Brevet FR2321315A1 — publié le 19770318

La présente invention concerne la séparation sous l'eau au CO2 à partir d'un mélange de C02 et d'autres gaz. Elle concerne plus particulidrement un appareil permettant d'accomplir cette séparation à une vitesse relativement élevée et avec un rendement important. Bien qu'elle ne sty limite pas, l'invention convient spécialement à l'extraction du C02 dans un appareil de sauvegarde, et particulièrement un appareil respiratoire sous-marin du type à recirculation. Ainsi qu'il est bien connu, l'appareil respiratoire sous-marin classique (habituellement appellé scaphandre autonome) consiste en une ou plusieurs bouteilles d'air comprime' équipées d'un robinet à la demande et en un masque respiratoire ou embout buccal comportant un ensemble de clapets anti-retour permettant d'inspirer de l'air provenant des bouteilles et d'expirer irectement dans l'eau.Etant donné que le corps humain n'utilise Qu'une faible proportion de l'air inspiré, tandis que la raj cure partie est expirée pour purger les poumons de leur CO2, l'appareil classique s'avère fonctionner en gr@nd partie en pure perte, C'est ainsi par exemple qu'un plongeur utilisant un tel appareil est limité à enviro 20 minutes scus l'eau à une profondeur de 30 m. En vue de prolonger le tsmps de plongée, on a procédé à dec essais avec ies appareils respiratoires à recirculation ou eircuit fermé repesant sur l'utilisatien de produits chimiques pour absorber le CO2 à partir de l'air expiré, On a utilisé à est effet de l'oxyde de calcium, mais non auns un risque considérable étant denné que celui-ci se transforme en un produit caustique en présence d'humidité et qu'il ent limité @uant à la quantité de CO2 2 qu'il peut abserber. On sait depuis lengtemps qu'une memkrane de @@outchcue de silicone perm@@, par le phénomène connu scus l enom de diffusion par solubilité sélective, de @éparer le CO2 des autres éléments trcuvée dans l'air. le brevet des Etats-Enis d'Amérique n 3.36.343 déeri@@un filtr@ Réaileé @@ @@antchoue de sllieons, destiné à âtre @@@@@ @@@ @@@@@@ de @@@@ prisse @@re mant @@@@@ @@@@@ @@@@@@ en coutch@@ @@@ @@@@ @'ascte de l'ean dans @@@@@@@@@ @@@@@ @@@ @@@@ @@@@@@ @@@@ @@@@@ quel on utilise une membrane decaoutchoue de silicone dans un élément de régénération pour purger les gaz exhalés de leur C02 et de leur vapeur d'eau, Cet appareil ralise un recyclage de l'air qui permet de respirer celui-ci à nouveau après qu'il ait été purgé de son CO2 et que de l'oxygène provenant d'une beuteille de stockage lui ait été ajouté. On fait circuler l'air à purger à travers 1' élément de régénération pour en extraire le CO2. Cependant, aucun des svstèmes connus ne 51 est avéré satisfaisant pour pouvoir être utilisé dans un appareil respiratoire scus-marin aujtonome de manière à en aceroître le temps de plongée. tTn inconvénient majeur est constitué per la perméabilité relativement faible du caoutchouc de silicone a l'égard du CO2 bien qu' elle soit environ cinq fois plus grande que pour l'oxygène. Il en résulte un encombrement prohibitif si l'on veut que l'élément régénérateur effectue rd-le extraction efficace du CC2. De manière totalement indépendante de la technique des équipements de sauvegarde, des recherches on été menées sur 1' effet des catalyseurs sur la réaction du C02 avec l'eau. Un article, intitulé "La catalyse de la réaction du gaz carbonique avec l'eau", publié dans le Journal of the Ohemical Society (A), 1966, 812, présente à la page 814 la liste suivante d'anions présentant une activité catalytique dans la réaction précitée : (B(OH)4), H3Sio4-, H3GeO4-, HPO-, H2PO4, HAsO4-, AsO2-, SO3-, TeO(OH)5-, Te(OH)4O2, HTeO3-, ClO-, BrO-, SeO3, et des phénolates. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 3.396.510 décrit l'amélioration de la réaction du C02 avec l'eau par addition de certains catalyseurs cités. Tous les anions de ces catalyseurs sont compris dans la liste précédente donnée dans l'article cité. Ce dernier brevet décrit également l'utilisation d'un film liquide immobilisé en tant que membrane perméable, l'un desdits catalyseurs étant incorporé dans ce liquide. Dans ce contexte, la présente invention a pour but de fournir une barrière ou écran de séparation amélioré permettant la séparation préférentielle sous l'eau du CO2 hors d'un mélange de CO2 et d'autres gaz. Elle a $galement pour but de fournir un appareil respiratoire scus-marin autorisant un accroissement très substantiel du temps de plongée par rapport aux scaphandres autonomes classiques. A cet effet, elle a pour objet un écran de séparation préférentielle sous l'eau du CO2 hors d'un mélange de CO2 et d' autres gaz, qui comprend une enveloppe permettant de contenir ce mélange sous l'eau avec un transfert actif préférentiel du CO2 à travers cette enveloppe en direction de l'eau, cetteenveloppe comprenant un élément hydrophobe poreux jouant le rôle d'une membrane. Elle a également pour objet un appareil respiratoire sousmarin qui comprend en combinaison des moyens de stockage sous pression d'un fluide gazeux de sauvegarde, des moyens de transfert préférentiel du C02 hors d'un mélange gazeux en direction de l'eau, ces moyens comprenant un réservoir qui présente une entrée et une sortie et des parois pour exclure l'eau de son intérieur, ces parois étant constituées, au moins en partie, par une enveloppe du genre ci-dessus, une sortie à régulation de pression reliée aux moyens de stockage, des moyens de liaison avec les voies respiratoires, des moyens de liaison à la fois de la sortie à régulation et de la sortie du réservoir avec ces moyens de lIaison aux voies respiratoires pour envoyer un gaz de sauvegarde à ceux-ci à la demande et des moyens pour envoyer à entrée du réservoir les produits d'expiration provenant de ces moyens de liaison aux voies respiratoires, ces produits d'expiration traversant le réservoir entre son entrée et sa sortie au contact de ladite enveloppe. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, a titre d'exemple non limitatif et en regard du dessin annexé sur lequel la Fig. 1 est une vue de derrière d'un plongeur équipé d'un appareil respiratoire sous-marin conforme g ; 11 invention la Fig. 2 est une vue de côté de ce plongeur la Fig. 3 est une vue en plan et partiellement schématique représentant 11 appareil respiratoire utilisé par ce plongeur la Fig. ; est une vue en coupe et schématique prise à travers une enveloppe utilisée dans l'appareil de la Fig. 3 la Fig. 5 est une vue analogue représentant une variante. Tes mêmes références désignent sur toutes les figures les éléments identiques ou analogues. Te plongeur 10 des des 1 et 2 est équipé en vue de son actIvité sous-marine, d'vit appareil respiratoire sous-marin 11. Cet appareil comprend une bouteille ;2 de stockage sous pression d'un fluide gazeux de sauvegarde. Lans le présent exemple, ce fluide est de préférence constitué par un mélange de sept parties d'cxy gène et d'une partie d'azote. Il comprend également un réservoir 13 présentant une entrée 14 et une sortie 15 qui est reliée par une tubulure 16 a un embout buccal 17 en vue de sa liaison a la manière habituelle avec les voies respiratoires du plongeur.Un clapet anti-retour 18 est disposé entre l'embout 17 et la tubulure 16. Une autre tubulure 19 relie l'entrée 14 du réservoir 13 å l' embout 17 et comprend également un clapet anti-retour 20. Il est enfin prévu un robinet a la demande 21 interposé entre la bouteille 12 et la tubulure 16. Une partie notable des parois extérieures du réservoir 13 est constituée par une enveloppe comprenant un élément analogue à une membrane, hydrophobe et poreux. l'intérieur du réservoir peut être équipé de chicanes 22 qui sont représentées schématiquement et qui ont pour rôle de faire s'écouler le gaz à travers le réservoir entre son entrée 14 et sa sortie 15 de manière qu'il suive un trajet en serpentin-ou en labyrinthe. L'intérieur peut entre réalisé de toute manière bien connue obligeant le gazai lorsqu'il traverse le réservoir, a venir en contact avec l'enveloppe précitée qui va maintenant être décrite. La Fig. 4 représente en détail une paroi d'enveloppe à l'aide de laquelle peut être réalisé le réservoir 13. L'élément de base est constitué par un tissu en monofilament de polyester 23 qui a été imprégné à l'aide d'un agent non mouillant choisi dans le groupe constitué par les résines de fluorocarbures et de silicone, cet agent étant représenté schématiquement par une couche 24. Il faut comprendre que cet agent pénètre dans les pores du tissu 25 sans les obturer. Ce tissu revêtu est ainsi à la fois hydrophobe et poreux.Il peut à son tour être imprégné à l'aide d'un cataly- seur d'hydratation du CO2. lorsqu'il est prévu comme agent dtim- pronation, ce catalyseur est représenté schématiquement par une couche 25. Entant donné toutefois que l'eau autre que l'eau distil lée contient normalement au moins certains des anions connus pour fournir une action catalytique pour le transfert du C02, on peut omettre l'imprégnation de l'enveloppe à l'aide d'un catalyseur. Dans un mode de réalisation préféré de l'enveloppe ou membrane représentée par la Fig. 4, on utilise un tissu en monofilament de polyester présentant un nombre de fils d'environ 103 x 85, une épaisseur d'environ 0,32 mm et un poids d'environ 90 g/m. Un tel tissu est vendu par Stern & Stern Textiles, Inc. de Eornell, New York sous le numéro 15622. On revet par pulvérisation ce tissu à l'aide d'un polytétrafluoroéthylène obtenu chez Bel-Art Products ae Pequannock, New Jersey sous le numéro de soluticn F 24012, fourni dans le commerce sous la marque "Fluo-Kem". On imprègne alors ce tissu revêtu, à l'aide d'hypochlorate de calcium. Des essais de laboratoire ont clairement démontré qu'un réservoir immergé présentant une parei constitué par une membrane hydrophobe et poreuse réalisée de la manière décrite ci-dessus contient de l'oxygène pour un temps illimité tout en évacuant le CO2 à vitesse élevée. Comme le montre la Fig. 4 le CO2 est transféré de ma niere efficace de l'air expiré vers l'eau ambiante, à travers la paroi de l'enveloppe. La résction chimique implique une combinaison du CO2 avec l'eau pour donner de l'acide carbonique qui se dissocie alors en ions de bicarbonate et d'hydrogène. Ainsi que cela est expliqué dans l'article sur la catalyse de cette réaction mentionné ci-dessus, en peut utiliser comme catalyseur n'importe quel produit contenant des anions choisis parmi au moins un membre d@ groupe conetitué par ceux indiqués dans la liste précitée. En plus du type décrit en regard de la Fig. 4 on peut utiliser d'autres éléments analogues à des membranes, hydrophobes et poreux. C'est ainsi par exemple que, comme le montre la Fig. 5, à la place du tissu tissé, on peut utiliser une couche d'un polymère poreux 26 choisi parmi le polytétrafluoroéthylène et le polypropylène. Si on le désire, on peut imprégner la surface du polymère pereux à l'aide d'un catalyseur d'hydratation choisi dans le groupe de caralyseurs indiqué plus haut em vue d'améliorer l'efficacité du transfert du CO2. Ce catalyseur est représenté schématiquement par la couenc 27. Comme le montre également la Fig. 5, les peres 28 traversent cette @@@che 27 de sorte que le CO2 peut les traverseret atteindre la @urfces de séparation avec l'eau envircnnante. En @@ référant à nouveau à la Fig. 3, on comprondre que, lorsque le plongeur lnspire à l'aide de l'embout buecal 17, de l' air ou un sutre mélange à respirer as trcuve aspiré en provenance à la teis de la beuteille 12 et du réservoir 13 par l'inter@édi- aire du elapet 18. Eorsque le plongeur expire, l'air ou le mélange gazeux qu'il rejette traverse le clapet 20 et. par la tubulure 19 et l'entrée 14, parvient jusque dans le réserveir 13.Le mélange gazeux se trouve alors au contact des parois analogues à des membrnnes hydrophobes et poreuses du réservoir, ce qui en permet 1' extraction du CO2 Pour résumer, la structure poreuse doit être constituée à partir d'un élément de base présentant des pores ne dépassant pas 50 microns et offrant la résistance à la traction nécessaire pour supporter les pressIons rencontrées. On peut prévoIr des éléments de support convenables, non représentés sur les dessins, disposés de toute manière connue. L'élément de base doit tre d'une nature hydrophobe soit en vertu de ses propres propriétés, soit du fait d'un traitement de surface.On peut enfin y inclure un catalyseur convenable pour favoriser la réaction du CC2 avec l'eau. in que n'ayant pas précédemment été mentionnée, l'anhydrase carbonique peut également être utilisée comme catalyseur. Les pores ellesmêmes doivent astre hydrophobes et présenter une dimension et une forme empêchant tout colmatage. L1 expérience a démontré qu'une membrane réalisée conformément à l'invention permet le transfert du CO2 sous un débit de 1240 ml/mn/m/atm. Pour présenter une indication supplémentaire de son efficacité, il est estimé qu'un plongeur devant travailler sous l'eau, présentant un poids de 72 kg et consommant de 1'oxygène à raison de 750 ml/mn avec un débit respiratoire alvéolaire de 18 l/mn, pourrait rester sous l'eau R une profondeur de 30 m en utilisant l'appareil considéré avec une bouteille de 2 1 contenant un mélange oxygène-azote dans un rapport de 7 pour 1, pendant environ 20 heures. Pu contraire, le même plongeur utilisant une bouteille remplie d'air ordinaire et sans l'appareil de l'invention ne pourrait rester sous l'eau a une profondeur de 30 m que pendant enviren 30 minutes. Hien que l'invention ait été décrite au sujet de l'éli- mination du CiO, dans un appareil respiratoire sous-marin, elle ne s'y limite pas. Lvec des modifications mineures, l'enveloppe décri te peut être utilisée comme oxygénateur perfectionné pour la chirurgie -' casur ouvert. On peut également l'utiliser pour réaliser un poumon artificiel portatif pour les malades souffrant d'une insuffisance pulmonaire chronique. Depuis de nombreuses années, les chirurgiens de chirurgie esthétique ont eu des difficultés pour traiter et soigner les malades brûlés et or a procédé a une recherche poussée pour réabiser une peau- artificielle. L'enveloppe ici considérée peut être @tilisée corme protection provisoire d'une brûlure étant donné qu'elle prêsento de nombreuses propriétés de la peau d'origine. REVENDICATIONS 1 - Ecran de séparation préférentielle sous l'eau du C02 hors d'un mélange de CO2 et d'autres gaz, caractérisé en ce qu'il comprend une enveloppe permettant de contenir ce mélange sous l' eau avec un transfert actif préférentiel du C02 à travers cette enveloppe en direction de l'eau, cette enveloppe comprenant un élément hydrophobe et poreux jouant le rôle d'une membrane. 2 - Ecran suivant la revendication i, caractérisé en ce que l'élément analogue à une membrane est essentiellement constitué d'un tissu en monofilament de polyester tissé, imprégné a' 1' aide d'un agent non mouillant choisi parmi les résines de fluorocarbures et de silicone. 3 - Ecran suivant la revendication 1, caractérisé en ce que 11 élément analogue à une membrane est essentiellement constitué par une couche d'un polymere poreux choisi parmi le polytétrafluoroéthylène et le polypropylène. 4 - Eoran suivant la revendication 1, caractérisé-en ce que l'élément analogue à une membrane est imprégné à l'aide d'un catalyseur d'hydratation du C02 qui contient des anions choisis parmi au moins un membre du groupe constitué par : (B(OH)4)-, H3SiO4-, H3GeO4-, HPO4-, H2PO4-, HAsO4-, AsO2, SO3-, TeO(OH)5-, Te(OH)4O2-, THeO3-, ClO-,BrO, SeO3, et des phénolates. 5 - cran suivant la revendication 4, caractérisé en ce que l'élément analogue à une membrane est essentiellement constitué d'un tissu en monofilament de polyester tissé, imprégné à 1' aide d'un agent non mouillant choisi parmi les résines de fluorocarbures et de silicone. 6 - Eoran suivant la revendication 4, caractérisé en ce que l'élément analogue à une membrane est essentiellement constitué par une couche d'une polymere poreux choisi parmi le polytétra- fluoroéthylène et le polypropylène. 7 - Appareil respiratoire sous-marin, caractérisé en ce qu'il comprend en combinaison des moyens de stockage sous pression d'un fluide gazeux de sauvegarde, des moyens de transfert préfé- rentiel du C02 hors d'un mélange gazeux en direction de 11 eau, ces moyens comprenant un réservoir qui présente une entrée et une sor tie et des parois pour exclure l'eau de son intérieur, ces parois étant constituées, an moins en partie, par une enveloppe comprenant un élément hydrophobe et poreux analogue g une membrane, une sertie à régulation de pression reliée aux moyene de stockage, des moyens de liaison avec les voies respiratoires, des moyens de liaison à la fois de la sortie à régulation et de la sortie du réservoir avec ces moyens de liaison aux voies respiratoires pour envoyer un gaz de sauvegarde à ceux-ci à la demande et des moyens pour envoyer à l'entrée du réservoir les produits d1expîration provenant de ces moyens de liaison aux voies respiratoires, ces produits d'espiraticn traversant le réservoir entre son entrée et sa sortie au contact de ladite enveloppe. 8 - Appareil suivant la revendication 7, caractérisé en ce que l'élément analogue a une membrane est imprégné à l'aide d'un catalyseur d'hydratation du CO2 qui contient des anions choisis parmi au moins un membre du groupe constitué par : (B(OH)4)-, H3SiO4-, H3GeO4-, H2O4-, H2PO4-, HAsO4-, AsO2-, SO3-, TeO(OH)5-, Te(OH)4O2, HTeO3, ClO-, BrO-, SeO3, et des phénolates. 9 - Appareil suivant l'une quelconque des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que 11 élément analogue 4 une membrane est essentiellement -constitué d'un tissu en monofilament de polyester tissé, imprégné à 11 aide d'un agent non mouillant choisi parmi les résines de fluorocarbures et de silicone. 10 - Appareil suivant l'une quelconque des revendieations 7 et 8, caractérisé en ce que 11 élément analogue à une membrane est essentiellement constitué par une couche d'un polymère poreux choisi parmi le polytrafluoroéthylène et le polyproplène. 11 - dispositif destiné à être utilisé dans un appareil respiratoire sous-marin pour éliminer le C02 dans les produits d' expiration, caractérisé en ce qu'il comprend un réservoir qui présente une entrée et une sortie et des parois pour exclure l'eau de son intérieur, ces parois étant constituées, au moins en partie, par une enveloppe comprenant un élément hydrophobe et poreux ana logue à une membrane, et des moyens pour faire traverser à ces produits d'expiration le réservoir, entre son entrée et sa sortie et au contact de ladite enveloppe. 12 - Dispositif suivant la revendication 11, caractérisé en ce que l'élément analogue a une membrane est imprégné à l'aide d'un catalyseur d'hydratation u oe qui contient des anions choi sis parmi au moins un membre du groupe Le constitué par : (B(OH)4)-, H3SiO4-, H3GeO4-, HPO4-, H2PO4-, HAsO4-, AsO2-, SO3-, TeO(OH)5-, Te(OH)4O2-, HTeO3-, ClO-, BrO-, SeO3-, et des phénolates. 13 - Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 11 et 12, caractérisé en ce que l'élément analogue a une membrane est essentiellement constitué d'un tissu en monofilament de polyester tissé, imprégné c l'aide d'un agent non mouillant chcisi parmi les résines de fluerocarbures et de silicone. 14 - Dispositif suivant l'une quelconque des revendicatians 11 et 12, caractérisé en ce que l'élément analogue à une @embrane est esseatiellement constitué par une couche d'un polymère poreux choisi parmi le polytétrafluoroéthylène et le polypropylène.