(57)【要約】 有機化合物を含む随伴水を処理するシステムおよび方法であって、処理容器（１００）、ろ過材を含むろ過層（１５０）、および洗浄サイクル中に、ろ過材に洗浄液を提供する洗浄システムを含む。ろ過層（１５０）は、処理システムの処理サイクル中に処理容器（１００）に入る随伴水（１６０）の少なくとも一部が、処理容器を出る前にろ過層（１５０）を通過するように構成される。ろ過材（１５０）は、水溶液に実質的に不溶な金属水酸化物又は金属オキソ水酸化物などの金属化合物である。洗浄液は、有機化合物を分解せずに、金属化合物を水溶液に可溶な還元化合物に還元できる試薬を含む。原油などの有機化合物は、洗浄サイクル後にろ過層材から回収され、ろ過層（１５０）は再生され得る。
2020523189.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機化合物を含む随伴水の処理システムであり、
随伴水源および第１容器排出口と流体連結する容器吸入口を有する処理容器と、
前記容器吸入口と前記第１容器排出口との間の前記処理容器内の、ろ過材を含むろ過層と、
処理システムの洗浄サイクル中に、前記ろ過材に洗浄液を供給する洗浄システムと、
を含み、
ここで、
ろ過層が、処理システムの処理サイクル中に前記容器吸入口を通って前記処理容器に入る随伴水源からの随伴水の少なくとも一部が、ろ過された随伴水として、前記第１容器排出口を通り前記処理容器から排出される前に前記ろ過層を通過するように、前記処理容器内に構成され、
前記ろ過材が、水溶液に実質的に不溶な金属化合物であり、前記金属化合物は、金属水酸化物、金属オキソ水酸化物、又はそれらの組み合わせから選択され、
前記洗浄液が、還元剤を含み、
前記金属化合物が、洗浄サイクル中に前記還元剤によって還元され、水溶液に可溶な還元金属化合物を形成する、処理システム。
【請求項２】
前記金属水酸化物が、
水酸化鉄（ＩＩＩ）、水酸化銅（ＩＩ）、水酸化マンガン（ＩＩＩ）、水酸化クロム（ＩＩＩ）、およびそれらの組み合わせからなる群から選択され、
前記金属オキソ水酸化物が、オキソ水酸化鉄（ＩＩＩ）（フェリハイドライト）、オキソ水酸化マンガン（ＩＩＩ）、オキソ水酸化クロム（ＩＩＩ）、およびその組み合わせからなる群から選択される、請求項１に記載の処理システム。
【請求項３】
前記金属化合物が、水酸化鉄（ＩＩＩ）、水酸化銅（ＩＩ）、水酸化マンガン（ＩＩＩ）、水酸化クロム（ＩＩＩ）、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される金属水酸化物を含む、請求項１又は請求項２に記載の処理システム。
【請求項４】
前記金属化合物が、オキソ水酸化鉄（ＩＩＩ）（水酸化フェリドライト）、オキソ水酸化マンガン（ＩＩＩ）、オキソ水酸化クロム（ＩＩＩ）、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される金属オキソ水酸化物を含む、請求項１〜請求項３のいずれかに記載の処理システム。
【請求項５】
前記金属化合物が、水酸化鉄（ＩＩＩ）、フェリハイドライト、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項１に記載の処理システム。
【請求項６】
前記還元剤が、次亜リン酸又はその塩、亜リン酸又はその塩、シュウ酸又はその塩、ギ酸又はその塩、アンモニア水、アンモニウム塩、ヒドロキシルアミン、塩基性条件下の水素、金属チオ硫酸塩、金属亜硫酸塩又はアルカリ金属亜硫酸塩、水素化物、水素化ホウ素ナトリウム、亜硫酸水素ナトリウム、亜硫酸二ナトリウム、水性二酸化硫黄、亜硫酸又はその塩、およびそれらの任意の組み合わせから選択される、請求項１〜請求項５のいずれかに記載の処理システム。
【請求項７】
前記還元剤が、二酸化硫黄水溶液、亜硫酸、又は亜硫酸塩を含む、請求項６に記載の処理システム。
【請求項８】
前記還元剤が、二酸化硫黄水溶液、亜硫酸、亜硫酸水素ナトリウム、又は亜硫酸二ナトリウムから選択される、請求項７に記載の処理システム。
【請求項９】
前記金属化合物が、フェリハイドライトである、請求項６〜請求項８のいずれかに記載の処理システム。
【請求項１０】
前記洗浄液が、前記還元剤の水溶液である、請求項１〜請求項９のいずれかに記載の処理システム。
【請求項１１】
前記ろ過層と前記第１容器排出口との間にセラミック膜をさらに含み、前記ろ過層が、セラミック膜の被覆表面上の金属化合物の被覆層を含む、請求項１に記載の処理システム。
【請求項１２】
前記セラミック膜が、チタン−酸化ジルコニウム膜、シリカ膜、又はアルミナ膜から選択される、請求項１１に記載の処理システム。
【請求項１３】
前記金属水酸化物が、
水酸化鉄（ＩＩＩ）、水酸化銅（ＩＩ）、水酸化マンガン（ＩＩＩ）、水酸化クロム（ＩＩＩ）、およびそれらの組み合わせからなる群から選択され、
前記金属オキソ水酸化物が、オキソ水酸化鉄（ＩＩＩ）（フェリハイドライト）、オキソ水酸化マンガン（ＩＩＩ）、オキソ水酸化クロム（ＩＩＩ）、およびその組み合わせからなる群から選択される、請求項１１又は１２に記載の処理システム
【請求項１４】
前記金属化合物が、水酸化鉄（ＩＩＩ）、水酸化銅（ＩＩ）、水酸化マンガン（ＩＩＩ）、水酸化クロム（ＩＩＩ）、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される金属水酸化物を含む、請求項１１〜請求項１３のいずれかに記載の処理システム。
【請求項１５】
前記金属化合物が、オキソ水酸化鉄（ＩＩＩ）、水酸化マンガン（ＩＩＩ）、オキソ水酸化クロム（ＩＩＩ）、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される金属オキソ水酸化物を含む、請求項１１〜請求項１４のいずれかに記載の処理システム。
【請求項１６】
前記金属化合物が、水酸化鉄（ＩＩＩ）、フェリハイドライト、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項１１又は請求項１２のいずれかに記載の処理システム。
【請求項１７】
前記還元剤が、次亜リン酸又はその塩、亜リン酸又はその塩、シュウ酸又はその塩、ギ酸又はその塩、アンモニア水、アンモニウム塩、ヒドロキシルアミン、塩基性条件下の水素、金属チオ硫酸塩、金属亜硫酸塩又はアルカリ金属亜硫酸塩、水素化物、水素化ホウ素ナトリウム、亜硫酸水素ナトリウム、亜硫酸二ナトリウム、水性二酸化硫黄、亜硫酸又はその塩、およびそれらの任意の組み合わせから選択される、請求項１１〜請求項１６のいずれかに記載の処理システム。
【請求項１８】
前記還元剤が、二酸化硫黄水溶液、亜硫酸、又は亜硫酸塩を含む、請求項１７に記載の処理システム。
【請求項１９】
前記還元剤が、二酸化硫黄水溶液、亜硫酸、亜硫酸水素ナトリウム、又は亜硫酸二ナトリウムから選択される、請求項１８に記載の処理システム。
【請求項２０】
前記金属化合物が、フェリハイドライトである、請求項１７〜請求項１９のいずれかに記載の処理システム。
【請求項２１】
前記洗浄液が、前記還元剤の水溶液である、請求項１１〜請求項２０のいずれかに記載の処理システム。
【請求項２２】
前記容器吸入口、前記ろ過層、前記セラミック膜、および前記容器排出口が、処理システムの処理サイクル中に前記容器吸入口を通って前記処理容器に入る随伴水源からの随伴水が、ろ過された随伴水として、前記第１容器排出口を通り前記処理容器から排出される前に、ろ過層を通過し、そしてセラミック膜を通過するように構成される、請求項１１〜請求項２１のいずれかに記載の処理システム。
【請求項２３】
第２容器排出口をさらに備え、
前記セラミック膜が、外表面と、管状膜の吸入口端部から管状膜の排出口端部までの管状膜内に画定された縦方向通路とを有する管状膜であり、
管状膜の前記外表面は、前記第１容器排出口と流体連結しており、
管状膜の前記排出口端は、前記第２容器排出口と流体連結しており、
前記容器吸入口から随伴水の少なくとも一部は、管状膜の縦方向通路を通過して保持水流として前記第２容器排出口に至り、
前記容器吸入口からの随伴水の少なくとも一部は、前記ろ過層および前記管状膜を通って前記管状膜の外表面に浸透し、ろ過された随伴水として外表面から出てくる、前記第２容器排出口をさらに備える、請求項１１〜請求項２２のいずれかに記載の処理システム。
【請求項２４】
前記処理容器が、
前記容器吸入口が前記第１容器排出口の下にある上昇流設計、又は前記容器吸入口が前記第１容器排出口の上にある下降流設計で垂直に構成され、
前記ろ過層が、前記容器吸入口と前記第１容器排出口との間の前記処理容器内にスクリーンによって支持される金属化合物の粒子を含む粒子床を含み、
前記スクリーンが、随伴水が前記容器吸入口から前記第１容器排出口に流れることを可能にし、粒子床の粒子がスクリーンを下向きに通過するのを防止するメッシュサイズおよび構成を有する、請求項１に記載の処理システム。
【請求項２５】
前記金属水酸化物が、
水酸化鉄（ＩＩＩ）、水酸化銅（ＩＩ）、水酸化マンガン（ＩＩＩ）、水酸化クロム（ＩＩＩ）、およびそれらの組み合わせからなる群から選択され、
前記金属オキソ水酸化物が、オキソ水酸化鉄（ＩＩＩ）（フェリハイドライト）、オキソ水酸化マンガン（ＩＩＩ）、オキソ水酸化クロム（ＩＩＩ）、およびその組み合わせからなる群から選択される、請求項２４に記載の処理システム。
【請求項２６】
前記金属化合物が、水酸化鉄（ＩＩＩ）、水酸化銅（ＩＩ）、水酸化マンガン（ＩＩＩ）、水酸化クロム（ＩＩＩ）、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される金属水酸化物を含む、請求項２４又は請求項２５に記載の処理システム。
【請求項２７】
前記金属化合物が、オキソ水酸化鉄（ＩＩＩ）、水酸化マンガン（ＩＩＩ）、オキソ水酸化クロム（ＩＩＩ）、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される金属オキソ水酸化物を含む、請求項２４〜請求項２６のいずれかに記載の処理システム。
【請求項２８】
前記金属化合物が、水酸化鉄（ＩＩＩ）、フェリハイドライト、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項２４に記載の処理システム。
【請求項２９】
前記還元剤が、次亜リン酸又はその塩、亜リン酸又はその塩、シュウ酸又はその塩、ギ酸又はその塩、アンモニア水、アンモニウム塩、ヒドロキシルアミン、塩基性条件下の水素、金属チオ硫酸塩、金属亜硫酸塩又はアルカリ金属亜硫酸塩、水素化物、水素化ホウ素ナトリウム、亜硫酸水素ナトリウム、亜硫酸二ナトリウム、水性二酸化硫黄、亜硫酸又はその塩、およびそれらの任意の組み合わせから選択される、請求項２４〜請求項２８のいずれかに記載の処理システム。
【請求項３０】
前記還元剤が、二酸化硫黄水溶液、亜硫酸、又は亜硫酸塩を含む、請求項２９に記載の処理システム。
【請求項３１】
前記還元剤が、二酸化硫黄水溶液、亜硫酸、亜硫酸水素ナトリウム、亜硫酸二ナトリウム、又は亜硫酸から選択される、請求項３０に記載の処理システム。
【請求項３２】
前記金属化合物が、フェリハイドライトである、請求項２９〜請求項３１のいずれかに記載の処理システム。
【請求項３３】
前記洗浄液が、前記還元剤の水溶液である、請求項２４〜請求項３３のいずれかに記載の処理システム。
【請求項３４】
前記粒子床が、固定粒子床又は流動粒子床として構成される、請求項２４〜請求項３３のいずれかに記載の処理システム。
【請求項３５】
前記処理容器が、スクリーン上に粒子吸入口と、スクリーン上に粒子排出口とをさらに含み、
前記粒子注吸入口が、処理サイクル中に金属化合物の新鮮な粒子を粒子床に供給し、
前記粒子床から使用済み粒子が、処理サイクル中に前記粒子排出口に向かって流れる、請求項３４に記載の処理システム。
【請求項３６】
前記粒子排出口から使用済み粒子を受け取る回収容器をさらに含む、請求項３５に記載の処理システム。
【請求項３７】
随伴水から原油を回収する処理システムであり、
随伴水源および第１容器排出口と流体連結する容器吸入口を有する処理容器と、
容器吸入口と第１容器排出口の間のセラミック膜と、
容器吸入口に面するセラミック膜の被覆表面上の金属化合物の被覆層と、
処理システムの洗浄サイクル中に、前記ろ過材に洗浄液を供給する洗浄システムと、
を含み、
ここで、
前記金属化合物が、水酸化鉄（ＩＩＩ）、水酸化銅（ＩＩ）、水酸化マンガン（ＩＩＩ）、水酸化クロム（ＩＩＩ）、オキソ水酸化鉄（ＩＩＩ）、水酸化マンガン（ＩＩＩ）、オキソ水酸化クロム（ＩＩＩ）、およびそれらの組み合わせからなる群から選択され、
前記セラミック膜が、処理システムの処理サイクル中に処理容器に入る随伴水の少なくとも一部が、セラミック膜に浸透し、ろ過された随伴水として第１容器出口を通って処理容器から排出される前にコーティング層を通過してからセラミック膜に浸透するように構成され、
前記洗浄液が、次亜リン酸又はその塩、亜リン酸又はその塩、シュウ酸又はその塩、ギ酸又はその塩、アンモニア水、アンモニウム塩、ヒドロキシルアミン、塩基性条件下の水素、金属チオ硫酸塩、金属亜硫酸塩又はアルカリ金属亜硫酸塩、水素化物、水素化ホウ素ナトリウム、亜硫酸水素ナトリウム、亜硫酸二ナトリウム、水性二酸化硫黄、亜硫酸又はその塩、およびそれらの任意の組み合わせから選択される、処理システム。
【請求項３８】
前記金属化合物が、水酸化鉄（ＩＩＩ）、フェリハイドライト、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項３７に記載の処理システム。
【請求項３９】
前記還元剤が、二酸化硫黄水溶液、亜硫酸、又は亜硫酸塩を含む、請求項３８に記載の処理システム。
【請求項４０】
前記還元剤が、二酸化硫黄水溶液、亜硫酸、亜硫酸水素ナトリウム、又は亜硫酸二ナトリウムから選択される、請求項３９に記載の処理システム。
【請求項４１】
前記金属化合物が、フェリハイドライトである、請求項３８〜請求項４０のいずれかに記載の処理システム。
【請求項４２】
随伴水から有機化合物を回収する方法であって、
請求項１〜請求項４１のいずれかに記載の処理システムの随伴水源に随伴水を提供し、
処理サイクルを開始させ、
有機化合物がろ過層内に集まるまで、処理サイクル中に随伴水をろ過層に通過させ、
洗浄サイクルを開始させ、洗浄液をろ過層のろ過材に提供し、それにより、金属化合物が、洗浄液に可溶な還元金属化合物に還元され、
処理容器から洗浄液を取り除き、処理容器から取り除かれた前記洗浄液は、溶解した還元金属化合物および有機化合物を含み、
洗浄液から有機化合物を分離することを含む方法。
【請求項４３】
前記有機化合物が、原油を含む、請求項４２に記載の方法。
【請求項４４】
前記処理容器から取り除かれた前記洗浄液から還元金属化合物を回収することをさらに含む、請求項４２又は請求項４３に記載の方法。
【請求項４５】
前記洗浄液から回収された前記還元金属化合物を酸化して金属化合物を再形成し、
改質された金属化合物を前記処理容器に移すことをさらに含む、請求項４４に記載の方法。
【請求項４６】
前記処理システムが、ろ過層と第１容器排出口との間にセラミック膜をさらに含み、
前記ろ過層が、前記セラミック膜の被覆表面上の前記金属化合物の被覆層を含み、
洗浄サイクル中に前記金属化合物が還元されると、前記金属化合物のコーティング層が、前記セラミック膜から溶解する、請求項４２〜４５のいずれかに記載の方法。
【請求項４７】
前記還元された金属化合物で新鮮なセラミック膜の表面をコーティングし、
前記新鮮なセラミック膜上の前記還元された金属化合物を酸化させ、前記新鮮なセラミック膜の表面に前記金属化合物の再生コーティング層を形成し、
前記還元された金属化合物が酸化される前又は後に、前記新鮮なセラミック膜を前記処理容器に挿入することをさらに含む、請求項請求項４６に記載の方法。
【請求項４８】
前記金属水酸化物が、
水酸化鉄（ＩＩＩ）、水酸化銅（ＩＩ）、水酸化マンガン（ＩＩＩ）、水酸化クロム（ＩＩＩ）、およびそれらの組み合わせからなる群から選択され、
前記金属オキソ水酸化物が、オキソ水酸化鉄（ＩＩＩ）（フェリハイドライト）、オキソ水酸化マンガン（ＩＩＩ）、オキソ水酸化クロム（ＩＩＩ）、およびその組み合わせからなる群から選択される、請求項４２〜請求項４７のいずれに記載の方法。
【請求項４９】
前記金属化合物が、水酸化鉄（ＩＩＩ）、水酸化銅（ＩＩ）、水酸化マンガン（ＩＩＩ）、水酸化クロム（ＩＩＩ）、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される金属水酸化物を含む、請求項４２〜請求項４８のいずれに記載の方法。
【請求項５０】
前記金属化合物が、オキソ水酸化鉄（ＩＩＩ）、水酸化マンガン（ＩＩＩ）、オキソ水酸化クロム（ＩＩＩ）、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される金属オキソ水酸化物を含む、請求項４２〜請求項４９のいずれに記載の方法。
【請求項５１】
前記金属化合物が、水酸化鉄（ＩＩＩ）、フェリハイドライト、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項４２〜請求項４７のいずれに記載の方法。
【請求項５２】
前記還元剤が、次亜リン酸又はその塩、亜リン酸又はその塩、シュウ酸又はその塩、ギ酸又はその塩、アンモニア水、アンモニウム塩、ヒドロキシルアミン、塩基性条件下の水素、金属チオ硫酸塩、金属亜硫酸塩又はアルカリ金属亜硫酸塩、水素化物、水素化ホウ素ナトリウム、亜硫酸水素ナトリウム、亜硫酸二ナトリウム、水性二酸化硫黄、亜硫酸又はその塩、およびそれらの任意の組み合わせから選択される、請求項４２〜請求項５１のいずれかに記載の方法。
【請求項５３】
前記還元剤が、二酸化硫黄水溶液、亜硫酸、又は亜硫酸塩を含む、請求項５２に記載の方法。
【請求項５４】
前記還元剤が、二酸化硫黄水溶液、亜硫酸、亜硫酸水素ナトリウム、又は亜硫酸二ナトリウムから選択される、請求項５３に記載の方法。
【請求項５５】
前記金属化合物が、フェリハイドライトである、請求項５２〜請求項５４のいずれかに記載の方法。
【請求項５６】
前記洗浄液が、前記還元剤の水溶液である、請求項４２〜請求項５５のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
本出願は、２０１７年６月１５日に出願された米国非仮出願番号１５／６２４，１７５号の優先権を主張し、その全てが参照によって本明細書に組み込まれる。
【技術分野】
【０００２】
本開示は、一般的に、随伴水（ｐｒｏｄｕｃｅｄ  ｗａｔｅｒ）の処理に関し、より具体的には、随伴水を処理するシステム、および随伴水から有機化合物を回収する方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
炭化水素エネルギー資源の採取において、大量の随伴水が取り出されている（現在、米国全体で年間約１４０億バレル（ｂｂｌ／ｙｒ）と推定されている［１バレル＝４２ガロン］）。随伴水には、石油やガスの探査および生産中に地表に運ばれた水が含まれ、多くの場合、何世紀にもわたって地層に閉じ込められていた。さらに、随伴水は、発電所での洗浄、ウラン資源の脱水と抽出、炭素隔離、および非在来型エネルギー資源の開発から発生することがある。あらゆる用途からの随伴水には、多くの場合、随伴水が他の用途で再利用されるのを妨げる可能性がある原油などの炭化水素が大量に含まれている。したがって、特に随伴水から炭化水素などの混入物質を除去するために、大量の随伴水を処理する装置および方法が必要とされている。
【０００４】
セラミック膜は、油やその他の炭化水素、砂、塩、その他の化学物質がセラミック膜に接触したり、セラミック膜を通過したりすると、トータルファウリング（ｔｏｔａｌ  ｆｏｕｌｉｎｇ）の対象となる場合があり、機械的故障が生じる可能性が高く、随伴水などの水の処理能力には限界がある。したがって、トータルファウリングによる回復不能な障害が生じることなく、随伴水を継続的にろ過できる改良されたセラミック膜が必要とされている。
【０００５】
随伴水から有機不純物を吸着するために、固定床ろ過又は流動床ろ過も使用できる。そのようなプロセスの間、随伴水中の混入物質は、粒子の層に閉じ込められるか、粒子に吸着される可能性がある。最終的には、粒子を洗浄又は交換する必要がある。粒子の洗浄又は交換には、追加費用が必要となる。したがって、効率的な方法で粒子を洗浄又は再利用できるろ過プロセスが必要とされている。
【０００６】
随伴水の処理に使用されるろ過プロセスに関係なく、随伴水から除去される原油などの炭化水素は、一般的に廃棄物として処理されている。これらのタイプの廃棄物は、環境に有害な影響を与える可能性がある。さらに、炭化水素自体は、炭化水素が単に廃棄された場合に実現されない真の金銭的価値を有する場合がある。したがって、随伴水処理からの炭化水素廃棄物を最小限に抑えることができ、炭化水素の生産とその下流工程との互換性のある作業条件で回収された炭化水素から金銭的価値を見出すことを実現できるシステムが必要とされている。
【発明の概要】
【０００７】
いくつかの実施形態によれば、有機化合物を含む随伴水の処理システムは、随伴水源および第１容器排出口と流体連結する容器吸入口を有する処理容器；容器吸入口と第１容器排出口との間の処理容器内のろ過材を含むろ過層；および、処理システムの洗浄サイクル中にろ過材に洗浄液を提供する洗浄システムを含む。ろ過層は、処理システムの処理サイクル中に容器吸入口を通って処理容器に入る随伴水源からの随伴水の少なくとも一部が、ろ過された随伴水として、処理容器の第１容器排出口を通して処理容器から排出する前にろ過層を通過するように、処理容器内に構成される。ろ過材は、水溶液に実質的に不溶な金属化合物である。具体的には、金属化合物は、金属水酸化物、金属オキソ水酸化物、又はそれらの組み合わせから選択される。金属水酸化物の例には、水酸化鉄（ＩＩＩ）、水酸化銅（ＩＩ）、水酸化マンガン（ＩＩＩ）、並びに水酸化クロム（ＩＩＩ）を含むがこれに限定されない。金属オキソ水酸化物の例には、オキソ水酸化鉄（ＩＩＩ）（フェリハイドライト）、オキソ水酸化マンガン（ＩＩＩ）、並びにオキソ水酸化クロム（ＩＩＩ）が含まれる。洗浄液には、還元剤が含まれる。金属化合物は、洗浄サイクル中に還元剤によって還元され、水溶液に可溶な還元金属化合物を形成する。具体的には、還元剤は、有機化合物を分解せずに金属化合物を還元するのに十分な還元能力を有する化合物である。いくつかの実施形態において、還元剤は、次亜リン酸（Ｈ３ＰＯ２）、亜リン酸（Ｈ３ＰＯ３）、シュウ酸、ギ酸、アンモニア水（ＮＨ３）、ヒドロキシルアミン（ＮＨ２ＯＨ）、塩基性条件の水素、金属チオ硫酸塩（Ｓ２Ｏ３２−）、金属亜硫酸塩、水素化ホウ素ナトリウム、水性又は溶解二酸化硫黄（ＳＯ２）などの水素化物源、亜硫酸水素ナトリウム、亜硫酸二ナトリウム、亜硫酸、並びにこれらの任意の組み合わせ、から選択され得る。いくつかの実施形態において、還元剤は、亜硫酸、亜硫酸の塩、又はそれらの組み合わせから選択され得る。
【０００８】
さらなる実施形態によれば、随伴水から原油を回収する処理システムは、随伴水源および第１容器排出口と流体連結する容器吸入口を有する処理容器；容器吸入口と第１容器排出口の間のセラミック膜；容器吸入口に面するセラミック膜の被覆表面上の金属化合物の被覆層；および、処理システムの洗浄サイクル中にろ過材に洗浄液を提供する洗浄システムを含む。そのような実施形態では、金属化合物は、水酸化鉄（ＩＩＩ）、水酸化銅（ＩＩ）、水酸化マンガン（ＩＩＩ）、水酸化クロム（ＩＩＩ）、オキソ水酸化鉄（ＩＩＩ）（フェリハイドライト）、オキソ水酸化マンガン（ＩＩＩ）、オキソ水酸化クロム（ＩＩＩ）、又はそれらの組み合わせからなる群から選択される。セラミック膜は、処理システムの処理サイクル中に処理容器に入る随伴水の少なくとも一部が、セラミック膜に浸透し、ろ過された随伴水として第１容器出口を通って処理容器から排出する前にコーティング層を通過してからセラミック膜に浸透するように構成される。洗浄液は、還元剤を含む水溶液である。いくつかの実施形態において、還元剤は、次亜リン酸（Ｈ３ＰＯ２）、亜リン酸（Ｈ３ＰＯ３）、シュウ酸、ギ酸、アンモニア水（ＮＨ３）、ヒドロキシルアミン（ＮＨ２ＯＨ）、塩基性条件の水素、金属チオ硫酸塩（Ｓ２Ｏ３２−）、金属亜硫酸塩、水素化ホウ素ナトリウム、水性又は溶解二酸化硫黄（ＳＯ２）などの水素化物源、亜硫酸水素ナトリウム、亜硫酸二ナトリウム、亜硫酸、並びにこれらの任意の組み合わせ、から選択され得る。いくつかの実施形態において、還元剤は、亜硫酸、亜硫酸の塩、又はそれらの組み合わせから選択され得る。
【０００９】
さらなる実施形態によれば、随伴水から有機化合物を回収する方法は、前述の実施形態による処理システムの随伴水源に随伴水を提供することを含み得る。処理サイクルが開始され、その間に有機化合物がろ過層内に集まるまで、随伴水がろ過を通過する。次に、洗浄サイクルを開始して、洗浄液をろ過層のろ過材に供給し、それにより、金属化合物が還元され、洗浄液に可溶な還元金属化合物が形成される。洗浄液は、処理容器から取り除かれ、処理容器から取り除かれた洗浄液は、溶解した還元金属化合物と有機化合物を含む。有機化合物は、洗浄液から分離される。いくつかの実施形態において、洗浄液から分離された有機化合物は、その後回収される。このようにして随伴水から回収された有機化合物には、原油が含まれる場合がある。
【００１０】
前述の一般的な説明および以下の発明を実施するための形態の両方は、様々な実施形態を説明し、特許請求される主題の性質および特徴を理解するための概要又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。添付の図面は、様々な実施形態のさらなる理解を提供するために含まれ、本明細書に組み込まれてその一部を構成する。図面は、本開示に記載される様々な実施形態を示し、説明と共に、特許請求される主題の原理および動作を説明する役割を果たす。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施形態における、有機化合物を含む随伴水の処理システムの概略図である。
【図２Ａ】処理の初期段階で、実施形態によれば、ろ過層で被覆されたセラミック膜を通る流体の流れを示す概略図である。
【図２Ｂ】図２Ａのセラミック膜を通る流体の流れを示す概略図であり、保護ろ過層内の随伴水からの有機物の収集の開始を伴う。
【図２Ｃ】図２Ｂのセラミック膜と比較した随伴水の追加処理後に、図２Ａのセラミック膜を通る流体の流れを示す概略図であり、保護ろ過層内の随伴水からの大量の有機物の収集を伴う。
【図３Ａ】図２Ｃの目詰まりした膜の洗浄サイクルの開始を示す概略図である。
【図３Ｂ】ろ過サイクルの中断と溶媒和を示す概略図であり、洗浄サイクル中に図３Ａ目詰まりした膜を再利用のためにセラミック膜が再生される。
【図４】実施形態における、随伴水の処理システムのデッドエンド構成（ｄｅａｄ−ｅｎｄ  ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）を示す概略図である。
【図５Ａ】実施形態における、内部にろ過層で被覆された管状のセラミック膜の側面図である。
【図５Ｂ】図５Ａの管状セラミック膜の断面図である。
【図６】随伴水のクロスフロー処理のための管状セラミック膜を含む、実施形態における処理システムの処理容器である。
【図７】管状セラミック膜の平行サブシステムを含む、実施形態における、随伴水の処理システムの概略図である。
【図８】実施形態における、処理システムの処理容器であり、ろ過材の粒子の固定床および流動床を含み、下降流設計で構成されている。
【図９】実施形態における、処理システムの処理容器であり、ろ過材の粒子の固定床および流動床を含み、上昇流設計で構成されている。
【図１０】実施形態における、処理システムの処理容器であり、ろ過材の一定の再生のための流動床を含み、上昇流設計又は下降流設計で構成される。
【図１１】上昇流設計で構成された図９の処理容器の平行サブシステムを含む、実施形態における、随伴水の処理システムの概略図である。
【図１２】下降流設計で構成された図１０の処理容器を含む、実施形態における、随伴水の処理システムの概略図である。
【図１３】従来技術のコーティングされていないセラミック膜のものと実施形態に係る情報処理システムのコーティングされたセラミック膜のために、処理された随伴水の量の関数として、正規化されたフラックス（Ｊ／Ｊ０）を比較したグラフを示す。
【図１４】実施形態における処理システムから収集された、時間の関数としての特定のフラックスデータのグラフであり、処理容器には、図６のようにクロスフロー構成用に構成されたろ過層で内部コーティングされた管状セラミック膜が含まれている。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本開示の特定の実施形態について説明する。本開示は、記載された特定の実施形態との明らかな違いのみを有する形態で具体化され得ることは、当業者には明らかである。したがって、特定の実施形態の開示は、本開示の全ての範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。むしろ、これらの実施形態は、本開示が徹底的かつ完全であり、主題の範囲を当業者に十分に伝えるように提供される。
【００１３】
他に定義されない限り、ここで使用される全ての技術および科学用語は、当業者によって一般的に理解されるものと同じ意味を有する。ここの説明で使用される用語は、特定の実施形態のみを説明するためのものであり、限定的であることは意図しない。本明細書および添付の特許請求の範囲で使用される場合、単数形「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、および「その（ｔｈｅ）」は、文脈が明確にそうでないと示さない限り、複数形も含まれる。
【００１４】
本開示の実施形態は、随伴水を処理するためのシステムおよび方法に広く向けられている。本開示で使用されるように、随伴水に関する「処理（ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）」は、不純物が随伴水からろ過又は除去される任意の手順を含み得る。本開示のいくつかの特定の実施形態では、随伴水の処理は、セラミック膜又は粒子の固定床又は流動床に水を通すことを含む。実施形態における随伴水を処理するためのシステムおよび方法は、水不溶性酸化状態および水溶性酸化状態を有する金属化合物を含むろ過層又は保護材を利用する。通常、水溶性酸化状態は、ろ過層材を還元剤と反応させることにより形成されるろ過層材の還元型である。ろ過層および保護材の２つの酸化状態により、保護層を容易に溶解および再形成できるため、洗浄および処理操作の効率化が促進される。一般的に、金属化合物は、例えば、いくつかの実施形態において処理システム内に含まれる可能性のあるセラミック膜を不可逆的なファウリングにより、随伴水中の異物が処理システムを完全に詰まらせるのを防ぐ保護コーティングを作り出す。
【００１５】
本開示で使用される「随伴水（ｐｒｏｄｕｃｅｄ  ｗａｔｅｒ）」という用語は、例えば原油などの有機化合物で水を汚染したプロセス又は手順にさらされた水を指す。随伴水は、一般的に、ガスおよび石油生産プラントと、嫌気性条件下で地面から抽出され、油で汚染された水に由来する。随伴水は、砂などの粒子状物質で汚染されている場合もある。
【００１６】
図１の概略図は、有機化合物を含む随伴水用の処理システム１００を概念的に示している。後に説明される様々な処理システムの実施形態は、構成および機械的特徴で異なる場合があるが、一般的に、処理システムの各実施形態は、図１の処理システム１００と同様の方法で実行するコンポーネントを含むことを理解されたい。したがって、特に明記しない限り、処理システム１００に適用可能として説明される特徴、構成要素、又は材料は、本開示で具体的に説明される処理システム１００の実施形態の類似の特徴、構成要素、又は材料に等しく適用可能であり、膜又は粒子ベッドを含むデッドエンドろ過システム２００（図４）、管状膜を含む平行クロスフローろ過システム４００（図７）、粒子床を含む平行上昇流設計ろ過システム８００（図１１）、又は粒子床を含む下降流設計システム９００（図１２）を含むが、これらに限定されことを理解されたい。
【００１７】
処理システム１００は、随伴水源１６０と流体連結している容器吸入口１２０と、収集容器１７０に流体連結している第１容器排出口１３０とを有する処理容器１１０を含む。処理容器１１０は、水が処理され得る任意の種類の密閉された装置又は機器であり得る。随伴水源１６０は、例えば、パイプ若しくはホース、貯水池、随伴水が排出される精製システムへの接続、又は坑井用の掘削システムへの接続など、任意の随伴水源であり得る。容器吸入口１２０は、処理容器１１０への流体経路であり、随伴水源１６０からの随伴水の流入を制御するための通常の接続金具又はバルブ（図示せず）を含むことができる。同様に、第１容器排出口１３０は、処理容器１１０から出る流体経路であり、処理システム１００の実施形態に必要な通常の継手又はバルブ（図示せず）を含むことができる。
【００１８】
処理システム１００は、容器吸入口１２０と第１容器排出口１３０との間の処理容器１１０内にろ過層１５０をさらに含む。ろ過層１５０は、少なくとも一つのろ過材を含む。ろ過層は、ろ過層１５０が処理容器１１０内で下流に移動するのを防止する多孔性担体１４０によって、担体に対して、又は担体上に支持されてもよい。ろ過層１５０は、処理システムの処理サイクル中に容器吸入口１２０を通って処理容器１１０に入る随伴水源１６０からの随伴水の少なくとも一部がろ過層を通過するように、処理容器１１０内に構成され、ろ過された随伴水として第１容器排出口１３０を通って処理容器１１０を出る前にろ過層１５０を通る。いくつかの実施形態において、処理システムの処理サイクル中に容器吸入口１２０から処理容器１１０に入る随伴水源１６０からの随伴水はすべて、ろ過された随伴水として第１容器排出口１３０を介して処理容器１１０から排出される前に、ろ過層１５０と多孔性担体１４０の両方を通過する。いくつかの実施形態において、ろ過層１５０を通過する随伴水源１６０からの随伴水の部分は、その後多孔性担体１４０を通過する。後に詳細に説明するいくつかの実施形態において、処理容器１１０は、第２容器排出口（図１には示されていない）を含み、ろ過された随伴水として第１容器排出口１３０を通って処理容器１１０を出ないすべての随伴水はそこを通り、ろ過されていない保持水流として処理容器１１０を出る。
【００１９】
いくつかの実施形態において、多孔性担体１４０はセラミック膜であってもよい。そのような実施形態では、後に詳細に説明するように、ろ過層１５０は、セラミック膜の表面にろ過材のコーティングを含むことができる。他の実施形態では、多孔性担体１４０は、例えば、メッシュ、シーブ、又はスクリーンであってもよい。そのような実施形態では、後に詳細に説明するように、ろ過層１５０は、ろ過材の粒子の粒子床を含むことができる。処理システム１００内の多孔性担体１４０のタイプに関係なく、ろ過層１５０は、処理システム１００の詰まり又はファウリングを回避するために選択されるろ過材を提供する。
【００２０】
ろ過層１５０のろ過材は、水溶液に実質的に不溶な金属化合物である。金属化合物は、処理システム１００によって処理される随伴水に実質的に不溶な又は完全な不溶性である。それにより、処理システム１００の処理サイクル中、ろ過層１５０は、無傷のままであり得る。金属化合物は、金属化合物の金属原子が少なくとも２つの可能な酸化状態を有し、金属化合物において金属原子が２つの可能な酸化状態のうち大きい方にある遷移金属化合物であってもよく、還元剤との反応により、金属原子が２つの可能な酸化状態のうち小さい方にある還元金属化合物に還元される。例えば、所定のｐＨ値、例えば２．８を超えるｐＨ値で、水溶液に不溶な鉄（ＩＩＩ）金属化合物は、水溶液に可溶性の鉄（ＩＩ）還元金属化合物に還元され得る。
【００２１】
これに関して適切なろ過材には、金属水酸化物、金属オキソ水酸化物、および金属水酸化物と金属オキソ水酸化物の組み合わせが含まれるが、これらに限定されない。金属水酸化物の例には、水酸化鉄（ＩＩＩ）、水酸化銅（ＩＩ）、水酸化マンガン（ＩＩＩ）、水酸化クロム（ＩＩＩ）、およびそれらの組み合わせが含まれるが、これらに限定されない。金属オキソ水酸化物の例には、オキソ水酸化鉄（ＩＩＩ）（フェリハイドライト）、オキソ水酸化マンガン（ＩＩＩ）、オキソ水酸化クロム（ＩＩＩ）、およびそれらの組み合わせが含まれるが、これらに限定されない。例示的な実施形態では、金属化合物は、水酸化鉄（ＩＩＩ）、フェリハイドライト、又はそれらの組み合わせを含み得る。いくつかの実施形態において、金属化合物は、本質的なフェリハイドライト、又はフェリハイドライトから構成されるものが含まれる。
【００２２】
ろ過層１５０の金属化合物は、粒子、ビーズ、小板の形態であっても、粒子、ビーズ、又は小板上のコーティング材であってもよい。あるいは、ろ過層の金属化合物は、多孔性担体１４０上のコーティング層に含まれてもよい。セラミック膜などの多孔性担体１４０上にコーティング層を形成するために、金属硝酸塩などの前駆体化合物は、２５℃〜２００℃などの穏やかな加熱条件下で、空気又は酸素雰囲気中で酸化されてもよい金属水酸化物又は金属オキソ水酸化物を形成する。例えば、フェリハイドライトは、空気中又は酸素中で、塩化鉄（ＩＩ）、硫酸鉄（ＩＩ）、亜硫酸鉄（ＩＩ）、又は硝酸鉄（ＩＩ）などの１つまたは複数の鉄（ＩＩ）塩の酸化によって形成される場合がある。一般的に、水溶性の鉄（ＩＩ）塩が酸化すると、不溶性の鉄（ＩＩＩ）水酸化鉄又は鉄（ＩＩＩ）オキソ水酸化物を形成し、これらは水溶液中にセラミック膜の細孔径よりも実質的に大きい粒子サイズの沈殿物として存在する。次に、水酸化鉄（ＩＩＩ）又はオキソ水酸化鉄（ＩＩＩ）沈殿物を含む水溶液をセラミック膜に注ぎ、それにより水溶液の水がセラミック膜の孔および鉄（ＩＩＩ）のコーティング層を透過し、水酸化物又はオキソ水酸化鉄（ＩＩＩ）は、水溶液が注がれたセラミック膜の表面に残る。次いで、セラミック膜は、粒子をセラミック膜の表面に固定するために加熱又は乾燥工程にかけられてもよい。
【００２３】
処理システム１００は、処理システム１００の洗浄サイクル中にろ過層１５０のろ過材に洗浄液を提供する洗浄システム１９０をさらに含む。洗浄液には、還元剤が含まれる。還元剤は、金属化合物が洗浄サイクル中に還元剤により還元されて、水溶液に可溶な還元金属化合物を形成するように選択される。洗浄サイクル中にろ過層１５０に供給される洗浄液は、工業的に実用的な時間でろ過材、特に金属化合物を還元するのに十分な濃度の還元剤の水溶液であり得る。
【００２４】
いくつかの実施形態において、随伴水中に存在する有機化合物の分解又は不活性化を回避するように十分に制限されながら、金属化合物を還元するのに十分大きい還元能力を有する還元剤が選択される。例えば、有機化合物には、原油又は他の炭化水素が含まれる場合があるが、これらは回収又は価値を高めようとしている。したがって、いくつかの実施形態において、還元剤は、原油又は他の炭化水素の潜在的な価値を分解したり、害を与えることなく、ろ過層１５０の金属化合物を還元できるように選択される。
【００２５】
金属化合物を還元する能力に関して、金属化合物の金属イオンおよび還元剤の成分の電気化学ポテンシャルが考慮され得る。いくつかの実施形態において、金属化合物に適した還元剤には、次亜リン酸（Ｈ３ＰＯ２）又はその塩、亜リン酸（Ｈ３ＰＯ３）又はその塩、シュウ酸又はその塩、ギ酸又はその塩、アンモニア水（ＮＨ３）、アンモニウム塩、ヒドロキシルアミン（ＮＨ２ＯＨ）、塩基性条件の水素、金属チオ硫酸塩（Ｓ２Ｏ３２−）、金属亜硫酸塩又はアルカリ金属亜硫酸塩、水素化ホウ素ナトリウム、水性又は溶解した二酸化硫黄（ＳＯ２）などの水素化物源、亜硫酸水素ナトリウム、亜硫酸二ナトリウム、亜硫酸又はその塩、並びにこれらの任意の組み合わせが含まれるが、これらに限定されない。いくつかの実施形態において、還元剤は、二酸化硫黄水溶液、亜硫酸、亜硫酸の塩、又はそれらの組み合わせから選択され得る。
【００２６】
例示的な実施形態では、金属化合物は、水酸化鉄（ＩＩＩ）、フェリハイドライト、又はそれらの組み合わせなどの鉄（ＩＩＩ）化合物であり得、還元剤は、亜硫酸、又は亜硫酸アルカリ金属、亜硫酸水素ナトリウム、若しくは亜硫酸二ナトリウムなどの亜硫酸塩であり得る。例えば、金属化合物が不溶性の鉄（ＩＩＩ）オキソ水酸化物（フェリハイドライト）であり、還元剤が亜硫酸である場合、還元された金属化合物は、硫酸鉄（ＩＩ）などの水溶性鉄（ＩＩ）化合物であり、例えば、重硫酸鉄（ＩＩ）としても知られてる。いくつかの実施形態における還元金属化合物は、洗浄サイクル後に多孔性担体１４０又はセラミック膜上のろ過層１５０を再形成するための前駆体として再利用することができる。
【００２７】
いくつかの実施形態によれば、処理システム１００は、ろ過層１５０と第１容器排出口１３０との間に多孔性担体１４０としてセラミック膜を含むことができる。そのような実施形態において、ろ過層１５０は、セラミック膜の被覆表面上の金属化合物の被覆層であってもよく、又はそれを含んでもよい。
【００２８】
金属化合物のコーティングであるろ過層１５０用の多孔性担体１４０としてのセラミック膜の機能は、図２Ａ〜２Ｃおよび図３Ａ〜３Ｂに示されている。図２Ａに示すように、セラミック膜１０は、例えば水酸化鉄（ＩＩＩ）又はフェリハイドライトの水不溶性層などのろ過層５０で被覆されている。セラミック膜１０の孔１５を通る垂直矢印は、セラミック膜１０、特にセラミック膜の孔１５を通る随伴水の流れを示す。随伴水は、油滴２０又は粒子状物質４０などの混入物質を含む場合がある。
【００２９】
図２Ｂに示すように、より多くの随伴水がセラミック膜１０を通して処理され続けると、ろ過層５０上に油堆積物２５からの油滴が付着し、粒子状物質４０もろ過層５０に付着し得る。そうであっても、ろ過層５０は、油滴および粒子状物質が細孔１５に入り、それらが細孔１５の壁面に付着してそれらを詰まらせる可能性があるのを防ぐ。セラミック膜１０内の詰まった細孔の増殖は、ファウリングとして一般的に知られており、ファウリングが広範囲である場合、それは不可逆的である可能性があり、セラミック膜１０を洗浄あるいは再使用することができない。
【００３０】
図２Ｃに示すように、随伴水の処理中のある時点で、ろ過層上の油堆積物２５および粒子状物質４０のサイズおよび範囲が非常に大きくなり、追加の随伴水が細孔１５をほとんどあるいは全く通過できない場合がある。あらゆる種類のろ過層を欠くセラミック膜の場合、このような広範囲のファウリングはセラミック膜の必要廃棄をもたらす可能性があるが、実施形態による処理システムでは、ろ過層５０は洗浄サイクルを通じて再生することができる。洗浄サイクルの機能は、図３Ａおよび図３Ｂに示されている。
【００３１】
図３Ａのセラミック膜１０は、洗浄サイクルの開始時に、図２Ｃのセラミック膜１０と同様に、ろ過層５０上に油堆積物２５および粒子状物質を含む。洗浄サイクル中、セラミック膜１０の孔１５を通る上向きの垂直矢印によって図３Ａに示される還元剤を含む洗浄液は、セラミック膜１０を通して逆洗される。逆洗の効果は、図３Ａにシミュレートされている。すなわち、洗浄液が細孔１５を透過するにつれて、ろ過層５０を形成する金属化合物は、水溶性の還元金属化合物に還元される。したがって、洗浄液は、ろ過層を効果的に溶解および破壊して、最終的に完全に溶解する可能性のある溶解粒子５５にする。ろ過層（図３Ａ）上に堆積された油は、粒子状物質４０とともに、油滴２０として洗浄液中に存在している。次いで、溶媒和された還元金属化合物、油滴２０、および粒子状物質を保持する洗浄液は、ろ過層５０上に捕捉された油を回収するために相分離され得る。油が回収されると、洗浄液の水相に溶解した金属化合物がセラミック膜１０に堆積し、その後酸化されて、さらなる処理サイクルのためにろ過層５０が再形成される。
【００３２】
図４に示すように、一実施形態では、処理システム１００は、デッドエンドろ過システム２００として構成されてもよい。デッドエンドろ過システム２００において、随伴水源１６０からの随伴水は、吸入ポンプ１６７によって処理容器１１０に向けられ得る。例えば、随伴水における有機化合物又は原油に対して反応しない窒素などの不活性ガスを、随伴水源１６０で随伴水に加えて、収集容器１７０に収集されたろ過された随伴水に非反応性ガス層を提供してもよい。吸入ポンプ１６７からの随伴水は、容器吸入口１２０を通って処理容器１１０に入り、そこでろ過層１５０および多孔性担体１４０を通過し、ろ過された随伴水として第１容器排出口１３０を通って排出される。いくつかの実施形態において、デッドエンドろ過システム２００の多孔性担体１４０はセラミック膜であってもよく、ろ過層１５０は容器吸入口１２０に面するセラミック膜の面又は表面上の金属化合物のコーティングであってもよい。ろ過された随伴水は、収集容器１７０で収集することができる。
【００３３】
デッドエンドろ過システム２００は、さらに、三方バルブ２３０、２３５、又は圧力モニタ２４０のような流量制御装置を含むことができる。デッドエンドろ過システム２００は、洗浄システム１９０をさらに含む。洗浄システム１９０は、三方バルブ２３０、２３５に対して作動して、デッドエンドろ過システム２００の流れを処理サイクルから洗浄サイクルに切り替えることができるように、三方バルブ２３０、２３５に対して構成される。処理サイクルでは、洗浄システム１９０が停止している間に、随伴水が随伴水源１６０から収集容器１７０に流れる。洗浄サイクルにおいて、還元剤を含む洗浄液は、洗浄液容器１９１から、洗浄液ポンプ１９２を用いて、処理サイクル中の流れ方向と逆の逆流方向で処理容器１１０に流れる。洗浄液は、分離容器１９６などの溶液収集容器で収集される。溶液収集容器又は分離容器１９６では、洗浄液は、還元剤、溶媒和された還元金属化合物、および原油などの有機化合物を含むことができる。次いで、洗浄液を相分離又はさらに処理して、還元剤、還元金属化合物、又はその両方を再利用し、存在する可能性のある原油を含む有機化合物を回収することができる。
【００３４】
デッドエンドろ過システム２００（図４）を含む処理システム１００（図１）の実施形態、および多孔性担体１４０がセラミック膜である以下に説明する他の実施形態において、セラミック膜は、水又は随伴水のろ過に一般的に使用される任意のタイプのセラミック膜であり得る。適切なセラミック膜には、例えば、チタン−酸化ジルコニウム膜、シリカ膜、又はアルミナ膜が含まれる。セラミック膜は、円盤状、正方形状、長方形状などの平らな膜であってもよく、長い縦方向の細孔若しくはチャネルを有する細長い固体膜、又は管状膜であってもよい。
【００３５】
いくつかの実施形態において、処理システム１００は、ろ過層１５０と第１容器排出口１３０との間の多孔性担体１４０としてセラミック膜を含むことができ、ろ過層１５０は、セラミック膜のコーティング表面上の金属化合物のコーティング層である。そのような実施形態では、金属化合物は、水酸化鉄（ＩＩＩ）、水酸化銅（ＩＩ）、水酸化マンガン（ＩＩＩ）、水酸化クロム（ＩＩＩ）、オキソ水酸化鉄（ＩＩＩ）、水酸化マンガン（ＩＩＩ）、オキソ水酸化クロム（ＩＩＩ）、およびそれらの組み合わせから選択され得る。さらに、そのような実施形態では、洗浄液は還元剤の水溶液であり、還元剤は前述のように選択でき、例えば、亜硫酸水素ナトリウム、亜硫酸二ナトリウム、又は亜硫酸が含まれる。
【００３６】
処理システム１００が多孔性担体１４０としてセラミック膜を含むいくつかの実施形態では、処理システム１００の処理サイクル中に容器吸入口１２０を介して処理容器１１０に入る随伴水源１６０からの随伴水は、ろ過層１５０を通過し、その後、ろ過された随伴水として第１容器排出口１３０を通って処理容器１１０を出る前にセラミック膜（多孔性担体１４０）を通過する。
【００３７】
図５Ａおよび図５Ｂに示すとおり、処理システム１００が多孔性担体１４０としてセラミック膜を含むさらなる実施形態では、セラミック膜は、内側面１８５および外側面１８７を有する管状膜１８０であってもよい。管状膜１８０は、図５Ａおよび図５Ｂで示すとおり、円形断面を有する円筒形膜であってもよく、例えば、楕円形、正方形、三角形、又は六角形として、任意の幾何学的断面を有していてもよい。管状膜１８０自体は、処理システムの処理容器１１０（図１）であってもよく、例えば管状膜容器３００（図６）の一部として処理容器１１０内に封入されてもよい。管状膜は、管状膜１８０を通して第１端部１８２（容器吸入口１２０として機能し得る）から第１端部１８２の反対側の第２端部１８３まで縦方向に画定される内部チャンネルを有する。
【００３８】
管状膜１８０の内側面１８５は、処理システム１００に関して前述したように、金属化合物のろ過層１５０でコーティング又は覆われていてもよい。ろ過層１５０は、管状膜の内面をコーティングするための既知の技術と組み合わせて金属化合物を適用するために前述した化学を使用して、管状膜１８０の内側面１８５に適用され得る。有機化合物を含む随伴水を処理する処理システムに組み込まれると、随伴水は、第１端部１８２を通って管状膜１８０に入り得る。随伴水の一部は、ろ過層および管状膜１８０の壁を透過して、収集され得るろ過された随伴水として外側面１８７から出る。管状膜１８０を透過しない残りの随伴水は、フィルタリングされていない保持水流として第２端部１８３に管状膜１８０を通って縦方向に通過することができる。
【００３９】
図６に示すとおり、実施形態による処理システムに組み込まれ得る管状膜容器３００が断面で示されている。管状膜容器３００は、ろ過層１５０で被覆された管状膜１８０を含む。管状膜１８０は、管状膜１８０の縦方向端部の周りにシールを提供する吸入支持体３１０および排出支持体３１５に挿入される。管状膜１８０、吸入支持体３１０、および排出支持体３１５は、処理容器１１０内に封入されている。吸入支持体３１０を介して、管状膜１８０と容器吸入口１２０との間に流体連結が確立される。処理サイクル中、図６の矢印で示すように、容器吸入口１２０を通って管状膜１８０に入る随伴水の一部は、管状膜１８０の壁を通って浸透し、管状膜１８０の外側面１８７と処理容器１１０の内壁１１２との間の処理容器１１０の中間空間３２０に入る。ろ過された随伴水である透過随伴水は、第１容器排出口１３０を介して処理容器１１０から排出され得る。管状膜容器３００の処理容器１１０は、第２容器排出口１３５をさらに含み、そこを通ってろ過されていない随伴水の保持水流が処理容器１１０を出る。排出支持体３１５を介して、管状膜１８０と第２容器排出口１３５との間に流体連結が確立される。管状膜容器３００の処理容器１１０は、洗浄サイクル中に洗浄液を管状膜容器３００に添加することができる逆洗入口１９４をさらに含む。
【００４０】
したがって、図１および図６に示すとおり、実施形態による処理システム１００は、多孔性担体１４０としてセラミック膜、特に管状膜１８０を含むことができ、第２容器排出口１３５をさらに含む。このような実施形態では、管状膜１８０は、外側面１８７と管状膜１８０の第１端部１８２（例えば、吸入口端部）から管状膜１８０の第２端部１８３（例えば、排出口端部）まで管状膜１８０内に画定された内部チャンネルを有する。管状膜１８０の外側面１８７は、第１容器排出口１３０と流体連結している。管状膜１８０の第２端部１８３（排出口端部）は、第２容器排出口１３５と流体連結している。容器吸入口１２０からの随伴水の少なくとも一部は、保持水流として管状膜１８０の内部を通過して第２容器排出口１３５に至る。容器吸入口１２０からの随伴水の少なくとも一部は、管状膜１８０を通って管状膜１８０の外側面１８７に浸透し、ろ過された随伴水として外面１８７から排出される。
【００４１】
処理システム１００（図１）の特定の実施形態では、処理システム１００は、１つの管状膜容器３００、又は１つ以上の管状膜容器３００を含んでもよい。そのような実施形態の実施例においては、図７の平行クロスフローろ過システム４００が含まれる。平行クロスフローろ過システム４００では、２つの処理システムが組み合わされ、両方とも小文字「ａ」又は小文字「ｂ」で終わる部品参照番号で示される類似のコンポーネントを有する。具体的には、平行クロスフローろ過システム４００は、２つの管状膜容器３００ａ、３００ｂを含み、第１管状膜容器３００ａが処理サイクルで動作し、第２管状膜容器３００ｂが洗浄サイクルで動作するような第１状態で構成される。処理サイクルにおける第１管状膜容器３００ａでは、バルブ４１０ａ、１３６ａ、および４２０ａが開かれ、第１洗浄システム１９０ａへのバルブ１９３ａおよび１９５ａが閉じられる。洗浄サイクルにおける第２の管状膜容器３００ｂでは、バルブ４１０ｂ、１３６ｂ、および４２０ｂが閉じられ、第２洗浄システム１９０ｂへのバルブ１９３ｂおよび１９５ｂが開かれる。
【００４２】
バルブ４１０ａ、４１０ｂ、１３６ａ、１３６ｂ、４２０ａ、４２０ｂ、１９３ａ、１９３ｂ、１９５ａ、１９５ｂを操作することにより、平行クロスフローろ過システム４００は、第１状態の機能とは反対の第２状態に切り替えることができ、第１管状膜容器３００ａは洗浄サイクルで運転され、第２管状膜容器３００ｂは処理サイクルで運転される。具体的には、バルブ１９３ａ、１９５ａ、４１０ｂ、１３６ｂ、および４２０ｂを開き（図７では閉じている状態が示されている）、バルブ４１０ａ、１３６ａ、４２０ａ、１９３ｂ、および１９５ｂを閉じる（図７では開いている状態が示されている）ことにより、平行クロスフローろ過システム４００は第２状態に切り替えることができる。再びバルブ１９３ａ、１９５ａ、４１０ｂ、１３６ｂ、および４２０ｂを閉じ、バルブ４１０ａ、１３６ａ、４２０ａ、１９３ｂ、および１９５ｂを開くことにより、平行クロスフローろ過システム４００を第２状態から第１状態に戻すことができることは明らかである（図７で示すとおり）。
【００４３】
図７に示す処理サイクルにおける第１管状膜容器３００ａに関して、随伴水源１６０からの随伴水は、吸入口ポンプ１６７ａを介して処理容器１１０ａの容器吸入口１２０ａに送り込まれ、管状膜１８０ａの内部チャネルに入る。随伴水の一部は、ろ過層１５０ａおよび管状膜１８０ａを通って処理容器１１０ａの中間空間３２０ａに浸透し、ろ過された随伴水として第１容器排出口１３０ａを通って処理容器１１０ａから排出される。次いで、ろ過された随伴水は、透過液収集容器１３７ａに収集され得る。管状膜１８０ａを透過しない随伴水の残りの部分は、ろ過されていない随伴水あるいは保持水流として、第２容器排出口１３５ａを通って処理容器１１０ａから排出される。リサイクルバルブ４３０が開いている場合（図示のように）、ろ過されていない随伴水は、追加ろ過および追加処理のために第１管状膜容器３００ａを通してフィードバックすることができる。保持液バルブ４４０が開いている場合（図示されていない）、ろ過されていない随伴水又は保持水流は、平行クロスフローろ過システム４００から保持液収集容器１７５に出ることができる。第１管状膜容器３００ａが作用する処理サイクル中、第１洗浄システム１９０ａの構成要素は、随伴水の処理に関与するシステム構成要素から隔離され閉鎖される。隔離された構成要素には、洗浄液容器１９１ａ、洗浄液ポンプ１９２ａ、バルブ１９３ａ、逆洗入口１９４ａ、バルブ１９５ａ、分離容器１９６ａ、有機収集容器１９７ａ、および分離器ガス源１９８ａが含まれる。
【００４４】
図７に示される洗浄サイクルにおける第２管状膜容器３００ｂに関して、洗浄液容器１９１ｂ内の還元剤を含む洗浄液は、洗浄液ポンプ１９２ｂの補助によりバルブ１９３ｂを介して逆洗入口１９４ｂに輸送される。洗浄液は、処理容器１１０ｂの中間空間３２０ｂに入り、管状膜１８０ｂの外面を通って管状膜１８０ｂの内部チャネルに浸透する。管状膜１８０ｂの内部チャネルに到達すると、洗浄液は、ろ過層の金属化合物を減少させ（図７から意図的に欠落）、ろ過層を溶解し、溶解した還元金属化合物および前処理サイクル中にろ過層に付着していたため洗浄サイクルが必要だった原油などの有機化合物を運ぶ。洗浄液、その溶媒和成分、および非溶媒和成分は、容器吸入口１２０ｂを通って処理容器１１０ｂから排出され、バルブ１９５ｂを通って洗浄システム１９０ｂに戻る。
【００４５】
洗浄液は、分離容器１９６ｂに進む。分離容器１９６ｂにおいて、洗浄液は、例えば、水相と、水相上に浮かぶ有機相とに分相することができる。例えば、窒素などの不活性ガスのブランケットを分離ガス源１９８ｂから分離容器１９６ｂに注入して、有機相の有機化合物を分離容器１９６ｂ内の分解又は反応から保護することができる。有機相は、例えば、原油などの随伴水源１６０から発する随伴水に元々存在する有機化合物を含んでもよい。有機化合物は、さらなる使用、精製、又は価値化のために、分離容器１９６ｂから有機回収容器１９７ｂに抽出されてもよい。水相は、溶媒和された還元金属化合物および未反応の還元剤を含んでもよい。有機相が分離容器１９６ｂから抽出されると、その後の再酸化およびろ過層としての新鮮な管状膜（ｆｒｅｓｈ  ｔｕｂｕｌａｒ）への適用のために、水相をさらに処理して還元金属化合物を回収することができる。あるいは、所望の回収後、水相を洗浄液容器１９１ｂに再利用して戻すことができる。再利用水相中の還元剤の濃度が低すぎるため、洗浄液が管状膜１８０ｂ上のろ過層を溶解し続けることができない場合、洗浄液容器１９１ｂで追加の還元剤を洗浄液に加えてもよい。第２管状膜容器３００ｂを含む洗浄サイクル中、第１容器排出口１３０ｂ、バルブ１３６ｂ、バルブ４１０ｂ、バルブ４２０ｂ、吸入口ポンプ１６７ｂ、透過液収集容器１３７ｂ、および第２容器排出口１３５ｂを含む構成要素は、洗浄サイクルに関連するシステムコンポーネントから隔離され閉鎖される。
【００４６】
図４および図７に示すとおり、一般的に処理システムの例示的な実施形態では、随伴水から原油を回収する処理システムは、随伴水源１６０および第１容器排出口１３０ａと流体連結する容器吸入口１２０ａを有する処理容器１１０ａ、３００ａを含み得る。処理システムは、容器吸入口１２０ａと第１容器排出口１３０ａとの間に平坦なセラミック膜又は管状膜１８０ａを含み得る。処理システムは、容器吸入口１２０ａに対向するセラミック膜のコーティングされた表面１８５（例えば、図５ｂ）上の金属化合物（ろ過層１５０のような）コーティング層を含んでいてもよい。処理システムは、処理システムの洗浄サイクル中にろ過材に洗浄液を提供する洗浄システム１９０ａを含んでもよい。そのような実施形態では、金属化合物には、水酸化鉄（ＩＩＩ）、水酸化銅（ＩＩ）、水酸化マンガン（ＩＩＩ）、水酸化クロム（ＩＩＩ）、オキソ水酸化鉄（ＩＩＩ）、オキソ水酸化マンガン（ＩＩＩ）、オキソ水酸化クロム（ＩＩＩ）、およびその組み合わせが含まれる。さらに、そのような実施形態では、セラミック膜は、処理システムの処理サイクル中に処理容器１１０ａに入る随伴水の少なくとも一部が、セラミック膜に浸透して処理容器１１０ａを出る前に、ろ過された随伴水として第１容器排出口１３０ａを通って、コーティング層を通過するように構成され得る。さらに、このような実施形態では、洗浄液は、亜硫酸、亜硫酸の塩、又はそれらの組み合わせから選択される還元剤を含む水溶液であり得る。他の実施形態では、金属化合物は、水酸化鉄（ＩＩＩ）、フェリハイドライト、およびそれらの組み合わせから選択され得る。他の実施形態では、金属化合物は、本質的なフェリハイドライト、又はフェリハイドライトから構成されるものが含まれる。
【００４７】
前述で説明したとおり、図１の処理システム１００の実施形態では、多孔性担体１４０はセラミック膜を含み、ろ過層１５０はセラミック膜上の金属化合物のコーティングである。処理システム１００のさらなる実施形態は、実施形態を含む図８〜図１２に示すとおり、ろ過層１５０は金属化合物の粒子の粒子床１５５であり、多孔性担体１４０は重力によって粒子床を所定の位置に保持することなどにより、粒子床が処理容器１１０から移動することを防ぐスクリーン１５７又はメッシュである。
【００４８】
図８に示すとおり、いくつかの実施形態では、処理システム１００は、下降流設計容器５００として構成された処理容器１１０を含むことができる。下降流設計容器５００では、処理容器１１０は、容器吸入口１２０が第１容器排出口１３０の上部になるように垂直に構成される。下降流設計容器５００のろ過層は、金属化合物の粒子の粒子床１５５を含む。粒子床１５５は、スクリーン１５７又は粒子床１５５内の金属化合物の粒子のサイズより実質的に小さい孔あるいはメッシュサイズを有する他の適切なメッシュなどの多孔性担体によって支持される。多孔性担体又はスクリーン１５７は、容器吸入口１２０と第１容器排出口１３０との間、特に粒子床１５５と第１容器排出口１３０との間に配置される。スクリーン１５７は、容器吸入口１２０から第１容器排出口１３０への随伴水の流れを可能にし、粒子床１５５の粒子がスクリーン１５７を通過して第１容器排出口１３０に向かうのを防止するメッシュサイズおよび構成を有する。
【００４９】
図９に示すとおり、いくつかの実施形態では、処理システム１００は、上昇流設計容器６００として構成された処理容器１１０を含むことができる。上昇流設計容器６００では、処理容器１１０は、容器吸入口１２０が第１容器排出口１３０の下部になるように垂直に構成される。下降流設計容器５００（図８）のように、上昇流設計容器６００のろ過層は、金属化合物の粒子の粒子床１５５を含む。粒子床１５５は、スクリーン１５７又は粒子床１５５内の金属化合物の粒子のサイズより実質的に小さい孔あるいはメッシュサイズを有する他の適切なメッシュなどの多孔性担体によって支持される。多孔性担体又はスクリーン１５７は、容器吸入口１２０と第一容器排出口１３０との間、特に粒子床１５５と容器吸入口１２０との間に配置される。スクリーン１５７は、容器吸入口１２０から第１容器排出口１３０への随伴水の流れを可能にし、粒子床１５５の粒子がスクリーン１５７を通って容器吸入口１２０に向かう下方通過を防止するメッシュサイズおよび構成を有する。
【００５０】
下降流設計容器５００（図８）又は上昇流設計容器６００（図９）のいずれかとして構成される処理システムの実施形態では、金属化合物は、水酸化鉄（ＩＩＩ）、水酸化銅（ＩＩ）、水酸化マンガン（ＩＩＩ）、水酸化クロム（ＩＩＩ）、およびそれらの組み合わせなどの金属水酸化物；又は、オキソ水酸化鉄（ＩＩＩ）（フェリハイドライト）、オキソ水酸化マンガン（ＩＩＩ）、オキソ水酸化クロム（ＩＩＩ）、およびそれらの組み合わせなどの金属オキソ水酸化物；あるいは、金属水酸化物と金属オキソ水酸化物の組み合わせ、から選択され得る。例えば、金属化合物は、水酸化鉄（ＩＩＩ）、フェリハイドライト、およびそれらの組み合わせから選択され得る。追加の例として、金属化合物は、本質的なフェリハイドライト、又はフェリハイドライトから構成されるものが含まれる。
【００５１】
また、下降流設計容器５００（図８）又は上昇流設計容器６００（図９）のいずれかとして構成される処理システムの実施形態では、還元剤は、次亜リン酸（Ｈ３ＰＯ２）又はその塩、亜リン酸（Ｈ３ＰＯ３）又はその塩、シュウ酸又はその塩、ギ酸又はその塩、アンモニア水（ＮＨ３）、ヒドロキシルアミン（ＮＨ２ＯＨ）、塩基性条件の水素、金属チオ硫酸塩（Ｓ２Ｏ３２−）、金属亜硫酸塩、水素化ホウ素ナトリウム、水性又は溶解した二酸化硫黄（ＳＯ２）などの水素化物源、亜硫酸水素ナトリウム、亜硫酸二ナトリウム、並びに亜硫酸から選択される、前述で説明した還元剤から選択できるが、これらに限定されない。洗浄液は、還元剤の水溶液であってもよい。
【００５２】
また、下降流設計容器５００（図８）又は上昇流設計容器６００（図９）のいずれかとして構成される処理システムの実施形態では、粒子床１５５は、固定粒子床又は流動粒子床として構成されてもよい。一般的に、固定粒子床は、随伴水が処理容器１１０を通って流れる間、適所に固定されたままである金属化合物の大きな粒子で構成される。固定粒子床の粒子のサイズは、０．０１ｍｍ〜３．０ｍｍの範囲であり、この粒子サイズは、粒子の投影面積の平方根として定義される。対照的に、流動粒子床は、固定床の粒子よりも大きな粒子で構成される。流動化粒子床の粒子は、随伴水が処理容器１１０を流れるときに、随伴水の乱流とともに流されるほど十分に小さい。流動化粒子床の粒子はまた、特に粒子床１５５と第１容器排出口１３０との間にスクリーンが設置されていない上昇流設計容器６００では、それらが第１容器排出口１３０から押し出されないほど十分に大きく、重い。流動化粒子床の粒子は、１ｍｍ〜１０ｍｍの範囲のサイズであり、伸び率は３より小さい。この粒子サイズは、粒子の投影面積の平方根として定義される。伸び率は、粒子の最大投影面積と最小投影面積の比の平方根として定義される。
【００５３】
図１０に示すとおり、金属化合物の粒子の粒子床を含む随伴水の処理システムのいくつかの実施形態では、処理容器１１０は、連続粒子リサイクル容器７００として構成され得る。連続粒子リサイクル容器７００は、第１容器排出口１３０の上に容器吸入口１２０を有する図示のような下降流設計で、あるいは、第１容器排出口１３０の下に容器吸入口１２０を有する上昇流設計容器６００（図９）に類似する上昇流設計で動作し得る。加えて、連続粒リサイクル容器７００は、スクリーン１５７上部の粒子吸入口７１５と、スクリーン１５７上部の粒子排出口７２５を含む。粒子吸入口７１５は、処理サイクル中に、粒子源７１０から粒子床１５５に金属化合物の新鮮な粒子（ｆｒｅｓｈ  ｐａｒｔｉｃｌｅｓ）を提供する。
【００５４】
随伴水が連続粒子リサイクル容器７００の処理サイクル中に処理容器１１０を通って流れると、粒子床１５５からの使用済み粒子は粒子排出口７２５に向かって流れる。粒子排出口７２５を通って処理容器１１０を出る使用済み粒子は、粒子排出口７２５から使用済み粒子を受け取る粒子回収容器７２０に流れ込むことができる。粒子回収容器７２０では、前述のように、使用済み粒子を洗浄又は還元し、還元剤を含むことができる洗浄液で溶解することができる。さらに、使用済み粒子を洗浄又は溶解するために使用される洗浄液は、有機相と水相とに分相されてもよい。例えば、原油などの有機化合物は、有機相から抽出および回収することができる。洗浄された金属化合物の粒子、又は溶媒和された還元金属化合物は、水相から回収することができ、連続粒子リサイクル容器７００の処理容器１１０に再導入するために再生又は粒子源７１０に再利用することができる。
【００５５】
金属化合物の１つ以上の粒子床を含む随伴水の処理システムの特定の実施形態は、図１１の平行上昇流設計システム８００と図１２の下降流設計システム９００を含む。
【００５６】
図１１で示すとおり、平行上昇流設計システム８００は、２つの処理システムが組み合わされ、両方とも小文字「ａ」又は小文字「ｂ」で終わる部品参照で示される類似要素を有する。具体的には、平行上昇流設計システム８００は、２つの上昇流設計容器６００ａ、６００ｂを含み、第１上昇流設計容器６００ａが処理サイクルで動作し、第２上昇流設計容器６００ｂが洗浄サイクルで動作するように第１状態で構成される。処理サイクルにおける第１上昇流設計容器６００ａでは、バルブ６１０ａとバルブ６２０ａが開かれ、第１洗浄システム１９０ａのバルブ１９３ａとバルブ１９５ａが閉じられる。洗浄サイクルにおける第２上昇流設計容器６００ｂでは、バルブ６１０ｂとバルブ６２０ｂが閉じられ、第２洗浄システム１９０ｂのバルブ１９３ｂとバルブ１９５ｂが開かれる。
【００５７】
バルブ６１０ａ、６１０ｂ、６２０ａ、６２０ｂ、１９３ａ、１９３ｂ、１９５ａ、１９５ｂを操作することにより、平行上昇流設計システム８００は、第１状態の機能とは反対の第２状態に切り替えることができ、第１上昇流設計容器６００ａは洗浄サイクルで運転され、第２上昇流設計容器６００ｂは処理サイクルで運転される。具体的には、平行上昇流設計システム８００は、バルブ１９３ａ、１９５ａ、６１０ｂ、および６２０ｂを開き（図１１では閉じた状態が示されている）、そしてバルブ１９３ｂ、１９５ｂ、６１０ａ、および６２０ａを閉じる（図１１では開いた状態が示されている）ことにより、第２状態に切り替えることができるバルブ１９３ａ、１９５ａ、６１０ｂ、および６２０ｂを再び閉じ、バルブ１９３ｂ、１９５ｂ、６１０ａおよび６２０ａを開くことにより、第２状態の平行上昇流設計システム８００を第１状態（図１１で示すとおり）に戻すことができることは明らかであろう。
【００５８】
図１１に示す処理サイクルにおける第１上昇流設計容器６００ａに関して、随伴水源１６０からの随伴水は、吸入口ポンプ１６７ａを介して容器吸入口１２０ａに送り込まれ、処理容器１１０ａに入る。随伴水は、スクリーン１５７ａおよび粒子床１５５を通って上方に流れ、次いで、ろ過された随伴水として第１容器排出口１３０ａを通って処理容器１１０ａから出る。バルブ６４０が開いているとき（図示のとおり）、ろ過された随伴水は、平行上昇流設計システム８００を出て、水収集容器１７６に至ることができる。リサイクルバルブ６３０が開いている場合（図示せず）、随伴水は、追加のろ過および処理のために、第１上昇流設計容器６００ａを通してフィードバックされてもよい。第１上昇流設計容器６００ａを含む処理サイクル中、第１洗浄システム１９０ａの構成要素は、随伴水の処理に関係するシステム構成要素から隔離され、閉鎖される。分離された構成要素には、洗浄液容器１９１ａ、洗浄液ポンプ１９２ａ、バルブ１９３ａ、バルブ１９５ａ、分離容器１９６ａ、有機収集容器１９７ａ、および分離器ガス源１９８ａが含まれる。
【００５９】
図１１に示す洗浄サイクルにおける第２上昇流設計容器６００ｂに関して、洗浄液容器１９１ｂ内の還元剤を含む洗浄液は、洗浄液ポンプ１９２ｂの補助により、バルブ１９３ｂを介して容器吸入口１２０ｂに輸送される。図７に示す平行クロスフローろ過システム４００とは対照的に、平行上昇流設計システム８００の洗浄液は、上昇流設計容器６００ｂの処理容器１１０ｂ内のスクリーン１５７に対する重力による粒子床１５５の支持により、処理サイクル中に随伴水が流れる。洗浄液は、処理容器１１０ｂに入り、スクリーン１５７を通って上昇する。スクリーン１５７を通過した後、洗浄液は、処理サイクル中にろ過層として機能した粒子床の金属化合物を還元し（図１１から意図的に欠落）、ろ過層を溶解し、溶解した還元金属化合物および前処理サイクル中にろ過層に付着していたため洗浄サイクルが必要だった原油などの有機化合物を運ぶ。洗浄液、その溶媒和成分、および非溶媒和成分は、第１容器排出口１３０ｂを通って処理容器１１０ｂから流出し、バルブ１９５ｂを通って洗浄システム１９０ｂに戻る。
【００６０】
洗浄液は、分離容器１９６ｂに進む。分離容器１９６ｂにおいて、洗浄液は、例えば、水相と、水相上に浮かぶ有機相とに分相することができる。例えば、窒素などの不活性ガスのブランケットを分離ガス源１９８ｂから分離容器１９６ｂに注入して、有機相の有機化合物を分離容器１９６ｂ内の分解又は反応から保護することができる。有機相は、例えば、原油などの随伴水源１６０から発する随伴水に元々存在する有機化合物を含んでもよい。有機化合物は、さらなる使用、精製、又は価値化のために、分離容器１９６ｂから有機回収容器１９７ｂに抽出されてもよい。水相は、溶媒和された還元金属化合物および未反応の還元剤を含んでもよい。有機相が分離容器１９６ｂから抽出されると、水相をさらに処理して、還元金属化合物を回収し、その後の再酸化およびろ過層として上昇流設計容器６００ｂへの置換を行うことができる。あるいは、所望の回収後、水相を洗浄液容器１９１ｂに再利用して戻すことができる。再利用水相中の還元剤の濃度が低すぎて、洗浄液が粒子床１５５の粒子などのろ過層を溶解し続けることができない場合、洗浄液容器１９１ｂの洗浄液に追加の還元剤を追加してもよい。第２上昇流設計容器６００ｂを含む洗浄サイクルの間、バルブ６１０ｂ、バルブ６２０ｂ、および吸入口ポンプ１６７ｂを含む構成要素は、洗浄サイクルに関係するシステム構成要素から隔離され閉鎖される。
【００６１】
図１２に示すとおり、下降流設計容器５００を１つだけ含んだ図１１の平行上昇流設計システム８００に類似した下降流設計システム９００が示されている。下降流設計容器を含むシステムも、複数の下降流設計容器で構成できることを理解されたい。図１２の下降流設計システム９００は、処理サイクルのために、バルブ４１０、４２０、および６４０が開位置で示され、バルブ１９３と１９５が閉位置で示されている。閉位置にバルブ４１０、４２０および６４０を反転し、開位置にバルブ１９３と１９５を反転し、洗浄サイクルのために、図１２の下降流設計システム９００を切り替える。図１２の下降流設計システム９００が、図１１の平行上昇流設計システム８００のいずれの側にも対応する動作と同じように動作するという、すべての構成要素は容易に理解されるべきである。図１２の下降流設計システム９００を図１１の平行上昇流設計システム８００と比較した際の主な動作上の違いは、下降流設計システム９００の処理サイクル中の随伴水は、処理容器１１０の上部から容器吸入口１２０を通って処理容器１１０の底部に流れ、第１容器排出口１３０を通って流れるということに対して、平行上昇流設計システム８００の随伴水は、処理容器１１０ａ、１１０ｂの底部から処理容器１１０ａ、１１０ｂの上部に流れるということである。従って、下降流設計システム９００において、洗浄サイクル中の洗浄液は、処理サイクル中の随伴水の流れる方向とは逆方向に流れ、洗浄サイクル中の洗浄液が処理サイクル中の随伴水の流れる方向と同じ方向に流れる平行上昇流設計システム８００とは異なる。
【００６２】
図１の一般的な概略と一致する処理システムのさまざまな実施形態が説明され、ろ過層１５０として金属化合物のコーティング用の多孔性担体１４０としてセラミック膜を有する処理システム、およびろ過層１５０として金属化合物の粒子の粒子床用の多孔性担体１４０としてスクリーンを有する処理システムが含まれる。随伴水を処理する方法の実施形態、特に、随伴水から有機化合物を回する収方法の実施形態を、図１、４、７、１１、および１２の、例示的なシステム１００、２００、４００、８００、および図９００を参照して説明する。
【００６３】
いくつかの実施形態では、随伴水から有機化合物を回収する方法は、本開示の実施形態に従って前述した任意の処理システムの随伴水源１６０に随伴水を提供することを含み得る。処理システムに随伴水が供給されると、処理システムの洗浄システム１９０からの洗浄液の流れを止めながら、処理容器１１０への随伴水の流れを可能にするすべてのバルブを開くことにより、処理サイクルが開始され得る。次いで、随伴水は、随伴水からの有機化合物がろ過層１５０内に集まるまで、処理サイクル中にろ過層１５０を通過する。
【００６４】
随伴水から有機化合物を回収する方法は、処理システムの洗浄サイクルを開始して、洗浄液をろ過層１５０のろ過材に提供することをさらに含み、それにより、金属化合物が、洗浄液に可溶な還元金属化合物に還元される。その後、洗浄液を処理容器１１０から取り除くことができる。処理容器から取り出された洗浄液には、溶解した還元金属化合物と回収される有機化合物が含まれている場合がある。有機化合物は、例えば分離容器内などで洗浄液から分離することができる。次いで、分離された有機化合物は、回収される前に、任意でさらに洗浄又は精製されてもよく、それにより、有機化合物はさらに使用又は価値付けされてもよい。随伴水から有機化合物を回収する方法のいくつかの実施形態では、有機化合物は原油を含んでもよい。
【００６５】
いくつかの実施形態において、随伴水から有機化合物を回収する方法は、分離容器内の洗浄液から水相を分離することなどにより、処理容器から取り除かれた洗浄液から還元金属化合物を回収することを含み得る。方法は、洗浄液から回収された還元金属化合物を酸化して金属化合物を改質し、次いで、改質金属化合物を処理容器１１０に移して、それ自体がセラミック膜上のろ過層１５０として機能するコーティングとして使用することをさらに含み得る多孔性担体１４０として、又はろ過層１５０として機能する粒子床１５５内の金属化合物の粒子として機能する。
【００６６】
いくつかの実施形態では、随伴水から有機化合物を回収する方法は、ろ過層１５０と第１容器排出口１３０との間にセラミック膜を有する処理システムを含み得る。ろ過層１５０は、セラミック膜のコーティングされた表面上に金属化合物のコーティング層を含むことができる。そのような実施形態による方法の間、金属化合物のコーティング層は、洗浄サイクル中に金属化合物が還元されると、セラミック膜から溶解する。
【００６７】
いくつかの実施形態では、随伴水から有機化合物を回収する方法は、洗浄サイクル後に回収された還元金属化合物で新鮮なセラミック膜（ｆｒｅｓｈ  ｃｅｒａｍｉｃ）の表面をコーティングすることを含んでもよい。この方法は、新鮮なセラミック膜上の還元された金属化合物を酸化して、新鮮なセラミック膜の表面上に金属化合物の再生コーティング層を形成することをさらに含み得る。新鮮なセラミック膜は、還元された金属化合物が酸化される前あるいは後に、処理容器１１０に挿入して戻されてもよい。
【００６８】
いくつかの実施形態では、随伴水から有機化合物を回収する方法は、金属化合物が金属水酸化物、金属オキソ水酸化物、又はそれらの組み合わせから選択される処理システムを含んでもよい。例示的な実施形態では、金属水酸化物は、水酸化鉄（ＩＩＩ）、水酸化銅（ＩＩ）、水酸化マンガン（ＩＩＩ）、水酸化クロム（ＩＩＩ）、およびそれらの組み合わせから選択され得る。例示的な実施形態では、金属オキソ水酸化物は、オキソ水酸化鉄（ＩＩＩ）（フェリハイドライト）、オキソ水酸化マンガン（ＩＩＩ）、オキソ水酸化クロム（ＩＩＩ）、およびそれらの組み合わせから選択され得る。さらなる例示的な実施形態では、金属化合物は、水酸化鉄（ＩＩＩ）、フェリハイドライト、又はそれらの組み合わせから選択され得る。さらなる例示的な実施形態では、金属化合物は、本質的なフェリハイドライト、又はフェリハイドライトから構成されるものが含まれる。例示的な実施形態では、洗浄液の還元剤は、随伴水中の有機化合物、特に随伴水中に存在する可能性のある原油を分解又は還元せずに金属化合物を還元する化合物を含んでもよい。例示的な実施形態において、還元剤は、還元剤は、次亜リン酸（Ｈ３ＰＯ２）又はその塩、亜リン酸（Ｈ３ＰＯ３）又はその塩、シュウ酸又はその塩、ギ酸又はその塩、アンモニア水（ＮＨ３）、ヒドロキシルアミン（ＮＨ２ＯＨ）、塩基性条件の水素、金属チオ硫酸塩（Ｓ２Ｏ３２−）、金属亜硫酸塩、水素化ホウ素ナトリウム、水性又は溶解した二酸化硫黄（ＳＯ２）などの水素化物源、又は亜硫酸が含まれるが、これらに限定されない。いくつかの実施形態において、還元剤は、水性二酸化硫黄、亜硫酸若しくは亜硫酸の塩、例えば、重亜硫酸ナトリウム、亜硫酸二ナトリウム、又はそれらの組み合わせを含み得る。洗浄液は、還元剤の水溶液であってもよい。
【００６９】
このように、随伴水用の処理システムの実施形態は、処理システムを使用して随伴水から原油などの有機化合物を回収する方法の実施形態とともに記載されてきた。本開示の実施形態による処理システム、およびそれらに関連する方法は、セラミック膜の目詰まり又はファウリング、および粒子床アプリケーションで大量の随伴水を処理できないなど、油田随伴水のろ過に関連する問題の貴重な解決策を提供し得る。実施形態による処理システムによって提供されるファウリング緩和ソリューションは、セラミックろ過技術の操作効率を改善し、そのような技術を、クルミ殻（ｗａｌｎｕｔ−ｓｈｅｌｌ）ろ過又は誘導ガス浮選などの他の実践的な水脱油技術と競合させることができる。膜ベースおよびベッドベースの水処理プロセスに費用対効果の高い洗浄プロセスを提供することにより、実施形態による処理システムは、工業プロセス、特に石油およびガス産業から毎日生じるような嫌気性条件下で大量の随伴水を処理するのに有用であり得る。さらに、実施形態による処理システムにおいて、随伴水の脱油およびセラミック膜などのろ過層を洗浄するために使用される洗浄液のリサイクルを通じて廃棄物を回避できるため、本開示に記載されている随伴水から有機化合物を回収する。
【実施例】
【００７０】
本開示で説明される実施形態は、本開示の範囲又は添付の特許請求の範囲を限定しないと理解されるべきであり、以下の実施例によってさらに明確にされるであろう。
【００７１】
実験室規模のデッドエンドろ過システムは、図４に示されるように構成された。原油を０．５〜２．０体積％含む随伴水のサンプルを、フェリハイドライトの保護コーティングを施したセラミックメンブレンと、比較のために２００ｍＬずつの保護されていないセラミックメンブレンでろ過した。２００ｍＬずつ増加した後、亜硫酸水素ナトリウムの飽和溶液を使用して逆洗サイクルを実行した。両方の場合において、セラミック膜は、１４０ｎｍの孔サイズを有する平坦な酸化ジルコニウムチタンセラミックディスクであった。特定フラックス（Ｊ）は、セラミック膜を通過した随伴水の総量（ｍＬ）の関数として測定さた（単位Ｌ／（ｍ２・ｈ・ｂａｒ））。このように処理された随伴水の特定の体積での各特定フラックス測定での正規化フラックス（Ｊ／Ｊ０）は、システム後の最初のフラックス測定で決定された初期フラックスＪ０で特定の体積で特定フラックスＪを割ることによって計算し始められた。したがって、正規化フラックス値は、システムによって処理される随伴水の量の関数として、元のフラックスの一部を示す。これらの実験からの結果は、図１３にまとめられる。
【００７２】
保護されていないセラミック膜の場合、図１３に示されるように、約３２５ｍＬの随伴水が処理された後、正規化フラックス（Ｊ／Ｊ０）が約０に減少し、これは、トータルファウリングが発生し、随伴水が保護されていないセラミック膜を透過できなくなったことを示している。一方、コーティングされた膜は、少なくとも２回の洗浄サイクルの後、安定した正規化フラックスを維持する能力を保持していた。実験の時間枠と体積内で、コーティングされた膜に不可逆的なトータルファウリングの痕跡は観察されず、各洗浄サイクルの直前の正規化フラックスは一貫して約０．０５だった。この値は、洗浄サイクルの直前に、コーティングされたセラミック膜の特定フラックスが新鮮にコーティングされた（ｆｒｅｓｈ  ｃｏａｔｅｄ）セラミック膜の特定フラックスの約５％であることを示している。
【００７３】
フェリハイドライトでコーティングされたセラミック膜を通してろ過された随伴水から原油を回収する能力を評価するために、さらなる実験が行われた。０．５％、１．０％、および２．０％の原油を含む３つの４００ｍＬの随伴水のサンプルを、２００ｍＬずつ増加する図４のデッドエンドろ過システムで処理した。２００ｍＬおよび４００ｍＬの随伴水の各サンプルが処理された後に、洗浄サイクルが実行された。洗浄サイクル中、飽和亜硫酸水素ナトリウムの還元液をコーティングされたセラミック膜に通して、表面から原油を分離し、フェリハイドライトコーティングを溶解した。使用済みの還元液を収集した。次に、修飾膜を飽和亜硫酸水素ナトリウム溶液に約１時間浸した。還元液が金属コーティングを溶解したら、還元液を逆洗手順で使用される還元液に加えた。還元液を重量分離タンクに移し、そこで遠心分離機により原油を還元液から分離した。データを表１にまとめる。
【００７４】
【表１】
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【００７５】
随伴水を処理する典型的な産業施設は、１日あたり随伴水５，０００バレル（ｂｂｌ／日）から４０，０００バレル／日までの処理速度で動作する（１バレル＝４２ガロン（約１６０リットル））。表１のデータに基づいて、そのように処理された随伴水中の約０．４５体積％〜１．７体積％の典型的な回収可能な原油含有量について、実施形態による処理システムは、１日あたり約２０バレルから少なくとも６８０バレル／日までの原油は、さらなる使用又は精製プロセスで確認できる価値がある。
【００７６】
追加実験で、図７に示すとおり、クロスフローろ過パイロットプラントを構成し、細孔径が１４０ｎｍ未満の１５０ｋＤａチタン−酸化ジルコニウム膜を使用し、フェリハイドライトで内部被覆し、デッドエンドろ過システムの実験に使用したのと同じ随伴水を使用した。膜内圧は０．４３５ｂａｒであり、安定した透過液流束は６０°Ｃで３２５Ｌ／（ｍ２・ｈ・ｂａｒ）に設定された。実験開始時、２４時間、および９６時間に測定された保持水流の全有機組成（ＴＯＣ）データは、洗浄サイクルなしの４日間後でも、原油の３０％のみが管状セラミック膜に堆積した。この実験データを表２にまとめる。
【００７７】
【表２】
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【００７８】
管状膜を通る随伴水の特定の流束は、図１４に示すとおり、時間の関数としてプロットされた。９０時間以上にわたって、システムの特定の流量は、洗浄サイクルがなくても比較的一定であった。図１４のプロットは、実験の時間枠で０．９２以上の一貫した正規化フラックス（Ｊ／Ｊ０）を表す。クロスフローろ過システムは、管状メンブレンでのろ過がメンブレンの壁を介して行われ、ろ過されていない保持物質は、膜自体に浸透する必要のない膜の反対側の端を通過することができるため、より大きな正規化フラックスを保持すると考えられる。
【００７９】
特に明記しない限り、本明細書及び特許請求の範囲における任意の範囲の開示は、範囲自体及び範囲内に包含されるいかなるもの、ならびに終点も含むものと理解されるべきである。
【００８０】
当業者には、特許請求される主題の趣旨および範囲から逸脱することなく、本明細書に記載される実施形態に対して修正および変更がなされ得ることが明らかであろう。したがって、本明細書は、本明細書に記載される様々な実施形態の修正および変更を包含することが意図されるが、そのような修正および変更が、添付の特許請求の範囲およびそれらの等価物の範囲内であることを条件とする。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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