Brevet FR2266881A1 — publié le 19751031

a résente invention concerne un procédé de contrôle de la floculation de particules en suspension dans un liquide, et notamment de particules de nature colloïdale en suspension dans l'eau. On sait qu'une étape très importante dans le traitement des eaux consiste à éliminer les particules colloïdales dont la finesse leur permet d'échapper à la décantation e't à la filtration. Â cet effet on ajoute à l'eau des réactifs floculants qui provoquent une agglomération des colloides, ceux-ci se rassemblant d'abord en particules plus grosses appelées flocs. Un des problè- mes rencontrés dans ce processus consiste à déterminer, et éventuellement à régler automatiquement, le dosage de floculant qui conduit à la coagulation la plus efficace. En pratique, ce dosage optimal est déterminé à partir d' un essai en laboratoire généralement connu sous le nom de "Jar-Test". I1 s'agit là d'une opération longue et fastidieuse, qui doit être répétée fréquemment et ne se prote pas à l'automatisation. On sait d'autre part que la mesure de la turbidité est classique dans la technique de contrôle de la qualité des eaux. Une des méthodes pour atteindre la turbidité consiste à mesurer le flux lumineux diffracté sous un grand angle par les particules en suspension. Le plus souvent on opère par comparaison avec la diffraction produite par une suspension de référence. Mais cette méthode n'a a être adaptée au contrôle de la floculation car il n'y a pas de corrélation entre la valeur de la turbidité ainsi déterminée et la dose optimale de floculant. L'invention a notamment pour but de remédier à ces inconvénients en apportant un procédé qui permette de contrôler facilement la floculation et par conséquent de déterminer le dosage optimal de floculant à ajouter à l'eau brute, cette détermination étant faite sous une forme telle qu'elle permette une régulation automatique du dosage de floculant. Selon l'invention, le procédé de contrôle de la floculation de particules en suspension dans liquide, selon lequel on in jecte dans le liquide un agent floculant et on mesure la diffraction par les particules d'un faisceau lumineux, est caractérisé en ce qu'on fait circuler le mélange de liquide et de floculant à travers un dispositif retardateur agencé pour introduire un certain délai dans la circulation du mélange, on-agite le mélange à sa sortie du retardateur, on fait ensuite passer le mélange dans une cellule comportant des fenêtres transparentes et placées sur le trajet d1un faisceau de lumière monochromatique cohérente issu d'un système optique convergent, et en ce qu'on dispose sen siblement dans le plan focal de ce système au moins un premier dispositif photosensible agencé pour engendrer un signal S1 re présentatif du flux lumineux diffracté par le contenu de la cellule entre deux directions formant respectivement avec le rayon central du faisceau incident des angles sensiblement égaux à 0,025 et OQ65 , en désignant par A la longueur d'onde de la lumière incidente exprimée en microns. On a en effet découvert que la combinaison du retard apporté à la circulation du mélange avec son agitation, préalablement à la mesure de diffraction, permettait d'obtenir des résultats reproductibles et fiables. On a d'autre part trouvé que l'intensité du flux lumineux entre les deux directions définies ci-dessus varie largement lorsque les particules colloïdales s'organisent en flocs, de sorte que le maximum de ce flux correspond au dosage optimal de floculant. Selon une réalisation avantageuse de l'invention, on dispose dans le plan focal du système optique un second dispositif photosensible agencé pour produire un signal S2 représentatif du flux lumineux diffracté entre deux directions formant respectivement avec le rayon central incident des angles sensiblement égaux à 0,33 ) et 0,85 J De préférence le faisceau lumineux incident est produit par un laser et a une longueur d'onde sensiblement égale à 0,6 micron. Selon une réalisation avantageuse de l'invention, le signal Sl est un signal électrique, et on l'envoie dans une mémoire à travers un système à conductivité unidirectionnelle de sorte que la valeur mise en mémoire correspond à chaque instant à la valeur nazimale antérieure du signal 51. le signal S est d'autre part envoyé sur une première entrée d'un comparateur dont une seconde entrée est reliée à la sortie de la mémoire, le comparateur étant agencé pour émettre un signal de commande lorsque le signal S1 passe par un maximum. On utilise un transducteur pour produire un signal S3 représentatif du taux d'injection du floculant et on envoie ce signal S3 dans une seconde mémoire à travers un interrupteur électronique commandé par le comparateur et qui coupe la liaison entre le signal S3 et la seconde mémoire lorsque le signal SI passe par un maximum. La valeur conservée dans la seconde mémoire correspond alors au débit optimal de floculant. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description détaillée qui va suivre. Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, on a illustré une mise en oeuvre particulière du procédé conforme à l'invention. - La fig. 1 est un schéma d'un appareillage pour la mise en oeuvre du procédé. - Les fig. 2 et 3 sont des diagrammes montrant la variation du flux diffracté avec l'angle d'observation, respectivement dans le cas de particules isolées et de particules organisées en flocs - La fig. 4 est un diagramme montrant la variation du signal S1 en fonction du débit de floculant. - la fig. 5 est un schéma d'un dispositif permettant la dé termination automatique du débit optimal de floculant à partir du signal SI. Pour simplifier l'exposé, on supposera dans ce qui suit que le procédé est appliqué au contrôle de la floculation de particules colloidales en suspension dans l'eau. Pour mettre en oeuvre le procédé (fig. 1) on mélange l'eau à traiter qui est amenée par une canalisation l an moyen d'une pompe 2, avec un ou plusieurs agents floculants appropriés, ame- nés par une canalisation 3 à l'aide d'une pompe 4. On fait ensuite passer le mélange à travers un dispositif retardateur symbolisé en 5 dont le rôle est d'introduire un retard d'une durée déterminée dans la circulation du mélangez Ce retard peut d'ailleurs être déterminé expérimentalement en fonction des qualités de l'eau à traiter et des réactifs floculants utilisés. Aussi le retardateur 5 est-il de préférence ajustable. A la sortie du retardateur, le mélange passe dans une cuve 6 munie d'un agitateur 7 entraîné mécaniquement. La vitesse de rotation de cet agitateur peut également varier suivant les conditions expérimentales. On fait ensuite passer le mélange à travers une cellule 8 qui comporte sur deux parois opposées des fenêtres transparentes, constituées par exemple par deux lames à faces parallèles. A sa sortie de la cellule 8, le mélange peut être recueilli dans un bac de récupération non représenté s'il s'agit d'un essai préalable, ou dirigé vers des bacs de décantation. la cellule 8 est placée sur le trajet d'un faisceau lumi- neux convergent 9 issu d'un système optique convergent symbolisé sur la fig. 1 par une lentille 10, mais qui peut bien entendu comporter plusieurs éléments suivant la technique bien connue des opticiens. La source lumineuse qui produit le faisceau 9 est de préférence un laser 11 qui gmet un pinceau étroit 12 de lumière xonochrovatique cohérente de longueur d'onde A , de préférence de l'ordre de 0,6 micron. Le pinceau 9 est élargi par un système optique expanseur symbolisé en 13, avant d'8tre dirigé sur le système convergent 10. Au voisinage du plan focal image du système convergent 10, on dispose un écran opaque 14 percé d'au moins une fenêtre 15. Les positions et dimensions de cette fenêtre sont choisies d'après le critère suivant La fenêtre 15 est agencée pour recevoir le flux lumineux compris entre deux directions 17 et 18 passant par le centre de la cellule 8 et faisant respectivement avec le rayon central 19 du faisceau convergent 9 des angles sensiblement égaux à S1 0,025 ) (l) 32 = 0,065 A Dans ces formules, les angles s1 et s2 sont exprimés en radians et la longueur d'onde A en microns.Pour la valeur préférée de la longueur d'onde h égale sensiblement à 0,6 micron, ces angles prennent respectivement les valeurs de 0,015 et 0,04 radian envi ron. On a représenté les angles sl et 52 ainsi que les directions 17, 18 aux fig. 2 et 3, mais pour la clarté du dessin, les valeurs numériques des angles n'ont pas été respectées. Dans la réalisation représentée, l'écran 14 présente une seconde fenêtre 16 plus éloignée que la fenêtre 15 du rayon central 19, et dont la position et les dimensions sont telles qu'elle puisse recevoir le flux lumineux compris entre deux directions 20 et 21 passant par le centre de la cellule 8 et faisant respectivement avec le rayon central 19 des angles sensiblement égale à: s3 = 0,33 A (2) s4 = 0,86 A les unités étant les mimes que précédemment. Pour une longueur d'onde X de 0,6 micron, les angles s3 et S4 sont sensiblement égaux à 0,2 et 0,52 radian. Au voisinage de la face de l'écran 14 opposée à la cellule 8, on place deux dispositifs photosensibles 22, 23, en regard respectivement des fenêtres 15 et 16. Ces dispositifs engendrent des signaux électriques Sî et S2 représentatifs du flux lu net qu'ils reçoivent. Le procédé utilise le phénomène de diffraction à l'infini, ou diffraction de Fraunhofer, produit par un petit écran. On sait que dans le cas d'un petit écran isolé, on observe des anneaux concentriques alternativement brillants et noirs, avec une tache centrale brillante, la répartition de l'intensité lumineuse le long d'un rayon étant donnée sensiblement par la formule : dans laquelle 10 est une constante, a est le diamètre de l'écran k = #/#, s est l'angle de diffraction, et J1 est la fonction de Bessel du premier ordre. Dans le cas d'un grand nombre de particules de mgme diamètre réparties au hasard, les intensités lumineuses dues aux diffé- rentes particules s'aJoutent. Si les diamètres des particules ne sont pas identiques, les intensités nulles qui correspondent aux zéros de la fonction de Bessel sont remplacées par des minima non nuls, et on obtient une répartition de l'intensité lumineuse qui correspond à la courbe 24 de la fig. 2. On a trouvé que lorsque des particules colloïdales en suspension s'organisent en flocs, sous l'action d'agents coagulants, la répartition lumineuse de la figure de diffraction est représentée, non plus par la courbe 24 de la fig. 2, mais par la courbe 25 reproduite en trait plein à la fig. 3. La courbe 25 peut être représentée analytiquement par la formule suivante où &alpha;; re prdsente le taux de floculation Si on compare les spectres de fréquences spatiales représentés par les courbes 24 et 25, on voit que le contenu en fréquences élevées (flux lumineux mesuré loin du rayon central 19) est sensiblement le meme dans les deux cas, alors que le contenu en fréquences spatiales basses (flux lumineux mesuré au voisinage du rayon central 19) est beaucoup plus élevé dans le cas de la courbe 25. Ceci s'explique par le fait que lorsque les particules colloIdalss de diamètre moyen a s'organisent en flocs de diamètre moyen R, ces derniers ont une structure granulaire dans laquelle les particules initiales gardent leur individualité optique. On a troué d'autre part qu' en positionnant et en dimen- sionnant les fendtres 15 et 16 pour satisfaire aux formules (1) et (2), le signal S1 augmente notablement lorsqu'apparaissent les flocs, tandis que le signal S2 garde une valeur relativement stable. ne plus, le signal S1 est représentatif du nombre de flocs qui se sont formés. Entin on a trouvé que pour obtenir des résultats fiables et reproductibles, il faut non seulement agiter le mélange de liquide et de coagulants avant son passage dans la cellule 8, mais qu'il faut combiner cette agitation avec l'introduction dun certain retard dans la circulation du mélange avant qu'il soit agité. Pour déterminer le dosage optimal dé floculant, en appliquant le procédé conforme à l'invention, on peut opérer de la fa çon suivante Le débit d'eau, réglé par la pompe 2, étant maintenu fixe, on augmente progressivement le débit d'agent floculant en agissant sur la pompe 4. Pour chaque valeur du débit de floculant, on mesure le signal SI qui lui correspond. Si on porte en abcisse le débit de floculant, et en ordonnée la valeur du signal S1, on obtient une courbe telle que la courbe 26 de la fig. 4. On constate que le signal S1 passe par un maximum SM pour une certaine valeur D du débit qui correspond au débit optimal. Bien entendu, la courbe 26 variant assez lentement au voisinage de son maximums on peut en exploitation choisir un débit de floculant légèrement inférieur à Do Le signal S2 est également observé à titre de vérification. Sa valeur doit rester relativement stable. Bien entendu la courbe 26 peut être tracée automatiquement en utilisant un enregistreur XY. On peut rendre entièrement automatique la détermination du débit optimal de floculant en procédant comme suit (fig. 5) On applique le signal S7 à des bornes 27 reliées à une capacité 28 à travers une résistance 29 et un élément 30 à conductivité unidirectionnelle, tel qu'un amplificateur à courant continu. Si ltélément 30 est une diode, la résistance 29 doit avoir une valeur ohmique relativement faible. Dans ces conditions la tension aux bornes de la capacité 28 représente la valeur de S1 tant que celui-ci croît, puis la capacité 28 garde en mémoire la valeur maximale de S1 quand celui-ci décroît après être passé par un maximw. D'autre part le signal S1 est envoyé à une entrée 31 d'un comparateur 32 qui, dans la réalisation représentée est constitué par une bascule bistable .L'autre entrée 33 de la bascule reçoit la tension aux bornes de la capacité 28. On comprend qu'au passage de St par un maximum, entrée 31 est portée à un potentiel inférieur à celui de l'autre entrée 33 et la bascule 32 change d'état et émet un signal à sa sortie 34. On utilise un transducteur, en lui-même connu, pour produire un signal S3 représentatif du débit de floculant. Ce transducteur peut être, par exemple, un potentiomètre 35 monté entre les bornes 36 d'une source d'énergie électrique à tension constante 38 et dont le curseur 37 est asservi à un organe de commande de la pompe 4. Le signal 33 est envoyé à une seconde mémoire, constitude par exemple par une capacité 39, à travers un interrupteur électronique, tel qu'un transistor à effet de champ 40. La porte du transistor 40 est reliée à la sortie de la bascule 32. Tant que le signal Sa croît, le transistor 40 est conducteur et la tension aux bornes de la capacité 39 est égale au signal 33. lorsque S1 passe par un maximum SX (fig. 4), la bascule 32 change d'état et émet un signal de sortie qui bloque le transistor 40. La capacité 39 garde alors en mémoire la valeur du signal S3 qui correspond au débit optimal D de floculant. La valeur de SM est d'autre part conservée par la capacité 38. L'application du procédé conforme à l'invention n'est pas limitée à cet exemple de détermination du débit optimal de floculant. Ainsi on peut utiliser le procédé pour régler en exploita tion le doit de floculant et le maintenir au voisinage de sa valeur optimale D. Il suffit pour cela d'asservir, d'une façon en elle-même connue, le débit de la pompe 4 à l'écart entre la valeur actuelle du signal S1 et une valeur de consigne voisine de, on égale à SK REVENDICATIONS 1 - Procédé de contrale de la floculation de particules en suspension dans un liquide, selon lequel on injecte dans le liquide au moins un agent floculant et on mesure la diffraction par les particules d'un faisceau lumineux, caractérisé en ce qu'on fait circuler le mélange de liquide et de floculant à travers un dispositif retardateur agencé pour introduire un délai dans la circulation du mélange, on agite le mélange à sa sortie du retardateur, on fait ensuite passer le mélange dans une cellule comportant des fenStres transparentes et placée sur le trajet d'un faisceau de luxibre monochromatique cohérente issu d'un système optique convergent, et en ce quton dispose sensiblement dans le plan focal de ce système au moins un premier dispositif photosensible agencé pour engendrer un signal S1 représentatif du flur lumineux diffracté par le contenu de la cellule entre deux directions formant respectivement avec le rayon central du faisceau incident des angles sensiblement égaux & 0,025 h et 0,065 > en désignant par > la longueur d'onde de la lumière incidente exprimée en microns0 2 - Procédé conforme-à la revendication 1, caractérisé en ce qu'on dispose sensiblement dans le plan focal du système optique un second dispositif photosensible agence pour produire un signal S2 représentatif du flux lumineux diffracté entre deux directions formant respectivement avec le rayon central incident des angles sensiblement égaux à 0,33 A et 0,86 A 3 - Procédé conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que le faisceau lumineux incident est produit par un laser et a une longueur d'onde sensiblement égale à 0,6 micron. 4 - Procédé conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on augmente progressivement le taux dtinaection du floculant dans le liquide, en ce qu'on observe simultanément la variation correspondante du signal S1, et en ce qu'on note la valeur du taux d'injection qui-correspond au passage par un maximum de ce signal. 5 - Procédé conforme à la revendication 4, caractérisé en ce que le signal S1 est un signal électrique, et en ce qu'on l'envoie à l'entrée d'une mémoire travers un système à conductivité unidirectionnelle de telle sorte que la valeur mise en mémoire corresponde à chaque instant à la valeur maximale anté rieure du signal Sl . 6 - Procédé conforme a la revendication 5, caractérisé en ce qu'on envoie le signal S1 à une première entrée d'un comparateur, dont une seconde entrée est reliée à la sortie de la mémoire, le comparateur étant agencé pour émettre un signal lorsque le signal S1 passe par un maximum. 7 - Procédé conforme à la revendication 6, caractérisé en ce que l'on utilise un transducteur agencé pour produire un signal électrique S3 représentatif du taux d'injection du floculant, en ce qu'on envoie ce signal 53 dans une seconde mémoire à travers un interrupteur électronique command par le signal de sortie du comparateur de façon à interrompre la liaison entre le signal 53 et la seconde mémoire lorsque le signal S1 passe par un maximum, la valeur conservée dans la seconde mémoire correspondant alors au débit de floculant qui provoque le signal h maximal.