EA 025677B1 20170130 Номер и дата охранного документа [PDF] EAPO2017\PDF/025677 Полный текст описания [**] EA201300469 20080922 Регистрационный номер и дата заявки US60/974,298 20070921 Регистрационные номера и даты приоритетных заявок EAB1 Код вида документа [PDF] eab21701 Номер бюллетеня [**] НИЗКОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА И СПОСОБ ОПРЕСНЕНИЯ МОРСКОЙ ВОДЫ Название документа [8] C02F 9/06, [8] C02F 1/42, [8] C02F 1/46, [8] C02F 1/469, [8] C02F103/08 Индексы МПК [US] Ганзи Гэри К., [US] Лян Ли-шиан, [US] Уилкинс Фредерик К. Сведения об авторах [US] ЭВОКУА УОТЕР ТЕКНОЛОДЖИЗ ЭЛЭЛСИ Сведения о патентообладателях [US] ЭВОКУА УОТЕР ТЕКНОЛОДЖИЗ ЭЛЭЛСИ Сведения о заявителях
 

Патентная документация ЕАПВ

 
Запрос:  ea000025677b*\id

больше ...

Термины запроса в документе

Реферат

[RU]

1. Устройство электрохимического разделения, содержащее истощающую камеру, включающую вход для источника воды, имеющей растворенные в ней твердые вещества, где указанная истощающая камера ограничена, по меньшей мере частично, первой катионселективной мембраной и первой анионселективной мембраной; две пары концентрирующих ячеек в ионном сообщении с указанной истощающей камерой, где первая пара концентрирующих ячеек содержит камеру первой полуячейки, включающую вход для первой водной жидкости, имеющей первую концентрацию растворенных твердых веществ, и находящуюся в ионном сообщении с истощающей камерой через первую катионселективную мембрану; камеру второй полуячейки, включающую вход для второй водной жидкости, имеющей вторую концентрацию растворенных твердых веществ, которая больше, чем первая концентрация растворенных твердых веществ, и находящуюся в ионном сообщении с камерой первой полуячейки через вторую анионселективную мембрану, причем камера второй полуячейки дополнительно ограничена, по меньшей мере частично, второй катионселективной мембраной, где вторая пара концентрирующих ячеек содержит камеру третьей полуячейки в ионном сообщении с истощающей камерой через первую анионселективную мембрану и камеру четвертой полуячейки в ионном сообщении с камерой третьей полуячейки через третью катионселективную мембрану.

2. Система опреснения, содержащая источник морской воды; средство для избирательного уменьшения концентрации одновалентных частиц, проточно соединенное с источником морской воды, для получения первого разбавленного потока в истощающей камере электродиализного устройства; средство для увеличения концентрации растворенных твердых веществ в первом потоке морской воды в концентрирующей камере электродиализного устройства, причем это электродиализное устройство содержит указанную истощающую камеру, проточно соединенную с источником морской воды, и указанную концентрирующую камеру, отделенную от истощающей камеры одновалентно-селективной мембраной; средство для увеличения концентрации растворенных твердых веществ во втором потоке морской воды с получением потока рассола; средство для обмена по меньшей мере части двухвалентных частиц на одновалентные частицы в первом разбавленном потоке, где данное средство для обмена имеет выход второго разбавленного потока; устройство электрохимического разделения по п.1, вход истощающей камеры которого соединен с выходом для частично обработанного потока указанного средства для обмена.

3. Система опреснения по п.2, в которой средство для увеличения концентрации растворенных твердых веществ во втором потоке морской воды содержит электродиализное устройство, имеющее концентрирующую камеру, проточно соединенную с источником морской воды, и выход рассола, обеспечивающий поток рассола.

4. Система опреснения по п.3, в которой электродиализное устройство и/или устройство электрохимического разделения содержит анодную и катодную камеры.

5. Система опреснения по п.4, в которой камера первой полуячейки проточно соединена с источником морской воды, а камера второй полуячейки проточно соединена с источником рассола.

6. Способ обработки жидкости с использованием устройства электрохимического разделения по п.1, в котором первая водная жидкость представляет собой морскую воду, а вторая водная жидкость представляет собой рассол, имеющий вторую концентрацию растворенных твердых веществ по меньшей мере приблизительно 10 мас.%, где поток указанного рассола используют в качестве исходного потока, вводимого в камеру второй полуячейки и камеру четвертой полуячейки.

7. Способ по п.6, в котором отношение второй концентрации растворенных твердых веществ к первой концентрации растворенных твердых веществ составляет по меньшей мере приблизительно 3.

8. Способ опреснения морской воды с использованием системы опреснения по любому из пп.2-5, в котором снижают концентрацию одновалентных частиц морской воды на первой стадии опреснения с получением частично обессоленной воды в электродиализном устройстве; увеличивают концентрацию растворенных твердых веществ в первом потоке морской воды; получают раствор рассола из морской воды второго потока морской воды, где раствор рассола имеет полную концентрацию растворенных твердых веществ, которая по меньшей мере в два раза больше полной концентрации растворенных твердых веществ в морской воде; обменивают по меньшей мере часть двухвалентных частиц на одновалентные частицы в первом разбавленном потоке при помощи средства для обмена, имеющего выход второго разбавленного потока; вводят второй разбавленный поток с указанного выхода средства для обмена в истощающую камеру указанного устройства электрохимического разделения; создают концентрационно-индуцированный электрический потенциал в паре концентрирующих ячеек устройства электрохимического разделения, что ускоряет перенос по меньшей мере части растворенных частиц из частично обессоленной воды в истощающей камере в камеру пары концентрирующих ячеек.

9. Способ по п.8, при котором дополнительно замещают по меньшей мере часть растворенных, не одновалентных частиц в частично обессоленной воде растворенными одновалентными частицами.

10. Способ по п.8, при котором при получении раствора рассола ускоряют перенос по меньшей мере части растворенных частиц из морской воды во второй поток морской воды, текущий в концентрирующей камере электродиализного устройства.

11. Способ по п.8, при котором дополнительно электролитически генерируют по меньшей мере одно из хлора или гипохлоритных частиц в анодной камере по меньшей мере одного из электродиализного устройства и электроуправляемого устройства разделения; электролитически генерируют поток щелочи в катодной камере по меньшей мере одного устройства из электродиализного устройства и электроуправляемого устройства разделения.

12. Способ по п.11, при котором дополнительно, по меньшей мере частично, дезинфицируют по меньшей мере часть морской воды образованным хлором или гипохлоритными частицами.

13. Способ по п.9, где дополнительно пропускают по меньшей мере часть морской воды через систему нанофильтрации перед уменьшением концентрации одновалентных частиц морской воды на первой стадии опреснения.


Полный текст патента

(57) Реферат / Формула:

1. Устройство электрохимического разделения, содержащее истощающую камеру, включающую вход для источника воды, имеющей растворенные в ней твердые вещества, где указанная истощающая камера ограничена, по меньшей мере частично, первой катионселективной мембраной и первой анионселективной мембраной; две пары концентрирующих ячеек в ионном сообщении с указанной истощающей камерой, где первая пара концентрирующих ячеек содержит камеру первой полуячейки, включающую вход для первой водной жидкости, имеющей первую концентрацию растворенных твердых веществ, и находящуюся в ионном сообщении с истощающей камерой через первую катионселективную мембрану; камеру второй полуячейки, включающую вход для второй водной жидкости, имеющей вторую концентрацию растворенных твердых веществ, которая больше, чем первая концентрация растворенных твердых веществ, и находящуюся в ионном сообщении с камерой первой полуячейки через вторую анионселективную мембрану, причем камера второй полуячейки дополнительно ограничена, по меньшей мере частично, второй катионселективной мембраной, где вторая пара концентрирующих ячеек содержит камеру третьей полуячейки в ионном сообщении с истощающей камерой через первую анионселективную мембрану и камеру четвертой полуячейки в ионном сообщении с камерой третьей полуячейки через третью катионселективную мембрану.

2. Система опреснения, содержащая источник морской воды; средство для избирательного уменьшения концентрации одновалентных частиц, проточно соединенное с источником морской воды, для получения первого разбавленного потока в истощающей камере электродиализного устройства; средство для увеличения концентрации растворенных твердых веществ в первом потоке морской воды в концентрирующей камере электродиализного устройства, причем это электродиализное устройство содержит указанную истощающую камеру, проточно соединенную с источником морской воды, и указанную концентрирующую камеру, отделенную от истощающей камеры одновалентно-селективной мембраной; средство для увеличения концентрации растворенных твердых веществ во втором потоке морской воды с получением потока рассола; средство для обмена по меньшей мере части двухвалентных частиц на одновалентные частицы в первом разбавленном потоке, где данное средство для обмена имеет выход второго разбавленного потока; устройство электрохимического разделения по п.1, вход истощающей камеры которого соединен с выходом для частично обработанного потока указанного средства для обмена.

3. Система опреснения по п.2, в которой средство для увеличения концентрации растворенных твердых веществ во втором потоке морской воды содержит электродиализное устройство, имеющее концентрирующую камеру, проточно соединенную с источником морской воды, и выход рассола, обеспечивающий поток рассола.

4. Система опреснения по п.3, в которой электродиализное устройство и/или устройство электрохимического разделения содержит анодную и катодную камеры.

5. Система опреснения по п.4, в которой камера первой полуячейки проточно соединена с источником морской воды, а камера второй полуячейки проточно соединена с источником рассола.

6. Способ обработки жидкости с использованием устройства электрохимического разделения по п.1, в котором первая водная жидкость представляет собой морскую воду, а вторая водная жидкость представляет собой рассол, имеющий вторую концентрацию растворенных твердых веществ по меньшей мере приблизительно 10 мас.%, где поток указанного рассола используют в качестве исходного потока, вводимого в камеру второй полуячейки и камеру четвертой полуячейки.

7. Способ по п.6, в котором отношение второй концентрации растворенных твердых веществ к первой концентрации растворенных твердых веществ составляет по меньшей мере приблизительно 3.

8. Способ опреснения морской воды с использованием системы опреснения по любому из пп.2-5, в котором снижают концентрацию одновалентных частиц морской воды на первой стадии опреснения с получением частично обессоленной воды в электродиализном устройстве; увеличивают концентрацию растворенных твердых веществ в первом потоке морской воды; получают раствор рассола из морской воды второго потока морской воды, где раствор рассола имеет полную концентрацию растворенных твердых веществ, которая по меньшей мере в два раза больше полной концентрации растворенных твердых веществ в морской воде; обменивают по меньшей мере часть двухвалентных частиц на одновалентные частицы в первом разбавленном потоке при помощи средства для обмена, имеющего выход второго разбавленного потока; вводят второй разбавленный поток с указанного выхода средства для обмена в истощающую камеру указанного устройства электрохимического разделения; создают концентрационно-индуцированный электрический потенциал в паре концентрирующих ячеек устройства электрохимического разделения, что ускоряет перенос по меньшей мере части растворенных частиц из частично обессоленной воды в истощающей камере в камеру пары концентрирующих ячеек.

9. Способ по п.8, при котором дополнительно замещают по меньшей мере часть растворенных, не одновалентных частиц в частично обессоленной воде растворенными одновалентными частицами.

10. Способ по п.8, при котором при получении раствора рассола ускоряют перенос по меньшей мере части растворенных частиц из морской воды во второй поток морской воды, текущий в концентрирующей камере электродиализного устройства.

11. Способ по п.8, при котором дополнительно электролитически генерируют по меньшей мере одно из хлора или гипохлоритных частиц в анодной камере по меньшей мере одного из электродиализного устройства и электроуправляемого устройства разделения; электролитически генерируют поток щелочи в катодной камере по меньшей мере одного устройства из электродиализного устройства и электроуправляемого устройства разделения.

12. Способ по п.11, при котором дополнительно, по меньшей мере частично, дезинфицируют по меньшей мере часть морской воды образованным хлором или гипохлоритными частицами.

13. Способ по п.9, где дополнительно пропускают по меньшей мере часть морской воды через систему нанофильтрации перед уменьшением концентрации одновалентных частиц морской воды на первой стадии опреснения.


Евразийское ои 025677 (13) В1
патентное
ведомство
(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ЕВРАЗИЙСКОМУ ПАТЕНТУ
(45) Дата публикации и выдачи патента 2017.01.30
(21) Номер заявки 201300469
(22) Дата подачи заявки 2008.09.22
(51) Int. Cl. C02F9/06 (2006.01) C02F1/42 (2006.01) C02F1/46 (2006.01)
C02F 1/469 (2006.01)
C02F103/08 (2006.01)
(54) НИЗКОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА И СПОСОБ ОПРЕСНЕНИЯ МОРСКОЙ ВОДЫ
(31) 60/974,298; 60/981,855
(32) 2007.09.21; 2007.10.23
(33) US
(43) 2013.12.30
(62) 201070384; 2008.09.22
(71) (73) Заявитель и патентовладелец:
ЭВОКУА УОТЕР ТЕКНОЛОДЖИЗ ЭЛЭЛСИ (US)
(72) Изобретатель:
Ганзи Гэри К., Лян Ли-шиан, Уилкинс
Фредерик К. (US)
(74) Представитель:
Хмара М.В., Рыбаков В.М., Новоселова С.В., Дощечкина В.В., Липатова И.И. (RU)
(56) RU-C1-2006476
US-A1-2005263457 RU-U1-56374
(57) Предлагается низкоэнергетическая система и способ обработки воды. Данная система имеет по меньшей мере одно электродиализное устройство, которое производит частично обработанную воду и побочный рассол, смягчитель и по меньшей мере одно электродеионизирующее устройство. Поток частично обработанной воды может смягчаться смягчителем, снижая вероятность образования накипи и уменьшая потребление энергии в электродеионизирующем устройстве, которое производит воду, имеющую целевые свойства. По меньшей мере часть энергии, использованной электродеионизирующим устройством, может быть генерирована с помощью разницы концентраций между потоками рассола и морской воды, введенными в его камеры. Поток рассола также может быть использован для регенерации смягчителя.
Предпосылки создания изобретения 1. Область техники, к которой относится изобретение
Данное изобретение касается систем и способов опреснения морской воды и, в частности, систем и способов опреснения морской воды, потребляющих мало энергии, содержащих многостадийные электродиализные устройства и электродеионизирующие устройства, имеющие пары полуячеек с концентрационными потенциалами.
2. Предшествующий уровень техники
Опреснение морской воды осуществляли, главным образом, с помощью термических способов, таких как парокомпрессионная дистилляция, многоступенчатая дистилляция и другие. Большинство термических установок располагаются там, где есть изобилие энергии, доступной для опреснения морской воды. Электродиализ обычно использовали для обессоливания или опреснения жесткой воды. Опресняющие системы с обратным осмосом сейчас являются более обещающими, так как такие системы имеют меньшие энергетические требования и имеют меньшие капитальные, рабочие и эксплутационные затраты, по сравнению с термическими системами. Использование энергорегенерирующих устройств в системах с обратным осмосом дополнительно снижает потребление энергии. Однако технология обратного осмоса обычно требует по меньшей мере приблизительно 2,5 кВт-ч/м3. Термические способы будут требовать большего потребления энергии, так как для опреснения нужно фазовое изменение. Если доступно отходящее тепло, то такие способы, как мембранная дистилляция, могут использоваться с такими низкими энергетическими требованиями, как 1,5 кВт-ч/м3.
Сущность изобретения
Современное применение электродиализных устройств, работающих в условиях низкого потребления энергии, и пар полуэлектродов, генерирующих потенциал электродиализного устройства, обеспечивает систему опреснения, которая имеет относительно меньшие энергетические требования по сравнению с обычными системами опреснения морской воды на основе обратного осмоса.
Один или несколько аспектов данного изобретения могут быть направлены на электродеионизи-рующее устройство, содержащее первую истощающую камеру, проточно соединенную с источником воды, содержащей растворенные в ней твердые вещества, причем данная истощающая камера определена, по меньшей мере частично, катионселективной мембраной и первой анионселективной мембраной; первую концентрирующую камеру, проточно соединенную ниже по ходу от источника первой водной жидкости, имеющей первую концентрацию растворенных твердых веществ, и в ионном сообщении с первой истощающей камерой через катионселективную мембрану; и вторую истощающую камеру, проточно соединенную ниже по ходу от источника второй водной жидкости, имеющей вторую концентрацию растворенных твердых веществ, которая больше, чем первая концентрация растворенных твердых веществ, и ионном сообщении с первой концентрирующей камерой через вторую анионселективную мембрану.
Один или несколько аспектов данного изобретения могут быть направлены на устройства для обработки воды, имеющей растворенные в ней ионные частицы. Данное устройство может содержать в некоторых вариантах осуществления первую истощающую камеру, проточно соединенную с источником воды и, по меньшей мере, частично определенную первой анионселективной мембраной и первой катион-селективной мембраной; первую концентрирующую камеру, проточно соединенную с источником первого водного раствора, имеющего первую концентрацию растворенных твердых веществ, где первая концентрирующая камера обычно находится в ионном сообщении с первой истощающей камерой через первую анионселективную мембрану или первую катионселективную мембрану; и вторую истощающую камеру, проточно соединенную с источником второго водного раствора, имеющего вторую концентрацию растворенных твердых веществ, которая больше, чем первая концентрация растворенных твердых веществ, где вторая истощающая камера обычно находится в ионном сообщении с первой концентрирующей камерой через вторую катионселективную мембрану или вторую анионселективную мембрану.
Один или несколько аспектов данного изобретения могут быть направлены на систему опреснения морской воды. Данная система опреснения может содержать по меньшей мере одно первое электродиализное устройство, включающее в себя по меньшей мере одну первую истощающую камеру, имеющую вход первой истощающей камеры, проточно соединенный с источником морской воды, и выход первой истощающей камеры, и по меньшей мере одну первую концентрирующую камеру, имеющую вход первой концентрирующей камеры и выход первой концентрирующей камеры; по меньшей мере одно второе электродиализное устройство, включающее в себя по меньшей мере одну вторую истощающую камеру, имеющую вход второй истощающей камеры, проточно соединенный с источником морской воды, и выход второй истощающей камеры, и по меньшей мере одну вторую концентрирующую камеру, имеющую вход второй концентрирующей камеры, проточно соединенный с источником морской воды, и выход рассола; по меньшей мере один ионообменный элемент, имеющий вход ионообменника, проточно соединенный по меньшей мере с одним выходом из выхода первой истощающей камеры и выхода второй истощающей камеры, и выход ионообменника; и по меньшей мере одно электродеионизирующее устройство, имеющее первую истощающую камеру, проточно соединенную с выходом ионообменника, где
данная истощающая камера определена, по меньшей мере частично, первой катионселективной мембраной и первой анионселективной мембраной, первую концентрирующую камеру, проточно соединенную с источником морской воды, и в ионном сообщении с первой истощающей камерой через первую кати-онселективную мембрану, и вторую истощающую камеру, проточно соединенную ниже по ходу от выхода рассола, и в ионном сообщении с первой концентрирующей камерой через вторую анионселектив-ную мембрану.
Один или несколько аспектов данного изобретения могут включать в себя систему опреснения, содержащую источник воды, которая может, по меньшей мере, частично иметь или представлять собой морскую воду; средство для избирательного уменьшения концентрации моноселективных частиц в первом потоке морской воды с получением первого разбавленного потока; средство для увеличения концентрации растворенных твердых веществ во втором потоке морской воды с получением потока рассола; средство для обмена по меньшей мере части двухвалентных частиц на одновалентные частицы в первом разбавленном потоке, где данное средство для обмена может иметь выход второго разбавленного потока; и устройство электрохимического разделения. Устройство электрохимического разделения обычно имеет истощающую камеру, проточно соединенную со вторым разбавленным потоком, и средство обеспечения концентрационно-индуцированного электрического потенциала в ионном сообщении с истощающей камерой.
Один или несколько дополнительных аспектов данного изобретения могут касаться электродеиони-зирующего устройства, содержащего истощающую камеру, проточно соединенную с источником воды, имеющей растворенные в ней твердые вещества, где данная истощающая камера задана, по меньшей мере частично, катионселективной мембраной и первой анионселективной мембраной; и пару концентрационных полуячеек в ионном сообщении с истощающей камерой. Данная пара концентрационных полуячеек обычно содержит камеру первой полуячейки, проточно соединенную с источником первой водной жидкости, имеющей первую концентрацию растворенных твердых веществ, и находящуюся в ионном сообщении с истощающей камерой через катионселективную мембрану или первую анионселек-тивную мембрану, и камеру второй полуячейки, проточно соединенную ниже по ходу от источника второй водной жидкости, имеющей вторую концентрацию растворенных твердых веществ, которая больше, чем первая концентрация растворенных твердых веществ, и находящуюся в ионном сообщении с камерой первой полуячейки через вторую анионселективную мембрану.
Один или несколько других дополнительных аспектов данного изобретения могут касаться способа опреснения морской воды, содержащего снижение концентрации одновалентных частиц морской воды на первой стадии опреснения с получением частично обессоленной воды; получение раствора рассола из морской воды, где раствор рассола имеет полную концентрацию растворенных твердых веществ, которая по меньшей мере в два раза больше полной концентрации растворенных твердых веществ в морской воде; введение частично обессоленной воды в истощающую камеру электроуправляемого устройства разделения; создание концентрационно-индуцированного электрического потенциала в паре концентрационных ячеек электроуправляемого устройства разделения, что промотирует перенос по меньшей мере части растворенных частиц из частично обессоленной воды в истощающей камере в камеру пары концентрационных ячеек.
Краткое описание чертежей
Сопровождающие чертежи не подразумевают изображения в масштабе. На чертежах каждый идентичный или почти идентичный компонент, который изображен на различных фигурах, обозначен таким же номером. В целях ясности не каждый компонент может быть обозначен на каждом чертеже.
На чертежах:
фиг. 1 представляет собой схематичную блок-схему системы согласно одному или нескольким вариантам осуществления данного изобретения;
фиг. 2 представляет собой схематичную блок-схему системы согласно одному или нескольким дополнительным вариантам осуществления данного изобретения;
фиг. 3 представляет собой схематичную блок-схему системы опреснения морской воды согласно одному или нескольким вариантам осуществления данного изобретения;
фиг. 4 представляет собой схематичное изображение части электродеионизирующего устройства, которое может быть использовано в одной или нескольких системах согласно одному или нескольким аспектам данного изобретения;
фиг. 5 представляет собой схематичное изображение части электродеионизирующего устройства согласно одному или нескольким аспектам данного изобретения;
фиг. 6А и 6В представляют собой схематичные изображения частей безэлектродных устройств непрерывной деионизации согласно одному или нескольким аспектам данного изобретения;
фиг. 7 представляет собой график, изображающий прогнозируемые энергетические требования согласно одному или нескольким аспектам данного изобретения;
фиг. 8 представляет собой схематичное изображение Доннан-улучшенного электродеионизирующего (ЭДИ) модуля согласно одному или нескольким аспектам данного изобретения;
фиг. 9А и 9В представляют собой схематичные изображения системы согласно одному или не
скольким аспектам данного изобретения;
фиг. 10А и 10В представляют собой схематичные изображения электродиализных цепочек, которые могут быть использованы согласно одному или нескольким аспектам данного изобретения;
фиг. 11А и 11В представляют собой графики, показывающие энергию, требуемую при обработке искусственной соленой воды ("раствор NaCl") и морской воды, относительно полной концентрации растворенных твердых веществ целевого продукта при использовании электродиализных устройств со стандартными ионоселективными мембранами (фиг. 11а) и моноселективными мембранами (фиг. 11В) согласно одному или нескольким аспектам данного изобретения;
фиг. 12А и 12В представляют собой графики, показывающие доли катионов (фиг. 12А) и анионов (фиг. 12В) во время обработки морской воды относительно стадий электродиализа при использовании моноселективных мембран согласно одному или нескольким аспектам данного изобретения.
Подробное описание
Настоящее изобретение касается системы обработки, которая в некоторых аспектах, вариантах осуществления или конфигурациях может представлять собой систему обработки воды. Некоторые особенно преимущественные аспекты данного изобретения могут быть направлены на системы обработки морской воды или системы и технологии опреснения, включая обработку или опреснение морской воды. Системы и технологии данного изобретения могут преимущественно обеспечивать обработанную воду путем использования разницы концентраций для создания потенциала или движущих условий, которые облегчают перенос одного или нескольких перемещаемых растворенных твердых веществ в обрабатываемой воде. Дополнительные аспекты данного изобретения могут касаться систем и технологий, которые обеспечивают питьевую воду из морской воды или жесткой воды.
Один или несколько аспектов данного изобретения могут обеспечивать питьевую воду, которая удовлетворяет требованиям Всемирной Организации Здравоохранения или превышает их, которая может быть получена из обычной сырой морской воды с полным потреблением энергии ниже 1,5 кВт-ч/м3 получаемой воды. Другие аспекты данного изобретения могут касаться объединенной системы электродиализа и непрерывной электродеионизации, и устройства, и новой конфигурации непрерывной электродеи-онизации, которая использует разницы концентраций для облегчения разделения ионов.
Некоторые варианты осуществления данного изобретения могут включать в себя многостадийные способы, использующие электродиализные (ЭД) устройства для опреснения морской воды до полной концентрации растворенных твердых веществ (ПРТ) или концентрации солей в диапазоне от приблизительно 3500 до приблизительно 5500 ч./млн с последующим ионообменным (ИО) смягчением и окончательным опреснением до уровня ПРТ меньше чем приблизительно 1000 ч./млн содержания солей с помощью новой версии непрерывной электродеионизации (НЭДИ).
Системы и способы авторов настоящего изобретения могут включать в себя уникальную комбинацию существующих и новых технологий, где каждый компонент используется для снижения или даже минимизации общего потребления энергии с помощью преимущественного применения синергизма между разными компонентами и операциями, которые совокупно преодолевают соответствующие ограничения современных ЭД и НЭДИ устройств. Например, так как энергетическая эффективность ЭД устройств обычно уменьшается, когда ПРТ уровень продукта снижается ниже 5500 ч./млн, обычно из-за явлений концентрационной поляризации и расщепления воды, НЭДИ устройства могут быть использованы вместо этого, чтобы дополнительно опреснять воду, содержащую такие низкие ПРТ уровни, меньшие чем 5500 ч./млн, при более высокой сравнительной эффективности, так как последнее устройство использует ионообменную смолу. Что касается образования накипи, смягчитель устраняет или снижает концентрацию не одновалентных, образующих накипь частиц. Использование одновалентно-селективных мембран, например, во второй параллельной электродиализной цепочке может быть использовано, чтобы генерировать регенерирующий поток для стадии смягчения, который обычно имеет более высокую концентрацию одновалентных частиц, тем самым, по меньшей мере, снижая, если не устраняя, любую необходимость внешнего хранения солевого потока. Дополнительные преимущества могут включать в себя улучшенный отбор воды.
Некоторые дополнительные аспекты данного изобретения могут включать в себя ЭД и НЭДИ устройства, которые могут работать при достаточно низких плотностях тока, так что концентрационная поляризация и расщепление воды ограничены, что снижает расход энергии.
Система опреснения морской воды, например, может содержать первую стадию обработки, которая предпочтительно снижает концентрацию растворенных частиц, таких как одно или несколько растворенных твердых веществ. Некоторые особые аспекты настоящего изобретения будут описаны в отношении морской воды. Данное изобретение, однако, не ограничивается обработкой или опреснением морской воды, и один или несколько его принципов могут быть использованы для обработки жидкости, содержащей целевые частицы, которые необходимо удалять из нее.
Один или несколько аспектов данного изобретения могут касаться электродеионизирующего устройства, содержащего первую истощающую камеру, проточно соединенную с источником воды, содержащей растворенные в ней твердые вещества, причем данная истощающая камера определена, по меньшей мере частично, катионселективной мембраной и первой анионселективной мембраной; первую кон
центрирующую камеру, проточно соединенную ниже по ходу от источника первой водной жидкости, имеющей первую концентрацию растворенных твердых веществ, и в ионном сообщении с первой истощающей камерой через катионселективную мембрану; и вторую истощающую камеру, проточно соединенную ниже по ходу от источника второй водной жидкости, имеющей вторую концентрацию растворенных твердых веществ, которая больше, чем первая концентрация растворенных твердых веществ, и в ионном сообщении с первой концентрирующей камерой через вторую анионселективную мембрану.
В некоторых вариантах осуществления данного изобретения первая водная жидкость представляет собой морскую воду, обычно имеющую первую концентрацию растворенных твердых веществ меньше чем приблизительно 4 мас.%, обычно приблизительно от 3,3 до 3,7 мас.%, и, в некоторых случаях, вторая водная жидкость представляет собой рассол, имеющий вторую концентрацию растворенных твердых веществ по меньшей мере приблизительно 10 мас.%. В одном или нескольких дополнительных конкретных вариантах осуществления первая истощающая камера проточно соединяется с источником воды, имеющим концентрацию растворенных твердых веществ меньше чем приблизительно 2500 ч./млн, или отношение второй концентрации растворенных твердых веществ к первой концентрации растворенных твердых веществ составляет по меньшей мере приблизительно 3.
Один или несколько аспектов данного изобретения могут касаться устройств для обработки воды, имеющей растворенные в ней ионные частицы. Данное устройство может содержать, в некоторых вариантах осуществления, первую истощающую камеру, проточно соединенную с источником воды, и, по меньшей мере, частично определенную первой анионселективной мембраной и первой катионселектив-ной мембраной; первую концентрирующую камеру, проточно соединенную с источником первого водного раствора, имеющего первую концентрацию растворенных твердых веществ, причем первая концентрирующая камера находится в ионном сообщении с первой истощающей камерой через первую анион-селективную мембрану или первую катионселективную мембрану; и вторую истощающую камеру, проточно соединенную с источником второго водного раствора, имеющего вторую концентрацию растворенных твердых веществ, которая больше, чем первая концентрация растворенных твердых веществ, где вторая истощающая камера обычно находится в ионном сообщении с первой концентрирующей камерой через вторую катионселективную мембрану или вторую анионселективную мембрану.
В некоторых вариантах осуществления данного изобретения данное устройство может дополнительно содержать вторую концентрирующую камеру, проточно соединенную, по меньшей мере, с источником третьего водного раствора, имеющего третью концентрацию растворенных твердых веществ, которая меньше, чем вторая концентрация растворенных твердых веществ, или источником первого водного раствора, причем вторая концентрирующая камера находится в ионном сообщении со второй истощающей камерой через вторую анионселективную мембрану или вторую катионселективную мембрану. Вторая концентрирующая камера может быть, но не обязательно, в ионном сообщении с первой истощающей камерой через первую катионселективную мембрану. В дополнительных конфигурациях согласно некоторым аспектам данного изобретения данное устройство содержит один или несколько солевых мостов, которые, например, ионно соединяют первую истощающую камеру и вторую концентрирующую камеру. В других дополнительных вариантах осуществления данного изобретения данное устройство может дополнительно содержать третью истощающую камеру, проточно соединенную, по меньшей мере, с источником второго водного раствора или источником четвертого водного раствора, имеющего четвертую концентрацию растворенных твердых веществ, которая больше, чем третья концентрация растворенных твердых веществ, где третья истощающая камера обычно находится в ионном сообщении со второй концентрирующей камерой через третью катионселективную мембрану. Данное устройство может дополнительно содержать третью концентрирующую камеру, проточно соединенную с по меньшей мере одним источником из источника первого водного раствора, источника третьего водного раствора и источника пятого водного раствора, имеющего пятую концентрацию растворенных твердых веществ, которая меньше, чем вторая концентрация растворенных твердых веществ и четвертая концентрация растворенных твердых веществ, причем третья концентрирующая камера находится в ионном сообщении с третьей истощающей камерой через третью анионселективную мембрану. Третья концентрирующая камера может быть в ионном сообщении с первой истощающей камерой через первую кати-онселективную мембрану, и, в некоторых случаях, третья концентрирующая камера находится в ионном сообщении с первой истощающей камерой через солевой мост. Таким образом, в некоторых конфигурациях данное устройство не имеет электродов или структур, которые обеспечивают внешний электродвижущий потенциал через его камеры.
В других конфигурациях данного устройства первая истощающая камера и первая концентрирующая камера проточно соединены ниже по ходу от одного источника.
Один или несколько аспектов данного изобретения могут касаться системы опреснения морской воды. Система опреснения может содержать по меньшей мере одно первое электродиализное устройство, включающее в себя по меньшей мере одну первую истощающую камеру, имеющую вход первой истощающей камеры, проточно соединенный с источников морской воды, и выход первой истощающей камеры, и по меньшей мере одну первую концентрирующую камеру, имеющую вход первой концентрирующей камеры и выход первой концентрирующей камеры; по меньшей мере одно второе электродиа
лизное устройство, включающее в себя по меньшей мере одну вторую истощающую камеру, имеющую вход второй истощающей камеры, проточно соединенный с источником морской воды, и выход второй истощающей камеры, и по меньшей мере одну вторую концентрирующую камеру, имеющую вход второй концентрирующей камеры, проточно соединенный с источником морской воды, и выход рассола; по меньшей мере один ионообменный элемент, имеющий вход ионообменника, проточно соединенный с по меньшей мере одним выходом из выхода первой истощающей камеры и выхода второй истощающей камеры, и выход ионообменника; и по меньшей мере одно электродеионизирующее устройство, имеющее первую истощающую камеру, проточно соединенную с выходом ионообменника, где данная истощающая камера определена, по меньшей мере, частично первой катионселективной мембраной и первой анионселективной мембраной, первую концентрирующую камеру, проточно соединенную с источником морской воды, и находящуюся в ионном сообщении с первой истощающей камерой через первую кати-онселективную мембрану, и вторую истощающую камеру, проточно соединенную ниже по ходу от выхода рассола, и в находящуюся ионном сообщении с первой концентрирующей камерой через вторую анионселективную мембрану.
В одном или нескольких вариантах осуществления системы опреснения, по меньшей мере, первая концентрирующая камера или вторая истощающая камера не содержат ионообменной смолы.
В других конфигурациях системы опреснения по меньшей мере одно электродеионизирующее устройство дополнительно содержит вторую концентрирующую камеру, по меньшей мере, частично определенную первой анионселективной мембраной и имеющую вход, проточно соединенный с источником морской воды, и третью истощающую камеру в ионном сообщении со второй концентрирующей камерой через вторую катионселективную мембрану, и имеющую вход, проточно соединенный с по меньшей мере одним выходом из выхода рассола, выхода первой концентрирующей камеры и выхода второй истощающей камеры. В некоторых случаях по меньшей мере одна камера из первой концентрирующей камеры, второй истощающей камеры, второй концентрирующей камеры и третьей истощающей камеры не содержит ионообменной смолы.
Система опреснения морской воды в некоторых преимущественных конфигурациях может дополнительно содержать один или несколько баков хранения рассола, один или несколько из которых могут быть проточно соединены с по меньшей мере одним выходом из выхода первой концентрирующей камеры или выхода второй истощающей камеры. Один или несколько баков хранения рассола могут соответственно содержать выход, любой один или несколько из которых могут быть проточно соединены или соединимы с по меньшей мере одним ионообменным элементом исключительно или с другими операциями данной системы опреснения.
В других конфигурациях система опреснения морской воды может дополнительно содержать третье электродиализное устройство, имеющее третью истощающую камеру, проточно соединенную ниже по ходу от первой истощающей камеры и выше по ходу от ионообменного элемента. Дополнительные конфигурации могут включать в себя системы, которые содержат четвертое электродиализное устройство, имеющее четвертую истощающую камеру, проточно соединенную ниже по ходу от второй истощающей камеры и выше по ходу от ионообменного элемента.
В некоторых преимущественных конфигурациях данной системы по меньшей мере одно первое электродиализное устройство содержит одновалентно-селективную мембрану, расположенную между по меньшей мере одной первой истощающей камерой и по меньшей мере одной первой истощающей камерой. Дополнительно, первая истощающая камера электродеионизирующего устройства может содержать смешанный слой ионообменной среды, такой как ионообменная смола.
Некоторые дополнительные аспекты данного изобретения могут включать в себя предварительную обработку воды, предпочтительно морской воды или жесткой воды. В одной или нескольких конфигурациях данного изобретения система опреснения может дополнительно содержать по меньшей мере один узел предварительной обработки, который может быть проточно соединен ниже по ходу от источника обрабатываемой воды, которая может быть морской водой или жесткой водой, и предпочтительно проточно соединен или соединим выше по ходу от по меньшей мере одного устройства, из по меньшей мере одного первого электродиализного устройства по меньшей мере одного второго электродиализного устройства и по меньшей мере одного электродеионизирующего устройства. Данный по меньшей мере один узел предварительной обработки может содержать по меньшей мере одну подсистему, выбранную из группы, состоящей из системы фильтрации, системы хлорирования и системы дехлорирования. Узел предварительной обработки может содержать, в некоторых конфигурациях системы, по меньшей мере один компонент из микрофильтра, песочного фильтра и фильтра очистки от микрочастиц.
В некоторых случаях система предварительной обработки может также содержать управляемую давлением систему, которая избирательно удаляет двухвалентные частицы, такие как сульфат. Например, система нанофильтрации, использующая мембрану FILMTEC(tm) от The Dow Chemical Company, Midland, Michigan, может быть использована для снижения концентрации, по меньшей мере, сульфатных частиц, что должно дополнительно уменьшить потребление энергии одним или несколькими узлами ниже по ходу, такими как электродиализные устройства и электродеионизирующие устройства.
В еще других конфигурациях одной или нескольких систем данного изобретения по меньшей мере
одно из по меньшей мере одного электродеионизирующего устройства содержит коллектор анионных частиц, коллектор катионных частиц и солевой мост в ионном сообщении с анодным и катодным коллекторами. Коллекторы ионных частиц могут представлять собой камеры, по меньшей мере, частично заданные с помощью ионоселективной среды. Когда выгодно по меньшей мере одно из по меньшей мере одного электродеионизирующего устройства, по меньшей мере одного первого электродиализного устройства и по меньшей мере одного второго электродиализного устройства содержит анодную камеру, проточно соединенную ниже по ходу от источника водного раствора, имеющего растворенные хлорид-ные частицы, где данная электродная камера содержит выход хлора или выход гипохлорита. Дополнительные конфигурации могут включать в себя по меньшей мере одно из по меньшей мере одного элек-тродеионизирующего устройства, по меньшей мере одного первого электродиализного устройства и по меньшей мере одного второго электродиализного устройства, содержащего вторую электродную камеру, содержащую выход потока щелочи.
Один или несколько аспектов данного изобретения могут включать в себя систему опреснения, содержащую источник воды, которая может, по меньшей мере, частично иметь или представлять собой морскую воду; средство для избирательного уменьшения концентрации моноселективных частиц в первом потоке морской воды с получением первого разбавленного потока; средство для увеличения концентрации растворенных твердых веществ во втором потоке морской воды с получением потока рассола; средство для обмена по меньшей мере части двухвалентных частиц на одновалентные частицы в первом разбавленном потоке, где данное средство для обмена может иметь выход второго разбавленного потока; и устройство электрохимического разделения. Устройство электрохимического разделения обычно имеет истощающую камеру, проточно соединенную со вторым разбавленным потоком, и средство обеспечения концентрационно-индуцированного электрического потенциала в ионном сообщении с истощающей камерой.
В некоторых конфигурациях системы опреснения данное средство для увеличения концентрации растворенных твердых веществ в первом потоке морской воды содержит электродиализное устройство, имеющее истощающую камеру, проточно соединенную с источником морской воды, и концентрирующую камеру, отделенную от истощающей камеры одновалентно-селективной мембраной. Средство для увеличения концентрации растворенных твердых веществ во втором потоке морской воды может содержать электродиализное устройство, имеющее концентрирующую камеру, проточно соединенную с источником морской воды, и выход рассола, обеспечивающий поток рассола. Средство для обеспечения концентрационно-индуцированного электрического потенциала может содержать первую камеру полуячейки, проточно соединенную с источником исходного потока первой полуячейки, имеющего первую концентрацию всех растворенных твердых веществ, и вторую камеру полуячейки, проточно соединенную с источником исходного потока второй полуячейки, имеющего вторую концентрацию всех растворенных твердых веществ, которая больше чем первая концентрация всех растворенных твердых веществ. Камера первой полуячейки обычно проточно соединена с источником морской воды, а камера второй полуячейки проточно соединена с источником рассола.
Один или несколько дополнительных аспектов данного изобретения могут касаться электродеиони-зирующего устройства, содержащего истощающую камеру, проточно соединенную с источником воды, имеющей растворенные в ней твердые вещества, где данная истощающая камера задана, по меньшей мере, частично катионселективной мембраной и первой анионселективной мембраной; и по меньшей мере одну пару концентрационных полуячеек в ионном сообщении с истощающей камерой. Данная пара концентрационных полуячеек обычно содержит камеру первой полуячейки, проточно соединенную с источником первой водной жидкости, имеющей первую концентрацию растворенных твердых веществ, и находящуюся в ионном сообщении с истощающей камерой через катионселективную мембрану или первую анионселективную мембрану, и камеру второй полуячейки, проточно соединенную ниже по ходу от источника второй водной жидкости, имеющей вторую концентрацию растворенных твердых веществ, которая больше, чем первая концентрация растворенных твердых веществ, и находящуюся в ионном сообщении с камерой первой полуячейки через вторую анионселективную мембрану.
В некоторых конфигурациях данного электродеионизирующего устройства первая водная жидкость представляет собой морскую воду. Вторая водная жидкость может быть потоком рассола, имеющего вторую концентрацию растворенных твердых веществ по меньшей мере приблизительно 10 мас.%. Таким образом, в некоторых вариантах осуществления данного изобретения вторая концентрация растворенных твердых веществ к первой концентрации растворенных твердых веществ находится в концентрационном отношении, которое составляет по меньшей мере приблизительно три.
Один или несколько других дополнительных аспектов данного изобретения могут касаться способа опреснения морской воды, содержащего снижение концентрации одновалентных частиц морской воды на первой стадии опреснения с получением частично обессоленной воды; получение раствора рассола из морской воды, где раствор рассола имеет полную концентрацию растворенных твердых веществ, которая по меньшей мере в два раза больше полной концентрации растворенных твердых веществ в морской воде; введение частично обессоленной воды в истощающую камеру электроуправляемого устройства разделения; и создание концентрационно-индуцированного электрического потенциала в паре концентра
ционных ячеек электроуправляемого устройства разделения, что промотирует перенос по меньшей мере части растворенных частиц из частично обессоленной воды в истощающей камере в камеру пары концентрационных ячеек. Данный способ может дополнительно содержать пропускание по меньшей мере части морской воды через систему нанофильтрации перед уменьшением концентрации одновалентных частиц морской воды на первой стадии опреснения.
Данный способ может дополнительно содержать, в некоторых подходах, замещение по меньшей мере части растворенных, не одновалентных частиц в частично обессоленной воде растворенными одновалентными частицами. Снижение концентрации одновалентных частиц морской воды может включать в себя избирательное снижение концентрации растворенных одновалентных частиц в электродиализном устройстве. Получение раствора рассола может включать в себя облегчение переноса по меньшей мере части растворенных частиц из морской воды во второй поток морской воды, текущий в концентрирующей камере электродиализного устройства. Данный способ опреснения воды может дополнительно содержать электрическое образование хлора или гипохлоритных частиц в электродной камере, обычно в анодной камере по меньшей мере одного из электролитического устройства, электродиализного устройства и электроуправляемого устройства разделения, и электрическое образование потока щелочи в одной или нескольких камерах по меньшей мере одного из электролитического устройства, электродиализного устройства и электроуправляемого устройства разделения. Кроме того, данный способ опреснения может также содержать, по меньшей мере, частичную дезинфекцию по меньшей мере части морской воды образованным хлором, образованными гипохлоритными частицами или обоими.
Некоторые конкретные аспекты, варианты осуществления и конфигурации систем и технологий данного изобретения могут включать в себя обработку воды в системе 100, показанной в виде примера на фиг. 1.
Система 100 обработки может быть проточно присоединена или присоединена к источнику обрабатываемой жидкости 110. Обычно обрабатываемая жидкость содержит подвижные ионные частицы. Например, обрабатываемая жидкость может представлять собой или содержать воду, имеющую соли в виде растворенных в ней твердых веществ. В конкретных приложениях данного изобретения обрабатываемая жидкость может представлять собой морскую воду, содержать морскую воду или состоять, по существу, из морской воды. В других случаях обрабатываемая жидкость может представлять собой жесткую воду, содержать жесткую воду или состоять, по существу, из жесткой воды.
Система 100 обработки может содержать первую стадию 120 обработки, проточно соединенную с источником обрабатываемой жидкости 110. Система 100 обработки может дополнительно содержать вторую стадию 130 и, когда выгодно, третью стадию 140 обработки с получением обработанного продукта в точке применения 190.
Первая стадия обработки изменяет по меньшей мере одно свойство или характеристику обрабатываемой жидкости. Предпочтительно первая стадия 120 обработки снижает по меньшей мере долю одной или нескольких целевых частиц в обрабатываемой жидкости, обеспечивая, по меньшей мере, частично обработанную жидкость. Например, первая стадия 120 обработки может использовать одну или несколько операций, которые удаляют по меньшей мере часть растворенных частиц в морской воде из источника 110 с получением, по меньшей мере, частично обработанной воды или потока 121 воды, имеющей содержание соли меньше, чем морская вода. Предпочтительные конфигурации могут обеспечивать поток 121, по меньшей мере, частично обработанной воды, которая имеет соленость по меньшей мере на 5% меньше, чем морская вода из источника 110. Другие предпочтительные конфигурации могут обеспечивать, по меньшей мере, частично обработанную воду, которая имеет соленость по меньшей мере на 10% меньше, чем морская вода. Первая стадия 120 обработки может применяться или может быть разработана так, чтобы обеспечивать целевое изменение или различие относительной концентрации или солености между обрабатываемой жидкостью, например, морской водой, и потоком, по меньшей мере, частично обработанной жидкости, например, по меньшей мере, частично обработанной водой. Целевое различие в концентрации, обеспечиваемое первой стадией 120 обработки, может, по меньшей мере, частично зависеть от нескольких факторов или условий, включая любой один или несколько факторов из производительности одной или нескольких операций ниже по ходу, одного или нескольких требований одной или нескольких операций ниже по ходу, и, в некотором случае, общего водопотребления системы 100 обработки, но не ограничивается ими. Например, изменение концентрации, например, изменение солености, обеспечиваемое первой стадией 120 обработки, может зависеть от опреснения морской воды с обеспечением, по меньшей мере, частично обработанной воды, которая является подходящей для обработки элек-тродеионизирующим устройством, устройством нанофильтрации или обоими. Другие факторы, которые могут влиять на подход к разработке первой стадии 120 обработки, могут диктоваться, по меньшей мере, частично экономическими или эксплуатационными соображениями. Например, первая стадия 120 обработки может быть сконструирована так, чтобы обеспечивать, по меньшей мере, частично обработанную воду, используя доступную электрическую энергию существующей установки.
Дополнительные конфигурации или альтернативы первой стадии 120 обработки могут включать в себя одну или несколько операций, которые избирательно удаляют одну или несколько целевых или заданных частиц из обрабатываемой жидкости. Например, первая стадия обработки может содержать или
применять одну или несколько операций, которые, по меньшей мере, частично избирательно удаляют или снижают концентрацию растворенных одновалентных частиц в обрабатываемой жидкости. В других случаях первая стадия обработки может содержать или применять одну или несколько операций, которые обеспечивают поток продукта, имеющего концентрацию одного или нескольких типов растворенных в нем частиц, которая больше, чем концентрация данных растворенных частиц в обрабатываемой жидкости. В других случаях первая стадия обработки может обеспечивать второй поток продукта, имеющего концентрацию растворенных в нем твердых веществ, которая больше, чем концентрация вспомогательного потока жидкости, который может быть потоком от операции, которая не связана с операцией системы 100 обработки. Например, вспомогательный поток может быть побочным продуктом одного или нескольких источников (не показаны). В других случаях изменение концентрации или солености, обеспечиваемое первой стадией 120 обработки, по меньшей мере, в частично обработанном потоке, может зависеть от обеспечения второго потока продукта, который будет использоваться в одной или нескольких операциях ниже по ходу системы 100 обработки. В других случаях первая стадия 120 обработки может обеспечивать второй поток продукта, имеющего соленость, которая больше, чем соленость морской воды, которая имеет типичную соленость приблизительно 3,5%. Предпочтительно соленость второго потока продукта составляет по меньшей мере приблизительно 5%, но некоторые особые варианты осуществления данного изобретения могут включать в себя поток продукта, имеющего соленость, по меньшей мере, приблизительно 9%. Например, второй поток продукта может быть потоком рассола с концентрацией растворенных твердых веществ по меньшей мере приблизительно 10% или по меньшей мере приблизительно 99000 ч./млн. В других типичных вариантах осуществления отношение концентрации растворенных твердых веществ во втором потоке продукта к концентрации одного или нескольких других потоков способа системы 100 обработки может быть по меньшей мере приблизительно 3, предпочтительно по меньшей мере приблизительно 5 и в некоторых преимущественных случаях, которые, например, могут требовать разницы или градиента концентрации по меньшей мере приблизительно 10.
Вторая стадия 130 может иметь по меньшей мере одну операцию, которая дополнительно обрабатывает поток 121, по меньшей мере, частично обработанного продукта. В некоторых вариантах осуществления данного изобретения вторая стадия 130 может содержать одну или несколько операций, которая корректирует одну или несколько характеристик, по меньшей мере, частично обработанного потока 121 от первой стадии 120, обеспечивая второй поток, по меньшей мере, частично обработанного продукта или измененную жидкость 131. Предпочтительно вторая стадия 130 изменяет по меньшей мере две характеристики потока 121, производя поток 131.
Третья стадия 140 обработки может изменять одно или несколько свойств или характеристик одного или нескольких входящих в нее потоков. В особенно преимущественных конфигурациях согласно одному или нескольким аспектам данного изобретения третья стадия 140 обработки может содержать одну или несколько операций, которые используют по меньшей мере один поток из по меньшей мере одной операции выше по ходу, изменяя другой поток из по меньшей мере одной операции выше по ходу, обеспечивая поток продукта в точку применения 190 по меньшей мере с одним желаемым свойством или характеристикой. Дополнительные особые конфигурации третьей стадии 14 0 обработки могут включать в себя одну или несколько операций, которые создают разницу потенциалов, которая облегчает обработку, по меньшей мере, частично обработанного потока 131 с получением потока 141 продукта. В дополнительных предпочтительных конфигурациях третья стадия обработки может производить другой поток 142 продукта, который может использоваться в одной или нескольких операциях выше по ходу системы 100 обработки. Например, другой поток 142 продукта может быть побочным продуктом или вторым потоком продукта, используемым одной или несколькими операциями второй стадии 130, например, в ее этапе или операции в качестве входящего потока, что, по меньшей мере, частично способствует превращению, по меньшей мере, частично обработанного потока 121 с обеспечением потока 131 продукта по меньшей мере с одним желаемым свойством или характеристикой. Дополнительные предпочтительные варианты осуществления или конфигурации третьей стадии 140 обработки могут включать в себя операции, которые зависят от отличия свойства или характеристики обрабатываемой жидкости относительно данного свойства или характеристики потока продукта от несвязанной операции, или стадии или операции выше по ходу системы 100 обработки, по меньшей мере, частично способствуя обработке с обеспечением потока 141 продукта. Например, третья стадия 140 обработки может использовать отличие в солености морской воды из источника 110 в виде потока 111 относительно солености потока 122, по меньшей мере, частично способствуя снижению концентрации одной или нескольких целевых частиц в потоке 131 с получением результирующей воды 141, имеющей по меньшей мере одну желаемую характеристику, например, чистоту.
Фиг. 2 изображает типичную систему 200 обработки воды согласно одному или нескольким аспектам данного изобретения. Система 200 обработки может содержать первую стадию обработки, включающую в себя первую операцию 220 и вторую операцию 222, где каждая предпочтительно, но не обязательно, проточно соединена с источником 110 обрабатываемой воды через свои соответствующие входы. Система 200 обработки дополнительно содержит вторую стадию 230, проточно соединенную, для приема, обычно на ее входе, одного или нескольких потоков продукта из первой операции 220 и второй опе
рации 222 обычно от их соответствующих выходов. Система 200 обработки может дополнительно содержать третью стадию 240 обработки, имеющую вход, проточно соединенный по меньшей мере с одним из выхода второй стадии 230, выхода одной или нескольких операций первой стадии обработки, источника обрабатываемой воды и посторонней операции, обеспечивая результирующую воду, например, в точку применения или хранения 190.
Как показано на типичном варианте осуществления на фиг. 2, первая операция 220 может обеспечивать первый поток частично обработанной воды, объединяемый с другим потоком, по меньшей мере, частично обработанной воды из операции 222 с получением потока 221 частично обработанного продукта. Первый поток воды из выхода узла 220 может иметь одну или несколько характеристик, которые отличаются от характеристик второго потока воды из узла 222. Первая и вторая операции предпочтительно разработаны так, чтобы обеспечивать поток 221, по меньшей мере, частично обработанной воды, имеющей по меньшей мере одно целевое свойство для дальнейшего изменения или обработки на второй стадии 230. Вторая операция 222 может обеспечивать второй поток 223 продукта, который предпочтительно имеет одну или несколько особых или целевых характеристик. Таким образом, некоторые конфигурации данного изобретения предполагают операции 220 и 222, которые совместно обеспечивают поток 221, по меньшей мере, частично обработанной воды с одной или несколькими особыми характеристиками, в то же время дополнительно обеспечивая второй поток 223 водного продукта с одной или несколькими характеристиками, которые обычно отличаются от характеристик потока 221. Первая стадия обработки может использовать операции, устройства или системы обработки воды, такие как электродиализные устройства и электродеионизирующие устройства, но не ограничиваясь ими.
Дополнительные конкретные варианты осуществления данного изобретения могут включать в себя первую операцию, которая функционирует с меньшим потреблением энергии относительно второй операции. Первая операция 220 может функционировать с получением из морской воды, по меньшей мере частично, обработанного водного продукта или потока, имеющего полную концентрацию растворенных твердых веществ приблизительно 2500 ч./млн с приблизительно 30% извлечением воды. Вторая операция 222 может функционировать с получением из морской воды приблизительно 10% раствора рассола, имеющего концентрацию растворенных твердых веществ больше чем приблизительно 99000 ч./млн.
В другом варианте осуществления (не показан) вторая стадия 130 может содержать две или больше операций, которые раздельно принимают потоки из первой и второй операций 220 и 222. Одна или несколько предпочтительных конфигураций второй стадии 230 могут включать в себя одну или несколько операций, которые изменяют по меньшей мере одно свойство входящего потока 221 от по меньшей мере одной операции первой стадии обработки. Вторая стадия может, таким образом, обеспечивать третий поток 231 продукта с одной или несколькими целевыми характеристиками, который может дополнительно обрабатываться на третьей стадии 240 обработки.
Другие варианты осуществления данного изобретения могут включать в себя ионообменные элементы, содержащие анионообменную смолу в хлоридной форме, которая обменивает по меньшей мере часть сульфатных частиц на хлоридные частицы, дополнительно снижая энергетические требования одной или нескольких операций ниже по ходу, и, в некоторых случаях, дополнительно снижая вероятность образования накипи в таких операциях ниже по ходу. Таким образом, ионообменный элемент может включать в себя катионообменную смолу, которая, по меньшей мере, частично снижает концентрацию не одновалентных катионных частиц, таких как Ca2+ и Mg2+, на одновалентные катионные частицы, такие как Na+, и предпочтительно дополнительно содержит анионообменную смолу, которая, по меньшей мере, частично снижает концентрацию не одновалентных анионных частиц, таких как SO42-, на одновалентные анионные частицы, такие как Cl-, что может снижать энергетические требования обработки одной или нескольких операций ниже по ходу. Регенерация любого типа ионообменных смол может выполняться, например, сточным потоком рассола, имеющим растворенные Na+ и Cl-.
Третья стадия 240 обработки может содержать одну или несколько операций, которые используют вторую произведенную воду или водный поток 223 и другой поток, такой как водный поток 111 из источника 110, чтобы способствовать обработке третьего потока 231 водного продукта и обеспечивать обработанную произведенную воду в точке применения или хранения 190. Дополнительные предпочтительные конфигурации третьей стадии 240 обработки могут включать в себя получения побочной воды или водного потока 241, который может быть использован в одной или нескольких стадиях выше или ниже по ходу системы 200 обработки. Например, побочный водный поток может быть использован в одной или нескольких операциях во второй стадии 230 в качестве входа или реагента во время ее работы. Третья стадия обработки может использовать одну или несколько операций, устройств или систем, таких как электродиализные и электродеионизирующие устройства, но не ограниваясь ими.
Фиг. 3 изображает систему 300 опреснения морской воды согласно одному или нескольким аспектам данного изобретения. Система 300 опреснения обычно содержит первую цепочку, имеющую по меньшей мере одно первое электродиализное устройство 321А и предпочтительно по меньшей мере одно второе электродиализное устройство 322В. Система 300 опреснения может дополнительно содержать вторую цепочку, имеющую по меньшей мере одно третье электродиализное устройство 323А и предпочтительно четвертое электродиализное устройство 324В. Система 300 опреснения может также содержать
по меньшей мере одну ионообменную подсистему 330 по меньшей мере с одним входом ионообменника в проточном сообщении с выходом по меньшей мере одного из электродиализных устройств выше по ходу 321А, 322В, 323А и 324В. Система 300 опреснения может также содержать третью стадию 340 обработки, которая может дополнительно обрабатывать, по меньшей мере, частично обработанную воду 331 из по меньшей мере одного выхода ионообменника ионообменной подсистемы 330.
Первое электродиализное устройство 321А имеет по меньшей мере одну истощающую камеру 321D1, имеющую вход, проточно соединенный с источником 310 морской воды. Первое электродиализное устройство 321А также содержит по меньшей мере одну концентрирующую камеру 321С1, предпочтительно проточно соединенную с источником 310 морской воды. Второе электродиализное устройство 322В первой цепочки обычно содержит по меньшей мере одну истощающую камеру 322D2 и по меньшей мере одну концентрирующую камеру 322С2. Выход первой истощающей камеры 321D1 проточно соединен по меньшей мере с одним из входа по меньшей мере одной истощающей камеры 322D2 и входа по меньшей мере одной концентрирующей камеры 322С2 второго электродиализного устройства 322В. В некоторых конкретных вариантах осуществления вход по меньшей мере одной концентрирующей камеры 322С2 второго электродиализного устройства 322В проточно соединен с источником 310 морской воды. Предпочтительные варианты осуществления согласно некоторым аспектам данного изобретения включают в себя первую цепочку устройств, которая, по меньшей мере частично, обрабатывает морскую воду, производя, по меньшей мере частично, обработанную воду 321, имеющую по меньшей мере одну целевую характеристику. Например, первая цепочка электродиализных устройств, которые частично опресняют воду, предпочтительно избирательно удаляет частицы растворенных твердых веществ из морской воды, производя поток 321, по меньшей мере, частично обработанной произведенной воды, имеющей концентрацию любого одного или нескольких растворенных твердых веществ, меньшую чем в морской воде, относительно высокое отношение частиц растворенных, не одновалентных твердых веществ к растворенным одновалентным частицам, чем соответствующее отношение в морской воде, и меньшую концентрацию растворенных одновалентных частиц. В вариантах осуществления, которые стремятся избирательно удалять растворенные одновалентные частицы, одна или несколько одновалентных селективных мембран могут быть использованы, чтобы определять, по меньшей мере, частично истощающие камеры, и предпочтительно, по меньшей мере, частично определять концентрирующую камеру. Например, электродиализное устройство 321А может иметь первую истощающую камеру 321D1, по меньшей мере, частично определенную одновалентно-анионселективной мембраной 381 и одновалентно-катионселективной мембраной (не показана), и первая концентрирующая камера 321С1 находится в ионном сообщении с первой истощающей камерой через одновалентно-анионселективную мембрану 381, и, возможно, со второй концентрирующей камерой (не показана) через одновалентно-катионселективную мембрану. Второе электродиализное устройство 322В может также быть сформировано так, чтобы иметь одну или несколько одновалентно-селективных мембран, что облегчает избирательное удаление или истощение одной или нескольких одновалентных частиц из водного потока, вводимого в его истощающие камеры, и их накопление в его концентрирующих камерах.
Во время работы первого и второго электродиализных устройств морская вода может использоваться в качестве концентрированного потока, подаваемого в концентрирующие камеры 321С1 и 322С2, которые собирают одну или несколько частиц, удаляемых из потоков, вводимых в истощающие камеры. Концентрированные потоки, покидающие камеры 321С1 и 322С2 и содержащие частицы, удаленные из истощающих камер, могут выпускаться в качестве отходящего или отбрасываемого потока или применяться в других посторонних процессах R.
По меньшей мере одно третье электродиализное устройство 323А может быть сконструировано так, чтобы обеспечивать поток продукта, который применим в операциях ниже по ходу системы 300 опреснения. Согласно конкретному варианту осуществления третье электродиализное устройство 323А может иметь по меньшей мере одну истощающую камеру 323D1 и по меньшей мере одну концентрирующую камеру 323С1 в ионном сообщении по меньшей мере с одной из истощающих камер 323D1 через ионсе-лективную мембрану 382. Предпочтительно электрический ток, проходящий через третье электродиализное устройство 323А, обеспечивает достаточный потенциал, чтобы обеспечивать поток производимой воды из концентрирующей камеры 323С1, имеющей одну или несколько заданных или целевых характеристик. Например, электродиализное устройство 323А может также быть сформировано с одновалентно-селективной мембраной, которая разделяет истощающую камеру 323D1 и концентрирующую камеру 323С1, но обеспечивает ионное сообщение между ними. По меньшей мере одно четвертое электродиализное устройство 324В может содержать по меньшей мере одну истощающую камеру 324D2, определенную, по меньшей мере, частично анион- и катионселективными мембранами, и по меньшей мере одну концентрирующую камеру 324С2, обычно в ионном сообщении с по меньшей мере одной из истощающих камер 324D2. Во время работы системы 300 производимая вода из истощающей камеры 323D1 может вводиться в истощающую камеру 324D2, чтобы дополнительно обрабатывать морскую воду из источника 310 и облегчать получение, по меньшей мере, частично обработанной воды 221. Как типично показано, производимая вода из истощающей камеры 324D2 может объединяться с производимой водой 321 из истощающей камеры 322D2 с получением, по меньшей мере, частично обработанной воды 221
для дальнейшей обработки.
Первая цепочка, включающая в себя первое и второе электродиализные устройства 321А и 322В, может работать, производя воду, имеющую целевую полную концентрацию растворенных твердых веществ, такую как приблизительно 2500 ч./млн, при общей величине извлечения воды приблизительно 30%. Первое и второе электродиализные устройства 321А и 322В могут использовать по меньшей мере одну из одновалентно-анионселективной мембраны и катионселективной мембраны, и предпочтительно, по меньшей мере, первое электродиализное устройство 321А использует одновалентно-анионселективные мембраны и одновалентно-катионселективную мембрану, которые должны, по меньшей мере, снижать в них любое потенциальное образование накипи.
Вторая цепочка, включающая в себя третье и четвертое электродиализные устройства 323А и 324А, может функционировать, производя поток рассола, имеющего целевое содержание соли по меньшей мере приблизительно 10% (NaCl) в концентрированном потоке из одной или нескольких их концентрирующих камер. Предпочтительно третье электродиализное устройство производит достаточное количество рассола при, по меньшей мере, целевом уровне солености, работая при извлечении воды приблизительно 70%. Четвертое электродиализное устройство 324В может функционировать, производя, по меньшей мере, частично обработанную воду, имеющую целевое содержание растворенных твердых веществ приблизительно 2500 ч./млн и предпочтительно с величиной извлечения приблизительно 48%. В некоторых конкретных конфигурациях данного изобретения общая величина извлечения второй цепочки может быть приблизительно 40%.
Ионообменная подсистема 330 может быть сконструирована так, чтобы принимать по меньшей мере часть, по меньшей мере, частично обработанной воды 221 и превращать или изменять по меньшей мере одну ее характеристику. Некоторые варианты осуществления одного или нескольких аспектов данного изобретения включают в себя избирательное снижение концентрации целевых растворенных частиц обрабатываемой воды, в то же время, по меньшей мере, частично сдерживая или замедляя перенос по меньшей мере части нецелевых или других растворенных частиц и затем замещая по меньшей мере часть сохраненных растворенных частиц целевыми растворенными частицами. Например, вода 221 может иметь относительно высокую концентрацию не одновалентных растворенных частиц, таких как кальций и магний, по сравнению с морской водой и может обрабатываться с обменом по меньшей мере части не одновалентных частиц на одновалентные частицы, такие как натрий. Некоторые конфигурации ионообменной подсистемы 330 могут включать в себя по меньшей мере две обменные цепочки (не показано) смягчителей или слоев ионообменной среды. Первая ионообменная цепочка может содержать передний ионообменный слой с последующим задним ионообменным слоем, которые могут предпочтительно замещать по меньшей мере часть не одновалентных растворенных частиц в воде, таких как Са2+ и Mg2+, на одновалентные растворенные частицы, такие как Na+. Вторая ионообменная цепочка может аналогично содержать последовательно передний и задний ионообменные слои. Во время работы одна их первой и второй ионообменных цепочек может иметь вход, проточно соединенный, чтобы принимать по меньшей мере часть, по меньшей мере, частично обработанной воды 221 и производить поток обменной воды, имеющей меньшую концентрацию не одновалентных растворенных частиц. Как только первая ионообменная цепочка становится насыщенной не одновалентными частицами в результате процесса обмена не одновалентных ионов на одновалентные, вторая ионообменная цепочка может быть использована. Первая цепочка может затем регенерироваться путем введения водного потока, богатого одновалентными растворенными частицами, чтобы заместить по меньшей мере часть не одновалентных частиц, связанных с ионообменной средой ионообменных слоев. Ионообменные элементы могут содержать смешанный слой ионообменной смолы, такой как коммерчески доступные смолы, как AMBERLITE(tm) и AMBER-JET(tm) от Rohm and Haas, Philadelphia, Pennsylvania.
Регенерация ионообменной среды может выполняться путем использования раствора 261 рассола с достаточной соленостью, такой как приблизительно 10%, из бака 260 хранения рассола. Выпускной поток 332 из ионообменной подсистемы 330 может выпускаться в виде сбросового потока. Соленость, достаточная для регенерации ионообменной среды, может быть на уровне, который превосходит термодинамическое сопротивление, связанное с удерживанием не одновалентных частиц на обменной матрице.
Третья стадия 340 обработки может содержать одно или несколько электродеионизирующих устройств, и 390 - точка применения. В некоторых вариантах осуществления данного изобретения третья стадия обработки может содержать по меньшей мере одно обычное электродеионизирующее устройство, показанное на фиг. 4, или модифицированное электродеионизирующее устройство, показанное на фиг. 5. В других конфигурациях согласно одному или нескольким аспектам данного изобретения третья стадия обработки может содержать одно или несколько безэлектродных устройств непрерывной деионизации.
Электродеионизирующее устройство, изображенное на фиг. 4, обычно содержит по меньшей мере одну истощающую камеру 411 и по меньшей мере одну концентрирующую камеру 412, расположенную возле по меньшей мере одной истощающей камеры 411. Каждая из истощающих и концентрирующих камер, по меньшей мере, частично определена с помощью любой из анионселективной мембраны АСМ и катионселективной мембраны КСМ. В противоположность электродиализным устройствам, камеры
электродеионизирующего устройства содержат катионообменную смолу и анионообменную смолу. Во время работы с приложенным электрическим током катионные частицы, такие как Na+, обычно мигрируют к катоду (-) данного устройства, а анионные частицы, такие как Cl-, обычно мигрируют к аноду (+) устройства 400. Анионселективная мембрана АСМ и катионселективная мембрана КСМ останавливают миграцию или перенос растворенных частиц, Na+ и Cl-, в соответствующих концентрирующих камерах 412 в виде сбросовых потоков R. Сырье в одной или нескольких истощающих камерах обычно представляет собой поток 331 смягченной воды из ионообменной подсистемы 330. Производимая вода из истощающих камер может затем сохраняться или направляться в точку применения 390. Один или несколько источников питания (не показаны) обычно обеспечивают электрическую энергию или питание для элек-тродеионизирующего устройства 400, что способствует отделению целевых растворенных частиц. В некоторых случаях часть электрической энергии используется для диссоциации воды на частицы Н+ и ОН-. Подача энергии может регулироваться, чтобы обеспечить желаемый или целевой уровень тока, желаемое или целевое напряжение или уровень потенциала, и нужную полярность.
Фиг. 5 в виде примера изображает модифицированное электродеионизирующее устройство 500, которое может быть использовано в третьей стадии обработки системы обработки. Устройство 500 содержит по меньшей мере одну первую истощающую камеру 511, которая обычно, по меньшей мере, частично определена с помощью первой катионселективной мембраны 521С и первой анионселективной мембраны 531А, по меньшей мере одну первую концентрирующую камеру 541, которая может быть, по меньшей мере, частично определена с помощью второй анионселективной мембраны 532А и находится в ионном сообщении с первой истощающей камерой 511 через по меньшей мере часть первой катионсе-лективной мембраны 521С. Устройство 500 может дополнительно содержать вторую истощающую камеру 512, которая определена, по меньшей мере, частично с помощью второй катионселективной мембраны 522С и находится в ионном сообщении с первой концентрирующей камерой 541 по меньшей мере через часть второй анионселективной мембраны 532А.
Электродеионизирующее устройство 500 может дополнительно содержать вторую концентрирующую камеру 542, определенную, по меньшей мере, частично с помощью третьей катионселективной мембраны 523С. Вторая концентрирующая камера 542 предпочтительно, по меньшей мере, частично находится в ионном сообщении с первой истощающей камерой 511 через первую анионселективную мембрану 531А. Электродеионизирующее устройство 500 может дополнительно содержать третью истощающую камеру 513, предпочтительно определенную с помощью анионселективной мембраны 533А. Третья истощающая камера 513 предпочтительно, по меньшей мере, частично находится в ионном сообщении со второй концентрирующей камерой 542 через третью катионселективную мембрану 523С. Электродеионизирующее устройство 500 обычно имеет анодную камеру 562, вмещающую анод, и катодную камеру 564, вмещающую катод. Точка применения обозначена позицией 390.
Согласно другим аспектам данного изобретения электродеионизирующее устройство 500 содержит первую истощающую камеру 511, содержащую катионообменную среду и анионообменную среду, такую как катионообменная смола СХ и анионообменная смола АХ, и, по меньшей мере, частично определяемую первой катионселективной мембраной 521С и первой анионселективной мембраной 531А. В некоторых случаях только первая истощающая камера или только камеры, принимающие или проточно соединенные ниже по ходу от любой из истощающих камер электродиализных устройств, и ионообменный элемент содержат электроактивную среду, такую как ионообменная смола, а другие камеры свободны от ионообменной среды. Например, в некоторых конфигурациях электродеионизирующего устройства 500 каждая из одной или нескольких первых истощающих камер 511 содержит смешанный слой ионообменной смолы, а каждая из одной или нескольких первых концентрирующих камер 541, одной или нескольких вторых истощающих камер 512, одной или нескольких вторых концентрирующих камер 542 и одной или нескольких третьих истощающих камер 513 не содержит ионообменной среды.
При работе энергия из источника питания (не показан) обеспечивает электрическую энергию для электрического поля, которое обычно создается сквозь электродеионизирующее устройство 500 через анод и катод. Обрабатываемая вода из, например, выхода ионообменного элемента 330 второй стадии входит в истощающую камеру 511 через ее вход. Обрабатываемая вода содержит растворенные частицы, которые могут мигрировать под действием электрического поля в электродеионизирующем устройстве 500. Обычно водный поток 331 содержит большее количество целевых растворенных одновалентных частиц, Na+ и Cl-, относительно количества растворенных, не одновалентных частиц вследствие ионообменного процесса в операции 330. Таким образом, так как количество энергии, связанное с ускорением переноса одновалентных частиц, может быть сравнительно меньше, чем количество энергии, связанное с ускорением переноса не одновалентных частиц, дополнительные капитальные и эксплуатационные расходы для второй стадии 330 могут быть снижены, если не устранены. Одновалентные частицы обычно мигрируют к соответствующим притягивающим электродам и дополнительно через анион или катионсе-лективные мембраны в одну камеру из первой концентрирующей камеры и второй концентрирующей камеры. Например, катионные частицы Na+ могут притягиваться в направлении катода и обычно проходят через катионселективную мембрану 521С, тогда как анионные частицы Cl- могут притягиваться в направлении анода и обычно проходят через анионселективную мембрану 531А. Поток продукта из вы
хода истощающей камеры 331 обычно будет иметь пониженную концентрацию частиц целевых растворенных твердых веществ.
В некоторых конфигурациях данного изобретения поток, имеющий первую концентрацию растворенных в нем твердых веществ, может быть использован в качестве концентрированного потока для сбора мигрирующих частиц целевых растворенных твердых веществ. Например, поток 111 морской воды, имеющей соленость приблизительно 3,5%, может быть использован в качестве концентрированного потока, вводимого в первую концентрирующую камеру 541. Поток, покидающий первую концентрирующую камеру 541, будет, таким образом, обычно обогащен мигрирующими катионными или анионными частицами. Этот поток может выпускаться в качестве отходящего или сбрасываемого потока R. Также во время работы другой исходный поток обычно вводится во вторую истощающую камеру 512 и третью истощающую камеру 513.
Электродеионизирующее устройство 500 может дополнительно содержать первую пару 531 концентрационных ячеек и, возможно, вторую пару 532 концентрационных ячеек, каждая из которых предпочтительно находится в ионном сообщении с первой истощающей камерой 511. Первая пара 531 концентрационных ячеек может содержать первую камеру 541 полуячейки, проточно соединенную с источником водной жидкости, имеющей первую концентрацию растворенных твердых веществ, и находящуюся в ионном сообщении с истощающей камерой 511 через первую катионселективную мембрану 521С, и вторую камеру 512 полуячейки. Вторая камера полуячейки обычно находится в ионном сообщении с первой камерой 541 полуячейки через анионселективную мембрану 532А. Необязательная вторая пара 532 концентрационных ячеек может содержать третью камеру 542 полуячейки и четвертую камеру 513 полуячейки. Третья камера полуячейки обычно находится в ионном сообщении с истощающей камерой 511 через анионселективную мембрану 531А. Четвертая камера 513 полуячейки обычно находится в ионном сообщении с третьей камерой 542 полуячейки через катионселективную мембрану 523С.
Дополнительные преимущественные признаки данного изобретения могут включать в себя установление разности концентраций между соседними ячейками путем обеспечения композиционно подобных, соответствующих исходных потоков, но с разными концентрациями растворенных составляющих. Разность концентраций генерирует потенциал, например, электродвижущий потенциал Е (в В), которые может быть, по меньшей мере, частично выражен уравнением Нернста
(сопс2)
{сопсХ)
КТЩ
Е = -
где conc1 обозначает концентрацию растворенных твердых веществ в потоке 223, вводимом во вторую полуячейку 512;
conc2 обозначает концентрацию растворенных твердых веществ в потоке 111, вводимом в первую полуячейку 541;
R обозначает газовую постоянную 8,314 Дж/(К-моль); Т обозначает температуру, обычно 298 К;
n обозначает число электронов, переходящих в реакции ячейки, n= 1 для морской воды и рассола; F обозначает постоянную Фарадея 96498 кулон/моль.
Таким образом, некоторые предпочтительные варианты осуществления согласно некоторым аспектам данного изобретения могут включать в себя использование потока 223 рассола, имеющего концентрацию растворенных твердых веществ, большую, чем концентрация растворенных веществ в потоке 111 морской воды, вводимом в первую истощающую камеру. Поток рассола, обычно имеющего соленость по меньшей мере приблизительно 8%, предпочтительно по меньшей мере приблизительно 10% и более предпочтительно по меньшей мере приблизительно 12%, или концентрацию растворенных твердых веществ по меньшей мере приблизительно 80000 ч./млн, предпочтительно по меньшей мере приблизительно 99400 ч./млн и более предпочтительно по меньшей мере приблизительно 120000 ч./млн, может быть использован в качестве исходного потока 223, вводимого во вторую камеру 512 полуячейки, а также в четвертую камеру 513 полуячейки. Каждый из потоков 341, покидающих вторую и четвертую камеры 521 и 513 полуячейки, может еще иметь высокое содержание рассола по сравнению с морской водой, и может направляться на хранение в бак 260 хранения рассола. Исходный поток 111, вводимый в первую камеру 541 полуячейки и, возможно, также в третью камеру 542 полуячейки, может представлять собой морскую воду или водный поток, имеющий соленость приблизительно 3,5% или концентрацию растворенных твердых веществ меньше чем приблизительно 36000 ч./млн. Вышеуказанные примерные условия могут обеспечивать приблизительно 0,026 В на пару концентрационных ячеек. Таким образом, настоящее изобретение может преимущественным образом генерировать электрический потенциал, который способствует обработке или опреснению морской воды. Пример 1 ниже обеспечивает ожидаемые генерированные потенциалы на основе типичных условий, когда используют первый поток и второй поток в паре концентрационных ячеек, где второй поток имеет концентрацию растворенных твердых веществ, большую, чем концентрация растворенных твердых веществ в первом потоке.
В некоторых случаях одно или несколько устройств третьей стадии обработки содержат число пар
концентрационных ячеек, достаточное для обеспечения, по существу, всего электрического потенциала, требуемого для опреснения потока 331 продукта до желаемого уровня. В такой конфигурации данное устройство может содержать солевой мост (не показан), обычно имеющий в себе электролит, такой как хлорид калия или хлорид натрия, который ионным образом соединяет камеры полуячеек устройства. Например, первый конец солевого моста может ионным образом соединять вторую камеру 512 полуячейки с любой из истощающих камер 511 и четвертой камерой 513 полуячейки.
Фиг. 6А и 6В изображают безэлектродные устройства 600 и 610 непрерывной деионизации, которые могут характеризоваться, согласно еще некоторым аспектам данного изобретения, как устройство с помогающим потенциалом Доннана или Доннан-улучшенное ЭДИ устройство. Устройство 600 может содержать круглую цилиндрическую оболочку 601, вмещающую по меньшей мере одну первую истощающую камеру 611, каждая из которых содержит обрабатываемую жидкость 331, вводимую в нее. Устройство может дополнительно содержать по меньшей мере одну первую концентрирующую камеру 621, каждая из которых содержит первый исходный поток 111, вводимый в нее, и по меньшей мере одну вторую истощающую камеру 612, каждая из которых содержит второй исходный поток 223, вводимый в нее. Устройство 600 обычно дополнительно содержит по меньшей мере одну вторую концентрирующую камеру 622, каждая из которых содержит третий исходный поток 112, вводимый в нее. Первая истощающая камера 611 может быть определена анионселективной мембраной 641А и катионселективной мембраной 651С. Первая концентрирующая камера 621 может быть определена анионселективной мембраной, такой как мембрана 641А, и второй катионселективной мембраной 652С. Как типично изображено, первая истощающая камера находится в ионном сообщении с первой истощающей камерой через мембрану 641А. Вторая истощающая камера 612 может быть определена катионселективной мембраной и второй анионселективной мембраной 642А. Предпочтительно вторая истощающая камера 612 камера находится в ионном сообщении с первой концентрирующей камерой 621 через катионселективную мембрану 652С. Вторая концентрирующая камера 622 может быть определена анионселективной мембраной и катионселективной мембраной. Предпочтительно вторая концентрирующая камера находится в ионном сообщении со второй истощающей камерой 612 через вторую анионселективную мембрану 642А. Дополнительные предпочтительные конфигурации могут включать в себя то, что вторая концентрирующая камера находится в ионном сообщении с первой истощающей камерой 611 через солевой мост или первую катионселективную мембрану 651С. Элемент 661 может обеспечивать ионную и электрическую изоляцию, а также структурную опору для камер. Второй исходный поток 223 обычно имеет концентрацию растворенных в нем твердых веществ, которая больше, чем концентрация твердых веществ, растворенных в первом исходном потоке 111, и предпочтительно также больше, чем концентрация твердых веществ, растворенных в третьем исходном потоке 112. Концентрации растворенных твердых веществ в каждом из первого исходного потока и третьего исходного потока могут быть такими же, или меньшими, чем концентрация растворенных твердых веществ в обрабатываемой жидкости 331. Как описано выше, разница концентраций между парными полуячейками 612 и 621, и 612 и 622 может создавать потенциал, который облегчает перенос частиц Na+ и Cl- из истощающей камеры 611, как изображено, с получением потока продукта. Подобно безэлектродному устройству 600, устройство 610, изображенное на фиг. 6В, содержит вторую пару ячеек, включая истощающую камеру 613 и концентрирующую камеру 623, соответственно содержащую исходные потоки 113 и 114. Третья истощающая камера 613 имеет катионселек-тивную мембрану, такую как мембрана 653С, и третью анионселективную мембрану 643А. Исходный поток 113 может быть рассолом из, например, электродиализного устройства 323А, а исходный поток 114 может быть морской водой из источника 310. Множество пар истощающих и концентрирующих камер используют потоки морской воды и рассола, чтобы преимущественно генерировать потенциал, достаточный для проведения обработки, по меньшей мере, частично обработанной воды, имеющей концентрацию растворенных твердых веществ, например, приблизительно 2500 ч./млн, с получением производимой воды, имеющей концентрацию целевых растворенных твердых веществ, например, приблизительно 500 ч./млн.
Другие конфигурации могут включать в себя любой один или несколько исходных потоков 111 и 114, по меньшей мере, частично содержащих, по меньшей мере, частично обработанную воду 331, что может обеспечивать большую разницу концентраций по сравнению с потоком 223 рассола.
Дополнительные заметные отличия включают в себя противоточные направления течения некоторых потоков через камеры. Как показано, второй поток 111 может противоточно вводиться в первую концентрирующую камеру 621 относительно направления потока, вводимого в первую истощающую камеру 611, или, в некоторых случаях, относительно третьего потока 223, вводимого во вторую истощающую камеру. Разницы концентраций между вторым и третьим потоками могут создавать потенциал, вызываемый реакциями полуячеек, связанный с миграцией растворенных частиц, таких как Na+ и Cl-.
Любая из мембран в устройствах 600 и 610 может быть селективной для одновалентных анионов или селективной для одновалентных катионов.
В некоторых конфигурациях данного изобретения электролитическое устройство (не показано) может быть использовано для получения водного раствора, содержащего дезинфицирующие частицы, такие как хлор, хлорит, гипохлорит и гипобромид. В других конфигурациях по меньшей мере одно устройство
из электродеионизирующего устройства и любого одного или нескольких электродиализных устройств может быть использовано, чтобы получать любой один или несколько растворов из кислотного раствора, основного раствора и дезинфицирующего раствора. Например, поток относительно чистой воды может вводиться в анодную камеру (+), чтобы собирать и агрегировать частицы Н+, получая кислотный выходящий поток, имеющий рН меньше чем 7. Хлоридсодержащий раствор может вводиться в исходном потоке в катодную камеру, чтобы способствовать генерации дезинфицирующих частиц, таких как хлорные и гипохлоритные частицы. Газообразный побочный водород может выдуваться или выводиться иным образом.
Любая из различных подсистем, стадий, цепочек и операций данного изобретения может использовать один или несколько контроллеров, чтобы помогать, контролировать и/или регулировать ее работу. Предпочтительно контроллер (не показан) контролирует и, в некоторых случаях, регулирует каждый из компонентов систем данного изобретения.
Контроллер может быть выполнен с использованием одной или нескольких компьютерных систем. Компьютерная система может быть, например, компьютером общего назначения, таким как компьютеры, основанные на процессоре типа Intel PENTIUM(r), процессоре Motorola PowerPC(r), процессоре Sun UltraSPARC(r), процессоре Hewlett-Packard PA-RISC(r) или любом другом типе процессора или их комбинации. Альтернативно, компьютерная система может включать в себя специально программируемое оборудование специального назначения, например, специализированную интегральную микросхему ASIC или контроллеры, предназначенные для аналитических систем.
Компьютерная система может включать в себя один или несколько процессоров, обычно соединенных с одним или несколькими запоминающими устройствами, которые могут содержать, например, любое одно или несколько устройств из дисководной памяти, устройства флэш-памяти, устройства RAM памяти или другого устройства для хранения данных. Запоминающее устройство обычно используется для сохранения программ и данных во время работы обрабатывающей системы и/или компьютерной системы. Например, запоминающее устройство может использоваться для хранения прошлых данных, касающихся параметров в течение некоторого периода времени, а также рабочих данных. Программное обеспечение, включая программный код, который выполняет варианты осуществления данного изобретения, может сохраняться на компьютерно читаемом и/или записываемом, энергонезависимом носителе данных и затем обычно копируется в запоминающее устройство, где оно может затем выполняться процессором. Такой программный код может быть записан в любом из множества программных языков, например Ява, Visual Basic, С, С# или C++, Фортран, Паскаль, Эйфель, Бейсик, COBAL или любой из множества их комбинаций.
Компоненты компьютерной системы могут быть связаны с помощью механизма взаимной связи, который может включать в себя одну или несколько шин, например, между компонентами, которые интегрированы в одно устройство, и/или сеть, например, между компонентами, которые пребывают в отдельных индивидуальных устройствах. Механизм взаимной связи обычно позволяет сообщения, например, для обмена данными, инструкциями между его компонентами.
Компьютерная система может также включать в себя одно или несколько устройств ввода, например, клавиатуру, мышь, трекбол, микрофон, сенсорный экран, лампы, индикаторы положения, датчики потока, датчики температуры, датчики проводимости, датчики рН и анализаторы состава, и одно или несколько устройств вывода, например, печатное устройство, экранный дисплей или динамики, актуато-ры, источники питания и лампы. Кроме того, компьютерная система может содержать один или несколько интерфейсов, не показанных, которые могут соединять данную компьютерную систему с коммуникационной сетью в добавление или в качестве альтернативы сети, которая может быть образована с помощью одного или нескольких компонентов данной системы.
Согласно одному или нескольким вариантам осуществления данного изобретения одно или несколько устройств ввода могут включать в себя датчики для измерения одного или нескольких параметров системы обработки. Альтернативно, датчики, дозирующие клапаны и/или насосы, или все из этих компонентов могут быть соединены в коммуникационную сеть, которая оперативно связана с компьютерной системой. Например, датчики могут быть сформированы как устройства ввода, которые непосредственно соединены с компьютерной системой, а дозирующие клапаны и/или насосы могут быть сформированы как устройства вывода, которые соединены с компьютерной системой, и любой один или несколько из них может быть связан с другой компьютерной системой или компонентом, чтобы сообщаться с компьютерной системой по коммуникационной сети. Такая конфигурация позволяет одному датчику находиться на значительном расстоянии от другого датчика или позволяет любому датчику находиться на значительном расстоянии от любой подсистемы и/или контроллера, все еще обеспечивая данные между ними.
Контроллер может включать в себя один или несколько компьютерных носителей данных, таких как читаемый и/или записываемый, энергонезависимый носитель данных, в котором могут сохраняться сигналы, которые задают программу, выполняемую одним или несколькими процессорами. Данный носитель может, например, представлять собой дисковую или флэш-память. В типичной операции один
или несколько процессоров могут заставлять данные, такие как код, который выполняет один или несколько вариантов осуществления данного изобретения, считываться из носителя данных в запоминающую структуру, которая позволяет более быстрый доступ к информации с помощью одного или нескольких процессоров, чем данный носитель. Запоминающая структура обычно представляет собой энергозависимое оперативное запоминающее устройство, такое как динамическая оперативная память DRAM или статическая память SRAM, или другое подходящее устройство, которое помогает переносу информации в процессор и из него.
Хотя компьютерная система показана в качестве примера как один тип компьютерной системы, с которой могут быть реализованы различные аспекты данного изобретения, следует понимать, что данное изобретение не ограничено осуществлением с данным программным обеспечением или компьютерной системой, показанными как примеры. В действительности, скорее чем при выполнении с, например, компьютерной системой общего назначения, контроллер или его компоненты или подразделы могут быть альтернативно выполнены как специализированная система или как специализированный программируемый логический контроллер PLC, или в распределенной контрольной системе. Кроме того, следует понимать, что один или несколько признаков или аспектов данного изобретения могут быть осуществлены в программном обеспечении, компьютерном оборудовании или встроенном программном обеспечении, или любой их комбинации. Например, один или несколько разделов алгоритма, выполняемого контроллером, могут выполняться в отдельных компьютерах, которые, в свою очередь, могут находиться в сообщении посредством одной или нескольких сетей.
Примеры
Функция и преимущества этих и других вариантов осуществления данного изобретения могут быть лучше поняты из последующих примеров, которые иллюстрируют выгоды и/или преимущества одной или нескольких систем и технологий данного изобретения, но не представляют полный объем изобретения.
Пример 1.
В этом примере приведен ожидаемый потенциал, который может быть получен путем использования пары концентрационных ячеек в некоторых конфигурациях устройств данного изобретения. Табл. 1 ниже обеспечивает потенциалы, вычисленные на основе концентраций потоков, введенных в камеры полуэлемента, согласно уравнению Эрнста при комнатной температуре.
Таблица ниже показывает, что отношение концентраций исходных потоков предпочтительно является настолько большим, насколько возможно, чтобы увеличить генерированные потенциалы. Например, отношение концентраций может быть по меньшей мере приблизительно 2, предпочтительно по меньшей мере приблизительно 3, более предпочтительно по меньшей мере приблизительно 5 и еще более предпочтительно по меньшей мере приблизительно 10.
Последующее перечисление обеспечивает ионные концентрации типичной морской воды. Преобладающими катионными частицами в морской воде являются Na+, K+, Са+2 и Mg+2, а преобладающими анионными частицами являются Cl- и SO42-. Соответствующие концентрации бикарбонатных и карбонатных частиц будут зависеть от рН воды.
Частицы
Концентрация
(ч/млн)
Хлорид
19353
Натрий
10781
Сульфат
2712
Магний
1284
Калий
399
Кальций
412
Карбонат/бикарбонат
126
Бромид
Стронций
7, 9
Бор
4,5
Фторид
1,28
Литий
0,173
Иодид
0, 06
Барий
меньше чем 0,014
Железо
меньше чем 0,001
Марганец
меньше чем 0,001
Хром
меньше чем 0,001
Кобальт
меньше чем 0,001
Медь
меньше чем 0,001
Никель
меньше чем 0,001
Селен
меньше чем 0,001
Ванадий
меньше чем 0,002
Цинк
меньше чем 0,001
Молибден
меньше чем 0,01
Алюминий
меньше чем 0,001
Свинец
меньше чем 0,001
Мышьяк
меньше чем 0,002
Кадмий
меньше чем 0,001
Нитрат
1,8
Фосфат
0, 2
Пример 2.
Этот пример обеспечивает типичные электродиализные цепочки, которые могут быть использованы согласно некоторым аспектам данного изобретения.
Фиг. 10А типичным образом изображает цепочку электродиализных устройств, которая может быть использована в первой цепочке 220 первой стадии обработки. Цепочка 220 может содержать множество стадий, каждая из которых работает при оптимальном напряжении и плотности тока, чтобы минимизировать потребление энергии. Как показано, цепочка 220 может иметь четыре стадии электродиализных устройств.
В первой цепочке истощающие камеры могут быть последовательно соединены, и разбавленные потоки расположены последовательно, так что продукт одной стадии служит сырьем для истощающих камер ниже по ходу. Свежая морская вода используется в качестве сырья для каждой из соответствующих концентрирующих камер на каждой стадии, чтобы минимизировать любую разницу концентраций между истощающими и концентрирующими камерами на каждой стадии.
Каждая стадия может также иметь некоторое число ЭД модулей, работающих параллельно.
Вторая цепочка 222 также может содержать множество стадий электродиализных устройств, имеющих последовательно соединенные истощающие камеры. Соответствующие концентрирующие камеры также могут быть последовательно соединены, чтобы увеличивать концентрацию собранного NaCl в потоке рассола из них до содержания соли приблизительно 10%. Как показано на фиг. 10В, вторая цепочка 222 может иметь четыре электродиализных стадии, каждая из которых предпочтительно использует одновалентно-селективные мембраны.
Третья цепочка (не показана) также может включать в себя множество электродиализных стадий, чтобы способствовать снижению концентрации растворенных твердых веществ в потоке воды до диапазона от приблизительно 3500 до приблизительно 5500 ч./млн.
Пример 3.
Этот пример описывает ожидаемую производительность системы, использующей технологии данного изобретения, по существу, представленные на фиг. 3, с устройством, схематично изображенным на фиг. 4, для опреснения морской воды со скоростью приблизительно 8000 м3/ч.
Две цепочки электродиализных (ЭД) устройств моделировали с помощью вычислений методом конечных элементов со смягчителем и электродеионизирующим (ЭДИ) устройством. Несколько стадий использовали в моделировании методом конечных элементов; стадии 1-5 приспосабливали для получения потока рассола по меньшей мере с 10% NaCl; и конечные две стадии приспосабливали для снижения концентрации растворенных твердых веществ в потоке продукта с помощью смягчителя и электродеио-низирующего устройства. Табл. 2 и 3А-3С ниже приводят параметры моделирования и вычисленные результаты. Табл. 4 суммирует предсказанные энергетические требования для ЭД/ЭДИ системы.
Фиг. 7 графически изображает ожидаемую энергию, требуемую для опреснения морской воды с получением производимой воды с различными целевыми характеристиками.
Предполагали, что входящая морская вода имеет приблизительно 35700 ч./млн всех растворенных твердых веществ (ПРТ) после предварительной обработки с 10 микронной предварительной фильтрацией (не показано) с использованием коммерчески доступного оборудования предварительной обработки. Следует отметить, что обширная предварительная обработка, такая как предварительная обработка, обычно связанная с системами обратного осмоса, не является необходимой для ЭД/НЭДИ способа настоящего изобретения, так как вода не продавливается через мембрану в этих способах.
Исходная вода расщепляется на ЭД цепочку 1, ЭД цепочку 2, и концентрированный поток (рассола) из ЭД цепочки 2 приспособлен для подачи в НЭДИ цепочку.
ЭД цепочка 1 проходит через две стадии, чтобы оптимизировать потребление энергии для каждой стадии. Цепочка 1 производит продукт с качеством 2500 ч./млн ПРТ при приблизительно 30% извлечении. Ожидается, что стандартные электродиализные модули используются в этой цепочке. Использование одновалентно-селективной ионообменной мембраны на стадии 1 этой цепочки должно минимизировать возможность образования накипи в концентрирующей камере.
ЭД цепочка 2, стадия 1 приспособлена производить 10% NaCl (рассол) раствор в концентрированном потоке. Рассол будет использоваться для регенерации смягчителя ниже по ходу и в качестве одного из концентрирующих потоков в НЭДИ модуле. Эта электродиализная стадия будет использовать одновалентно-селективные анионообменные мембраны для получения 10% NaCl раствора в концентрирующей камере. Стадия 1 в ЭД цепочке 2 будет работать при извлечении приблизительно 70%, производя раствор рассола. ЭД стадия 2 имеет вычисленное извлечение 48%. Общее извлечение ЭД цепочки 2 составляет приблизительно 40%.
По меньшей мере, частично обработанная, произведенная вода имеет ПРТ приблизительно 2500 ч./млн с высоким содержание ионов кальция, магния из двух цепочек. Поток, по меньшей мере, частично обработанной воды будет смягчаться смягчителем или ионообменным элементом для обмена ионов кальция и магния в нем на ионы натрия. Смягченное сырье из смягчителя в НЭДИ цепочку ниже по ходу должно не иметь тенденции к образованию накипи во время опреснения до целевого качества питьевой воды. Смягчитель периодически регенерируют с помощью 10% раствора рассола, подаваемого ЭД цепочкой 2, стадия 1.
Электродеионизирующее устройство обеспечивает перенос ионов Na+ и Cl- из потока рассола (10% NaCl) в сбрасываемый поток. Перенос противоионов из разбавляемого потока в сбрасываемый поток должен поддерживать электронейтральность.
Результирующее термодинамическое напряжение сквозь потоки снижается, так как по меньшей мере часть напряжения постоянного тока генерируется парами полуячеек. Хотя это не показано, любой из ЭДИ сбрасываемых потоков может возвращаться в сырье для ЭД устройств.
Эффлюент из камер с рассолом может выпускаться в бак хранения для использования в качестве регенератора смягчителя.
Некоторые из параметров моделирования (ПРТ концентрация и скорости потоков) включают в себя (с отсылкой на фиг. 2 и 3):
Вход 35700 ч/млн
Вход морской воды 25277 м3/ч
Первая Первая
стадия обработки.
ЭД цепочка 220, первое ЭД устройство 321А и второе ЭД устройство 322В.
Вход морской воды в истощающую камеру 321D1:
3100 tt/ч.
Вторая
Вход морской воды в концентрирующую камеру 321С1: 5167 м3/ч
Сброс из камеры 321С1: 49929 ч/млн
Вход в истощающую камеру 322D2: 10000 ч/млн
3100 м3/ч
Вход морской воды в концентрирующую камеру 322С2: 2067 м3/ч
Сброс из камеры 322С2: 4 9929 ч/млн
Производимая вода 321 из камеры 322D2: 2500 ч/млн
Рассол из ЭД цепочки 222: 99500 ч/млн
ЭД цепочка 222, третье ЭД устройство 323 А и четвертое ЭД устройство 324В.
Вход морской воды в истощающую камеру 323D1: 4 900 м3/ч
99567 ч/млн (соленость 10%) 10000 ч/млн
5277 м3/ч 42664 ч/млн 2500 ч/млк
Вход морской воды в концентрирующую камеру 323С1: 2100 м3/ч Выход рассола из камеры 323С1:
Вход в истощающую камеру 324D2:
Вход морской воды в концентрирующую камеру 324С2: Сброс из камеры 32 4С2: Выход из камеры 324D2:
Вторая стадия.
Третья стадия обработки.
Электроде ионизирующее устройство 340
Вход в истощающую камеру 511: 8 000 м3/ч
Вход морской воды в первую концентрирующую камеру 541: 2 667 м3/ч
Вход в камеру 512 (рассол): 2100 м3/ч
(соленость 101)
Выход рассола из камеры 512: 91848 ч/млн
Продукт
Таблица ЗА
Стадия
ПРТ в сырье для потока продукта
35700 ч/млн
30000 ч/млн
25000 ч/млн
ПРТ в сырье для сбрасываемого потока
35700 ч/млн
52800 ч/млн
64 4 67 ч/млн
Полное падение напряжения на пару ячеек
0,0584 Вольт
0,0632 Вольт
0,0744 Вольт
Извлечение
75,0%
70,0%
70,0%
Скорость потока на площадь мембраны
(поток)
25,0 gfd 0,0174 гал-мин/фт2 0,0424 м/ч
25,0 gfd 0,0174 гал-мин/фт2 0,0424 м/ч
25,0 gfd 0,0174 гал • мин/фт2 0,0424 м/ч
ПРТ продукта
30000 ч/млн
25000 ч/млн
20000 ч/млн
ПРТ сброса
52800 ч/млн
64 4 67 ч/млн
76133 ч/млн
Полная мощность
196,7 кВт
186,8 кВт
220,1 кВт
Полная энергия, требуемая на единицу продукта
0, 161 кВтч/м3 0, 61 кВтч/кгал
0,153 KBT4/MJ 0, 58
0,180 кВтч/м3 0, 68 кВтч/кгал
Площадь мембраны на скорость потока
0,04 ф^/gpd 23,56
м2/(м3/ч)
0,04 фт-Vgpd 23, 56 м2/(м3/ч)
0,04 фт2/gpd 23,56 м2/(м3/ч)
Скорость потока продукта
1225 MJ/4
1225 м3/ч
1225 MJ/4
Скорость
сбрасываемого потока
525 MJ/4
525 м3/ч
Полная расчетная площадь катионной мембраны
Полная расчетная площадь анионной мембраны
28862 мг
28862 м^
28862 м2
Полная расчетная площадь мембраны
57724 м2
57724 м2
57724 м2
Таблица ЗВ
Стадия
ПРТ в сырье для потока продукта
20000 ч/млн
15000 ч/млн
10000 ч/млн
ПРТ в сырье для сбрасываемого потока
76133 ч/млн
87800 ч/млн
35700 ч/млн
Полное падение напряжения на пару ячеек
0, 0892 Вольт
0,1110 Вольт
0,1160 Вольт
Извлечение
70,0%
70,0%
65, 0%
Скорость потока на площадь мембраны (поток)
25,0 gfd 0,0174 гал-мин/фт2 0,0424 м/ч
25,0 gfd 0,0174 гал¦мин/фт2 0,0424 м/ч
25,0 gfd 0,0174 гал • мин/фт2 0,0424 м/ч
ПРТ продукта
15000 ч/млн
10000 ч/млн
5000 ч/млн
ПРТ сброса
87800 ч/млн
99467 ч/млн
4 4 986 ч/млн
Полная мощность
2 63,8 кВт
328,2 кВт
342,9 кВт
Полная энергия, требуемая на единицу продукта
0,215 кВтч/м3 0, 82 кВтч/кгал
0,268 KBT4/MJ 1, 01 кВтч/кгал
0,280 кВтч/м3 1,06 кВтч/кгал
Площадь мембраны на скорость потока
0,04 фт^/gpd 23,56 м2/(м3/ч)
0,04 $T2/gpd 23, 56 м2/(м3/ч)
0,04 фт-Vgpd 23, 56 м2/(м3/ч)
Скорость потока продукта
1225 м'/ч
1225 м3/ч
1225 м3/ч
Скорость
сбрасываемого потока
525 м'/ч
525 м3/ч
660 м3/ч
Полная расчетная площадь катионной мембраны
28862 м2
28862
28862 м2
Полная расчетная площадь анионной мембраны
28862 м2
28862 м2
28862 м2
Полная расчетная площадь мембраны
57724 м2
57724 м2
57724 м2
Таблица ЗС
Стадия
эди
ПРТ в сырье для потока продукта
5000 ч/млн
2500 ч/млн
ПРТ в сырье для сбрасываемого потока
35700 ч/млн
35700 ч/млн
Полное падение напряжения на пару ячеек
0,1133 Вольт
0,0788 Вольт
Извлечение
65, 0%
70, 0%
Скорость потока на площадь мембраны (поток)
25,0 gfd 0,0174 гал-мин/фт2 0,0424 м/ч
60,0 gfd 0,0417 гал-мин/фт2 0,1019 м/ч
ПРТ продукта
2500 ч/млн
500 ч/млн
ПРТ сброса
40343 ч/млн
40367 ч/млн
Полная мощность
167,5 кВт
93,2 кВт
Полная энергия, требуемая на единицу продукта
0,137 кВтч/м3 0,52 кВтч/кгал
0,076 кВтч/м3 0,2 9 кВтч/кгал
Площадь мембраны на скорость потока
0,04 фт2/gpd 23, 56 м2/ (м3/ч)
0,02 фт2/gpd 9, 82 м2/(м3/ч)
Скорость потока продукта
1225 м3/ч
1225 м3/ч
Скорость сбрасываемого потока
525 м'/ч
Полная расчетная площадь катионной мембраны
28862 м2
24052 м2
Полная расчетная площадь анионной мембраны
28862 м^
24052 м2
Полная расчетная площадь мембраны
57724 м2
48103 м2
Пример 4.
Этот пример описывает Доннан-улучшенное ЭДИ устройство согласно одному или нескольким аспектам данного изобретения.
Фиг. 8 показывает схему Доннан-улучшенного ЭДИ способа с четырьмя ячейками, обозначенными как "повторяющийся элемент" в модуле.
В отсутствие приложенного электрического поля анионы в потоке В1 рассола переносятся в концентрируемый поток С1В справа через разделяющую анионообменную мембрану вследствие разницы концентраций между рассолом и концентрируемым потоком. Для поддержания электронейтральности эквивалентное количество катионных частиц в расчете на заряд будет обычно мигрировать из разбавляемого потока D1 в концентрируемый поток С1В через катионселективную мембрану СМ. Аналогично, анионные частицы обычно мигрируют из потока В1 рассола в концентрируемый поток С1А через другую катионселективную мембрану СМ. Для поддержания электронейтральности анионные частицы обычно мигрируют из разбавляемого потока D2 в концентрируемый поток С1А через анионселективную мембрану AM. В сущности, перенос ионов из потока рассола в соседние концентрируемые потоки вследствие разницы концентраций может рассматриваться как ускоряющая миграция ионных частиц из разбавляемых потоков в концентрируемые потоки для поддержания электронейтральности. Разбавляемые потоки, следовательно, деионизируются.
Если приложено электрическое поле постоянного тока, ионный перенос вследствие электрического поля может усиливаться посредством явления ионной миграции вследствие разницы концентраций между рассолом и соседними концентрируемыми потоками в способе, называемом Доннан-улучшенное ЭДИ, который основан на потенциале Доннана, который появляется в результате разницы концентраций ионов через ионообменную мембрану, проницаемую для этих ионов.
Пример 5.
Этот пример описывает альтернативные конфигурации обрабатывающей системы и технологий данного изобретения, использующих ЭД устройства со смягчением и ЭДИ устройства для опреснения жесткой и морской воды.
Фиг. 9А и 9В показывают дополнительные варианты осуществления системы обработки согласно одному или нескольким аспектам данного изобретения. В противоположность системе, показанной на фиг. 2, система 905 обработки дополнительно использует третью цепочку электродиализных элементов ЭД ЦЕПОЧКА 3, расположенную так, чтобы принимать, по меньшей мере, частично обработанную воду и дополнительно обрабатывать поток воды путем удаления по меньшей мере части целевых частиц перед ионным обменом и дополнительной обработкой в третьей стадии обработки, которая может быть Дон-нан-улучшенным электродеионизирующим устройством (ДУ-ЭДИ). Фиг. 9В показывает другую типичную обрабатывающую систему 910, которая также использует третью цепочку электродиализных элементов ЭД ЦЕПОЧКА 3, которая расположена так, чтобы принимать, по меньшей мере, частично обработанную воду и дополнительно обрабатывать поток воды, но использует обычное ЭДИ без потока рассола или ЭДИ с полярностью и обращением потока (ЭДИО) вместо ДУ-ЭДИ устройства.
ЭДИО устройство расположено ниже по ходу от IX смягчителя и может допускать потоки с большей жесткостью сырья, что может позволять меньшее удаление жесткости смягчителем или больший проскок жесткости до регенерации. Условия больших проскоков будут увеличивать время между регенерациями IX смягчителя и могут также снижать размер и капитальные и эксплуатационные затраты смягчителя.
Дополнительные вариации или модификации систем на фиг. 9А и 9В могут включать в себя, например, расположение IX смягчителя перед ЭД ЦЕПОЧКОЙ 3.
Такие системы могут быть использованы для опреснения морской воды, а также жесткой воды из устьев рек, рек и/или даже подземных вод.
Пример 6.
В этом примере эксперименты опреснения выполняли, используя электродиализные модули, которые имели стандартные или одновалентно-селективные мембраны. Исходный сырой раствор представлял собой либо приблизительно 35000 ч./млн раствор NaCl, либо искусственную морскую воду с приблизительно 35000 ч./млн полных растворенных твердых веществ (ПРТ).
Фиг. 11А и 11В показывают вычисленную энергию, требуемую на 1 м3 ЭД продукта, когда целевая концентрация в потоке продукта снижалась от приблизительно 35000 ч./млн до приблизительно 500 ч./млн, при использовании стандартных ионоселективных мембран (фиг. 11А) и одновалентно-селективных мембран (фиг. 11В). Использованные одновалентно-селективные мембраны представляли собой CMS катион-селективные мембраны и AMS анион-селективные мембраны от Tokuyama Soda Co., Tokyo, Japan. Фиг. 12А и 12В показывают доли остающихся катионных частиц (фиг. 12А) и анионных частиц (фиг. 12В) относительно электродиализных стадий, использующих одновалентно-селективные мембраны.
Для обоих типов ЭД модулей потребление энергии выше, когда сырьем является искусственная морская вода. Отношение потребления энергии для морской воды по сравнению с искусственным раствором NaCl находится в диапазоне 17-32% для ЭД модуля со стандартными мембранами и 21% для ЭД модуля с одновалентно-селективными мембранами.
Потребление энергии гораздо выше для ЭД модуля с одновалентными мембранами, почти в два раза выше, чем для ЭД модуля со стандартными мембранами.
Потребление энергии круто увеличивается, когда ПРТ целевого продукта снижается ниже приблизительно 5000 ч./млн.
Морская вода содержит двухвалентные ионы, такие как Са+2, Mg+2 и SO4-2, в добавление к NaCl, как показано перечислением в примере 1 выше, что может вызывать энергию потребления двухвалентных ионов, как показано данными для морской воды и искусственного раствора NaCl.
Так как одновалентно-селективные мембраны предпочтительно позволяют проход одновалентных ионов относительно двухвалентных ионов, считается, что отношение концентраций двухвалентных ионов к одновалентным в разбавляющей камере будет увеличиваться, когда морская вода опресняется в серии ЭД модулей. Фиг. 12А и 12В показывают доли оставшихся ионов в эксперименте с ЭД модулями с одновалентно-селективными мембранами. Данные показывают, что мембраны задерживают проход двухвалентных ионов относительно одновалентных ионов.
Селективность анионной мембраны составляет почти 100%, что согласуется с опубликованными данными для одновалентно-селективных анионных мембран Tokuyama Soda. Полностью селективная анионная мембрана приведет к отсутствию переноса ионов SO4, и, следовательно, количество оставшихся ионов SO4 будет оставаться на 100%. Считается, что увеличение концентрации SO4 происходит из-за явления электроосмоса, вследствие чего вода также переносится через мембраны.
На основании фиг. 12А и 12В считается, что более высокое потребление энергии в ЭД модулях с одновалентно-селективными мембранами происходит из-за увеличения отношения концентраций двухвалентных ионов к одновалентным. Так же ожидается, что удаление двухвалентных ионов в исходной
воде, особенно SO4, будет снижать потребление энергии в ЭД и ЭДИ модулях. Удаление двухвалентных ионов как часть предварительной обработки к этапу ЭД с помощью нанофильтрации (НФ), например, будет снижать потребление энергии в ЭД и ЭДИ этапе. Продукт НФ будет, следовательно, содержать, главным образом, NaCl и KCl при меньшей концентрации, чем исходная морская вода, и будет требовать меньше энергии на опреснение до 500 ч./млн. Таким образом, в некоторых конфигурациях данного изобретения НФ операции в качестве контролируемого давлением процесса могут использоваться, чтобы способствовать извлечению, и энергия, потраченная и оставшаяся в НФ сбросе, будет дополнительно снижать потребление энергии системы. Устройства регенерации энергии, исходно разработанные для обратного осмоса (ОО), считаются применимыми также для НФ операций.
Альтернативно, этап анионообменной солевой регенерации перед ЭД устройствами или между ЭД и ЭДИ устройствами также будет снижать общее потребление энергии.
Некоторые аспекты настоящего изобретения обеспечивают системы и технологии опреснения морской воды посредством электроуправляемых процессов. Перенос ионов, облегченный с помощью электрического потенциала, описан как относительно эффективный способ, так как сопротивление движению ионов ограничивается мембранами, которые используются, чтобы отделять очищенную воду от отходящей/концентрированной воды.
Дополнительные признаки и аспекты данного изобретения могут представлять собой операции предварительной обработки, как описано выше.
При наличии описанных здесь некоторых иллюстративных вариантов осуществления данного изобретения специалистам в данной области техники должно быть ясно, что вышесказанное является только иллюстрацией, а не ограничением и представлено только в качестве примера. Действительно, некоторые типичные конфигурации устройств, систем и технологий данного изобретения и конкретные компоненты, представленные в таких конфигурациях, рассматриваются, как часть настоящего описания. Например, каждая из операций, когда описывается здесь как соединимая или соединенная, например, проточно соединенная, включает в себя соответствующие входные и выходные порты, которые обеспечивают такое соединение. Неограничивающие примеры соединяющих структур включают в себя трубы и резьбовые или сварные фланцы, укрепленные болтами и гайками, и обычно уплотненные прокладками. Многочисленные модификации и другие варианты осуществления существуют в сфере специалиста в данной области техники и рассматриваются как попадающие в объем данного изобретения. В частности, хотя многие из примеров, представленных здесь, включают в себя конкретные комбинации действий способа или элементов системы, следует понимать, что эти действия и эти элементы могут быть объединены другими способами для выполнения тех же целей.
Специалисты в данной области техники должны понимать, что параметры и конфигурации, описанные здесь, являются примерными, и что действительные параметры и/или конфигурации будут зависеть от конкретного приложения, в котором используются системы и технологии данного изобретения. Специалисты в данной области техники должны также понимать и быть способными установить, используя не более чем рутинные эксперименты, эквиваленты к конкретным вариантам осуществления данного изобретения. Следует, следовательно, понимать, что варианты осуществления, описанные здесь, представлены только в качестве примера, и что данное изобретение может быть осуществлено иначе, чем конкретно описано, оставаясь внутри объема формулы изобретения и эквивалентов к ней.
Кроме того, следует также понимать, что данное изобретение касается каждого признака, системы, подсистемы или технологии, описанных здесь, и любой комбинации двух или более признаков, систем, подсистем или технологий, описанных здесь, и любые комбинации двух или более признаков, систем, подсистем и/или способов, если такие признаки, системы, подсистемы и технологии не являются внутренне несовместимыми, рассматриваются внутри объема данного изобретения, охватываемого в формуле изобретения. Кроме того, действия, элементы и признаки, обсуждаемые только в связи с одним вариантом осуществления, не считаются исключенными из аналогичной роли в других вариантах осуществления.
Используемый здесь термин "множество" относится к двум или более предметам или компонентам. Термины "содержащий", "включающий в себя", "несущий", "имеющий", "содержащий" и "включающий в себя", находясь в написанном описании или формуле изобретения и т.п., являются открытыми терминами, т.е. означают "включая, но не ограничиваясь этим". Таким образом, использование таких терминов подразумевает охватывание перечисленных пунктов и их эквивалентов, а также дополнительных пунктов. Только переходные фразы "состоящий из" и "состоящий, по существу, из" являются закрытыми или полузакрытыми фразами соответственно в отношении формулы изобретения. Использование порядковых терминов, таких как "первый", "второй", "третий" и подобных в формуле изобретения, чтобы модифицировать элемент формулы изобретения, само по себе не означает какого-либо приоритета, предпочтения или порядка одного элемента формулы изобретения над другим или временного порядка, в котором выполняются действия способа, но они используются только как метки, чтобы отличать один элемент формулы изобретения, имеющий определенное название, от другого элемента, имеющего то же название, для применения порядкового термина, чтобы различать элементы формулы изобретения.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Устройство электрохимического разделения, содержащее
истощающую камеру, включающую вход для источника воды, имеющей растворенные в ней твердые вещества, где указанная истощающая камера ограничена, по меньшей мере частично, первой кати-онселективной мембраной и первой анионселективной мембраной;
две пары концентрирующих ячеек в ионном сообщении с указанной истощающей камерой, где первая пара концентрирующих ячеек содержит
камеру первой полуячейки, включающую вход для первой водной жидкости, имеющей первую концентрацию растворенных твердых веществ, и находящуюся в ионном сообщении с истощающей камерой через первую катионселективную мембрану;
камеру второй полуячейки, включающую вход для второй водной жидкости, имеющей вторую концентрацию растворенных твердых веществ, которая больше, чем первая концентрация растворенных твердых веществ, и находящуюся в ионном сообщении с камерой первой полуячейки через вторую ани-онселективную мембрану, причем камера второй полуячейки дополнительно ограничена, по меньшей мере частично, второй катионселективной мембраной,
где вторая пара концентрирующих ячеек содержит
камеру третьей полуячейки в ионном сообщении с истощающей камерой через первую анионселек-тивную мембрану и
камеру четвертой полуячейки в ионном сообщении с камерой третьей полуячейки через третью ка-тионселективную мембрану.
2. Система опреснения, содержащая источник морской воды;
средство для избирательного уменьшения концентрации одновалентных частиц, проточно соединенное с источником морской воды, для получения первого разбавленного потока в истощающей камере электродиализного устройства;
средство для увеличения концентрации растворенных твердых веществ в первом потоке морской воды в концентрирующей камере электродиализного устройства, причем это электродиализное устройство содержит указанную истощающую камеру, проточно соединенную с источником морской воды, и указанную концентрирующую камеру, отделенную от истощающей камеры одновалентно-селективной мембраной;
средство для увеличения концентрации растворенных твердых веществ во втором потоке морской воды с получением потока рассола;
средство для обмена по меньшей мере части двухвалентных частиц на одновалентные частицы в первом разбавленном потоке, где данное средство для обмена имеет выход второго разбавленного потока;
устройство электрохимического разделения по п.1, вход истощающей камеры которого соединен с выходом для частично обработанного потока указанного средства для обмена.
3. Система опреснения по п.2, в которой средство для увеличения концентрации растворенных твердых веществ во втором потоке морской воды содержит электродиализное устройство, имеющее концентрирующую камеру, проточно соединенную с источником морской воды, и выход рассола, обеспечивающий поток рассола.
4. Система опреснения по п.3, в которой электродиализное устройство и/или устройство электрохимического разделения содержит анодную и катодную камеры.
5. Система опреснения по п.4, в которой камера первой полуячейки проточно соединена с источником морской воды, а камера второй полуячейки проточно соединена с источником рассола.
6. Способ обработки жидкости с использованием устройства электрохимического разделения по п.1, в котором первая водная жидкость представляет собой морскую воду, а вторая водная жидкость представляет собой рассол, имеющий вторую концентрацию растворенных твердых веществ по меньшей мере приблизительно 10 мас.%, где поток указанного рассола используют в качестве исходного потока, вводимого в камеру второй полуячейки и камеру четвертой полуячейки.
7. Способ по п.6, в котором отношение второй концентрации растворенных твердых веществ к первой концентрации растворенных твердых веществ составляет по меньшей мере приблизительно 3.
8. Способ опреснения морской воды с использованием системы опреснения по любому из пп.2-5, в котором
снижают концентрацию одновалентных частиц морской воды на первой стадии опреснения с получением частично обессоленной воды в электродиализном устройстве;
увеличивают концентрацию растворенных твердых веществ в первом потоке морской воды;
получают раствор рассола из морской воды второго потока морской воды, где раствор рассола имеет полную концентрацию растворенных твердых веществ, которая по меньшей мере в два раза больше полной концентрации растворенных твердых веществ в морской воде;
обменивают по меньшей мере часть двухвалентных частиц на одновалентные частицы в первом
разбавленном потоке при помощи средства для обмена, имеющего выход второго разбавленного потока;
вводят второй разбавленный поток с указанного выхода средства для обмена в истощающую камеру указанного устройства электрохимического разделения;
создают концентрационно-индуцированный электрический потенциал в паре концентрирующих ячеек устройства электрохимического разделения, что ускоряет перенос по меньшей мере части растворенных частиц из частично обессоленной воды в истощающей камере в камеру пары концентрирующих ячеек.
9. Способ по п.8, при котором дополнительно замещают по меньшей мере часть растворенных, не
одновалентных частиц в частично обессоленной воде растворенными одновалентными частицами.
10. Способ по п.8, при котором при получении раствора рассола ускоряют перенос по меньшей мере части растворенных частиц из морской воды во второй поток морской воды, текущий в концентрирующей камере электродиализного устройства.
11. Способ по п.8, при котором дополнительно
электролитически генерируют по меньшей мере одно из хлора или гипохлоритных частиц в анодной камере по меньшей мере одного из электродиализного устройства и электроуправляемого устройства разделения;
электролитически генерируют поток щелочи в катодной камере по меньшей мере одного устройства из электродиализного устройства и электроуправляемого устройства разделения.
12. Способ по п.11, при котором дополнительно, по меньшей мере частично, дезинфицируют по меньшей мере часть морской воды образованным хлором или гипохлоритными частицами.
13. Способ по п.9, где дополнительно пропускают по меньшей мере часть морской воды через систему нанофильтрации перед уменьшением концентрации одновалентных частиц морской воды на первой стадии опреснения.
12.
12.
12.
12.
ОТ рлабйвленмый с*фь* <н-Продукт о
кбнцв нтри рева нега е
СьфЬ4 ОТ
10*30 "Лшн "модный ЭД IOODD-j'em пэсдуит от
I * \ \ J I I i I i 7"ч
""•II- 1 i CR T
11 IT I; .:
J i
* & * * lit I I I I I
с6кс Рассол ¦*" 10"^,H ce^ "*"
02 CIA B1 CIS
Фиг. 9А
Фиг. 10В
ч/млн е продукте
Фиг. 11А
Доля оставшихся катионов от № стадии
ЭД тестовый модуль с одновалентно-селективной катионной мембраной Tokuyama Soda CMS
ii т - --.
№ стадии Фиг. 12А
Доля оставшихся анионов от № стадии ЭД тестовый модуль с одновалентно-селективной анионной мембраной Tokuyama Soda AMS
i_ г- -- _____
Евразийская патентная организация, ЕАПВ Россия, 109012, Москва, Малый Черкасский пер., 2
025677
- 1 -
025677
- 1 -
025677
- 1 -
025677
- 1 -
025677
- 1 -
025677
- 1 -
025677
- 4 -
025677
- 19 -
025677
- 19 -
025677
- 19 -
025677
- 20 -
025677
- 23 -
025677
- 28 -
025677
- 31 -
025677
- 31 -
025677
- 31 -
025677
- 31 -
025677
- 32 -