一种可转换正渗透系统及其方法技术方案

本申请提供了一种可转换的正渗透系统及其方法。特别地，本申请提供了一种处理含水进料流的方法，包括：使用具有≥20wt％浓度的汲取溶质的含水汲取溶液进行正渗透，该汲取溶质包括离子化三甲胺和抗衡离子；其中，进料流：(i)包括≥5wt％的总溶解固体；(ii)处于≤20℃的温度；(iii)处于≥30℃‑≤60℃之间的温度；(iv)具有酸性pH或碱性pH；(v)包括有机内容物；(vi)包括悬浮固体；(vii)或(i)‑(v)中的两个以上的任何组合。本文还提供了用于执行该方法的相关系统和汲取溶液，以及其用于处理通常难以脱水的进料流的多种用途。

A convertible positive osmosis system and its method

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】一种可转换正渗透系统及其方法
本申请涉及水处理系统领域。更具体地，本申请涉及可转换的正渗透系统，以及相关的组合物和方法。
技术介绍
整治或处理工业过程所产生的废水是许多工业面临的挑战。例如，石油和天然气工业中的钻井和水力压裂会产生采出水，其可能难以处理并面临着日益严格的处理限制。采出水是来自地下地层的水，其在石油或天然气生产过程中被带到地表。例如，根据地区的不同，在页岩气的生产中，每生产一百万立方英尺的天然气可以产生大约25-1000加仑的采出水(gal/MMcf)[Shaffer，D.L.等，Environ.Sci.Technol.2013，47，9569-9583]。这种采出水具有的总溶解固体(TDS)浓度通常比普通饮用水或地表排水所允许的TDS浓度更高；例如，一些采出水的TDS范围为8000mg/L至360000mg/L，而某些水质标准仅允许500mg/L。此外，采出水可能包括在石油和天然气回收过程中使用的化学品，这可导致采出水具有低pH或高pH、高有机物含量或相对高的悬浮固体浓度[R.L.McGinnis等，Desalination，2013，312，67-74；Shaffer，D.L.等，Environ.Sci.Technol.2013，47，9569-9583]。通常使用的废水处理方法涉及深井注入，其包括将废水运输并注入先前钻出的井中。这种处理方法可能很昂贵：例如，来自加拿大西部MontneyShale的采出水处理成本约为$50/m3[Paktinat,J.等，CanadianSocietyforUnconventionalGas/SocietyofPetroleumEngineers，149272，2011]。深井处理也有一定的危险：例如，这种处理方式可以对现有的断层线施加压力，诱发“人造”地震。据美国地质调查局(USGS)报道，相比于1970年到2000年之间每年平均观察到20次地震，从2010年到2013年，平均每年发生100次地震；这被发现与通过深井注入增加水力压裂和废物处理的增加相对应[http://time.com/84225/fracking-and-earthquake-link/，在2015年6月12日访问；http://www.cbc.ca/news/canada/calgary/earthquake-hazard-linked-with-deep-well-injection-in-alberta-1.2751963，在2015年6月12日访问；http://www.usgs.gov/blogs/features/usgs_top_story/man-made-earthquakes/，在2015年6月12日访问]。作为处理方法的替代方法，目前采用的用于整治废水的方法包括蒸馏(例如机械蒸汽压缩，“MVC”)、结晶、反渗透和正渗透。MVC是一种蒸发技术，其使用开环热泵来从高盐度采出水蒸发水。这种蒸发技术是本质上能耗高的；并且，当MVC装置可在60℃下运行时，其具体能耗可接近14kWh/m3馏分(例如，在600m3馏分/天且采出水馏分回收率为30％的条件下，能耗为13.6kWh/m3馏分)[Shaffer,D.L.等，Environ.Sci.Technol.2013，47，9569-9583]。相比之下，结晶是涉及完全水蒸发的蒸发废水整治工艺：它使得形成固体盐，从而提供零液体排放整治工艺。然而，结晶通常被认为是一种昂贵的整治方法，部分原因在于其机械能/热能需求高。反渗透(RO)是基于膜的分离工艺，其通过施加液压来克服系统固有的渗透压差，将来自高溶质浓度区域(进料溶液)的溶剂(例如废水)通过半渗透、不含盐的膜驱使到低溶质浓度区域。一般来说，所需的液压压力高(≥50atm)，因此，RO的能耗可能与MVC相当。膜污染以及进料溶液浓度的高压操作极限70000mg/LTDS都进一步损害了RO的性能[Shaffer,D.L.等，Environ.Sci.Technol.2013，47，9569-9583；Stone,M.L.等，Desalination，2013，312，124-129]。相比之下，作为可替代整治水的其他方法的另一种基于膜的分离工艺，正渗透(FO)成本更低，压力更低。FO通过水穿过半透膜的自发运动进行操作，这是由于在不含盐的半透膜的一侧的进料溶液(例如废水)与在膜的另一侧的含有高浓度汲取溶质的汲取液之间的渗透压的固有差异导致的。一旦膜两侧的渗透压相等，水的运动即停止。可以通过将稀释的汲取溶液中的汲取溶质与水分离来获得清洁的水。为了促进通过从稀释的汲取溶液中通过除去汲取溶质而从FO系统分离水，开发了可转换的和/或热解的汲取溶质。如PCT申请PCT/CA2011/050075中所述，Jessop等人开发了可转换水组合物和相关系统，其可在初始离子强度和增强离子强度之间转换；该组合物包括水和可转换的胺添加剂。胺添加剂，其包括至少一种碱性足够强以被质子化的氮，并在水和离子化触发剂(例如CO2)的存在下能可逆地转化为铵盐，从而增加水的离子强度和渗透压。将离子体系暴露于减压、热和/或冲洗气体(例如空气、氮气)将引起胺添加剂的去质子化，使水回到其初始离子强度。去质子化添加剂与其离子形态相比通常更容易从水分离。可转换水组合物的固有特性，包括其离子强度和渗透压可逆增加的能力以及可转换添加剂从水的可移除性，使得该组合物特别适合用作FO汲取溶液。如Neff在美国专利US3130156中所述，以及随后由McGinnis(参见，例如，美国专利US7560029)所述，还开发了包括基于热解氨的汲取溶液的FO系统。这些基于氨的FO系统包括通过在水的存在下将氨暴露于CO2以产生铵盐而产生的相对高渗透压的汲取溶液。从这样的FO系统分离水据称是可能的，即通过将稀释的汲取溶液的铵盐分解成它们的组成气体并将这些气体从水中分离出来。然而，如Jessop等人所述，与包括基于胺的汲取溶液的那些工艺相比，包括基于氨的汲取溶液的工艺更耗能：例如，NH4+盐的去质子化需要52.3kJ/mol的能量输入，而与之相当的NR3H+系统仅需要36.9kJ/mol[Mucci,A.；Domain,R.；Benoit，R.L.Can.J.Chem.1980，58，953-958]。最近，Ikeda等人、Elimelech等人和ForwardWaterTechnologies描述了包括基于三甲胺(TMA)的汲取溶液的FO系统[参见，例如，PCT申请PCT/JP2011/072261；和Boo，C.，JournalofMembraneScience，2015，473，302-309]。TMA是胺添加剂，当在水的存在下暴露于离子化触发剂(例如酸性气体)时其能够在中性形式和离子化形式之间转换；因此，其可用于提供具有可转换的渗透强度的溶液，如Jessop等人首次描述的。与氨一样，TMA在常温常压下是气体；因此，向包括离子化TMA盐的溶液施加减压、热或冲洗气体将使其转化回到其包括TMA气体的组分，由此促进从溶液中除去TMA。因此，与基于氨的FO系统一样，基于TMA的FO系统提供了用于从汲取溶液中分离水的简便手段；并且比基于氨的系本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于处理含水进料流的方法，包括：使用汲取溶质浓度≥20wt％的含水汲取溶液进行正渗透，其中所述汲取溶质包括离子化的三甲胺和抗衡离子；其中所述进料流：i)包括≥5wt％的总溶解固体；ii)处于≤20℃的温度；iii)处于≥30℃‑≤60℃之间的温度；iv)具有酸性pH或碱性pH；v)包括有机内容物；vi)包括悬浮固体；或vii)i)‑vi)中的两者以上的任何组合。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.08.11 US 62/203,7931.一种用于处理含水进料流的方法，包括：使用汲取溶质浓度≥20wt％的含水汲取溶液进行正渗透，其中所述汲取溶质包括离子化的三甲胺和抗衡离子；其中所述进料流：i)包括≥5wt％的总溶解固体；ii)处于≤20℃的温度；iii)处于≥30℃-≤60℃之间的温度；iv)具有酸性pH或碱性pH；v)包括有机内容物；vi)包括悬浮固体；或vii)i)-vi)中的两者以上的任何组合。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述正渗透包括：a.将所述进料流引入到选择性渗透水的半透膜的一侧；b.将所述汲取溶液引入所述半透膜的另一侧；c.允许水从所述进料溶液通过所述半透膜流入所述汲取溶液中以形成浓缩的进料溶液和稀释汲取溶液。3.根据权利要求2所述的方法，还包括：a.从所述稀释汲取溶液分离所述汲取溶质；和b.从所分离的汲取溶质重新构成浓缩汲取溶液。4.根据权利要求1-3中的任一项所述的方法，其中所述方法是：i)闭路过程；ii)连续循环方法；或者，iii)其组合。5.根据权利要求3所述的方法，其中从所述稀释汲取溶液分离所述汲取溶质包括：反渗透；挥发；加热；冲洗气体；真空或部分真空；搅动；或其任何组合。6.根据权利要求3所述的方法，其中重新构成所述浓缩汲取溶液包括：a.将离子化触发剂例如二氧化碳引入到三甲胺的水溶液中；b.将三甲胺引入离子化触发剂例如二氧化碳的水溶液中；c.同时将三甲胺和离子化触发剂例如二氧化碳引入水溶液中；或者d.其任何组合。7.根据权利要求1-6中的任一项所述的方法，其中所述进料溶液包括处于5wt％-30wt％之间的总溶解固体；或者可替选地，处于5wt％-25wt％之间的总溶解固体；或者可替选地，处于5wt％-20wt％之间的总溶解固体；或者可替选地，处于5wt％-15wt％之间的总溶解固体；或者可替选地，处于5wt％-10wt％之间的总溶解固体；或者可替选地，处于6wt％-10wt％之间的总溶解固体。8.根据权利要求7所述的方法，其中所述总溶解固体包括：金属氧化物；矿物质；一价离子；二价离子；三价离子；或其任何组合。9.根据权利要求1-6中的任一项所述的方法，其中所述进料溶液的温度在0℃-15℃之间；或者可替选地，在0℃-10℃之间；或者可替选地，在0℃-5℃之间；或者可替选地，在3℃-5℃之间。10.根据权利要求1-6中的任一项所述的方法，其中所述进料溶液的温度在30℃-60℃之间；或者可替选地，在30℃-50℃之间；或者可替选地，在30℃-40℃之间；或者可替选地，在30℃-35℃之间。11.根据权利要求1-6中的任一项所述的方法，其中所述进料溶液的pH≤6；或者可替选地，pH≤5；或者可替选地，pH≤3。12.根据权利要求1-6中的任一项所述的方法，其中所述进料溶液的pH≥8；或者可替选地，pH≥9；或者可替选地，pH≥11。13.根据权利要求1-6中的任一项所述的方法，其中所述进料溶液的所述有机内容物包括：悬浮或溶解的有机化合物、碳水化合物、多糖、蛋白质、藻类、病毒、植物物质、动物物质，或其任何组合。14.根据权利要求1-6中的任一项所述的方法，其中所述进料溶液包括悬浮固体。15.根据权利要求1-14中的任一项所述的方法，其中所述进料溶液是硬水、工艺用水、采出水、返排水、废水，或其任何组合。16.根据权利要求1-15中的任一项所述的方法，其中所述汲取溶液的汲取溶质浓度在≥30wt％至饱和之间；或者可替选地，在30wt％-70wt％之间；或者可替选地，在30wt％-60wt％之间；或者可替选地，在30wt％-50wt％之间；或者可替选地，在30wt％-40wt％之间。17.根据权利要求16所述的方法，其中所述汲取溶液的汲取溶质浓度在30wt％-40wt％之间；或者可替选地，在60wt％-70wt％之间。18.根据权利要求1-17中的任一项所述的方法，其中所述进料流是复合进料流，包括：≥5wt％的总溶解固体以及(i)有机内容物；(ii)悬浮固体；或(iii)有机物内容物和悬浮固体。19.一种正渗透系统，包括：具有≥20wt％的汲取溶质浓度的含水汲取溶液，所述汲取溶质包括离子化的三甲胺和抗衡离子；和至少一个正渗透元件，包括：选择性渗透水的半透膜，所述半透膜具有第一侧和第二侧；至少一个端口，用于使进料溶液与所述膜的所述第一侧流体连通；以及至少一个端口，用于使所述汲取溶液与所述膜的所述第二侧流体连通，其中水从所述进料溶液通过...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲁伊·雷森德斯，埃米·玛丽·霍兰，蒂莫西·詹姆斯·克拉克，布莱恩·欧内斯特·马里亚姆皮莱，罗伯特·哈罗德·让·杜蒙，
申请(专利权)人：正渗透水技术公司，
类型：发明
国别省市：加拿大,CA