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滲透驅(qū)動(dòng)膜工藝和系統(tǒng)以及用于驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)回收的方法與流程

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滲透驅(qū)動(dòng)膜工藝和系統(tǒng)以及用于驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)回收的方法與流程

技術(shù)領(lǐng)域

通常,本發(fā)明涉及滲透驅(qū)動(dòng)膜工藝,更特別地涉及用于滲透驅(qū)動(dòng)膜工藝的驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)回收技術(shù)。



背景技術(shù):

通常,滲透驅(qū)動(dòng)膜工藝涉及由半透膜分隔的兩種溶液。一種溶液可為例如海水,而另一種溶液為濃溶液,以在海水與濃溶液之間產(chǎn)生濃度梯度。該梯度從海水中將水驅(qū)動(dòng)通過(guò)膜而進(jìn)入濃溶液,所述膜選擇性地允許水而不是鹽通過(guò)。逐步地,進(jìn)入濃溶液的水稀釋所述溶液。溶質(zhì)則需要從該稀釋的溶液中去除以產(chǎn)生飲用水。傳統(tǒng)上,飲用水例如經(jīng)由蒸餾而獲得,然而,溶質(zhì)通常不回收和再循環(huán)。



技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:

本發(fā)明通常涉及滲透驅(qū)動(dòng)膜系統(tǒng)和方法,例如,正向滲透(FO)、壓力延緩滲透(PRO)、滲透稀釋(OD)、直接滲透濃縮(DOC)等,并涉及用于滲透驅(qū)動(dòng)膜系統(tǒng)/工藝中的驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)回收的系統(tǒng)和方法。

在一方面,本發(fā)明涉及一種正向滲透分離工藝的方式的滲透驅(qū)動(dòng)膜工藝。所述工藝包括如下步驟:在半透膜的第一側(cè)上引入第一溶液;檢測(cè)所述第一溶液的至少一種特性;基于所述至少一種檢測(cè)特性選擇包含氨和二氧化碳的濃驅(qū)動(dòng)溶液的摩爾比;在所述半透膜的第二側(cè)上引入包含所選摩爾比的氨和二氧化碳的濃驅(qū)動(dòng)溶液,以保持穿過(guò)半透膜所需的滲透濃度梯度;促進(jìn)所述第一溶液的至少一部分流動(dòng)穿過(guò)所述半透膜,以在半透膜的第一側(cè)上形成第二溶液,并在半透膜的第二側(cè)上形成稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液;將稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液的至少一部分引入分離操作,以回收驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)和溶劑流;將所述驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)再引入半透膜的第二側(cè),以保持濃驅(qū)動(dòng)溶液中氨與二氧化碳的所選摩爾比;以及收集溶劑流。

在各個(gè)實(shí)施例中,所述分離操作包括使用吸收器,所述吸收器構(gòu)造為將驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)凝結(jié)至濃驅(qū)動(dòng)溶液中。溶劑流、稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液或濃驅(qū)動(dòng)溶液可用作吸收器中的吸收劑。吸收器可使用冷卻。在一些實(shí)施例中,所述工藝還可包括使用氣體壓縮機(jī)或蒸汽噴射機(jī)壓縮氣體流的步驟以促進(jìn)驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)再吸收至濃驅(qū)動(dòng)溶液中,所述氣體流由從稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液中分離驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)而形成,所述氣體壓縮機(jī)或蒸汽噴射機(jī)由作用在吸收液體流上的液壓驅(qū)動(dòng)。所述工藝還可包括在第一溶液上施加壓力的步驟,以提高或?qū)е峦客ㄟ^(guò)半透膜而進(jìn)入濃驅(qū)動(dòng)溶液中。所述工藝還可包括選擇具有驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)的濃驅(qū)動(dòng)溶液的步驟,所述驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)的特征在于能夠通過(guò)使用催化劑而促進(jìn)將其從溶液中去除或引入溶液中,特征在于能夠通過(guò)可再利用的物理或化學(xué)試劑而促進(jìn)將其從溶液中去除或引入溶液中,或者特征在于能夠通過(guò)電能量場(chǎng)、磁能量場(chǎng)或其他環(huán)境變化而促進(jìn)將其從溶液中去除或引入溶液中,從而增加驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)分離的敏感性以促進(jìn)驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)的去除和再利用。

在另外的實(shí)施例中,所述工藝還可包括如下步驟:檢測(cè)相對(duì)于第一溶液和濃驅(qū)動(dòng)溶液中的至少一種的體積變化,并響應(yīng)所檢測(cè)的變化而改變與半透膜相關(guān)的流動(dòng)通道以保持所需的流動(dòng)特性。在其他實(shí)施例中,所述工藝還可包括使用催化劑、試劑、可消耗再利用材料、電能量場(chǎng)或磁能量場(chǎng)來(lái)促進(jìn)驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)去除或吸收的步驟。在其他實(shí)施例中,所述工藝還可包括通過(guò)使用機(jī)械蒸氣再壓縮、熱蒸氣再壓縮、真空蒸餾、氣掃式蒸餾、滲透蒸發(fā)(pervaporation)和/或閉循環(huán)熱泵中的至少一種來(lái)降低工藝能量的步驟。所述工藝還可包括使用二氧化碳沉淀驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)以及使用氨再吸收沉淀以用于壓力延緩滲透的步驟。所述工藝還可包括將接種漿體引入第一溶液的步驟。在至少一個(gè)實(shí)施例中,所述工藝還包括在第一操作工藝中利用第一溶液中鹽的過(guò)飽和以及在返回至用于再飽和的第一操作之前在第二操作工藝中利用鹽的去飽和的步驟。

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)包括:第一室,所述第一室具有流體連接至第一溶液源的入口;第二室,所述第二室具有流體連接至濃驅(qū)動(dòng)溶液源的入口,所述濃驅(qū)動(dòng)溶液包含摩爾比為至少1:1的氨和二氧化碳;半透膜系統(tǒng),所述半透膜系統(tǒng)分隔所述第一室和所述第二室;分離系統(tǒng),所述分離系統(tǒng)流體連接所述第二室的下游,并構(gòu)造為從所述第二室接收稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液且回收驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)和溶劑流;和再循環(huán)系統(tǒng),所述再循環(huán)系統(tǒng)具有吸收器,所述吸收器構(gòu)造為促進(jìn)將驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)再引入所述第二室以保持濃驅(qū)動(dòng)溶液中氨與二氧化碳的摩爾比。在一個(gè)實(shí)施例中,所述分離系統(tǒng)包括蒸餾塔。

在一些實(shí)施例中,所述吸收器可包括填充柱。在至少一個(gè)實(shí)施例中,所述吸收器包括膜接觸器。可構(gòu)建和設(shè)置所述膜接觸器,以促進(jìn)在膜接觸器中的經(jīng)冷卻的吸收劑的并流和驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)氣體的串流。在一些實(shí)施例中,所述蒸餾塔可包括膜蒸餾設(shè)備。在一些實(shí)施例中,所述再循環(huán)系統(tǒng)還可包括在所述吸收器的下游的壓縮操作以提高驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)氣體的凝結(jié)。在至少一個(gè)實(shí)施例中,所述壓縮操作裝置包括氣體壓縮機(jī)、蒸汽噴射器或液體蒸汽噴射器。所述分離操作裝置還可包括碳固定回路以吸收和解吸驅(qū)動(dòng)溶質(zhì),所述碳固定回路構(gòu)造為完全吸收驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)氣體,并增加驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)氣體的壓力以促進(jìn)它們吸收至濃驅(qū)動(dòng)溶液中。

在一些實(shí)施例中,所述半透膜系統(tǒng)可包括浸入所述第一溶液中的膜組件,其中濃驅(qū)動(dòng)溶液流動(dòng)通過(guò)所述膜組件的內(nèi)部。在至少一個(gè)實(shí)施例中,所述半透膜系統(tǒng)具有:第一流動(dòng)通道,所述第一流動(dòng)通道與所述第一溶液相關(guān),溶劑從所述第一溶液提取,所述第一流動(dòng)通道具有漸縮的幾何形狀或流間隔物(flow spacer)的構(gòu)造,使得第一流動(dòng)通道的有效體積沿著第一流動(dòng)通道的長(zhǎng)度而減??;和第二流動(dòng)通道,所述第二流動(dòng)通道與所述濃驅(qū)動(dòng)溶液相關(guān),從所述第一溶液中提取的溶劑進(jìn)入所述濃驅(qū)動(dòng)溶液,所述第二流動(dòng)通道具有擴(kuò)張的幾何形狀或流動(dòng)間隔的構(gòu)造,使得第二流動(dòng)通道的有效體積沿著第二流動(dòng)通道的長(zhǎng)度而增加。在一些實(shí)施例中,所述半透膜系統(tǒng)包括椎體形膜組件陣列以適應(yīng)第一溶液的體積減小和濃驅(qū)動(dòng)溶液的體積增加,構(gòu)造所述錐體形膜組件陣列,使得在逆流設(shè)置中在驅(qū)動(dòng)溶液入口和進(jìn)料溶液出口的方向上存在更少的膜組件,并在進(jìn)料溶液入口和驅(qū)動(dòng)溶液出口的方向上存在更多的膜組件。

此外,所述系統(tǒng)可包括下游零液體排放或其他降低排放流操作裝置,其具有構(gòu)造為接收濃溶液的入口。所述系統(tǒng)還可包括構(gòu)造為協(xié)助汽提(strip)驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)的真空或空氣洗凈/汽提系統(tǒng)。所述系統(tǒng)還可包括構(gòu)造為汽提驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)的滲透蒸發(fā)系統(tǒng)。在一些實(shí)施例中,所述滲透蒸發(fā)系統(tǒng)可具有相對(duì)于水蒸氣對(duì)驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)氣體選擇性的膜。所述系統(tǒng)還可包括膜蒸餾系統(tǒng)以汽提驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)。在至少一些實(shí)施例中,膜可用于驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)的分離以及組件中的熱交換。在一些實(shí)施例中,可將經(jīng)回收的驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)遞送至一個(gè)或多個(gè)另外的下游操作。

在另一方面,本發(fā)明涉及一種用于動(dòng)力的滲透產(chǎn)生的方法。所述方法可包括如下步驟:進(jìn)行膜分離操作以形成第一溶液,從所述第一溶液沉淀驅(qū)動(dòng)溶質(zhì),分離沉淀的驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)以形成第二溶液,促進(jìn)氣體從所述第二溶液產(chǎn)生,用諸如基于動(dòng)力學(xué)的差分吸收的技術(shù)分離氣體,以及使用至少一種經(jīng)分離的氣體來(lái)再溶解沉淀的溶質(zhì),以形成在膜分離步驟中再利用的第三溶液。

在本發(fā)明的另一方面,正向滲透分離工藝可包括:在半透膜的第一側(cè)上引入第一溶液;在半透膜的第二側(cè)上引入濃驅(qū)動(dòng)溶液以保持穿過(guò)半透膜所需的滲透濃度梯度;促進(jìn)第一溶液的至少一部分流動(dòng)穿過(guò)所述半透膜,以在半透膜的第一側(cè)上形成第二溶液,并在半透膜的第二側(cè)上形成稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液;將稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液的至少一部分引入分離操作以回收驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)和溶劑流;將驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)再引入半透膜的第二側(cè)以保持濃驅(qū)動(dòng)溶液中所需的摩爾比;以及收集溶劑流。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中,使來(lái)自分離操作的經(jīng)回收的驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)與吸收溶液接觸。

在本發(fā)明的另一方面,用于從第一溶液滲透提取溶劑的設(shè)備可包括:第一室,所述第一室具有流體連接至第一溶液源的入口;第二室,所述第二室具有流體連接至濃驅(qū)動(dòng)溶液源的入口;半透膜,所述半透膜分隔所述第一室和所述第二室;和分離系統(tǒng),所述分離系統(tǒng)流體連接所述第二室的下游,并且構(gòu)造為從所述第二室接收稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液并回收驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)和溶劑流。所述設(shè)備也可包括回收系統(tǒng),所述回收系統(tǒng)包括吸收器,所述吸收器構(gòu)造為有利于將驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)再引入所述第二室,以保持濃驅(qū)動(dòng)溶液中所需的溶質(zhì)濃度。

在各個(gè)實(shí)施例中,分離系統(tǒng)和回收系統(tǒng)中的至少一個(gè)可包括膜裝置。可構(gòu)建和設(shè)置膜裝置以使經(jīng)回收的驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)與吸收溶液接觸??蛇M(jìn)一步構(gòu)建和設(shè)置膜裝置以從稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液汽提驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)。在一些實(shí)施例中,分離系統(tǒng)和回收系統(tǒng)中的至少一個(gè)可包括懸浮液體膜。分離操作可包括使用例如塔蒸餾(column distillation)或膜蒸餾的多級(jí)溶質(zhì)回收操作。在多級(jí)溶質(zhì)回收的情況下,可構(gòu)建和設(shè)置所述系統(tǒng),使得材料流和能量流均串流。在至少一個(gè)實(shí)施例中,多級(jí)溶質(zhì)回收操作裝置可包括至少一個(gè)熱泵。

在另一方面,一種用于使用多個(gè)蒸餾塔從驅(qū)動(dòng)溶液分離溶質(zhì)和產(chǎn)物溶劑的方法可包括:將驅(qū)動(dòng)溶液引入至少第一蒸餾塔和至少第二蒸餾塔中的每一個(gè);將來(lái)自熱能源的熱能施加至所述第一蒸餾塔,以蒸發(fā)第一蒸餾塔中的驅(qū)動(dòng)溶液的至少一部分;將驅(qū)動(dòng)溶液的蒸發(fā)部分從第一蒸餾塔引導(dǎo)至第二蒸餾塔作為能量流,使得來(lái)自第一蒸餾塔的驅(qū)動(dòng)溶液的蒸發(fā)部分充當(dāng)用于第二蒸餾塔的熱能源以蒸發(fā)第二蒸餾塔中的驅(qū)動(dòng)溶液的至少一部分;以及使驅(qū)動(dòng)溶液和能量流在至少第一蒸餾塔和第二蒸餾塔內(nèi)串流,由此包含于驅(qū)動(dòng)溶液中的驅(qū)動(dòng)溶液溶質(zhì)和產(chǎn)物溶劑在至少第一蒸餾塔和第二蒸餾塔中分離。在一些實(shí)施例中,所述方法可包括使用熱泵協(xié)助第一蒸餾塔和第二蒸餾塔中的至少一個(gè)。

在另一方面,本發(fā)明涉及一種用于從稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液中回收驅(qū)動(dòng)溶液溶質(zhì)的設(shè)備(和相關(guān)方法)。所述設(shè)備包括:滲透驅(qū)動(dòng)膜系統(tǒng),所述滲透驅(qū)動(dòng)膜系統(tǒng)具有包含可熱去除的溶質(zhì)的稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液源;和分離系統(tǒng),所述分離系統(tǒng)與所述滲透驅(qū)動(dòng)膜系統(tǒng)流體連通。所述分離系統(tǒng)包括至少一個(gè)具有第一側(cè)和第二側(cè)的膜接觸器,其中所述第一側(cè)與稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液源流體連通。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中,所述分離系統(tǒng)還包括熱能源和吸收溶液源,所述熱能源與所述稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液連通,以用于將驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)的至少一部分從所述稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液蒸發(fā)出來(lái);所述吸收溶液源與所述膜接觸器的第二側(cè)流體連通。蒸發(fā)的驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)的至少一部分從膜接觸器的第一側(cè)通過(guò)至第二側(cè),并被吸收溶液吸收。

在各個(gè)實(shí)施例中,吸收溶液也是例如蒸汽形式的熱能源。所述分離系統(tǒng)也可包括:凝結(jié)器,所述凝結(jié)器在吸收溶液離開(kāi)至少一個(gè)膜接觸器時(shí)與吸收溶液連通;熱泵,所述熱泵與膜接觸器連通;和/或再沸器,所述再沸器與所述熱泵和由膜接觸器排放的水源連通。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中,所述膜接觸器為選擇性膜,其基本上抑制水蒸氣的傳遞,但有利于蒸發(fā)的驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)的傳遞。在一個(gè)實(shí)施例中,所述選擇性膜可為懸浮液體膜。

在另一方面,本發(fā)明涉及一種用于從滲透驅(qū)動(dòng)膜系統(tǒng)回收驅(qū)動(dòng)溶液溶質(zhì)的設(shè)備。所述設(shè)備包括:膜組件,所述膜組件構(gòu)造用于從滲透驅(qū)動(dòng)膜系統(tǒng)接收稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液;和熱泵組件,所述熱泵組件與所述膜組件流體連通,以用于將熱能源提供(或協(xié)助)給所述膜組件。所述膜組件可包括可設(shè)置于外殼中的至少一個(gè)膜系統(tǒng)。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中,所述至少一個(gè)膜系統(tǒng)包括用于將溶質(zhì)從稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液汽提出來(lái)的至少一個(gè)膜系統(tǒng)(即汽提膜)和用于使驅(qū)動(dòng)溶液溶質(zhì)與吸收溶液接觸的至少一個(gè)膜系統(tǒng)(即吸收膜)。在一個(gè)實(shí)施例中,所述膜系統(tǒng)為多級(jí)溶質(zhì)回收系統(tǒng),其中使用多個(gè)膜組件,其中材料流和能量流串聯(lián)或并聯(lián)以適應(yīng)特定的應(yīng)用。所述膜系統(tǒng)可包括選擇性膜,例如懸浮液體膜。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中,所述熱泵組件包括:熱泵,所述熱泵與由所述膜組件排出的蒸發(fā)的驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)源流體連通;和再沸器,所述再沸器與由所述膜組件排出的水源流體連通。

在另一方面,本發(fā)明涉及一種用于從滲透驅(qū)動(dòng)膜系統(tǒng)回收驅(qū)動(dòng)溶液溶質(zhì)的設(shè)備,其使用多個(gè)蒸餾塔和/或膜組件的多級(jí)溶質(zhì)回收。在一個(gè)實(shí)施例中,所述設(shè)備包括第一蒸餾塔(或膜組件)、熱泵、和第二蒸餾塔(或膜組件)。所述第一蒸餾塔包括:第一入口,所述第一入口聯(lián)接至稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液的第一來(lái)源(例如滲透驅(qū)動(dòng)膜系統(tǒng)),以用于將稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液的一部分引入第一蒸餾塔的第一端;第一熱傳遞裝置,所述第一熱傳遞裝置在第二端聯(lián)接至第一蒸餾塔,其中第一熱傳遞裝置具有聯(lián)接至熱能的第一來(lái)源的入口和聯(lián)接至第一蒸餾塔的出口,以將熱能引導(dǎo)至第一蒸餾塔而使得第一蒸餾塔中的稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液溶質(zhì)蒸發(fā);第一出口,所述第一出口用于從第一蒸餾塔移出蒸發(fā)的稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液溶質(zhì);和第二出口,所述第二出口用于從第一蒸餾塔移出底部產(chǎn)物?;蛘?,可將熱能的第一來(lái)源直接引入第一蒸餾塔。熱泵聯(lián)接至第一蒸餾塔的第一出口。第二蒸餾塔包括:第一入口,所述第一入口聯(lián)接至稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液的第二來(lái)源,以用于將稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液的一部分引入第二蒸餾塔的第一端;第二熱傳遞裝置,所述第二熱傳遞裝置在第二端聯(lián)接至第二蒸餾塔,其中所述第二熱傳遞裝置具有聯(lián)接至熱泵的入口以用于接收用作熱能的第二來(lái)源的蒸發(fā)的稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液溶質(zhì),聯(lián)接至第二蒸餾塔的第一出口以用于將熱能的第二來(lái)源引導(dǎo)至第二蒸餾塔,從而使第二蒸餾塔中的稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液溶質(zhì)蒸發(fā),和構(gòu)造為將在第二熱傳遞裝置內(nèi)凝結(jié)的來(lái)自第一蒸餾塔的蒸發(fā)的稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液溶質(zhì)返回至滲透驅(qū)動(dòng)膜系統(tǒng)的第二出口;第一出口,所述第一出口用于從第二蒸餾塔移出蒸發(fā)的稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液溶質(zhì);和第二出口,所述第二出口用于從第二蒸餾塔移出底部產(chǎn)物。

在各個(gè)實(shí)施例中,所述設(shè)備包括第二熱泵,所述第二熱泵聯(lián)接至第二蒸餾塔的第一出口和至少第三蒸餾塔。所述第三蒸餾塔包括:第一入口,所述第一入口聯(lián)接至稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液的第三來(lái)源(例如滲透驅(qū)動(dòng)膜系統(tǒng)),以用于將稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液的一部分引入第三蒸餾塔的第一端;第三熱傳遞裝置,所述第三熱傳遞裝置在第二端聯(lián)接至第三蒸餾塔,其中所述第三熱傳遞裝置具有聯(lián)接至第二熱泵的入口以用于接收用作熱能的第三來(lái)源的蒸發(fā)的稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液溶質(zhì),聯(lián)接至第三蒸餾塔的第一出口以用于將熱能的第三來(lái)源引導(dǎo)至第三蒸餾塔,從而使第三蒸餾室中的稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液溶質(zhì)蒸發(fā),和構(gòu)造為將在第三熱傳遞裝置內(nèi)凝結(jié)的來(lái)自第二蒸餾塔的蒸發(fā)的稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液溶質(zhì)返回至滲透驅(qū)動(dòng)膜系統(tǒng)的第二出口;第一出口,所述第一出口用于從第三蒸餾塔移出蒸發(fā)的驅(qū)動(dòng)溶液溶質(zhì);和第二出口,所述第二出口用于從第三蒸餾塔移出底部產(chǎn)物。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中,第三蒸餾塔的第一出口構(gòu)造為將來(lái)自第三蒸餾塔的蒸發(fā)的稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液溶質(zhì)返回至滲透驅(qū)動(dòng)膜系統(tǒng)。在一個(gè)實(shí)施例中,第一蒸餾塔和第二蒸餾塔構(gòu)造用于并行操作,且稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液的第一來(lái)源和第二來(lái)源為滲透驅(qū)動(dòng)膜系統(tǒng)。在另一實(shí)施例中,第一蒸餾塔和第二蒸餾塔構(gòu)造用于串聯(lián)操作,且稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液的第二來(lái)源為第一蒸餾塔的底部產(chǎn)物。

在另一方面,本發(fā)明涉及一種用于從滲透驅(qū)動(dòng)膜工藝回收驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)的設(shè)備。所述設(shè)備包括:滲透驅(qū)動(dòng)膜系統(tǒng),所述滲透驅(qū)動(dòng)膜系統(tǒng)包括具有可熱去除的溶質(zhì)的稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液源;和分離組件,所述分離組件與所述滲透驅(qū)動(dòng)膜系統(tǒng)流體連通。所述分離組件包括與稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液源流體連通的膜裝置或蒸餾設(shè)備中的至少一個(gè)和聯(lián)接至所述膜裝置或蒸餾設(shè)備中的至少一個(gè)的至少一個(gè)熱泵。所述熱泵構(gòu)造為將熱能源提供(或者協(xié)助現(xiàn)存的熱能源)至膜裝置或蒸餾設(shè)備中的至少一個(gè)以蒸發(fā)可熱去除的溶質(zhì)。

在各個(gè)實(shí)施例中,所述膜裝置包括至少一個(gè)膜接觸器,所述至少一個(gè)膜接觸器構(gòu)造為使蒸發(fā)的驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)與吸收溶液接觸或者從稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液汽提驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)中的至少一個(gè)。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中,所述膜接觸器為懸浮液體膜。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中,所述蒸餾設(shè)備包括多級(jí)溶質(zhì)回收設(shè)備,例如多級(jí)塔和/或膜蒸餾設(shè)備。在一個(gè)實(shí)施例中,構(gòu)建和設(shè)置多級(jí)回收設(shè)備,使得材料流和能量流均串流例如通過(guò)第一蒸餾塔和第二蒸餾塔。

在另一方面,本發(fā)明涉及一種從滲透驅(qū)動(dòng)膜系統(tǒng)回收驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)的方法。所述方法包括如下步驟:提供來(lái)自滲透驅(qū)動(dòng)膜系統(tǒng)的稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液源,其中所述稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液包含可熱去除的溶質(zhì);將所述稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液的至少一部分引入分離系統(tǒng);將熱能源引入所述分離系統(tǒng);將稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液溶質(zhì)蒸發(fā)出所述稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液;回收蒸發(fā)的稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液溶質(zhì);以及將來(lái)自所述分離系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)溶液溶質(zhì)回收至滲透驅(qū)動(dòng)膜系統(tǒng)。

在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中,蒸發(fā)稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液溶質(zhì)的步驟包括經(jīng)由膜接觸器將稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液溶質(zhì)暴露于熱能源,以從稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液汽提溶質(zhì)。回收蒸發(fā)的驅(qū)動(dòng)溶液溶質(zhì)的步驟可包括經(jīng)由膜接觸器將蒸發(fā)的驅(qū)動(dòng)溶液溶質(zhì)暴露于吸收溶液。在其他實(shí)施例中,蒸發(fā)稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液溶質(zhì)的步驟包括將稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液暴露于多級(jí)溶質(zhì)回收工藝,例如多級(jí)塔蒸餾。在一個(gè)實(shí)施例中,稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液和熱能源串流通過(guò)多級(jí)溶質(zhì)回收工藝,例如通過(guò)至少第一蒸餾塔(或膜組件)和第二蒸餾塔(或膜組件)。另外,蒸發(fā)稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液溶質(zhì)的步驟包括使用熱泵協(xié)助熱能源。

通過(guò)參照如下描述和附圖,本文公開(kāi)的本發(fā)明的這些和其他目的以及優(yōu)點(diǎn)和特征將變得顯而易見(jiàn)。此外,應(yīng)了解本文描述的各個(gè)實(shí)施例的特征并非互相排斥,并且可以以各種組合和排列存在。

附圖說(shuō)明

在附圖中,類(lèi)似的附圖標(biāo)記通常在不同的視圖中指相同的部分。而且,附圖不必為成比例的,相反,通常強(qiáng)調(diào)示出了本發(fā)明的原理,而不旨在作為本發(fā)明的限制的定義。為了清楚的目的,在每個(gè)附圖中并未標(biāo)記每個(gè)組件。在如下描述中,本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例參照如下附圖進(jìn)行描述,其中:

圖1為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例使用溶質(zhì)回收系統(tǒng)的示例性滲透驅(qū)動(dòng)膜系統(tǒng)/工藝的示意圖;

圖2為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的滲透驅(qū)動(dòng)膜系統(tǒng)/工藝的示意圖;

圖3為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的可選擇的滲透驅(qū)動(dòng)膜系統(tǒng)/工藝的示意圖;

圖4為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的另一可選擇的滲透驅(qū)動(dòng)膜系統(tǒng)/工藝的示意圖;

圖5為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的另一可選擇的滲透驅(qū)動(dòng)膜系統(tǒng)/工藝的示意圖;

圖6為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例使用膜接觸器以促進(jìn)驅(qū)動(dòng)溶液蒸氣的吸收的驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)回收系統(tǒng)的一部分的示意圖;

圖7為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例使用膜接觸器以促進(jìn)驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)的汽提的驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)回收系統(tǒng)的一部分的示意圖;

圖8為驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)回收系統(tǒng)的一部分的示意圖,其中將稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液汽提和吸收功能集成至單個(gè)組件中;

圖9為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例使用與閉循環(huán)熱泵一體的膜蒸餾的驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)回收系統(tǒng)的一部分的示意圖;

圖10為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例使用與開(kāi)循環(huán)熱泵一體的膜蒸餾的驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)回收系統(tǒng)的一部分的示意圖;

圖11為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例用于驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)回收系統(tǒng)中的選擇性膜的示意圖;

圖12為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例使用用于驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)的同時(shí)汽提和吸收的選擇性膜的驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)回收系統(tǒng)的一部分的示意圖;

圖13為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)回收系統(tǒng)的一部分的示意圖;

圖14為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例使用多級(jí)溶質(zhì)回收的溶質(zhì)回收系統(tǒng)的一部分的示意圖;

圖15為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例使用熱泵協(xié)助的多級(jí)溶質(zhì)回收的溶質(zhì)回收系統(tǒng)的一部分的示意圖;

圖16為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例使用塔蒸餾和熱泵的驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)回收系統(tǒng)的一部分的示意圖;

圖17為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例使用塔蒸餾和熱泵的驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)回收系統(tǒng)的一部分的示意圖;以及

圖18為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例使用噴射器的驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)回收系統(tǒng)的一部分的示意圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例可用于任何滲透驅(qū)動(dòng)膜工藝,如FO、PRO、OD、DOC等。用于從溶液提取溶劑的滲透驅(qū)動(dòng)膜工藝可通常涉及將溶液暴露于正向滲透膜的第一表面。在一些實(shí)施例中,第一溶液(稱(chēng)為工藝溶液或進(jìn)料溶液)可為海水、苦咸水、廢水、污染水、工業(yè)流(process stream)或其他水性溶液。在至少一個(gè)實(shí)施例中,溶劑為水,然而,其他實(shí)施例可使用非水性溶劑??蓪⑾鄬?duì)于第一溶液具有增加的溶質(zhì)濃度的第二溶液(稱(chēng)為驅(qū)動(dòng)溶液)暴露于正向滲透膜的第二相對(duì)表面。然后,溶劑(例如水)可從第一溶液被驅(qū)動(dòng)通過(guò)正向滲透膜,并進(jìn)入第二溶液,從而經(jīng)由正滲透產(chǎn)生富含溶劑的溶液。

正向滲透通常利用流體傳遞性質(zhì),其涉及溶劑從濃度較低的溶液移動(dòng)至濃度較高的溶液。滲透壓通常促進(jìn)溶劑穿過(guò)正向滲透膜從進(jìn)料溶液輸送至驅(qū)動(dòng)溶液。富含溶劑的溶液(也稱(chēng)為稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液)可在第一出口處收集,并進(jìn)行進(jìn)一步的分離工藝。在一些非限制性的實(shí)施例中,純化水可作為產(chǎn)物從富含溶劑的溶液制得。可在第二出口處收集第二產(chǎn)物流(即貧化(depleted)或濃縮的加工溶液)以用于排出或進(jìn)一步處理。濃加工溶液可含有一種或多種目標(biāo)化合物,所述一種或多種目標(biāo)化合物可有利地濃縮或分離以用于下游使用。

圖1顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例使用驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)回收系統(tǒng)22的一個(gè)示例性滲透驅(qū)動(dòng)膜系統(tǒng)/工藝10。如圖1所示,系統(tǒng)/工藝10包括正向滲透組件12,如描述于美國(guó)專(zhuān)利No.6,391,205和No.7,560,029以及PCT公布No.WO2009/155596和WO2011/053794中的那些,所述專(zhuān)利的公開(kāi)內(nèi)容以全文引用方式并入本文。組件12與進(jìn)料溶液源或流14和驅(qū)動(dòng)溶液源或流16流體連通。驅(qū)動(dòng)溶液源16可包括例如鹽水流(如海水),或者可充當(dāng)滲透劑以通過(guò)滲透經(jīng)過(guò)組件12內(nèi)的正向滲透膜來(lái)將進(jìn)料源14脫水的如本文所述的另一溶液。組件12輸出來(lái)自進(jìn)料流14的濃溶液流18,所述濃溶液流18可進(jìn)一步加工。組件12也輸出可如本文所述經(jīng)由回收系統(tǒng)22進(jìn)一步加工的稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液20,在所述回收系統(tǒng)22處可回收驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)和目標(biāo)溶劑。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例,回收驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)以再利用。相對(duì)于圖2-5描述各種滲透驅(qū)動(dòng)膜系統(tǒng)/工藝。

圖2和圖3顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例使用正向滲透的滲透驅(qū)動(dòng)膜工藝。如圖2所示,將稱(chēng)為第一溶液的溶液14(例如海水、苦咸水、廢水、污染水或其他溶液)引入或設(shè)置于第一室9中。第一室9與半透膜12流體連通,如箭頭A所示。將具有大于第一溶液的濃度的第二溶液引入或設(shè)置于第二室11中。更高濃度的溶液使得溶劑(例如水)能夠從第一室9中的第一溶液滲透穿過(guò)半透膜12而進(jìn)入位于第二室11內(nèi)的更濃的第二溶液,如箭頭B所示。損失許多溶劑之后,在第一室9中的剩余第一溶液的溶質(zhì)濃縮。如果認(rèn)為該溶質(zhì)為廢產(chǎn)物,則可丟棄該溶質(zhì),如箭頭C所示。或者,溶質(zhì)可為目標(biāo)化合物,并可收集以用于進(jìn)一步加工或作為所需產(chǎn)品用于下游使用。然后將在第二室11中的所得富含溶劑的第二溶液引入第三室13,如箭頭D所示。在第三室13中,富含溶劑的第二溶液中的溶質(zhì)可被分離出來(lái)并再循環(huán)回第二室11中,如箭頭E所示,以保持第二溶液的濃度。在本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中,第三室13和再循環(huán)操作(箭頭F)為任選的。然后可將在第三室13中的剩余富含溶劑的第二溶液引入第四室15,如箭頭F所示。在第四室15中,可加熱剩余富含溶劑的第二溶液,以去除任何剩余的溶質(zhì)而產(chǎn)生溶劑流,如箭頭G所示。在一些實(shí)施例中,如涉及廢水處理的那些實(shí)施例,溶劑流可為純化水。在第四室15中,熱可通過(guò)將任何剩余的溶質(zhì)破壞成它們的組成氣體而去除該剩余的溶質(zhì),可將氣體返回至第二室11,如箭頭H所示,以保持室11中第二溶液的濃度梯度并充當(dāng)試劑。

正向滲透膜可通常為半透的,例如,允許諸如水的溶劑通過(guò),但排斥其中的溶解溶質(zhì),如氯化鈉、碳酸銨、碳酸氫銨、氨基甲酸銨、其他鹽、糖、藥物或其他化合物。許多類(lèi)型的半透膜適用于該目的,前提是它們能夠允許溶劑(例如水)通過(guò),并同時(shí)阻擋溶質(zhì)通過(guò),且不與溶液中的溶質(zhì)反應(yīng)。膜可具有多種構(gòu)造,包括薄膜、中空纖維膜、螺旋纏繞膜、單絲和碟管。存在許多公知的市售半透膜,其特征在于具有足夠小的孔隙以允許水通過(guò),同時(shí)篩出溶質(zhì)分子(如氯化鈉)和它們的離子分子物質(zhì)種類(lèi)(如氯化物)。這種半透膜可由有機(jī)或無(wú)機(jī)材料制得。在一些實(shí)施例中,可使用由諸如醋酸纖維素、硝酸纖維素、聚砜、聚偏氟乙烯、聚酰胺和丙烯腈共聚物等材料制得的膜。其他膜可為礦物膜或由諸如ZrO2和TiO2的材料制成的陶瓷膜。

通常,選擇用作半透膜的材料應(yīng)該能夠承受膜可能經(jīng)受的各種工藝條件。例如,可希望膜能夠承受高溫,如與滅菌或其他高溫過(guò)程相關(guān)的那些。在一些實(shí)施例中,正向滲透膜組件可在約0攝氏度至約100攝氏度范圍內(nèi)的溫度下操作。在一些非限制性的實(shí)施例中,工藝溫度可為約40攝氏度至約50攝氏度。同樣,可希望膜能夠在各種pH條件下保持完整性。例如,在膜環(huán)境中的一種或多種溶液(如驅(qū)動(dòng)溶液)可為或多或少酸性或堿性的。在一些非限制性的實(shí)施例中,正向滲透膜組件可在約2至約11的pH水平下操作。在某些非限制性的實(shí)施例中,pH水平可為約7至約10。所用的膜無(wú)需由這些材料中的一種制得,它們可為各種材料的復(fù)合材料。在至少一個(gè)實(shí)施例中,膜可為不對(duì)稱(chēng)膜,如在第一表面上具有活性層,并在第二表面上具有支承層。在一些實(shí)施例中,活性層可通常為排斥層。例如,在一些非限制性的實(shí)施例中,排斥層可阻擋鹽通過(guò)。在一些實(shí)施例中,支承層(如背襯層)可通常為非活性的。

根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例,可將至少一個(gè)正向滲透膜設(shè)置于外殼或殼體內(nèi)??赏ǔ⑼鈿さ某叽绾托螤钚纬蔀槿菁{其中設(shè)置的膜。例如,如果外殼螺旋纏繞正向滲透膜,則外殼可基本上為圓柱形的。組件的外殼可含有入口以及出口,所述入口用以將進(jìn)料溶液和驅(qū)動(dòng)溶液提供至組件,所述出口用于從組件收回產(chǎn)物流。在一些實(shí)施例中,外殼可提供用于保持或儲(chǔ)存待引入組件或從組件收回的流體的至少一個(gè)貯存器或室。在至少一個(gè)實(shí)施例中,外殼可為絕緣的。

根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例,可回收驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)以用于再利用。溶質(zhì)可從稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液汽提,以產(chǎn)生基本上不含溶質(zhì)的產(chǎn)物水。然后可凝結(jié)或吸收氣態(tài)溶質(zhì)以形成濃驅(qū)動(dòng)溶液。吸收器可使用稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液作為吸收劑。在其他實(shí)施例中,產(chǎn)物水可用作用于來(lái)自溶質(zhì)再循環(huán)系統(tǒng)的氣體流的吸收的全部或一部分的吸收劑。

根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例,一部分稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液可用于吸收例如來(lái)自蒸餾塔的驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)氣體。在至少一個(gè)實(shí)施例中,使用吸收劑的冷卻和混合可在吸收塔或膜組件中發(fā)生,如本文所述。氣體與充當(dāng)吸收劑的一部分稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液(隨后變成濃驅(qū)動(dòng)溶液)的混合可在容器中發(fā)生。通常容器的尺寸可形成為提供足夠大以促進(jìn)吸收劑和氣體之間的相互作用的面積。在一些實(shí)施例中,填充柱可用作吸收器。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中,汽提蒸餾塔和吸收塔可結(jié)合使用。加熱可在蒸餾塔中發(fā)生,同時(shí)冷卻和與稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液吸收劑的接觸可在吸收塔中發(fā)生。在一個(gè)實(shí)施例中,可將大約25%的稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液流引導(dǎo)至吸收器以充當(dāng)吸收劑流體,剩余大約75%的稀釋流作為汽提器的進(jìn)料流而被引導(dǎo)至汽提器。這兩個(gè)流之間的平衡將決定返回至膜系統(tǒng)的再濃化的驅(qū)動(dòng)溶液的濃度,以及吸收器和/或汽提器的尺寸,以及汽提器中所需的加熱的量和在吸收器或各級(jí)吸收器之前、之后和/或之內(nèi)所需的冷卻的量。

根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例,考慮到具有低成本和極少或無(wú)替代使用的低溫?zé)嵩?,可希望使用低溫用于汽提溶質(zhì)。然而,汽提溫度越低,則其壓力越低,并且較低壓的濃縮和吸收具有越低的動(dòng)力學(xué),從而在一些情況下使得某些化合物(如二氧化碳)的吸收相當(dāng)困難。在已汽提溶質(zhì)之后,可使用各種方法來(lái)吸收剩余氣體,這些剩余氣體的一些部分(通常約60-80%之間)已被凝結(jié),所述剩余氣體具有較低的在短時(shí)間范圍內(nèi)繼續(xù)吸收的趨勢(shì)。

在一些實(shí)施例中,可壓縮剩余蒸氣流以升高其壓力,由此增加吸收動(dòng)力學(xué)。可使用壓縮機(jī)。在其他實(shí)施例中,可使用蒸汽噴嘴,其中少部分蒸汽可與蒸氣混合,以將壓力增加至兩個(gè)流之間的中間壓力。在其他實(shí)施例中,可將吸收溶液加壓并引入噴射器噴嘴以攜帶和壓縮溶質(zhì)蒸氣(參見(jiàn)例如圖16-18)。

在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中,使用膜接觸器、塔內(nèi)填充或類(lèi)似的裝置,可以以各種構(gòu)造使用具有蒸氣串流或者吸收劑的串流或并流的吸收器。(參見(jiàn)例如圖6-18)。在一個(gè)實(shí)施例中,蒸氣的串流可與已冷卻的吸收劑的并流結(jié)合,從而在吸收裝置內(nèi)無(wú)需進(jìn)行冷卻。在其他實(shí)施例中,可在裝置內(nèi)進(jìn)行冷卻。熱交換區(qū)域以及質(zhì)量界面區(qū)域均可在單個(gè)裝置中??墒褂梦談┬纬苫旌衔?,可引導(dǎo)所述混合物與濃驅(qū)動(dòng)溶液流結(jié)合。吸收劑可包括稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液、產(chǎn)物水、具有添加的氨的水、液體氨和非揮發(fā)性二氧化碳隔離物(sequestrate)(其可隨后在產(chǎn)物水中離開(kāi)或被去除或破壞)。

根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例,可實(shí)施二氧化碳吸收/解吸回路,使得溶液在低壓下用作吸收劑以吸收二氧化碳。然后,可將溶液以液體形式加壓,并加熱以在更高壓力下解吸二氧化碳,從而使得二氧化碳在凝結(jié)器中或以上述其他方式吸收。這樣,一些實(shí)施例可類(lèi)似于二氧化碳隔離系統(tǒng)。在一些實(shí)施例中,吸收溶液可包括在水中的氨。在其他實(shí)施例中,吸收溶液可包括非揮發(fā)性溶質(zhì),所述非揮發(fā)性溶質(zhì)可與二氧化碳復(fù)合,并且隨后可被誘導(dǎo)而釋放二氧化碳,使得溶質(zhì)在吸收系統(tǒng)中再循環(huán)。在一些實(shí)施例中,可使用熱。在一些實(shí)施例中,可使用催化劑和/或試劑。在一個(gè)或多個(gè)工藝中或者在凝結(jié)器中催化劑或試劑的使用可增加驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)凝結(jié)或再吸收的動(dòng)力學(xué)。

根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例,可將稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液引導(dǎo)至汽提器(參見(jiàn)例如圖7),在汽提器中低溫加熱使得驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)蒸發(fā),從而留下基本上不含所述溶質(zhì)的產(chǎn)物水??墒褂脽峤粨Q器來(lái)凝結(jié)一部分蒸氣。在至少一個(gè)實(shí)施例中,可凝結(jié)約70%的蒸氣??墒褂梦掌飨到y(tǒng)(參見(jiàn)例如圖6)引入剩余蒸氣的一部分以吸收至稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液流中。在至少一個(gè)實(shí)施例中,第二吸收器系統(tǒng)可使用濃氨溶液來(lái)吸收剩余驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)蒸氣??苫旌想x開(kāi)凝結(jié)器以及第一和第二吸收器的液體流,并將其用作濃驅(qū)動(dòng)溶液的全部或部分。

如上所述,根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的分離工藝可起始于在第一容器12內(nèi)包含的第一溶液。第一溶液可為水性或非水性溶液,所述水性或非水性溶液為經(jīng)處理的,以用于純化水回收的目的、用于不利的溶質(zhì)的去除、或用于所需溶質(zhì)的濃縮和回收。不利的溶質(zhì)中包括不希望的可化學(xué)沉淀的可溶性鹽,如氯化鈉(NaCl)。第一溶液的典型例子包括水性溶液,如海水、鹽水和其他鹽溶液、苦咸水、礦化水、工業(yè)廢水和與高純度應(yīng)用(如與食品和藥物工業(yè)有關(guān)的那些)相關(guān)的產(chǎn)物流。通常,可使用與驅(qū)動(dòng)溶液可相容的任何類(lèi)型的溶劑,例如,能夠溶解驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)的任何溶劑。第一溶液可在滲透分離之前根據(jù)已知技術(shù)進(jìn)行過(guò)濾和預(yù)處理,以去除固體和化學(xué)廢物、生物污染物或者防止膜污染,然后將第一溶液提供至第一室9,如箭頭10所示。

另外,第一溶液可為希望進(jìn)行分離、純化或其他處理的含有溶劑和一種或多種溶質(zhì)的任何溶液。在一些實(shí)施例中,第一溶液可為非飲用水,如海水、鹽水、苦咸水、中水(gray water)和一些工業(yè)水??上M麖倪@種流制備純化水或飲用水以用于下游使用。待處理的工業(yè)流可包含鹽和其他離子物質(zhì)種類(lèi),如氯化物、硫酸鹽、溴化物、硅酸鹽、碘化物、磷酸鹽、鈉、鎂、鈣、鉀、硝酸鹽、砷、鋰、硼、鍶、鉬、錳、鋁、鎘、鉻、鈷、銅、鐵、鉛、鎳、硒、銀和鋅。在一些實(shí)施例中,第一溶液可為鹽水,如咸水或海水、廢水或其他污染水。在其他實(shí)施例中,第一溶液可為希望濃縮、分離或回收的含有一種或多種溶質(zhì)(如目標(biāo)物質(zhì)種類(lèi))的工業(yè)流。這種流可來(lái)自工業(yè)過(guò)程,如藥物或食品級(jí)應(yīng)用。目標(biāo)物質(zhì)種類(lèi)可包括藥物、鹽、酶、蛋白質(zhì)、催化劑、微生物、有機(jī)化合物、無(wú)機(jī)化合物、化學(xué)前體、化學(xué)產(chǎn)物、膠體、食物產(chǎn)品或污染物??蓮纳嫌螁卧僮?如工業(yè)設(shè)施)或任何其他來(lái)源(如海洋)將第一溶液遞送至正向滲透膜處理系統(tǒng)。

類(lèi)似于第一溶液,第二溶液可為水性溶液,即溶劑為水。在其他實(shí)施例中,非水性溶液(如有機(jī)溶劑)可用于第二溶液。第二溶液可為含有相對(duì)于第一溶液更高濃度的溶質(zhì)的驅(qū)動(dòng)溶液。驅(qū)動(dòng)溶液可通常能夠在滲透驅(qū)動(dòng)膜系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生滲透壓。滲透壓可用于多種目的,包括脫鹽、水處理、溶質(zhì)濃縮、發(fā)電和其他應(yīng)用。可使用多種驅(qū)動(dòng)溶液。在一些實(shí)施例中,驅(qū)動(dòng)溶液可包含一種或多種可去除的溶質(zhì)。在至少一些實(shí)施例中,可使用可熱去除的(熱解的)溶質(zhì)。例如,驅(qū)動(dòng)溶液可包含熱解鹽溶液。在一些實(shí)施例中,可使用氨和二氧化碳驅(qū)動(dòng)溶液,如公開(kāi)于美國(guó)專(zhuān)利No.7,560,029中的那些。在一個(gè)實(shí)施例中,第二溶液可為氨和二氧化碳的濃溶液。

根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例,氨與二氧化碳的比率應(yīng)該基本上允許驅(qū)動(dòng)溶液氣體完全吸收至吸收流體(即如上所述的稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液的一部分)中,基于系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)溶液的最高濃度。驅(qū)動(dòng)溶液的濃度、體積和流量通常應(yīng)匹配進(jìn)料溶液的濃度、體積和流量,使得兩個(gè)溶液之間的所需滲透壓差在整個(gè)膜系統(tǒng)和給水回收范圍中得以保持。根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例,這可通過(guò)考慮膜中和其表面處的內(nèi)部和外部濃度極化現(xiàn)象進(jìn)行計(jì)算。在一個(gè)非限制性的脫鹽實(shí)施例中,可使用大約為鹽水給水流量的大約33%的濃驅(qū)動(dòng)溶液入口流量,對(duì)于海水脫鹽系統(tǒng),通常在約25%至75%的范圍內(nèi)。較低鹽度的進(jìn)料可需要給水流量的約5%至25%的驅(qū)動(dòng)溶液入口速率。稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液出口速率可通常為給水入口速率的約50%至100%,并且為鹽水排放體積的約3至4倍。

根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例,氨與二氧化碳的比率通常應(yīng)匹配在驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)去除和回收工藝中所用的驅(qū)動(dòng)溶液濃度和溫度。若所述比率不足夠高,則不可能完全將驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)氣體吸收至鹽以在濃溶液中再利用,若所述比率過(guò)高,則在驅(qū)動(dòng)溶液中將存在過(guò)量的氨,其不能在所需溫度范圍(如使用廢熱驅(qū)動(dòng)工藝所需的溫度范圍)內(nèi)適當(dāng)凝結(jié)。例如,在一些實(shí)施例中,蒸餾塔可在約50℃下汽提氣體,吸收塔可在約20℃下操作。應(yīng)進(jìn)一步考慮氨與二氧化碳的比率以防止氨通過(guò)膜進(jìn)入進(jìn)料溶液。若所述比率過(guò)高,則這可導(dǎo)致未離子化的氨以高于所需或合意的濃度存在于驅(qū)動(dòng)溶液(通常主要是銨)中。其他參數(shù),如給水類(lèi)型、所需滲透壓、所需通量、膜類(lèi)型和驅(qū)動(dòng)溶液濃度可影響優(yōu)選的驅(qū)動(dòng)溶液摩爾比??稍跐B透驅(qū)動(dòng)膜工藝中監(jiān)測(cè)和控制氨與二氧化碳的比率。在至少一個(gè)實(shí)施例中,驅(qū)動(dòng)溶液可包含摩爾比大于1:1的氨和二氧化碳。在一些非限制性的實(shí)施例中,在大約50℃下且驅(qū)動(dòng)溶液的摩爾濃度規(guī)定為二氧化碳在該溶液內(nèi)的摩爾濃度時(shí),驅(qū)動(dòng)溶液的比率可為至少約1.1至1(對(duì)于至多1摩爾驅(qū)動(dòng)溶液),約1.2至1(對(duì)于至多1.5摩爾驅(qū)動(dòng)溶液),約1.3至1(對(duì)于至多3摩爾驅(qū)動(dòng)溶液),約1.4至1(對(duì)于至多4摩爾驅(qū)動(dòng)溶液),約1.5至1(對(duì)于至多4.5摩爾驅(qū)動(dòng)溶液),約1.6至1(對(duì)于至多5摩爾驅(qū)動(dòng)溶液),約1.7至1(對(duì)于至多5.5摩爾驅(qū)動(dòng)溶液),約1.8至1(對(duì)于至多7摩爾驅(qū)動(dòng)溶液),約2.0至1(對(duì)于至多8摩爾驅(qū)動(dòng)溶液)和約2.2至1(對(duì)于至多10摩爾驅(qū)動(dòng)溶液)。實(shí)驗(yàn)表明,在此近似的溫度下,這些比率大約為這些濃度的溶液的穩(wěn)定溶解度所需的最小比率。在較低溫度下,對(duì)于相同濃度需要較高的氨與二氧化碳的比率。在較高溫度下,可需要較低的比率,但也可能需要溶液的一定加壓以防止溶質(zhì)分解為氣體。即使在小于2摩爾的總濃度下,大于1:1的比率也大大增加溶液的穩(wěn)定性,并且防止二氧化碳?xì)怏w的形成以及通常防止響應(yīng)于甚至中等量的熱和/或壓力降低的驅(qū)動(dòng)溶液的熱解分裂。驅(qū)動(dòng)溶液通常具有大于進(jìn)料溶液的溶質(zhì)濃度。這可通過(guò)使用足夠可溶以產(chǎn)生濃度比進(jìn)料溶液更高的溶液的溶質(zhì)而實(shí)現(xiàn)??苫谔峁┲练蛛x系統(tǒng)用于處理的工業(yè)流而調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)溶液的一個(gè)或多個(gè)特性。例如,進(jìn)料溶液中溶質(zhì)的體積、流量或濃度可影響選擇用于驅(qū)動(dòng)溶液的一個(gè)或多個(gè)參數(shù)。關(guān)于與系統(tǒng)相關(guān)的排放流的要求也可影響一個(gè)或多個(gè)操作參數(shù)。其他操作參數(shù)也可基于正向滲透分離系統(tǒng)的預(yù)期應(yīng)用而不同。優(yōu)選地,在第二溶液內(nèi)的溶質(zhì)應(yīng)該可易于通過(guò)分離工藝而從溶液中去除,其中所述分離工藝將溶質(zhì)分離成更易于溶解于溶液的溶劑中的至少一種物質(zhì)種類(lèi)(即可溶性物質(zhì)種類(lèi))和不易于溶解于溶劑內(nèi)的一種物質(zhì)種類(lèi)(即溶解度較差的物質(zhì)種類(lèi)),并且若痕量保留在所得溶劑中,則溶質(zhì)不應(yīng)造成健康風(fēng)險(xiǎn)。溶質(zhì)的可溶性物質(zhì)種類(lèi)和溶解度較差的物質(zhì)種類(lèi)的存在允許根據(jù)需要調(diào)節(jié)或操縱溶液。通常,可溶性物質(zhì)種類(lèi)和溶解度較差的物質(zhì)種類(lèi)在溶液中達(dá)到一個(gè)點(diǎn),其中在特定的條件溫度、壓力、pH等下,溶質(zhì)的物質(zhì)種類(lèi)均不相對(duì)于彼此增加或減少,即溶質(zhì)的可溶性物質(zhì)種類(lèi)與不溶性物質(zhì)種類(lèi)的比率為靜態(tài)的。這稱(chēng)為平衡??紤]到溶液的特定條件,溶質(zhì)的物質(zhì)種類(lèi)無(wú)需在平衡下以1:1比率存在。通過(guò)添加化學(xué)品(本文稱(chēng)為試劑),溶質(zhì)的物質(zhì)種類(lèi)之間的平衡可移動(dòng)。通過(guò)使用第一試劑,溶液的平衡可移動(dòng)以增加溶質(zhì)的可溶性物質(zhì)種類(lèi)的量。同樣地,通過(guò)使用第二試劑,溶液的平衡可移動(dòng)以增加溶質(zhì)的溶解度較差的物質(zhì)種類(lèi)的量。在添加試劑之后,溶質(zhì)的物質(zhì)種類(lèi)的比率可在溶液條件所支持的新的水平下穩(wěn)定化。通過(guò)操縱有利于溶質(zhì)的可溶性物質(zhì)種類(lèi)的平衡,可獲得具有接近飽和的濃度的第二溶液,其為溶液溶劑不能再溶解更多溶質(zhì)的狀態(tài)。

用于第二(驅(qū)動(dòng))溶液的優(yōu)選溶質(zhì)可為氨和二氧化碳?xì)怏w和它們的產(chǎn)物,即碳酸銨、碳酸氫銨和氨基甲酸銨。當(dāng)氨和二氧化碳以約1的摩爾比溶解于水中時(shí),形成主要由碳酸氫銨、以及較小程度上的相關(guān)產(chǎn)物碳酸銨和氨基甲酸銨組成的溶液。在該溶液中的平衡有利于溶質(zhì)的溶解度較差的物質(zhì)種類(lèi)(碳酸氫銨),而不是溶質(zhì)的可溶性物質(zhì)種類(lèi)(氨基甲酸銨和較小程度上的碳酸銨)。使用過(guò)量的氨緩沖主要由碳酸氫銨組成的溶液而使得氨與二氧化碳的摩爾比大于1,會(huì)將溶液的平衡朝向溶質(zhì)的更加可溶的物質(zhì)種類(lèi)(氨基甲酸銨)移動(dòng)。氨在水中更可溶,并且優(yōu)先被溶液吸附。由于氨基甲酸銨更易于被第二溶液的溶劑吸附,因此其濃度可增加至溶劑不能再吸附更多的溶質(zhì)(即飽和)的點(diǎn)。在一些非限制性的實(shí)施例中,通過(guò)所述操縱而獲得的在該第二溶液內(nèi)的溶質(zhì)濃度大于約2重量克分子(molal)、超過(guò)約6重量克分子、或約6重量克分子至約12重量克分子。

氨可為優(yōu)選的氨基甲酸銨的第一試劑,因?yàn)槠涫侨苜|(zhì)氨基甲酸銨分解時(shí)所得的化學(xué)成分之一,或者稱(chēng)為組成成分。通常,優(yōu)選的是用于溶劑的試劑為溶質(zhì)的組成成分,因?yàn)楫?dāng)溶劑被去除時(shí),任何過(guò)量的試劑都可容易地從溶液中去除,并且在優(yōu)選實(shí)施例中,組成成分可作為第一試劑再循環(huán)。然而,預(yù)期可操縱溶液中的溶質(zhì)物質(zhì)種類(lèi)的平衡的其他試劑,只要所述試劑易于從溶液中去除,并且如果試劑的痕量成分保留在最終溶劑內(nèi),所述試劑不具有健康風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例,驅(qū)動(dòng)溶液應(yīng)該通常產(chǎn)生滲透壓并且可去除,以例如用于再生和再循環(huán)。在一些實(shí)施例中,驅(qū)動(dòng)溶液可特征在于發(fā)生催化相變的能力,在所述催化相變中,驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)變化至氣體或可使用催化劑而從水性溶液中沉淀的固體。在一些實(shí)施例中,所述機(jī)制可與一些其他方式結(jié)合,所述方式如加熱、冷卻、添加反應(yīng)物、或引入電場(chǎng)或磁場(chǎng)。在其他實(shí)施例中,可引入化學(xué)品以與驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)可逆或不可逆反應(yīng),從而降低驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)的濃度、通過(guò)膜改變驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)的排斥特性、或以其他方式使得驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)更易于去除。在至少一個(gè)實(shí)施例中,引入電場(chǎng)可引起驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)的改變,如相變、電離度的改變、或使得溶質(zhì)更易于去除的其他電誘導(dǎo)改變。在一些實(shí)施例中,可操縱溶質(zhì)通過(guò)和/或排斥,如通過(guò)調(diào)節(jié)pH水平、調(diào)節(jié)溶質(zhì)的離子性質(zhì)、改變?nèi)苜|(zhì)的物理尺寸或促進(jìn)使得驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)易于通過(guò)膜(驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)之前在所述膜處被排斥)的另一改變。例如,可使離子物質(zhì)種類(lèi)為非離子的,或者可使大的物質(zhì)種類(lèi)相對(duì)更小。在一些實(shí)施例中,可應(yīng)用不使用加熱的分離技術(shù),如電滲析(ED)、冷卻、真空或加壓。在至少一個(gè)實(shí)施例中,可根據(jù)一個(gè)或多個(gè)已知的分離技術(shù)應(yīng)用電梯度。在一些實(shí)施例中,可使用某些分離技術(shù)(如ED)減少待分離的物質(zhì)種類(lèi)例如以達(dá)到更低的電氣要求。在至少一個(gè)實(shí)施例中,可例如通過(guò)改變溫度、壓力、pH或溶液的其他特性來(lái)操縱有機(jī)物質(zhì)種類(lèi)的溶解度。在至少一些實(shí)施例中,可應(yīng)用離子交換分離,如補(bǔ)鈉的離子交換技術(shù),或補(bǔ)酸和堿的離子交換來(lái)再循環(huán)驅(qū)動(dòng)溶質(zhì),包括例如銨鹽。

根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例,所公開(kāi)的驅(qū)動(dòng)溶液可用于任何滲透驅(qū)動(dòng)膜工藝,例如涉及壓力延緩滲透、正向滲透或壓力輔助正向滲透的應(yīng)用。在一些實(shí)施例中,所公開(kāi)的驅(qū)動(dòng)溶液可用于滲透熱機(jī),如描述于PCT公布No.W02008/060435中的滲透熱機(jī),所述專(zhuān)利的公開(kāi)內(nèi)容以全文引用方式并入本文。滲透熱機(jī)可使用半透膜而將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械功,以將滲透壓轉(zhuǎn)化為電功率。濃的氨-二氧化碳驅(qū)動(dòng)溶液可產(chǎn)生高滲透壓,所述高滲透壓可抵抗液壓梯度而產(chǎn)生通過(guò)半透膜的水通量。將渦輪機(jī)中增加的驅(qū)動(dòng)溶液體積減壓可產(chǎn)生電功率。通過(guò)將稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液分離成再濃化的驅(qū)動(dòng)溶液和去離子水工作流體(兩者均在滲透熱機(jī)中再利用)而可使工藝保持為穩(wěn)定態(tài)操作。在涉及在滲透熱機(jī)中使用所公開(kāi)的驅(qū)動(dòng)溶液的一些實(shí)施例中,可通過(guò)沉淀驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)而提高效率。在至少一個(gè)實(shí)施例中,所公開(kāi)的驅(qū)動(dòng)溶液可在用于電網(wǎng)儲(chǔ)能的系統(tǒng)和方法中使用,其中涉及滲透壓梯度的鹽度梯度或兩個(gè)溶液之間的差異的使用可用于在濃溶液中產(chǎn)生液壓,從而允許發(fā)電。根據(jù)涉及蒸餾塔(如描述于PCT公布No.W02007/1146094中的多級(jí)蒸餾塔,所述專(zhuān)利的公開(kāi)內(nèi)容以全文引用方式并入本文)的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例,稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液可用作熱交換器或吸收器中的吸收流體以用于熱傳遞至每一級(jí)。根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例,所公開(kāi)的驅(qū)動(dòng)溶液也可用于各種直接滲透濃縮(DOC)應(yīng)用中。

再次參照?qǐng)D2-3,根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例,可通過(guò)分別使第一溶液和第二溶液接觸半透膜12的第一和第二側(cè)而開(kāi)始滲透驅(qū)動(dòng)膜工藝。盡管第一溶液和第二溶液可保持停滯,但優(yōu)選的是通過(guò)橫流(即平行于半透膜12的表面的流)引入第一溶液和第二溶液。這增加了給定量的溶液所接觸的半透膜12的表面積的量,由此增加了正向滲透的效率。由于第二室11中的第二溶液相比于第一室9中的第一溶液具有更高的溶質(zhì)濃度,因此在第一溶液中的溶劑通過(guò)正向滲透而擴(kuò)散至第二溶液。在一些實(shí)施例中,兩個(gè)溶液之間的濃度差異較大,使得溶劑通過(guò)半透膜12而無(wú)壓力添加至第一溶液??傊?,該工藝可導(dǎo)致去除包含于第一溶液內(nèi)的溶劑的約50%至約99.9%。在分離工藝過(guò)程中,第一溶液由于損失溶劑而變得更濃,而第二溶液由于獲得溶劑而變得更稀釋。盡管如此,兩個(gè)溶液之間的濃度梯度仍然保持顯著。膜的第一側(cè)上的貧化的溶液和膜的第二側(cè)上的稀釋的溶液可各自進(jìn)一步加工以用于一種或多種所需產(chǎn)物的回收。例如,膜的第一側(cè)上的貧化的溶液可含有作為目標(biāo)物質(zhì)種類(lèi)的溶質(zhì),所述目標(biāo)物質(zhì)種類(lèi)的濃縮和回收是所需的。或者,膜的第一側(cè)上的貧化的溶液可作為廢物丟棄。同樣地,膜的第二側(cè)上的稀釋的溶液可富含溶劑,所述溶劑可為所需產(chǎn)物。

排出物18,即濃的第一溶液,具有更大的溶質(zhì)濃度。因此,在將第一溶液返回至其來(lái)源或者通過(guò)本發(fā)明的方法再循環(huán)第一溶液之前,過(guò)量的溶質(zhì)可從該濃的第一溶液中去除。這可例如通過(guò)如下方式完成:使?jié)獾牡谝蝗芤号c太陽(yáng)能蒸發(fā)器、簡(jiǎn)單的篩網(wǎng)過(guò)濾機(jī)構(gòu)、旋液分離器或沉淀物質(zhì)(precipitation mass)或其他成核點(diǎn)接觸而沉淀溶質(zhì)。該沉淀的溶質(zhì)可進(jìn)一步加工,以使其適于消費(fèi)者或工業(yè)目的。

在通過(guò)正向滲透將第一溶液的溶劑提取至第二溶液中,由此形成富含溶劑的第二溶液之后,隨后可能希望從富含溶劑的第二溶液中去除溶質(zhì)以分離溶劑。在一些非限制性的實(shí)施例中,這可通過(guò)如下方式完成:將溶質(zhì)沉淀出溶液;使溶質(zhì)分解成其組成氣體,所述組成氣體蒸發(fā)出溶液;將溶劑蒸餾出溶液或者將溶質(zhì)吸收至表面上。在至少一個(gè)實(shí)施例中,通過(guò)沉淀去除溶質(zhì)的一部分減少了加熱溶液以分解剩余溶質(zhì)所需的能量的量,并且分解得到溶質(zhì)的完全去除。可能的沉淀和分解步驟分別參照第三和第四室13和15進(jìn)行描述。

可將第二室11中的富含溶劑的第二溶液收回至第三室13,如箭頭D所示。然后可處理富含溶劑的第二溶液,以通過(guò)沉淀而從富含溶劑的溶液中去除溶質(zhì)的一部分??梢氲诙噭瑥亩{(diào)節(jié)可溶性溶質(zhì)物質(zhì)種類(lèi)與溶解度較差的溶質(zhì)物質(zhì)種類(lèi)的平衡以有利于溶解度較差的溶質(zhì)物質(zhì)種類(lèi)。正如第一試劑一樣,能夠調(diào)節(jié)平衡的任何化學(xué)品是合適的,只要其易于從富含溶劑的第二溶液中去除并且不具有健康風(fēng)險(xiǎn)。優(yōu)選地,所述試劑為溶質(zhì)的組成成分,在優(yōu)選的溶質(zhì)氨基甲酸銨的情況下,所述溶劑為二氧化碳?xì)怏w。在一些非限制性的實(shí)施例中,當(dāng)富含溶劑的第二溶液用二氧化碳擴(kuò)散時(shí),溶液中的氨與二氧化碳的比率可降低至大約1至1.5之間,且富含溶劑的第二溶液中的平衡移動(dòng)回至溶質(zhì)的溶解度較差的物質(zhì)種類(lèi)碳酸氫銨。然后,溶質(zhì)的溶解度較差的物質(zhì)種類(lèi)可沉淀出溶液。碳酸氫銨的沉淀可導(dǎo)致富含溶劑的第二溶液內(nèi)的溶質(zhì)濃度顯著降低至約2至3摩爾。優(yōu)選地,在第三室13中的富含溶劑的第二溶液的溫度下降至約18至25℃,優(yōu)選約20至25℃,以協(xié)助溶質(zhì)的沉淀。然后,沉淀的溶質(zhì)可從溶液中過(guò)濾。

在一些實(shí)施例中,沉淀的溶質(zhì)可在第三室13內(nèi)過(guò)濾,然而,在圖3所示的實(shí)施例中,將溶液引導(dǎo)至過(guò)濾室17,如箭頭I所示。使用公知的方法,如旋液分離器、沉降罐、塔過(guò)濾或簡(jiǎn)單的篩網(wǎng)過(guò)濾,沉淀的溶質(zhì)可從富含溶劑的溶液中去除。例如,可通過(guò)重力使沉淀沉降出溶液,此時(shí)可隨后將剩余溶液虹吸出去??蓪⑹S嗟母缓軇┑牡诙芤簭倪^(guò)濾室17轉(zhuǎn)移至第四室15,如箭頭F所示,在第四室15處隨后加熱所述剩余的富含溶劑的第二溶液以將溶質(zhì)分解成它們的組成氣體。在一個(gè)實(shí)施例中,這些組成氣體可為氨和二氧化碳。分離工藝所需的能量為將溶液的溫度升高至獲得氨基甲酸銨溶質(zhì)的完全去除的溫度所需的熱。也需要另外的熱來(lái)彌補(bǔ)蒸發(fā)焓和在工藝內(nèi)循環(huán)的溶質(zhì)的溶液的熱傳遞的低效率。特別地,加熱導(dǎo)致富含溶劑的第二溶液中的剩余溶質(zhì)分解成它們的組成氣體,這留下溶液。在一些實(shí)施例中,可在富含溶劑的第二溶液被加熱的同時(shí)在其上保持真空或空氣流,以改進(jìn)效率和/或降低分解氣體蒸發(fā)出溶液時(shí)的溫度。通過(guò)在第四室上產(chǎn)生空氣流,有可能在比通常所用更低的溫度下去除所有溶質(zhì)。所述分解可產(chǎn)生可被進(jìn)一步處理以用于最終用途的溶劑產(chǎn)物,如飲用水產(chǎn)物。通常,飲用水產(chǎn)物應(yīng)該具有約7的pH,可能需要進(jìn)一步的pH調(diào)節(jié)和/或所需成分(如鹽和/或殘余消毒劑)的添加以使水適于其預(yù)期目的。

可使用外部熱源19與從氣體和溶質(zhì)(箭頭J和K)的放熱引入而泵送通過(guò)熱交換器38的熱的組合來(lái)加熱富含溶劑的第二溶液。外部熱源19可由任何熱源(包括太陽(yáng)能和地?zé)崮?提供。來(lái)源可類(lèi)似于蒸餾的那些來(lái)源。在一些實(shí)施例中,來(lái)源可主要來(lái)自使用來(lái)自發(fā)電或工業(yè)過(guò)程的廢熱的熱電聯(lián)產(chǎn)環(huán)境。此外,可通過(guò)使用熱交換器38來(lái)捕獲在本發(fā)明的脫鹽方法中的之前步驟過(guò)程中釋放的熱,從而保持工藝效率。如圖3中的箭頭J和K所示,從第二和第三室11、13內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)所釋放的熱可被泵送至熱交換器38,熱交換器38隨后將所述熱泵送至第四室15以協(xié)助加熱富含溶劑的第二溶液,如箭頭L所示。在一個(gè)可選擇的實(shí)施例中,通過(guò)允許釋放的組成氣體在室15(富含溶劑的第二溶液在其中加熱)的外部凝結(jié)而產(chǎn)生另外的熱,因此將來(lái)自該放熱反應(yīng)的能量傳遞至第四室15。凝結(jié)物(在一個(gè)實(shí)施例中其為氨基甲酸銨)可隨后再循環(huán)至第二室11中的第二溶液。

也優(yōu)選的是再循環(huán)從第二溶液中去除的溶質(zhì)和溶質(zhì)成分,以限制環(huán)境影響和本發(fā)明的正向滲透分離方法的成本。從過(guò)濾室中丟棄的沉淀的溶質(zhì)可再循環(huán)至第二室11,在所述第二室11處,所述沉淀的溶質(zhì)可溶解于第二溶液中,由此保持第二溶液的高濃度,如箭頭E所示。另外,從第四室15中的富含溶劑的第二溶液中去除的組成氣體可再循環(huán)回第二或第三室11、13,如分別由箭頭H和M所示,在所述第二或第三室11、13處,所述組成氣體充當(dāng)試劑。在一個(gè)實(shí)施例中,溶質(zhì)為氨基甲酸銨,其分解成其組成氣體:氨和二氧化碳。然后這些氣體再循環(huán)至第二室11,如箭頭H所示。由于氨比二氧化碳更可溶,因此氨優(yōu)先被第二溶液吸附,并通過(guò)調(diào)節(jié)溶質(zhì)物質(zhì)種類(lèi)的平衡以有利于氨基甲酸銨而充當(dāng)試劑。剩余二氧化碳從第二室11中收回,如箭頭M所示,并傳遞至第三室13,在第三室13處,二氧化碳充當(dāng)試劑,并改變第二溶液的平衡以有利于碳酸氫銨。由于一些實(shí)施例預(yù)期再循環(huán)衍生自溶質(zhì)分解的組成氣體,因此可能必要的是沉淀小于最佳量的溶質(zhì),以確保再循環(huán)足夠的氣體從而保持本發(fā)明的工藝的效率。通常,通過(guò)沉淀從溶液中去除約一半的溶質(zhì)應(yīng)確保產(chǎn)生足夠量的組成氣體以保持本發(fā)明的工藝。本文描述的工藝可連續(xù)或間歇式進(jìn)行,以在整個(gè)工藝中從溶劑更好地分離溶質(zhì)。

用于進(jìn)行本發(fā)明的方法的設(shè)備的一個(gè)非限制性的實(shí)施例示于圖4中。所述設(shè)備具有第一室9,所述第一室9具有入口21和出口23。第一室9的入口21與第一溶液源(如已進(jìn)行預(yù)處理或正從上游操作引入的溶液的儲(chǔ)存罐)或第一溶液的天然來(lái)源(如海洋、湖泊、溪流或其他水體和水路)連通。第一室9的入口21可引入泵以從第一溶液的來(lái)源虹吸第一溶液,和/或引入篩網(wǎng)或過(guò)濾器以去除顆粒。其也可任選地包括加熱或冷卻裝置,以調(diào)節(jié)第一溶液的溫度。類(lèi)似地,第一室9的出口23可引入泵以從第一室9提取第一溶液。出口23可用于將第一溶液直接再循環(huán)至第一溶液源,盡管優(yōu)選地,在第一溶液返回至第一溶液源之前,將第一溶液泵送至沉淀裝置中或泵送穿過(guò)沉淀裝置。這種沉淀裝置可包括太陽(yáng)能蒸發(fā)床、簡(jiǎn)單篩網(wǎng)過(guò)濾的機(jī)構(gòu)、旋液分離器、或沉淀物質(zhì)或其他成核點(diǎn)操作、或本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的其他類(lèi)型。第一室9通過(guò)半透膜12而與第二室11分隔。

第二室11具有入口25和第一和第二出口27、29。入口25提供第二溶液源,并可引入泵以及加熱裝置。第二室11的第一出口27與第三室13連通,并提供用于將富含溶劑的第二溶液傳遞至第三室13的管道。第二室11的該第一出口27可引入泵以從第二室11中收回富含水的第二溶液。在本發(fā)明的另一實(shí)施例中,第二室11的第一出口27可引入冷卻裝置以冷卻富含溶劑的第二溶液,如上所述。第二室11的第二出口29提供用于當(dāng)來(lái)自第四室15的氣體通過(guò)入口25引入第二溶液中時(shí)所剩余的任何氣體(其待傳遞至第三室13)的管道,所述剩余的氣體在一個(gè)實(shí)施例中主要為二氧化碳?xì)怏w,因?yàn)轭A(yù)期氨優(yōu)先吸收至該溶液中。

在一些實(shí)施例中,第三室13為溶質(zhì)的一部分從富含溶劑的第二溶液沉淀出來(lái)之處。除了用于連接至出口27、29的入口之外,第三室13具有與過(guò)濾裝置17連通的出口31以用于從富含溶劑的第二溶液分離沉淀。過(guò)濾裝置17具有如上公開(kāi)的任何類(lèi)型,在一個(gè)實(shí)施例中,其為沉降罐。過(guò)濾裝置17具有兩個(gè)出口33、35。第一出口33可用于處置沉淀的溶質(zhì),或?qū)⒊恋淼娜苜|(zhì)通過(guò)第二室入口25而返回至第二室11,并且第二出口35可用于將剩余的富含溶劑的第二溶液傳遞至第四室15。在一個(gè)可選擇的實(shí)施例中,可將過(guò)濾裝置17引入第三室13中,在此情況下,第三室13具有另外的出口,一個(gè)出口用于將剩余的富含溶劑的第二溶液傳遞至第四室15,另一出口用于處置沉淀的溶質(zhì),或者在一個(gè)可選擇的實(shí)施例中用于將沉淀的溶質(zhì)通過(guò)第二室入口25而返回至第二室11。

第四室15可引入用于加熱剩余的富含溶劑的第二溶液的加熱裝置。第四室15也引入第一出口37,其可引入真空、風(fēng)扇或用于產(chǎn)生排放組成氣體的空氣流的其他裝置。優(yōu)選地,第四室15的第一出口37與第二室11的入口25連通,以再循環(huán)作為第二溶質(zhì)的組成氣體。第二出口39充當(dāng)用于收回最終溶劑產(chǎn)物如飲用水或純化水的管道。

可使用任何材料來(lái)構(gòu)建各種保持和/或儲(chǔ)存裝置(室、容器和貯器)、管道、管路和相關(guān)設(shè)備,只要它們承受溶液的重量,并且與溶液內(nèi)的任何溶質(zhì)不反應(yīng)。典型的材料為非腐蝕性非反應(yīng)性的材料,如不銹鋼、塑料、聚氯乙烯(PVC)、纖維玻璃等。容器可采用任何合適的構(gòu)造,但通常為圓柱形罐、波狀罐或訂制罐(fitted tank)等。貯器通常為水塔、圓柱形罐、波狀罐或訂制罐等。如上所述,重要的是注意所述室顯示為分開(kāi)的單元,但本發(fā)明不限于該構(gòu)造,當(dāng)適當(dāng)時(shí),可在單個(gè)容器內(nèi)包括任何數(shù)量的室,例如劃分成由半透膜12分隔的兩個(gè)室。

加熱和冷卻裝置可為電加熱器、制冷單元、太陽(yáng)能集熱器和熱交換器(如蒸汽凝結(jié)器、循環(huán)器等),如本領(lǐng)域所公知,但優(yōu)選為熱交換器。加熱和冷卻裝置以及可能具有功率要求的在工藝中所用的任何其他設(shè)備的能量可源自任何多種常用來(lái)源,包括例如廢蒸汽、太陽(yáng)能、風(fēng)能或地?zé)崮堋⒁约俺R?guī)來(lái)源。

參照?qǐng)D5,公開(kāi)了根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的濃縮工藝。將第一溶液14暴露于正向滲透膜12的一側(cè)。在第一溶液14包含待處理的廢物流的實(shí)施例中,第一溶液14通常為水性的,并含有諸如鹽、蛋白質(zhì)、催化劑、微生物、有機(jī)或無(wú)機(jī)化學(xué)品、化學(xué)前體或產(chǎn)物、膠體或其他成分的物質(zhì)種類(lèi)的溶液。在第一溶液14含有待濃縮和回收的所需目標(biāo)物質(zhì)種類(lèi)的實(shí)施例中,第一溶液可包含藥物、鹽、酶、蛋白質(zhì)、催化劑、微生物、有機(jī)化合物、無(wú)機(jī)化合物、化學(xué)前體、化學(xué)產(chǎn)物、膠體、食物產(chǎn)品或污染物。第一溶液14暴露于膜12的一側(cè)可在許多配置中實(shí)現(xiàn),所述許多配置中的兩個(gè)為將膜12浸入溶液中,或?qū)⑷芤阂龑?dǎo)經(jīng)過(guò)膜12。該溶液可連續(xù)、間歇、一次或多次引入容器或引導(dǎo)裝置。第一溶液14的該輸入流在示意圖中未顯示。

使能夠產(chǎn)生比第一溶液14更高的滲透壓的第二溶液16(例如由包括水、氨和二氧化碳的物質(zhì)種類(lèi)組成)暴露于膜的一側(cè),該側(cè)與暴露于第一溶液14的膜的一側(cè)相對(duì)。所述暴露可通過(guò)許多技術(shù)實(shí)現(xiàn),但可包括將膜12浸入第二溶液中(如果對(duì)第一溶液使用浸入,則否)或者將第二溶液引導(dǎo)經(jīng)過(guò)膜表面。不可滲透第一溶液14的全部物質(zhì)種類(lèi)或一些物質(zhì)種類(lèi)(如鹽、帶電和/或大分子、微生物和顆粒物質(zhì))、但允許諸如水的溶劑通過(guò)的膜12允許第一溶液和第二溶液之間的滲透壓差異誘導(dǎo)水通量從第一溶液穿過(guò)膜至第二溶液??墒乖撏匡@著地、部分地稀釋或幾乎不稀釋第二溶液16和/或濃縮第一溶液14。也可預(yù)期第一溶液的所選或目標(biāo)物質(zhì)種類(lèi)中的一些、無(wú)、極少或一種通過(guò)膜12,這取決于膜類(lèi)型和/或工藝使用的意圖。

將富含溶劑的第二溶液的一部分(作為流20)引導(dǎo)至驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)分離操作裝置22,如蒸餾塔、膜蒸餾操作裝置或滲透蒸發(fā)操作裝置,使得富含溶劑的第二溶液中的溶質(zhì)例如氨和二氧化碳溶質(zhì)(包括銨鹽物質(zhì)種類(lèi))通過(guò)如下方式得以去除:將熱施加至驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)分離操作裝置22,和/或?qū)毫Σ钍┘又硫?qū)動(dòng)溶質(zhì)分離操作裝置之上的氣體和/或由驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)分離操作裝置產(chǎn)生的氣體。根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例,膜分離方法(如滲透蒸發(fā))可允許從稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液中分離驅(qū)動(dòng)溶液氣體并同時(shí)明顯限制水蒸氣的流動(dòng),這可增加分離工藝的效率。滲透蒸發(fā)材料可包括天然或合成聚合物(如聚氨酯或天然橡膠)或者懸浮液體膜,所述懸浮液體膜充當(dāng)相對(duì)于水蒸氣而選擇氨和二氧化碳的被動(dòng)或主動(dòng)選擇性膜。在一些實(shí)施例中,滲透蒸發(fā)或類(lèi)似的膜分離方法可代替蒸餾塔使用或者與蒸餾塔結(jié)合使用。在至少一個(gè)實(shí)施例中,也可應(yīng)用吸收塔。在另一實(shí)施例中,壓縮流26的氣體以升高溫度,在該溫度下所述氣體可完全或接近完全地再吸收至驅(qū)動(dòng)溶液中。根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例,吸收器可在驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)的再吸收之前或過(guò)程與冷卻一起使用。在至少一些實(shí)施例中,可將稀釋驅(qū)動(dòng)流的一部分轉(zhuǎn)移至吸收器作為吸收劑流。

驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)分離操作產(chǎn)生指定為流32的溶劑流和指定為流26的氣體流,所述溶劑流具有濃度部分、充分或完全降低的流20的物質(zhì)種類(lèi),所述氣體流含有來(lái)自流20的去除物質(zhì)種類(lèi)。將流26引導(dǎo)至指定為重構(gòu)第二溶液16的操作裝置41,所述操作裝置41用于增加、替換或保持第二溶液16的特性,如體積或濃度。該操作可包括將物質(zhì)種類(lèi)溶解于水、第二溶液的一部分,沉淀并與第二溶液混合或者一些其他方法,使得在操作裝置22中去除的物質(zhì)種類(lèi)被再引入第二溶液。所述再引入作為虛線流45顯示。由于水從溶液14中移出,溶液14的被排斥的組分可定期地或連續(xù)地從溶液14中去除。該操作可包括沉降、旋流分離器分離、沉淀、力梯度(如電或磁)、泄料、或其他單元操作。從溶液14中去除的所述組分流作為流18顯示。在一些實(shí)施例中,流18可為所需的產(chǎn)物流或可作為廢物丟棄。通過(guò)這些技術(shù),通過(guò)滲透驅(qū)動(dòng)通量穿過(guò)半透膜而使用滲透壓從溶液中去除溶質(zhì),例如從藥物化合物、食物產(chǎn)品或溶液中的其他所需物質(zhì)種類(lèi)中分離溶劑,或者通過(guò)去除不希望的溶質(zhì)來(lái)處理工業(yè)流以制得純化的產(chǎn)物流??闪硗馓幚砹?8,以從第二溶液16中去除已移動(dòng)穿過(guò)膜進(jìn)入第一溶液14中的任何驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)。該處理可包括蒸餾、空氣汽提、滲透蒸發(fā)、折點(diǎn)氯化、離子交換或其他方式。從流18中去除的驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)可通過(guò)與流45混合或通過(guò)其他方式而被再引入第二溶液16。

圖6-18顯示了如上所介紹的可以與本文所述的滲透驅(qū)動(dòng)膜系統(tǒng)一起使用的多種驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)回收系統(tǒng)22。根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例,回收系統(tǒng)22可包括使用膜接觸器,例如相對(duì)于圖6-10所述的膜接觸器。用于液體流和氣體流之間的質(zhì)量和能量交換的膜的使用通常在膜裝置中執(zhí)行塔蒸餾的功能。該方法的一個(gè)益處是液體和氣體體積流動(dòng)和速度極大地獨(dú)立,不發(fā)生溢流、夾帶、發(fā)泡等。在液體滲透多孔膜進(jìn)入氣體流的極少情況下,這基本上不發(fā)生。另外,不像使用常規(guī)蒸餾塔進(jìn)行的那樣使用密度差異來(lái)使兩個(gè)流相互作用。相反,正如僅具有液體或氣體的管路那樣,使用壓力來(lái)使液體流和氣體流流動(dòng)。為此原因,基于膜的蒸餾裝置不像常規(guī)蒸餾塔所需的那樣需要豎直設(shè)置。因此,例如,可使用水平膜陣列(如在火車(chē)中的平行組件)來(lái)行使大直徑、高的常規(guī)蒸餾塔的功能。這允許顯著降低空間(footprint)和高度要求。

此外,常規(guī)通過(guò)在蒸餾塔內(nèi)部填充而提供的氣相和液相的混合現(xiàn)在可由膜區(qū)域提供。液體流可在膜的一側(cè)上流動(dòng),而氣體流在另一側(cè)上流動(dòng),兩相之間的自由氣體穿過(guò)膜中的孔隙進(jìn)行交換。涂布孔隙是可能的,如果這不會(huì)抑制氣體傳遞到不能由涂層提供的益處所補(bǔ)償?shù)某潭取Dた稍O(shè)計(jì)為干燥的或濕潤(rùn)的。在干膜設(shè)計(jì)中,膜的孔隙和膜的材料可使得表面張力防止水滲透穿過(guò)孔隙至氣體流。在濕潤(rùn)設(shè)計(jì)中,水可填充孔隙,但可能不以顯著的量流動(dòng)超過(guò)這些孔隙而進(jìn)入氣體流中。在任一情況下,氣體交換基本上未受到抑制。

使用所公開(kāi)的膜接觸器用于蒸餾的另一益處在于不需要金屬,相比于可能極為昂貴并且隨時(shí)間而腐蝕的合金,這獲得了接觸器的優(yōu)良?jí)勖?。例如,?00℃下沸騰的流中數(shù)千ppm的NaCl的存在將需要鈦或合金(如可得自印第安納州科科莫的海恩斯國(guó)際公司(Haynes International,Inc.of Kokomo,Indiana)的那些),但也可容易地使用聚合物(例如聚醚醚酮)接觸器組件起作用。使用所公開(kāi)的膜接觸器用于驅(qū)動(dòng)溶液回收的另一益處在于這種回收所需的溫度在可在這種接觸器中所用的聚合物的溫度容限之內(nèi)。另一益處在于相比于常規(guī)填充,HETP(每理論平衡級(jí)的流程長(zhǎng)度)可相當(dāng)小,從而獲得與大得多的塔相同功能的緊湊且較便宜的接觸器陣列。另一益處在于在所公開(kāi)的膜接觸器中,高得多的液體流量是可能的,而不會(huì)導(dǎo)致諸如夾帶的困難,從而產(chǎn)生更有效的概念上等同于塔直徑(由于它們涉及液體負(fù)載速率)的膜區(qū)域的使用。另一益處在于常規(guī)的塔需要在填充物上下的另外的高度以允許液相和氣相彼此分離,這在所公開(kāi)的膜接觸器中是不必要的,因?yàn)閮上鄰奈丛谕煌ǖ乐谢旌希虼藷o(wú)需脫離。

圖6顯示了驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)回收系統(tǒng)22的一個(gè)實(shí)施例,其使用膜裝置24以使來(lái)自驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)回收操作的蒸發(fā)的驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)26與吸收溶液28接觸。在一些實(shí)施例中,膜裝置24可為膜接觸器。如圖6所示,蒸發(fā)的驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)26在膜接觸器24的第一側(cè)上經(jīng)過(guò)(如箭頭27所示),而吸收溶液28在膜接觸器24的第二側(cè)上經(jīng)過(guò)(如箭頭29所示)。蒸發(fā)的驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)能夠通過(guò)膜接觸器24(如箭頭25所示),并由吸收溶液28吸收。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中,吸收溶液28為稀釋的或濃驅(qū)動(dòng)溶液,其中蒸發(fā)的驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)被再吸收,以產(chǎn)生在滲透驅(qū)動(dòng)膜系統(tǒng)/工藝中使用/再利用的更濃的驅(qū)動(dòng)溶液源。

在至少一個(gè)實(shí)施例中,驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)回收系統(tǒng)122可包括使用汽提器(如圖7所示)來(lái)從稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液中去除基本上所有的驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)。如圖7所示,稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液120(來(lái)自例如滲透驅(qū)動(dòng)膜系統(tǒng))在膜接觸器124的一側(cè)上經(jīng)過(guò),而將蒸汽源130(即熱能)引入膜接觸器124的第二側(cè)。稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液120從蒸汽130吸收熱量,驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)從稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液120中汽提。特別地,來(lái)自蒸汽130的熱量通過(guò)膜接觸器124(箭頭131)、加熱稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液120并蒸發(fā)其中的驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)。蒸發(fā)的驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)126通過(guò)膜接觸器124(箭頭127),并被蒸汽130吸收,從而產(chǎn)生離開(kāi)系統(tǒng)122的濃驅(qū)動(dòng)溶液116(以基本上蒸氣的形式)。從稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液120汽提驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)產(chǎn)生離開(kāi)系統(tǒng)122的水源132。

另外地或可選擇地,可隨后使用凝結(jié)器來(lái)凝結(jié)所有的或一部分蒸氣(參見(jiàn)例如圖9)。隨后可使用第二膜裝置,剩余的蒸氣在膜接觸器124的第一側(cè)上,吸收器在膜接觸器124的第二側(cè)上。在一些實(shí)施例中,可在第二側(cè)上存在使用或不使用另外的吸收溶液的蒸餾,使得蒸氣可通過(guò)通過(guò)膜裝置而凝結(jié)。在一些實(shí)施例中,凝結(jié)器可設(shè)置于膜裝置的上游。在其他實(shí)施例中,可使各種流不接觸中間單元操作。此外,膜吸收器可完全凝結(jié)來(lái)自汽提器或其他驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)回收操作的蒸氣。在其他實(shí)施例中,膜吸收器可在凝結(jié)器之后使用以完成將溶質(zhì)再吸收至更濃的驅(qū)動(dòng)溶液中。這對(duì)于減小溶質(zhì)回收系統(tǒng)的尺寸而言是特別有用的。這也可在低溫和低壓下是特別有用的。

用于溶質(zhì)回收系統(tǒng)的各個(gè)實(shí)施例中的膜可由適于其預(yù)期目的的基本上任何材料制成,包括例如聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚醚醚酮(PEEK)和聚丙烯(PP)。根據(jù)各個(gè)實(shí)施例,膜可為多孔的或致密的。在多孔膜中的孔隙的尺寸可形成為使得液體(例如水)不通過(guò),但氣體可通過(guò)。膜可為中空纖維或平坦片材的形式。在中空纖維的情況下,旨在用于熱傳遞的其他纖維可與這些纖維混合,以提高冷卻膜系統(tǒng)并凝結(jié)氣體的能力。例如,一些纖維可為不可滲透的,但允許在纖維壁處通過(guò)熱傳遞加熱或冷卻驅(qū)動(dòng)溶液,而其他纖維可為選擇性的并用于分離和再循環(huán)驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)。每種類(lèi)型的百分比可不同,各種纖維的縱向或豎直取向可不同,且在一些實(shí)施例中纖維可在區(qū)域中為分級(jí)的。這種設(shè)置可有利于降低應(yīng)用(如涉及滲透熱機(jī)的那些應(yīng)用)中的能量需求。在一些實(shí)施例(如涉及相對(duì)較小規(guī)模的應(yīng)用的那些實(shí)施例)中,可應(yīng)用具有一體化機(jī)械學(xué)的可拆卸的移動(dòng)構(gòu)造。在平坦片材構(gòu)造中,可將冷卻特征集成至外殼中。在任一膜構(gòu)造中,可在各級(jí)膜之間使用冷卻。另外,膜可為涂布的或未涂布的以適應(yīng)特定應(yīng)用,并可為不對(duì)稱(chēng)的或?qū)ΨQ(chēng)的。在一些實(shí)施例中,可使用中空纖維、螺旋纏繞或含有膜的板框式膜組件。

在一些實(shí)施例中,中空纖維、螺旋纏繞或含有涂布或未涂布的多孔膜的板框式膜組件可用于在滲透驅(qū)動(dòng)膜(包括發(fā)電和/或能量?jī)?chǔ)存)工藝中所用的可熱分離的驅(qū)動(dòng)溶液的蒸餾。根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例,纖維、膜片材或其他熱傳遞材料的形式的熱交換區(qū)域可被集成至膜組件中,或者與這些組件交替,以提高傳遞熱以及質(zhì)量的能力,并凝結(jié)溶質(zhì)氣體??蓪⑵岷臀展δ芗芍羻蝹€(gè)組件中或在多個(gè)膜單元中展開(kāi)。汽提和吸收功能可在單個(gè)膜上進(jìn)行。在這種實(shí)施例中,通過(guò)滲透蒸發(fā)或膜蒸餾而從稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液汽提可在第一側(cè)上發(fā)生,膜系統(tǒng)的相對(duì)側(cè)接收氣體進(jìn)入溶液。這可例如為吸收流體,諸如稀釋的或濃驅(qū)動(dòng)溶液。

圖8顯示了具有集成至單個(gè)組件或裝置224中的稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液汽提和吸收功能的回收系統(tǒng)222的一個(gè)實(shí)例。根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例,可設(shè)計(jì)膜組件224,從而使用一個(gè)膜系統(tǒng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)的汽提,并且使用凝結(jié)器和/或第二膜系統(tǒng)進(jìn)行將氣體吸收至驅(qū)動(dòng)溶液中以增加其濃度而再利用。可選擇地或另外地,汽提可通過(guò)膜蒸餾、滲透蒸發(fā)或其他類(lèi)似的工藝完成,吸收可通過(guò)膜接觸器、滲透蒸發(fā)工藝或其他類(lèi)似的技術(shù)完成。

如圖8所示,溶質(zhì)回收系統(tǒng)222包括膜組件224,所述膜組件224包括至少一個(gè)吸收膜224a和至少一個(gè)汽提膜224b。組件224起到類(lèi)似于相對(duì)于圖6和7所述的膜的功能。特別地,將蒸汽230引入汽提膜224b的一側(cè),而將稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液220引入汽提膜224b的另一側(cè)。使熱傳遞至稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液220(箭頭231),從而蒸發(fā)驅(qū)動(dòng)溶質(zhì),所述驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)通過(guò)膜224b(箭頭227),留下水232離開(kāi)組件224。將現(xiàn)在包含蒸發(fā)的驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)226的蒸汽230引入吸收器膜224a的一側(cè),而將稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液220引入吸收器膜的另一側(cè),在該處稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液220充當(dāng)吸收溶液來(lái)吸收通過(guò)膜224a(箭頭225)的蒸發(fā)的驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)226,從而獲得離開(kāi)組件224的濃驅(qū)動(dòng)溶液216。在一個(gè)實(shí)施例中,組件224包括空白材料片材234,例如絕緣體,所述空白材料片材234用于防止來(lái)自?xún)蓚€(gè)流的質(zhì)量和/或熱彼此相互作用。

根據(jù)另外的實(shí)施例,基于膜的溶質(zhì)回收系統(tǒng)可與熱泵一體化,從而提供顯著的能量效率改進(jìn),如圖9所示。特別地,圖9顯示了溶質(zhì)回收系統(tǒng)322,其包括聯(lián)接至具有再沸器342和凝結(jié)器344的閉循環(huán)熱泵340的膜組件324。膜組件324的操作與之前所述的那些類(lèi)似到如下程度:將蒸汽330(在此情況下從再沸器342)引入組件324至兩個(gè)膜接觸器324a、324b之間,而將稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液320引入那些膜接觸器324a、324b的相對(duì)側(cè)??墒褂萌我鈹?shù)目和設(shè)置的膜接觸器以適應(yīng)特定應(yīng)用。

現(xiàn)在含有蒸發(fā)的溶質(zhì)326的蒸汽離開(kāi)組件324,并被引導(dǎo)至凝結(jié)器344,在凝結(jié)器344處,蒸汽和蒸發(fā)的驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)326的至少一部分凝結(jié)并作為濃驅(qū)動(dòng)溶液316排出。在一些實(shí)施例中,凝結(jié)器344可與吸收溶液一起使用。使用在凝結(jié)器344處移出的熱的熱泵340升高其溫度,并將其引導(dǎo)至再沸器342以產(chǎn)生蒸汽330。熱泵340可聯(lián)接至電源346或其他功率裝置。在驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)已從稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液320中汽提之后,水332由膜組件324排出。水332的至少一部分可由再沸器342使用,以產(chǎn)生另外的蒸汽330。

圖10顯示了溶質(zhì)回收系統(tǒng)422的一個(gè)可選擇的實(shí)施例,其包括聯(lián)接至開(kāi)循環(huán)熱泵440和再沸器442的膜組件424。系統(tǒng)422的操作類(lèi)似于相對(duì)于圖9所述的操作。例如,將稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液420引入組件424至在一個(gè)或多個(gè)膜接觸器424a、424b的一側(cè)上,而將蒸汽430從再沸器442引入組件424至在一個(gè)或多個(gè)膜接觸器424a、424b的相對(duì)側(cè)上。再次,可使用任意數(shù)目和設(shè)置的膜接觸器以適應(yīng)特定應(yīng)用。蒸發(fā)的驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)426離開(kāi)組件424,并被引導(dǎo)至熱泵440,在熱泵440處,蒸發(fā)的驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)426的溫度升高,并被引導(dǎo)至再沸器442以產(chǎn)生用于汽提操作的蒸汽430。再沸器442排出可再循環(huán)回滲透驅(qū)動(dòng)膜系統(tǒng)的濃驅(qū)動(dòng)溶液416。組件424也排出水432,所述水432可直接使用、進(jìn)一步加工使用、和/或其至少一部分被引導(dǎo)至再沸器442。

圖11顯示了懸浮液體膜形式的選擇性膜524的一部分,其基本上抑制水蒸汽的傳輸,但有利于驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)的傳輸,在液體中具有或不具有載體。根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例,選擇性材料區(qū)域536可不為液體,而是凝膠或固體,或者占所述膜的大多數(shù)或全部而不是被包含于另一材料內(nèi)。通常,選擇性膜可用于驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)回收,例如,懸浮液體膜可用于回收驅(qū)動(dòng)溶液,其中液體、凝膠、聚合物或其他材料可極大地不滲透水,但可滲透NH3和CO2。在其他實(shí)施例中,其可含有傳輸NH3和/或CO2的“載體”。一個(gè)例子為非極性液體,所述非極性液體允許滲透CO2,但不滲透水或水蒸氣,并且其內(nèi)含有NH3的載體分子。

圖12顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例,使用選擇性膜624以促進(jìn)驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)的同時(shí)汽提和吸收。在膜624的一側(cè)上,可加熱稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液流620a以熱解分裂例如銨鹽,并增加NH3和CO2的蒸汽壓。在膜624的另一側(cè)上,冷卻稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液620b,使得NH3和CO2氣體626被吸附于其內(nèi)并形成銨鹽。這樣,稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液可分成兩個(gè)流620a、620b,其中一個(gè)被汽提而變成產(chǎn)物水632,其中另一個(gè)的濃度增加而變成用于再利用的濃驅(qū)動(dòng)溶液616。

根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例,此類(lèi)載體介導(dǎo)的懸浮液體膜接觸器將顯著減少再循環(huán)驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)所需的能量,因?yàn)闆](méi)有水作為分離的部分而作為蒸氣傳遞,從而節(jié)約了常規(guī)蒸餾所用的熱負(fù)荷的水組分的蒸發(fā)焓。更廣義地說(shuō),該方法可應(yīng)用于再循環(huán)來(lái)自例如FO、DO、DOC、PRO、OGS(滲透網(wǎng)存儲(chǔ))或類(lèi)似的滲透驅(qū)動(dòng)膜系統(tǒng)的任何可熱分離的驅(qū)動(dòng)溶質(zhì),使得懸浮阻擋層相對(duì)不滲透水,并且傳輸驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)或含有驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)的載體或前述兩者的某些組合。

圖13顯示了與滲透驅(qū)動(dòng)膜工藝/系統(tǒng)710一起使用的驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)回收系統(tǒng)722的另一實(shí)施例的一部分。如所示,可將稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液720a的第一部分從系統(tǒng)710的室711引導(dǎo)至蒸餾塔750,可將稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液720b的第二部分從室711引導(dǎo)至吸收器組件727??蓪㈦x開(kāi)蒸餾塔750的流729引入吸收器組件727,在該處流729與稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液720b混合以返回至室711,從而將驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)再引入正向滲透膜712的驅(qū)動(dòng)側(cè)。

在一些實(shí)施例中,溶質(zhì)回收系統(tǒng)使用多級(jí)溶質(zhì)回收系統(tǒng),例如,多級(jí)塔蒸餾或膜蒸餾。在多級(jí)塔蒸餾中,兩個(gè)或更多個(gè)塔可接收稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液的并流,每個(gè)流經(jīng)完全處理以產(chǎn)生具有剩余驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)的所需濃度(例如小于約1ppm NH3)的產(chǎn)物水。熱可在串聯(lián)的塔之間流動(dòng),然而,將工藝所消耗的熱以最高溫度和壓力引導(dǎo)至塔的再沸器,而來(lái)自該塔的頂部蒸氣在溫度和壓力系列降低的下一個(gè)塔的再沸器的熱傳遞表面的外側(cè)上完全或部分凝結(jié)。該凝結(jié)可遞送用于第二塔的完全或部分分離所需的熱,對(duì)串聯(lián)的每個(gè)塔重復(fù)此,直至通過(guò)冷卻具有最低溫度和壓力的塔的頂部蒸氣而排出的熱被排斥至冷卻流??稍陧敳繙囟扰c底部溫度之間所用的級(jí)數(shù)通常由串聯(lián)的彼此臨近的塔的凝結(jié)溫度與再沸器溫度之間的差異(其與稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液的組成相關(guān))所設(shè)定。熱交換設(shè)備的所需ΔT也是重要因素。前述描述同樣適用于多級(jí)膜蒸餾。

圖14顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的溶質(zhì)回收系統(tǒng)822,其使用多級(jí)溶質(zhì)回收工藝,其中能量流和材料流均串聯(lián)。特別地,圖14顯示了使用多級(jí)塔蒸餾的多級(jí)溶質(zhì)回收工藝,然而,多級(jí)膜蒸餾也可預(yù)期,并被認(rèn)為在本發(fā)明的范圍內(nèi)。如圖14所示,材料(例如來(lái)自滲透驅(qū)動(dòng)膜工藝的稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液820)和能量(例如蒸汽830)流均可串聯(lián)流動(dòng)。當(dāng)熱能830以相對(duì)更高的溫度和壓力經(jīng)由第二入口802a引入以降低進(jìn)料流820的濃度時(shí),將稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液820經(jīng)由入口801a引入第一塔850a。來(lái)自第一塔850a的蒸氣830’經(jīng)由出口803a離開(kāi),并可用于將熱提供給下一個(gè)塔750b,所述塔750b(經(jīng)由出口804a和入口801b)接收更低溫度和壓力的第一塔的底部產(chǎn)物820’作為其進(jìn)料??蓪⒔?jīng)加熱的蒸氣830’經(jīng)由熱傳遞裝置(例如再沸器)842和入口805、出口806和第二入口802b引入第二塔850b。凝結(jié)的蒸氣經(jīng)由出口807作為濃驅(qū)動(dòng)溶液816輸出,而水832經(jīng)由出口804b從最后的塔850b輸出。這可在任何數(shù)目的塔中重復(fù),直至獲得所需的底沉積物組成。

這可有效地產(chǎn)生類(lèi)似于McGinnis的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)公布No.2009/0297431中所公開(kāi)的實(shí)施例的多個(gè)熱效應(yīng),所述專(zhuān)利的公開(kāi)內(nèi)容以全文引用的方式并入本文,其中材料進(jìn)料并聯(lián),且能量流串聯(lián)。該方法可與在不同壓力下操作、并為緊湊有效設(shè)置的膜接觸器一起使用。對(duì)于更高濃度的進(jìn)料流和/或更高溫度的熱源,該可選擇的方法可為優(yōu)選的。

根據(jù)另外的實(shí)施例,多級(jí)溶質(zhì)回收工藝可由熱泵協(xié)助,從而在使用如上熱源(在環(huán)境溫度以上,例如高于環(huán)境溫度20℃)的環(huán)境中提供顯著的能量效率改進(jìn)。在一些實(shí)施例中,當(dāng)使用燃料燃燒、更高溫度的熱源、或背壓式渦輪機(jī)以將熱提供至驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)回收工藝時(shí),可使用熱泵。

根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例,可在來(lái)自塔(或膜組件)的一個(gè)或多個(gè)蒸汽流上使用熱泵,如熱壓機(jī)(也稱(chēng)為噴射器噴嘴)、機(jī)械壓縮機(jī)(也稱(chēng)為鼓風(fēng)機(jī))、吸收熱泵、閉循環(huán)熱泵、制冷型熱泵或其他類(lèi)似單元,以升高一個(gè)或多個(gè)蒸汽流部分或完全凝結(jié)的溫度。這樣做可降低各級(jí)之間的溫度差,從而在給定溫度差內(nèi)允許更多的級(jí),或者在更低頂部壓力和溫度和/或更高底部溫度和壓力下允許給定的級(jí)數(shù)。這可首先用于增加能量效率,或者其次增加資本效率,或者前述兩者的某個(gè)組合。

圖15表示熱泵協(xié)助的多級(jí)溶質(zhì)回收的一個(gè)實(shí)例的示意圖,其中使用閉循環(huán)或開(kāi)循環(huán)熱泵在頂部流上完成操作,以允許每個(gè)塔(或膜組件)的壓力更接近,從而提供更多的級(jí)和更大的總效率。如圖15所示,與相對(duì)于圖14描述的回收系統(tǒng)類(lèi)似的回收系統(tǒng)822包括兩個(gè)或更多個(gè)蒸餾塔850,其中將材料流(稀釋的驅(qū)動(dòng)溶液820)(經(jīng)由入口801)引入并聯(lián)的塔850。將在相對(duì)更高的溫度和壓力下的熱能源(蒸汽830)(經(jīng)由入口802a)引入第一塔850a,以降低進(jìn)料流820a的濃度。將來(lái)自第一塔850a的蒸氣830’(經(jīng)由出口803a)引導(dǎo)至熱泵840(在該處蒸氣830’的溫度升高),然后將其運(yùn)送至下一個(gè)塔850b以降低第二進(jìn)料流820b的濃度。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中,可經(jīng)由熱傳遞裝置(例如再沸器)842引入經(jīng)加熱的蒸氣830',如之前相對(duì)于圖14所述。凝結(jié)的蒸氣可作為濃驅(qū)動(dòng)溶液816輸出,或者再循環(huán)至滲透驅(qū)動(dòng)膜系統(tǒng)。每個(gè)塔850輸出水832以直接使用或進(jìn)一步加工,這取決于輸出的水832的品質(zhì)。

在另一實(shí)施例中,在緊湊且資本有效的應(yīng)用中,上述類(lèi)型的熱泵可與單個(gè)塔(或膜組件)一起使用,以完全利用減少潛熱產(chǎn)生的熱泵熱效率。在至少一個(gè)實(shí)施例中,熱泵可在溶質(zhì)回收系統(tǒng)中使用,以通過(guò)再循環(huán)潛熱而降低工藝所需的能量。這也可在單個(gè)塔/組件熱泵實(shí)施例中實(shí)施。

可應(yīng)用用于降低在溶質(zhì)回收和再循環(huán)系統(tǒng)中所需的ΔT的另外的技術(shù)。例如,可壓縮驅(qū)動(dòng)溶液氣體以使它們?cè)诟偷摩下形成濃溶液。任何系統(tǒng)的所需ΔT也可通過(guò)集成機(jī)械熱泵或吸收熱泵而獲得。

圖16顯示了溶質(zhì)回收系統(tǒng)922的一個(gè)實(shí)施例,其使用具有半開(kāi)放或半閉合熱泵構(gòu)造的塔蒸餾,其中具有或不具有再沸器的塔950的產(chǎn)物水932的一部分可被全部或部分引導(dǎo)至降低其壓力的減壓閥956,使得水932可通過(guò)在熱交換器938中熱傳遞(其來(lái)自具有或不具有混合的吸收劑的頂部蒸氣930’的凝結(jié))而部分或全部蒸發(fā)??呻S后由機(jī)械或熱力噴射裝置952將通過(guò)產(chǎn)物水的蒸發(fā)所產(chǎn)生的所述蒸汽930”壓縮至直接用作塔950(或前述膜接觸器裝置中的一個(gè))的底部的進(jìn)料以用于驅(qū)動(dòng)溶質(zhì)的汽提的點(diǎn)。例如,在230torr下操作的塔950可產(chǎn)生頂部蒸氣930’,所述頂部蒸氣930’在大約35-50℃下在熱交換器938的一側(cè)上凝結(jié),從而使得在熱交換器938的相對(duì)側(cè)上的壓力已降低至大約75-90torr的水932部分返回至蒸汽930”。可隨后壓縮所述蒸汽930”并升高其壓力至230torr,并將其直接注入塔或膜組件的底部。該設(shè)置可稱(chēng)為半開(kāi)放或半閉合熱泵構(gòu)造。

熱和/或機(jī)械熱泵的其他組合可與常規(guī)的或基于膜的多蒸餾塔級(jí)結(jié)合使用,以最好地平衡增加級(jí)數(shù)的需要并同時(shí)使設(shè)備成本達(dá)到最小。這些可根據(jù)需要包括例如在一個(gè)或多個(gè)塔上的熱壓機(jī)、在一個(gè)或多個(gè)其他塔上的機(jī)械壓機(jī)、和在其他塔上的其他熱泵類(lèi)型,以及如可能有利于吸收熱泵(其中在低溫下吸收的熱可遞送更少量的在更高溫度下的熱)應(yīng)用的熱流之間的融合。相比于可需要所制得的所有水的相變的常規(guī)系統(tǒng)(如膜蒸餾或機(jī)械蒸氣再壓縮),熱再生滲透驅(qū)動(dòng)膜系統(tǒng)的熱力學(xué)優(yōu)點(diǎn)可得以更完全程度地實(shí)現(xiàn)。

圖17顯示了類(lèi)似于圖16的一個(gè)可選擇的實(shí)施例,其中可使用熱壓機(jī)954,使得產(chǎn)物水932的一部分可(經(jīng)由鍋爐942)而直接返回至蒸汽,并作為用于增加來(lái)自一個(gè)或多個(gè)塔950的蒸氣流930’的壓力的相對(duì)較高壓力的流930引入,由此增加其凝結(jié)溫度。在一個(gè)實(shí)施例中,系統(tǒng)922使用類(lèi)似于相對(duì)于圖16所述的任選的熱交換器938和閥門(mén)956設(shè)置,以產(chǎn)生蒸氣流930”而用于引入熱壓機(jī)954。在該情況下,可獲得比熱負(fù)荷的凈降低,但可產(chǎn)生較低量的產(chǎn)物水。以非限制性的例子而言,需要381MJ/m3產(chǎn)物水的2-3級(jí)系統(tǒng)(所述級(jí)中的一個(gè)產(chǎn)生較小部分的分離)可通過(guò)允許4-5級(jí)設(shè)計(jì)而使用熱壓機(jī)將該負(fù)荷可能降低至200-250MJ/m3那樣低。

在另一可選擇的實(shí)施例中,可使用機(jī)械壓縮機(jī),從而使用電功或軸功壓縮來(lái)自一個(gè)或多個(gè)塔頂部的蒸氣,由此增加所述流凝結(jié)的溫度,從而允許使用更多的級(jí)。在此情況下,不需要產(chǎn)物水量的降低,但需要電能來(lái)代替所需熱的一部分。以非限制性的例子而言,需要381MJ/m3產(chǎn)物水的2-3級(jí)系統(tǒng)可通過(guò)允許4-5級(jí)設(shè)計(jì)而使用機(jī)械壓縮將該負(fù)荷可能降低至150-200MJ/m3那樣低。對(duì)于為5的COP(性能系數(shù),熱泵效率的典型量度),還需要可能12.8kW那樣多的另外的量的電能??深A(yù)期電能對(duì)熱能的進(jìn)一步取代,且認(rèn)為其在本發(fā)明的范圍內(nèi)。

根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例,如圖18所示,真空蒸餾和/或氣體吸收可與所公開(kāi)的滲透驅(qū)動(dòng)膜系統(tǒng)一體化??墒褂糜筛邏核芤?可由泵1060協(xié)助)驅(qū)動(dòng)的噴射器1058來(lái)在蒸餾塔1050上抽真空。離開(kāi)噴射器1058的氣體-水混合物可流動(dòng)穿過(guò)靜態(tài)混合器1062以確保氣體溶解于水中。隨后,水溶液可流動(dòng)至氣體-液體分離器1064,在該處氣體可得以捕獲和再循環(huán),并且再循環(huán)一部分溶液1066以驅(qū)動(dòng)噴射器。

現(xiàn)在已描述了本發(fā)明的一些說(shuō)明性的實(shí)施例,對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言顯而易見(jiàn)的是前述僅為說(shuō)明性的,而非限制性的,僅以舉例的方式表示。許多改變和其他實(shí)施例是在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員范圍內(nèi)的,并預(yù)期落入本發(fā)明的范圍內(nèi)。特別地,盡管本文呈現(xiàn)的許多實(shí)例涉及方法行為或系統(tǒng)元件的特定組合,但應(yīng)理解那些行為和那些元件可以以其他方式組合以實(shí)現(xiàn)相同的目的。

此外,還應(yīng)了解本發(fā)明針對(duì)本文所述的每個(gè)特征、系統(tǒng)、子系統(tǒng)或技術(shù)以及兩個(gè)或更多個(gè)本文所述的特征、系統(tǒng)、子系統(tǒng)或技術(shù)的任何組合,若這種特征、系統(tǒng)、子系統(tǒng)和技術(shù)相互不一致,則認(rèn)為兩個(gè)或更多個(gè)特征、系統(tǒng)、子系統(tǒng)和/或方法的任何組合在任何權(quán)利要求中具體描述的本發(fā)明范圍內(nèi)。此外,僅與一個(gè)實(shí)施例結(jié)合討論的行為、元件和特征不旨在從其他實(shí)施例中的類(lèi)似作用排除。

此外,本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)了解本文所述的參數(shù)和配置為示例性的,實(shí)際的參數(shù)和/或配置將取決于使用本發(fā)明的系統(tǒng)和技術(shù)的特定應(yīng)用。本領(lǐng)域技術(shù)人員也應(yīng)認(rèn)識(shí)到或能夠確定僅僅使用常規(guī)實(shí)驗(yàn)、和本發(fā)明的特定實(shí)施例的等同物。因此應(yīng)理解,本文所述的實(shí)施例僅以舉例的方式呈現(xiàn),在所附權(quán)利要求書(shū)和其等同物的范圍內(nèi),可以以不同于具體描述的方式實(shí)施本發(fā)明。

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