Brevet FR2196201A1 — publié le 19740315

Lors de l'électrolyse de l'^u ou de solutions ou de sus pensions @queuses pour de multiples utilisations et notamment pour la purification des suspensions par électro-tlottation, on utilise ses électrodes emportant ces cathodes et des anodes re lies à une source de courant continu. Lorsque l'eau ou le liquide dans lequel @aignent les électroues continent des Dicarbonates de calcium et/ou de magnésium, comme c'est le cas des eaux potable et industrielle, c'est à dire des que le titre alcalimétrique complet (TAC) n'est pas nul, il se dépose au bout d'un temps plus ou moins long, à la surface des cathodes, une couche de carbonates et notamment de carbonate de calcium, cette couche ayant pour effet de diminuer rapidement l'efficacité de l'électrolyse. Dans le cas de l'électro-flottation notamment, on constate au bout d'un certain temps une diminution de l'intensité et la disparition progressive des fines bulles gazeuses sur lesquelles repose précisément l'efficacité du procédé. On peut penser que la formation de cette couche de carbonates résulte de la précipitation des bicarbonates au voisinage immédiat des cathodes, par suite de la modification du pH qui s'y produit comme conséquence du dégagement d'hydrogène gazeux. On a déja proposé pour éviter cet inconvénient, soit d'annu- ler le TAC par un traitement préalable d'adoucissement de l'eau, soit d'augmenter le pH du liquide soumis à l'électrolyse, jusqu'à une valeur suffisante pour que les carbonates soient précipites avant de se déposer sur la cathode, soit encore de diminuer le pH dans une mesure suffisante pour que, malgré l'électrolyse, il ne puisse y avoir formation de dépit de carbonates sur la cathode. Toutes ces solutions se sont avérées onéreuses et de mise en oeuvre diffIcile. Une solution radicale consiste encore à inverser régulièrement la polarité des Ulectrodes. Dans ce cas, lorsque la cathode devlen anooe, le dépôt ae carbonates qui s'est formé disparaît au bout ,'un temps plus ou moins long.La solution peut titre envisagée lorsque les électrodes sont constituées #'un matériau ooqne comme le fer ou 11 acier inoxydable mais on ne peut y recozir lorsque les électrodes fonctionnant normalement en anodes sont faites de matériaux hétérogenes, comme par exemple Le titane revêtu a'une couche de métal noble tel ue le platine ou d'une couche d'oxyde métallique comme le bioxyde de plomb ou l'oxyde de ruthénium. Ainsi qu'on le sait, ces matériaux hétérogènes sont de plus en plus utilisés comme anodes car ils présentent l'avantage d'offrir une résistance beaucoup plus importante à la corrosion que le fer ou les alliages inoxydables, notamment dans des milieux corrosifs comme ceux comportant des chlorures ou des sulfates Malheureusement, ces matériaux hétérogènes, s'ils ont une excellente résistance à la corrosion tant qu'ils sont utilisés en anodes, ne supportent absolument pas, s'il s'agit d'un revête- ment d'oxydes ou supportent très mal s'il s'agit d'un revêtement métallique tel que du platine, d'être soumis à une polarité négative.C'est ainsi par exemple qu'une électrode en titane recouvert de bioxyde de plomb qui résiste de nombreuses années lorsqu'elle est utilisée en anode est détruite en quelques minutes lorsqu'elle est mise en cathode. De même, mais à un degré moindre, la couche de platine d'une électrode de titane platiné mise temporairement en cathode se détruit progressivement par la formation d'hydrures. Il résulte de ce qui précède qu'il est impossible de songer à décarbonater les cathodes en inversant périodiquement la polarité des électrodes si certaines d'entre elles sont en matériaux hétérogènes. On sait que généralement les électrodes sont constituées par des plaques pleines, des plaques perforées ou des grilles et sont, en régime normal, reliées au pôle positif ou au pôle négatif de la source de courant continu pour constituer respectivement des anodes et des cathodes qui se trouvent mutuellement intercalées dans l'espace. La présente invention se propose de résoudre le problème posé par la décarbonatation des cathodes par un système simple d'inversion périodique des polarités dans un tel dispositif d'électrolyse ou d'électro-flottation utilisant comme anodes des matériaux composites tels que le titane revêtu de métal noble ou d'oxydes métalliques. Conformément à la présente invention, ce résultat est obtenu en subdivisant l'ensemble des électrodes fonctionnant normalement en cathodes, en au moins deux groupes distincts de cathodes alternées dans l'espace, chaque groupe pouvant être connecté à sont; au pôle positir ou au pole négatif de la source et en reliant à tour de roule, pendant un court laps de temps, chacun desdits groupes de cathodes au pôle positif de la source pour le rendre anode et assurer ainsi sa décarbonatation, la disposition et les dimensions relatives des électrodes étant telles que la distance entre deux cathodes consécutives, c'est à dire appartenant à deux groupes différents, ne soit pas supérieure à la valeur formule dans laquelle - S représente la surface d'une cathode, - L représente la longueur d'une cathode dans le sens horizontal, - s représente la surface d'une anode, - 1 représente la longueur d'une anode dans le sens horizontal, L'expérience prouve que, dans une telle structure d'e'lec- trodes, si l'on connecte périodiquement pendant une courte durée de Tordre de quelques minutes, l'un des groupes de cathodes au pôle positif, le ou les autres groupes restant cathodes, on assure sa décarbonatation rapide pourvu que l'on respecte la condition ci-dessus énoncée de proximité des cathodes et ceci que les différents groupes de cathodes comportent ou non le même nombre de cathodes et quel que soit le nombre de ces groupes, Pour améliorer les performances du processus de décarbonatation, il est recommandable de choisir des dimensions respectives de cathodes et d'anodes pour que la distance entre deux cathodes consécutives ne dépasse pas la valeur Le procédé de l'invention s'applique aux électrodes montées obliques, horizontales ou verticales et aussi bien qu'il s'agisse de plaques pleines ou perforées. Dans le cas où les électrodes sont perforées, la surface S ou s à prendre en considération est la surface utile, c'est à dire trous déduits. On donne ci-après, en référence à la figure schématique 1 des dessins annexés, le principe de mise en oeuvre du perfectionnement suivant l'invention dans le cas particulier d'électrodes constituées par des plaques verticales. Sur ceste figure, on voit qu'il y a une anode a entre chaque paire de cathodes c. Les anodes sont toutes reliées en permanence au pôle positif de la source T. Les catnodes, au contraire, peuvent être reliées par groupes, cathodes impaires cl, c3 ... d'une part, et cathodes paires c2, C4 ... d'autre part, à volonté, soit au pôle positif, soit au pôle négatif de la source grâce aux commutateurs 10 et 11. Après un certain temps, par exemple 1 heure, de fonctionnement de l'électrolyse normale toutes les cathodes étant reliées au pôle négatif de la source (position des interrupteurs comme sur la figure), on décide de décarbonater les cathodes impaires A cet effet, on tourne vers la gauche le commutateur 10, ce qui rend positives les cathodes impaires par rapport aux, cathodes paires et assure la décarbonatation des premières. Cette décarbonatation peut n'exiger que quelques minutes. On procède ensuite à la décarbonatation des cathodes paires en les rendant temporairement anodes par l'inversion du commutateur 11, les cathodes impaires étant à nouveau reliées au pôle négatif de la source. Toutes les cathodes ayant été décarbonatées, on peut reprendre ensuite l'électrolyse normale. On peut également procéder à la décarbonatation, par exemple toutes les 30 minutes ou toutes les heures, d'un des groupes de cathodes seulement. Dans le cas où l'on utilise des anodes en métal revêtues d'oxydes métalliques qui, ainsi qu'on le sait, sont particulièrement peu résistantes lorsqu'elles sont portées à un potentiel meme légèrement négatif, il est recommandable de conférer en permanence à ces anodes un potentiel légèrement positif, par exemple de l'ordre de : + 0,1 à + 0,5 volt, par rapport au potentiel positif qui sera appliqué aux cathodes au moment de la décarbonatation.Cette mesure ne diminue que peu l'efficacité de la décarbonatation, mais en revanche préserve à coup sûr la structure de ces anodes en métal revue'tu d'oxydes0 Dans le cas, au contraire, où l'on utilise des anodes supportant sans inconvénient d'ttre portées à un potentiel légèrement négatif, telles que par exemple le titane platiné, il y a intérêt, pour accélérer le processus de décarbonatation, à conférer en permanence à de telles anodes un potentiel légèrement négatif par rapport au potentiel positif qui sera appliqué temporairement aux cathodes au moment de la décarbonatation, Exemple I On utilise une électrode composée de plaques verticales pleines (fig.2) alternativement anodes a et cathodes c disposées verticalement a un intervale régulier de 1,2 cm.Les cathodes sont reliées electriquement en deux groupes, respectivement c1 c3 C5... et c2 c4 ..., isolés entre eux. Surface unitaire anodes : longueur 100 cm 2 hauteur 3 cm ) 300 cm épaisseur 0,1 cm ) Cathodes : longueur 100 cm ) 2 hauteur 6 cm ) 600 cm épaisseur 0,1 cm ) 40 cathodes et 39 anodes Matériaux : anodes titane recouvert de bioxyde de plomb cathodes Inox NS22S Dimension totale de l'électrode 100 cm x 100 cm x 6 cm Immersion dans l'eau de ville. Potentiel : 10 volts Intensité : 65 Ampères Condition d'essai Polarité des électrodes Cycle : 1 heure 5 minutes 5 minutes Anodes + + + Cathodes ler groupe - + Cathodes 2ème groupe - - + Les commutations sont réalisées automatiquement par un pro grammateur et des contacteurs de puissance sésultats : Au bout d'un mois de fonctionnement la carbonatation est pratiquement inexistante sur les plaques. Seules quelques concrétions sans inconvénient s'accumulent sur les narres d'amenées de courant. La durée de vie de cette électrode dans les conditions de fonctionnenent eut titre estimée à dix ans. Exemple Il On utilise une électrode composée alternativement (fig.3) d'anodes a' en métal perforé (métal déployé) et de cathodes c en places pleines disposées verticalement à un intervale régulier de 1 cm. Les cathodes sont reliées en deux groupes, respectivement cl C3 C5..o et c2 c4 ..., isolés entre eux. Surface unitaire moins les trous Anodes: longueur 10 cm ) hauteur 4 cm ) 10 cm2 épaisseur 0,1 cm Cathodes: longueur 10 cm hauteur 4 cm ) 40 cm2 épaisseur 0,1 cm 5 cathodes et 4 anodes Matériaux identiques à ceux de l'exemple I. Dimension totale de l'électrode : 10 cm x 10 cm x 4 cm Immersion dans l'eau de ville. Potentiel : 10 volts. Intensité : 1,3 Ampères Condition d'essai Polarité des électrodes Cycle : 1 heure 5 minutes 5 minutes Anodes + + + Cathodes ler groupe - + Cathodes 2ème groupe - - + Les commutations sont réalisées automatiquement par un programmateur et des contacteurs. Résultats Au bout de 15 jours de fonctionnement : la carbonatation est pratiquement inexistante, la durée de vie de cette électrode peut dtre estimée à dix ans. Exemple III Dans cet exemple l'électrode (fig.4) est constituée des mimes plaques cathode et grilles anodes avec un écartement identique que pour l'exemple Il mais les électrodes ne sont plus verticales mais inclinées sur la verticale a'environ 300 pour permettre un meilleur dgagernent ces tulles formées sur les plaques. Les cathodes sont toujours reliées en aeux groupes Surface unitaire moins les trous Anodes : longueur 10 cm 2 largeur 4 cm ) 10 cm épaisseur 0,1 cm Cathodes: longueur 10 cm ) 2 largeur 4 cm ) 40 cm épaisseur 0,1 cm ) 5 cathodes et 4 anodes Matériaux identiques à ceux de ltexemple I. Dimension otale de l'électrode : 10 cm x 10 cm x 3,5 cm Potentiel : 10 volts Intensité : 1,3 Ampères Conditions d'essai : identiques à celles de l'Exemple Il Résultats: Au bout de 15 jours de fonctionnement : la carbonatation est prdtiquement inexistante. Durée de vie estimée identique, Exemple IV Dans cet exemple (fig.5) 11 électrode est constituée des mêmes plaques cathodes et grilles anodes que dans l'exemple Il, ces plaques étant toujours placées verticalement mais l'écartement est réduit à 0,2 cm pour augmenter l'intensité. Les cathodes sont toujours reliées en deux groupes. Surface unitaire moins les trous Anodes : longueur 10 cm ) hauteur 4 cm ) 10 cm2 épaisseur 0,1 cm ) Cathodes : longueur 10 cm ) hauteur 4 cm ) 40 cm2 épaisseur 0,1 cm ) 17 cathodes et 16 anodes Matériaux identiques à ceux de l'exemple I. Dimension totale de l'électrode: 10 cm x 10 cm x 4 cm Immersion dans l'eau de ville, Potentiel : 10 volts. Intensité : 5 ampères. Condition d'essai : Identiques à celles de l'exemple Il. Résultats : Au' bout de 15 jours d'essai, la carbonatation est inexistante. ure de vie estimée identique. REVENDICATIONS 1) Perfectionnement à la décarbonatation des électrodes utilisées notamment pour l'électrolyse et l'électro-flottation, ce perfectionnement, qui permet d'utiliser comme anodes des matériaux composites tels que le titane revêtu de métal noble ou d'oxydes métalliques, étant caractérisé en ce que l'on subdivise l'ensemble des électrodes, fonctionnant normalement en cathodes, en au moins deux groupes distincts de cathodes alternées dans l'espace, chaque groupe pouvant dtre connecté à volonté au pôle positif ou au pôle négatif de la source de courant et en ce que l'on relie à tour de rôle, pendant un court laps de temps, chacun des dits groupes de cathodes au pôle positif de la source pour le rendre anode et assurer ainsi sa décarbonatation, la disposition et les dimensions relatives des électrodes étant telles que la distance entre deux cathodes consécutives, c'est à dire appartenant à deux groupes différents, ne soit pas supérieure à la valeur e = S - s , formule dans laquelle : L 1 - S représente la surface d'une cathode, - L représente la longueur d'une cathode dans le sens horizontal, -# s représente la surface d'une anode, - 1 représente la longueur d'une anode dans le sens horizontal. 2) Perfectionnement suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la distance entre deux cathodes conslcutives ne dépasse S s pas la valeur e = 2L - 21 3) Perfectionnement suivant les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que, dans le cas où l'on utilite des anodes en métal revêtu d'oxydes métalliques, on donne en permanence aux dites anodes un potentiel légèrement positif, par exemple de l'ordre de 0,1 à 0,5 volt par rapport au potentiel positif qui est appliqué aux cathodes au cours de la décarbonatation. 4) Perfectionnement suivant les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que, dans le cas où l'on utilise des anodes pouvant supporter un potentiel légèrement négatif, telles que par exemple des anodes en titane platiné, on donne en permanence aux dites anodes un potentiel légèrement négatif par rapport au potentiel positif qui est appliqué aux cathodes en cours de décarbonatation, 5) Ensemble d'électrodes pour la mise en oeuvre du per fectionnement suivant 'une Juelconue des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que chacun des groupes de cathodes est relié Séparément à un commutateur, pouvant être actionné automatiquement, pour leur connexion, en temps de fonctionnement normal, au pôle négatif de la source de courant et pour leur connexion, pendant l'opération de décarbonatation, au pôle positif de la dite source.