[发明专利]使用定向溶剂的水提取

说明书

背景

在本世纪，淡水短缺预计会超过能源短缺而成为人类的一个全球关注的问题，而这两个挑战被不可避免地联系在一起。淡水是人类和其他生物体最根本的需求之一。每个人每天需要消耗最低约两升水，除此之外在农业以及工业过程中有更大的淡水需求。同时，运输淡水或经由脱盐生产淡水的技术倾向于高度地要求日益稀缺的廉价的能量供应源。

供水不足造成的危害是极其紧迫的。淡水短缺可能导致饥荒、疾病、死亡、强制的大规模迁移、跨区域冲突/战争(从达尔富尔到美国西南部)、以及生态系统的崩溃。尽管有对淡水需求的紧急程度和短缺的深远影响，淡水供应仍受到格外限制。地球上97.5％的水是咸水，并且剩余部分中约70％以冰形式封锁(主要在冰盖和冰川中)，使得地球上所有的水中只剩下0.75％呈可供使用的淡水形式。

此外，那0.75％的可供使用的淡水并非均匀分布的。例如，人口众多的国家，如印度和中国，有很多受稀少供应源影响的地区。再进一步，淡水供应往往季节性地不一致。水典型地局限于区域性流域，较重，并且它的运输是昂贵且能量密集的。

同时，对淡水的需求在全球范围内逐渐紧张。水库干涸；蓄水层下降；河流干涸；并且冰川和冰盖回缩。不断增长的人口使需求增加，正如在农业中的转变和增长的工业化所造成的。气候变化在许多地区构成甚至更大的威胁。因此，面临水短缺的人数越来越多。

从海水(或盐度更小的半咸水)中生产淡水典型地需要大量的能量，尤其是偏远地区。反渗透(RO)是目前领先的脱盐技术。在大型RO工厂中，与理论最小值约1kWh/m³相比，在30％回收率下所要求的能量/体积可以低到4kWh/m³，不过规模更小的RO系统(例如，船载的)效率较低。另一种受欢迎的方法是多级闪蒸(MSF)蒸馏，也是一种能源和资本密集的工艺。

胜于提取纯水，电化学方法，如电渗析(ED)和电容式脱盐(CD)，提取了刚刚足够的盐来获得饮用水(<10mM)。目前大规模的电化学脱盐系统在将海水脱盐方面比RO厂的效率更低(例如，7kWh/m³是ED中的现有技术水平)，但对于半咸水来说变得更有效(例如，CD可以达到0.6kWh/m³)。总体而言，现有的从水中除盐的技术，其中一些已经存在了几个世纪，倾向于是昂贵的或复杂的或两者兼有。

能源和水的交缠变得越来越多，尤其在油和气采出的情形下。典型地需要大量水来提取油和气，并且采出了数百万加仑的高盐度[即高总溶解固体(TDS)含量]水。这种采出水不适于工业或家庭使用并且排放到河流、土地或任何下水地点中是不安全的，它可能借此与公用供水混合。此外，大部分这种水也不适于在油和气提取中再循环。经常，提取地点远离淡水源安置，使得运输水的代价大并且再循环现场所采出的水势在必行。举例来说，通过水力压裂提取页岩气和油每口井需要5-7百万加仑的水。这一体积的20％-40％以高盐水的形式流回到地表。这种水在它可以被再循环或排放之前需要被处理。更高盐度的回流和采出水(高达与海水相比更咸8倍)使大多数现有脱盐工艺变得不能胜任。更高的TDS加速了膜积垢并且快速增加能量消耗。蒸发工艺存在结垢和低回收率的问题。根据这些发展，甚至更重要的是实施可以克服这些挑战的新脱盐工艺。

发明概述

在此描述了使用定向溶剂进行水提取(包括脱盐和处理)的方法和器具。该方法可以连续进行，并且器具可以被设计用于连续操作。由其提取水的组合物可以是例如一种混合物、溶液或乳液。该器具和方法的不同实施例可能包括以下描述的部分或全部的元素、特征以及步骤。

某些溶剂，如一些脂肪酸，具有不寻常的特征，即能够定向溶解水而不溶解其他水溶性盐如氯化钠或杂质，并且同时不溶或几乎不溶于水(即，水溶解到占主导地位的定向溶剂相中，但定向溶剂并不以显著量溶于占主导地位的水相中)。这种定向溶解度现象在此被用于一种可以在闭合环路中操作的温度受控的盐水溶液脱盐的连续或半连续的新方法。

在一种水处理或脱盐的连续方法中，定向溶剂(例如具有羧酸基的脂肪酸)流经环路(回路)；并且一种包括水和至少一种溶解的组分的液体组合物被引入环路中，在该环路中液体组合物与定向溶剂混合。来自液体组合物的水溶解到定向溶剂中，而溶解的组分实质上以浓缩的剩余物的形式从定向溶剂中排除。浓缩的剩余物与水-溶剂溶液分离并且被从环路去除。将水-溶剂溶液冷却以使水从定向溶剂析出；并且水以纯化的形式从定向溶剂中分离并且被从环路去除。定向溶剂接着在环路中再循环，并且以连续的方式重复该过程。