Brevet FR2453114A1 — publié le 19801031

La pressente invention concerne un procédé et un appareil pour la décarbonation partielle de Liteau, en particulier de l'eau potable, par précipitation et séparation du carbonate de calcium. Pour la décarbonatation totale ou partielle des eaux, on connaît de nombreux procédés qui comprennent aussi bien le chauffage que l'aération intensive i froid et que la fíl- tration sur des échangeurs d'ions appropriés ou des additions d'hydroxyde de calcium et d'acides.Pour des raisons économiques, toxicologiques ou bactériologiques, le traitement des eaux potables ne stest fait essentiellement jusqu'ici que par décarbonatation partielle au moyen d'hydroxyde de calcium. L'addition dosée de quantités correspondantes dthydro- xyde de calcium a pour effet entre autres de fixer l'anhydri- de carbonique dissous dans l'eau selon ltéquation : et d'autre part de précipiter le bicarbonate de calcium des ions d'origine (dureté en carbonate) selon ltéquation : En consommant une mole d'hydroxyde de calcium, il se forme une mole de carbonate de calcium insoluble par mole d'anhydride carbonique, alors que la réaction avec le bicarbonate de calcium fournit 2 moles de carbonate de calcium par mole de bicarbonate. Cette consommation considérable de produits chimiques limite l'application du procédé dans la pratique,moins du fait du court inhérent que de l'importance des investissements nécessaires, entre autres de grandes cuves dans lesquelles ont lieu la réaction et la sédimentation et qui permettent une durée de séjour d'au moins 1 heure à 1,5 heure, et des problèmes techniques pour le stockage, la mise en suspension et l'addition de lthydroxyde de calcium.Le stockage des quantités d'eaux boueuses provenant en quantité importante de cette technologie donne encore lieu à des difficultés. A ceci s'ajoute que Liteau traitée par lthydroxyde de calcium dans de grandes cuves à réaction, appropriées, est toujours clarifiée au préalable et doit encore subir une filtration dans des conditions de vitesse d'écoulement limitée. L'alcalinité accrue de Liteau ainsi décarbonatée partiellement est également un désavantage. Pour établir l'équilibre "chauxanhydride carbonique", il faut donc toujours7aprbs la fin de la réaction,ajouter une faible quantité d'acide ou d'eau non décarbonatée, contenant de l'anhydride carbonique, ce qui agrave encore les conditions de fonctionnement. La diminution de la teneur en magnésium, associée entre autres comme réaction secondaire à la ddcarbonatation partielle, peut avoir un effet physiologiquement contraire. L'invention a donc pour objet un procédé et un appa une reil du type indiqué ci-dessus quipermettent / décarbonatation partielle de l'eau à de moindres frais d'investissement à ltéchelle industrielle, sans diminution sensible de la teneur enmagnésium. Conformémentà l'invention, l'eau est soumise à une dépression (vide partiel) en présence de germes de cristallisation. A cet effet, il est avantageux de filtrer l'eau sur des substancessolides granulées et en même temps de la soumettre à une dépression.On peut utiliser un remplissage sous la forme d'un lit filtrant en un matériau présentant des cristaux trigonaux et contenant en particulier du carbonate de calcium.On utilise à cet effet de préférence de la chaux très pure, telle que la chaux du Jura, bien qu'on puisse également utiliser d'autres matériaux contenant du carbonate de calcium, la dolomite ou autres.Un matériau avec des cristaux trigonaux, en particulier un matériau contenant du carbonate, pour le lit filtrant en substances solides granulées forme en meme temps les germes de cristallisation nécessai- res à la précipitation du carbonate de calcium, alors que si l'on utilise d'autres substances solides granulées, du gravier ou un granulat synthétique pour la mise en marche d'un appareil de décarbonatation partielle, on doit d'abord ajouter des germes de cristallisation sous forme de carbonate de calcium.Dans ce dernier cas, les particules de carbonate de calcium précipitdes et retenues dans le lit filtrant servent de germes de cristallisation, de sorte que le procédé devient automatique après la première inoculation de carbonate de calcium. De façon appropriée, on utilise des substances granulées solides dont la répartition granulométrique se situe dans un domaine de 0,8 a 2 mm, pour que des quantités suffisantes de carbonate de calcium précipite soient tenues comme germes de cristallisation, mais d'autre part le passage de l'eau à travers le lit filtrant ne doit pas être trop entravé par les particules de carbonate de calcium retenues et par les substances solides granulées, de façon à éviter un rin çage à contre-courant trop fréquent du lit filtrant.Une dépression de l'ordre de 100 å 30, de préférence de 50 à 30 mm de Hg est utilisée avantageusement, la limite inférieure e tant determìnée d'un point de-vue pratique par ltebullition de l'eau et la limite supérieure par la décarbonatation partielle souhaitée de l'eau. On travaille en particulier sous un vide d'environ 40 mm de Hg. Le procédé repose sur l'appauvrissement continuel de l'eau très riche encore au début en carbonates et en gaz dissous et également en anhydride carbonique libre; pour ce fairenon pulvérise l'eau sous une forme finement divisée sur le lit filtrant et on la laisse stécouler à travers le filtre. Maisrétant donné que pour le maintien en solution du bicarbonate de calcium une concentration exactement définie en anhydride carbonique est indispensable, les conditions pour lesquelles les ions calcium et bicarbonate sont en équilibre entre eux sont continuellement détruites par la dépression (vide partiel). La précipitation du carbonate de calcium et ltex- traction de la plus grande partie de l'anhydride carbonique libre obéissent alors à la formule suivante : I1 ne se forme donc ainsi qutune mole de carbonate de calcium par mole de bicarbonate de calcium. La cinétique de cette décomposition dépend alors essentiellement de l'importance de la dépression, de la durée de contact, du mode de concentration des substances contenues dans l'eau et de la présence de carbonate de calcium. L'exigence d'une quantité de carbonate de calcium la plus grande possible est facilement réalisable dans la pratique, en utilisant par exemple comme matériau filtrant un granulat de CaC03 le plus pur possible avec un bon comportement du lavage å contre-courant par exemple de la chaux du Jura une matière premier bon marché par rapport à l'hydrate de calcium, et qui ne nécessite ni combustion, ni hydratation. Le carbonate de calcium précipité au cours du processus est retenu sous une forme finement pulvérisée à cristaux trigonaux et ntest élimine periodiquement par aération et rinçages périodiques à l'eau à contre-courant qu'en faisant en sorte qu'il en reste encore de 10 à 20% dans le lit filtrant comme matériau de contact. d'après les calculs, les temps de contact de l'eau et du matériau filtrant selon le degré d'action sou haitd sont de l'ordre de 6 i 20 minutes pour des hauteurs de lit d'au moins 1,5 m. Le procédé présente des avantages sensibles par rapport à la décarbonatation partielle avec lthydrate de calcium. En premier lieu, les investissements nécessaires sont bien moindres, car le stockage coûteux de l'hydrate de calcium, le traitement du lait de chaux ou de l'eau de chaux et la mise en oeuvre de chambres de réaction de dimensions suffisantes sont totalement supprimés. Seule ltopération de filtration constitue ici comme avant une nécessité de principe. Le traitement sous dépression supprime les additions d'entretien autrefois necessaires, car à la fin du traitement lseau est pratiquement juste å l'état d'équilibre "chauxanhydride carbonique". Les étapes du procédé : dégazage, précipitation du carbonate et retenue des produits de réaction insolubles, sont achevées en une seule operation.La quantité de boue précipitée est ainsi bien inférieure à celle obtenue dans le traitement å l'hydrate de calcium, pour une dureté semblable, car il nty a pas d'anhydride carbonique libre à fixer chimiquement, aucune substance insoluble de lthydra- te de calcium de qualitét'technique" utilisé ntest introduite et enfinXlors de la décarbonatation partielleoil ne se forme qu'une mole de CaCO3 par mole de Ca(HCO3)2. Les facteurs suivants sont également importants à considérer : - Etant donné que les valeurs du pH du domaine de dureté en carbonate å atteindre, soit environ de 3,5 à 6 degrés hydrotimétriques (dH ) dans l'eau traitée, se situent entre 7,9 et 8,3 environ, il nty a pas de précipitation notable du magnésium,ce qui peut avoir de ltimportance au plan physiologique. - Dans les conditions de fonctionnement industriel sous dépression, en dehors de ltanhydride carbonique libre,ltoxy- gène, l'azote, lthydrogène sulfuré et des constituants organiques très volatils sont également éliminés dans une large mesure.L'élimination des substances organiques est particu Fièrement importante dans le traitement des eaux influencées en surface, par exemple des filtrats de rives.Les substances dont il est alors question nuisent au goût et à ltodeur de l'eau assez considérablement et ne peuvent être éliminées que par des technologies compliquées (entre autres floculation, traitement à ltozone, filtration sur charbon actif), jusqu'à un degré satisfaisant. Si l'invention ne remplace surement pas ces opérations, elle peut cependant contribuer å les alléger. - Le carbonate de calcium précipité "a ltétat naissant" toujours présent en quantité suffisante selon le procédé de l'invention provient de l'eau elle-même et est également capable d'absorber dans un effet secondaire souhaitable des substances organiques difficilement volatiles y contenues. = Certains ions métalliques dissous dans l'eau sont, raison de ltaugmentation de la valeur du pH, partielle Sen-s floculés et-filtrds sous forme d'oxydes hydratés. Le rinçage à contre-courant du lit filtrant, fait de substances solides granulées, est entrepris de façon appropriée de façon qu'il reste dans le lit filtrant de 10 à 20% environ du carbonate de calcium précipité pendant la décar bonatation, de manière qu'un nombre élevé de germes de cristallisation pour le carbonate de calcium est de nouveau directement présent pour une nouvelle décarbonatation partielle de l'eau. Da préférence, la mise sous dépression ou vide partiel du lit filtrant se fait par en bas, de sorte qu'on travaille à cocourant et qu'aucune bulle de gaz ascendante ne g8- ne le passage de Liteau à travers le filtre, en meme temps qu'on établit cependant un vide partiel de façon avantageuse au-dessus du lit filtrant. L'invention concerne en outre un appareil pour la décarbonatation partielle de l'eau en vue de la mise en oeuvre du procédé, avec un récipient équipé d'un diaphragme pour retenir le lit filtrant en substances solides granulées,avec des dispositifs pour l'arrivée de l'eau à traiter à la partie supérieure et pour ltévacuation de l'eau traitée à la partie inférieurejà savoir respectivement au-dessus et en-dessous du lit filtrant, ainsi qutun dispositif pour créer la dépression (vide partiel) dans le récipient. De façon appropriée,le récipient est alors équipé d'un dispositif de rin çage à contre-courant pour le lit filtrant.De plus, on peut prévoir un dispositif pour la formation d'une colonne d' eau i partir de l'eau traitée sous le récipient relié à son orifice de sortie, pour maintenir ainsi à un faible taux la capacité de la pompe pour l'entraînement de l'eau traitée. La description qui va suivre se réfère å la figure du dessin annexé qui représente un mode de réalisation préféré de l'appareil de l'invention. L'eau à traiter 1 est introduite par les ajutages 2 ou similaires d'une conduite correspondante, qui sont installés dans une cuve 6. Dans la cuve est également installé un diaphragme 5 équipé de buses, d'un tamis ou de fentes qui per met le passage de Liteau, et retient le lit filtrant 4- place au-dessus, par exemple en chaux du Jura granulée. L'eau å traiter est pulvérisée par les ajutages 2 le plus finement et uniformément possible i travers la section de la cuve 6 sur la surface du lit filtrant 4 et elle traverse le lit filtrant 4 de haut en bas.L'eau partiellement décarbonatée se rassemble au fond de la cuve 6 et stécoule par une tubulure de sortie 7.En dessous du diaphragme 5, se trouve une canalisation 10 qui est reliez à une pompe à vide pour produire une depres- sion ou vide partiel. Dans le couvercle de la cuve 6 arrive également un tuyau 9 qui peut eventuellement être relie à une pompe à vide pour produire un vide partiel qui est moins pousse que le vide partiel de la canalisation 10 et sert de tubulure à vide dans la cuve 6. Pour le rinçage à contre-courant du lit filtrant 4, on introduit de l'eau de rinçage 14 par le-conduit 7 dans la cuve 6 et de l'air comprimé 13 par un conduit correspondant, après avoir compensé la pression par un conduit 11 débouchant dans le couvercle de la cuve 6. Après l'aération, on remplit avec l'eau de rinçage et ensuite on fait arriver en meme temps ou séparément l'air comprime 13 et l'eau de rinçage 14, grâce å quoi l'eau usee contenant la boue est evacuee en 12 au moyen d'un entonnoir dont le dessus est protégé par un couvercle et qui est relié a un conduit d'évacuation. La tubulure 7 a-une longueur suffisante, par exemple d'au moins 4 m vers le bas, pour faciliter ltévacuation de l'eau traitée par une pompe connectée à la suite, car audessus de la colonne d'eau règne le vide partiel 10 qui, autrement, gênerait ou empêcherait l'evacuation de l'eau traitée, si la pompe utilisée pour l'évacuation de l'eau traitée nta pas une puissance suffisante. Le fait de prévoir une colonne d'eau dans la tubulure 7 permet simplement d'utiliser une pompe de moindre puissance. Si la colonne dweau est supe- rieure à 10 m, on peut meme éventuellement supprimer le pompage. Le procédé a été vérifié dans une installation expéri- mentale. La qualité de l'eau brute (filtrat des bords du Rhin) était la suivante , seuls étant indiqués les paramè- tres interessants dans le cadre de l'invention. Aspect (visuel) -limpide Couleur (visuelle) incolore Coefficient d'absorption à 436 nm 0,5/m Absorption UV à 254 nm 5,3 /m Temperature 14,0 C Conductibilité électrique spécifique 80,8 ms/m à 20 C Valeur du pH 7,38 Capacité en base jusqu'à pH 8,2 0,30 mole /m3 (= 13,2 mg de CO2 libre) AlcaRno-terreux totaux 3,30 moles/m3 ( = 18,5 dH) Capacité en acide jusqutà pH 4,3 :: 3,82 moles/m3 (=10,7 dH) Calcium 2,71 moles/m3 (= 15,2 dH) Magnésium 0,50 mole/m ( = 3,3 dH) Valeur seuil de l'odeur à 20 C environ 33 Après un traitement par le procédé selon l'invention en utilisant de la chaux du Jura ayant une distribution gra nulometrique de 0,8 à 2 mm å la température de l'eau brute, les filtrats d'essai ont montre les caractéristiques suivantes dans les conditions indiquées :: Echantillon n 1 2 3 4 % de vide 96,8 97,3 98,2 98,8 Temps de contact calcule, mn 8 12 12 18 Aspect (visuel) limpi- limpi- limpi- limpi- de de de de Couleur (visuelle) inco- inco- inco- inco lore lore lore lore Coefficient d'absorption 0,4 0,4 0,4 0,4 à 436 nm Echantillon n 1 2 3 4 Absorption UV i 254 nm 4,1 4,0 4,0 3,9 Conductibilité électrique spécifique, en ms/m à 20 C 74,7 69,5 64,4 58,0 Valaur du pH 7,98 8,06 8,14 8,18 alcalino-terreux totaux, moles/m 2,93 2,79 2,63 2,40 = Dureté totale en dH (degrés hydrotimétriques) 16,4 15,6 14,7 13,4 Capacité en acide jusqu'à pH 4,3, moles/m 3,00 2,72 2,40 1.95 = Dureté en carbonate,dH 8,4 7,6 6,7 5,5 Calcium, moles /m 2,36 2,22 2,06 1,83 = Dureté en chaux, dH 13,2 12,4 11,5 10,2 Magnésium, moles/m3 0,57 0,57 0,57 0,57 = Dureté en magnésium, dH 3,2 3,2 3,2 3,2 Valeur seuil de l'odeur à 20 C env. env. env. env. 10 7 7 5 REVENDICATIONS 1. Procédé pour la décarbonatation partielle de Liteau, en particulier de Liteau potable, par précipitation et séparation du carbonate de calcium, caractérisé en ce que Liteau est soumise à un vide partiel en présence de germes de cristallisation. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'eau est filtrée sur des substances solides granulées et en même temps soumise à un vide partiel. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que,comme substances solides granulées,on utilise une charge de matériau présentant des cristaux trigonaux. 4.Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'on utilise une charge de matériau contenant du carbonate de calcium. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'on utilise une charge de chaux très pure. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que les substances solides granulées ont une distribution granulométrique de Tordre de 0,8 i 2 mm. 7. ProcXdé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'on applique un vide partiel de 100 i 30 mm, de préférence de 50 å 30 mm de Hg. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 i 7, caractérisé en ce que le lit filtrant en substances solides granulées est rincé à contre-courant, de telle sorte qu'environ 10 à 20% du carbonate de calcium précipité pendant la décarbonatation partielle restent dans le lit filtrant. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 8, caractérisé en ce quton applique un vide partiel en dessous du lit filtrant de substances solides granulées. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'on établit un vide partiel au-dessus du lit filtrant. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 10, caractérisé en ce que l'eau est pulvérisée sur le lit filtrant de substances solides granulies 12. Appareil pour la décarbonatation partielle de Liteau, pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications l-å 11, caractérisé en ce qu'il consiste en une cuve (6) équipée d'un diaphragme (5) pour retenir le lit filtrant (4) de substances granulées solides, avec des dispositifs d'introduction de l'eau å traiter à la partie supérieure et d'évacuation de l'eau traitée à la partie ínférieure respectivement au-dessus et au-dessous du lit filtrant (4) ainsi qu'un système pour mettre la cuve (6) sous dépression (vide partiel). 13. Appareil selon la revendication 12, caractérisé en ce que la cuve (6) est équipée d'un dispositif de rinçage à contre-courant pour le lit filtrant (4). 14. Appareil selon l'une des revendications 12 ou 13, caractérisé en ce qu'il est prévu un dispositif pour la forma- tion d'une colonne d'eau å partir de l'eau traitée, en-dessous de la cuve (6), reliée avec ltorifice de sortie de la cuve. 15. Appareil selon l'une quelconque des revendications 12 à 14, caractérisé en ce que la partie de la cuve (6) située en-dessous du diaphragme (5) est reliée i une canalisation à vide partiel. 16. Appareil selon la revendication 15, caractérisé en ce que la partie de la cuve (6) au-dessus du lit filtrant (4) est reliée à une canalisation à vide partiel qui entraîne un vide partiel moins poussé que celui provenant de la canalisation à vide débouchant en-dessous du diaphragme (5). 17. Appareil selon l'une quelconque des revendications 12 à 16, caractérisé en ce que des dispositifs (2) pour la pulvérisation de l'eau à traiter (1) sont prévus au-dessus du lit filtrant (4).