Brevet FR2207868A1 — publié le 19740621

La présente invention concerne un procédé de déminéralisation d'eau ainsi que les installations utilisables à cet effet. Il est connu de déminéraliser partiellement l'eau (à 90-95% en moyenne) par osmose inverse, l'eau ainsi déminéralisée étant stérile. Cependant, ce procédé présente non seulement l'inconvénient de ne pouvoir effectuer une déminéralisation totale, mais aussi de consommer une quantité d'eau bien supérieure à l'eau déminéralisée et stérile produite, car le processus implique le rejet à l'égout de l'eau surminéralisée résultant aussi du processus d'osmose inverse. Par ailleurs, on sait déminéraliser totalement l'eau au moyen d'un échangeur d'ions, mais l'eau déminéralisée ainsi obtenue ne peut être stérile car pendant les stagnations de l'eau dans le lit de résine, les échangeurs constituent un milieu de prolifération de bactéries et/ou autre germes. De plus ce procédé présente l'inconvénient supplémentaire d'une consommation relativement élevée d'eau, quoique moindre que dans le cas du processus d'osmose inverse, du fait du rejet à l'égout des eaux de régénération de la résine et de lWhécessité de procéderpréalablement à leur neutralisation et à leur dilution en raison de leur agressivité. Le procédé de la présente invention permet de remédier à ces divers inconvénients par le fait qu'il procure, par exemple à partir d'une eau de ville ou de captage,une eau complètement déminéralisée et stérile (et éventuellement comme sous-produit, de l'eau partiellement déminéralisée et stérile) et qui réduit considérablement, par rapport aux procédés connus, la quantité d'eau à envoyer à l'égout. Ce procédé, qui peut etre effectué en continu ou, de pTéférence, en semi-continu, est caractérisé en ce qu'il consiste à soumettre de l'eau à une osmose inverse de façon à recueillir une première fraction d'eau partiellement déminéralisée et une seconde fraction d'eau minéralisée et non stérile, à faire passer partie au moins de ladite première fraction à travers un lit d'un échangeur d'ions, de façon à obtenir une troisième fraction d'eau déminéralisée, à soumettre ladite troisième fraction à une osmonde inverse, de façon à recueillir une quatrième fraction d'eau déminéralisée et stérile directement utilisable et une cinquième fraction d'eau déminéralisée et non stérile. Dans ces conditions, le procédé de l'invention permet d'obtenir une eau stérile et complètement déminéralisée en effectuant tout d'abord une déminéralisation partielle par un premier processus d'osmose inverse, puis un passage à travers un lit d'un échangeur d'ions qui permet de poursuivre la déminéralisation jusqu'à ce qu'elle soit totale, ce qui nécessairement souille à nouveau l'eau stérile obtenue par ledit premier processus d'osmose inverse, et enfin à soumettre l'eau ayant traversé le lit de l'échangeur d'ions à un second processus d'osmose inverse. le procédé précité peut être mis en oeuvre d'une manière continue, en utilisant, par exemple,deux osmoseurs inverses et un dispositif d'échange d'ions, ce qui permet de recueillir à la sortie du premier osmoseur, en continu, première et la seconde fractions précitées et d'alimenter en continu le second osmoseur à l'aide de la troisième fraction provenant du dispositif d'échange d'ions. Cependant, conformément au mode de réalisation préféré de la présente invention, on travaille en semi-continu, en utilisant un seul osmoseur qui reçoit alternativement l'eau initiale à traiter et la troisième fraction précitée, provenant du dispositif d'échange d'ions; selon une variante de ce mode de réalisation, le même osmoseur peut être utilisé, dans certaines phases supplémentaires de fonctionnement, pour traiter des mélanges d'eaux obtenues comme il sera indiqué ci-après. Selon une caractéristique avantageuse de la présente invention, permettant d'augmenter le rapport entre l'eau utilisable produite par le système et l'eau amenée à celui-ci, on mélange une partie de première fraction d'eau précitée, qui est partiellement déminéralisée, avec la cinquième fraction précitée, qui est constituée par de l'eau complètement déminéralisée, de façon à obtenir une eau faiblement minéralisée et non stérile que l'on traite à nouveau de la même manière que l'eau initiale à traiter, ce traitement pouvant être réalisé dans le même ensemble d'unités que pour ladite eau initiale (un dispositif d'échange d'ions 9 un ou deux osmoseurs inverses) ou dans un ensemble annexe d'unités (comprenant lui-aussi un dispositif d'échange d'ions + un ou deux osmoseurs inverses). Selon une autre caractéristique de la présente invention, on peut mélanger une fraction au moins de l'eau initiale à traiter avec la cinquième fraction précitée d'eau déminéralisée et non stérile, de façon à obtenir une eau qui est traitée de la même manière que l'eau initiale amenée au système, ce qui permet, par un moyen différent de celui du paragraphe précédent, d'augmenter le rapport précité. On remarquera que la seconde fraction d'eau, obtenue Whtune des sorties de l'osmoseur inverse, est constitué par de l'eau fortement minéralisée, dite " surminéralisée", lorsque l'eau amenée audit osmoseur est constituée uniquement patt'eau initiale à traiter ou lorsque l'on se trouve dans une phase de fonctionnement telle que ledit osmoseur est alors alimenté uniquement par une telle eau, dans des conditions telles que ladite fraction doit être nécessairement évacuée du système, par rejet à l'égout. Par contre, lorsque ladite seconde fraction minéralisée et non stérile possède un degré de minéralisation inférieur à celui de 1 'eau à traiter qui est amenée au système,oe qui est par exemple le cas l.#rsqu' on traite à nouveau le mélange formé par réunion d'une partie de la première fraction avec la cinquième fraction, la seconde fraction obtenue par traitement de ladite eau plus faiblement minéralisée que l'eau amenée au système peut alors être recyclée pour être traitée à nouveau, après mélange éventuel avec de l'eau non déminéralisée, de l'eau partiellement démineralisée ou de l'eau simultanément totalement déminéralisée et non stérile. D'une manière générale, on peut, conformément au procédé de la présente invention, recycler toute fraction qui est soit déminéralisée et non stérile ou faiblement minéralisée et qui résulte de la mise en oeuvre du processus de base et éventuellement de tout ou partie des processus auxiliaires ci-dessus. l'invention concerne également toutes les installations utilisables dans la mise en oeuvre du procédé précité. Une telle installation doit nécessairement comprendre au moins un premier osmoseur inverse et un dispositif d'échange d'ions placés en série, des moyens d'amenée de l'eau à traiter à l'entrée dudit premier osmoseur, la sortie de l'eau ayant traversé la membrame semi-perméable dudit osmoseur inverse étant reliée à l'entrée du lit de l'échangeur d'ions dudit dispositif et la sortie dudit lit étant reliée à ltentrée d'un second osmoseur inverse, qui est de préférence le même qlle ledit premier osmoseur, ladite installation comportant aussi des moyens de soutirage de l'eau ayant traversé la membrane semi-perméable dudit second osmoseur et des moyens de rejet.à l'égout de l'eau ayant passé dans le premier osmoseur ainsi que tous les moyens auxiliaires appropriés tels que pompe de circulation et vannes. Dans le cas par exemple où cette installation ne comporte qu'un seul osmoseur, lesdites vannes pourront être placées de façon à ce que, grâce à une commande appropriée desdites vannes, ledit osmoseur puisse par exemple traiter alternativement l'eau fournie par les moyens d'amenée d'eau à traiter et l'eau recueillie à la sortie du lit de l'échangeur et qu'il puisse en outre éventuellement traiter, dans certaines phases de fonctionnement supplémentaires, le mélange obtenu en ajoutant l'eau ayant passé une fois dans ledit osmoseur à de l'eau ayant déjà passé deux fois dans cet osmoseur. l'invention sera maintenant illustrée par les exemples de réalisation, donnés à titre non limitatif, en référence aux dessins schématiques ci-joint dans lesquels - la figure 1 représente une installation conforme au mode de réalisation préféré de la présente invention, qui met en oeuvre un seul osmoseur inverse et un seul dispositif d'échange d'ions - les figures 2 et 3 représentent, dans le cadre d'un procédé semi-continu, deux phases successives dudit procédé, en utilisant l'installation de la figure 1; sur ces figures 2 et 5, on a représenté en lignes discontinues, pour la clarté desdites figures, les portions de canalisations qui ne sont pas utilisées, respectivement, pour chacune desdites étapes et l'on a omis volontairement de représenter les vannes que comporte 1'instaDatien et qui sont toutes représentées sur la figure 1; - la figure 4 représente un autre mode de réalisation de l'installation selon la présente invention, permettant de travailler selon un procédé continu et utilisant à cet effet deux osmoseurs inverses et un dispositif d'échange d'ions; et - les figures 5 et 6 représentent deux phases supplémentaires du procédé des figures 2 et 3, qui utilisent également l'installation représentée sur la figure 1; on a adopté la même convention que pour les figures 2 et 3 en vue de clarifier la représentation de ces phases supplémentaires L'instanlation de la figure 1 comprend un osmoseur inverse 1, un dispositif d'échange d'ions 2, une canalisation d'amenée 3 de l'eau à traiter à l'entrée 4 de l'osmoseur et différentes canalisations 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 et 12, la canalisation 5 étant reliée à la sortie 13 de l'eau n'ayant pas traversé les membranes semi-perméables de l'osmoseur 1, tandis que la canalisation 6 est reliée au tube collecteur 14 délivrant l'eau ayant diffusé à travers lesdites membranes semi-perméables.# la structure interne de l'osmoseur 1 est de type en soi connu, celui-ci comportant par exemple, autour d'un tube collecteur central, tel que le tube 14, un ensemble de membranes semi-perméables disposées concentriquement; on remarque que les canalisations 7 et 8 aboutissent à un récipient 15 et la canalisation 9 à un récipient 17, tandis que la canalisation 10 est alimentée par le récipient 15; l'installation comprend en outre une pompe de circulation 18 permettant la reprise de l'eau contenue dans le récipient 15 pour l'envoyer sur le lit 16 d'échan geur d'ions du dispositif d'échange d'ions 2 et une pluralité de vannes d'arrêt à deux voies 19 à 24 On va maintenant décrire, en référence aux figures 2 et 3, un mode de réalisation du procédé de la présente invention à l'aide de l'installation complète représentée sur la figure 1. Dans une première phase de ce procédé, qui est ici un procédé semi-continu, on amène par exemple 2000 litres d'une eau brute qui titre 400 mg/l de minéralisation par la canalisation 3, cet apport étant référencé F0 En raison de la surpression existant dans le compartiment A de l'osmoseur 1 (cette surpression caractérisant un osmoseur inverse), on fait diffuser de l'eau seule, très peu minéralisée, à travers la série de membranes semi-perméables, de telle sorte que l'on recueille à la sortie du tube collecteur central 14 une eau très peu minéralisée, contenant environ 30 mg/l de minéralisation; on obtient ainsi 1000 1 de cette eau (fraction F1) dans le récipient 15; simultanément on recueille par la canalisation 5,1000 litres d'une fraction F2 qui est surminéralisée (770 mg de minéralisation par litre); cette seconde fraction est en principe inutilisable et elle est rejetée à l'égout; cette première phase du fonctionnement implique que les vannes 20, 22 et 24 soient fermées et que les vannes 19, 21 et 23 soient ouvertes. Dans la deuxième phase du procédé, représentée sur la figure 3, on ferme au contraire les vannes 19, 21 et 23 et l'on ouvre les vannes 20, 22 et 24, en faisant fonctionner la pompe de circulation 18, on reprend ainsi la fraction F1 dans le récipient 15 et l'on amène haut du lit d'échangeur d'ions, ce qui permet de recueillir 1000 litres d'une fraction F3 nor minéralisée (au plus quelques mg/l) et non stérile que l'on renvoie en 4 dans l'osmoseur inverse 2 de façon à obtenir, à la sortie du tube collecteur 14,500 litres d'une fraction F4 non minéralisée (au plus quelques mg/l) et stérile, qui est amenée dans le récipient 17 par les canalisations 6 et 9, et 500 litres d'une fraction F5 non minéraliséc(au plus quelques mg/l) et non stérile.La fraction F4 constitue le produit recherché, qui est propre à l'utilisation ; la fraction F5 qui constitue un sous-produit est éventuellement et avantageusement traitée de façon à augmenter le rapport entre l'eau utilisable produite et l'eau initiale consommée, par exemple comme il sera expliqué en référence aux figures 5 et 6. Si l'on n'effectue pas le traitement de la fraction F5 dans l'appareillage utilisé pour réaliser les deux phases représentées sur les figures 2 et 3, le procédé illustré ici, consiste en une alternance desdites deux phases, c'est-à-dire celle illustrée par 1 figure 2 et celle illustrée par la figure 3, ce qui correspond à la meilleure utilisation possible de l'osmoseur qui ne traite pas toujours de l'eau brute d'origine, c'est-à-dire de l'eau minéralisée, puisqu'une fois sur deux cet osmoseur traite une eau de salinité nulle, ce qui est très favorable à l'entretien des membranes semi-perméables et augmente leur durée de vie. l'installation d'obtention d'eau déminéralisée et stérile représentée sur la figure 4 comprend, en plus du dispositif d'échange d'ions 2, deux osmoseurs la et lb, ainsi que trois récipients 15a, 15b et 17, et une pompe de circulation 18, ces différents éléments étant reliés entre eux, de la manière indiquée sur la figure 4, par un ensemble de canalisations), 5a, 6a, 10, 11, 12' , 5b et 6b. L'installation de la figure 4 permet la mise en oeuvre d'un processus de traitement continu, comme il va être montré dans l'exemple d'utilisation ci-après : on amène dans le système, par la canalisation d'amenée 3, une fraction Fo de 2000 litres d'une eau brute à 400 mg/l de minéralisation, à l'osmoseur la, duquel on soutire par la canalisation 5a, 1000 litres d'une fraction F2 surminéralisée qui est rejetée à l'égout, et, par la canalisation 6a, 1000 litres d'une fraction F1, faiblement minéralisée (30 mg par litre) et stérile, qui est ensuite reprise dans le récipient 15a, pour être amenée au dispositif d'échange d'ions 2 qui délivre à la canalisation 12', 1000 litres d'une fraction F3 complètement déminéralisée ( au plus quelques mg/î), mais non stérile, laquelle est envoyée à l'entrée de l'osmoseur inverse lb. On recueille à la sortie de cet osmoseur inverse lb, par la canalisation 6b, 500 nitres d'une fraction F4 d'eau complètement déminéralisée (au plus quelques mg/l) et stérile, qui constitue le produit recherché, et, par la canalisation 6b, 500 litres d'une fraction F5 qui est complètement déminéralisée (au plus quelques mg/î),mais non stérile, et qui constitue un sousproduit pouvant être recyclé, par exemple de la manière indiquée en référence aux figures 5 et 6. les phases de traitement représentées sur les figures 5 et 6 mettent en oeuvre l'installation de la figure 1 et l'on retrouve par conséquent sur ces figures les mêmes chiffres de référence que sur la figure 1; la phase du procédé qui est représentée sur la figure 5 comprend le traitement de 2000 litres d'un mélange faiblement minéralisé et non stérile obtenu en ajoutant à 1000 litreEd? B fraction-F1 (présentant les caractéristiques des fractions F1 des figures 2 et 4) 1000 litres d'une fraction F5 (présentant les caractéristiques des fractions F5 des figures 3 et 4).On rappelle ici que la fraction F1 est stérile et titre 50 mg/l tandis que la fraction F1 n'est pas stérile et titre 0 mg/l; on obtient à la sortie de l'osmoseur 1, par la canalisation 5, 1000 litres d'une fraction F'2, non stérile et partiellement minéralisée (environ 28, 5 mg/l) et, par la canalisation 6-8, 1000 litres d'une fraction F'1 d'eau stérile et très faiblement minéralisée (environ 1,5 mg/I). Dans la phase du procédé qui est représentée sur la figure 6, la fraction F'1 provenant du récipient 15 est reprise par la pompe de circulation 18 et envoyée à travers le lit d'échangeur d'ions du dispositif d'échange d'ions 2 de façon à donner 1000 litres d'une fraction F'3, complètement déminéralisée (au plus quelques mg/l), mais non stérile, qui est amenée par la canalisation 12, à l'osmoseur 1, de façon à obtenir à la sortie de celui-ci, par la canalisation 5-7, 500 litres d'une fraction F'5 complètement déminéralisé mais non stérile, et par la canalisation 6-9, 500 litres d'une fraction F'4 complètement déminéralisée et stérile, qui constitue le produit recherché. L'introduction de phases telles que celles représentées sur les figures 5 et 6, dans le procédé comprenant les phases alternées représentées sur les figures 2 et 3, permet d'augmenter sensiblement la quantité d'eau stérile et complètement déminéralisée, puisque les fractions telles que F'4 (figure 6) s'ajoutent aux fractions F4, sans qu'il soit besoin d'introduire dans le système une quantité d'eau supplémentaire. De plus, on peut encore augmenter la quantité d'eau stérile et déminéralisée susceptible d'être extraite du système, en recyclant dans l'installation des fractions telles que la fraction F'2 (partiellement minéralisée et non stérile) et la fraction F'5 (complètement déminéralisée et non stérile), ce recyclage pouvant être éventuellement effectué en des points de l'installation autres qu'à l'entrée du premier osmoseur et après mélange éventuel de telles fractions entre elles et/ou avec l'eau à traiter introduite dans l'installation. Le procédé de laitprésente invention peut éventuellement être automatisé et comporter des opérations supplémentaires augmentant le rendement de l'installation et/ou la durée de vie des osmoseurs et/ou du lit énhangeur d'ions, par exemple en effectu ant un dégazage atmosphérique avant ledit lit afin d'en alléger le travail, etc.... Le procédé de la présente invention permet donc d'obtenir avec un bon rendement de l'eau complètement déminéralisée et stérile, cette stérilité étant garantie par le fait que l'on utilise des membranes semi-perméables ayant une porosité suffisamment fine, retenant toute particule de taille supérieure à 0,05 microns. Il convient à ce sujet de rappeler que les osmoseurs ne sont pas des filtres et que pour augmenter leur durée de vie, il convient de traiter une eau limpide ou, dans le cas où celle-ci n'est pas suffisamment limpide, de disposer des filtres appropriés à l'entrée de l'osmoseur. On remarque en outre que, dans la phase éventuelle du procédé qui est illustré par la figure 6, le dispositif d'échange d'ions 2 traite une eau très faiblement minéralisée, ce qui permet de diminuer le volume des eaux de régénération. le procédé de la présente invention se prêteiàcilement à une mise en oeuvre industrielle et à l'obtention de débits élevés pouvant être obtenus, avec une seule installation, grâce à la mise en oeuvre de batteries d'osmoseurs ou de dispositifs d'échange d'ions disposés en parallèle, et de façon à pouvoir traiter des débits journaliers pouvant être par exemple de l'ordre de 2000 m3 d'eau Bien entendu,la présente invention n'est nullement limitée aux modes d'exécution décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. REVEND i CAT IONS 1.- Procédé d'obtention d'eau déminéralisée et stérile, en continu ou de préférence en semi-continu, caractérisé en ce qu'il consiste à soumettre de l'eau à une osmose inverse de façon à recueillir une première fraction d'eau partiellement déminéralisée et une seconde fraction d'eau minéralisée et non stérile, à faire passer partie au moins de ladite première fraction à travers un lit d'un échangeur d'ions de façon à obtenir une troisième fraction d'eau déminéralisée, à soumettre ladite troisième fraction à une osmose inverse de façon à recueillir une quatrième fraction d'eau déminéralisée et stérile directement utilisable et constituant le produit recherché, et une cinquième fraction d'eau déminéralisée et non stérile. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on mélange une partie de ladite première fraction d'eau partiellement déminéralisée avec la cinquième fraction précitée d'eau déminéralisée, de façon à obtenir une eau faiblement minéralisée et non stérile, que l'on traite ensuite de la même manière que l'eau initiale à traiter. 3.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on mélange une fraction au moins de l'eau initiale à traiter avec la cinquième fraction précitée d'eau déminéralisée, de façon à obtenir une eau que l'on traite ensuite de la même manière que l'eau initiale à traiter. 4.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on rejette à l'égout la seconde fraction précitée lorsqu'elle est surminéralisée. 5.- Procédé l'ensemble des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la fraction non stérile et relativement peu minéralisée obtenue, dans les conditions d'obtention de la seconde fraction précitée, lors de la première osmose à laquelle est soumis le mélange précité est traitée une nouvelle fois de la même manière que l'est le mélange de ladite revendication 2. 6.- Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on recycle toute fraction, résultant de la mise en oeuvre du processus selon l'une quelconque des revendications 2, 3 et 5, qui est soit déminéralisée et non stérile, soit faiblement minéralisée. 7.- Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on travaille avec unseul osmoseur inverse en traitant alternativement dans celui-ci l'eau initiale à traiter et la troisième fraction précitée. 8.- Procédé selon l'ensemble des revendications 2 et 7, caractérisé en ce que l'on traite, dans certaines phases supplémentaires du procédé, le mélange de la première fraction précitée, qui résulte d'une autre phase du procédé, et de la cinquième fraction précitée, qui résulte d'encore une autre phase dudit procédé. 9.- Installation pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un premier osmoseur inverse et au moins un dispositif d'échange d'ions placés en série, des moyens d'amenée d'eau à traiter à l'entrée dudit premier osmoseur, la sortie de l'eau ayant traversé la membrane semi-perméable dudit osmoseur inverse étant reliée à l'entrée du lit d'échangeur d'ions dudit dispositif et la sortie dudit lit étant reliée à l'entrée d'un second osmoseur inverse, qui est de préférence le même que ledit premier osmoseur inverse, ladite installation comportant des moyens de soutirage de l'eau ayant traversée la membrane semiperméable dudit second osmoseur et des moyens de rejet à ltégout de l'eau sortant dudit premier osmoseur, sans en avoir traversé la membrane semi-perméable, ainsi que tous moyens auxiliaires appropriés tels que pompe de circulation et vannes. 10.- Installation selon la revendication 9, caractérisée en ce que le second osmoseur précité étant confondu avec le premier asmoseur, les vannes précitées sont placées de façon à ce que ledit premier osmoseur puisse traiter alternativement l'eau fournie par les moyens d'amenée d'eau à traiter et l'eau recueillie à la sortie du lit du dispositif d'échange d'ions. 11.- Installation selon la revendication 9 ou 10, caractérisée en ce que, le second osmoseur précité étant confondu avec le premier osmoseur, les vannes précitées sont placées de façon à ce que ledit premier osmoseur puisse aussi traiter, dans certaines phases de fonctionnement de l'installation, le mélange obtenu en ajoutant l'eau ayant passée une fois dans ledit osmoseur à de l'eau ayant déjà passée deux fois dans cet osmoseur. 12.- Eau déminéralisée et stérile obtenue par le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8.