專利名稱：用于提高普通反滲透系統的性能的閉環淡化改進的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于提高普通反滲透(RO)系統的性能的閉環淡化改進(CCDR)設備。
背景技術：
閉環淡化(CCD)是非常規RO技術，其首次于八十年代晚期由等人在美國專利第4，983，301號和Bartt在美國專利第4，814，086號中報告，其借助兩個側箱連續發生。 最近，在PCT公開WO 2005/01683000A2中報告了帶有單個容器的連續C⑶技術，且更近一些，在PCT公開WO 2006/001007A2中報告了無需容器的連續CXD方法。故意以低回收率和相當大的水和能量浪費進行一些普通咸水反滲透(BWRO)應用，諸如生產用于醫療透析的低鹽滲透物。本發明描述了一種獨特的閉環淡化改進(CCDR) 設備，其被設計為容易與普通BWRO系統結合來提高其性能。
發明內容
本發明描述了一種新型CXDR單元，其由從普通BWRO系統接收的加壓廢鹽水(此后稱為“加壓進料”)供給，其中普通BWRO系統執行連續的兩步連貫順序淡化處理；其中第一步經歷大部分時間，涉及通過一個膜模塊或一個以上膜模塊(各自帶有并行連接的進口和出口)與新鮮加壓進料混合的循環濃縮物的閉環淡化(CCD)；第二步涉及塞流淡化(PFD) 處理，據此在期望的回收率水平下由新鮮的加壓進料更換閉環中的鹽水；且由整合的CCDR 單元產生的滲透物或者循環至普通BWRO系統的入口或添加至其滲透產物中。如果CCDR單元入口處的進料壓力不足，則在所述單元入口處的加壓泵能夠使用于實現期望的淡化回收率水平的適當的壓力達到。通過借助于用于使加壓廢鹽水從普通BWRO單元的出口至本發明的CXDR單元的入口的傳導管線以及用于使滲透物從后者至前者的入口進料管線的傳導管線、或可選地用于將后者所產生的滲透物與前者結合一起的傳導管線實現了普通BWRO單元與本發明的CCDR 單元的整合。本發明的整合的BWR0-CXDR系統能夠增強進料源回收伴生物，以及提高滲透物質量并降低能量要求。
圖1是示出了在系統中BWRO單元和CXDR單元整合以提高滲透物質量的示意流動圖。圖2是示出了在系統中BWRO單元和CCDR單元整合以提高淡化回收率的示意流動圖。圖3是在閉環淡化操作模式期間CXDR單元的示意圖。圖4是在閉環淡化操作模式期間帶有滲透物加壓泵的CCDR單元的示意圖。圖5是在閉環淡化操作模式期間帶有進料加壓泵的CCDR單元的示意圖。
圖6是在閉環淡化操作模式期間帶有滲透物加壓泵和進料加壓泵的CCDR單元的示意圖。
具體實施例方式圖1和圖2中描述的本發明的系統提出了在整合系統中向普通咸水反滲透(BWRO) 單元增加閉環淡化改進(CCDR)單元，從而提高回收率并提高滲透物的質量。通過傳導管線將圖1中描述的系統中的CCDR單元和BWRO單元連接在一起，使得后者的加壓鹽水成為對前者的進料，且前者的滲透物成為對后者的部分進料。圖2中描述的本發明的系統與圖 1中的系統的不同之處在于一些滲透物傳導管線，原因是在前者系統(圖2)中，CCDR單元和BWRO單元的滲透物結合在一起；然而，在后者系統(圖1)中，CXDR單元的滲透物成為對 BWRO單元的部分進料。圖1和圖2中所示的兩個本發明的系統均允許獲得高的淡化回收率，其中前者系統(圖1)特別用于生成高質量滲透物，且后者系統(圖2)用于作為用于現有淡化回收率差的BWRO系統的多級回收加壓器。圖1和圖2中描述的整合的BWR0-CXDR系統包括現有技術的任何普通BWRO單元， 其通過所示的傳導管線與本發明的CCDR單元耦接。本發明的權利要求具體涉及新的CCDR 單元及其與普通BWRO單元整合成與后者的系統相比大大提高了性能的系統。因此，本發明的核心涉及這樣的系統，其中CXDR單元接收來自普通BWRO單元的加壓進料，其中由CXDR 單元產生的滲透物或者根據圖1中描述的系統作為對BWRO單元的部分進料被再循環，或可選地根據圖2中描述的系統與BWRO單元產生的滲透物結合。圖1和圖2中描述的系統中的CCDR單元根據閉環淡化(CCD)原理進行大部分時間，其中加壓進料和滲透物的流速相同 (100%回收率)；且根據塞流淡化(PFD)原理進行部分時間以能夠使廢鹽水從CCDR單元的閉環排出，且其由新鮮加壓進料更換，同時以降低的淡化回收率繼續淡化。由于來自BWRO 單元的加壓鹽水流成為CXDR單元的主要能源，所以與孤立的BWRO單元的性能相比，圖1 和圖2中描述的整合系統能夠實現更高的進料源回收率，提高滲透物質量并極大地節省能量。圖3中所示的實施方式中的CXDR單元包括帶有一個膜元件(E)和一個元件隔網 (spacer) (S)的單一模塊(M)；循環泵(CP)，其用于通過閉環導管(CC)使加壓濃縮物從模塊出口(MO)循環至模塊入口(MI)；加壓進料(PF)導管，其用于使新鮮加壓進料經由位于模塊入口(MI)上游的進料入口(PFI)進入閉環；止回閥裝置(NR1、NR2和NR3)，其用于在單元的各個部件中保持期望的流動方向；啟動雙向閥裝置(AV)，其能夠使新鮮進料臨時更換所述閉環中的廢鹽水；手動閥裝置(MV)，其能夠在打開AV釋放鹽水時在CXDR單元的所述閉環中獲得期望的壓力降；監測裝置，例如再循環的濃縮物的流量計(FM)和導電儀(CM)； 以及控制裝置，其能夠使所述CXDR單元以期望的淡化回收水平有效并高效地自動啟動。在優選實施方式中(圖3)，CP的主要功能是抵消模塊入口和出口之間的壓力降，以及能夠控制膜交叉流，從而使濃差極化的不利影響最小化。圖1和圖2中描述的整合系統的CCDR單元為圖3中所示的優選實施方式在以下情況下的應用從BWRO單元接收的加壓鹽水的進料流具有能夠達到期望的回收水平的足夠的壓力。圖3中的優選實施方式假設在近大氣壓下生成并輸送滲透物，而無需加壓裝置。圖1中描述的整合系統的CCDR單元為圖4中所示的優選實施方式在以下情況下的應用供應至所述系統的BWRO單元的進料處于中度壓力(例如，2-5巴)下。在所述CCDR 單元的滲透物出口管道(PO)上安裝加壓泵(BPI)(圖4)的目的在于將滲透物壓力升高至圖1所示的系統的BWRO單元的期望入口壓力。圖1和圖2中描述的整合系統的CCDR單元為圖5中所示的優選實施方式在以下情況下的應用從BWRO單元接收的加壓鹽水的進料流的壓力不足以能夠達到期望的回收水平；因此，需要加壓裝置(BP2)。圖5中的優選實施方式假設在近大氣壓力下生成并輸送滲透物，而無需滲透物加壓裝置。圖1中描述的整合系統的CCDR單元為圖6中所示的優選實施方式在以下情況下的應用需要通過加壓裝置(分別為BP2和BPl)來升高至所述單元的進料壓力以及升高來自所述單元的滲透物壓力。圖1-圖2中所示的整合系統的操作方法按照如下來進行通過閥門裝置V將來自普通SWRO單元的加壓鹽水流完全轉移至CCDR的入口，從而啟用后者單元中的所有功能的操作。相反，通過閥門裝置V停止加壓鹽水流入CCDR單元自動終止了該單元的操作。圖 1-圖2中所示的整合系統的CCDR單元(圖3-圖6)歷時大部分時間，100%回收率的閉環淡化操作模式具有進料流和滲透物流(Qmm)相同Oiw4= Qitsft),且該模式通過簡短的塞流淡化步驟Oiw4=進行，據此閉環中的鹽水在降低的淡化回收率下被新鮮加壓進料更換，當再循環的濃縮物的導電率達到固定的預定高值(這證明達到了期望回收率)時，通過臨時打開閥門AV來使鹽水從CCDR單元的閉環中排出，且將在固定的預定低導電率值(其證明排出的鹽水完全被新鮮加壓進料更換)下進行該閥門的關閉。因此， 根據檢測的再循環的濃縮物導電率(CM)和其高預定設定值和低預定設定值來完全控制閥門AV的啟動。圖1-圖2中所示的整合系統中的圖3-圖6中的優選實施方式的本發明CXDR單元是非自動的，原因是其完全依賴于從系統的BWRO單元供應的加壓進料。因此，新的發明方法暗示普通BWRO單元作為對CXDR單元的加壓進料源，其中CXDR單元執行兩步連貫順序處理，即經過大部分時間的100%回收率的閉環淡化操作模式以及短暫間隔的降低回收率塞流淡化，其中降低回收率塞流淡化臨時進行以使鹽水從閉環中排出并被新鮮的加壓進料 (其為BWRO單元的廢鹽水)更換。簡言之，本發明的方法可被視為單級BWRO單元與多級淡化能力的CCDR單元之間的整合，以達到具有能源效率的高回收率。本發明的CCDR單元和整合的系統給出了一種升級現有低效BWRO系統的有效方法。應理解，圖1-圖6中所示的本發明單元、設備和方法的優選實施方式的設計為示意性的且簡化的，并不應被視為限制本發明。在實踐中，根據本發明的淡化單元和設備必要時根據具體要求可包括多個附加管線、分支、閥門和其它裝置和設備，但仍然落入在本發明和權利要求的范圍內。圖3-圖6中描述的優選實施方式示出帶有單個膜元件和隔網的單個模塊單元設備，這是出于表達的簡化、清晰、一致和方便的目的。應理解，根據本發明的總體設計既不限制也不局限于每個模塊僅具有一個膜元件的單個模塊設備和/或設備。具體地，應理解，本發明的設備和方法的CXDR單元可包括一個以上模塊，其中模塊帶有并行連接至閉環傳導管線的進口和出口，且每個模塊包括一個或一個以上帶有或不帶隔網的膜元件。由循環系統完成通過圖3-圖6中所示的本發明的單元的閉環進行的濃縮物再循環。應理解，根據本發明的循環系統可包括單個循環泵，或可替換地若干個循環泵，其可通過并聯和/或串聯同時應用。對于本領域中那些熟練的技術人員顯而易見的是，本發明的淡化方法可由不同設計的模塊化單元和/或非模塊化淡化設備操作，如上述已經關于本發明的設備和/或單元所解釋的，只要此類設備和/或單元包括帶有一個模塊或一個以上模塊的傳導管線的閉環，所述模塊具有與閉環并行連接的入口和出口，其中每個模塊包含一個膜元件或一個以上膜元件；循環系統；帶有或不帶有加壓泵的加壓供料傳導管線；滲透物收集管線；位于閉環傳導管線中用于排出鹽水的閥門裝置；鹽水去除線；壓力、流動和導電率的監測設備；和整個系統據此連續運行的控制設備。盡管上述關于具體的實施方式已經描述了本發明，但是顯而易見的是，在不背離本發明的更廣范圍的情況下，本領域的那些熟練技術人員可做改變和修改，因此，所附權利要求意指將落入本發明真正精神范圍內的所有這種改變和修改涵蓋在其范圍內。對于反滲透領域的技術人員顯而易見的是，本發明的系統、單元和方法通常可用于提高任何普通BWRO系統的供料源回收率和滲透物質量，并特別用于升級現有BWRO系統， 其包括用于醫療透析和/或其他各種反滲透應用的這種系統，以獲得更好質量的滲透物， 同時較低能量要求。實施例通過根據圖1中描述的設計的系統例示了本發明的設備和方法的優選實施方式， 所述系統包括用于醫療透析(MD)的該類的普通BWRO系統，其具有用于咸水(如試驗條件下的15巴凈驅動壓力(NDP))的規則膜元件，該規則膜元件對在近大氣壓力下以2. 5m3/h的流速供應的400ppm鹽濃度的供料源以50%淡化回收率來操作。例示系統中的整合閉環淡化改進(CCDR)單元是圖3中描述的設計，其包括帶有用于咸水(如ESPA2+)的單個低能量膜元件和位于單個元件的長度方向上的隔網的模塊(8")；循環流速為7. ImVh的循環泵 (CP)；循環的濃縮物的流量計(FM)監測器；由SS316制成的壓力線(1.5")；由從導電率監測器(CM)接收的信號操作的電啟動閥(AV)；和止回閥(NR1、NR2和NR3)，其用于在圖3 中描述的CCDR單元中將流動控制在期望的方向上。例示的CCDR單元(圖3)接收來自系統(圖1)中的BWRO單元的800ppm鹽濃度的固定壓力供料( 14巴)的穩定流(1.25m3/h)，并進行連續的兩步連貫順序的淡化處理，其中具有100%回收率和14ppm的平均滲透鹽濃度的延長閉環淡化間隔(每次約23分鐘)；以及約20%回收率和5ppm的平均滲透鹽濃度的短暫的塞流淡化間隔(每次約3分鐘)，在塞流淡化期間排出鹽水并用新鮮供料再補給閉環。該兩步連貫順序處理證明了系統中的CCDR單元的總回收率為89%，且用于排放鹽水對單元中的閥門裝置AV的啟動(圖 3)，以用于表示7，272ppm的再循環濃縮物鹽濃度的導電率開始鹽水的排放，并以用于表示約1，OOOppm的再循環濃縮物鹽濃度的導電率結束。在沈分鐘的兩步連貫順序的處理期間，通過圖3中描述的設計的CXDR單元，圖1 中描述的系統中的BWRO單元的供料量要求為1，083. 3升，其中平均鹽濃度為約14ppm的 479. 2升來自系統的CXDR單元，而鹽濃度為400ppm的604. 1升的供料來自外部源。簡言之， 提供而作為圖1中的BWRO單元的供料的混合物的平均鹽濃度為229. 3ppm而不是400PPM ； 因此，由示例系統供應的用于醫療透析的滲透物的鹽濃度為約2. 8ppm,而不是普通BWRO系統的 5. Oppm0 在沈分鐘的兩步連貫順序的步驟期間，由圖3中描述的設計的CCDR單元排放的鹽水量為約50升，或閉環中的濃縮物量為約50升，且這暗示了外部源的總回收率為 91. 7%。
權利要求
1.一種用于對從普通咸水反滲透(BWRO)單元接收的加壓鹽水進行進一步淡化的閉環淡化改進單元，包括閉環，包括一個淡化模塊，或一個以上淡化模塊，每個所述淡化模塊各自具有通過傳導管線并行連接的進口和出口，每個所述淡化模塊包括一個或多個膜元件；以及帶有循環裝置的閉環傳導管線，所述循環裝置用于使濃縮物從所述一個或一個以上淡化模塊的出口循環至其入口；用于將來自所述普通BWRO單元的所述加壓鹽水供應至所述改進單元的所述閉環的傳導管線；用于使滲透物從所述改進單元至所述普通BWRO單元的入口的傳導管線，以使所述滲透物與所述普通BWRO單元的外部進料源混合；閥門裝置，位于所述改進單元的所述閉環傳導管線中，用于實現從所述淡化模塊的出口至其進口的流動，并在不停止淡化的情況下，從所述改進單元內的所述淡化模塊的出口將鹽水臨時排放；位于所述閥門裝置的出口的傳導管線，用于將來自所述改進單元的所述閉環的鹽水臨時排放；傳感器，用于測量所述改進單元的所述閉環中的循環濃縮物的導電率，以跟蹤所述閉環中的淡化回收率；以及監測和控制系統，用于使期望回收率的連續閉環淡化處理能夠在所述改進單元內經兩步連貫順序處理進行，其中閉環淡化經過大部分時間，以及以期望的淡化回收水平進行臨時鹽水排放和新鮮進料補給。
2.一種包括根據權利要求1所述的改進單元的整合系統，其中加壓泵位于所述傳導管線中，用于將加壓鹽水從所述普通BWRO單元供應至所述改進單元的所述閉環，以在所述供應的壓力不足以使所述改進單元達到期望的淡化回收率的情況下，能夠增加所述供應的壓力。
3.一種包括根據權利要求1所述的改進單元的整合系統，其中加壓泵位于從所述改進單元至所述普通BWRO單元的入口的滲透物的所述傳導管線中，用于在壓力下進行供應時， 使所述滲透物與所述普通BWRO單元的外部進料源混合。
4.一種方法，利用所述方法根據權利要求1所述的改進單元經由傳導管線連接至普通 BffRO單元，使得所述BWRO單元的全部加壓廢鹽水變為所述改進單元的進料，而所述改進單元的滲透物構成至所述BWRO單元的部分進料。
5.一種包括根據權利要求1所述的改進單元的整合系統，其中來自所述改進單元的滲透物的所述傳導管線與由所述普通BWRO單元產生的滲透物結合，而不是成為其部分進料。
6.一種方法，利用所述方法根據權利要求5所述的改進單元經由傳導管線連接至普通 BffRO單元，使得所述BWRO單元的全部加壓廢鹽水變為所述改進單元的進料，而所述改進單元的滲透物和所述普通BWRO的滲透物單元結合。
7.一種包括根據權利要求1所述的改進單元的整合系統，其中所述普通BWRO單元為任何一般類型或特定類型，諸如用于醫療透析、高質量滲透物以及用于家用、工業和農業應用的水供應的升級的BWRO單元。
全文摘要
改進技術利用常規RO的加壓鹽水對閉環淡化(CCD)設備進行供給；其中，此外，進行進一步淡化以達到期望的回收水平。圖4中例示的應用是改進單元，其包括加壓泵(BP2)，其用于升高入口進料壓力；循環泵(CP)，其用于在壓力容器(M)中的膜(E)之上產生交叉流從而使RO高效淡化；啟動閥(AV)，其與部分開啟手動閥(MV)以在不停止淡化的情況下用新鮮進料對高鹽濃縮物進行定期更換；止回(NR)閥裝置，其用于控制系統內的流動方向；和監測設備，諸如電導率(CM)和流量(FM)的監測設備。用新鮮進料對高鹽濃縮物進行的定期更換以期望的系統高電導率開始，并以期望的系統低電導率結束，同時繼續進行淡化。
文檔編號C02F1/44GK102548907SQ201080030139
公開日2012年7月4日 申請日期2010年7月5日 優先權日2009年7月5日
發明者阿維·埃弗拉蒂 申請人:海水淡化科技有限公司