ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение в целом относится к процессам удаления осаждающих веществ отложения с поверхностей мембран и, в частности, c мембран для прямого осмоса.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Существует множество производственных ситуаций, когда требуется обезвоживание солевых растворов, например, концентрирование растворов при добыче соли или производство химических продуктов с целью осаждения целевых минералов.
Одним из примеров является карналлит, гидратированный хлорид магния-калия с формулой: KMgCl3 6(H2O), являющийся важным источником хлорида калия (также называемый в данном документе "KCl" или "поташ"), который представляет собой ценный источник для производства синтетических удобрений.
Карналлит может быть извлечен из природных рассолов, происходящих либо из подземных источников, либо из соленых озер. Например, US 2011/0123420A1 относится к способу получения карналлита.
Природные рассолы могут осаждать карналлит в прудах-испарителях, при этом карналлит затем собирают и отправляют на промышленные предприятия для переработки.
Для обеспечения большего выхода карналлита, может быть предпочтительно стремиться обезвоживать солевые растворы в таких прудах-испарителях и обеспечивать более концентрированный раствор или больший объем годового стока концентрированного раствора. Например, обезвоживание с использованием способов прямого осмоса.
Одним из низкотехнологичных способов выпаривания является выпаривание с использованием солнечной энергии, имеющее относительно низкие эксплуатационные затраты. Однако для этого требуется большая площадь суши и нормативные подтверждения, при этом возможно воздействие на грунтовые воды. Кроме того, вода, полученная при солнечном выпаривании, уносится в атмосферу и фактически теряется, что нарушает, таким образом, гидрологический баланс. Например, эта проблема может оказаться особенно важной в прудах-испарителях, использующих солнечную энергию, таких как пруды-испарители, расположенные на Мертвом море.
В настоящее время основными способами, используемыми для обезвоживания солевых растворов, являются обратный осмос и выпаривание. Оба процесса требуют относительно высокого потребления внешней энергии. Обратный осмос (ОО) представляет собой энергосберегающий процесс, в котором вода отделяется от растворенных солей путем повышения давления раствора и фильтрования соли из фильтрата путем использования полупроницаемой мембраны. ОО обладает тем ограничением, что обрабатываемые растворы не должны содержать взвешенных твердых веществ и не должны осаждаться в течение концентрирования. Для этого часто требуется дорогостоящая химическая предварительная обработка или предварительная обработка фильтрованием. Кроме того, обычный ОО может лишь концентрировать растворы приблизительно до 7-8% от общего количества растворенных твердых веществ (ОКРТВ) (TDS).
Выпаривание - это другое решение, обеспечивающее возможность высушивания солевых растворов, которое, однако, имеет недостатки, при этом выпаривание в однокорпусном выпарном аппарате является очень дорогостоящим с точки зрения энергии, а механические выпарные аппараты с рекомпрессией являются дорогими из-за материалов, необходимых для защиты от коррозии. Кроме того, осаждение в выпарных аппаратах осложняют их конструкцию, и такая операция требует больших затрат.
Прямой осмос (ПО) представляет собой мембранный процесс, в котором используются полупроницаемые мембраны, имеющие селективность, сходную с мембранами ОО. В ПО, однако, перенос воды через мембрану обусловлен разницей осмотического давления между двумя текучими средами, а не приложенным механическим давлением, т.е. перенос воды происходит в соответствии с разницей осмотического давления и не требует потребления энергии. Раствор, подлежащий обезвоживанию (исходный раствор), контактирует с одной стороной мембраны, при этом более концентрированный рассол (вытягивающий раствор) с более высоким осмотическим давлением контактирует с другой стороной. Процесс осмоса заставляет воду перемещаться из относительно разбавленного исходного раствора через мембрану в вытягивающий раствор с большей осмотической силой. Этот процесс обеспечивает концентрирование исходного раствора и разбавляет вытягивающий раствор. Например, таким образом, рассол с высоким содержанием солей (MM), закачиваемый из Мертвого моря, может быть концентрирован с использованием способа ПО непосредственно перед поступлением в пруды-испарители, использующие солнечную энергию. Конечный рассол (KP), представляющий собой высококонцентрированный рассол, выходящий из последнего пруда-испарителя, может быть использован в качестве вытягивающего раствора.
Во многих промышленных применениях вытягивающий раствор может быть извлечен после разбавления с использованием термического выпаривания, выпаривания с использованием солнечной энергии, ОО или комбинации из ОО и нанофильтрации (НФ) (Herron et al., 2014). В других случаях концентрированный технический рассол доступен для использования в качестве вытягивающего раствора.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно некоторым иллюстративным вариантам осуществления настоящего изобретения, заявлена система, устройство и способ, предназначенные для обезвоживания раствора, в котором происходит осаждение, в частности с помощью технологии ПО. Осаждение блокирует мембрану и уменьшает ее производительность, что приводит - в частности - к потере расхода (см., например, фиг. 9).
Согласно некоторым иллюстративным вариантам осуществления, настоящее изобретение может быть в частности эффективным при применении с мембранами прямого осмоса, однако система, устройство и способ, описанные в данном документе, могут быть применены с мембраной или селективным барьером любого типа, включая, но без ограничения этим, микрофильтрацию (МФ), ультрафильтрацию (УФ), нанофильтрацию (НФ), мембраны обратного осмоса (ОО) и т.п.
Согласно некоторым иллюстративным вариантам осуществления, система, устройство и способ, описанные в данном документе, могут быть применены с оборудованием и процедурами концентрирования ПО растворов, в которых происходит кристаллизация. В некоторых иллюстративных вариантах осуществления такая кристаллизация обычно может вызывать быструю и/или полную блокировку мембранных систем, а в некоторых случаях может приводить к необратимому механическому повреждению мембраны.
Согласно некоторым иллюстративным вариантам осуществления, заявлен способ удаления осаждающих веществ отложения с поверхностей мембран, например мембран ПО.
Согласно некоторым вариантам осуществления способ может быть использован для удаления осаждающих веществ с поверхностей мембран и, как результат, для восстановления массообмена, который может быть потерян вследствие блокировки мембраны такими осаждающими веществами и/или загрязнителями.
Согласно некоторым иллюстративным вариантам осуществления способ может включать в себя комбинацию временной остановки движущей силы фильтрации, опционально с последующим сгибанием мембраны с изменением трансмембранного давления, что может привести к исчезновению прилипания осаждающих веществ к поверхности мембраны, например, когда прилипание вызвано главным образом механическими факторами, а не химическими (например, органическими) факторами.
Согласно некоторым иллюстративным вариантам осуществления осаждающие вещества отложения, получаемые вследствие концентрирования исходного раствора, могут быть побочными продуктами (такими как хлорид натрия, осаждаемый в данном случае до начала карналита), или они могут быть целевым продуктом (таким как карналлит), тогда как изобретение фактически описывает применение с кристаллизатором.
Согласно некоторым иллюстративным вариантам осуществления, заявлено устройство для автоматического управления восстановлением производительности мембраны, например, мембраны ПО. Согласно некоторым вариантам осуществления устройство может иметь по меньшей мере один компонент, выполненный с возможностью управления потоком раствора (растворов) через мембрану.
Согласно некоторым вариантам осуществления по меньшей мере один компонент, выполненный с возможностью управления потоком раствора (растворов) через мембрану, может остановить массообмен воды вследствие уменьшения движущей силы. Это уменьшение может быть достигнуто, например, путем остановки потока одного из растворов, процесс, который в данном документе называется "осмотической релаксацией". Трансмембранное давление изменяется посредством заданного количества импульсов, применяемых в пределах заданного диапазона значений в течение заданного временного интервала и создаваемых с заданной частотой осмотической релаксации, чтобы обеспечить возможность исчезновения и/или вызвать исчезновение прилипания любых осаждающих веществ к поверхности мембраны.
Согласно некоторым иллюстративным вариантам осуществления, заявлена система для обезвоживания растворов, в которых происходит осаждение, причем система имеет по меньшей мере одну мембрану и по меньшей мере один насосный механизм для раствора, при этом по меньшей мере одна мембрана выполнена с возможностью воздействия на нее окружающим раствором, например, путем частичного или полного погружения в сосуд, например, в пруд-испаритель, использующий солнечную энергию.
Согласно некоторым иллюстративным вариантам осуществления настоящего изобретения, заявлена система для обезвоживания раствора, имеющая i. по меньшей мере одну мембрану, такую как мембрана ПО, выполненную с возможностью по меньшей мере частичного окружения исходным раствором и приема непрерывного потока вытягивающего раствора; и ii. устройство, выполненное с возможностью управления потоком указанного вытягивающего раствора через указанную по меньшей мере одну мембрану; при этом указанная система может быть конфигурирована для работы по меньшей мере в трех заданных различных режимах работы, включающих в себя: режим фильтрации, режим осмотической релаксации и режим пульсации.
Согласно некоторым иллюстративным вариантам осуществления, по меньшей мере три различных режима работы могут быть динамическими, т.е. не заданными, например, когда по меньшей мере один элемент системы может постоянно или периодически контролировать скорость осаждения на поверхности мембраны, при этом осмотическая релаксация и/или пульсация происходят в соответствии с интенсивностью осаждения, например, когда осаждение достигает определенной степени. Контроль скорости осаждения может использовать измерения расхода, камеру поверхности мембраны, работающую в режиме реального времени, и т.д.
Согласно некоторым иллюстративным вариантам осуществления по меньшей мере одна мембрана ПО может иметь мембранную конструкцию.
В некоторых иллюстративных вариантах осуществления мембранная конструкция может быть выполнена с возможностью воздействия на нее окружающим раствором путем частичного или полного погружения, например, в пруде-испарителе, использующем солнечную энергию.
Согласно некоторым иллюстративным вариантам осуществления, по меньшей мере три заданных различных режима работы могут включать в себя работу в течение 55 минут в режиме фильтрации; работу в течение 4 минут в режиме осмотической релаксации; и работу в течение 1 минуты в режиме пульсации.
Согласно некоторым вариантам осуществления режим пульсации может включать в себя применение от 2 до 10 импульсов, причем амплитуда (вакуума) каждого импульса может находиться в диапазоне 0,2-0,9 бар.
В некоторых иллюстративных вариантах осуществления настоящего изобретения заявлено устройство для управления потоком вытягивающего раствора через по меньшей мере одну мембрану, такую как мембрана ПО, которое может иметь по меньшей мере один контроллер, по меньшей мере один таймер и по меньшей мере один датчик-анализатор.
Согласно некоторым вариантам осуществления управление потоком вытягивающего раствора через по меньшей мере одну мембрану, такую как мембрана ПО, может включать в себя запуск или остановку действия всасывания и/или закачки указанного вытягивающего раствора.
Согласно некоторым иллюстративным вариантам осуществления контроллер может быть конфигурирован для определения одного или более параметров, включающих в себя импульсы, частоту, амплитуду и т.п. в соответствии с интенсивностью осаждения.
Согласно некоторым вариантам осуществления таймер может быть конфигурирован для указания конкретных заданных временных интервалов, в которых указанный контроллер может запускать или останавливать действие всасывания и/или закачки.
Согласно некоторым иллюстративным вариантам осуществления датчик-анализатор может быть конфигурирован для измерения амплитуды пульсации.
Согласно некоторым другим вариантам осуществления датчик-анализатор может указывать интенсивность осаждения на поверхности мембраны ПО. Согласно этим вариантам осуществления работа контроллера устройства может зависеть от показаний датчика-анализатора, например, при наличии высокой интенсивности осаждения это приведет к уменьшению расхода. Согласно некоторым другим вариантам осуществления датчик-анализатор может быть соединен с камерой, работающей в режиме реального времени, показывающей экстенсивную блокировку площади мембраны, причем контроллер может остановить поток вытягивающего раствора вовнутрь мембраны в соответствии со степенью блокировки, например, при наличии высокой интенсивности осаждения это приведет к уменьшению или остановке расхода.
В некоторых иллюстративных вариантах осуществления настоящего изобретения заявлен способ обезвоживания раствора, содержащий обработку вытягивающего раствора посредством по меньшей мере одной мембраны, например мембраны ПО, по меньшей мере в трех заданных различных режимах работы, включающих в себя: режим фильтрации, режим осмотической релаксации и режим пульсации, причем указанная мембрана выполнена с возможностью по меньшей мере частичного окружения исходным раствором.
Согласно некоторым иллюстративным вариантам осуществления режим осмотической релаксации может включать в себя период остановки потока указанного вытягивающего раствора в течение от 1 минуты до одного часа.
Согласно некоторым иллюстративным вариантам осуществления период остановки потока может быть определен в соответствии с интенсивностью осаждения. Как упомянуто выше, интенсивность осаждения может быть вычислена, например, путем установки камеры, показывающей блокировку поверхности мембраны в реальном времени или уменьшение расхода до определенной степени и т.д.
Согласно некоторым иллюстративным вариантам осуществления режим пульсации может включать в себя применение трансмембранного давления (давление подачи минус давление отвода) от отрицательного до нуля в течение периода от 1 секунды до одной минуты в соответствии с интенсивностью осаждения.
Согласно некоторым иллюстративным вариантам осуществления трансмембранное давление может быть изменено посредством заданного количества импульсов, применяемых с заданной амплитудой в пределах заданного диапазона значений и создаваемых с заданной частотой в течение заданного временного интервала. Количество импульсов, диапазон значений, частота и временной интервал являются функциями интенсивности осаждения. Эти функции управляются специальным контроллером.
Согласно некоторым иллюстративным вариантам осуществления, элементы мембраны могут быть оснащены по существу открытыми каналами подачи, позволяющими удалять кристаллы из мембраны и отводить их для дальнейшего отделения от исходной текучей среды.
Согласно некоторым иллюстративным вариантам осуществления, мембранная конструкция, такая как расположение пластин, описанная в данном документе, может иметь зазор между пластинами, который составляет от 0,5 см до 2 см.
Согласно некоторым иллюстративным вариантам осуществления, мембранная конструкция, такая как расположение пластин, описанная в данном документе, имеет поверхности мембраны, контактирующие с исходным раствором, которые по существу являются гладкими на субмикронной шкале. Предпочтительно указанные мембраны представляют собой композиционные мембраны из эфира целлюлозы или тонкой пленки с гладким покрытием на субмикронной шкале.
Согласно некоторым иллюстративным вариантам осуществления, одно из основных преимуществ способа, описанного в данном документе, заключается в способности удалять осаждающие вещества отложения с поверхности мембраны, сохраняя при этом по существу целостность мембраны, т.е. практически без повреждения самой мембраны.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Настоящее изобретение будет более понятно из подробного описания, приведенного ниже, и прилагаемых чертежей, приведенных лишь для иллюстрации и примера, и, таким образом, не являющихся ограничивающими в каком-либо отношении, при этом:
фиг. 1 представляет собой схематический вид системы для обезвоживания растворов, в которых происходит осаждение, согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения;
фиг. 2 представляет собой схематический вид устройства для закачки раствора вовнутрь мембраны ПО согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения;
фиг. 3А-3С представляют собой изображения примерной мембраны в различных режимах работы согласно некоторым иллюстративным вариантам осуществления, описанным в данном документе.
На фиг. 4A, 4B показаны изображения примерной линии в соответствии с предварительной полномасштабной конструкцией установки, приводимой в действие гравитационным напором, согласно некоторым иллюстративным вариантам осуществления, описанным в данном документе.
На фиг. 5 показано изменение массы конечного рассола (вытягивающего раствора) в зависимости от времени, при применении восстановления массообмена благодаря осмотической релаксации с последующей пульсацией, согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 6 показан расход воды в зависимости от времени, при применении осмотической релаксации через приблизительно каждый 1 ч, согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 7А, 7В показаны результаты моделирования с использованием вычислительной гидродинамики (ВГД) для частиц NaCl, "покидающих" поверхность мембраны в соответствии с настоящим изобретением. Фиг. 7А и 7В представляют собой схематические изображения в изометрии и спереди инженерно-технического проектирования испытательной системы для одной пластины с промышленными размерами согласно некоторым иллюстративным вариантам осуществления.
На фиг. 8 показан расход воды в зависимости от времени, при применении осмотической релаксации через приблизительно каждый 1 ч., для различных мембран (таких как встроенная и не встроенная подложка из триацетатцеллюлозы (ТАЦ) и встроенная подложка из тонкопленочного композита (ТПК)), согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 9 представлена серия изображений, показывающих отложение в течение операции ПО, согласно некоторым иллюстративным вариантам осуществления, описанными в данном документе.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно некоторым иллюстративным вариантам осуществления настоящего изобретения, заявлены система, устройство и способ, которые могут быть применены для концентрирования раствора вследствие обезвоживания, в котором происходит осаждение, в частности с помощью технологии ПО.
Согласно некоторым иллюстративным вариантам осуществления, система, устройство и способ, описанные в данном документе, могут быть применены с оборудованием и процедурами концентрирования растворов через мембраны, такие как мембрана ПО, в которых происходит кристаллизация. Согласно некоторым вариантам осуществления, процедуры для концентрирования растворов, например процедуры с использованием концентрирования ПО, описанные в данном документе, могут включать в себя многоступенчатое концентрирование рассолов, например рассолов, в которых сначала осаждается NaCl, а на следующей стадии осаждается карналлит.
В некоторых иллюстративных вариантах осуществления упомянутая кристаллизация обычно может вызывать быструю и/или полную блокировку поверхностей мембраны, что может приводить к уменьшению массообмена и в некоторых случаях может вызывать необратимое механическое повреждение мембраны.
Согласно некоторым иллюстративным вариантам осуществления, заявлен способ удаления осаждающих веществ отложения с поверхностей мембран, в частности мембран ПО.
Согласно некоторым вариантам осуществления способ может быть использован для эффективного удаления осаждающих веществ с поверхностей мембран и, как результат, восстановления производительности фильтрации, которая может быть потеряна вследствие наличия таких осаждающих веществ и/или загрязнителей.
Согласно некоторым иллюстративным вариантам осуществления способ может включать в себя комбинацию временной остановки движущих сил фильтрации, опционально с последующим сгибанием мембраны с изменением трансмембранного давления, что может привести к уменьшению прилипания осаждающих веществ к поверхности мембраны в случае, когда прилипание вызвано главным образом механическими факторами.
Согласно некоторым иллюстративным вариантам осуществления осаждение может быть побочным продуктом, индуцирующим отложение на мембране, или оно может быть целевым продуктом, когда изобретение относится к применению с кристаллизатором.
Согласно некоторым иллюстративным вариантам осуществления, заявлено устройство для автоматического управления восстановлением производительности мембраны, например, мембраны ПО. Согласно некоторым вариантам осуществления устройство может иметь по меньшей мере один компонент, выполненный с возможностью управления потоком раствора (растворов) через мембрану.
Согласно некоторым вариантам осуществления по меньшей мере один компонент, выполненный с возможностью управления потоком раствора (растворов) через мембрану, такую как мембрана ПО, может остановить и запустить поток раствора с заданными временными интервалами, чтобы обеспечить возможность исчезновения и/или вызвать исчезновение прилипания любых осаждающих веществ к поверхности мембраны.
Согласно некоторым иллюстративным вариантам осуществления, заявлена система для обезвоживания растворов, в которых происходит осаждение, причем система имеет по меньшей мере одну мембрану и по меньшей мере один насосный механизм для раствора, при этом по меньшей мере одна мембрана выполнена с возможностью окружения жидким раствором, например, путем частичного или полного погружения в сосуд, например, в пруд-испаритель, использующий солнечную энергию.
Согласно некоторым иллюстративным вариантам осуществления заявлен способ обезвоживания осаждающихся растворов с помощью мембранной технологии, такой как прямой осмос, в котором осаждающие вещества могут быть высвобождены из мембранной конструкции, такой как поверхность пластины, путем периодической остановки потока вытягивающего раствора в течение короткого периода и последующего изменения давления отвода, что вызывает высвобождение кристаллов из мембраны.
Как упомянуто выше, трансмембранное давление изменяется посредством заданного количества импульсов в пределах заданного диапазона значений в течение заданного временного интервала, которые создаются в соответствии с заданной частотой осмотической релаксации.
Согласно некоторым иллюстративным вариантам осуществления в системе, устройстве и/или способе, описанном в данном документе, может быть реализован электромагнитный клапан, который может обеспечивать частоту пульсации до 10 Гц, т.е. до 10 импульсов в секунду. Это может пропорционально увеличить количество возможных импульсов, при этом применение электромагнитных клапанов совместно с соответствующим контроллером может значительно расширить диапазоны и улучшить эксплуатационную гибкость изобретения.
Например, согласно некоторым иллюстративным вариантам осуществления, длительность отсутствия вытягивающего потока к элементу мембраны составляет от 1 минуты до 1 часа. Трансмембранное давление (давление подачи минус давление отвода) релаксирует от отрицательного до нуля в течение периода от 1 секунды до одной минуту и может циклически изменяться от отрицательного до нуля от 2 до 10 раз. Частота осмотической релаксации может варьироваться от единицы на 30 мин. режима фильтрации до единицы на несколько часов режима фильтрации.
Согласно некоторым иллюстративным вариантам осуществления, элементы мембраны могут иметь мембранную конструкцию, такую как расположение пластин, включающую в себя конструкцию из параллельных мембран, таких как плоские пластины, с по существу открытыми каналами подачи, так что кристаллы, высвобожденные из мембраны, не отлагаются в системе, а отводятся для дальнейшего отделения от исходной текучей среды.
Согласно некоторым иллюстративным вариантам осуществления, вместо обычной спиральной или трубчатой конструкции, в системе согласно настоящему изобретению может быть использована плоская листовая мембрана в конструкции, которая имеет по существу открытый канал подачи, как показано на фиг. 1.
Согласно некоторым иллюстративным вариантам осуществления расположение пластин может иметь зазор между пластинами, составляющий от 0,5 см до 2 см.
Согласно некоторым вариантам осуществления раствор, подлежащий обезвоживанию (исходный раствор), протекает через поверхность мембраны пластин, тогда как вытягивающий раствор с большой осмотической силой протекает в зазоре между мембранами и структурной деталью пластины. Вытягивающий раствор может поддерживаться при давлении, меньшим давления исходного раствора, при этом в зазоре между мембраной и пластиной имеется тонкая поддерживающая структура для сохранения размеров зазора.
В некоторых иллюстративных вариантах осуществления способ согласно настоящему изобретению может включать в себя процесс, в котором в течение обезвоживания мембраны эффект концентрационной поляризации может приводить к тому, что самые высокие концентрации растворенных элементов в подаче находятся на поверхности мембраны, например, если раствор насыщен любой солью, то может иметься естественная тенденция роста осаждающих веществ на поверхности мембраны. Кроме того, осаждающие вещества отложения, такие как кристаллы, прилипают к поверхности мембраны вследствие гидродинамической силы, вызванной потоком переноса воды. Сначала эффект блокировки мембраны относительно невелик, однако дальнейший рост осаждающих веществ отложения (например, кристаллов) вследствие фильтрации в конечном итоге может привести к накоплению кристаллов в агломератах, что полностью блокирует перенос воды.
В некоторых иллюстративных вариантах осуществления изобретение включает в себя периодическое высвобождение кристаллов с поверхности мембраны, смываемых для дальнейшего удаления, как подробно описано в данном документе.
Согласно некоторым иллюстративным вариантам осуществления способ может заключаться в остановке потока вытягивающего раствора к мембране. В областях, где кристаллы солей блокируют мембрану, даже незначительный обратный импульс может вызвать изгиб мембраны и, таким образом, вызвать высвобождение кристаллов с поверхности. Обычно некоторые кристаллы или их агломераты могут оставаться прикрепленными к мембране вследствие эффектов вязкости, однако, если отрицательное давление на вытягивающий раствор возникает и исчезает один или несколько раз с заданной амплитудой и частотами, описанными выше, мембрана слегка изгибается и, наконец, кристаллы отваливаются. Кроме того, как можно наблюдать визуально, агломераты, наконец, падают также вследствие силы тяжести.
Согласно некоторым вариантам осуществления процесс удаления воды, приводящий к росту кристаллов с последующим коротким периодом осмотической релаксации и пульсации, приводящим к удалению кристаллов, может повторяться на регулярной основе. Дальнейшее удаление кристаллов из раствора может быть выполнено путем гравитационного осаждения или грубой микро- или ультрафильтрации и т.д.
На фиг. 1 показан схематический вид системы 100 для обезвоживания растворов, в которых происходит осаждение, согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения.
Система 100 имеет мембрану 102, например, мембрану ПО, по меньшей мере частично окруженную жидким раствором, например, частично или полностью погруженную в исходный раствор 104 (который в данном документе также называется "ММ").
Как показано на фиг. 1, система 100 также имеет по меньшей мере одну проходную трубу 108 и насосное устройство 112, выполненное с возможностью закачки из вытягивающего раствора 106.
Согласно некоторым иллюстративным вариантам осуществления, после активации системы 100, насосное устройство 112 может вызывать перенос вытягивающего раствора 106 через мембрану 102 ПО через по меньшей мере одну проходную трубу 108, например, с использованием всасывающих и/или насосных механизмов.
Согласно некоторым иллюстративным вариантам осуществления, прохождение вытягивающего раствора 106 через мембрану 102 ПО приводит к процессу фильтрации, такому как прямой осмос, вызывающему прохождение воды из ММ 104 через мембрану 102 ПО через проходные трубы 108. Этот разбавленный вытягивающий раствор выходит из мембраны через проходные трубы 108.
После активации системы 100 в течение продолжительного периода времени нежелательные осаждающие вещества могут осаждаться на поверхности мембраны 102 ПО, что может привести к снижению производительности системы 100 вследствие уменьшения прохождения воды из ММ 104 в проходные трубы 108 через мембрану.
Согласно некоторым иллюстративным вариантам осуществления, как объясняется подробно ниже со ссылками на фиг. 2, система 100 может иметь насосное устройство 112, которое может вызывать перенос вытягивающего раствора 106 через мембрану 102 ПО через по меньшей мере одну проходную трубу 108, например, с использованием всасывающих и/или насосных механизмов.
В некоторых иллюстративных вариантах осуществления насосное устройство 112 может быть выполнено с возможностью прекращения действия всасывания и/или закачки вытягивающего раствора 106, чтобы обеспечить удаление осаждающих веществ отложения с поверхности 102 мембраны.
Согласно некоторым иллюстративным предпочтительным вариантам осуществления настоящего изобретения, остановка потока вытягивающего раствора и применение по меньшей мере одного, предпочтительно нескольких импульсов с использованием насоса (создание вакуума в данном случае) могут способствовать удалению осаждающих веществ отложения из мембраны ПО. Согласно некоторым вариантам осуществления система 100 может иметь запирающее устройство 116 потока, выполненное с возможностью инициировать или останавливать поток вытягивающего раствора 106 к пластине 102 мембраны или, альтернативно, к мембранной конструкции.
Согласно некоторым иллюстративным вариантам осуществления термин "мембранная конструкция", упоминаемый в данном документе, может включать в себя по меньшей мере одну пластину, имеющую две или более мембран ПО на сторонах пластины, например одну мембрану на каждой стороне пластины, и выполненную, например, с возможностью обеспечения лучшего процесса осмоса и/или обеспечения более высокого выхода.
Согласно некоторым вариантам осуществления система 100 может иметь "усовершенствованный механизм прекращения потока", в котором запирающее устройство 116 потока может останавливать поток вытягивающего раствора 106, а насосное устройство 112 продолжает обеспечивать действие всасывания и/или закачки, создавая, таким образом, "вакуумный" эффект, что может улучшить удаление осаждающих веществ отложения с поверхности мембраны 102, например, благодаря дополнительной пульсации и сгибанию мембраны.
На фиг. 2 показан схематический вид устройства 112 (фиг. 1) для закачки вытягивающего раствора вовнутрь мембраны, например, мембраны ПО, согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения.
Как показано на фиг. 2, устройство 112 соединено с проходными трубами 108 до или после положения мембраны (не показана на этом чертеже), при это оно может быть выполнено с возможностью запуска или остановки действия всасывания и/или закачки раствора вовнутрь мембраны или в мембранную конструкцию.
Как показано на фиг. 2, устройство 112 может иметь по меньшей мере один контроллер 202, по меньшей мере один таймер 204 и опционально по меньшей мере один датчик-анализатор 206, измеряющий амплитуду пульсации (например, вакуума).
Согласно некоторым иллюстративным вариантам осуществления контроллер 202 может управлять запуском или остановкой действия всасывания и/или закачки, например, путем, соответственно, электрического включения или выключения насоса (не показан на чертеже). Согласно некоторым вариантам осуществления контроллер 202 может быть использован для определения одного или более параметров, включающих в себя количество импульсов, частоту, амплитуду и т.п. в соответствии с интенсивностью осаждения.
Например, после фильтрации (операции) в течение 55 минут контроллер 202 может остановить поток вытягивающего раствора путем инициирования осмотической релаксации в течение 4 минут с последующей пульсацией в течение 1 минуты при применении 2-10 импульсов, причем амплитуда (вакуума) может составлять 0,2-0,9 бар, предпочтительно 0,2-0,5 бар, более предпочтительно 0,2-0,3 бар.
Контроллер может быть соединен с таймером 204, причем таймер 204 может указывать конкретные заданные временные интервалы, в которых контроллер может запускать или останавливать действие всасывания и/или закачки.
Согласно некоторым иллюстративным вариантам осуществления таймер 204 может иметь любой генератор частоты специального типа для измерения временных интервалов, включая, например, механические таймеры, электромеханические таймеры, электронные таймеры, программные приложения и т.д.
Согласно некоторым иллюстративным вариантам осуществления таймер 204 может быть настроен на заданные временные интервалы для облегчения удаления осаждающих веществ отложения с поверхности мембраны (не показана на фиг. 2).
Согласно некоторым иллюстративным вариантам осуществления, интервалы могут находиться в диапазоне от 30 минут рабочего времени устройства 112 (вследствие фильтрации) и 1 минуты остановки (которая в данном документе также называется "осмотической релаксацией") устройства 112, до 6000 минут рабочего времени устройства 112 и 60 минут осмотической релаксации устройства 112 в течение каждого цикла. Предпочтительно интервалы включают в себя 55 минут работы устройства 112 и 5 минут остановки работы устройства 112 в течение каждого часа.
Согласно некоторым иллюстративным вариантам осуществления, работа устройства 112 может быть объединена с работой запирающего устройства потока 116 (не показан на фиг. 1), причем запирающее устройство 116 потока может останавливать поток вытягивающего раствора 106, а устройство 112 продолжает работать и создавать всасывание, что создает при этом вакуумный эффект и, таким образом, на стадии пульсации - усиливает удаление осаждающих веществ отложения с поверхности мембраны 102 (не показана на фиг. 2).
Дополнительные предпочтительные временные интервалы могут включать в себя следующее.
(мин)
(бар)
В некоторых вариантах осуществления устройство 112 может включать в себя и/или может управляться персональным компьютером (ПК), настольным компьютером, мобильным компьютером, переносным компьютером, ноутбуком, планшетным компьютером, компьютером-сервером, карманным компьютером, карманным устройством, устройством карманного персонального компьютера (КПК), карманным устройством КПК, встроенным устройством, внешним устройством, гибридным устройством, мобильным или портативным устройством, немобильным или непортативным устройством, устройством беспроводной связи, сотовым телефоном, устройством персональных систем связи (ПСС), устройством КПК, включающим в себя устройство беспроводной связи, проводным или беспроводным карманным устройством (Samsung, iPhone, BlackBerry, Palm Treo и т.д.), устройством прикладного протокола беспроводной связи (WAP) или другим сходным устройством.
На фиг. 3А-3С показаны изображения примерной мембраны в различных режимах работы согласно некоторым иллюстративным вариантам осуществления, описанным в данном документе.
Как объяснено выше, система, устройство и способ, описанные в данном документе, обеспечивают возможность работы по меньшей мере в трех различных режимах работы, включающих в себя: режим фильтрации, режим осмотической релаксации и режим пульсации, например, фильтрация в течение 3,5 часов, например, процесс прямого осмоса (результаты которого показаны на фиг. 3А), за которым следует осмотическая релаксация и пульсация, например, чтобы обеспечить исчезновение прилипания к поверхности мембраны нежелательных осаждающих веществ. На фиг. 3В показаны результаты осмотической релаксации и пульсации, выполняемых в течение 15 минут. На фиг. 3С показаны результаты осмотической релаксации и пульсации, выполняемых в течение 60 минут.
На фиг. 4A, 4B показаны изображения примерной линии в соответствии с предварительной полномасштабной конструкцией установки, приводимой в действие гравитационным напором, согласно некоторым иллюстративным вариантам осуществления, описанными в данном документе.
На фиг. 5 показано изменение массы конечного рассола (вытягивающего раствора) в зависимости от времени, при применении восстановления массообмена благодаря осмотической релаксации, согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 6 показан расход воды в зависимости от времени и осмотической релаксации согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения, при этом показана эволюция общего расхода в течение приблизительно 46 часов работы. Средний расход, оцененный в конце испытания, составлял 2,02 л/м2/час. Уменьшение движущей силы в течение процесса ПО (вследствие концентрирования исходного раствора и разбавления вытягивающего раствора) приводит к конечному среднему расходу, который значительно уменьшен по сравнению с исходным расходом. Это вызывает основную потерю производительности. Задача настоящего изобретения заключается в предотвращении дополнительной потери производительности, происходящей вследствие блокировки мембраны. Предыдущее сравнительное испытание показало, что конечный расход может быть намного выше в случае применения описанного изобретения.
Согласно некоторым иллюстративным вариантам осуществления, на фиг. 7А, 7В показаны схематические изображения в изометрии и спереди примерной модели, включающей в себя моделирование поперечного потока с использованием вычислительной гидродинамики (ВГД) в испытательной системе для одной пластины с промышленными размерами: траектории частиц NaCl с размером 0,5 мм, окрашенные в соответствии со скоростью. Согласно некоторым вариантам осуществления, модель прогнозирует, что 84% твердых веществ, покидающих поверхность мембраны, накапливаются на нижней части левого резервуара, при этом 16% выходят из 8-дюймовой трубы и рециркулируются.
На фиг. 8 показан расход воды в зависимости от времени, при применении осмотической релаксации через приблизительно каждый 1 ч., для различных мембран (таких как встроенная и не встроенная подложка из триацетатцеллюлозы (ТАЦ) и встроенная подложка из тонкопленочного композита (ТПК)), согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения.
Применение настоящего изобретения с мембраной на встроенной подложке ТАЦ показало конечные расходы 2,02 л/м2/час и 1,94 л/м2/час в течение 46 часов и 48 часов работы, соответственно. Использование мембран со встроенной подложкой ТПК и не встроенной подложкой ТАЦ в тех же условиях испытаний в течение приблизительно 24 часов приводило к относительно низкому конечному расходу 1,53 л/м2/час и 0,86 л/м2/час.
На фиг. 9 представлена серия изображений, показывающих отложение в течение операции ПО, согласно некоторым иллюстративным вариантам осуществления, описанными в данном документе.
На фиг. 9 показано, что в течение двух часов работы на поверхности мембраны можно наблюдать накопление осаждающих веществ отложения (солей).
Пример 1
Был проведен эксперимент по обезвоживанию насыщенных солевых растворов из Мертвого моря с концентрацией приблизительно 28% от общего количества растворенных твердых веществ (ОКРТВ) (TDS), которые были предназначены для сбора соли. В настоящее время Мертвое море является источником значительной части калия для сельскохозяйственных нужд в мире. Вода перекачивалась из Мертвого моря в каскад больших прудов-испарителей, в которых последовательно кристаллизовались различные соли. Хлорид натрия начинает осаждаться сразу же с выпариванием воды вследствие того, что NaCl в Мертвом море находится в точке насыщения. Соль карналлита (KCl MgCl2 6H2O) имеет особое значение, потому что она включает конечный продукт KCl. Большая часть NaCl, содержащегося в рассоле, должна быть кристаллизована до осаждения карналлита. После осаждения карналлита остается сильно засоленный рассол (конечный рассол - KP), содержащий в основном CaCl2 и MgCl2 с концентрацией приблизительно 35 мас. % от общего количества растворенных твердых веществ. Этот рассол возвращается обратно в Мертвое море.
Объем выпуска карналлита должен быть увеличен, однако, дополнительная площадь для выпаривания к сожалению отсутствует. Кроме того, удаленная вода должна быть возвращена обратно в Мертвое море для сохранения гидрологического баланса, что предотвращает негативное воздействие на уровень Мертвого моря. Таким образом, было проведено исследование обезвоживания рассола Мертвого моря (ММ) с применением переднего осмоса. Вытягивающий раствор представляет собой KP, а именно высококонцентрированный рассол, содержащий главным образом CaCl2 MgCl2. KP течет из конечного пруда-испарителя. KP должен вытягивать воду из исходного рассола (ММ), закачиваемого в первый пруд-испаритель. Удаляемая вода должна разбавлять вытягивающий раствор перед его возвратом обратно в море. Удаление воды должно вызывать осаждение NaCl из подачи.
Тест продолжительностью приблизительно 50 часов с рассолом (ММ) в качестве исходного раствора и с конечным рассолом KP в качестве вытягивающего раствора дал окончательный усредненный расход приблизительно 1,94 л/м2/час, что доказывает принципиальную осуществимость заявленного изобретения.
В течение процесса осмотической релаксации в испытании продолжительностью приблизительно 50 часов, рециркуляция исходного раствора (ММ) продолжалась в нормальном режиме. Вакуум был приложен на вытягивающей стороне мембраны с помощью рециркуляционного насоса для конечного рассола KP путем закрытия впускного клапана по направлению к пластине. При достижении вакуума 0,6 бар, насос конечного рассола KP был остановлен и пластина полностью изолирована путем окончательного закрытия выпускного клапана. Вакуум выдерживался в течение требуемого времени релаксации. После завершения заданного временного интервала релаксации, оба клапана были открыты, и поток конечного рассола KP перезапущен. Большинство кристаллов были смыты сразу же поперечным потоком рассола ММ. Несколько остаточных оставшихся кристаллов, которые все еще были прилеплены к мембране, оставили поверхность при применении пульсации вакуумом несколько раз с помощью впускного клапана. Этот процесс является относительно эффективным и надежным, однако он все еще не оптимизирован.
Пример 2
После завершения первого испытания продолжительностью 50 часов мембранная пластина была осушена, удалена из резервуара, и помещена в герметичный мешок перед дальнейшим испытанием.
Подготовка рассолов: используемые рассолы KP и ММ были восстановлены для повторного использования. Конечный рассол был нагрет до 55°С и аэрирован в течение 3 дней, чтобы испарить 17,5 л воды, которая была отведена в течение предыдущего испытания. Вода Мертвого моря нагревалась до 55°С и к ней было добавлено 17,5 л воды.
Использовалось непрерывное перемешивание для полного растворения всех твердых веществ, которые были осаждены в течение предыдущего испытания.
Условия испытания:
Время = 46,2 часа
Температура = от 34,4 до 36,7°C
Площадь мембраны = 0,188 м2
Зазор пластин = 10 мм
CFV рассола ММ = 41,6 см/с
CFV конечного рассола KP = 2,46 см/с
Осмотическая релаксация:
Время = 5 мин. на 60 мин.
Вакуум = 0,65 бар
Было обнаружено, что продолжительность осмотической релаксации, составляющая 5 мин/ч, в сочетании с заданной пульсацией была достаточна для удаления всех твердых веществ;
Результаты:
Испытание проводилось в течение 46 часов работы с использованием непрерывной процедуры работы ПО продолжительностью 55 мин. с последующей осмотической релаксацией продолжительностью 5 мин.
Это привело к среднему расходу воды 2,02 л/м2/час; по сравнению с исходным результатом 1,94 л/м2/час в течение 48 часов. Это демонстрирует хорошую повторяемость результатов и, таким образом, надежность заявленного изобретения.
Объем рассола ММ = 520 --> 502,45 л (концентрация 3,38%)
Объем конечного рассола KP = 138 --> 155,55 л (разбавление 12,72%)
Пример 3
Примерная одиночная двусторонняя пластина с размерами 0,5 м × 1,5 м × 25 мм, имеющая в общей сложности площадь мембраны 1,5 м2, подвергалась потоку конечного рассола (KP) в качестве вытягивающего раствора внутри пластины.
Было проведено испытание продолжительностью 65 часов.
Конечный рассол KP непрерывно циркулировал (за исключением в течение осмотической релаксации) через мембрану. В итоге был использован резервуар конечного рассола KP для измерения скорости переноса воды. Приблизительно каждые 5 часов разбавленный конечный рассол KP сливался из этого резервуара и заменялся свежим конечным рассолом KP вследствие уменьшения движущей силы (разницы осмотических потенциалов). Рассол ММ работал в режиме непрерывной подачи и отвода, тогда как конечный рассол KP обрабатывался партиями.
Резервуары первоначальных рассола ММ и конечного рассола KP были нагреты приблизительно до 35°C и перемешивались для обеспечения однородности. Образцы рассола были взяты вначале и приблизительно каждые 5 часов в течение испытания. Веса измерялись и записывались в режиме реального времени. Значения температуры и плотности измерялись вручную каждый час. Осмотическая релаксация выполнялась вручную в течение 5 мин. каждый час. Для циркуляции были использованы инжекторы. Осаждение соли внутри инжекторов на протяжении всего испытания было незначительным и не требовало промывания.
Результаты и обсуждение
Общий полный расход и удаление воды в течение испытания представлены в таблице ниже.
Таблица. Общий полный расход и удаление воды
Пример 4
Процесс осмотической релаксации
В течение процесса осмотической релаксации рециркуляция раствора ММ продолжалась в нормальном режиме. Вакуум был приложен на вытягивающей стороне мембраны с помощью рециркуляционного насоса для конечного рассола KP путем простого закрытия впускного клапана по направлению к пластине. При достижении вакуума 60 кПа, рециркуляция конечного рассола KP была остановлена и пластина была полностью изолирована путем окончательного закрытия выпускного клапана. Вакуум выдерживался в течение требуемого времени релаксации. Затем оба клапана были открыты, и поток конечного рассола KP был повторно запущен. Большинство кристаллов были смыты сразу же поперечным потоком рассола ММ. Несколько оставшихся кристаллов, которые все еще были слабо прилеплены к мембране, оставили поверхность путем применения пульсации вакуумом при 60 кПа 5 раз с помощью впускного клапана.
Параметры испытания:
Условия проведения испытания:
Продолжительность = 48 часов
Температура = от 34 до 36°C
Площадь = 0,188 м2
Зазор пластин = 10 мм мм
CFV рассола ММ = 0,42 см/с
CFV конечного рассола KP = 0,025 см/с
Начальный объем рассола ММ = 520 л
Конечный объем рассола ММ = 503 л (концентрация 3,3%)
Начальный объем конечного рассола KP = 138 л
Конечный объем конечного рассола KP = 155 л (разбавление 12,3%)
Время осмотической релаксации:
Время 01-18 часов = 20 мин. на 2,0 часа
Время 18-20 часов = 10 мин. на 2,0 часа
Время 20-22 часов = 5 мин. на 2,0 часа
Время 22-33 часов = 5 мин. на 1,5 часа
Время 33-48 часов = 5 мин. на 1,0 час
Было обнаружено, что осмотическая релаксация 5 мин/час была достаточной для удаления твердых веществ; ожидается, что более короткие времена также будут эффективны.
Хотя данное изобретение описано в терминах некоторых конкретных примеров, возможны многочисленные модификации и варианты. Таким образом, понятно, что в рамках объема прилагаемой формулы изобретения, изобретение может быть реализовано иначе, чем конкретно описано.
Изобретение в целом относится к процессам удаления осаждающих веществ отложения с поверхностей мембран и, в частности, c мембран для прямого осмоса. Система для обезвоживания раствора включает в себя мембрану, выполненную с возможностью частичного окружения исходным раствором и приема сквозного потока вытягивающего раствора; и устройство, выполненное с возможностью управления потоком указанного вытягивающего раствора через указанную мембрану; при этом указанная система конфигурирована для работы в трех различных заданных режимах работы, включающих в себя режим фильтрации, режим осмотической релаксации и режим пульсации; причем указанная мембрана содержит мембранную конструкцию. Достигается повышение производительности мембраны и исключение ее блокировки. 3 н. 12 з.п. ф-лы, 9 ил., 2 табл.
1. Система для обезвоживания раствора, включающая в себя
i. по меньшей мере одну мембрану, выполненную с возможностью по меньшей мере частичного окружения исходным раствором и приема сквозного потока вытягивающего раствора;
и ii. устройство, выполненное с возможностью управления потоком указанного вытягивающего раствора через указанную по меньшей мере одну мембрану; при этом указанная система конфигурирована для работы по меньшей мере в трех различных заданных режимах работы, включающих в себя режим фильтрации, режим осмотической релаксации и режим пульсации; причем указанная по меньшей мере одна мембрана содержит мембранную конструкцию.
2. Система по п.1, в которой указанная мембранная конструкция выполнена с возможностью частичного или полного погружения в сосуд, такой как пруд-испаритель, использующий солнечную энергию.
3. Система по п.1, в которой указанные по меньшей мере три заданных различных режима работы включают в себя работу в течение 55 минут в режиме фильтрации; работу в течение 4 минут в режиме осмотической релаксации и работу в течение 1 минуты в режиме пульсации.
4. Система по п.3, в которой указанный режим пульсации включает в себя применение от 2 до 10 импульсов, при этом амплитуда (вакуум) каждого импульса находится в диапазоне 0,2-0,9 бар.
5. Устройство для управления потоком вытягивающего раствора через по меньшей мере одну мембрану, имеющее по меньшей мере один контроллер, по меньшей мере один таймер и по меньшей мере один датчик-анализатор, причем указанная по меньшей мере одна мембрана содержит мембранную конструкцию.
6. Устройство по п.5, в котором указанная мембранная конструкция выполнена с возможностью по меньшей мере частичного окружения раствором.
7. Устройство по п.5, в котором управление потоком вытягивающего раствора через по меньшей мере одну мембрану включает в себя запуск или остановку действия всасывания и/или закачки указанного вытягивающего раствора.
8. Устройство по п.7, в котором указанный контроллер конфигурирован для определения одного или более параметров, включающих в себя количество импульсов, частоту, амплитуду и подобных им, в соответствии с интенсивностью осаждения.
9. Устройство по п.8, в котором указанный таймер конфигурирован для указания конкретных заданных временных интервалов, в которых указанный контроллер запускает или останавливает действие всасывания и/или закачки.
10. Устройство по п.5, в котором указанный датчик-анализатор конфигурирован для измерения амплитуды пульсации.
11. Способ обезвоживания раствора, включающий в себя обработку вытягивающего раствора посредством по меньшей мере одной мембраны по меньшей мере в трех заданных различных режимах работы, включающих режим фильтрации, режим осмотической релаксации и режим пульсации, причем указанная мембрана выполнена с возможностью по меньшей мере частичного окружения исходным раствором.
12. Способ по п.11, в котором указанная мембрана прямого осмоса (ПО) выполнена с возможностью частичного или полного погружения в сосуд или в пруд-испаритель, использующий солнечную энергию.
13. Способ по п.11, в котором указанный режим осмотической релаксации включает в себя период прекращения потока указанного вытягивающего раствора, составляющий от 1 минуты до одного часа.
14. Способ по п.13, в котором указанный период прекращения потока определяют в соответствии с интенсивностью осаждения.
15. Способ по п.11, в котором указанный режим пульсации включает в себя применение трансмембранного давления (давление подачи минус давление вытягивания) от отрицательного до нулевого в течение периода от 1 секунды до одной минуты в соответствии с интенсивностью осаждения.
| US 2004139992 A1, 22.07.2004 | |||
| US 2014001122 A1, 02.01.2014 | |||
| US 5651888 A, 29.07.1997. |
