用于水回收的方法和系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】用于水回收的方法和系統(tǒng)
[0001] 相關(guān)申請
[0002] 本申請獲得來自以下的優(yōu)先權(quán)：于2013年1月28日提交的美國臨時專利申請US 61/757, 369;于2013年5月03日提交的US61/819, 195;于2013年11月09日提交的US 61/902, 174;和于2013年11月19日提交的US61/906, 112,其全部通過引用被并入，如同 在本文中被完全地陳述。 發(fā)明領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明是在水處理的領(lǐng)域中。
[0004] 發(fā)明背景
[0005] 水，相似于許多其他的自然資源，在地球上以有限的量存在。地球上的水的多于 95%作為含有鹽濃度的微咸水或海水存在，這使其不適合用于許多目的。
[0006] 據(jù)估計，多于三分之二的剩下的非鹽水作為冰存在，主要地在極地冰冠和冰川中。
[0007] 這意味著地球上的水的小于1%作為淡水是可用的。
[0008] 淡水的這樣小的分數(shù)必須不僅維持生命而且還有工業(yè)。雖然對于飲用水的需求隨 著世界的人口而增加，但水的被人的直接消耗（即飲水）和被人的間接消耗（例如洗浴、洗 衣、在衛(wèi)生設(shè)備中）組成世界上的總的水消耗的相對地小的百分數(shù)。
[0009] 世界上的總的水消耗的大部分是在工業(yè)過程中，包括作為冷卻介質(zhì)的用途。
[0010] 例如，加拿大的國家能源委員會（TheNationalEnergyBoardofCanada) (2006) 估計約2至4. 5桶的淡水被用于生產(chǎn)一桶的合成原油。用于合成原油的生產(chǎn)的總的水消耗 被預(yù)計達到5. 29億立方米/年。來自合成原油生產(chǎn)的廢水是堿性的并且微咸的。
[0011] 用于從頁巖生產(chǎn)天然氣和其他的石油化學(xué)產(chǎn)品的誘導(dǎo)水力壓裂（亦稱液壓破碎 法（fracking))也消耗很大的量的水。據(jù)估計，20%至多于40%的液壓破碎法水作為回流 水或作為采出水被回收。
[0012] 僅在賓夕法尼亞州由液壓破碎法產(chǎn)生的并且需要處置的高IDS(總?cè)芙夤腆w）廢 水的量被天然氣工業(yè)預(yù)計在2011年達到73億加侖每年。液壓破碎法水中的鹽的水平可以 高于在海水中多于六倍。
[0013] 發(fā)明概述
[0014] 本發(fā)明的一個寬泛的方面涉及從含有親水性的或水溶性的污染物的水的流分離 可用水。在本發(fā)明的某些示例性的實施方案中，所述流是來自工業(yè)過程的流出物并且可用 水被足夠地純化以在同一工業(yè)過程中被再使用。
[0015] 如在本說明書和伴隨的權(quán)利要求中使用的，術(shù)語"雙向溶劑"指示有機溶劑或兩種 或更多種這樣的溶劑的混合物，該有機溶劑的特征在于在20°C下與5% (WZV)NaCl水溶液 平衡時，水相中的溶劑濃度是至少1 %并且小于50% (W/W)并且溶劑相中的水濃度是至少 5%并且小于50%(1/￥)。
[0016] 雙向溶劑的實例包括但不限于3至6個碳的醇和/或3至6個碳的酮和/或3至 6個碳的酯和/或3至6個碳的有機酸和胺。在某些實施方案中，雙向溶劑包括丁醇。在 某些實施方案中，丁醇是雙向溶劑的混合物中的主要的活性組分。在某些實施方案中，丁醇 用作單獨的活性的雙向溶劑?？蛇x擇地或另外地，在某些實施方案中，一種或更多種雙向溶 劑包括由以下組成的組中的一個或更多個成員：正丁醇、仲丁醇、異丁醇、叔丁醇、正戊醇、 仲戊醇、異戊醇和叔戊醇?？蛇x擇地或另外地，在某些實施方案中，一種或更多種雙向溶劑 作為萃取劑被提供。任選地，萃取劑包含不是雙向溶劑的組分。根據(jù)實施方案，萃取劑包含 水。
[0017] 本發(fā)明的某些實施方案的另一個方面涉及從被污染的廢水流回收可用水，而沒有 污染物的固化（例如沉淀和/或結(jié)晶）。
[0018] 根據(jù)本發(fā)明的多種示例性的實施方案，待被處理的水流包含一種或更多種親水性 溶質(zhì)和任選地一種或更多種疏水性溶質(zhì)。
[0019] 如在本說明書和伴隨的權(quán)利要求中使用的，術(shù)語"親水性溶質(zhì)"指示具有 log PS-0. 5的溶質(zhì)。根據(jù)本發(fā)明的多種示例性的實施方案，親水性溶質(zhì)的log P 是-0? 55 ;-0? 6-0. 65 ;-0? 7 ;-0? 75 ;-0? 8或中間的或更小的值。根據(jù)本發(fā)明的多種示例性 的實施方案，術(shù)語"親水性溶質(zhì)"包括離子化合物。
[0020] 如在本說明書和伴隨的權(quán)利要求中使用的，術(shù)語"疏水性溶質(zhì)"指示具有l(wèi)og P多0. 0的溶質(zhì)。根據(jù)本發(fā)明的多種示例性的實施方案，疏水性溶質(zhì)的log P是0. 1;〇.15 ; 0. 2 ;0. 25 ;0. 3 ;0. 35或中間的或更大的值。根據(jù)本發(fā)明的多種示例性的實施方案，術(shù)語"疏 水性溶質(zhì)"指示具有大于3的C:0原子比的有機化合物。
[0021] 本發(fā)明的某些實施方案的一個方面涉及含有親水性溶質(zhì)和疏水性溶質(zhì)二者的產(chǎn) 品工藝用水的處理。在本發(fā)明的某些示例性的實施方案中，疏水性溶質(zhì)是與原油相關(guān)聯(lián)的。
[0022] 如在本說明書和伴隨的權(quán)利要求中使用的，術(shù)語"廢水流"和"產(chǎn)品工藝用水"是 可互換的或所述"廢水流"包含"產(chǎn)品工藝用水"。因此，根據(jù)實施方案，所述廢水流包含與 另外的流的產(chǎn)品工藝用水混合物。根據(jù)實施方案，所述另外的流包括補充水。根據(jù)相關(guān)的 實施方案，所述補充水包括微咸水或海水。
[0023] 如在本說明書和伴隨的權(quán)利要求中使用的，術(shù)語"與原油相關(guān)聯(lián)的"指示在原油 (即未精煉的油）中存在的材料、在原油的精煉或原油的化學(xué)轉(zhuǎn)化期間產(chǎn)生的材料、在采出 氣中存在的材料、在采出氣的精煉或采出氣的化學(xué)轉(zhuǎn)化期間產(chǎn)生的材料。根據(jù)本發(fā)明的多 種示例性的實施方案，術(shù)語原油包括石油和/或植物油（例如棕櫚油廠流出物-POME)。在 某些實施方案中，與原油相關(guān)聯(lián)的疏水性溶質(zhì)在廢水流中以10PPM、25PPM、50PPM100PPM、 200PPM、300PPM、400PPM或500PPM的濃度或中間的或更高的濃度存在。
[0024] 如在本說明書和伴隨的權(quán)利要求中使用的，術(shù)語"蒸餾"和"蒸發(fā)"被可互換地使 用。
[0025] 如在本說明書和伴隨的權(quán)利要求中使用的，術(shù)語"水貧化的"和"水富集的"分別 地意指含有在量或通量或濃度的方面與在接觸之前的含量相比更少的水和更多的水。
[0026] 在本發(fā)明的某些示例性的實施方案中，提供了方法，所述方法包括：
[0027] (a)使包含一種或更多種親水性溶質(zhì)的廢水流的至少一部分與包含雙向溶劑的萃 取劑第一接觸以形成水貧化的第一水溶液和水富集的第一有機相；
[0028] (b)使所述第一有機相與已濃縮的水溶液第二接觸以形成第二有機相和第二水溶 液；
[0029] (c)把水從所述第二水溶液分離以形成已濃縮的水溶液和已分離的水；
[0030] (d)把所述已濃縮的水溶液再循環(huán)至所述第二接觸；以及
[0031] (e)把雙向溶劑從所述第二有機相再循環(huán)至所述第一接觸；
[0032] 其中所述廢水流、所述水貧化的第一水溶液、所述已濃縮的水溶液和所述第二水 溶液在50°C的水蒸氣分壓（waterpartialvaporpressure)分別地是Pl、P2、P3和P4 ; 并且其中所述雙向溶劑被選擇為使得P1>P2 ;P1>P3并且P4>P3。
[0033] 根據(jù)本發(fā)明的多種示例性的實施方案，所述第一接觸在高于1°C、10°C、20°C、30°C 或40 °C并且低于99 °C、90 °C、80 °C、70 °C或60 °C的溫度下進行。
[0034] 根據(jù)本發(fā)明的多種示例性的實施方案，所述第二接觸在高于1°C、10°C、20°C、30°C 或40 °C并且低于99 °C、90 °C、80 °C、70 °C或60 °C的溫度下進行。
[0035] 可選擇地或另外地，在某些實施方案中，所述廢水流包含一種或更多種與原油相 關(guān)聯(lián)的疏水性溶質(zhì)?？蛇x擇地或另外地，在某些實施方案中，所述方法包括把所述一種或更 多種與原油相關(guān)聯(lián)的疏水性溶質(zhì)的至少一部分從所述第二有機相的至少一部分分離。
[0036] 可選擇地或另外地，在某些實施方案中，分離水包括加熱所述第二水溶液。
[0037] 可選擇地或另外地，在某些實施方案中，所述加熱分離氣態(tài)的和/或固體的化合 物，并且所述方法包括使所述已分離的氣態(tài)的和/或固體的化合物與第三水溶液接觸以形 成所述已濃縮的水溶液。
[0038] 可選擇地或另外地，在某些實施方案中，所述氣態(tài)的或固體的化合物包括由以下 組成的組中的至少一個成員：NH3、C0、C02、CaCl2、Ca(NO2)3、KBr、KCl、KHC03、K2S04、MgCl2、 MgS04、NaCl、NaHC03、Na2S04、NH4Cl、（NH4) 2C03、（NH4)HC03、H2NCOONH4^p(NH4) 2S04C3
[0039] 可選擇地或另外地，在某些實施方案中，所述已濃縮的水溶液包含銨化合物。
[0040] 可選擇地或另外地，在某些實施方案中，所述第二水溶液包含所述雙向溶劑的至 少一部分并且所述加熱分尚第三有機相。
[0041] 可選擇地或另外地，在某些實施方案中，分離水包括使所述第二水溶液與膜接觸 以形成已分離的水和滲余物。
[0042] 可選擇地或另外地，在某些實施方案中，所述方法的特征在于所述膜是反滲透膜。
[0043] 可選擇地或另外地，在某些實施方案中，所述第二水溶液包含所述雙向溶劑的至 少一部分并且所述滲余物包含第四有機相。
[0044] 可選擇地或另外地，在某些實施方案中，所述方法包括把所述第三有機相的至少 一部分或所述第四有機相的至少一部分再循環(huán)至所述第一接觸。
[0045] 可選擇地或另外地，在某些實施方案中，所述分離水包括加熱所述第二水溶液并 且使所述第二水溶液與膜接觸。
[0046] 可選擇地或另外地，在某些實施方案中，所述方法的特征在于所述已分離的水包 含所述廢水流的所述至少一部分中的所述水的至少60%。
[0047] 可選擇地或另外地，在某些實施方案中，P2>P3?？蛇x擇地或另外地，在某些實施方 案中，P1>P4。
[0048] 可選擇地或另外地，在某些實施方案中，所述雙向溶劑具有與二價離子相比更大 的對一價離子的親合力；所述廢水流包含以多價與一價離子比率Rl的至少一種多價離子 和至少一種一價離子，所述第一水溶液包含以多價與一價離子比率R2的至少一種多價離 子和至少一種一價離子，并且R2相似于Rl。
[0049]可選擇地或另外地，在某些實施方案中，所述廢水流包含以多價與一價離子比率Rl的至少一種多價離子和至少一種一價離子，所述已濃縮的水溶液包含以多價與一價離子 比率R3的至少一種多價離子和至少一種一價離子，并且R3>R1。
[0050]可選擇地或另外地，在某些實施方案中，所述廢水流和所述已濃縮的水溶液二者 都包含至少一種多價離子并且所述廢水流中的多價離子的組成不同于所述已濃縮的水溶 液中的多價離子的組成。
[0051]可選擇地或另外地，在某些實施方案中，所述方法包括使所述第一有機相和所述 第二有機相中的至少一個的至少一部分與具有至少2倍大于所述雙向溶劑中的C: 0比率的 C: 0比率的疏水性溶劑接觸。
[0052]可選擇地或另外地，在某些實施方案中，所述一種或更多種與原油相關(guān)聯(lián)的疏水 性溶質(zhì)包含由以下組成的組中的至少一個成員：環(huán)烷酸、其他的包含至少5個碳原子的有 機酸、1，4-二氧六環(huán)、丙酮、溴仿、二苯并（a，h)蒽、吡啶、酚類和油。
[0053]可選擇地或另外地，在某些實施方案中，所述第二有機相包含所述廢水流中的所 述一種或更多種與原油相關(guān)聯(lián)的疏水性溶質(zhì)的至少85%。
[0054]可選擇地或另外地，在某些實施方案中，所述水貧化的第一水溶液包含所述廢水 流中的所述一種或更多種親水性溶質(zhì)的至少80 %。
[0055]可選擇地或另外地，在某些實施方案中，所述方法包括把來自所述廢水流的