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TWI430965B - 去鹽作用之方法及裝置 - Google Patents

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TWI430965B
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Anil D Jha
Gary C Ganzi
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Siemens Industry Inc
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Description

去鹽作用之方法及裝置
本發明係關於一種純化水之方法及裝置，特別是利用過濾和電去離子化來進行水份去鹽作用。
全球對於飲用、工業用及農業用淡水需求的持續成長，導致了使用海水、微鹹水或其它高鹽度水做為水源之純化方法的需求亦隨之增加。經由去除溶解的固體(例如鹽)來純化高鹽度水可有多種不同的方式來達成，包括蒸餾和逆滲透(RO)。這些方法係以海水或其它微鹹水做為預處理進料，接著再將水予以純化(例如去鹽)，使其達到適合人類消費或其它目的的水準。雖然海水和經常使用的微鹹水是相當充裕的起始原料，但利用現有的RO或蒸餾技術將其轉換成飲用水所需的能量通常耗費過高。
如果能開發出低環境衝擊的有效去鹽技術，海洋可提供無限的水資源。除了設備成本高之外，在高鹽度水去鹽處理時，最大的連續性支出是能源。由於通常藉由去鹽系統來處理的水體積相當龐大，只要能源效率小小的改善，就能節省大量的成本。
舉例來說，以RO方法由海水來製造飲用水所需的能量主要包括用來克服海水滲透壓所需的能量以及在處理期間所造成的壓力損耗。由於RO滲濾液和RO廢水(通常進料至系統中總水量的70%會成為廢水)兩者皆需被加壓，RO所消耗的能量遠高於去鹽作用理論上所需之熱力學最小值。要回復若干因加壓所需而損失的能量時，通常需要昂貴的機械式壓力回復裝置。
海水中通常含有大約20,000~40,000 ppm(毫克/升)的總溶解固體量(TDS)，微鹹水源則是可含有2,000 ppm至高達20,000 ppm的TDS。這些溶解固體包括各種單價、二價、多價和/或多價鹽類或物種，其中氯化鈉通常大約會佔總固體含量的75%或以上。
雖然如蒸餾之類的蒸發方法已在傳統上被用來製造飲用水，這些方法通常比使用逆滲透技術的系統需要更大量的能源。此外，這些系統通常係利用複雜的熱回收技術來改善能源效率。由於RO或蒸餾方法是在增壓或升溫的條件下操作，同時因為高鹽度水具有非常高的腐蝕性，所以需要特種的金屬和合金來承受操作的條件，因此，為了節省能源而在製程中添加複雜設備的這項需求就會進一步提高設備的初始成本，並且大幅降低設備的可靠度。
逆滲透技術可以有效地自海水中去除離子化合物。然而，RO系統的一項嚴重缺點是：RO薄膜對於非單價或是多價鹽類具有比單價鹽類更高程度的選擇性排除作用。因此在進行如農業用途的純化時，雖然大多數的二價離子(如鈣和鎂)對於灌溉用途相當有幫助，但這些離子卻會被選擇性地排除，而導致高於所需的操作壓力，使得薄膜更容易阻塞和結垢，和/或損失了對穀物生長相當有價值的礦物質。
含有超過3.5%固體之海水和含有少於1,000或少於500 ppm TDS之飲用水之間的滲透壓差異將需要使用高壓來產生具有適合飲用品質的滲濾液，其僅係用來克服熱力學的自由能勢。實際上，由於海水通常是在較高水回收率的情況下加工處理，藉由減少需要有效處理用之水量的方式來降低預處理的成本，所需的滲透壓甚至於比處理3.5%固體含量之海水所需的壓力要高。舉例而言，RO系統中所用的壓力一般係大於800、900或甚至於1,000 psi，並且為了高壓操作、防蝕性、避免能量損失及預防因二價選擇性及二氧化矽排除而結垢等實務上的考量，水回收率(生成水的產量相對於全部水量的比率)會限制在大約30%至40%之間。對於既定所需的純水而言，當考量到水回收率由大約67%改變至33%會導致預處理設備成本倍增及消耗水的總量倍增時，這種限制就會導致預處理成本及RO系統用水的大幅增加。最近在RO薄膜和能源再利用技術上的進展，使得利用RO系統來製造飲用水的功率消耗降低至每1,000加侖的生成水僅需約7至14 kwh(14 kwh/kgal)。
使用方法組合的其它技術也可以在將海水轉化成淡水時只需要消耗較低的能量。例如，兩段式奈濾系統已被證明能夠利用總共約750 psi的操作壓力來製造飲用水；在第一階段約為500 psi，在第二階段約為250 psi。由於所使用的能量與操作壓力有關，與在大於800 psi壓力下操作的RO系統相比，約750 psi的總操作壓力可提供能源使用效率更高的系統。例如，可參見Vuong所提出之美國專利公告US2003/0205526中所述，其一併列為本文之參考內容。
在以海水來製造淡水所用的另一種方法中，奈濾技術係與RO或快速蒸餾技術中的一種合併使用。例如，可參見Hassan所提出之美國專利6,508,936中所述，其一併列為本文之參考內容。
在某些情況下，本申請案之發明課題可包含對於特定問題的相關產品、替代解決方案，和/或單一系統或物品的數種不同用途。
在本發明的一種態樣中，提供了用於純化水之方法。此方法包括一或多次將含有大於約1,000 ppm之總溶解固體量的進料水送至奈濾裝置，以產生總溶解固體量減少的第一濾液，並且將第一濾液進料至電去離子化裝置，以產生包含少於約1,000 ppm總溶解固體量的第二濾液。
依照本發明的另一種態樣提供了一種海水去鹽用之設備。此設備包括奈濾裝置和與奈濾裝置流體連通的電去離子化裝置。
本發明還有另一種態樣提供了一種處理海水或其它高鹽度水源用之方法，以降低總溶解固體量。此方法包括一或多次將源水通過水處理設備，同時其對設備所需施加的能量低於約7 kwh/kgal濾液，並且由設備中將濾液移出，其中濾液含有低於約1,000 ppm的總溶解固體量。
依照一或多個實施實例，本發明係針對海水之處理方法。此方法包括在第一階段降低海水中一或多種非單價物種的濃度，並且在第二階段降低海水中一或多種單價物種的濃度，以產生具有低於約1,000 ppm之TDS的水。第一和第二階段係在淨能量消耗率低於約7 kwh/kgal生成水的情況下進行。
依照一或多個實施實例，本發明係針對其中具有溶解固體之水之處理方法，其包括降低水中單價溶解物種的濃度以產生副產物流，降低水中二價溶解物種的濃度，以及在電去離子化裝置中將水中溶解固體的濃度降低至小於約1,000 ppm。
本發明並未將它的應用侷限於以下敘述或圖式說明中所提出之組件的結構及安排方式的細節內容。本發明具有其它的實施實例，並且可以不同的方式來實現或是進行。除此之外，本文中所用的措辭及術語係做為描述之用，不應被視為限制。本文中所用的"包括"、"包含"、"具有"、"含有"、"牽涉"和其變化形式等詞句係指包括之後所列的項目和其相等物，以及額外的項目。如果本說明書與併為參考內容之文件包括了互相矛盾的揭露內容，則以本說明書為準。
飲用水所具有的TDS含量通常會少於約1,000 ppm，但在某些情況下，飲用水的TDS含量可能會少於約500 ppm。非飲用水的實例為海水或鹽水、微鹹水、灰水(gray water)及部分工業用水。本文中所參照的海水一般可適用於其它型態的非飲用水。
本發明的某些態樣係關於用於純化海水及其它非飲用水之方法及設備，特別是其係利用電去鹽和電化學系統，以及可結合壓力驅動薄膜系統和/或水處理系統的技術。電化學技術也可包括如連續去離子化、填充室電透析(filled cell electrodialysis)、倒極式電透析(electrodiaresis)、電流逆向電透析(current reversing electrodialysis)等方法。在文中所用的"純化"乙詞係關於將源水中的總溶解固體含量以及選擇性地將懸浮固體濃度、膠體含量和離子化及非離子化的雜質降低至某種程度，使得純化水達到可飲用的標準，並且可用來做為，但非侷限於，如人和動物使用、灌溉用和工業用的淡水。去鹽是純化的一種類型，其中鹽係自海水中移除。本發明在某些方面係關於海水的去鹽作用。進料水或被處理水可來自許多種來源，包括其所具有的TDS含量係介於約3,000 ppm至40,000 ppm之間，或者更高。進料水可以是，例如，海水、微鹹水、灰水、工業放流水和油田回收水。進料水可以含有高濃度的單價鹽、二價及多價鹽及有機物種。
依照一或多個實施實例，本發明係針對一種處理海水或微鹹水的方法，而源水中包含一種溶質混合物，其中單價離子的濃度比二價和其它多價離子的濃度為高。包含微濾(microfiltration)處理或超濾(ultrafiltration)處理之選用初始步驟係用來去除懸浮固體、膠態物質和/或較高分子量的溶質。在這個實施實例中，於選用步驟之後，進行特殊電去鹽處理的第一階段，以選擇性去除一部分的單價離子，並且在任何中間處理步驟之後，接著進行包括第二薄膜處理步驟(如電去離子化)的階段，以產生具有所需最終純度的水。整個方法能夠在30%至70%或更高之水回收率的情況下操作。
電去離子化(EDI)是一種利用電活性介質和電動勢來影響離子輸送以去除(或至少降低)水中一或多種離子化或可離子化物種的方法。電活性介質通常是用來交替收集和排出已離子化和/或可離子化的物種，並且在某些情況下，可藉由離子或電子取代機制連續地協助離子的輸送。EDI裝置可包含永久或暫時性電荷的電化學活性介質，並且可批次、間歇地、連續地和/或甚至於在逆轉極性模式下操作。EDI裝置的操作可促進一或多種電化學反應的進行，該反應係為了達到或提高功效而特別設計的。此外，此種電化學裝置可包含電活性薄膜，如半滲透或選擇性滲透之離子交換或雙極性薄膜。連續電去離子化(CEDI)裝置為習於本技術領域者已知的EDI裝置，其操作方式可使得水的純化得以連續進行，在此同時也連續補注離子交換物質。例如，可參考美國專利6,824,662、6,312,577、6,284,124、5,736,023和5,308,466，每一篇皆併為本文的參考內容。CEDI技術可包括例如連續去離子化、填充室電透析或倒極式電透析等方法。在控制電壓和鹽度的情況之下，於CEDI系統中，水分子可分裂而生成氫或鋞離子或物種以及氫氫化物或羥離子或物種，其可再生裝置中的離子交換介質，因而促進被捕捉物種的釋出。在此情況下，被處理的水流可以連續地純化，而不需要化學補注離子交換樹脂。
除了電透析(ED)裝置在薄膜之間不含電活性介質之外，ED裝置的操作方式與CEDI類似。由於缺少電活性介質，可能在處理低鹽度進料水時，會因為電阻升高而阻礙ED的操作。同樣的，由於高鹽度進料水以ED進行操作時會導致較高的電流消耗，到目前為止，ED設備最有效係用於中鹽度的源水。在以ED為基礎的系統中，由於沒有電活性介質，分裂水是無效率的，通常會避免在此種狀態下操作。
在CEDI和ED裝置中，一般係以選擇性滲透薄膜來分隔複數個相鄰的小室(cell)或隔室(compartment)，其可允許帶正電或者是帶負電的物種通過，但通常不會兩者皆可通過。在此類裝置中，稀釋或耗乏隔室通常係與濃縮或濃度隔室相間隔。當水流過耗乏隔室時，離子和其它帶電物種一般會在電場(例如DC電場)的影響之下流入濃縮隔室。帶正電的物種被陰極吸引，通常陰極係位於多個耗乏及濃度隔室堆疊的一端，同樣的，帶負電的物種會被此種裝置的陽極吸引，通常陽極係位於隔室堆疊的另一端。電極通常是置放在電解液隔室中，而電解液隔室通常會以耗乏隔室和/或濃度隔室部分與流體連通隔離開來。一旦在濃度隔室中，帶電物種通常會被選擇性滲透薄膜的障壁所捕捉，至少部分侷限濃度隔室的範圍。舉例來說，通常是藉由陰離子選擇性薄膜阻擋來自濃度隔室之陰離子進一步向陰極移動。一旦在濃縮隔室中被捕捉，可將濃縮液流中被捕捉的帶電物質去除。
在CEDI和ED裝置中，DC電場通常是由施加至電極(陽極或正極，以及陰極或負極)的電壓及電流的來源施加至小室中。電壓和電流來源(整個稱為"電源")本身可由許多種裝置來提供電源，如AC電源，或者是(例如)衍生自太陽能、風力或波浪的電源。在電極/液體界面會發生電化學半電池反應，其引發及/或加速離子穿透薄膜和隔室的傳送。在電極/液體界面所發生之特殊電化學反應可藉由置放電極組件之特定隔室中的鹽濃度來進行某種程度上的控制。例如，具有高氯化鈉濃度之進料送入陽極電解液隔室中時，容易產生氯氣和氫離子，然而此種進料係送入陰極電解液隔室，則是容易產生氫氣和氫氧離子。一般而言，在陽極隔室所產生的氫離子會與自由的陰離子(如氯離子)結合，以維持電中性，並且形成鹽酸溶液；同樣的，在陰極隔室所產生的氫氧離子會與自由的陽離子(如鈉離子)結合，以維持電中性，並且形成氫氧化鈉溶液。依照本發明的其它實施實例，可以為了消毒、薄膜清潔和去阻塞及調整pH值等目的所需，而將電極隔室的反應產物，如產生的氯氣和氫氧化鈉，用於此方法中。
依照本發明的一些實施實例，可利用在處理系統中的數個階段來純化水，或者是至少降低其中所溶解固體的濃度。例如，擬處理的水可在階段中純化，使得每一個階段皆選擇性地去除一或多種類型的溶解固體，藉此製造出純化(例如去鹽)或甚至於可飲用的水。在某些情形下，一或多個階段可包含一或多個能將溶解物種選擇性留住的單元操作，接著可利用一或多個其它單元操作而在一或多個後續或下游階段中將其去除。因此，在本發明之純化系統的一些實施實例中，第一階段可去除或至少降低一種類型之溶解物種的濃度。在其它實施實例中，第一階段可去除或降低除了其中一種類型之外之所有溶解物種的濃度。接著可在一或多個後續處理的階段中，將任何殘留(未能自水中去除)的物種予以去除，或者是降低其濃度。
本發明的一些實施實例係關於好好利用來自一或多個階段的副產物流，以進行一或多個其它階段的再生或是補注。來自本發明之系統的一或多個階段之可排放流或副產物流可具有高濃度的由擬處理水所移除之第一溶解物種。在此種流中所出現的第一溶解物種可以加速在一或多個其它純化階段中之其它單元操作的再生作用。例如，電透析階段可以去除或降低來自海水之單價物種的濃度。例如，表1提供了構成一般海水中所含鹽類之主要典型溶質的濃度。以這些組成為基準，並且假設在第一階段約有80%的TDS(總溶解固體量)被移除，且其係在水回收率約為67%的狀況下操作時，包含單價選擇性的陰離子及陽離子交換膜，可以決定構成由此階段流出之耗乏及濃縮流的溶質與薄膜選擇性係數之間的函數關係。薄膜選擇性係數的定義如下：
其中v 為離子物種i的莫耳濃度，並且△v 為離子物種之莫耳濃度改變量。表2提供了殘留在由第一階段的分離設備流出之離子耗乏流和離子濃縮流中之溶質的計算數值，該分離設備包含選擇性為1(無選擇性)、5和10之單價選擇性陰離子及陽離子薄膜。表2中的數據係衍生自具有約20,000 ppm TDS的生產水，並且其假設的回收率約為67%。
如表2中所示，對於包含單選擇性薄膜的裝置而言，其與使用包含無選擇性薄膜的裝置相比，在濃縮流中，易於造成裝置中的濃縮隔室阻塞和結垢之溶質(如鈣、鎂和硫酸鹽)的濃度會維持在相當低的濃度水準。此項結果是因為使用單價選擇性薄膜的裝置可在不會造成鹽類沈澱及失去功效，或是堵塞去鹽裝置的情況之下，提高水的回收率。單價選擇性可能不一定會大幅降低濃縮流中的碳酸氫鹽含量，但是如碳酸氫鈣之碳酸氫鹽化合物沈澱的可能性確實會降低，因為濃縮流中的鈣含量被大幅降低(例如,相對於鈉)。此外，如同下文中將要詳細討論，利用高鹽度氯化鈉做為電解液而得到之酸性電解液產物可被用來做為送至濃縮流中的反應劑，以調整及降低濃縮流的pH值，藉由將碳酸氫鹽的平衡狀態偏離碳酸鹽形態，因而抑制濃縮流中任何殘留的碳酸氫鈣形成結垢的可能性。
副產物流(例如單選擇性ED階段的濃縮流)將會具有高濃度的此類物種(例如氯化鈉)，可用來協助離子交換單元操作的再生，而其可選擇性地用來自被處理水中選擇地去除或降低溶解二價物種的濃度。此外，當使用包括其它類型單元操作的更多階段以進一步自一部分或是全部的耗乏流中去除或降低殘留物種和/或微量雜質的濃度時，可讓殘留在第一階段耗乏流流出物中的問題組成於最終使用之前被選擇性去除(例如，在提供成為農業灌溉水之前，經由選擇性離子交換來去除硼)，或者是在進料至整個系統的第二薄膜階段之前選擇性去除(例如，經由可化學再生的陽離子交換來去除鈣和鎂，以避免在第二薄膜階段中堵塞和結垢)。
將選用的離子交換單元置於第一個單選擇性去除階段的下游，可得到與操作離子交換單元有關的額外製程優點。如果源水的整體鹽度相當高時，以去除能力來說，離子交換器(例如用來由源水中去除鈣和鎂的陽離子交換器)操作的效率相當低。因此，藉由在第一個去鹽階段的下游操作離子交換器，與源水相比，已有一大部分的鹽類已被去除，離子交換器將可更有效率的操作，並且產生更佳品質的流出物，為了再生作用所需的化學品也會變少。
此外，當使用包括各種類型單元操作的更多階段以進一步自水流中去除或降低殘留物種的濃度時，其所產生的副產物流也可用來協助其它階段中的一或多個其它單元操作之再生。
本發明的其它態樣可被視為是針對降低整體副產物或廢棄排出物負荷，同時又能使被處理水純化。事實上，來自一或多個階段或單元操作的副產物流可以被引導至一或多個階段或單元操作的上游或下游，並且與被處理水匯合，和/或被用來協助此種單元操作的進行。
依照本發明的一或多種態樣，EDI系統和技術(包括CEDI系統)可與一或多種純化非飲用水(例如具有大於約5,000 ppm TDS之水)的技術結合，以產生飲用水。依照本發明的一或多種態樣，為了最終能產生飲用水，共有一或多個階段，包括以壓力驅動的分離技術(例如過濾)自非飲用水源中的水去除一部分的TDS，和以一或多種電驅動的分離技術(例如電去離子化)再將首先被過濾之水中額外部分的TDS去除。在某些情況下，壓力驅動的分離技術可以奈濾(NF)系統和技術為基礎。依照其它實施實例，電驅動分離技術(例如,但不限於,電透析或倒極式電透析)可以與(例如)過濾和/或EDI系統及技術一起使用，以純化，例如，去鹽水。本發明的其它實施實例企圖利用結合此類的系統和技術。因此，例如，電去離子化系統可與兩種或更多種系統結合而使用，以能去除一或多種型態的溶解固體為較佳。事實上，依照本發明的一或多個實施實例，電去離子化階段可與電透析階段和/或離子交換階段一起使用。
奈濾技術可用來去除比超濾技術所能去除之物種還要小的物種，但是通常不會去除藉由逆滲透技術所能去除的所有物種。在排除或選擇性分離溶解物種時，奈濾薄膜還可加上立體和電效應。因此，例如，奈濾薄膜也可以去除或降低未帶電有機分子的濃度，包括，例如，分子量大於約150道耳吞，或是，在某些情況下，大於約300道耳吞的有機分子。二價和/或多價離子的移除比通常會大於約90%。然而，在某些情況下，會大於約95%；並且在某些應用上，藉由此種選擇技術可去除大於約98%的多價物種。然而，奈濾系統對於單價離子的去除效率通常會比二價或非單價離子的去除效率為低，並且可去除在被處理進料水中(例如)少於約10%，少於約25%，少於約50%，少於約75%，或少於約90%的單價離子。奈濾薄膜可由許多種材料來製造，包括，例如，聚醯胺材料。例如，可參考美國專利6,723,241和6,508,936，以及美國專利公開2003/0205526號；上述的每一篇專利皆併入為本文參考。
如同先前所提，在某些例子中，奈濾系統和技術可能無法有效去除單價離子，或至少在某種程度上是令人滿意的和/或經濟上可行的。然而，海水中的TDS含量通常約有四分之三為單價鹽的型態。表1列出了海水中各種(但不必要是全部)物種的一般濃度。
利用奈濾薄膜來處理水所需的相關操作壓力可以明顯小於將水通過RO薄膜所需的操作壓力，進料和滲透液之間的滲透壓差異主要是來自於單價鹽。進料水可以在小於約600 psi的操作壓力下於奈濾裝置中被純化，端視用途而定；在某些情況下，操作壓力可小於約500 psi；或者在其它的情況下，操作壓力可小於或等於約400 psi。通常所得之滲濾液中所含有之有機物種濃度和二價及非單價離子濃度降低的幅度會大於約90%，同時留有大於約10%的單價離子成份。超過約25%的單價離子被留置或收回，端視特定的配置方式及進料水而定；在一些應用中，有超過約50%的單價離子被收回；而在其它的應用中，則有超過約75%的單價離子被收回。因此，具有海水、微鹹水或具有類似組成之進料水的奈濾裝置可產生一種濾液，其二價和非單價離子成份和/或有機成份被大幅降低，但仍留有大部分初始的單價離子成份，如氯化鈉。當與進料水相比時，濾液在TDS方面的降幅大於或等於約30%(在某些例子中，高達並包括約95%)。然而，在大多數的例子中，來自海水之一段式(one－pass)奈濾濾液並不適合人類飲用或者是應用於需要淡水的用途上，因此可能需要進一步的處理以使得水變成適合使用。
依照本發明的一組實施實例，產品(如來自奈濾階段的濾液)將被送至電去離子化階段(如CEDI裝置)。二價和多價的陽離子，如鎂和鈣這種通常會造成硬度的離子，可以在奈濾階段或是單價選擇性ED階段下游的中間離子交換軟化器中被大量去除。電去離子化裝置則是能去除單價陽離子和/或陰離子，如氯化鈉，並且還可在低耗電的情況下針對缺少二價離子的進料水來操作。因此，含有主要為單價鹽之TDS的進料水可以藉由將水通過一或多個電去離子化裝置和一或多個奈濾裝置而被有效的純化。在每一個階段可能進行一或多回合，並且可以串聯或是任何適當的安排方式來使用兩個或多個電去離子化裝置。一般而言，並非必需，奈濾階段係在電去離子化階段之前。這樣的安排方式可以減少或甚至於免除下游單元操作和/或組件阻塞，例如在濃度隔室和電去離子化裝置的結合套組件，以及附件和導管。因此，較佳是使用一或多個奈濾裝置來去除二價和/或多價離子，例如造成硬度的物種，以及較佳是使用一或多個電去離子化裝置來去除單價離子，因而減少或消除阻塞的傾向。事實上，本發明可針對提供一或多個階段或單元操作的系統及技術，而該階段或單元操作可以去除，或至少降低，水流中一或多種二價和/或多價物種的濃度；並且一或多個階段或單元操作可以去除，或至少降低，水流中一或多種單價物種的濃度。因而使得所得到的產物水變成可飲用。
本發明的其它態樣係針對純化水流的系統和技術，其係在第一階段或先期階段將水流中一或多種物種形成結垢或阻塞薄膜裝置的趨勢降低或甚至於極小化，並且在第二階段或後續階段去除或至少降低單價物種的濃度。
第一階段(例如，如奈濾之過濾操作)可以在能量需求小於或等於約4.7 kwh/kgal的狀況下操作。第二階段(例如以電化學方式進行，如電去離子化)可以在小於或等於約2.3 kwh/kgal的狀況下操作。因此，整體使用的能量預估為約7 kwh/kgal，當與其它的去鹽技術(如蒸發性、RO、兩段式奈濾或混合奈濾/RO以及奈濾/蒸發性技術)相比，其能量消耗明顯降低。
依照本發明的一或多個實施實例，在製程所得之含有阻留液(剔除)和濃縮液的流體中通常含有比個別進料水還要大量的TDS，其可以排放至進料水源或者是排放至傳統的廢水處理設施中。例如，來自CEDI裝置的濃縮排出物可以回收做為進料，或者是與進料水組合而送至奈濾裝置。在某些例子中，例如當CEDI裝置的濃縮隔室產生了濃縮鹵水時，鹵水(可實質上或基本上不含二價和多價離子，或者是具有減量之成垢物種)可用來做為製造消毒劑(例如,但不限於，次氯酸鈉)的鹵水源。經軟化的鹵水溶液可以提供可電解之氯物種以用於形成消毒劑之系統中，而該系統可以使用，例如，電解裝置。因此，如果利用本發明的某些態樣所生成之純化水可有利於後續消毒的話，就可以得到低成本的經軟化、濃縮之鹵水和/或消毒劑的現成來源。
在處理進料水之前，可以使用許多種預處理程序。例如，可以利用預處理技術來處理含有可能干擾或降低任何階段或裝置(如奈濾裝置或EDI裝置)之效率的固體或其它材料之進料水。預處理方法可以在奈濾裝置和/或EDI裝置的上游來進行，並且可包括，例如，微粒過濾、砂石過濾、碳過濾、微過濾，如掃流微過濾(CMF)，其組合和其它針對降低微粒的方法。也可利用，例如，添加酸、鹼或緩衝液或者是經由曝氣的方式來調整進料水之pH值和/或鹼度。
包含第一單價選擇性階段之實施實例具有一項特別重要的優點，那就是因為此種系統的水回收率會高於利用現有技術所可達到的水回收率，所以需要用來處理源水之預處理數量會大幅減少。因此，所需預處理設備的量也會等比例減少。結果就會降低預處理設備的成本和大小，和/或，替代方案為，使得一般不被視為具有經濟可行性的預處理系統變為可行。例如，可以更具成本效益的方式來使用薄膜微過濾，使其成為傳統和效率較低之砂石過濾系統的替代選擇，而薄膜微過濾技術不只是可去除源水中大量的微粒，同時還可以去除微生物污染物和其它有害膠體成份。這將會改善終端用水的品質，同時提高下游處理組件的可靠度。
本發明系統的一種實施實例如第1圖中所示。系統100包括一或多個奈濾裝置110，以及一或多個電去離子化裝置120。奈濾裝置110包括一個置於罩箱內的奈濾薄膜。電去離子化裝置120包括一或多個陽極、陰極、濃縮及耗乏隔室。水源被提供給電去離子化裝置120中的耗乏、濃縮和電極隔室。進料水源140可以是，例如，海洋。進料水可以經由導管150抽送，並且藉由泵130予以加壓而通過奈濾裝置110中的奈濾薄膜。通常，泵130會將進料加壓至大約600 psi或更低的操作壓力。來自奈濾裝置110的滲濾液，其多價離子的含量減少，通過導管160而成為流至電去離子化裝置120的進料。來自裝置110的阻流流體將通過導管170，並且將引導，例如，回到進料水源140。
可由阻留液流回收能量，並且用來，例如，加熱進料水、提供電力和/或提供其它方法或單元操作所需用的能量，不一定要直接與系統100結合。導管160中的水可進料至電去離子化裝置120中的任一個耗乏、濃縮和/或電極隔室。電去離子化置120通常是由電流來提供動力(圖中未顯示)，其可被構建成能夠提供可逆的電場。在導管180可接收到純化的稀釋液，它可以直接使用或者是儲存做為飲用水。如有需要，飲用水可以被保藏或是進一步消毒。來自電去離子化裝置120的濃縮液流可以經由導管190排放至廢水中，可以經由導管192透過系統來回收，或者是經由導管194被用來做為鹵水源。濃縮液流的氯化鈉含量可能與海水近似，並且可做為奈濾裝置110的進料水來源。
本發明之系統和技術可以連續或是批次操作，並且可以在固定的位置或者是移動的平台上操作，例如裝在船艦上或是汽車上。也可使用多段式CEDI系統，其中進料通常是通過裝置兩次或是更多次，或者是可以通過一個選用的第二個裝置。在一些例子中，可以加熱電去離子化裝置以，例如，提高離子在其中的傳送速率。因此，電去離子化裝置可在室溫下操作；或者是，電去離子化裝置可在大於約30℃、大於約40℃或甚至於大於約50℃的溫度下操作。
在某些例子中，可能會想要降低電去離子化裝置的內電阻以使得能量消耗降至最低。因此，依照本發明的一或多個實施實例，可使用低電阻薄膜來分隔或界定其耗乏和/或濃縮隔室。例如，可以將個別的隔室或是電去離子化裝置的小室構建成具有小於約10毫米的寬度。使用低電阻薄膜和/或薄的隔室可以幫助降低電阻或是負荷，因此，能夠減少所需的電力。可用於本發明的一些實施實例中之低電阻薄膜包括，例如，來自日本東京ASTOM公司的商品NEOSEPTA薄膜。在本發明的一些實施實例中，膜間的間隔可以是，例如，小於約0.1吋、小於或等於約0.06吋，或者是小於或等於約0.05吋。
在一些應用上，將水中硼物種的濃度降低可能是重要的或者是想要達成的，這樣會比較適合農業用途和/或人類使用。例如，硼物種的期望濃度可為小於約1 ppm。在一些例子中，硼物種的濃度較好是約為或甚至於小於政府和/或衛生機構所建議的濃度。例如，硼的濃度可以是約為或小於世界衛生組織建議之濃度，約0.5 ppm。事實上，在某些應用上，被處理水中的硼濃度較佳是小於約0.4 ppm。
由於海水中通常會含有高濃度的硼，例如，約1至約4 ppm，利用傳統的去鹽方法很難達到所推薦或建議之硼濃度的目標。本發明之系統和技術可以將進料水中的硼物種濃度降低至可接受的程度。事實上，本發明的一些實施實例即係針對將進料流中的硼濃度由約4.6 ppm降低至小於約0.5 ppm。
除了降低能源成本之外，本發明之系統和技術可以提供較低的資金、操作和/或維修成本。例如，由於可在較低操作壓力下運轉，在本發明的系統中可使用低成本的材料(如塑膠管)來取代RO系統中通常必需使用的高壓不銹鋼和/或鈦合金。
為了純化海水，必需將水與溶解於其中的成份分離。需要用來進行分離操作的能量為克服進料水(海水)和產物(淡水)之間的滲透壓差所需的能量。
海水的滲透壓(Psw )可以由凡德荷夫(van't Hoff)方程式：Psw ＝c *R*T來決定，其中c為離子莫耳濃度，R為氣體常數,0.082升－巴/度－莫耳，並且T為凱氏絕對溫度，T＝300K(約27℃)。海水中的離子鹽濃度為約1.12莫耳/升，假設是純氯化鈉溶液。因此，可計算出滲透壓為約400 psi(1.12*0.082*300＝27.6巴)。
去鹽的能量需求通常是以每1,000加侖純化水每小時所需的能量值來表示。將海水去鹽所需的理論最小能量值估計為約2.9 kwh/kgal(或約0.77 kwh/m3 )，計算方式如下，假設膜穿透壓(NF膜)約400 psi且泵效率為100%：
海水去鹽所用的方法(熱驅動或是壓力驅動)相信是與所需最小能量無關。
實施例1
以下將針對現有的以RO為基礎的系統與本發明之系統和方法做一比較，以說明其在節能方面的功效。如同以下計算所示，傳統的以RO為基礎的系統需要約19.2 kwh/kgal來進行海水去鹽。在此計算中，假設的膜穿透壓為約900 psi，假設泵效率為約85%，並且假設水回收率為約40%。此外，入口的流速為約41.67 gpm，產生約16.67 gpm的滲濾液和約25 gpm的阻留液。假設沒有使用能源回收技術。
然而，如果使用了能源回收技術，可以降低計算所得之能量需求。能量回收組合或技術的實施例包括，例如，渦輪，如巴爾頓(pelton)水輪，或是壓力交換裝置。兩種裝置皆可以自高壓阻留液流回收能量，並且將能量傳送至RO裝置的進料流。巴爾頓水輪組合的回收效率通常為約80%，而正排量系統通常可達之回收效率為約90%至約95%。
為了計算能源回收對整體功率消耗的效果，假設約40%的功率是消耗在滲透液流(0.4*19.2 kwh/kgal＝7.68 kwh/kgal)，並且假設約60%的功率是消耗在阻留液流(0.6*19.2 kwh/kgal＝11.52 kwh/kgal)。假設，例如，阻留液流中有大約93%的能量能被回收，因此有大約7%被消耗(0.07*11.52＝0.81 kwh/kgal)。因此，利用能源回收技術之RO裝置的整體功率消耗為約7.68＋0.81＝8.49 kwh/kgal。
實施例2
為了估計以包含奈濾和電去離子化裝置之組合系統來進行海水去鹽所需能源的總量，將分開計算個別所需的能量，接著再予以加總。
如以下的算式所示，使用NF裝置所需的能量大約為10.7 kwh/kgal(約2.8 kwh/m3 )。
此估計係假設膜穿透壓為約500 psi，泵效率為約85%，並且水回收率為約40%。此估計係進一步基於入口的流速為約41.67 gpm，產生約16.67 gpm的滲濾液和約25 gpm的阻留液。沒有使用能源回收技術。
也可以類似於前面所述有關於以RO為基礎之裝置的方式，在奈濾裝置中使用能源技術。此外，也使用相關於回收效率的類似假設：假設大約有40%的功率消耗在滲透液流(0.4*10.7kwh/kgal＝4.28kwh/kgal)，並且假設約60%的功率消耗在阻留液流(0.6*10.7＝6.42kwh/kgal)。如果阻留液中有大約93%的能量被回收，則大約有7%假設被消耗掉(0.07*6.42＝0.45 kwh/kgal)。因此，結合奈濾裝置所消耗的功率為約4.73 kwh/kgal(4.28＋0.45＝4.73 kwh/kgal)。
為了比RO系統消耗更少的能量，包含奈濾和CEDI階段之去鹽系統，整體而言，其所消耗的能量必需比單獨的RO系統所消耗的能量為低。如前所述，奈濾階段消耗約4.7 kwh/kgal，而RO系統的總能量消耗為約8.5 kwh/kgal。因此，為了使得總能量消耗低於RO系統的總能量消耗，CEDI階段的功率消耗較佳是小於或等於約3.8 kwh/kgal。
如果奈濾系統將海水進料中所含入口總溶解固體量的91%予以阻留，則下游的CEDI模組較佳是能去除約90%殘留的TDS，以使得水能夠符合飲用水的標準，含有少於500 ppm的TDS。因此，為了可與RO系統競爭，CEDI模組可能需要在低於約3.8kwh/kgal生產水的情況下去除此數量的固體。
實施例3
操作一種系統，以決定海水是否能夠純化(去鹽)至小於約500 ppm的TDS的水準。此系統包括一個奈濾裝置和符合上述能源要求的CEDI裝置(低於約3.8kwh/kgal)。人造海水係由俄亥俄州Mentor市Aquarium Systems公司所販售的INSTANT OCEAN合成海鹽混合物製備而得。
奈濾裝置和CEDI裝置係在下述條件下操作：奈濾裝置和CEDI裝置皆是使用封閉迴路。由奈濾生產水分離出來的CEDI裝置用之電極隔室進料水，係由RO水所組成，加入硫酸使得pH值達到約為2。進料水的鈣含量大約為50毫克/升，其係量測CaCO3 。
奈濾裝置係使用FILMTECNF90(4x40)薄膜，可獲自密西根州Midland鎮的陶氏化學(Dow Chemical)公司。進入奈濾裝置的入口水流被加壓至大約500 psi，並且具有導電度為約45.5 mS/cm。來自奈濾裝置之滲濾液的導電度為約4.2 mS/cm，流速為約3.25升/分鐘。阻留液的流速為約36升/分鐘。裝置名義上的操作溫度為約23℃。
對兩種不同的CEDI裝置進行評估，分別指定為A堆(較低電阻)和B堆(標準)。A堆和B堆每一個皆是在2－階段的交疊路徑中具有20對小室，在每一階段具有10對小室。流動路徑長度為約28吋。兩堆皆使用了氧化銥系的陽極、不銹鋼陰極，以及大約50/50混合比的DOWEXTM MARATHON強鹼陰離子/強酸陽離子樹脂，兩者皆是可獲自密西根州Midland鎮的陶氏化學公司。A和B堆各自的膜間間隔為約0.06吋。A堆包括交錯的離子交換膜。
兩種模組的操作條件和性能皆總結於下面的表3中。列在表3中的能量需求資料並未考量供電效率。
A堆所顯示的資料優於B堆，這是因為在類似速率的情況下，前者可產生類似品質的產物，但所使用的能量卻少了約40%。
因此，假設奈濾裝置需要大約4.7 kwh/kgal來達成去除率小於約90%的所需性能，則包含奈濾裝置和CEDI裝置的系統將會產生約7 kwh/kgal的功率消耗。此總能量需求會比傳統的以RO為基礎的系統所需之能量低約15%。
實施例4
此實施例進一步描述了本發明的實施實例，其可用來降低海水中所溶解固體的濃度。
如第2圖中所說明，此系統可包含至少一個置放在一或多個單價物種減少階段和一或多個二價物種減少階段之下游的電去離子化階段。
單價物種減少階段可包括任何可以降低單價物種(例如，但不限於，氯化鈉)濃度的單元操作。可用來降低單價溶解固體濃度之單元操作的實例包括，但非侷限於，電透析和倒極式電透析裝置。
單價物種減少階段可以在較高水回收率的情況下操作，例如，約60%至70%或更高，端視薄膜有關於單價物種相對於非單價物種之選擇性係數而定。這是為了避免非單價或多價物質結垢或阻塞於薄膜裝置的可能性，因為它們的濃度並沒有如單價物種一般的等比例增加。相對於例如非選擇性ED或蒸餾等其它方法，此種裝置比較不容易積垢和結垢，若相對於如NF和RO等方法，此種裝置更不容易阻塞和結垢，其將選擇性地濃縮多價物種和阻塞物。藉由在較高水回收率的情況下操作，不只是因為(例如)預處理設備和材料所需的體積減少而使得方法更有效率，同時也會使得整個方法所需的總水量減少，這對於水資源貧乏的區域來說，是特別重要的。除此之外，藉由在高水回收率的情況下操作，裝置的濃縮流中之鹽濃度增加，使得它在某些環境下更為有用。舉例來說，在大約67%回收率的情況下，對鹽度約為3.33%的進料進行操作時，可以得到鹽濃度約為10%的濃縮流。如果主要的單價離子被選擇性地傳送至該濃縮流中，所得的液流可以是濃度為約10%且主要為純單價(例如氯化鈉)的液流。這樣的液流可以部分用於再生已經耗盡的離子交換管柱，用來做為鹵水清潔劑，用來進料至結晶槽以有效製造結晶鹽，和/或在後續的電化學方法中製造(例如)氯和苛性物(caustic)以用於消毒或調整pH值。此外，濃縮的鹽類可以循環至ED裝置本身的電解液隔室，並且可以產生副產物氯和苛性物而不需要分離苛性物/氯的產生系統，同時避免了添加一些不同於被去鹽之進料水中已含鹽類的其它化學物質。
單價物種去除階段可以使用選擇性去除單價陽離子、單價陰離子或同時去除單價陰離子和陽離子的薄膜。如果想要由包含鈣和硫酸鹽的進料中製造純的氯化鈉，則系統可同時包含單價選擇性陰離子薄膜和陽離子薄膜。或者是，如果目的僅是在於產生一種包含純粹鈉離子而不在乎硫酸鹽水準，則此系統可以只包含單價選擇性陽離子薄膜。
由單價選擇性去除階段所得之部分去鹽產物可以接著送至二價減少階段(divalent－reducing stage)，其可包含任何可以降低二價物種(例如,但不限於,鈣和鎂鹽)濃度的單元操作。可用來降低此種造成硬度物種之濃度的單元操作實例包括(但非侷限於)離子交換裝置，特別是，使用陽離子交換介質之陽離子交換管柱。此外，摻有選擇性吸附劑和陰離子選擇性介質之離子交換介質可以用來選擇性去除水中不好的微量離子，如殘留的硼和碳酸氫鹽，以及二價陰離子(如硫酸鹽)。對於不只是需要鹵水再生步驟也同時需要酸或苛性物再生步驟的選擇性吸附劑而言，酸和苛性物也可選擇性地由來自第一單選擇性薄膜階段之第一階段濃縮液排出物的濃縮純鹽溶液來製造。
由第2圖所代表的實施實例還說明了將來自於一個階段的副產物流利用於另一個階段，以方便其操作。如例舉中所示，單價減少階段可以降低被處理水中的氯化鈉濃度，並且將此類物種收集於濃縮副產物流，其通常會當成富含氯化鈉的廢液被排出。此副產物流可以用來再生二價減少階段中的陽離子交換介質。最終階段可以被視為精鍊(polishing)階段，其可進一步降低任何不想要之物種的濃度，並且使得水變為可飲用。來自此階段的副產物流可以再次送入，或者是與被處理水混合，或者是排放掉。因此，所說明的實施實例可以有利於降低整體排放的負擔。在一些例子中，利用這種濃縮液流來再生二價去除階段可能是不實際的，但由於單價選擇性裝置通常是在較高濃度下操作，有效的再生離子交換器就變的可能了。也可能製造清潔、衛生、消毒用的酸、苛性物和氯，以及用來再生特殊選擇性離子交換器(如硼選擇性離子交換介質)的助劑。
來自單選擇性薄膜裝置的產物水可直接用於特定用途，而不需進一步處理，例如有利於使二價離子相對於單價離子得以維持在特定水準下的農業用水。或者是，可以將來自第二階段的產物水直接用於，例如，產物水大約有90%去鹽和不含或具有減量之微量元素及二價物種的水中。然而或者是，將來自第二階段的產物送至包含，例如，非選擇性ED或EDI薄膜之第三薄膜分離裝置中，其中的水將更進一步去鹽，以達到高水準的純度。在此種情況中，來自第三階段的濃縮溶液通常基本上只含有一種型態的單價離子，因此第三階段並不容易結垢或阻塞，並且高回收率的濃縮液可以在，例如，類似於源水濃度的條件下被回送至單價選擇性裝置的第一階段濃縮液流中。最終結果是，整個方法可以提供各種類型之不同最終用途的水，同時系統還可以在高效率的情況下操作，又不會易於阻塞或結垢，而水回收率也比傳統去鹽技術要高的多，並且用於再生、用於去除微量元素、用於消毒、用於調整pH值和用於清潔所需的相關化學品也可由源水的離子組成來提供。
基於至少一種本發明之實施實例的數種態樣的描述，對於習於本技術領域者而言，當能知悉各種不同的變更、修改及改進的方式。此類的變更、修改及改進皆應視為本專利揭露內容的一部分，並且視為在本發明之精神和範疇內。因此，前面的描述和圖式僅為舉例之用。
100．．．系統
110．．．奈濾裝置
120．．．電去離子化裝置
130．．．泵
140．．．進料水源
150．．．導管
160．．．導管
170．．．導管
180．．．導管
190．．．導管
192．．．導管
194．．．導管
當佐以所附的圖式之後，由以下本發明之非限制性實施實例的詳盡描述可以清楚的瞭解本發明的其它優點、特色及用途，而這些圖式僅為示意圖，並未依實際比例繪製。為了清楚表達，並未將每一個組件皆予以標示，也沒有將本發明每一個實施實例的每一個組件都呈現出來，對於習於本技術領域者欲瞭解本發明而言，這些並非必需。在圖式中：第1圖係說明依本發明之一或多個實施實例之系統的示意圖；以及第2圖係說明依本發明之一或多個其它實施實例之系統的示意圖。
100．．．系統
110．．．奈濾裝置
120．．．電去離子化裝置
130．．．泵
140．．．進料水源
150．．．導管
160．．．導管
170．．．導管
180．．．導管
190．．．導管
192．．．導管
194．．．導管

Claims (7)

  1. 一種海水去鹽用之系統，包括：與奈濾裝置流體連接的海水源，該海水源具有介於約20,000ppm至40,000ppm之間總溶解固體量；一個與海水源流體連接且具有滲濾液出口之奈濾裝置；以及一個與奈濾裝置之滲濾液出口流體連通的電化學裝置，該電化學裝置具有寬度小於約10毫米以提供降低電阻的濃縮室及稀釋室，該系統配置為消耗低於7kwh/kgal生成水之能量，該生成水具有總溶解固體量介於約230ppm至約500ppm。
  2. 如申請專利範圍第1項之系統，還包括一個置放於奈濾裝置上游及海水源下游的預處理裝置，此預處理裝置係選自由濾床、微過濾器、掃流微過濾器、沈降槽和曝氣機所構成之群組。
  3. 如申請專利範圍第1項之系統，其中該電化學裝置包含電去離子化設備。
  4. 一種處理海水之方法，用以降低總溶解固體量，包括：在奈濾裝置中處理海水，以提供具有選擇性降低濃度的多價物種之第一滲濾液流；在電透析裝置中處理該第一滲濾液流，以提供具有選擇性降低濃度的單價物種之第二滲濾液流；以及在電化去離子裝置中處理該第二滲濾液流，以提供具有總溶解固體量介於約230ppm至約500ppm的濾液，其中使用小於7kwh/kgal濾液之能量自海水產生該濾 液。
  5. 一種處理海水之方法，包括：選擇性在包含奈濾裝置之第一階段降低海水中一或多種非單價物種之濃度，以產生濾液；以及選擇性在包含電化去離子裝置之第二階段降低該濾液中一或多種單價物種之濃度，以產生具有總溶解固體量介於約230ppm至約500ppm的水，其中第一和第二階段是在淨能量消耗率小於約7kwh/kgal生成水的情況下操作。
  6. 如申請專利範圍第5項之方法，進一步包含將來自於電去離子化裝置之濃縮液流與第一階段上游的海水混合。
  7. 一種將海水去鹽之方法，其中包括：以電透析裝置選擇性將海水中單價溶解物種之濃度降低，以產生副產物及具有降低濃度的單價離子之第一部份處理水流；以陽離子交換管柱選擇性將該第一部份處理水流中二價溶解物種之濃度降低，以產生具有降低濃度的二價離子之第二部份處理水流；以該副產物將陽離子交換管柱再生；以及在電去離子化裝置中將第二部份處理水流中溶解物種之濃度降低至小於約1,000ppm。
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