用於摻合來自不同tfc膜產品液體的方法和裝置的製作方法
2023-09-22 19:17:35 6
專利名稱：用於摻合來自不同tfc膜產品液體的方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明通常涉及一種採用膜技術分離進液中各組分的水處理方法和裝置，尤其涉及一種利用具有第一滲透性的一個或多個第一膜法單元，以及與之串聯的具有第二滲透性的一個或多個第二膜法單元，淨化並摻合水溶液的方法和裝置，以生產一種理想的摻合產品水，由此改善水的味覺特性。
薄膜複合膜(TFC)法利用薄膜複合膜淨化液體，由此將進液分離成滯留物和滲透液。
滯留物進液中被膜截留的部分。
滲透液進液中穿過膜的部分。
納米過濾(NF)用NF膜過濾液體。通常這種膜都是離子選擇性膜，根據進液的總摩爾濃度和膜的化學性質，以不同的比例排除離子。此外，通常這種過濾膜的孔徑為0.0007φm-0.007φm，該孔徑對應的分子截留值範圍為140-15,000。
反滲透一種使溶液穿過半滲透膜，由此分離液體的方法，該半滲透膜拒絕接納大部分可溶離子，由此將不期望溶解的和不可溶解的物質濃縮在滯留物中。這種膜容許尺寸在0φm-0.0015φm範圍內的某些離子穿過，相應的分子截留值在0-300之間。對於溶液的反滲透分離，當水是溶劑時，通常滲透液只包含帶有被排除的大部分離子的水。
可滲透溶質分散在液體中的可穿過膜的物質。這種物質可以是電解質、非電解質、膠態分散體，和/或顆粒。
進液供給一組膜法單元中的第一個膜法單元的液體。這種液體可以是溶液，其中的溶質可以是可溶的和/或不溶的。不溶物質需要在膜法處理之前過濾掉。
硬度以CaCO3計，鎂鹽和鈣鹽的化合濃度。
鹼性以CaCO3計，碳酸鹽、碳酸氫鹽和氫氧化物的濃度。
當將進液輸送到膜法單元時，進液被分離成滯留物和滲透液。該滲透液是進液中可穿過膜法單元中膜的部分。滲透液的組成是可滲透溶質。那些不能穿過膜的溶質或者不可滲透的溶質被保留在滯留物中。
溶質是可滲透的還是不可滲透的取決於所用膜的類型。可採用某些依據分子大小拒絕接納溶質的膜。隨著滲透性或孔徑的增加，穿過膜的滲透溶質的量也要增加。此外，還可以採用根據溶質的電性，拒絕接納溶質的離子選擇性膜。
公知的通過反滲透法分離，更具體地說通過反滲透法淨化水，為了生產出可飲用水或自來水。Kawashima等人的美國專利5238574描述了一種用多個反滲透單元處理鹽水的裝置。然而，這種膜系統的缺點是，所生產的產品水的水質太高，以至於其味道令人難以接受。這種令人難以接受的味道是由於這種反滲透膜系統生產出的滲透液鹼度低，且溶解鹽的濃度也明顯低。使得生產出的水有不正常的味道或者淡而無味。
通過兩種公知的後過濾摻合法，可以改善反滲透法生產的水具有的不良味覺。第一種方法是將一部分進液或未處理水與滲透液相摻合，使由此生產出的水具有期望的鹼度和溶解鹽。然而這種方法的缺點是需要持續調節未處理水的摻合水量。之所以需要持續調節進水的水量是由於進水的化學性質和壓力一直在變化。此外，將未處理水引入產品水中，降低了膜法所特有的可從進水中除去不想要的物質的優點大打折扣。
第二種方法是在滲透液中添加礦物質，以得到理想的味覺特性。由於膜法已經在第一階段除去了存在的礦物質，所以後一種方法由於其造價高且效率低是不受歡迎的。
因此，本發明的第一目的是提供一種改進的處理進液的方法和裝置，以生產一種具有所期望的物理性質和改進的味覺特性的產品液體。
本發明的第二目的是提供一種改進的處理進液的方法和裝置，其中無需將一部分進液與滲透液相摻合，就能生產出具有所期望的物理性質的產品液體。
本發明的另一個目的是提供一種改進的通過膜法處理飲用水的方法和裝置，無需在滲透液中加入礦物質，就能生產出具有所需味覺特性的產品液體。
本發明的再一個目的是提供一種改進的用膜法處理飲用水的方法和裝置，膜法裝置中設置有不同滲透性或孔隙率的膜，無論進液的化學性質如何，都能生產出具有希望化學性質的產品液體。
更具體地說，為了生產產品液體，通常首先將一種進液，一般是水溶液，如自來水，輸送到初級膜單元。初級膜將該進液分離成被初級膜截留的初級膜滯留物，和初級膜滲透液。然後將初級膜滯留物輸送到次級膜單元。次級膜將初級膜的滯留物分離成被次級膜截留的次級膜滯留物和次級膜滲透液。通過摻合初級膜滲透液和次級膜滲透液可得到最終的產品液體。
在優選實施方式中，初級膜的產水水質低於次級膜的產水水質。這是因為初級膜滲透液中可滲透溶質的濃度大於次級膜滲透液中可滲透溶質的濃度。因此，最終的產品液體是兩種不同膜處理產物的摻合物。用這種方式，無需引入未處理水，也無需添加補充的礦物質，就可以調節所生產的飲用水的味道。
另一實施方式包括添加一個或多個與初級膜串聯的補充初級膜，並且還包括一個或多個與次級膜相串聯的補充次級膜。在這種情況下，將初級膜滯留物輸送到第一補充初級膜，將由第一補充初級膜截留的滯留物輸送到第二補充初級膜。然後將由最後一個補充初級膜截留的滯留物作為進液輸送到次級膜。或將由次級膜形成的次級膜滯留物收集起來處置掉，或將其輸送到一個或多個補充次級膜。如果將次級膜滯留物輸送到補充次級膜，則次級膜滯留物(或者來自前一個補充次級膜的滯留物)將被分離成補充次級膜滯留物和補充次級膜滲透液。
將初級膜滲透液以及來自補充初級膜的所有滲透液，與次級膜滲透液和來自補充初級膜的所有滲透液摻合，生產出產品液體。
具體實施例方式
現參見
圖1，該圖示意性地示出了用膜法處理進液以生產產品液體的裝置。通過初級膜單元進液口12，將進液，通常是水溶液如自來水，引入初級膜單元10。初級膜單元10中的初級膜14將進液分離成初級膜滯留物(用箭頭16表示)，和初級膜滲透液(用箭頭18表示)，上述初級膜滯留物是由初級膜14截留的，上述初級膜滲透液18是當進液穿過初級膜14時形成的。
通過初級膜單元的滯留物出口19，從初級膜單元10除去初級膜滯留物16，並通過第一補充初級膜單元入口22，將其引入第一補充初級膜單元20。第一補充初級膜單元20中的第一補充初級膜24將初級膜滯留物16分離成第一補充初級膜滯留物(用箭頭26表示)和第一補充初級膜滲透液(用箭頭28表示)，上述第一補充初級膜滯留物是由第一初級膜24截留的，上述第一補充初級膜滲透液28是當初級膜滯留物穿過第一補充初級膜24時形成的。
通過第一補充初級過濾單元的滯留物出口29，從第一補充初級膜單元20除去第一補充初級膜滯留物26，並通過第二補充初級膜單元入口32，將其引入第二補充初級膜單元30。第二補充初級膜單元30中的第二補充初級膜34將第一補充初級膜滯留物26分離成第二補充初級膜滯留物(用箭頭36表示)和第二補充初級膜滲透液(用箭頭38表示)，上述第二補充初級膜滯留物是由第二初級膜34截留的。上述第二補充初級膜滲透液38是當第一補充初級膜滯留物28穿過第二補充初級膜34時形成的。
通過初級膜單元滲透液出口42、第一補充初級膜單元滲透液出口44，以及第二補充初級膜單元滲透液出口46，分別將初級膜滲透液18、第一補充初級膜滲透液28，以及第二補充初級膜滲透液38引出，並在初級進料管48中混合或摻合在一起。
在該優選實施方式中，儘管根據最終產品水的理想特性，期望使用不同的膜或不同類型的膜，但是每個初級膜14、24、34可以是相同的。更具體地說，初級膜14、24、34是納米過濾膜。各種納米過濾膜市場都有售，可根據它們的工作特性進行變換。而且，所產生的滲透液的物理特性取決於進液的物理特性。圖1描述了三個納米過濾膜單元，即初級膜單元10，第一補充初級膜單元20，以及第二補充初級膜單元30，但本發明不限於此。可用一個或多個納米過濾單元生產具有所需物理特性的產品液體，每個納米過濾單元都有一個殼體41，以及相同的工作特性或各不相同的工作特性。當進液是自來水時，可以改變納米過濾單元的數量，因為自來水的物理性質變化很大。然而，可以預見，無需實驗，本領域普通技術人員就能夠選擇和確定出具有足夠流動速率的，且能夠生產出具有理想物理特性的產品液體所需的納米過濾單元的數目。
通過第二補充初級膜單元滯留物出口39，輸送來自第二初級膜單元30的第二補充初級膜滯留物36，進行進一步膜處理。然後，通過一個次級膜單元進液口52，將第二補充初級膜滯留物36引入次級膜單元50。然而，這裡用一個或多個初級膜單元(10，20，30)進行處理，優選地，引入次級膜單元50的液體是來自最後運行的初級膜單元的滯留物。例如，如果僅僅採用了初級膜單元10，那麼，初級膜單元滯留物就要通過次級膜單元進液口52，引入次級膜單元50。
次級膜單元50中裝有次級膜54。次級膜54將第二補充初級膜滯留物36分離成次級膜滯留物(用箭頭56表示)和次級膜滲透液(用箭頭58表示)，上述次級膜滯留物是由次級膜52截留的。該次級膜滲透液58是當第二補充初級膜滯留物36穿過次級膜54時形成的。
通過次級膜單元的滯留物出口59，從次級膜單元50除去次級膜滯留物56，且優選地通過第一補充次級膜單元入口62，將其引入第一補充次級膜單元60。另外除去滲透液56。第一補充次級膜單元60中的第一補充次級膜64將次級膜滯留物56分離成第一補充次級膜滯留物(用箭頭66表示)和第一補充次級膜滲透液(用箭頭68表示)，該第一補充次級膜滯留物是由第一補充次級膜64截留的。該第一補充次級膜滲透液68是當次級膜滯留物56穿過第一補充次級膜64時形成的。
通過第一補充次級膜單元的滯留物出口69，從第一補充次級膜單元60除去第一補充次級膜滯留物66，然後，要麼排放到排水管，要麼通過第二補充次級膜單元入口72，將其引入第二補充次級膜單元70。第二補充次級膜單元70中的第二補充次級膜74將第一補充次級膜滯留物66分離成第二補充次級膜滯留物(用箭頭76表示)和第二補充次級膜滲透液(用箭頭78表示)，該第二補充次級膜滯留物是由第二補充次級膜74截留的。該第二補充次級膜滲透液78是當第一補充次級膜滯留物66穿過第二補充次級膜74時形成的。
通過次級膜單元滲透液出口82、第一補充次級膜單元滲透液出口84，以及第二補充次級膜單元滲透液出口86，分別將次級膜滲透液58、第一補充次級膜滲透液68，以及第二補充次級膜滲透液78引出，並在次級進料管88中混合或摻合在一起。然後，將初級進料管48中的液體和次級進料管88中的液體混合或摻合在一起，形成產品液體。之後通過第二補充次級膜單元滯留物出口79，從第二補充次級膜單元70中除去第二補充次級膜滯留物76，並處置掉。
在該優選實施方式中，次級膜54、64、74是反滲透膜。各種類型的反滲透膜市場都有售，可根據它們的工作特性進行變換。因此，給出產品液體的理想物理特性和需要的產量，由此可選擇反滲透膜和反滲透膜的數量。
圖1描述了三個反滲透膜單元，即次級膜單元50、第一補充次級膜單元60，以及第二補充次級膜單元70，但本發明不限於此。可用一個或多個反滲透單元生產具有所需物理特性的產品液體，每個反滲透單元都有一個殼體81，以及相同的工作特性或各不相同的工作特性。在該優選實施方式中，期望次級膜54、64、74具有基本相同的分離特性，還可以各不相同，這取決於所期望的產品水的特性。然而，本領域普通技術人員無需實驗，就能夠選擇和確定以可接受的流動速率，生產出具有希望物理特性的產品液體所需的反滲透單元的數目。
實施例1通過改變反滲透單元和納米過濾單元的數量，確定產品水中可接受的硬度和鹼度範圍。眾所周知，現有技術中的硬度和鹼度的上限都是100ppm。經品嘗員品嘗後，發現這種硬度至少為20ppm，鹼度至少為21ppm的產品水優於硬度和鹼度較低的產品水。
實施例2確定由一種功能的膜生產的產品水的水質。
Culligan RO-A6系列反滲透膜購自伊利諾州Northbrook的CulliganInternational Company。Flimtec NF-255納米過濾膜和Filmtec NF-45納米過濾膜購自位於明尼蘇達州Minneapolis的Flimtec Corporation。通過說明，可以估計出納米過濾膜的滲透性或孔隙率比反滲透膜大，相應地溶質固體的濃度也大於反滲透膜的溶質固體濃度。
在每項實驗中，總共使用了六個膜生產產品水兩組或兩套膜，每組或每套膜中共有三個相同的膜。可將套膜插入或拆除，以改變膜組合。每組實驗中使用的進水都來自同一水源。在一小時連續運行後，收集產品水測試樣品。每種組合的進水和得到的產品水具有下列特性。
表1
按照標準法2340C(EDTA滴定法)，採用乙二胺四乙酸(EDTA)為滴定劑，通過終點滴定測定硬度。並通過標準法#2320B(鹼度滴定法)測定鹼度。
從表1的結果可以看出，採用納米過濾膜與反滲透膜的組合，能生產出良好的摻合後的產品水，與全部使用相串聯的納米過濾膜相比，其硬度和鹼度更接近目標硬度和鹼度。
儘管已經展示和描述了摻合來自不同類型膜的產品水的方法和裝置的詳細實施方式，但是應當知道，在不脫離下列權利要求闡明的本發明範圍的情況下，本領域普通技術人員能夠進行多種變化和變更。
權利要求
1.一種膜分離液體的方法，其特徵在於將所述的液體輸送到一個初級膜，所述初級膜將該液體分離成被該初級膜截留的初級膜滯留物，和初級膜滲透液；將所述初級膜滯留物輸送到一個次級膜，所述次級膜將所述初級膜滯留物分離成被該次級膜截留的次級膜滯留物，和次級膜滲透液；摻合所述初級膜滲透液和所述次級膜滲透液，形成產品液體。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵還在於所述初級膜有一個納米過濾膜。
3.如權利要求2所述的方法，其特徵在於所述初級膜有一個離子選擇性納米過濾膜。
4.如權利要求1所述的方法，其特徵在於所述次級膜有一個反滲透膜。
5.如權利要求1所述的方法，其特徵在於所述初級膜有一個納米過濾膜，述次級膜有一個反滲透膜。
6.如權利要求1所述的方法，其特徵在於上述初級膜有一個離子選擇性納米過濾膜，上述次級膜有一個反滲透膜。
7.如權利要求1所述的方法，其特徵在於所述初級膜滲透液中的溶質濃度大於所述次級膜滲透液中的溶質濃度。
8.如權利要求1所述的方法，其特徵在於還包括隨後將所述初級膜滯留物輸送到一個補充初級膜，用於將所述初級膜滯留物分離成補充初級膜滯留物和補充初級膜滲透液。
9.如權利要求8所述的方法，其特徵在於還包括隨後將上述次級膜滯留物輸送到一個補充次級膜，用於將上述次級膜滯留物分離成補充次級膜滯留物和補充次級膜滲透液。
10.如權利要求9所述的方法，其特徵在於所述初級膜和所述補充初級膜具有離子選擇性納米過濾膜，且所述次級膜和所述補充次級膜具有反滲透膜。
11.如權利要求9所述的方法，其特徵在於所述初級膜滲透液或所述補充初級膜中的溶質濃度大於所述次級膜滲透液或所述補充次級膜滲透液中的溶質濃度。
12.如權利要求8所述的方法，其特徵在於還包括多個串聯的補充初級膜。
13.如權利要求12所述的方法，其特徵在於還包括多個串聯的補充次級膜。
14.如權利要求8所述的方法，其特徵在於所述初級膜滲透液中的溶質濃度大於所述次級膜滲透液中的溶質濃度。
15.如權利要求1所述的方法，其特徵在於還包括隨後將所述次級膜滯留物輸送到一個補充次級膜，用於將所述次級膜滯留物分離成補充次級膜滯留物和補充次級膜滲透液。
16.如權利要求15所述的方法，其特徵在於多個補充次級膜串聯。
17.一種用於淨化進液的裝置，其特徵在於(A)至少一個初級膜單元串聯連接到至少一個後續次級膜單元；(B)每個所述初級膜單元包括(1)一個用於將進液引入納米過濾膜的初級膜單元進液口，該進液或是上述進液，或是來自前一初級膜單元的初級膜單元滯留物，(2)一個用於將所述進液分離成初級膜單元滯留物和初級膜單元滲透液的第一膜，(3)一個初級膜單元滯留物出口，用於將所述初級膜單元滯留物輸送到所述次級膜單元或後一初級膜單元，以及(4)一個初級膜單元滲透液出口，用於將所述初級膜單元滲透液輸送到產品液體流送管；(C)每個所述次級膜單元包括(1)一個用於將所述初級膜單元滯留物分離成次級膜單元滯留物和次級膜單元滲透液的第二膜，(2)一個次級膜單元進液口，用於將所述初級膜單元滯留物接收到所述第二膜，或者將來自前一次級膜單元的次級膜單元滯留物接收到所述第二膜，和一個次級膜單元滲透液出口，用於將所述初級膜單元滲透液輸送到所述產品液體流送管；(D)其中所述產品液體流送管接收並摻合所述初級膜單元滲透液和所述次級膜單元滲透液。
18.如權利要求17所述的裝置，其特徵在於所述第一膜是一個納米過濾膜，所述第二膜是一個反滲透膜。
19.如權利要求17所述的裝置，其特徵在於所述初級膜單元滲透液中的溶質濃度大於所述次級膜單元滲透液中的溶質濃度。
20.如權利要求17所述的裝置，其特徵在於還包括多個相互串聯的初級膜單元，以便連續接收來自前一單元的滯留物，並將生成的滲透液輸送到產品流送管。
21.如權利要求17所述的裝置，其特徵在於還包括多個相互串聯的次級膜單元，以便連續接收來自前一單元的滯留物，並將生成的滲透液輸送到產品流送管。
22.一種膜分離液體的方法，其特徵在於將所述液體輸送到一個第一初級膜，所述第一初級膜將該液體分離成被該第一初級膜截留的第一初級膜滯留物，和第一初級膜滲透液；將所述第一初級膜滯留物輸送到一個第二初級膜，所述第二初級膜將所述第一初級膜滯留物分離成被該第二初級膜截留的第二初級膜滯留物，和第二初級膜滲透液；將所述第二初級膜滲透液輸送到一個第一次級膜，所述第一次級膜將所述第二初級膜滯留物分離成被該第一次級膜截留的第一次級膜滯留物，和第一次級膜滲透液；將所述第一次級膜滲透液輸送到一個第二次級膜，所述第二次級膜將所述第一次級膜滯留物分離成被該第二次級膜截留的第二次級膜滯留物，和第二次級膜滲透液；摻合所述第一初級膜滲透液、所述第二初級膜滲透液、所述第一次級膜滲透液和所述第二次級膜滲透液，形成產品液體。
23.如權利要求22所述的方法，其特徵在於還包括至少一個與上述第二初級膜相串聯的補充初級膜。
24.如權利要求22所述的方法，其特徵在於還包括至少一個與上述第二次級膜相串聯的補充次級膜。
全文摘要
一種用於膜處理的方法和裝置，包括將液體輸送給膜；初級膜將進液分離成初級膜滯留物和初級膜滲透液，將初級膜滯留物輸送到補充初級膜或次級膜；該初級膜滯留物被次級膜分離成次級膜滯留物和次級膜滲透液；次級膜滯留物要麼被廢棄，要麼輸送到補充次級膜；如果次級膜滯留物被輸送到補充次級膜，則次級膜滯留物被分離成補充次級膜滯留物和補充次級膜滲透液；通過將初級膜滲透液與次級膜滲透液，以及所有的補充初級膜滲透液和補充次級膜滲透液摻合在一起，可形成產品液體。
文檔編號B01D61/12GK1449301SQ01814662
公開日2003年10月15日 申請日期2001年8月24日 優先權日2000年8月25日
發明者巴裡·H·李, 吉恩·韋曼, 約翰·范紐恩希曾 申請人:美國過濾器公司