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用于农业应用的含钠、高盐度水或高钠水的水处理

阅读:311发布:2022-01-10

专利汇可以提供用于农业应用的含钠、高盐度水或高钠水的水处理专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且一种提供适合于 灌溉 使用的 水 的方法,包括将预处理的水进料到 电渗 析 设备中;通过以下在所述电渗析设备中处理所述预处理的水:从所述预处理的水中选择性地去除单价阴离子物质和单价阳离子物质中的一种或两种,同时保留多价阴离子物质和多价阳离子物质中的一种或两种,以产生具有比预处理的水低的单价离子与多价离子的比率的处理过的水流;以及将处理过的水引导到灌溉水分配系统中。,下面是用于农业应用的含钠、高盐度水或高钠水的水处理专利的具体信息内容。

1.一种提供适合于灌溉使用的的方法,所述方法包括:
将预处理的水进料到电渗析设备中;
通过以下在所述电渗析设备中处理所述预处理的水:从所述预处理的水中选择性地去除单价阴离子物质和单价阳离子物质中的一种或两种的级分,同时优先地保留多价阴离子物质和多价阳离子物质中的一种或两种,以产生具有比所述预处理的水低的单价离子与多价离子的比率的处理过的水流;以及
将所述处理过的水引导到灌溉水分配系统中。
2.如权利要求1所述的方法,还包括产生处理过的水和浓缩的水流,所述处理过的水具有比所述预处理的水低的钠吸收率(SAR)值,所述浓缩的水流具有比所述预处理的水高的SAR值。
3.如权利要求2所述的方法,还包括产生具有低于20的SAR值的处理过的水。
4.如权利要求1所述的方法,还包括跨过所述电渗析设备的阳极阴极施加高于在所述电渗析设备的阴离子选择性膜处的活性极化电压的电压。
5.如权利要求4所述的方法,还包括使所述预处理的水以一速度流过所述电渗析设备的稀释隔室,所述速度足以使所述处理过的水的pH低于所述预处理的水的pH。
6.如权利要求1所述的方法,还包括跨过所述电渗析设备的阳极和阴极施加高于在所述电渗析设备的阴离子可渗透膜处的活性极化电压的电压。
7.如权利要求6所述的方法,还包括使所述预处理的水以一流量流过所述电渗析设备的稀释隔室,所述流量足以使所述处理过的水的pH低于所述预处理的水的pH。
8.如权利要求1所述的方法,还包括跨过所述电渗析设备的阳极和阴极施加高于在所述电渗析设备的阳离子可渗透膜处的活性极化电压的电压。
9.如权利要求8所述的方法,还包括使所述预处理的水以一流量流过所述电渗析设备的所述稀释隔室,所述流量足以使所述阳离子可渗透膜中的间隙水的pH相对于所述处理过的水具有更低的pH。
10.如权利要求1所述的方法,还包括以选定的活性消耗流电压梯度跨过所述电渗析设备的阳极和阴极施加电压。
11.如权利要求10所述的方法,还包括以选定的离子消耗膜表面速度、pH条件、温度、极化条件、和/或特定的多价阴离子和/或阳离子相对于单价阴离子和/或阳离子的相对边界层浓度条件来操作所述电渗析设备,使得阴离子或阳离子中间体或者离子络合物连同氢离子或氢根离子的原位产生或者优先于氢离子或氢氧根离子的任何原位产生在膜表面处被形成。
12.如权利要求11所述的方法,还包括在以下条件下操作所述电渗析设备,在该条件中所述阴离子或阳离子中间体或络合物与这些阴离子和/或阳离子或中性成分将在没有电场的情况下处于平衡的充分混合的条件下相比,变得相对地更多的可渗透或更少的不可渗透通过阴离子选择性膜或阳离子选择性膜中的任一种或两种。
13.如权利要求1所述的方法,其中将所述预处理的水进料到所述电渗析设备中包括将包含单价和二价阴离子和阳离子的预处理的水进料到所述电渗析设备中。
14.如权利要求13所述的方法,其中将所述预处理的水进料到所述电渗析设备中包括将预处理的海水、微咸水、淡水和产出水中的一种进料到所述电渗析设备中。
15.如权利要求13所述的方法,其中将所述预处理的水进料到所述电渗析设备中包括将具有比离子的浓度大的钠离子的摩尔浓度的水进料到所述电渗析设备中。
16.如权利要求13所述的方法,其中将所述预处理的水进料到所述电渗析设备中包括将具有比硫酸根离子的浓度大的氯离子的摩尔浓度的水进料到所述电渗析设备中。
17.如权利要求1所述的方法,其中从所述预处理的水中选择性地去除所述单价阴离子物质和所述单价阳离子物质中的一种或两种包括相对于多价离子物质的级分去除,从所述预处理的水中去除钠离子、离子、氯离子、酸氢根离子、硝酸根离子、硒酸氢根离子、亚硒酸氢根离子或其他单价离子物质中的一种或更多种的更大级分。
18.如权利要求17所述的方法,其中在所述预处理的水中保留所述多价阳离子物质和所述多价阴离子物质中的一种或两种包括相对于单价离子物质的级分去除,在所述预处理的水中保留镁离子、钙离子、锶离子、碳酸根离子、硒酸根离子、亚硒酸根离子、硫酸根离子或其他多价离子物质中的一种或更多种的更大级分。
19.如权利要求1所述的方法,包括以至少约70%的电流效率操作所述电渗析设备。
20.如权利要求19所述的方法,包括在高于活性极化电压的条件下操作所述电渗析设备,其中氢离子在所述电渗析设备的稀释隔室的阴离子选择性膜处产生,和/或其中氢氧根离子在所述电渗析设备的稀释隔室的阳离子选择性膜处产生。
21.如权利要求20所述的方法,还包括在活性极化电压条件下操作所述电渗析设备,其中硫酸氢根离子、碳酸氢根离子、酸根离子、硒酸氢根离子或亚硒酸氢根离子中的一种或更多种穿过所述阴离子选择性膜进入所述电渗析设备的浓缩隔室中。
22.如权利要求19所述的方法,还包括在活性极化电压条件下操作所述电渗析设备,其中包含硼酸氢钙(CaH2BO3+)或硼酸氢镁(MgH2BO3+)中的一种的离子络合物穿过所述阳离子选择性膜进入电渗析系统的浓缩隔室中。
23.如权利要求1所述的方法,包括以至少约85%的电流效率操作所述电渗析设备。
24.如权利要求1所述的方法,还包括通过过滤未处理过的进料水以去除具有大于50微米的尺寸的颗粒物质来生产所述预处理的水。
25.如权利要求1所述的方法,还包括将硫酸或盐酸中的一种添加至预处理的水中,所述预处理的水从所述电渗析设备外部的源作为进料水进入到所述电渗析设备中。
26.如权利要求1所述的方法,还包括通过将硫酸或盐酸添加至未处理过的进料水中来从所述未处理过的进料水生产所述预处理的水。
27.如权利要求1所述的方法,还包括通过将氧化化合物添加至未处理过的进料水的一种中或添加至所述预处理的水中来从所述未处理过的进料水生产所述预处理的水。
28.如权利要求27所述的方法,还包括从所述未处理过的进料水中去除溶解的气态组分。
29.如权利要求27所述的方法,其中从所述未处理过的进料水生产所述预处理的水还包括从所述未处理过的进料水中沉淀和过滤原位可氧化的化合物,所述原位可氧化的化合物包括、锰、硫、硒、重金属或者其他无机材料或有机材料中的一种或更多种。
30.如权利要求27所述的方法,其中从所述未处理过的进料水生产所述预处理的水还包括通过以下中的一种或更多种在所述未处理过的进料水中产生原位氧化条件:用含氧气体给所述未处理过的进料水充气,使用包含臭氧、氯或二氧化氯中的一种或更多种的氧化化合物和消毒化合物,或者经由通过包含氧化介质的介质床过滤的处理。
31.如权利要求27所述的方法,其中从所述未处理过的进料水生产所述预处理的水包括在强制通脱气器中处理所述未处理过的进料水。
32.如权利要求1所述的方法,还包括使用所述电渗析设备的浓缩流的纯化的产物或特化的产物的成分作为原材料来产生氧化化合物或pH调节化合物中的一种,以及在电化学氧化/还原设备中处理氧化化合物或pH调节化合物中的一种,以产生由预处理系统用来产生所述预处理的水的化学品。
33.如权利要求1所述的方法,还包括:
监测所述处理过的水流中钠的浓度;以及
调节所述电渗析装置的操作参数,以保持所述电渗析设备的所述处理过的水流和/或浓缩物水流中的期望的SAR值或特定的离子成分或非离子成分的浓度中的一种。
34.如权利要求33所述的方法,还包括:
确定所述处理过的水流中处理过的水的SAR值;以及
调节所述电渗析装置的操作电流或所述电渗析设备的进料水的pH中的一种或两种,以保持来自所述电渗析设备的所述处理过的水流和/或浓缩物水流中的期望的SAR值或pH中的一种或更多种。
35.如权利要求1所述的方法,还包括利用在所述电渗析装置中产生的浓缩物流流出物来生产被用作原材料以调节和预处理所述电渗析设备的未处理过的进料水的试剂
36.如权利要求1所述的方法,还包括利用在所述电渗析装置中产生的浓缩物流流出物来产生热或电。
37.如权利要求36所述的方法,其中从所述浓缩物流中产生所述热或电包括将所述浓缩物流引导到太阳能池中。
38.如权利要求37所述的方法,还包括选择性地引起蒸发工艺以特化纯化的固体化合物,以用于其他商业应用中。
39.如权利要求1所述的方法,还包括使用蒸馏、色谱离子阻滞工艺、结晶或选择性蒸发中的一种或组合从来自所述电渗析设备的浓缩物水生产用于进一步使用的试剂。
40.如权利要求1所述的方法,还包括监测待用所述处理过的水灌溉的土壤电阻,以及至少部分地基于所述电阻来调节所述土壤的灌溉速率。
41.一种操作电渗析设备的方法,所述方法包括:
将包含小于10ppm的元素硼的预处理的水进料到所述电渗析设备的消耗隔室中;
保持在所述电渗析设备的所述消耗隔室内小于9.5的本体pH;
在其中将所述预处理的水中的至少50%的硼从所述消耗隔室中去除的条件下操作所述电渗析设备;以及
从所述电渗析设备的所述消耗隔室中排出处理过的水,所述处理过的水包含比所述预处理的水中的元素硼的浓度低至少50%的元素硼的浓度。
42.如权利要求41所述的方法,其中将所述预处理的水进料到所述电渗析设备的所述消耗隔室中包括将所述预处理的水进料到包含单价选择性阳离子膜的电渗析设备中。
43.一种电渗析设备,包括:
阳极和阴极;
阴离子交换膜和阳离子交换膜,所述阴离子交换膜和所述阳离子交换膜中的至少一个是单价选择性的;以及
控制器,所述控制器被配置成引起所述电渗析设备在以下条件下操作,在该条件中将单价离子物质、离子中间体或离子络合物中的一种或更多种从被引入到所述电渗析设备中的水中选择性地去除,同时多价离子物质被保留以产生处理过的水流和浓缩的水流,所述处理过的水流具有比被引入到所述电渗析设备中的水低的钠吸收率(SAR)值或比被引入到所述电渗析设备中的水低的盐度中的一种,所述浓缩的水流具有比被引入到所述电渗析设备中的水高的SAR值或比被引入到所述电渗析设备中的水高的盐度中的一种;以及跨过所述阳极和所述阴极施加高于所述电渗析设备的活性极化电压的电压。
44.如权利要求43所述的电渗析设备,其中所述电渗析设备包含单价选择性阳离子膜。
45.如权利要求44所述的电渗析设备,其中所述控制器还被配置成引起所述电渗析设备保持在所述电渗析设备的消耗隔室内小于9.5的本体pH;以及以跨过所述阳极和阴极的电压和预处理的水通过所述消耗隔室的流量操作,所述电压和所述流量足以从所述预处理的水中去除至少50%的硼,所述预处理的水流过所述消耗隔室并且当被引入到所述消耗隔室中时具有小于10ppm的元素硼浓度。
46.如权利要求43所述的电渗析设备,其中所述阴离子交换膜包括初级阴离子可离子化单体和包含官能团的化合物,所述阴离子交换膜与不包含所述化合物的大体上相似的阴离子交换膜相比增加在所述阴离子交换膜上发生水分裂的趋势和量。
47.如权利要求46所述的电渗析设备,其中所述官能团是叔胺官能团或另一种阴离子官能团中的一种。
48.如权利要求47所述的电渗析设备,其中所述化合物包含二甲基乙醇胺。
49.一种灌溉水系统,包括:
电渗析设备,所述电渗析设备包括:
稀释隔室入口、浓缩隔室入口、稀释物出口和浓缩物出口;
阳极和阴极;
阴离子交换膜和阳离子交换膜,所述阴离子交换膜和所述阳离子交换膜中的至少一个是单价选择性的;和
控制器,所述控制器被配置成引起所述电渗析设备在以下条件下操作,在该条件中将单价离子物质从被引入到所述电渗析设备中的水中选择性地去除,同时多价离子物质被保留以产生处理过的水流和浓缩的水流,所述处理过的水流具有比被引入到所述电渗析设备中的水低的钠吸收率(SAR)值,所述浓缩的水流具有比被引入到所述电渗析设备中的水高的SAR值;以及跨过所述阳极和阴极施加电压,并且使被引入到所述电渗析设备中的水以一速度流过所述电渗析设备的稀释隔室,所述速度足以使在所述电渗析设备中发生水分裂并且引起所述处理过的水的pH相对于被引入到所述电渗析设备中的水的pH降低;
待处理的水源,所述待处理的水源流体地可连接在所述稀释隔室入口和所述浓缩隔室入口的上游;以及
灌溉使用点,所述灌溉使用点流体地可连接至所述稀释物出口。
50.如权利要求49所述的灌溉系统,还包括预处理系统,所述预处理系统在所述待处理的水源与所述稀释隔室入口和所述浓缩隔室入口之间流体连通。
51.如权利要求50所述的灌溉系统,其中所述预处理系统包括:
入口,所述入口可连接至所述待处理的水源;以及
pH调节剂源,所述pH调节剂源被配置成在剂量点处向所述待处理的水定量给料pH调节剂。
52.如权利要求51所述的灌溉系统,其中所述预处理系统还包括脱气器,所述脱气器具有在所述剂量点的下游的入口。
53.如权利要求52所述的灌溉系统,其中所述预处理系统还包括颗粒过滤器和出口,所述颗粒过滤器在所述脱气器的出口的下游流体连通,所述出口与所述电渗析设备的所述稀释隔室入口和所述浓缩隔室入口流体连通。
54.如权利要求52所述的灌溉系统,还包括至少一个pH传感器,所述pH传感器被设置在所述脱气器的上游和所述剂量点的下游,或者所述脱气器的下游和所述稀释隔室入口和所述浓缩隔室入口的上游中的一个或更多个。
55.如权利要求50所述的灌溉系统,还包括传感器,所述传感器被配置成测量特定离子的浓度,所述控制器还被配置成响应于从所述传感器中接收指示所述特定离子的浓度的信号,调节所述预处理系统和/或所述电渗析设备的操作参数,以控制所述处理过的水流中所述特定离子的浓度。
56.如权利要求49所述的灌溉系统,还包括SAR值传感器,所述SAR值传感器被配置成确定离开所述稀释物出口的处理过的水的SAR值。
57.如权利要求56所述的灌溉系统,其中所述控制器还被配置成从所述SAR值传感器中接收所述处理过的水的SAR值的指示,并且控制所述电渗析设备的操作以产生具有期望的SAR值的处理过的水。
58.如权利要求49所述的灌溉系统,还包括电导率传感器,所述电导率传感器被配置成测量所述灌溉使用点处的土壤的电导率。
59.如权利要求58所述的灌溉系统,其中所述控制器还被配置成接收所述灌溉使用点处的所述土壤的电导率的指示,并且至少部分地基于所述土壤的电导率的指示来调节处理过的水到所述灌溉使用点的流量。
60.如权利要求49所述的灌溉系统,还包括一系统,所述系统与所述浓缩物出口流体连通并且被配置成从来自所述电渗析设备的浓缩物流中产生热或电中的一种。

说明书全文

用于农业应用的含钠、高盐度水或高钠水的水处理

[0001] 相关申请
[0002] 本申请根据35U.S.C.§119(e)要求于2017年5月8日提交的题为“WATER TREATMENT OF SODIC,HIGH SALINITY,OR HIGH SODIUM WATERS FOR AGRICULTURAL APPLICATIONS”的美国临时申请序列号62/502,957和于2015年9月19日提交的题为“WATER TREATMENT FOR AGRICULTURAL APPLICATIONS”的美国临时申请序列号62/560,417的优先权,每个临时申请通过引用以其整体并入本文。
[0003] 背景
[0004] 1.公开内容的领域
[0005] 本文公开的方面和实施方案总体上涉及提供作物灌溉水以及适于饮用的水(potable water)的系统和方法,并且更具体地涉及从具有不可接受的溶解的固体含量的水中提供灌溉水和/或适于饮用的水的系统和方法。
[0006] 2.相关技术的讨论
[0007] 脱盐(desalting)或脱盐(desalination)指的是从例如水中去除盐的水处理工艺。在一些情况下,水源是微咸水或海水,并且其脱盐技术提供对适于饮用的饮用水(drinking water)的至少一部分的市政需求。脱盐技术典型地包括基于蒸馏以及反渗透技术的那些脱盐技术。脱盐的水也可以在商业应用和工业应用中被消耗,如例如,工艺进料水、锅炉进料水、适于饮用的水、饮用水和灌溉水。可以利用脱盐的水的工业的特定实例包括制药工业、采矿工业、造纸和纸浆工业、以及农业工业。
[0008] 概述
[0009] 本文公开的方面和实施方案涉及方法,该方法包括将待处理的水引入到电驱动的分离设备(electrically-driven separation apparatus)中以提供具有小于约20的钠吸收率(sodium adsorption ratio)(SAR或RNa)值的灌溉水。SAR值可以根据以下公式来确定,
[0010]
[0011] 其中[Na]是灌溉水中以mol/m3计的钠物质浓度,[Ca]是灌溉水中以mol/m3计的物质浓度,并且[Mg]是灌溉水中以mol/m3计的镁物质浓度。
[0012] 其他方面和实施方案涉及灌溉系统,所述灌溉系统包括被流体地连接至待处理的水源的电驱动的分离设备和被流体地连接至所述电驱动的分离设备的灌溉水分配系统。
[0013] 根据本公开内容的方面,提供了提供适合于灌溉使用、再使用和/或进一步使用的水的方法。所述方法包括将预处理的水进料到电渗析设备中;通过以下在所述电渗析设备中处理所述预处理的水:从预处理的水中选择性地去除单价阴离子物质和单价阳离子物质中的一种或两种,同时优先地保留多价阴离子物质和多价阳离子物质中的一种或两种,以产生具有比预处理的水低的单价离子与多价离子的比率的处理过的水流;以及将所述处理过的水引导到灌溉水分配系统中。
[0014] 在一些实施方案中,所述方法还包括产生具有比预处理的水低的钠吸收率(SAR)值的处理过的水以及具有比预处理的水高的SAR值的浓缩的水流。所述方法可以包括产生具有低于20的SAR值的处理过的水。
[0015] 在一些实施方案中,所述方法还包括跨过所述电渗析设备的阳极阴极施加高于在电渗析设备的阴离子选择性膜处的活性极化电压(active polarization voltage)的电压。如本文中所使用的术语,活性极化电压是被施加至任何给定的电渗析设备的DC操作电压,该DC操作电压与任何给定的成分补充物(makeup)的稀释水流和浓缩水流以及通过稀释隔室和浓缩隔室的流量和温度的任何给定的操作条件组合,在阴离子选择性离子交换膜或阳离子选择性离子交换膜中的至少一个的表面处或附近产生局部的电压梯度。活性极化电压能够引起一种或更多种稀释流进料离子成分或非离子成分的局部的化学变化或解离,所述稀释流进料离子成分或非离子成分包括但不限于溶解的溶质和/或水。所述方法还可以包括使预处理的水以一流量流过所述电渗析设备的稀释隔室,所述流量足以使处理过的水的pH低于所述预处理的水的pH,以及引起阴离子选择性膜中的间隙水(interstitial water)的pH相对于处理过的水具有升高的pH。
[0016] 在一些实施方案中,所述方法还包括跨过电渗析设备的阳极和阴极施加高于在电渗析设备的阴离子可渗透膜(anion permeable membrane)处的活性极化电压的电压。所述方法还可以包括使所述预处理的水以一流量流过电渗析设备的稀释隔室,所述流量足以使所述处理过的水的pH低于所述预处理的水的pH。
[0017] 在一些实施方案中,所述方法还包括跨过电渗析设备的阳极和阴极施加高于在电渗析设备的阳离子可渗透膜(cation permeable membrane)处的活性极化电压的电压。所述方法还可以包括使所述预处理的水以一流量流过电渗析设备的稀释隔室,所述流量足以使所述阳离子可渗透膜中的间隙水的pH相对于所述处理过的水具有更低的pH。
[0018] 在一些实施方案中,所述方法还包括以选定的活性消耗流电压梯度跨过电渗析设备的阳极和阴极施加电压。所述方法还可以包括以选定的离子消耗膜表面速度、pH条件、温度、极化条件、和/或特定的多价阴离子和/或阳离子相对于单价阴离子和/或阳离子的相对边界层浓度条件来操作所述电渗析设备,由此在膜表面处形成阴离子或阳离子中间体或者离子络合物。阴离子或阳离子中间体或者离子络合物可以结合氢离子或氢根离子的原位产生或者优先地关于氢离子或氢氧根离子的任何原位产生被形成。与这些阴离子和/或阳离子或中性成分将在没有电场的情况下处于平衡的充分混合的条件下相比,阴离子或阳离子中间体或络合物可以通过阴离子选择性膜或阳离子选择性膜中的任一种或两种变得相对地或多或少地可渗透的或不可渗透的。
[0019] 如在本文中使用术语,多价阴离子和/或阳离子包括二价阴离子和/或阳离子。如在本文中所描述的,离子的价态被分类为多价的或单价的,作为在没有电场的情况下在充分混合的溶液平衡时的价态。
[0020] 在一些实施方案中,将预处理的水进料到电渗析设备中包括将包含单价和二价阴离子和阳离子的预处理的水进料到电渗析设备中。
[0021] 在一些实施方案中,将预处理的水进料到电渗析设备中包括将预处理的海水、微咸水、淡水和产出水(produced water)中的一种进料到电渗析设备中。如在本文中使用术语,海水是来源于海洋的水,典型地具有在约20,000ppm和约40,000ppm之间,并且更典型地约35,000ppm的总溶解固体(TDS)水平。微咸水是具有在约1,000ppm和约10,000ppm之间的TDS水平的水。盐水(saline water)或盐水(salt water)具有超过10,000ppm TDS。盐水(brine)是具有大于约35,000ppm的TDS的非常咸的水。适于饮用的水典型地具有小于约1000ppm,并且优选地小于约500ppm的TDS。
[0022] 在一些实施方案中,将预处理的水进料到电渗析设备中包括将具有比钙离子的浓度大的钠离子的摩尔浓度的水进料到电渗析设备中。
[0023] 在一些实施方案中,将预处理的水进料到电渗析设备中包括将具有比硫酸根离子的浓度大的氯离子的摩尔浓度的水进料到电渗析设备中。
[0024] 在其他实施方案中,将预处理的水进料到电渗析设备中包括将具有比氯离子的浓度大的钠离子的摩尔浓度的水进料到电渗析设备中。
[0025] 在其他实施方案中,将预处理的水进料到电渗析设备中包括进料具有比氯离子的浓度大的钠离子的摩尔浓度的水。
[0026] 在一些实施方案中,从预处理的水中选择性地去除单价阴离子物质和单价阳离子物质中的一种或两种的级分包括相对于多价离子物质的级分去除,从预处理的水中去除钠、、氯化物、酸氢盐、硝酸盐、硒酸氢盐、亚硒酸氢盐或其他单价离子物质的离子。在预处理的水中保留多价阳离子物质和多价阴离子物质中的一种或两种的级分可以包括相对于单价离子物质的级分去除,从预处理的水中保留镁、钙、锶、碳酸盐、硒酸盐、亚硒酸盐、硫酸盐或其他多价离子物质的离子中的一种或更多种。
[0027] 在一些实施方案中,所述方法可以包括以至少约70%的电流效率,并且优选地以至少约85%的电流效率来操作电渗析设备。所述方法可以包括在诸如高于活性极化电压的条件下操作电渗析设备,其中氢离子在电渗析设备的稀释隔室的阴离子离子选择性膜处产生,和/或其中氢氧根离子在电渗析设备的稀释隔室的阳离子离子选择性膜处产生。
[0028] 所述方法还可以包括在活性极化电压条件下操作电渗析设备,其中硫酸氢根离子(HSO4-)、碳酸氢根离子(HCO3-)、酸根离子(H2BO3-)、硒酸氢根离子(HSeSO4-)或亚硒酸氢根离子(HSeO3-)穿过单价阴离子选择性膜进入电渗析设备的浓缩隔室;和/或离子络合物诸如硼酸氢钙(CaH2BO3+)或硼酸氢镁(MgH2BO3+)可以穿过阳离子单价选择性膜进入电渗析系统的浓缩隔室。
[0029] 在一些实施方案中,所述方法还可以包括使用过滤器来预处理电渗析装置的未处理过的进料水和/或电渗析装置的稀释流入口的预处理的水,以使用过滤器和过滤器的组合去除大于50微米、25微米、10微米或1微米的标称尺寸的颗粒物质,所述过滤器诸如筛过滤器、袋式过滤器、介质过滤器、碳过滤器、砂过滤器、预涂过滤器(pre-coat filter)、盒式过滤器、和/或膜过滤器。
[0030] 在一些实施方案中,所述方法还可以包括将酸例如硫酸或盐酸添加至水中,该水从电渗析设备外部的源进入电渗析设备的稀释隔室。
[0031] 所述方法还可以包括将硫酸或盐酸中的一种添加至预处理的水中,该预处理的水从电渗析设备外部的源作为进料水进入到电渗析设备中。
[0032] 在一些实施方案中,所述方法还可以包括通过以下从未处理过的进料水生产预处理的水:将硫酸或盐酸添加至未处理过的进料水中,或在其部分地或全部地被预处理并且最终被进料到稀释流隔室和浓缩流隔室中之后添加至水中。
[0033] 在一些实施方案中,所述方法还可以包括通过以下从未处理过的进料水生产预处理的水:将氧化化合物诸如臭氧、氯或二氧化氯添加至未处理的进料水或部分地未处理过的进料水中,和/或单独地或组合地使用紫外线消毒来处理水。
[0034] 在一些实施方案中,所述方法还可以包括从未处理过的进料水或部分地处理过的进料水中去除二氧化碳或其他溶解的气态组分。
[0035] 从未处理过的进料水生产预处理的水还可以包括从未处理过的进料水中沉淀和过滤原位可氧化的化合物中的一种或更多种,该原位可氧化的化合物诸如包括、锰、硫、硒、重金属或其他无机材料或有机材料的那些原位可氧化的化合物。
[0036] 从未处理过的进料水生产预处理的水还可以包括通过以下在水中产生原位氧化条件:用含氧气体给未处理过的进料水充气和/或使用氧化化合物和消毒化合物诸如臭氧、氯或二氧化氯,或者经由通过包含氧化介质诸如锰绿砂的介质床过滤的另外的处理。从未处理过的进料水生产预处理的水可以包括在强制通脱气器、真空汽提塔和/或一个或更多个化学进料系统中处理未处理过的进料水。
[0037] 在一些实施方案中,氧化化合物或pH调节化合物诸如氯、二氧化氯、盐酸、硫酸或氢氧化钠或氢氧化钾的产生通过使用电渗析设备的浓缩流的纯化的产物或特化的产物(speciated product)的成分作为原材料来完成,诸如通过在一个或更多个电化学氧化/还原设备中使用的相关成分的进料以产生最终被预处理系统使用的化学品。
[0038] 在一些实施方案中,所述方法还包括监测处理过的水流中的钠的浓度,并且调节电渗析装置的操作参数以保持期望的SAR值或度值,或者处理过的水流和/或浓缩物水流中特定的离子成分或非离子成分的浓度。所述方法还可以包括确定处理过的水流中处理过的水的潜在有毒成分(诸如用于饮用水的硝酸根离子)或无毒成分(诸如用于灌溉水的硝酸根离子)的SAR值或水平,以及调节电渗析装置的进料水的操作电流或pH,以保持处理过的水流和/或浓缩物水流中的期望的SAR值或潜在毒性的安全水平以及无毒成分的优选水平或pH。
[0039] 在一些实施方案中,所述方法还包括利用电渗析装置中产生的浓缩物流流出物来产生热或电,以产生作为待被用于调节和预处理电渗析设备的进料水的原材料所需的试剂,用于针对在其他局部工艺诸如用于压裂进料水中使用或针对在用于其他商业应用的化学品生产中使用所产生的化合物的再利用。
[0040] 从浓缩物流中产生热或电可以包括将浓缩物流引导到太阳能池中以产生待被用作用于产生电的能量源的热水,该热水可以使用低温发生器等产生;以及然后选择性地引起蒸发工艺以特化(speciate)纯化的固体化合物,以用于在其他商业应用中。在其中浓缩物流流出物通过蒸发被进一步浓缩的这样的实施方式中,电渗析设备可以利用单价选择性阴离子膜来配置,并且被操作以便最小化潜在有毒的多价亚硒酸根和硒酸根向蒸发池中的转移。
[0041] 试剂的生产可以通过以下来完成:使用其他单元工艺步骤诸如蒸馏和/或色谱离子阻滞工艺、结晶或选择性蒸发中的一个或组合来处理来自电渗析设备的浓缩物水,以便特化或纯化固体或浓缩的液体溶液的生产用于进一步使用。
[0042] 在一些实施方案中,所述方法还包括监测待用处理过的水灌溉的土壤电阻,以及至少部分地基于该电阻调节土壤的灌溉速率。
[0043] 根据另一个方面,提供了操作电渗析设备的方法。所述方法包括将包含小于10ppm或可选择地包含小于5ppm的元素硼的预处理的水进料到电渗析设备的消耗隔室中;保持在电渗析设备的消耗隔室内小于9.5,例如8.5、7.5、6.5或更小的本体pH;在其中将预处理的水中的至少50%的硼从消耗隔室中去除的条件下操作电渗析设备;以及从电渗析设备的消耗隔室中排出处理过的水,该处理过的水包含比预处理的水中的元素硼的浓度低至少50%的元素硼浓度。
[0044] 在一些实施方案中,将预处理的水进料到电渗析设备的消耗隔室中包括将预处理的水进料到包含单价选择性阳离子膜的电渗析设备中。
[0045] 根据另一个方面,提供了电渗析设备。电渗析设备包括阳极、阴极、阴离子交换膜和阳离子交换膜。阴离子交换膜和阳离子交换膜中的至少一个是单价选择性的。电渗析设备还包括控制器,该控制器被配置成引起电渗析设备在以下条件下操作,在该条件中将单价离子物质和/或离子中间体或离子络合物从被引入到电渗析设备中的水中选择性去除,同时多价离子物质被保留以产生处理过的水流和浓缩的水流,该处理过的水流具有比被引入到电渗析设备中的水低的钠吸收率(SAR)值、盐度或毒性水平,该浓缩的水流具有比被引入到电渗析设备中的水高的SAR值或盐度;以及跨过阳极和阴极施加高于在电渗析设备的活性极化电压的电压。控制器还可以被配置成使被引入到电渗析设备中的水以一速度流过电渗析设备的稀释隔室,所述速度足以使在电渗析设备中发生水分裂并且引起处理过的水的pH相对于被引入到电渗析设备中的水的pH降低。
[0046] 在一些实施方案中,电渗析设备包含单价选择性阳离子膜。
[0047] 在一些实施方案中,控制器还被配置成引起电渗析设备保持在电渗析设备的消耗隔室内小于9.5,或者例如8.5或更小,或者可选择地7.5或更小,或者可选择地小于6.5的pH的本体pH;以及以跨过阳极和阴极的电压和预处理的水通过消耗隔室的流量操作,所述电压和流量足以从预处理的水中去除至少50%的硼,该预处理的水流过消耗隔室并且当被引入到消耗隔室时具有小于10ppm的元素硼浓度,或例如小于5ppm的浓度。
[0048] 在一些实施方案中,阴离子交换膜还包括包含官能团的化合物,阴离子交换膜与不包含该化合物的大体上相似的阴离子交换膜相比,增加在阴离子交换膜上发生水分裂的趋势和量。官能团可以是叔胺官能团。化合物可以包含二甲基乙醇胺或者由二甲基乙醇胺组成。
[0049] 根据另一个方面,提供了灌溉水系统。所述系统包括电渗析设备,该电渗析设备包括稀释隔室入口、浓缩隔室入口、稀释物出口和浓缩物出口、阳极和阴极、以及阴离子交换膜和阳离子交换膜。阴离子交换膜和阳离子交换膜中的至少一个是单价选择性的。电渗析设备还包括控制器,该控制器被配置成引起电渗析设备在以下条件下操作,在该条件中中将单价离子物质从被引入到电渗析设备中的水中选择性地去除,同时多价离子物质被保留以产生处理过的水流和浓缩的水流,所述处理过的水流具有比被引入到电渗析设备中的水低的钠吸收率(SAR)值,所述浓缩的水流具有比被引入到电渗析设备中的水高的SAR值;以及跨过阳极和阴极施加电压,并且使被引入到电渗析设备中的水以一速度流过电渗析设备的稀释隔室,所述速度足以使在电渗析设备中发生水分裂并且引起处理过的水的pH相对于被引入到电渗析设备中的水的pH降低;所述系统还包括流体地可连接在稀释隔室入口和浓缩隔室入口的上游的待处理的水源,以及流体地可连接至稀释物出口的灌溉使用点。
[0050] 在一些实施方案中,所述系统还包括预处理系统,该预处理系统在待处理的水源和稀释隔室入口和浓缩隔室入口之间流体连通。预处理系统可以包括可连接至待处理的水源的入口,以及pH调节剂源,所述pH调节剂源被配置成在剂量点处向待处理的水定量给料pH调节剂。预处理系统还可以包括具有在剂量点的下游的入口的脱气器。预处理系统还可以包括在脱气器的出口的下游流体连通的颗粒过滤器;以及与电渗析设备的稀释隔室入口和浓缩隔室入口流体连通的出口。
[0051] 在一些实施方案中,灌溉系统还包括至少一个pH传感器,该pH传感器被设置在脱气器的上游和剂量点的下游,或者脱气器的下游和稀释隔室入口和浓缩隔室入口的上游中的一个或更多个。
[0052] 在一些实施方案中,灌溉系统还包括SAR值传感器,该SAR值传感器被配置成确定离开稀释物出口的处理过的水的SAR值。控制器还可以被配置成从SAR值传感器中接收处理过的水的SAR值的指示,并且控制电渗析设备的操作以产生具有期望的SAR值的处理过的水。
[0053] 在一些实施方案中,灌溉系统还包括电导率传感器,该电导率传感器被配置成测量灌溉使用点处的土壤的电导率。控制器还可以被配置成接收灌溉使用点处的土壤的电导率的指示,并且至少部分地基于土壤的电导率的指示来调节处理过的水到灌溉使用点的流量。
[0054] 在一些实施方案中,灌溉系统还包括特定化合物传感器,该特定化合物传感器被配置成测量特定离子或者一个特定溶解的成分浓度或更多个特定溶解的成分浓度,并且调节预处理系统和/或电渗析设备的操作参数以控制到电渗析设备的稀释流或浓缩流和/或来自电渗析设备的稀释流或浓缩流的期望的输入浓度和/或输出浓度。
[0055] 在一些实施方案中,灌溉系统还包括一系统,该系统与浓缩物出口流体连通并且被配置成从来自电渗析设备的浓缩物流中产生热或电中的一种。
[0056] 在一些实施方案中,灌溉系统还包括与浓缩物出口流体连通的系统,该系统被配置成使用从电渗析设备回收的化合物合成一种或更多种化学试剂的原材料源。
[0057] 附图简述
[0058] 附图并不意图是按比例绘制。在附图中,在各个图中图示出的每个相同的部件或近似相同的部件由类似的数字表示。为了清楚的目的,并非每个部件都可以在每个图中被标记。在附图中:
[0059] 图1是灌溉水生产和输送系统的实施方案的示意图;
[0060] 图2A是在单级一次通过(once-through)配置中操作的电渗析装置的示意图;
[0061] 图2B是在具有浓缩物再循环的单级配置中操作的电渗析装置的示意图;
[0062] 图3是电渗析装置的一部分的示意性表示,该电渗析装置可以被用于本文公开的一个或更多个实施方案;以及
[0063] 图4是包括并行地操作的电渗析系统的灌溉水生产和输送系统的实施方案的一部分的示意图;
[0064] 图5是示出了在使用包括非单价选择性的阳离子交换膜的电渗析设备的分批操作测试中随时间的典型的钙、镁和钠去除的图;
[0065] 图6是示出了在使用包括单价选择性的阳离子交换膜的电渗析设备的分批操作测试中随时间的典型的钙、镁和钠去除的图;以及
[0066] 图7是示出了在使用包括单价选择性的阳离子交换膜的电渗析设备的分批操作测试中随时间的典型的钙、镁、钠和硼去除的图。
[0067] 详细描述
[0068] 本文公开的方面和实施方案不限于在以下描述中阐述的或在附图中图示出的部件的构造和布置的细节。本文公开的方面和实施方案能够有其他实施方案并且能够以各种方式实践或实施。
[0069] 本文公开的一个或更多个方面涉及用于提供适合于农业设施的水的系统和技术。本文公开的其他方面可以提供适于饮用的水或适合于人类使用或消费以及适合于牲畜和家禽的水。本文公开的一些系统和技术可以转化或以其他方式提供适合于农业消费、牲畜消费、家禽消费和/或人类消费的不适于饮用的水。还另外的方面可以涉及系统和技术,该系统和技术从待处理的流体中优先地或选择性地去除一些物质而不是其他物质,以提供具有一个或更多个期望的特性的产品。与非选择性技术相比,一些选择性去除方面通过避免或减少另外的后处理工艺诸如共混可以是更成本有效的。因此,本文公开的系统和技术可以经济地提供更适合于预期用途的处理过的水。
[0070] 在一些实施方案中,一些类型的物质被保留在处理过的流中,而其他类型的物质被优先地去除。所得到的产品流体可以被用于各种应用和/或以其他方式满足一个或更多个目标。其他方面可以涉及系统和技术,该系统和技术提供具有被定制成满足特定目的的一种或更多种性质或特性的水。因此,一些实施方案可以涉及提供一个或更多个水流或水体的系统和技术,该水流或水体具有一个或更多个属性,所述属性已经基于其中使用该流或体的使用点或设施的一个或更多个参数被调节。
[0071] 甚至另外的方面可以涉及经济地为农业服务、工业服务、商业服务和/或住宅服务提供水的系统和技术。此外,一些特定方面可以涉及提供水以满足多种需求或者纯度或质量的水平。在一些实施方案中,系统和技术可以在混合使用设施中提供一个或更多个水流或水体。特别有利的方面可以涉及从具有高固体含量的水源到多个使用点提供多个水流或水体,每个水流或水体可以具有不同的水质水平,每个使用点可以具有不同的需求。这样的方面可以提供系统和技术,该系统和技术处理例如不适于饮用的水以使得其适于饮用和/或适合于灌溉、适合于牲畜和/或家禽消费、和/或适合于人类消费或使用。
[0072] 在一些方面中,可以处理具有高水平的溶解在其中的一种或更多种有害物质的水,以去除或至少将这样的物质的浓度降低到可接受的水平。一种或更多种有害物质可以是使得未处理过的进料水不适合于特定应用的任何物质。例如,水可以包含高水平的或不期望的浓度的单价阳离子和/或阴离子,这不利地或不期望地阻碍水在土壤中的保留或其他物质(包括例如多价物质)的吸收。如果需求与作物灌溉相关,则不期望的条件或特性可以涉及包含一种或更多种物质的水,该一种或更多种物质影响被灌溉的土壤的渗透性和/或渗透性质。例如,一些方面可以涉及渲染或处理水,以与非单价物质相比优先地去除单价物质。
[0073] 一个或更多个特定方面可以涉及针对系统和/或方法的实施方案,所述系统和/或方法包括将待处理的水提供或引入到电驱动的分离设备中。一些实施方案可以涉及灌溉系统,该灌溉系统包括电驱动的分离设备,该电驱动的分离设备流体地连接至或至少可连接至一个或更多个待处理的水源和至少一个灌溉水分配系统。
[0074] 在其他方面中,一些实施方案可以涉及提供适于饮用的水的方法。值得注意的是,一些方面可以提供灌溉水和/或适于饮用的水,而无需热驱动的分离技术或单元操作。例如,在一些实施方案中,所述方法可以包括以下中的一个或更多个动作或步骤:提供待处理的水,以及在电驱动的分离设备中处理待处理的水的至少一部分以产生第一处理过的水。所述方法还可以包括以下中的一个或更多个动作:在一个或更多个其他电驱动的分离设备或压驱动的分离设备中处理待处理的水的一部分(典型地是分离部分)以产生第二处理过的水。在一些实施方案中,所述方法还可以包括混合第一处理过的水和第二处理过的水以生产适于饮用的水的步骤。适于饮用的水典型地具有目标或期望的总溶解固体(TDS)含量。
[0075] 针对提供适于饮用的水的系统的方面可以包括待处理的水源和一个或更多个电驱动的分离设备,该电驱动的分离设备可以被流体地连接至或可连接至待处理的水源、压力驱动的分离设备或两者。例如,如下面进一步详细描述的,一个或更多个电驱动的分离设备可以被流体地连接至一个或更多个混合器,该混合器具有一个或更多个入口,所述入口流体地连接至或可连接至一个或更多个电驱动的分离设备的处理过的水出口。混合器可以包括有助于至少部分地共混或组合一种或更多种产物流的任何混合单元操作。
[0076] 待处理的水可以包括海水、盐水、微咸水、淡水、产出水(在油井或气井中作为副产品连同油和气一起产生的水),和/或包含高浓度的溶解固体或盐的水。由于渗透和/或毒性考虑,其他待处理的水源可以包括将不适合用于农业设施的水。
[0077] 本文公开的系统和技术可以在适当的情况下包括预处理子系统,以有助于其一个或更多个操作原理。在一个或更多个实施方案中可以利用一个或更多个预处理和后处理单元操作。例如,本文公开的系统和技术可以包括预处理子系统,该预处理子系统包括分离或去除待处理的水中的任何悬浮固体的至少一部分的一个或多个过滤器。这样的预处理子系统典型地去除将损害本文公开的系统的任何下游单元操作的颗粒材料。其他预处理单元操作包括,例如,微过滤器以及基于沉积的系统,该基于沉积的系统可以去除尺寸为一微米或更大的悬浮固体。
[0078] 可以利用另外的预处理操作以改善一个或更多个单元操作的有效性。例如,预处理子系统可以包括冷却器或加热器,该冷却器或加热器分别在分离操作之前冷却或加热待处理的水。可以进行原进料流或任何中间工艺流的冷却,以例如有助于不期望的物质从待处理的流中的运输,或阻碍期望的物质从待处理的流中的运输。同样地,可以进行加热以将原进料流或一种或更多种中间工艺流的温度升高至期望的温度,例如,这有助于一种或更多种分离设备的经济或有效的操作。加热工艺的非限制性实例可以涉及加热器、炉子或热交换器,该加热器、炉子或热交换器可以与工艺或系统的单元操作相关或者是工艺或系统的单元操作。例如,加热可以通过发电厂的热交换器来提供,该热交换器不一定与本文公开的处理系统相关。
[0079] 后处理单元操作可以改善(polish)、去除或减少处理过的水中的一种或更多种物质的浓度。例如,一个或更多个离子交换柱可以被用于去除在电驱动的分离设备中不容易地被去除的物质。将在后处理操作中典型地被去除或至少具有浓度的降低(优选地至无毒水平和/或无害水平)的物质的非限制性实例包括可能影响土壤聚集、水渗透、和/或将对植物生长有毒的那些物质,诸如、砷、铍、镉、钴、铬、、铁、氟化物、锂、锰、钼、镍、铅、硒、、钨、、硼和锌。可以通过一个或更多个后处理操作被处理的其他物质包括可能对饮用水中的人、家禽和/或家畜有毒或有害的那些物质,诸如但不限于硝酸盐、亚硝酸盐、钒和硫化物。也可以进行消毒工艺,以至少部分地灭活或降低可能对人和/或牲畜有害的菌落形成生物的浓度。
[0080] 可选择地或者与一个或更多个改善单元操作组合,系统和技术可以涉及将一种或更多种物质添加至处理过的水的至少一部分中。例如,可以添加石膏来调节一种或更多种期望的物质的浓度或调节水的特性。其他添加剂可以包括当水被用于灌溉时有助于作物生长的肥料或其他补充剂。
[0081] 电驱动的设备典型地利用势场来产生原动力以从载体或流体中迁移,该原动力诱导一种或更多种物质,典型地目标物质,其可以包括期望的物质以及不期望的物质。电驱动的设备可以利用一个或更多个在迁移期间隔离目标物质和/或抑制返回工艺或反向工艺的部件。这样的装置的非限制性实例包括电渗析(ED)装置,其包括电流反向电渗析(EDR)装置以及电去离子(EDI)装置。如本文中所使用的,电渗析设备包括EDR设备和EDI设备。然而,本文公开的方面和实施方案不限于这样的电驱动的设备的一个或组合,并且可以在提供原动力的其他设备中实施,该原动力有助于一种或更多种目标物质相对于待处理的流体中的其他物质的优先迁移。
[0082] 电驱动的分离设备典型地利用离子选择性膜来促进分离现象。在一些实施方案中,选择性可渗透的膜可以优先地或选择性地允许一些物质相对于其他物质的运输。例如,阳离子选择性膜可以被用于电驱动的分离设备的一些隔室中。在其他实施方案中,阴离子选择性膜可以被用于一个或更多个隔室中。在另外其他实施方案中,电驱动的分离设备可以包括一个或更多个单价选择性膜,以选择性地促进单价阳离子物质或单价阴离子物质的转移。为了本公开内容的目的,单价选择性膜是这样的膜,该膜能够在任何给定的电渗析装置中操作,使得在任何给定的受控操作条件和给定的预处理稀释流水(包括等摩尔浓度的二价离子和单价离子)下在施加DC电场后,以摩尔为基础的单价离子的转移与二价离子的转移的比率大于1。
[0083] 在一些实施方案中,分离设备可以包括单价阳离子选择性膜和一个或更多个单价阴离子选择性膜,典型地在设备的一个或更多个浓缩隔室中。商业上可获得的单价选择性膜的非限制性实例包括来自日本东京ASTOM公司或日本东京Tokuyama公司的阳离子选择性膜和阴离子选择性膜。
[0084] 压力驱动的分离设备通常利用一个或更多个屏障来抑制一种物质通过其的迁移,同时允许另一种物质的渗透。促进分离现象的原动力典型地涉及给待处理的流体加压。压力驱动的分离设备的非限制性实例包括微滤设备、纳滤(NF)设备以及反渗透(RO)系统。
[0085] 农业工业面临的最大问题之一是防止形成盐渍土壤(saline soil)或钠质土壤(sodic soil)或者由于过量的硫酸盐而易于自动富营养化的土壤。这样的土壤减少作物的收率,或者使某些作物难以耕种或不可能耕种。盐渍土壤防止水和营养物的摄取或诸如氮和磷的营养物向植物中的加速释放,并且引起叶片灼伤等。钠质土壤和升高的硫酸盐土壤防止土壤的絮凝,并且导致不可渗透的土壤或升高的pH的土壤。不仅总体盐度导致作物损害而且特别有问题的成分诸如钠或氯化物或者碱度例如碳酸盐与相对良性或有益的成分诸如钙或硫酸盐的比率也导致作物损害。目前,农业工业不能适应完全地处理灌溉水或盐水入侵的成本,灌溉水或盐水入侵是盐渍土壤或钠质土壤的根本原因。
[0086] 一些方面和实施方案包括电渗析方法和系统,该电渗析方法和系统将选择性地去除问题杂质,同时保持来自待处理的水中的有益杂质的良好的级分,以产生可用于灌溉目的的水。所述方法可以允许每单位ED膜面积非常高的水通量,因此显著地降低处理的成本。此外,所述方法可以提供无故障操作,因为通常地污染设备或使设备结垢的离子、溶解的二氧化和有机材料没有被去除,并且因此没有由于它们的浓度而产生问题。此外,所述方法不仅可以仅去除问题离子,而且还可以通过产品水的pH的固有的降低来防止钠质土壤形成,而无需后处理化学品添加。
[0087] 典型的产生盐渍土壤或钠质土壤的地下水相对于钙离子和硫酸根离子含有高比率的钠离子和氯离子。它还可以含有当被用于灌溉时增加水在土壤中产生碱性的潜力的碱度水平。这样的土壤可以在添加本体硫酸的情况下通过改良剂诸如石膏来处理。这充其量是权宜之计解决方案,因为土壤问题的根本原因是灌溉水本身的成分比率。
[0088] 一些方面和实施方案包括用单价选择性的膜对进入的灌溉水进行电渗析处理。钠、氯化物和碱度被选择性地去除,而钙和硫酸盐被保留用于灌溉水。不需要完全地去除钠和氯化物。期望地,去除钠和/或氯化物的级分,以将处理过的水的钠吸收率改变为最终不造成盐渍土壤或钠质土壤的钠吸收率。所去除的钠和/或钙的量可以连同土壤的絮凝特性和排水能力、可获得的沥滤降雨的量以及进料水中钙和硫酸盐的可获得的量一起针对正在生长的作物的特定敏感性被调整。例如,非常敏感的作物诸如水果、坚果和柑橘可以用具有在2和8之间的SAR值的水灌溉,敏感的作物(诸如豆类)可以用具有高达在8和18之间的SAR值的水灌溉,中度耐受的作物(诸如三叶草、燕麦和水稻)可以用具有高达在18和46之间的SAR值的水灌溉,以及耐受的作物(诸如小麦、大麦、番茄、甜菜、高草(tall wheat grass)和扁穗草(crested grass))可以用具有高达在46和102之间的SAR值的水灌溉。在其中存在过量的钠和硫酸盐的实施方式中,实施方案可以包括使用单价选择性阳离子膜和非选择性阴离子膜。电渗析装置的浓缩隔室中的结垢电位由于浓缩流中的钙的最小化即使在这样的情况下也保持可控的。
[0089] 本文公开的方面和实施方案提供了非常低成本的盐水处理,以产生适合于灌溉目的的水。这不仅通过仅部分去除单价离子来实现,而且还通过在高电压(高于极化水平)操作使得通量被增加来实现。因为仅少量的盐可以被去除,所以功率消耗可能不是用于脱盐的大的成本并且因此可以在50%范围内的电流效率操作,并且由于每单位膜面积的较高的盐度去除而仍然是具有较高的通量的成本效益的。本文公开的电渗析系统的其他实施方案可以以高于约70%或高于约85%的电流效率操作。因为一般来说,在本文公开的电流密度操作电渗析系统,稀释流将自身变为酸性或保持自身为酸性,例如,至约6或更低的pH。这提供了增加的优势,因为具有变成钠质的潜力的土壤可以从pH降低中受益,以防止这种情况发生。降低pH和去除单价体(monovalent)的级分的组合将使得水化学性质对于作物是理想的,而不是有害的。
[0090] 因为在一些实施方案中,阴离子膜是单价选择性的,并且因为在待处理的水中可能天然地存在硫酸盐,所以在低电流效率操作下由于水分裂而在稀释流的阴离子表面处产生氢离子可能产生一定量的HSO4-离子,该HSO4-离子可以在一定程度上行进到浓缩物流中。然而,这种效果将减轻阴离子膜变成碱性,并且因此有助于防止通过残余的碱度而结垢。可以将另外的外部硫酸添加至浓缩物流中,并且根据需要与极性反转组合将防止碳酸盐结垢。在用高度碱性水的实施方案中,可以用硫酸预处理进料,并且然后在水进入ED之前去除所得到的二氧化碳。这种预酸化和碳去除将增加产品水的硫酸盐含量,而不添加氯化物,并且进一步降低产物和浓缩物的pH,以使得产品水对作物更好并且使得ED更能耐受碱性结垢。然后,可能不需要向上地调节pH,因为低pH对含盐或含钠土壤(saline or sodic prone soil)中的作物更好。该组合可以相对于所必需的钙和硫酸盐水平进一步减少钠和氯化物去除的量,并且因此进一步降低设备的成本。可选择地,对于含有过量的硫酸盐的进料水,可以优选的是利用盐酸酸化。
[0091] 在另一个实施方案中,ED设备可以用单价阳离子可渗透膜和非选择性阴离子可渗透膜以非常高的速度和高于极化电压的电压来操作。因此钠可以被去除,并且阳离子膜可以被极化。这将降低阳离子膜和浓缩物流中的pH,并且同时提高稀释流中的阳离子膜的稀释侧处的pH。这种膜的组合将在操作ED装置时从稀释流中去除硫酸盐和氯化物两者,而不会使碳酸钙或氢氧化镁结垢。这对于钠质土壤和将在土壤中沉淀硫酸钙的那些土壤应该是良好的。钠有时比氯化物对于土壤是更大的问题。
[0092] 当用海水的进料操作时,这种操作模式对于生产农业用水或其他水也可以是优选的,因为在大多数海水中,在同等的基础上相对于氯化物存在过量的钠。在这样的实施方式中,可以期望的是,除了单价阴离子之外还去除多价阴离子以去除足够的钠,以产生具有期望的SAR值的水;以及在单价选择性阳离子膜处形成活性极化条件,以引起硼通过单价选择性阳离子膜转移并且从稀释流中被去除。
[0093] 此外,预酸化、脱气和碳去除将具有另外的有益效果。例如,如果在水中存在作为硫化物的任何硫,它也将连同溶解的铁化合物和锰化合物一起被去除或沉淀。此外,水可以被充气以避免形成铁细菌的潜力,已知该铁细菌对下游灌溉工艺诸如滴式灌溉或喷式灌溉造成问题。
[0094] 因为仅钙和硫酸盐的小级分可以使得进入浓缩物流,所以也可以以非常高的水回收率操作ED,并且因此减轻浓缩物的处置问题。通过ED设备的操作也使得高的水回收率成为可能(与膜工艺诸如RO和蒸馏相反),使得溶解的二氧化硅(诸如在低于约9.5的pH)不行进到浓缩隔室中,因此避免通过二氧化硅沉淀而结垢的潜力。盐类(主要是钠和氯化物)可以被浓缩和管理用于适当的处置或进一步用作盐源、用于太阳能池能量产生或商业上盐的使用、或者用于氯或苛性碱的生产,而不是这样的盐分以大量流失的形式导致污染问题。
[0095] 在引入到ED系统中之前对待处理的原水的预处理对于保持稳定操作也可能是重要的。在地下水中发现的污染物诸如铁(Fe)和锰(Mn)可以通过污染离子交换膜对ED的操作具有不利影响。去除可以包括首先用例如硫酸酸化原水,并且然后使用强制通风脱气器作为实例,这将给原水充气并且引起Fe和Mn氧化和沉淀。在沉淀之后,Fe和Mn可以用砂滤器被去除。砂滤器的一个实例是由Evoqua Water Technologies LLC,Pittsburgh,PA制造的产品。在酸化之后给原水充气的增加的益处是,碱度将由于在将碱度转化为二氧化碳的情况下酸化而被去除,并且因此将从原水中喷射出。这有助于防止ED设备中的碳酸钙沉淀。此外,由于大多数地下水含有很少的(如果有的话)溶解的氧并且本质上是厌氧的,所以充气将具有其他益处,诸如去除硫化氢和利用细菌抑制硫,该细菌可以引起与水接触的金属设备的腐蚀
[0096] 使用ED技术来生产适合于灌溉的水,由于其能够从溶液中选择性地去除各种离子,因此与其他类型的水净化设备相比提供优势。对于灌溉水,重要的是获得具有合适的钠吸收率(SAR)的产品水。用于SAR的等式如下:
[0097]
[0098] 因此,取决于水化学性质,通过使用单价选择性离子交换膜,可以获得灌溉所需的具有良好的SAR的产品水。单价选择性膜可以是阳离子的或阴离子的,这意味着,例如,阳离子交换单价选择性膜将优选地去除单价离子诸如Na+和K+,同时去除减少的Ca2+和Mg2+的级分。单价阴离子选择性膜将优选地去除Cl-和HCO3-,同时去除减少的SO42-的级分。在ED模中,四种不同的离子交换膜的组合可以取决于进料水化学性质被使用。
[0099] 这些组合是:
[0100] -非选择性阴离子膜和非选择性阳离子膜
[0101] -单价选择性阴离子膜和非选择性阳离子膜
[0102] -非选择性阴离子膜和单价选择性阳离子膜
[0103] -单价选择性阴离子膜和单价选择性阳离子膜。
[0104] 如果使用多级ED模块,则在每级中可以使用不同的离子交换膜的组合。
[0105] 在盐渍土壤或钠质土壤的许多区域中,由于对各种作物有害的土壤的碱性性质,所以使用诸如硫酸的酸来处理土壤。基本上,本体硫酸被周期性地喷洒到田地中以处理土壤。使用ED来处理灌溉水的另一个有利的方面是,在某些操作条件下来自ED的产品水可以使得成为酸性的。这些操作条件可以包括施加比所需更高的电压以引起水分裂(其主要发生在阴离子膜表面处),这将降低产品水中的pH。
[0106] 在其他实施方式中,取决于膜材料和操作条件的选择,水分裂可以优先地发生在阳离子交换膜上。这可以引起离开稀释隔室的产品水中的pH相对于被进料到稀释隔室中的预处理的水增加,并且引起穿过浓缩隔室的水和/或阳离子交换膜内的间隙水的pH降低。这些pH变化可以通过由水分裂反应形成的氢离子从稀释隔室侧进入或穿过阳离子交换膜,以及消耗隔室中氢氧根离子的浓度增加来造成。
[0107] 阴离子交换膜包含强碱离子交换位点,该强碱离子交换位点包含初级阴离子可离子化单体(primary anionic ionogenic monomer),例如包含季胺官能团的初级阴离子可离子化单体。虽然在某些操作条件下,水将用这样的膜被分裂,但是也可以通过将具有另外的官能团的化合物并入到阴离子交换膜中来增加阴离子膜上的水分裂的趋势和量,或者降低发生水分裂的电压。一种可能的具有可以促进膜上的水分裂的另外的官能团的化合物是二甲基乙醇胺。该化合物可以连同例如另一种具有叔胺官能团的化合物一起被并入到离子交换膜中。其他阴离子官能团,例如,被包括在由与乙二醇二甲基丙烯酸酯交联的三甲基铵乙基甲基丙烯酸氯化物的聚合形成的聚合物中的官能团,或由与二乙烯基苯交联的三甲基铵乙基甲基丙烯酸氯化物、乙烯基苄基三甲基氯化铵和中性单体(例如,羟乙基丙烯酸酯或羟基甲基丙烯酸酯)的聚合形成的聚合物中的官能团。这些官能团可以通过向包含强碱官能单体和交联单体的本发明的单体混合物中添加具有另外的官能团的另外的一种单体(或更多种单体)(monomer(or monomers))被并入到离子交换膜中。另外的官能团可以被添加到非选择性阴离子膜和单价选择性阴离子膜中。因此,具有例如单价选择性阴离子膜将是可能的,该单价选择性阴离子膜还包括二级官能团以增强水分裂。在该实例中,如果存在SO42-离子,则可以原位产生硫酸,这将产生适合于碱性土壤的酸性产品水。二级官能单体也可以被添加到阳离子交换膜中,诸如包含弱酸官能团的单体。
[0108] 在另一个方面中,选择性离子交换器可以用于在电渗析设备之前或之后去除不期望的离子物质,诸如硼。
[0109] 在另一个方面中,电渗析设备可以被操作成使得络合物阴离子或络合物阳离子可以分别地在阳离子单价选择性膜或阴离子单价选择性膜的极化膜表面处产生。例如,溶解的硼,作为具有稍微大于水的氢解离常数的氢解离常数的弱离子化水合H3BO3,可以作为硼以大约1至3百万分率(ppm)存在于含钠水中,并且以大约3至5ppm的浓度存在于海水中。对于饮用水,优选的是,硼浓度低于2ppm,优选地低于1ppm,并且更优选地低于0.5ppm。为了在作物灌溉中使用,硼通常期望作为小于1ppm的水平的微量植物营养物。然而,在超过1ppm的浓度,一些作物受到过量的硼的有害影响。先前经由膜工艺(诸如反渗透、纳滤或电渗析)去除过量的硼的方法涉及将水的pH提高至9.5至11的pH,使得硼离子化增加。在这样的离子化条件下,硼可以被去除至可接受的水平。
[0110] 然而,在含钠水中,目标是降低pH,并且因此在这样的硼处理和添加不想要的阴离子之后,另外的酸化步骤将是必需的以进一步处理水。此外,如果目标是保持水中的钙和镁,那么提高pH将使得水易于结垢和膜设备内的氢氧化钙和/或氢氧化镁的有害沉淀。本文公开的方面和实施方案可以通过使用单价选择性膜来配置和操作以避免这些困难。
[0111] 电渗析设备可以在阳极-阴极电位差的情况下操作,该阳极-阴极电位差导致跨过阳离子单价选择性膜存在的电压低于导致水的分裂的活性极化电压,但是高于其中硼与其氢解离的活性极化电压或者其中硒与其氢解离的活性极化电压。相对高水平的残余的钙和镁(其保留在稀释流中)的存在和在纯化稀释流时缺乏大量的单价离子诸如钠和钾的组合提供了硼和硒从稀释流中被去除。在阳离子膜表面处所得到的电压梯度将导致硼络合物诸如作为单价阳离子的CaH2BO3+的局部形成。由于硼相对于水的解离常数的差异,在此电压范围内操作是可能的。在标准条件(1大气压,25℃),H3BO3的第一解离常数(pKa)为9.27,而水的解离常数为14。在关于硼的极化条件下形成的硼络合物能够通过单价选择性阳离子膜被去除,而不过度地降低用于单价离子去除的电流效率或提高被处理的稀释隔室中的水的pH。在标准条件下,H2SeO3的解离常数为2.46。在关于硒的极化条件下形成的硒络合物能够通过单价选择性阴离子膜被去除。
[0112] 发生水解离和硼解离的相对活性极化电压可以分别地由H2O和H3BO3的解离常数来-14计算。用于水解离成其离子的解离常数K为10 (或K)。使用能斯特方程,化学势E=–
0.0592log10K,或者水的化学势E=0.829。由于这是一个正数,所以在标准条件下其将需要
0.829伏来分裂水。针对含水硼的第一电离常数进行类似的计算:H3BO3=H2BO3-+H+,解离常数为5.4E-10。将这个代入能斯特方程,log10(5.4E-10)为-9.268,并且因此E=0.549。由于用于硼的解离的电压电位是比用于水的解离的电压电位低的正数,所以仅需要0.549伏以将硼分裂成其第一解离,这小于用于水的电压。因此,硼的解离可以在比水低的跨过电渗析设备的阳极和阴极施加的电压发生,并且硼解离可以在没有水解离的情况下进行。类似的计算示出,硒的解离可以在比水低的跨过电渗析设备的阳极和阴极施加的电压发生,并且硒解离可以在没有水解离的情况下进行。
[0113] 此外,如果电渗析设备被配置成具有阴离子单价选择性膜,并且被操作成使得处于在阳离子膜的极化水平或低于阳离子膜的极化水平但是高于阴离子膜处的极化水分裂水平的电压水平,那么阴离子膜中的间隙水将在局部升高的pH操作,并且因此阴离子膜表面附近的任何硼化合物将被转化为单价硼酸根阴离子,并且通过阴离子膜被进一步去除,而同时降低稀释隔室中的本体液体的pH。例如,组合地,可以通过阴离子膜和阳离子膜两者去除硼。
[0114] 类似地,微咸地下水可以包含过量水平的硒,该硒呈单价亚硒酸氢根(HSeO3-)和硒酸氢根(HSeO4-)和/或二价亚硒酸根(SeO32-)和硒酸根(SeO42-)的混合物的形式。通过使用在低于水分裂极化电流操作的单价选择性阴离子膜,单价亚硒酸氢根和/或硒酸氢根将从待由单价阴离子选择性膜处理的水中去除;和/或通过在极化电流操作,亚硒酸根和/或硒酸根可以从二价离子转化为氢形成单价离子,并且通过单价选择性阴离子膜被去除。这种效果也可以被用于针对诸如硫酸根和碳酸根的离子通过单价选择性阴离子膜去除二价离子,如果需要这样的话。在其中当来自ED设备的浓缩流出物被送至蒸发池时硒的去除将导致有毒条件的实施方式中,升高的水平的硒可以使用工艺步骤诸如化学还原剂(诸如使待处理的水穿过零价铁的床),或者通过固定的膜生物处理被独立地去除。
[0115] 在另一个方面中,控制器用于分析产品水的Na+含量,并且调节操作电压或操作电流以保持产品水中特定的SAR值。
[0116] 在另一个方面中,考虑到浓缩物流出物的单价体是高的而二价体是低的,ED设备的浓缩物流可以被收集并且被用于压裂目的。这在干旱区域中将是特别有吸引力的,并且将在农业和油气水需求之间提供协同作用。
[0117] 在另一个方面中,ED设备的浓缩物流被处置或被用于产生热或电。与原水相比,浓缩物流将包含更大量的离子。这些废水必须以一些有益的方式被处置或以其他方式被使用。一种可能的处置技术将是深井注入。该技术现今被用于从油气提取中回流水。
[0118] 太阳能池通过使太阳的光线接触浅池的底部来操作,其然后加热邻近底部的水。当池的底部处的水被加热时,它变得比在其上面较冷的水的密度低,并且对流开始。太阳能池通过阻碍该对流来加热水。将盐添加至水中,直到下层的水变得完全饱和。池的底部处的高盐度水不容易地与在其上面的低盐度水混合,因此当底层的水被加热时,对流在底层和顶层中分别地发生,其中在两者之间仅温和的混合。这大大减少了热量损失,并且允许高盐度水达到高达90℃,同时保持30℃低盐度水。然后,这种热的咸水可以被送走用于在发电中使用,通过涡轮机或作为热能源。使用太阳能池来处理ED设备的浓缩物流在其中经常发现盐渍土壤或钠质土壤的干旱区域中是特别有利的。
[0119] 在另一个实施方案中,利用ED设备的水净化系统与滴灌结合使用。滴灌是将水和营养物直接地缓慢、精确施加至植物根区域。也被称为微灌系统或滴灌(trickle irrigation)系统的滴灌系统有助于保持理想的水分水平,这促进更深的根和更多的作物的形成。滴灌还通过减少的蒸发和径流来节约用水。当使用滴灌时,可以期望的是使用消毒剂来控制生物膜和微生物的生长。可以使用的潜在地优选的消毒剂包括二氧化氯和次氯酸盐,例如次氯酸钙,因为这将不向土壤中添加钠。这样的消毒剂可以利用从进料水中回收的化合物通过ED设备浓缩流流出物被电化学地生产。
[0120] 在另一个实施方案中,在线SAR监视器被用于测量水中的离子化合物。该装置包括具有单价选择性阳离子膜的ED池,以将进料水分离成几乎纯的氯化钠废液(reject)以及包含Ca2+、Mg2+、SO42-和剩余的NaCl的稀释物。可以测量进料流、稀释物流和废液流的电导率,并且使用实验室中从合成溶液和质量平衡计算中导出的方程来估算Na+与Ca2++Mg2+比率。
[0121] 在另一个实施方案中,测量土壤的电阻。用于测量土壤的电阻的这样的装置可以包括杆(rod),其中电极在各种深度处围绕该杆缠绕。将具有电极的杆插入到土壤中,并且例如在1000Hz测量电极之间的电阻。当水分含量和化学性质变化时,增加被用于灌溉的水的量或者也使用具有不同量的钙、镁和钠的水,以便改变植物的根结构附近的SAR值将是可能的。当水被植物的根提取时,盐被浓缩,除了可以对植物有害的盐浓度之外,这将改变根附近的SAR值。
[0122] 在一些实施方案中,提供用于灌溉使用的水的方法包括将预处理的水进料到电渗析装置中,以及跨过电渗析设备的阳极和阴极施加高于在电渗析设备的阴离子选择性膜处的活性极化电压的电压。所述方法还可以包括跨过电渗析设备的阳极和阴极施加高于在电渗析设备的阳离子可渗透膜处的活性极化电压的电压。所述方法还可以包括使预处理的水以一流量流过电渗析设备的稀释隔室,所述流量足以使处理过的水的pH低于预处理的水的pH;和/或使预处理的水以一流量流过电渗析设备的稀释隔室,所述流量足以使阳离子可渗透膜中的间隙水的pH相对于处理过的水具有更低的pH。
[0123] 所述方法还可以包括以选定的活性消耗流电压梯度跨过电渗析设备的阳极和阴极施加电压;和/或以选定的离子消耗膜表面速度、pH条件、温度、极化条件、和/或特定的多价阴离子和/或阳离子相对于单价阴离子和/或阳离子的相对边界层浓度条件来操作电渗析设备,使得阴离子或阳离子中间体或者离子络合物连同氢离子或氢氧根离子的原位产生或者优先于氢离子或氢氧根离子的任何原位产生在膜表面处被形成;和/或在以下条件下操作电渗析设备,在该条件中阴离子或阳离子中间体或络合物与这些阴离子和/或阳离子或中性成分将在没有电场的情况下处于平衡的充分混合的条件下相比,变得相对地更多的可渗透或更少的不可渗透通过阴离子选择性膜或阳离子选择性膜中的一种或两种。
[0124] 从预处理的水中选择性地去除单价阴离子物质和单价阳离子物质中的一种或两种可以包括相对于多价离子物质的级分去除,从预处理的水中去除钠离子、钾离子、氯离子、碳酸氢根离子、硝酸根离子、硒酸氢根离子、亚硒酸氢根离子或其他单价离子物质中的一种或更多种的更大级分。在预处理的水中保留多价阳离子物质和多价阴离子物质中的一种或两种可以包括相对于单价离子物质的级分去除,在预处理的水中保留镁离子、钙离子、锶离子、碳酸根离子、硒酸根离子、亚硒酸根离子、硫酸根离子或其他多价离子物质中的一种或更多种的更大级分。
[0125] 所述方法还可以包括在高于活性极化电压的条件下操作电渗析设备,其中氢离子在电渗析设备的稀释隔室的阴离子选择性膜处产生,和/或其中氢氧根离子在电渗析设备的稀释隔室的阳离子选择性膜处产生;和/或在活性极化电压条件下操作电渗析设备,其中硫酸氢根离子、碳酸氢根离子、硼酸根离子、硒酸氢根离子或亚硒酸氢根离子中的一种或更多种穿过阴离子选择性膜进入电渗析设备的浓缩隔室中;和/或在活性极化电压条件下操作电渗析设备,其中包含硼酸氢钙(CaH2BO3+)或硼酸氢镁(MgH2BO3+)中的一种的离子络合物穿过阳离子选择性膜进入电渗析系统的浓缩隔室中。
[0126] 所述方法还可以包括跨过电渗析设备的阳极和阴极施加高于在电渗析设备的阳离子可渗透膜处的活性极化电压的电压。所述方法还包括使预处理的水以一流量流过电渗析设备的稀释隔室,所述流量足以使阳离子可渗透膜中的间隙水的pH相对于处理过的水具有更低的pH。
[0127] 所述方法还可以包括通过将硫酸或盐酸添加至未处理过的进料水中来从未处理过的进料水生产预处理的水;通过将氧化化合物添加至未处理过的进料水的一种中或添加至预处理的水中来从未处理过的进料水生产预处理的水;和/或从未处理过的进料水中去除溶解的气态组分。从未处理过的进料水生产预处理的水还可以包括从未处理过的进料水中沉淀和过滤原位可氧化的化合物,该原位可氧化的化合物包括铁、锰、硫、硒、重金属或者其他无机材料或有机材料中的一种或更多种;或者通过以下中的一种或更多种在未处理过的进料水中产生原位氧化条件:用含氧气体给未处理过的进料水充气,使用包含臭氧、氯或二氧化氯中的一种或更多种的氧化化合物和消毒化合物,或者经由通过包含氧化介质的介质床过滤的处理。
[0128] 所述方法还可以包括将硫酸或盐酸中的一种添加至预处理的水中,该预处理的水从电渗析设备外部的源作为进料水进入到电渗析设备中。
[0129] 所述方法还可以包括使用电渗析设备的浓缩流的纯化的产物或特化的产物的成分作为原材料来产生氧化化合物或pH调节化合物中的一种,以及在电化学氧化/还原设备中处理氧化化合物或pH调节化合物中的一种,以产生通过预处理系统被用于产生预处理的水的化学品。
[0130] 所述方法还可以包括监测处理过的水流中的钠的浓度,并且调节电渗析装置的操作参数以保持电渗析设备的处理过的水流和/或浓缩物水流中的期望的SAR值或特定的离子成分或非离子成分的浓度中的一种;和/或确定处理过的水流中的处理过的水的SAR值,以及调节电渗析装置的操作电流或电渗析设备的进料水的pH中的一种或两种,以保持来自电渗析设备的处理过的水流和/或浓缩物水流中的期望的SAR值或pH中的一种或更多种。
[0131] 所述方法还可以包括利用电渗析装置中产生的浓缩物流流出物来生产被用作原材料以调节和预处理电渗析设备的未处理过的进料水的试剂。
[0132] 所述方法还可以包括从浓缩物流中产生热或电,其包括:将浓缩物流引导至太阳能池中;以及优选地选择性地引起蒸发工艺以特化纯化的固体化合物,以用于其他商业应用中。
[0133] 所述方法还可以包括使用蒸馏、色谱离子阻滞工艺、结晶或选择性蒸发中的一种或组合从来自电渗析设备的浓缩物水生产用于进一步使用的试剂。
[0134] 操作电渗析设备的方法可以包括将包含小于10ppm或小于5ppm的元素硼的预处理的水进料到电渗析设备的消耗隔室中;保持在电渗析设备的消耗隔室内小于9.5或小于8.5,例如在7和8.5之间或在6和7之间的本体pH;在其中将预处理的水中的至少50%的硼从消耗隔室中去除的条件下操作电渗析设备;以及从电渗析设备的消耗隔室中排出处理过的水,该处理过的水包含比预处理的水中的元素硼的浓度低至少50%的元素硼浓度。
[0135] 将预处理的水进料到电渗析设备的消耗隔室中可以包括将预处理的水进料到包含单价选择性阳离子膜的电渗析设备中。
[0136] 如本文所公开的电渗析设备可以包括一个单价选择性阳离子膜或多个单价选择性阳离子膜(a monovalent selective cation membrane or membranes)。电渗析设备可以包括控制器,该控制器被配置成引起电渗析设备保持在电渗析设备的消耗隔室内小于9.5或小于8.5或小于7.5或小于6.5的本体pH;以及以跨过电渗析设备的阳极和阴极的电压和预处理的水通过消耗隔室的流量操作,所述电压和流量足以从预处理的水中去除至少
50%的硼,该预处理的水流过消耗隔室并且当被引入到消耗隔室中时具有小于10ppm或小于5ppm的元素硼浓度。
[0137] 如本文所公开的灌溉系统可以包括传感器和控制器,该传感器被配置成测量特定离子的浓度,该控制器被配置成响应于从传感器中接收指示特定离子的浓度的信号,来调节预处理系统和/或电渗析设备的操作参数,以控制处理过的水流中特定离子的浓度。
[0138] 灌溉水系统的一个实施方案通常以图1中的100指示。来自未处理过的进料水源105(例如井)的未处理过的进料水任选地穿过预过滤器110,例如筛过滤器或砂过滤器,以去除颗粒物质。预过滤的水经由115和泵120被提供给预处理系统125。预处理系统125可以包括一个或更多个单元操作,以从预过滤的水中去除一种或更多种不期望的组分,或者改变预过滤的水的一种或更多种性质或预过滤的水中的一种或更多种物质的浓度。预处理系统125可以包括强制通风脱气器130,该强制通风脱气器130可以用含氧气体例如空气给预过滤的水充气。强制通风脱气器130可以导致预过滤的水中的各种污染物(例如硫、铁或锰)从预过滤的水中氧化和沉淀。pH调节剂源135,例如硫酸源(也可以使用盐酸,但是对于使用单价选择性阴离子膜的某些实施方式,将优选的是利用硫酸,以便相对于需要降低所添加的氯化物的水平来保持或增加硫酸盐的水平),可以在预过滤的水穿过导管到达强制通风脱气器130时向该预过滤的水定量给料pH调节剂例如硫酸,以促进污染物从强制通风脱气器130中的预过滤的水中沉淀,并且去除作为二氧化碳气体的碳酸盐和碳酸氢盐,该二氧化碳气体通过在大约4.3流入物至5.5流出物之间的液体pH操作来形成。预处理系统125还可以包括颗粒过滤器140,例如砂过滤器,以从预过滤的水中去除沉淀的污染物。在预处理系统125的实施方案中可以包括其他单元操作,例如介质、锰绿砂、碳过滤器、加热器、冷却器或另外的化学品(例如,氯、臭氧或二氧化氯)定量给料系统,以微调到电渗析设备的进入的pH。
[0139] 预过滤的水可以在降低的pH作为预处理的水离开预处理系统125,并且被引入到分离系统145中。分离系统145可以被用于从预处理的水中去除不期望的组分或离子,同时保留期望的组分或离子以产生处理过的水。不期望的组分或离子可以包括单价离子,诸如钠或氯化物。期望的组分或离子可以包括二价离子或多价离子,诸如钙和镁。
[0140] 分离系统145可以是电驱动的分离系统或者可以包括电驱动的分离系统,例如电渗析(ED或EDR)系统或电去离子(EDI)系统。在图1中所图示出的特定实施方案中,分离系统145是ED系统。预处理的水可以进入ED系统145的稀释隔室入口155和浓缩隔室入口150中的一个或两个。可以将pH调节剂,例如来自第二pH调节剂源160的硫酸或盐酸添加至进入ED系统145的浓缩隔室入口150的预处理的水中,以进一步酸化传递到ED系统145的浓缩隔室中的预处理的水,以防止或降低结垢(scale)例如碳酸钙在界定ED系统145的浓缩隔室的膜上沉积的可能性或潜力。这种降低的结垢的可能性,特别是当与ED设备中的单价选择性膜结合使用时,允许在较高的纯化水的水回收率和较高的浓缩流180中的盐度水平操作。然后,流出物浓缩流180可以被送去用于进一步加工,诸如被送至太阳能池用于能量捕获,用于用作用于电化学生产消毒剂化合物诸如氯或二氧化氯的原材料,用于在电化学制造盐酸或苛性碱中使用,用于用作用于油气生产的水;或者被送至蒸发工艺或色谱形态分析工艺(chromatographic speciation process)用于生产纯化的盐。另外地或可选择地,可以将pH调节剂,例如来自第二pH调节剂源160的硫酸添加至进入ED系统145的稀释隔室入口155的预处理的水中,以进一步酸化传递到ED系统145的稀释隔室中的预处理的水。
[0141] ED设备可以在极性反转模式下操作,以防止任何残余的碳酸盐垢或硫酸盐垢的结垢,但是在用包含单价选择性膜的ED设备、用在预处理系统中的碳酸盐去除、以及用进料水中的降低的pH和浓缩物水中的降低的二价浓度操作的系统中,因为结垢的潜力被大大地降低,所以可以优选的是在没有极性反转的情况下操作。一般来说,不使用极性反转的系统成本较低,并且需要较少的内部控制系统、较少的阀、较不昂贵的电极,并且提供较高的纯化的水的收率。
[0142] 如图2A中所图示出的,ED系统145可以在一次通过配置中操作,其中预处理的水仅一次穿过ED系统145的浓缩隔室(共同地以250图示出)和ED系统145的稀释隔室(共同地以255图示出)两者,以产生处理过的水流和浓缩物流。在其他实施方案中,例如,如图2B中所图示出的,预处理的水仅一次穿过ED系统145的稀释隔室255以产生处理过的水流,但是在浓缩隔室250中产生的浓缩物通过浓缩隔室250被再循环。图示出了被添加至浓缩隔室250中的另外的预处理的水的使用,以保持浓缩物流的一种或更多种期望的性质。然而,在可选择的操作模式(未示出)中,一些处理过的稀释流水可以通过另外的膜工艺诸如通过纳滤来处理,其中来自纳滤系统的渗透物的级分可以作为补充物被再循环到作为补充物的浓缩流中,使得浓缩物流中的二价离子的浓度被最小化。
[0143] 在图3中图示出了ED系统145的实施方案的浓缩隔室250和稀释隔室255的细节。ED系统包括阳极310和阴极305。设置在阳极310和阴极305之间的是多个浓缩隔室250和稀释隔室255。浓缩隔室250和稀释隔室255通过阳离子选择性膜315和阴离子选择性膜320被分开,阳离子选择性膜315和阴离子选择性膜320界定了浓缩隔室250和稀释隔室255的边界。阳离子选择性膜315和阴离子选择性膜320中的一个或更多个可以是单价选择性膜,该单价选择性膜选择性地使单价离子穿过同时防止二价离子或其他多价离子的通过,或者至少使比单价离子程度更低的二价离子或其他多价离子穿过。阴极隔室325被界定在阴极305和阳离子选择性膜315中的一个之间。阳极隔室330被界定在阳极310和阴离子选择性膜320中的一个之间。进料水335被引入到浓缩隔室250中,并且进料水340被引入到稀释隔室255中。进料水335、340可以是来自图1的预处理系统125的预处理的水,或者可以是已经从如图2B中所图示出的ED系统145的出口再循环的水。进料水335、340可以来自相同的源或来自不同的源,并且可以具有相同的组成或不同的组成。阴极冲洗水345被引入到阴极隔室325中,并且阳极冲洗水350被引入到阳极隔室330中。在一些实施方案中,阴极冲洗水345和/或阳极冲洗水350可以是进料水335、340或进料水335、340的组合中的一种。
[0144] 在操作中,来自电源(未示出)的电力通过阴极305和阳极310为跨过ED系统145产生的电场提供电能。在所产生的电场的影响下,存在于进料水335、340中的离子可以朝向具有与离子相反的电荷的阴极305或阳极310中的一个迁移。例如,存在于进料水335、340中的钠离子(Na+)可以朝向阴极305迁移,而存在于进料水335、340中的氯离子(Cl-)可以朝向阳极310迁移。钠离子可以基本上被阻止跨过阴离子选择性膜320迁移。氯离子可以基本上被阻止跨过阳离子选择性膜315迁移。因此,钠离子和氯离子的浓度可以在浓缩隔室250中增加,并且可以在稀释隔室255中降低。多价阴离子,例如硫酸根(SO42-)或碳酸根(CO32-)可以基本上被阻止跨过阳离子选择性膜315迁移,并且如果阴离子选择性膜是单价离子选择性膜,则所述多价阴离子可以基本上被阻止跨过阴离子选择性膜320迁移。多价阳离子,例如镁(Mg2+)或钙(Ca2+)可以基本上被阻止跨过阴离子选择性膜320迁移,并且如果阳离子选择性膜是单价离子选择性膜,则所述多价阳离子可以基本上被阻止跨过阳离子选择性膜315迁移。硫酸根离子和碳酸根离子可以被保留在稀释隔室255中。将碳酸根离子保留在稀释隔室255中可以防止碳酸根离子在浓缩隔室250中的膜上形成垢。硫酸氢根(HSO4-)离子可以穿过阴离子选择性膜320,但是不穿过阳离子选择性膜315。硫酸氢根进入浓缩隔室250可以降低浓缩隔室250中水的pH,并且有助于减少与浓缩隔室250毗邻的膜的结垢的潜力。
[0145] 当跨过阴极305和阳极310施加足够的电压时,通常在阴离子选择性膜320处可以发生水分裂(H2O→H++OH-)。氢氧根离子可以跨过阴离子选择性膜310迁移到浓缩隔室250中,并且增加浓缩隔室250中的pH。流过稀释隔室255的流体可以是足够快的,使得由水分裂反应产生的氢离子没有时间跨过稀释隔室255迁移至阳离子选择性膜315,并且因此保留在稀释隔室255中并降低稀释隔室255中的水的pH。
[0146] 离开稀释隔室255的产品水或处理过的水355(稀释物)将具有比流入的进料水340降低的单价离子到多价离子的浓度,并且因此具有比流入的进料水低的SAR值。离开浓缩隔室250的浓缩物360将具有比流入的进料水335高的单价离子到多价离子的浓度,并且因此具有比流入的进料水335或处理过的水355高的SAR值。已经穿过阴极隔室325的阴极冲洗水345和已经穿过阳极隔室330的阳极冲洗水350可以与浓缩物360结合。
[0147] 应当理解的是,本文公开的ED系统的实施方案可以包括明显更多数量的稀释隔室和浓缩隔室以及相关的阴离子可渗透膜和阳离子可渗透膜,这在图3中图示出。还应当理解的是,本文公开的ED系统的实施方案可以包括稀释隔室和浓缩隔室以及相关的阴离子可渗透膜和阳离子可渗透膜的多级。本文公开的ED系统的实施方案不限于每级稀释隔室和浓缩隔室数目的任何特定数目的级。
[0148] 回到图1,稀释物可以作为处理过的水通过ED系统145的处理过的水出口165离开ED系统145的稀释隔室。处理过的水可以被引入到灌溉水分配系统(例如,流体地连接至ED系统145的处理过的水出口165的导管)中,并且被用作用于作物170的灌溉水。浓缩物可以通过浓缩物出口175离开ED系统145的浓缩隔室。来自ED系统145的浓缩物可以被送至辅助使用点180。在辅助使用点180中,浓缩物可以被用于例如在太阳能池中产生热或能量。在一些实施方案中,浓缩物可以例如在太阳能蒸馏器中被进一步处理,以产生另外的纯化水并且减少用于处置的浓缩物的体积。在一些实施方案中,浓缩物可以被进一步处理以回收经济上有价值的盐。浓缩物也可以被用于或可选择地被用于深井注入、压裂或其他目的。
[0149] 灌溉系统100可以包括在各种位置处的多个传感器。灌溉系统100可以包括例如位于强制通风脱气器130和颗粒过滤器140之间的预处理系统125中的传感器175。传感器175可以是例如流量计、pH传感器或被配置成监测预处理系统中水的一种或更多种其他性质的传感器中的一种或更多种。传感器175可以向灌溉系统100的控制器195提供关于预处理系统中水的一个或更多个参数的数据,控制器195可以利用所接收到的数据来控制阀115、泵120、pH调节剂源135、强制通风脱气器130或颗粒过滤器140中的一个或更多个的操作。用于在控制器195和系统100的各种部件之间提供通信的信号线在图1中以虚线图示出。
[0150] 在一个实例中,如果传感器175向控制器195提供穿过预处理系统125的水的pH在5和8的pH之间的期望的范围之外的指示,则控制器195可以调节将来自pH调节剂源135的pH调节剂添加到未处理过的进料(任选地预过滤的)水中的体积或速率。任选地,(未示出)pH调节剂可以通过浓缩流流出物的电化学处理来合成。控制器195可以被实现为灌溉系统100本地的或远离灌溉系统100的计算机化的控制器。
[0151] 可以提供一个或更多个另外的传感器185以监测来自ED系统145的处理过的水的一种或更多种性质。一种或更多种性质可以包括pH、温度、电导率、SAR值、选择性离子浓度或任何其他感兴趣的性质中的任何一种或更多种。一个或更多个另外的传感器185可以向控制器195提供所测量的性质的指示,控制器195可以调节阀115、泵120、pH调节剂源135、强制通风脱气器130、颗粒过滤器140、ED系统145或pH调节剂源160中的任何一种的一个或更多个操作参数,以使处理过的水的所测量的性质达到在5和8之间的期望的范围。
[0152] 在一些实施方案中,灌溉系统100可以包括一个或更多个传感器190,以测量在处理过的水作为灌溉水被供应的位置处的土壤的一种或更多种性质。一个或更多个传感器190可以包括例如pH传感器或电导率传感器中的一个或更多个。一个或更多个传感器190可以向控制器195提供土壤的一种或更多种性质的指示,控制器195可以调节灌溉系统100的一个或更多个操作参数,例如,以基于所测量的土壤的pH或电导率来调节灌溉水的流量或pH调节剂添加至未处理过的进料水中的速率。
[0153] 应当理解的是,图1是高度示意性的,并且灌溉系统100的实施方案可以包括另外的部件或单元操作,例如,另外的阀、泵、化学定量给料系统、压力驱动的分离系统或电驱动的分离系统、样品端口、传感器或其他可用于促进灌溉系统100的操作的特征。
[0154] 在一些实施方案中,在离开ED系统145的稀释隔室255的处理过的水355中可达到的SAR值可以至少部分地取决于ED系统145中所使用的膜的选择性。通过膜将单价离子(例如,钠)运输到二价离子(例如,镁和钙)的选择性可以通过以下等式来定义:
[0155]
[0156] 其中:Ci=离子物质i的摩尔浓度(mol/l)
[0157] ΔCi=ED工艺中离子物质i的摩尔浓度的变化
[0158] 在一些实施方案中,例如在其中具有不同的SAR容差的作物彼此邻近生长的位置中,可以期望具有不同的SAR值的灌溉水。在这样的实施方案中,具有高度选择性膜并且能够产生具有低SAR值的灌溉水的单个ED系统可以被用于供应所有灌溉水,然而,具有较低选择性膜的ED系统可能成本较低。因此,可以有益的是,操作两个或更多个ED系统145A、145B,所述ED系统145A、145B能够并行地产生具有不同的SAR值的灌溉水,并且将来自两个或更多个ED系统145A、145B的处理过的水以期望的比率混合,以满足不同的作物405、410的需求,如图4中所图示出的。控制器420(其可以与图1中的控制器195相同或不同)和相关的传感器425可以测量来自两个或更多个ED系统145A、145B的处理过的水的钠浓度或其他SAR指示,并且调节混合阀,例如混合器或流量控制器430,用于以期望的比率组合来自两个或更多个ED系统145A、145B的处理过的水,以满足不同的作物405、410的需求。来自两个或更多个ED系统145A、145B的浓缩物流可以被组合并且被送至辅助使用点180。可选择地,一些处理过的水,特别是来自配置有单价阴离子膜和/或单价阳离子膜的电渗析设备的任何稀释物流出口水产品,可以使用膜工艺诸如纳滤被进一步处理(未示出)。这样的电渗析设备稀释物流出口水将消耗单价离子,同时保持多价离子的稳定水平。这样的进料水组合物对于使用纳滤有效且低能量地去除盐是理想的,并且还可以导致剩余的成分诸如微量水平的硼的另外的去除。结果,来自纳米过滤器的滞留物(retentate)将仍然可用于灌溉水,其中SAR值进一步降低,而来自纳米过滤器的渗透物对于诸如用于适于饮用的水、洗涤或用于牲畜的水的应用将是理想的。
[0159] 实施例1:
[0160] 为了确定利用电渗析装置来从井水生产适合于灌溉的水的可行性,进行以下测试;样品取自德克萨斯州的井水。各种离子的浓度和井水样品的pH被测量为如下面表1中所指示的:
[0161] 表1:井水性质
[0162]
[0163] 使用模型来模拟使用 电渗析装置的不同的井水样品的处理,该电渗析装置从Evoqua Water Technologies LLC可获得,以三程(16个子块以6-
6-4配置布置)操作并且具有单价选择性阳离子交换膜。
[0164] 在下面的表2中示出了对于 电渗析装置的模拟的结果,该电渗析装置在浓缩物再循环的情况下操作以实现90%的水回收率:
[0165] 表2:对于90%水回收率的模拟结果
[0166]
[0167] 在下面的表3中示出了对于 电渗析装置的模拟的结果,该电渗析装置在没有浓缩物再循环的情况下操作以实现50%的水回收率,并且在浓缩物再循环的情况下操作以实现90%或75%的水回收率:
[0168] 表3:对于不同的水回收率的模拟结果
[0169]
[0170] 这些结果表明,电渗析是用于从中度含盐地下水生产适合于敏感作物的灌溉的产品水的可行的工艺。电渗析装置可以能够将流入的水的SAR降低约50%或更多,其中水回收率为90%。
[0171] 实施例2:
[0172] 为了确定阳离子可渗透膜用于在电化学电池中将阳离子物质与阴离子物质分离的有效性,进行以下测试:构建了包括阳极、阴极和单个阳离子选择性膜的离子转移设备。制备包含约800ppm Na+、约250ppm Ca2+和约80ppm Mg2+的模拟的进料水。图5提供了在缺乏SAR改善的情况下关于来自电渗析设备的阳离子的预期的脱盐性能的对照实例。离子转移设备在有限的时间操作的情况下以分批模式操作,以便使pH的改变最小化图5提供了从操作的0秒至18000秒随时间的操作数据。在本实施例中使用的阳离子膜不是单价选择性的。
如可以看出的,在阳离子膜的阳极侧上的钠、钙和镁的初始水平分别为大约800ppm、250ppm和80ppm。钠、钙和镁的最终水平分别为大约350ppm、10ppm和10ppm。基于这些值,尽管总体稀释流盐度下降了近70%,但是由于二价离子的高转移,SAR值从大约17增加至大约21。当使用其他标准膜工艺诸如RO或纳滤处理这样的典型的微咸水类型时,可以发现这种相同的效果。
[0173] 实施例3:
[0174] 为了确定单价选择性阳离子可渗透膜用于在电化学电池中将阳离子物质与阴离子物质分离的有效性,进行以下测试:构建了包括阳极、阴极和单个阳离子选择性膜的离子转移设备。制备包含约800ppm Na+、约250ppm Ca2+和约80ppm Mg2+的模拟的进料水。图6提供了在SAR改善的情况下关于来自本文公开的电渗析设备的阳离子的预期的脱盐性能的实例。离子转移设备在有限的时间操作的情况下以分批模式操作,以便使pH的实质性改变最小化。该图提供了从操作的0秒至23000秒随时间的操作数据。在本实施例中使用的阳离子膜是单价选择性的。如可以看出的,在阳离子膜的阳极侧上的钠、钙和镁的初始水平分别为大约800ppm、250ppm和80ppm。钠、钙和镁的最终水平分别为大约150ppm、250ppm和80ppm。基于这些值,总体稀释流盐度下降了大约60%,其中较少或没有去除二价离子。由于二价离子的低转移,SAR值从大约18下降至大约3。
[0175] 实施例4:
[0176] 为了确定单价选择性阳离子可渗透膜用于在电化学电池中分离硼的有效性,进行以下测试:构建了包括阳极、阴极、单个单价阳离子选择性膜和在阳离子选择性膜的任一侧上的阴离子选择性膜的离子转移设备。在图7中示意地图示出该设备。如图7中所示出的,离子转移设备是包含阴极室阳极室、浓缩物室和稀释物室的微型ED装置。所使用的膜具有圆形形状,其中用于离子传输的有效面积为7.0cm2。阳离子交换膜被放置在中间,并且被两个阴离子交换膜“夹在中间”。两个电极隔室通过蠕动泵使用0.15M K2SO4溶液从含有1.5升的这样的溶液的储器中串联地泵送。泵送速率为~200ml/min。所有四个隔室具有2cm的宽度,并且横截面形状为7cm2面积圆。浓缩物流为通过蠕动泵以200ml/min的流量循环的0.3M KCl。稀释物流包含总共~70ml溶液(包括管线中的溶液),并且以200ml/min泵送。电流密度为25A/m2。系统在室温操作,并且被处理的水具有6.1的pH。
[0177] 测量稀释物隔室中的K+浓度,以了解电流“低效率”。小于1%的K存在于稀释物隔室中,如通过离子色谱法(IC)所测量的。这指示由于膜选择性的程度,实现了99%的电流效率。
[0178] 稀释物隔室中的样品被周期性地取样,用于IC和硼分析。IC测试用0.250ml样品进行,该样品用DI水稀释400倍并且被注入到IC装置中。同时,使用1.00ml样品以使用Hach’s BoroVer剂用于在600nm处光学吸收来分析硼浓度。
[0179] 图8是示出了随着脱盐从操作的0秒至23000秒随时间而进行的三种离子的浓度的实验数据。发现随着Na+浓度对通过阳离子膜的电荷传输变得较少占主导地位,硼浓度开始下降。如可以看出的,在阳离子膜的阳极侧上的钠、钙、镁和硼的初始水平分别为大约780ppm、250ppm、80ppm和14ppm。钠、钙和镁的最终水平分别为大约280ppm、250ppm和80ppm。
基于这些值,总体稀释流盐度下降了大约55%,其中较少或没有去除二价离子。由于二价离子的低转移,SAR值从大约16下降至大约5。硼水平示出最初从大约14ppm下降至大约11ppm,保持在11ppm处,直到钠水平下降至接近剩余的钙和镁的组合水平的水平。在此时,硼水平下降至小于7ppm。在不需要增加稀释流pH的情况下达到超过50%硼去除。
[0180] 因此,已经描述了本公开内容的至少一个实施方案的若干个方面,应当理解,本领域技术人员将容易地想到各种改变、修改和改进。这样的改变、修改和改进意图是本公开内容的一部分,并且意图在本公开内容的精神和范围内。例如,本文公开的任何一个或更多个实施方案的特征可以与本文公开的任何其他实施方案的特征结合。因此,前述描述和附图仅仅是作为实例。
[0181] 本文使用的措辞和术语是为了描述的目的并且不应当被认为是限制性的。如本文中所使用的,术语“多个(plurality)”指的是两个或更多个项目或部件。术语“包括(comprising)”、“包括(including)”、“携带(carrying)”、“具有(having)”、“包含(containing)”和“涉及(involving)”无论在书面描述还是权利要求及类似物中,是开放式术语,即意指“包括但不限于”。因此,这样的术语的使用意指涵盖其后列出的项目及其等同物,以及另外的项目。相对于权利要求,仅过渡短语“由......组成”和“基本上由......组成”分别是封闭的或半封闭的过渡短语。在权利要求中使用序数术语诸如“第一”、“第二”、“第三”及类似物来修饰权利要求要素,本身并不暗示一个权利要求要素相对于另一个权利要求要素的任何优先、在先或顺序或其中方法的动作被进行的时间顺序,而是仅仅用作标记以区分具有某个名称的一个权利要求要素与具有相同名称的另一个要素(但为了使用序数术语)以区分权利要求要素。
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