Brevet FR2460151A1 — publié le 19810123

L'invention concerne généralement le domaine de l'osmose inverse par passage de solutés à travers une membrane et plus spécialement la modification des con- centrations relatives entre solvant et soluté dans une solution. inverse L'osmose/n'est pas nouvelle. Sous sa forme la plus simple, elle consiste à faire passer un solvant pro- venant d'une solution sous pression à travers une membrane semi-perméable qui tend à arrêter le soluté, Les applications les plus courantes de l'osmose inverse se situent dans des domaines tels que le dessale- ment de l'eau de mer et la purification du sang (reins artificiels). Les efforts visant à perfectionner ces applications se sont orientés généralement vers la déoou- verte de membranes qui arrêtent totalement un soluté par- ticulier ou vers des systèmes en cascade qui compensent l'inaptitude d'une membrane à arrêter totalement un soluté. L'utilisation de l'écoulement à contre-courant dans des appareils d'osmose inverse et celle des cascades sont décrites par exemple dans les brevets U.S. 3 799 873, 2 930 754 et 5 276 997e Les efforts visant à trouver une telle membrane idéale n'ont pas eu un grand succès. Les appareils d'osmose inverse qui utilisent les membranes et systèmes en cas- cade actuellement disponibles nécessitent souvent des pressions excessives et de nombreux étages de cascade polir assurer des concentrations suffisantes de solvant. Un système permettant de modifier la concentration entre solvant et soluté dans une solution et évitant la nécessité de pressions extrAmement élevées et de multiples étages de cascade est donc désirable. Il est aussi dési- rable d'avoir un tel système qui évite la nécessité d'une membrane capable de bloquer totalement le soluté. Un but principal de l'invention est de modifier la concentration de soluté dans un solvant. Un autre but est de modifier les concentrations relatives de soluté et de solvant à des températures et à des pressions commodes. Un autre but encore est de diminuer la concen- tration de sel dans l'eau de mer. Ces buts ainsi que d'autres sont atteints par un dispositif pouvant fonctionner à la température am- biante de manière à modifier les concentrations relati- ves de soluté et de solvant dans une solution. Le dis- positif comprend au moins une cellule comportant des chambres séparées par une membrane semi-perméable. Les chambres communiquent de manière à provoquer un écoule- ment de reflux à contre-courant de la solution et à établir une plus haute pression dans une chambre que dans l'autre. Les chambres ont une géométrie qui évite tout rétro-mélange. Le dispositif comprend aussi un moyen permet- tant de créer une différence de pression de part et d'autre de la membrane et aussi une entrée d'alimenta- tion en mélange. Il comprend aussi au moins une sortie permettant de récupérer la solution une fois modifiées les concentrations relatives de soluté et de solvant. Le moyen servant à créer une différence de pression entre les chambres peut être un détendeur placé dans la communication entre celles-ci. Il peut aussi s'agir d'un mélange d'alimentation à pression relativement élevée ou d'un compresseur qui assure la communication entre les chambres ou de ces deux moyens à la fois. La sortie peut ttre placée dans le dispositif de manière à récupérer une solution ayant une forte ou une faible concentration de soluté, ou les deux à la fois. L'entrée peut être placée en tout endroit convenable du dispositif mais elle est de préférence située en un point o la concentration de solvant et de soluté correspond à la concentration de solvant et de soluté dans le mélange d'alimentation. On peut utiliser n'importe quelle matière adé- quate de membrane semi-perméable. Des exemples de matières utiles sont l'acétate de cellulose, les esters de cellu- lose, ltéthylcellulose, le polyacrylonitrile, les po- lyamides etc. En principe, on peut utiliser dans l'in- vention des membranes plus tenaces, plus durables et moins efficaces tout en obtenant quand même une bonne concentration de solvant. Etant donné l'action conti- nuelle de balayage de l'écoulement de reflux à contre- courant de la solution, la surface de la membrane est continuellement nettoyée. De fortes concentrations de sel ne sont pas appliquées sous pression contre la membrane comme dans les systèmes ordinairese La cellule peut ttre formée de plusieurs modu- les reliés les uns aux autreso Chacun de ces modules comprend des chambres séparées par une membrane. Dans le mode d'exécution préféré, les modules sont reliés entre eux en une configuration rétrécie de manière à for- mer un dispositif dans lequel la vitesse de mouvement de la solution est pratiquement constante partout. La figure 1 montre schématiquement en coupe un dispositif selon l'invention; la figure 2 montre schématiquement l'aire rela- tive de membrane nécessaire pour obtenir un écoulement pratiquement uniforme dans le dispositif de la figure 1; la figure 3 montre schématiquement en coupe un montage de modules formant ensemble le dispositif selon un mode d'exécution de l'invention et dent l'aire de membrane est approximativement celle que montre la fi- gure 2; les figures 4 et 5 montrent des variantes du dispositif de l'invention, Plus précisément, la figure 1 montre un dispo- sitif selon l'invention servant à modifier les concen- trations relatives de solvant et de soluté dans une so- lution qui se déplace dans le dispositif. Ce dernier comprend une cellule I comportant une chambre à haute pression 2 et une chambre à basse pression 3 séparées par une membrane 4. Les chambres 2 et 3 communiquent par l'intermédiaire du détendeur 25 et du compresseur 5. Chaque chambre 2, 3 a une géométrie qui évite le mélange rétrograde de la solution parcourant le dis- positif. Une telle condition géométrique se traduit ha- bituellement par des chambres de faible section. Dans un mode d'exécution représentatif, par exemple, la cellule 1 est un faisceau de microfibres creuses entas- sées dans un tube, chaque microfibre creuse ayant un diamètre intérieur de 0,239 mm et un diamètre exté- rieur de 0,610 mm. L'intérieur des microfibres forme la chambre 2 et la zone située à l'extérieur des fibres mais à l'intérieur du tube forme la chambre 3. Une entrée 6 permet à une alimentation du dis- positif en solution, notamment une alimentation sous pression propre à créer une différence de pression de part et d'autre de la membrane 4 à l'aide du détendeur 25. L'entrée 6 peut être située en n'importe quel point, d'un c8té ou de l'autre de la cellule 1 mais de préféren- ce elle est située à peu près au point o la concentration de solvant relativement au soluté dans la solution qui traverse le dispositif est à peu près égale à la con- centration de solvant relativement au soluté à l'entrée du dispositif. Dans le mode d'exécution de la figure 1, la différence de pression de part et d'autre de la membrane 4 peut être assurée par le compresseur 5 qui augmente la pression de la solution tandis qu'elle se rend de la chambre 3 à la chambre 2, La sortie 7, destinée à la solution modifiée 11 enrichie en soluté, est située à une extrémité du dis- positif. La sortie 8 est prévue à son autre extrémité pour recueillir de la solution modifiée 12 enrichie en solvant. Plusieurs sorties telles que 7 et 8, ou une seule de ces sorties, pourraient être placées en n'importe quel point d'un c8té de la cellule ou de l'autre pour recueil- lir tout mélange désiré de solvant et de soluté. Dans le fonctionnement du mode d'exécution de la figure 1, une solution d'alimentation sous pression 9 entre dans le dispositif par l'entrée 6 et parcourt celui-ci dans le sens des flècheso Des quantités de solvant 10 passent à travers la membrane 4 tandis que la solution 9 se meut le long de la chambre 2. A mesure que la solution 9 approche de l'extrémité de la chambre 2, les concentrations rela- tives de soluté et de solvant 10 se sont modifiées par suite d'une perte de solvant 10. La solution modifiée 11 qui a une concentra- tion de solvant 10 relativement faible peut être récu- pérée à la sortie 7. A mesure que la solution 9 se meut le long de la chambre 3, à contrecourant de son écoulement dans la chambre 2, elle recueille des quantités supplémentaires de solvant 10 de sorte quune solution modifiée 12, contenant une proportion relativement élevée de solvant , peut âtre recueillie à la sortie 8. Dans la plupart des opérations, le volume de la solution recyclée à travers la cellule 1 peut dépas- ser considérablement celui de la solution d'alimentation 9; toutefois, à l'état constant, le volume total des solutions modifiées 11 et 12 représente au total le vo- lume de solution d'alimentation 9. On peut facilement voir qu'une telle configura- tion d'écoulement entrainerait normalement la présence d'un plus grand volume de solution 9 auprès de l'extré- mité de compresseur de la cellule 1, o le solvant 10 tend à s'accumuler. La figure 2 montre schématiquement une membrane en feuille 14 présentant la forme voulue pour correspondre au volume variable d'écoulement de la solution 9 lorsqu'elle circule à contre-courant autour de la cellule 1 de la figure 1 de sorte qu'il existe un débit homogène. A mesure que la solution 9 entre dans la chambre 2 par l'entrée 6, une grande partie du sol- vant 10 passe à travers la membrane 4 et s'ajoute au vo- lume de la partie de la solution 9 qui se trouve déjà dans la chambre 3. Le volume de la solution 9 diminue continuellement à mesure qu'elle se déplace le long de la chambre 2 à cause du passage continuel de par- ties de solution 10 à travers la membrane 4. La membrane en feuille 14 de la figure 2 est constituée de manière à correspondre aux variations de volume de la solution 9 et à en assurer ainsi un écoule- ment pratiquement uniforme. On peut construire un dispositif selon l'inven- tion de manière à correspondre à la forme de la membrane en feuille 14, avec une sortie destinée à la solution modifiée 11 enrichie en produit le moins apte à l'infil- tration et une sortie 8 destinée à la solution modifiée 12 enrichie en produit le plus apte à l'infiltration. Toutefois, la construction pratique d'un tel dispositif comporte des difficultés et ce n'est donc pas un mode d'exécution préféré. Ces difficultés sont large- ment surmontées par le mode d'exécution type représenté schématiquement par la figure 3. La cellule 15 est formée d'unités modulaires 16. Chaque unité 16 comprend une chambre à haute pression 17 et une chambre à basse pression 18 séparées par une mem- brane 19. Les unités 16 sont reliées entre elles de ma- nière à donner une aire de membrane et une configuration approchant de ce que montre la figure 2 de sorte que le débit est pratiquement constant en toutes les parties de la cellule 15. Dans la cellule 15, une solution est introduite par l'entrée 20. Elle traverse les chambres 17 et 18 et la membrane 19 comme sur la figure 1, Dans le mode d'exé- cution de la figure 3, la solution se meut à une vitesse pratiquement uniforme dans tout le dispositif à cause de la configuration rétrécie des unités modulaires 16. On peut retirer une solution présentant une concentration modifiée de soluté et de solvant, par la sortie 21 (pour des mélanges ayant une concentration de solvant diminuée) ou par la sortie 22 (pour des mélanges ayant une concen- tration de solvant accrue} Le détendeur 23 et le compresseur 24 agissent comme le détendeur 25 et le compresseur 5 de la figure 1. La figure 4 montre schématiquement en coupe un mode d'exécution dans lequel la différence de pres- sion est assurée par une amenée sous pression de solu- tion 27 par l'entrée 26, la solution 27 traversant la chambre à haute pression 28 pour arriver au détendeur 29, tandis que le solvant 30 traverse la membrane semi- perméable 31. Dans la chambre à basse pression 28A, le solvant 30 rejoint le mélange 27 en un écoulement de reflux à contre-courant. Une solution modifiée 32 à forte concentration de solvant peut Otre recueillie à la sortie 33. Toute- fois, dans ce mode d'exécution, il est désirable, le plus souvent, de recueillir une solution modifiée 34 à la sortie 35. La solution modifiée 34 a été débarras- sée d'une partie de son solvant 30 de sorte qu'elle est enrichie en soluté. On considèrera maintenant plus spécialement la figure 5 qui montre encore un autre mode d'exécution de l'invention. La différence de pression de part et d'autre de la membrane 36 est réalisée par le compresseur 37 qui aspire de la solution d'alimentation 38 (telle que de l'eau de mer) vers la chambre à basse pression 39, par l'entrée 41, augmente sa pression et l'amène à la cham- bre à haute pression 40, à contre-courant. Le solvant 42 de la solution 38 traverse la membrane 36 dans le sens indiqué par les flèches et l'écoulement à contre-courant de la solution 38 aboutit à une solution modifiée 43, enrichie en solvant 42 (eau). La solution modifiée 43 peut être recueillie à la sortie 44, Une solution modi- fiée 45, habituellement considérée comme un résidu dans ce mode d'exécution, peut Otre recueillie à la sortie 46. On a décrit et représenté l'invention de façon suffisamment claire et concise cour permettre à lehomme de l'art de la réaliser et de l'utiliser, c'est-à-dire qu'il s'agit du meilleur mode d'exécution de l'inven- tion, la distinguant d'autres inventions et de la technique ancienne. Beaucoup de variantes et d'adap- tations évidentes de l'invention apparaltront à l'esprito REVENDICATIONS 1. Dispositif servant à modifier la concentra- tion relative de soluté et de solvant dans une solution, caractérisé en ce qu'il comprend: (a) au moins une cellule (1) comportant des chambres (2, 3) séparées par une membrane semi-perméable (4) et communiquant de manière à causer un écoulement de reflux de la solution à contre-courant et à établir une plus haute pression dans tune chambre que dans l'autre, les chambres ayant une géométrie qui évite le mélange rétrograde, la membrane ayant une constante de perméabilité différente pour au moins deux des consti- tuants du mélange, (b) des moyens (5) permettant de créer une différence de pression de part et deautre de la membrane (4), (c) au moins une entrée (6) servant à amener le mélange dans le dispositif, (d) au moins une sortie (7, 8) permettant de récupérer la solution une fois modifiées les concentrations rela- tives de solvant et de soluté. Dispositif selon la revendication 1, carac- térisé en ce que la communication entre les chambres (3, 4) comprend un détendeur (25). 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la cellule est formée de plusieurs unités modulaires (16) reliées entre elles, chaque uni- té comprenant des chambres (17, 18) séparées par une mem- brane (19). 4. Dispositif selon la revendication 3, carac- térisé en ce que les unités sont reliées entre elles en formant une configuration rétrécie de telle sorte que la vitesse de mouvement est pratiquement constante dans tout le dispositif.