[0002] 本申请宣告2011年9月9日递交的美国临时
专利申请号61/532766的优先权，该申请的全部公开以引用的方式合并在本文中。
背景技术
[0003] 由于常规的水资源变得日益稀缺，水净化技术正快速成为现代生活的重要方面，用于
饮用水的市政配水系统随年代老化，并且增加的水使用消耗水井和水库，并造成盐水污染。此外，包括例如集约耕作、
汽油添加剂和有毒重金属的各种行为造成水源的进一步污染。这些问题导致水系统中病菌、细菌、盐、MTBE、氯酸盐、高氯酸盐、砷、汞、甚至用于消毒饮用水的化学物水平增加并令人反感。
[0004] 此外，即使地球的几乎3/4被
海水覆盖，但该水中仅有3%作为
淡水资源存在，并且由于人口增长和
全球变暖，这些资源变得日益稀缺。所有淡水中大约69%被包含在
冰帽和
冰川中。伴随着增长的全球
熔化，这种淡水变得不可回收，因此实际可用的不到1%，大部分（超过90%）是逐步被人类行为和盐水入侵污染的含水层中的
地下水。因此，迫切需要能够将盐水（包括海水和卤水）变为淡水、同时去除大范围污染物的技术。
[0005] 常规的淡化和
水处理技术，包括
反渗透（RO）过滤和诸如
多效蒸馏（MED）、多级闪蒸（MSF）以及
蒸汽压缩蒸馏（VC）的热蒸馏系统，很少能够处理盐渍环境中发现的各种范围的水污染物。此外，即使它们在商业上可用，它们常常需要多个处理阶段或一些各种技术的组合以实现可接受的水
质量。当盐含量增加时，RO系统承受高水压的要求，这导致它们在商业淡化中变得昂贵，并且它们普遍浪费超过40%的输入给水，这使它们在水稀缺时变得没有吸引
力。此外，RO设备产生大量通常丢弃到海水中的废卤水，这导致对鱼类和贝类致命的高含
盐度。非常规的技术，诸如紫外线
辐射或臭
氧处理可有效抵抗病毒和细菌，但很少能够去除其它污染物，诸如溶解气体、盐、
碳氢化合物和非可溶性固体。此外，虽然大部分蒸馏技术可擅长去除污染物子集，它们很少能处理所有类型的污染物。
[0006] 由于商业淡化厂通常是复杂的、需要一年到三年建造的工程项目，它们通常是资本密集型的，并且难以从一个地点移动到另一个地点。它们的复杂性和对多种技术的依赖性也使其易具有高的维护成本。由于RO厂被设计为在稳定压力和水流条件下连续工作，大的压力
波动或供电中断会损坏更换昂贵的膜，因此，输入给水需要广泛的预处理以防止RO膜的污染。
[0007] 热蒸馏系统，诸如LeGolf等（专利US6,635,150B1）中描述的那些，包括MED系统，其依赖于多个在
真空下工作的
蒸发和冷凝步骤以实现以低于水正常沸点的
温度蒸发。这些技术在商业上可用于各个国家的淡化，但其全部是根据不同的物理-化学原理工作。例如，MED、MSF和VC系统都需要真空，这意味着由于蒸发出现在低于消毒所需温度下，因此产物水不能被消毒；同样，真空系统往往会泄露，并需要机械强化。此外，MED、MSF和VC系统中的
传热和热回收包括跨膜或薄金属表面的热交换，但热交换易被污染和形成水垢，并需要频繁维护。
[0008] 最近，Thiers（2009年9月17日递交的PCT申请号US2009/57277、名称为“大规模水净化和淡化”和2010年4月12日递交的PCT申请号US2010/030759、名称为“用于水溶液净化中降低
结垢的方法和系统”）已经描述了一种从水蒸气中去除结垢成分的方法和用于淡化系统的大规模实施方式。然而，Thiers描述的早期预处理系统依赖于最终
热处理，其包括加热到120℃长达若干分钟的
停留时间，这虽然在技术上有效，但表现出巨大的
能量消耗。需要一种最小化能量消耗同时仍能从水蒸气中去除结垢成分的预处理方法。此外，Thiers描述的用于大规模淡化和水处理的实施方式不能解决启动和关机工作期间遇到的瞬变现象，并且不能适当地确保不同
沸腾阶段之间稳定液压头的维护。除了在正常工作期间的稳定以外，还需要在启动和关机过程期间稳定的工业配置。
[0009] 需要便宜和有效的消除结垢化合物的预处理方法。还需要连续和高度自我清理、抗
腐蚀和抗结垢、模
块化和紧凑、回收输入水的主要部分同时产生结晶为固体盐饼的高度集中废卤水、相对便宜和低维护的工业淡化和水处理系统。
发明内容
[0010] 本发明描述了各种用于改进的淡化和水净化系统的工业实施方式。该系统包括防止结垢的预处理部分以及由入口、预热器、脱气机、多个蒸发室和除沫器、产物
冷凝器、废物出口、产物出口、多个用于传热和热回收的
热管、以及控制系统组成的淡化部分。控制系统提供净化系统以最小的用户介入或清理连续工作。该系统能够从被污染水样中去除多种污染物类型，包括微
生物污染物、
放射性污染物、金属、盐、挥发性有机物、以及非挥发性有机物。在本系统的实施方式中，产物水的体积可为输入
水体积的大约20%到超出95%，这取决于输入水蒸气的盐分。该系统包括沸腾室、冷凝器、以及紧凑和便携的预热器的垂直
叠加方式。该系统每天能够产生1000到50000000加仑的水。
[0011] 预处理部分通过PH值调节来沉淀结垢化合物。加入的
腐蚀剂或石灰最初沉淀氢氧化镁，其随后被通过过滤或沉降或二者去除。接下来，通过溶解CO2或加入碳酸氢盐或可溶性碳酸盐调节碳酸氢盐离子的浓度，以对应于溶液中剩余
钙、镁、以及其它二价阳离子的化学计量组成，并且该PH值再次被调节到9.8或更高的值，以将结垢化合物作为非可溶性碳酸盐沉淀。在过滤或沉降以去除沉淀物以后，清澈的预处理溶液随后流入淡化部分中。
[0012] 淡化部分包括垂直叠加的
锅炉、冷凝器、以及具有预热水箱、脱气机和传热管的除沫器。预热管将输入水的温度升高到接近沸点，然后可被置于垂直叠加的顶部或底部。排出预热水箱的水会具有至少大约96℃的温度。预热水箱可具有螺旋状排列的
叶片，以使输入水在水箱中流动若干转，从而提供充足的停留时间以实现预热。输入给水沿切向进入预热水箱，并逐渐被热管预热直到获得所需温度为止，然后在不需要脱气时通过与脱气机连接或直接与下方沸腾室连接的降液管排出预热水箱。
[0013] 一种脱气机，其置于垂直叠加的顶部附近，通过将输入水朝低压蒸汽逆流
汽提的方式去除可能是挥发性的或非挥发性的气体和有机污染物。脱气机基本上是垂直方向，并具有上端和下端。预热的水在脱气机的上端进入，并且脱气水从靠近下端的脱气机排出。在该系统中，来自最高蒸发室的蒸汽可进入靠近下端的脱气机，并可从靠近上端的脱气机排出。该脱气机包括可用于实现水汽混合的模具，通过使进水朝脱气机中相反方向气流倒流来汽提基本上所有有机物、挥发物以及气体的进水。该气体可以是例如蒸汽、空气、氮气等。该模具可包括基本为球形的颗粒。然而，该模具也可包括非球形的颗粒。该模具包括颗粒的大小被选择用于实现脱气机内的统一
包装。该模具还可包括不同大小的颗粒，并且这些颗粒可以以梯度大小排列在该脱气机中。从该脱气机排出的水没有有机物和挥发性气体。
[0014] 传热管为整个系统提供
热能，并可包括以低压废气工作的冷凝室。可替换地，其可以是可使用任何类型
燃料工作的
燃烧室，或者是吸收来自换热器、
太阳能加热器或省
煤器的工作液的热量的
导管。
[0015] 预处理的水首先被预热到接近沸点，然后进入靠近垂直叠加上端的脱气机，在该处气体和碳氢化合物被去除。脱气水然后进入上方锅炉，在该处一部分输入水被变为蒸汽，上方锅炉中产生的一部分蒸汽可用于提供用于脱气所需的蒸汽，而剩余的则进入去除夹带的微小液滴的除沫器，并且在锅炉正上方的冷凝室中被冷凝为纯净水。由于上方锅炉中的一些输入水蒸发，剩余的水的可溶性盐逐渐变得越来越浓，并且连续向下流入一系列下方锅炉中，直到其在盐水的
溶解度极限附近作为重卤水流出最下方的锅炉为止。
[0016] 与输入水向下流同时的是，在传热管处提供热量，并且热量被通
过热管逐渐向上传送。热管是高效率的
焓传送设备，其以热端和冷端之间小的温度差工作。一些热管将传热管处提供的热量传送到底部锅炉。底部锅炉处产生的蒸汽被作为底部冷凝器中的冷凝热大量回收，在该处另一组热管将该热量传送到上方锅炉，从而逐渐重复使用用于多个蒸发室和冷凝室的热量。
附图说明
[0018] 图2是两级淡化机的示意图。
[0019] 图3是淡化级的详细正视图。
[0020] 图4是五级淡化机的示意图。
[0021] 图5提供了锅炉、冷凝器和隔板的正视图、立体图和平面图。
[0022] 图6是热管的示意图。
[0023] 图7是高性能热管的示意图。
具体实施方式
[0024] 本文公开了本发明的实施方式，在一些情况下是以示例性形式或者通过参考一个或多个附图的方式。然而，任何这种具体实施方式的公开仅仅是示例性的，并且并不能指示本发明的整个保护范围。
[0025] 本发明的实施方式包括用于水净化和淡化的系统、方法和装置。优选实施方式提供了完全自动化的广谱水净化，并可工作长达非常长的时间周期，而不需要清理或用户介入。例如，本文公开的系统可在无用户控制或介入的情况下运行长达2、4、6、8、10或12个月或更长。在优选实施方式中，该系统可自动运行长达1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14或15年或更久。
[0026] 由此，本发明的实施方式提供了一种水净化和淡化系统，包括至少一个用于盐水、污染水、或海水的入口、预热器、脱气机、一个或多个蒸发室、一个或多个除沫器、以及一个或多个具有产物出口、废物出口和控制系统的产物冷凝器，其中从出口排出的水基本是纯净的，并且控制系统提供了净化系统的连续工作而不需要用户介入。在优选实施方式中，产生的产物水的体积是输入水体积的至少大约20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%、95%、96%、97%、98%、或99%、或更多。由此，本系统在存在相对高的、与获取进水和/或
废水处理相关联的
费用或困难的条件下具有很高的优越性。该系统每输入水/废水单元的产物水的产量相比许多其它系统有更高的效率。
[0027] 在不同的实施方式中，基本纯净水可以是符合以下任意标准的水：就任何污染物而言，水被净化为纯度是进水的25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95、100、125、150、175、200、250、500、750、1000倍或更多倍数的纯净物。在其它实施方式中，基本纯净水是就进水中存在的多种污染物而言，被净化为上述等级其中一种的水。也就是说，在这些实施方式中，水纯度或质量是一个或多个污染物的阵列的浓度的函数，并且基本纯净水是进水中这些污染物浓度与产物水中相同污染物浓度之间比值为25倍或更高的水。
[0028] 在一些实施方式中，水纯度是由电导率衡量，其中超纯净水的电导率通常小于1μ西
门子，蒸馏水的电导率大约是5。在这些实施方式中，产物水的电导率一般在大约1到7之间，通常在大约2到6之间，优选地是在大约2到5、2到4、或者2到3之间。电导率是总溶解固体（TDS）的量度，并且是良好的水纯度关于盐、离子、矿物质等的指示器。
[0029] 可替换地，水纯度可由各种标准，诸如表1和表2中列出的当前美国环境保护局（EPA）标准、以及表2中列出的其它可接受的标准来衡量。相应地，本发明的优选实施方式能够降低大范围污染物，包括例如表1中列出的任何污染物中的任何一个或多个污染物，其中最终的产物水的污染物水平处于或低于标为“MCL”（最大浓度水平）的一栏中
指定的水平，进水的污染物水平最高是指定MCL的25倍。同样，在一些实施方式中，对于一些污染物而言，当进水的污染是MCL或产物水的30-、40-、50-、60-、70-、80-、90-、100-、150-、250-、500-、或1000倍或更高时，本发明的系统能够将污染物去除至MCL水平。
[0030] 虽然从某种程度来说，任何系统去除进水中污染物的能力是进水中总杂质水平的函数，本发明的系统特别适合从单个进料中去除多个具有多种不同类型的污染物，并产生堪比蒸馏水、在一些情况下堪比超纯净水的水。应该注意到，表1中“挑战水”一栏包含EPA测试中使用的水中污染物的浓度水平。本发明水净化系统的优选实施方式通常可去除比该栏中列出的量更多数量的初始污染物。然而，与“挑战水”一栏中提到的那些对应的污染物水平同样处于本发明实施方式能力的保护范围内。
[0031] 表1–水污染物浓度水平和测试协议
[0032]
[0033]
[0034]
[0035]
[0036] 水纯度的确定和/或净化性能的效率可以是基于系统去除大范围污染物的能力。对于许多生物污染物而言，目标是基本去除所有现场污染物。表2列出其它普通的水源水污染物和用于测试这些污染物水平的标准协议。表1和2中列出的这些用于普通水污染物的协议在www.epa.gov/safewater/mcl.html#mclc、以及《用于确定饮用水中有机化合物的方法》（EPA/600/4–88–039，1988年12月，1991年7月
修改）处对公众可用。
[0037] 方法547、550以及550.1在《用于确定饮用水中有机化合物的方法-补充I》（EPA/600–4–90–020，1990年7月）中。方法548.1、549.1、552.1以及555在《用于确定饮用水中有机化合物的方法-补充II》（EPA/600/R–92–129，1992年8月）中。方法502.2、504.1、505、506、507、508、508.1、515.2、524.2、525.2、531.1、551.1以及552.2在《用于确定饮用水中有机化合物的方法-补充III》（EPA/600/R–95–131，1995年8月）中。方法
1613名为“通过同位素稀释HRGC/HRMS的四至八氯二恶英和呋喃”（EPA/821–B–94–005，
1994年10月）。上述每一篇均通过引用完整结合于本文中。
[0038] 表2–水污染物测试协议
[0039]
[0040] 表3–用于系统验证的示例性污染物
[0041]
[0042]
[0043] 1MCLG=最大浓度限值指导
[0045] 3pCi/l=微微居里每公升
[0046] 4基本没有可被检测到的生物污染物
[0047] 水预处理系统的总体描述
[0048] 本预处理系统的目的是通过在随后的处理、尤其在淡化期间结垢将结垢化合物降++ ++低到它们不会干扰的水平。水的硬度通常被定义为水中存在的钙（Ca ）、镁（Mg ）和其它二价离子的数量，并通常用这些离子或其等价物如碳酸钙（CaCO3）的百万分率（ppm）表示。由于水溶解空气中的二氧化碳，并且这种二氧化碳提供了结合以形成碳酸钙和碳酸镁的碳酸根离子，因此形成结垢。在加热时，碳酸钙和碳酸镁的可溶性明显降低，并且它们作为水垢沉淀。在现实中，水垢包括任何从溶液沉淀的化合物。因此，
磷酸铁和
硫酸钙（
石膏）也产生水垢。表4列出一些在水中显示出低溶解度、并从而能结垢的化合物。在本上下文中，低溶解度是由溶度积定义，即，特定化学品的阳离子和阴离子的离子浓度的乘积；溶解度一般以摩尔每升（mol/L）表示。
[0049] 表4–各种化合物的溶度积
[0050]
[0051]
[0052]
[0053]
[0054]
[0055]
[0056] 常规的除垢技术包括化学和电磁方法。化学方法利用PH值调节、用聚
磷酸盐化学
封存、沸石等、或离子交换中的一种，通常使用这些方法的组合。通常化学方法旨在通过降低PH值和使用化学封存防止水垢沉淀，但其通常不是100%的有效。电磁方法依赖于碳酸钙或碳酸镁的电磁激励，以促成非粘附的晶形。例如，电磁激励促成文石而非方解石的沉淀；前者是更柔软的、更差粘附形式的碳酸钙。然而，电磁方法仅仅在相对短距离和停留时间上有效。需要永久去除将被进一步处理的被污染水溶液、海水或产生的水中的结垢成分。
[0057] 其它因素可使降低水垢方法复杂化，尤其在诸如海水或采出水的高盐度溶液中。这些因素包括高离子强度溶液的缓冲效应和离子络合现象，其会使某些阳离子不反应。
[0058] 本发明的一种实施方式提供了一种用于去除
自来水、被污染水溶液、海水、以及诸如采出水的盐湖卤水中结垢化合物的方法，包括初始通过以高PH值沉淀氢氧化镁（Mg(OH)2）来去除镁离子，然后通过沉降或过滤去除沉淀物。通常Mg(OH)2在高PH值（大约11.0）沉淀，但在一些情况下大部分镁在较低的PH值沉淀。
[0059] 在Mg(OH)2沉淀后，碳酸根离子被以CO2喷射的形式加入，通过以接近的化学计算量加入可溶性碳酸盐或碳酸氢盐，以便随后通过将PH值调节到大约10.2或更高的方式沉淀作为碳酸盐的钙、钡和其它二价阳离子。该过程具有永久隔离空气封存CO2的净效应，然后沉淀物被通过沉降或过滤移除。
[0060] 该预处理实施方式的详细描述遵循图1的流程图。在图1中，过滤和脱油后的污染水（1）通过将输入水传送到混合沉降管V-101（40）的管道加压
泵P101（20）进入预处理系统。沉降管V-101的PH值被通过连续加入
碱（以氢氧化钠、氢
氧化钙或类似化学物形式）维持在大约11。沉降管V-101中PH值的控制是通过
计量泵P102（22）实现，其将通过可变
阀门Va101（45）传送水箱T101中的苛性碱溶液。沉降管V-101中沉淀的Mg(OH)2泥浆在底部附近沉淀并排出，并在
过滤器F101（50）被连续过滤，从而产生氢氧化镁的
滤饼（66）。
[0061] 在Mg(OH)2沉淀在沉降管V-101（40）中以后，清澈的溶液在顶部附近排出并流入静态混合器M101（60），在该处其与过滤器F101（50）和泵P103（24）中其它清澈的滤出液、以及碳酸根离子源（其可以是来自V102（32）的加压的CO2气体、或可溶性碳酸盐或碳酸氢盐溶液）混合。
[0062] 水溶液然后流入第二静态混合器M102，在该处来自可变阀门Va101（45）的其它腐蚀剂或碱性化学物被加入，以将PH值调节到大约10.2，在该点处溶液中的大部分二价阳离子作为不溶性碳酸盐沉淀。沉淀的泥浆然后进入混合沉降器V103（42），在该处不溶性碳酸盐沉积并流入过滤器F102（52），在该处第二滤饼（68）被去除。过滤器F102中的滤出液进入泵P105（26），流入使一部分除垢后的水产物（70）能够往回再循环进入碳化循环的可变阀门Va102（47）。
[0063] 在另一个方面中，特别在污染水包含过量碳酸盐或碳酸氢盐离子时，钙或镁可被加入，以为碳酸盐沉淀提供化学计量要求。可替换地，钙和镁可被其它以碳酸盐形式且具有低溶度积的二价阳离子，诸如钡、镉、钴、铁、铅、锰、镍、锶、或锌取代。
[0064] 在另一个方面中，加入的钙或镁被以碳酸盐或氢氧化物形式且具有低溶度积的三价阳离子，诸如
铝或钕取代。
[0065] 在另一个方面中，CO2喷射被其它可溶性碳酸氢根离子，诸如钠、
钾、或碳酸氢铵替代。
[0066] 在另一个方面中，碳酸盐和水垢沉淀物是通过除沉降或过滤以外、诸如离心的方式去除。
[0067] 在另一个方面中，永久隔离空气封存CO2是在常规的淡化系统，诸如MSF蒸发系统、MED厂、以及VC淡化系统中实现。
[0068] 在另一个方面中，积垢盐是从常规淡化系统中永久去除。
[0069] 在另一个方面中，包含令人反感的硬水成分（诸如钙或镁）的自来水、城市用水、或井水是在住宅水净化系统中被除垢。
[0070] 在另一个方面中，有价值的积垢盐（诸如镁、钡、或其它盐）被回收。
[0071] 在另一个方面中，结垢化合物被以非粘附、易过滤、或可沉积固体的形式被沉淀并最终被去除。
[0072] 在另一个方面中，来自
发电厂的CO2排放物和类似烟气被永久隔离。
[0073] 在另一个方面中，结垢化合物被顺序沉淀和去除，以使其可在下游工业过程中被利用和重复使用。
[0074] 本发明的另一个实施方式提供了一种用于从水溶液中去除结垢化合物的方法，包括：以足以使第一结垢化合物以碱性PH值沉淀的化学计算量将至少一个离子加入溶液中；将该溶液的PH值调节为碱性PH值，从而沉淀第一结垢化合物；去除该溶液中的第一结垢化合物；将该溶液加热至足以使溶液中的第二结垢化合物沉淀的温度；以及去除溶液中的第二结垢化合物。
[0075] 在另一个方面中，该离子是从包括碳酸根离子和二价阳离子的组中选择。在另一- 2+ 2+个方面中，碳酸根离子是HCO3。在另一个方面中，二价阳离子是从包括Ca 和Mg 的组中选择的。
[0076] 在另一个方面中，该化学计算量足以用二价阳离子取代从第一结垢化合物中由钡、镉、钴、铁、铅、锰、镍、锶、锌组成的组中选择的二价阳离子。
[0077] 在另一个方面中，化学计算量足以用二价阳离子取代从第一结垢化合物中由铝和钕组成的组中选择的三价阳离子。
[0078] 在另一个方面中，加入至少一个离子包括用CO2气体喷射该溶液。
[0079] 在另一个方面中，CO2是大气中的CO2。
[0080] 在另一个方面中，加入至少一个离子包括将从由
碳酸氢钠、碳酸氢钾以及碳酸氢铵组成的组中选择的可溶性碳酸氢根离子加入该溶液。
[0081] 在另一个方面中，加入至少一个离子包括将从包括CaO、Ca(OH)2、Mg(OH)2、以及MgO的组中选择的化合物加入该溶液。
[0082] 在另一个方面中，碱性PH值是大约9.2或更大的PH值。
[0083] 在另一个方面中，第一结垢化合物是从包括CaCO3和MgCO3的组中选择。
[0084] 在另一个方面中，调节溶液的PH值包括将从包括CaO和NaOH的组中选择的化合物加入该溶液。
[0085] 在另一个方面中，去除第一结垢化合物包括过滤、沉降、以及离心中的至少一种。
[0086] 本发明的另一个实施方式提供了一种获取结垢化合物的方法，包括：提供水溶液；加入在数量上足以使第一结垢化合物以碱性PH值沉淀的碱性化学物；将该溶液的PH值调节为碱性PH值，从而沉淀第一结垢化合物；去除溶液中的第一结垢化合物；加入碳酸根离子同时维持足以沉淀溶液中第二结垢化合物的碱性PH值；去除溶液中的第二结垢化合物；
回收第一结垢化合物；以及回收第二结垢化合物。
[0087] 在另一个方面中，第一和第二结垢化合物是从表4中列出的化合物组中选择。
[0088] 本发明的另一个实施方式提供了一种封存大气中的CO2的方法，包括：提供水溶液，其包含至少一个能够在存在碳酸盐离子时形成CO2封存化合物的离子；以足以使CO2封存化合物以碱性PH值沉淀的化学计算量将碳酸盐离子加入该溶液中；将该溶液的PH值调节为碱性PH值，从而沉淀该CO2封存化合物；以及去除该溶液中的该CO2封存化合物；其中加入碳酸盐离子包括将大气中或浓缩的CO2（例如燃烧烟气中的）加入该溶液，该CO2被封存在CO2封存化合物中。
[0089] 水淡化系统的总体描述
[0090] 在优选实施方式（诸如图2中所示的）中，水净化和淡化系统包括垂直堆叠排列的锅炉（92和96）以及冷凝器（90，94和98），从而热源被提供于叠加的底部，预热器（74）被提供于叠加的顶部，脱气机（80）被提供于系统的顶部，以去除输入水中的
挥发性有机化合物，多个除沫器（未示出）被提供用于去除每个沸腾室中的被污染雾滴颗粒，多个热管（78）被提供用于回收每个冷凝器中的热量，并就能够该热量传送到上方的沸腾室，并且废物流出口（100）被提供用于去除和排出水污染物。对于本领域技术人员来说，各种对垂直堆叠排列的替换性配置，诸如锅炉、冷凝器、以及预热器的横向排列等也是可能的，
[0091] 在图2中，预处理的水（70）通过将水流传送到预热器水箱（74）中的管道（72）进入靠近叠加上端的淡化机。预热器水箱（74）中的多个热管（78）传热，以通过传送来自置于正下方的冷凝器（90）的冷凝热来预热输入水。预热的水通过水管（76）从预热器水箱（74）排出，该水管将预热的水传送到脱气机（80）的上端，在该处水通过重力向下流动，而蒸汽的逆流从锅炉（92）通过脱气机（80）的底部向上流动。当蒸汽从预热的水中去除了有机污染物和气体时，脱气水从脱气机（80）排出并进入锅炉（92）。
[0092] 进入锅炉（92）的预加热并脱气的水被传送来自冷凝器（94）的冷凝热的热管（78）进一步加热。锅炉（92）中产生的蒸汽在下述除沫器中被清理，并在冷凝器（90）中被冷凝，洁净水产物经由从每个冷凝器收集洁净水产物的水管（92）从系统排出，由于水是从锅炉（92）蒸发，溶盐的浓度增加。锅炉（92）中沸水的水平被降液管（101）维持在恒定水平，该降液管使水能够通过重力从锅炉排出。
[0093] 锅炉和冷凝器的垂直排列中的一个重要的因素是能够维持锅炉之间微小的压力差，以使下方的锅炉具有比上方锅炉略高的压力，下方锅炉的温度也会比上方锅炉的温度略高。该压力差可由泵维持，但在优选实施方式中，其仅由降液管（100）和（101）的液压头维持，其通过下方的压力致动阀门（103）维持这种压力差。
[0094] 图3中提供了锅炉和冷凝器的垂直排列的更详细描述。在图3中，锅炉（92）接收来自降液管（101）的热的输入水，该降液管从上方的锅炉排出，或者接收来自脱气机的水。在锅炉（92）中，热管（78）传送所需热量，以使温度达到沸点，并提供蒸发热量，以将一部分沸水转换为蒸汽。产生的蒸汽进入除沫器（110），在该处雾滴颗粒被一系列仅允许洁净蒸汽进入蒸汽管（115）的机械屏障收集。蒸汽管将该蒸汽传送到上方的冷凝室（90），在该处其冷凝为洁净水产物，通过产物水排出口（102）排出。
[0095] 当水在锅炉（92）中沸腾时，其可溶性盐变得更密集和浓缩，并通过降液管（100）排入下方的锅炉（96）。降液管（100）底部处的阀门（103）提供必要的液压，以将下方的锅炉（96）维持在比上方的锅炉（92）压力略高从而温度略高。
[0096] 水管（120）和（130）以及中间阀门（125）用作双重功能。在启动过程期间，可由压力调节器或
电磁阀控制的阀门（125）打开，使蒸汽能够直接从下方的锅炉（96）进入上方的锅炉（92），从而
加速启动过程。一旦系统以正确的温度工作，阀门（125）关闭。在关闭过程期间，热源被关闭，阀门（125）被重新打开，以实现所有锅炉的排出。
[0097] 图4是具有五个垂直级的淡化机的示意图。在图4中，预处理并除垢后的水（70）通过水管（72）进入上方的预热管（74），在该处热管（78）的热量提供用于将输入水预加热至接近其沸点但不小于96℃所需的能量。预热的水从预热器（74）排出并进入脱气机（80），在该处逆流蒸汽去除该气体和有机污染物。然后脱气水流入上方的锅炉（92），在该处热管提供用于将一部分输入水变为蒸汽所需的热量。上方锅炉（92）中产生的一些蒸汽可用于提供脱气蒸汽，而剩下的流入除沫器（110），随后流入上方的冷凝器（90），在该处其冷凝为纯净产物水。当水在上方的锅炉（92）中蒸发时，其可溶性盐变得更浓缩，并经由降液管（100）通过重力流入下方的锅炉。当锅炉水向下从锅炉流到锅炉、直到其到达最下方锅炉时，其可溶性盐逐渐变得更浓缩，最下方锅炉处其作为一旦冷却就开始结晶的浓缩热卤水从系统流出。在淡化的情况下，热的废卤水会具有大约250000ppm的TDS浓度，该浓度仍然低于NaCl的溶解度极限，但与其足够接近，以在冷却时开始结晶。
[0098] 与水流相比，热量通过多级热管（78）在系统中从底部的热输入管（150）向上最终流到顶部的预热管（74）。在每一级处，冷凝热、或烟气的
潜热或废物流的冷凝热（在底部的热输入管（150）的情况下）被一系列将热量传送到上方锅炉和上方预热水箱（74）（在垂直叠加的顶部）的热管吸收。
[0099] 本文所述系统的一个重要优点是经由热管的传
热机制。如图所示，在随后的部分中，热管提供了传送
热力学上几乎可逆的热量的装置，即以几乎无损失的效率传送焓的系统。由此，除了预热能量以外，通过使将热管的冷凝侧与沸腾侧隔离的
侧壁处的热量损失最小化，底部的热输入管（150）提供的几乎所有热量在每个沸腾和冷凝级被重复使用。由于距离是由穿孔板（93）定义，传热期间的
热损失量可接近0，穿孔板可以是非常薄的，或者作为隔离物实现。因此，在多级沸腾和冷凝期间使用的能量可通过将水的蒸发热除以系统级数来近似。
[0100] 然而，当系统的级数增加时，每一级产生的蒸汽量降低；在级数很多时，上方冷凝器处冷凝的热量不足以提供用于预热输入水所需的热量，同时不足以提供脱气所需的蒸汽。表5示出作为系统中多级的功能，对于海水情况（其通常没有有机污染物）的能量需求，但忽略了脱气需求。
[0101] 表5–能量需求,Kwh/m3
[0102]
[0103] 上述估计假设系统底部的热废卤水中可用热量、以及各种产物水蒸汽中包含的热量是通过
热交换器或热管回收。在简单排列中，大部分这种热量可通过当产物蒸汽在垂直系统中向下流动时预热与每个产物蒸汽交换的输入水、以废卤水的热回收结束、然后用泵将该预热的水抽入系统顶部的方式回收，在顶部需要最少的补充热量以使温度达到沸点。
[0104] 在替换性实施方式中，每级的产物水可被重新引入上方的冷凝级并可快速流动，从而释放一部分载热。在其它实施方式中，输入的预处理后的水可被分为多个单独的蒸汽，并被引入每个单独的级用于蒸馏。
[0105] 图5示出典型级的平面图、立体图和正视图，并提供了适合于能够在6级中处理大约100000gpd（378.5m3/天）的系统的锅炉、冷凝器、以及隔板的尺寸。
[0106] 优选的是能够使本发明中沸腾级和冷凝级的数量最大化。只要这些热管的冷凝端和沸腾端之间的温度差（ΔT）足以维持通过热管的最大热通量，通过使用热管，这就是可能的。通常商业上可用的热管的ΔT大约为8℃（15°F）（虽然一些的ΔT低至3℃）。ΔT定义了可以以给定温度下可用的给定热量实现的最大级数。由此，需要可以以尽可能小的ΔT工作的热管。所以检查热管中的热现象是有用的。
[0107] 图6示出典型的商业热管，其一般包括部分抽真空并密封的管（77），其包含少量工作液（81）；该液体通常是水，但也可以是酒精或其它挥发性液体。当热量被以焓的形式加到下端时，热量穿过管（77）的金属屏障，然后用于为工作液（81）提供蒸发热。当工作液蒸发时，产生的气体（在水的情况下是蒸汽）填充管（77）并到达上端，在该处ΔT导致同一热量作为冷凝热冷凝和释放。为了实现连续工作，管（77）的内部通常包括管芯（79），其可以是任何将冷凝阶段的工作液传送回管的热端的多孔层和吸水层。
[0108] 在实验中，热管中传热的最大障碍包括：1）紧邻热管外部的层；2）热管材料表现的传导障碍；以及3）将工作液返回热管热端的管芯材料的限制。图7示出使这些障碍最小化的高性能热管。
[0109] 在图7中，振
动能量（87）被以机械振动、机电振动或高频超声的形式提供给热管（78）。该振动被传送到热管的长度上，并破坏与该热管相邻的层。该层的破坏实现了该层中的微
湍流，从而产生传热。此外，疏水涂层被提供在热管外侧上，尤其在外部冷凝发生的区域中。疏水涂层可包括
单层硬脂酸或类似的
烃，或者其可以是薄的疏水氯氟烃层。热管外侧上的疏水面使冷凝和蒸发所需的面积最小化，从而降低了传热障碍。
[0110] 热传导障碍也可通过使用非常薄的金属箔（77）而非大多数热管的固态金属管来最小化。对于金属箔的机械支持必须足以维持适度的真空，并且是由金属滤网（85）提供，其通过增加用于提供必要的冷凝/蒸发热所需的内部表面面积来提供附加的功能。
[0111] 通过将管芯指向热管轴从而降低冷凝与热管壁上传热之间的热干扰来实现工作液体的改进分布。管芯材料可以是任何能够通过毛细作用传送工作液的亲水性多孔介质，诸如金属氧化物、一些陶瓷、
表面处理纤维素材料等。
[0112] 在一些实施方式中，本文公开的实施方式中用于除垢水和盐溶液的系统可与其它系统和设备结合以提供其它有益的功能。例如，该系统可与2005年5月2日递交的美国临时专利申请号60/676870且名为“太阳能对准设备”、2005年7月6日递交的美国临时专利申请号60/697104且名为“可视水流指示器”、2005年7月6日递交的美国临时专利申请号60/697106且名为“用于回收饮用水的矿物成分的装置”、2005年7月6日递交的美国临时专利申请号60/697107且名为“改进的旋
风除沫器”、2004年12月1日递交的PCT申请号US2004/039993、2004年12月1日递交的PCT申请号US2004/039991、2006年10月13日
递交的PCT申请号US2006/040103、2008年9月3日递交的美国专利申请号12/281,608、
2008年3月21日递交的PCT申请号US2008/03744、以及2003年12月2日递交的美国临
时专利申请号60/526,580中公开的任何设备或方法结合使用；上述每个申请都通过引用完整结合于本文中。
[0113] 本领域的技术人员会理解这些方法和设备是并且可适用于实现目的，并获得提到的结果和优点，以及各种其它优点和优势。本文所述的方法、过程和设备目前表示优选实施方式并且是示例性的，并且并不用于作为对本发明保护范围的限制。对于本领域技术人员而言，被包含在本发明精神内的改变和其它使用会出现，并且被本公开的保护范围所定义。
[0114] 本文示例性描述的本发明可适合于在没有本文未具体公开的任何元素或限制下实现。已经采用的术语或表达被用作描述的术语而非限制的术语，并且这些术语和表达的使用并不意在指示排出图示和描述的特征的等价物或其一部分。认识到在公开的本发明保护范围内的各种修改是可能的。因此，应该理解虽然通过优选实施方式和可选特征详细描述了本发明，但本文概念的修改和改变也可被本领域技术人员采用，并且这些修改和改变可被认为落入本公开所定义的本发明保护范围内。
[0115] 本领域的技术人员会认识到本文提出的本发明的方面和实施方式可彼此单独或彼此结合实现。因此，单独的实施方式的结合也处于本文公开的本发明保护范围以内。
[0116] 所有的专利和公开被以相同的程度通过引用合并于本文中，就如同每个单独的公开被具体和单独地指示为通过引用合并一样。
[0117] 实例1–海水的水除垢系统
[0118] 以下表6中示出海水的大致化学成分，并且是开放海洋的典型化学成分，但海水成分存在显著的变化，这取决于地理和/或
气候。
[0119] 表6–3.5%盐度的详细海水成分
[0120]
[0121]
[0122] 注意：ppm=百万分率=毫克/升=0.001克/公斤
[0123] 50加仑的海洋海水被收集并在能够连续处理20至200加仑/日的试验设施中被处理。最初，50mL/升10%的氢氧化钠（腐蚀性）溶液被用于将海水的PH值提高到大约11.2，并且产生的沉淀物可以在被使用1μ微孔过滤器过滤之前沉积在
增稠剂中。然后滤出液被使用0.9克/升的碳酸氢钠进行条件培养，其PH值被调节为10.2以获得另一种碳酸盐沉淀物，其又可以沉积并随后被使用微米过滤器过滤。最终滤出液的化学分析显示结垢离子（诸如钙和镁）降低了大约67%，剩余的钙和镁形成沸腾时不会沉淀的可溶性氯化物。
[0124] 在类似的实验中，一升海洋海水被使用30毫升10%氢氧化钠（腐蚀性）溶液处理以将该海水的PH值提高到略低于11.0，并且产生的沉淀物可以在使用1μ微孔过滤器过滤之前沉淀在增稠剂中。然后滤出液被使用0.9克/升的碳酸氢钠进行条件培养，其PH值被通过加入另一种0.7克的苛性碱溶液调节到9.8，以获得碳酸盐沉淀物，其可以沉积，并随后被使用1μ过滤器过滤。在产生的滤出液中未检测到结垢化合物。
[0125] 开发了一种特殊试验过程，用于确定被处理溶液中的结垢程度。在该试验中，被处理溶液的样品被收集在玻璃烧杯中，并且该样品在高压锅中在压力下以120℃的温度被沸腾长达5小时。在该测试过程以后，样品被去除，并在
显微镜下被目视检查，以检测任何固体沉淀物。由于随后的淡化部分中的停留时间仅仅是几个小时，在该特定试验中不存在任何水垢证明淡化过程中不会产生水垢。预处理后在本文所述的任何实例中都未检测到水垢。
[0126] 实例2–废水进水成分处理中水垢的去除
[0127] 由于结垢所在单独水净化装置中产物的最终淡化的预处理将是高度不可取的，因此作为来自
肥料加工设施的废物流获得的含水废水进水成分被以上述方式处理，以去3
除结垢化合物，处理装置的吞吐量为6加仑/日（GPD），其用作用于测试需要2000m/日（528401.6GPD）的工业条件的试验装置。以下表7中给出了废水进水成分中的相关元素和离子。
[0128] 表7–废水进水成分
[0129]
[0130]
[0131] 废水进水的TDS成分为35000ppm（毫克/升）。从表7可以看出，废水进水具有非常高的钙和镁浓度，这会增加水垢。
[0132] 废水进水被以上述方式处理。由于进水包含很少或不包含碳氢化合物，没有执行除油和脱气。CO2碳化和加入NaOH（以提供与溶液中的镁反应的氢氧化离子）之后是使用加入的NaOH将PH值调节到9.3。该过程产生过滤后的结垢成分（“滤饼”）和出水（产物）。根据上述过程测试出水产物的结垢，未检测到水垢或沉淀物。
[0133] 实例3–采出水处理中水垢的去除
[0134] 本公开的处理过程被应用到已经被调节到高TDS水平和高水硬度的海水，以测试该过程处理诸如油提取操作中的采出水、或者气体压裂操作中的废水的输入溶液的能力。在该水在水淡化装置（诸如美国专利申请号7678235中公开的）中净化以前，其被使用本公开的过程预处理。如下更详细讨论地，当经历本公开预处理过程的海水被用作水净化装置中的给水时，其未显示出结垢。
[0135] 以下数量的各种化合物被加入到新鲜海洋水中，以产生本实例的输入水溶液：72+
克/升的Ca(OH)2被加入以产生7.1kppm的目标Ca 浓度，并且29克/升的NaCl也被加
入。产生的水样品的TDS为66kppm。
[0136] 必要时，在室温下通过加入大约5克/升的NaOH以将溶液的PH值增加到超过10.5来执行第一沉淀。主要包含氢氧化镁的乳状沉淀物在被第一室温过程中被沉淀。该水被净化以去除固体沉淀物。
[0137] 然后通过加入氢氧化钠和足够的腐蚀剂以将PH值调节到9.8来执行第二沉淀，并获得主要包含钙和其它碳酸盐的第二沉淀物。除垢和过滤后的水的TDS大约是65kppm。
[0138] 除垢后的水被用作根据美国专利号7678235的水净化装置的进水。产物水被从该装置收集，并且产物水的TDS被测量。虽然进水的TDS为65kppm，水净化装置的产物水小于10ppm。在该装置的锅炉中未观察到明显的新水垢产生。
[0139] 实例4–海洋水的淡化
[0140] 50加仑海洋水首先被根据先前描述的过程预处理，然后馈入设计用于50-200GPD吞吐量的试验淡化机中。该产物水的TDS小于10ppm，并且在任何锅炉中都未检测到结垢迹象。
[0141] 实例5–采出水的淡化
[0142] 50加仑包含超过146000ppm TDS和高碱度的合成采出水首先被根据先前描述的过程预处理，并被馈入设计用于50-200GPD吞吐量的试验淡化机中。产物水的TDS小于40ppm，并且在任何锅炉中都未检测到结垢迹象。
[0143] 实例6–微咸水的淡化
[0144] 50加仑包含超过3860ppm TDS的微咸水首先被根据先前描述的过程预处理，然后馈入设计用于50-200GPD吞吐量的试验淡化机中。产物水的TDS小于10ppm，并且在任何锅炉中都未检测到结垢迹象。
