脱盐盐水浓缩系统及方法技术方案

一种通过双膜盐水浓缩器系统(DTRI浓缩器)生产可从中获得商业上有效获得的矿物的用于产生超高浓度盐水流的系统和方法。该系统包括从海水中除去二价离子的纳滤系统、接收并进一步浓缩从纳滤系统排出的盐水的盐水浓缩器(例如中空细纤维正向渗透系统)、接收NF系统渗透物并除去单价离子的SWRO系统，以及进一步浓缩从SWRO系统排出的盐水的另一盐水浓缩器。各种渗透物和排出盐水流可通过双膜盐水浓缩器系统输送，并且可以使用多级系统部件，以提高盐水浓度和提高系统效率。盐水浓度和提高系统效率。盐水浓度和提高系统效率。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】脱盐盐水浓缩系统及方法


[0001]本专利技术涉及脱盐设施的设计和操作，尤其涉及一种用于从盐水源水的脱盐中有效且经济地回收矿物和其它副产物、以及用于实现脱盐的零液体排放方式的系统和方法。

技术介绍

[0002]在脱盐工业中，热处理作为盐水浓缩器占主导地位。基于热处理的系统的示例包括经常与机械蒸汽压缩机(MVC)或热蒸汽压缩机(TVC)一起操作的竖管式蒸发器。然而，这些传统方法具有较高的能耗。例如，两级MVC盐水浓缩器可能需要24千瓦时每立方米(kWh/m3)的产物水，以将总溶解固体(TDS)为百万分之70,000(ppm)的进料水浓缩至250,000ppm。或者，基于膜的浓缩器(例如，反渗透处理)通常需要较少的能耗。因此，努力寻找更好的基于膜的盐水浓缩概念。
[0003]为方便参考，本文大部分地方引用“海水”作为源水。该引用并非旨在进行限制，因为源水可以是本领域普通技术人员认为可以作为脱盐设施的进料水的任何盐水。
[0004]在典型的海水反渗透(SWRO)脱盐厂中，主要关注的问题之一是对饮用水分离后剩余的浓缩盐水排放的管理(例如，总溶解固体(TDS)水平约为百万分之300(ppm)或更少的水)。浓缩形式的盐水的直接排放对海洋环境产生不利影响。由于该副产物的体积相对较大，并且需要以对环境负责的方式处置该副产物，因此处置浓缩盐水的替代方法是昂贵的。
[0005]此外，脱盐设施的运行需要高货币成本(设施、劳动力等)和高能耗努力，所得到的纯化水产物每升具有相对较高的具体成本。
[0006]图1示出了通常用于高盐度海水(例如阿拉伯湾)的典型SWRO系统的示例的示意图。在该系统1中，TDS浓度约为42,000ppm的海水2被泵3驱动至约为69巴(Bar)的压力，并被引入反渗透膜容器5的入口4。典型的反渗透设施膜系统的回收率仅约50％。因此，在图1的示例中，在膜系统5的纯化水侧的出口6处，产物水7(即渗透物)的TDS可以小于300ppm，而在膜系统的浓缩侧的排出盐水出口8处，浓缩盐水9的总溶解固体浓度将大约是入口海水的两倍，TDS为84,000ppm。图1还示出了海水脱盐厂的典型特征，其中高压浓缩盐水(这里，大约67巴)用于驱动能量回收装置，例如涡轮或等压压力交换器，以回收必须放入入口海水中以驱动脱盐处理的能量的至少一部分。然后必须处理副产物浓缩盐水(图1中未显示)。
[0007]表1说明了为什么在这样的系统中很难简单地将回收率提高到超过50％。目前，大多数市售SWRO膜设计为在施加到膜上的高达83巴的最大压力(即典型的破裂压力)下操作，而当回收率增加以产生非常高水平的盐水TDS浓度时，预计会有更高的渗透压差。如表1所示，所需渗透压(π)与获得纯化水所需的比功率消耗(SPC，单位为千瓦时/立方米产物水)的比较，在60％回收率下，渗透压达到接近膜破裂水平的水平，这是不希望的。此外，当渗透压增加到如此高的水平时，处理变得不那么有效，导致更高的功耗(即增加SPC)。
[0008]表1.
[0009][0010]上述示例基于渗透压计算，假设在25℃下海水进料TDS浓度为42,000ppm，产物水TDS浓度为300ppm，并使用解离常数为1.8的范特霍夫方程(假设海水是氯化钠溶液)。比功率消耗计算假设净驱动压力(NDP)为22.5巴(NDP约等于进料压力减去渗透膜的进料(浓缩物)和渗透物侧之间的渗透压差的对数平均值)，泵和泵马达效率为85％，能量回收装置效率为95％，渗透物和盐水排放的背压为0.8至2.0巴。
[0011]与提高回收率相关联的另一个问题是膜表面上的垢沉积，以及由此导致的膜渗透低盐度水的能力的急剧降低。在通常以较低回收率水平(例如35％至45％的回收率)操作的传统海水脱盐系统中，垢沉积通常不是主要问题，因为导致结垢的矿物质(例如钙、镁、碳酸盐和硫酸盐离子)的浓度足够低，低于它们开始以固体形式沉淀的浓度。相比之下，在回收率高于50％的SWRO系统中，极有可能发生膜上的垢沉积。
[0012]另一种已知的反渗透方法是纳滤海水反渗透(NF
‑
SWRO)处理，例如，如图2所示。在该系统11中，TDS为42,000ppm的海水12在进入纳滤单元14之前被泵13加压到大约15巴。在约75％的回收率下，降低浓度的出口流体15的TDS浓度仅降低至约34,000ppm，并且纳滤器副产物盐水16具有约67,000ppm的更高浓度。由于盐水输出的浓度相对较低，NF盐水的体积也相当大，必须进行管理。
[0013]在通过纳滤单元14进行处理之后，降低浓度的出口流体15通过泵17进一步加压，在本示例中至约为71巴。该高压进料经由入口19进入反渗透容器18。在该示例中，回收率约为60％，导致在出口20处排放TDS浓度小于300ppm的产物水，以及浓缩侧输出22处排放70巴的盐水且TDS浓度为84,000ppm。如在第一示例中，能量回收装置24用于回收盐水排放中的一部分压力能量。
[0014]需要一种用于操作脱盐设施的改进的系统和方法，该系统和方法降低产物具体成本，降低盐水体积和处置成本，提高能量效率，并且产生具有商业上可行的应用的浓缩盐水产物。

技术实现思路

[0015]本专利技术利用双纳滤
‑
反渗透盐水浓缩系统(也称为“DTRI浓缩器”)解决了现有技术中的前述和其他问题。
[0016]本专利技术是一种新型的基于膜的盐水浓缩系统，它克服了上述困难，使盐水的浓度达到约120,000～250,000ppm的高水平。这些水平足够高以允许有效和商业上可行地提取具有商业价值的矿物质，例如硫酸钙、食盐、硫酸镁、锂等。高盐度水平还允许经济有效地实施零液体排放(ZLD)。
[0017]本专利技术的一个独特方面是其处理来自两种不同浓缩处理的两种盐水输出流的方法，一种是来自纳滤处理的具有富二价离子的排出盐水的流，另一种是来自反渗透处理的具有富单价离子的排出盐水的盐水流。组合处理的布置方式允许流更有效且成本更低的转
化以有利地使用盐水。
[0018]可替代地，本专利技术促进零液体排放(ZLD)脱盐系统的操作，其中流被进一步处理成固体晶体形式以用于有利的用途或负责任的处置，例如在适当设计的垃圾填埋场中。
[0019]在本专利技术的一个实施例中，盐水源水(海水)首先由纳滤膜系统处理。纳滤处理的渗透物的TDS浓度降低(例如，降低到源海水的大约3/4)，然后成为反渗透系统的入口源。来自NF系统的排出盐水流具有比源海水大约高1.5倍的TDS水平，并且二价离子浓度高达四倍。NF系统的主要目的是从海水中除去二价离子，这实质上减少或甚至消除了SWRO膜上矿垢沉积物的堆积。
[0020]为了使NF排出流适合于有益的用途(例如，用于矿物质的提取)，使用中空细纤维(HFF)正向渗透(FO)膜系统进一步浓缩NF排出流。在该NF排出流浓缩处理的一个实施例中，该系统从HFF FO的孔侧产生低盐度水作为产物，该低盐度水可以与成为SWRO系统的入口源的NF渗透物的主流混合。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种盐水浓缩系统，其特征在于，包括：纳滤单元；第一反渗透膜单元；第二反渗透膜单元；第一中空细纤维单元；第二中空细纤维单元；以及第三中空细纤维单元，其中，所述纳滤单元被构造成在所述纳滤单元的渗余物侧处接收盐水源流，所述第一反渗透膜单元被构造成在所述第一反渗透膜单元的渗余物侧处接收来自所述纳滤单元的纳滤单元渗透物流，所述第一中空细纤维单元被构造成在所述第一中空细纤维单元的壳侧处接收来自所述纳滤单元的纳滤单元渗余物流的第一部分，在所述第一中空细纤维单元的孔侧处接收所述纳滤单元渗余物流的第二部分，所述纳滤单元渗余物流的所述第一部分和所述第二部分成比例，以防止所述第一中空细纤维单元的所述壳侧和所述孔侧之间的压差超过第一预定压差极限，所述第一中空细纤维单元被构造成以第一浓缩产物的形式排出第一中空细纤维渗余物流，所述第一反渗透膜单元被构造成在所述第一反渗透膜的所述渗余物侧接收来自所述第一中空细纤维单元的第一中空细纤维渗透流，所述第二反渗透膜单元被构造成在所述第二反渗透膜单元的渗余物侧接收第一反渗透膜单元渗余物流并产生第二反渗透渗透物流，所述第二中空细纤维单元被构造成在所述第二中空细纤维单元的壳侧处接收来自所述第二反渗透膜单元的第二反渗透膜单元渗余物流的第一部分和在所述第二中空细纤维单元的孔侧处接收所述第二反渗透膜单元渗余物流的第二部分，所述第二反渗透膜单元渗余物流的所述第一部分和所述第二部分成比例，以防止所述第二中空细纤维单元的所述壳侧和所述孔侧之间的压差超过第二预定压差极限，所述第一反渗透膜单元被构造成在所述第一反渗透膜单元的所述渗余物侧处接收第二中空细纤维单元渗透流，所述第三中空细纤维单元被构造成在所述第三中空细纤维单元的壳侧处接收来自所述第二中空细纤维单元的第二中空细纤维单元渗余物流的第一部分和在所述第三中空细纤维单元的孔侧处接收所述第二中空细纤维单元渗余物流的第二部分，所述第二中空细纤维单元渗余物流的所述第一部分和所述第二部分成比例，以防止所述第三中空细纤维单元的所述壳侧和所述孔侧之间的压差超过第三预定压差极限，所述第三中空细纤维单元被构造成以第二浓缩产物的形式排出第二中空细纤维渗余物流，以及所述第二反渗透膜单元被构造成在所述第二反渗透膜单元的所述壳侧处接收第三中空细纤维渗透流，以及所述第一反渗透膜单元被构造成从所述纳滤单元渗透流、所述第一中空细纤维渗透流
和所述第二中空细纤维渗透流产生第一反渗透渗透流。2.根据权利要求1所述的盐水浓缩系统，其特征在于，其中，所述第一中空细纤维单元、所述第二中空细纤维单元和所述第三中空细纤维单元中的至少一个是中空细纤维正向渗透单元。3.根据权利要求2所述的盐水浓缩系统，其特征在于，其中，所述第一中空细纤维单元、所述第二中空细纤维单元和所述第三中空细纤维单元中的至少一个被构造为逆流流动中空细纤维单元。4.根据权利要求3所述的盐水浓缩系统，其特征在于，进一步包括：第一能量回收装置，所述第一能量回收装置被构造成从所述第一浓缩产物流回收能量，以及第二能量回收装置，所述第二能量回收装置被构造成从所述第二浓缩产物流回收能量。5.根据权利要求1所述的盐水浓缩系统，其特征在于，其中所述第一浓缩产物流的总溶解固体浓度大于80,000ppm，并且所述第二浓缩产物流的总溶解固体浓度大于120,000ppm。6.根据权利要求1所述的盐水浓缩系统，其特征在于，其中，所述盐水浓缩系统的回收率至少为60％。7.根据权利要求1所述的盐水浓缩系统，其特征在于，其中，所述盐水浓缩系统的比功率消耗小于5kWh/m3。8.一种盐水浓缩系统，其特征在于，包括：二价离子浓缩单元，所述二价离子浓缩单元被构造成接收盐水源流体；单价离子浓缩单元；其中，所述二价离子浓缩单元被构造成产生浓缩的二价离子产物流和降低浓度的二价离子流，所述单价离子浓缩单元被构造成从所述降低浓度的二价离子流产生浓缩的单价离子产物流和降低浓度的单价产物流。9.根据权利要求8所述的盐水浓缩系统，其特征在于，其中，所述单价离子浓缩单元包括一个或多个反渗透膜单元，和一个或多个单价离子浓缩单元中空细纤维单元，所述一个或多个单价离子浓缩单元中空细纤维单元在所述一个或多个反渗透单元的下游，并且所述一个或多个单价离子浓缩单元中空细纤维单元中的至少一个从所述一个或多个反渗透单元中的上游的一个反渗透单元或所述一个或多个单价离子浓缩单元中空细纤维单元中的上游的一个单价离子浓缩单元中空细纤维单元接收在所述一个或多个单价离子浓缩单元中空细纤维单元中的所述至少一个的壳侧处的单价离子浓缩单元渗余物流的第一部分，和在所述一个或多个单价离子浓缩单元中空细纤维单元中的所述至少一个的孔侧处的所述单价离子浓缩单元渗余物流的第二部分，<...

【专利技术属性】
技术研发人员：尼古拉，
申请(专利权)人：盐水转换公司，
类型：发明
国别省市：