(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
以下のステップを含む、浸透圧駆動型膜システムにおけるドロー溶質の回収率を最大化する方法：
正浸透膜を備える、第１の浸透圧駆動型膜システムを提供するステップと、
前記膜の第１の側に、第１の溶液を導入するステップと、
前記膜の第２の側に、第１の溶液の濃度よりも高い濃度を有する濃縮ドロー溶液を導入するステップと、
前記第１の溶液から溶媒を浸透圧的に分離するステップと、
前記膜の前記第１の側に、前記膜を通した逆イオン交換により溶質の第１のイオン種を含む第２の溶液を形成するステップと、
前記膜の前記第２の側に希釈ドロー溶液を形成するステップであって、前記濃縮ドロー溶液が前記分離された溶媒の導入によって希釈される、ステップと、
前記希釈ドロー溶液を、ドロー溶質と、溶質の第２のイオン種を含む溶媒とに分離するステップと、
前記ドロー溶質を前記第１の浸透圧駆動型膜システムにリサイクルするステップと、
逆浸透膜を備える第２の浸透圧駆動型膜システムを提供するステップと、
前記第２の浸透圧駆動型膜システム内で溶質の第２のイオン種を含む前記溶媒を加圧するステップと、
溶質の第２のイオン種を含む前記溶媒を、精製された溶媒と、前記溶質の第２のイオン種を含む濃縮溶液とに分離するステップと、
前記溶質の第２のイオン種を含む前記濃縮溶液を前記第１の浸透圧駆動型膜システムの前記第１の溶液にリサイクルするステップと、
前記第２の溶液中の前記溶質の第１のイオン種と前記溶質の第２のイオン種の平衡を保ち、さらなる除去可能なドロー溶質を形成するステップと、
前記第２の溶液を、前記さらなるドロー溶質と第３の溶液とに分離するステップ。
【請求項２】
前記さらなるドロー溶質を前記濃縮ドロー溶液中にリサイクルするステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記希釈ドロー溶液を分離する前記ステップは、蒸留を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記濃縮ドロー溶液は、アンモニアと二酸化炭素を含み、アンモニアの二酸化炭素に対するモル比が１：１を超える、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
以下を備える、第１の溶液から溶媒を浸透抽出するためのシステム：
正浸透システムであって、
前記第１の溶液の源に流体的に接続された入口を有する第１のチャンバと、
濃縮ドロー溶液の源に流体的に接続された入口を有する第２のチャンバであって、前記ドロー溶液が前記第１の溶液の濃度よりも高い濃度を有する、第２のチャンバと、
前記第１のチャンバを前記第２のチャンバから分離する半透膜システムと、を備える、正浸透システムと、
前記第２のチャンバの下流にある前記正浸透システムに流体的に連結され、そこから希釈ドロー溶液を受容し、それにより前記濃縮ドロー溶液が前記第１の溶液からの前記溶媒の導入によって希釈され、さらに前記希釈ドロー溶液をドロー溶質と溶媒流とに分離するように構成される、第１の分離システムと、
前記分離システムに流体的に連結され、前記溶媒流を加圧および輸送するように構成される、圧力交換器と、
前記圧力交換器に流体的に連結された逆浸透システムであって、
前記加圧された溶媒流を受容するように構成される第１のチャンバと、
前記第１のチャンバに連結された半透膜と、
前記半透膜に連結され、前記膜を通って流動した溶媒を受容するように構成される第２のチャンバとを備え、前記逆浸透システムの前記第１のチャンバは、前記逆浸透システムの前記第１のチャンバからの前記溶媒流の保持液(retentate)を前記第１の溶液に提供するように前記正浸透システムの前記第１のチャンバに流体的に連結される、逆浸透システムと、
前記正浸透システムの前記第１のチャンバに流体的に連結され、そこから濃縮された第１の溶液を受容し、前記濃縮された第１の溶液からドロー溶質および生成物流を除去するように構成される、第２の分離システム。
【請求項６】
前記分離されたドロー溶質を前記濃縮ドロー溶液に返却するために前記第２の分離システムと流体連通するリサイクルシステムをさらに備える、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記濃縮ドロー溶液は、アンモニアと二酸化炭素を含み、アンモニアの二酸化炭素に対するモル比が１対１を超える、請求項５に記載のシステム。
【請求項８】
前記第１および／または第２の分離システムは、蒸留塔および／または接触膜を備える、請求項５に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
１つ以上の態様は、概して浸透分離に関する。より具体的には、１つ以上の態様は、溶液から溶質を分離するための正浸透等の浸透圧駆動型膜プロセスの使用に関与する。
【背景技術】
【０００２】
正浸透は、脱塩に使用されてきた。一般に、正浸透脱塩プロセスは、半透膜によって仕切られた２つのチャンバを有する容器を必要とする。一方のチャンバは海水を収容する。他方のチャンバは濃縮溶液を収容し、海水と濃縮溶液との間に濃度勾配が生じる。この勾配により、水は選択的に通過させるが塩は通過させない膜を横切って、海水から濃縮溶液中へと水が引き寄せられる。濃縮溶液に進入する水は、徐々に溶液を希釈する。次いで、希釈溶液から溶質が除去され、飲料水が生成される。
【０００３】
正浸透システムの１つの欠点は、システムのイオン平衡の妨げとなるイオン交換現象である。例えば、ＮＨ３−ＣＯ２ドロー溶液およびＮａＣｌフィード溶液を使用するシステムでは、Ｎａ＋イオンとＮＨ４＋イオンとが膜を横切って交換するため、より塩分の高い生成水が生じ、ドロー溶質を回収する際の難易度が高くなる可能性がある。いくつかの脱塩ユニットは、現在、処理前および処理後のイオン交換または同様のプロセスを使用しているが、その使用は、典型的には、生成溶媒をさらに調整するために行われるのであって、特にドロー溶質の回収に関して、これらの欠点を克服しようとして行われているのではない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
態様は、概して、正浸透分離（ＦＯ）、直接浸透濃縮（ＤＯＣ）、圧力補助正浸透、および圧力遅延浸透（ＰＲＯ）を含む、浸透圧駆動型膜システムおよび方法に関する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
一態様において、本発明は、浸透圧駆動型膜プロセスおよびそのイオン平衡を維持する方法に関する。プロセス／方法は、正浸透膜の第１の側に第１の溶液を導入するステップと、正浸透膜の第２の側に濃縮ドロー溶液を導入するステップとを含む。濃縮ドロー溶液は、膜を横切る浸透圧の濃度勾配を維持するのに十分な溶質濃度を有する。プロセス／方法はまた、膜を横切る第１の溶液からの溶媒の流れを促進し、それによって正浸透膜の第１の側に第２の溶液を形成し、正浸透膜の第２の側に希釈ドロー溶液を形成することを含む。第２の溶液は、膜を通した逆イオン交換により溶質の少なくとも１つの第１のイオン種（例えば、アンモニウム）を含む。さらに、プロセス／方法は、希釈ドロー溶液を分離システムに誘導して、希釈ドロー溶液をドロー溶質と溶媒とに分離することを含む。回収された溶媒は、溶質の少なくとも１つの第２のイオン種を含む：例えば、正浸透膜を通って交換されたナトリウムイオン（Ｎａ＋）、および／または、希釈ドロー溶液からドロー溶質の全てが回収されるのを妨げるイオンの不均衡に起因して、回収された溶媒中に依然として存在する炭酸イオン。イオンの不均衡は、正浸透膜を横切って生じるイオン交換の結果である可能性がある。プロセス／方法はまた、正浸透膜の第２の側に導入された濃縮ドロー溶液中にドロー溶質をリサイクルして、その中の浸透圧濃度勾配を維持するステップと、回収された溶媒を逆浸透システムに誘導するステップと、回収された溶媒を加圧して、精製された溶媒と、溶質の少なくとも１つの第２のイオン種を含む濃縮溶液とを生成するステップと、正浸透膜の第１の側に導入された第１の溶液に濃縮溶液を導入するステップとを含む。溶質の第２のイオン種は、第２の溶液中の溶質の第１のイオン種と平衡を保ち、第２の溶液中にさらなる除去可能なドロー溶質を形成する。具体的には、溶質の種々の陽イオン種および陰イオン種が、第２の溶液中に等しい荷電平衡で存在する。次いで、第２の溶液が分離／リサイクルシステムに導入され、さらなるドロー溶質を回収する。溶質の第１のイオン種（またはその一形態）を溶質の第２のイオン種（またはその一形態）と組み合わせることにより、ドロー溶質の各種が第２の溶液から除去可能となる。
【０００６】
代替として、逆浸透ユニットからの濃縮溶液が、膜の第１の側の第２の溶液、分離／リサイクルシステム内の第２の溶液、および／または膜の第１の側から分離／リサイクルシステムに移動される際の第２の溶液に導入されてもよい。いくつかの実施形態において、逆浸透ユニットからの濃縮溶液は、第１の溶液よりも多い数の全蒸発残留物（ＴＤＳ）を有する可能性があり、その場合、正浸透ユニットの下流にある第２の溶液に濃縮溶液を導入し、それによって、より多くのＴＤＳが正浸透ユニットに及ぼす可能性のある悪影響を回避することが好ましいであろう。いくつかの場合において、第２の溶液は、他の源に由来するさらなるアンモニウムを含む可能性があり、それもまた、開示されるシステムおよび方法によって回収することができる。
【０００７】
別の態様において、本発明は、浸透圧駆動型膜システムにおけるドロー溶質の回収率を最大化する方法に関する。この方法は、正浸透膜を有し、膜の第１の側で第１の溶液を受容し、膜の第２の側で濃縮ドロー溶液を受容するように構成される、第１の浸透圧駆動型膜システムを提供するステップと、濃縮ドロー溶液を使用して第１の溶液から溶媒を浸透圧的に分離し、それによって膜の第１の側に第２の溶液を形成し、膜の第２の側に希釈ドロー溶液を形成するステップとを含む。第２の溶液は、膜を通した逆イオン交換により溶質の少なくとも１つの第１のイオン種を含む。希釈ドロー溶液は、さらなる処理のために分離／リサイクルシステムに誘導されてもよい。方法はまた、希釈ドロー溶液を分離して、少なくとも１つのドロー溶質と、溶媒とを回収するステップも含む。回収された溶媒は、溶質の少なくとも１つの第２のイオン種を含む。方法は、回収された少なくとも１つのドロー溶質を第１の浸透圧駆動型膜システムにリサイクルするステップと、逆浸透膜を有する第２の浸透圧駆動型膜システムを提供するステップと、回収された溶媒を第２の浸透圧駆動型膜システム内で加圧して、実質的に純粋な溶媒と、溶質の少なくとも１つの第２のイオン種を含む濃縮溶液とを回収するステップと、溶質の少なくとも１つの第２のイオン種を有する濃縮溶液を第１の浸透圧駆動型膜システムにリサイクルするステップとをさらに含む。濃縮溶液は第１の溶液に加えられ、それによって、溶質の少なくとも１つの第１のイオン種と、溶質の少なくとも１つの第２のイオン種とを含む第２の溶液を生じさせる。溶質の少なくとも１つの第１のイオン種は、溶質の少なくとも１つの第２のイオン種と平衡を保ち、さらなる除去可能なドロー溶質を形成する。方法は、第２の溶液を分離して、さらなるドロー溶質と、第３の溶液とを回収するステップを含む。第２の溶液は、第２の分離／リサイクルシステムに誘導されてもよいか、または分離ステップは、希釈ドロー溶液に使用されるのと同じ分離／リサイクルシステムを用いて行われてもよい。
【０００８】
上記態様の種々の実施形態において、プロセスは、さらなるドロー溶質を濃縮ドロー溶液中にリサイクルするステップを含む。１つ以上の実施形態において、希釈ドロー溶液を分離するステップは蒸留を含む。濃縮ドロー溶液は、少なくとも１つの熱的に除去可能なドロー溶質を含むことができるか、かつ／または、アンモニアと二酸化炭素を少なくとも１：１のモル比で含むことができる。
【０００９】
さらに別の態様において、本発明は、第１の溶液から溶媒を浸透抽出するためのシステムに関する。システムは、第１の溶液の源に流体的に接続された入口を有する第１のチャンバと、濃縮ドロー溶液の源に流体的に接続された入口を有する第２のチャンバと、第１のチャンバを第２のチャンバから分離する半透膜システムとを備える正浸透システムと、第２のチャンバの下流にある正浸透システムに流体的に連結され、そこから希釈ドロー溶液を受容し、希釈ドロー溶液をドロー溶質と溶媒流とに分離するように構成される、第１の分離システムと、分離システムに流体的に連結され、溶媒流を加圧および輸送するように構成される、圧力交換器（例えば、ポンプ）と、圧力交換器に流体的に連結される逆浸透システムであって、加圧された溶媒流を受容するように構成される第１のチャンバと、第１のチャンバに連結された半透膜と、半透膜に連結され、膜を通って流動した溶媒を受容するように構成される第２のチャンバとを含む、逆浸透システムとを含む。逆浸透ユニットの第１のチャンバは、第１の溶液の少なくとも一部を提供するように正浸透ユニットの第１のチャンバに流体的に連結される。システムはまた、正浸透システムの第１のチャンバに流体的に連結され、そこから濃縮された第１の溶液を受容し、濃縮された第１の溶液からドロー溶質および生成物流のうちの少なくとも１つを除去するように構成される、第２の分離システムも含む。
【００１０】
さらに別の態様において、本発明は、第１の溶液から溶媒を浸透抽出するためのシステムに関する。システムは、半透膜の一方の側でフィード溶液を受容し、該膜の反対の側で濃縮ドロー溶液を受容するように構成される正浸透システムと、正浸透システムに流体的に連結され、正浸透システムから希釈ドロー溶液を受容し、希釈ドロー溶液をドロー溶質と溶媒流とに分離するように構成される第１の分離システムと、分離システムに流体的に連結され、溶媒流を加圧および輸送するように構成される圧力交換器と、圧力交換器に流体的に連結され、半透膜の第１の側で加圧された溶媒流を受容し、膜を通って流動した生成溶媒を受容するために膜の反対の側を有するように構成される逆浸透システムであって、膜の第１の側は、濃縮され、加圧された溶媒を第１の溶液の少なくとも一部として提供するように正浸透ユニットに流体的に連結される、逆浸透システムと、正浸透システムに流体的に連結され、そこから濃縮された第１の溶液を受容し、濃縮された第１の溶液からドロー溶質および生成物流のうちの少なくとも１つを除去するように構成される、第２の分離システムとを含む。
【００１１】
本発明の上記態様の種々の実施形態において、システムは、分離されたドロー溶質を濃縮ドロー溶液に返却するために第２の分離システムと流体連通するリサイクルシステムを含む。１つ以上の実施形態において、第１および第２の分離システムは、蒸留塔または接触膜のうちの少なくとも１つを含むことができる。ある特定の実施形態において、濃縮ドロー溶液は、アンモニアと二酸化炭素を少なくとも１対１のモル比で含む。
【００１２】
さらに別の態様において、本発明は、第１の溶液から溶媒を浸透抽出するためのシステムに関する。システムは、正浸透システム、前処理システム、および分離システムを含む。正浸透システムは、第１の溶液の源に流体的に接続された入口を有する第１のチャンバと、濃縮ドロー溶液の源に流体的に接続された入口を有する第２のチャンバと、第１のチャンバを第２のチャンバから分離する半透膜システムとを含む。前処理システムは、第１の溶液の源および正浸透システムと流体連通している。一実施形態において、前処理システムは、第１の溶液の源と正浸透システムとの間に配置される。分離システムは、ドロー溶質または溶媒流のうちの少なくとも１つを回収するように第２のチャンバの下流に流体的に接続される。分離システムは、蒸留塔または接触膜のうちの少なくとも１つを含むことができ、分離システムは、第２のチャンバから希釈ドロー溶液を受容するように構成される。
【００１３】
種々の実施形態において、濃縮ドロー溶液は、アンモニアと二酸化炭素を少なくとも１対１の所望のモル比で含む。前処理システムは、第１の溶液を予熱するための熱源、第１の溶液のｐＨを調整するための手段、第１の溶液を濾過するためのフィルタまたは他の手段（例えば、炭素濾過もしくは砂濾過）、ポリマー添加のための手段、あるいは第１の溶液を軟化するための手段のうちの少なくとも１つを含むことができる。システムはまた、溶媒流と流体連通する後処理システムも含むことができる。後処理システムは、逆浸透システム、イオン交換システム、第２の正浸透システム、蒸留システム、浸透気化装置、機械的蒸気再圧縮システム、または濾過システムのうちの少なくとも１つを含むことができる。さらなる実施形態において、システムはまた、第２のチャンバへのドロー溶質の再導入を促進して、ドロー溶液の所望のモル比を維持するように構成される吸収体を含むリサイクルシステムも含むことができる。
【００１４】
別の態様において、本発明は、第１の溶液から溶媒を浸透抽出するためのシステムに関する。システムは、正浸透システム、分離システム、および後処理システムを含む。正浸透システムは、第１の溶液の源に流体的に接続された入口を有する第１のチャンバと、濃縮ドロー溶液の源に流体的に接続された入口を有する第２のチャンバと、第１のチャンバを第２のチャンバから分離する半透膜システムとを含む。分離システムは、ドロー溶質または溶媒流のうちの少なくとも１つを回収するように第２のチャンバの下流に流体的に接続される。後処理システムは、溶媒流と流体連通している。
【００１５】
種々の実施形態において、濃縮ドロー溶液は、アンモニアと二酸化炭素を少なくとも１対１の所望のモル比で含む。後処理システムは、逆浸透システム、イオン交換システム、第２の正浸透システム、蒸留システム、浸透気化装置、機械的蒸気再圧縮システム、または濾過システムのうちの少なくとも１つを含むことができる。システムはまた、第１の溶液の源と流体連通する前処理システムを含むことができ、例えば、前処理システムは、第１の溶液の源と正浸透システムとの間に配置されてもよい。前処理システムは、第１の溶液を予熱するための熱源、第１の溶液のｐＨを調整するための手段、第１の溶液を濾過するためのフィルタまたは他の手段（例えば、炭素濾過もしくは砂濾過）、ポリマー添加のための手段、あるいは第１の溶液を軟化するための手段のうちの少なくとも１つを含むことができる。システムはまた、第２のチャンバへのドロー溶質の再導入を促進して、ドロー溶液の所望のモル比を維持するように構成される吸収体を含むリサイクルシステムも含むことができる。いくつかの実施形態において、分離システムは、蒸留塔または接触膜のうちの少なくとも１つを含み、分離システムは、第２のチャンバから希釈ドロー溶液を受容するように構成される。
【００１６】
１つ以上の実施形態によれば、第１の溶液から溶媒を浸透抽出するためのシステムは、第１の溶液の源に流体的に接続された入口を有する第１のチャンバと、アンモニアと二酸化炭素を少なくとも１対１の所望のモル比で含む濃縮ドロー溶液の源に流体的に接続された入口を有する第２のチャンバと、第１のチャンバを第２のチャンバから分離する半透膜システムと、第１の溶液の源または第１のチャンバのうちの少なくとも１つと流体連通する前処理工程と、第２のチャンバの下流に流体的に接続された分離システムと、第２のチャンバから希釈ドロー溶液を受容し、ドロー溶質および溶媒流を回収するように構成される分離システムと、第２のチャンバへのドロー溶質の再導入を促進して、所望のモル比を維持するように構成される吸収体を備えるリサイクルシステムと、溶媒流と流体連通する後処理工程とを備え得る。一実施形態において、分離システムは蒸留塔を備える。
【００１７】
本発明のさらなる態様は、廃水を処理するために本明細書に記載されるシステムおよびプロセスを利用することに関する。１つ以上の実施形態によれば、廃水を処理する方法は、高い生物化学的酸素要求量または高い化学的酸素要求量を有する廃水を半透膜の第１の側に導入することと、アンモニアと二酸化炭素を少なくとも１対１のモル比で含む濃縮ドロー溶液を半透膜の第２の側に導入して、半透膜を横切る所望の浸透圧濃度勾配を維持することと、半透膜を横切る廃水の少なくとも一部の流れを促進して、半透膜の第１の側に第２の溶液を形成し、半透膜の第２の側に希釈ドロー溶液を形成することと、希釈ドロー溶液の少なくとも一部を分離工程に導入して、ドロー溶質および溶媒流を回収することとを含んでもよい。方法はまた、半透膜の第２の側にドロー溶質を再導入して、濃縮ドロー溶液におけるアンモニアの二酸化炭素に対する所望のモル比を維持する任意選択的ステップと、溶媒流を収集する任意選択的ステップとを含むこともできる。
【００１８】
いくつかの実施形態において、方法は、第２の溶液を嫌気性消化槽等の２次プロセスに導入することをさらに含んでもよい。他の実施形態において、方法は、第２の溶液を焼却炉に導入することをさらに含んでもよい。焼却炉から、または消化槽からのメタンの燃焼から発生した熱が、分離工程に提供されてもよい。少なくともいくつかの実施形態において、方法は、半透膜のファウリングを制御することをさらに含んでもよい。
【００１９】
別の態様において、本発明は正浸透プロセスに関する。このプロセスは、溶媒および少なくとも１つの溶質を有する第１の溶液を半透膜の第１の側に導入するステップと、複数の析出核形成結晶（「シード」）を第１の溶液に導入するステップと、濃縮ドロー溶液を半透膜の第２の側に導入するステップと、第１の溶液中の少なくとも１つの溶質の核形成を促進するステップと、半透膜を横切る溶媒の少なくとも一部の流れを促進して、半透膜の第１の側に第２の溶液を形成し、半透膜の第２の側に希釈ドロー溶液を形成するステップとを含む。複数のシードは、実質的に均一な組成および構成を含むことができるが、異なる溶質の選択的核形成のために異なる組成および／または構成を有するシードが導入されてもよい。シードの量、組成、および構成は、例えば、医薬化合物の回収および／または望ましくない溶質の除去等の特定の用途に適するように選択される。核形成を促進するステップは、溶液中へのシードの導入および受動的拡散と、任意選択的に、撹拌、曝気、または第１の溶液中におけるシードの混合を促進する他の手段とを含むことができる。
【００２０】
上記態様の種々の実施形態において、プロセスは、希釈ドロー溶液の少なくとも一部を分離ユニットに誘導して、溶媒流またはドロー溶質のうちの少なくとも１つを回収するステップと、半透膜の第２の側の濃縮ドロー溶液中にドロー溶質を再導入して、濃縮ドロー溶液の所望のモル比を維持するステップとを含むことができる。一実施形態において、溶媒の少なくとも一部の流れを促進するステップは、半透膜を横切る浸透圧濃度勾配を維持することを含み、これは、濃縮ドロー溶液中のアンモニアと二酸化炭素のモル比を少なくとも１：１に維持することを含むことができる。任意選択的に、プロセスは、濃縮ドロー溶液の１つ以上の特徴を監視するステップと、例えば、溶液に、そのモル比を変更するようにドロー溶質を再導入することによって、必要に応じてドロー溶液を改変するステップとを含むことができる。プロセスはまた、第１の溶液から析出した少なくとも１つの溶質の少なくとも一部を回収するステップも含むことができる。析出した溶質の回収は、例えば、濾過、重力沈降（例えば、別個のチャンバ内で）、溶質の分類および選択的析出、熱交換、または他の分離手段により、溶質および／または第１の溶液をさらに処理することを含むことができる。ある特定の実施形態において、例えば、析出した溶質が有機物質を含むかまたは同伴する場合、析出した溶質またはスラリは、さらなる処理のために焼却炉または消化槽に誘導されてもよい。
【００２１】
別の態様において、本発明は、浸透を使用して溶液を処理するためのシステムに関する。システムは、正浸透モジュールと、複数のシードを正浸透モジュール内に導入するための手段とを含む。正浸透モジュールは、溶媒および少なくとも１つの溶質を含む第１の溶液の源と流体連通する第１のチャンバと、濃縮ドロー溶液と流体連通する第２のチャンバと、第１のチャンバと第２のチャンバを連結する半透膜とを含む。複数のシードを導入するための手段は、シードを第１のチャンバ内に導入するように構成され、第１のチャンバ内に第１の溶液が導入されると、複数のシードは、少なくとも１つの溶質の少なくとも一部の核形成を引き起こす。複数のシードを導入するための手段は、計量を行うかまたは行わずに、第１のチャンバ内に、または、例えば、複数のシード（乾燥結晶として、もしくはスラリ中のいずれか）を保持するための貯蔵部、ならびに貯蔵部から第１のチャンバにシードを送達するために必要なポンプ（もしくは他の原動力）、配管、およびバルブを含む別個のシステム内にシードを提供するために、システム内の他の場所から、または第１のチャンバに隣接して配置されたホッパーから除去された析出結晶の一部をリサイクルすることを含むことができる。手段および／または第１のチャンバはまた、シードを第１の溶液中に導入および拡散するのに役立つ空気源、撹拌機、および／または整流装置も含むことができる。
【００２２】
１つ以上の実施形態において、システムは、溶媒流およびドロー溶質のうちの少なくとも１つを回収するために第２のチャンバと流体連通する分離モジュールと、ドロー溶質を濃縮ドロー溶液中にリサイクルするための手段とを含むことができる。分離モジュールおよびリサイクル手段は、ドロー溶質を回収して濃縮ドロー溶液に再導入するために、必要に応じて、例えば、さらなるチャンバ、フィルタ、熱交換器、蒸留塔、接触膜、およびパイプを含むことができる。システムはまた、析出した溶質を回収するために第１のチャンバと流体連通する回収モジュールも含むことができる。回収モジュールは、例えば、沈降タンク、フィルタ、焼却炉、および／または消化槽（例えば、ＢＯＤまたはＣＯＤ濃度によって析出が起こる場合）を含むことができる。
【００２３】
さらに別の態様において、本発明は、浸透を使用して溶液を処理するための装置に関する。装置は、溶媒および少なくとも１つの溶質を含む第１の溶液を受容するように構成されるチャンバと、チャンバ内に配置された膜モジュールと、複数のシードをチャンバ内に導入するための手段とを含み、複数のシードは、チャンバ内の第１の溶液の少なくとも１つの溶質の少なくとも一部の核形成を引き起こす。膜モジュールは、チャンバ内の第１の溶液と流体連通する外部表面と、濃縮ドロー溶液を受容するための内部表面とを有する半透膜を含む。
【００２４】
さらなる他の態様、実施形態、ならびにこれらの例示的な態様および実施形態の利点を以下に詳細に論じる。さらに、上述の情報および以下の詳細な説明のどちらも、種々の態様および実施形態を説明する例に過ぎず、請求される態様および実施形態の性質および特徴を理解するための概要または枠組みを提供することが意図されることを理解されたい。したがって、これらおよび他の目的は、本明細書に開示される本発明の利点および特性とともに、以下の説明および添付の図面を参照することによって明白となるであろう。さらに、本明細書に記載される種々の実施形態の特性は、相互に排他的ではなく、種々の組み合わせおよび順列において存在し得ることを理解されたい。
【００２５】
図面中、同様の参照文字は、異なる図を通して一般に同じ部品を指す。また、図面は、必ずしも縮尺通りでははく、代わりに、本発明の原則を例示することに重きが置かれており、本発明の限界の定義として意図されるものではない。分かりやすくする目的で、あらゆる図面において全ての構成要素が表示されているわけではない場合がある。以下の説明において、本発明の種々の実施形態が以下の図面を参照して説明される。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の１つ以上の実施形態による、廃水処理のための正浸透システム／プロセスの略図である。
【図２】本発明の１つ以上の実施形態による、廃水の処理のための代替システム／プロセスの略図である。
【図３】本発明の１つ以上の実施形態による、溶媒の浸透抽出のためのシステムの略図である。
【図４】本発明の１つ以上の実施形態による、図３のシステムの一用途の略図である。
【図５】本発明の１つ以上の実施形態による、正浸透ユニットおよび逆浸透ユニットを含む浸透圧システムの略図である。
【図６】浸透圧駆動型膜プロセスであって、そのイオン平衡を維持するように構成される浸透圧駆動型膜プロセスの種々のステップを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
１つ以上の実施形態によれば、溶液から溶媒（例えば、水）を抽出するための浸透圧法は、一般に、溶液を正浸透膜の第１の表面に暴露することを含み得る。第１の溶液または処理溶液の濃度と比較して高い濃度を有する第２の溶液またはドロー溶液は、正浸透膜の対向する第２の表面に暴露されてもよい。次いで、濃度のより低い溶液から濃度のより高い溶液への移動に関与する流体移動特性を利用する正浸透により、溶液から正浸透膜を通って第２の溶液中に溶媒が引き寄せられ得、溶媒に富んだ溶液が生じる。溶媒に富んだ溶液は、希釈ドロー溶液とも称され、第１の出口で収集され、例えば、精製水を生成するためのさらなる分離プロセスを受けてもよい。第２の生成物流、例えば、消耗したまたは濃縮された処理溶液は、排出またはさらなる処理のために第２の出口で収集されてもよい。
【００２８】
液圧は、一般に、膜モジュールを通る第１および第２の溶液のそれぞれの流路の縦軸に沿った輸送を促進することができ、一方、浸透圧は、一般に、モジュール内でフィード溶液からドロー溶液へと正浸透膜を横切る溶媒の輸送を促進することができる。代替として、フィード溶液からドロー溶液への溶媒の流れを補助するためにフィード溶液に液圧がかけられてもよいか、または、２つの溶液間の浸透圧差によって駆動されるフィード溶液からの溶媒の膜流束に起因するドロー溶液の体積膨張から力を生成できるように、ドロー溶液に液圧がかけられてもよい（ＰＲＯ）。一般に、モジュール内の流路は、これらの流路を通る流れ（クロスフロー）を引き起こすために必要な液圧を最小限に抑えるように設計されるが、これは、２つの溶液間の浸透圧差の効率的な発生に有益であり、流れに対する抵抗を増大させる傾向を有する乱流を流路内に形成するという希望と一致しないことが多い。より大きな浸透圧差は、一般に、膜透過流束を増加させ得るが、希釈水生成物および再度濃縮されたドロー溶液の生成のために、希釈ドロー溶液からドロー溶質を分離するために必要な熱の量を増加させる傾向も有し得る。
【００２９】
１つ以上の実施形態によれば、正浸透膜モジュールは、１つ以上の正浸透膜を含み得る。正浸透膜は、一般に、半透性であってもよく、例えば、水の通過は許容するが、その中に溶解した塩化ナトリウム、炭酸アンモニウム、重炭酸アンモニウム、およびカルバミン酸アンモニウム等の溶質を排除する。多くの種類の半透膜がこの目的に好適であるが、但し、それらは、水（すなわち、溶媒）の通過は許容するが、溶質の通過は阻止し、溶液中の溶質と反応しないものとする。膜は、薄膜、中空ファイバ膜、スパイラル型膜、モノフィラメント、およびディスクチューブを含む様々な構成を有することができる。水は通過させるが、塩化ナトリウムおよびそれらのイオン分子種（塩化物等）等の溶質分子を排除するには十分に小さい細孔を有することによって特徴付けられる周知の市販の半透膜が数多く存在する。そのような半透膜は、有機または無機材料で作製されてもよい。いくつかの実施形態において、酢酸セルロース、硝酸セルロース、ポリスルホン、ポリビニリデンフルオライド、ポリアミドおよびアクリロニトリルコポリマー等の材料でできた膜が使用されてもよい。他の膜は、ＺｒＯ２およびＴｉＯ２等の材料でできた鉱物膜またはセラミック膜であってもよい。
【００３０】
好ましくは、半透膜として使用するために選択される材料は、一般に、膜が供されるかもしれない種々の処理条件に耐え得るべきである。例えば、膜は、殺菌に関連するもの等の昇温または他の高温プロセスに耐えられることが望ましいかもしれない。いくつかの実施形態において、正浸透膜モジュールは、約０〜１００℃の範囲の温度で操作されてもよい。いくつかの非限定的な実施形態において、処理温度は約４０〜５０℃の範囲であってもよい。同様に、膜は、種々のｐＨ条件下で完全性を維持できることが望ましいかもしれない。例えば、ドロー溶液等の膜環境における１つ以上の溶液は、程度の差こそあれ、酸性または塩基性であり得る。いくつかの非限定的な実施形態において、正浸透膜モジュールは、約２〜１１のｐＨレベルで操作されてもよい。ある特定の非限定的な実施形態において、ｐＨレベルは約７〜１０であってもよい。使用される膜は、これらの材料のうちの１つから作製される必要はなく、種々の材料の複合体であってもよい。少なくとも１つの実施形態において、膜は、第１の表面上に活性層があり、第２の表面上に支持層があるような非対称膜であってもよい。いくつかの実施形態において、活性層は、一般に、阻止層であってもよい。例えば、阻止層は、いくつかの非限定的な実施形態において塩の通過を阻止することができる。いくつかの実施形態において、バッキング層等の支持層は、一般に、不活性であってもよい。
【００３１】
１つ以上の実施形態によれば、少なくとも１つの正浸透膜は、筐体またはケーシング内に位置付けられてもよい。筐体は、一般に、その中に位置付けられる膜を収容するようにサイズ決定および成形することができる。例えば、らせん状に巻かれた正浸透膜を収容する場合、筐体は実質的に円筒状であってもよい。モジュールの筐体は、モジュールにフィード溶液およびドロー溶液を提供するための入口、ならびにモジュールから生成物流を吸引するための出口を含んでもよい。いくつかの実施形態において、筐体は、モジュールに導入されるかまたはそこから吸引される流体を保持または保存するための少なくとも１つの貯蔵部またはチャンバを提供することができる。少なくとも１つの実施形態において、筐体は、絶縁されてもよい。
【００３２】
１つ以上の実施形態による分離プロセスは、第１の溶液を半透膜の第１の表面に暴露することを含み得る。第１の溶液の濃度よりも高い濃度を有する第２の溶液は、この膜の対向する第２の表面に暴露されてもよい。いくつかの実施形態において、第２の溶液の濃度は、第１の試薬を使用して第２の溶液中の溶質の平衡を調節し、第２の溶液中の溶解性溶質種の量を増加させることによって増加されてもよい。次いで、第１の溶液と第２の溶液との間の濃度勾配によって、第１の溶液から半透膜を通して第２の溶液中に溶媒が引き寄せられ、溶媒に富んだ溶液が生成される。１つ以上の実施形態によれば、溶媒に富んだ第２の溶液から溶質の一部が回収され、ドロー溶液にリサイクルされ得る。回収プロセスは、溶媒生成物流を生じさせ得る。濃度勾配はまた、半透膜の第１の側に、排出されてもよいかまたはさらに処理されてもよい消耗した溶液も生成する。消耗した溶液は、濃縮または回収が所望される１つ以上の標的種を含み得る。
【００３３】
１つ以上の実施形態によれば、浸透を使用して第１の溶液から溶媒を抽出するための装置が開示される。装置の非限定的な一実施形態において、装置は、入口および出口を備える第１のチャンバを有する。第１のチャンバの入口は、第１の溶液の源に接続されてもよい。半透膜は、第１のチャンバを第２のチャンバから分離する。第２のチャンバは、入口ならびに第１および第２の出口を有する。いくつかの実施形態において、第３のチャンバは、第２のチャンバの第１の出口から溶媒に富んだ第２の溶液を受容してもよく、第２のチャンバの第２の出口から試薬を受容することができる。第３のチャンバは、溶媒に富んだ第２の溶液を濾過するためのフィルタ等の分離工程に接続された出口を含んでもよい。フィルタは、第１および第２の出口を有してもよく、析出した溶質を第２のチャンバにリサイクルするために第１の出口が第２のチャンバの入口に接続される。いくつかの実施形態において、第４のチャンバは、分離工程の第２の出口から溶媒に富んだ第２の溶液を受容することができる。第４のチャンバは、溶媒に富んだ第２の溶液を加熱するための加熱器を有してもよい。第４のチャンバの第１の出口は、第２のチャンバの入口に成分ガスを返却することができる。本明細書において論じられるように、第４のチャンバからのガスおよび／または第３のチャンバからの析出した溶質等の種々の種が、システム内でリサイクルされ得る。そのような種は、例えば、同じ入口でまたは異なる入口で第２のチャンバに導入されてもよい。第４のチャンバの第２の出口は、最終生成物、例えば、溶媒が、装置から出ることを許容し得る。一方の溶液から他方の溶液へと膜を横切って流束が発生するため、流路の構成がフィード溶液およびドロー溶液の流量または流速を変化させる原因となり得る。膜システム内のフィード溶液およびドロー溶液の流路は、一般に、短い長さおよび低〜中程度の流動速度の場合にはほぼ等しく、または、より長い流路長および／もしくはより高い流動速度の場合、フィードがより狭くなり、ドローがより深くなる先細り状に設計されるべきである。
【００３４】
１つ以上の実施形態によれば、正浸透膜モジュールは、一般に、第１の溶液および第２の溶液を半透膜の第１の側および第２の側とそれぞれ接触させるように構築および構成されてもよい。第１および第２の溶液は停滞した状態のままであってもよいが、第１および第２の溶液の両方が、クロスフロー、すなわち半透膜の表面に平行な流れによって導入されることが好ましい。これにより、一般に、１つ以上の流体流路に沿って接触する膜の表面積が増大され得、その結果、正浸透の効率が増加する。いくつかの実施形態において、第１および第２の溶液は、同じ方向に流れてもよい。他の実施形態において、第１および第２の溶液は、反対方向に流れてもよい。少なくともいくつかの実施形態において、同様の流体力学が膜表面の両側に存在し得る。これは、モジュールまたは筐体内に１つ以上の正浸透膜を戦略的に一体化することにより達成され得る。
【００３５】
１つ以上の実施形態によれば、ドロー溶質は、再利用のために回収され得る。ドロー溶質回収プロセスの例は、ＭｃＧｉｎｎｉｓに対する米国特許公開第２０１２／００６７８１９号（‘８１９公開）（その開示は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる）に記載される。分離システムは、希釈ドロー溶液から溶質を除去し、実質的に溶質を含まない生成水を生成し得る。分離システムは、蒸留塔を含んでもよい。次いで、ドロー溶質は、リサイクルシステム等によって濃縮ドロー溶液に返却され得る。ガス状溶質は、濃縮されてもよいか、または吸収されて濃縮ドロー溶液を形成し得る。吸収体は、希釈ドロー溶液を吸収剤として使用してもよい。他の実施形態において、溶質リサイクルシステムからのガス流の全部または一部の吸収のために、生成水が吸収剤として使用されてもよい。さらに、廃水処理プロセスの一環として生成されるガスおよび／または熱が、ドロー溶質回収プロセスにおいて使用されてもよい。
【００３６】
１つ以上の実施形態によれば、第１の溶液は、分離、精製、または他の処理が所望される１つ以上の溶質を含有するいずれの水溶液または水性溶媒であってもよい。いくつかの実施形態において、第１の溶液は、海水、塩水、汽水、家庭雑排水、および何らかの産業用水等の非飲料水であってもよい。処理されるべきプロセス流は、塩化物、硫酸塩、臭化物、ケイ酸塩、ヨウ化物、リン酸塩、ナトリウム、マグネシウム、カルシウム、カリウム、硝酸塩、ヒ素、リチウム、ボロン、ストロンチウム、モリブデン、マンガン、アルミニウム、カドミウム、クロム、コバルト、銅、鉄、鉛、ニッケル、セレン、銀、および亜鉛等の塩類ならびに他のイオン種を含み得る。いくつかの例において、第１の溶液は、塩水もしくは海水等の鹹水、廃水または他の汚染水であってもよい。第１の溶液は、産業施設等の上流ユニット工程から、または海洋等の任意の他の源から正浸透膜処理システムに送達されてもよい。第２の溶液は、第１の溶液と比較してより高い濃度の溶質を含有するドロー溶液であってもよい。多様なドロー溶液が使用され得る。例えば、ドロー溶液は、熱分解性塩溶液を含み得る。いくつかの実施形態において、ＭｃＧｉｎｎｉｓに対する米国特許公開第２００５／０１４５５６８号（その開示は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる）に開示されるもの等のアンモニアおよび二酸化炭素のドロー溶液が使用されてもよい。一実施形態において、第２の溶液は、アンモニアおよび二酸化炭素の濃縮溶液であってもよい。少なくとも１つの実施形態において、ドロー溶液は、アンモニアと二酸化炭素を１対１よりも高いモル比で含み得る。
【００３７】
第２の（ドロー）溶液に好適な溶質は、アンモニアおよび二酸化炭素ガスならびにそれらの生成物、炭酸アンモニウム、重炭酸アンモニウム、そしてカルバミン酸アンモニウムであってもよい。アンモニアおよび二酸化炭素は、約１の比率で水中に溶解されると、主として重炭酸アンモニウムと、それよりも少ない量の関連生成物である炭酸アンモニウムおよびカルバミン酸アンモニウムを含む溶液を形成する。この溶液の平衡は、溶解性溶質種であるカルバミン酸アンモニウムおよびそれよりも少ない量の炭酸アンモニウムよりも、難溶性溶質種である重炭酸アンモニウムに有利に働く。主として重炭酸アンモニウムを含む溶液を、アンモニアの二酸化炭素に対する比率が約１．７５対２．０まで増加するように過剰なアンモニアガスで緩衝すると、溶液の平衡が、溶解性溶質種であるカルバミン酸アンモニウムに向かってシフトする。アンモニアガスは水により高い溶解性を示し、溶液によって優先的に吸着される。カルバミン酸アンモニウムは、第２の溶液の溶媒によってより吸着されやすいため、溶媒が溶質をそれ以上吸着できない程度まで、すなわち飽和まで、その濃度を増加することができる。いくつかの非限定的な実施形態において、この操作によって達成されるこの第２の溶液中の溶質の濃度は、約２モル超、約６モル超、または約６〜１２モルである。
【００３８】
１つ以上の実施形態によれば、アンモニアの二酸化炭素に対する比率は、システム内のドロー溶液の最も高い濃度に基づいて、ドロー溶液ガスの吸収流体（例えば、上述のような希釈ドロー溶液の一部）への完全吸収を実質的に可能にするべきである。２つの溶液間の所望の浸透圧差が膜システムおよび供給水回収の範囲全体にわたって維持されるように、ドロー溶液の濃度、体積、および流速は、一般に、フィード溶液の濃度、体積、および流速に合わせられるべきである。これは、膜内およびその表面における内部および外部の両方の濃度分極現象を考慮して、１つ以上の実施形態に従って算出することができる。非限定的な脱塩の一実施形態において、供給塩水の流速の約３３％である濃縮ドロー溶液の入口流速が用いられてもよく、典型的には、海水脱塩システムでは約２５％〜７５％の範囲内である。より塩分の低いフィードは、供給水流の約５％〜２５％のドロー溶液の入口流速を必要とし得る。希釈ドロー溶液の出口速度は、典型的には、供給水の入口速度の約５０％〜１００％、および鹹水排出体積の約３〜４倍であってもよい。
【００３９】
１つ以上の実施形態によれば、アンモニアの二酸化炭素に対する比率は、一般に、ドロー溶液の濃度、ならびにドロー溶質除去および回収プロセスにおいて使用される温度に合わせられるべきである。その比率が十分に高くない場合、濃縮溶液中で再利用するためにドロー溶質ガスを塩に完全に吸収させることができず、比率が高すぎる場合、プロセスを駆動するための廃熱の使用に必要な温度等の所望の温度範囲で適切に凝縮しない過剰のアンモニアがドロー溶液中に存在する。例えば、いくつかの実施形態において、蒸留塔は、５０℃でガスを除去することができ、吸収塔は、約２０℃で動作することができる。アンモニアの二酸化炭素に対する比率は、アンモニアが膜を通ってフィード溶液に通過するのを防止するためにさらに考慮されるべきである。比率が高すぎる場合、ドロー溶液（通常、主としてアンモニウム）中に、必要であるかまは望ましい濃度よりもより高い濃度で非イオン化アンモニアが存在する原因となり得る。他のパラメータ、例えば、供給水の種類、所望の浸透圧、所望の流束、膜の種類、およびドロー溶液の濃度は、好ましいドロー溶液のモル比に影響を与え得る。アンモニアの二酸化炭素に対する比率は、浸透分離プロセスにおいて監視および制御され得る。少なくとも１つの実施形態において、ドロー溶液は、アンモニアと二酸化炭素を１対１よりも高いモル比で含み得る。いくつかの非限定的実施形態において、約５０℃の、ドロー溶液中の二酸化炭素のモル濃度として特定されるドロー溶液のモル濃度を有するドロー溶液の比率は、１モルまでのドロー溶液で少なくとも約１．１対１、１．５モルまでのドロー溶液で約１．２対１、３モルまでのドロー溶液で約１．３対１、４モルまでのドロー溶液で約１．４対１、４．５モルまでのドロー溶液で約１．５対１、５モルまでのドロー溶液で約１．６対１、５．５モルまでのドロー溶液で約１．７対１、７モルまでのドロー溶液で約１．８対１、８モルまでのドロー溶液で約２．０対１、１０モルまでのドロー溶液で約２．２対１であり得る。実験により、これらは、このおおよその温度におけるこれらの濃度の溶液の安定な溶解性に必要なおおよその最小の比率であることが示されている。より低い温度では、同じ濃度のために、アンモニアの二酸化炭素に対するより高い比率が必要である。より高い温度では、より低い比率が必要であり得るが、溶質がガスに分解するのを防止するために、溶液をある程度加圧することも必要であるかもしれない。たとえ２モル未満の全体濃度であっても、１対１よりも高い比率は、一様な適量の加熱および／または圧力の減少に応じて、溶液の安定性を大幅に増加させ、二酸化炭素ガスの発生および一般的なドロー溶液の熱分解性分裂を防止する。
【００４０】
１つ以上の実施形態によれば、正浸透分離プロセスは、半透膜の第１の側に第１の溶液を導入すること、第１の溶液の少なくとも１つの特徴を検出すること、少なくとも１つの検出された特徴に基づいて、アンモニアおよび二酸化炭素を含む濃縮ドロー溶液のモル比を選択することと、選択されたモル比でアンモニアおよび二酸化炭素を含む濃縮ドロー溶液を半透膜の第２の側に導入して、半透膜を横切る所望の浸透圧濃度勾配を維持することと、半透膜を横切る第１の溶液の少なくとも一部の流れを促進して、半透膜の第１の側に第２の溶液を形成し、半透膜の第２の側に希釈ドロー溶液を形成することと、希釈ドロー溶液の少なくとも一部を分離工程に導入して、ドロー溶質および溶媒流を回収することと、半透膜の第２の側にドロー溶質を再導入して、濃縮ドロー溶液における選択された濃度およびアンモニアの二酸化炭素に対する比率を維持することと、溶媒流を収集することとを含んでもよい。
【００４１】
１つ以上の実施形態によれば、第１の溶液から溶媒を浸透抽出するための装置は、第１の溶液の源に流体的に接続された入口を有する第１のチャンバと、アンモニアと二酸化炭素を少なくとも１対１のモル比で含む濃縮ドロー溶液の源に流体的に接続された入口を有する第２のチャンバと、第１のチャンバを第２のチャンバから分離する半透膜と、蒸留塔を含む、第２のチャンバの下流に流体的に接続された分離システムと、第２のチャンバから希釈ドロー溶液を受容し、ドロー溶質および溶媒流を回収するように構成される分離システムと、第２のチャンバにドロー溶質を再導入することを促進して、濃縮ドロー溶液におけるアンモニアの二酸化炭素に対するモル比を維持するように構成される吸収体を含むリサイクルシステムとを備え得る。
【００４２】
１つ以上の実施形態によれば、種々の浸透圧駆動型膜システムおよび方法が、より大規模なシステムと統合され得る。いくつかの実施形態において、システムおよび方法は、種々の熱源および水システムと統合されてもよい。少なくとも１つの実施形態において、ドロー溶液は、復水器に付随する管の内側に供給されてもよい。いくつかの実施形態において、地下からの温水がリボイラー中で使用されてもよい。他の実施形態において、地熱、産業源からの廃熱、ソーラーコレクター、溶融塩、または蓄熱システム内の残留熱が使用されてもよい。さらに他の実施形態において、ディーゼル発電機が実装されてもよい。
【００４３】
１つ以上のさらなる実施形態において、正浸透システムおよび方法は、スケール析出の可能性を有する廃水源からの水回収率を最大化するための補助プロセスと統合されてもよい。例えば、カルシウムおよびマグネシウム塩の析出を防止するために、強酸カチオン交換樹脂上でナトリウムを用いるイオン交換を伴うもの等の技術により、フィードからカルシウムおよびマグネシウムを最初に除去することができる。樹脂を再生するためにＦＯ濃縮物が使用されてもよい。イオン交換カラム内での析出を防止するために、化学分散剤が使用されてもよい。シリカスケールを制御するために、シリカスケール分散剤がシステムのフィードに供給されてもよい。所望の濃縮係数が、分散剤の供給者によって推奨される最大量を超えるシリカ濃度をもたらす場合、シリカを除去する小規模な外部精密濾過機または限外濾過機を通してフィードの一部がリサイクルされてもよい。
【００４４】
別の実施形態において、濃縮されたフィード溶液が種晶および／または凝集剤の化学的添加を含む析出タンクに誘導されるように、溶解性の塩は、スケール防止化学物質を使用してまたは使用せずに、それらの溶解度までまたは溶解度を超えて、ＦＯ膜システムにおいて濃縮され得る。次いで、この溶液は、微粒子を除去するために沈降タンクおよび／または濾過デバイスに誘導されてもよい。次いで、この処理からの流出液が別のプロセスに誘導されてもよいか、廃棄されてもよいか、またはさらなる濃縮のためにＦＯ膜システムに再循環されてもよい。析出および／またはファウリングが膜表面上で起こらないことを確実にするために、洗浄のための流体せん断力の使用および／または気泡の導入がＦＯ膜システムにおいて使用されてもよい。
【００４５】
１つ以上の実施形態によれば、膜ファウリングは監視および制御され得る。膜ファウリングは、液体乱流およびガス導入を伴う技術等の洗浄技術を使用して制御することができる。いくつかの実施形態において、せん断力、例えば、膜表面でせん断を誘発する循環中の流体力学に関与するせん断力が、洗浄に使用されてもよい。他の実施形態において、洗浄を達成するためにスポンジボール等の物体を流路に置いてもよい。いくつかの実施形態において、ファウリングおよび生物活性は、例えば、異なる膜の領域が、異なる時点で、異なる溶液、浸透圧、ｐＨ、または他の条件を受けるように浸透圧および流路を変更するための動作パラメータの操作により制御することができる。例えば、分、時間、または年等の時間に基づく経時的な変動が予定され得る。高いスケーリングの可能性を有する溶液を処理するためにさらなるＦＯ分離システムおよび方法が使用されてもよい。これらのシステムおよび方法は、過飽和および不飽和またはシード添加スラリのいずれかを使用することにより、供給水流の著しく高い回収率を可能にし、大きな経済的および環境的な利益（例えば、より少ない取水量、より少ない排水量、より少ない化学物質の使用等）を提供する。
【００４６】
シード不添加スラリシステムは、飽和溶液を膜アレイに送るため、流束により水が除去されるとそのフィードが過飽和となる。この過飽和溶液はタンクに誘導され、この溶液を懸濁された結晶または析出のための他の核形成点と混合する。次いで、析出物を除去するために、沈降タンク、液体遠心分離機、または他の濾過デバイスにスラリが誘導される。
【００４７】
図２を参照して以下により詳細に記載されるように、シード添加スラリを使用するシステムおよび方法は、膜表面上ではなく、これらの核形成点上でさらなる析出が起こるように、膜モジュール全体にわたって溶液中に析出物を懸濁させる。スラリの取り扱いには、最大粒子径を維持するための前濾過または液体遠心分離システムが必要である。種々の実施形態において、このシステムの膜は、コーティングされていてもよく、いくつかの場合において、障壁層の磨耗を防止するために定期的に再度コーティングされてもよい。そのようなコーティングは、ポリ酢酸ビニル（ＰＶＡ）を含み得る。これらのシステムおよび方法のさらなる利点として、例えば、様々な塩の溶解限度でまたはそれを超えて、溶液の連続的な脱塩を可能にする能力、プロセスが消費する化学物質の使用を削減または排除すること、膜ファウリングを低減させること、および逆塩輸送の影響を低減させることが挙げられる。
【００４８】
１つ以上の実施形態によれば、システムおよび方法は、廃水処理用の膜バイオリアクター（ＭＢＲ）工程において使用されてもよい。いくつかの実施形態において、廃水は、単一ステップで廃棄物から再利用のために変換され得る。いくつかの実施形態は、廃棄物流中の浮遊固形物および有機物からの水の直接膜分離、または膜消化槽工程が、エネルギーおよび全体的なコストの観点から節約を提供し得るように、曝気を必要としない場合がある。非限定的な実施形態において、ＭＢＲシステムは、タンク内の比較的混合されていない領域がシートの下にある状態で、循環が膜シートの表面に沿うように設計されてもよい。固形物は、この沈降ゾーンから除去され得る。発酵は、混合されていない領域でも起こり得るため、タンク上部からのメタンの除去および使用が可能である。タンクは、ポンプ出口がタンクの一方の側に設置され、膜シートの横（幅）軸に沿って流れを方向付け、所望であれば、シートの縦軸に沿って流れが均一に分布され、上部から底部まで均一に分布されるようにせん断力および乱流を誘発するように構成されてもよい。せん断力は、例えば、曝気および撹拌と相まって、膜表面のファウリングを防止／低減するのに役立つ。さらに、タンクは、タンクの反対側の壁が、抵抗の低減された水をタンクのポンプ側に返却するように曲線状であり、この流れが膜スタックのいずれかの側を通るように構成されてもよい。膜ポケットの内部のドロー溶液は、上部から底部へ、底部から上部へ、または必要に応じて順次交互に流れ得る。膜スタックは、タンクの異なる領域がフィード溶液の異なる定常状態濃度となるように配置されてもよい。濃度分極現象を減少させ、膜表面上のファウリングおよび／またはスケーリングを防止するように膜表面を洗浄するために気泡が使用されてもよく、この空気の導入は、従来の膜バイオリアクターに特有であるような溶液への酸素の導入のためというよりも、むしろこれらの目的を対象としている。
【００４９】
１つ以上の実施形態によれば、膜バイオリアクターおよび従来の逆浸透プロセスは、産業廃水の処理のために本明細書に開示される正浸透技術に置き換えられてもよい。正浸透法は、高レベルの浮遊固形物または高レベルの溶解有機物を伴う用途において特に有益であり得る。正浸透はまた、高い生物化学的酸素要求量（ＢＯＤ）または高い化学的酸素要求量（ＣＯＤ）を有する廃水の処理のための望ましい選択肢でもあり得る。正浸透は、ＭＢＲおよび逆浸透と同じ機能を果たすが、単一ステップにおいてであり、通常、ＭＢＲがＢＯＤおよびＣＯＤの生物分解のための酸素を導入するために水を曝気するのに必要とするエネルギーを用いない。具体的には、下水を濃縮するための正浸透の使用は、空気／酸素が廃棄物を消費するために必要な細菌を得る必要性を排除し、より効率的なプロセス、つまり、より少ない機器、より少ないエネルギー、およびより小さな設置面積をもたらす。濃縮された下水は、次いで、例えば、後に論じられるようにメタンガスを生成するための消化槽に送られてもよい。
【００５０】
１つ以上の実施形態によれば、正浸透は、フィード流を濃縮するためにも使用することができる。正浸透濃縮プロセスは、逆浸透を伴うもののような精製後段階を必要とする従来の精密濾過または限外濾過プロセスとは対照的に、単一ステップのプロセスで飲料水または他の高品質な水を生成することができる：すなわちＦＯ−ＭＢＲは、従来のＭＢＲの後に逆浸透プロセスを用いた場合と同じ品質の水を生成するが、単一ステップにおいてである。
【００５１】
いくつかの実施形態において、プロセス流は、医薬品、塩、酵素、タンパク質、触媒、微生物、有機化合物、無機化合物、化学前駆体、化学製品、コロイド、食品、または汚染物質等の、濃縮および回収されるべき所望の標的種を含有し得る。少なくとも１つの実施形態において、正浸透は、鉱物の回収に使用されてもよい。いくつかの実施形態において、正浸透は、ソリューションマイニング業界において鹹水を濃縮するために使用されてもよい。鹹水溶液は、析出が、鉱物、塩、金属、およびカリ等の肥料の回収を促進し得るように、正浸透工程を用いて飽和に到達し得る。
【００５２】
高いＢＯＤおよび／または高いＣＯＤを有する流れは、正浸透プロセスを使用して濃縮され得る。いくつかの実施形態において、燃焼用のガスを生成するために、正浸透濃縮プロセスが嫌気性消化槽に連結されてもよい。生成されたガスは、別個の消化槽を用いることなく溶質回収プロセスに熱を提供することもできる。他の実施形態において、上流の正浸透プロセスおよび／または溶質回収プロセスに熱を提供するための固形物の直接燃焼のために、正浸透濃縮プロセスが焼却炉に連結されてもよい。
【００５３】
図１は、廃水処理のための正浸透システム／プロセスの略図を表している。処理されるべき廃水流は、塩、タンパク質、触媒、微生物、有機もしくは無機化学物質、化学前駆体もしくは化学製品、コロイド、または他の成分等の１つ以上の種を含有し得る。いくつかの非限定的な実施形態において、図示されるような正浸透システムおよびプロセスを用いて廃水工場による栄養塩流出を減少させることができる。
【００５４】
図１に示されるように、システム／プロセス１０は正浸透モジュール１２を含む。本明細書に記載されるもの、そして米国特許第６，３９１，２０５号、米国特許公開第２０１１／０２０３９９４号、ならびに２０１０年１０月２９日に出願されたＰＣＴ特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ１０／０５４７３８号、および２０１０年１０月２８日に出願されたＰＣＴ特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ１０／０５４５１２号にさらに記載されるもの（それらの開示は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる）等の種々の正浸透システムおよびプロセスを使用することができる。モジュール１２は、廃水源または廃水流１４（すなわち、フィード溶液）およびドロー溶液源またはドロー溶液流１６と流体連通している。廃水源１４は、例えば、都市廃水（例えば、下水）および／または放射性水を含む産業廃水（例えば、水圧破砕逆流）を含むことができる。ドロー溶液源１６は、例えば、海水等の塩水流、または、モジュール１２内の正浸透膜を通る浸透により廃水源１４を脱水するための浸透圧剤として作用することができる本明細書に記載される別の溶液を含むことができる。モジュール１２は、本明細書に記載されるようにさらに処理されてもよい濃縮溶液の流れ１８を廃水源１４から放出する。モジュール１２はまた、本明細書に記載されるようにさらに処理されてもよい希釈ドロー溶液２０も放出し、例えば、希釈ドロー溶液２０は、ドロー溶質および標的溶媒が回収され得る分離ユニット２２に誘導されてもよい。
【００５５】
図２は、正浸透膜モジュール１０２が密閉されたアセンブリ内に浸漬されるかまたは設置されてもよい、システム／プロセス１１０を示す。ファウリングを低減させるための上記方法に加えて、図２に示されるシステム／プロセス１１０は、廃水または他のフィード溶液の源を処理するためにシード添加スラリ法を用いる。図示されるように、システム／プロセス１１０は、廃水流１１４およびドロー溶液流１１６と流体連通している正浸透モジュール１１２を含む。モジュール１１２は、廃水を受容するためのチャンバまたはタンク１０４を含む。チャンバ１０４は、膜モジュール１０２を保持するように構成される。図１を参照して論じたように、ＦＯモジュール１１２もまた、濃縮溶液１１８および希釈ドロー溶液１２０を放出する。
【００５６】
１つ以上の実施形態によれば、シード添加スラリ１０６を作製するためにシードがチャンバ１０４に加えられる。シードは、その上にある特定の溶質（例えば、塩またはアミノ酸）が選択的に析出するための核形成点を提供する。標的とされる溶質は、膜表面上に堆積するのとは対照的に、シード添加スラリ１０６から析出してチャンバ１０４の底部に沈降し、析出した溶質は前述のようにそこでさらに処理され得る。これらは、例えば、シードとしてタンクに再誘導された析出した固形物とともに、プロセスに一部再利用することができる。また、チャンバ１０４は、正浸透プロセスを向上させるためのさらなる手段、例えば、以前に開示されているように、膜ファウリングを低減させるため、および／またはシードの有効性を向上させるための曝気および撹拌等を含むことができる。
【００５７】
正浸透モジュールにおけるシードの使用は、前処理を必要とし得るかまたは望ましい溶質を含有し得るフィード、例えば、医薬的プロセスからのフィードにとって、特に有益である。シードは、標的溶質の回収に役立つ。さらに、高レベルの浮遊固形物を有する廃水の処理に関して、固形物の一部がチャンバ１０４の底部から取り除かれてもよく、別の一部は、シードの使用により析出することができる。また、シードのサイズおよび組成は、例えば、医薬化合物の回収または逆塩輸送の影響を低減させる等の、特定の用途に適合するように選択することができる。
【００５８】
図３は、１つ以上の前処理および／または後処理ユニット工程２１４、２１６を含む正浸透システム／プロセス２１２を使用した溶媒の浸透抽出のためのシステム２１０の略図を表している。上で参照した米国特許第６，３９１，２０５号、米国特許公開第２０１１／０２０３９９４号、ならびにＰＣＴ国際公開第ＷＯ２０１１／０５３７９４号および第ＷＯ２０１１／０５９７５１号にさらに記載されるもの等の種々の正浸透システムおよびプロセスを使用することができる。
【００５９】
１つ以上の実施形態によれば、システム２１０は、正浸透プロセス２１２を促進するための１つ以上の前処理工程２１４を含んでもよい。前処理は、処理されるべきプロセス流のｐＨレベルの上昇等のｐＨ調整、スケール防止剤の使用、種々の種類の濾過、ポリマーの添加、熱交換、軟化、およびナノ濾過軟化を含み得る。
【００６０】
１つ以上の実施形態によれば、システム２１０は、１つ以上の後処理工程２１６を含んでもよい。後処理は、第２パス逆浸透分離、イオン交換分離、さらなる正浸透プロセス、または他のアンモニアおよび／または塩除去工程を含み得る。後処理は、生成水の塩分をシングルパス正浸透システムによって生成される塩分よりも低く減少させ得る。他の実施形態において、後処理は、代替としてまたは付加的に、さもなければ生成物流中に存在したであろうドロー溶質を除去するために使用されてもよい。いくつかの特定の非限定的な実施形態において、正浸透による鹹水の排出は、イオン交換、蒸留、浸透気化、膜蒸留、曝気、生物学的処理、または鹹水中で逆拡散するドロー溶質を除去するための他のプロセスを使用して後処理されてもよい。さらなる後処理工程は、例えば、結晶化および蒸発を用いたゼロ液排出（ＺＬＤ）処理を含むことができる。一実施形態において、ＺＬＤ処理は、例えば、蒸発システムの代わりに、正浸透システムを使用する。
【００６１】
１つ以上の実施形態によれば、流束を向上させるために、ドロー溶質回収プロセスからの廃熱を用いて供給水を予熱してもよい。ドロー溶質回収プロセスの例は、上で参照した‘８１９公開に記載される。ドロー溶質回収システムは、冷却を必要とし得る。例えば、ストリッパーの復水器が冷却を必要とする場合がある。よって、膜フィード流が正浸透膜に導入される前に、該流によって冷却が提供され得る。膜フィード流は、ドロー溶質回収プロセスの間にドロー溶質流の再吸収を可能にするのに十分な冷却を提供し得る。一実施形態において、フィード流は、回収プロセス内の１つ以上の流れを周囲温度に冷却することができる。さらに、より高い膜システムの温度は、水の透過性を増加させること、ドロー溶質および／またはフィード溶質の拡散性を増加させること、ならびに熱膨張により膜細孔構造を向上させることによるより高い流束と関連し得る。
【００６２】
１つ以上の実施形態によれば、鹹水は、ドロー溶質回収プロセスから熱を除去するために使用されてもよい。鹹水を加熱することにより、鹹水中に残留する溶質を蒸発させることができる。具体的には、正浸透膜からの鹹水濃縮物は、ストリッパーの上部にある復水器に誘導され得、ストリッパーに冷却を提供する。鹹水によって吸収された熱は、鹹水から溶解ガスを駆動するのに役立ち得、生成水流からのドロー溶質のリサイクルに使用されるものと同様である、鹹水の後処理としてのストリッピングプロセスに使用され得る。例えば、膜システムにおける逆塩流束によって鹹水流に進入したドロー溶質は、いくつかの実施形態において、例えば、‘８１９公開に開示される他のプロセスと併せて、鹹水を加熱することによって回収することができる。いずれの場合でも、ドロー溶質は、濃縮ドロー溶液に返却され、再利用され得る。
【００６３】
１つ以上の実施形態によれば、活性炭または他の有機物質が、希釈ドロー溶液ストリッピングシステムおよび／または鹹水後処理システムからのガス流を吸収または濾過するために使用されてもよい。吸収工程は、さもなければドロー溶液システム内に蓄積したであろう処理済みの流れの揮発性成分を除去することができる。例えば、正浸透膜を通過する溶解性の有機化合物は、溶質回収システムにおいて揮発させられてもよい。非ドロー溶質揮発性成分を含有するドロー溶質が除去されるべき流れのいずれの成分の場合にも、同様のシステムが使用され得る。揮発性化合物の蓄積を防止するための任意の適切な分離工程が、ストリッピングシステムからの蒸気流に対して使用されるべきである。例えば、液相におけるストリッピングの前に、気相における凝縮の前に、液相における凝縮の後に、またはその使用によってこれらの化合物の蓄積が防止されるであろう任意の時点でドロー溶液システム内において、分離が提供され得る。一実施形態において、ドロー溶液の蒸気および液体流は、冷却され、ドロー溶質の実質的に完全な再吸収を可能にするのに十分な期間の間互いに接触させられる（充填塔または膜システム内で行われ得る）。
【００６４】
１つ以上の実施形態によれば、イオン交換、ナノ濾過、または同様のプロセスによる水の軟化は、正浸透プロセスの前処理として実施され得る。いくつかの特定の実施形態において、生成塩が確実に高品質となるように、ゼロ液排出水の処理前に軟化が提供されてもよい。軟化プロセスは二価イオンを選択的に除去することができるため、塩およびその組成物（高純度塩化ナトリウム等）の純度は、前処理軟化工程によって選択され得る。よって、一体化型システムは、高価値生成物を生じさせ得る。正浸透処理後の鹹水は、イオン交換の再充填に使用されてもよい。他の実施形態において、正浸透分離後に塩を生成するために、任意の種類の晶析装置が使用されてもよい。
【００６５】
図４は、本発明の１つ以上の実施形態による溶媒の浸透抽出のためのシステム２１０の考えられる一用途を表す。図３を参照して論じたように、システム２１０は、正浸透システム２１２と、１つ以上の前処理および後処理ユニット２１４、２１６とを含む。システム２１０は、１つ以上の正浸透システム２１２と併せて、前処理のみまたは後処理のみを含む、前処理および／または後処理ユニット２１４、２１６の任意の組み合わせを含むことができる。本明細書に記載される種々のシステム／ユニットは、従来の配管技術によって相互接続され得、種々のシステムおよびプロセスの動作を監視および制御するために、ポンプ、バルブ、センサ、ゲージ等の任意の数および組み合わせの構成要素を含むことができる。本明細書に記載されるようなコントローラと併せて種々の構成要素が使用されてもよい。
【００６６】
図４に示される用途において、システム２１０は、内陸の源２１８からの汽水を処理するために使用される。図示するように、フィード流２２０が前処理ユニット２１４に誘導され、そこでフィード流は、例えば加熱される。フィード流の前処理が行われた時点で、処理済の流れ２２２が次いで正浸透システム２１２に誘導され、そこで本明細書で論じたような第１の溶液を提供する。任意選択的に、処理済の流れ２２２は、正浸透システム２１２に進入する前に、さらなる処理（例えば、ｐＨ調整等）のためにさらなる前処理ユニットに誘導することができる。流れ２２４によってドロー溶液が正浸透システム２１２に提供され、本明細書において論じられるように、膜を横切る溶媒の輸送を促進するために必要な浸透圧勾配を提供する。
【００６７】
溶媒が抽出された濃縮されたフィードまたは処理済の流れ２２６、および溶媒が添加された希釈ドロー流２２８の少なくとも２つの流れが正浸透システム２１２から出る。次いで、濃縮された流れ２２６は、さらなる溶媒を回収するための第２の正浸透システム等の、さらなる処理のための後処理ユニット２１６に誘導されてもよい。ゼロ液排出をさらに提供するために、例えば、結晶化および蒸発等のさらなる後処理プロセスが用いられてもよい。完全に処理されたまたは濃縮されたフィードは、濃縮物の性質に依存して、廃棄されるか、リサイクルされるか、またはさもなければ再生されてもよい（矢印２３８）。
【００６８】
希釈ドロー流２２８は分離システム２３０に誘導されてもよく、そこで溶媒および／またはドロー溶質が回収され得る。任意選択的に、希釈ドロー流２２８はまた、さらなる処理のために、所望により後処理ユニットに誘導されてもよい（流れ２２８ａ）。１つ以上の実施形態において、分離システム２３０は、希釈ドロー流２２８からドロー溶質を分離し、実質的に精製された溶媒流２３２、例えば、飲料水と、ドロー溶質流２３６とを生成する。１つ以上の実施形態において、溶媒流２３２はまた、溶媒の最終的な用途に依存して、さらなる処理のために後処理ユニットに誘導されてもよい（流れ２３２ａ）。例えば、溶媒は、溶媒中になおも存在し得るさらなるドロー溶質を除去するために、蒸留によってさらに処理され得る。１つ以上の実施形態において、回収されたドロー溶質の意図される用途に依存して、ドロー溶質流２３６は、ドロー流２２４に直接返却されてもよいか（流れ２３６ａ）、ドロー流２２４に再統合されるようにリサイクルシステム２３４に誘導されてもよいか（流れ２３６ｂ）、またはさらなる処理のために後処理ユニットに誘導されてもよい（流れ２３６ｃ）。１つ以上の実施形態において、リサイクルシステム２３４は、例えば、フィード流２２０との熱交換を提供するために、前処理ユニット２１４と併せて使用されてもよい（流れ２４０）。
【００６９】
図５は、分離／リサイクルユニットから排出された精製水を後処理するための逆浸透ユニットを使用し、逆浸透システムからの濃縮物を正浸透システムのフィードに再誘導することによって、システム全体のイオン平衡を調整し、正浸透システムからさらなるドロー溶質を回収するように構成される浸透圧駆動型膜システム３１０を表している。この構成により、ある特定の化学物質の添加および／もしくは除去、またはさらなるシステム／プロセス（例えば、イオン交換体）を必要とせずに、さらなるドロー溶質を回収し、システム全体のイオン平衡を維持することが可能である。
【００７０】
図５に示されるように（また、図４に示されるシステム２１０と同様に）、システム３１０は正浸透ユニット３１２を含み、該ユニットは、フィードまたは第１の溶液３２０の源を含むかまたはそれと流体連通している１つ以上の第１のチャンバ３１２ａを含む。また、正浸透ユニット３１２は、半透過性の正浸透膜３１３によって第１のチャンバ（複数可）３１２ａから分離される１つ以上の第２のチャンバ３１２ｂも含む。第２のチャンバ（複数可）３１２ｂは、濃縮ドロー溶液３２４の源を含むかまたはそれと流体連通しているかのいずれかである。濃縮ドロー溶液３２４は、膜３１３を横切る浸透圧濃度勾配を維持するのに十分な溶質濃度を有し、それによって第１の溶液／フィード溶液３２０からの溶媒を膜３１３を横切って第２のチャンバ３１２ｂ内に流動させ、濃縮ドロー溶液を希釈させる。第１の溶液３２０は、第１のチャンバ３１２ａ内で濃縮され、第２の溶液３２２を形成する。
【００７１】
正浸透プロセスの間、膜３１３を横切ってイオン交換が起こり得る。ＮａＣｌを含有するフィード溶液とともにＮＨ３−ＣＯ２ドロー溶液を使用する例示的なシステムにおいて、アンモニウムイオン（ＮＨ４＋）は、正浸透膜３１３の第２のチャンバ／側３１２ｂから膜３１３の第１のチャンバ／側３１２ａに移動することができ、ナトリウムイオン（Ｎａ＋）は、膜３１３の第１のチャンバ／側３１２ａから膜３１３の第２のチャンバ／側３１２ｂに移動することができる。このイオン交換によって、溶質の少なくとも１つの第１のイオン種（例えば、ＮＨ４＋）を含有する第２の溶液３２２と、溶質の少なくとも１つの第２のイオン種（例えば、Ｎａ＋）を含有する希釈ドロー溶液３２６とがもたらされる。イオン交換の悪影響により、回収可能なドロー溶質の損失と、より塩分の高い生成水が生じる可能性がある。後に記載されるような逆浸透システムおよびさらなる分離システムの新規使用法は、イオン交換現象の悪影響を克服し、生成水の品質向上に加えて、ドロー溶質の回収率に予期せぬ向上を提供する。
【００７２】
希釈ドロー溶液３２６は、分離および／またはリサイクルシステム３３０に誘導され、そこで希釈ドロー溶液３２６が、正浸透プロセスを介して得られるドロー溶質（または濃縮ドロー溶液）３２８と溶媒（例えば、飲料水）とに分離される。この回収された溶媒３３２は、膜を通して交換されたがドロー溶質の回収工程中には除去されなかった、溶質の少なくとも１つの第２のイオン種を含有する。ドロー溶質は、'８１９公開に記載されるものを含む、本明細書に記載されるシステムおよび方法のいずれかによって回収され得る。回収されたドロー溶質３２８は、濃縮ドロー溶液３２４の源にリサイクルされてもよいか、またはその基礎を形成することができる。
【００７３】
イオン交換現象のために、この初期分離／リサイクルプロセスの間にドロー溶質の全てが回収できるわけではない。例えば、あるイオン種（例えば、ＮＨ４＋）が膜を通って逆イオン交換し、溶質の別のイオン種（Ｎａ＋）がドロー溶液に進入した場合、希釈ドロー溶液中のドロー溶質の比率が不均衡となる。ドロー溶質（例えば、アンモニア（ＮＨ３）および二酸化炭素（ＣＯ２））の平衡は、希釈ドロー溶液から全てのドロー溶質を最も効果的に除去するように保たれなければならない。したがって、溶質の少なくとも１つの第２のイオン種は、回収された溶媒中に依然として存在するドロー溶質のイオン種（例えば、炭酸塩）を含み得る。例示的な実施形態において、アンモニアイオンの損失は、溶媒中に過剰な炭酸塩イオンが依然として存在し続けるという結果をもたらす。この実施形態では、回収された溶媒に存在する溶質の少なくとも１つの第２のイオン種は、溶液中のナトリウムイオン（Ｎａ＋）および炭酸塩イオン（ＣＯ３−）を含む。
【００７４】
１つ以上の実施形態において、分離／リサイクルシステム３３０は、希釈ドロー溶液からアンモニアおよび二酸化炭素の溶質を除去するために廃熱を使用する。以前に論じたように、アンモニウムイオンが正浸透膜３１３を通って逆交換したため、アンモニアの二酸化炭素に対する比率が変更され、全ての二酸化炭素（そのうちのいくらかは炭酸塩の形態で存在する）を除去するのに十分な量のアンモニアが希釈ドロー溶液中に存在しない。要求される比率で希釈ドロー溶液中に存在するＮＨ３ＣＯ２は、溶液から蒸発させられ、溶媒と、回収された溶媒を含む溶液中のナトリウムイオンおよび炭酸塩イオン（すなわち、溶質の少なくとも１つの第２のイオン種）とが残る。
【００７５】
通常は最終生成物であると考えられるかもしれない、溶質の少なくとも１つの第２のイオン種を含有する回収された溶媒３３２が、逆浸透システム３１６に誘導される。典型的には、溶媒３３２は、ポンプ３３８等の圧力交換デバイスによって加圧され、逆浸透システム３１６に移動される。溶媒３３２は、加圧下で逆浸透システム３１６の第１のチャンバ／側３１６ａに移動され、それによって溶媒を逆浸透膜３１７に強制的に通らせ、膜３１７の第２のチャンバ／側３１６ｂに精製された溶媒３３４を生じさせる。精製された溶媒３３４は、任意の意図される目的のために収集されてもよい。膜３１７の第１のチャンバ／側３１６ａでは溶質の少なくとも１つの第２のイオン種を含有する濃縮溶液がなおも加圧下にあり、膜３１７を通過することができない。この濃縮溶液３３６は、次いで正浸透システム３１２に誘導される。具体的には、濃縮溶液３３６は、フィード／第１の溶液３２０に加えられ、それとともにシステム３１２／膜３１３の第１のチャンバ／側３１２ａに導入される。濃縮溶液３３６の導入により、溶質の少なくとも１つの第１のイオン種および少なくとも１つの第２のイオン種（例えば、Ｎａ＋、ＮＨ４＋、およびＣＯ３−）の両方を含有する第２の溶液が生じる。代替の実施形態において、濃縮溶液３３６は、正浸透ユニット３１２／第１の溶液３２０に直接返却されず、破線３２３で示されるように第２の分離システム３４０に直接移動され、その場合、濃縮溶液３３６は、第２の溶液または鹹水濃縮物と混合される。これは、濃縮溶液３３６が、例えば、システム内の浸透圧を低下させることによって正浸透ユニット３１２の動作に悪影響を与える可能性のあるより多くのＴＤＳを有する場合に、特に有益であり得る。
【００７６】
第２の溶液３２２中の溶質の第１および第２のイオン種の平衡が保たれ、それによって、炭酸アンモニウムおよび／または重炭酸アンモニウムおよび／またはカルバミン酸アンモニウム（すなわち、さらなる除去可能なドロー溶質）の形成がもたらされる。第２の溶液３２２は、第２の分離／リサイクルシステム３４０に誘導される。いくつかの実施形態において、システム３４０は、鹹水を濃縮／分離するために使用される。分離／リサイクルシステム３４０は、第１の分離／リサイクルシステム３３０と同様に作用し、新たに形成されたさらなるドロー溶質３４４を分離する。これらのドロー溶質３４４は、濃縮ドロー溶液の源３２４に戻されてリサイクルされてもよい。均衡の取れたアンモニアイオンおよび炭酸塩イオンの比率は、第２の溶液から事実上全てのドロー溶質が除去および回収されることを可能にする。残った第２の溶液（例えば、鹹水）３４２は、さらに処理されてもよいか、または廃棄されてもよい。
【００７７】
図６は、システム全体のイオン平衡を維持し、ドロー溶質の回収率を最大化するように構成される種々の浸透圧駆動型膜システムの動作を一般的に示すフローチャートである。図６に示されるように、プロセスは、正浸透システムの形態で第１の浸透圧駆動型膜システムを提供すること（ステップ４０５）から始まる。第１の溶液および濃縮ドロー溶液は、第１のシステム内の正浸透膜の両側に導入される（ステップ４１５、４２５）。プロセスは、第１の溶液からの溶媒の流れを濃縮ドロー溶液中に促進するステップ（ステップ４３５）をさらに含む。このステップにより、膜の一方の側に第２の溶液、そして膜の反対の側に希釈ドロー溶液の形成がもたらされる。イオン交換現象に起因して、第２の溶液は、膜を通って逆交換した溶質の第１のイオン種を含み、希釈ドロー溶液は、膜を通って順交換された溶質の第２のイオン種を含む。
【００７８】
プロセスにおける次のステップのうちの１つは、希釈ドロー溶液を第１の分離／リサイクルシステムに誘導すること（ステップ４４５）を含み、そこでドロー溶質が回収され、濃縮ドロー溶液に戻されてリサイクルされる。一般に、濃縮ドロー溶液からのドロー溶質の第１のイオン種が損失するため、希釈ドロー溶液中のドロー溶質の不均衡が存在し、希釈ドロー溶液からの全てのドロー溶質の回収が妨害／防止される。具体的には、過剰な少なくとも１つのドロー溶質は、溶質の少なくとも１つの第２のイオン種に含まれるドロー溶質のイオン種として回収された溶媒中に残る。例示的なシステムにおいて、溶質の少なくとも１つの第２のイオン種は、ナトリウムイオンおよび炭酸塩イオンを含む。
【００７９】
次いで、第１の分離システム内で回収された残留溶媒が、加圧下で逆浸透システムの形態の第２の浸透圧駆動型膜システムに誘導される（ステップ４５５）。逆浸透膜を横切る溶媒の流れが促進され、膜の一方の側に精製された溶媒、そして膜の反対の側に濃縮された溶液が生じる（ステップ４６５）。精製された溶媒は、使用（例えば、飲料水として）のために収集されてもよいか、またはさもなければさらに処理されてもよい。溶質の少なくとも１つの第２のイオン種を含有する濃縮溶液は、第１の浸透圧駆動型膜システムに誘導され、そこで第１の溶液と合わせられ、第１の浸透圧駆動型膜システムに導入される（ステップ４７５）。
【００８０】
溶質の少なくとも１つの第２のイオン種（例えば、Ｎａ＋およびＣＯ３−）は、第２の溶液中に存在する溶質の少なくとも１つの第１のイオン種（ＮＨ４＋）と平衡を保ち（ステップ４８５）、それによってさらなる除去可能なドロー溶質の形成がもたらされる。第２の溶液は、第１の浸透圧駆動型膜システムから除去され、第２の分離／リサイクルシステムに誘導されてもよく（ステップ４９５）、そこでさらなるドロー溶質が除去され、濃縮ドロー溶液にリサイクルされてもよい。残りの濃縮された第２の溶液（例えば、鹹水）は、さらに処理されてもよいか、またはさもなければ廃棄されてもよい。
【００８１】
１つ以上の実施形態によれば、本明細書に記載されるデバイス、システム、および方法は、一般に、デバイス、またはシステムの構成要素の少なくとも１つの動作パラメータを調整または制御するためのコントローラ（限定されないが、作動バルブまたはポンプ等）、および正浸透膜モジュールを通る１つ以上の流体の流れの特性または特徴を調整するための、コントローラを含んでもよい。コントローラは、濃度、流量、ｐＨレベル、または温度等のシステムの少なくとも１つ以上の動作パラメータを検出するように構成される少なくとも１つのセンサと電気通信していてもよい。コントローラは、一般に、センサによって発生される信号に応答して、１つ以上の動作パラメータを調整するための制御信号を発生するように構成され得る。例えば、コントローラは、浸透圧駆動型膜システムならびに関連する前処理および後処理システムの任意の流れ、構成要素、またはサブシステムの状態、特性、または状況の表示を受信するように構成されてもよい。コントローラは、典型的には、表示および標的の値または所望の値（設定点等）のうちのいずれかの１つ以上に典型的に基づく少なくとも１つの出力信号の発生を促進するアルゴリズムを含む。１つ以上の特定の態様によれば、コントローラは、任意の流れの任意の測定された特性の表示を受信し、システム構成要素のいずれかに制御信号、駆動信号、または出力信号を発生させて、測定された特徴の標的値からのいかなる偏差も減少させるように構成されてもよい。
【００８２】
１つ以上の実施形態によれば、プロセス制御システムおよび方法は、ｐＨおよび伝導度を含む検出されたパラメータに基づき得る種々の濃度レベルを監視することができる。プロセス流の流速およびタンクレベルもまた制御され得る。温度および圧力が監視され得る。膜漏出は、イオン選択的プローブ、ｐＨメータ、タンクレベル、および流れの流速を使用して検出され得る。また、漏出は、ガスを用いて膜のドロー溶液側に加圧すること、ならびに、供給水側における漏出の超音波検出器および／または目視観測を使用することによっても検出され得る。他の動作パラメータおよびメンテナンス項目が監視され得る。例えば、生成水の流速および品質、熱流量および電気エネルギーの消費を測定することによって、種々のプロセス効率が監視され得る。生物学的ファウリングの軽減のための洗浄プロトコルは、膜システムの特定の点におけるフィード溶液およびドロー溶液の流速によって決定される流束の低下を測定すること等によって制御され得る。鹹水流に関するセンサは、蒸留、イオン交換、不連続点塩素処理法、または同様のプロトコル等の処理が必要である場合に、指示することができる。これは、ｐＨ、イオン選択的プローブ、フーリエ変換赤外分光法（ＦＴＩＲ）、またはドロー溶質の濃度を感知する他の手段を用いて実施されてもよい。ドロー溶液の状態は、溶質の補給添加および／または交換のために監視および追跡されてもよい。同様に、生成水の品質は、従来の手段によって、またはアンモニウムもしくはアンモニアプローブ等のプローブを用いて監視され得る。ＦＴＩＲは、存在する種を検出して、例えば、適切な工場の操業を保証するため、そして膜イオン交換効果等の挙動を特定するために有用であり得る情報を提供するために実施され得る。
【００８３】
正浸透は、例えば、イオン交換、化学的軟化、ナノ濾過、スケール防止剤、および／または析出技術を含む、高い供給水回収率を可能にするためのスケール防止前処理と組み合わせられてもよい。ＦＯのためのスケーリング防止システムにおける空気洗浄は、膜表面上でのスケーリングを防止するために使用され得る。正浸透は、生物活性のために、曝気せずに有機物含有水に使用されてもよい。廃棄物流は、消化槽における潜在的な使用のために濃縮され得る一方で、エネルギー使用のために膜タンク内で潜在的にメタンを生成し、再利用品質の生成水を生成する。このことは、浸漬された膜タンク設計において特に効果的であり得る。酸素を提供することに加えて、空気洗浄はまた、膜ファウリングを生じない高濃度の有機物を可能にするためにも使用され得る。バッチ式または連続撹拌タンク反応器（ＣＳＴＲ）式の工程は、特に、有機物濃縮正浸透および／または析出システムの機能増強を可能にするために、正浸透とともに実装されてもよい。圧力遅延浸透システムも、浸漬したタンク構成であり得る。圧力遅延浸透システムは、ファウリングおよび／またはスケーリングを防止するため、ならびに濃度分極を減少させるために、曝気されてもよい。反応性ガスも、この機能を補助し得る。正浸透システムにおける生物学的増殖は、どの膜モジュールまたはアレイの区域が高いまたは低い浸透圧に暴露されるかを変更することによって制御され得る。例えば、通常０．５Ｍの水に触れる膜アレイの区域は、２Ｍの水の処理に変更され得る。そのような調整は、生物膜増殖を非常に困難にする。また、ある特定の種類の生物有機体の増殖を防止するために、フィード流の脱気が行われてもよい。例えば、酸素を除去することは、ドロー溶液からフィード溶液へと通過するアンモニアを酸化し得る硝化有機体の増殖を制限し得る。亜硫酸還元、生物学的処理、浸透圧衝撃、ドロー溶液と反応しない従来の洗浄技術、化学物質を含まない生成水流束、鹹水溶液の曝気、および亜硫酸水素塩の添加は、生物活性を抑制するために実施され得る他の技術である。いくつかの実施形態において、所望の流束、浸透圧差、アンモニアの二酸化炭素に対する比率、および濃度を確実にするために、ｐＨ、イオンプローブ、ＦＴＩＲ、および／または流速を使用して正浸透システムを制御してもよい。
【００８４】
本発明のいくつかの例示的な実施形態をここに記載してきたが、当業者には、上記が単なる例示であって限定的ではなく、例として提示されてきたに過ぎないことは明らかであるはずである。多数の変更および他の実施形態が当業者の範囲内であり、本発明の範囲内に属することが企図される。具体的には、本明細書に記載される例の多くが方法の行為またはシステムの要素の特定の組み合せを含むが、同じ目的を達成するために、それらの行為およびそれらの要素が他の方法で組み合わせられてもよいことを理解されたい。
【００８５】
さらに、当業者は、本明細書に記載されるパラメータおよび構成は例示的であり、実際のパラメータおよび／または構成は、本発明のシステムおよび技術が使用される特定の用途に依存することを理解するであろう。当業者はまた、日常的な実験のみを使用して、本発明の特定の実施形態の均等物を認識するかまたは確認することができるはずである。したがって、本明細書に記載される実施形態は、例としてのみ提示されるのであって、いずれの添付の請求項およびその均等物の範囲内において、本発明は具体的に記載される以外にも実践され得ることを理解されたい。
【００８６】
本明細書において使用される言い回しおよび専門用語は、説明を目的とするものであって、限定的であるとみなされるべきではない。本明細書において使用される場合、「複数」という用語は、２つ以上の品目および構成要素を指す。「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「担持する」、「有する」、「含有する」および「関与する」という用語は、明細書または特許請求の範囲等に記載されているかにかかわらず、非限定的な用語であり、すなわち、「含むがそれに限定されない」を意味する。よって、そのような用語の使用は、それ以降に列挙される品目、およびそれらの均等物、ならびにさらなる品目を包含することが意図される。任意の請求項に関連して、「構成される」および「本質的に構成される」という移行句のみが、それぞれ閉鎖的または半閉鎖的な移行句である。請求項の要素を修飾するための特許請求の範囲における「第１の」、「第２の」、「第３の」等の順序を示す用語の使用は、それ自体は、ある請求要素の別の要素に対するいかなる優先性、先行性、もしくは順序、または方法の行為が行われる時間的な順序を示唆するものではなく、請求要素を区別するために、（序数用語の使用を別にすれば）ある特定の名称を有する１つの請求要素を同じ名称を有する別の要素と区別するための標識として使用されるに過ぎない。
【符号の説明】
【００８７】
１０  システム／プロセス
１２  正浸透モジュール
１４  廃水源または廃水流
１６  ドロー溶液源またはドロー溶液流
１８  濃縮溶液の流れ
２０  希釈ドロー溶液
２２  分離ユニット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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