用于脫鹽的方法及設備的制造方法
【專利說明】用于脫鹽的方法及設備
[0001] 本申請是申請日為2007年8月27日，申請號為200780034561. 1，發明名稱為"用 于脫鹽的方法及設備"的申請的分案申請。 發明領域
[0002] 本發明涉及用于水凈化的方法和設備，尤其是利用過濾和電去電離作用 (electrodeionization)使水脫鹽。
[0003] 發明背景
[0004] 世界范圍內對飲用淡水、工業淡水及農業淡水的不斷增長的需求導致對以海水、 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)而實現的高鹽度水的凈化已可通過包括蒸餾或反滲透（R0)等 在內的多種方法來實現。此類方法從經預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] 如果能夠開發出對環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。雖然設備成本可能很高，但對高鹽度的水脫鹽的最大的持續費用是能耗。在能效上小 的改進都會由于脫鹽系統通常處理大量的水而導致顯著的費用節省。
[0006] 例如，由R0工藝從海水中生產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致的低效率。因為R0滲透液和R0廢水（供應至系統 中的總水量的70%將會損失而成為廢水）都須進行加壓，R0的能耗遠遠高于脫鹽所需要的 最小的熱動力學理論能耗。通常需要昂貴的機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)的總溶解固體物〇1)54(^ &1 dissolved solids)，并且半咸水源可包含從2, OOOppm至多達20, OOOppm的TDS。
[0007] 這些溶解固體包括多種單價、二價、多化合價和/或多價鹽或物質 (polyvalent, and/or multivalent salts or species)，其中氯化鈉形成了總固體含量的 75%。
[0008] 雖然傳統上已經使用諸如蒸餾法等蒸發方法來生產飲用水，但是這些方法通常需 要比采用反滲透技術的系統甚至更多的能量。此外這些系統通常利用復雜的熱回收工藝， 以提高能效。由于基于R0或蒸餾技術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 增加復雜的裝置以節省能源的需求進一步提高了設備的初始成本，并大大降低了設備的可 靠性。
[0009] 反滲透技術可有效地從海水中去除離子化合物。但是，R0系統一個嚴重的缺點是， R0膜有選擇地拒絕非單價或多價鹽的程度超過單價鹽。因此，在諸如農業等的應用的凈化 中，大多數二價離子，如鈣和鎂，實際上有利于灌溉，但它們也被有選擇地拒絕了，從而導致 高于需要的運行壓力，并增加了膜的污染（fouling)和結垢（scaling)的潛在風險，并且/ 或者喪失了利于作物生長的寶貴的礦物質。
[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飲用品質的滲透液所使用高壓僅僅用于克服熱力 學自由能勢。實際上，為了通過減少需要被有效地作預備以進行處理的海水用量來降低預 處理成本，海水通常在較高的水回收率下進行處理，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，出于高壓操作的實際考慮，RO系統中所利 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 及防止由于二價選擇性及硅拒絕所引起的結垢現象等實際因素，這些條件常常受到30%~ 40%左右的水回收率（產品水量與總水量的比率）的限制。當考慮到，將水的回收率從大約 67%改變至大約33%時，對于給定的純凈水需求，將導致預處理設備的成本加倍，且總耗水 量加倍，則這個限制會導致用于R0系統的所使用的水和預處理的費用大量增加。能源再利 用技術和R0膜的最新進展已經將使用R0系統生產飲用水的能耗降低至約7至14千瓦時 每1000加侖（14kwh/kgal)產品水。
[0011] 使用方法組合的備選技術也使將海水轉化成淡水的能耗得以降低。例如，已經顯 示雙程（two-pass)納米過濾系統能夠在約750psi的總工作壓力下生產飲用水，第一級 (stage)約500psi，第二級約250psi。因為能量使用涉及運行壓力，所以同在大于800psi 的壓力下運行的典型的R0系統相比，約750psi的總的工作壓力使得能效更高的系統成為 可能。例如，參見美國專利US2003/0205526中Vuong所教授的方法，其通過引用而結合在 本文中。
[0012] 在另一用于從海水中生產淡水的方法中，納米過濾技術用于連同R0或閃蒸技術 而使用。例如，參見美國專利6508936中Hassan所教授的方法，其通過引用而結合在本文 中。 發明概要
[0013] 本申請的主題在某些情況下可能涉及相關的產品、對具體問題的備選方案、和/ 或單一系統或物品的多種不同使用。
[0014] 根據本發明的一個方面，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的總溶解固體物的供水（feed water)以生產出總溶解固體物方面有所降低的 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)，以生產包含小于約1，OOOppm的總溶解固體物的第二濾液。
[0015] 根據本發明的另一方面，提供了一種用于使海水脫鹽的設備。該設備包含納米過 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] 根據本發明的又一方面，提供了一種處理海水或其他高鹽度水源以減少總溶解固 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 理設備，同時施加數量少于約7kwh/kgal濾液（7kwh/kgal of filtrate)的能量至該設備， 并從設備中移出（removing)濾液，其中，該濾液包含小于約1，OOOppm的總溶解固體物。
[0017] 根據一個或多個實施例，本發明致力于一種處理海水的方法。該方法包含這樣的 措施，即，在第一級中從海水中減少一種或多種非單價物質的濃度，并在第二級中從海水中 減少一種或多種單價物質的濃度，以生產具有小于約lOOOppm的IDS的水。第一級和第二 級是在低于約7kwh/kgal產品水的凈能耗率（net energy consumption rate)下完成的。
[0018] 根據一個或多個實施例，本發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，從水中減少單價溶解性物質的濃度以生產副產品流，從水中減少二 價溶解性物質的濃度，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] 根據本發明的一個方面，提供了一種凈化水的方法，其包括：
[0020] 將含有大于約lOOOppm總溶解固體物的供水提供至納米過濾裝置以生產總溶解 固體物有所減少的第一濾液；并
[0021] 將所述第一濾液供應至電去電離作用裝置以生產包含少于約1，OOOppm總溶解固 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 離子的多于約90%可由所述納