TWI595918B - 溶液處理系統及方法 - Google Patents

Description

溶液處理系統及方法

本發明大體係關於一種處理溶液之系統及方法。更特定而言，本發明係關於一種使用可混溶有機溶劑來處理含鹽水溶液之系統及方法。

在工業製程中，產生大量之溶液，例如含鹽溶液。一般而言，該等含鹽水溶液不適於家庭或工業應用之直接消耗。就合格水資源有限及保護環境之觀點而言，用於處理廢水、海水或苦鹹水之某些處理方法(例如去離子化及脫鹽作用)變成製造合格水之選項。

在目前應用中，使用各種處理方法(如蒸餾、汽化及化學沉澱)來處理溶液。然而，該等方法可能面臨低效率及/或高能量消耗(例如，就直接處理高鹽溶液(例如壓裂水)而言)，其可能阻止其等大範圍地應用。

因此，需要用於處理含鹽水溶液(例如壓裂水)之新穎及改良的系統及方法。

根據本發明之一實施例提供一種處理系統。該處理系統包括一沉澱單元及一回收單元。該沉澱單元係經組態以使用一種或更多種可混溶有機溶劑來處理溶液以形成沉澱固體與液體之混合物。該回收單元係與該沉澱單元流體流通且經組態以促進將該液體至少分離成有機相液體及包括一部份該一種或更多種可混溶有機溶劑之水相液體。該處理系統進一步包括一純化單元，其包括一個或更多個與回收單元流體流通並經組態以將該水相液體中之至少一部份該一種或更多種可混溶有機溶劑自該水相液體中分離的薄膜裝置。

根據本發明之另一實施例提供一種處理系統。該處理系統包括一沉澱單元及一回收單元。該沉澱單元係經組態以使用一種或更多種可混溶有機溶劑來處理溶液以形成沉澱固體與液體之混合物。該回收單元係與該沉澱單元流體流通且經組態以促進將該液體至少分離成有機相液體及包括一部份該一種或更多種可混溶有機溶劑之水相液體。該處理系統進一步包括一移除裝置，其包括一電離源及一與該回收單元流體流通之純化單元。該電離源係經組態以提供一種或更多種電離物質來電離至少一部份該水相液體中之該一種或更多種有機溶劑。該移除裝置係經組態以接收該水相液體來將至少一部份該一種或更多種經電離之可混溶有機溶劑自該水相液體中分離。

本發明之另一態樣進一步包括一種處理方法。該處理方法包括使用一種或更多種可混溶有機溶劑來處理溶液以形成沉澱固體與液體之混合物，將該液體至少分離成有機相液體及包括一部份該一種或更多種可混溶有機溶劑之水相液體，及將該水性液體引入一個或更多個薄膜裝置及一個或更多個離子移除裝置中之一或多者，以將該水相液體中之至少一部份該一種或更多種可混溶有機溶劑自該水相液體中分離。

根據結合附圖之隨後詳細描述可更加明白本揭示內容之以上及其他態樣、特徵、及優勢。

本文參考附圖描述本揭示內容之實施例。在隨後之描述中，未詳細描述熟知之功能或構造，以避免以不必要的細節使本發明難以理解。除非前後文另作明確指示，否則本文所用之該等單數形式「一」、「一個」及「該」包含複數對象。

圖1係用於處理溶液17之處理系統10之示意圖。在非限制實例中，該溶液17可包括任意含鹽溶液或水。在某些應用中，該含鹽溶液可包括(但非限於)任意具有占總溶解鹽(TDS)至少約2000 ppm之鹽含量之液體。在其他應用中，該含鹽溶液可包括(但非限於)任意具有大於約10,000 ppm TDS之鹽含量之液體。在一非限制實例中，該含鹽水包括壓裂水。

在本發明之實施例中，該處理系統10係經組態以實施(例如)藉由使用一種或更多種可混溶有機溶劑來沉澱該溶液17中之鹽類，以減少該等鹽類之濃度而製造產品水的處理。應注意該可混溶有機溶劑未限定為任意特定的可混溶有機溶劑，且其可基於不同的應用作選擇。

在某些應用中，該可混溶有機溶劑可包括胺。在一實例中，該胺具有式(a)：

或者，該可混溶有機溶劑可具有式(b)：

在式(a)與(b)中，其中R1、R2及R3可相同或不同且可獨立地選自由飽和或不飽和、分支或未分支、經取代或未經取代、包含或不包含雜原子之直鏈或環狀C1-C14烴所組之群。

在某些實例中，R1、R2及R3中之一或多者可包括甲基、乙基、正丙基、異丙基、正丁基、異丁基、2-甲基己基、辛基、苯甲基及苯基。該可混溶的有機溶劑可包含異丙基胺、丙基胺、丙酮、甲醇、乙醇、乙腈、二異丙基胺、四氫呋喃、二氧雜環己烷、四氫嘧啶(THP)、N-甲基四氫嘧啶(MTHP)及其組合。在一實例中，該可混溶有機溶劑包括二異丙基胺。

另外，該溶液17中之該等鹽類之非限制實例包含選自由下列所組之群之鹽：鈉、鈣、鋇、鍶、及鐳之鹵化物；鈉、鉀、鎂、鈣、鋇、鍶、及鐳之重碳酸鹽；鈉、鉀、鎂、及鐳之矽酸鹽；鈉、鉀、鎂、鈣、鋇、鍶、及鐳之亞硒酸鹽、硒酸鹽、硒化物；選自由次硒化磷、單硒化磷、三硒化磷、及五硒化磷所組之群之硒鹽；選自由單氣化硒、四氣化硒、單溴化硒、及四溴化硒所組之群之鹵化硒鹽；鈉、鉀、鎂、鈣、鋇、鍶、及鐳之磷酸鹽；鈉、鉀、鎂、鈣、鋇、鍶、及鐳之硼鹽；鈉、鉀及鐳之硫酸鹽；鈉、鉀及鎂之碳酸鹽；及其組合。

如圖1所說明，該處理系統10包括沉澱單元11、固體-液體分離單元12、回收單元13及純化單元14。該沉澱單元11包括有機溶劑源15及沉澱裝置16。在某些實施例中，該有機溶劑源15係經組態以提供該可混溶有機溶劑。該沉澱裝置16可包括一容器且其係經組態以容納來自溶液源(未顯示)之該溶液17及來自該有機溶劑源15之該可混溶有機溶劑。在沉澱裝置16中可使該溶液17及該可混溶有機溶劑相互混合，以使該溶液17中之一種或更多種該等鹽類沉澱而形成沉澱固體18與液體19之混合物。

該固體-液體分離單元12係與沉澱單元11流體流通，以接收並分離該等沉澱固體18及一部份該液體19。該固體-液體分離單元12並不限定於任意適合分離該等沉澱固體18及該部份該液體19之特定裝置。該固體-液體分離單元12之非限制實例包含一或多種流體旋風器、一或多種離心機、一或多種壓濾機、一或多種匣式過濾器、一或多種真空過濾裝置、及一或多種微過濾裝置。

在一些應用中，該固體-液體分離單元12可包括一或多個彼此串聯連接的流體旋風器。當將來自沉澱單元11之該等沉澱固體18及一部份該液體19之混合物引入至該固體-液體分離單元12中時，可將該等沉澱固體18自該部份之液體19移除。

就圖1闡述之該配置而言，該回收單元13係與該固體-液體分離單元12及該沉澱裝置16之上層部份(未標記)流體流通並自其等接收該液體19。該回收單元13係經組態以促進該液體19之分離，例如分離具有不同相之液體。

在某些實例中，該回收單元13可包括一容器，於其中發生該液體19之分離。例如，於該回收單元13中加熱該液體19並將其至少分離成水相液體20及有機相液體21。在其他實例中，該回收單元13可包括一或多個用於分離之薄膜蒸餾裝置，以致將該有機相液體21自該水相液體20中分離並回收。在某些應用中，可將該回收之可混溶有機溶劑再引入該沉澱裝置16以促進其他溶液中之鹽類之沉澱。

在某些應用中，在該回收單元13中之分離後，將一部份該可混溶有機溶劑自該液體19中移除。可能仍有一定量之殘留可混溶有機溶劑保留在該水相液體20中。因此，可將來自該回收裝置13之該水相液體20引入該純化單元14中，以將至少一部份該殘留可混溶有機溶劑自該水相液體20分離。

在該說明實例中，該純化單元14包括移除裝置23。該移除裝置23可包括任意適合用於將該殘留可混溶有機溶劑自該水相液體20分離之裝置。在某些實例中，該移除裝置23可包括一或多個使用一或多個薄膜來移除該殘留有機溶劑之薄膜裝置。該一或多個薄膜裝置之非限制實例可包括一或多個反滲透裝置、一或多個奈米過濾裝置、及一或多個薄膜蒸餾裝置中之一或多者。

因此，可將包括至少一部份該殘留有機溶劑之流體22自該水相液體20移除，並可製造產品液體24。或者，該移除裝置23可包括一或多個離子移除裝置，其包含(但非限於)一或多個離子交換樹脂、一或多個反滲透裝置、一或多個互換式電透析(electrodialysis reversal)裝置、一或多個薄膜蒸餾裝置、及一或多個超級電容器脫鹽裝置。

在某些應用中，該純化單元14可進一步包括設置在該移除裝置23之上游並與其流體流通之電離源25，以提供一種或更多種電離物質來電離在該水相液體20中之該殘留可混溶有機溶劑。在非限制實例中，該一種或更多種電離物質可包括一種或更多種pH調節物質。因此，在將該移除裝置23中之該殘留有機溶劑分離前，可引入該一種或更多種pH調節物質以調節該水相液體20之該pH值，以電離至少一部份該殘留有機溶劑而促進該分離。

在一些實例中，可減小該水相液體20之該pH值。該一種或更多種pH調節物質可包括一種或更多種酸。該一種或更多種酸之非限制實例可包括氫氯酸、硫酸及其他合適之酸。在某些應用中，亦可將該經移除之殘留可混溶有機溶劑再引入該沉澱單元11中。

因此，由於該等可混溶有機溶劑及該等pH調節物質，可自該溶液17中分別移除該等鹽類及該等可混溶有機溶劑，以致以高效率及低能量消耗製造該產品液體24。

就圖1闡述之該配置而言，在某些實施例中，該處理系統10可包括設置於該沉澱裝置16之上游且與其流體流通之預處理單元26。在某些實例中，該預處理單元26可包括一容器並容納一種或更多種預處理物質。當將該溶液17引入該預處理單元26中時，該預處理單元26中之一種或更多種預處理物質可與該溶液17混合，以在將該溶液17引入該沉澱單元11之前減少一種或更多種離子類之濃度。另外，可與該預處理單元26分開地提供預處理源(未顯示)，且其將該一種或更多種預處理物質提供至該預處理單元26中。

在某些實施例中，該一種或更多種預處理物質可能不限於任意特定預處理物質，且其可基於該溶液17中之不同離子種類來選擇。例如，該一種或更多種預處理物質包括一種或更多種具有硫酸根陰離子之可溶物質(例如硫酸)，以致以沉澱物之形式移除該溶液17中之陽離子(例如鋇陽離子及/或硒陽離子)。

在某些應用中，該處理系統10可進一步包括設置於該預處理單元26與該沉澱單元11之間、該固體-液體分離單元12與該回收單元13之間、及/或該回收單元13與該純化單元14之間之用於熱交換之一種或更多種熱交換設備27。在某些應用中，可將該回收單元13與包括(但非限於)加熱器之熱交換設備整合。

應注意圖1顯示之該配置僅為示例。就該示例性實施例而言，該沉澱裝置16與該固體-液體分離單元12係分開地提供。或者，可將該沉澱裝置16與該固體-液體分離單元12整合，以充當用於實施該沉澱與該分離之一元件。

在其他實例中，可不使用該預處理單元26及/或該固體-液體分離單元12。可將該溶液17直接引入該沉澱單元11，以致可在該等鹽類沉澱而沈降於該沉澱裝置16之下層部份之後將位在該沉澱裝置16之上層部份之該液體19引入該回收單元13中。

圖2係處理方法30之示意流程圖。如圖1-2所闡述，在該處理方法期間，在步驟31中，將一定量之該溶液17及一定量之該預處理物質引入該預處理單元26中，以移除一種或更多種離子類。在步驟32中，隨後將該等溶液17轉移至該沉澱單元11。亦將一定量之來自該有機溶劑源15之該可混溶有機溶劑引入至該沉澱裝置16以與該溶液17混合，以致一種或更多種鹽類由於其等在該有機可混溶溶劑中之低溶解性自該等溶液17中沉澱，並形成該等沉澱固體18與該液體19之混合物。

在步驟33中，將該等沉澱固體18及一部份該液體19引入該固體-液體分離單元12中進行分離。在步驟34中，在將該等沉澱固體18自該部份之該液體19分離後，將來自該沉澱單元11及該固體-液體分離單元12之該液體19引入該回收單元13。在非限制實例中，可將該液體19加熱至較高溫，以致該可混溶有機溶劑21在該回收單元13中以該有機相液體21與該水相液體20之層之形式自該液體19中分離。

隨後，在步驟35中，將該水相液體20引入該純化單元14，以將該殘留可混溶有機溶劑22自該水相液體20中分離。在一非限制實例中，可將一定量之該pH調節物質與來自該回收單元13之該水相液體20混合並調節其pH值以電離該殘留可混溶有機溶劑22，以致分離該殘留可混溶有機溶劑22並在通過該純化單元14之後將其回收。在非限制實例中，該經調節之該水相液體20之pH值可以係約4-5。

在某些應用中，可將步驟34中之該經分離之可混溶有機溶劑21及/或步驟35中之該經回收之殘留可混溶有機溶劑22再引入該沉澱裝置16中。在其他應用中，可在該沉澱步驟32、該固體-液體分離步驟33、該液體-液體分離步驟34及/或該回收步驟35之前採用一或多個熱交換步驟。

在非限制實例中，在該沉澱步驟32之前，可冷卻該等溶液17(例如)至約0℃，以用於隨後之沉澱步驟32。可在較高溫(例如約70℃)下實施該液體-液體分離步驟34。在該步驟35之前，亦可將來自該回收單元13之該水相液體20冷卻(例如)至約25℃，以用於該回收步驟35。另外，在某些應用中，可不使用該預處理步驟31及/或該固體-液體分離步驟33。

因此，在本發明之實施例中，由於該溶液中存在該可混溶有機溶劑，故可以較低成本及較高效率移除該等鹽類。另外，藉由調節該水相液體之pH值可以較低之能量消耗輕易地移除該殘留可混溶有機溶劑，以製造該產品液體。

雖然已藉由典型實施例例證並描述揭示內容，但並不意欲將其限制為該等所示之細節，因為可在不以任何方式脫離本揭示內容精神之同時進行各種修飾與替代。就此而言，熟悉該項技術者可僅使用常規實驗對本文揭示之揭示內容進行進一步修飾與等效替換，且據認為所有該等修飾與等效物係在如由隨後申請專利範圍所定義之揭示內容之精神及範圍內。

10．．．處理系統

11．．．沉澱單元

12．．．固體-液體分離單元

13．．．回收單元

14．．．純化單元

15．．．有機溶劑源

16．．．沉澱裝置

17．．．溶液

18．．．沉澱固體

19．．．液體

20．．．水相液體

21．．．有機相液體

22．．．包括至少一部份殘留有機溶劑之液體

23．．．移除裝置

24．．．產品液體

25．．．電離源

26．．．預處理單元

27．．．熱交換設備

圖1係根據本發明一實施例用於處理溶液之處理系統之示意圖；及

圖2係根據本發明一實施例之處理方法之示意流程圖。

10．．．處理系統

11．．．沉澱單元

12．．．固體-液體分離單元

13．．．回收單元

14．．．純化單元

15．．．有機溶劑源

16．．．沉澱裝置

17．．．溶液

18．．．沉澱固體

19．．．液體

20．．．水相液體

21．．．有機相液體

22．．．包括至少一部份殘留有機溶劑之液體

23．．．移除裝置

24．．．產品液體

25．．．電離源

26．．．預處理單元

27．．．熱交換設備

Claims (25)

1. 一種處理系統，其包括：一沉澱單元，其經組態以使用一種或更多種可混溶有機溶劑來處理溶液以形成沉澱固體與液體之混合物；一固體-液體分離單元，其經組態以接收來自該沉澱單元之該沉澱固體與液體混合物，並排出一固體減少之液體流；一回收單元，其經組態以接收來自該固體-液體分離單元之該液體流，並促進將該液體流至少分離成有機相液體及包括一部份該一種或更多種可混溶有機溶劑之水相液體；及一純化單元，其包括一個或更多個薄膜裝置，其係經組態以接收來自該回收單元之包括一部份該一種或更多種可混溶有機溶劑之該水相液體，並將至少一部份該一種或更多種可混溶有機溶劑自包括一部份該一種或更多種可混溶有機溶劑之該水相液體分離。
2. 如請求項1之處理系統，其中該溶液包括含鹽溶液。
3. 如請求項1之處理系統，其中該沉澱單元包括一有機溶劑源及一與該有機溶劑源流體流通之沉澱裝置，且其中該有機溶劑源係經組態以提供該一種或更多種可混溶有機溶劑至該沉澱裝置，且該沉澱裝置係經組態以容納該一種或更多種可混溶有機溶劑及該溶液以用於沉澱該等沉澱固體。
4. 如請求項1之處理系統，其中該一或多個薄膜裝置包括 一或多個反滲透裝置、一或多個奈米過濾裝置、及一或多個薄膜蒸餾裝置中之一或多者。
5. 如請求項4之處理系統，其中該一或多個薄膜裝置包括該一或多個反滲透裝置。
6. 如請求項1之處理系統，其中該純化單元進一步包括一經組態以提供一種或更多種電離物質來電離至少一部份該水相液體中之該一種或更多種有機溶劑之電離源，以致使用該一或多個薄膜裝置來移除至少一部份該一種或更多種經電離之有機溶劑。
7. 如請求項6之處理系統，其中該電離源包括一經組態以提供一種或更多種pH調節物質來調節該水相液體之pH值，以電離至少該部份之該一種或更多種殘留可混溶有機溶劑之pH調節源。
8. 如請求項1之處理系統，其進一步包括一設置於該沉澱單元之上游且與其流體流通、並經組態以移除一種或更多種該溶液中之離子類之預處理單元。
9. 如請求項1之處理系統，其進一步包括至少設置於該沉澱單元與該回收單元之間及該回收單元與該純化單元之間之複數個熱交換裝置。
10. 一種處理系統，其包括：一沉澱單元，其經組態以使用一種或更多種可混溶有機溶劑來處理溶液，以形成沉澱固體與液體之混合物；一固體-液體分離單元，其經組態以接收來自該沉澱單元之該沉澱固體與液體混合物，並排出一固體減少之液 體流；一回收單元，其經組態以接收來自該固體-液體分離單元之該液體流，並促進將該液體流至少分離成有機相液體及包括一部份該一種或更多種可混溶有機溶劑之水相液體；及一純化單元，其包括一電離源及一移除裝置，其中該電離源係經組態以提供一種或更多種電離物質來電離至少一部份該水相液體中之該一種或更多種有機溶劑，且該移除裝置係經組態以接收來自該回收單元之該水相液體，並將至少一部份該一種或更多種經電離之殘留可混溶有機溶劑自該水相液體分離。
11. 如請求項10之處理系統，其中該沉澱單元包括一有機溶劑源及一與該有機溶劑源流體流通之沉澱裝置，且其中該有機溶劑源係經組態以提供該一種或更多種可混溶有機溶劑至該沉澱裝置，且該沉澱裝置係經組態以容納該一種或更多種可混溶有機溶劑及該溶液以沉澱該等沉澱固體。
12. 如請求項10之處理系統，其中該一種或更多種可混溶有機溶劑包括異丙基胺、丙基胺、丙酮、甲醇、乙醇、乙腈、二異丙基胺、四氫呋喃、四氫嘧啶、N-甲基四氫嘧啶及二氧雜環己烷中之一或多種。
13. 如請求項10之處理系統，其中該移除裝置包括一或多個離子移除裝置，且其中該一或多個離子移除裝置包括一或多個反滲透裝置、一或多個互換式電透析 (electrodialysis reversal)裝置、一或多個離子交換樹脂、一或多個薄膜蒸餾裝置、及一或多個超級電容器脫鹽裝置中之一或多者。
14. 如請求項13之處理系統，其中該一或多個離子移除裝置包括該一或多個反滲透裝置及該一或多個薄膜蒸餾裝置中之一或多者。
15. 如請求項10之處理系統，其中該電離源包括一經組態以提供一種或更多種pH調節物質來調節該水相液體之pH值，以電離該水相液體中之至少該部份之該一種或更多種殘留有機溶劑的pH調節源。
16. 如請求項15之處理系統，其中一種或更多種pH調節物質包括氫氯酸與硫酸中之一或多者。
17. 如請求項10之處理系統，其進一步包括一設置於該沉澱單元之上游且與其流體流通並經組態以沉澱該溶液中之一種或更多種離子類之預處理單元。
18. 如請求項10之處理系統，其進一步包括至少設置於該沉澱單元與該回收單元之間及該回收單元與該純化單元之間之複數個熱交換裝置。
19. 如請求項10之處理系統，其中該溶液包括壓裂水。
20. 一種處理方法，其包括：使用一種或更多種可混溶有機溶劑來處理溶液以形成沉澱固體與液體之混合物；將該液體分離成包含至少有機相液體於一層中及包括一部份該一種或更多種可混溶有機溶劑之水相液體於另 一層中的層；將一種或更多種電離物質引入該水相液體中以電離至少一部份該水相液體中之該一種或更多種可混溶有機溶劑；及將該水相液體引入一或多個薄膜裝置及一或多個離子移除裝置中之一或多者，以將該水相液體中之至少一部份該一種或更多種經電離之可混溶有機溶劑自該水相液體分離。
21. 如請求項20之處理方法，其中該一種或更多種可混溶有機溶劑包括異丙基胺、丙基胺、丙酮、甲醇、乙醇、乙請、二異丙基胺、四氫呋喃、四氫嘧啶、N-甲基四氫嘧啶及二氧雜環己烷中之一種或更多種。
22. 如請求項20之處理方法，其中該一種或更多種電離物質包括一種或更多種pH調節物質以調節該水相液體之pH值，以電離該水相液體中之至少該部份之該一種或更多種有機溶劑。
23. 如請求項22之處理方法，其中該一種或更多種pH調節物質包括氫氯酸與硫酸中之一或多者。
24. 如請求項20之處理方法，其中使用一或多個反滲透裝置、一或多個互換式電透析裝置、一或多個薄膜蒸餾裝置、一或多個奈米過濾裝置、一或多個離子交換樹脂、及一或多個超級電容器脫鹽裝置中之一或多者來將該水相液體中之至少該部份之該一種或更多種殘留可混溶有機溶劑自該水相液體中分離。
25. 如請求項20之處理方法，其進一步在使用該一種或更多種可混溶有機溶劑處理該溶液之前，預處理該溶液以減少該溶液中之一種或更多種離子種類之濃度。