[发明专利]用于正向渗透液净化的系统及方法

说明书

技术领域

该文件总体上涉及液体的净化，更具体而言涉及海水或微咸水(brackish water)的淡化及净化问题。

背景技术

当今世界对淡水即饮用水的需求日益增加。目前，由于人口不断增加带来的日益膨胀的需求，全球沙漠化的趋势正在以前所未有的速度蔓延。此外，随着水资源日益枯竭，人们越发迫切地需要找到一种全新的经济有效的方式以生产饮用水。

面对全球有限的淡水供应和资源这个日益紧迫的问题，丰富的海水资源以及新的浓盐水和微咸水淡化技术的发展无疑是一种可行的解决方法，并将带来巨大的社会效益和影响。因此，总体来说，世界范围内存在对淡化和液体净化的需求。

膜法淡化主要借助于反向渗透(RO)，目前是发展最快的技术，大约占全球淡化能力的22％。反向渗透借助于动态压力来克服盐溶液的渗透压，从而使无盐水实现水选择性渗透，从膜的盐水侧转移到淡水侧。但是，RO系统需要较高的压力(50至100atm或800至1500psi)以及大规模的海水预处理，以通过RO膜实现充分的渗透，从而使海水转化率介于35％至50％之间。而且，最初膜成本与更换问题会造成RO系统较高的资本投入和运营成本。

尽管水净化技术、尤其是水淡化(净化)技术取得了很大的发展，这些方法的资本和运营成本一直要比提取天然淡水并作为饮用水推向市场的成本要高出很多。在美国，根据地理位置和到淡水资源的距离，水的批发价一般为每英亩英尺100美元至450美元。在加利福尼亚州，淡水的批发价接近每英亩英尺500美元。目前，淡化成本介于每英亩-英寸淡化水617美元至987美元之间。通过RO方法对微咸水进行淡化的成本低一些，但价格仍然相对较高，介于每英亩英尺247美元至432美元之间。

因此，人们仍需要找到比目前现有的液体净化方法能耗更低、效率更高及/或成本更低的水净化方法。

发明内容

本文公开的系统及方法利用正向渗透进行液体净化，例如海水淡化及微咸水净化。各种实施方案包含以下的认识：通过利用一种或多种浊点溶质产生相对于盐水或待处理的液体的高渗透压差，能够改善正向渗透作用。浊点溶质的使用可以有利地通过浊点萃取实现正向渗透液的循环利用。其结果获得了能够以与以前的液体净化方法(如反向渗透)相比更低的能耗、更低的工作温度和压力、更高的效率、更高的液体流速及/或更低的成本工作的系统和方法。

在某些实施方案中，正向渗透系统和方法包括一个封闭的处理环。该系统和方法输入的是盐水，排出的是可饮用的净化水以及排入海洋或用于商业目的的浓盐水。浊点溶质是水从盐水中正向渗透出来的驱动力，通过浊点沉淀和过滤进行回收并在未来的处理中再次使用。

在各种实施方案中均提供了正向渗透液净化系统。一种系统可包括半透膜，该膜包括一个原料溶液侧表面和一个反面的提取溶液侧表面。一种系统可包括与所述半透膜的原料溶液侧表面连通的原料溶液，其中，所述原料溶液包括待净化的液体和溶解于该待净化的液体中的杂质。所述系统可包括与所述半透膜的提取溶液侧表面连通的提取溶液。所述系统可包括一沉淀系统，所述沉淀系统被构造为从提取溶液中沉淀出所述至少一种浊点溶质。

一种正向渗透液净化系统可包括原料溶液室以及置于所述原料溶液室中的原料溶液，所述原料溶液包括一种液体和溶解在所述液体中的杂质。一种系统可包括提取溶液室以及置于所述提取溶液室中的提取溶液，所述提取溶液包括所述液体和溶解在所述液体中的至少一种浊点溶质。一种系统可包括置于原料溶液室和提取溶液室之间的、将所述原料溶液和提取溶液分开的半透膜，该半透膜被构造为使液体能够从所述原料溶液扩散到所述提取溶液中。一种系统可包括与所述提取溶液室连通的沉淀系统，其中所述沉淀系统被构造为使提取溶液中的所述至少一种浊点溶质发生沉淀。一种系统可包括与所述沉淀系统连通的过滤系统，其中所述过滤系统被构造为将沉淀下来的至少一种浊点溶质的至少一部分与所述提取溶液中的液体分离。一种系统可包括与所述过滤系统连通的回流管，其中该回流管被构造为接收分离出来的至少一种浊点溶质并将其回送至所述提取溶液室。一种系统可包括与所述过滤系统连通的排流管，其中该排流管被构造为接收从所述提取溶液中分离出的液体。