CN205252907U - 渗透分离*** - Google Patents

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Abstract

本实用新型大体上涉及渗透分离***。更具体地讲，本实用新型的一个或多个方面涉及使用诸如正向渗透的渗透驱动膜过程来从水溶液分离溶质以及用于使溶剂和/或溶质回收率最大化的***。本实用新型的渗透分离***包括：正向渗透单元，其包括具有第一侧和第二侧的至少一个膜，该第一侧流体联接到第一溶液的源，且该第二侧流体联接到浓缩的汲取溶液的源；以及分离***，其与正向渗透单元流体连通并且被构造用于接纳来自正向渗透单元的稀汲取溶液，其包括：压力驱动的膜装置，其包括入口、第一出口和第二出口；以及渗透辅助的压力驱动的膜装置，其与压力驱动的膜装置流体连通并包括第一入口、第二入口、第一出口和第二出口。

Description

渗透分离***
技术领域
一个或多个方面大体上涉及渗透分离。更具体地讲，一个或多个方面涉及使用诸如正向渗透的渗透驱动膜过程来从水溶液分离溶质以及用于使溶剂和/或溶质回收率最大化的***和方法。
背景技术
正向渗透已被用于脱盐。通常，正向渗透脱盐过程涉及具有由半透膜分离的两个室的容器。一个室包含海水。另一个室包含浓缩溶液，该溶液在海水和浓缩溶液之间产生浓度梯度。该梯度将来自海水的水汲取通过膜，所述膜选择性地允许水(但不允许盐)通过并进入浓缩溶液中。渐渐地，进入浓缩溶液的水稀释该溶液。然后，将溶质从稀溶液移除以生成饮用水。
实用新型内容
本实用新型的方面大体上涉及渗透驱动的膜***和方法，包括正向渗透分离(FO)、直接渗透浓缩(DOC)、压力辅助正向渗透(PAFO)和压力延迟渗透(PRO)。
在一个方面，本实用新型涉及一种用于从第一溶液渗透提取溶剂的***(和其对应的方法步骤)。该***包括多个正向渗透单元，每个正向渗透单元具有：第一室，其具有流体联接到第一溶液的源的入口；第二室，其具有流体联接到浓缩的汲取溶液的源的入口；以及半透膜***，其将第一室与第二室分离并且被构造用于从第一溶液渗透分离溶剂，从而形成在第一室中的第二溶液和在第二室中的稀汲取溶液。该***还包括分离***，该分离***与所述多个正向渗透单元流体连通并且被构造用于将稀汲取溶液分离成浓缩的汲取溶液和溶剂流。
在前述方面的各种实施方案中，浓缩的汲取溶液包含处于大于1:1的所需摩尔比的氨和二氧化碳。然而，在本实用新型的范围内设想和考虑其它汲取溶液，包括例如NaCl或在PCT专利公布第WO2014/078415号(‘415公布)中公开的各种备选汲取溶液中的任一种，该专利的公开内容以引用方式全文并入本文中。此外，在本实用新型的范围内设想和考虑用于分离和回收汲取溶质和溶剂的其它***和方法，例如在‘415公布中所公开的那些***和方法。此外，可将各种预处理和后处理***并入本实用新型的前述方面中。预处理***可包括下列中的至少一种：用于预热第一溶液的热源，用于调整第一溶液或汲取溶液的pH值的装置，用于消毒(例如，化学或紫外线)、分离和澄清的装置，用于过滤第一溶液的过滤器或其它装置(例如，碳或砂石过滤或反渗透)，用于聚合物添加、离子交换的装置，或用于软化(例如，石灰软化)第一溶液的装置。后处理***可包括下列中的至少一种：反渗透***、离子交换***、第二正向渗透***、蒸馏***、渗透蒸发器、机械蒸气再压缩***、热交换***或过滤***(例如，纳米过滤、微米过滤或超滤)。在附加的实施方案中，该***还可包括循环利用***，其包括吸收器，该吸收器被构造成有利于将汲取溶质重新引入到第二室以维持汲取溶液的所需摩尔比。
在又一方面，本实用新型涉及一种用于从第一溶液渗透提取溶剂并使汲取溶质的回收率最大化的***。该***包括具有至少一个膜的正向渗透单元，所述至少一个膜具有第一侧和第二侧。所述一个或多个膜可布置成串联的、并联的或两者的组合。所述至少一个膜的第一侧流体联接到第一溶液的源，并且所述至少一个膜的第二侧流体联接到浓缩的汲取溶液的源。所述至少一个膜被构造用于从第一溶液渗透分离溶剂，从而形成在所述至少一个膜的第一侧上的更浓缩的第一溶液和在所述至少一个膜的第二侧上的稀汲取溶液。该***还包括分离***，该分离***与正向渗透单元流体连通并且被构造用于接纳来自正向渗透单元的稀汲取溶液。分离***包括压力驱动的膜装置，例如，一个或多个反渗透装置(例如，布置成串联的、并联的或两者的组合)，其为独立的或与其它压力驱动的膜装置结合，例如纳米过滤、超滤和/或微米过滤以适合特定的应用。压力驱动的膜装置包括入口，该入口被构造用于接纳稀汲取溶液的第一部分。压力辅助的膜装置还包括：第一出口，其被构造用于输出稀汲取溶液的渗余物部分(即，由膜保留的稀汲取溶液的部分)；和第二出口，其被构造用于输出稀汲取溶液的渗透物部分(即，在压力下穿过膜的稀汲取溶液的部分(溶剂))。分离***还包括与压力驱动的膜装置流体连通的渗透辅助的压力驱动膜(OAPDM)装置。OAPDM装置包括：第一入口，其被构造用于接纳稀汲取溶液的第二部分；第二入口，其被构造用于接纳稀汲取溶液的渗余物部分；第一出口，其被构造用于输出进一步稀释的稀汲取溶液；以及第二出口，其被构造用于输出稀汲取溶液的更浓缩的渗余物部分(或再浓缩的汲取溶液)。通常，第一部分将是稀汲取溶液的主要部分；然而，这可以变化以适合特定的应用(例如，分离***的性质、装置的数量等)，并且在一些实施方案中可以是几乎所有可用的稀汲取溶液，其中备选溶液用来提供渗透辅助作用。
在前述方面的各种实施方案中，渗透辅助的压力驱动膜装置的第二出口与正向渗透膜的第二侧流体连通，以用于将浓缩的汲取溶液提供至正向渗透单元。分离***也可包括阀布置(例如，一个或多个阀，其带有或不带有用于操作阀的必要的传感器和控制器)，以用于使进一步稀释的汲取溶液返回到稀汲取溶液源。在一些实施方案中，进一步稀释的汲取溶液可以被导向至附加的或备选的回收过程。在其它实施方案中，稀汲取溶液的第二部分由备选的汲取溶液取代，该溶液的组合物可针对特定应用而定制(例如，在OAPDM装置上抵消的所需的压差)。在一些实施方案中，从OAPDM装置输出的再浓缩的汲取溶液可被导向至附加的过程/装置，例如蒸发器或膜盐水浓缩器，以用于进一步浓缩和/或溶剂回收。
在附加的实施方案中，分离***还包括一个或多个增压泵和/或其它压力传递装置，其设置在正向渗透单元和压力驱动的膜装置之间以对稀汲取溶液加压。分离***还可包括一个或多个增压泵和/或压力传递装置，其设置在压力驱动的膜装置的第一出口和渗透辅助的压力驱动膜装置的第二入口之间，以用于提高稀汲取溶液的渗余物部分的压力。在一个或多个实施方案中，压力驱动的膜装置包括至少一个RO单元。在一些实施方案中，多个RO单元布置成串联的、并联的或它们的组合。在一些实施方案中，压力驱动的膜装置包括不同类型的压力驱动的膜装置(例如，串联的至少一个纳米过滤单元和至少一个反渗透单元)。通常，从压力驱动的膜装置输出的渗透物部分是基本上不含任何汲取溶质的产物溶剂。在各种实施方案中，稀汲取溶液和/或备选的盐水溶液可就稀汲取溶液而言被定制或以其它方式修改以在渗透辅助的压力驱动膜装置上产生具体的渗透压差，这又可允许装置在更高的液压下操作，从而获得更高浓度的渗余物流。在一些实施方案中，在渗透辅助的压力驱动膜装置上的理想渗透压差(Δπ)为零，这能够实现施加到渗余物流的最大净驱动力。然而，实际的Δπ将根据引入到渗透辅助的压力驱动膜装置的汲取侧(例如，膜包)的盐水溶液的总渗透压而变化。另外，该***可包括串联布置的多个正向渗透单元，其中第一溶液与浓缩的汲取溶液逆流地引入到每个正向渗透单元。在一些实施方案中，离开最后一个正向渗透单元的浓缩进料可被导向至附加的过程/装置，例如，结晶器或喷雾干燥器，以用于进一步浓缩。
在另一方面，本实用新型涉及一种从第一溶液提取溶剂并使汲取溶质的回收率最大化的方法。该方法包括提供正向渗透单元，其具有诸如上文所述那样的至少一个膜。***中的所述一个或多个膜中的每一个具有第一侧和第二侧，其中(多个)膜被构造用于从第一溶液渗透分离溶剂。该方法还包括以下步骤：将第一溶液引入到正向渗透膜的第一侧；将包含汲取溶质的浓缩的汲取溶液引入到正向渗透膜的第二侧；使来自第一溶液的溶剂的一部分横跨所述至少一个膜流出到浓缩的汲取溶液中，从而形成在所述至少一个膜的第一侧上的更浓缩的第一溶液和在所述至少一个膜的第二侧上的稀汲取溶液；将稀汲取溶液的第一部分导向至压力驱动的膜装置；将来自压力驱动的膜装置的稀汲取溶液的渗余物部分在压力下引入到渗透辅助的压力驱动膜装置的进料侧；将稀汲取溶液的第二部分引入到渗透辅助的压力驱动膜装置的汲取侧以抵消在渗透辅助的压力驱动膜装置上的总压差；以及将来自渗透辅助的压力驱动膜装置的渗余物输出导向至正向渗透单元，其中渗余物输出包含汲取溶质。
该方法的各种实施方案包括以下步骤：将来自压力驱动的膜装置的稀汲取溶液的渗透物部分输出为产物溶剂和/或使稀汲取溶液的第二部分和来自渗透辅助的压力驱动膜装置的渗透物返回至稀汲取溶液源。在一些实施方案中，在渗透辅助的压力驱动膜装置上的渗透压差可被调节以控制来自压力驱动的膜装置的渗余物的浓度水平，从而控制导向至正向渗透单元的浓缩的汲取溶液的浓度。一般来讲，最大汲取溶液浓度和溶剂的额外回收率(byextensionrecovery)可通过增加施加到在渗透辅助的压力驱动膜装置中浓缩的渗余物的净压力(即，总驱动力)来控制，这可通过Jw＝A(ΔP-Δπ)来表示，其中Jw表示在膜上的通量，A表示膜渗透率(基本上恒定)，ΔP表示在膜上的静水压，Δπ表示在膜上的净渗透压。Δπ通过增加稀汲取溶液或备选溶液的盐度来降低，从而能够实现Jw的增加和溶剂的额外回收。
另外的方面、实施方案和这些示例性方面和实施方案的优点在下文中进行详细讨论。此外，应当理解，上述信息和以下详细描述均仅仅是各种方面和实施方案的示例性实例，并且旨在提供综述或框架，以用于理解要求保护的方面和实施方案的本质和特征。因此，通过参照以下描述和附图，这些和其它目的以及本文所公开的本实用新型的优点和特征将变得显而易见。此外，应当理解，本文所述各种实施方案的特征不是互相排斥的，并且可以各种组合和排列存在。
附图说明
在附图中，贯穿不同视图，类似的附图标记通常是指相同的部分。另外，附图未必按比例绘制，相反，重点通常在于说明本实用新型的原理，而并非意图作为对本实用新型的界限的定义。出于简明的目的，不是每个部件在每张附图中均进行标记。在以下描述中，参照附图描述本实用新型的各种实施方案，在附图中：
图1是根据本实用新型的一个或多个实施方案的用于溶剂的渗透提取的***的示意图；
图2是根据本实用新型的一个或多个实施方案的用于溶剂的渗透提取的备选***的示意图；
图3是减小在渗透辅助的压力驱动膜装置上的渗透压差的效果的图形表示；
图4是根据本实用新型的一个或多个实施方案的用于溶剂的渗透提取的另一个备选***的示意图；以及
图5是根据本实用新型的一个或多个实施方案的用于溶剂的渗透提取的又一个备选***的示意图。
具体实施方式
根据一个或多个实施方案，一种用于从水溶液提取水的渗透方法通常可涉及使水溶液暴露于正向渗透膜的第一表面。具有相对于该水溶液的浓度增加的浓度的第二溶液或汲取溶液可以暴露于正向渗透膜的第二相对表面。水可以接着通过正向渗透被从水溶液汲取通过正向渗透膜并进入第二溶液，从而生成富水溶液，正向渗透利用涉及从浓度较低的溶液向浓度较高溶液的移动的流体传递性质。富水溶液(也称为稀汲取溶液)可以在第一出口处被收集并经历进一步的分离过程以产生纯化水。第二产物流(即，耗尽的或浓缩的含水过程溶液)可以在第二出口处被收集以用于排放或进一步处理。备选地，本文所述的各种***和方法可以用非水溶液实现。
根据一个或多个实施方案，正向渗透膜模块可包括一个或多个正向渗透膜。正向渗透膜通常可以是例如半渗透的，以允许水通过，但排除溶解于其中的溶质，例如氯化钠、碳酸铵、碳酸氢铵和氨基甲酸铵。许多类型的半透膜适用于此目的，前提条件是它们能够允许溶剂(例如水)通过，同时阻挡溶质的通过，而不与溶液中的溶质反应。在一些实施方案中，(多个)膜可具有高选择性渗透性质，从而允许上述溶质通过膜；但可以使用备选类型的膜来最大化用于例如进料化学、汲取溶液化学、环境条件等的特定应用的***的性能。
根据一个或多个实施方案，至少一个正向渗透膜可定位在外壳或壳体内。外壳的尺寸和形状通常可以设定为适应定位在其中的膜。例如，如果外壳螺旋卷绕正向渗透膜，则外壳可以是基本上圆柱形的。模块的外壳可以包含用于将进料和汲取溶液提供至模块的入口以及用于使产物流从模块撤走的出口。在一些实施方案中，外壳可以提供至少一个贮存器或室，以用于保持或存储将被引入到模块或从模块撤走的流体。在至少一个实施方案中，外壳可以是绝缘的。
根据一个或多个实施方案，正向渗透膜模块通常可以被构造和布置成使第一溶液和第二溶液分别与半透膜的第一侧和第二侧接触。虽然第一和第二溶液可保持不流动，但优选的是，第一和第二溶液均通过横向流引入，即，平行于半透膜的表面流动。这通常可以增加沿着一个或多个流体流动路径的膜接触表面积，从而增加正向渗透过程的效率。在一些实施方案中，第一和第二溶液可以在相同方向上流动。在其它实施方案中，第一和第二溶液可以在相反方向上流动。在至少一些实施方案中，在膜表面的两侧上可存在类似的流体动力学。这可以通过将所述一个或多个正向渗透膜策略性地集成在模块或外壳中来实现。
根据一个或多个实施方案，汲取溶质可以被回收以重复使用。分离***可以从稀汲取溶液反萃取溶质以产生基本上不含所述溶质的产物水。在一些实施方案中，分离***可包括蒸馏塔或其它热学或机械回收机构。汲取溶质可以接着例如通过循环利用***返回到浓缩的汲取溶液。气体溶质可以被浓缩或吸收以形成浓缩的汲取溶液。吸收器可以使用稀汲取溶液作为吸收剂。在其它实施方案中，产物水可以用作来自溶质循环利用***的气体流的吸收的全部或一部分的吸收剂。包括分离/回收***的不同的渗透驱动***的实例在下列专利中有所描述：美国专利第6,391,205号、第8,002,989号、第9,039,899号和第9,044,711号；以及美国专利公布第2011/0203994号、第2012/0273417号、第2012/0267306号和第2014/0224718号；2015年3月31日提交的PCT专利申请第PCT/US15/23542号和2015年8月13日提交的PCT专利申请第PCT/US15/45059号；以及2015年5月19日提交的美国临时专利申请第62/163,781号，这些专利的公开内容以引用方式全文并入本文中。
图1描绘了用于溶剂的渗透提取的***200，该***被构造用于提高最大盐水浓度。图1所示***200的示例性实施方案通常包括一个或多个FO模块212(其描述并入本文中)，每个模块212包括一个或多个FO膜213、包括膜243的一个或多个压力驱动的膜模块242(例如，RO)、以及一个或多个渗透(即，FO)辅助的压力驱动的膜模块246，每个模块246包括一个或多个FO膜247。该布置通常将有益于利用压力驱动膜过程来回收汲取溶质的***和/或其中最大盐水浓度为所需的其它工业。
一般来讲，诸如RO单元的压力驱动的膜装置典型地局限于约1500psi(更典型地约1000psi)，并且仅可产生约75,000mg/l至约105,000mg/l的盐水/浓缩物。在利用RO(或其它压力驱动的膜过程)来再浓缩汲取溶液的FO***中，这限制了最大汲取溶液浓度。通过在压力驱动模式(其中盐水溶液穿过FO模块/膜的汲取溶液室)下操作FO膜(例如，螺旋卷绕膜，但在本实用新型的范围内也可设想和考虑诸如板框式和中空纤维的其它构型)，在穿过FO模块/膜的进料溶液室的溶液上的净驱动力由于汲取侧上的渗透压抵消进料侧上的渗透压而增加，从而减小Δπ并允许在进料侧上的更高的静水压力，如本文所讨论的。
重新参见图1，进料或第一溶液被引入到所述一个或多个FO单元212，而浓缩的汲取溶液216被引入到(多个)膜213的(多个)相对侧上的(多个)FO单元212。浓缩的汲取溶液216具有比进料溶液214高的渗透压，从而造成溶剂248横跨(多个)膜213流出。(多个)FO单元212输出所得到的浓缩进料流(例如，盐水)214’和稀汲取溶液216’。浓缩的进料214’可被传输以进一步处理或者说是丢弃。稀汲取溶液216’被传输以回收溶剂248和再浓缩汲取溶液216。
如图1所示，稀汲取溶液216’的第一部分216a’经由一个或多个阀布置257和增压泵259b或其它压力传递装置导向至压力驱动的膜装置242，并且稀汲取溶液的第二部分216b’经由阀布置257a和可选地压力传递装置259a导向至渗透辅助的压力驱动膜装置246。一般来讲，阀布置257可根据需要手动地或自动地致动，以调节稀汲取溶液216’向各种膜装置的流动。在一些实施方案中，阀布置257被构造用于隔离稀汲取溶液的第一和第二部分(例如，经由多个多向阀257a、257b)，防止稀汲取溶液通过OAPDM装置(例如，止回阀257d)的“短路”，和/或控制不同浓度的汲取溶液流的混合。
更具体而言，进一步稀释的稀汲取溶液215(这是与来自OAPDM246的进一步稀释的汲取溶液216”混合的稀汲取溶液的第一部分216a’)在压力下经由泵259b引入到压力驱动的膜装置242。在一个或多个实施方案中，溶液215在约1000psi至约3000psi，优选地约1500psi至2000psi下引入。一般来讲，在***部件操作能力的极限内，希望在尽可能高的压力下引入溶液215。所需溶剂248将作为渗透物穿过膜，在那里，溶剂可被使用或传输以进一步处理。在溶剂的主要部分被移除的情况下，渗余物部分215’(基本上为中间浓缩的汲取溶液)此时或者通过来自泵259b的残余压力或者通过附加的泵259c被导向至渗透辅助的压力驱动膜装置246，以进一步提高中间浓缩的汲取溶液215’的压力。在一些实施方案中，背压阀257c用来维持在穿过OAPDM装置246的渗余物上的所需压力。同时，稀汲取溶液216’的第二部分216b’根据需要经由阀布置257a和可选地低压泵或其它压力传递装置259a被导向至OAPDM装置246中的膜247的相对侧(例如，在螺旋卷绕膜模块中的汲取侧或膜包侧)。来自渗余物215’的额外的溶剂248被推动通过膜247并进入稀汲取溶液216b’，从而进一步稀释稀汲取溶液。该进一步稀释的稀汲取溶液216”接着被导向回到经由阀布置257b导向至压力驱动的膜装置242的稀汲取溶液216a’的第一部分并与该第一部分混合。该布置能够实现单独通过压力驱动的膜过程本来不可回收的额外的溶剂的基本上连续的回收，这也导致汲取溶液或任何其它盐水源的浓度的最大化。在一些实施方案中，***200包括旁路管线231和阀布置257e，其可用来将来自压力驱动的膜装置242的所有或一部分渗余物215’直接导向至(多个)FO单元212。在一些情况下，旁路可根据需要用来维持具有所需浓度的汲取溶液或将其递送至(多个)FO单元212。例如，渗余物的一部分可绕过OAPDM装置246并与来自OAPDM装置246的输出混合，以针对特定的进料溶液组合物定制稀汲取溶液的浓度。在其它实例中，旁路可用来使OAPDM装置246脱离管线，以用于维护目的。
在一个备选实施方案中，稀汲取溶液的第二部分被盐水溶液的独立源261(图2中的361)代替。在该布置中，全部或基本上所有稀汲取溶液216’被导向至压力驱动的膜装置242。盐水溶液的独立源可被选择以提供所需的渗透压(图2中的πE)，该渗透压足以抵消渗余物215’的渗透压(图2中的πF)，从而能够实现渗余物215’的增加的浓度。理想地，盐水溶液的独立源具有足够的渗透压以抵消渗余物215’的渗透压的约100％；然而，在大多数实施方案中，πE将抵消πF的约25％至约75％和优选地至少50％。在一些实施方案中，独立的盐水溶液可由与稀汲取溶液216’混合的渗余物215’的一部分和/或产物溶剂248(必要时)构成，以实现所需的渗透压。
图2描绘了类似于图1的***的***300的备选实施方案，该***用于从第一溶液渗透提取溶剂并使浓缩物流最大化。如图2所示，存在用于通过一个或多个FO单元从第一溶液提取溶剂的上述基本***310和用于提取溶剂348并回收汲取溶质的分离***339。分离***339包括一个或多个压力驱动的膜装置342和一个或多个渗透辅助的压力驱动膜装置346以及必要时用于其操作的各种各样的泵359和阀布置357。
在一个示例性实施方案中，各种流具有表1中给出的特性。上述浓度可以根据进料流和汲取溶液组合物的性质而变化。
表1
在操作期间，流A被以约30,000mg/l的浓度进给到压力驱动的膜装置342和OAPDM装置346两者。在压力驱动的膜装置342处，流A被浓缩至高达约100,000mg/l，成为流D。流A(导向至OAPDM装置346的流F)被OAPDM装置346稀释至约20,000mg/l的浓度(流G)，其被导向回压力驱动的膜装置342。在启动时可能是这种情况，但随着***达到稳定状态，到装置342的流A被流B代替，流B是流A和流G的混合物。离开压力驱动的膜装置342的流D接着被导向至在膜347的进料侧上的OAPDM装置346，在那里，其被进一步浓缩直至约125,000mg/l(流E)，以形成浓缩的汲取溶液316。
图3是本实用新型的布置对于经由OAPDM装置246、346回收溶剂的效果的图形表示。具体而言，图3描绘了在装置246、346的长度上对溶剂的回收率的改善(即，增加的通量Jw)，如由Jw＝A(ΔP-Δπ)表示。如图所示，当流穿过OAPDM装置时，静水压差(ΔP)保持相对恒定，而渗透压差(Δπ)则增加。这至少部分地是因为在装置的汲取侧或膜包侧上的盐水流变得更稀，从而降低πE；而在进料侧上的渗余物流变得更浓，从而增加πF并导致Δπ的总体增加。重新参见Jw＝A(ΔP-Δπ)，随着Δπ增加，通量减小；当进料流穿过膜装置时接近零(图3中的点A，其中ΔP＝Δπ；Jw＝0)。在典型的压力驱动的膜装置中，没有盐水流被引入到膜的相对侧(即，πE＝0)，因此Δπ开始较高，并且迅速达到ΔP。通过将盐水流引入到压力驱动膜的相对侧(即，πE>0)，当相对的流穿过装置246、346时，Δπ降低并且用较长时间达到ΔP(图3中的点B)，这显著地改善了通过膜装置246、346的总溶剂回收率。如图3所示，该额外的回收由通过线Δπ(A)和Δπ(B)界定的阴影区域来表示。降低Δπ导致增加的溶剂回收率和溶质浓度。
图4描绘了类似于此前所述***的***400的另一个备选实施方案，该***用于从第一溶液渗透提取溶剂并使第二溶液的浓度最大化。一般来讲，整个***400包括与分离***439流体连通的基本的FO模块/***212、310，其如此前所述并且为了清楚起见而未在图4中示出。图4中描绘的分离***439包括一个或多个压力驱动的膜装置442，其与一个或多个OAPDM装置446和任何必要的泵、阀、传感器、管件等流体连通。
如图4所示，稀汲取溶液流416’被导向至分离***439，特别是导向至第一压力驱动的膜装置442a。在一些实施方案中，稀汲取溶液的仅一部分416a’被导向至第一压力驱动的膜装置442a，而稀汲取溶液的通常较小的部分416b’被导向至OAPDM装置446。备选地或另外地，盐水溶液的独立源461可被导向至OAPDM装置446。类似于图2中描绘的***，来自装置442a的渗余物415’可被导向至OAPDM装置446。然而，渗余物415’的全部或一部分可被导向至第二压力驱动的膜装置442b，以用于汲取溶液的进一步浓缩。来自装置442a的渗透物448a可被输出为产物溶剂，被传输以进一步处理或丢弃。来自第二装置442b的渗余物429可被导向至OAPDM装置446，以用于进一步浓缩和作为浓缩的汲取溶液416重新使用。在一些实施方案中，串联的多个压力驱动的膜装置442可用来适合特定应用，例如以实现汲取溶液的特定浓度。第二装置442b的渗透物448b可被输出为产物溶剂，被传输以进一步处理或丢弃。在一些实施方案中，渗透物448b的全部或一部分被导向至第一装置442a的入口，以形成更稀的汲取溶液415并增加第一压力驱动的膜装置442a的回收率。另外地或备选地，第二装置442b(或一系列装置中的最末者)的渗透物448b的全部或一部分可与第一装置442a的渗透物448a结合。在一些情况下，可能特别有用的是将第二装置442b的渗透物448b与第一装置的渗透物448a结合和/或将渗透物448b的至少一部分返回至第一装置442a的入口，因为渗透物448b可具有比对于某些用途可接受的浓度更高的TDS浓度。
一般来讲，OAPDM装置446基本上如结合图2和3所描述那样操作。特别地，第一装置442a的渗余物415a’独立地或与单独的盐水源461结合而被导向至FO膜447的汲取侧(流421)，而第二(或最末)装置442b的渗余物429在压力下被导向至膜447的进料侧以用于进一步浓缩。稀释的输出416”被导向回第一装置442a的入口，而浓缩的输出416被导向回(多个)FO模块以作为浓缩的汲取溶液重新使用。
图5描绘了类似于此前所述***的***500的另一个备选实施方案，该***用于从第一溶液渗透提取溶剂并使第二溶液的浓度最大化。一般来讲，整个***500包括一个或多个正向渗透模块512和相关部件的子***510，其类似于此前描述或并入本文中的那些，并且与分离***539流体连通。图5中描绘的分离***539包括一个或多个压力驱动的膜装置540、542，其与一个或多个OAPDM装置546和任何必要的泵、阀、传感器、管件等流体连通。此外，图5中所示***500包括可选的子***/装置以用于进一步浓缩浓缩的进料流514’(例如，结晶器或喷雾干燥器564)和/或从稀汲取溶液516’进一步回收溶剂(例如，蒸发器或FO子***566)，如下文所述。***500也可包括在遍布***500的各个位置处用于化学品添加的装置550，例如此前描述或并入本文中的那些。例如，装置550可用于添加酸性或苛性物质以调整***500内的一个或多个流的pH值，例如，降低进料或浓缩的汲取溶液514、516的pH值或升高稀汲取溶液516’的pH值。
如图5中大体所示，稀汲取溶液516’被导向至NF/UF单元540和相关的电路以及与一个或多个OAPDM装置546结合的一个或多个压力驱动的膜装置542，类似于结合图1、2和4所描述的那些。在一些实施方案中，单元540可以是离子交换或类似的处理单元。如图5所示，离开OAPDM装置546的再浓缩的汲取溶液554在返回到(多个)FO模块512之前被导向至附加的过程。在各种实施方案中，附加过程包括使用热学和/或机械装置566，例如蒸发器或膜盐水浓缩器(例如，一个或多个FO模块512)，其中装置566输出最终的浓缩的汲取溶液516和一种或多种产物溶剂流548”(在蒸发器的情况中)、549(在FO模块的情况中)。***500也可包括组合的热和电源568(例如，燃气涡轮机)，以用于将必要的热和/或电能569供应至装置566和盐水制造机556，如前所述。在一个可选的实施方案中，代替或除了盐水制造机556之外，***500结合了反向电渗析单元(EDR)567以提供补给的汲取溶质。
如图5所示，EDR567设置在进料流514(在FO模块512之前)和分离***539之间，并可连续地或根据需要操作。具体而言，EDR567接纳进料流514的一部分和稀汲取溶液的一部分(例如，渗透穿过NF/UF膜单元540的稀汲取溶液552的一部分)并且将溶解于进料514中的盐的一部分传递至稀汲取溶液以补充损失到NF/UF膜单元540或***500中别处的任何汲取溶质(例如，NaCl)。从NF/UF单元540输出的渗余物537可再循环回到进料流514。相比连续地添加新汲取溶质，EDR567提供了一种置换在***中损失的汲取溶质的比较便宜的方式(例如，EDR567的成本相比盐水制造机556和原材料的成本)。
图5中所示分离***539在一定程度上不同于此前描述的***，原因是它包括精处理反渗透装置形式的第三压力驱动的膜装置542c。装置542c被构造用于接纳来自***539内的其它装置中的任一者的渗透物和/或产物溶剂548、549并且输出饮用水548’。在一些实施方案中，如果输出548’具有足够的质量，该输出548’可与由装置566输出的产物溶剂548”结合；否则，装置566的产物溶剂549可由第三压力驱动的膜装置542c处理。第三装置542c的渗余物529b可穿过分离***539被导向回，以回收附加的汲取溶质和/或溶剂。
此外，图5中所示***500可包括以上提及的附加的***/装置564以用于进料溶液的进一步浓缩，这在一个实施方案中为结晶器，以用于输出固体废物产物514”。如图5所示，装置564被构造用于接纳来自(多个)FO模块的浓缩进料514’和/或来自水力旋流器回路523的任何溢流物528，水力旋流器回路包括一个或多个水力旋流器524，其经由底流管线527、溢流管线528和进料管线526与正向渗透模块512流体连通。一般来讲，水力旋流器524用来控制固体粒度和在特定的正向渗透模块512内的驻留时间。水力旋流器回路523可用来将在每个阶段生成的正确量的固体(通常具有一定量的透明溶剂或一部分进料流)进给/运送到***500中的后续阶段。还如图所示，装置564被构造用于从组合的热和电源568接收热和/或电能569。
根据一个或多个实施方案，本文所述装置、***和方法通常可以包括控制器，其用于调整或调节所述装置或***的部件的至少一个操作参数，例如但不限于，致动阀和泵，以及调整通过渗透驱动膜模块或特定***中的其它模块的一个或多个流体流的性质或特性。控制器可以与至少一个传感器电连通，该传感器被构造用于检测***的至少一个操作参数，例如，浓度、流量、pH水平或温度。控制器可以大体被构造用于响应于由传感器生成的信号而生成控制信号，以调整一个或多个操作参数。例如，控制器可被构造用于接收渗透驱动膜***和相关联的预处理***和后处理***的任何流、部件或子***的条件、性质或状态的表示。控制器通常包括算法，该算法有利于生成至少一个输出信号，该信号通常基于表示和诸如设定点的目标或所需值中的任一者中的一者或多者。根据一个或多个特定方面，控制器可被构造用于接收任何流的任何测量性质的表示，并且生成对***部件中的任一个的控制、驱动或输出信号，以减小测量性质与目标值的任何偏差。
根据一个或多个实施方案，过程控制***和方法可以监测各种浓度水平，例如可以基于包括pH和电导率的被检测参数。过程料流的流量和罐内液位也可被控制。温度和压力可被监测。可利用离子选择性探头、pH计、罐内液位和料流流量来检测膜泄漏。也可通过用气体对膜的汲取溶液侧加压并且利用超声检测器和/或在给水侧的泄漏的目视观测来检测泄漏。其它操作参数和维护问题可以被监测。可以例如通过测量产物水流量和质量、热流和电能消耗量来监测各种过程效率。用于减轻生物污染的清洁方案可以例如通过测量通量下降来控制，所述通量下降由在膜***中的特定点处的进料和汲取溶液的流量来确定。在盐水流上的传感器可以指示何时需要处理，例如利用蒸馏、离子交换、折点氯化处理或类似的方案进行处理。这可以利用pH探头、离子选择性探头、傅立叶变换红外光谱(FTIR)或感测汲取溶质浓度的其它手段。汲取溶液条件可被监测和跟踪以用于溶质的补给物添加和/或更换。同样，产物水质量可通过常规手段或利用诸如铵或氨探头的探头来监测。FTIR可被实施为检测存在的物质，以提供可用于例如确保正确的设施操作并用于识别诸如膜离子交换效果的行为的信息。
本领域的技术人员应当理解，本文所述参数和构型为示例性的，并且实际参数和/或构型将取决于在其中使用本实用新型的***和技术的具体应用。本领域的技术人员还应认识到或能够仅使用例行实验确定本实用新型的具体实施方案的等同物。因此，应当理解，本文所述实施方案仅以示例的方式提供，并且在所附权利要求及其等同物的范围内，本实用新型可以按除具体描述之外的方式实践。
此外，还应当理解，本实用新型涉及本文所述每个特征、***、子***或技术以及本文所述两个或更多个特征、***、子***或技术的任意组合，并且两个或更多个特征、***、子***和/或方法的任意组合(如果这样的特征、***、子***和技术不是相互不一致的话)被认为是在权利要求书中具体化的本实用新型的范围之内。此外，仅结合一个实施方案讨论的动作、元件和特征并非意图从其它实施方案中的类似作用中排除。

Claims (10)

1.一种渗透分离***，所述渗透分离***用于从第一溶液渗透提取溶剂，其特征在于，所述渗透分离***包括：
正向渗透单元，其包括具有第一侧和第二侧的至少一个膜，所述至少一个膜的所述第一侧流体联接到所述第一溶液的源，并且所述至少一个膜的所述第二侧流体联接到浓缩的汲取溶液的源，其中所述至少一个膜被构造用于从所述第一溶液渗透分离所述溶剂，从而形成在所述至少一个膜的所述第一侧上的更浓缩的第一溶液和在所述至少一个膜的所述第二侧上的稀汲取溶液；以及
分离***，其与所述正向渗透单元流体连通并且被构造用于接纳来自所述正向渗透单元的所述稀汲取溶液，所述分离***包括：
压力驱动的膜装置，其包括：入口，其被构造用于接纳所述稀汲取溶液的第一部分；第一出口，其被构造用于输出所述稀汲取溶液的渗余物部分；和第二出口，其被构造用于输出所述稀汲取溶液的渗透物部分；以及
渗透辅助的压力驱动的膜装置，其与所述压力驱动的膜装置流体连通并且包括：第一入口，其被构造用于接纳所述稀汲取溶液的第二部分；第二入口，其被构造用于接纳所述稀汲取溶液的所述渗余物部分；第一出口，其被构造用于输出进一步稀释的稀汲取溶液；和第二出口，其被构造用于输出所述稀汲取溶液的更浓缩的渗余物部分。
2.根据权利要求1所述的渗透分离***，其特征在于，所述渗透辅助的压力驱动的膜装置的所述第二出口与所述正向渗透膜的所述第二侧流体连通以用于将所述浓缩的汲取溶液提供至所述正向渗透单元。
3.根据权利要求1所述的渗透分离***，其特征在于，所述分离***还包括阀布置，以用于使所述进一步稀释的汲取溶液返回至所述稀汲取溶液源。
4.根据权利要求1所述的渗透分离***，其特征在于，所述分离***还包括增压泵，所述增压泵设置在所述至少一个正向渗透单元和所述压力驱动的膜装置之间并且被构造用于对所述稀汲取溶液加压。
5.根据权利要求1所述的渗透分离***，其特征在于，所述分离***还包括增压泵，所述增压泵设置在所述压力驱动的膜装置的所述第一出口和所述渗透辅助的压力驱动的膜装置的所述第二入口之间以用于提高所述稀汲取溶液的所述渗余物部分的压力。
6.根据权利要求1所述的渗透分离***，其特征在于，所述压力驱动的膜装置包括至少一个RO单元。
7.根据权利要求1所述的渗透分离***，其特征在于，所述压力驱动的膜装置包括至少一个纳米过滤单元和至少一个反渗透单元。
8.根据权利要求1所述的渗透分离***，其特征在于，所述渗透物部分是不含任何汲取溶质的产物溶剂。
9.根据权利要求1所述的渗透分离***，其特征在于，在所述渗透辅助的压力驱动的膜装置上的渗透压差为零。
10.根据权利要求1所述的渗透分离***，其特征在于，还包括串联布置的多个正向渗透单元，其中所述第一溶液与所述浓缩的汲取溶液逆流地引入到每个正向渗透单元。
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