CN117677431A - 用于串联过滤的具有受控的孔隙率的膜 - Google Patents
用于串联过滤的具有受控的孔隙率的膜 Download PDFInfo
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- C02F2303/22—Eliminating or preventing deposits, scale removal, scale prevention
Abstract
一种用于液体纯化的串联过滤系统，其包括初级反渗透(RO)模块和第一级高渗透性反渗透(HiRO)模块。这两个模块都包括(a)室，该室包括入口、渗余物出口和渗透物出口，以及(b)至少一个膜，该膜将该室分隔成在该膜的上游侧的渗余物侧和在该膜的下游侧的渗透物侧。初级中的膜是RO膜，而第一级中的膜是氧化膜。第一级入口与初级渗余物出口流体连通；并且第一级中的氧化膜包括涂覆在多孔支撑体上的氧化聚酰胺活性层，其中该氧化聚酰胺活性层具有至少1.5的原子氧/氮比。
Description
背景
下面对现有背景技术的讨论可以反映从所披露的发明中获得的事后认识；并且这些特征不一定被认为是现有技术。
具有溶解的组分和颗粒的液体(如水)可以通过经由反渗透将那些溶解的组分去除来纯化，反渗透是一种分离离子和颗粒的工艺，其使用部分渗透膜和施加在膜的具有较高溶质浓度的一侧的压力来克服渗透压，以驱动液体(如水)穿过膜到达具有较低的溶解的盐离子浓度的一侧，同时膜阻止盐离子通过。
同时纳滤是使用具有穿过膜的纳米级(即1-10nm的孔径)通孔的膜的工艺。相应地，纳滤膜的孔小于微滤和超滤中使用的那些孔，但大于在反渗透膜中发现的孔(通常大约为0.1nm)。纳滤用于涉及水性液体的过滤应用，用于去除有机化合物，或在某些情况下用于选择性去除较大的离子化合物如硫酸盐。
概述
本文描述了串联过滤系统及其使用和制造的方法，其中设备和方法的不同实施例可以包括下面描述的元素、特征和步骤中的一些或全部。
一种用于液体纯化的串联过滤系统，其包括初级反渗透模块，该初级反渗透模块包括：(a)初级室，其包括初级入口；初级渗余物出口；和初级渗透物出口；(b)至少一个初级反渗透膜，其安装在初级室中，并将该初级室分隔成渗余物侧和渗透物侧，该渗余物侧包括初级入口和在该初级反渗透膜上游侧的初级渗余物出口，该渗透物侧包括在该初级反渗透膜的下游侧的初级渗透物出口。该串联过滤系统还包括第一级高渗透性反渗透模块，该第一级高渗透性反渗透模块包括(a)第一级室，其包括第一级入口；第一级渗余物出口；和第一级渗透物出口，其中该第一级入口与该第一级渗余物出口流体连通；以及(b)至少一个第一级氧化膜，其包括涂覆在多孔支撑体上的氧化聚酰胺活性层，其中该氧化聚酰胺活性层具有至少1.5的原子氧/氮(O/N)比，并且其中该第一级氧化膜安装在第一级室中，并将该第一级室分隔成渗余物侧和渗透物侧，该渗余物侧包括第一级入口和在该第一级氧化膜的上游侧的第一级渗余物出口，该渗透物侧包括在该第一级氧化膜的下游侧的第一级渗透物出口。
如上所述，在使用串联过滤系统的串联过滤方法中，将包含溶剂和溶解离子的进料液体通过初级入口进料到初级室中；并且将初级反渗透模块的渗余物侧上的压力建立为大于初级室的渗透物侧上的压力。使初级渗透物中的溶剂优先从初级室的渗余物侧通过初级反渗透膜进入初级室的渗透物侧，同时将具有增加的溶解离子浓度的初级渗余物盐水保留在初级室的渗余物侧。通过初级渗余物出口将初级渗余物盐水去除，并且然后通过第一级入口导入第一级室中；并且将第一级室的渗余物侧中的压力建立为大于第一级室的渗透物侧中的压力。使第一级渗透物中的溶剂优先从第一级室的渗余物侧通过第一级氧化膜进入第一级室的渗透物侧，同时将具有进一步增加的溶解离子浓度的第一级渗余物盐水保留在第一级室的渗余物侧。
一种用于制造用于高渗透性反渗透的氧化膜的方法，该方法包括提供包括涂覆在多孔支撑体上的聚酰胺层的反渗透膜。将聚酰胺层暴露于氧化剂以在该聚酰胺层中产生1％-10％的氯负载。本文描述的方法结合了将膜氧化以在反渗透膜的活性层中产生孔的工艺以及使用氧化膜经由多级过滤连续地使水脱盐的工艺。另外，调整氧化工艺可以产生具有适当渗透性特征的膜。此外，可以将污染的膜氧化以恢复渗透性。还披露了一种用于处理膜以降低渗透性以用于多级过滤工艺的方法。
本文描述的氧化工艺有利于仔细控制所得膜的盐渗透率和水渗透率以及产生具有高水渗透性的膜。由于现有的商业膜缺乏这些特性，因此它们不适合用于经由多级高渗透性反渗透(HiRO)进行脱盐。现有的反渗透(RO)膜对盐和水两者的渗透性都不足，需要极高的压力和/或极大的膜面积。现有的纳滤(NF)膜允许过大比例的盐通过，导致需要大量的连续级。由于每个级都需要对渗透物重新加压，因此此类系统的能源消耗极大。此外，现有的NF膜在浓缩二价离子的同时允许高比例的一价离子渗透，导致二价盐沉淀的风险增加。相应地，本文描述的膜可以提供优于先前膜的显著优点并且可以独特地实现本文描述的多级脱盐方法的实践。
附图说明
图1是采用氧化膜的多级脱盐系统的示意图。
图2和图3是膜样品截面的扫描电子显微镜(SEM)图像，示出了多孔基材上的氧化聚酰胺活性层。
图4和图5是膜上的氧化活性层的表面的SEM图像。
在附图中，类似的附图标记是指全部不同视图中的相同或相似的部分；并且撇号用于区分同一项目的多个示例或共享相同附图标记的项目的不同实施例。附图不一定按比例绘制；相反，重点放在示出以下所论述的范例中的具体原理上。对于包括文本(文字、参考字符和/或数字)的任何附图，无文本的附图的替代性版本应当被理解为本披露内容的一部分；并且可用无这类文本的正式替换附图替代。
具体实施方式
一个或多个本发明的不同方面的前述以及其他的特征和优点将通过以下对一个或多个本发明的更宽泛界限内的不同概念和特定实施例的更具体的描述而变得明显。由于主题不受限于任何具体的实现方式，以上引入并在以下更详细地论述的主题的不同方面可以众多方式中的任一种来实现。主要出于说明性目的，提供了特定实现方式和应用的实例。
除非本文另外限定、使用或表征，否则本文使用的术语(包括技术术语和科学术语)应当被解释为具有与其在相关领域的背景下被公认的意义相一致的意义，并且不应当以理想化或过度正式的意义进行解释，除非本文清楚地这样限定。例如，如果提及具体的组合物，那么所述组合物可以是基本上(尽管不是完全)纯的，因为可能出现实际的和不完美的现实状况；例如，可能存在至少微量的杂质(例如，小于1％或2％)可被理解为是在本说明书的范围内的。同样，如果提及了具体的形状，那么所述形状旨在包括理想形状的(例如，由于制造公差所造成的)不完美变型。
尽管术语第一、第二、第三等可在本文用于描述不同元素，但是这些元素不限于这些术语。这些术语只是用于将一个元素与另一个元素区分开来。因此，以下所论述的第一元素可在不脱离示例性实施例的传授内容的情况下被称为第二元素。
为了便于描述，可在本文使用空间相对术语(如“之上”、“之下”、“左”、“右”、“之前”、“之后”等等)以用于描述一个元素与另一个元素的关系，如在附图中所示出的。应当理解，空间相对术语以及所示出的配置旨在涵盖使用或操作中的设备的除了本文所描述以及在附图中所描绘的取向之外的不同取向。例如，如果将附图中的设备翻过来，那么描述或图示为在其他元素或特征结构“之下”或“下方”的元素然后将定向为在其他元素或特征结构“之上”。因此，示例性术语“之上”可涵盖之上和之下二者的取向。设备可以其他方式定向(例如，旋转90度或处于其他取向)并且本文使用的空间相对描述符相应地得以解释。术语“约”可以意指在所引用的值的±10％以内。此外，在提供值范围的情况下，考虑并因此披露了该范围的上端与下端之间的每个子范围和每个单独的值。
更进一步地，在本披露内容中，当一个元素被称为在另一个元素“上”、“连接到”另一个元素、“耦接到”另一个元素、与另一个元素“接触”等，所述元素可直接在另一个元素上、连接到另一个元素、耦接到另一个元素或与另一个元素接触，或者可存在中介元素，除非另外说明。
本文使用的术语是出于描述具体实施例的目的，并且不旨在成为示例性实施例的限制。如本文所用，单数形式(如与冠词“一个(a)”和“一个(an)”一起引入的)旨在同样包括复数形式，除非上下文以其他方式表明。另外，术语“包括(includes)”、“包括(including)”、“包含(comprises)”和“包含(comprising)”指定所述的元素或步骤的存在，但不排除存在或添加一个或多个其他元素或步骤。
另外，在此标明的各种部件可以组装和成品的形式提供；或者一些或所有部件可以被包装在一起并且作为套件出售，该套件带有使顾客进行组装和/或改造而生产成品产品的说明书(例如，以书面、视频或音频形式)。
下面描述的是脱盐工艺和用于该工艺的膜，以及制造该膜的相关方法。对含盐的流入流进行脱盐所需的液压和所得渗透物的盐度都可以通过操纵膜的渗透性来控制。如本文所述，具有受控渗透性的特别设计的脱盐膜用于在连续步骤中对含盐的流入流进行部分脱盐。与反渗透(RO)膜相比，较大部分的流入离子穿过这些膜，从而降低了驱动脱盐工艺所需的液压。与纳滤(NF)膜相比，较大部分的流入离子被膜截留，从而降低了渗透物盐度。由于较高的渗透性降低了所需的液压，因此使用此工艺可以有效地对高含盐流进行脱盐。
过去已经提出了用膜进行串联过滤的工艺。然而，由于缺少合适的膜，串联膜过滤工艺被认为从未商业化。本文有利地为连续过滤工艺提供合适的膜，其具有仔细选择的离子渗透性，同时保持膜对水的高渗透性。如果离子渗透性太大，则所得渗透物将不能充分脱盐，从而需要上经济上令人望而却步的膜级数。如果离子渗透性对于给定的水渗透性而言太低，则脱盐所需的压力将高的不切实际。此外，低离子渗透性将减少离子渗透到膜中，从而降低渗透物侧的体积渗透压的渗透压降低效果。高的水渗透性有利于将所需的膜面积减少到经济上可行的量。
离子渗透率可以根据通过膜的离子通量来计算；并且膜两侧的相应离子浓度可以使用下面的等式1计算：
Js＝B(CF-CP) (1)
在以上等式中，Js表示离子通量；CF表示膜的进料侧的离子浓度；CP表示膜的渗透物侧的离子浓度；并且B表示离子渗透率。离子渗透性高度依赖于进料流中的离子种类以及膜两侧的离子浓度，并且因此是随着进料流以及膜而变化的特性。
水渗透性A可以通过以下来计算：通过膜的水通量Jw；穿过膜的液压差ΔP；以及穿过膜的渗透差Δπ，如下面的等式2所示：
Jw＝A(ΔP-Δπ) (2)
在操作期间离子渗透率与水渗透率的比率可能特别重要，因为此比率决定渗透物流的盐度。因此，渗透率的比率和大小是膜的适用性所依赖的参数。商业纳滤膜的截留率不足，让过多的离子穿过，而商业反渗透膜的水渗透性不足。此外，商业纳滤膜优先截留二价离子。二价离子可以在足够高的浓度下形成不溶性盐。因此，使用纳滤膜进行高盐度脱盐，盐析的风险大。
典型的反渗透膜包括沉积在聚醚砜或聚砜多孔层28(约50μm厚)上的薄聚酰胺活性层(约100-200nm厚并且例如经由酰基氯和二胺的聚合形成)，其可以涂覆在非织造织物支撑片30(约150μm厚并且例如由聚酯形成)上。聚酰胺活性层充当溶解盐通过膜的主要选择性屏障。用于此工艺的膜是通过将这种反渗透膜的聚酰胺活性层部分地氧化来制造的，从而在氧化活性层26中产生孔，如在图2和图3的SEM图像中所示。
反渗透膜的活性层面向RO室中的渗余物侧，而其上沉积有活性层的多孔支撑体面向渗透物侧；并且活性层通常由全芳香族聚酰胺组成。芳香族聚酰胺由界面聚合工艺形成，在该工艺中使芳香族胺单体的水溶液与溶解在有机溶剂中的芳香族酰氯单体接触。该反应产生交联聚合物。所得活性层的氧化可以具有多种效果，其中之一是通过C-N键的裂解和COOH-基团的形成来减少这种交联。这种可以测量的氧化效果可以增加膜渗透性并减少溶质的截留。当聚酰胺完全交联时，活性层中的所有氧和氮形成酰胺基团，产生1:1的原子氧/氮(O/N)比，而2:1的原子O/N比指示直链聚酰胺，其中聚合物中每两个酰胺基团存在一个游离羧基(COOH-)。活性层中的这些原子比可以通过x射线光电子能谱来测量，这是一种高度表面敏感的技术，其能够检测最接近表面的活性层的1-5nm的元素组成。通过此工艺产生的孔可以具有100-200道尔顿的截留分子量(MWC)。
典型的原始反渗透膜的活性层具有高的交联度。在一些情况下，未氧化的膜可以具有完全交联的活性层，其具有1:1的原子O/N比。在一些情况下，未氧化的膜可以具有高度交联的活性层，其具有例如1.1:1、1.2:1、1.3:1、1.4:1的原子O/N比或在前述比率中的任一个至前述比率中的另一个的范围内的另一比率。如上所述，将膜氧化可以降低活性层中的交联度，导致原子O/N比增加。例如，原子氧相对于原子氮的数量可以增加至少0.1、至少0.15、至少0.2、至少0.25、至少0.3或至少0.35，或在一些情况下至少0.4。所得氧化聚酰胺活性层可以具有相对高的原子O/N比，为1.5:1、1.6:1、1.7:1、1.8:1、1.9:1，或在一些情况下高达1.99:1。在其他范例中，所得氧化聚酰胺活性层的原子O/N比可以是上述比率中的至少任一个；或者所得氧化膜可以具有在前述比率中的任一个至前述比率中的另一个的范围内的原子O/N比。本文和权利要求中引用的原子O/N比是通过x射线光电子能谱测量的。如果活性层涂覆有另一个层，则原子O/N比可以高于未涂覆活性层的上述比率。
当用于产生这些孔的氧化剂是基于氯的氧化剂(例如次氯酸钠)时，氧化水平可以通过测量活性层的氯负载来量化。不希望受特定理论的束缚，据信基于氯的氧化剂(例如，次氯酸钠)与芳香族聚酰胺相互作用以引起C-N键水解，以降低交联度并导致氯掺入膜基质中。后一种效应，即氯掺入膜基质中，可以量化为氯负载，定义为氧化活性层26中的氯含量的百分比。氯负载通常通过X射线光电子能谱(XPS)测量，例如，通过使用分辨率1eV的克瑞托斯公司(Kratos)AXIS Ultra XPS光谱仪。仔细控制氧化工艺以产生合适的渗透率。对于具有100-200nm厚度的活性层的膜，5,000至50,000百万分率(ppm)×小时(h)的氧化剂浓度-时间产生具有1至3(升/m2/小时)/巴(LMH/巴)的水渗透率的膜。所得膜的这些渗透特性介于商业反渗透膜与纳滤膜的那些典型渗透特性之间。二价离子渗透性与一价离子渗透性相似，使得渗透物的组成与流入流和渗余物流的组成相似。此特性与典型的纳滤膜形成对比，在典型的纳滤膜中，一价离子渗透性往往显著大于二价离子渗透性。图1所示系统的示例性流速和盐度在下面的范例部分中详细说明。图4和图5中提供了膜的氧化聚酰胺活性层的外表面的SEM图像。
如图1所示，系统10包括初级反渗透(RO)模块12和至少一个高渗透性反渗透(HiRO)级，其包括至少一个HiRO模块14/16/18。图1所示的示例性系统包括三个HiRO模块(即，第一级高渗透性模块14；第二级高渗透性模块16；和第三级高渗透性模块18)。该系统进一步包括高压泵20，其包括用于第一级HiRO(例如，包括HiRO模块14的HiRO级)之后的每个HiRO级(例如，分别包括HiRO模块16和18的HiRO级)的流入泵20'和HiRO渗透物泵20”。
初级反渗透级包括至少一个反渗透膜模块12。在使用多个RO膜模块的情况下，可以将膜模块并联、串联、或者以并联或串联阵列的任何组合布置。反渗透膜模块各自包括至少一个RO膜。RO膜22的数量取决于设计标准，如流入物浓度和流速以及液压。RO膜模块可以具有螺旋缠绕配置、中空纤维配置或本领域已知的任何其他配置。在示例性系统中，对于以1.2m3/h流动的7.7％盐度流入物(进料液体)和69巴(6.9MPa)的液压，膜面积为89m2。大多数商业反渗透膜(例如，来自陶氏化学公司(The Dow Chemical Company)的FILMTECTMSW30XHR-440i膜、来自海德能公司(Hydranautics)的SWC5 MAX膜以及来自苏伊士水务技术与方案公司(SUEZ Water Technologies&Solutions)的AD-440膜)都适用于此应用。
每个高渗透性反渗透(HiRO)级包括以并联、串联或其某种组合布置的至少一个HiRO膜模块14/16/18。HiRO膜模块各自包括至少一个氧化膜并且可以具有螺旋缠绕配置、中空纤维配置或本领域已知的任何其他配置。HiRO膜模块的氧化膜24(下面进一步讨论)对于包括7％至20％盐度的含盐流可以有利地分别具有15％至85％的盐渗透速率。盐通过扩散渗透，并且扩散速率取决于盐浓度的大小。因此，氧化膜24的盐渗透速率取决于进料流的盐度。例如，在类似的水力条件下，氧化膜24对于9％盐度的进料流可以具有33％的盐渗透速率，以及对于20％盐度的进料流可以具有85％的盐渗透速率。与盐渗透速率类似，氧化膜24的水渗透性也取决于盐度。然而，水渗透速率还取决于进料的液压超过渗透压的程度。对于包括7％至20％盐度的含盐进料流，在69巴(6.9MPa)的压力下操作的氧化膜24可以有利地分别具有35至15升/平方米/小时的水渗透速率。
氧化膜24通常是围绕渗透物传导中心管螺旋包绕的平片材。如上所述，通过将反渗透膜的活性层氧化来制造用于此脱盐工艺的氧化膜24，该反渗透膜可以是与在初步RO级中使用的膜相同的类型或者是与反渗透膜不同的类型，以产生水和盐可以扩散通过的孔。这些孔的性质限定了氧化膜24的渗透性特征。如上所述，氧化的孔生成影响可以用氯负载来量化。用于生产这些膜24的工艺在下面的部分中进一步详细讨论。
HiRO级(例如，包括HiRO模块14、16和18的HiRO级)中的膜面积和每个级内的高渗透性膜模块的数量都根据级的位置而变化。在使用多个高渗透性膜模块的情况下，可以将膜模块并联、串联、或者以并联或串联阵列的任何组合布置。在下面进一步讨论的示例性系统中，第一级14具有104m2的膜面积；第二级16具有104m2的面积；以及最终级18具有52m2的面积。
流入/进料泵20'和HiRO渗透物泵20”可以是任何类型的高压泵，如来自万纳尔工程公司(Wanner Engineering,Inc.)的HYDRA-CELL D35活塞泵，其能够产生最高达83巴(8.3MPa)的压力。泵20可以是多级离心泵、活塞泵、凸轮泵等。
进料溶液源32流体连接到进料泵20'。合适的源32的实例包括膜脱盐盐水流、热脱盐盐水流、含盐地下水等。
在反渗透膜的聚酰胺活性层氧化的范例中，在25摄氏度的温度和环境压力条件下将膜放置在容器中并暴露于包含100至10,000百万分率(ppm)游离氯且pH为4至11的次氯酸钠溶液。使膜的氧化进行1至50小时。已发现pH、游离氯浓度和氧化时间决定了氧化膜的特征，并且在相似的pH水平下，可以按比例调节游离氯浓度和时间以实现相似的结果。
在氧化后，将次氯酸钠溶液从容器中排出，并用亚硫酸氢钠和纯水的混合物冲洗膜，以去除残留的氧化剂溶液，直至冲洗液中的氯浓度达到0mg/l。
将氧化步骤的浓度、pH和时间优化以实现高的水渗透性和目标离子或离子组的高截留性。如前所述，离子通过膜的渗透性高度依赖于进料流中的组成离子。对于海水浓缩和其他脱盐应用，浓缩时间通常针对氯化钠的截留进行优化。出于浓缩包含氧化锂的盐水的目的，还可以优化膜氧化以截留锂，这对于锂盐生产工艺可能是有利的。
由于结垢或压实，本文描述的氧化膜24的水渗透性可能在操作期间降低。通过使氧化膜24经受第二氧化工艺，水渗透性可以恢复到其原始水平。在此工艺中，在环境条件下将结垢或压实的氧化膜24浸入包含10至100ppm的游离氯、pH值为4至11的次氯酸钠溶液中。在氧化完成之后，将氧化膜24从氧化剂溶液中移除并用纯水冲洗以去除残留的氧化剂。
由于标准清洁程序、膜老化、氯侵蚀或由于上述用于恢复渗透性的工艺，氧化膜的离子截留性可能降低(即，离子渗透性可能增加)。通过向膜的渗余物侧引入截留增强剂可以降低此渗透性。合适的截留增强剂包括聚乙烯甲基醚(PVME)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚乙烯醇(PVA)和/或单宁酸。
膜截留-恢复工艺可以离线或在线(在脱盐期间)进行。在离线工艺中，氧化膜24可以首先用可选的清洁工艺进行处理，其中清洁化学品穿过氧化膜24的渗余物侧在HiRO模块的渗余物侧34上循环和再循环。在此可选的步骤中，包含柠檬酸且pH约为4的第一溶液可以在类似于操作压力的压力下穿过膜的渗余物侧再循环最长达1小时的时间段。一旦低pH溶液被排出，包含三聚磷酸钠和乙二胺四乙酸(EDTA)、pH约为10的高pH溶液可以穿过氧化膜24的渗余物侧再循环。
在可选的清洁步骤之后，进行涂覆步骤，包括将截留增强剂的溶液引入并使其穿过氧化膜24的渗余物侧再循环5-30分钟的时间段。经由泵20施加至少150psi(1MPa)的压力，以确保截留增强剂渗透到氧化膜24中。维持溶液的温度以便不超过临界溶液温度(也称为浊点)。对于聚乙烯吡咯烷酮和聚乙烯醇，这种限制通常超出氧化膜24的操作限制，并且因此不用太担心；但是，对于聚乙烯甲基醚，观察到约34℃至37℃的温度限制。在涂覆步骤完成之后，可以将单宁酸(TA)溶液引入并穿过氧化膜24的渗余物侧再循环5-30分钟的时间段。在水溶液中形成带负电的胶体的TA可以与已结合到膜表面的其他截留增强剂形成氢键，从而提高涂层的稳定性。在涂覆步骤完成之后，氧化膜24可以立即恢复使用。
涂覆程序还可以在脱盐服务期间在线进行。在此工艺中，将浓缩的截留增强剂溶液引入进料流中，持续5-30分钟的时间段。在此涂覆步骤之后，可以将TA浓溶液引入5-30分钟的时间段以提高涂层的稳定性。
范例
使用图1的系统，创建了模拟，其中进料液体经由导管38从源32进料，作为输入经由高压泵20'进料给至少一个初级反渗透模块12，该高压泵在反渗透模块12内的反渗透膜22的渗余物侧以1,200磅/平方英寸(psi)(8.3MPa)对进料液体加压。在此范例中，17个反渗透膜22以螺旋配置设置。对于6.0％的盐度(溶解盐的质量/溶液的质量)，进料液体具有62g/l的盐含量，并且进料液体以1.2m3/hr的速率进料。浓缩盐水经由导管40从反渗透模块12的渗余物侧34排出，而纯化水(0.0％盐度)以0.9m3/hr的流速通过导管42从初级反渗透模块12内的反渗透膜22的渗透物侧36提取。来自初级反渗透模块12的渗余物侧34的浓缩渗余物盐水具有97.5g/l的盐含量(和9.2％的盐度)并以1.7m3/hr的速率流动至包括氧化膜24的第一级高渗透性反渗透模块14。经由导管44从第一级高渗透性反渗透模块14的渗透物侧36(在第一级过滤模块14的氧化膜24的下游)提取的渗透物具有68g/l的盐含量(和6.5％的盐度)。此渗透物以1.4m3/h的流速注入导管38中的进料液体流中，并泵回到初级反渗透模块12的渗余物侧34中，使得更多的水可以穿过反渗透膜22并与其余渗透物一起通过导管42去除。
六膜第一级高渗透性RO模块14中的操作参数在下表1和表2中提供。
表1(渗余物盐水)：
表2(渗透物)：
进一步浓缩的渗余物盐水(具有11.2％的盐度和120g/l的盐浓度)经由导管46从第一级高渗透性RO模块14的氧化膜24的上游的第一级高渗透性RO模块14的渗余物侧34提取，并注入到第二级高渗透性RO模块16的渗余物侧34。已经穿过第二级高渗透性RO模块16的氧化膜24的具有9.2％的盐度(具有98g/l的盐浓度)的渗透物通过导管48经由高压泵20”以1.5m3/h的流速再循环，并经由导管40与来自初级反渗透模块12的渗余物侧34的浓缩盐水一起重新注入第一级高渗透性RO模块14的渗余物侧34中，以使更多的水穿过氧化膜24进入第一级高渗透性RO模块14的渗透物侧36，并且然后返回到初级反渗透模块12。同时，还进一步浓缩的具有13.9％的盐度(具有150g/l的盐浓度)的渗余物盐水通过导管50从第二级高渗透性RO模块16的渗余物侧34提取并以1.5m3/hr的流速注入第三级高渗透性RO模块18的渗余物侧34。
八膜第二级高渗透性RO模块16中的操作参数在下表3和表4中提供。
表3(渗余物盐水)：
表4(渗透物)：
在第三级高渗透性RO模块18中，还进一步浓缩的渗余物盐水被其中的氧化膜24再次分离成具有12.4％盐度和1.2m3/hr的流速的渗透物(具有140g/l的盐浓度)。渗透物通过导管52提取，并经由高压泵20”泵送回到第二级高渗透性RO模块16，在此处渗透物与来自第二级高渗透性RO模块14的还进一步浓缩的渗余物盐水一起被注入第二级高渗透性RO模块16的渗余物侧34中，以通过氧化膜24提取额外的渗透物进入渗透物侧36中。同时，具有18.5％的盐度(具有210g/l的盐浓度)的最浓缩的渗余物盐水经由导管54以0.4m3/hr的流速从第三级高渗透性RO模块18的渗余物侧24提取。
八膜第三级高渗透性RO模块18中的操作参数在下表5和表6中提供。
表5(渗余物盐水)：
表6(渗透物)：
来自模拟的这一估计的所有通量和截留数据是基于1,000psi(6.9MPa)进料压力。每个级的膜面积如下：(a)初级反渗透模块12：126.31m2(17个膜)，(b)第一级高渗透性RO模块14：44.58m2(6个膜)，(c)第二级高渗透性RO模块16：59.44m2(8个膜)，以及(d)第三级高渗透性RO模块18：59.44m2(8个膜)。这种多级操作产生71％的纯化水回收率，以及18.1kW/m3的比能耗。
在描述本文的实施例时，为了清楚起见，使用了特定的术语。出于描述的目的，特定的术语旨在至少包括技术的和功能的等效物，所述等效物以相似的方式操作从而实现相似的结果。另外，在具体实施例包括多个系统元素或方法步骤的一些实例中，那些元素或步骤可以用单个元素或步骤替换。同样，单个元素或步骤可用达到相同目的的多个元素或步骤来替换。进一步地说，除非另外说明，否则本文为实施例指定了不同特性的参数或其他值，那些参数或值可以上下调整1/100、1/50、1/20、1/10、1/5、1/3、1/2、2/3、3/4、4/5、9/10、19/20、49/50、99/100等(或向上调整1、2、3、4、5、6、8、10、20、50、100倍等)，或调整其四舍五入的近似值，或者在上下调整到上面指定的任何变化的指定参数的范围内(例如，对于100的指定参数和1/100的变化，参数的值可以在0.99到1.01的范围内)。仍进一步地说，在列举方法和以特定顺序列举步骤/阶段的情况下--在具有或不具有为易于参考而添加的有序前序字符的情况下--该步骤/阶段不应被解释为暂时地受限于它们所列举的顺序，除非另外说明或被这些术语和措辞所隐含。
已经参考本发明的具体实施例示出并描述了本发明，本领域技术人员将理解，可在不脱离本发明的范围的情况下，在其中做出形式和细节方面的不同替换和改变。仍进一步地说，其他方面、功能和优点也在本发明的范围内；并且本发明的所有实施例不一定需要实现所有的优点或具有以上所述的所有特性。另外，本文结合一个实施例所论述的步骤、元素及特征结构同样可结合其他实施例使用。贯穿本文所引用的参考文献(包括参考文本、期刊文章、专利、专利申请书等)的内容均出于所有目的以其全部内容通过援引并入本文；以及来自这些参考文献和本披露内容的实施例、特征结构、表征和方法的所有适当组合可以包括在本发明的实施例中。仍进一步地说，在背景技术部分标识的组分和步骤是本披露内容不可或缺的，并且可与在本发明的范围内在本披露内容的别处描述的组分和步骤结合使用或对其进行代替。
Claims (15)
1.一种用于液体纯化的串联过滤系统，其包括：
初级反渗透模块，所述初级反渗透模块包括：
(a)初级室，其包括初级入口；初级渗余物出口；和初级渗透物出口；以及
(b)至少一个初级反渗透膜，其安装在所述初级室中，并将所述初级室分隔成渗余物侧和渗透物侧，所述渗余物侧包括所述初级入口和在所述至少一个初级反渗透膜的上游侧的所述初级渗余物出口，所述渗透物侧包括在所述至少一个初级反渗透膜的下游侧的所述初级渗透物出口；
第一级反渗透模块，所述第一级反渗透模块包括：
(a)第一级室，其包括第一级入口；第一级渗余物出口；和第一级渗透物出口；以及
(b)至少一个第一级氧化膜，其包括涂覆在多孔支撑体上的氧化聚酰胺活性层，其中所述氧化聚酰胺活性层具有至少1.5:1的原子氧/氮比，并且其中所述至少一个第一级氧化膜安装在所述第一级室中并将所述第一级室分隔成渗余物侧和渗透物侧，所述渗余物侧包括所述第一级入口和在所述至少一个第一级氧化膜的上游侧的所述第一级渗余物出口，所述渗透物侧包括在所述至少一个第一级氧化膜的下游侧的所述第一级渗透物出口；以及
第一级入口通道，所述第一级入口通道在所述初级渗余物出口与所述第一级入口之间提供流体连通，并被配置为引导渗余物从所述初级室的所述渗余物侧通过所述第一级室中的所述至少一个第一级氧化膜。
2.如权利要求1所述的串联过滤系统，其进一步包括第一级渗透物出口通道，所述第一级渗透物出口通道被配置为从所述第一级渗透物出口到所述初级室的所述渗余物侧上的所述初级入口提供流体流动。
3.如权利要求2所述的串联过滤系统，其进一步包括：
第二级反渗透模块，所述第二级反渗透模块包括：
(a)第二级室，其包括第二级入口、第二级渗余物出口和第二级渗透物出口，其中所述第二级入口与所述第一级渗余物出口流体连通；
(b)至少一个第二级氧化膜，其包括涂覆在多孔支撑体上的氧化聚酰胺活性层，其中所述氧化聚酰胺活性层具有至少1.5:1的原子氧/氮比，并且其中所述至少一个第二级氧化膜安装在所述第二级室中并将所述第二级室分隔成渗余物侧和渗透物侧，所述渗余物侧包括所述第二级入口和在所述至少一个第二级氧化膜的上游侧的所述第二级渗余物出口，所述渗透物侧包括在所述至少一个第二级氧化膜的下游侧的所述第二级渗透物出口；以及
第二级入口通道，所述第二级入口通道在所述第一级渗余物出口与所述第二级入口之间提供流体连通，并被配置为引导渗余物从所述第一级室的所述渗余物侧通过所述第二级室中的所述至少一个第二级氧化膜。
4.如权利要求3所述的串联过滤系统，其进一步包括：
初级泵，所述初级泵位于所述初级入口的上游并被配置为对通过所述初级入口进料的进料液体进行泵送和加压，以使所述进料液体中的溶剂从所述初级室的所述渗余物侧通过所述至少一个初级反渗透膜进入所述初级室的所述渗透物侧；以及
第二级泵，所述第二级泵位于所述第二级渗透物出口的下游并被配置为将第二级渗透物液体从所述第二级室的所述渗透物侧泵送并加压至所述第一级室的所述渗余物侧，并使来自所述第二级渗透物液体的溶剂通过所述至少一个第一级氧化膜进入所述第一级室的所述渗透物侧。
5.如权利要求3所述的串联过滤系统，其中，所述至少一个第一级氧化膜的表面积不同于所述至少一个第二级氧化膜的表面积。
6.如权利要求3所述的串联过滤系统，其进一步包括第二级渗透物出口通道，所述第二级渗透物出口通道被配置为从所述第二级渗透物出口到所述第一级室的所述渗余物侧上的所述第一级入口提供流体流动。
7.如权利要求1所述的串联过滤系统，其中，所述至少一个第一级氧化膜的所述多孔支撑体包括在非织造织物支撑片上的多孔层，所述多孔层包括聚醚砜和聚砜多孔层中的至少一种。
8.一种用于串联过滤的方法，其包括：
利用如权利要求1所述的串联过滤系统；
将包含溶剂和溶解离子的进料液体通过所述初级入口进料到所述初级室中，并且在所述至少一个初级反渗透模块的所述渗余物侧上建立压力，所述压力大于在所述初级室的所述渗透物侧上的压力；
选择性地使初级渗透物中的溶剂从所述初级室的所述渗余物侧穿过所述至少一个初级反渗透膜进入所述初级室的所述渗透物侧，同时将具有增加的所述溶解离子浓度的初级渗余物盐水保留在所述初级室的所述渗余物侧；
通过所述初级渗余物出口将所述初级渗余物盐水去除，并且然后引导所述初级渗余物盐水通过所述第一级入口进入所述第一级室中，并在所述第一级室的所述渗余物侧建立压力，所述压力大于所述第一级室的所述渗透物侧的压力；以及
选择性地使第一级渗透物中的溶剂从所述第一级室的所述渗余物侧通过所述第一级氧化膜进入所述第一级室的所述渗透物侧，同时将具有进一步增加的所述溶解离子浓度的第一级渗余物盐水保留在所述第一级室的所述渗余物侧。
9.如权利要求8所述的方法，其进一步包括引导所述第一级渗透物通过所述第一级渗透物出口并与所述进料液体一起通过所述初级腔室的所述渗余物侧的所述初级入口返回。
10.如权利要求8所述的方法，其进一步包括通过所述第一级渗余物出口将所述第一级渗余物盐水从所述第一级室的所述渗余物侧去除，并且然后引导所述第一级渗余物盐水通过第二级入口进入第二级反渗透模块的第二级室中，所述第二级反渗透模块进一步包括至少一个第二级氧化膜，所述至少一个第二级氧化膜将所述第二级室分隔为渗余物侧和渗透物侧并在所述第二级室的所述渗余物侧中建立压力，所述压力大于所述第二级室的所述渗透物侧中的压力。
11.如权利要求8所述的方法，其中，所述第一级氧化膜包括在多孔支撑体上的部分氧化的聚酰胺层，并且其中所述部分氧化的聚酰胺层是通过将聚酰胺层暴露于氧化剂以在所述聚酰胺层中产生受控的孔隙率而形成的，所述方法进一步包括：
在长期实践如权利要求8所述的方法之后，使所述至少一个第一级氧化膜经受氧化调节步骤，其包括将所述至少一个第一级氧化膜暴露于所述氧化剂以调节所述部分氧化的聚酰胺中的所述受控的孔隙率；以及
在进行所述氧化调节步骤之后恢复实践如权利要求12所述的方法。
12.如权利要求8所述的方法，其进一步包括将离子截留增强剂引入所述至少一个第一级氧化膜的所述渗余物侧，其中所述离子截留增强剂降低所述至少一个第一级氧化膜的渗透性。
13.如权利要求12所述的方法，其中，所述离子截留增强剂包括至少一种选自聚乙烯甲基醚、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇和单宁酸的组合物。
14.一种用于制造用于反渗透的氧化膜的方法，其包括：
提供反渗透膜，所述反渗透膜包括涂覆在多孔支撑体上的聚酰胺活性层；以及
将所述聚酰胺活性层暴露于次氯酸钠溶液以产生具有至少1.5:1的原子氧/氮比的氧化聚酰胺活性层，其中将所述聚酰胺活性层以5,000至50,000百万分率×小时范围内的浓度-时间暴露于所述氧化剂。
15.如权利要求14所述的方法，其中，所述氧化聚酰胺层包含浓度为1-10原子百分比的氯。
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