CN1960797A - 静压头反渗透 - Google Patents

Abstract

一种利用静压头的反渗透设备，包括：用于由原料液生成透过液和浓缩液(下称“盐水”)的反渗透设备，原料液通过原料液管道从原料液源输送到反渗透设备；与反渗透设备可操作地连接的静压头装置；与反渗透设备流体连通的透过液导出装置，用于将透过液从反渗透设备中导出；与反渗透设备流体连通的浓缩液导出装置，用于将至少一部分浓缩液从反渗透设备中导出至浓缩液排放处，其中通过将反渗透设备、原料液源和盐水排出处定位在相对不同的高度以在反渗透设备中产生静压头，以此提供静压头装置；透过液导出装置定位为使得：在使用中，透过液被导出，以产生跨膜压降，此压降足以使原料液反渗透透过反渗透设备中的一个或多个反渗透膜；盐水导出装置相对于反渗透设备和原料液的定位选择为使得：在使用中，通过操作浓缩液导出装置提供原料液流，该原料液流足以产生横跨反渗透设备的膜表面的可操作的流体速度。

Description

静压头反渗透

技术领域

本发明涉及静压头反渗透。更具体而言，本发明涉及利用不同高度的处理部件的位置所产生的静压头，由输送至反渗透设备的原料液产生反渗透的设备和方法。本发明具体用于从咸水或半咸水原料水生产脱盐的或可饮用的水，但并不局限于此领域的应用。

背景技术

反渗透时常用作使溶剂与一种或多种已溶解的溶质分离的方法，尤其是溶质溶于离子溶液时。驱动反渗透过程需要较高的压力。也就是说，反渗透的工作压力显著高于其它压力驱动的分离过程所需的压力。

静水压已应用于其中流出水进入受纳水域的排放口的高度足够低于进料水(influent feedstock)的高度的废水处理系统。这类系统限于传统废水处理单元操作，诸如沙滤、涓流床过滤、膜微滤之类。用于生产饮用水的反渗透通常配备高压、大排量泵，以形成反渗透发生所需的压力和流动条件。

据称，由于人口的增长、污染和气候变化，全球将在未来几十年内面临水危机。据预测，截至2050年，48个国家的20亿人口至最高达60个国家的70亿人口将面临淡水缺乏。淡水的供应不是无止境的，而是受到限制的。此外，现在看来气候的变化可能会与上述因素共同导致缺乏适宜质量的水。

已提出的用于改变不断减少的水供应局面的措施通常涉及传统技术，诸如修建水坝和储水设施以及抽取地下水。传统的方案有时因节水措施及设备和/或建设用于尽可能减少水流失的新的管路而得以进一步改善。然而，节水技术以及新建或扩建储水设施都受限于相对于不断增长的人口的需求量的提高所能够获得或者得到的水产量。节水对于短期需求有一定的效果，但从较为长期的时间看，所获取的有限水量不足以满足需求。

海洋中包含充足的水储备，前提是盐分可去除。用沉淀法获取和存储淡水目前仍是世界上大多数地区的优选方案，这是因为，现有脱盐法的投资及生产成本高昂。从盐水中去除盐的方法(脱盐)包括蒸馏、结晶、电渗析以及反渗透。现有方法的主要缺点是需要消耗大量能源来为脱盐过程提供动力。动力(power)的产生又对环境有其它有害的影响。

已提出其中设备可从海船(marine vessel)上落下的数种系统。该设备包括一张反渗透膜和接收透过液(permeate)的腔室，该膜被布置为与该设备落入其中的水体接触。随着此设备高度降低，膜上静水压增大，从而，当达到足够的深度并/或经过足够长时间时，透过液腔室就会被充满或部分充满。然后将此设备收回到水面，并从透过液腔室中获得透过液。这种设备足以用来制备少量淡水以满足小型出海船只的需要。但将此设备按比例放大至工业规模用于水的生产通常并不可行。

如果一种脱盐方法既可有效地从海洋中存储的含盐水(盐水)和其它含盐水体中提取可用的水，同时又可尽可能减少能源消耗，那么这种方法可最终成为淡水的一种优选来源。能量需求的减少，加上材料学与水力学技术的进步，可使设备与操作成本降至足够低的水平，可以为消费应用及其他用途提供足够水源，甚至可为未来的几百年提供水源。

本发明旨在提供一种利用静压头的反渗透设备和方法，可以避免现有技术中的一种或几种缺陷或不足。本发明还旨在提供一种比现有技术中的反渗透系统的方案更节约成本的方案。本发明还旨在提供一种利用静压头的反渗透设备和方法，以处理未来可预见的水供应问题，或者至少有助于解决前述的水供应问题。本发明的其他目的和优点在后续说明中会变得明显。

发明内容

考虑如前所述，本发明一方面广义涉及一种利用静压头的反渗透设备，包括：

用于由原料液生成透过液和浓缩液(下称“盐水”)的反渗透设备，原料液通过原料液管道从原料液源输送到反渗透设备；

与反渗透设备可操作地(operatively)连接的静压头装置；

与反渗透设备流体连通的透过液导出装置，用于将透过液从反渗透设备中导出；

与反渗透设备流体连通的盐水导出装置，用于将至少一部分盐水从反渗透设备中导出至盐水排放处，其中

通过将反渗透设备、原料液源和盐水排出处定位在相对不同的高度以在反渗透设备中产生静压头，以此提供静压头装置；

透过液导出装置定位为使得：在使用中，透过液被导出，以产生跨膜压降(transmembrane pressure drop)，此压降足以使原料液反渗透透过反渗透设备中的一个或多个反渗透膜；

盐水导出装置相对于反渗透设备和原料液源的定位选择为使得：在使用中，可通过操作盐水导出装置提供原料液流，该原料液流足以产生横跨反渗透设备的膜表面的可操作的(operable)流体速度。

另一方面，本发明广义涉及一种利用静压头的反渗透方法，包括：

从一个与反渗透设备流体连通的原料液供应源中提供一种原料液，至少一部分原料液透过反渗透设备成为透过液，原料液的剩余部分作为浓缩液被导出至与反渗透设备流体连通的浓缩液输送口；

通过在位于各自位置的原料液与浓缩液以及反渗透设备之间设置流体连通道而在原料液与浓缩液中提供静压头，所述各自位置在竖直方向上距离原料液供应源和浓缩液输送口一段距离，该距离足以产生用于反渗透的跨膜压降；

从反渗透设备中导出透过液以提供跨膜压降；并且

将至少一部分浓缩液返回原料液中。

另一方面，本发明广义涉及一种利用静压头的反渗透方法，包括：

从一个与反渗透设备流体连通的原料液供应源中提供一种原料液，至少一部分原料液透过反渗透设备成为透过液，原料液的剩余部分作为浓缩液被导出至与反渗透设备流体连通的浓缩液输送口；

通过在位于各自位置的原料液与浓缩液以及反渗透设备之间设置流体连通道而在原料液与浓缩液中提供静压头，所述各自位置在竖直方向上距离原料液供应源和浓缩液输送口一段距离，该距离足以使静压头有助于产生用于反渗透的跨膜压降所需的压力；

从反渗透设备中导出透过液以提供跨膜压降；并且

将至少一部分浓缩液返回原料液中。

原料液包括含盐水和/或不纯水。盐水导出装置可从反渗透设备中导出全部盐水。盐水导出装置的位置也可选择为使其在反渗透设备内产生部分或全部背压(back pressure)。

优选地，静压头通过下列方式提供：将反渗透设备定位在地下洞穴中，如井、立井、坑等中，使之处于地平面或原料液有效高度以下的一个深度，该深度足以提供驱动反渗透过程的跨膜压差。在本说明书中，如果上下文不需要作其它理解，则“地平面”、“地表面(surfacelevel)”等术语应该理解为高度相对于地平面为高和低的原料液的水力势能线(hydraulic potential energy line)。优选深度值足以为反渗透过程提供基本上全部所需的压头。然而，在不便提供或无法提供足够的深度的地点，则需借助使用静压头，而足够大的操作压力使用传统方法产生。或者，可以使用增大压力的装置，例如功或能量交换器等、液力压头等。可以对流出的透过液进行能量回收，以便为透过液、浓缩液或盐水以及原料液的附加的反渗透或其他处理提供压力。

优选地，盐水从地下洞穴中通过一台定位在地平面以下的泵进行泵送，深度根据所选择的泵的泵送特性进行选择。透过液从反渗透设备中被泵送，从而产生跨膜压差。为方便起见，透过液泵可以与反渗透设备定位在同一高度，但也可以定位在不同高度。应该理解的是，跨膜压降是由反渗透设备的位置、透过液泵的位置和规格决定的重要参数之一，表面流速(surface velocity)是由盐水泵决定的重要参数之一。操作反渗透设备所用的泵根据反渗透设备的已确定的操作标准来选择。

透过液和/或盐水可以存储在地平面以下，用来以间歇方式输送到地面或者用户蓄水处等。输送的依据可以是，例如，取决于能否获得电力，或利用非峰值电价。

根据已确定的反渗透处理原理，可利用反渗透单元的循环操作和/或级联来提高盐水的浓度和/或降低透过液中离子物质的浓度。如果使用反渗透浓缩来回收盐水中的各种元素和矿物质是很经济的做法，则这些元素和矿物质也可以使用其它回收方法回收。该过程、系统和方法需要一小块占地面积。用于本发明设备中的泵、阀门、控制系统等操作的能量可来自于任何来源。

附图说明

为使本发明更易于理解并付诸实践，现在参考示出本发明优选实施方案的附图，其中：

图1为本发明的利用静压头的反渗透设备的示意图。

具体实施方式

图1所示静压头反渗透设备10包括盐水或不纯水源11，用以提供进料原料液。所述水源包括例如海水、湖水或河水、天然蓄水或人工蓄水(堤坝、水库等)、地表或地下蓄水或含盐/不纯地下水。一个入口管道13连接水源和预处理装置14，该预处理装置包括泵、管路、阀门、仪表、控制系统等(未示出)。设置预处理过程用来除去例如悬浮固体等可对反渗透过程造成损害的物质。预处理过程包括加入或去除一些化学物质以调整化学性质例如酸度、pH值、氧化还原性等。带压供水管道(head feeder conduit)12在预处理装置和容纳在地下腔室17中的反渗透设备18之间提供流体连通。如果设计得当，静压损失可降到最小，而且预处理装置和带压供水管道对分配到反渗透设备上的总静压的影响也会最小。

连接地下腔室和地面的进入通道16为反渗透设备和装置提供操作、管理、维护的通道。通风、供电和通讯及类似设施可以沿此通道分布或贯穿一条或多条其他通道设置。这种通道可以是竖直的或相对竖向倾斜的，彼此并排设置，或者通向不同位置的的地面开口。

地下腔室可以是矿井或立井(mine shaft)，人造或自然形成的洞穴、空间和/或其他设施。此腔室应选择或构筑为可容纳反渗透设备所需装置和装备。反渗透设备包括管路系统、阀门、控制系统、泵、电子仪器和可控制此装置的装备，使该装置在静压驱动下进行脱盐/过滤/净化处理，将原料液转化为透过液和浓缩液。

从反渗透设备流出的透过液被透过液泵19通过透过液管道20泵送到地表。盐水或浓缩液，为从反渗透设备中流出的含盐/不纯的水，在去掉一部分水后，利用浓缩液泵通过浓缩液管道22返回到水源中，浓缩液泵的位置处于反渗透设备的高度与水源或排放口的高度之间。透过液可以利用从剩余盐水能量传递的能量通过流体静力提升。

反渗透设备可包括能量回收过程，从而减少系统的能量输入，继而降低生产饮用水的成本。能量的回收方法可包括有赖于本发明总的方法原理的方法。

反渗透设备可进一步包括利用物理、电学或化学方法从浓缩液中回收盐、盐水和矿物质的处理装置。存在于盐水中的物质可以利用各种系统来回收，包括现有技术中已知的或正在开发的化学或物理/电学分离系统。上述透过液和/或浓缩液可以在输出给用户、贮存和/或排放之前进行处理或部分处理。

在反渗透过程内的压力由反渗透设备上游的原料液柱与处于反渗透设备下游的浓缩液柱产生的静压力维持。透过液压力通过用泵将透过液从系统中抽取出来维持，以维持装置中反渗透过程所需的静压差。

装置18入口处的压力‘Ps’可以通过改变装置18入口处的压力‘PTs’来控制，‘PTs’的改变又通过提高或降低装置18在水源11表面下的深度或通过采用阀门或泵实现，同时适当考虑预处理装置14和原料液输送管道13内的压力损失。装置18在水源11表面下的深度越大，则施至装置18中过程的静压力越高。

本发明的系统、过程和方法主要适用于生产市政用水、人畜用水、工/商业用水、农作物和森林灌溉用水、含盐水或不纯水向自然界和人造环境中的排放，或同时包括上述几种用途。所生产出的水一般称为饮用水、可饮用水、纯净水或淡水。本发明的系统、过程和方法可应用于任何反渗透过程。

可以理解的是，此处描述的管道包括管道、管路、隧道、立井或设计用来输送原料液、浓缩液、透过液、废水、空气或由系统或在系统内消耗、产生或使用的其它流体的类似构造。上述管道可以以各种尺寸和组合使用于其他设施中，也可以相互容纳。管道也可以被用以容纳固持电源和通讯电缆，装备可以是竖直的或相对竖向倾斜的。

为示例目的，下列参数符号被定义为：

Pc＝装置中排出的浓缩液的静压力；

Pp＝装置中制得/排出的透过液的静压力；

Ps＝脱盐装置入口的静压力；

Pt＝预处理过程中采用的静压力，该预处理过程用于在原料液输送至装置之前先去除其中有害物质，该装置包括控制系统和管理预处理过程所需的其它配置；

Pldc＝浓缩液中的压力损失；

Pldp＝透过液在装置中的压力损失；

Plc＝浓缩液在管道输送过程中的压力损失；

Plp＝透过液在管道输送过程中的压力损失；

PLs＝原料液在管道输送过程中的压力损失；

Plt＝预处理/过滤系统中的压力损失；

Ppc＝用于控制浓缩液流速的泵；

Ppp＝用于控制透过液流速的泵；

PTs＝装置中总有效静压力；

Ppu＝被设置为将透过液输送到贮存地和/或用户的泵，可与被设置用于控制流速的泵(PPc)联用；

Vc＝浓缩液流速；

Vs＝原料液流速；

Vp＝透过液流速。

利用反渗透膜过滤作用从原料液中获取透过液所依赖的是原料液通常在较高的压力输入至装置中。可以相信的是，本发明排除了使用泵来产生操作反渗透设备内的过程所需的入口流体相对压力和背压的要求，尽管可能仍需要使用更小功率的泵以提供浓缩液流速。

本发明利用了与反渗透设备的入口相连的水柱的重量所产生的静压力以驱动反渗透过程。通过应用反渗透设备中排出的透过液和浓缩液中的残余压力，实现了节能，从而明显降低了系统的总能量输入。

本发明所述过程的普适方程概括如下：

PTs＝Ps+Plt+PLs

PTs＝Pp+Plp+Ppp

PTs＝Pc+PLc+PPc

Pc＝Ps-Pldc

Pp＝Ps-Pldc

上述普适方程不包括装置中、控制系统中、管路中、阀门上、装备中、配件上和泵上的偶然压力损失和压力输入。该方程也不包括通过使用功或能量交换器回收的能量。

本发明包括使用位于系统中的泵，以有助于产生系统运行和系统内压力操纵所需的流动速率(rate)和流速(velocity)。

本发明包括使用控制系统，用以监控和管理系统中各种元件、泵、装备和过程。控制系统可以监控和调节系统中各位置处的原料液/透过液/浓缩液的流动速率、原料液和/或浓缩液中的盐含量、温度、压力和能量。控制系统可以包括计算机和传感器以检测、监控和计量该系统中过程管理所需的数据，如流动速率、静压力、浓度、温度。另外，控制系统可以监控和调节系统内的流动速率、浓度和系统中其他物性参数，以最小化系统所使用的总能量，并因此降低运行系统的成本。

传统的脱盐、净化和/或过滤设施通常结构更为水平方向，需要较大占地面积，或大量地产，以生产产量足够且具有所需质量的透过液。本发明的系统最小化了占地面积并最小化了对环境的影响，因此必然降低了生产透过液的成本。

本发明的反渗透系统通过降低反渗透过程的能量输入实现了节能。脱盐过程所需静压差利用自然产生的势能产生。利用天然能量运行该过程是本发明所述的反渗透系统的节能途径。

利用可再生能源，如热能、太阳能、风能、生物能、化学能或潮汐/浪潮能来产生能量减少了对昂贵且对环境不友好的化石燃料的依赖。另外，可再生能源的使用减少了污染物的量和温室效应气体向环境中的排放量。而且，本发明的系统可使用各种机制来回收整个过程和设备中产生的能量。

本发明所包括的整个过程可包括用于操作和管理系统中所包括的各个工序所需的装备和其他设施。这些设施可以包括用于方便进入、维护、工序操作、系统维修、系统元件性能改造、通风、通讯、人身安全、监控的装备和管理和控制系统必需的其它附带设施。

本发明中上述元件组合在一起可降低透过液的生产成本，透过液用于例如饮用水或其他用途。系统所需占地面积也减少了，对环境的影响也被最小化。系统所需能量可减少，天然势能可转化为驱动脱盐过程所需的静压力。

本发明将可变的长期能源成本转变为资产成本加上降低的可变能源成本，对环境的影响大大减小。

尽管将本发明中系统和方法说明和示例为从盐水或不纯水源得到脱盐水，但应该理解的是，本发明中的系统也可用于从其他水源脱盐、过滤和/或纯化水，还包括从一种溶液中分离溶质。

应该理解的是，本发明的上述元件仅是示例性和描述性的，流体动力学、水力学、工程以及物理领域的普通技术人员能够对本发明中的元件和装备作出改造。因此本发明不应被认为局限于公开的元件。本系统可适用于任何压力驱动的，通过改变来自适宜水源的原料液中盐、离子和化学物质浓度从而分离盐、离子和化学物质的任何过程。通过利用单独或连续、并联或串联或级联的反渗透方法或过滤方法，应用原料液的静压力产生的直接的、间接的或不同的压力来对原料液进行脱盐、过滤和/或纯化。

在仍有残余压力的透过液出口和/或在盐水或浓缩液出口处，可以使用功或能量交换器，以从透过液、盐水或浓缩液中回收至少一部分能量。这种布置可尤其适用于在无法或不能经济地获得足够的高度差位置处操作本发明的设备，而足够的高度差为通过静压头得到反渗透压所必需。回收的能量可以用来提高入流原料液和/或透过液的压力。

通过产生或帮助产生施用于透过液或盐水或浓缩液的、为二级或后续级反渗透过程所需压力的一部分或全部，能量回收对多级反渗透过程中的第二或后续级可能是有用的。若有需要，可以提供辅助泵。盐水或浓缩液可被泵送入废水中，透过液可被泵送到地表、用户蓄水装置或用户网络中。透过液和/或浓缩液可以被如上所述地存放在洞穴中。选择能量回收和静压头应用的组合取决于整个过程的输入和性能参数。而且，在选择时还需考虑经济、环境影响等标准。

尽管已经参照特定的实施例对本发明进行了描述，但本领域普通技术人员可以理解的是，本发明也可以下列权利要求书要求保护的本发明的广义范围内包括的其它形式来具体实施。

Claims (9)

1.一种利用静压头的反渗透方法，包括：

从一个与反渗透设备流体连通的原料液供应源中提供一种原料液，至少一部分原料液透过反渗透设备成为透过液，原料液的剩余部分作为浓缩液被导出至与反渗透设备流体连通的浓缩液输送口；

通过在位于各自位置的原料液与浓缩液以及反渗透设备之间设置流体连通道而在原料液与浓缩液中提供静压头，所述各自位置在竖直方向上距离原料液供应源和浓缩液输送口一段距离，该距离足以产生用于反渗透的跨膜压降；

从反渗透设备中导出透过液以提供跨膜压降；并且

将至少一部分浓缩液返回原料液中。

2.一种利用静压头的反渗透方法，包括：

从一个与反渗透设备流体连通的原料液供应源中提供一种原料液，至少一部分原料液透过反渗透设备成为透过液，原料液的剩余部分作为浓缩液被导出至与反渗透设备流体连通的浓缩液输送口；

通过在位于各自位置的原料液与浓缩液以及反渗透设备之间设置流体连通道而在原料液与浓缩液中提供静压头，所述各自位置在竖直方向上距离原料液供应源和浓缩液输送口一段距离，该距离足以允许静压头有助于产生用于反渗透的跨膜压降所需的压力；

从反渗透设备中导出透过液以提供跨膜压降；并且

将至少一部分浓缩液返回原料液中。

3.根据权利要求2或3所述的方法，还包括通过将浓缩液输出口设置在反渗透设备的竖直上方来在反渗透设备内产生背压，从而产生部分或全部跨膜压力。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的方法，其中静压头是通过将反渗透设备定位在地平面以下或原料液供应源有效高度以下一个深度的地下洞穴中来提供的。

5.根据权利要求1至4中任意一项所述的方法，还包括利用压力产生装置来增大所述静压头压力。

6.根据权利要求1至5中任意一项所述的方法，其中对反渗透设备中导出的透过液进行能量回收。

7.根据权利要求4至6中任意一项所述的方法，其中浓缩液通过定位在地平面以下或有效地平面以下的泵而从地下洞穴中泵送。

8.根据权利要求4至7中任意一项所述的方法，其中透过液和/或浓缩液存储在地平面以下。

9.一种利用静压头的反渗透设备，包括：

用于由原料液生成透过液和浓缩液的反渗透设备，原料液通过原料液管道从原料液源输送到反渗透设备；

与反渗透设备可操作地连接的静压头装置；

与反渗透设备流体连通的透过液导出装置，用于将透过液从反渗透设备中导出；

与反渗透设备流体连通的浓缩液导出装置，用于将至少一部分浓缩液从反渗透设备中导出至浓缩液排放处，其中

通过将反渗透设备、原料液源和浓缩液排出处定位在相对不同的高度以在反渗透设备中产生静压头，以此提供静压头装置；

透过液导出装置定位为使得：在使用中，透过液被导出，以产生跨膜压降，此压降足以使原料液反渗透透过反渗透设备中的一个或多个反渗透膜；

盐水导出装置相对于反渗透设备和原料液的定位选择为使得：在使用中，通过操作浓缩液导出装置提供原料液流，该原料液流足以产生横跨反渗透设备的膜表面的可操作的流体速度。