用于脫鹽的方法及設(shè)備的制造方法
【專利說明】用于脫鹽的方法及設(shè)備
[0001] 本申請(qǐng)是申請(qǐng)日為2007年8月27日，申請(qǐng)?zhí)枮?00780034561. 1，發(fā)明名稱為"用 于脫鹽的方法及設(shè)備"的申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。 發(fā)明領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明涉及用于水凈化的方法和設(shè)備，尤其是利用過濾和電去電離作用 (electrodeionization)使水脫鹽。
[0003] 發(fā)明背景
[0004] 世界范圍內(nèi)對(duì)飲用淡水、工業(yè)淡水及農(nóng)業(yè)淡水的不斷增長的需求導(dǎo)致對(duì)以海水、 半咸水及其他具有升高鹽度的水為源的凈化方法的需求有所增長。通過去除諸如鹽等的溶 解固體（dissolved solid)而實(shí)現(xiàn)的高鹽度水的凈化已可通過包括蒸餾或反滲透（R0)等 在內(nèi)的多種方法來實(shí)現(xiàn)。此類方法從經(jīng)預(yù)處理的海水或半咸水的供給開始，然后將其凈化 (即脫鹽）到適宜于人類消費(fèi)或其他用途的水平。盡管海水以及，很多情況下，半咸水是來 源豐富的原材料，但是以目前的反滲透或蒸餾工藝將其轉(zhuǎn)化為飲用水通常由于所需的能量 而受到成本的抑制。
[0005] 如果能夠開發(fā)出對(duì)環(huán)境影響低的有效的脫鹽工藝，海洋就可提供取之不盡的水 源。雖然設(shè)備成本可能很高，但對(duì)高鹽度的水脫鹽的最大的持續(xù)費(fèi)用是能耗。在能效上小 的改進(jìn)都會(huì)由于脫鹽系統(tǒng)通常處理大量的水而導(dǎo)致顯著的費(fèi)用節(jié)省。
[0006] 例如，由R0工藝從海水中生產(chǎn)飲用水所需的能量主要包括用于克服海水的滲透 壓的能量，以及過程期間中壓力損失導(dǎo)致的低效率。因?yàn)镽0滲透液和R0廢水（供應(yīng)至系統(tǒng) 中的總水量的70%將會(huì)損失而成為廢水）都須進(jìn)行加壓，R0的能耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于脫鹽所需要的 最小的熱動(dòng)力學(xué)理論能耗。通常需要昂貴的機(jī)械壓力回收裝置來試圖回收加壓所需要的某 些損失的能量。海水中通常包含約20,000-40,00(^口111(1^/1)的總?cè)芙夤腆w物〇1)54(^ &1 dissolved solids)，并且半咸水源可包含從2, OOOppm至多達(dá)20, OOOppm的TDS。
[0007] 這些溶解固體包括多種單價(jià)、二價(jià)、多化合價(jià)和/或多價(jià)鹽或物質(zhì) (polyvalent, and/or multivalent salts or species)，其中氯化鈉形成了總固體含量的 75%。
[0008] 雖然傳統(tǒng)上已經(jīng)使用諸如蒸餾法等蒸發(fā)方法來生產(chǎn)飲用水，但是這些方法通常需 要比采用反滲透技術(shù)的系統(tǒng)甚至更多的能量。此外這些系統(tǒng)通常利用復(fù)雜的熱回收工藝， 以提高能效。由于基于R0或蒸餾技術(shù)的工藝是在高壓或高溫下操作的，并且由于高鹽度的 水具很強(qiáng)的腐蝕性，所以需要特殊的金屬和合金來承受這種操作條件，因此，在這類工藝中 增加復(fù)雜的裝置以節(jié)省能源的需求進(jìn)一步提高了設(shè)備的初始成本，并大大降低了設(shè)備的可 靠性。
[0009] 反滲透技術(shù)可有效地從海水中去除離子化合物。但是，R0系統(tǒng)一個(gè)嚴(yán)重的缺點(diǎn)是， R0膜有選擇地拒絕非單價(jià)或多價(jià)鹽的程度超過單價(jià)鹽。因此，在諸如農(nóng)業(yè)等的應(yīng)用的凈化 中，大多數(shù)二價(jià)離子，如鈣和鎂，實(shí)際上有利于灌溉，但它們也被有選擇地拒絕了，從而導(dǎo)致 高于需要的運(yùn)行壓力，并增加了膜的污染（fouling)和結(jié)垢（scaling)的潛在風(fēng)險(xiǎn)，并且/ 或者喪失了利于作物生長的寶貴的礦物質(zhì)。
[0010] 在含有超過3.5%固體的海水和103少于1，00(^口111，甚至少于50(^口111的飲用水 之間的滲透壓上的差異決定了用來生產(chǎn)飲用品質(zhì)的滲透液所使用高壓僅僅用于克服熱力 學(xué)自由能勢(shì)。實(shí)際上，為了通過減少需要被有效地作預(yù)備以進(jìn)行處理的海水用量來降低預(yù) 處理成本，海水通常在較高的水回收率下進(jìn)行處理，所以，所需要的滲透壓力甚至高過處理 含3.5%固體的海水所需要的滲透壓力。例如，出于高壓操作的實(shí)際考慮，RO系統(tǒng)中所利 用的壓力常常大于800、900甚至1，OOOpsi，并且出于高壓操作、抗腐蝕性、避免能量損失以 及防止由于二價(jià)選擇性及硅拒絕所引起的結(jié)垢現(xiàn)象等實(shí)際因素，這些條件常常受到30%~ 40%左右的水回收率（產(chǎn)品水量與總水量的比率）的限制。當(dāng)考慮到，將水的回收率從大約 67%改變至大約33%時(shí)，對(duì)于給定的純凈水需求，將導(dǎo)致預(yù)處理設(shè)備的成本加倍，且總耗水 量加倍，則這個(gè)限制會(huì)導(dǎo)致用于R0系統(tǒng)的所使用的水和預(yù)處理的費(fèi)用大量增加。能源再利 用技術(shù)和R0膜的最新進(jìn)展已經(jīng)將使用R0系統(tǒng)生產(chǎn)飲用水的能耗降低至約7至14千瓦時(shí) 每1000加侖（14kwh/kgal)產(chǎn)品水。
[0011] 使用方法組合的備選技術(shù)也使將海水轉(zhuǎn)化成淡水的能耗得以降低。例如，已經(jīng)顯 示雙程（two-pass)納米過濾系統(tǒng)能夠在約750psi的總工作壓力下生產(chǎn)飲用水，第一級(jí) (stage)約500psi，第二級(jí)約250psi。因?yàn)槟芰渴褂蒙婕斑\(yùn)行壓力，所以同在大于800psi 的壓力下運(yùn)行的典型的R0系統(tǒng)相比，約750psi的總的工作壓力使得能效更高的系統(tǒng)成為 可能。例如，參見美國專利US2003/0205526中Vuong所教授的方法，其通過引用而結(jié)合在 本文中。
[0012] 在另一用于從海水中生產(chǎn)淡水的方法中，納米過濾技術(shù)用于連同R0或閃蒸技術(shù) 而使用。例如，參見美國專利6508936中Hassan所教授的方法，其通過引用而結(jié)合在本文 中。 發(fā)明概要
[0013] 本申請(qǐng)的主題在某些情況下可能涉及相關(guān)的產(chǎn)品、對(duì)具體問題的備選方案、和/ 或單一系統(tǒng)或物品的多種不同使用。
[0014] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種用于凈化水的方法。該方法包括采用這樣的 一種或多種措施（act)，即，給納米過濾裝置（nanofiltration device)提供包含大于約 l，000ppm的總?cè)芙夤腆w物的供水（feed water)以生產(chǎn)出總?cè)芙夤腆w物方面有所降低的 第一濾液（filtrate)，并將此第一濾液供給至電去電離作用裝置（electrodeionization device)，以生產(chǎn)包含小于約1，OOOppm的總?cè)芙夤腆w物的第二濾液。
[0015] 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種用于使海水脫鹽的設(shè)備。該設(shè)備包含納米過 濾裝置和與納米過濾裝置成流體連通的電去電離作用裝置。
[0016] 根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供了一種處理海水或其他高鹽度水源以減少總?cè)芙夤?體物的方法。該方法包括這樣的一種或多種措施，即，使原始水（source water)通過水處 理設(shè)備，同時(shí)施加數(shù)量少于約7kwh/kgal濾液（7kwh/kgal of filtrate)的能量至該設(shè)備， 并從設(shè)備中移出（removing)濾液，其中，該濾液包含小于約1，OOOppm的總?cè)芙夤腆w物。
[0017] 根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，本發(fā)明致力于一種處理海水的方法。該方法包含這樣的 措施，即，在第一級(jí)中從海水中減少一種或多種非單價(jià)物質(zhì)的濃度，并在第二級(jí)中從海水中 減少一種或多種單價(jià)物質(zhì)的濃度，以生產(chǎn)具有小于約lOOOppm的IDS的水。第一級(jí)和第二 級(jí)是在低于約7kwh/kgal產(chǎn)品水的凈能耗率（net energy consumption rate)下完成的。
[0018] 根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，本發(fā)明致力于一種處理含有溶解固體的水的方法，該方 法包含這樣的措施，即，從水中減少單價(jià)溶解性物質(zhì)的濃度以生產(chǎn)副產(chǎn)品流，從水中減少二 價(jià)溶解性物質(zhì)的濃度，并在電去電離作用裝置中從水中將溶解固體的濃度減少到少于大約 1，OOOppm 等。
[0019] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種凈化水的方法，其包括：
[0020] 將含有大于約lOOOppm總?cè)芙夤腆w物的供水提供至納米過濾裝置以生產(chǎn)總?cè)芙?固體物有所減少的第一濾液；并
[0021] 將所述第一濾液供應(yīng)至電去電離作用裝置以生產(chǎn)包含少于約1，OOOppm總?cè)芙夤?體物的第二濾液。
[0022] 在該方法中，所述供水可以是海水、半咸水或油田回收水。在該方法中，任何多價(jià) 離子的多于約90%可由所述納