包含低壓控制的滲透驅(qū)動(dòng)隔膜系統(tǒng)的發(fā)展的制作方法
【專利說明】
[0001] 香叉參考
[0002] 本申請案主張2013年3月15日申請的第61/794, 537號美國臨時(shí)申請案的早期
【申請日】的優(yōu)先權(quán)，所述申請案的全文出于任何目的W引用的方式并入本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本文中描述的實(shí)例設(shè)及分離系統(tǒng)、元件及方法，其可用于正向滲透（F0)或逆向滲 透（R0)或通常任何分離過程。
[0004] 政府替巧 陽0化]本發(fā)明是根據(jù)美國國防部授予的第W911NF-09-C-0079號合約在美國政府的支持 下實(shí)現(xiàn)。美國政府對本發(fā)明擁有特定權(quán)利。
【背景技術(shù)】
[0006] 滲透驅(qū)動(dòng)隔膜過程能夠通過用兩種溶液之間的化學(xué)能量梯度驅(qū)動(dòng)水流動(dòng)跨過隔 膜來W節(jié)能方式處理高度污染的溶液。滲透預(yù)處理過程利用相對于進(jìn)料溶液具有高滲透勢 或滲透壓的汲取溶液W提供使水輸送跨過隔膜的驅(qū)動(dòng)力。隨著相對純凈的水流過隔膜，其 稀釋汲取溶液。
[0007] 在滲透驅(qū)動(dòng)隔膜水凈化系統(tǒng)中，隨后必須再濃縮汲取溶液，或W某種方式回收溶 質(zhì)W用于重復(fù)利用。典型系統(tǒng)采用脫鹽設(shè)備（例如逆向滲透、蒸饋或其它析鹽技術(shù)）或用 于汲取溶質(zhì)回收的其它方法（例如熱交換鹽）。通常，此類系統(tǒng)被作為兩個(gè)單獨(dú)的子系統(tǒng)進(jìn) 行控制：滲透系統(tǒng)及再濃縮系統(tǒng)，在所述兩個(gè)子系統(tǒng)之間具有緩沖容積并具有兩個(gè)單獨(dú)的 抽排系統(tǒng)。單獨(dú)的抽排系統(tǒng)調(diào)整每一流的流速及壓力。
[0008] 滲透系統(tǒng)中的總生產(chǎn)率是由跨滲透隔膜的水流量規(guī)定，所述流量大部分是由汲取 溶液滲透壓與進(jìn)料溶液滲透壓的差來確定。在傳統(tǒng)的系統(tǒng)中，汲取溶液濃度是通過用噴射 累及汲取溶液緩沖膽槽將溶質(zhì)添加到汲取溶液而控制。
[0009] 在所有情況中，汲取溶液滲透勢必須高于要處理的進(jìn)料。在一些情況中，高的進(jìn)料 水濃度可使得汲取溶液濃度必需高于在依較低能量脫鹽技術(shù)（例如逆向滲透（R0))進(jìn)行再 濃縮時(shí)通常可處理的濃度。
[0010] 常規(guī)的R0系統(tǒng)中通常使用的能量回收累還可W不同方式操作W用于壓力延緩滲 透（PRO)系統(tǒng)。在PRO系統(tǒng)中，高滲透勢汲取溶液被低滲透勢進(jìn)料溶液稀釋。由于對汲取 溶液加壓，滲透驅(qū)動(dòng)力被部分抵消，但是水通量仍然在汲取溶液的方向上。通過能量產(chǎn)生裝 置（例如滿輪機(jī)）解除汲取溶液中的過量水。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 本文中掲示了用于凈化的設(shè)備及方法的實(shí)例。例如，一種設(shè)備可包含：正向滲透模 塊，其經(jīng)配置W接收進(jìn)料流及汲取流，且產(chǎn)生廢棄進(jìn)料流及中間流；壓力傳感器，其可測量 所述正向滲透模塊的汲取側(cè)上的第一壓力；及隔膜模塊，其可接收所述中間流并產(chǎn)生產(chǎn)物 流。所述設(shè)備可進(jìn)一步包含液壓累，其可使所述中間流循環(huán)并將所述中間流加壓到第二壓 力。所述設(shè)備可進(jìn)一步包含能量回收裝置，其可將所述汲取流從所述第二壓力降低到所述 第一壓力；計(jì)量累，其可將濃縮的汲取溶液提供到所述汲取流；及流量計(jì)，其可測量所述產(chǎn) 物流的流速。
[0012] 一種實(shí)例方法可包含將進(jìn)料流提供到正向滲透模塊；將汲取流提供到所述正向滲 透模塊；使所述進(jìn)料流濃縮且使所述汲取流循環(huán)通過所述正向滲透模塊，運(yùn)可產(chǎn)生中間流； 監(jiān)測所述正向滲透模塊的汲取側(cè)上的壓力；將所述中間流抽排到另一過濾器模塊；及用另 一過濾器模塊過濾所述中間流，運(yùn)可產(chǎn)生所述汲取流及產(chǎn)物流。所述方法可進(jìn)一步包含監(jiān) 測所述產(chǎn)物流的流速并W可至少部分基于所述產(chǎn)物流的所述流速的計(jì)量速率將溶質(zhì)提供 到所述汲取流。
【附圖說明】
[0013] 圖1是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的凈化系統(tǒng)。
[0014]圖2是根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的凈化系統(tǒng)。
[0015] 圖3是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的能量回收裝置。
【具體實(shí)施方式】
[0016] 下文陳述特定細(xì)節(jié)W提供對本發(fā)明的實(shí)施例的足夠理解。然而，所屬領(lǐng)域的技術(shù) 人員將明白，可在無此類特定細(xì)節(jié)中的各種細(xì)節(jié)的情況下實(shí)施本發(fā)明的實(shí)施例。在某些情 況下，并未詳細(xì)展示熟悉的化學(xué)結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分、分子、材料、制造組件、控制系統(tǒng)、電子組 件、時(shí)序協(xié)議及軟件操作W避免不必要地混淆本發(fā)明的所描述實(shí)施例。
[0017] 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的凈化系統(tǒng)100被說明為圖1中的方框圖。為了避免不必要 地混淆本發(fā)明的實(shí)施例，考慮穩(wěn)定狀態(tài)的系統(tǒng)。
[0018] 凈化系統(tǒng)包含正向滲透（F0)模塊4中的F0隔膜元件的陣列，所述F0模塊4可包 含串聯(lián)、并聯(lián)或W其某個(gè)組合組成管道的一或多個(gè)F0隔膜元件。F0模塊4可具有四個(gè)端 口-用于接收進(jìn)料流3的一個(gè)端口、用于接收汲取流17的一個(gè)端口、用于產(chǎn)生廢棄進(jìn)料流5 的一個(gè)端口及用于產(chǎn)生中間流6的一個(gè)端口。凈化系統(tǒng)100進(jìn)一步包含另一隔膜模塊13， 其可為逆向滲透（R0)模塊。隔膜模塊13可包含串聯(lián)、并聯(lián)或W其某個(gè)組合組成管道的一 或多個(gè)R0隔膜元件。隔膜模塊13可包含S個(gè)端口 -用于接收加壓中間流12的一個(gè)端口、 用于產(chǎn)生產(chǎn)物流15的一個(gè)端口及用于產(chǎn)生汲取流16的一個(gè)端口。
[0019] 進(jìn)料流1可由進(jìn)料累2加壓，形成低壓進(jìn)料流3。通常，可使用需要凈化的任何進(jìn) 料流，包含但不限于海水或廢水。流3可沿管道進(jìn)入F0模塊4中，其中所述流的流速可隨 著純凈水W某個(gè)F0透過流速跨F0隔膜轉(zhuǎn)移到汲取流17而下降。進(jìn)料溶質(zhì)可保持在進(jìn)料 流中且按流3的流速減去F0透過流速的速率在廢棄進(jìn)料流5 (例如，廢流）中排出系統(tǒng)。
[0020] 汲取流17可具有高于進(jìn)料溶液流3的壓力的某個(gè)滲透壓及接近大氣壓的靜水壓 力，且可沿管道進(jìn)入F0模塊4的陣列中，其中所述流可隨著純凈水W某個(gè)F0透過流速從進(jìn) 料流3轉(zhuǎn)移跨過F0隔膜而增加。汲取流退出元件，形成中間流6(例如，中間產(chǎn)物流），其中 所述中間流6可由累9 (例如，由電動(dòng)馬達(dá)8提供動(dòng)力的液壓累）加壓到大于汲入流17的 滲透壓的靜水壓力，從而形成經(jīng)加壓中間產(chǎn)物流12。
[0021] 流12隨后可沿管道進(jìn)入到隔膜模塊13中的隔膜元件的陣列中，在一些實(shí)例中所 述隔膜模塊13可為R0模塊，其中所述流的流速可隨著純凈水W某個(gè)R0透過流速轉(zhuǎn)移跨過 R0模塊而下降。此R0透過W某個(gè)R0透過流速形成產(chǎn)物流15,所述產(chǎn)物流15是系統(tǒng)的產(chǎn) 物水。R0模塊13還可產(chǎn)生濃縮汲取，其退出R0模塊13,從而形成具有等于流17的流速的 加壓汲取流16。流16經(jīng)過液壓馬達(dá)10 (也稱作能量回收裝置）降壓，從而形成汲取流17， 其可處于接近大氣壓的某個(gè)壓力下，從而重復(fù)利用汲取溶液。在一些實(shí)例中，可使用多個(gè)能 量回收裝置。
[0022] 隨著系統(tǒng)運(yùn)行，汲取溶質(zhì)可跨F0模塊4及隔膜模塊13緩慢地分別損失到廢流5 及產(chǎn)物流15中。包括濃縮汲取溶液18的計(jì)量溶液可由計(jì)量累19緩慢地或定期地抽排到 汲取回路中，運(yùn)可允許系統(tǒng)保持在穩(wěn)定狀態(tài)。汲取溶液的溶質(zhì)可為氯化鋼，但是也可使用其 它溶質(zhì)。
[0023]由于汲取溶液的體積是固定的（忽略濃縮汲取流18的輸入），為使所述系統(tǒng)在數(shù) 分鐘內(nèi)保持穩(wěn)定狀態(tài)，平均F0透過流速及R0透過流速可彼此相等。在常規(guī)系統(tǒng)中，汲取溶 液緩沖膽槽（未描繪）被添加到中間產(chǎn)物流6,從而允許可變的汲取溶液體積。此汲取溶液 緩沖膽槽允許F0透過流速及R0透過流速隨時(shí)間相對于彼此浮動(dòng)，從而提供簡單的控制方 案?？稍诓恍薷娜我煌高^流速的情況下添加計(jì)量溶液。
[0024] 常規(guī)系統(tǒng)的汲取溶液緩沖膽槽允許凈化系統(tǒng)的更簡單控制，但是具有若干缺點(diǎn)。 注意，常規(guī)系統(tǒng)的缺點(diǎn)及本文中描述的實(shí)例的優(yōu)點(diǎn)是通過實(shí)例方式提供W促進(jìn)理解。應(yīng)理 解，并非所有實(shí)例均可具有所有或甚至任何所描述優(yōu)點(diǎn)，且并非所有實(shí)例均可解決所有或 甚至任何所描述常規(guī)系統(tǒng)缺點(diǎn)。常規(guī)緩沖膽槽系統(tǒng)的一個(gè)缺點(diǎn)可為，緩沖膽槽顯著地增加 凈化系統(tǒng)的重量及容積。例如，如圖1中說明的典型系統(tǒng)可具有近似20加侖的容積，且緩 沖膽槽可具有近似100加侖的容積。部分