[发明专利]用于脱盐的方法及设备

说明书

本发明提供了用于净化水的方法和设备。供水，例如海水可供应至诸如多微孔膜或纳米过滤膜等的过滤器中，以生产渗透液，渗透液则又可被供应至电去电离作用系统中，以生产淡水。

1.发明领域

本发明涉及用于水净化的方法和设备，尤其是利用过滤和电去电离作用(electrodeionization)使水脱盐。

2.发明背景

世界范围内对饮用淡水、工业淡水及农业淡水的不断增长的需求导致对以海水、半咸水及其他具有升高盐度的水为源的净化方法的需求有所增长。通过去除诸如盐等的溶解固体(dissolved solid)而实现的高盐度水的净化已可通过包括蒸馏或反渗透(RO)等在内的多种方法来实现。此类方法从经预处理的海水或半咸水的供给开始，然后将其净化(即脱盐)到适宜于人类消费或其他用途的水平。尽管海水以及，很多情况下，半咸水是来源丰富的原材料，但是以目前的反渗透或蒸馏工艺将其转化为饮用水通常由于所需的能量而受到成本的抑制。

如果能够开发出对环境影响低的有效的脱盐工艺，海洋就可提供取之不尽的水源。虽然设备成本可能很高，但对高盐度的水脱盐的最大的持续费用是能耗。在能效上小的改进都会由于脱盐系统通常处理大量的水而导致显著的费用节省。

例如，由RO工艺从海水中生产饮用水所需的能量主要包括用于克服海水的渗透压的能量，以及过程期间中压力损失导致的低效率。因为RO渗透液和RO废水(供应至系统中的总水量的70％将会损失而成为废水)都须进行加压，RO的能耗远远高于脱盐所需要的最小的热动力学理论能耗。通常需要昂贵的机械压力回收装置来试图回收加压所需要的某些损失的能量。海水中通常包含约20,000-40,000ppm(mg/l)的总溶解固体物(TDS，totaldissolved solids)，并且半咸水源可包含从2,000ppm至多达20,000ppm的TDS。

这些溶解固体包括多种单价、二价、多化合价和/或多价盐或物质(polyvalent，and/or multivalent salts or species)，其中氯化钠形成了总固体含量的75％。

虽然传统上已经使用诸如蒸馏法等蒸发方法来生产饮用水，但是这些方法通常需要比采用反渗透技术的系统甚至更多的能量。此外这些系统通常利用复杂的热回收工艺，以提高能效。由于基于RO或蒸馏技术的工艺是在高压或高温下操作的，并且由于高盐度的水具很强的腐蚀性，所以需要特殊的金属和合金来承受这种操作条件，因此，在这类工艺中增加复杂的装置以节省能源的需求进一步提高了设备的初始成本，并大大降低了设备的可靠性。

反渗透技术可有效地从海水中去除离子化合物。但是，RO系统一个严重的缺点是，RO膜有选择地拒绝非单价或多价盐的程度超过单价盐。因此，在诸如农业等的应用的净化中，大多数二价离子，如钙和镁，实际上有利于灌溉，但它们也被有选择地拒绝了，从而导致高于需要的运行压力，并增加了膜的污染(fouling)和结垢(scaling)的潜在风险，并且/或者丧失了利于作物生长的宝贵的矿物质。

在含有超过3.5％固体的海水和TDS少于1,000ppm，甚至少于500ppm的饮用水之间的渗透压上的差异决定了用来生产饮用品质的渗透液所使用高压仅仅用于克服热力学自由能势。实际上，为了通过减少需要被有效地作预备以进行处理的海水用量来降低预处理成本，海水通常在较高的水回收率下进行处理，所以，所需要的渗透压力甚至高过处理含3.5％固体的海水所需要的渗透压力。例如，出于高压操作的实际考虑，RO系统中所利用的压力常常大于800、900甚至1,000psi，并且出于高压操作、抗腐蚀性、避免能量损失以及防止由于二价选择性及硅拒绝所引起的结垢现象等实际因素，这些条件常常受到30％～40％左右的水回收率(产品水量与总水量的比率)的限制。当考虑到，将水的回收率从大约67％改变至大约33％时，对于给定的纯净水需求，将导致预处理设备的成本加倍，且总耗水量加倍，则这个限制会导致用于RO系统的所使用的水和预处理的费用大量增加。能源再利用技术和RO膜的最新进展已经将使用RO系统生产饮用水的能耗降低至约7至14千瓦时每1000加仑(14kwh/kgal)产品水。