[发明专利]用于渗透性溶质回收的多级塔蒸馏(MSCD)方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2006年6月8日提交的临时申请序列号60/812,383的权益，该临时申请的主题全部通过引用结合在本文中。

关于联邦政府资助的研究或开发的声明

本发明部分是利用来自海军研究局(Office of Naval Research)的美国政府资助(合同号N000140510801)完成的。因此，美国政府可以享有本发明的某些权利。

技术领域

本发明总体上涉及使用多个蒸馏塔分离溶质和溶剂的领域。更具体地，本发明涉及海水淡化，微咸水淡化，废水净化，受污染水补救(remediation)，渗透热机(OHE)，或者需要分离水溶液中的溶质和水的任何其它应用。

背景技术

海水和微咸水淡化技术对于减轻世界上干旱和人口稠密地区的缺水问题是很大的希望。人口的日益增长和全球气候变暖已经造成了在可靠的淡水源的供需之间的更大的不均衡。在一些例子中，在共享的水资源方面的冲突加剧了相邻国家之间的已经很严重的紧张关系。

甚至在具有充足水供应的地区，不稳定且通常不佳的水质是促成疾病和疾苦的因素，如果充分的水处理可更广泛地获得的话所述疾病和疾苦将少得多。对减轻缺水和确保好的水质的需要对于下世纪的科学家和工程师来说是一个主要的挑战。人们已经进行了大量的工作，以改进现有的水处理技术，特别是在提高膜处理方法的效率和降低其 成本方面。在膜处理方法中，使用半渗透膜，例如膀胱的细胞壁，所述半渗透膜对它允许通过的物质是选择性的，通常允许小分子(例如水)容易地通过，但防止许多其它的化合物通过。在存在在隔膜两侧的、各自含有不同浓度的溶解化合物的两种溶液的情况下，水通常从更稀溶液的一侧移动至更浓的溶液中。最终，渗透压恰好对抗扩散过程，并且形成平衡。

一种膜处理方法被称为反渗透(RO)，该方法已经被脱盐领域的技术人员充分了解。RO过程促使来自其中存在较大浓度的化合物的水溶液的水分子的净流通过半渗透膜并且进入具有较低浓度的溶解化合物的溶液。利用来源侧的高水压″逆转″自然或者正向渗透过程。

尽管在降低能量需求，从而降低RO成本方面已经取得进步，但是仍然要克服挑战。海水和微咸水RO的能量成本对于经济的广泛利用仍然太高；大的盐水排放流仍旧在引起对它们可能造成的环境影响的担忧；并且长期的装置更换成本仍然是显著的。

在解决依然面对目前的海水和微咸水脱盐技术的一些挑战的努力中，已经研究了氨-二氧化碳正向渗透(FO)脱盐的方法。在例如美国专利6,391,205和美国专利申请出版物2005/0145568中描述了FO方法，它们的全部内容通过引用结合在此。与RO相比，FO方法的主要优点包括较低的能量成本、高的进水回收率以及最低的盐水排放。

在氨-二氧化碳FO方法中，使用类型与RO中所用类型相似的半渗透膜从咸的进水源中分离淡水。在RO中，这种分离由跨过膜产生至显著超过阻止来自咸的进水源的淡水(渗透物流)的流动的渗透压梯度的量级的液压梯度驱动。FO方法利用水在较高的渗透压的方向(朝向更浓的溶液)上流动的自然趋向，以将水从咸进料流中提取到非常浓的″提取溶液″中，从而从咸进料流中分离出淡水渗透物。现有技术的氨-二氧化碳FO方法的示意图示于图1中。

在氨-二氧化碳FO方法中使用的膜类似于在RO方法中使用的那些膜。一个显著的区别在于RO膜必须维持的高液压。这种要求导致在膜中采用支撑织物层(厚度通常至多100微米)以增加其强度，另外，当 在FO方法中使用这种类型的膜时，显著降低通量性能。采用为FO特别制备使得在其结构中不包括织物衬里层的膜所进行的FO试验表明，通量性能高达化学性质类似的织物衬里的RO膜的十倍以上。

对与RO膜相关的FO性能的负面影响是由于在膜织物载体内部的提取溶液的内部浓差极化(ICP)。在这种现象中，渗透致密膜(排斥层(rejecting layer))的渗透物稀释了支撑层内部的提取溶液，使得在致密膜表面的有效渗透压大大减小。在大多数情况下，在致密层的方向上的溶质扩散的速度不足以完全消除远离它的水流所引起的稀释。这种现象不能通过增加提取溶液的切向流量或湍流，即，通常在降低外部浓差极化方面有效的步骤来消除，原因是ICP现象发生在多孔载体的范围内。