專利名稱：用于正向滲透用途的螺旋卷繞的膜模塊的制作方法
用于正向滲透用途的螺旋卷繞的膜模塊
相關(guān)申請
本申請要求2008年3月20日提交的美國臨時(shí)專利申請序號61/070,087的優(yōu)先 權(quán)；在此通過參引的方式將其全文結(jié)合入本文中。技術(shù)領(lǐng)域
一個(gè)或多個(gè)方面總體上涉及滲透分離。更具體而言，一個(gè)或多個(gè)方面涉及用于 工程滲透(engineered osmosis)的膜模塊，如壓力延遲滲透或任何通過例如正向滲透來從 水溶液滲透分離溶質(zhì)和水，例如海水脫鹽、含鹽水脫鹽、廢水凈化和污水修復(fù)。
背景技術(shù)：
已使用正向滲透進(jìn)行脫鹽。一般而言，正向滲透脫鹽過程涉及具有兩個(gè)腔室的 容器，所述兩個(gè)腔室由半透膜分隔開。一個(gè)腔室容納海水。另一個(gè)腔室容納濃縮溶液， 這產(chǎn)生海水與濃縮溶液之間的濃度梯度。該梯度穿過所述膜從海水汲取水而進(jìn)入濃縮溶 液，該膜選擇性地容許水但不容許鹽通過。進(jìn)入濃縮溶液的水逐漸稀釋溶液。然后從稀 釋溶液中除去溶質(zhì)以產(chǎn)生飲用水。發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明方面總體上涉及用于滲透分離的系統(tǒng)和方法。
按照一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式，螺旋卷繞的正向滲透膜模塊可包括螺旋卷繞的正向 滲透膜，該膜限定出具有內(nèi)部區(qū)域和外部區(qū)域的膜袋(pocket)，該螺旋卷繞的正向滲透 膜具有第一端和第二端。該模塊還可包括處于第一端的分配區(qū)域，該分配區(qū)域包括與膜 袋的內(nèi)部區(qū)域流體連通的第一入口和與膜袋的外部區(qū)域流體連通的第二入口。該模塊又 可包括處于第二端的收集區(qū)域，該收集區(qū)域包括與膜袋的內(nèi)部區(qū)域流體連通的第一出口 和與膜袋的外部區(qū)域流體連通的第二出口。
在一些實(shí)施例中，第一入口可與第二入口流體隔離。第一出口可與第二出口流 體隔離。分配區(qū)域可包括端蓋，該端蓋可構(gòu)造和布置成流體隔離第一入口和第二入口。 在一個(gè)實(shí)施例中，端蓋可包括至少一個(gè)管，該至少一個(gè)管具有與膜袋的內(nèi)部區(qū)域流體連 接的內(nèi)腔和與膜袋的外部區(qū)域流體連通的外部區(qū)域。第一入口可與該至少一個(gè)管的內(nèi)腔 流體連接。第二入口可與該至少一個(gè)管的外部區(qū)域流體連通。
在一些實(shí)施例中，螺旋卷繞的正向滲透膜的第一端和第二端之一的至少一部分 可被罐封/密封(pot)。在其它實(shí)施例中，螺旋卷繞的正向滲透膜的第一端和第二端中之 一的至少一部分可被安裝在板中。該模塊還可包括至少一個(gè)間隔件，該至少一個(gè)間隔件 沿由膜袋的內(nèi)部區(qū)域限定的、從第一入口至第一出口的流體流路設(shè)置。該模塊也可包括 至少一個(gè)間隔件，該至少一個(gè)間隔件沿由膜袋的外部區(qū)域限定的、從第二入口至第二出 口的流體流路設(shè)置。在一些實(shí)施例中，該至少一個(gè)間隔件的厚度可沿著膜模塊的縱向軸 線變化。在至少一個(gè)實(shí)施例中，該模塊可包括與螺旋卷繞的正向滲透膜機(jī)械配合的中心支撐件。在一些實(shí)施例中，螺旋卷繞的正向滲透膜是不對稱的。膜袋的外部區(qū)域可由螺 旋卷繞的正向滲透膜的分離機(jī)能層(rejecting layer)限定。在一些實(shí)施例中，該模塊可被 集成在壓力延遲滲透系統(tǒng)中。
按照一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，一種水處理系統(tǒng)可包括螺旋卷繞的正向滲透膜模塊， 該模塊包括螺旋卷繞的正向滲透膜，該膜構(gòu)造和布置成沿模塊的縱向軸線限定出隔離 且大致平行的第一流體流路和第二流體流路；與第一流體流路流體連接的第一入口和第 一出口；以及與第二流體流路流體連接的第二入口和第二出口。該水處理系統(tǒng)還可包括 與第一入口流體連接的第一溶液源，以及與第二入口流體連接的第二溶液源。
在一些實(shí)施例中，第一入口和第二入口可設(shè)置在螺旋卷繞的正向滲透膜的第一 端。第一溶液源可為鹽溶液源。在一些實(shí)施例中，鹽溶液包括海水。第二溶液源可包 括汲取溶液源。在至少一個(gè)實(shí)施例中，汲取溶液中的氨和二氧化碳的摩爾每升比可大于 約 1 1。
在一些實(shí)施例中，水處理系統(tǒng)還可包括第二正向滲透螺旋卷繞的膜模塊。該系 統(tǒng)還可包括控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)構(gòu)造成控制第一溶液在第一入口處的流速和第二溶液 在第二入口處的流速中的至少一個(gè)。在至少一個(gè)實(shí)施例中，該系統(tǒng)可包括與第一出口和 第二出口之一流體連接的分離系統(tǒng)。在一些實(shí)施例中，分離系統(tǒng)的出口可與第一入口和 第二入口之一流體連接。在至少一個(gè)實(shí)施例中，該系統(tǒng)為壓力延遲滲透系統(tǒng)，壓力延遲 滲透系統(tǒng)還包括流體連接在第一出口和第二出口之一的下游的渦輪機(jī)。
按照一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，一種促進(jìn)脫鹽過程的方法可包括提供螺旋卷繞的正向 滲透膜模塊，該模塊包括限定出具有內(nèi)部區(qū)域和外部區(qū)域的膜袋的螺旋卷繞的正向滲 透膜，該螺旋卷繞的正向滲透膜具有第一端和第二端；處于第一端的分配區(qū)域，其包括 與膜袋的內(nèi)部區(qū)域流體連通的第一入口和與膜袋的外部區(qū)域流體連通的第二入口；以及 處于第二端的收集區(qū)域，其包括與膜袋的內(nèi)部區(qū)域流體連通的第一出口和與膜袋的外部 區(qū)域流體連通的第二出口。該促進(jìn)方法還可包括使汲取溶液源與第一入口流體連接，以 及使鹽水溶液源與第二入口流體連接。
在一些實(shí)施例中，使汲取溶液的源與第一入口流體連接的步驟可包括流體連接 其中氨和二氧化碳的摩爾每升比大于約11的汲取溶液源。該方法還可包括使第一出 口與蒸餾塔流體連接。在至少一個(gè)實(shí)施例中，該方法還可包括使蒸餾塔的出口與第一入 口流體連接。所提供的模塊的螺旋卷繞的正向滲透膜可構(gòu)造和布置成沿模塊的縱向軸線 限定出隔離且大致平行的第一流體流路和第二流體流路。在至少一個(gè)實(shí)施例中，該方法 為壓力延遲滲透過程，該壓力延遲滲透過程還包括使膜模塊的收集區(qū)域與渦輪機(jī)流體連 接。
下面詳細(xì)說明這些示例性方面和實(shí)施例的再其它方面、實(shí)施例和優(yōu)點(diǎn)。此外， 應(yīng)該理解的是，前面的信息和以下詳細(xì)描述僅為各個(gè)方面和實(shí)施例的說明性實(shí)例，且旨 在提供用于理解所要求保護(hù)權(quán)利的方面和實(shí)施例的性質(zhì)和特征的總結(jié)或構(gòu)架。包括了附 圖以便提供圖示以及對各個(gè)方面和實(shí)施例的進(jìn)一步的理解，且結(jié)合在本說明書中并構(gòu)成 本說明書的一部分。附圖及說明書的余下部分用來解釋所述和所要求保護(hù)的權(quán)利要求的 各方面和實(shí)施例的原理和操作。


附圖中示出了至少一個(gè)實(shí)施例的各個(gè)方面。提供附圖以用于圖示和說明，而并 非旨在作為對本發(fā)明的限制性定義。在附圖中
圖1示出按照一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的螺旋卷繞的正向滲透膜模塊的示意圖2示出按照一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的帶端蓋的螺旋卷繞的正向滲透膜模塊構(gòu)件的 示意圖3示出按照一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的端蓋的示意圖4示出按照一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的端蓋的示意性側(cè)視圖5示出按照一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的端蓋的示意性剖視圖6示出按照一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的螺旋卷繞的正向滲透膜模塊的端部的示意 圖；以及
圖7示出按照一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的通過螺旋卷繞的正向滲透膜模塊構(gòu)件的流型 示意圖。
具體實(shí)施方式
按照一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，用于從水溶液提取水的滲透方法一般可包括將水溶液 暴露于正向滲透膜的第一表面。濃度與水溶液的濃度相比增加的第二溶液或汲取溶液可 暴露于正向滲透膜的相對的第二表面。然后可經(jīng)由正向滲透穿過正向滲透膜從水溶液汲 取水并進(jìn)入第二溶液中而產(chǎn)生富含水的溶液，該正向滲透利用了涉及從濃度較低的溶液 運(yùn)動至濃度較高的溶液的流體遷移特性。富含水的溶液——也稱為稀汲取溶液——可在 第一出口處收集并經(jīng)歷又一分離過程以產(chǎn)生凈化水。第二產(chǎn)品流——即被消耗或濃縮的 水處理溶液——可在第二出口處收集以便排放或進(jìn)一步處理。
液壓壓力一般可促進(jìn)第一溶液和第二溶液沿它們相應(yīng)通道的縱向軸線輸送通過 膜模塊，而滲透壓一般可促進(jìn)水從進(jìn)給溶液往汲取溶液的穿過模塊內(nèi)正向滲透膜的輸 送?？蛇x地，可在進(jìn)給溶液上施加液壓壓力以協(xié)助水從進(jìn)給處流至汲取溶液處，或可在 汲取溶液上作用液壓壓力以允許通過汲取溶液的體積膨脹產(chǎn)生動力(PRO)，該汲取溶液 的體積膨脹由于來自進(jìn)給溶液的水的膜通量——該膜通量由兩種溶液之間的滲透壓差驅(qū) 動——所導(dǎo)致。一般而言，模塊內(nèi)的流動通道設(shè)計(jì)成使得導(dǎo)致流經(jīng)這些通道(穿流)所 需的液壓壓力最小化，但這通常與在流動通道中形成湍流的希望相沖突，湍流有助于有 效地在兩種溶液之間產(chǎn)生滲透壓差，其趨于增加流動阻力。較高的滲透壓差一般可增加 穿過膜的通量，但也趨于增加從稀汲取溶液中分離汲取溶質(zhì)以便產(chǎn)生稀釋的水制品和再 次濃縮的汲取溶液所需的熱量。
按照一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，正向滲透膜模塊可包括一個(gè)或多個(gè)正向滲透膜。正向 滲透膜一般可以是半透的，例如允許水通過但不允許溶解于其中的溶質(zhì)如氯化鈉、碳酸 銨、碳酸氫銨和氨基甲酸銨通過。眾多類型的半透膜適于此目的，前提是它們能夠允許 水(即溶劑)通過、同時(shí)阻止溶質(zhì)通過且不與溶液中的溶質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。膜可具有多種構(gòu) 型，包括薄膜、中空纖維膜、螺旋卷繞膜、單絲和碟管式(disk tube)。存在許多眾所周 知、商業(yè)上可獲得的半透膜，其特征在于具有小孔——所述小孔足夠小以便允許水通過 而同時(shí)篩出溶質(zhì)分子(如氯化鈉)和它們的離子型分子類型(如氯化物)。此類半透膜可由有機(jī)或無機(jī)材料制成。在一些實(shí)施例中，可使用由諸如醋酸纖維素、硝酸纖維素、聚 砜、聚偏二氟乙烯、聚酰胺和丙烯腈共聚物的材料制成的膜。其它膜可以是由諸如ZrO2 和TiO2的材料制成的礦物質(zhì)膜或陶瓷膜。
優(yōu)選而言，選擇用于半透膜的材料一般應(yīng)當(dāng)能夠耐受膜可能經(jīng)歷的各種處理?xiàng)l 件。例如，可能希望膜能夠耐受升高的溫度，如與殺菌或其它高溫處理相關(guān)的溫度。在 一些實(shí)施例中，正向滲透膜模塊可在約O攝氏度至約100攝氏度的溫度范圍內(nèi)操作。在一 些非限制性實(shí)施例中，處理溫度的范圍可為從約40攝氏度至約50攝氏度。同樣，可能 希望膜能夠在各種pH條件下保持完整/不受損。例如，膜環(huán)境中的一種或多種溶液—— 如汲取溶液——可以是或多或少呈酸性或堿性的。在一些非限制性實(shí)施例中，正向滲透 膜模塊可在介于約2到約11之間的pH水平下操作。在某些非限制性的實(shí)施例中，pH水 平可為約7至約10。所使用的膜無需由這些材料中的一種制成，且它們可以是各種材料 的復(fù)合物。在至少一個(gè)實(shí)施例中，膜可以是不對稱膜，如在第一表面上帶活性層，而在 第二表面上帶支撐層。在一些實(shí)施例中，活性層一般可以是分離機(jī)能層。例如，在一些 非限制性實(shí)施例中分離機(jī)能層可阻止鹽通過。在一些實(shí)施例中，如襯層的支撐層一般可 以是無活性的。
按照一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，膜模塊的至少一個(gè)正向滲透膜可以是螺旋卷繞的。螺 旋卷繞的構(gòu)型一般在促進(jìn)模塊內(nèi)的正向滲透方面是有效的。就每單位體積中容納大量表 面區(qū)域而言，螺旋卷繞構(gòu)型可能是有利的。就沿流體流路的接觸表面積與處理流體在正 向滲透膜模塊內(nèi)的停留時(shí)間的相對關(guān)系而言，螺旋卷繞構(gòu)型也可能是有利的。膜模塊也 可有利地設(shè)計(jì)，以減小對通過流體流動通道的流體穿流的摩擦阻力，并減少死區(qū)和不良 的質(zhì)量傳遞，同時(shí)促進(jìn)湍流。在至少一個(gè)實(shí)施例中，汲取溶液和進(jìn)給溶液可沿膜模塊的 縱向軸線行進(jìn)、同時(shí)流動阻力或分流最小。螺旋卷繞的正向滲透膜模塊可具有任何希望 的尺寸。
按照一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，至少一個(gè)正向滲透膜可定位在殼體或外殼內(nèi)。該殼體 的尺寸和形狀一般可設(shè)計(jì)成容納定位于其中的膜。例如，如果容納螺旋卷繞的正向滲透 膜，則該殼體可以是大致圓柱形的。模塊的殼體可容納進(jìn)口以及出口，以向模塊提供進(jìn) 給溶液和汲取溶液、以及從模塊獲取產(chǎn)品流。在一些實(shí)施例中，殼體可提供至少一個(gè)貯 存器或腔室以便保持或存儲要引導(dǎo)到模塊或從模塊獲取的流體。在至少一個(gè)實(shí)施例中， 殼體可以是隔熱的。在一些非限制性的實(shí)施例中，模塊組件可被密封在管狀殼體內(nèi)， 以使得海水進(jìn)入環(huán)氧樹脂塊體與主片狀卷繞體之間的空間內(nèi)。汲取溶液可通過扁平管內(nèi) 部，扁平管引導(dǎo)溶液穿過位于片狀卷繞體內(nèi)的支撐層側(cè)。
按照一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，正向滲透膜模塊一般可構(gòu)造和布置成使第一溶液和第 二溶液分別與半透膜的第一側(cè)和第二側(cè)接觸。雖然第一溶液和第二溶液可保持靜止，但 優(yōu)選地是第一溶液和第二溶液二者均由穿流(即，平行于半透膜的表面的流動)引導(dǎo)。這 一般可增加沿一個(gè)或多個(gè)流體流路的膜表面區(qū)域接觸，從而增加正向滲透的效率。在一 些實(shí)施例中，第一溶液和第二溶液可沿相同方向流動。在其它實(shí)施例中，第一溶液和第 二溶液可沿相反方向流動。在至少一些實(shí)施例中，膜表面的兩側(cè)上可具有相似的流體動 力學(xué)。這可通過將一個(gè)或多個(gè)正向滲透膜策略性地集成在模塊或殼體中來實(shí)現(xiàn)。
按照一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，正向滲透膜模塊一般可構(gòu)造并布置成提供第一流體流路和第二流體流路。流路一般可沿模塊的縱向軸線延伸，如從第一端延伸至第二端。第 一流體流路和第二流體流路可通過正向滲透膜分隔開。第一溶液可沿第一流體流路傳送 通過模塊，而第二溶液可沿第二流體流路傳送通過模塊。在不對稱正向滲透膜的情況 下，膜的活性層可與第一流體流路相關(guān)聯(lián)，而支撐層可與第二流體流路相關(guān)聯(lián)。在至少 一個(gè)實(shí)施例中，待處理的液態(tài)水如海水可與正向滲透膜的活性層接觸而汲取溶液可與支 撐層接觸。在其它實(shí)施例中，情況可能相反。在一些實(shí)施例中，第一流體流路和第二流 體流路彼此大致或基本上平行、沿著膜模塊的縱向軸線。在至少一個(gè)實(shí)施例中，第一流 體流路和第二流體流路彼此可基本隔離以便大致防止它們之間的混合，盡管希望水在模 塊內(nèi)穿過所述膜從第一溶液滲透至第二溶液以實(shí)現(xiàn)溶劑如上所述的分離和凈化。
按照一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，第一溶液可為任何希望對其進(jìn)行分離、凈化或其它處 理的含有一種或多種溶質(zhì)的溶劑或水溶液。在一些實(shí)施例中，第一溶液可為非飲用水， 如海水、鹽水、咸水、灰水(gray water)和一些工業(yè)用水。待處理的處理流可包括鹽和其 它離子類型如氯化物、硫酸鹽、溴化物、硅酸鹽、碘化物、磷酸鹽、鈉、鎂、鈣、鉀、 硝酸鹽、砷、鋰、硼、鍶、鉬、錳、鋁、鎘、鉻、鈷、銅、鐵、鉛、鎳、硒、銀和鋅。 在一些實(shí)例中，第一溶液可以是鹽水，如含鹽水或海水、廢水或其它污水。第一溶液 可從上游操作單元——如工業(yè)設(shè)施或任何其它來源如海洋——傳送到正向滲透膜處理系 統(tǒng)。第二溶液可為汲取溶液，其含有的溶質(zhì)的濃度比第一溶液更高?？墒褂酶鞣N各樣的 汲取溶液。例如，汲取溶液可包括放熱鹽溶液。在一些實(shí)施例中，可使用氨和二氧化碳 汲取溶液，如McGinnis的美國專利申請公開號2005/0145568中所披露的汲取溶液，在此 基于各種目的通過參引的方式將其全文結(jié)合入本文中。在一個(gè)實(shí)施例中，第二溶液可為 氨和二氧化碳的濃縮溶液。在至少一個(gè)實(shí)施例中，汲取溶液可包括摩爾比大于約1 1 的氨和二氧化碳。
汲取溶液一般具有大于進(jìn)給溶液的濃度。這可使用可溶性足以產(chǎn)生具有比進(jìn)給 溶液更高濃度的溶液的溶質(zhì)來實(shí)現(xiàn)。優(yōu)選而言，第二溶液內(nèi)的溶質(zhì)應(yīng)當(dāng)容易通過分離過 程從第二溶液除去，形成更易于在第二溶液的溶劑中溶解的至少一種物質(zhì)——即可溶物 質(zhì)——以及不易于在溶劑內(nèi)溶解的一種物質(zhì)——即不易溶解的物質(zhì)，并且即使在獲得的 溶劑中保留有痕量/微量(trace amount)的上述物質(zhì)也不存在健康危險(xiǎn)。存在可溶和不 易溶解的溶質(zhì)物質(zhì)使得可以按需調(diào)節(jié)或操縱溶液。通常，可溶和不易溶解的溶質(zhì)物質(zhì)在 溶液中達(dá)到這樣一個(gè)點(diǎn)其中，在特定溫度、壓力、pH等條件下，溶質(zhì)物質(zhì)相對于彼 此都不增加或減少，即可溶溶質(zhì)物質(zhì)和不易溶解的溶質(zhì)物質(zhì)的比率保持不變。這稱為平 衡。在溶液的特定條件一定的情況下，溶質(zhì)物質(zhì)在平衡點(diǎn)處無需以一比一的比率存在。 通過添加稱為“試劑”的化學(xué)制品，可改變?nèi)苜|(zhì)物質(zhì)之間的平衡。使用第一試劑，可改 變?nèi)芤浩胶庖栽黾涌扇艿娜苜|(zhì)物質(zhì)的量。同樣，使用第二試劑，可改變?nèi)芤浩胶庖栽黾?不易溶解的溶質(zhì)物質(zhì)的量。在添加試劑后，溶質(zhì)物質(zhì)的比率可穩(wěn)定在與溶液狀態(tài)匹配的 新水平上。通過以有利于可溶溶質(zhì)物質(zhì)的方式操縱平衡，可實(shí)現(xiàn)濃度接近飽和的第二溶 液——其為溶液溶劑不能再溶解任何溶質(zhì)的狀態(tài)。
用于第二(汲取)溶液的優(yōu)選溶質(zhì)可為氨和二氧化碳?xì)怏w及它們的產(chǎn)物碳酸 銨、碳酸氫銨和氨基甲酸銨。當(dāng)以約1的比率溶于水中時(shí)，氨和二氧化碳形成的溶液主 要包括碳酸氫銨以及濃度較低的相關(guān)產(chǎn)物碳酸銨和氨基甲酸銨。相比于可溶溶質(zhì)物質(zhì)碳酸氫銨和濃度更低的氨基甲酸銨而言，該溶液中的平衡偏向于不易溶解的溶質(zhì)物質(zhì)碳酸 氫銨。使用過量氨氣緩沖主要含有碳酸氫銨的溶液，使得氨與二氧化碳的比率增加到約 1.75至約2.0，這將使溶液平衡朝可溶溶質(zhì)物質(zhì)氨基甲酸銨偏移。氨氣更易溶于水且優(yōu)選 地被溶液吸附。由于氨基甲酸銨更易于被第二溶液的溶劑吸附，所以其濃度可增加到其 中溶劑不能再吸收任何溶質(zhì)的點(diǎn)，即飽和點(diǎn)。在一些非限制性的實(shí)施例中，通過這種操 作實(shí)現(xiàn)的該第二溶液內(nèi)的溶質(zhì)的濃度大于約2摩爾每升，超過約6摩爾每升，或約6至約 12摩爾每升。
氨氣可為優(yōu)選的用于氨基甲酸銨的第一試劑，因?yàn)樗钱?dāng)溶質(zhì)氨基甲酸銨分解 時(shí)產(chǎn)生的化學(xué)成分，也稱為組成成分/組元。一般而言，用于溶劑的試劑為溶質(zhì)的組成 成分/組元是優(yōu)選的，因?yàn)楫?dāng)除去溶劑時(shí)可容易地從溶液除去任何過量的試劑，并且在 優(yōu)選實(shí)施例中，組成成分/組元可再循環(huán)用作第一試劑。但是，可設(shè)想能夠操縱溶液中 的溶質(zhì)物質(zhì)的平衡的其它試劑，只要該試劑易于從溶液除去、且即使在最終溶劑內(nèi)保留 有微量成分的該試劑也不存在健康危險(xiǎn)。
按照一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，正向滲透膜模塊一般可包括第一入口和第二入口。第 一入口和第二入口可與第一溶液和第二溶液的源相關(guān)聯(lián)。在一些實(shí)施例中，第一溶液的 源可為第一溶液貯存器且第二溶液的源可為第二溶液貯存器。第一入口可與待處理的水 溶液的源流體連接，且第二入口可與汲取溶液的源流體連接。第一入口和第二入口可分 別與第一流體流路和第二流體流路相關(guān)，以便利于將第一溶液和第二溶液傳送至膜組件 以用于正向滲透。在一些實(shí)施例中，第一入口可與第一流體流路流體連通，且第二入口 可與第二流體流路流體連通。第一入口和第二入口可彼此流體隔離。在至少一個(gè)實(shí)施例 中，第一入口和第二入口定位在正向滲透膜模塊的一端，即第一端或第二端。在其它實(shí) 施例中，第一入口和第二入口可定位在正向滲透膜模塊的相對端。
按照一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，正向滲透膜模塊一般可包括第一出口和第二出口。第 一出口和第二出口可分別與第一流體流路和第二流體流路相關(guān)聯(lián)，以利于從正向滲透膜 模塊移去一個(gè)或多個(gè)產(chǎn)品流。第一出口可收集稀汲取溶液，且第二出口可收集消耗或濃 縮的水處理流。在一些實(shí)施例中，第一出口可與第一流體流路流體連通，且第二出口可 與第二流體流路流體連通。第一出口和第二出口彼此可流體隔離。在至少一個(gè)實(shí)施例 中，第一出口和第二出口定位在正向滲透膜模塊的一端。在其它實(shí)施例中，第一出口和 第二出口可定位在正向滲透膜模塊的相對端。
在一些實(shí)施例中，第一入口和第二入口一般可定位在正向滲透膜模塊的第一 端，而第一出口和第二出口一般可定位在正向滲透膜模塊的第二端。在一些此類實(shí)施例 中，分配區(qū)域一般可提供第一入口和第二入口，且收集區(qū)域一般可提供第一出口和第二 出口。分配區(qū)域可定位在膜模塊的第一端，且收集區(qū)域可定位在膜模塊的第二端。
按照一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，模塊的正向滲透膜可構(gòu)造和布置成限定出一膜隔室。 膜隔室一般可限定一至少部分封閉的空間。因而，膜隔室可具有內(nèi)部區(qū)域和外部區(qū)域。 膜隔室的一側(cè)或更多側(cè)可被密封。在一些實(shí)施例中，膜隔室一般可稱為膜袋，具有內(nèi)部 區(qū)域和外部區(qū)域。第一流體流路可與膜袋的內(nèi)部區(qū)域相關(guān)聯(lián)，且第二流體流路可與膜袋 的外部區(qū)域相關(guān)聯(lián)。膜袋一般可利于第一流體流路和第二流體流路的隔離，從而除希望 的穿過膜的滲透輸送以進(jìn)行分離之外還防止混合。在包括不對稱膜的實(shí)施例中，膜的第一層可提供隔室的內(nèi)部區(qū)域的表面，而膜的第二層可提供隔室的外部區(qū)域的表面。在一 些實(shí)施例中，分離機(jī)能層可與膜袋的外部區(qū)域相關(guān)聯(lián)，而支撐層可與膜袋的內(nèi)部區(qū)域相 關(guān)聯(lián)。
按照一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，正向滲透膜模塊可包括多個(gè)正向滲透膜。模塊可包括 多個(gè)螺旋卷繞的正向滲透膜。在其中膜構(gòu)造和布置成提供或限定出膜隔室或膜袋的實(shí)施 例中，模塊可包括多個(gè)此類隔室，各隔室均具有內(nèi)部區(qū)域和外部區(qū)域。膜模塊因此可包 括多個(gè)第一流體通路和多個(gè)第二流體通路。在一些實(shí)施例中，第一流體流動通路可與膜 袋的內(nèi)部區(qū)域相關(guān)聯(lián)，而第二流體流動通路可與膜袋的外部區(qū)域(或模塊的相鄰膜之間 的空間)相關(guān)聯(lián)。第一溶液可沿各第一流體通路流動，且第二溶液可沿各第二流體通路 流動。因而，可通過增加模塊中的正向滲透膜(如螺旋卷繞的正向滲透膜)的數(shù)量來按 比例擴(kuò)大模塊。
按照一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，正向滲透膜模塊可包括一個(gè)或多個(gè)用以促進(jìn)將第一溶 液和第二溶液引導(dǎo)到膜模塊、同時(shí)防止它們之間的混合的特征。同樣，正向滲透膜模塊 可包括一個(gè)或多個(gè)用以從膜模塊獲取或收集第一溶液和第二溶液、同時(shí)防止它們之間混 合的特征。在一些實(shí)施例中，端蓋可定位在螺旋卷繞的膜模塊的每一端。在至少一個(gè)實(shí) 施例中，端蓋可定位在螺旋卷繞的膜的每一端。在具有多個(gè)螺旋卷繞的膜的模塊中，各 螺旋卷繞的膜可具有定位在每一端的端蓋。端蓋可包括與模塊內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)流體流路 流體連通的至少一個(gè)入口和/或出口。端蓋可構(gòu)造和布置成有利于模塊內(nèi)一個(gè)或多個(gè)流 體流路的隔離。端蓋可構(gòu)造和布置成隔離一個(gè)或多個(gè)流體入口和/或流體出口。
在一些實(shí)施例中，端蓋可包括與第一流體流路流體連通的第一入口和與第二流 體流路流體連通的第二入口。在一個(gè)實(shí)施例中，端蓋可包括與膜隔室的內(nèi)部區(qū)域流體連 通的第一入口。端蓋可包括與膜隔室的外部區(qū)域流體連通的第二入口。
在一些實(shí)施例中，端蓋可包括與第一流體流路流體連通的第一出口和與第二流 體流路流體連通的第二出口。在一個(gè)實(shí)施例中，端蓋可包括與膜隔室的內(nèi)部區(qū)域流體連 通的第一出口。端蓋也可包括與膜隔室的外部區(qū)域流體連通的第二出口。
在其它實(shí)施例中，第一端蓋可包括與第一流體流路流體連通的第一入口和與第 二流體流路流體連通的第一出口。第二端蓋可包括與第二流體流路流體連通的第二入口 和與第一流體流路流體連通的第二出口。第一端蓋可定位在螺旋卷繞的膜的第一端且第 二端蓋可定位在螺旋卷繞的膜的第二端。第一流體流路可沿著膜袋的內(nèi)部區(qū)域，且第二 流體流路可沿著膜袋的外部區(qū)域。
按照一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，端蓋可包括與膜模塊的一個(gè)或多個(gè)流體流路流體連通 的一個(gè)或多個(gè)端口。端蓋的端口一般可有利于在端蓋處引導(dǎo)到螺旋卷繞的正向滲透膜模 塊或從其抽吸的溶液的隔離。端口可具有任何能夠大致防止在端蓋處導(dǎo)入和/或抽吸的 各種溶液的混合的結(jié)構(gòu)。端口可構(gòu)造和布置成在端蓋處隔離各種導(dǎo)入和/或抽吸的溶 液。端口可包括與第一流體流路流體連通的第一區(qū)域和與第二流體流路流體連通的第二 區(qū)域。第一區(qū)域和第二區(qū)域可布置成防止從其導(dǎo)入和/或抽吸的溶液之間的混合。端口 的尺寸設(shè)計(jì)和間隔一般可有利于流體流經(jīng)膜模塊，例如以實(shí)現(xiàn)期望的通量。該通量一般 通過促進(jìn)從膜模塊的一端至另一端的較直流路中的湍流實(shí)現(xiàn)，流路的特定尺寸使得流路 的偏離最小且流動阻力最小。11
在一些實(shí)施例中，端口可包括管，各管均具有內(nèi)腔區(qū)域和外部區(qū)域。在至少一 個(gè)實(shí)施例中，管可為基本扁平的管。其它實(shí)施例設(shè)想卵形或圓形的管開口，且管間空間 采取例如矩形、卵形、三角形或波形的形狀。一個(gè)或多個(gè)內(nèi)腔可與第一流體流路如膜袋 的內(nèi)部區(qū)域流體連接，且管的外部區(qū)域可與第二流體流路如膜袋的外部區(qū)域流體連接。 內(nèi)腔可與膜模塊的第一入口流體連接以有利于將第一溶液引導(dǎo)到第一流路，而管的外部 區(qū)域可與膜模塊的第二入口流體連接以利于將第二溶液引導(dǎo)到第二流體流路。另一端蓋 的內(nèi)腔可與膜模塊的第一出口流體連接以利于從第一流路獲取第一溶液，而管的外部區(qū) 域可與膜模塊的第二出口流體連接以利于從第二流體流路獲取第二溶液。在其中端蓋包 括入口和出口的實(shí)施例中，內(nèi)腔可與膜模塊的第一入口流體連接以將第一溶液傳送到第 一流體流路，而管的外部區(qū)域可與膜模塊的第一出口流體連接以從第二流體流路獲取第 二溶液。除這些示例性構(gòu)型外的各種其它構(gòu)型是可能的。
按照一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，膜模塊可包括一個(gè)或多個(gè)用以確保模塊內(nèi)流體流路的 隔離但確保期望的穿過膜的輸送以實(shí)現(xiàn)分離的特征。上述端蓋可為一個(gè)此類特征。其它 特征可單獨(dú)地實(shí)施或結(jié)合端蓋實(shí)施。在一些實(shí)施例中，螺旋卷繞的正向滲透膜的一個(gè)或 多個(gè)端部的至少一部分可安裝有板或其它能夠防止各種供應(yīng)至模塊或從模塊獲取的溶液 之間的混合的機(jī)械或結(jié)構(gòu)方案。在其它實(shí)施例中，螺旋卷繞的正向滲透膜的一個(gè)或多個(gè) 端部的至少一部分可被罐封/密封以利于流體流路的隔離。各種膜罐封/密封技術(shù)和材 料是公知的，并且通常涉及可固化樹脂材料的使用。在一些實(shí)施例中，罐封/密封一般 可防止進(jìn)入或離開第一流體流路的流體也進(jìn)入或離開第二流體流路，反之亦然。例如， 罐封/密封可防止流入端蓋管的內(nèi)腔中的第一流體也在管之間流動。同樣，罐封/密封 一般可防止在端蓋管之間流動的第二流體也流入端蓋管的內(nèi)腔中。在一些非限制性的實(shí) 施例中，這可通過任何環(huán)氧樹脂類物質(zhì)——其呈液體狀態(tài)且隨后固化——實(shí)現(xiàn)。一些罐 封/密封材料的特征為大致呈剛性而其它材料更呈柔性。每種特性具有相關(guān)的益處，并 且在一些實(shí)施例中，可能希望使用組合的樹脂材料進(jìn)行罐封/密封。在其中使用端蓋和 /或板或其它機(jī)械或結(jié)構(gòu)設(shè)備的實(shí)施例中，罐封/密封可提供補(bǔ)充保護(hù)，以防止在螺旋卷 繞的正向滲透膜模塊的流體入口和/或出口處的不希望的混合。
按照一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，正向滲透膜模塊一般可構(gòu)造和布置成有利于如沿著模 塊縱向軸線的穿過膜模塊的均勻通量。均勻通量通?？纱龠M(jìn)可獲得的膜表面面積的有效 使用?？纱龠M(jìn)均勻通量的設(shè)計(jì)考慮包括參數(shù)的優(yōu)化，如流速、流動的湍流度、進(jìn)給溶液 和汲取溶液的濃度和量的平衡、流體通道高度、膜表面上的圖案結(jié)構(gòu)、位于膜模塊任一 端的用于確保在模塊徑向軸線上任何位置處在整個(gè)通道中的均勻流動的流量分配器或補(bǔ) 充流量分配器、以及膜模塊的直徑和長度。
按照一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，支撐結(jié)構(gòu)可與螺旋卷繞的膜模塊相關(guān)聯(lián)。例如，桿或 軸可支撐螺旋卷繞的膜。在一些實(shí)施例中，一個(gè)或多個(gè)正向滲透膜可繞支撐結(jié)構(gòu)卷繞。 在特定實(shí)施例中，一個(gè)或多個(gè)正向滲透膜袋——如多個(gè)正向滲透膜袋——可盤繞在支撐 結(jié)構(gòu)周圍。該一個(gè)或多個(gè)膜可與支撐結(jié)構(gòu)連接。在其它實(shí)施例中，它們可能是不附連 的。在一些實(shí)施例中，模塊不包括用于引導(dǎo)或收集一股或多股流體流的滲透管，如中心 滲透管。因而，在至少一個(gè)實(shí)施例中，支撐結(jié)構(gòu)不是滲透管。
按照一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，一個(gè)或多個(gè)間隔件可沿一個(gè)或多個(gè)流體流路定位。間隔件一般可有利于促進(jìn)沿流體流路的均勻通量，可引導(dǎo)流體沿流路流動，并且可促進(jìn)模 塊內(nèi)任何期望的湍流。一個(gè)或多個(gè)間隔件可沿著第一流體流路和/或第二流體流路定 位。在一些實(shí)施例中，間隔件可沿著膜袋和/或沿著膜袋的外部區(qū)域定位。在至少一些 實(shí)施例中，間隔件可定位在膜模塊的相鄰膜之間。間隔件可用來策略性地調(diào)節(jié)與流體流 路相關(guān)聯(lián)的一個(gè)或多個(gè)參數(shù)。例如，間隔件的諸如厚度、寬度或高度之類的尺寸可選擇 成實(shí)現(xiàn)流體流路的期望高度、體積、通量或其它參數(shù)?？赡芟Ｍ淖兞黧w流路沿流體流 路縱向軸線的一個(gè)或多個(gè)參數(shù)。在至少一個(gè)實(shí)施例中，可沿膜模塊的縱向軸線改變間隔 件的厚度以實(shí)現(xiàn)期望的輪廓。例如，可能希望使一個(gè)或多個(gè)流體流路沿模塊的縱向軸線 逐漸變細(xì)。
在至少一個(gè)實(shí)施例中，螺旋卷繞的正向滲透膜模塊不包括膠粘線或基本上沒有 膠粘線。普遍公知地，膠粘線一般用于促進(jìn)對膜模塊內(nèi)的流體流動的導(dǎo)引。在一些 實(shí)施例中，正向滲透膜——如折疊或以其它方式構(gòu)造和布置以形成隔室或袋的正向滲透 膜——不包括沿流體流路的膠粘線以例如引導(dǎo)流體流動。例如，一些實(shí)施例可以不包括 與膜袋的內(nèi)部區(qū)域相關(guān)聯(lián)的膠粘線。按照一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，一個(gè)或多個(gè)此類不帶膠粘 線的膜可螺旋卷繞在正向滲透膜模塊內(nèi)。在一些實(shí)施例中，仍可沿膜袋的邊緣使用膠水 或粘合劑以便密封袋、固定端蓋、和/或?qū)⒛づc支撐結(jié)構(gòu)連接。
按照一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的螺旋卷繞的膜模塊可用于壓力延遲滲透中。壓力延遲 滲透一般可涉及從兩種溶液——如濃縮的汲取溶液與稀釋的工作流體——之間的鹽濃度 差生成滲透動力或鹽度梯度能。在一些示例中，海水可為第一溶液，而淡水或幾乎去離 子的水可為第二溶液。在一些實(shí)施例中，可將一個(gè)或多個(gè)螺旋卷繞的正向滲透膜模塊封 裝在壓力容器中以促進(jìn)壓力延遲滲透?？舍槍毫ρ舆t滲透用途修改正向滲透膜模塊的 一個(gè)或多個(gè)設(shè)計(jì)方面，如涉及膜、端蓋、間隔件或流路的一個(gè)或多個(gè)特征或參數(shù)。在壓 力延遲滲透中，可例如沿螺旋卷繞的膜模塊的第一流體流路將汲取溶液引導(dǎo)到位于膜的 第一側(cè)的壓力腔室內(nèi)。在一些實(shí)施例中，可基于汲取溶液與稀工作流體之間的滲透壓差 加壓汲取溶液的至少一部分。可例如沿螺旋卷繞的膜模塊的第二流體流路將稀工作流體 引導(dǎo)到膜的第二側(cè)。稀工作流體一般可經(jīng)由滲透而移動穿過所述膜，從而增加膜的加壓 汲取溶液側(cè)的體積。隨著壓力被補(bǔ)償，渦輪機(jī)可旋轉(zhuǎn)發(fā)電。然后可處理——如分離—— 所得到的稀汲取溶液以便重復(fù)利用。在一些實(shí)施例中，溫度較低的熱源——如工業(yè)廢 熱——可用于壓力延遲滲透系統(tǒng)或促進(jìn)壓力延遲滲透過程。
在一個(gè)非限制性的實(shí)施例中，結(jié)合有一個(gè)或多個(gè)螺旋卷繞的膜模塊的壓力延遲 滲透系統(tǒng)可為滲透式熱機(jī)，如McGinnis等人的WIPO公報(bào)NO.W02008/060435中所述的 滲透式熱機(jī)，在此基于所有目的通過參引的方式將其全文結(jié)合入本文中。滲透式熱機(jī)可 利用半透膜將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械功，以將滲透壓轉(zhuǎn)化為電力。濃縮的氨-二氧化碳汲取溶 液可形成一高的滲透壓，其克服液壓壓力梯度產(chǎn)生穿過半透膜的水通量。渦輪機(jī)中增加 的汲取溶液的壓降可產(chǎn)生電力?？赏ㄟ^將稀汲取溶液分離為重新濃縮的汲取溶液和去離 子的水工作流體(二者均重新用于在滲透式熱機(jī)中)而將該過程維持于穩(wěn)定狀態(tài)操作。
在一些實(shí)施例中，正向滲透模塊可在高達(dá)約2000psi的壓力下操作。一些非限 制性的正向滲透實(shí)施例可包括介于約20psi到約50psi之間的壓力。在操作中，用于正 向滲透模塊的非限制性示例條件可包括約5摩爾每升的汲取溶液、其上沒有施加液壓壓力，而不是施加實(shí)現(xiàn)穿流過汲取溶液流動通道所需的介于約20psi到約40psi之間的液壓 壓力，該汲取溶液被來自進(jìn)給溶液的穿過半透膜的水的穿過膜的通量稀釋成大約1.5摩爾 每升的濃度。此情形中，進(jìn)給溶液例如可以通過海水(大約0.5摩爾每升)進(jìn)給，海水沒 有被液壓加壓，沒有被加壓到介于約20psi到約40psi之間以引導(dǎo)其流動通過進(jìn)給流動通道。
在一些實(shí)施例中，壓力延遲滲透模塊可在高達(dá)約2000psi的壓力下操作。一些 非限制性的壓力延遲滲透實(shí)施例可涉及介于約IOOOpsi到約2000psi之間的壓力。在操作 中，非限制性的用于壓力延遲滲透模塊的示例性條件可包括約5摩爾每升的汲取溶液濃 度，其在大約IOOatm的液壓壓力下被稀釋成約3摩爾每升。此情形中的進(jìn)給溶液例如是 去離子的水工作流體，其僅處在導(dǎo)致流動通過進(jìn)給流動通道所需的液壓壓力(約20psi至 約 40psi)下。
圖1示出按照一個(gè)或多個(gè)非限制性實(shí)施例的螺旋卷繞的正向滲透膜模塊100。模 塊100包括多個(gè)螺旋卷繞的正向滲透膜110。模塊100的每一端包括腔室120、130。腔 室120包括入口 124、126，而腔室130包括出口 134、136。膜110的每一端被罐封/密 封在罐狀物140中。
模塊100的尺寸可設(shè)計(jì)成具有任何希望的尺寸。例如，尺寸設(shè)計(jì)可基于各種因 素——包括流速要求和可提供的占據(jù)空間(footprint space)。模塊一般可按比例放大或縮 小以適應(yīng)特定應(yīng)用的規(guī)格。在一些非限制性的實(shí)施例中，模塊100的物理尺寸在長度上 可介于約0.5米與約2米之間。在一個(gè)特定實(shí)施例中，模塊100的長度可為約1米。在 一些非限制性的實(shí)施例中，模塊100的直徑可介于約1英寸與約50英寸之間。在一些特 定實(shí)施例中，模塊100的直徑可為約2英寸、約4英寸、約8英寸或約16英寸。
圖2示出未卷繞或在螺旋卷繞之前的單個(gè)正向滲透膜210的示意圖。多個(gè)此類膜 210可包括圖1的膜110。端蓋250定位在正向滲透膜210的每一端。在一些非限制性 的實(shí)施例中，端蓋可以是按照圖3所示端蓋350設(shè)計(jì)的。端蓋350可包括一排端口 370， 由這些端口之間的空間380隔開。在一些實(shí)施例中，端口 370可為扁平管。附連結(jié)構(gòu)或 總管360可有利于端蓋350在膜210側(cè)的密封。端口 370、空間380和總管360的尺寸可 為任何希望的大小且可單獨(dú)地優(yōu)化。
圖4中示出端蓋450的側(cè)視圖?？偣?60 —般可利于端蓋450附連于膜袋。在 操作中，第一流體可僅通過扁平管470的內(nèi)腔475流經(jīng)端蓋450。第二流體可在扁平管 470周圍的空間480內(nèi)流動。圖5詳細(xì)示出端蓋550的截面，其中扁平管570與總管560 接口 /連接?？偣?60可密封在膜袋上?？偣?60的內(nèi)部可與管570的內(nèi)腔以及與膜袋 的內(nèi)部區(qū)域流體連通，而總管560的外部可與管570周圍的空間580以及與膜袋的外部區(qū) 域流體連通。因而，第一流體入口和第二流體入口可如圖6所示互相隔離以防止混合。 圖6示出螺旋卷繞的正向滲透膜模塊600的一端。端蓋650的管670限定出內(nèi)腔675和 外部區(qū)域680。第一流體可在與內(nèi)腔675流體連通的第一入口 6 處進(jìn)入模塊600。第 二流體可在與外部區(qū)域680流體連通的第二入口 6 處進(jìn)入模塊600。罐封/密封可利于 第一入口 6M和第二入口 6 的流體隔離。除如圖7所示的用于滲透分離的希望的穿過 膜的輸送之外，由膜袋的內(nèi)部區(qū)域和外部區(qū)域所限定的流體流路可流體隔離。圖7示出 帶有溶液A的第一流體流路和溶液B的第二流體流路的膜袋，其中第一流體流路沿膜袋的外部區(qū)域，第二流體流路沿膜袋的內(nèi)部區(qū)域。
按照一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，扁平片狀膜可用于制造螺旋卷繞的正向滲透膜模塊。 在一些非限制性的實(shí)施例中，扁平片狀正向滲透膜可自相折疊，如基本上對半地折疊。 膜片的第一邊緣可折疊在膜片的第二平行邊緣上。在不對稱正向滲透膜的情形中，片狀 物可折疊成使得一側(cè)的支撐層面對另一側(cè)的支撐層，且每一側(cè)的分離機(jī)能層朝外。袋或 隔室一般可由折疊的膜形成。在另一實(shí)施例中，在膜袋的內(nèi)部區(qū)域中，活性層可互相 面對。襯層和活性層的其它布置也是可能的。隔室的自然密封的邊緣經(jīng)由折疊操作形 成。與自然密封的邊緣相對且平行的邊緣可通過任何眾所周知的技術(shù)來密封，包括使用 膠水、環(huán)氧樹脂、粘合劑或摩擦來密封。折疊膜的兩端也可被基本上密封，如下所述， 同時(shí)提供流體隔離的入口和出口。在其它實(shí)施例中，可附連兩個(gè)或多個(gè)膜片而非折疊單 個(gè)片狀物以形成膜隔室。
按照一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，可將端蓋置于折疊膜片的兩端邊緣(通常在螺旋卷繞 的殼體的任一端的邊緣)中的每一個(gè)上，以實(shí)現(xiàn)經(jīng)由模塊的進(jìn)給和汲取溶液的獨(dú)立流 動。端蓋的長度方向側(cè)可被大致密封。在卷起時(shí)處于螺旋束的中心的長度方向側(cè)可選地 固定在桿或其它內(nèi)部結(jié)構(gòu)支撐件上以便卷繞片狀物。任何公知技術(shù)可被用來將端蓋密封 地附連在折疊的正向滲透膜片的端部邊緣中的每一者上。膜袋的內(nèi)部中可包括一個(gè)或多 個(gè)湍流間隔件。
得到的改進(jìn)的折疊正向滲透膜片——包括端蓋——可卷繞成螺旋體。此時(shí)，卷 繞的膜可具有來自端蓋的扁平管，其從卷繞的膜束的任一端部突出。然后可罐封/密封 這些端部。在一些實(shí)施例中，每一端可浸漬到環(huán)氧樹脂或其它形式的密封劑中。在一個(gè) 非限制性的實(shí)施例中，管的大約一半長度可采用這種方式密封。然后可在罐封/密封后 切割環(huán)氧樹脂密封的端部以允許流體流入管的內(nèi)腔。在一些非限制性的實(shí)施例中，管的 大約四分之一長度可保持密封。
然后可將膜束的每一端安裝或密封在外殼體內(nèi)。在操作中，如鹽水或海水的進(jìn) 給溶液可被引入環(huán)氧樹脂塊體與主片狀卷繞體之間的空間中，在端口周圍流入殼體并沿 著膜的海水側(cè)流動。同樣，汲取溶液可被引入端口的開口端中，流入膜殼體內(nèi)并沿著膜 的汲取溶液側(cè)流動。此構(gòu)型可使得在滲透膜兩側(cè)上的流體動力學(xué)類似。
系統(tǒng)——如脫鹽系統(tǒng)或其它處理系統(tǒng)——可包括多個(gè)螺旋卷繞的正向滲透膜模 塊。多個(gè)螺旋卷繞的正向滲透膜模塊可成列地布置。系統(tǒng)可包括多個(gè)入口和出口。第一 溶液和第二溶液的源——如進(jìn)給溶液的源和汲取溶液的源——可與膜模塊流體連接。在 一些實(shí)施例中，如蒸餾系統(tǒng)的分離系統(tǒng)可與膜模塊的出口流體連接。分離系統(tǒng)可處理正 向滲透過程所產(chǎn)生的稀汲取溶液，以產(chǎn)生飲用水或其它產(chǎn)品流并回收汲取溶液。然后可 使汲取溶液再循環(huán)回到正向滲透膜模塊的入口、同時(shí)可將產(chǎn)物水傳送到使用位置。蒸餾 塔——如McGinnis等人的WIPO公報(bào)No.WO 2007/146094中所述的蒸餾塔，在此基于各 種目的通過參引的方式將其全文結(jié)合入本文中——可按照各種實(shí)施例實(shí)施。
按照一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的設(shè)備、系統(tǒng)和方法一般可包括控制器，該控制器用于 調(diào)節(jié)或調(diào)整設(shè)備或系統(tǒng)構(gòu)件——例如但不局限于致動閥和泵——的至少一個(gè)操作參數(shù)， 并調(diào)節(jié)通過螺旋卷繞的正向滲透膜模塊的一股或更多股流體流的性能或特性?？刂破骺?與至少一個(gè)傳感器電子通信，所述傳感器構(gòu)造成檢測系統(tǒng)的至少一個(gè)操作參數(shù)如濃度、15流速、pH水平或溫度。該控制器一般可構(gòu)造成產(chǎn)生控制信號以響應(yīng)傳感器所產(chǎn)生的信號 而調(diào)節(jié)一個(gè)或多個(gè)操作參數(shù)。例如，該控制器可構(gòu)造成接收正向滲透分離設(shè)備的任何液 流、構(gòu)件或子系統(tǒng)的條件、特性能或狀態(tài)的表示。該控制器通常包括一有利于產(chǎn)生至少 一個(gè)輸出信號的算法，該至少一個(gè)輸出信號通常基于所述表示以及如設(shè)定點(diǎn)的希望值或 目標(biāo)中的一個(gè)或多個(gè)。按照一個(gè)或多個(gè)特定方面，該控制器可構(gòu)造成接收所有流的所有 測量性能的表示，并對所有系統(tǒng)構(gòu)件產(chǎn)生控制、驅(qū)動或輸出信號，以減少測量性能與目 標(biāo)值的任何偏離。
至此已描述本發(fā)明的一些說明性的實(shí)施例，對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說應(yīng)當(dāng)顯而 易見的是，前述內(nèi)容只是說明性的而非限制性的，已僅通過舉例示出。許多改型和其它 實(shí)施例在本領(lǐng)域的技術(shù)人員的知識范圍內(nèi)且預(yù)期落入本發(fā)明的范圍內(nèi)。特別地，雖然文 中提出的眾多實(shí)例包括方法方案或系統(tǒng)元件的特定組合，但應(yīng)該理解這些方案和元件 可采用其它方式組合以實(shí)現(xiàn)相同目的。
應(yīng)該理解文中所述的設(shè)備、系統(tǒng)和方法的實(shí)施例不限于應(yīng)用于在以下說明中 所述或附圖中示出的構(gòu)件的結(jié)構(gòu)和布置的細(xì)節(jié)。這些設(shè)備、系統(tǒng)和方法能夠在其它實(shí)施 例中實(shí)現(xiàn)并能采用各種方式實(shí)施或執(zhí)行。特定方案的實(shí)例在文中是基于說明的目的而提 供的，且并非旨在加以限制。特別地，結(jié)合任何一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例說明的方案、元件和 特征并非旨在將任何其它實(shí)施例中的相似功能排除在外。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解文中所述的參數(shù)和構(gòu)型是示例性的且實(shí)際參數(shù)和 /或構(gòu)型將取決于其中使用了本發(fā)明的系統(tǒng)和技術(shù)的特定應(yīng)用。本領(lǐng)域的技術(shù)人員在使用 常規(guī)實(shí)驗(yàn)的情況下還應(yīng)當(dāng)認(rèn)識或能夠明確本發(fā)明的特定實(shí)施例的等效物。因此，應(yīng)該理 解文中所述的實(shí)施例只是通過舉例提出的，并且可在所附權(quán)利要求及其等效物的范圍 內(nèi)可采用不同具體所述的方式來實(shí)施本發(fā)明。
此外，還應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明涉及文中所述的每個(gè)特征、系統(tǒng)、子系統(tǒng)或技術(shù)以 及文中所述兩個(gè)或多個(gè)特征、系統(tǒng)、子系統(tǒng)或技術(shù)的任何組合，并且如果此類特征、系 統(tǒng)、子系統(tǒng)和技術(shù)并非相互不一致，則兩個(gè)或多個(gè)特征、系統(tǒng)、子系統(tǒng)和/或方法的任 何組合視為在如權(quán)利要求中體現(xiàn)的本發(fā)明的范圍內(nèi)。此外，僅結(jié)合一個(gè)實(shí)施例說明的方 案、元件和特征并非旨在將其它實(shí)施例中的相似功能排除在外。
文中所述的措辭和術(shù)語是基于說明的目的且不應(yīng)當(dāng)視為限制性的。如文中所 用，用語“多個(gè)”是指兩個(gè)或多個(gè)物品或構(gòu)件。用語“包含”、“包括”、“帶有”、“具有”、“含有”和“包括”，不論是在書面說明書還是權(quán)利要求等之中，都是開放 式用語，即意味著“包括但不限于”。因而，使用此類用語意味著包含此后所列物品及 其等效物，以及附加物品。僅過渡語“由...組成”和“主要由...組成”相對于權(quán)利要 求分別是閉合或半閉合的過渡語。權(quán)利要求中使用的順序用語如“第一”、“第二”和 “第三”等來修飾權(quán)利要求要素本身并不意味著一個(gè)權(quán)利要求要素相對于另一個(gè)的任何 優(yōu)先、居先或次序或其中執(zhí)行方法的方案的時(shí)間順序，而是僅用作標(biāo)簽來將具有特定名 稱的一個(gè)權(quán)利要求要素與具有相同名稱的另一個(gè)要素相區(qū)分(而不是用作順序用語)以區(qū) 分權(quán)利要求要素。
權(quán)利要求
1.一種螺旋卷繞的正向滲透膜模塊，包括螺旋卷繞的正向滲透膜，其限定出具有內(nèi)部區(qū)域和外部區(qū)域的膜袋，所述螺旋卷繞 的正向滲透膜具有第一端和第二端；處于所述第一端的分配區(qū)域，所述分配區(qū)域包括與所述膜袋的所述內(nèi)部區(qū)域流體連 通的第一入口和與所述膜袋的所述外部區(qū)域流體連通的第二入口；以及處于所述第二端的收集區(qū)域，所述收集區(qū)域包括與所述膜袋的所述內(nèi)部區(qū)域流體連 通的第一出口和與所述膜袋的所述外部區(qū)域流體連通的第二出口。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的模塊，其中，所述第一入口與所述第二入口流體隔離。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的模塊，其中，所述第一出口與所述第二出口流體隔離。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的模塊，其中，所述分配區(qū)域包括端蓋。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的模塊，其中，所述端蓋構(gòu)造和布置成流體隔離所述第一入口和所 述第二入口。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的模塊，其中，所述端蓋包括至少一個(gè)管，所述管具有與所述膜袋 的所述內(nèi)部區(qū)域流體連接的內(nèi)腔和與所述膜袋的所述外部區(qū)域流體連通的外部區(qū)域。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的模塊，其中，所述第一入口與所述至少一個(gè)管的所述內(nèi)腔流體連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求6的模塊，其中，所述第二入口與所述至少一個(gè)管的所述外部區(qū)域流 體連通。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的模塊，其中，所述螺旋卷繞的正向滲透膜的第一端 和第二端之一的至少一部分被罐封。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的模塊，其中，所述螺旋卷繞的正向滲透膜的第一端 和第二端之一的至少一部分被安裝在板中。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的模塊，還包括至少一個(gè)間隔件，其沿由所述膜袋的 所述內(nèi)部區(qū)域限定的、從所述第一入口至所述第一出口的流體流路設(shè)置。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的模塊，還包括至少一個(gè)間隔件，其沿由所述膜袋的 所述外部區(qū)域限定的、從所述第二入口至所述第二出口的流體流路設(shè)置。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的模塊，其中，所述至少一個(gè)間隔件的厚度沿所述膜 模塊的縱向軸線變化。
14.根據(jù)權(quán)利要求1的模塊，還包括與所述螺旋卷繞的正向滲透膜機(jī)械配合的中心支 撐件。
15.根據(jù)權(quán)利要求1的模塊，其中，所述螺旋卷繞的正向滲透膜是不對稱的。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的模塊，其中，所述膜袋的所述外部區(qū)域由所述螺旋卷繞的正向 滲透膜的分離機(jī)能層限定。
17.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的模塊，其中，所述模塊被集成在壓力延遲滲透系統(tǒng)中。
18.—種水處理系統(tǒng)，包括螺旋卷繞的正向滲透膜模塊，其包括螺旋卷繞的正向滲透膜，其構(gòu)造和布置成沿所述模塊的縱向軸線限定出隔離且大致 平行的第一流體流路和第二流體流路；與所述第一流體流路流體連接的第一入口和第一出口；以及與所述第二流體流路流體連接的第二入口和第二出口。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的系統(tǒng)，還包括與所述第一入口流體連接的第一溶液源，以及與 所述第二入口流體連接的第二溶液源。
20.根據(jù)權(quán)利要求18的系統(tǒng)，其中，所述第一入口和所述第二入口設(shè)置在所述螺旋卷 繞的正向滲透膜的第一端。
21.根據(jù)權(quán)利要求19的系統(tǒng)，其中，所述第一溶液源為鹽溶液源。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的系統(tǒng)，其中，所述鹽溶液包括海水。
23.根據(jù)權(quán)利要求19的系統(tǒng)，其中，所述第二溶液源為汲取溶液源。
24.根據(jù)權(quán)利要求23的系統(tǒng)，其中，所述汲取溶液包括摩爾每升比大于約1 1的氨 和二氧化碳。
25.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的系統(tǒng)，還包括第二正向滲透的螺旋卷繞的膜模塊。
26.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的系統(tǒng)，還包括控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)構(gòu)造成控制 所述第一溶液在所述第一入口處的流速和所述第二溶液在所述第二入口處的流速中的至 少一個(gè)。
27.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的系統(tǒng)，還包括與所述第一出口和所述第二出口之一 流體連接的分離系統(tǒng)。
28.根據(jù)權(quán)利要求27的系統(tǒng)，其中，所述分離系統(tǒng)的出口與所述第一入口和所述第二 入口之一流體連接。
29.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其中，所述系統(tǒng)為壓力延遲滲透系統(tǒng)，所述 壓力延遲滲透系統(tǒng)進(jìn)一步包括流體連接在所述第一出口和所述第二出口之一的下游的渦 輪機(jī)。
30.一種促進(jìn)脫鹽過程的方法，包括提供一螺旋卷繞的正向滲透膜模塊，其包括螺旋卷繞的正向滲透膜，其限定出具有內(nèi)部區(qū)域和外部區(qū)域的膜袋，所述螺旋卷繞 的正向滲透膜具有第一端和第二端；處于所述第一端的分配區(qū)域，所述分配區(qū)域包括與所述膜袋的所述內(nèi)部區(qū)域流體連 通的第一入口和與所述膜袋的所述外部區(qū)域流體連通的第二入口；以及處于所述第二端的收集區(qū)域，所述收集區(qū)域包括與所述膜袋的所述內(nèi)部區(qū)域流體連 通的第一出口和與所述膜袋的所述外部區(qū)域流體連通的第二出口 ；使汲取溶液源與所述第一入口流體連接；以及使鹽水溶液源與所述第二入口流體連接。
31.根據(jù)權(quán)利要求30的方法，其中，使汲取溶液源與第一入口流體連接的步驟包括流 體連接含有摩爾每升比大于約11的氨和二氧化碳的汲取溶液源。
32.根據(jù)權(quán)利要求30的方法，還包括使所述第一出口與蒸餾塔流體連接。
33.根據(jù)權(quán)利要求32的方法，還包括使所述蒸餾塔的出口與所述第一入口流體連接。
34.根據(jù)權(quán)利要求30的方法，其中，所提供的模塊的所述螺旋卷繞的正向滲透膜構(gòu) 造和布置成沿所述模塊的縱向軸線限定出隔離且大致平行的第一流體流路和第二流體流
35.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法，其中，所述方法為壓力延遲滲透過程，所述 壓力延遲滲透過程還包括使所述膜模塊的收集區(qū)域與渦輪機(jī)流體連接。
全文摘要
公開一種用于正向滲透用途的螺旋卷繞的膜模塊。該膜模塊一般可包括處于螺旋卷繞構(gòu)型的正向滲透膜。該模塊可包括兩個(gè)入口和兩個(gè)出口，并可限定出第一流體流路和第二流體流路。通向各流體流路的入口可大致隔離以防止混合。在一些實(shí)施例中，膜模塊可包括分配區(qū)域和收集區(qū)域。
文檔編號B01D63/10GK102026713SQ200980117748
公開日2011年4月20日 申請日期2009年3月20日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月20日
發(fā)明者R·L·麥金尼斯 申請人:耶魯大學(xué)