用于滲透驅(qū)動膜工藝的驅(qū)動溶液和驅(qū)動溶質(zhì)回收的制作方法
【專利說明】
[0001] 相關(guān)申請的交叉引用
[0002] 本申請要求2012年11月16日提交的美國臨時專利申請?zhí)?1/727, 424、2012年 11月16日提交的美國臨時專利申請?zhí)?1/727, 426、2013年3月6日提交的美國臨時專利 申請?zhí)?1/773, 588、W及2013年3月12日提交的美國臨時專利申請?zhí)?1/777, 774的優(yōu)先 權(quán)，W引用的方式將W上文獻(xiàn)的全部公開內(nèi)容整體并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 一般說來，本發(fā)明設(shè)及滲透驅(qū)動膜工藝，更特別地設(shè)及用于滲透驅(qū)動膜工藝的驅(qū) 動溶液和驅(qū)動溶質(zhì)回收技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0004] 一般說來，滲透驅(qū)動膜工藝設(shè)及由半透膜分隔的兩種溶液。一種溶液可為例如海 水，而另一種溶液為濃溶液（concentratedsolution),W在海水與濃溶液之間產(chǎn)生濃度梯 度。該梯度驅(qū)動海水中的水通過膜而進(jìn)入濃溶液，所述膜選擇性地允許水而不允許鹽通過。 逐步地，進(jìn)入濃溶液的水稀釋所述溶液。隨后需要從該稀釋的溶液中移除溶質(zhì)，W產(chǎn)生飲用 水。傳統(tǒng)上，通過蒸饋獲得飲用水；然而，溶質(zhì)通常不被回收和再循環(huán)。

【發(fā)明內(nèi)容】
陽0化]本發(fā)明一般地設(shè)及新型驅(qū)動溶液，W及用于對該溶液的驅(qū)動溶質(zhì)進(jìn)行回收/再循 環(huán)的系統(tǒng)和方法。所述驅(qū)動溶液用于多種滲透驅(qū)動膜系統(tǒng)和方法中，例如正向滲透（F0)、壓 力延緩滲透（PRO)、滲透稀釋（0D)、直接滲透濃縮值0C)或依賴于溶液中溶質(zhì)的濃度（或其 變化性）的其它工藝。用于驅(qū)動溶質(zhì)回收的系統(tǒng)和方法可并入滲透驅(qū)動膜系統(tǒng)/工藝中。 美國專利號6, 391，205 和 7, 560, 029 ;W及美國專利公開號 2011/0203994、2012/0273417 和2012/0267306中公開了滲透驅(qū)動膜工藝的實例；W引用的方式將W上文獻(xiàn)的公開內(nèi)容 整體并入本文。此外，美國專利號8, 246, 791和美國專利公開號2012/0067819中公開了多 種驅(qū)動溶質(zhì)回收系統(tǒng)，同樣W引用的方式將W上文獻(xiàn)的公開內(nèi)容整體并入本文。
[0006] 此外，本文公開的多種驅(qū)動溶液組成沒必要適合每一種滲透驅(qū)動膜工藝，并且可 對所述驅(qū)動溶液組成進(jìn)行選擇，W適應(yīng)具體用途，例如F0或PROW及相關(guān)方面，例如驅(qū)動溶 質(zhì)回收方法、膜/系統(tǒng)相容性、期望的通量、進(jìn)料溶液（feedsolution)等。理想地，選定的 驅(qū)動溶液將表現(xiàn)出W下特征中的至少一些：相對低的成本、良好的溶劑通量、對預(yù)處理需求 的降低、系統(tǒng)效率的提高、抑靈活性W及低的逆向通量（reverseflux)。
[0007] 一般說來，驅(qū)動溶液是水性溶液，即溶劑是水；然而，在一些實施方式中，驅(qū)動溶液 是使用例如有機(jī)溶劑的非水性溶液。相對于進(jìn)料溶液或第一溶液而言，驅(qū)動溶液旨在含有 更高濃度的溶質(zhì)，W在滲透驅(qū)動膜系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生滲透壓。滲透壓可用于多種目的，包括脫鹽、 水處理、溶質(zhì)濃縮、發(fā)電和其它用途。在一些實施方式中，驅(qū)動溶液可包含一種或多種可移 除的（remov油le)溶質(zhì)。在至少一些實施方式中，可使用可熱移除的（熱解的）溶質(zhì)。例 如，驅(qū)動溶液可包含熱解鹽溶液，例如美國專利號7, 560, 029公開的熱解鹽溶液。其它可 能的熱解鹽包括多種離子物質(zhì)種類，例如氯化物、硫酸鹽、漠化物、娃酸鹽、艦化物、憐酸鹽、 鋼、儀、觀鐘、硝酸鹽、神、裡、棚、鎖、鋼、儘、侶、儒、銘、鉆、銅、鐵、鉛、儀、砸、銀和鋒。
[0008] 一般說來，進(jìn)料溶液或第一溶液可為期望進(jìn)行分離、純化或其它處理的含有溶劑 及一種或多種溶質(zhì)的任何溶液。在一些實施方式中，第一溶液可為非飲用水，如海水、鹽水、 微咸水化rackishwater)、中水（graywater)和一些工業(yè)水。在其它實施方式中，第一溶 液可為含有期望進(jìn)行濃縮、分離或回收的一種或多種溶質(zhì)（如目標(biāo)物質(zhì)種類）的工藝流。運 種流可來自工業(yè)過程，如藥物或食品級用途。目標(biāo)物質(zhì)種類可包括藥物、鹽、酶、蛋白質(zhì)、催 化劑、微生物、有機(jī)化合物、無機(jī)化合物、化學(xué)前體、化學(xué)產(chǎn)物、膠體、食品或污染物?？蓮纳?游單元操作（如工業(yè)設(shè)施）或任何其它來源（如海洋）將第一溶液遞送至正向滲透膜處理 系統(tǒng)。
[0009] 一方面，本發(fā)明設(shè)及用于滲透驅(qū)動膜系統(tǒng)的驅(qū)動溶液。所述驅(qū)動溶液包含抑在 2-11范圍內(nèi)的水性溶劑；W及具有陽離子源和陰離子源的驅(qū)動溶質(zhì)?；蛘?，所述溶劑可具 有3-12、6-10或7-12的抑范圍。所述陽離子源包含至少一種基于揮發(fā)性氣體的陽離子 (例如N&)，并且所述陰離子源包含至少一種基于揮發(fā)性氣體的陰離子（例如C〇2)。所述 陰離子源進(jìn)一步包含粘度調(diào)節(jié)劑（viscositymodifier)。
[0010] 在多個實施方式中，陽離子源包含沸點低于水的烷基胺，且粘度調(diào)節(jié)劑包含硫化 氨。陽離子源可衍生于陽離子（包括例如烷基胺、氨、氨氧化鋼和/或其它揮發(fā)性/非揮發(fā) 性陽離子）的共混物化lend)。陰離子源可衍生于陰離子（包括例如硫化氨、二氧化碳、氯 化氨、二氧化硫、=氧化硫和/或其它揮發(fā)性/非揮發(fā)性陰離子）的共混物。在一個或多個 實施方式中，粘度調(diào)節(jié)劑包含W下物質(zhì)中的至少一種：乙醇、聚氧化締、二甲苯橫酸鋼、聚丙 締酸類、月桂基橫酸鋼、酸、酸衍生物、硫化物、硫化物衍生物，W及上述物質(zhì)的組合。
[0011] 另一方面，本發(fā)明設(shè)及用于包含一種或多種基于硫醇（thiol)的驅(qū)動溶質(zhì)的驅(qū)動 溶液的驅(qū)動溶液回收方法。該方法包括如下步驟：將稀驅(qū)動溶液（dilute化awsolution) 引入氧化環(huán)境，所述稀驅(qū)動溶液包含溶劑和至少一種基于硫醇的驅(qū)動溶質(zhì)；從所述驅(qū)動溶 質(zhì)汽提（stripping)氨離子；使所述氨離子穿越屏障，從而例如將所述氨離子與剩余的驅(qū) 動溶質(zhì)分子分離；經(jīng)由二硫化物聚合鍵合剩余的溶質(zhì)，從而在所述剩余的溶質(zhì)間形成二硫 橋；將所述溶劑和聚合的溶質(zhì)導(dǎo)向至過濾組件；將至少一部分所述溶劑與所述聚合的溶質(zhì) 分離，產(chǎn)生產(chǎn)物溶劑；將所述聚合的溶質(zhì)和任何剩余的溶劑導(dǎo)向至還原環(huán)境；使所述聚合 的溶質(zhì)解聚，破壞二硫橋；W及將所述氨離子重新引入解聚的驅(qū)動溶質(zhì)，W重新形成所述至 少一種基于硫醇的驅(qū)動溶質(zhì)，并生成濃驅(qū)動溶液。一般說來，"溶質(zhì)（solute)"在本文中用 于表示一種或多種溶質(zhì)分子，即溶質(zhì)（solutes)。
[0012] 在多個實施方式中，可通過引入熱、光、催化劑和/或其它能量源來增強聚合和解 聚步驟。所述方法還可包括將濃驅(qū)動溶液導(dǎo)向至滲透驅(qū)動膜系統(tǒng)的步驟。在一個或多個實 施方式中，從滲透驅(qū)動膜系統(tǒng)引入稀驅(qū)動溶液。過濾組件可包含反向滲透組件、微過濾組 件、納米過濾組件、超濾組件、水力旋流器或上述組件的組合，W從稀驅(qū)動溶液分離產(chǎn)物溶 劑。此外，氧化環(huán)境和還原環(huán)境可為被一個或多個可透過氨的屏障分隔的一個或多個氧化 還原電池（redoxcells)的一部分。
[0013] 又一方面，本發(fā)明設(shè)及滲透驅(qū)動膜系統(tǒng)和相關(guān)工藝。一般說來，該系統(tǒng)包含一個或 多個正向滲透膜組件（該正向滲透膜組件中各自包含一個或多個膜）；與所述一個或多個 膜的一側(cè)流體連通（fluidcommunication)的進(jìn)料溶液源；與所述一個或多個膜的對側(cè)流 體連通的濃驅(qū)動溶液源；W及與所述正向滲透膜組件流體連通的驅(qū)動溶液回收系統(tǒng)。所述 濃驅(qū)動溶液包含抑在2-11范圍內(nèi)的水性溶劑；W及包含陽離子源和陰離子源的驅(qū)動溶質(zhì)， 所述陽離子源具有至少一種基于揮發(fā)性氣體的陽離子，所述陰離子源具有至少一種基于揮 發(fā)性氣體的陰離子。所述陰離子源可進(jìn)一步包含粘度調(diào)節(jié)劑。
[0014] 在多個實施方式中，所述驅(qū)動溶液回收系統(tǒng)包含至少一個氧化還原電池W及與所 述至少一個氧化還原電池流體連通的過濾組件，所述氧化還原電池與所述一個或多個膜的 對側(cè)流體連通，并被設(shè)置為用于從正向滲透膜組件接收稀驅(qū)動溶液。所述至少一個氧化還 原電池包含被元素（例如氨）可特異性透過的屏障分隔的氧化環(huán)境和還原環(huán)境。所述系統(tǒng) 可進(jìn)一步包含與所述至少一個氧化還原電池連通（incommunicationwith)的能量源。
[0015] 通過參照如下描述和附圖，本文公開的本發(fā)明的運些和其它目的W及優(yōu)點和特征 將變得明顯。此外，應(yīng)理解的是，本文描述的多個實施方案的特征并非互相排斥，并且可W W各種組合和排列存在。
【附圖說明】
[0016] 在附圖中，類似的附圖標(biāo)記通常在不同視圖中指相同的部分。而且，附圖不一定是 成比例的，相反，通常強調(diào)示例說明本發(fā)明的原理，而不旨在作為本發(fā)明的限制的定義。為 了清楚的目的，在每個附圖中可能并未標(biāo)記每一個部件。在W下描述中，參照如下附圖對本 發(fā)明的多個實施方式進(jìn)行描述，其中：
[0017] 圖1為根據(jù)本發(fā)明的一個或多個實施方式的使用溶質(zhì)回收系統(tǒng)的示例性滲透驅(qū) 動膜系統(tǒng)/工藝的示意圖；
[0018] 圖2為根據(jù)本發(fā)明的一個或多個實施方式的驅(qū)動溶液反應(yīng)示意圖，所述反應(yīng)使用 熱解共價封存（thermolyticcovalentsequestration),用于對驅(qū)動溶質(zhì)進(jìn)行回收和再循 環(huán)；
[0019] 圖3A-圖3C為根據(jù)本發(fā)明的一個或多個實施方式的驅(qū)動溶質(zhì)回收的另一方法的 多種化學(xué)相互作用的示意圖；
[0020]圖4為根據(jù)本發(fā)明的一個或多個實施方式的驅(qū)動溶質(zhì)回收的反應(yīng)萃取法的示意 圖；
[0021] 圖5A和圖5B為根據(jù)本發(fā)明的一個或多個實施方式的用于驅(qū)動溶質(zhì)回收/再循環(huán) 的還原-氧化操作的回收階段和再循環(huán)階段的形象化示意圖；
[0022] 圖6為根據(jù)本發(fā)明的一個或多個實施方式的還原-氧化操作的一個實施方式的形 象化不意圖；
[0023] 圖7A和圖7B為根據(jù)本發(fā)明的一個或多個實施方式的用于驅(qū)動溶質(zhì)回收/再循環(huán) 的還原-氧化操作的兩個可替代實施方式的形象化示意圖；
[0024]圖8為根據(jù)本發(fā)明的一個或多個實施方式的用于驅(qū)動溶質(zhì)回收系統(tǒng)的還原-氧化 操作的示意圖；
[0025] 圖9為根據(jù)本發(fā)明的一個或多個實施方式的驅(qū)動溶質(zhì)回收的光反應(yīng)聚合方法的 不意圖；
[00%] 圖lOA為根據(jù)本發(fā)明的一個或多個實施方式的驅(qū)動溶質(zhì)回收的替代聚合方法的 示意圖；
[0027] 圖10B為根據(jù)圖10A的實施方式的用于驅(qū)動溶質(zhì)回收/再循環(huán)的還原-氧化操作 的形象化示意圖；
[0028] 圖11為根據(jù)本發(fā)明的一個或多個實施方式的驅(qū)動溶液回收系統(tǒng)的一個實施方式 的示意圖；W及
[0029] 圖12-圖14為根據(jù)本發(fā)明的一個或多個實施方式的替代的驅(qū)動溶液回收系統(tǒng)的 示意圖。
【具體實施方式】
[0030] 本發(fā)明的多個實施方式可用于任何滲透驅(qū)動膜工藝，例如F0、PRO、0D、D0C等。用 于從溶液提取溶劑的滲透驅(qū)動膜工藝通常可設(shè)及將溶液暴露于正向滲透膜的第一表面。在 一些實施方式中，第一溶液（稱為工藝溶液或進(jìn)料溶液）可為海水、微咸水、廢水、污染水、 工藝流或其它水性溶液。在至少一個實施方式中，溶劑為水；然而，其它實施方式可使用非 水性溶劑?？蓪⑾鄬τ诘谝蝗芤壕哂性黾拥娜苜|(zhì)濃度的第二溶液（稱為驅(qū)動溶液