本申請要求于2014年4月8日提交的美國臨時專利申請No.61/976,714以及2014年10月28日提交的美國臨時專利申請No.62/069,627的優(yōu)先權(quán)和權(quán)益；由此以引用的方式將它們的全部內(nèi)容整體并入本文。

技術(shù)領(lǐng)域

一個或多個方面大體涉及滲透分離。更具體地，一個或多個方面涉及利用滲透驅(qū)動膜工藝(例如正向滲透)從水溶液中分離溶質(zhì)。

背景技術(shù)：

正向滲透已被用于脫鹽。通常，正向滲透脫鹽工藝涉及具有被半透膜分隔開的兩個室的容器。一個室容納海水。另一個室容納濃縮的溶液(concentrated solution)，由此在海水和濃縮的溶液之間產(chǎn)生濃度梯度。該梯度吸引海水中的水穿過膜進入到濃縮的溶液中，所述膜選擇性地允許水通過而不允許鹽通過。逐漸地，進入濃縮的溶液中的水將該溶液稀釋。然后將溶質(zhì)從該稀釋的溶液(dilute solution)中除去，以產(chǎn)生飲用水。

供給到正向滲透工藝的進料溶液可能產(chǎn)生各種問題。例如，進料溶液可能具有充分低的鹽度，使得在膜相對側(cè)的濃縮的驅(qū)動溶液被該工藝高度稀釋，從而使驅(qū)動溶液的回收/再生復(fù)雜化。進料溶液的條件可能也需要利用特定預(yù)處理工藝，以使其可用于正向滲透工藝。例如，大多數(shù)預(yù)處理工藝因需要利用額外的能量或化學(xué)物質(zhì)(例如，石灰軟化)或進一步的步驟(例如，離子交換樹脂的再生)而使得整個工藝更加昂貴。另外，在正向滲透處理之后，濃縮的進料溶液可能存在處置問題。例如，高度濃縮的鹽水提出了環(huán)境處置問題，例如，將濃縮的鹽水排放到水體中會對局部生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響。雖然對于這些問題存在一些解決方案，但是它們往往很昂貴和/或向基本的正向滲透工藝增加了過度的復(fù)雜性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的方面大體涉及滲透驅(qū)動膜系統(tǒng)和方法，包括正向滲透分離(FO)、直接滲透濃縮(DOC)、壓力輔助正向滲透(PAFO)和壓力延緩滲透(PRO)。

在一個方面，本發(fā)明涉及一種用于從第一溶液中滲透提取溶劑的系統(tǒng)(及其對應(yīng)的方法步驟)。所述系統(tǒng)包含多個正向滲透單元，各正向滲透單元具有：第一室，所述第一室具有與第一溶液的源流體連接的入口；第二室，所述第二室具有與濃縮的驅(qū)動溶液的源流體連接的入口；以及半透膜系統(tǒng)，所述半透膜系統(tǒng)將所述第一室與所述第二室隔開，并被構(gòu)造用于從所述第一溶液中滲透分離所述溶劑，從而形成所述第一室中的第二溶液和所述第二室中的稀釋的驅(qū)動溶液。所述系統(tǒng)還包含：分離系統(tǒng)，所述分離系統(tǒng)與所述多個正向滲透單元流體連通，并被構(gòu)造用于將所述稀釋的驅(qū)動溶液分離成濃縮的驅(qū)動溶液和溶劑流。

在前述方面的各種實施方式中，濃縮的驅(qū)動溶液包含處于大于1:1的所需摩爾比的氨和二氧化碳。然而，在本發(fā)明的范圍內(nèi)還設(shè)想和考慮其它驅(qū)動溶液，包括例如NaCl或在PCT專利公布No.WO2014/078415(‘415公布)中公開的各種備選驅(qū)動溶液中的任一種，將該專利的全部公開內(nèi)容以引用的方式并入本文。此外，在本發(fā)明的范圍內(nèi)還設(shè)想和考慮用于分離和回收驅(qū)動溶質(zhì)和溶劑的其它系統(tǒng)和方法，例如在‘415公布中所公開的那些系統(tǒng)和方法。此外，可將各種預(yù)處理和后處理系統(tǒng)并入本發(fā)明的前述方面中。預(yù)處理系統(tǒng)可包括下列中的至少一種：用于預(yù)熱第一溶液的熱源；用于調(diào)節(jié)第一溶液或驅(qū)動溶液的pH的裝置；用于消毒(例如，化學(xué)或UV)、分離和澄清的裝置；用于過濾第一溶液的過濾器或其它裝置(例如，碳或砂石過濾或反向滲透)；用于聚合物添加、離子交換的裝置；或用于軟化(例如，石灰軟化)第一溶液的裝置。后處理系統(tǒng)可包括下列中的至少一種：反向滲透系統(tǒng)、離子交換系統(tǒng)、第二正向滲透系統(tǒng)、蒸餾系統(tǒng)、滲透蒸發(fā)器(pervaporator)、機械蒸氣再壓縮系統(tǒng)、熱交換系統(tǒng)或過濾系統(tǒng)(例如，納米過濾、微過濾或超濾)。在另外的實施方式中，該系統(tǒng)還可包含回收系統(tǒng)(recycling system)，所述回收系統(tǒng)包含吸收器(absorber)，該吸收器被構(gòu)造用于促進將驅(qū)動溶質(zhì)重新引入第二室以維持驅(qū)動溶液的所需摩爾比。

在另一方面，本發(fā)明涉及一種用于從第一溶液中滲透提取溶劑的系統(tǒng)。所述系統(tǒng)包含多個正向滲透單元，其中，各單元包含：半透膜組件，所述半透膜組件具有框架和連接在所述框架上的多個膜，并具有第一側(cè)和第二側(cè)，其中，所述第一側(cè)限定了用于接收所述第一溶液的第一多個通道，并且所述第二側(cè)限定了用于接收濃縮的驅(qū)動溶液的第二多個通道；以及槽(tank)，所述槽被構(gòu)造用于接收所述半透膜組件和所述第一溶液，其中，所述半透膜組件至少部分地浸沒在所述槽中。第一溶液包含其中的溶解固體和/或懸浮固體，并且膜被構(gòu)造用于從第一溶液中滲透分離溶劑，從而形成第一多個通道中的更濃縮的第一溶液和第二多個通道中的稀釋的驅(qū)動溶液。所述系統(tǒng)進一步包含：分離系統(tǒng)，所述分離系統(tǒng)與多個正向滲透單元流體連通，并被構(gòu)造用于從正向滲透單元接收稀釋的驅(qū)動溶液；多個再循環(huán)系統(tǒng)(recirculation systems)，各再循環(huán)系統(tǒng)與對應(yīng)的正向滲透單元流體連通，并被構(gòu)造用于使更濃縮的第一溶液再循環(huán)通過各槽；以及多個水力旋流器線路(hydrocyclone circuits)，各水力旋流器線路與對應(yīng)的正向滲透單元和/或再循環(huán)系統(tǒng)流體連通，并被構(gòu)造用于控制各槽內(nèi)的第一溶液中的固體濃度。分離系統(tǒng)包含用于將稀釋的驅(qū)動溶液分離成濃縮的驅(qū)動溶液和溶劑流的裝置。在一些實施方式中，整個系統(tǒng)包含用于各正向滲透單元的分離系統(tǒng)。在各種實施方式中，再循環(huán)系統(tǒng)使更濃縮的第一溶液連續(xù)地再循環(huán)。此外，再循環(huán)系統(tǒng)可用于將第一溶液引入正向滲透單元中的一個或多個。水力旋流器線路和/或再循環(huán)系統(tǒng)還可用于將第一溶液的至少一部分運送(forward)到后續(xù)正向滲透單元。

在前述方面的各種實施方式中，第一溶液中可包含約15,000ppm的總?cè)芙夤腆w(TDS)。在一些情況下，第一溶液中TDS的范圍是約5,000ppm至約40,000ppm。該系統(tǒng)還可包含用于直接或經(jīng)由再循環(huán)系統(tǒng)將添加劑(例如晶種(seeds))引入第一溶液的裝置。引入裝置可包含用于將所述添加劑直接引入流體輸送路線或其中一個單元的閥門和端口布置。另外，所述裝置可包含儲存和/或混合槽以及計量裝置等，以用于將所述添加劑儲存和/或輸送到所述系統(tǒng)中。在一個實施方式中，所述添加劑是晶種材料(例如硫酸鈣)和/或分散劑，以控制懸浮固體的行為。在一個或多個實施方式中，所述框架包含：多個板，各板具有第一側(cè)和第二側(cè)，所述第一側(cè)和第二側(cè)被構(gòu)造用于接收(例如，經(jīng)由粘合劑、焊接或機械緊固件)連接到其上的膜并至少部分地限定第一多個通道和第二多個通道；至少一個端板(endplate)，所述端板設(shè)置在所述多個板和膜的一端；以及歧管組件，所述歧管組件設(shè)置在所述多個板和膜的相對端；以及用于將所述多個板、至少一個端板和歧管組件以堆疊構(gòu)造固定的裝置(例如連接桿)。在一些實施方式中，所述框架是外罩(housing)或包含外罩。

在另外的實施方式中，所述系統(tǒng)包含與多個正向滲透單元流體連通的澄清池階段(clearwell stage)。所述澄清池階段包含被構(gòu)造用于接收更濃縮的第一溶液的儲器(receptacle)?？蓪⒍鄠€正向滲透單元串聯(lián)布置，并可將澄清池階段設(shè)置為與串聯(lián)中的最后一個正向滲透單元鄰近并流體連通。此外，各水力旋流器線路可包含尺寸經(jīng)設(shè)計并被構(gòu)造用于將第一溶液的溢流(overflow)運送到串聯(lián)中的正向滲透單元中的后續(xù)正向滲透單元的水力旋流器。串聯(lián)中的最終水力旋流器線路與澄清池階段流體連通，并被構(gòu)造用于控制各在前的正向滲透單元中的第一溶液的體積/液面(level)。在一些實施方式中，分離系統(tǒng)包含全都與多個正向滲透單元流體連通的過濾單元、反向滲透單元以及旁通線路(by-pass circuit)。過濾單元可包含：第一室，所述第一室具有與正向滲透單元中的至少一個流體連接的入口，用于接收稀釋的驅(qū)動溶液的至少第一部分；第二室，所述第二室具有與反向滲透單元流體連接的出口，用于將更低稀釋的驅(qū)動溶液傳遞至其中；以及過濾膜，所述過濾膜將第一室與第二室隔開，并被構(gòu)造用于部分地將溶質(zhì)從稀釋的驅(qū)動溶液中除去，從而在第二室中形成更低稀釋的驅(qū)動溶液?？墒钩サ娜苜|(zhì)返回至正向滲透單元中的至少一個。反向滲透單元可包含：第一室，所述第一室具有與正向滲透單元中的至少一個流體連接的入口，用于接收稀釋的驅(qū)動溶液的至少第二部分，以及與正向滲透單元中的至少一個流體連接的出口，用于將濃縮的驅(qū)動溶液引入其中；半透膜，所述半透膜與第一室連接；以及第二室，所述第二室與半透膜連接，并被構(gòu)造用于接收流過(fluxed through)膜的溶劑，從而將濃縮的驅(qū)動溶液留在第一室中，用于傳遞至正向滲透單元。旁通線路被構(gòu)造用于將稀釋的驅(qū)動溶液的第一部分和第二部分選擇性地引導(dǎo)至過濾單元和/或反向滲透單元。在各種實施方式中，澄清池階段還包含用于使更濃縮的第一溶液脫水的裝置，例如壓濾機或其它機械工藝或熱工藝。在一些實施方式中，固體在澄清池中經(jīng)由重力從第一溶液中沉降出來。澄清池階段還可包含用于回收存在于其中的物質(zhì)或固體(例如，添加至第一溶液以控制其中的固體的行為的晶種材料)的至少一部分的裝置，用于重復(fù)使用或進一步處理。

在又一方面，本發(fā)明涉及一種用于從第一溶液中提取溶劑的方法。所述方法通過多個正向滲透單元進行，其中，各正向滲透單元包含：半透膜組件，所述半透膜組件具有框架和連接在所述框架上的多個膜，并具有第一側(cè)和第二側(cè)，其中，所述第一側(cè)限定了用于接收所述第一溶液的第一多個通道，并且所述第二側(cè)限定了用于接收濃縮的驅(qū)動溶液的第二多個通道，其中，所述膜被構(gòu)造用于從所述第一溶液中滲透分離溶劑，從而形成所述第一多個通道中的更濃縮的第一溶液和所述第二多個通道中的稀釋的驅(qū)動溶液；以及槽，所述槽被構(gòu)造用于接收所述半透膜組件和所述第一溶液，其中，所述半透膜組件至少部分地浸沒在所述槽中。第一溶液包含其中的溶解固體，例如，約5,000ppm至約40,000ppm、優(yōu)選約10,000ppm至約30,000ppm、更優(yōu)選約15,000ppm至約25,000ppm的TDS。所述方法包括以下步驟：提供以串聯(lián)構(gòu)造布置的多個正向滲透單元，將第一溶液引入串聯(lián)中的第一正向滲透單元，將濃縮的驅(qū)動溶液引入串聯(lián)中的最后一個正向滲透單元，使溶劑的一部分穿過多個膜從第一溶液流入濃縮的驅(qū)動溶液，使更濃縮的第一溶液再循環(huán)通過各槽以維持溶液中的固體，在更濃縮的第一溶液中維持預(yù)定濃度的固體，將稀釋的驅(qū)動溶液引導(dǎo)至分離系統(tǒng)，將稀釋的驅(qū)動溶液分離成濃縮的驅(qū)動溶液和溶劑流，以及將濃縮的驅(qū)動溶液回收到多個正向滲透單元。

在所述方法的各種實施方式中，在更濃縮的第一溶液中維持預(yù)定濃度的固體的步驟可包括：經(jīng)由再循環(huán)系統(tǒng)將更濃縮的第一溶液的至少一部分引導(dǎo)至水力旋流器，其中，水力旋流器被構(gòu)造用于控制槽內(nèi)的第一溶液中的固體濃度；以及根據(jù)需要經(jīng)由水力旋流器將更濃縮的第一溶液的溢流部分(overflow portion)引導(dǎo)至串聯(lián)中的后續(xù)正向滲透單元。在一些實施方式中，必要性取決于槽中維持的固體濃度％。例如，如果更濃縮的第一溶液中的固體濃度過高，水力旋流器會將更濃縮的第一溶液和其中包含的固體的一部分傳遞到后續(xù)正向滲透單元。在一些實施方式中，基于流體液面將第一溶液的溢流部分傳遞到后續(xù)單元。所述方法還可包括將更濃縮的第一溶液從串聯(lián)中的最后一個正向滲透單元引導(dǎo)至澄清池的步驟。所述方法可包括以下步驟：將額外的溶劑從澄清池中的更濃縮的第一溶液中除去，留下絕大部分的固體?？蓮目稍谙到y(tǒng)內(nèi)重復(fù)使用的留下的固體(例如晶種材料)提取物質(zhì)，送去進一步處理或者按原樣回收。

在另一方面，本發(fā)明涉及一種用于從第一溶液中滲透提取溶劑的系統(tǒng)。所述系統(tǒng)包含多個正向滲透單元，其中，各單元包含：半透膜組件，所述半透膜組件具有框架和連接在所述框架上的多個膜，并具有第一側(cè)和第二側(cè)，其中，所述第一側(cè)限定了用于接收所述第一溶液的第一多個通道，并且所述第二側(cè)限定了用于接收濃縮的驅(qū)動溶液的第二多個通道；以及槽，所述槽被構(gòu)造用于接收所述半透膜組件和所述第一溶液，其中，所述半透膜組件至少部分地浸沒在所述槽中。第一溶液包含其中(例如溶解和/或懸浮)的固體，并且膜被構(gòu)造用于從第一溶液中滲透分離溶劑，從而形成第一多個通道中的更濃縮的第一溶液和第二多個通道中的稀釋的驅(qū)動溶液。所述系統(tǒng)進一步包含：分離系統(tǒng)，所述分離系統(tǒng)與多個正向滲透單元流體連通，并被構(gòu)造用于從正向滲透單元接收稀釋的驅(qū)動溶液；多個再循環(huán)系統(tǒng)，各再循環(huán)系統(tǒng)與對應(yīng)的正向滲透單元流體連通，并被構(gòu)造用于使更濃縮的第一溶液再循環(huán)通過各槽；以及至少一個脫水子系統(tǒng)(dewatering sub-system)，所述脫水子系統(tǒng)與再循環(huán)系統(tǒng)中的至少一個或槽中的至少一個流體連通，并被構(gòu)造用于控制各槽內(nèi)的第一溶液中的固體濃度。分離系統(tǒng)包含用于將稀釋的驅(qū)動溶液分離成濃縮的驅(qū)動溶液和溶劑流的裝置。在一些實施方式中，整個系統(tǒng)包含用于各正向滲透單元的分離系統(tǒng)。在各種實施方式中，再循環(huán)系統(tǒng)使更濃縮的第一溶液連續(xù)地再循環(huán)。此外，再循環(huán)系統(tǒng)可用于將第一溶液引入正向滲透單元中的一個或多個。脫水子系統(tǒng)和/或再循環(huán)系統(tǒng)還可用于將第一溶液的至少一部分運送到后續(xù)正向滲透單元。

在前述方面的各種實施方式中，脫水子系統(tǒng)包含一個或多個管式壓濾機，各管式壓濾機具有一個或多個濾管。在一些實施方式中，一個或多個濾管包含設(shè)置在其內(nèi)表面上的螺旋肋(spiral rib)。在一些實施方式中，脫水子系統(tǒng)代替了上述水力旋流器線路，而在其它實施方式中，脫水子系統(tǒng)與水力旋流器線路集成。另外，所述系統(tǒng)可包含用于將空氣引入槽的通氣系統(tǒng)。在一些實施方式中，通氣系統(tǒng)是溶氣浮選(dissolved air flotation)系統(tǒng)。所述系統(tǒng)還可包含澄清池階段，所述澄清池階段與多個正向滲透單元流體連通，并被構(gòu)造用于接收更濃縮的第一溶液。在所述系統(tǒng)的一些實施方式中，將多個正向滲透單元串聯(lián)布置，并將澄清池階段設(shè)置為與串聯(lián)中的最后一個正向滲透單元鄰近并流體連通。分離系統(tǒng)可包含全都與多個正向滲透單元流體連通的過濾單元、反向滲透單元以及旁通線路。在另外的實施方式中，澄清池階段進一步包含用于回收存在于其中的物質(zhì)或固體的至少一部分的裝置。

在另一方面，本發(fā)明涉及一種用于從第一溶液中提取溶劑的方法。所述方法包括以下步驟：提供以串聯(lián)構(gòu)造布置的多個正向滲透單元，其中，各單元包含：半透膜組件，所述半透膜組件具有框架和連接在所述框架上的多個膜，并具有第一側(cè)和第二側(cè)，其中，所述第一側(cè)限定了用于接收所述第一溶液的第一多個通道，并且所述第二側(cè)限定了用于接收濃縮的驅(qū)動溶液的第二多個通道。所述膜被構(gòu)造用于從第一溶液中滲透分離溶劑，從而形成第一多個通道中的更濃縮的第一溶液和第二多個通道中的稀釋的驅(qū)動溶液。多個正向滲透單元進一步包含槽，所述槽被構(gòu)造用于接收半透膜組件和第一溶液，其中，所述半透膜組件至少部分地浸沒在所述槽中。所述方法包括以下額外步驟：將第一溶液引入串聯(lián)中的第一正向滲透單元，將濃縮的驅(qū)動溶液引入串聯(lián)中的最后一個正向滲透單元，使溶劑的一部分穿過多個膜從第一溶液流入濃縮的驅(qū)動溶液，使更濃縮的第一溶液再循環(huán)通過各槽以維持溶液中的固體，在更濃縮的第一溶液中維持預(yù)定濃度的固體，將稀釋的驅(qū)動溶液引導(dǎo)至分離系統(tǒng)，將稀釋的驅(qū)動溶液分離成濃縮的驅(qū)動溶液和溶劑流，以及將濃縮的驅(qū)動溶液回收到多個正向滲透單元。

在所述方法的各種實施方式中，在更濃縮的第一溶液中維持預(yù)定濃度的固體的步驟包括：經(jīng)由再循環(huán)系統(tǒng)將更濃縮的第一溶液的至少一部分引導(dǎo)至脫水子系統(tǒng)，其中，與上述水力旋流器線路類似，脫水子系統(tǒng)被構(gòu)造用于控制槽內(nèi)的第一溶液中的固體濃度并回收額外的水。脫水子系統(tǒng)可包含管式壓濾機，所述方法可進一步包括以下步驟：將額外的水的至少一部分引導(dǎo)至第一溶液，并將回收的固體的一部分引導(dǎo)至第二工藝，例如沉降工藝、研磨工藝或一些其它分離工藝。所述方法還可包括以下步驟：將更濃縮的第一溶液從串聯(lián)中的最后一個正向滲透單元引導(dǎo)至澄清池和/或從回收的固體提取物質(zhì)。

另外的方面、實施方式以及這些示例性方面和實施方式的優(yōu)點在下文中進行詳細討論。此外，應(yīng)當(dāng)理解，上述信息和以下詳細描述均只是各種方面和實施方式的示例性實例，并且旨在提供綜述或框架，以用于理解要求保護的方面和實施方式的本質(zhì)和特征。因此，通過參照以下描述和附圖，這些和其它目的以及本文所公開的本發(fā)明的優(yōu)點和特征將變得顯而易見。此外，應(yīng)當(dāng)理解，本文所述各種實施方式的特征不是互相排斥的，并且可以各種組合和排列存在。

附圖說明

在附圖中，貫穿不同視圖，類似的附圖標(biāo)記通常指相同的部分。另外，附圖未必按比例繪制，相反，重點通常在于說明本發(fā)明的原理，而并非意圖作為對本發(fā)明的界限的定義。出于簡明的目的，不是所有部件都在每張附圖中進行標(biāo)記。在以下描述中，參照以下附圖描述本發(fā)明的各種實施方式，在附圖中：

圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個或多個實施方式，用于溶劑的滲透提取的系統(tǒng)的示意圖；

圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個或多個實施方式，在圖1的系統(tǒng)中使用的示例性正向滲透模塊的示意透視圖；

圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個或多個實施方式，用于溶劑的滲透提取的備選系統(tǒng)的示意圖；以及

圖4A和圖4B是圖3的系統(tǒng)中使用的壓濾機的一部分的示意圖。

具體實施方式

根據(jù)一個或多個實施方式，用于從水溶液中提取水的滲透方法通常可涉及使水溶液暴露于正向滲透膜的第一表面。相對于該水溶液的濃度而言具有增加的濃度的第二溶液或驅(qū)動溶液可以暴露于正向滲透膜的第二相對表面。水隨后可以經(jīng)由正向滲透被從水溶液中汲取通過正向滲透膜并進入第二溶液，生成富水溶液，正向滲透利用涉及從濃度較低的溶液移動至濃度較高的溶液的流體傳遞性質(zhì)。富水溶液(也稱為稀釋的驅(qū)動溶液)可在第一出口處被收集并經(jīng)歷進一步的分離工藝以產(chǎn)生純化水。第二產(chǎn)物流(即，貧化的(depleted)或濃縮的含水工藝溶液)可在第二出口處被收集以用于排放或進一步處理。或者，本文所述的各種系統(tǒng)和方法可以用非水溶液實現(xiàn)。

根據(jù)一個或多個實施方式，正向滲透膜模塊可包含一個或多個正向滲透膜。正向滲透膜通?？梢允前胪感缘?，例如允許水通過而排除其中的溶解溶質(zhì)，例如氯化鈉、碳酸銨、碳酸氫銨和氨基甲酸銨。許多類型的半透膜都適用于此目的，前提條件是它們能夠允許溶劑(例如水)通過，同時阻擋溶質(zhì)通過，并且不與溶液中的溶質(zhì)反應(yīng)。在一些實施方式中，膜可具有高選擇滲透性，從而允許上述溶質(zhì)通過膜；然而，可以使用備選類型的膜來使用于特定應(yīng)用(例如進料化學(xué)、驅(qū)動溶液化學(xué)、環(huán)境條件等)的系統(tǒng)的性能最大化。

根據(jù)一個或多個實施方式，至少一個正向滲透膜可置于外罩或外殼(casing)內(nèi)。通?？蓪⒃撏庹值某叽绾托螤钤O(shè)計為容納置于其中的膜。例如，如果容納螺旋盤繞式正向滲透膜，該外罩可以大體上是圓柱體。模塊的外罩可包含向該模塊提供進料溶液和驅(qū)動溶液的入口以及用于從該模塊中抽取產(chǎn)物流的出口。在一些實施方式中，該外罩可提供至少一個用于容納或儲存待引入該模塊或待從該模塊中抽取的流體的儲器或室。在至少一個實施方式中，該外罩可以是絕緣的。

根據(jù)一個或多個實施方式，正向滲透膜模塊通常可被構(gòu)造和布置成使第一溶液和第二溶液分別與半透膜的第一側(cè)和第二側(cè)接觸。雖然第一溶液和第二溶液可保持不流動，但優(yōu)選第一溶液和第二溶液均通過橫向流(cross flow)(即，與半透膜表面平行的流)引入。這通常可增加沿著一個或多個流體流動路徑的膜接觸表面積，從而增加正向滲透工藝的效率。在一些實施方式中，第一溶液和第二溶液可在相同方向上流動。在其它實施方式中，第一溶液和第二溶液可在相反方向上流動。在至少一些實施方式中，在膜表面的兩側(cè)上可存在類似的流體動力學(xué)。這可通過將所述一個或多個正向滲透膜策略性地集成在模塊或外罩中來實現(xiàn)。

根據(jù)一個或多個實施方式，可回收驅(qū)動溶質(zhì)以重復(fù)使用。分離系統(tǒng)可從稀釋的驅(qū)動溶液中氣提(strip)溶質(zhì)，以產(chǎn)生大體上不含所述溶質(zhì)的產(chǎn)物水。在一些實施方式中，分離系統(tǒng)可包含蒸餾塔或其它熱回收機構(gòu)或機械回收機構(gòu)。驅(qū)動溶質(zhì)隨后可例如通過回收系統(tǒng)返回至濃縮的驅(qū)動溶液?？蓪怏w溶質(zhì)冷凝(condensed)或吸收以形成濃縮的驅(qū)動溶液。吸收器可使用稀釋的驅(qū)動溶液作為吸收劑。在其它實施方式中，產(chǎn)物水可被用作用于全部或部分吸收來自溶質(zhì)回收系統(tǒng)的氣體流的吸收劑。包含分離系統(tǒng)/回收系統(tǒng)的不同的滲透驅(qū)動系統(tǒng)的實例在下列文獻中有所描述：美國專利No.6,391,205和No.8,002,989；以及美國專利公布No.2011/0203994、No.2012/0273417、No.2012/0267306、No.2012/0267307和No.2012/0067819；以及美國專利公布No.2014/0224718，將這些文獻的全部公開內(nèi)容以引用的方式并入本文。

圖1描述了滲透驅(qū)動膜系統(tǒng)10，該系統(tǒng)利用一個或多個正向滲透模塊12a、12“n”(整體表示為12，其中“n”表示可包含在系統(tǒng)10的任何具體實施方式中的幾乎無限數(shù)量的模塊(即階段(stages)))，這些正向滲透模塊可串聯(lián)或并聯(lián)布置，以適合特定應(yīng)用。如圖1所示，正向滲透模塊12串聯(lián)布置并與分離/回收系統(tǒng)39流體連通。在一些實施方式中，系統(tǒng)10包含2至10個階段、更具體地4至6個階段。通常，將正向滲透模塊12構(gòu)造用于與上文并入的申請和專利所述的那些類似并與其類似地工作。此外，分離/回收系統(tǒng)39與并入的專利和專利申請所述的那些類似。僅描述了一個分離/回收系統(tǒng)39；然而，可使用多個系統(tǒng)39以適合特定應(yīng)用(例如，針對串聯(lián)或并聯(lián)中的各正向滲透模塊12或者多個系統(tǒng)/階段對單個系統(tǒng)39的尺寸進行設(shè)計并鋪設(shè)管道(plumbed))。如下面更詳細地描述的，所述系統(tǒng)還包含澄清池32和相關(guān)部件，其與正向滲透模塊12流體連通，用于處理濃縮的進料溶液14”(例如殘余鹽水)。系統(tǒng)10通常包含各種流體傳遞裝置(例如泵、能量回收裝置)、閥門、傳感器(具有或不具有視覺指示器(例如計量儀或狀態(tài)燈))和相關(guān)管道設(shè)備(plumbing)，以進行各種工藝。為清楚起見，可將其中一些泵、閥門等從附圖中省略。

系統(tǒng)10的基本操作按如下所述進行：將進料流14引入被半透膜分成第一室或側(cè)和第二室/側(cè)的第一正向滲透模塊12a中。將進料流14引導(dǎo)至各連續(xù)的正向滲透模塊12a、12n，并作為濃縮的進料流14”離開最后一個模塊12n。選擇正向滲透模塊12的具體數(shù)量和布置以適合特定應(yīng)用(例如，進料流的起始濃度和所需終濃度、通量和流速等)，并且可包含串聯(lián)和/或并聯(lián)布置的任意數(shù)量的模塊。例如，可將正向滲透模塊的多個平行對串聯(lián)布置。在圖1所示的實施方式中，將濃縮的驅(qū)動溶液16引入串聯(lián)的正向滲透模塊12中的最后一個模塊12n，并引入與進料流14相對的膜的一側(cè)，從而隨著驅(qū)動溶液16被引導(dǎo)通過連續(xù)的模塊12，在進料流14和驅(qū)動溶液16之間提供橫向流。然而，可在進料流14被首先引入時將濃縮的驅(qū)動溶液16首先引入同一模塊12a，和/或可同時(即，平行)引入多個階段以適合特定應(yīng)用。此外，可根據(jù)需要對各種流/溶液進行調(diào)節(jié)/分割，以根據(jù)需要實現(xiàn)最優(yōu)的滲透壓差，從而維持所需的跨膜通量。

當(dāng)進料流14通過各正向滲透模塊12時，該進料流變得更濃縮，而前述濃縮的進料流14”從最終的正向滲透模塊12n排放。當(dāng)濃縮的驅(qū)動溶液16通過各連續(xù)的正向滲透模塊12時，由于溶劑穿過膜從進料流進入驅(qū)動溶液，該濃縮的驅(qū)動溶液16被稀釋；將稀釋的驅(qū)動溶液16”從“第一”正向滲透模塊12a排放。通常，將濃縮的進料流14”丟棄或送去進一步處理，同時將稀釋的驅(qū)動溶液16”引導(dǎo)至分離/回收系統(tǒng)39，以回收驅(qū)動溶質(zhì)/使驅(qū)動溶液再濃縮并回收產(chǎn)物溶劑(例如，水)48。備選地或額外地，如下面更詳細地描述的，離開各正向滲透模塊12的更濃縮的進料流的一部分可被重新引導(dǎo)回初始進料流14并與其混合、根據(jù)需要引導(dǎo)至后續(xù)正向滲透模塊12以維持最優(yōu)的跨膜滲透壓差、和/或在模塊12內(nèi)再循環(huán)。

通常，當(dāng)操作串聯(lián)布置的模塊12時，如圖1所示以及上文所述的，通常希望以進料流14和驅(qū)動溶液16的橫向流來進行操作，從而使得進料流在流經(jīng)模塊12時濃度提高以及驅(qū)動溶液在流經(jīng)模塊12時濃度降低。這種布置導(dǎo)致在模塊12a中跨過膜的濃度最小的進料流對著濃度最小的驅(qū)動溶液，并且在模塊12n中跨過膜的濃度最大的進料流對著濃度最大的驅(qū)動溶液。這產(chǎn)生跨過所有模塊12的最優(yōu)滲透壓差。

圖1示出的正向滲透模塊12包含槽13a、13n，所述槽被構(gòu)造用于接收進料流14、14’，并容納一個或多個膜盒組件(membrane cassette assemblies)18a、18n。通常，膜盒18包含多個平面膜，所述平面膜以板框式構(gòu)造(然而其它構(gòu)造也在本發(fā)明的設(shè)想和考慮范圍內(nèi))布置并至少部分地浸沒在槽13中。然而，在一些實施方式中，膜盒被獨立包含在具有必要入口和出口的外罩內(nèi)。通常，盒18包含膜之間(例如膜活性層之間)的通道，進料流14、14’從所述通道通過(例如被泵送通過)。盒18包含額外的交替(alternating)通道(例如在膜支撐層之間)，濃縮的驅(qū)動溶液16、16’從所述通道通過(例如在真空下汲取通過)。盒18還通常包含端板和/或歧管，用于將膜板固定在一起并向盒18提供流體入口和出口(參見圖2)。

在各種實施方式中，系統(tǒng)10包含被引導(dǎo)至各正向滲透模塊12的濃縮的驅(qū)動溶液16的源19(例如容納槽)。備選地或額外地，各正向滲透模塊12可包含鄰近膜槽13的驅(qū)動溶液槽17a、17n。在一些實施方式中，驅(qū)動溶液槽17用于向模塊12提供足夠流量的驅(qū)動溶液并從模塊12提供足夠流量的驅(qū)動溶液(例如用于啟動(priming)模塊12)，或用于提供足夠的體積，以允許使從另一階段12進入槽17的濃縮的驅(qū)動溶液16、16’以及離開模塊12并被返回至槽17的稍不濃縮的驅(qū)動溶液混合。在一些實施方式中，槽17包含多個室，例如，用于將更濃縮的驅(qū)動溶液引入模塊12的一個室以及用于將稀釋的驅(qū)動溶液傳遞至下一模塊/階段12的第二室。在其它實施方式中，槽17以正向滲透模塊12將濃縮的驅(qū)動溶液和較不濃縮的驅(qū)動溶液直接交換。例如，槽17從模塊12n的槽17n接收濃縮的驅(qū)動溶液16’(例如經(jīng)由泵和適當(dāng)?shù)拈y門和控制器)，濃縮的驅(qū)動溶液被從槽17引導(dǎo)至模塊12，稍不濃縮的驅(qū)動溶液離開模塊12并被返回至槽17(例如在真空下)，最終，較不濃縮的驅(qū)動溶液(在模塊12a(即第一模塊)的情況下的稀釋的驅(qū)動溶液16”)離開槽17，并被引導(dǎo)至系統(tǒng)10的下一階段12或被引導(dǎo)至分離系統(tǒng)39(如果作為最終的稀釋的驅(qū)動溶液16”離開)。通常，在槽17和模塊12之間交換的驅(qū)動溶液的濃度水平相對較低，在槽17內(nèi)混合對可由驅(qū)動溶液產(chǎn)生的滲透壓并不會產(chǎn)生任何顯著的影響。

作為各個正向滲透模塊12的部分或作為各FO階段之間的線路(circuitry)的部分，系統(tǒng)10包含再循環(huán)系統(tǒng)20a、20n。各再循環(huán)系統(tǒng)20可包含水力旋流器線路23a、23n。如圖1所示，進料流14在壓力下(例如泵送或重力供給)進入第一階段，到達正向滲透模塊槽13的頂部。存于在進料流14中的溶劑的一部分流經(jīng)膜并將濃縮的驅(qū)動溶液16’稀釋。同時，再循環(huán)系統(tǒng)20從槽13的底部汲取進料的一部分并將該濃度略高的進料返回至槽13的頂部。通常，不管進料流的狀態(tài)，連續(xù)操作再循環(huán)系統(tǒng)20以防止固體在槽17內(nèi)沉降，沉降可能危及整個系統(tǒng)10的操作。進入正向滲透模塊12并被再循環(huán)通過正向滲透模塊12的進料流體積將導(dǎo)致更濃縮的進料流14’的至少一部分溢流到下一正向滲透模塊12n。通常，再循環(huán)系統(tǒng)20包含將進料流的一部分從槽的底部移動到頂部所需的泵(或其它壓力傳遞裝置)和管道設(shè)備；然而，在一些實施方式中，再循環(huán)系統(tǒng)20可使進料從槽13的頂部循環(huán)至底部或在階段之間循環(huán)。在一些實施方式中，將再循環(huán)系統(tǒng)20全部去除。在一些實施方式中，溢流進料路線(overflow feed(s)lines)14’是任選的，并且可經(jīng)由再循環(huán)系統(tǒng)20將進料流溢流的全部或任何部分引導(dǎo)至后續(xù)模塊/階段12，無需溢流進料路線14’。

另外，再循環(huán)系統(tǒng)20可根據(jù)需要包含閥門和傳感器，以控制系統(tǒng)20的操作。例如，再循環(huán)系統(tǒng)20內(nèi)或正向滲透模塊12本身內(nèi)的傳感器可發(fā)出需要操作再循環(huán)系統(tǒng)20的信號，并根據(jù)需要開啟泵和/或開/關(guān)閥門。此類事件可在系統(tǒng)被啟動并已達到操作穩(wěn)定狀態(tài)之后發(fā)生，且操作者/系統(tǒng)想要維持一定的進料組成。另外，再循環(huán)系統(tǒng)20可用于保持溶液中的固體(參見下文所討論的晶種漿液)、產(chǎn)生剪切力以在膜表面上降低或消除結(jié)垢/積垢、將額外物質(zhì)引入進料(例如經(jīng)閥門和端口布置引入晶種或阻垢劑)、以及控制從進料流14和/或特定階段12除去溶劑的速度。例如，通過控制通過盒18的流速，可控制溶劑流經(jīng)膜的速度(例如，可采用“溫和的”方式，通過以比驅(qū)動溶液被抽拉過盒18更高的速率經(jīng)由盒18回收進料，來將溶劑抽拉出系統(tǒng))?！皽睾偷亍背ト軇﹨f(xié)助維持了通過盒通道的晶種/固體均勻性，這降低了固體在膜表面上的結(jié)塊。在一些實施方式中，再循環(huán)系統(tǒng)還用于將進料流14引入模塊12a，例如，可使進料與再循環(huán)系統(tǒng)20直接連接，以簡化管道。

在例如其中將晶種添加至正向滲透模塊12以控制進料流14內(nèi)各種溶質(zhì)內(nèi)的行為和/或積垢的一些實施方式中，再循環(huán)系統(tǒng)20可包含水力旋流器線路23a、23n，然而還可將水力旋流器線路23用于處理進料流14內(nèi)的固體(例如，在不進行預(yù)處理的情況中)。在一些實施方式中，滲透驅(qū)動膜系統(tǒng)10可包括晶種的使用(例如在進料溶液中)，以增強系統(tǒng)10的操作。通常，如在并入的參考文獻和2014年11月19日提交的美國專利申請No.14/547,299(由此將其全部公開內(nèi)容以引用的方式并入本文)中更詳細描述的，晶種的添加將使進料溶液14轉(zhuǎn)變成晶種漿液。根據(jù)其中的滲透驅(qū)動膜系統(tǒng)10對添加到進料溶液14中以產(chǎn)生晶種漿液的晶種進行操作的實施方式，可將晶種添加至進料/漿液，以幫助控制系統(tǒng)10內(nèi)漿液的行為。例如，晶種將充當(dāng)溶液中其它溶質(zhì)的備選成核點，以例如防止這些溶質(zhì)在膜表面積垢、從溶液沉降出來或負面地影響系統(tǒng)性能。在各種實施方式中，將晶種直接添加至進料流14或經(jīng)由再循環(huán)系統(tǒng)20添加至進料。

另外，可將晶種添加至串聯(lián)中的各正向滲透模塊階段12或添加至各種組合的階段。例如，在一個實施方式中，將晶種添加至系統(tǒng)的第二階段和最后一個階段。通常，引入量和順序?qū)兓赃m合特定應(yīng)用。還可對晶種的大小和組成進行選擇以適合特定應(yīng)用，在一些實施方式中，如本文所討論的，晶種可以是可回收重復(fù)使用的。在一個實施方式中，晶種包括硫酸鈣(CaSO₄)。備選地或額外地，晶種材料可包括在進料流14中發(fā)現(xiàn)的物質(zhì)。在一個或多個實施方式中，將晶種與分散劑組合添加。通常，可對晶種體積進行選擇以符合特定的進料化學(xué)。所需要的晶種材料(在一些實施方式中，還有分散劑材料)的量通常不依賴于進料流14的體積或流速。在各種實施方式中，可以約40g晶種材料每200mg分散劑的劑量添加晶種(200:1的比例)；然而，在本發(fā)明的范圍內(nèi)還設(shè)想和考慮其它量和比例(例如50:1至500:1)，以適合特定應(yīng)用。

通常，水力旋流器部24a、24n用于控制特定正向滲透模塊12內(nèi)的固體大小和停留時間。水力旋流器線路23a、23n用于將各階段產(chǎn)生的適量固體(通常具有一定量的澄清溶劑或部分進料流)給料/運送到系統(tǒng)10中的后續(xù)階段。典型的水力旋流器包含入口以及至少一個溢流端口和底流端口(underflow port)，對水力旋流器的尺寸進行設(shè)計以基于固體的大小/重量將固體分離。如在圖1的系統(tǒng)10中所使用的，水力旋流器線路23控制和維持槽13中的固體濃度水平。通常，對水力旋流器24的尺寸進行設(shè)計，以使得在最佳情況下，全部進料固體經(jīng)由底流路線27返回至槽13。理想地，水力旋流器線路23將在槽13中維持約1％至約30％、優(yōu)選約2％至約20％、更優(yōu)選約4％至約10％的固體濃度水平。水力旋流器24還將具有高鹽度但缺乏固體的進料的一部分傳遞到系統(tǒng)10中的下一階段12。此外，可有區(qū)別地對用于各正向滲透單元的水力旋流器線路23的尺寸和構(gòu)造進行設(shè)計，以在不同的模塊/階段12中維持不同的固體濃度。例如，在一些實施方式中，當(dāng)模塊處于串聯(lián)取向時，在后續(xù)正向滲透模塊12中維持增加的濃度水平可能是有益的。

在正常操作中，經(jīng)由再循環(huán)系統(tǒng)20從槽13的底部(或與其鄰近的區(qū)域)抽取進料14的一部分，該再循環(huán)的進料26a、26n的一部分被引導(dǎo)至水力旋流器24的入口。備選地，水力旋流器線路23可獨立于再循環(huán)系統(tǒng)20之外。一定量的再循環(huán)的進料和固體(例如較重/較大的固體)經(jīng)由水力旋流器24的底流端口27a、27n離開，并被直接或經(jīng)由再循環(huán)系統(tǒng)20引導(dǎo)回槽13。再循環(huán)的進料和固體的剩余部分(主要為具有一些較輕/較小固體的更濃縮的鹽水)離開溢流端口28a、28n。溢流28的至少一部分被直接或經(jīng)由溢流進料流14’引導(dǎo)至下一階段12。在一些實施方式中，溢流的一部分還經(jīng)由例如該路線中的三通或三通閥30a、30n被重新引導(dǎo)回槽13。閥門30可用于控制被引導(dǎo)至下一階段和/或返回當(dāng)前階段12的固體和進料的量和流速，這能夠允許操作者控制系統(tǒng)10的操作。水力旋流器線路23還允許操作者控制被引入或通過特定階段的晶種/固體的大小。

如以前所討論的，水力旋流器線路23控制槽13中的固體濃度，這是基于水力旋流器24的故障或繞繩點(failure or roping point)實現(xiàn)的。如果濃度水平太低，水力旋流器將大體上所有固體引導(dǎo)回槽13。如果濃度水平太高，水力旋流器將過量固體引導(dǎo)通過溢流28并到達系統(tǒng)10的下一階段12，這轉(zhuǎn)而將通過使用其水力旋流器線路23n來控制其槽13n中的固體濃度。此外，在正常操作中，大體上所有固體都應(yīng)返回至槽中，直到達到所需固體濃度(例如，約4％-10％)，過量固體將離開溢流端口28。如圖1所示，可經(jīng)由三通或閥門30將溢流成比例地運送至下一階段和當(dāng)前階段。水力旋流器線路23的額外實施方式包含可用于除去大量固體和/或?qū)㈩~外固體轉(zhuǎn)移到任何后續(xù)階段12的任選的排放管道(blow down)或旁通31a、31n。在一個或多個實施方式中，系統(tǒng)10監(jiān)測任何特定模塊12的通量率并響應(yīng)于該通量率調(diào)節(jié)特定模塊12中的固體濃度水平。例如，如果系統(tǒng)10感測到正向滲透模塊12a中的通量率下降，這可能是槽13a中的固體濃度太高的指示，系統(tǒng)控制器可在該點致動旁通31a，以降低槽13a中的固體濃度。可將繞過的固體引導(dǎo)至后續(xù)模塊12、返回至進料流14和/或丟棄。

在最后一個正向滲透模塊/階段12n之后，將殘余鹽水14”(即濃縮的進料)引導(dǎo)至澄清池32。通常，澄清池32是系統(tǒng)10的最終階段，在此處可從固體除去鹽水并可調(diào)整固體的處理。通常，如下所述，澄清池32可通過例如回收晶種材料來降低系統(tǒng)的化學(xué)需求。在各種實施方式中，可允許固體在澄清池32內(nèi)沉降出或稠化，而可從系統(tǒng)10除去固體較少的鹽水60?？蓪Ⅺ}水60回收回進料流14、送去進一步處理或以其它方式丟棄。在一些實施方式中，系統(tǒng)10包含壓濾機58，其可用于從固體除去額外的溶劑/鹽水，留下淤渣(sludge)。系統(tǒng)10還可包含用于回收或以其它方式修復(fù)(reconditioning)固體內(nèi)的任何晶種材料的裝置38。在一個實施方式中，裝置38包含用于從固體廢物分離晶種材料的研磨機或壓機?？蓪⒕ХN材料回收回(路線62)進料流14、任何特定的正向滲透模塊12，或儲存用于以后重復(fù)使用。可將剩余淤渣送去進一步處理或以其它方式丟棄。

在一些實施方式中，澄清池32還與最后一個階段的水力旋流器線路23n流體連通。最后一個階段的水力旋流器線路23n的操作與以前就早期階段所描述的本質(zhì)上相同。水力旋流器24n連同澄清池32為系統(tǒng)10的自動液壓平衡提供了散狀固體管理。通常，澄清池32內(nèi)的液面將在系統(tǒng)10的操作期間變化。為了解決系統(tǒng)中的低液面，水力旋流器24n的溢流路線30n可包含彎部(jog)34，以設(shè)定在前的槽的液面。通過將彎部34的液面設(shè)定為不高于槽13的上邊緣，槽13將保持被填充，而只有當(dāng)處于最大液面時，鹽水才流向澄清池32。通過使各模塊12相對于進料流的暴露時間和膜表面積最大化，該布置能夠使各模塊12的效率最大化。

如以前所述的，系統(tǒng)10包含與一個或多個分離系統(tǒng)39流體連通的一個或多個正向滲透模塊12(例如，串聯(lián)和/或并聯(lián)布置以適合特定應(yīng)用的多個單元)。在各種實施方式中，分離系統(tǒng)包含全部處于各種狀態(tài)的流體連通的一個或多個納米過濾/超濾單元40、一個或多個反向滲透單元42以及任選的額外的水回收系統(tǒng)46(例如膜蒸餾單元)。分離系統(tǒng)39還可包含鹽水制造機56。分離系統(tǒng)39包含所有必需的閥門、泵、管道、傳感器、控制器等，以適合特定應(yīng)用。

通常，分離系統(tǒng)39包含納米過濾(NF)或超濾(UF)單元40以及反向滲透單元42，納米過濾(NF)或超濾(UF)單元40用于初始處理稀釋的驅(qū)動溶液16”的至少一部分，反向滲透單元42用于處理經(jīng)NF/UF單元40處理的稀釋的驅(qū)動溶液52、由正向滲透單元12直接輸出的稀釋的驅(qū)動溶液16”或兩者。單元40、42任一者或兩者中的一個或多個可根據(jù)需要串聯(lián)和/或并聯(lián)布置，以適合特定應(yīng)用。系統(tǒng)39可任選地包含膜蒸餾單元46或其它熱/機械回收系統(tǒng)，用于額外濃縮驅(qū)動溶液和/或回收額外的產(chǎn)物水。

在一個或多個實施方式中，稀釋的驅(qū)動溶液16”可包含選擇性地滲透過FO膜的一種或多種溶質(zhì)(例如鈣離子(Ca²⁺)、鎂離子(Mg²⁺)或各種硫酸鹽、磺酸鹽)或一般其它難溶(sparingly soluble)無機溶質(zhì)或有機組分。可將稀釋的驅(qū)動溶液16”的至少一部分(包括滲透的溶質(zhì))引導(dǎo)至NF/UF單元40。在一些實施方式中，部分取決于稀釋的驅(qū)動溶液16”、52的條件/化學(xué)組成，稀釋的驅(qū)動溶液的全部或一部分可經(jīng)由旁通線路44(閥門布置44a和路線44b)繞過NF/UF單元40，并被直接送至反向滲透單元42。在一些實施方式中，旁通閥門布置44a可包含可對到達NF/UF單元40和/或反向滲透單元42的稀釋的驅(qū)動溶液16”的部分進行計量的三通閥。備選地，多個閥門可用于選擇性地將稀釋的驅(qū)動溶液16”或其部分引導(dǎo)至適當(dāng)?shù)奶幚砉に嚒?/p>

通常，NF/UF膜41是允許至少絕大部分驅(qū)動溶質(zhì)(例如NaCl)通過、同時阻擋至少絕大部分滲透的溶質(zhì)的“松的”NF膜(或者也許是“緊的”UF膜)。通常，排斥率僅為約30％的膜41是可接受的(例如，如果使用NaCl驅(qū)動溶質(zhì)，那么優(yōu)選0％-20％的排斥率)，盡管考慮到所希望的排斥率將取決于各種系統(tǒng)條件(例如，溶液化學(xué)、操作參數(shù)和環(huán)境條件)而變化。在一個或多個實施方式中，包含單價化合物(例如NaCl)的驅(qū)動溶質(zhì)更容易通過NF膜41，它們可在反向滲透單元42中被濃縮以用作濃縮的驅(qū)動溶液16，而二價或多價化合物(例如Ca²⁺、硫酸鹽)或有機化合物被膜41排斥并返回到進料流14。這些溶質(zhì)可經(jīng)由路線37被引導(dǎo)至系統(tǒng)進料14，該路線可包含任意必需的泵、閥門、傳感器和控制器等，以將溶質(zhì)返回到進料14。在一個或多個實施方式中，僅約10％的稀釋的驅(qū)動溶液16”被引導(dǎo)至NF/UF單元40，其與溶質(zhì)排放工藝的作用類似，以除去可能在驅(qū)動溶液中積累的至少一部分不希望的溶質(zhì)和/或協(xié)助正向滲透模塊12的進料側(cè)和驅(qū)動側(cè)之間的離子平衡，從而消除對單獨的排放線路的需要。在一個實施方式中，三通閥35用來將NF單元滯留物的至少一部分經(jīng)由路線37返回到進料流14和/或?qū)⒃摐粑锏囊徊糠肿鳛榕懦鑫锝?jīng)由出口36排放，可針對適當(dāng)?shù)奶幹脵C制對出口36鋪設(shè)管道。

另外，分離系統(tǒng)39/旁通線路44可包含裝置50(例如，具有或不具有槽、計量/混合裝置等的端口和閥門布置)，以在處理之前將一種或多種添加劑引入稀釋的驅(qū)動溶液16”中。在一些實施方式中，分散劑(例如，木質(zhì)素磺酸鈉)可以在NF/UF單元40之前添加到稀釋的驅(qū)動溶液16”中，以促進將添加劑引入進料流14，因為至少絕大部分添加劑將被NF/UF膜排斥，使得其與不希望的溶質(zhì)返回到進料中。在一些實施方式中，添加劑可在被引導(dǎo)至進料流14之前降低或消除NF/UF膜的結(jié)垢或積垢。備選地或額外地，引入裝置50可用來將其它添加劑(例如，阻垢劑、阻蝕劑、絡(luò)合劑、分散劑、多價螯合劑(sequestrants)、淤渣調(diào)理劑或淤渣抑制劑)引入系統(tǒng)10的其它區(qū)域。系統(tǒng)10可包含用于將額外的驅(qū)動溶質(zhì)引入驅(qū)動溶液的類似裝置。在一些實施方式中，這些裝置包括鹽水制造機56(例如，其中主要驅(qū)動溶質(zhì)是NaCl)，以替換可能已反向流經(jīng)FO膜或已在驅(qū)動溶液回收工藝中丟失的任意溶質(zhì)。通常將這些裝置56置于鄰近濃縮的驅(qū)動溶液被引入正向滲透模塊12的地方；然而，也可以是其它位置以適合特定應(yīng)用。在一個實施方式中，鹽水制造機56包含用于引入驅(qū)動溶質(zhì)的裝置57(例如，端口和閥門布置)和用于引入溶劑48”的類似裝置，以用于制造鹽水/驅(qū)動溶液16’”。也可向鹽水制造機56添加其它物質(zhì)，以進一步調(diào)節(jié)驅(qū)動溶液的條件，例如添加酸(例如檸檬酸、硫酸、鹽酸或乙二胺四乙酸(EDTA))以降低驅(qū)動溶液的pH。其它物質(zhì)包含可反向流經(jīng)膜以降低/消除膜活性層上的積垢的螯合劑或表面活性劑。在一些實施方式中，溶劑48”是從分離系統(tǒng)39回收的溶劑48的一部分。

在反向滲透單元42中對稀釋的驅(qū)動溶液16”、52進行加壓(例如，經(jīng)由泵)以迫使溶劑通過膜43。這一產(chǎn)物溶劑48可作為例如可以按原樣使用的產(chǎn)物水從反向滲透單元40被除去、丟棄、送去進一步處理或用作集成系統(tǒng)內(nèi)的熱傳導(dǎo)流體。遺留在反向滲透單元42滯留側(cè)的驅(qū)動溶液現(xiàn)在是重新濃縮的驅(qū)動溶液54，并可被原樣送回到正向滲透模塊12，或者根據(jù)需要送去進一步處理以使驅(qū)動溶液進一步濃縮和/或回收額外的產(chǎn)物溶劑，以適合特定應(yīng)用。如圖1所示，離開反向滲透單元40的濃縮的驅(qū)動溶液54被引導(dǎo)至任選的膜蒸餾單元46以用于進一步濃縮，產(chǎn)生額外的產(chǎn)物水48’和最終的濃縮的驅(qū)動溶液16。

圖2描述了正向滲透模塊12中使用的盒組件18的一種可能的構(gòu)造。如圖2所示，盒18包含多個板102，膜片104附接至各板102的每一側(cè)。通常，對膜片104進行定向，以使得膜片的活性層以交替的方式面向彼此，板厚度限定了穿過其中的進料通道106。由于板102和膜片104以這種交替的方式布置，膜片的支撐層也將面向彼此并在它們之間形成驅(qū)動通道(draw channels)108。通常，將汲取屏(draw screen)或間隔物110設(shè)置在膜片104的支撐層之間，以幫助維持驅(qū)動通道108的完整性。在驅(qū)動溶液在真空下被汲取通過模塊12、同時進料流在正壓下被引入時尤其如此。

同樣如圖2所示，盒18包含在盒18的一端上的端板112和歧管布置114；然而，第二歧管布置還可位于盒18的相對端，和/或歧管布置可消除對端板的需要。通常，圖2所示的盒18是開放型的板框式構(gòu)造，歧管布置114為驅(qū)動溶液提供入口116和出口118。進料流將流經(jīng)開放的進料通道106，因為盒18將至少部分地浸沒在槽13內(nèi)。在備選的實施方式中，例如在盒18被完全封閉的情況下，在盒18中提供額外端口(例如，經(jīng)由第二歧管布置)，以用于從盒18/模塊12引入和除去進料流。在所示的實施方式中，盒18用連接桿120進行組裝；然而，在本發(fā)明的范圍內(nèi)設(shè)想和考慮用于將板固定的其它機械裝置。

在一些實施方式中，正向滲透模塊12中的一個或多個可包括幫助從進料除去有機材料的電凝能力。例如，可將盒18修改為包含電鍍板(electroplates)122。如圖2所示，可將電鍍板122設(shè)置在膜板框式組件的端部，例如，在最后一個膜與盒端板和/或歧管之間；然而，也可以使電鍍板位于盒18(或系統(tǒng)整體)內(nèi)的任何位置，以適合特定應(yīng)用。通常，可包含犧牲電鍍板(sacrificial electroplates)，以將例如鐵(Fe)或鋁(Al)離子作為配體(即螯合劑)引入第一溶液。此外，可將電鍍板122添加到任一個或全部的正向滲透模塊12/盒18中。在一個實施方式中，將電鍍板122設(shè)置在第一盒18a內(nèi)，離子吸引并結(jié)合至長有機鏈，從而除去或至少減少傳遞到隨后階段12n的有機物。備選地，可將犧牲板附接至其完整性不會受到損害的槽壁或其它表面或部件。

圖3描述了系統(tǒng)110，該系統(tǒng)與就圖1所述的類似，但在鹽水160和固體159管理中有所差異(例如未使用水力旋流器系統(tǒng))。與圖1類似，系統(tǒng)110包含一個或多個正向滲透模塊112(可包含一個或多個進料槽113和膜盒118)(與上述系統(tǒng)的操作類似)。如圖所示，將進料流114引入FO模塊112中的膜的一側(cè)，同時將濃縮的驅(qū)動溶液116引入膜的相對側(cè)，并將濃縮的進料流114’和稀釋的驅(qū)動溶液116’從各FO模塊112輸出。如上文就圖1所述的，在具有多個模塊112的系統(tǒng)110中，驅(qū)動溶液和進料流將在各個模塊112之間通過。如上所述，在離開最后一個模塊112之后，稀釋的驅(qū)動溶液116’將被引導(dǎo)至分離系統(tǒng)(為了清楚起見未示出)。在一些實施方式中，如下面更詳細地描述的，可將濃縮的進料114’或其部分在最終模塊112n之后從系統(tǒng)110除去，并引導(dǎo)至脫水子系統(tǒng)161。然而，在一些實施方式中，可將來自模塊112之間的階段間進料的一部分單獨地或與任何其它進料流114、114’、114”組合引導(dǎo)至脫水子系統(tǒng)161。除了進一步使最終的濃縮的進料脫水之外，脫水子系統(tǒng)161還可根據(jù)需要用于例如操縱進料流濃度或除去/減少階段間的TSS。

如圖3進一步所示，各模塊112可包含用于使槽113內(nèi)的進料114通氣的裝置。在具體的實施方式中，通氣裝置147包含設(shè)置在鄰近槽113底部并與泵149或用于將空氣引入進料的類似裝置流體連通的穿孔管151(或用于引入空氣、特別是在壓力下引入氣泡或溶解的空氣的其它裝置)。通常，根據(jù)需要操作通氣系統(tǒng)147(盡管它可以設(shè)定的間隔/持續(xù)時間和/或根據(jù)特定的方案或感測條件運行)，以在槽113內(nèi)產(chǎn)生迫使積垢或其它污染物離開各個膜表面的氣泡。通常，在引入模塊之前，不對進料114進行預(yù)處理，因此進料114可能含有高水平的總懸浮固體(TSS)，該固體趨向于在膜表面上聚集。通常，膜能夠通過脫落行為(sloughing behavior)自我除去石膏積垢形成物(gypsum scale formations)，環(huán)境壓力下的操作條件(即，在正向滲透模式中，從而使得積垢材料不在膜表面上被壓實和脫水)使所述脫落行為成為可能。一旦脫落，這些積垢形成物被通氣系統(tǒng)147分解成更小的顆粒，并被迫進入FO槽113中的懸浮液(即，懸浮固體)，直到它們被引導(dǎo)至脫水子系統(tǒng)161。在一些實施方式中，根據(jù)需要操作通氣系統(tǒng)147以加速積垢的脫落。例如，系統(tǒng)110中的各種傳感器可指示積垢已形成到肯定需要除去的程度(例如，通量下降、驅(qū)動溶液電導(dǎo)率增加等)，這轉(zhuǎn)而觸發(fā)操作條件的改變(例如，給通氣子系統(tǒng)通電、增加進料流流速等)。空氣的引入導(dǎo)致膜表面得到?jīng)_洗，這使得固體159從膜表面脫落并在槽113內(nèi)被分解。

然后，可將這些固體159直接或作為再循環(huán)系統(tǒng)120的一部分(例如，與再循環(huán)的進料114”的一部分一起)引導(dǎo)至包含壓濾機158的脫水子系統(tǒng)161。如圖3所示，系統(tǒng)110包含用于將各種工藝流引導(dǎo)至系統(tǒng)110的不同區(qū)域的一系列任選路徑。例如，系統(tǒng)110包含上述再循環(huán)系統(tǒng)120，其被構(gòu)造用于使進料流114”在槽113內(nèi)再循環(huán)。再循環(huán)系統(tǒng)120包含泵145a和一個或多個閥門144，用于引導(dǎo)再循環(huán)的進料114”的流動。在具體實施方式中，系統(tǒng)120包含旁通線路126，用于將其中的進料114”和任何固體159經(jīng)由閥門144d和泵145b引導(dǎo)至壓濾機158。在一個或多個實施方式中，系統(tǒng)110包含另一旁通線路131，用于將濃縮的或溢流進料114’的一部分例如經(jīng)由閥門144b、144c和泵145b引導(dǎo)至壓濾機158。在各種實施方式中，將濃縮的進料114’的全部或僅一部分單獨地或與再循環(huán)旁通流126組合引導(dǎo)至壓濾機158。通常，將濃縮的進料流114’引導(dǎo)至系統(tǒng)中的后續(xù)FO模塊，或者如果在最終FO模塊處，則將其送去進一步處理(例如，經(jīng)由壓濾機158)或丟棄。通常，如本行業(yè)所公知的，本文所公開的各種閥門可本質(zhì)上是截留閥和方向閥的任意組合，并且通常是能夠在各種子系統(tǒng)、線路和模塊之間控制多個流的多向閥。另外，系統(tǒng)110還包含所有必需的閥門、泵、傳感器、管道等以適合特定應(yīng)用，根據(jù)需要包含任意數(shù)量和布置的閥門和路線，以完成任何特定的線路或子系統(tǒng)。

通常，壓濾機158以及必需的閥門、泵、傳感器等是整個脫水子系統(tǒng)161的一部分，用于處理來自晶種漿液FO工藝的具有一定范圍懸浮固體的水。如圖3所示，脫水子系統(tǒng)161與連續(xù)流動的板框式膜脫鹽系統(tǒng)(即，F(xiàn)O模塊112和相關(guān)子系統(tǒng)/線路)集成，通過提供路徑用于除去膜積垢形成物(例如固體159)和/或從鹽水-漿液流(例如濃縮的進料114’)提取額外的水，來增加/增強FO系統(tǒng)的水回收。在一些實施方式中，濃縮的流114’包含水合礦物質(zhì)，從而可能希望進行回收或至少進一步濃縮。在控制進料114”中的TSS的情況下，上述旁通線路126和通氣系統(tǒng)147可一起使用，以從膜上除去積垢形成物并將得到的固體159脫水。具體來說，如上所述地操作通氣系統(tǒng)147，以使得積垢從膜表面脫離并在槽113中被分解。然后，將固體159(即，分解的積垢)引導(dǎo)至壓濾機158以用于脫水，將額外的水155引導(dǎo)回FO模塊112(例如，路線155a)、引導(dǎo)至額外的工藝(例如，路線155b)、按原樣使用或以其它方式丟棄。如下面更詳細地描述的，可將收集的固體159除去。

在使鹽水/漿液輸出(進料114’)脫水的情況下，系統(tǒng)110可在沒有通氣系統(tǒng)147的情況下操作，濃縮的漿液經(jīng)由旁通線路131被引導(dǎo)至脫水子系統(tǒng)161，用于進一步脫水。在一些情況下，脫水子系統(tǒng)161連同連續(xù)流動的防污膜系統(tǒng)一起使用，其中，有機會從水合結(jié)晶礦物質(zhì)(例如石膏)的液體-固體懸浮液中回收額外的水，其以重量計為約21％的水?？山?jīng)由脫水子系統(tǒng)161將該水回收。子系統(tǒng)161可根據(jù)需要或根據(jù)預(yù)定方案(例如，以設(shè)定的間隔和持續(xù)時間經(jīng)由觸發(fā)的傳感器和控制系統(tǒng))連續(xù)操作。在一些實施方式中，脫水子系統(tǒng)161可與圖1的系統(tǒng)集成。

在圖3、圖4A和圖4B所描述的實施方式中，壓濾機158是包含一個或多個管的管式壓濾機，可引導(dǎo)進料流114’、114”通過該管。通常，濾管的壁165由具有適當(dāng)支撐結(jié)構(gòu)的精細織物構(gòu)成，該精細織物允許水155通過，但管內(nèi)的壓力(P)會將石膏(或其它固體)壓實到該精細織物上(參見例如圖4B)。在一個實施方式中，濾管包含設(shè)置在其內(nèi)表面上的螺旋肋163(圖4A)，用于在管內(nèi)建立向上的渦流/離心作用，以協(xié)助漿液和固體沿管向上移動。當(dāng)管直徑由于固體形成物而減小時，壓力增加，最終迫使固體159離開織物并通過管。

如圖3所示，固體159的全部或一部分可經(jīng)由泵145e和一個或多個閥門144f再循環(huán)通過壓濾機158。額外地或備選地，可將固體159的全部或一部分引導(dǎo)(例如，經(jīng)由閥門144g)至額外的工藝138或用于進一步處理的裝置，以例如回收晶種材料、沉降固體、或者將固體再循環(huán)回主進料流114。在一些情況下，可將回收的水155b的一部分引導(dǎo)至(例如，經(jīng)由泵145d和閥門144e)回收的固體并與其混合，以協(xié)助任何進一步的處理。在各種實施方式中，可允許固體159在澄清池(例如，圖1中的32)內(nèi)沉降或稠化，同時可將固體較少的鹽水160a從系統(tǒng)110除去并送去進一步處理或以其它方式丟棄。在一些實施方式中，可將鹽水160b的一部分回收回進料流14，例如經(jīng)由閥門144h、144a以及任何必需的管道設(shè)備。

根據(jù)一個或多個實施方式，本文所述的裝置、系統(tǒng)和方法通常可包含控制器，所述控制器用于調(diào)節(jié)或調(diào)整所述裝置或所述系統(tǒng)的部件的至少一個操作參數(shù)(例如但不限于致動閥門和泵)以及調(diào)節(jié)經(jīng)過滲透驅(qū)動膜模塊或特定系統(tǒng)中的其它模塊的一個或多個流體流動流的性能或特性?？刂破骺膳c至少一個傳感器電連通，所述傳感器被構(gòu)造用于檢測所述系統(tǒng)的至少一個操作參數(shù)(例如濃度、流速、pH水平或溫度)。控制器通?？杀粯?gòu)造用于產(chǎn)生控制信號，以響應(yīng)于傳感器產(chǎn)生的信號來調(diào)節(jié)一個或多個操作參數(shù)。例如，控制器可被構(gòu)造用于接收滲透驅(qū)動膜系統(tǒng)及相關(guān)聯(lián)的預(yù)處理和后處理系統(tǒng)的任何流、部件或子系統(tǒng)的條件、性能或狀態(tài)的表現(xiàn)度(representation)?？刂破魍ǔ０龠M產(chǎn)生至少一種輸出信號的算法，該輸出信號通常基于上述表現(xiàn)度中的任何一種或多種以及目標(biāo)或所需值(例如設(shè)定點)。根據(jù)一個或多個具體方面，控制器可被構(gòu)造用于接收任何流的任何測定的性能的表現(xiàn)度，并產(chǎn)生控制信號、驅(qū)動信號或輸出信號到任何系統(tǒng)部件，以減小測量性能與目標(biāo)值的任何偏差。

根據(jù)一個或多個實施方式，工藝控制系統(tǒng)和方法例如可基于所檢測到的參數(shù)(包括pH值和傳導(dǎo)率)監(jiān)測各種濃度水平。還可控制工藝流流速和槽液面(tank level)?？杀O(jiān)測溫度、壓力以及其它操作參數(shù)和維護問題。例如可通過測量產(chǎn)物水流速和品質(zhì)、熱流和電能消耗來監(jiān)測各個工藝效率。例如，可通過測量通量衰減(flux decline)(由在膜系統(tǒng)中特定點下的進料溶液和驅(qū)動溶液的流速確定)來控制用于減輕生物積垢的清潔方案。在鹽水流上的傳感器可指示何時需要例如采用蒸餾、離子交換、折點氯化或類似方案進行處理。這可采用pH計、離子選擇性探針、傅里葉變換紅外光譜計(FTIR)或其它感測驅(qū)動溶質(zhì)濃度的裝置來完成?？杀O(jiān)測并追蹤驅(qū)動溶液的條件以進行溶質(zhì)的彌補添加和/或替換。同樣地，可通過傳統(tǒng)方法或用探針(例如，銨探針或氨探針)監(jiān)測產(chǎn)物水品質(zhì)?？梢詫嵤〧TIR以檢測存在的物質(zhì)種類，從而提供對于例如保證合適的工廠操作以及識別例如膜離子交換作用的行為可能有用的信息。

本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解本文所述的參數(shù)和構(gòu)造是示例性的，實際參數(shù)和/或構(gòu)造將取決于使用本發(fā)明的系統(tǒng)和技術(shù)的特定應(yīng)用。本領(lǐng)域技術(shù)人員僅利用常規(guī)實驗，也應(yīng)認識到或能確定本發(fā)明具體實施方式的等同物。因此應(yīng)理解，本文所述實施方式僅作為實例提供，且都落入所附權(quán)利要求及其等同物的范圍內(nèi)；本發(fā)明可以不同于本文具體描述的方式實施。

另外，還應(yīng)理解本發(fā)明涉及本文描述的各個特征、系統(tǒng)、子系統(tǒng)或技術(shù)以及兩種以上本文描述的特征、系統(tǒng)、子系統(tǒng)或技術(shù)的任意組合，并且，認為兩種以上特征、系統(tǒng)、子系統(tǒng)和/或方法的任意組合(如果此類特征、系統(tǒng)、子系統(tǒng)和技術(shù)沒有互相不一致)都在權(quán)利要求所述的本發(fā)明的范圍內(nèi)。此外，不應(yīng)排除僅就一種實施方式討論的動作、元素和特征在其它實施方式中的類似作用。