[发明专利]工业水净化和淡化

说明书

相关申请的相关引用

本申请宣告2011年9月9日递交的美国临时专利申请号61/532766的优先权，该申请的全部公开以引用的方式合并在本文中。

背景技术

由于常规的水资源变得日益稀缺，水净化技术正快速成为现代生活的重要方面，用于饮用水的市政配水系统随年代老化，并且增加的水使用消耗水井和水库，并造成盐水污染。此外，包括例如集约耕作、汽油添加剂和有毒重金属的各种行为造成水源的进一步污染。这些问题导致水系统中病菌、细菌、盐、MTBE、氯酸盐、高氯酸盐、砷、汞、甚至用于消毒饮用水的化学物水平增加并令人反感。

此外，即使地球的几乎3/4被海水覆盖，但该水中仅有3%作为淡水资源存在，并且由于人口增长和全球变暖，这些资源变得日益稀缺。所有淡水中大约69%被包含在冰帽和冰川中。伴随着增长的全球熔化，这种淡水变得不可回收，因此实际可用的不到1%，大部分（超过90%）是逐步被人类行为和盐水入侵污染的含水层中的地下水。因此，迫切需要能够将盐水（包括海水和卤水）变为淡水、同时去除大范围污染物的技术。

常规的淡化和水处理技术，包括反渗透（RO）过滤和诸如多效蒸馏（MED）、多级闪蒸（MSF）以及蒸汽压缩蒸馏（VC）的热蒸馏系统，很少能够处理盐渍环境中发现的各种范围的水污染物。此外，即使它们在商业上可用，它们常常需要多个处理阶段或一些各种技术的组合以实现可接受的水质量。当盐含量增加时，RO系统承受高水压的要求，这导致它们在商业淡化中变得昂贵，并且它们普遍浪费超过40%的输入给水，这使它们在水稀缺时变得没有吸引力。此外，RO设备产生大量通常丢弃到海水中的废卤水，这导致对鱼类和贝类致命的高含盐度。非常规的技术，诸如紫外线辐射或臭氧处理可有效抵抗病毒和细菌，但很少能够去除其它污染物，诸如溶解气体、盐、碳氢化合物和非可溶性固体。此外，虽然大部分蒸馏技术可擅长去除污染物子集，它们很少能处理所有类型的污染物。

由于商业淡化厂通常是复杂的、需要一年到三年建造的工程项目，它们通常是资本密集型的，并且难以从一个地点移动到另一个地点。它们的复杂性和对多种技术的依赖性也使其易具有高的维护成本。由于RO厂被设计为在稳定压力和水流条件下连续工作，大的压力波动或供电中断会损坏更换昂贵的膜，因此，输入给水需要广泛的预处理以防止RO膜的污染。

热蒸馏系统，诸如LeGolf等（专利US6,635,150B1）中描述的那些，包括MED系统，其依赖于多个在真空下工作的蒸发和冷凝步骤以实现以低于水正常沸点的温度蒸发。这些技术在商业上可用于各个国家的淡化，但其全部是根据不同的物理-化学原理工作。例如，MED、MSF和VC系统都需要真空，这意味着由于蒸发出现在低于消毒所需温度下，因此产物水不能被消毒；同样，真空系统往往会泄露，并需要机械强化。此外，MED、MSF和VC系统中的传热和热回收包括跨膜或薄金属表面的热交换，但热交换易被污染和形成水垢，并需要频繁维护。

最近，Thiers（2009年9月17日递交的PCT申请号US2009/57277、名称为“大规模水净化和淡化”和2010年4月12日递交的PCT申请号US2010/030759、名称为“用于水溶液净化中降低结垢的方法和系统”）已经描述了一种从水蒸气中去除结垢成分的方法和用于淡化系统的大规模实施方式。然而，Thiers描述的早期预处理系统依赖于最终热处理，其包括加热到120℃长达若干分钟的停留时间，这虽然在技术上有效，但表现出巨大的能量消耗。需要一种最小化能量消耗同时仍能从水蒸气中去除结垢成分的预处理方法。此外，Thiers描述的用于大规模淡化和水处理的实施方式不能解决启动和关机工作期间遇到的瞬变现象，并且不能适当地确保不同沸腾阶段之间稳定液压头的维护。除了在正常工作期间的稳定以外，还需要在启动和关机过程期间稳定的工业配置。

需要便宜和有效的消除结垢化合物的预处理方法。还需要连续和高度自我清理、抗腐蚀和抗结垢、模块化和紧凑、回收输入水的主要部分同时产生结晶为固体盐饼的高度集中废卤水、相对便宜和低维护的工业淡化和水处理系统。

发明内容