脱盐盐水浓缩系统及方法与流程

本发明涉及脱盐设施的设计和操作，尤其涉及一种用于从盐水源水的脱盐中有效且经济地回收矿物和其它副产物、以及用于实现脱盐的零液体排放方式的系统和方法。

背景技术：

1、在脱盐工业中，热处理作为盐水浓缩器占主导地位。基于热处理的系统的示例包括经常与机械蒸汽压缩机(mvc)或热蒸汽压缩机(tvc)一起操作的竖管式蒸发器。然而，这些传统方法具有较高的能耗。例如，两级mvc盐水浓缩器可能需要24千瓦时每立方米(kwh/m3)的产物水，以将总溶解固体(tds)为百万分之70,000(ppm)的进料水浓缩至250,000ppm。或者，基于膜的浓缩器(例如，反渗透处理)通常需要较少的能耗。因此，努力寻找更好的基于膜的盐水浓缩概念。

2、为方便参考，本文大部分地方引用“海水”作为源水。该引用并非旨在进行限制，因为源水可以是本领域普通技术人员认为可以作为脱盐设施的进料水的任何盐水。

3、在典型的海水反渗透(swro)脱盐厂中，主要关注的问题之一是对饮用水分离后剩余的浓缩盐水排放的管理(例如，总溶解固体(tds)水平约为百万分之300(ppm)或更少的水)。浓缩形式的盐水的直接排放对海洋环境产生不利影响。由于该副产物的体积相对较大，并且需要以对环境负责的方式处置该副产物，因此处置浓缩盐水的替代方法是昂贵的。

4、此外，脱盐设施的运行需要高货币成本(设施、劳动力等)和高能耗努力，所得到的纯化水产物每升具有相对较高的具体成本。

5、图1示出了通常用于高盐度海水(例如阿拉伯湾)的典型swro系统的示例的示意图。在该系统1中，tds浓度约为42,000ppm的海水2被泵3驱动至约为69巴(bar)的压力，并被引入反渗透膜容器5的入口4。典型的反渗透设施膜系统的回收率仅约50％。因此，在图1的示例中，在膜系统5的纯化水侧的出口6处，产物水7(即渗透物)的tds可以小于300ppm，而在膜系统的浓缩侧的排出盐水出口8处，浓缩盐水9的总溶解固体浓度将大约是入口海水的两倍，tds为84,000ppm。图1还示出了海水脱盐厂的典型特征，其中高压浓缩盐水(这里，大约67巴)用于驱动能量回收装置，例如涡轮或等压压力交换器，以回收必须放入入口海水中以驱动脱盐处理的能量的至少一部分。然后必须处理副产物浓缩盐水(图1中未显示)。

6、表1说明了为什么在这样的系统中很难简单地将回收率提高到超过50％。目前，大多数市售swro膜设计为在施加到膜上的高达83巴的最大压力(即典型的破裂压力)下操作，而当回收率增加以产生非常高水平的盐水tds浓度时，预计会有更高的渗透压差。如表1所示，所需渗透压(π)与获得纯化水所需的比功率消耗(spc，单位为千瓦时/立方米产物水)的比较，在60％回收率下，渗透压达到接近膜破裂水平的水平，这是不希望的。此外，当渗透压增加到如此高的水平时，处理变得不那么有效，导致更高的功耗(即增加spc)。

7、表1.

8、

9、上述示例基于渗透压计算，假设在25℃下海水进料tds浓度为42,000ppm，产物水tds浓度为300ppm，并使用解离常数为1.8的范特霍夫方程(假设海水是氯化钠溶液)。比功率消耗计算假设净驱动压力(ndp)为22.5巴(ndp约等于进料压力减去渗透膜的进料(浓缩物)和渗透物侧之间的渗透压差的对数平均值)，泵和泵马达效率为85％，能量回收装置效率为95％，渗透物和盐水排放的背压为0.8至2.0巴。

10、与提高回收率相关联的另一个问题是膜表面上的垢沉积，以及由此导致的膜渗透低盐度水的能力的急剧降低。在通常以较低回收率水平(例如35％至45％的回收率)操作的传统海水脱盐系统中，垢沉积通常不是主要问题，因为导致结垢的矿物质(例如钙、镁、碳酸盐和硫酸盐离子)的浓度足够低，低于它们开始以固体形式沉淀的浓度。相比之下，在回收率高于50％的swro系统中，极有可能发生膜上的垢沉积。

11、另一种已知的反渗透方法是纳滤海水反渗透(nf-swro)处理，例如，如图2所示。在该系统11中，tds为42,000ppm的海水12在进入纳滤单元14之前被泵13加压到大约15巴。在约75％的回收率下，降低浓度的出口流体15的tds浓度仅降低至约34,000ppm，并且纳滤器副产物盐水16具有约67,000ppm的更高浓度。由于盐水输出的浓度相对较低，nf盐水的体积也相当大，必须进行管理。

12、在通过纳滤单元14进行处理之后，降低浓度的出口流体15通过泵17进一步加压，在本示例中至约为71巴。该高压进料经由入口19进入反渗透容器18。在该示例中，回收率约为60％，导致在出口20处排放tds浓度小于300ppm的产物水，以及浓缩侧输出22处排放70巴的盐水且tds浓度为84,000ppm。如在第一示例中，能量回收装置24用于回收盐水排放中的一部分压力能量。

13、需要一种用于操作脱盐设施的改进的系统和方法，该系统和方法降低产物具体成本，降低盐水体积和处置成本，提高能量效率，并且产生具有商业上可行的应用的浓缩盐水产物。

技术实现思路

1、本发明利用双纳滤-反渗透盐水浓缩系统(也称为“dtri浓缩器”)解决了现有技术中的前述和其他问题。

2、本发明是一种新型的基于膜的盐水浓缩系统，它克服了上述困难，使盐水的浓度达到约120,000～250,000ppm的高水平。这些水平足够高以允许有效和商业上可行地提取具有商业价值的矿物质，例如硫酸钙、食盐、硫酸镁、锂等。高盐度水平还允许经济有效地实施零液体排放(zld)。

3、本发明的一个独特方面是其处理来自两种不同浓缩处理的两种盐水输出流的方法，一种是来自纳滤处理的具有富二价离子的排出盐水的流，另一种是来自反渗透处理的具有富单价离子的排出盐水的盐水流。组合处理的布置方式允许流更有效且成本更低的转化以有利地使用盐水。

4、可替代地，本发明促进零液体排放(zld)脱盐系统的操作，其中流被进一步处理成固体晶体形式以用于有利的用途或负责任的处置，例如在适当设计的垃圾填埋场中。

5、在本发明的一个实施例中，盐水源水(海水)首先由纳滤膜系统处理。纳滤处理的渗透物的tds浓度降低(例如，降低到源海水的大约3/4)，然后成为反渗透系统的入口源。来自nf系统的排出盐水流具有比源海水大约高1.5倍的tds水平，并且二价离子浓度高达四倍。nf系统的主要目的是从海水中除去二价离子，这实质上减少或甚至消除了swro膜上矿垢沉积物的堆积。

6、为了使nf排出流适合于有益的用途(例如，用于矿物质的提取)，使用中空细纤维(hff)正向渗透(fo)膜系统进一步浓缩nf排出流。在该nf排出流浓缩处理的一个实施例中，该系统从hff fo的孔侧产生低盐度水作为产物，该低盐度水可以与成为swro系统的入口源的nf渗透物的主流混合。

7、来自hff fo处理的壳侧的排出流具有非常高浓度的二价矿物，例如，超过源海水中钙和镁浓度的5倍。在这种高浓度下，二价矿物可被经济有效地提取并用于生产各种有益的商业产品，例如石膏或硫酸镁，或在生产脱盐水中作为矿物质源重新使用，用于swro渗透物的后处理(即，tds<300ppm的产物水)。

8、在hff-fo处理中，孔侧流速通常小于壳侧流速。例如，大约7％的所处理的nf盐水排出流可最初被引导至hff的孔侧以优化渗透压差。引入到hff的孔侧的nf排出流的量可根据盐水源水、目标产物和排出流的tds浓度以及膜破裂压力而变化，例如在0至大约30％的范围内。

9、一般而言，与螺旋缠绕膜相比，已知hff膜由于其低通量操作而具有更小的污垢可能性，并且是该应用的首选。此外，hff fo系统可以以并行流动或逆流流动操作。虽然在下面的详细描述中讨论的实施例是并行流动布置，但是也可以使用具有逆流流动的hff fo系统，例如，当期望较高矿物浓度的hff fo排出流时。

10、可选地，中空细滤器-反渗透(hff ro)膜可用于浓缩nf排出流，同时还产生适于用作饮用水的tds浓度的脱盐水，即可直接加入到由接收nf渗透物流的主swro脱盐系统生产的脱盐水产物中的水。该hff ro饮用水流类似地可通过操作hff fo系统而获得，无需将任何nf排出流分流到孔侧以增强渗透压差(即，其中将0％的nf排出流送至孔侧)。

11、根据原始海水的盐度和nf排出条件，可以使用基于ro、fo或pro膜的系统来执行nf排出流处理，当需要时进行适当的化学处理。

12、回到初级处理路径，在nf处理之后，将具有比源海水低的tds浓度的nf渗透物供给到swro系统。由于nf渗透物流具有显著较低的tds浓度，swro系统的回收率可在单级或多级中增加至55％或更多。此外，因为通过nf处理源海水，swro源流和由此产生的ro排出盐水流中二价离子的量非常有限，因此进一步浓缩由swro系统产生的盐水的唯一剩余障碍是swro元件所需的进料压力，该压力可能高于它们的破裂压力。为了克服这个问题，可以采用逆流流动hff fo。

13、在一个实施例中，高tds浓度swro排出流成为另一hff fo膜浓缩系统的第一级的进料流。为了克服高渗透压差，swro排出流的一部分被引导至hff fo膜的孔侧，以稍微降低的压力从fo膜的壳侧到孔侧提供期望的净驱动压力(ndp)。swro排出流的剩余部分被引导至hff fo膜系统的壳侧，同时保持其高压。由于压差高于渗透压差，允许期望的净驱动压力(ndp)促进流过膜纤维(即，纯水从壳侧渗透到孔侧)，壳侧上的swro排出流盐水变得更浓缩，而孔侧流变得更稀释。为了将渗透压差保持在合理的范围内，可将最终孔侧tds浓度设置为处于或接近nf系统渗透物输出浓度的浓度，将来自hff-fo孔侧的该稀释流引导回到主要swro源进料流，用于通过swro分离处理进行再处理。

14、来自初级swro下游的hff-fo处理的浓缩流出流(壳侧)具有非常高的tds的浓度，并且还具有足够高的压力以在进一步的hff-fo处理中对该流进行再处理。在hff fo系统的“第二级”中，可以将高tds hff fo排出流分流到第二级hff-fo系统的孔侧和壳侧，如在上游(即“第一级”)hff-fo系统中完成的，以便将通过中空纤维的渗透压差和驱动力保持在合理范围内。来自第二级hff-fo处理的稀释孔侧流可返回至初级swro处理的级之间的相应中间进料流，例如，添加至来自第一swro级的swro排出盐水流中，所述第一swro级是第二swro级的源流。

15、与来自接收nf系统排出流的hff-fo系统的高浓缩排出盐水流一样，来自第二级hff-fo处理的高浓缩壳侧排出流可作为有用的资源产物回收，在这种情况下具有高含量的单价离子，例如钠和氯化物。这对于化学制造行业来说是一种有价值的产物，该行业将这种盐水用于各种处理。可选地，即使不用于任何其他目的，该浓缩盐水具有比来自典型swro处理的swro盐水小两倍以上的体积，并且可以通过结晶器系统进行处理以将高浓缩盐水转化为一次性固体残余物，从而实现零液体排放系统。

16、本发明的双nf和swro盐水浓缩系统中的swro级的数量和hff fo盐水浓缩级的数量可根据盐水源水的tds和矿物含量以及浓缩盐水的期望最终tds水平而变化。

17、与初级nf处理下游的hff-fo系统一样，根据最终盐水浓度要求和允许的膜破裂压力，代替hff fo盐水浓缩系统，其他类型的基于ro、fo或pro膜的系统可用作浓缩器。一般来说，这种膜的关键要求是具有较高的透水性、较低的溶质渗透性和较高的破裂压力。

18、尽管在以下详细描述的实施例中使用了大多数市售swro元件的膜破裂压力特性，但由许多膜供应商商业化的高达120巴的破裂压力的膜产品可用于本发明提出的发明。不管市售的膜元件的实际破裂压力是多少，本发明的一个关键特征是将膜两侧上的渗透压差保持在破裂压力以下，使得可以获得一定的净驱动压力，从而以分级的方式产生从膜的浓缩侧到稀释侧的水传输，以达到目标最终浓缩tds。

19、当结合附图考虑时，本发明的其它目的、优点和新颖特征将从本发明的以下详细描述中变得显而易见。

技术特征：

1.一种操作盐水浓缩系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括以下步骤：

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中所述二价离子浓缩单元是纳滤单元、中空细纤维正向渗透(hff-fo)单元或微咸水反渗透(bwro)单元。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，包括以下步骤：

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括以下步骤：向第三盐水浓缩器系统供应所述二价离子浓缩单元渗余物侧流的至少一部分。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，其中所述第三盐水浓缩器系统包括至少一个纳滤单元，所述方法进一步包括以下步骤：向所述至少一个纳滤单元的第一纳滤单元供应所述二价离子浓缩单元渗余物侧流的至少一部分，以输出第一纳滤单元渗透物，并将所述第一纳滤单元渗透物的至少一部分输送到所述第一反渗透膜单元。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，进一步包括向所述至少一个纳滤单元的第二纳滤单元供应所述第一纳滤单元的渗余物的至少一部分，以输出第二纳滤单元渗透物，并将所述第二纳滤单元渗透物的至少一部分输送到所述第一反渗透膜单元。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括在渗余物侧向第二反渗透膜单元供应所述第一反渗透膜单元渗余物侧流的至少一部分，其中所述第二反渗透膜单元具有高达120巴的破裂压力。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中所述第一盐水浓缩器包括反渗透膜。

11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中所述第二盐水浓缩器包括反渗透膜。

12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括以下步骤：仅在渗余物侧向所述第一反渗透膜供应所述第一盐水浓缩器渗透物侧流的至少一部分，而所述第一盐水浓缩器渗透物侧流的所述一部分不接触所述第一反渗透膜和所述第一盐水浓缩器之间的另一个反渗透膜和/或盐水浓缩器膜。

13.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，其中仅在渗余物侧向所述第二反渗透膜供应所述第二盐水浓缩器渗透物侧流的至少一部分，而所述第二盐水浓缩器渗透物侧流的所述一部分不接触所述第二反渗透膜和所述第二盐水浓缩器之间的另一个反渗透膜和/或盐水浓缩器膜。

14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中来自所述第二盐水浓缩器的所述渗余物的输出包括百万分之120,000至250,000(ppm)的矿物浓度。

15.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括以下步骤：向结晶器供应所述第二盐水浓缩器渗余物侧流的至少一部分。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，其中所述结晶器使氯化钠结晶。

17.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括以下步骤：向一个或多个能量回收装置供应所述二价离子浓缩单元渗余物侧流、第一盐水浓缩器渗余物侧流和/或第二盐水浓缩器渗余物侧流。

18.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中从所述盐水浓缩系统回收的脱盐水为至少60％。

19.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括以下步骤：从一种或多种渗余物侧流中回收矿物质。

20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，其中产物水每kwh/m3的比功率消耗小于15kwh/m3。

技术总结
一种通过双膜盐水浓缩器系统(DTRI浓缩器)生产可从中获得商业上有效获得的矿物的用于产生超高浓度盐水流的系统和方法。该系统包括从海水中除去二价离子的纳滤系统、接收并进一步浓缩从纳滤系统排出的盐水的盐水浓缩器(例如中空细纤维正向渗透系统)、接收NF系统渗透物并除去单价离子的SWRO系统，以及进一步浓缩从SWRO系统排出的盐水的另一盐水浓缩器。各种渗透物和排出盐水流可通过双膜盐水浓缩器系统输送，并且可以使用多级系统部件，以提高盐水浓度和提高系统效率。

技术研发人员：尼古拉·武奇科夫,阿哈姆德·萨利赫·穆罕默德·阿拉穆迪,穆罕默德·法罗克·阿余曼塔卡斯,林承远
受保护的技术使用者：盐水转换公司
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5