溶剂分离的制作方法

背景

本发明涉及一种用于从进料溶液中分离溶剂例如水的工艺。

在水纯化方法中，水从不纯溶液例如盐水溶液中被分离。水纯化的多种方法是已知的。这样的方法的实例是反渗透。在反渗透中，通过施加超过高溶质浓度溶液的渗透压的液压(hydraulicpressure)，迫使水从高溶质浓度的区域经过半透膜到达低溶质浓度的区域。例如，反渗透通常被用于从海水中获得饮用水。反渗透还被用于从例如工业废物流(industrialwastestream)中分离水。通过使用反渗透来处理工业废物流，可以从工业废物中产生相对清洁的水，同时减少需要处置或进一步处理的不期望的废物的体积。

反渗透要求在膜的高溶质浓度侧上施加相对高的压力。例如，为了通过常规的反渗透技术来使海水脱盐，高达82barg的压力通常被用来提高产品水的回收率。这给依赖常规反渗透的脱盐方法带来了巨大的能量负担。此外，具有高于海水的溶质浓度的流可能需要施加甚至更高的液压。许多可商购的反渗透膜不适合于承受大于82barg的液压。因此，这可能对可以使用可商购的反渗透膜处理的进料溶液的浓度施加限制，这有效地将浓缩的进料流的最大浓度限制在等于反渗透膜和压力容器的最大液压额定值的渗透压。

附图简述

参考附图，在下文中进一步描述本发明的实施方案，在附图中：

图1是用于实施根据本公开内容的第一实例的工艺的系统的示意性图示；

图2是用于实施根据本公开内容的第二实例的工艺的系统的示意性图示；

图3是用于实施根据本公开内容的第三实例的工艺的系统的示意性图示；

图4是用于实施根据本公开内容的第四实例的工艺的系统的示意性图示；

图5是用于实施根据本公开内容的第五实例的工艺的系统的示意性图示；

图6是用于实施根据本公开内容的第六实例的工艺的系统的示意性图示；

图7是用于实施根据本公开内容的第七实例的工艺的系统的示意性图示；

图8是用于实施根据本公开内容的第八实例的工艺的系统的示意性图示；

图9是用于实施根据本公开内容的第九实例的工艺的系统的示意性图示；

图10是用于实施根据本公开内容的第十实例的工艺的系统的示意性图示；以及

图11是用于实施根据本公开内容的第十一实例的工艺的系统的示意性图示。

详述

在整个本说明书的描述和权利要求书中，词语“包括”和“包含”及它们的变型意指“包括但不限于”，并且它们不意图(并且不)排除其他部分、添加剂、组分、整数或步骤。在整个本说明书的描述和权利要求中，除非上下文另有要求，否则单数涵盖复数。具体地，除非上下文另有要求，否则在使用不定冠词的情况下，本说明书应被理解为预期多个以及单个。

结合本发明的特定方面、实施方案或实施例的特征、整数、特性和化合物应被理解为可适用于本文描述的任何其他方面、实施方案或实施例，除非与其不相容。在本说明书(包括任何所附的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征和/或如此公开的任何方法或工艺的所有步骤可以以任何组合被组合，除了其中这样的特征和/或步骤中的至少一些是相互地排他的组合之外。本发明不限于任何前述实施方案的细节。本发明扩展到本说明书(包括任何随附的权利要求、摘要及附图)中所公开的特征的任何新颖的特征或任何新颖的组合，或者扩展到如此公开的任何方法或工艺的步骤的任何新颖的步骤或任何新颖的组合。

根据本发明，提供了一种用于从进料溶液中分离溶剂的工艺，所述工艺包括：

使进料溶液与第一半透膜(firstsemi-permeablemembrane)的一个侧面接触；

将液压施加至进料溶液，使得来自进料溶液的溶剂通过反渗透流过第一半透膜，以在第一半透膜的渗透物侧(permeate-side)上提供渗透物溶液(permeatesolution)并且在第一半透膜的进料侧上提供残余溶液；以及

将进料溶液的一部分或残余溶液的一部分进料至第一半透膜的渗透物侧。

优选地，溶剂是水。进料溶液可以是盐溶液，例如盐水溶液。进料溶液可以是不纯的水流，例如含盐地下水(salinegroundwater)或地表水、盐水和海水。其他实例包括废水流、湖水、河水和池塘水。废水流的实例包括工业废水流或农业废水流。可选择地，进料溶液可以是通过将渗透剂(osmoticagent)溶解在水中制备的盐溶液。

本发明人已经发现，通过将进料溶液的一部分或残余溶液的一部分进料至第一半透膜的渗透物侧，可以减小横跨第一半透膜的渗透压差。因此，通过反渗透从进料溶液中诱导溶剂流动所需的液压可以被降低。因此，反渗透步骤可以变成渗透辅助的(即渗透辅助的反渗透或“oaro”)。因此，与使用在相同的液压限制下单独操作的反渗透所获得的通量相比，横跨半透膜的通量更高。换句话说，为了获得横跨半透膜的相同水平的通量，可以采用较低的液压。本发明的重要优点是，它允许在常规反渗透膜的液压额定值内的液压下(例如82barg或更低)处理高度浓缩的进料溶液。在常规的反渗透技术的情况下，这样的高度浓缩的进料溶液将需要超过大多数常规反渗透膜的最大液压额定值的液压(例如，高于82barg)。

在一个实施方案中，被进料至第一半透膜的渗透物侧的是进料溶液的一部分。

可选择地或另外地，被进料至第一半透膜的渗透物侧的是残余溶液的一部分。由于残余溶液的浓缩性质，利用残余溶液的一部分进料至第一半透膜的渗透物侧可能是有利的。例如，为了提供相同的盐水浓度，与进料溶液的流量相比，可能需要较低流量的残余溶液至第一半透膜的渗透物侧。这可能是由残余溶液的较高的渗透压造成的。此外，对于给定的液压，可以获得更浓缩的残余溶液。在一个实施方案中，在第一半透膜是中空纤维膜并且其中抽取溶液(drawsolution)是在纤维孔(fibrebore)上的情况下，进料残余溶液的一部分可以比进料例如进料溶液的一部分更节能。沿着纤维孔的较低的压力降可以意味着需要较少的能量。

优选地，至第一半透膜的进料溶液可以通过使初始溶液与初始半透膜的一个侧面接触来产生。可以将液压施加至初始溶液，使得来自初始溶液的溶剂可以通过反渗透流过初始半透膜，以在初始半透膜的渗透物侧上提供初始渗透物溶液并且在初始半透膜的进料侧上提供初始残余溶液。初始残余溶液可以被用作至第一半透膜的进料溶液。初始渗透物溶液可以被取出，例如用于使用或进一步纯化。与将初始渗透物溶液进料至另外的反渗透步骤相比，在初始反渗透阶段之后取出初始渗透物溶液用于使用可以有利地产生较高品质的渗透物。这可能是由于在初始半透膜的进料/浓缩物侧的较低的浓度造成的。此外，包括初始反渗透步骤可以提供经济效益，因为可以采用常规的、广泛使用的反渗透。在一个实施方案中，在第一半透膜的渗透物侧上的渗透物溶液的一部分可以作为进料被再循环至初始半透膜。

在一个实施方案中，被施加至初始溶液的液压可以至少部分地被用于将液压施加至与第一半透膜接触的进料溶液。例如，泵可以被用于施加液压以驱动初始溶液经过初始半透膜。该液压还可以完全地或部分地被用于驱动下游的膜分离步骤。

在一个实施方案中，该工艺还可以包括在第一半透膜的进料侧上取出残余溶液的至少一部分，并且使所取出的溶液作为另外的进料溶液与另外的半透膜的一个侧面接触。可以将液压施加至与另外的半透膜接触的另外的进料溶液，以使来自另外的进料溶液的溶剂通过反渗透流过另外的半透膜，以在另外的半透膜的渗透物侧上提供另外的渗透物溶液并且在另外的半透膜的进料侧上提供另外的残余溶液。可以将另外的进料溶液的一部分或另外的残余溶液的一部分进料至另外的半透膜的渗透物侧。如上文所说明的，这可以减小横跨另外的半透膜的渗透压差。因此，通过反渗透从另外的进料溶液中诱导溶剂流动所需的液压可以被降低。

虽然可以使用专用泵来施加液压，但是还可以使用在初始反渗透步骤中用于将液压施加至初始溶液的泵来为任何后续渗透辅助的反渗透步骤中的一个或更多个步骤施加液压。

在一些实施方案中，可以在第一半透膜的下游设置一系列另外的半透膜。来自这些膜中的任何一个的残余溶液可以被取出并且作为用于下游膜的进料溶液与下游膜接触。至下游膜的进料溶液的一部分或在下游膜的进料侧上的残余溶液的一部分可以被进料至下游膜的渗透物侧。

在该工艺包括使用如上文描述的初始半透膜的情况下，在另外的半透膜的渗透物侧上的另外的渗透物溶液的一部分可以作为至初始半透膜的进料或作为至初始半透膜的进料的一部分被再循环。

在另一个实施方案中，至第一半透膜的进料溶液通过使初始溶液与初始半透膜的一个侧面接触来产生。可以将液压施加至初始溶液，使得来自初始溶液的溶剂通过反渗透流过初始半透膜，以在初始半透膜的渗透物侧上提供初始渗透物溶液并且在初始半透膜的进料侧上提供初始残余溶液。初始残余溶液然后可以与另外的半透膜的一个侧面接触。可以将液压施加至初始残余溶液，使得来自初始残余溶液的溶剂通过反渗透流过另外的半透膜，以在另外的半透膜的渗透物侧上提供另外的渗透物溶液并且在另外的半透膜的进料侧上提供另外的残余溶液。然后，该另外的残余溶液可以被用作至第一半透膜的进料。

在一些实施方案中，初始残余溶液可以流过一系列另外的半透膜，每个另外的半透膜产生其相应的渗透物溶液和残余溶液。这些残余溶液中的至少一种可以被用作至第一半透膜的进料。

在一些实施方案中，来自另外的半透膜(或另外的半透膜中的一个)的另外的残余溶液的至少一部分被取出，并且被进料至第一半透膜的渗透物侧。

在一些实施方案中，来自第一半透膜的第一渗透物溶液的至少一部分作为进料被再循环至初始半透膜。

在一些实施方案中，被施加至初始溶液的液压至少部分地被用于将液压施加至与第一半透膜接触的进料溶液和/或与另外的半透膜或另外的半透膜中的至少一个接触的另外的进料溶液。

进料溶液和/或初始溶液可以是任何溶液，例如水溶液。进料溶液和/或初始溶液可以是盐溶液，例如水性盐溶液。在一些实施方案中，进料溶液和/或初始溶液可以包含多于一种溶解的盐。在一些实施方案中，进料溶液和/或初始溶液是氯化钠的水溶液。合适的进料溶液和/或初始溶液的实例包括含盐地下水或地表水、盐水和海水。其他实例包括废水流、湖水、河水和池塘水。废水流的实例包括工业废水流或农业废水流。

进料溶液和/或初始溶液可以是一种或更多种渗透剂的溶液。合适的渗透剂包括盐，例如无机盐。合适的盐包括铵盐和金属盐，例如碱金属(例如li、na、k)盐和碱土金属(例如mg和ca)盐。盐可以是氟化物、氯化物、溴化物、碘化物、硫酸盐、亚硫酸盐、硫化物、碳酸盐、碳酸氢盐、硝酸盐、亚硝酸盐、氮化物、磷酸盐、铝酸盐、硼酸盐、溴酸盐、碳化物、氯化物、高氯酸盐、次氯酸盐(hypochlorate)、铬酸盐、氟硅酸盐、氟硫酸盐、硅酸盐、氰化物和氰酸盐。可以存在一种或更多种盐。实例可以是氯化钠。

进料溶液和/或初始溶液的总溶解盐浓度可以是至少5,000mg/l，例如5,000mg/l至250,000mg/l。在一个实例中，至第一半透膜的进料溶液和/或初始溶液的总溶解盐浓度是至少30,000mg/l。进料的渗透压可以是至少4barg，例如4barg至320barg。

在一些实例中，初始溶液可以通过使不纯溶液与正向渗透膜(forwardosmosismembrane)的一个侧面接触，并且使正向渗透膜的相对的侧面与初始溶液前体接触来产生。初始溶液前体的渗透压(溶质浓度)可以高于不纯溶液的渗透压(溶质浓度)，使得来自不纯溶液的溶剂通过正向渗透横跨正向渗透膜流动，以稀释初始溶液前体，以产生初始溶液。

不纯溶液可以是含盐地下水或地表水、盐水和海水。其他实例包括废水流、湖水、河水和池塘水。废水流的实例包括工业废水流或农业废水流。

初始溶液和/或初始溶液前体可以通过将渗透剂溶解在溶剂例如水中来形成。

合适的渗透剂包括盐，例如氯化钠。盐的其他实例包括铵盐和金属盐，例如碱金属(例如li、na、k)盐和碱土金属(例如mg和ca)盐。盐可以是氟化物、氯化物、溴化物、碘化物、硫酸盐、亚硫酸盐、硫化物、碳酸盐、碳酸氢盐、硝酸盐、亚硝酸盐、氮化物、磷酸盐、铝酸盐、硼酸盐、溴酸盐、碳化物、氯化物、高氯酸盐、次氯酸盐、铬酸盐、氟硅酸盐、氟硫酸盐、硅酸盐、氰化物和氰酸盐。可以使用一种或更多种盐。

本发明中使用的半透膜可以是纳滤膜或反渗透膜。优选地，半透膜是反渗透膜。在使用多于两个膜的情况下，膜可以是相同的或不同的。在一个实施方案中，半透膜全部是反渗透膜。在另一个实施方案中，半透膜全部是纳滤膜。在又一个实施方案中，纳滤膜和反渗透膜两者都被用作半透膜。

任何合适的反渗透膜都可以用于本发明。例如，反渗透膜可以具有0.5埃至80埃，优选地2埃至50埃的平均(average)(例如平均(mean))孔径。在优选的实施方案中，膜具有从3埃至30埃的平均(例如平均)孔径。可以使用任何合适的技术来测量孔径(例如平均孔径)。例如，可以采用差流方法(differentialflowmethod)(japanmembranejournal,第29卷；第4期；第227-235页(2004))或使用盐、不带电荷的溶质和原子力显微术(journalofmembranescience126(1997)91-105)。

合适的反渗透膜包括一体式膜(integralmembrane)和复合膜。合适的膜的具体实例包括由乙酸纤维素(ca)和/或三乙酸纤维素(cta)形成的膜，例如或类似于在mccutcheon等人desalination174(2005)1-11的研究中使用的那些膜以及由聚酰胺(pa)形成的膜。可以使用膜的阵列。

反渗透膜可以是平面的，或者可以采取管状纤维或中空纤维的形式。例如，可以使用中空细纤维膜的管状构造。如果需要，膜可以被支撑在支撑结构例如网状支撑物上。当使用平面膜时，可以滚制片材，使得其在横截面上界定螺旋形。当采用管状膜时，一个或更多个管状膜可以包含在外壳或壳体内。

反渗透膜可以在升高的压力下操作，以驱动(液体)溶液经过膜。例如，反渗透步骤可以在25巴至120巴，优选地50巴至100巴，更优选地60巴至80巴的压力下进行。

任选地，结垢抑制剂(scaleinhibitor)、防垢添加剂或防污添加剂可以被添加到与任何膜接触的溶液中的任何一种中。优选地，结垢抑制剂、防垢添加剂或防污添加剂可以在一个膜的渗余物侧与另一个膜的渗透物侧之间再循环，或者反之亦然。

本发明的这些和其他方面现在将参照附图来描述。参照图1，这表示用于实施根据本公开内容的第一实例的工艺的系统的示意性图示。系统10包括反渗透单元12，反渗透单元12包括第一半透膜14。进料溶液16与膜14的一个侧面接触，并且施加液压，使得来自进料溶液16的溶剂(例如水)通过反渗透流过膜14，以在第一半透膜的渗透物侧14b上提供渗透物溶液18并且在第一半透膜的进料侧14a上提供残余溶液20。进料溶液16的一部分16a被进料至膜14的渗透物侧14b。这可以减小横跨膜14的渗透压差。因此，通过反渗透从进料溶液中诱导溶剂流动所需的液压可以被降低。

残余溶液20可以例如作为浓缩的废产物被移除，例如用于处置或进一步加工或使用。

图2描绘了用于实施根据本公开内容的第二实例的工艺的系统的示意性图示。图2的系统10类似于图1的系统，并且相同的部件已经用相同的数字标记。然而，与图1的系统10不同，被再循环至膜14的渗透物侧14b以减小横跨膜14的渗透压差的是残余溶液20的一部分20a。

图3描绘了用于实施根据本公开内容的第三实例的工艺的系统的示意性图示。图3的系统10类似于图1的系统10，并且相同的部件已经用相同的数字标记。然而，图3的设备还包括初始反渗透单元22，初始反渗透单元22包括初始半透膜24。还设置了泵26。

当使用图3的系统10操作该工艺时，通过使初始溶液28与初始半透膜24的一个侧面接触来产生进料溶液16。使用泵26，将液压施加至初始溶液28，使得来自初始溶液28的溶剂通过反渗透流过初始半透膜24，以在初始半透膜的渗透物侧上提供初始渗透物溶液30并且在初始半透膜的进料侧上提供初始残余溶液32。初始残余溶液32被用作至第一半透膜14的进料溶液16。初始渗透物溶液30可以被取出并且被使用或进一步纯化。泵26可以被用于递送下游反渗透单元所需的液压。

在第一半透膜14的渗透物侧上的渗透物溶液18可以被再循环用作初始溶液28的一部分。

图4描绘了用于实施根据本公开内容的第四实例的工艺的系统的示意性图示。图4的系统10类似于图3的系统，并且相同的部件已经用相同的数字标记。然而，不是将进料溶液16的一部分16a进料至第一半透膜14的渗透物侧14b，而是将在第一半透膜14的进料侧14a上的残余溶液20的一部分20a进料至第一半透膜14的渗透物侧14b。

图5描绘了用于实施根据本公开内容的第五实例的工艺的系统的示意性图示。图5的系统10类似于图3的系统10，并且相同的部件已经用相同的数字标记。然而，在图5的系统10中，来自第一半透膜的进料侧14a的残余溶液20被取出，并且作为另外的进料溶液与另外的半透膜34的一个侧面接触。

由泵26或其他装置递送的液压被施加至与另外的半透膜34接触的另外的进料溶液，使得来自另外的进料溶液的溶剂通过反渗透流过另外的半透膜34。这在另外的半透膜的渗透物侧上提供另外的渗透物溶液36，并且在另外的半透膜34的进料侧上提供另外的残余溶液38。另外的进料溶液20b的一部分被进料至第二半透膜的渗透物侧。另外的残余溶液38可以被处置或进一步浓缩用于处置。另外的渗透物溶液36的至少一部分可以作为初始溶液28的至少一部分被再循环。

图6描绘了用于实施根据本公开内容的第六实例的工艺的系统的示意性图示。图6的系统10类似于图5的系统10，并且相同的部件已经用相同的数字标记。然而，在图6中，被再循环至第一半透膜14的渗透物侧14b以减小横跨膜14的渗透差的是残余溶液20的一部分20a。被再循环至另外的半透膜的渗透物侧的也是在另外的半透膜34的进料侧上的另外的残余溶液38的一部分38a。

图7描绘了用于实施根据本公开内容的第七实例的工艺的系统的示意性图示。图7的系统10类似于图1的系统10，并且相同的部件已经用相同的数字标记。然而，在图7中，通过使初始溶液100与初始半透膜110的一个侧面接触来产生进料溶液16。可以将液压施加至初始溶液，例如经由泵112施加至初始溶液，使得来自初始溶液100的溶剂通过反渗透流过初始半透膜110，以在初始半透膜的进料侧上提供初始残余溶液114并且在初始半透膜的渗透物侧上提供初始渗透物溶液116。初始渗透物溶液116可以被取出用于使用或进一步纯化。使初始残余溶液114与另外的半透膜118的一个侧面接触。可以将液压施加至初始残余溶液114，例如，使用泵112施加至初始残余溶液114，使得来自初始残余溶液114的溶剂通过反渗透流过另外的半透膜118。溶剂的这种流动在另外的半透膜118的渗透物侧上提供另外的渗透物溶液120，并且在另外的半透膜118的进料侧上提供另外的残余溶液122。另外的残余溶液122可以被用作至第一半透膜14的进料。

来自第一半透膜14的渗透物溶液18可以被进料至另外的半透膜118的渗透物侧。在另外的半透膜118的渗透物侧上的另外的渗透物溶液120可以被再循环用作初始溶液100或用作初始溶液100的一部分。

图8描绘了用于实施根据本公开内容的第八实例的工艺的系统的示意性图示。图8的系统10类似于图7的系统10，并且相同的部件已经用相同的数字标记。然而，在图6中，被再循环至第一半透膜14的渗透物侧14b以减小横跨膜14的渗透差的是残余溶液20的一部分20a。

图9描绘了用于实施根据本公开内容的第九实例的工艺的系统的示意性图示。图9的系统10类似于图8的系统10，并且相同的部件已经用相同的数字标记。然而，不是来自第一半透膜14的渗透物溶液18被进料至另外的半透膜118的渗透物侧，而是来自第一半透膜14的进料侧14a的残余溶液20的一部分20c被进料至另外的半透膜118的渗透物侧。来自第一半透膜14的渗透物溶液18可以被再循环用作初始溶液100的一部分。

图10描绘了用于实施根据本公开内容的第十实例的工艺的系统的示意性图示。图10的系统10类似于图9的系统10，并且相同的部件已经用相同的数字标记。然而，在图10中，初始溶液100是通过使不纯溶液200与正向渗透膜210的一个侧面接触而产生的。使正向渗透膜210的相对的侧面与初始溶液前体212接触，其中初始溶液前体212的溶质浓度高于不纯溶液的溶质浓度，使得来自不纯溶液的溶剂通过正向渗透横跨正向渗透膜流动，以稀释初始溶液前体，以产生初始溶液100。初始溶液100可以在与初始半透膜110接触之前被储存在例如储存容器216中。在正向渗透膜210的进料侧上的浓缩的不纯溶液214可以被取出，并且任选地被丢弃或进一步浓缩。

初始溶液前体212可以通过将渗透剂218溶解在水中而形成。初始溶液前体212可以通过将来自第一半透膜14的残余溶液20的至少一部分再循环至正向渗透膜210的渗透物侧而形成。如果需要，再循环的残余溶液20的渗出物(bleed)可以经由管线220被移除和丢弃。

图11描绘了用于实施根据本公开内容的第十一实例的工艺的系统的示意性图示。在图11中，使用泵来施加液压以在反渗透条件下驱动初始进料300经过反渗透膜310。渗透物312作为产物被取出，同时使残余溶液314与半透膜316接触。来自泵的残余压力被用于驱动残余溶液经过膜。然而，使含有添加的渗透剂328的抽取溶液318与半透膜316的相对的侧面接触，以便降低横跨膜316的渗透压差。这在渗透上辅助横跨膜316的反渗透步骤。经过膜316的渗透物作为稀的抽取溶液被取出并且储存在罐322中，同时来自膜316的残余溶液324作为浓缩物被取出。

为了使罐322中的稀释的抽取溶液再生，抽取溶液的一部分被取出并且被泵送325经过反渗透膜326。这产生了可以作为产物被取出的渗透物328和残余溶液330。使残余溶液330与半透膜332接触。对于前面的反渗透步骤使用泵325施加的压力可以被用于驱动残余溶液330经过膜332以产生渗透物，该渗透物被再循环至罐322。然而，残余溶液334的一部分336被进料至膜332的渗透物侧，以在渗透上辅助横跨膜332的反渗透。残余溶液334的剩余物作为再生的抽取溶液被再循环至膜316。渗透剂328可以被添加至再生的抽取溶液。渗出物338还可以被用于取出一些再生的抽取溶液，例如，作为渗出物用于处置或处理，例如以降低循环的抽取溶液中不想要的杂质的积聚的风险。

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