该数学模型预测各种实施例的性能指标，包括总产物回收率和所需的比能耗(SEC)或每单位体积渗透产物的能量。概念验证表明，各种实施例可以相对于常规技术显著降低SEC，以实现相同的渗透产物回收率。这意味着对于在与常规技术相同的SEC下的操作，各种实施例可以实现更高的渗透产物回收率。具体地，测定盐浓度范围为4000ppm至35000ppm的进料溶液脱盐的总渗透水产物回收率和SEC。对于相同的总渗透水产物回收率，各种实施例显示出具有比常规单级反渗透(SSRO)显著更低的SEC。

获得性能指标需要确定渗透物和浓缩物或渗余物流速。这些又可以根据总液体流和该液体中溶解的盐的物料平衡来确定。对于中空纤维膜实施例(即，反渗透设备200)和平片膜实施例(即，反渗透设备300)，数学分析是相同的。

考虑到各种实施例的反渗透设备100、200、300的环形片具有厚度h和在从旋转轴线向外延伸的径向方向上的微分或增量长度Δr，如图4所示。总物料平衡和溶解溶质上的物料平衡可以由以下等式给出：

其中，在各种实施例的反渗透设备100、200、300的环形片的上游端处，G_h|_r是体积流率并且C_h|_r是膜(例如，膜元件146、246、246a、346、346a)的高压浓缩物或渗余物侧上的溶质浓度，在反渗透设备100、200的环形片的下游端处，G_h|_r+Δr是体积流率并且C_h|_r+Δr是膜(例如，膜元件146、246、246a、346、346a)的高压浓缩物或渗余物侧(例如，进料流动区域139)上的溶质浓度，在各种实施例的反渗透设备100、200、300的环形片的上游端处，G_l|_r是体积流率并且C_l|_r是膜(例如，膜元件146、246、246a、346、346a)的低压或渗透侧(例如，渗透物通道138)上的溶质浓度，在各种实施例的反渗透设备100、200、300的环形片的下游端处，G_l|_r+Δr是体积流率并且C_l|_r+Δr是膜(例如，膜元件146、246、246a、346、346a)的低压或渗透侧(例如，渗透物通道138)上的溶质浓度。

等式(1)和(2)可以构成两个一阶微分方程，其需要膜(例如，膜元件146、246、246a、346、346a)的高压浓缩物或渗余物侧(例如，进料流动区域139)上的体积流速和溶质浓度以及膜(例如，膜元件146、246、246A、346、346A)的低压或渗透物侧(例如，渗透物通道138)上的体积流速和溶质浓度的边界条件。这些边界条件可以由下式给出：

G_h＝G_f,C_h＝C_f,G_l＝0,C_l＝C_f(1-σ)at r＝R₀ (3)

其中G_f和C_f是到各种实施例的反渗透设备100、200、300的进料的指定体积流率和溶质浓度，R₀是位于圆筒形滚筒130的纵向轴线131(或旋转轴线或对称轴线)上的旋转圆筒形中空管(例如，内部圆筒形进料室135)的半径，并且σ是各种实施例的反渗透设备100、200、300中使用的膜(例如，膜元件146、246、246a、346、346a)的溶质截留率，由σ＝(C_h–C_l)/C_h定义。

可以对等式(1)和(2)进行积分以获得下式：

其中K₁和K₂是可以从由等式(3)给出的边界条件确定的积分常数，并且

由下式给出：

K₁＝G_f (6)

K₂＝C_fG_f (7)

将等式(6)和(7)代入等式(1)和(2)以获得

G_h+G_l＝G_f (8)

C_hG_h+C_lG_l＝C_fG_f (9)

膜(例如，膜元件146、246、246a、346、346a)的高压浓缩物或渗余物侧(例如，进料流动区域139)上和膜(例如，膜元件146、246、246A、346、346A)的低压渗透物侧(例如，渗透物通道138)上的浓度可以由距圆筒形滚筒130的纵向轴线131(或旋转轴线或对称轴线)径向距离处的离心压力确定。在该分析中，考虑了热力学限制下的工艺设计。热力学限制处的工艺设计意味着在跨膜压力(TMP)(即跨膜的压力差)下操作，该跨膜压力等于由膜(例如，膜元件146、246、246a、346、346a)的高压浓缩物或渗余物侧(例如，进料流动区域139)上的液体与膜(例如，膜元件146、246、246a、346、346a)的低压渗透物侧(例如，渗透物通道138)上的液体之间的热力学平衡确定的跨膜压力。结果表明，基于热力学极限设计脱盐工艺是合理的。高通量反渗透膜允许在仅略高于热力学限制的温度(TMP)下操作。在热力学限制下的工艺设计中可不考虑由于通过系统的流动和引起通过膜的渗透而导致的小的压力降低。

在围绕其旋转轴线(对称轴线)以角频率ω旋转的具有内半径R₀、外半径R和厚度H的环形系统中在半径r处产生的离心压力，例如在圆筒形滚筒130中围绕其纵向轴线131产生的离心压力，可以由下式给出：

其中

是位于旋转轴线(对称轴线)上的旋转中空管(例如，内部圆筒形壁136)中的压力，并且ρ是平片膜或中空纤维膜(例如，膜元件146、246、246a、346、346a)的进料侧、浓缩物或渗余物侧(例如，进料流动区域139)上的溶液的质量密度。压力

应至少等于对应于进料和渗透产物之间的热力学平衡的渗透压，因为在小于该热力学平衡压力的压力下不会发生溶剂渗透。然而，在高于热力学平衡压力的压力下引入进料以减小产生等于期望的渗透物回收率所需的压力的离心力所需的各种实施例的反渗透设备100、200、300的直径和/或当使用ERD回收渗余物的一些压力能时降低SEC，这可能是有利的。

对于热力学限制下的工艺设计，局部压力P_r与膜(例如，膜元件146、246、246a、346、346a)的高压浓缩物或渗余物侧(例如，进料流动区域139)上的浓度之间的关系取决于具体的溶质。考虑作为各种实施例的反渗透设备100、200、300的示例的盐水进料的脱盐。对于盐水，膜(例如，膜元件146、246、246a、346、346a)的高压侧(例如，进料流动区域139)上的局部压力Pr和浓度由下式给出：

P_r＝K(C_h-C_l) (11)

其中K＝0.801L·bar/g＝0.0223kWh·L/m³g。

组合等式(3)、(10)和(11)以获得C_h的等式，即，膜(例如，膜元件146、246、246a、346、346a)的高压浓缩物或渗余物侧(例如，进料流动区域139)上沿平片膜或中空纤维膜(例如，膜元件146、246、246a、346、346a)的任何径向位置处的溶质(例如，盐)浓度：

组合等式(3)和(12)以获得C_l的等式，即，膜(例如，膜元件146、246、246a、346、346a)的低压渗透侧(例如，渗透物通道138)上沿着平片膜或中空纤维膜(例如，膜元件146、246、246a、346、346a)的任何径向位置处的溶质浓度：

组合等式(8)和(9)以消除膜(例如，膜元件146、246、246a、346、346a)的低压渗透物侧(例如，渗透物通道138)上的体积流率G_l，以获得膜(例如，膜元件146、246、246a、346、346a)的高压浓缩物或渗余物侧(例如，进料流动区域139)上的体积流率G_h的等式：

组合等式(8)和(14)以获得G_l的等式，即，膜(例如，膜元件146、246、246a、346、346a)的低压渗透侧(例如，渗透物通道138)上的体积流率：

等式(12)、(13)、(14)和(15)可以用于确定SEC：用于将膜(例如，膜元件146、246、246a、346、346a)的浓缩物或渗余物侧(例如，进料流动区域139)上的进料溶液(例如，盐水)泵送到期望的渗透产物回收率所需的压力的每单位体积的渗透产物(例如，饮用水)所需的能量。这可以通过将各种实施例的反渗透设备100、200、300视为串联连接的一系列SSRO级来确定，每个SSRO级具有微分或无穷小的长度dr，使得来自一个级的高压侧(例如，进料流动区域139)的浓缩物或渗余物用作处于微分或无穷小更高压力的下一级的进料。来自每个级的低压侧(例如，渗透物通道138)的渗透物可以与来自构成渗透产物(例如，饮用水)的所有微分或无穷小的级的渗透物组合。微分或无穷小能量消耗可以等于从r-Δr到r的压力dP的微分或无穷小增加与在径向位置r处评估的膜(例如，膜元件146、246、246a、346、346a)的高压或浓缩物或渗余物侧(例如，进料流动区域139)上的体积流率G_h|_r的乘积。然后可以从等式(10)和(14)确定微分或无穷小的能量消耗，并且可以由下式给出：

可以将分别用于C_h和C_l的等式(12)和(13)代入等式(16)以及数值积分的结果中以获得SEC。然而，如果假设溶质排斥

则等式(16)可以以封闭形式精确地积分，因为这意味着C_l<<C_h并且C_l<<C_h。这是针对例如海水淡化的应用的合理假设，因为买得到的膜具有脱盐率σ>0.99。因此，等式(16)简化为以下：

将等式(12)代入假定

的等式(17)，以获得下式：

等式(18)可以被转换成精确微分的形式，该精确微分可以以封闭形式积分，以获得用于将膜(例如，膜元件146、246、246a、346、346a)的高压浓缩物或渗余物侧(例如，进料流动区域139)上的压力从

升高到P_R所需的能量的以下等式：

总比能耗SEC_gross是通过常规高压泵将盐水进料的压力升高到

所需的能量加上通过由等式(19)给出的借助离心加速度将膜(例如，膜元件(146、246、246a、346、346a)的高压浓缩物或渗余物侧(例如，进料流动区域139)上的压力从

升高到P_R所需的能量的总和除以由在r＝R处评估的等式(15)给出的从膜(例如，膜元件146、246、246a、346、346a)的低压渗透物侧(例如，渗透物通道138)发出的渗透产物的体积流率：

其中，

以及

并且η_P是借助常规高压泵对进料进行预加压所需的泵的效率，以及产生将膜(例如，膜元件146、246、246a、346、346a)的渗余物侧(例如，进料流动区域139)上的压力从

升高到P_R所需的离心力的效率。

分级(fractional)总渗透产物回收率Y可以由下式给出：

其中，G_l|_R是由等式(21)给出的在膜(例如，膜元件146、246、246a、346、346a)的低压渗透物侧(例如，进料流动区域139)上流出各种实施例的反渗透设备100、200、300的体积流率。

注意，如果膜(例如，膜元件146、246、246a、346、346a)从圆筒形滚筒130的纵向轴线131(或旋转轴线或对称轴线)附近延伸到圆筒形滚筒130(或旋转装置)的外半径，R₀<<R，并且在外半径R处评估的等式(10)简化为以下：

然后将等式(26)代入等式(20)，得到各种实施例的反渗透设备100、200、300的SEC_gross的以下等式：

如果使用ERD来回收渗余物的压力能量，则可以减少所需的泵送能量。使用ERD时的净比能耗SEC_net可以由下式给出：

其中η_ERD是ERD的效率。

等式(26)表明，实现期望的水回收率所需的离心压力可以通过增加角旋转速率ω或通过增加各种实施例的反渗透设备100、200、300的半径R来实现。角旋转速率和半径的最佳选择通过最小化水生产的总成本来决定。

图5示出了对于含有35g/L盐的典型海水进料，分级总水回收率与进料和渗余物排出之间所需的压力差的函数关系。虚线示出了根据各种实施例的以1000rpm旋转的半径为0.88m的反渗透设备(在图5中表示为CRO，离心反渗透)可以实现50％的水回收率。

图6至图8比较了根据各种实施例的反渗透设备(或CRO)的性能指标与常规SSRO的性能指标(假设100％有效的泵和100％有效的ERD)。图6分别示出了对于含有35g/L盐的典型海水进料的分级总水产物回收率与渗透压微分或无穷小(OPD)的函数关系(a)和分级总水产物回收率与SEC的函数关系(b)。图6在(a)中表明，根据各种实施例的反渗透设备(或CRO)和常规SSRO都需要相同的OPD以实现指定的分级总水回收率。图6在(b)中示出了SEC_gross(没有ERD)和SEC_net(具有ERD)两者，因为ERD通常用于海水脱盐以回收渗余物盐水排出的压力能。图6在(b)中表明，对于所有分级水回收率，根据各种实施例的反渗透设备(或CRO)具有比常规SSRO更低的SEC_gross和SEC_net。例如，对于所需压力为69bar(商业反渗透膜可承受的最大压力)的0.594分级总水产物回收率，根据各种实施例的反渗透设备(或CRO)可以相对于常规SSRO将SEC_net降低38.4％。

图7分别示出了对于含有10g/L盐的典型微咸水进料，分级总水产物回收率与OPD的函数关系(a)和分级总水产物回收率与SEC的函数关系(b)。注意，将ERD用于较低浓度的盐水进料(例如微咸水)是不经济的。因此，图7中所示的SEC是SEC_gross。图7在(a)中表明，根据各种实施例的反渗透设备(或CRO)和常规SSRO都需要相同的OPD以实现指定的分级总水回收率。然而，图7在(b)中表明，根据各种实施例的反渗透设备(或CRO)可以在比常规SSRO所需的SEC显著更低的SEC下实现任何期望的分级总水产物回收率。例如，对于所需压力为69bar(商业反渗透膜可承受的最大压力)的0.884分级总水产物回收率，根据各种实施例的反渗透设备(或CRO)可以相对于常规SSRO将SEC降低63.4％。

图8分别示出了对于含有4g/L盐的典型内陆盐水进料，分级总水产物回收率与OPD的函数关系(a)(上图)和分级总水产物回收率与SEC的函数关系(b)(下图)。由于将ERD用于较低浓度的盐水进料(例如内陆水)是不经济的，因此图8中所示的SEC是SEC_gross。图8在(a)中表明，根据各种实施例的反渗透设备(或CRO)和常规SSRO都需要相同的OPD以实现指定的分级总水回收率。然而，图8在(b)中表明，根据各种实施例的反渗透设备(或CRO)可以在比常规SSRO所需的SEC显著更低的SEC下实现任何期望的分级总水产物回收率。例如，对于所需压力为69bar(商业反渗透膜可承受的最大压力)的0.954分级总水产物回收率，根据各种实施例的反渗透设备(或CRO)可以相对于常规SSRO将SEC降低81.1％。

根据各种实施例，提供了一种反渗透装置或设备(或CRO装置)，其包含平片膜、具有间隔件的进料通道和具有径向向外延伸的间隔件的渗透物通道的平行“夹层”，其围绕旋转轴线旋转，以随着距旋转轴线的径向距离增加而引起TMP的连续微分或无穷小地增加。

根据各种实施例，提供了一种反渗透装置或设备(或CRO装置)，其包含径向向外延伸的中空纤维膜阵列，该中空纤维膜阵列围绕旋转轴线旋转，以随着距旋转轴线的径向距离增加而引起TMP的连续微分或无穷小地增加。

根据各种实施例，提供了一种反渗透装置或设备(或CRO装置)，其包含径向向外延伸的平片膜或中空纤维膜，所述平片膜或中空纤维膜围绕旋转轴线旋转，以使膜上的局部TMP仅微分地或无限地大于在距旋转轴线的任何径向距离处跨膜的热力学平衡下的TMP。

根据各种实施例，提供了一种反渗透装置或设备(或CRO装置)，其包含径向向外延伸的平片膜或中空纤维膜，所述平片膜或中空纤维膜围绕旋转轴线旋转，对于反渗透装置或设备(或CRO装置)，在压力由于离心加速度而额外逐渐增加之前，进料被加压到对应于热力学平衡的水平，所述热力学平衡由进入的进料的浓度和渗透物决定。

根据各种实施例，提供了一种反渗透装置或设备(或CRO装置)，其包含径向向外延伸的平片膜或中空纤维膜，所述平片膜或中空纤维膜围绕旋转轴线旋转，对于反渗透装置或设备(或CRO装置)，进料被加压至高于对应于由进入的进料的浓度和渗透物决定的热力学平衡的水平，以减小旋转装置的尺寸。

根据各种实施例，提供了一种反渗透装置或设备(或CRO装置)，其包含径向向外延伸的平片膜或中空纤维膜，所述平片膜或中空纤维膜围绕旋转轴线旋转，对于所述反渗透装置或设备(或CRO装置)，在来自旋转装置的浓缩物或渗余物的管线上采用背压调节器以保持所需的高压。

根据各种实施例，提供了一种反渗透装置或设备(或CRO装置)，其包含径向向外延伸的平片膜或中空纤维膜，所述平片膜或中空纤维膜围绕旋转轴线旋转，对于所述反渗透装置或设备(或CRO装置)，渗透产物在环境压力下排出以使由在膜的浓缩物或渗余物侧上产生的离心压力引起的TMP最大化。

根据各种实施例，提供了一种反渗透装置或设备(或CRO装置)，其包含径向向外延伸的中空纤维膜，所述中空纤维膜围绕旋转轴线旋转，所述反渗透装置或设备采用一个或更多个环形歧管，所述一个或更多个环形歧管允许相对于进入歧管的中空纤维膜的数量增加离开歧管的中空纤维膜的数量。

根据各种实施例，提供了一种反渗透装置或设备(或CRO装置)，其包含径向向外延伸的平片膜或中空纤维膜，所述平片膜或中空纤维膜围绕旋转轴线旋转，所述反渗透装置或设备采用ERD来回收从旋转装置排出的高压浓缩物或渗余物的其中一些压力能。

根据各种实施例，提供了一种反渗透装置或设备(或CRO装置)，其配备有附接到旋转组件的下部的一系列喷嘴，高压渗余物通过所述喷嘴喷射以撞击固定叶片，从而施加扭矩以使所述装置旋转，从而用作ERD。

根据各种实施例，提供了一种反渗透装置或设备(或CRO装置)，其包含径向向外延伸的平片膜或中空纤维膜，其围绕旋转轴线旋转，以相对于用于内陆水进料溶液、微咸水进料溶液和海水进料溶液的脱盐的常规SSRO所需的SEC减少SEC。

根据各种实施例，提供了一种反渗透装置或设备(或CRO装置)，其包含径向向外延伸的平片膜或中空纤维膜，其围绕旋转轴线旋转，以相对于常规SSRO用于从含水乙醇进料溶液中浓缩乙醇所需的SEC减少SEC。

根据各种实施例，提供了一种反渗透装置或设备(或CRO装置)，其包含径向向外延伸的平片膜或中空纤维膜，所述平片膜或中空纤维膜围绕旋转轴线旋转，以相对于常规SSRO用于浓缩、分离或纯化含有相对于渗透产物引起显著渗透压的溶质的溶液所需的SEC减少SEC。

根据各种实施例，提供了一种多级配置，其包括各种实施例的两个或更多个反渗透装置或设备(或CRO装置)，其被布置成使得来自一个CRO装置的浓缩物或渗余物通过将其作为进料发送到连续的CRO装置而被进一步浓缩。

装置和方法的各种实施例已经采用半透膜阵列围绕旋转轴线的旋转来产生离心力，该离心力随着距旋转轴线的径向距离的增加而微分地或无穷小地增加，从而提供引起渗透或反渗透(RO)的跨膜压力(TMP)的持续地增加，由此将含有盐或低分子量溶质的液体分离成几乎纯的液体产物。代表性的应用可以包括以降低的比能耗(SEC)从盐水中回收饮用水和浓缩从生物质技术产生的乙醇水溶液。

各种实施例可以在热力学限制附近实现反渗透，并且可以提供作为连续工艺的显著优点，该连续工艺可以适用于小规模分散的微咸水和内陆水脱盐设施以及大规模海水脱盐工厂。各种实施例的扩产也可以以与常规反向膜模块相同的方式实现，即通过并联连接反渗透级以处理所需体积的盐水进料。各种实施例的另一个优点是，显著更高的水回收率使得经济上可行，其可以相对于所产生的淡水体积降低常规化的反渗透的预处理和后处理成本。由通过各种实施例能够实现的更高回收率产生的更浓缩的盐水也可以使用于回收盐水的大量渗透势能的压力延迟渗透(PRO)的经济性更有利。各种实施例还可以使得从盐水中回收有价值的溶质(例如碱金属)更经济；例如，提取用于电池的锂和用于光电池的铷。各种实施例还可以适于显著降低从其渗透效应需要高压的水溶液反渗透浓缩其他低分子量溶质的的能量成本；例如，从生物质工艺产生的水溶液中回收乙醇。各种实施例也可以是用于显著降低脱盐成本以满足为世界所有人提供饮用水的这一全球性挑战的潜在转型技术，并且具有降低可再生生物燃料生产成本的潜力。

虽然已经参考具体实施例具体示出和描述了本发明，但是本领域技术人员应当理解，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，可以在形式和细节上进行各种改变、修改、变化。因此，本发明的范围由所附权利要求指示，并且因此旨在涵盖落入权利要求的等同物的含义和范围内的所有改变。

Claims

1.一种反渗透设备，包括：

反渗透单元，所述反渗透单元具有：

壳体，

圆筒形滚筒，所述圆筒形滚筒设置在所述壳体内并且以能够相对于所述壳体围绕所述圆筒形滚筒的纵向轴线旋转的方式联接到所述壳体，其中，所述圆筒形滚筒的外圆筒形表面与所述壳体之间的侧向间隙限定中间腔室，其中，所述圆筒形滚筒包括：

外部圆筒形壁，所述外部圆筒形壁限定所述圆筒形滚筒的内部圆筒形空间，以及

内部圆筒形壁，所述内部圆筒形壁将所述内部圆筒形空间分隔成由所述内部圆筒形壁环绕的内部圆筒形进料室和在所述内部圆筒形壁与所述外部圆筒形壁之间的外部环形分离室，以及

至少一个通道结构，所述至少一个通道结构从所述圆筒形滚筒的所述内部圆筒形壁径向延伸到所述圆筒形滚筒的所述外部圆筒形壁，并且将所述外部环形分离室细分成至少渗透物通道和进料流动区域，所述至少一个通道结构在其中限定所述渗透物通道，其中所述至少一个通道结构的在所述内部圆筒形壁处的第一通道端闭合以将所述渗透物通道与所述内部圆筒形进料室分离，并且所述至少一个通道结构的第二通道端穿过所述外部圆筒形壁敞开以将所述渗透物通道通入所述中间腔室中，其中所述内部圆筒形壁具有开口，用于在所述内部圆筒形进料室与所述外部环形分离室的所述进料流动区域之间直接流体连通，其中所述至少一个通道结构包括：

膜元件，所述膜元件沿着所述至少一个通道结构从所述圆筒形滚筒的所述内部圆筒形壁纵向延伸到所述圆筒形滚筒的所述外部圆筒形壁，所述膜元件是所述渗透物通道与所述外部环形分离室的所述进料流动区域之间的半渗透界面；

泵，所述泵与所述反渗透单元的所述圆筒形滚筒的所述内部圆筒形进料室流体连通，所述泵可操作以将所述内部圆筒形进料室加压至等于或高于用于反渗透的进料的渗透压；以及

马达，所述马达联接到所述反渗透单元的所述圆筒形滚筒，所述马达可操作以使所述圆筒形滚筒旋转，以便随着从所述圆筒形滚筒的所述内部圆筒形壁到所述圆筒形滚筒的所述外部圆筒形壁的距离的增加，借助产生的离心力，沿着所述膜元件持续地增加所述外部环形分离室的所述进料流动区域中的所述进料的压力。

2.如权利要求1所述的设备，其中，所述圆筒形滚筒的所述外部圆筒形壁的直径等于或大于所述圆筒形滚筒的所述内部圆筒形壁的直径的两倍。

3.如权利要求1或2所述的设备，其中，所述反渗透单元包括渗透物排出端口，所述渗透物排出端口以与所述中间腔室流体连通的方式设置在所述壳体处，用于在环境压力下排出渗透产物。

4.如权利要求1至3中任一项所述的设备，其中，所述反渗透单元包括一个或更多个渗余物排出喷嘴，所述一个或更多个渗余物排出喷嘴以与所述外部环形分离室的所述进料流动区域流体连通的方式设置在所述圆筒形滚筒的基部处，用于排出渗余物产物。

5.如权利要求4所述的设备，其中，所述反渗透单元至少包括背压调节器，所述背压调节器联接在所述外部环形分离室的所述进料流动区域与所述一个或更多个渗余物排出喷嘴之间。

6.如权利要求4或5所述的设备，还包括能量回收单元，所述能量回收单元联接到所述反渗透单元，所述能量回收单元包括：

多个固定叶片，所述多个固定叶片从固定毂径向延伸，其中所述固定毂相对于所述反渗透单元的所述壳体固定，

其中，所述反渗透单元的所述圆筒形滚筒的所述基部能够相对于所述固定毂旋转，并且所述固定毂与所述圆筒形滚筒的所述纵向轴线对准，并且

其中所述一个或更多个渗余物排出喷嘴以使得来自所述渗余物排出喷嘴的加压射流在所述圆筒形滚筒的所述基部处产生扭矩以增强所述圆筒形滚筒的旋转的方式朝向所述多个叶片引导。

7.如权利要求1至6中任一项所述的设备，其中所述至少一个通道结构的所述膜元件包括环形扇区膜片，其中所述环形扇区膜片的内弧联接到所述圆筒形滚筒的所述内部圆筒形壁，而所述环形扇区膜片的外弧联接到所述圆筒形滚筒的所述外部圆筒形壁。

8.如权利要求7所述的设备，其中，所述至少一个通道结构包括：

两个环形扇区膜片，呈一个在另一个上方的堆叠布置，以及

至少两条渗透物通道间隔件，所述至少两条渗透物通道间隔件在所述两个环形扇区膜片之间以将所述两个环形扇区膜片间隔开，其中所述至少两条渗透物通道间隔件以使得由所述两个环形扇区膜片和所述至少两条渗透物通道间隔件包围的空间限定所述渗透物通道的方式分别衬于所述两个环形扇区膜片的两对相对的直边之间。

9.如权利要求8所述的设备，其中所述圆筒形滚筒的所述内部圆筒形壁的由所述两个环形扇区膜片的内弧和所述至少两条渗透物通道间隔件的内端毗邻的一部分是实心部分，以封闭所述至少一个通道结构的所述第一通道端，并且其中所述圆筒形滚筒的所述外部圆筒形壁的由所述两个环形扇区膜片的外弧和所述至少两条渗透物通道间隔件的外端毗邻的一部分包括开口，用以将所述至少一个通道结构的所述第二通道端通入所述中间腔室中。

10.如权利要求9所述的设备，包括：

至少两个通道结构，呈一个在另一个上方的堆叠布置，每个通道结构具有环形扇区形状，以及

至少两条进料流动通道间隔件，所述至少两条进料流动通道间隔件在所述至少两个通道结构之间以将所述至少两个通道结构间隔开，其中，所述至少两条进料流动通道间隔件以使得由所述至少两个成形的通道结构和所述至少两条进料流动通道间隔件包围的空间限定所述进料流动区域的方式分别沿着所述至少两个通道结构的两对相对的直边缘衬设。

11.如权利要求10所述的设备，其中，所述圆筒形滚筒的所述内部圆筒形壁的由所述至少两个通道结构的两个相对的内弧形边缘和所述至少两条进料流动通道间隔件的内端毗邻的部分包括所述开口，用于在所述内部圆筒形进料室和所述进料流动区域之间直接流体连通，并且其中，所述圆筒形滚筒的所述外部圆筒形壁的由所述至少两个通道结构的两个相对的外弧形边缘和所述至少两条进料流动通道间隔件的外端毗邻的一部分是实心部分，以将所述进料流动区域和所述中间腔室分开。

12.如权利要求11所述的设备，其中所述至少两条进料流动通道间隔件中的每一条在所述外端处包括开口。

13.如权利要求12所述的设备，包括：

至少两个相邻的通道结构堆叠，每个堆叠具有所述至少两个通道结构，所述至少两个通道结构在所述堆叠布置中具有所述环形扇区形状，

其中，所述至少两个相邻的通道结构堆叠以使得形成平行于所述圆筒形滚筒的纵向轴线的竖向的渗余物通道的方式相对于所述圆筒形滚筒的所述纵向轴线彼此成角度地间隔开，

其中，在所述至少两条进料流动通道间隔件的所述外端处的所述开口敞开所述进料流动区域，用于与所述竖向的渗余物通道直接流体连通。

14.如权利要求1至6中任一项所述的设备，其中，所述至少一个通道结构包括：

作为所述膜元件的中空纤维膜，

其中所述中空纤维膜的内端联接到所述圆筒形滚筒的所述内部圆筒形壁，并且所述中空纤维膜的外端联接到所述圆筒形滚筒的所述外部圆筒形壁，

其中所述中空纤维膜的内腔限定所述渗透物通道，

其中由所述中空纤维膜的所述内端的孔口环绕的所述圆筒形滚筒的所述内部圆筒形壁的一部分是实心部分，以封闭所述至少一个通道结构的所述第一通道端，并且其中由所述中空纤维膜的所述外端的孔口环绕的所述圆筒形滚筒的所述外部圆筒形壁的一部分包括开口，用以将所述至少一个通道结构的所述第二通道端通入所述中间腔室中。

15.如权利要求14所述的设备，其中所述圆筒形滚筒还包括环形框架，所述环形框架设置在所述外部分离室内，以与所述内部圆筒形壁和所述环形框架之间的第一环形空间和所述环形框架和所述外部圆筒形壁之间的第二环形空间同心的方式围绕所述内部圆筒形壁，其中在所述内部圆筒形壁和所述外部圆筒形壁之间延伸的所述中空纤维膜延伸穿过所述环形框架。

16.如权利要求15所述的设备，还包括至少一个次级通道结构，所述至少一个次级通道结构包括：

次级中空纤维膜，

其中所述次级中空纤维膜的内端联接到所述环形框架，并且所述次级中空纤维膜的外端联接到所述圆筒形滚筒的所述外部圆筒形壁，

其中所述次级中空纤维膜的内腔限定次级渗透物通道，

其中所述环形框架的由所述次级中空纤维膜的所述内端的孔口环绕的部分是实心部分，以封闭所述至少一个次级通道结构的第一通道端，并且其中所述圆筒形滚筒的所述外部圆筒形壁的由所述次级中空纤维膜的所述外端的孔口环绕的部分包括开口，用以使所述至少一个次级通道结构的第二通道端通入所述中间腔室中。

17.一种从进料中分离溶剂的反渗透方法，所述方法包括：

以使得圆筒形滚筒的内部圆筒形进料室和所述圆筒形滚筒的外部环形分离室的进料流动区域被进料填充的方式，用所述进料填充反渗透设备的反渗透单元的圆筒形滚筒，其中所述反渗透单元包括：

壳体，

所述圆筒形滚筒，其设置在所述壳体内并且以能够相对于所述壳体围绕所述圆筒形滚筒的纵向轴线旋转的方式联接到所述壳体，其中，所述圆筒形滚筒的外圆筒形表面与所述壳体之间的侧向间隙限定中间腔室，其中，所述圆筒形滚筒包括：

内部圆筒形壁，所述内部圆筒形壁将所述内部圆筒形空间分隔成由所述内部圆筒形壁环绕的所述内部圆筒形进料室和所述内部圆筒形壁与所述外部圆筒形壁之间的所述外部环形分离室，以及

至少一个通道结构，所述至少一个通道结构从所述圆筒形滚筒的所述内部圆筒形壁径向延伸到所述圆筒形滚筒的所述外部圆筒形壁，并且将所述外部环形分离室细分成至少渗透物通道和所述进料流动区域，所述至少一个通道结构在其内限定所述渗透物通道，其中所述至少一个通道结构的在所述内部圆筒形壁处的第一通道端闭合，以将所述渗透物通道与所述内部圆筒形进料室分离，并且所述至少一个通道结构的第二通道端穿过所述外部圆筒形壁敞开以将所述渗透物通道通入所述中间腔室中，其中所述内部圆筒形壁具有开口，用于所述内部圆筒形进料室与所述外部环形分离室的所述进料流动区域之间的直接流体连通，其中所述至少一个通道结构包括：

借助与所述圆筒形滚筒的所述内部圆筒形进料室流体连通的所述反渗透设备的泵，将所述圆筒形滚筒的所述内部圆筒形进料室和所述圆筒形滚筒的所述外部环形分离室的所述进料流动区域中的所述进料加压至等于或高于用于反渗透的所述进料的渗透压；以及

借助所述反渗透设备的联接到所述圆筒形滚筒的马达使所述圆筒形滚筒相对于所述壳体旋转，以借助所产生的离心力，随着从所述圆筒形滚筒的所述内部圆筒形壁到所述圆筒形滚筒的所述外部圆筒形壁的距离的增加而沿着所述膜元件持续地增加所述外部环形分离室的所述进料流动区域中的所述进料的压力。

18.如权利要求17所述的方法，还包括：在环境压力下借助设置在所述壳体处并与所述中间腔室流体连通的渗透物排出端口排出含有所述溶剂的渗透产物。

19.如权利要求17或18所述的方法，还包括：借助至少所述反渗透单元的背压调节器来维持所述外部环形分离室的所述进料流动区域中的所述进料的压力，所述反渗透单元的所述背压调节器联接在所述外部环形分离室的所述进料流动区域与设置在所述圆筒形滚筒的基部处的一个或更多个渗余物排出喷嘴之间。

20.如权利要求17至19中任一项所述的方法，还包括：将渗余物产物从所述外部环形分离室的所述进料流区域朝向多个固定叶片排出，所述多个固定叶片从相对于所述壳体固定的毂径向延伸并与所述圆筒形滚筒的所述纵向轴线对准，以便从所述渗余物产物回收压力能以增强用于旋转所述圆筒形滚筒的所述马达。