[发明专利]用于在高回收率脱盐系统中防结垢的离子螯合

说明书

可以从一种水性组合物(22)中沉淀以便产生结垢的阳离子通过将多齿配体(24)添加至该水性组合物(22)中螯合。该多齿配体与该阳离子结合以便形成一种不结垢离子络合物；并且在一个从该水性组合物中生产基本纯净的水(32)的工艺(28)中使用具有该离子络合物的水溶液(26)，在该工艺中在不存在该离子络合物形成的情况下该阳离子经受结垢。然后降低该水性组合物(或包含该水性组合物的组分的盐水)的pH(36)以便从该多齿配体(42)中释放该阳离子(40)；并且在释放该阳离子之后然后在一个主要是闭合环路中再使用该多齿配体(42)。

背景

在本世纪，淡水的短缺将超过作为人类全球关注的能量的短缺；并且这两个挑战有着密不可分的联系，例如，正如2010年5月20日一期的《经济学家》(The Economist)中“关于水的特别报道(Special Report on Water)”中所解释的。淡水是人和其他生物体的最基本的需求之一；每个人每天需要消耗最少约两升。全世界还面临来自农业和工业过程的更大的淡水需求。

供水不足造成的危害是极其紧迫的。淡水的短缺可能导致多种危机，包括饥荒、疾病、死亡、被迫大规模迁移、跨地区冲突/战争以及崩溃的生态系统。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，并且其余部分中有约70％作为冰冻结(主要在冰盖和冰川中)，使得只剩下地球上所有水中的一小部分呈可供使用的淡(非咸)水形式。

此外，地球上作为淡水并可供使用的水是不均匀分布的。例如，人口众多的国家，如印度和中国，有很多受稀缺供应源影响的地区。再进一步，淡水供应往往季节性地不一致。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；河流枯竭；并且冰川和冰盖收缩。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造成甚至更大的威胁。因此，面临水短缺的人数越来越多。然而，天然存在的淡水典型地被局限于区域性流域；并且水运输是昂贵并且能量密集的。

此外，可以有利地从污染的废物流(例如，来自油气生产)提取水以便同时生产淡水和浓缩并且减少这些废物流的体积，由此减少污染和污染物并且减少成本。

然而，用于从海水(或从半咸水或污染的废物流)生产淡水的许多现有方法需要大量的能量。反渗透(RO)是目前领先的脱盐技术。在大型工厂中，与理论最小值约1kWh/m³相比，在30％回收率下所要求的比电量(specific electricity)可以低到4kWh/m³；规模更小的RO系统(例如，船载的)效率更低。

其他现有的海水脱盐系统包括基于热能的多级闪蒸(MSF)蒸馏和多效蒸馏(MED)，两者均是能量和资本密集型方法。然而，在MSF和MED系统中，最高盐水温度和热量输入的最高温度受到限制以便避免硫酸钙、氢氧化镁以及碳酸钙沉淀，该沉淀会导致在传热设备上形成软垢和硬垢。

增湿-除湿(HDH)脱盐系统包括一个增湿器和一个除湿器作为其主要部件并且使用一种载气(例如空气)在热源与盐水之间传送能量。这种技术的一种简单型式包括一个增湿器、一个除湿器及一个用于加热海水流的加热器。在增湿器中，热海水与干燥空气直接接触，并且该空气被加热并增湿。在除湿器中，使加热并增湿的空气与冷海水(间接)接触并且得到除湿，从而产生纯水和除湿的空气。就MSF和MED系统来说，如果温度上升太高结垢组分的沉淀伴随后续损坏在该系统内可能发生。

在美国专利号8,119,007B2(A.Bajpayee等人)中描述的另一种方法使用定向溶剂，该定向溶剂定向地溶解水但是不溶解盐。加热这种定向溶剂以将来自盐溶液中的水溶解于该定向溶剂中。将剩余的高度浓缩的盐水去除，并且将定向溶剂和水的溶液冷却以使基本纯净的水从该溶液中沉淀出来。