已知各种用于从溶液中去除溶剂的方法。例如，可以通过诸如多级 闪蒸馏(flash distillation)的蒸馏方法从海水中提取水。在多级闪蒸馏处 理中，将海水引入一系列管子中，并将其加热到增高温度。随后将经加 热的海水引入蒸发室，并使其经受低于其蒸汽压的压力。压力的骤降导 致出现沸腾或闪蒸(flashing)。闪蒸汽在输入海水流的管子上通过冷凝与 含盐残留物分离。采用了一系列蒸发室。因此，蒸发或闪蒸步骤发生在 多级中。
还可以通过反渗透将水从海水中分离。在反渗透中，将海水置于半 渗透隔膜的一侧，并使其经受5到8MPa的压力。隔膜的另一侧保持在 大气压下。所产生的压差使得水流过该隔膜，而将含盐浓缩物留在隔膜 的受压面上。典型地，半渗透隔膜具有例如1到5埃的平均孔隙尺寸(pore size)。
经过一段时间的操作，半渗透隔膜的孔径可能被海水中的淀积盐、 生物污染物以及悬浮颗粒所堵塞。由此，可能需要更高的压力来维持流 过隔膜的预期流量水平。增大的压差会促进发生进一步堵塞。由此，必 需定期清洗并更换隔膜，这中断了处理的连续性并增加了操作成本。
已经进行了努力来降低隔膜的堵塞程度。例如，可对海水进行预处 理以去除悬浮颗粒和生物物质。另选地或另外地，可以定期排放隔膜高 压侧的剩余溶液以防止渗透压力超过预定阈值。

根据本发明第一方面，提供一种用于从第一溶液中去除溶剂的处理， 所述处理包括以下步骤：
将一选择性隔膜置于所述第一溶液与比所述第一溶液具有更高的渗 透势的第二溶液之间，从而使得来自所述第一溶液的溶剂穿过所述隔膜 来稀释所述第二溶液，以及
从所述第二溶液中提取溶剂，
其中所述隔膜具有至少10埃的平均孔隙尺寸，
其中，所述第二溶液包含太大而不能透过所述隔膜的孔隙的溶质物 质。
优选地，所述隔膜具有10到80埃的平均孔隙尺寸，更优选地，具 有15到50埃的平均孔隙尺寸。在优选实施例中，所述隔膜具有20到30 埃的平均孔隙尺寸。可以根据要求分离的溶剂分子的大小来选择隔膜的 孔隙尺寸。通常，孔隙尺寸越大，通过隔膜的流量就越大。
在本发明的处理中可以使用任何合适的选择性隔膜。可以采用隔膜 阵列。合适的选择性隔膜包括一体式隔膜和复合隔膜。合适的隔膜的具 体示例包括由醋酸纤维素(CA)形成的隔膜和由聚酰胺(PA)形成的隔 膜。优选地，该隔膜为离子选择性隔膜。
所述隔膜可以是平面的或者采取管状或中空纤维的形式。如果希望， 可以将所述隔膜支承在诸如网孔支承体的支承结构上。所述隔膜可以是 波纹状的或具有曲折的结构。
在一个实施例中，可以在外壳或壳体内设置一个或更多个管状隔膜。 可以将第一溶液引入该外壳内，同时将第二溶液引入管子中。由于第一 溶液的渗透势低于第二溶液的渗透势，所以溶剂将穿过隔膜从第一溶液 扩散到第二溶液中。因此，第二溶液将变得益加稀释，而第一溶液则益 加浓缩。可以从管子内部来回收经稀释的第二溶液，同时可从外壳去除 经浓缩的第一溶液。
当采用平面隔膜时，可以转动该片使得其在截面内限定一螺旋。
在各溶液中可以存在一种或更多种溶质。在优选实施例中，第一溶 液包括多种溶质，而第二溶液通过在溶剂中溶解一种或更多种已知溶质 而形成。
在本发明的处理中，第一溶液置于选择性隔膜的一侧。具有更高渗 透势的第二溶液置于该隔膜的相对侧。典型地，而非排他地，第二溶液 比第一溶液具有更高的溶质浓度(并因此具有更低的溶剂浓度)。
由于第一溶液与第二溶液之间的渗透势差，溶剂穿过隔膜从低渗透 势侧到高渗透势侧。由于隔膜的大平均孔隙尺寸会出现大流量的流动。 不需要高压来促使溶剂流动。然而，可以在隔膜上施加压差，例如来加 强分离处理的速度。
尽管第一溶液中的溶质物质可能小到足以通过隔膜的孔隙，但是由 于隔膜另一侧的高渗透压至少最初防止了第一溶液中的溶质物质通过隔 膜的孔隙。仅当隔膜两侧的渗透势相等或第一溶液中的渗透压更高时， 这些溶质物质才可能流过隔膜。
第二溶液包含太大而不能通过隔膜的孔隙的溶质物质。结果，来自 第一溶液的溶剂将高速扩散到第二溶液中，同时限制或防止了两种溶液 之间的溶质通过。
可选地，第二溶液还可以包含小到足以通过隔膜的孔隙的溶质物质。 如果这些小物质在第二溶液中的浓度低于其在第一溶液中的浓度，则这 些小物质将不能穿过隔膜。因此，在优选实施例中，第二溶液可选地包 含至少一种小到足以穿过隔膜的孔隙的溶质物质，该溶质物质的浓度小 于第一溶液中的对应物质的浓度。
因为溶剂从第一溶液进入第二溶液，所以第一溶液变得益加浓缩。 一旦第一溶液的浓度达到一定阈值，则可以回收或排弃该溶液。因此， 本发明的处理可用于将第一溶液转变成浓缩形式以进行处置。另选地， 可以通过重复初始隔膜分离步骤，来从浓缩的第一溶液中去除另一溶剂。 具体地，可以通过将浓缩的第一溶液置于半渗透隔膜的一侧来从该溶液 中去除另一溶剂。可以将具有比浓缩的第一溶液的渗透势更高的渗透势 的另一溶液置于隔膜的相对侧，从而使得来自浓缩的第一溶液的溶剂穿 过该隔膜进入所述另一溶液中。所述另一溶液可以包含与第二溶液相同 的溶质和溶剂。另选地，所述另一溶液可包含不同的成分。
在来自第一溶液的溶剂已经进入第二溶液之后，可以回收第二溶液。 即使没有施加压力来促使溶剂从第一溶液流入第二溶液，第二溶液也可 以处于增高压力下。这是因为溶剂从第一溶液流入第二溶液是沿浓度梯 度发生的。该压力可以用于辅助从第二溶液中提取溶剂的后续提取。例 如，当通过诸如多级闪蒸馏(MSF)的热方法来从第二溶液中提取溶剂 时，第二溶液的压力可以用于补充第二溶液到多级闪蒸馏单元的泵浦。 当通过诸如纳米过滤和反渗透的隔膜方法来从第二溶液中提取溶剂时， 第二溶液的压力可以用于补充施加到第二溶液中的压力，来促使溶剂从 第二溶液中流过选择性渗透隔膜。从而可以采用阀门和其它的压力调节 装置来控制压力。如果必要还可以使用一个或更多个泵来补充处理流的 压力。
即使没有在第一溶液中施加压力，穿过隔膜的溶剂的初始流量也可 以为2到80lm-2hr-1，优选地为5到40lm-2hr-1，例如为15到20lm-2hr-1。 然而，流量可以根据诸如隔膜两侧的两种溶液的浓度梯度的多个因素而 改变。
穿过隔膜的表面的流速可根据需要而改变以降低淤塞隔膜的风险。 通常，穿过隔膜的表面的流速越大，淤塞的风险越低。
可以利用任何合适的方法从第二溶液中提取出溶剂。例如，可以通 过热/压力方法(例如结晶和蒸馏)或使用隔膜来提取溶剂。合适的隔膜 方法包括反渗透、纳米过滤、电渗析反转(electrodialysis reversal)以及 离子交换。当采用反渗透时，可以将与直接(direct)渗透步骤中采用的 同一类型的隔膜用于反渗透步骤中。可利用结合例如热和隔膜方法进行 分离的混合方法，来从第二溶液中提取溶剂。
在优选实施例中，采用纳米过滤隔膜来从第二溶液中提取溶剂。纳 米过滤尤其适合于将第二溶液中的大溶质物质与溶液的剩余物分离。
合适的纳米过滤隔膜包括交联聚酰胺隔膜，例如交联芳香族聚酰胺 隔膜。该隔膜可以在例如由微孔聚合物片形成的支承体顶部形成“表层”。 所得隔膜具有复合结构(例如，薄膜复合结构)。典型地，由“表层”的 孔隙尺寸和电荷来控制隔膜的分离特性。该隔膜可以适用于分离0.01到 0.001微米大小且分子量为100gmol-1或更高(例如，200gmol-1及以上) 的成分。
除了根据粒子的尺寸来过滤粒子，纳米过滤隔膜还可以根据粒子的 静电特性来过滤粒子。例如，在特定实施例中，可以控制纳米过滤隔膜 的表面电荷来提供预期的过滤特性。例如，纳米过滤隔膜的至少一些孔 隙的内部可以充负电，这限制或防止阴离子物质，尤其是多价阴离子的 通过。
合适的纳米过滤隔膜的示例包括Desal-5(Desalination Systems， Escondido，加利福尼亚)，NF 70、NF 50、NF 40以及NF 40 HF隔膜 (FilmTech Corp，Minneapolis，Minn)，SU 600隔膜(Toray，日本) 以及NRT 7450和NTR 7250隔膜(Nitto Electric，日本)。
纳米过滤隔膜可以装配成隔膜模块。例如可以采用封装在壳体内的 螺旋缠绕式隔膜和管状隔膜。另选地，隔膜可以设置为板或设置在框架 内。
也可以采用多级闪蒸馏方法(MSF)来从第二溶液中提取溶剂。例 如，可以加热第二溶液，并将其引入蒸发室中，在蒸发室中使第二溶液 经受低于其蒸汽压的压力。压力的骤降导致出现沸腾或闪蒸。闪蒸汽通 过冷凝可以与溶液的剩余物分离。优选地采用一系列蒸发室。因此，可 在多个级中发生蒸发或闪蒸步骤。在优选实施例中，通过热交换将闪蒸 汽的热能传递到输入溶液。由于此热传递，对蒸汽进行了冷凝并增加了 输入溶液的温度。
还可以采用多效蒸馏(MED)来从第二溶液中提取溶剂。多效蒸馏 产生一系列效果并在各种效果中利用降低周围压力(ambient pressure)的 原理。这使得第二溶液在一系列级中发生沸腾，而无需在第一效果后再 提供额外的热量。
在多效蒸馏中，可预热第二溶液，并将其喷在蒸发管表面上作为液 体薄膜。通过使蒸汽通过管子来加热这些管子。因此，在与管子的加热 表面接触时，所喷的液体蒸发。该蒸汽被用于加热下一效果的蒸发管， 并且热传递使得管中的蒸汽冷凝。通过以此方式蒸发并冷凝第二溶液， 可以从第二溶液回收溶剂。
通过压缩至少一个效果中的蒸汽可以提高多效蒸馏步骤的效率。多 效蒸馏和压缩的组合被称为MED热压缩。
还可以采用机械蒸汽压缩(MVD)来从第二溶液中提取溶剂。在机 械蒸汽压缩中，典型地提取来自容器(vessel)的蒸汽，然后通过位于容 器内的管中的压缩对该蒸汽进行冷凝。压缩和冷凝步骤产生热，这加热 了管壁。当将第二溶液喷在管的表面上时，其蒸发产生更多的蒸汽。通 过重复提取、压缩以及冷凝步骤，可以从第二溶液中回收另一溶剂。
还可以采用速喷淡化(rapid spray desalination)来从第二溶液中提取 溶剂。
也可以采用热分离单元(其通过结晶来分离溶解的溶质)来从第二 溶液中提取溶剂。例如，可以在热分离塔中冷却第二溶液，从而使得至 少一部分溶解的溶质从溶液中沉淀出来。可以将这些沉淀物聚集在热分 离塔底部，而将溶液留在具有减少了的溶质浓度的该塔的顶部。可以取 回该“上部”溶液，以例如直接使用或用于进一步净化。另一方面，可 以对该塔底部的浓缩的溶液进行加热以溶解任何沉淀物。可以丢掉浓缩 的溶液或将其再循环利用为新的第二溶液。当利用结晶方法来从第二溶 液中分离溶剂时，优选地使用盐(其在第二溶液的溶剂中具有对温度变 化敏感的溶解性)来形成第二溶液。这种盐的示例包括诸如磷酸氢二钠 (Na2HPO4·12H2O)的磷酸氢盐。
还可以通过将微生物引入第二溶液中，以将第二溶液中溶解的溶质 变换为不溶物，来从第二溶液中回收溶剂(即，生物淡化)。然后例如通 过过滤可以将这些不溶物与溶剂分离。另选地，可以将沉淀剂加入第二 溶液中来沉淀溶解的溶质。然后例如通过过滤来从溶剂中去除沉淀物。
可以利用多种技术的组合来从第二溶液中提取溶剂。在一个实施例 中，采用下述技术中的至少两种来从第二溶液中提取溶剂：结晶、蒸馏、 纳米过滤以及反渗透。在采用蒸馏技术的情况下，可以采用多级闪蒸馏、 多效蒸馏、机械蒸汽压缩以及速喷蒸馏中的至少一种。当利用多于一种 技术来从第二溶液中提取溶剂时，可以顺序地或并行地执行这些技术。
在一个实施例中，可将第二溶液分成两部分。可以通过纳米过滤或 反渗透来处理第一部分，而可以通过结晶和/或从多级闪蒸馏、多效蒸馏、 机械蒸汽压缩、MED热压缩以及速喷蒸馏中的至少一种中选出的蒸馏技 术来处理第二部分。可通过结晶和/或诸如多闪蒸馏、多效蒸馏、机械蒸 汽压缩、MED热压缩以及/或者速喷蒸馏的蒸馏技术来对纳米过滤或反渗 透步骤的残留物进行进一步处理。
在一个示例中，可以通过诸如纳米过滤或反渗透的隔膜方法，随后 通过诸如多级闪蒸馏(MSF)的热方法来从第二溶液中提取溶剂。从第 一隔膜方法步骤中排出的第二溶液可以处于增高的渗透压下。例如，该 压力可用于帮助将第二溶液泵浦到MSF单元。
在另一示例中，可通过例如可以串行地执行的两个或更多个隔膜分 离步骤，来从第二溶液中提取溶剂。从第一隔膜步骤中排出的第二溶液 可以处于增高的渗透压下。该压力可以用于促使溶剂从第二溶液流过随 后的选择性隔膜和/或半渗透隔膜。
第二溶液的溶剂可以与第一溶液的溶剂相同或不同。当第二溶液的 溶剂不同于第一溶液的溶剂时，提取出的溶剂将包含来自第一溶液的溶 剂和来自第二溶液的溶剂的混合物。这在例如希望生成来自分离的不纯 溶液的两种溶剂的混合物时是有用的。
优选地，第一溶液中的溶剂与第二溶液中的溶剂相同。因此，提取 出的溶剂主要由一种溶剂构成。可以回收提取出的溶剂，并以其回收的 形式使用或者在使用前进一步进行处理。例如，当提取出的溶剂是水时， 例如可通过后处理级来稳定水。
当从第二溶液中提取溶剂时，固体残留物或残留溶液通常留下了。 可以丢掉这些残留物或残留溶液。
另选地，可以回收该固体残留物，并用于形成新的第二溶液，以从 第一溶液中提取溶剂。还可以回收并再循环利用残留溶液，例如用作新 的第二溶液来从第一溶液中提取溶剂。在特定情况下，可以直接使用残 留溶液作为新的第二溶液。在其它情况下，可能有必要例如通过相应地 改变残留溶液的浓度来对其进行预处理。
第一溶液典型地包含需要净化的溶剂。因此，本发明的处理可用于 净化诸如烃(例如，脂肪族烃和芳烃)的有机溶剂。可以净化有机溶剂 的混合物。烃可以是直链、支链的以及/或者环状的。示例包括(但并不 限于)烷烃、烯烃以及炔。烃可取代有一种或更多种杂原子(例如，氟、 氯、溴、碘、氧、硫、氮、以及/或者磷原子)。在一个实施例中，可以净 化氧化烃，例如醛、酮、羧酸、醚、酯、醇以及/或者其衍生物。例如， 还可以采用乙二醇醚和乙二醇醚酯。另选地或者另外地，可以净化诸如 氯化烃、溴化烃以及/或者氟化烃的卤化溶剂。
本发明的处理还可用于净化无机溶剂，例如酸性溶剂、碱性溶剂以 及诸如水的中性溶剂。这种溶剂优选地存在于第一溶液中，并且另外可 以存在于第二溶液中。例如，本发明的处理可用于净化酸的水溶液。另 选地，本发明的处理可用于净化诸如氢氧化物水溶液的碱性溶剂。
根据本发明的优选实施例，该处理用于从诸如盐溶液(例如海水或 半咸水)的水中去除杂质。从海水和半咸水中去除盐杂质被称为淡化。 另选地，该处理可用于净化来自废流(例如工业污水、农业或生活污水) 的水。因此，这种废流可用作第一溶液，或者对其进行预处理以形成第 一溶液。也可以净化灰水流，例如废洗涤水(例如洗衣店)和来自集水 沟的水流。在一个实施例中，可利用本发明的处理对来自洗车房、洗衣 房以及发电厂的锅炉给水流的废水进行净化以再利用。
本发明的处理还可用于净化来自其它来源的水，例如来自河流或地 下水源的水。本发明也可以净化生活水源以产生饮用水。
净化水流可用于广泛的应用，例如，用于工业、农业、商业以及生 活使用(例如生产饮用水)。在一个实施例中，净化水用于从油井中泵油。 (为避免疑惑，术语“净化水”指已通过本发明的处理进行了处理的水。 因此，净化水流可包括一种或更多种溶解盐)。在用于油回收的传统方法 中，将海水注入油井中来促使油从油井中到达地面。然而，使用海水会 导致严重的运行和结垢(scaling)问题。此外，难以将海水与油分离，这 在回收油的时候会引起分离问题。通过使用净化水，可以减少和/或消除 这些问题。另外，净化水可处于增高渗透压力下；该增大的压力可用于 帮助将水泵入油井。
第二溶液是包含太大而不能穿过隔膜的孔隙的溶质物质的溶液。在 一个实施例中，第二溶液中存在的基本全部溶质物质都太大而不能穿过 隔膜的孔隙。合适的溶质物质的分子量可以为50到10000gmol-1，优选 地为150到5000gmol-1，更优选地为200到2000gmol-1。
针对第二溶液的合适溶质包括有机化合物、生物化合物以及/或者无 机化合物。
合适的有机化合物包括烃，例如脂肪族烃和芳烃。可以采用两种或 更多种有机化合物的混合物。烃可以是直链的、支链的以及/或者环状的。 合适的烃的示例包括(但并不限于)烷烃、烯烃以及炔。烃可取代有一 种或更多种杂原子，例如，氟、氯、溴、碘、氧、硫、氮、以及/或者磷 原子。在一个实施例中，可以采用氧化烃，例如醛、酮、羧酸、醚、酯、 醇以及/或者其衍生物。有机溶质物质的分子量可以为200到10000 gmol-1，优选地为300到5000gmol-1，更优选地为400到2000gmol-1，进 一步优选地为500到1000gmol-1。
合适的生物化合物包括蛋白质、氨基酸、核酸、碳水化合物以及脂 质。可以采用两种或更多种生物化合物的混合物。优选的生物溶质包括 糖，例如甘蔗糖和/或甜菜糖。也可采用葡萄糖、果糖以及蔗糖。生物溶 质物质的分子量可以为100到10000gmol-1，优选地为300到5000gmol-1， 更优选地为400到2000gmol-1，进一步优选地为500到1000gmol-1。
合适的无机化合物包括酸、碱以及盐。可以采用两种或更多种无机 化合物的混合物。在优选实施例中，第二溶液中的溶质为盐。该盐可以 具有大于隔膜的平均孔隙尺寸的阳离子和/或阴离子物质。优选地，该盐 中的溶剂化的阳离子和阴离子物质都大于隔膜的平均孔隙尺寸。
合适的阳离子物质包括金属离子和铵离子。合适的金属离子包括I 族到III族金属离子。合适的I族金属离子的示例包括钠离子和钾离子。 合适的II族金属离子的示例包括镁离子、钙离子、锶离子以及钡离子。 合适的II族阳离子的示例包括铝离子。还可以采用络阳离子。
在采用铵离子的情况下，例如可以使用烷基(例如C1到C20烷基) 来取代这种离子。也可以采用带有取代基的烷基。
优选地，阳离子在溶剂化(例如水合)形式下具有大于10埃的平均 直径。优选地，金属阳离子在溶剂化(例如水合)形式下具有11到100 埃、更优选地为15到50埃的直径。
合适的阴离子物质包括氟化物、氯化物、溴化物、碘化物、硫酸盐、 亚硫酸盐、硫化物、碳酸盐、碳酸氢盐、硝酸盐、亚硝酸盐、氮化物、 磷酸盐、磷酸氢盐、铝酸盐、硼酸盐、溴酸盐、碳化物、氯化物、高氯 酸盐、次氯酸盐、铬酸盐、氟硅酸盐、氟硅酸盐、氟硫酸盐、硅酸盐、 氰化物以及氰酸盐。
优选地，阴离子在溶剂化形式下具有至少5埃的平均直径。优选地， 阴离子在溶剂化形式下具有5到50埃、更优选地为10埃到40埃、更优 选地为20到30埃的直径。
优选的盐包括硫酸镁(MgSO4·6H2O或者MgSO4·7H2O)、氯化镁 (MgCl2·6H2O)、硫酸钠(Na2SO4·10H2O)、氯化钙(CaCl2·2H2O或者 CaCl2·6H2O)、磷酸氢二钠(Na2HPO4·12H2O)以及钾明矾(24H2O)。
可选地，除了太大而不能通过隔膜的孔隙的溶质，第二溶液还可包 括小到足以通过隔膜的孔隙的溶质。这种溶质的示例包括碱金属卤化物， 如碱金属氯化物(例如，氯化钠和氯化钾)。
可以利用与从第二溶液中分离较大溶质所采用的分离方法相同或不 同的分离方法，来从第二溶液中分离这些较小的盐。因此，可以通过诸 如上述的隔膜方法和热方法来分离较小的溶质。在一个实施例中，通过 与从第二溶液中分离较小溶质所采用的方法不同的方法来分离较大的溶 质。例如，可以通过纳米过滤来分离较大溶质，并可通过直接渗透、反 渗透、结晶以及/或者蒸馏技术中的至少一种来分离较小溶质。
第二溶液可由有机溶剂和/或无机溶剂形成。适合的有机溶剂包括诸 如脂肪族烃和芳烃的烃。可以采用有机溶剂的混合物。烃可以是直链、 支链的以及/或者环状的。示例包括(但并不限于)烷烃、烯烃以及炔。 烃可取代有一种或更多种杂原子，例如，氟、氯、溴、碘、氧、硫、氮、 以及/或者磷原子。在一个实施例中，可以采用氧化烃，例如醛、酮、羧 酸、醚、酯、醇以及/或者其衍生物。例如，还可以采用乙二醇醚和乙二 醇醚酯。另选地或者另外地，可以采用诸如氯代烃、溴代烃以及/或者氟 代烃的卤代溶剂。
适合的无机溶剂包括酸性溶剂、碱性溶剂以及/或者水。优选地，采 用水作为第二溶液中的溶剂。
优选地，第二溶液具有已知成分。例如，在一个实施例中，第二溶 液是通过将已知量的溶质引入已知量的溶剂中形成的。优选地，第二溶 液主要包括所选溶剂中溶解的所选溶质。通过以此方式形成第二溶液， 可以产生基本清洁的溶液。优选地，第二溶液具有减小浓度的悬浮颗粒、 生物体以及/或者其它成分，这些会导致淤塞用于从第二溶液中提取溶剂 的装置。更优选地，第二溶液基本没有这种成分。因此，隔膜技术可用 于从第二溶液中提取溶剂，而不必担心隔膜的孔隙经受例如由生物体或 悬浮颗粒造成的不可接受的高度淤塞。
优选地，第二溶液是至少一种盐的水溶液。盐可选自硫酸镁 (MgSO4·6H2O或者MgSO4·7H2O)、氯化镁(MgCl2·6H2O)、硫酸钠 (Na2SO4·10H2O)、氯化钙(CaCl2·2H2O或者CaCl2·6H2O)、磷酸氢二钠 (Na2HPO4·12H2O)以及钾明矾(24H2O)的一种或更多种。
另选地，第二溶液是诸如葡萄糖、果糖以及/或者蔗糖的糖的水溶液。 糖可以从任何适合来源中获得。例如，可以采用甜菜糖和/或甘蔗糖。
在优选实施例中，将盐溶液(例如，海水或半咸水)用作第一溶液 且置于隔膜的一侧。将溶质浓度高于盐溶液的溶质浓度的第二溶液置于 隔膜的另一侧。优选地，采用如下物质的水溶液作为第二溶液，即：硫 酸镁(MgSO4·6H2O或者MgSO4·7H2O)、氯化镁(MgCl2·6H2O)、硫酸钠 (Na2SO4·10H2O)、氯化钙(CaCl2·2H2O或者CaCl2·6H2O)以及磷酸氢 二钠(Na2HPO4·12H2O)、钾明矾(24H2O)的水溶液，和/或诸如葡萄糖、 果糖以及/或者蔗糖的糖的水溶液。如上所述，可以包括另外的溶质，例 如那些小到足以通过隔膜的孔隙的溶质。这种溶质的示例包括氯化钠和 氯化钾。
第二溶液可以包含诸如防结垢剂、防腐剂、防污剂以及消毒剂的化 学添加剂。例如当第二溶液在连续回路中循环时，系统中可以包含这些 添加剂。
隔膜任一侧的溶质浓度差(或渗透势)导致水通过渗透从盐溶液(例 如，海水或半咸水)进入第二溶液。由于水的流动沿浓度梯度发生，所 以不需要高压来促使流动。然而，如果希望，也可以利用隔膜两侧的压 差。
尽管第一溶液中的溶解的物质可以小到足以通过隔膜的孔隙，但由 于隔膜另一侧的高渗透势防止了该溶解的物质通过。由于第二溶液包含 太大而不能通过隔膜的孔隙的溶质物质，所以防止了这些溶质物质穿过 到隔膜的另一侧。结果，来自第一溶液的水将高速扩散到第二溶液中， 同时限制或防止了两种溶液之间的溶质通过。
可以在不施加压力的情况下来执行该分离步骤。因此，尽管可能出 现例如盐溶液(例如，海水或半咸水)中的生物体(例如，海草、海藻、 细菌、真菌以及浮游生物)和悬浮颗粒(例如，污垢、土壤、泥、淤泥、 有机胶体、硅、沉淀物以及砂粒)淤塞隔膜，但可以在不中断昂贵的处 理进程的情况下来清洗或替换隔膜。此外，由于该分离步骤可在不加压 的情况下来执行，所以在重新开始该处理时无需对隔膜重新加压。
来自盐溶液的水的流动稀释了第二溶液。随后从稀释后的第二溶液 中提取出水。合适的提取技术包括上述的蒸馏和隔膜方法。如上所述， 可以利用这些提取技术中的两种或更多种的组合。
在一个实施例中，采用了反渗透。在反渗透中，第二溶液可置于半 渗透隔膜的一侧，并经受高压。隔膜的另一侧保持在较低压力下。所得 压差使得溶剂(例如，水)流过隔膜，而在隔膜的受压侧留下残留溶液。
在反渗透步骤中可采用任何选择性隔膜。例如，可采用传统的半渗 透隔膜和纳米过滤隔膜。
反渗透中采用的压差可约为0.1到20MPa，优选地约为0.5到15 MPa，更优选地约为0.7到7MPa，最优选地约为1到3MPa。可对隔膜 的一侧加压，同时保持另一侧在大气压下或低于大气压。优选地，仅对 隔膜的一侧加压。隔膜的受压侧可经受约为0.1到20MPa、优选地约为 0.5到15MPa、更优选地约为0.7到7MPa、最优选地约为1到3MPa的 压力。应当明白，所需的精确压力将例如随隔膜任一侧的溶液的相对溶 质浓度而变化。
如上所述，第二溶液可包含比第一溶液浓度低的导致隔膜淤塞的成 分(例如，生物体和悬浮颗粒)。第二溶液还可以包含诸如防结垢剂、防 腐剂、防污剂以及消毒剂的化学添加剂。在此实施例中，通过反渗透从 经稀释的第二溶液中提取溶剂所需的压力通常小于直接使用第一溶液通 过反渗透从第一溶液中提取溶剂所需的压力。例如，通过反渗透直接对 海水进行淡化需要5到8MPa的压力。
本发明的处理可以是连续的或分批的处理。
溶剂流过隔膜的流量通常受到热条件的影响。因此，如果希望，可 以对隔膜任一侧的溶液进行加热或冷却。可以将溶液加热到30到100℃ (例如，40到80℃)的温度。另选地，可以将溶液冷却到-20到20℃ (例如7到12℃)。可以对隔膜一侧的溶液进行加热，同时对另一侧进 行冷却。可以独立地对各溶液进行加热或冷却。如果希望，也可以在隔 膜的任一侧进行化学反应。
本发明的处理可进一步包括从第一溶液(例如，废流、海水或半咸 水)中去除污染物(例如，悬浮颗粒和生物体)的预处理步骤。另外或 另选地，可以在第一溶液中加入阈值抑制剂来控制氧化。还可以采用预 处理步骤来改变第一溶液的pH。当将海水用作第一溶液时，优选地采用 深海海水，这是因为其通常比从海洋表面获得的海水包含更少的悬浮颗 粒和更少的生物体。从第一溶液中提取溶剂的处理可任选地在海洋表面 或在靠近海岸处进行。
可通过微波、激光电磁、电场(电渗透)以及动电处理来提高第二 溶液的渗透势。
根据本发明第二方面，提供了一种用于从第一溶液去除溶剂的处理， 所述处理包括以下步骤：
将选择性隔膜置于第一溶液与比第一溶液具有更高渗透势的第二溶 液之间，使得来自第一溶液的溶剂穿过隔膜来稀释第二溶液，以及
通过从沉淀、生物淡化、多级闪蒸馏、多效淡化、机械蒸汽压缩、 速喷淡化以及纳米过滤中选出的技术，从第二溶液中回收溶剂。
在本发明的处理中可以使用任何合适的选择性隔膜。隔膜可以具有 1到80埃、优选地为5到70埃、更优选地为10到65埃(例如，15到 50埃)的平均孔隙尺寸。在一个实施例中，隔膜具有20到30埃的平均 孔隙尺寸。
合适的选择性隔膜包括一体式隔膜和复合隔膜。合适的隔膜的具体 示例包括由醋酸纤维素(CA)形成的隔膜和由聚酰胺(PA)形成的隔膜。 优选地，该隔膜为离子选择性隔膜。也可以采用传统的半渗透隔膜。
隔膜可以是平面的或者采取管状或中空纤维的形式。如果希望，可 以将隔膜支承在诸如网孔支承体的支承结构上。隔膜可以是波纹状的或 具有曲折的结构。
在一个实施例中，可以在外壳或壳体内设置一个或更多个管状膜。 可以将第一溶液引入外壳内，同时将第二溶液引入管子中。由于第一溶 液的溶剂浓度高于第二溶液的溶剂浓度，所以溶剂将穿过隔膜从第一溶 液扩散到第二溶液中。因此，第二溶液将变得益加稀释，而第一溶液则 益加浓缩。可以从管子内部来回收经稀释的第二溶液，同时可从外壳去 除经浓缩的第一溶液。
当采用平面隔膜时，可以转动该片，使其在截面内限定一螺旋。
在各溶液中可以存在一种或更多种溶质。在优选实施例中，第一溶 液包括多种溶质，而第二溶液通过在溶剂中溶解一种或多种已知溶质而 形成。
在本发明的处理中，第一溶液置于选择性隔膜的一侧。具有更高渗 透压的第二溶液置于该隔膜的相对侧。典型地，而非排他地，第二溶液 相比第一溶液具有更高的溶质浓度(并因此具有更低的溶剂浓度)。
由于第一溶液与第二溶液之间的渗透压差，溶剂穿过隔膜从低渗透 势侧到达高渗透势侧。不需要高压来促使溶剂流动。然而，可以在隔膜 上施加压差，例如来提高分离处理的速度。
尽管第一溶液中的溶质物质可能小到足以通过隔膜的孔隙，但是由 于隔膜另一侧的高渗透势防止了第一溶液中的溶质物质穿过该隔膜。
随着溶剂从第一溶液进入第二溶液，第一溶液变得益加浓缩。一旦 第一溶液的浓度达到一定阈值，则可以回收或排弃该溶液。因此，本发 明的处理可用于将第一溶液转变成浓缩形式以进行处置。另选地，可以 通过重复初始隔膜分离步骤，来从浓缩的第一溶液中去除另一溶剂。具 体地，可以通过将浓缩的第一溶液置于半渗透隔膜的一侧来从该溶液中 去除另一溶剂。可以将渗透势比浓缩溶液的要高的另一溶液置于该隔膜 的相对侧，从而使得来自浓缩的第一溶液的溶剂穿过该隔膜进入所述另 一溶液中。所述另一溶液可以包含与第二溶液中相同的溶质和溶剂。另 选地，所述另一溶液可包含不同的成分。
在来自第一溶液的溶剂已经进入第二溶液之后，可以回收第二溶液。 即使没有施加压力来促使溶剂从第一溶液流入第二溶液，第二溶液也可 以处于增高压力下。这是因为溶剂从第一溶液流入第二溶液是沿浓度梯 度发生的。该压力可以用于辅助随后从第二溶液中提取溶剂。例如，当 通过诸如纳米过滤和反渗透的隔膜方法来从第二溶液中提取溶剂时，第 二溶液的压力可以用于补充施加到第二溶液的压力，来促使溶剂从第二 溶液流过所采用的选择性渗透隔膜。例如，当通过诸如多级闪蒸馏(MSF) 的热方法来从第二溶液中提取溶剂时，第二溶液的压力可以用于补充第 二溶液到MSF单元的泵浦。从而可以采用阀门和其它的压力调节装置来 控制压力。如果必要还可以使用一个或更多个泵来补充处理流的压力。
即使没有对第一溶液施加压力，穿过隔膜的溶剂的初始流量也可以 为2到80lm-2hr-1，优选地为5到40lm-2hr-1，例如为15到20lm-2hr-1。 然而，流量可以随诸如隔膜两侧的两种溶液的浓度梯度的多个因素而改 变。
穿过隔膜的表面的流速可根据需要而改变以降低淤塞隔膜的风险。 通常，穿过隔膜的表面的流速越大，淤塞的风险越低。
可以利用任何合适方法从第二溶液中提取出溶剂。例如，可以通过 热/压力方法(例如蒸馏)或使用隔膜来提取溶剂。合适的隔膜方法包括 反渗透、纳米过滤、电渗析、反转以及离子交换。当采用反渗透时，可 以在反渗透步骤中使用与直接渗透步骤中采用的隔膜相同类型的隔膜。 可采用结合例如热和隔膜分离方法的混合方法，来从第二溶液中提取溶 剂。
在优选实施例中，采用纳米过滤隔膜来从第二溶液中提取溶剂。纳 米过滤尤其适合于从溶液的剩余部分中分离第二溶液中的大溶质物质。
合适的纳米过滤隔膜包括交联聚酰胺隔膜，例如交联芬芳聚酰胺隔 膜。该隔膜可以在例如由微孔隙聚合物片形成的支承体顶部形成“表层”。 所得隔膜具有复合结构(例如，薄膜复合结构)。典型地，由“表层”的 孔隙尺寸和电荷来控制该隔膜的分离特性。该隔膜可适用于分离0.01到 0.001微米大小且分子量为100gmol-1或更高(例如，200gmol-1及以上) 的成分。
除了根据尺寸来过滤粒子，纳米过滤隔膜还可以根据粒子的静电特 性来过滤粒子。例如，在特定实施例中，可以控制纳米过滤隔膜的表面 电荷来提供预期的过滤特性。例如，纳米过滤隔膜的至少一些孔隙的内 部可以充负电，这限制并防止阴离子物质，尤其是多价阴离子的通过。
合适的纳米过滤隔膜的示例包括Desal-5(Desalination Systems， Escondido，加利福尼亚)，NF 70、NF 50、NF 40以及NF 40 HF隔膜 (FilmTech Corp.，Minneapolis，Minn)，SU 600隔膜(Toray，日本) 以及NRT 7450和NTR 7250隔膜(Nitto Electric，日本)。
纳米过滤隔膜可以装配成隔膜模块。可以采用例如封装在壳体内的 螺旋缠绕式隔膜和管状隔膜。另选地，隔膜可以设置为板或设置在框架 内。
也可以采用多级闪蒸馏方法(MSF)来从第二溶液中提取溶剂。例 如，可以加热第二溶液，并将其引入蒸发室中，在蒸发室中使第二溶液 经受低于其蒸汽压的压力。压力的骤降导致出现沸腾或闪蒸。可以通过 冷凝将闪蒸汽与溶液的剩余部分分离开。优选地采用一系列蒸发室。因 此，蒸发或闪蒸步骤可发生在多个级中。在优选实施例中，通过热交换 将闪蒸汽的热能传递到输入溶液中。由于此热传递，对蒸汽进行了冷凝 并提高了输入溶液的温度。
还可以采用多效蒸馏(MED)来从第二溶液中提取溶剂。多效蒸馏 产生一系列效果并利用在各种效果中降低周围压力的原理。这使得第二 溶液在一系列级中发生沸腾，而无需在第一效果后再提供额外的热量。
在多效蒸馏中，可预热第二溶液，并将其喷在蒸发管表面上作为液 体薄膜。通过令蒸汽通过该管子来加热这些管子。因此，在与管子的加 热表面接触时，所喷的液体蒸发。该蒸汽被用于加热下一效果的蒸发管， 并且热传递使得管中的蒸汽冷凝。通过以此方式蒸发和冷凝第二溶液， 可以从第二溶液回收溶剂。
通过压缩至少一个效果中的蒸汽可以提高多效蒸馏步骤的效率。多 效蒸馏和压缩的组合被称为MED热压缩。
还可以采用机械蒸汽压缩(MVD)来从第二溶液中提取溶剂。在机 械蒸汽压缩中，典型地提取来自容器的蒸汽，然后通过压缩在位于容器 内的管中对该蒸汽进行冷凝。压缩和冷凝步骤产生热，这加热了管壁。 当将第二溶液喷在管的表面上时，其蒸发产生更多的蒸汽。通过重复提 取、压缩以及冷凝步骤，可以从第二溶液中回收另一溶剂。
还可以使用速喷淡化来从第二溶液中提取溶剂。
也可以采用热分离单元(其通过结晶来分离溶解的溶质)来从第二 溶液中提取溶剂。例如，可以在热分离塔中冷却第二溶液，从而使得至 少一部分溶解的溶质从溶液中沉淀出来。这些沉淀物可以聚集在热分离 塔底部，而将溶液留在溶质浓度减小的该塔的顶部。可以取回该“上部” 溶液，以例如直接使用或用于进一步净化。另一方面，可以对该塔底部 的浓缩溶液进行加热以溶解任何沉淀物。可以丢掉浓缩溶液或将其再循 环利用为新的第二溶液。当利用结晶方法来从第二溶液中分离溶剂时， 优选地使用盐(其在第二溶液的溶剂中具有对温度变化敏感的溶解性) 来形成第二溶液。这种盐的示例包括诸如磷酸氢二钠(Na2HPO4·12H2O) 的磷酸氢盐。
还可以通过将微生物引入第二溶液中，以将第二溶液中溶解的溶质 变换为不溶物，来从第二溶液中回收溶剂(即，生物淡化)。然后例如通 过过滤可以将这些不溶物与溶剂分离。另选地，可以将沉淀剂加入第二 溶液中来沉淀溶解的溶质。然后例如通过过滤来从溶剂中去除沉淀物。
可以利用多种技术的组合来从第二溶液中提取溶剂。在一个实施例 中，采用下述技术中的至少两种来从第二溶液中提取溶剂：结晶、蒸馏、 纳米过滤以及反渗透。在采用蒸馏技术的情况下，可以采用多级闪蒸馏、 多效蒸馏、机械蒸汽压缩以及速喷蒸馏中的至少一种。当利用多于一种 的技术来从第二溶液中提取溶剂时，可以顺序地或并行地执行这些技术。
在一个实施例中，可将第二溶液分成两部分。通过结晶和/或纳米过 滤或者反渗透来处理第一部分，而通过结晶和/或从多级闪蒸馏、多效蒸 馏(包括MED热压缩)、机械蒸汽压缩以及速喷蒸馏中的至少一个中选 出的蒸馏技术来处理第二部分。可通过结晶和/或诸如多级闪蒸馏、多效 蒸馏、机械蒸汽压缩、以及/或者速喷蒸馏的蒸馏技术来对纳米过滤或反 渗透步骤的残留物进行进一步处理。
在另一实施例中，可以通过隔膜技术，随后通过结晶和/或诸如多级 闪蒸馏、多效蒸馏、机械蒸汽压缩、以及/或者速喷蒸馏的热蒸馏来从第 二溶液中提取溶剂。合适的隔膜技术包括纳米过滤和反渗透。可以采用 具有至少10埃的平均孔隙尺寸的选择性隔膜(参见本发明第一方面)。 另选地，可以使用传统的半渗透隔膜。
第二溶液的溶剂可以与第一溶液的溶剂相同或不同。当第二溶液的 溶剂不同于第一溶液的溶剂时，提取出的溶剂将包含来自第一溶液的溶 剂和来自第二溶液的溶剂的混合物。这在例如希望生成来自分离的不纯 溶液的两种溶剂的混合物时可以是有用的。
优选地，第一溶液中的溶剂与第二溶液中的溶剂相同。因此，提取 出的溶剂主要由一种溶剂构成。可以回收提取出的溶剂，并以回收的形 式使用或者在使用前进一步进行处理。例如，当提取出的溶剂是水时， 例如可通过后处理级来稳定水。
当从第二溶液中提取溶剂时，常留下固体残留物或残留溶液通。可 以丢掉这些残留物或残留溶液。
另选地，可以回收该固体残留物，并用于形成新的第二溶液，以从 第一溶液中提取溶剂。还可以回收并再循环利用残留溶液，例如用作新 的第二溶液来从第一溶液中提取溶剂。在特定情况下，可以直接使用残 留溶液作为新的第二溶液。在其它情况下，有必要例如通过相应地改变 残留溶液的浓度来对其进行预处理。
第一溶液典型地包含需要净化的溶剂。因此，本发明的处理可用于 净化诸如烃(例如，脂肪族烃和芳烃)的有机溶剂。可以净化有机溶剂 的混合物。烃可以是直链、支链的以及/或者环状的。示例包括(但并不 限于)烷烃、烯烃以及炔。烃可取代有一种或更多种杂原子，例如，氟、 氯、溴、碘、氧、硫、氮、以及/或者磷原子。在一个实施例中，还可以 净化氧化烃，如醛、酮、羧酸、醚、酯、醇以及/或者其衍生物。例如， 还可以采用乙二醇醚和乙二醇醚酯。另选地或者另外地，可以净化诸如 氯代烃、溴代烃以及/或者氟代烃的卤代溶剂。
本发明的处理还可用于净化无机溶剂，如酸性溶剂、碱性溶剂以及 诸如水的中性溶剂。这种溶剂优选地存在于第一溶液中，并且另外可以 存在于第二溶液中。例如，本发明的处理可用于净化酸的水溶液。另选 地，本发明的处理可用于净化诸如氢氧化物水溶液的碱性溶剂。
根据本发明的优选实施例，该处理用于从诸如盐溶液(例如海水或 半咸水)的水中去除杂质。从海水和半咸水中去除盐杂质被称为淡化。 另选地，该处理可用于净化来自废流(例如工业污水、生活或农业污水) 的水。因此，这种废流可用作第一溶液，或者对其进行预处理以形成第 一溶液。也可以净化灰水流，例如废洗涤水(例如洗衣店)和来自集水 沟的水流。在一个实施例中，可利用本发明的处理对来自洗车房、洗衣 房以及发电厂的锅炉给水流的废水进行净化以再利用。
本发明的处理还可用于净化来自其它来源的水，例如来自河流或地 下水源的水。也可以利用本发明的方法来净化生活水源以产生饮用水。
净化水流可用于广泛的应用，例如，用于工业、农业、商业以及生 活使用(例如产生饮用水)。在一个实施例中，净化水用于从油井中泵油。 (为避免疑惑，术语“净化水”指已通过本发明的处理进行了处理的水。 因此，净化水流可包括一种或更多种溶解盐)。在用于油回收的传统方法 中，将海水注入油井中来促使油从油井中到达地面。然而，使用海水会 导致严重的操作和结构问题。此外，难以将海水与油分离，这在回收油 的时候会引起分离问题。通过使用净化水，可以减轻和/或消除这些问题。 另外，净化水可处于增高渗透压下；该增大的压力可用于帮助将水泵入 油井。
第二溶液是包含太大而不能穿过隔膜的孔隙的溶质物质的溶液。在 一个实施例中，第二溶液中存在的基本全部溶质物质都太大而不能穿过 隔膜的孔隙。合适的溶质物质可具有50到10000gmol-1、优选地为100 到5000gmol-1、更优选地为200到2000gmol-1的分子量。
适合第二溶液的溶质包括有机化合物、生物化合物以及/或者无机化 合物。
合适的有机化合物包括烃，例如脂肪族烃和芳烃。可以采用两种或 更多种有机化合物的混合物。烃可以是直链、支链以及/或者环状的。合 适的烃的示例包括(但并不限于)烷烃、烯烃以及炔。烃可取代有一种 或更多种杂原子，例如，氟、氯、溴、碘、氧、硫、氮、以及/或者磷原 子。在一个实施例中，可以采用氧化烃，例如醛、酮、羧酸、醚、酯、 醇以及/或者其衍生物。有机溶质物质可具有100到10000gmol-1、优选地 为300到5000gmol-1、更优选地为400到2000gmol-1、甚为优选地为500 到1000gmol-1的分子量。
合适的生物化合物包括蛋白质、氨基酸、核酸、碳水化合物以及脂 质。可以采用两种或更多种生物化合物的混合物。优选生物溶质包括糖， 例如甘蔗糖和/或甜菜糖。也可采用葡萄糖、果糖以及蔗糖。生物溶质物 质可具有100到10000gmol-1、优选地为300到5000gmol-1、更优选地为 400到2000gmol-1、甚为优选地为500到1000gmol-1的分子量。
合适的无机化合物包括酸、碱以及盐。可以采用两种或更多种无机 化合物的混合物。在优选实施例中，第二溶液中的溶质为盐。该盐可以 具有大于隔膜的平均孔隙尺寸的阳离子和/或阴离子物质。优选地，该盐 中的溶剂化阳离子和阴离子物质都大于隔膜的平均孔隙尺寸。
合适的阳离子物质包括金属离子和铵离子。合适的金属离子包括I 族到III族金属离子。合适的I族金属离子的示例包括钠离子和钾离子。 合适的II族金属离子的示例包括镁离子、钙离子、锶离子以及钡离子。 合适的II族阳离子的示例包括铝离子。还可以采用络阳离子。
在采用铵离子的情况下，这种离子例如可以由烷基(例如C1到C20 烷基)来取代。也可以采用取代烷基。
合适的阴离子物质包括氟化物、氯化物、溴化物、碘化物、硫酸盐、 亚硫酸盐、硫化物、碳酸盐、碳酸氢盐、硝酸盐、亚硝酸盐、氮化物、 磷酸盐、铝酸盐、硼酸盐、溴酸盐、碳化物、氯化物、磷酸氢盐、高氯 酸盐、次氯酸盐、铬酸盐、氟硅酸盐、氟硅酸盐、氟硫酸盐、硅酸盐、 氰化物以及氰酸盐。
优选的盐包括硫酸镁(MgSO4·6H2O或者MgSO4·7H2O)、氯化镁 (MgCl2·6H2O)、硫酸钠(Na2SO4·10H2O)、氯化钙(CaCl2·2H2O或者 CaCl2·6H2O)、钾明矾(24H2O)、磷酸氢二钠(Na2HPO4·12H2O)、氯化 钠(NaCl)以及氯化钾(KCl)。
第二溶液可由有机和/或无机溶剂形成。合适的有机溶剂包括诸如脂 肪族烃和芳烃的烃。可以采用有机溶剂的混合物。烃可以是直链、支链 的以及/或者环状的。示例包括(但并不限于)烷烃、烯烃以及炔。烃可 取代有一种或更多种杂原子，例如，氟、氯、溴、碘、氧、硫、氮、以 及/或者磷原子。在一个实施例中，可以采用氧化烃，例如醛、酮、羧酸、 醚、酯、醇以及/或者其衍生物。例如，还可以采用乙二醇醚和乙二醇醚 酯。另选地或者另外地，可以采用诸如氯代烃、溴代烃以及/或者氟代烃 的卤代溶剂。
合适的无机溶剂包括酸性溶剂、碱性溶剂以及/或者水。优选地，采 用水作为第二溶液中的溶剂。
优选地，第二溶液具有已知成分。例如，在一个实施例中，通过将 已知量的溶质引入已知量的溶剂中形成第二溶液。优选地，第二溶液主 要包括所选溶剂中溶解的所选溶质。通过以此方式形成第二溶液，可以 产生基本清洁的溶液。优选地，第二溶液具有浓度减小的悬浮颗粒、生 物体以及/或者其它成分，这些会导致淤塞用于从第二溶液中提取溶剂的 装置。更优选地，第二溶液基本没有这种成分。因此，可利用隔膜技术 来从第二溶液中提取溶剂，而不必担心隔膜的孔隙经受例如由生物体或 悬浮颗粒造成的不可接受的高度淤塞。
优选地，第二溶液是至少一种盐的水溶液。该盐可从氯化钠、氯化 钾、硫酸镁(MgSO4·6H2O或者MgSO4·7H2O)、氯化镁(MgCl2·6H2O)、 硫酸钠(Na2SO4·10H2O)、氯化钙(CaCl2·2H2O或者CaCl2·6H2O)、磷酸 氢二钠(Na2HPO4·12H2O)以及钾明矾(24H2O)的一个或更多个中选择。 另选地，第二溶液是诸如葡萄糖、果糖以及/或者蔗糖的糖的水溶液。该 糖可以从任意合适来源中获得。例如，可以采用甜菜糖和/或甘蔗糖。
在优选实施例中，盐溶液(例如，海水或半咸水)被用作第一溶液 且置于隔膜的一侧。溶质浓度高于所述盐溶液的溶质浓度的第二溶液置 于隔膜的另一侧。优选地，采用如下物质的水溶液作为第二溶液，即： 氯化钠(NaCl)、氯化钾(KCl)、硫酸镁(MgSO4·6H2O或者MgSO4·7H2O)、 氯化镁(MgCl2·6H2O)、硫酸钠(Na2SO4·10H2O)、氯化钙(CaCl2·2H2O或者CaCl2·6H2O)、磷酸氢二钠(Na2HPO4·12H2O)以及钾明矾(24H2O)， 和/或诸如葡萄糖、果糖以及/或者蔗糖的糖。
第二溶液可以包含诸如防结垢剂、防腐剂、防污剂以及消毒剂的化 学添加剂。例如当第二溶液在连续回路中循环时，系统中可包含这些添 加剂并再用这些添加剂。
隔膜任一侧的渗透势差导致水通过渗透从盐溶液(例如，海水或半 咸水)进入第二溶液。由于水的流动沿浓度梯度发生，所以不需要高压 来促使流动。然而，如果希望，也可以利用隔膜两侧的压差。
尽管第一溶液中的溶解的物质可以小到足以穿过隔膜的孔隙，但由 于隔膜另一侧的高渗透势而防止了该溶解的物质穿过。
可以在不施加压力的情况下来执行初始隔膜分离步骤。因此，尽管 可能出现例如盐溶液(例如，海水或半咸水)中的生物体(例如，海草、 海藻、细菌、真菌以及浮游生物)和悬浮颗粒(例如，污垢、土壤、泥、 淤泥、有机胶体、硅、沉淀物以及砂粒)淤塞隔膜，但可以在不中断昂 贵的处理进程的情况下来清洗或更换隔膜。此外，由于该分离步骤可在 不加压的情况下来执行，所以在重新开始该处理时无需对隔膜重新加压。
来自盐溶液的水的流动稀释了第二溶液。随后从稀释后的第二溶液 中提取出水。合适的提取技术包括上述的蒸馏和隔膜方法。如上所述， 可以利用这些提取技术中的两种或更多种的组合。
在一个实施例中，采用了反渗透。在反渗透中，第二溶液可置于半 渗透隔膜的一侧，并经受高压。隔膜的另一侧保持在较低压力下。所得 压差使得溶剂(例如，水)流过隔膜，并在隔膜的受压侧留下残留溶液。
在反渗透步骤中可采用任何选择性隔膜。例如，可采用传统的半渗 透隔膜和纳米过滤隔膜。
反渗透中采用的压差可约为0.1到20MPa，优选地约为0.5到15 MPa，更优选地约为0.7到7MPa，最优选地约为1到3MPa。可对隔膜 的一侧加压，同时将另一侧保持在大气压或低于大气压下。优选地，仅 对隔膜的一侧加压。隔膜的受压侧可经受约为0.1到20MPa、优选地约 为0.5到15MPa、更优选地约为0.7到7MPa、最优选地约为1到3MPa 的压力。应当明白，所需的精确压力将例如随隔膜任一侧的溶液的相对 溶质浓度而变化。
如上所述，第二溶液可包含比第一溶液浓度低的导致隔膜淤塞的成 分(例如，生物体和悬浮颗粒)。第二溶液还可包含诸如防结垢剂、防腐 剂、防污剂以及消毒剂的化学添加剂。在此实施例中，通过反渗透从经 稀释的第二溶液中提取溶剂所需的压力通常小于直接使用第一溶液通过 反渗透从第一溶液中提取溶剂所需的压力。例如，通过反渗透直接对海 水进行淡化需要5到8MPa的压力。
本发明的处理可以是连续处理或批处理。
溶剂流过隔膜的流量通常受到热条件的影响。因此，如果希望，可 以对隔膜任一侧的溶液进行加热或冷却。可以将溶液加热到30到100℃ (例如，40到80℃)的温度。另选地，可以将溶液冷却到-20到20℃ (例如7到12℃)。可以对隔膜一侧的溶液进行加热，同时对另一侧进 行冷却。可以独立地对各溶液进行加热或冷却。如果希望，也可以在隔 膜的任一侧进行化学反应。
本发明的处理可进一步包括从第一溶液(例如，废流、海水或半咸 水)中去除污染物(例如，悬浮颗粒和生物体)的预处理步骤。另外或 另选地，可以在第一溶液中加入阈值抑制剂来控制结垢。还可以采用预 处理步骤来改变第一溶液的pH。当将海水用作第一溶液时，优选地采用 深海海水，这是因为其通常比从海洋表面获得的海水包含更少的悬浮颗 粒和更少的生物体。从第一溶液中提取溶剂的处理可任选地在海洋表面 或在靠近海岸处进行。
可通过微波、激光电磁、电场(电渗透)以及动电处理来提高第二 溶液的渗透势。
本发明第一和第二方面的处理可用于浓缩第一溶液。例如，第一溶 液可被浓缩为更便于处置的形式(缩小体积)。即使第一溶液是废流，这 也是有用的。

下面参照附图，通过示例来描述本发明的处理的优选实施例，在附 图中：
图1是用于通过传统反渗透处理对海水进行淡化的装置的示意性流 程图，
图2是用于利用根据本发明第一实施例的处理对海水进行淡化的装 置的示意性流程图，
图3是用于利用根据本发明第二实施例的处理对海水进行淡化的装 置的示意性流程图，
图4是用于利用根据本发明第三实施例的处理对海水进行淡化的装 置的示意性流程图，
图5是用于利用根据本发明第四实施例的处理对海水进行淡化的装 置的示意性流程图，
图6是用于利用根据本发明第五实施例的处理对海水进行淡化的装 置的示意性流程图，
图7是用于利用根据本发明第六实施例的处理对海水进行淡化的装 置的示意性流程图，
图8是用于利用根据本发明第七实施例的处理对海水进行淡化的装 置的示意性流程图，
图9是用于利用根据本发明第八实施例的处理对海水进行淡化的装 置的示意性流程图，以及
图10是用于利用根据本发明第九实施例的处理对海水进行淡化的 装置的示意性流程图。

首先参照附图中的图1。此图描述了用于通过反渗透进行传统淡化 处理的装置10。装置10包括高压泵12和隔膜模块14。模块14包含半 渗透隔膜16。
在使用中，使用高压泵12将海水泵入模块14中。这使得海水在高 压下与半渗透隔膜16的一侧相接触。典型地，采用5到8MPa的压力。 于是，水流过隔膜16，而将浓缩的海水溶液留在隔膜16的受压侧。可经 由管道18去除并排弃浓缩的海水溶液。
隔膜16的未受压侧聚集的水基本是纯净的，并经由管道20将其从 模块14中去除。
使用一段时间后，海水中的沉积物和悬浮颗粒阻塞了半渗透隔膜16。 因此，大约每两个或四个月就必须停止反渗透步骤来清洗和/或更换隔膜 16。
下面参照附图中的图2，图2描述了用于利用根据本发明第一实施 例的处理对海水进行淡化的装置。
装置100包括第一隔膜模块110和第二隔膜模块112。模块110包含 隔膜114a，模块112包含隔膜114b。第一隔膜114a是平均孔隙尺寸为 10埃的离子选择性隔膜。第二隔膜114b是纳米过滤隔膜。
第一隔膜模块110连接至存储罐116。存储罐116经由泵118连接至 第二隔膜模块112。装置100还包括用于产生硫酸镁溶液的混合罐120。
通过将已知量的硫酸镁溶解到水中，在混合罐120中形成了硫酸镁 溶液。所得溶液具有的硫酸镁浓度高于处理中的海水的总溶解盐(TDS) 浓度。
经由管道122将海水引入第一隔膜模块110的隔膜114a的一侧。将 硫酸镁溶液引入隔膜114a的另一侧。由于硫酸镁溶液具有的溶质浓度高 于海水的总溶解盐(TDS)浓度，所以水通过直接渗透流过隔膜114a。 水的流动稀释了硫酸镁溶液，并在隔膜114a的海水侧留下了残留盐溶液。 可以经由管道124来去除后者。
镁离子和硫酸离子太大而不能通过隔膜114a的孔隙。因此，不会出 现溶质从硫酸镁溶液回流到海水中。
从第一隔膜模块110回收经稀释的硫酸镁溶液，并将其传送到存储 罐116。随后使用泵118将经稀释的硫酸镁溶液传送到第二隔膜模块112。
在第二隔膜模块112中，将经稀释的硫酸镁溶液引入隔膜模块112 中，在隔膜模块112处其与纳米过滤隔膜114b的一侧相接触。经稀释的 硫酸镁溶液中的镁离子和硫酸离子太大而不能通过隔膜114b的孔隙，并 作为残留物保留在隔膜上。经由管道126可将该残留物再循环到存储罐 120。
另一方面，来自硫酸镁溶液的水穿过纳米过滤隔膜114b，并经由管 道128被回收。
下面参照附图中的图3，图3描述了用于利用根据本发明第二实施 例的处理对海水进行淡化的装置。图3的实施例与图2的实施例类似， 并使用相同的标号表示相同的部分。然而图3的装置进一步包括第三隔 膜模块130和第四隔膜模块132。
在混合罐120中形成硫酸镁和氯化钠溶液。所得溶液的总溶解盐 (TDS)浓度高于处理中的海水的TDS。
经由管道122将海水引入第一隔膜模块110的隔膜114a的一侧。将 硫酸镁/氯化钠溶液引入隔膜114a的另一侧。由于硫酸镁/氯化钠溶液具 有的溶质浓度高于海水的总溶解盐(TDS)浓度，所以水通过直接渗透 流过隔膜114a。水的流动稀释了硫酸镁/氯化钠溶液，并在隔膜114a的海 水侧留下残留盐溶液。经由管道124可以去除后者。
从第一隔膜模块110中回收经稀释的硫酸镁/氯化钠溶液，并使用泵 118将其传送到第二隔膜模块112。
在第二隔膜模块112中，经稀释的硫酸镁/氯化钠溶液流过纳米过滤 隔膜114b。由于镁离子和硫酸离子太大而不能通过隔膜的孔隙，所以纳 米过滤隔膜114b将这些保留作为残留物。经由管道126可将该残留物再 循环到混合罐120。另一方面，钠离子和氯离子小到足以穿过纳米过滤隔 膜114b的孔隙。因此，将氯化钠溶液收集为滤出液，并将其传送到第三 隔膜模块130来进一步进行处理。
在第三隔膜模块130中，氯化钠溶液与半渗透隔膜的一侧相接触。 具有更高总溶解盐浓度的硫酸镁溶液与隔膜的另一侧相接触。由于隔膜 两侧的渗透压差，水流过隔膜稀释硫酸镁溶液。隔膜另一侧的氯化钠溶 液变得益加浓缩，并被再循环到存储罐120中。
从第三隔膜模块回收经稀释的硫酸镁溶液，并将其引入第四隔膜模 块132。在第四隔膜模块中，经稀释的硫酸镁溶液通过纳米过滤隔膜。由 于镁离子和硫酸离子太大而不能通过隔膜，所以纳米过滤膜将其保留为 残留物。该残留物可再循环到第三隔膜模块130。
由于来自氯化钠溶液的水的流入，被引入第四隔膜模块132中的经 稀释的硫酸镁溶液可处于增高压力下。该增高压力可有助于推动硫酸镁 溶液穿过第四隔膜模块132中的纳米过滤隔膜。另选地或另外，可以使 用泵来辅助液体穿过隔膜。
穿过纳米过滤模块的水基本是纯净的，并可经由管道134将其去除。
下面参照附图中的图4，图4描述了用于利用根据本发明第三实施 例的处理对海水进行淡化的装置。
装置200包括隔膜模块210和多级闪蒸馏单元212。隔膜模块210 包含传统的半渗透隔膜214。
将海水216引入隔膜214的一侧。隔膜214的另一侧与比海水216 具有更高的总溶解盐浓度的硫酸镁溶液218相接触。渗透势差使得水通 过直接渗透流过隔膜214。水的流动稀释了硫酸镁溶液，而在隔膜214的 海水侧留下了残留盐溶液。可以经由管道219来去除残留溶液，并任选 地将其返回大海。
从隔膜210回收经稀释的硫酸镁溶液，并将其传送到多级闪蒸馏单 元212。在多级闪蒸馏单元212中，对第二溶液进行加热并将其引入蒸发 室，在该蒸发室使第二溶液经受低于其蒸汽压的压力。压力的骤降导致 出现沸腾或闪蒸。可对闪蒸汽进行冷凝，并经由管道220将其与溶液的 剩余部分分离。剩余溶液经由管道222再循环到模块210。采用一系列蒸 发室，使得在多个级中发生闪蒸或蒸发步骤。
图5描述了用于利用根据本发明第四实施例的处理对海水进行淡化 的装置。图5的装置与图4的装置类似。因此，使用相同的标号表示相 同的部分。然而，与图4的装置不同的是，图5的装置包括串行使用的 两个模块210a和210b。
第一模块210a包括用于将海水216与通过将已知量的硫酸镁溶液溶 解到水中而形成的溶液218a相分离的半渗透隔膜214a。第二模块210b 包括用于将来自第一模块210a的溶液218a与通过将已知量的硫酸镁溶 液溶解到水中而形成的溶液218b相分离的半渗透隔膜214b。
在使用中，海水216循环通过隔膜214a一侧的模块210a，同时硫酸 镁溶液218a循环通过隔膜214a的相对侧的模块214a。与隔膜214a相接 触的硫酸镁溶液比海水216具有更高的总溶解盐(溶质)浓度。因此， 水通过渗透从隔膜214a的海水侧流到隔膜214a的溶液侧。
水流过模块214a稀释了硫酸镁溶液218a。经稀释的溶液218a循环 通过隔膜214b一侧的模块210b，同时硫酸镁溶液218b循环通过隔膜214b 相对侧的模块210b。与隔膜214b相接触的溶液218b比与隔膜214b相接 触的溶液218a具有更高的总溶解盐(溶质)浓度。因此，水通过渗透流 过隔膜214b来稀释硫酸镁溶液218b。以参照图4所述的方式，将经稀释 的溶液218b引入多级闪蒸馏单元212中。
随着水通过渗透流过隔膜214b，硫酸镁溶液218a变得益加浓缩，并 被再循环至第一模块210a。
图6描述了用于利用根据本发明第五实施例的处理对海水进行淡化 的装置。
装置300包括两个隔膜模块310、312、热分离单元314以及纳米过 滤单元316。
在使用中，海水318循环通过位于选择性渗透隔膜320的一侧的第 一模块310，同时硫酸镁溶液322循环通过隔膜320的相对侧的模块310。 与隔膜320相接触的硫酸镁溶液具有高于海水318的总溶解盐(溶质) 浓度。因此，水通过渗透从隔膜的海水侧流到隔膜的溶液侧。
从模块310取出经稀释的硫酸镁溶液，并将其引入热分离单元314。 在热分离单元314，对该溶液进行冷却从而使得一些溶解的溶质从溶液中 沉淀到该单元的底部。该溶液的剩余部分具有减小的溶质浓度，并经由 管道324被引入第二隔膜模块314。从单元314底部取出的溶液326具有 增大的溶质浓度。再使用该溶液326来从隔膜模块310中的海水中提取 水。
在第二隔膜模块312中，经由管道324取出的溶液与半渗透隔膜328 相接触。比经由管道324取出的溶液具有更高的总溶解盐浓度的硫酸镁 溶液330与隔膜328的相对侧相接触。隔膜328任一侧的渗透压差使得 水流过隔膜328以稀释硫酸镁溶液330。
将经稀释的硫酸镁溶液330取出，并将其引入纳米过滤单元316。 单元316中的纳米过滤隔膜用于从经稀释的硫酸镁溶液中分离溶质成分。 回收滤出物332的一部分332，同时将剩余部分334返回第二模块312。
即使不施加压力来促使水流过隔膜320、328，从隔膜模块310、312 取出的该经稀的释溶液也可处于增高压力下。这是因为水的流动沿浓度 梯度发生。该压力可用于辅助随后从经稀释的溶液中提取水。例如，额 外的压力可用于驱动溶液通过纳米过滤单元316中的隔膜。
循环通过第一隔膜模块310的硫酸镁溶液322可任选地由磷酸氢二 钠(Na2HPO4·12H2O)所取代。磷酸钠的溶解度对温度变化比硫酸镁的更 敏感。这可以提高热分离单元314的效率。
图7的装置与图6的装置类似。因此，使用相同的标号来表示相同 的部分。然而与图6的装置不同的是，图7的装置还包括多级闪蒸馏单 元336。
在使用中，从纳米过滤单元316回收滤出物的一部分332，同时将 滤出物的剩余部分334引入多级闪蒸馏单元336中。在多级闪蒸馏单元 336中，将水作为蒸汽从滤出物334中分离，对该蒸汽进行冷凝并经由管 道338进行回收。来自多级闪蒸馏的残留溶液340被返回至第二模块312。
图8的装置与图6的装置类似。因此，使用相同的标号来表示相同 的部分。然而，在使用中，将经稀释的硫酸镁溶液322从第一隔膜模块 310直接引入到第二隔膜模块312，而不是热分离单元314。
在第二隔膜模块312中，经稀释的硫酸镁溶液322与半渗透隔膜328 相接触。具有高于溶液322的总溶解盐浓度的另一硫酸镁溶液330与隔 膜328的相对侧相接触。渗透压差使得水流过隔膜328来稀释另一硫酸 镁溶液330。
将来自第二模块312的经稀释的溶液330引入热分离单元314中。 在热分离单元314中，对该溶液进行冷却，从而使得该溶液中的溶解的 溶质沉淀在单元314的底部。溶液的剩余部分具有减小的溶质浓度，并 将其经由管道324从单元顶部取出。将该流引入纳米过滤单元316中， 在该单元对其进行过滤以产生经过滤的水流。回收水流的一部分332，同 时将剩余部分经由管道334再循环至第二模块312。
来自热分离单元314底部的溶液326具有增大的溶质浓度，并被再 利用，以从第二隔膜模块312中的海水中提取水。
在图9的装置400中，提供了隔膜模块410、多级闪蒸馏单元412、 纳米过滤单元416以及热分离单元414。
在使用中，海水418循环通过选择性渗透隔膜的一侧的第一模块 410，同时硫酸镁溶液420循环通过隔膜的相对侧的模块410。与隔膜相 接触的硫酸镁溶液420比海水418具有更高的总溶解盐(溶质)浓度。 因此，水通过渗透从隔膜的海水侧流到隔膜的溶液侧。
将经稀释的硫酸镁溶液420的一部分422引入多级闪蒸馏单元412 中。在单元412中，将从溶液中提取出的蒸汽冷凝为纯水流424。将单元 412中排出的残留溶液426引入热分离单元414中。在热分离单元414， 对溶液426进行冷却，从而使得该溶液中的至少一些溶解的溶质从该溶 液中沉淀到单元414的底部。溶液的剩余部分428具有减小的溶质浓度， 并在纳米过滤单元416中对其进行过滤，来提供纯水流430。取出来自热 分离单元414的底部的溶液，并将其返回至隔膜模块410。
图10的装置与图9的装置类似，并且使用相同的标号表示相同的部 分。
在使用中，从隔膜模块410中取出溶液420，并将溶液420引入热 分离单元414。在热分离单元414中，对溶液420进行冷却，使得溶解的 溶质从该溶液中沉淀到单元414的底部。溶液的剩余部分具有减小的溶 质浓度。从单元414中取出该溶液428，并将其引入纳米过滤单元416中。 在该单元414底部的溶液具有更高的溶质浓度，并被引入多级闪蒸馏单 元412中。
在纳米过滤单元416中，溶液428穿过纳米过滤隔膜(未示出)，该 纳米过滤隔膜将水与溶液428分离。经由管道430提取部分水的一部分， 同时经由管道436排除剩余部分，以通过多级闪蒸馏进行进一步净化。
在多级闪蒸馏单元412中，将水作为蒸汽从溶液434中提取出来， 将该蒸汽冷凝为纯水流424。来自多级闪蒸馏单元的残留溶液426被再循 环到隔膜模块410。