CN1853044A - 渗透能 - Google Patents

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CN1853044A CN200480026502.6A CN200480026502A CN1853044A CN 1853044 A CN1853044 A CN 1853044A CN 200480026502 A CN200480026502 A CN 200480026502A CN 1853044 A CN1853044 A CN 1853044A
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阿卜杜勒萨拉姆·阿勒·马亚齐
阿德尔·沙里夫
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Abstract

用于驱动原动机的方法，所述方法包括a)将选择性膜置于液体和比液体具有更高渗透势的溶液之间，因此通过穿过膜的液体的流入来增压溶液，b)使用溶液中产生的压力来驱动原动机，c)回收溶液，d)从溶液中分离至少一部分溶剂以形成残余产物，和e)将步骤d)的所分离的溶剂和/或残余产物再循环到步骤a)中。

Description

渗透能
技术领域
本发明涉及驱动原动机的方法。本发明还涉及用于驱动原动机而产生例如水能的装置。
背景技术
当用半透膜把浓水溶液(高渗透势、高熵)和稀水溶液(低渗透势、低熵)隔开时，来自稀水溶液的水将流过半透膜而将浓水溶液稀释。该现象被称为渗透作用。
US 3,978,344描述了将渗透能转化为其他能量形式的方法。具体地，该参考文献描述了使用半透膜从大量海水中分离大量淡水的方法。淡水和海水之间渗透势的差使得水穿过膜进入到海水中，导致了在膜的海水侧的水压增大。海水可以作为增压水流而喷射出来，这可用来旋转与发电机相连的涡轮。
穿过半透膜的淡水流通导致了海水的稀释，这最终限制了来自给定量海水的能量产生。因此，必须周期性地或连续地用新鲜海水再次补充被稀释的海水。
发明内容
根据本发明，提供了用于驱动原动机的方法，所述方法包括：
a)将选择性膜置于液体和具有比所述液体更高的渗透势的溶液之间，使得溶液因液体穿过膜的流入而增压，
b)使用在所述溶液中产生的压力来驱动原动机，
c)回收所述溶液，
d)从所述溶液中分离至少部分溶剂以形成残余产物，和
e)将步骤d)中所分离出的溶剂和/或残余产物再循环到步骤a)中。
在一个实施方式中，将步骤d)的残余产物再循环到步骤a)的溶液中。替代地或附加地，可将所分离的溶剂再循环到步骤a)中的膜的液体侧。
液体穿过选择性膜的流入使溶液产生了压力(例如流体静压)。可以直接使用来自步骤a)的增压溶液来驱动原动机。替代地，可以回收来自步骤a)的溶液，并且可以除去所回收溶液的部分溶剂。在被再循环回步骤a)之前，可以使用所得的浓缩溶液来驱动原动机。替代地或附加地，可以使用从溶液中分离出的溶剂来驱动原动机。在所有情况下，可以使用步骤a)中的溶液所产生的至少部分压力来驱动原动机。任选地，可以使用溶液中所产生的压力来泵送溶液用于后续处理。
在步骤a)中可以使用任何合适的选择性膜。所述膜可以具有1～60埃的平均孔径，优选为2～50埃，更优选为5～40埃，例如为10～30埃。在一个实施方式中，膜的平均孔径为12～25埃。
膜的平均孔径优选小于溶液中溶质的尺寸。有利地，这可以防止或降低溶质因扩散而穿过膜的流动，允许液体沿着渗透(熵)梯度流过膜。液体通过膜的流量受膜的孔径的影响。通常，孔径越大，流量越大。
合适的选择性膜包括整体膜和复合膜。合适的膜的具体实例包括由乙酸纤维素(CA)形成的膜和由聚酰胺(PA)形成的膜。优选地，所述膜为离子选择性膜。也可以使用传统的半透膜。
所述膜可以为平面的或采用管状或者中空纤维的形式。如果需要，可以将膜负载在负载结构如网状载体上。所述膜可为波纹状或卷曲状结构。
原动机可以为任何合适的装置，其适合于将溶液中的能量转化为机械能。合适的原动机包括旋转式原动机，例如涡轮机。因此，可以使用原动机来产生能量。
替代地，原动机可以为压力交换系统或构成压力交换系统的一部分。因此，也可以使用原动机来将能量从增压溶液传送到另一流体。在US4,887,942、US 5,338,158、US 5,988,993和US 6,540,487中描述了合适的压力交换系统。压力交换系统可以包括具有机身(body)部分的外壳(housing)，该机身部分在其相对的末端具有末端元件。可以将转子以基本与末端板密封接触的方式布置在机身部分中。转子可以配有至少一个从转子的一个末端纵向延伸到转子相对的末端的通道，在通道的每个末端均具有开口。在使用中，一个或多个通道在高压液体(如来自步骤a)的增压溶液)和低压液体之间提供了交替的水力连通，从而在不同液体之间传递压力。
在本发明的方法中，将选择性膜配置在液体和溶液之间。所述溶液具有比所述液体更高的渗透势。因此，溶液的总溶解盐(TDS)浓度通常高于液体的总溶解盐浓度。
液体和溶液之间的渗透势的差值导致溶剂从低渗透势(即，低溶质浓度或低熵或高溶剂浓度)侧穿过选择性膜到高渗透势(即，高溶质浓度或高熵或低溶剂浓度)侧。这种液体的流入导致溶液中压力的增大。例如，由于液体的流入，溶液压力可以从105～107Pa增大到1.1×105～5.0×107Pa。在优选实施方式中，由于液体的流入，溶液压力可以从105～107Pa增大到1.5×105～2.5×107Pa。
本发明方法的步骤a)可在外壳中进行。所述外壳优选装配有将液体引入到选择性膜一侧的入口和从膜的相反一侧移出增压溶液的出口。在优选实施方式中，流入到溶液中的液体足以将溶液以1.1×105～5.0×107Pa，优选1.5×105～2.5×107Pa的压力从外壳中喷出。外壳出口的尺寸可以保证将溶液以合适压力喷出。附加地或替代地，可将喷嘴(压力调节器)连接到出口上从而相应地调节溶液的压力。
例如，可将增压溶液作为增压流体从外壳中移出。在溶液中产生的压力可以用来驱动原动机。可以将溶液直接引入到原动机中来驱动原动机，例如，来产生能量。替代地，可以通过压力交换系统将溶液中产生的压力传送到其它液体中。来自步骤a)的增压溶液可以直接用在步骤b)中来驱动原动机。替代地，可以在步骤b)之前实施该方法的步骤c)和d)。
溶液中产生的压力足以将溶液从外壳中喷射至例如10～2500m，优选50～1500m的高度。因此，可从升高的高度将溶液引入到原动机中。以这种方法，溶液的至少部分势能转化成机械能。原动机的机械能可以随后转化成能量的其它形式，例如电能和/或热能。在特定实施方式中，在将溶液引入到原动机前，在升高的位置存储溶液是理想的。
在步骤c)中，将溶液回收。然后从所回收的溶液中除去溶剂(步骤d)。该溶剂除去步骤可以通过任何合适的溶剂除去/分离方法来进行。可以使用热和/或膜分离步骤。可以使用一种或多种热分离步骤和/或一种或多种膜分离步骤的组合。
合适的热分离技术的实例包括蒸发、蒸馏和结晶。蒸发可以自然进行，例如通过在环境条件下使溶剂在空气中蒸发。替代地，可在冷却塔中进行蒸发。合适的蒸馏方法包括多级闪蒸(MSF)、多效蒸馏(multipleeffect Distillation，MED)、机械蒸汽压缩(MVC)和快速喷雾脱盐。
在多级闪蒸中，将溶液引入多个管中并加热至高温。然后将经加热的溶液引入到蒸发室中且使压力低于其蒸汽压。压力的急剧降低导致发生沸腾或闪蒸。通过在溶液流进入的导管上冷凝，将闪蒸气从含盐残余产物中分离出来。通常使用多个蒸发室。因此，以多级方式进行蒸发或闪蒸步骤。
多效蒸馏通过一系列效应器(effect)来进行，并且利用了在不同的效应器中降低环境压力的原理。这使得溶液在多个阶段中沸腾，而不需要在第一效应器后另行补充热。
在多效蒸馏中，可将溶液预热并喷到蒸发器管的表面上形成液体薄膜。所述的管通过在管中传送蒸汽而被加热。当与管的加热表面相接触时，所喷洒的液体蒸发。该蒸汽用来加热下一效应器的蒸发器管，并且热的传递导致管中的蒸汽冷凝。通过以该方式蒸发和冷凝溶液，可从溶液中回收溶剂。
通过压缩至少一个效应器的蒸汽可增大多效蒸馏步骤的效率。多效蒸馏和压缩的组合被称为MED-热压缩。
也可以使用机械蒸气压缩(MVD)来从溶液中除去溶剂。在机械蒸汽压缩中，通常从容器中引出蒸汽然后在位于容器内的管中通过压缩进行冷凝。压缩和冷凝步骤产生了热，该热加热了管壁。当将溶液喷到管的表面上时，其蒸发产生了更多的蒸汽。通过重复所述的引出、压缩和冷凝步骤，可从溶液中除去更多的溶剂。
也可以使用快速喷雾脱盐(RSD)来从溶液中除去溶剂。在典型的快速喷雾脱盐方法中，空气吹扫通过加热元件进入蒸发室。随着被加热的空气沿着蒸发室的移动，例如，将盐水的雾化溶液注入到蒸发室中。移动中的蒸汽和盐水液滴通过机械过滤器，该过滤器捕获了盐水液滴，而允许纯蒸汽相通过而到达冷凝器。可周期性地从过滤器上冲洗掉盐水液滴。
如上所述，也可使用结晶方法来从溶液中分离溶剂。可以进行结晶来从溶液中结晶出溶剂或溶质。
可以通过将溶液冷却到例如溶剂的凝固点而进行结晶。这会导致溶液中的至少部分溶剂发生结晶。然后可以除去该结晶的溶剂。优选在冷环境下进行结晶，其中可以使用低环境温度来降低溶液温度以进行结晶。
替代地，可以使用热分离塔来进行结晶。例如，可在热分离塔中冷却溶液，使得至少部分所溶解的溶质从溶液中沉淀析出。可在塔的底部收集这些沉淀物并回收，在塔的顶部留下降低了溶质浓度的溶液。有利地，可以使用溶解度对温度变化敏感的盐来形成溶液。优选所述盐在低温下可以容易地从溶液中沉淀出来。所述盐的实例包括例如磷酸氢二钠(Na2HPO4·12H2O)等磷酸氢盐。
在一个实施方式中，可将来自步骤a)的溶液转移到升高的高度上(例如山顶)，那里的环境温度为i)低至足以将溶液中的溶质物质结晶或ii)低于溶液的凝固点从而结晶溶剂。这会导致溶液分离成两部分。一部分具有低溶质浓度，而另一部分具有较高的溶质浓度。这些溶液各自可以返回到地平面，从而可以使用溶液的势能来驱动原动机。这些溶液可再循环回步骤a)。
用于从溶液中分离溶剂的合适的膜方法包括离子交换、电渗析、可逆式电渗析、纳米过滤和反渗透。当使用膜时，它们应该能够承受体系中所产生的高压。
可通过多种来源提供驱动溶剂除去步骤所需的热能。例如，可通过环境(例如，在环境温度下蒸发)、地热资源和/或太阳能来提供热能。可在热气候下在环境温度下蒸发是有利的。也可以通过使空气例如干燥的暖空气在溶液上流过以引发溶剂的除去，从而进行溶剂的蒸发。替代地或附加地，可以使用来自工业过程(例如，发电站、精炼厂、化工厂)的过量的热来驱动溶剂除去步骤。换句话说，可以使用本发明的溶剂除去步骤来除去工业过程中的过量的热。
在其它实施方式中，可通过燃料燃烧来提供用于驱动溶剂除去步骤所需的热能，所述燃料如油、木材、泥炭、灌木、草、稻草、天然气和煤。也可焚烧废品来提供驱动溶剂除去步骤所需的热能。
在又一其它实施方式中，可通过生物过程例如生热作用和发酵来提供驱动溶剂除去步骤所需的热能。
在另一实施方式中，可以通过气体(例如空气)的压缩和减压来提供驱动溶剂除去步骤所需的热能。当气体在给定温度下各向同性地膨胀时，其在新压力下的最终温度非常低。可以直接在开放系统中，或间接依靠封闭系统中的热交换器将所得冷气体用作制冷剂。相反，气体的压缩导致气体温度的升高。可以使用压缩热来加热溶液和/或蒸发溶剂。
在又一实施方式中，可以通过风能提供驱动溶剂除去步骤所需的热能。可以使用风能来压缩空气，并且可以使用压缩热来加热溶液和/或蒸发溶剂。然后可将空气减压，并且可以使用减压的冷却效果来冷却溶液和/或冷凝蒸汽。使用空气作为制冷剂是基于如下原理：当气体在给定温度下各向同性地膨胀时，其在新压力下的最终温度非常低。在这种情况的空气中，可直接在开放系统中，或间接依靠封闭系统中的热交换器使用所得的冷气体作为冷却剂。
上述讨论的热能来源对于通过蒸发/蒸馏来除去溶剂特别有用。
一旦从溶液中除去了溶剂，便得到了残余产物。优选将该残余产物再循环到适用于步骤a)中的溶液中。例如，该方法的步骤d)中所产生的残余产物可再循环到该方法的步骤a)的溶液中。替代地，当进行本发明的超过一种方法时(例如同时进行)，可将一种方法的残余产物循环到另一种方法的步骤a)中。
本发明的方法可以连续进行，以降低或消除对用新鲜溶液替换或补充步骤a)的溶液的需求。也可不必向溶液中加入新的溶质，尽管这在一些情况下是理想的。
残余产物可以为固体产物或浓缩溶液的形式。当残余产物为固体产物时，可将固体产物加入到步骤a)的溶液中以增大步骤a)溶液的溶质浓度。这可以有助于在膜两侧维持溶质的浓度差，并确保能以足够的速度发生液体穿过膜的流动。
当残余产物为固体产物时，也可以用溶剂稀释该固体产物以产生浓溶液。可将该浓溶液引入到步骤a)的溶液中。通过相应地调节该溶液的浓度，可将步骤a)溶液的溶质浓度维持在期望水平上。这有助于在膜两侧维持溶质的浓度差，并确保能以足够的速度发生液体穿过膜的流动。
当残余产物是浓缩溶液时，可将该浓缩溶液引入到步骤a)的选择性膜的溶液侧。在某些实施方式中，在使用前需要例如通过向溶液中加入更多的溶剂或溶质来改变浓缩溶液的浓度。通过相应地调节溶液的浓度，可将溶液的溶质浓度维持在期望水平上。这可以有助于在膜两侧维持溶质的浓度差，并确保能以足够的速度发生液体穿过膜的流动。
在溶剂除去步骤中除去的溶剂可以回收并再循环到例如适合用于步骤a)的液体中。在本方法的步骤d)中除去的溶剂可再循环到本方法的步骤a)中，或替代地，当进行本发明的多种方法时(例如同时进行)，在一种特定方法的步骤d)中除去的溶剂可以再循环到另一种方法的步骤a)中。
替代地或附加地，可将所除去的溶剂丢弃或用于其他目的。在一个实施方式中，液体是海水且溶液是水溶液。因此，在步骤d)中从溶液中除去的溶剂是水。可将该水用于多种应用，包括农业、工业和民用(例如作为饮用水)。因此，在本发明的该实施方式中，可使用本发明的方法淡化海水。
可以例如周期性地或连续地用新鲜液体来补充或替换步骤a)的液体。
在本发明方法的步骤a)中使用的液体优选为水或水溶液。例如，液体可为海水、淡水(例如来自河流、湖泊和地下源)和半咸水。也可使用灰水流，例如洗涤废水(例如洗衣水)和来自排水沟的水流。因此，液体可以含有通常在这些来源的水中可发现的杂质。例如，液体可以含有溶解的盐，例如金属盐或铵盐。可存在的盐的实例包括氟化物、氯化物、溴化物、碘化物、硫酸盐、亚硫酸盐、硫化物、碳酸盐、碳酸氢盐、硝酸盐、亚硝酸盐、氮化物、磷酸盐、铝酸盐、硼酸盐、溴酸盐、碳化物、氯化物、高氯酸盐、次氯酸盐、铬酸盐、氟硅酸盐、氟硅酸盐、氟硫酸盐、硅酸盐、氰化物和氰酸盐。优选使用碱金属和/或碱土金属的盐。所述金属的实例包括但不局限于锂、钠、钾、镁、钙和锶。在一个实施方式中，液体是海水，因此以至少3重量％的浓度包含氯化钠。
在替代的实施方式中，液体可为来自工业或农业过程的废水。
所述液体的溶质浓度(即TDS)可为0～40重量％，优选为0.0～6重量％。
在渗透过程中，可以阻止液体中所溶解的至少部分溶质和悬浮杂质流过膜。优选地，所有所溶解的溶质/杂质均保留在膜的液体侧，而允许液体流过膜以稀释在膜另一侧的溶液。因此，当液体是溶质溶解在溶剂中的溶液时，优选阻止溶质流过膜，而允许溶剂流过膜以稀释另一侧的溶液。具体地，当液体是水溶液时，优选阻止溶液中所溶解的溶质和/或悬浮杂质流过膜，而允许水流过膜以稀释另一侧的溶液。
溶液可由有机和/或无机溶剂形成。合适的有机溶剂包括烃，例如脂肪烃和芳香烃。可以使用有机溶剂的混合物。烃可以是直链的、支链的和/或环状的。实例包括但不限于烷烃、烯烃和炔烃。烃可以用一个或多个杂原子取代，例如氟、氯、溴、碘、氧、硫、氮和/或磷原子。在一个实施方式中，可以使用氧化的烃，例如醛、酮、羧酸、醚、酯、醇和/或其衍生物。例如，也可以使用二醇醚和二醇醚酯。替代地或附加地，可以使用卤代溶剂，例如氯代烃、溴代烃和/或氟代烃。
合适的无机溶剂包括酸性溶剂、碱性溶剂和/或水。优选使用水作为在溶液中的溶剂。
溶液优选为水溶液。
用于溶液的合适溶质包括有机化合物、生物化合物和/或无机化合物。
合适的有机化合物包括烃，例如脂肪烃和芳香烃。可以使用两种或两种以上有机化合物的混合物。烃可以是直链的、支链的和/或环状的。合适烃的实例包括但不限于烷烃、烯烃和炔烃。烃可以取代有一个或多个杂原子，例如氟、氯、溴、碘、氧、硫、氮和/或磷原子。在一个实施方式中，可以使用氧化的烃，例如醛、酮、羧酸、醚、酯、醇和/或其衍生物。有机溶质物质的分子量可以为100～10000gmol-1，优选为300～5000gmol-1，更优选为400～2000gmol-1，进一步优选为500～1000gmol-1。
合适的生物化合物包括蛋白质、氨基酸、核酸、碳水化合物和脂质。可以使用两种或两种以上生物化合物的混合物。优选的生物溶质包括糖，例如甘蔗糖和/或甜菜糖。也可以使用葡萄糖、果糖和蔗糖。生物溶质物质的分子量可以为100～10000gmol-1，优选为300～5000gmol-1，更优选为400～2000gmol-1，进一步优选为500～1000gmol-1。
优选溶液是一种或多种无机化合物例如无机盐的溶液。合适的盐包括金属盐或铵盐。可以使用两种或两种以上盐的混合物。实例包括但不限于氟化物、氯化物、溴化物、碘化物、硫酸盐、业硫酸盐、硫化物、碳酸盐、碳酸氢盐、硝酸盐、亚硝酸盐、氮化物、磷酸氢盐、磷酸盐、铝酸盐、硼酸盐、溴酸盐、碳化物、氯化物、高氯酸盐、次氯酸盐、铬酸盐、氟硅酸盐、氟硅酸盐、氟硫酸盐、硅酸盐、氰化物和氰酸盐。优选使用碱金属和/或碱土金属的盐。所述金属的实例包括但不局限于锂、钠、钾、镁、钙和锶。
优选地，溶液是选自氯化钠、氯化钾、硝酸钾、硫酸镁(例如MgSO4·6H2O或MgSO4·7H2O)、氯化镁(例如MgCl2·6H2O)、硫酸钠(例如Na2SO4·10H2O)、氯化钙(例如CaCl2·2H2O或CaCl2·6H2O)、碳酸钠、磷酸氢二钠(Na2HPO4·12H2O)和明矾(24H2O)的至少一种盐的水溶液。在优选实施方式中，溶液是氯化钠的水溶液。
优选地，通过将已知量的溶质引入到已知量的溶剂中而形成溶液。优选地，溶液基本上由溶解在所选溶剂中的所选溶质组成。例如，在一个实施方式中，本发明的方法进一步包含将所选溶质溶解在所选溶剂中的步骤。在一个实施方式中，通过在水中混合氨和二氧化碳而形成溶液。如WO 02/060825中所述，所得溶液可包含氨、二氧化碳、碳酸铵、碳酸氢铵和氨基甲酸铵的浓溶液。
替代地，溶液可来源于现有流体，如来自工业过程的废流体。例如，溶液可为冷却塔排污废水、海水、水脱盐废水或来自油提炼加工的废水。
在一个实施方式中，溶液的溶质(例如盐)浓度为1重量％～400重量％，优选为2重量％～100重量％，更优选为5重量％～80重量％，例如为10重量％～50重量％。溶质可以是上述溶质的一种或多种。例如，溶质可以是选自氯化钠、氯化钾、硝酸钾、硫酸镁(例如MgSO4·6H2O或MgSO4·7H2O)、氯化镁(例如MgCl2·6H2O)、硫酸钠(例如Na2SO4·10H2O)、氯化钙(例如CaCl2·2H2O或CaCl2·6H2O)、碳酸钠、磷酸氢二钠(Na2HPO4·12H2O)和明矾(24H2O)的盐。替代地，溶质可以是糖。
在一个实施方式中，溶液为氯化钠溶液，该溶液的氯化钠浓度为2重量％～39重量％，优选为5重量％～35重量％，更优选为10重量％～30重量％。在另一实施方式中，溶液为氯化钾溶液，该溶液的氯化钾浓度为5重量％～50重量％，优选为10重量％～45重量％，更优选为15重量％～35重量％。在另一实施方式中，溶液为硝酸钾溶液，该溶液的硝酸钾浓度为5重量％～80重量％，优选为10重量％～60重量％，更优选为15重量％～45重量％。在又一实施方式中，溶液为氯化钙溶液，该溶液的氯化钙浓度为5重量％～120重量％，优选为10重量％～100重量％，更优选为15重量％～80重量％。在一个替代的实施方式中，溶液是碳酸钠溶液，该溶液的碳酸钠浓度为5重量％～45重量％，优选为10重量％～35重量％，更优选为15重量％～30重量％。在进一步的实施方式中，溶液是磷酸氢二钠溶液，该溶液的磷酸氢二钠浓度为5重量％～39重量％，优选为10重量％～35重量％，更优选为15重量％～30重量％。在另一实施方式中，溶液为硫酸钠溶液，该溶液的盐浓度为5重量％～45重量％，优选为10重量％～40重量％，更优选为15重量％～39重量％。在又一实施方式中，溶液是硫酸镁溶液，该溶液的硫酸镁浓度为5重量％～100重量％，优选为10重量％～80重量％，更优选为15重量％～75重量％。
液体和溶液的TDS的差值至少为1重量％，例如为1重量％～39重量％，优选为5重量％～35重量％。
在本发明的方法中可以使用任何合适的选择性膜。可以使用一组膜。合适的膜包括醋酸纤维素(CA)膜和聚酰胺(PA)膜。膜可为平面的或采用管状或中空纤维的形式。可以使用薄膜。如果需要，可将膜负载在负载结构如网状载体上。
在一个实施方式中，可将一种或多种管状膜布置在外壳内。可将液体引入到外壳内，同时可将溶液引入到管状膜中。因为液体的溶剂浓度高于溶液的溶剂浓度，因此液体可以穿过膜扩散到溶液中。因此，溶液越来越被液体所稀释。可从管状膜的外部回收所稀释的溶液，同时可将液体从外壳中除去。
当使用平面膜时，可将该片材卷起，从而形成螺旋状截面。
根据需要分离的溶剂分子的大小而选择膜的孔径。膜的平均孔径可以为1埃～60埃，优选为2埃～50埃，更优选为5埃～40埃，例如为10埃～30埃。在一个实施方式中，膜的平均孔径为12埃～25埃。
可以使用具有使得两种或两种以上不同类型的溶剂分子穿过膜的孔径的膜。可以使用传统的半透膜。通常地，该半透膜的孔径为例如1埃～5埃。
溶剂穿过选择性膜的流动通常受热状况的影响。因此，如果需要，可以加热或冷却在膜各侧的液体和溶液。优选将溶液加热到30℃～90℃，优选为50℃～70℃的温度。例如，可将液体冷却到-20℃～20℃，例如为7℃～12℃。如果需要，也可在膜的任一侧进行化学反应。在一个实施方式中，可以搅拌溶液和/或液体。在另一实施方式中，可以对溶液和/或液体施加外部场，例如电场、微波场和/或激光场，以增大两种溶液之间的渗透势的差值。
本发明的方法可进一步包括从液体(例如，废物流、海水、河水、湖水或半咸水)中除去杂质如悬浮颗粒和生物物质的预处理步骤。附加地或替代地，可向液体中加入控制结垢的阈值抑制剂(threshold inhibitor)。也可采用改变液体的pH的预处理步骤。
任选地，也可处理溶液以除去杂质，例如悬浮颗粒和生物物质。附加地或替代地，可向溶液中加入控制结垢的阈值抑制剂。也可采用改变溶液的pH的预处理步骤。
任选地，本方法的步骤a)可重复一次或多次。因此，可将来自步骤a)的增压溶液置于另一选择性膜的一侧，且可将另一溶液置于该膜的另一侧。该另一溶液具有比在该膜的另一侧的溶液更高的渗透势，使得通过液体穿过该膜的流入将该另一溶液增压。可以使用该另一溶液的压力来驱动原动机。
根据本发明的又一方面，提供了用于驱动原动机的装置，所述装置包括：
原动机，
外壳，该外壳包含将液体和溶质浓度比所述液体更高的溶液隔开的选择性膜，并将所述膜配置成使得所述液体穿过膜以增压所述溶液，
将所述溶液中产生的压力传递到所述原动机的单元，
用于回收所述溶液的单元，
用于从所述溶液中分离溶剂以产生残余产物的单元，和
将所述残余产物和/或所分离的溶剂再循环到外壳中的单元。
可以将残余产物再循环到容纳在所述装置的外壳里的溶液中。替代地，可以将残余产物再循环到容纳在根据本发明的另一个装置的外壳里的溶液中。
原动机可以为适于将溶液中的能量转化为机械能的任何合适装置。合适的原动机包括旋转式原动机，例如涡轮机。因此，可以使用原动机来产生能量。
替代地，原动机可以是压力交换系统或构成压力交换系统的一部分。因此，也可使用原动机将能量从增压溶液传递到另一流体。在US4,887,942、US 5,338,158、US 5,988,993和US 6,540,487中描述了合适的压力交换系统的实例。
附图说明
现在通过参考附图来描述本发明的这些和其他方面，其中，
图1是根据本发明第一实施方式的方法的示意性流程图，
图2是根据本发明第二实施方式的方法的示意性流程图，和
图3是根据本发明第三实施方式的方法的示意性流程图。
具体实施方式
首先参考附图中的图1。该图描述了根据本发明的第一实施方式的方法。使用包括渗透池12、原动机14(例如连接到发电机上的涡轮)和分离器16的装置10来实施该方法。渗透池12包含半透膜18。
在使用中，将水11(例如海水)引入到膜18的一侧。将30重量％的氯化钠溶液13引入到膜18的另一侧。由于氯化钠溶液具有高于海水的总溶解盐(TDS)浓度的氯化钠浓度，因此水通过渗透流过膜18。水穿过膜18的流入增大了氯化钠溶液的压力。
从渗透池12中除去增压的氯化钠溶液并将其引入到原动机14中。由于通过渗透步骤已将溶液增压，因此并不需要泵送氯化钠溶液。使用增压的氯化钠溶液来驱动原动机14。所产生的机械能可转化成其他能量形式，例如电能。
然后可将氯化钠溶液从原动机14中除去并引入到分离器16中。在分离器16中，通过蒸发从氯化钠溶液中除去水。一旦将水从氯化钠溶液中除去，将氯化钠溶液再循环到渗透池12中以再次使用。因此，在渗透步骤中并不需要用新鲜的氯化钠溶液来补充或替换氯化钠溶液。
可以回收通过蒸发步骤而除去的水，并用作例如饮用水。因此，本发明的该实施方式可用来淡化海水。
装置10位于常规发电站22的附近。电站22包括锅炉24、原动机26(蒸汽轮机)和热单元28(电厂中的冷凝器)。
在使用中，通过泵30将水引入到锅炉24中。通过燃烧燃料32在锅炉24中将水加热以产生过热蒸汽。然后在高压下将该过热蒸汽引入到原动机(蒸汽轮机)26中，并用来驱动原动机26以产生机械能。可将旋转原动机26的机械能转化成能量的其他形式，例如电能。
然后从原动机26中回收饱和或过热蒸汽，并引入到热单元28中。在热单元中，将蒸汽冷凝成水。来自蒸汽的过量的热可以用来从装置10的氯化钠溶液中蒸发水。因此，来自装置10的原动机14的氯化钠溶液可在发电站22的热单元28中用作冷却剂。因此，有效的是，装置10的分离器16与发电站22的热单元28是同一个装置。
一旦被冷却，将电厂的冷凝蒸汽通过泵30再循环到锅炉24中。
通过分离器16从氯化钠溶液中除去的蒸汽或水可用作纯水产品或再循环到装置10中。
现在参考附图中的图2。该图描述了根据本发明第二实施方式的方法。使用装置100来实施该方法。装置100与图1的装置10类似，且装置的相同部件用相同的数字进行标注。然而，装置100适用于在寒冷气候下使用。因此，与图1的装置10不同，装置100包含分离器116，该分离器116为结晶器。在使用中，将从原动机14出来的溶液引入到分离器116中，并通过环境温度进行冷却以产生冰和浓缩的氯化钠溶液。前者被除去并丢弃，而后者被再循环到渗透池12中。
现在参考附图中的图3。该图描述了根据本发明第三实施方式的方法。使用装置200来实施该方法。装置200与图1的装置10类似，且装置的相同部件用相同的数字进行标注。然而，装置200适于在温暖干燥的气候下使用。因此，与图1的装置10不同，装置200包含分离器216，该分离器依靠天然或有效蒸发和/或太阳能而将来自原动机14的溶液中的溶剂除去。

Claims (18)

1.一种用于驱动原动机的方法，所述方法包括：
a)将选择性膜置于液体和具有比所述液体更高的渗透势的溶液之间，使得所述溶液因液体穿过膜的流入而增压，
b)使用在所述溶液中产生的压力来驱动所述原动机，
c)回收所述溶液，
d)从所述溶液中分离至少部分溶剂以形成残余产物，和
e)将步骤d)中所分离出的溶剂和/或残余产物再循环到步骤a)中。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述原动机是旋转式原动机。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中所述原动机构成了压力交换系统的一部分。
4.如前述权利要求任一项所述的方法，其中所述溶液是水溶液。
5.如前述权利要求任一项所述的方法，其中所述溶液是选自氯化钠、氯化钾、硝酸钾、硫酸镁、氯化镁、硫酸钠、氯化钙、碳酸钠、磷酸氢二钠和明矾的至少一种盐的溶液。
6.如权利要求4所述的方法，其中通过将氨和二氧化碳溶解在水中而形成所述水溶液。
7.如权利要求6所述的方法，其为氨、二氧化碳、碳酸铵、碳酸氢铵和氨基甲酸铵的水溶液。
8.如前述权利要求任一项所述的方法，其中所述溶液的溶质浓度为1重量％～400重量％。
9.如前述权利要求任一项所述的方法，其中所述液体选自淡水、海水、半咸水和来自工业或农业过程的废水。
10.如前述权利要求任一项所述的方法，其中所述液体是所述溶液的溶剂，或包含与所述溶液的溶剂相同的溶剂。
11.如前述权利要求任一项所述的方法，其中在步骤d)中通过热和/或膜分离法除去溶剂。
12.如权利要求11所述的方法，其中使用选自蒸发、蒸馏和结晶的方法除去所述溶剂。
13.如权利要求12所述的方法，其中通过选自多级闪蒸、多效蒸馏、机械蒸汽压缩和快速喷雾脱盐的至少一种方法除去所述溶剂。
14.如权利要求11所述的方法，其中通过选自离子交换、电渗析纳米过滤和渗透的至少一种方法除去所述溶剂。
15.如前述权利要求任一项所述的方法，其中通过风能、周围环境的热能、太阳能、地热能、来自生物过程的能量、来自燃料燃烧的能量和/或来自发电站和其他工业过程的过量的热来提供步骤d)中除去溶剂所需的能量。
16.如前述权利要求任一项所述的方法，其中将至少部分在步骤d)中回收的溶剂再循环到步骤a)的液体中。
17.如前述权利要求任一项所述的方法，所述方法包括使用溶液中所产生的压力将所述溶液输送到升高的位置，并使用升高的溶液的势能来驱动所述原动机。
18.一种用于驱动原动机的装置，所述装置包括：
原动机，
外壳，所述外壳包含将液体和溶质浓度比所述液体更高的溶液隔开的选择性膜，并将所述膜配置成使得液体穿过所述膜以增压所述溶液，
将所述溶液中产生的压力传递到所述原动机的单元，
用于回收所述溶液的单元，
用于从所述溶液中分离溶剂以产生残余产物的单元，和
将所述残余产物和/或所分离的溶剂再循环到所述外壳中的单元。
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