[发明专利]水脱盐工艺和装置

说明书

相关申请

本申请基于并要求2004年9月13日申请的美国临时专利申请 No.60/609,404、2005年2月10日申请的美国临时专利申请No.60/651,819、 2005年3月22日申请的美国临时专利申请No.60/664,223以及2005年5月 23日申请的美国临时专利申请No.60/683,936的优先权。

背景技术

随着人口的增长，世界淡水供应的压力日益增加。诸如舒适的气候和 矿物资源、就业的增长和收入的提升这些因素促进了人口的增长。到2025 年，约27亿人口(近1/3的预计人口)将生活在面临严峻缺水的区域。许多繁 荣且快速发展的区域——美国西南，佛罗里达、亚洲、中东的淡水供应将 缺乏。即使随着研究新的水资源的困难和成本的增加，也必须满足市区、 工业以及市民的水需求。

在具有大量由于高盐度而不适宜使用的水的地区，脱盐已经成为一种 更为普遍的选择，其中，存在脱盐装置利用热、电或机械能将水从盐中分 离的可能性。脱盐工艺的选择取决于许多因素，其包括原水的盐度水平， 所需要的水的数量以及可获得的能量的形式。

通常认为反渗透为用于使高盐度水脱盐的最经济和能量效率最高的方 法。现代的反渗透膜具有这样高的脱盐能力，以致于其能在单次通过所述 膜的过程中，由海水(标称35000ppm盐度)产生盐度<500ppm的饮用水。此 外，一些现代的反渗透系统能够由海水实现高达50％的淡水回收率。在50 ％的回收率下，可将浓盐水的盐度增加到约70000ppm。处置这样的盐水， 对于脱盐工业而言，将面临巨大的成本和挑战，其导致更长的启动准备时 间以及更高的水成本。在美国，将盐水处置到地表水需要废水许可证，这 就阻止了在某些高需求地区进行这类处理。由海水脱盐处理盐水具有三种 基本方式——排放到海水、深井灌注以及零排液系统。将盐水排放返回到 海水中可影响排放区域的有机物。

经证明用于海水脱盐的蒸发和电渗析方法可制造浓度比由反渗透回收 高很多的盐水，但是在海水脱盐过程中，这些方法比反渗透消耗了更多的 能量。

在许多脱盐工艺中涉及的一个问题为形成不期望的沉淀物如硫酸钙垢 状物。硫酸钙通常存在于盐水中，且其在水中具有相当低的溶解性。因此， 已知硫酸钙在反渗透方法中沉淀从而导致多种问题。例如，在蒸发方法中， 在热交换器的表面，高温导致了局部过饱和现象(由于硫酸钙在高温下溶解 性降低)，甚至当本体溶液尚未饱和时也是如此。在利用反渗透和纳米过滤 (NF)的方法中，由于离子浓度在界面层中的增加，过饱和的条件可存在在膜 表面上。微咸的地下水通常具有足够的钙和硫酸根离子从而限制了可通过 脱盐回收的淡水的量。

来自反渗透装置的浓盐水的处理也是一个很重要的问题。溶解盐的存 在增加了水的密度。海水(3.5％的盐)的比重(在20℃)为约1.0263，高产反渗 透排放物(7.0％的盐)的比重为约1.0528。如果将这种反渗透排放物直接注入 到海水中，在底部可以聚积对生存在底部的有机物可能有害的影响。

不同于返回到海水中，用于处置来自脱盐装置的盐水的选择性方案具 有局限性。通常不期望使用蒸发塘，其由于土地成本的原因而很昂贵。此 外，其仅在蒸发率超过降雨量的气候中才有用。通常将深井处理用于有害 废物，其在佛罗里达已经用于使盐水脱盐，但是基建费用限制了这种方法。 此外，对于大型脱盐装置而言，由于盐水的量很大，采用深井灌注方式很 不可靠。

在一些应用中，来自脱盐装置的盐水还可含有多种不应排放(即使浓度 很小时也是如此)的污染物。例如，在海水、地下水或地表水中有时存在砷、 硒等等。例如即使浓度为百万分之几的硒或砷也相当有害。例如，加利福 利亚中央裂谷中的农业操作在排水中具有很显著的硒问题，其阻碍了将该 水再用作灌溉或其它目的。因此，在使用反渗透方法过程中，上述污染物 还可产生限制。

海水还具有许多有价值的成分，但是其价值仅当可将其经济地回收时 才能得以实现。现具有多种方式来回收许多这些有价值的海水成分，但是 由于这些成分的浓度较低，且由于海水中其它成分的影响，所述回收经济 性通常是令人沮丧的。