本发明涉及降低高盐度含硼液体，如海水中的硼的浓度的方法， 其中，最终处理得到的水或渗透物的硼浓度显著地降低。
更具体地，本发明提供的一个实施例包括：将该高盐度液体的pH 值调节到一个合适的高水平，将高盐度液体通过一个反渗透装置，及 回收含硼浓度小于约2ppm的渗透物。在一个优选的实施例中，该渗 透物所含降低后的硼的浓度小于约1ppm，及最优选小于约0.5ppm。
术语“高盐度液体”可被理解为指任何含盐量至少约为2000ppm 的总溶解盐(TDS)的液体，且优选大于约10,000ppm的总溶解盐。 在一个实施例中，该高盐度、含硼液体为海水，其总溶解盐为约32,000 -44,000ppm，但是任何含硼的高盐度液体都可用本发明提供的方法 进行处理。目前优选测定硼浓度的方法为离子耦合氩等离子体法 (ICAP)。然而，任何本领域普通技术人员所周知的测定方法都可测 定硼的浓度。
优选地，将高盐度液体的pH值调节到约为8-9.5，更优选为调 节到约8-9.3。如前所述，有文献表明，可通过将pH值调节到较高 的水平，如大于9.5，以大大地加强对硼的排除率。然而，在这种情 况下，也必须对水进行软化。由于高的pH值可能导致钙结垢，因此 通常反渗透装置在pH值为8.2或更低的值，如7.8时工作，以确保 不会产生钙结垢。与之相反，本发明的第一实施例的有益效果在于， 该实施例不要求对水的前软化程序，并且通过在微高于正常pH值情 况下，即pH值约为8-9.5时操作反渗透系统，达到非常高的硼排除 率。
根据本发明，调节pH值的优选方式为使用一种碱，如优选氢氧 化钠或氢氧化钙处理高盐度液体。也可以使用其他常用的碱，如石灰 (氧化钙)。即使高盐度液体的pH值最初大于约8，某些应用仍然期 望将pH值提高到期望范围的上限值：接近约9.5。
在一个优选的实施例中，当高盐度液体流经时，pH值的测定和调 节是并行进行的。确定pH值后，一个从罐中接出的定量给料泵将碱 加入到该并行流体中。理想地，该定量给料泵具有自动反馈功能，以 自动监控和控制加入的碱量。该过程无需混合步骤，因为该碱可在高 盐度液体流动时与之自然混合。
调节完高盐度液体的pH值后，使该液体通过一个反渗透装置， 该装置优选为一个压力容器。在一个实施例中，该反渗透装置包括一 个阵列或一组过滤器元件，该过滤器元件平行地排列为一列，以满足 既定的回收处理水的需要。该阵列包括反渗透膜元件，该元件优选地 为具有少量或大量负电荷表面的聚酰胺型膜。也可以使用其他的负电 荷分隔膜，如聚丙烯酸。该膜元件可以设置为多种包装配置，如板框 式模件或中空纤维模件，更优选地为卷式配置。通常市场上可购置的 卷式反渗透膜元件为4″×40″或8″×40″(约为10×102cm或20× 102cm)，但是本领域技术人员周知的膜的配置或尺寸都适用于本发明 提供的方法。通常，压力容器包括约6-8个膜元件，但在某些情况 下会要求在压力容器中使用较少数目的膜。
使液体在室温或稍低或稍高温度条件下通过该反渗透装置。更具 体地，在膜的正常温度范围内，即约为10℃-45℃，该方法是有效的。 可以认为，p H值对于硼去除率的作用受温度变化的影响并不大。然而， 虽然当温度低于约20℃时，仍然可使用该方法，但是反渗透膜在这些 低温条件下对硼的排除更有效，而且不需要pH值调节步骤。该方法可 在反渗透膜的正常工作压力下使用，如约为800-1500磅/平方英寸 (psi)(约为5×106-10×106Pa)，更优选地约为800-1200psi(约为5× 106-8×106Pa)，及最优选地约为900-1000psi(约为6×106-7×106Pa)。 在示例的方法中，约12-75g pm(约3-17M3/小时)的盐水使用的是直径 为8英寸、长为40英寸(约为20×102cm)的元件。
在一个实施例中，该方法还包括：在高盐度液体通过反渗透装置之 前，在该液体中加入一种结垢抑制剂，以防止在膜中形成碳酸盐或其 他硬性水垢，而这种结垢现象通常发生在高pH值情况下。该抗结垢剂 可以是任何从市场上购置的、为本领域技术人员周知的、可以控制碳 酸钙或氢氧化镁结垢的结垢抑制剂。结垢抑制剂的优选用量约为0.5 -5ppm。然而，存在一个对结垢抑制剂效力的限制因素。具体地，如 果pH值超过约9.5，该抗结垢剂就可能不会延缓或抑制水垢的形成。 在本发明的方法中，pH值被控制到约为8-9.5，因此当加入一种结垢 抑制剂后，不产生结垢。
当液体通过第一级反渗透装置后，回收到的渗透物所含的硼的浓 度小于约2ppm，更优选小于约1ppm，最优选小于约0.5ppm。该渗透 物所含的所有可溶性盐离子，如钠、镁和氯化物的浓度都下降了。通 过第一级膜元件的渗透物，其硼浓度较低，可以被使用，或可以由一 个额外的膜处理方法处理，该膜处理方法可为膜法、离子交换法、蒸 馏法或其他可降低硼浓度的方法，从而进一步降低硼的浓度。因为第 二级反渗透系统的给水的盐度较低，因此该第二级系统可在较低压力 下运转，并且使用较少的能量。换句话说，可通过在pH值范围的上 限值条件下操作第一级膜元件以产生一个含较低硼浓度的渗透物的 方式，将第二级处理系统的尺寸减到最小。通过减小第二级反渗透系 统的尺寸，可节约成本。
本发明第二实施例包括使用一种膜预处理过滤系统，优选超滤或 微滤技术，以有效地去除在原始pH条件下含硼液体中的胶状物质。 例如，海水的原始pH值通常约为7.8-8.2。任选地，可以在膜预处 理前，在高盐度液体中加入至少一种凝结剂化学物质。在完成超滤或 微滤之后，该方法包括：将高盐度液体的pH值调节到一个合适的高 度，选择性地加入一种结垢抑制剂，将该高盐度液体通过一个反渗透 装置，回收渗透物，该渗透物所含的降低后的硼浓度为小于约2ppm。 在一个优选实施例中，该渗透物所含的降低后的硼浓度为小于约 1ppm，更优选小于约0.5ppm。在反渗透之前使用膜预处理法去除胶状 物质的步骤，代替了传统的或常规的絮凝和介质过滤步骤。该膜预处 理法的有益效果在于其比传统的过滤法更经济，且无需前述絮凝和介 质过滤法中所必要的降低pH值的步骤。
本发明涉及的方法中的膜预处理步骤优选地包括：将pH值为原 始值的高盐度液体通过一个超滤或微滤系统，以产生一种流出物，该 流出物的胶状颗粒的浓度显著降低。在一个优选实施例中，流出物中 直径小于或等于约1微米的颗粒的浓度小于约5粒/毫升。由于超滤 和微滤系统生产质量相似的水，因此可根据生产成本确定选择具体的 技术。优选地，超滤或微滤系统包括超滤或微滤系统膜组件并使用卷 式膜元件，更优选为可以在直接过滤模式(空端)下操作的毛细管类 组件。
在一个优选实施例中，在膜集成系统中使用本发明的方法，该系 统包括一个运用超滤或微滤系统膜技术的预处理系统及一个反渗透 脱盐单元。尽管该集成系统相对于两个分离的系统而言，价格较高， 但是该系统提供了较为可靠的给水供给和较为稳定的给水质量。
膜预处理法使用膜分离方法过滤给水并去除悬浮颗粒。与之相 反，传统的絮凝和介质过滤法是使用一层沙去除悬浮颗粒，人们发现 该方法在去除小的胶质颗粒方面的效果比用膜预处理法差。在一个通 常的集成膜系统中，第一膜系统在压力较低(如约为3-15psi)(约为2 ×104-1×105Pa)或真空条件下工作，并且只去除悬浮物质，而让溶解 的离子通过。在第二个系统，即反渗透系统中，其在高压(通常超过 800psi)(约为5×106Pa)条件下工作，处理第一系统的流出物并降低 溶解离子的浓度。
在一个实施例中，可以加入少量的至少一种凝结剂化学物质以增 强超滤或微滤系统的作用。根据实验确定所要求的凝结剂及期望的使 用量。该凝结剂可与海水在一个分离的搅拌间中混合或依次加入。例 如，如氯化铁、硫酸铝、聚氯化铝及其他本领域技术人员周知的或发 现的凝结剂，将会有效地增加给水中的胶状固体的大小，以使得该胶 状固体可被超滤或微滤膜方法有效地去除，其方式为通过提高超滤或 微滤法的渗透率的性能稳定性。与之相反，在介质过滤系统中，凝聚 剂与胶质颗粒相结合并提高其去除率。
在本发明的第一实施例中，优选将高盐度的超滤或微滤流出物的 pH值调节到约为8-9.5，更优选地约为8-9.3。该实施例的有益效果 在于其不要求对水进行预软化，且通过在pH值略高于正常情况下， 即约为8-9.5时操作反渗透系统，导致硼的排除率显著提高。
流出物的pH值优选地可通过用碱处理来进行调节，所用的方法 和材料如上述对本发明第一实施例的描述。
调节过流出物的pH值之后，将该液体通过一个反渗透装置，该 装置优选为一个压力容器。压力容器中可能的或优选的反渗透元件的 数目或性质如前面所述。
如本发明的第一实施例中，该流出物可在室温或稍低或稍高温度 下通过反渗透装置，并且在膜的正常温度范围，即约10℃-45℃内是 有效的。该实施例通常为在如前所述的反渗透膜的正常工作压力下进 行的。
在另一实施例中，该方法还包括：在膜预处理之后，在流出物通 过反渗透装置之前，在高盐度液体中加入一种水垢抑制剂以防止在膜 中形成碳酸盐或其他硬性水垢，而该水垢通常在高pH值情况下产生。 如本发明第一实施例，该防垢剂可以是任何从市场购置的、本领域技 术人员周知的、可以控制碳酸钙结垢或氢氧化镁结垢的结垢抑制剂。 该结垢抑制剂的优选剂量约为0.5-5ppm。在本实施例中，将pH值控 制到约为8-9.5，以致当加入一种结垢抑制剂后，不会产生结垢。
当将液体通过第一级反渗透装置后，回收的渗透物含有降低的硼 浓度，该硼浓度小于约2ppm，更优选小于约1ppm，最优选小于约 0.5ppm。该渗透物所含的可溶性盐离子，如钠、镁和氯化物的浓度也 都降低了。从第一级膜元件得到的含较低硼浓度的渗透物可被使用或 可由额外的膜处理方法，如膜法、离子交换法、蒸馏法或其他可降低 硼含量的方法进行处理，以进一步降低硼的浓度。如前面对第一实施 例的描述，因为第二级反渗透系统的给水所含盐度较低，因此第二级 系统可以在较低压力条件下工作，并消耗较少能量，以节约成本。
结合以下具体的、非限制性的实施例，可更好地理解本发明。
对比实施例1
在一个通常为8英寸(约为20厘米)的压力容器装入8个SWC3 型卷式膜元件，该系列的卷式膜元件可从美国海德能公司 (Hydranautics)购置。在压力容器的一个出口可收集到从所有8个 膜元件得到的渗透物。检测一个海水的样本，其pH值为8.14。使用 离子耦合氩等离子体法测定海水中的硼的浓度为6.02ppm。将温度为 23.1℃的海水引入压力容器中，给水压强为1140psi(约为 7.9x106Pa)。压力容器以50％的回收率工作。将该渗透物通过压力容 器后，分析该渗透物，得知其所含硼的浓度为1.27ppm。
实施例1
用氢氧化纳处理含硼浓度为5.89ppm的第二海水样本以将其pH 值提高到9.24。加入大约28ppm的100％ NaOH，以得到理想的pH值 范围。在液体中加入大约4ppm的市售抗结垢剂。将温度为23.4℃的 海水引入到与对比实施例1同样的压力容器中。当海水通过该压力容 器后，分析渗透物，得知其含硼浓度为0.48ppm。上述两个实施例所 得数据列表如下：
  实施例   水温(℃)   水的pH值   原始硼浓度   (ppm)   最终硼浓度   (ppm)   1   23.1   8.14   6.02   1.27   2   23.4   9.24   5.89   0.48
上述实施例表明，高盐度液体的pH值对从反渗透装置中回收的 渗透物所含的最终硼浓度有显著影响。当其pH值约为8-9.5时，硼 的浓度可以降低到小于约0.5ppm。
与本领域技术人员周知的其他运用反渗透膜降低硼浓度的方法 相比，本方法的优势在于：提供了一个通过在海水反渗透膜系统使用 单级配置而显著升高的硼排除率。该硼浓度的降低是通过升高pH值 而获得的，而该pH值必须足够地低，使得在有结垢抑制剂存在的情 况下，观察不到结垢现象。
本领域普通技术人员可知，在不偏离本发明的广义的发明实质的 情况下，可以对上述实施例进行许多变化和改进。因此可以认为，本 发明不限于上述具体的实施例，而意在包括任何在本发明的权利要求 书所确定的保护范围内的所做的修改。
相关专利申请的交叉引用
本专利申请要求2002年6月13日递交的第60/388,256号美国临 时专利申请及2003年1月29日递交的第60/443,363号美国临时专利 申请的优先权，并且是2002年7月3日递交的同时待审的第 10/188,476号专利申请的部分延续案，上述申请公开的内容通过引用 并入本申请。