CN1449301A - 用于掺合来自不同tfc膜产品液体的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于膜处理的方法和装置，包括将液体输送给膜；初级膜将进液分离成初级膜滞留物和初级膜渗透液，将初级膜滞留物输送到补充初级膜或次级膜；该初级膜滞留物被次级膜分离成次级膜滞留物和次级膜渗透液；次级膜滞留物要么被废弃，要么输送到补充次级膜；如果次级膜滞留物被输送到补充次级膜，则次级膜滞留物被分离成补充次级膜滞留物和补充次级膜渗透液；通过将初级膜渗透液与次级膜渗透液，以及所有的补充初级膜渗透液和补充次级膜渗透液掺合在一起，可形成产品液体。

Description

用于掺合来自不同TFC膜产品液体的方法和装置
技术领域
本发明通常涉及一种采用膜技术分离进液中各组分的水处理方法和装置，尤其涉及一种利用具有第一渗透性的一个或多个第一膜法单元，以及与之串联的具有第二渗透性的一个或多个第二膜法单元，净化并掺合水溶液的方法和装置，以生产一种理想的掺合产品水，由此改善水的味觉特性。
背景技术
为了更好地理解本发明的说明书和权利要求书，特定义下列概念。
薄膜复合膜(TFC)法：利用薄膜复合膜净化液体，由此将进液分离成滞留物和渗透液。
滞留物：进液中被膜截留的部分。
渗透液：进液中穿过膜的部分。
纳米过滤(NF)：用NF膜过滤液体。通常这种膜都是离子选择性膜，根据进液的总摩尔浓度和膜的化学性质，以不同的比例排除离子。此外，通常这种过滤膜的孔径为0.0007φm-0.007φm，该孔径对应的分子截留值范围为140-15,000。
反渗透：一种使溶液穿过半渗透膜，由此分离液体的方法，该半渗透膜拒绝接纳大部分可溶离子，由此将不期望溶解的和不可溶解的物质浓缩在滞留物中。这种膜容许尺寸在0φm-0.0015φm范围内的某些离子穿过，相应的分子截留值在0-300之间。对于溶液的反渗透分离，当水是溶剂时，通常渗透液只包含带有被排除的大部分离子的水。
可渗透溶质：分散在液体中的可穿过膜的物质。这种物质可以是电解质、非电解质、胶态分散体，和/或颗粒。
进液：供给一组膜法单元中的第一个膜法单元的液体。这种液体可以是溶液，其中的溶质可以是可溶的和/或不溶的。不溶物质需要在膜法处理之前过滤掉。
硬度：以CaCO3计，镁盐和钙盐的化合浓度。
碱性：以CaCO3计，碳酸盐、碳酸氢盐和氢氧化物的浓度。
当将进液输送到膜法单元时，进液被分离成滞留物和渗透液。该渗透液是进液中可穿过膜法单元中膜的部分。渗透液的组成是可渗透溶质。那些不能穿过膜的溶质或者不可渗透的溶质被保留在滞留物中。
溶质是可渗透的还是不可渗透的取决于所用膜的类型。可采用某些依据分子大小拒绝接纳溶质的膜。随着渗透性或孔径的增加，穿过膜的渗透溶质的量也要增加。此外，还可以采用根据溶质的电性，拒绝接纳溶质的离子选择性膜。
公知的通过反渗透法分离，更具体地说通过反渗透法净化水，为了生产出可饮用水或自来水。Kawashima等人的美国专利5238574描述了一种用多个反渗透单元处理盐水的装置。然而，这种膜系统的缺点是，所生产的产品水的水质太高，以至于其味道令人难以接受。这种令人难以接受的味道是由于这种反渗透膜系统生产出的渗透液碱度低，且溶解盐的浓度也明显低。使得生产出的水有不正常的味道或者淡而无味。
通过两种公知的后过滤掺合法，可以改善反渗透法生产的水具有的不良味觉。第一种方法是将一部分进液或未处理水与渗透液相掺合，使由此生产出的水具有期望的碱度和溶解盐。然而这种方法的缺点是需要持续调节未处理水的掺合水量。之所以需要持续调节进水的水量是由于进水的化学性质和压力一直在变化。此外，将未处理水引入产品水中，降低了膜法所特有的可从进水中除去不想要的物质的优点大打折扣。
第二种方法是在渗透液中添加矿物质，以得到理想的味觉特性。由于膜法已经在第一阶段除去了存在的矿物质，所以后一种方法由于其造价高且效率低是不受欢迎的。
因此，本发明的第一目的是提供一种改进的处理进液的方法和装置，以生产一种具有所期望的物理性质和改进的味觉特性的产品液体。
本发明的第二目的是提供一种改进的处理进液的方法和装置，其中无需将一部分进液与渗透液相掺合，就能生产出具有所期望的物理性质的产品液体。
本发明的另一个目的是提供一种改进的通过膜法处理饮用水的方法和装置，无需在渗透液中加入矿物质，就能生产出具有所需味觉特性的产品液体。
本发明的再一个目的是提供一种改进的用膜法处理饮用水的方法和装置，膜法装置中设置有不同渗透性或孔隙率的膜，无论进液的化学性质如何，都能生产出具有希望化学性质的产品液体。
发明内容
按照本发明的用膜法处理进液的方法和装置，能实现上述目的，由此生产出产品液体。在本发明的系统中，至少采用两种不同类型的膜，每种膜具有不同的渗透性。将两种膜的渗透液掺合在一起，以生产出具有期望水质的处理后的产品液体。优选的，第一种膜单元的渗透性比第二种膜单元的渗透性有更高的固体含量，将第一种膜单元的滞留物作为第二种膜单元的进液。
更具体地说，为了生产产品液体，通常首先将一种进液，一般是水溶液，如自来水，输送到初级膜单元。初级膜将该进液分离成被初级膜截留的初级膜滞留物，和初级膜渗透液。然后将初级膜滞留物输送到次级膜单元。次级膜将初级膜的滞留物分离成被次级膜截留的次级膜滞留物和次级膜渗透液。通过掺合初级膜渗透液和次级膜渗透液可得到最终的产品液体。
在优选实施方式中，初级膜的产水水质低于次级膜的产水水质。这是因为初级膜渗透液中可渗透溶质的浓度大于次级膜渗透液中可渗透溶质的浓度。因此，最终的产品液体是两种不同膜处理产物的掺合物。用这种方式，无需引入未处理水，也无需添加补充的矿物质，就可以调节所生产的饮用水的味道。
另一实施方式包括添加一个或多个与初级膜串联的补充初级膜，并且还包括一个或多个与次级膜相串联的补充次级膜。在这种情况下，将初级膜滞留物输送到第一补充初级膜，将由第一补充初级膜截留的滞留物输送到第二补充初级膜。然后将由最后一个补充初级膜截留的滞留物作为进液输送到次级膜。或将由次级膜形成的次级膜滞留物收集起来处置掉，或将其输送到一个或多个补充次级膜。如果将次级膜滞留物输送到补充次级膜，则次级膜滞留物(或者来自前一个补充次级膜的滞留物)将被分离成补充次级膜滞留物和补充次级膜渗透液。
将初级膜渗透液以及来自补充初级膜的所有渗透液，与次级膜渗透液和来自补充初级膜的所有渗透液掺合，生产出产品液体。
附图说明
图1是适用于本发明方法的膜处理系统的流程图。
具体实施方式
现参见图1，该图示意性地示出了用膜法处理进液以生产产品液体的装置。通过初级膜单元进液口12，将进液，通常是水溶液如自来水，引入初级膜单元10。初级膜单元10中的初级膜14将进液分离成初级膜滞留物(用箭头16表示)，和初级膜渗透液(用箭头18表示)，上述初级膜滞留物是由初级膜14截留的，上述初级膜渗透液18是当进液穿过初级膜14时形成的。
通过初级膜单元的滞留物出口19，从初级膜单元10除去初级膜滞留物16，并通过第一补充初级膜单元入口22，将其引入第一补充初级膜单元20。第一补充初级膜单元20中的第一补充初级膜24将初级膜滞留物16分离成第一补充初级膜滞留物(用箭头26表示)和第一补充初级膜渗透液(用箭头28表示)，上述第一补充初级膜滞留物是由第一初级膜24截留的，上述第一补充初级膜渗透液28是当初级膜滞留物穿过第一补充初级膜24时形成的。
通过第一补充初级过滤单元的滞留物出口29，从第一补充初级膜单元20除去第一补充初级膜滞留物26，并通过第二补充初级膜单元入口32，将其引入第二补充初级膜单元30。第二补充初级膜单元30中的第二补充初级膜34将第一补充初级膜滞留物26分离成第二补充初级膜滞留物(用箭头36表示)和第二补充初级膜渗透液(用箭头38表示)，上述第二补充初级膜滞留物是由第二初级膜34截留的。上述第二补充初级膜渗透液38是当第一补充初级膜滞留物28穿过第二补充初级膜34时形成的。
通过初级膜单元渗透液出口42、第一补充初级膜单元渗透液出口44，以及第二补充初级膜单元渗透液出口46，分别将初级膜渗透液18、第一补充初级膜渗透液28，以及第二补充初级膜渗透液38引出，并在初级进料管48中混合或掺合在一起。
在该优选实施方式中，尽管根据最终产品水的理想特性，期望使用不同的膜或不同类型的膜，但是每个初级膜14、24、34可以是相同的。更具体地说，初级膜14、24、34是纳米过滤膜。各种纳米过滤膜市场都有售，可根据它们的工作特性进行变换。而且，所产生的渗透液的物理特性取决于进液的物理特性。图1描述了三个纳米过滤膜单元，即初级膜单元10，第一补充初级膜单元20，以及第二补充初级膜单元30，但本发明不限于此。可用一个或多个纳米过滤单元生产具有所需物理特性的产品液体，每个纳米过滤单元都有一个壳体41，以及相同的工作特性或各不相同的工作特性。当进液是自来水时，可以改变纳米过滤单元的数量，因为自来水的物理性质变化很大。然而，可以预见，无需实验，本领域普通技术人员就能够选择和确定出具有足够流动速率的，且能够生产出具有理想物理特性的产品液体所需的纳米过滤单元的数目。
通过第二补充初级膜单元滞留物出口39，输送来自第二初级膜单元30的第二补充初级膜滞留物36，进行进一步膜处理。然后，通过一个次级膜单元进液口52，将第二补充初级膜滞留物36引入次级膜单元50。然而，这里用一个或多个初级膜单元(10，20，30)进行处理，优选地，引入次级膜单元50的液体是来自最后运行的初级膜单元的滞留物。例如，如果仅仅采用了初级膜单元10，那么，初级膜单元滞留物就要通过次级膜单元进液口52，引入次级膜单元50。
次级膜单元50中装有次级膜54。次级膜54将第二补充初级膜滞留物36分离成次级膜滞留物(用箭头56表示)和次级膜渗透液(用箭头58表示)，上述次级膜滞留物是由次级膜52截留的。该次级膜渗透液58是当第二补充初级膜滞留物36穿过次级膜54时形成的。
通过次级膜单元的滞留物出口59，从次级膜单元50除去次级膜滞留物56，且优选地通过第一补充次级膜单元入口62，将其引入第一补充次级膜单元60。另外除去渗透液56。第一补充次级膜单元60中的第一补充次级膜64将次级膜滞留物56分离成第一补充次级膜滞留物(用箭头66表示)和第一补充次级膜渗透液(用箭头68表示)，该第一补充次级膜滞留物是由第一补充次级膜64截留的。该第一补充次级膜渗透液68是当次级膜滞留物56穿过第一补充次级膜64时形成的。
通过第一补充次级膜单元的滞留物出口69，从第一补充次级膜单元60除去第一补充次级膜滞留物66，然后，要么排放到排水管，要么通过第二补充次级膜单元入口72，将其引入第二补充次级膜单元70。第二补充次级膜单元70中的第二补充次级膜74将第一补充次级膜滞留物66分离成第二补充次级膜滞留物(用箭头76表示)和第二补充次级膜渗透液(用箭头78表示)，该第二补充次级膜滞留物是由第二补充次级膜74截留的。该第二补充次级膜渗透液78是当第一补充次级膜滞留物66穿过第二补充次级膜74时形成的。
通过次级膜单元渗透液出口82、第一补充次级膜单元渗透液出口84，以及第二补充次级膜单元渗透液出口86，分别将次级膜渗透液58、第一补充次级膜渗透液68，以及第二补充次级膜渗透液78引出，并在次级进料管88中混合或掺合在一起。然后，将初级进料管48中的液体和次级进料管88中的液体混合或掺合在一起，形成产品液体。之后通过第二补充次级膜单元滞留物出口79，从第二补充次级膜单元70中除去第二补充次级膜滞留物76，并处置掉。
在该优选实施方式中，次级膜54、64、74是反渗透膜。各种类型的反渗透膜市场都有售，可根据它们的工作特性进行变换。因此，给出产品液体的理想物理特性和需要的产量，由此可选择反渗透膜和反渗透膜的数量。
图1描述了三个反渗透膜单元，即次级膜单元50、第一补充次级膜单元60，以及第二补充次级膜单元70，但本发明不限于此。可用一个或多个反渗透单元生产具有所需物理特性的产品液体，每个反渗透单元都有一个壳体81，以及相同的工作特性或各不相同的工作特性。在该优选实施方式中，期望次级膜54、64、74具有基本相同的分离特性，还可以各不相同，这取决于所期望的产品水的特性。然而，本领域普通技术人员无需实验，就能够选择和确定以可接受的流动速率，生产出具有希望物理特性的产品液体所需的反渗透单元的数目。
实施例1
通过改变反渗透单元和纳米过滤单元的数量，确定产品水中可接受的硬度和碱度范围。众所周知，现有技术中的硬度和碱度的上限都是100ppm。经品尝员品尝后，发现这种硬度至少为20ppm，碱度至少为21ppm的产品水优于硬度和碱度较低的产品水。
实施例2
确定由一种功能的膜生产的产品水的水质。
Culligan RO-A6系列反渗透膜购自伊利诺伊州Northbrook的CulliganInternational Company。Flimtec NF-255纳米过滤膜和Filmtec NF-45纳米过滤膜购自位于明尼苏达州Minneapolis的Flimtec Corporation。通过说明，可以估计出纳米过滤膜的渗透性或孔隙率比反渗透膜大，相应地溶质固体的浓度也大于反渗透膜的溶质固体浓度。
在每项实验中，总共使用了六个膜生产产品水：两组或两套膜，每组或每套膜中共有三个相同的膜。可将套膜插入或拆除，以改变膜组合。每组实验中使用的进水都来自同一水源。在一小时连续运行后，收集产品水测试样品。每种组合的进水和得到的产品水具有下列特性。
                              表1
      组合   硬度(ppm)   碱度(ppm)     pH   过滤压力(psig)    流速(gpm)
 未处理水     334     262     7.36     -     -
 NF-45(3)-NF-255(3)     76     124     7.02     128     4.4
 未处理水     332     256     -     -     -
 NF-45(3)-RO(3)     6     38     6.64     135     4.4
 未处理水     338     260     -     -     -
 NF-255(3)-RO(3)     50     78     7     140     ＞5
按照标准法2340C(EDTA滴定法)，采用乙二胺四乙酸(EDTA)为滴定剂，通过终点滴定测定硬度。并通过标准法#2320B(碱度滴定法)测定碱度。
从表1的结果可以看出，采用纳米过滤膜与反渗透膜的组合，能生产出良好的掺合后的产品水，与全部使用相串联的纳米过滤膜相比，其硬度和碱度更接近目标硬度和碱度。
尽管已经展示和描述了掺合来自不同类型膜的产品水的方法和装置的详细实施方式，但是应当知道，在不脱离下列权利要求阐明的本发明范围的情况下，本领域普通技术人员能够进行多种变化和变更。

Claims (24)

1、一种膜分离液体的方法，其特征在于：
将所述的液体输送到一个初级膜，所述初级膜将该液体分离成被该初级膜截留的初级膜滞留物，和初级膜渗透液；
将所述初级膜滞留物输送到一个次级膜，所述次级膜将所述初级膜滞留物分离成被该次级膜截留的次级膜滞留物，和次级膜渗透液；
掺合所述初级膜渗透液和所述次级膜渗透液，形成产品液体。
2、如权利要求1所述的方法，其特征还在于所述初级膜有一个纳米过滤膜。
3、如权利要求2所述的方法，其特征在于所述初级膜有一个离子选择性纳米过滤膜。
4、如权利要求1所述的方法，其特征在于所述次级膜有一个反渗透膜。
5、如权利要求1所述的方法，其特征在于所述初级膜有一个纳米过滤膜，述次级膜有一个反渗透膜。
6、如权利要求1所述的方法，其特征在于上述初级膜有一个离子选择性纳米过滤膜，上述次级膜有一个反渗透膜。
7、如权利要求1所述的方法，其特征在于所述初级膜渗透液中的溶质浓度大于所述次级膜渗透液中的溶质浓度。
8、如权利要求1所述的方法，其特征在于还包括随后将所述初级膜滞留物输送到一个补充初级膜，用于将所述初级膜滞留物分离成补充初级膜滞留物和补充初级膜渗透液。
9、如权利要求8所述的方法，其特征在于还包括随后将上述次级膜滞留物输送到一个补充次级膜，用于将上述次级膜滞留物分离成补充次级膜滞留物和补充次级膜渗透液。
10、如权利要求9所述的方法，其特征在于所述初级膜和所述补充初级膜具有离子选择性纳米过滤膜，且所述次级膜和所述补充次级膜具有反渗透膜。
11、如权利要求9所述的方法，其特征在于所述初级膜渗透液或所述补充初级膜中的溶质浓度大于所述次级膜渗透液或所述补充次级膜渗透液中的溶质浓度。
12、如权利要求8所述的方法，其特征在于还包括多个串联的补充初级膜。
13、如权利要求12所述的方法，其特征在于还包括多个串联的补充次级膜。
14、如权利要求8所述的方法，其特征在于所述初级膜渗透液中的溶质浓度大于所述次级膜渗透液中的溶质浓度。
15、如权利要求1所述的方法，其特征在于还包括随后将所述次级膜滞留物输送到一个补充次级膜，用于将所述次级膜滞留物分离成补充次级膜滞留物和补充次级膜渗透液。
16、如权利要求15所述的方法，其特征在于多个补充次级膜串联。
17、一种用于净化进液的装置，其特征在于：
(A)至少一个初级膜单元串联连接到至少一个后续次级膜单元；
(B)每个所述初级膜单元包括
(1)一个用于将进液引入纳米过滤膜的初级膜单元进液口，该进液或是上述进液，或是来自前一初级膜单元的初级膜单元滞留物，
(2)一个用于将所述进液分离成初级膜单元滞留物和初级膜单元渗透液的第一膜，
(3)一个初级膜单元滞留物出口，用于将所述初级膜单元滞留物输送到所述次级膜单元或后一初级膜单元，以及
(4)一个初级膜单元渗透液出口，用于将所述初级膜单元渗透液输送到产品液体流送管；
(C)每个所述次级膜单元包括
(1)一个用于将所述初级膜单元滞留物分离成次级膜单元滞留物和次级膜单元渗透液的第二膜，
(2)一个次级膜单元进液口，用于将所述初级膜单元滞留物接收到所述第二膜，或者将来自前一次级膜单元的次级膜单元滞留物接收到所述第二膜，和一个次级膜单元渗透液出口，用于将所述初级膜单元渗透液输送到所述产品液体流送管；
(D)其中所述产品液体流送管接收并掺合所述初级膜单元渗透液和所述次级膜单元渗透液。
18、如权利要求17所述的装置，其特征在于所述第一膜是一个纳米过滤膜，所述第二膜是一个反渗透膜。
19、如权利要求17所述的装置，其特征在于所述初级膜单元渗透液中的溶质浓度大于所述次级膜单元渗透液中的溶质浓度。
20、如权利要求17所述的装置，其特征在于还包括多个相互串联的初级膜单元，以便连续接收来自前一单元的滞留物，并将生成的渗透液输送到产品流送管。
21、如权利要求17所述的装置，其特征在于还包括多个相互串联的次级膜单元，以便连续接收来自前一单元的滞留物，并将生成的渗透液输送到产品流送管。
22、一种膜分离液体的方法，其特征在于：
将所述液体输送到一个第一初级膜，所述第一初级膜将该液体分离成被该第一初级膜截留的第一初级膜滞留物，和第一初级膜渗透液；
将所述第一初级膜滞留物输送到一个第二初级膜，所述第二初级膜将所述第一初级膜滞留物分离成被该第二初级膜截留的第二初级膜滞留物，和第二初级膜渗透液；
将所述第二初级膜渗透液输送到一个第一次级膜，所述第一次级膜将所述第二初级膜滞留物分离成被该第一次级膜截留的第一次级膜滞留物，和第一次级膜渗透液；
将所述第一次级膜渗透液输送到一个第二次级膜，所述第二次级膜将所述第一次级膜滞留物分离成被该第二次级膜截留的第二次级膜滞留物，和第二次级膜渗透液；
掺合所述第一初级膜渗透液、所述第二初级膜渗透液、所述第一次级膜渗透液和所述第二次级膜渗透液，形成产品液体。
23、如权利要求22所述的方法，其特征在于还包括至少一个与上述第二初级膜相串联的补充初级膜。
24、如权利要求22所述的方法，其特征在于还包括至少一个与上述第二次级膜相串联的补充次级膜。
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