Brevet FR2511788A1 — publié le 19830225

Dispositif perfectionné d'inversion de polarité des électrodes empilées dans un appareil d'électrodialyse à étages multiples et procédé d'utilisation de ce dispositif ". L'invention concerne un dispositif perfection- né d'inversion de polarité des électrodes empilées dans un appareil d'électrodialyse à étages multiples, ainsi qu'un procédé d'utilisation de ce dispositif. Les systèmes de traitement d'un fluide par électrodialyse, utilisant un empilement d'un certain nom- bre d'étages de purification progressive montés en série, sont bien connus de l'art antérieur, comme cela a été décrit par exemple dans le brevet U S A N' 4 172 779 de Yamaguchi et Cie L'inversion de polarité des électrodes à l'intérieur des étages, pour empêcher la formation de tartre, est également bien connue, et l'on pourra par exemple se référer sur ce sujet aux brevet U S. No 2 694 680 de Katz et Cie, 2 983 813 de Juda et Cie, et 3 341 441 de Giuffrida et Cie qui décrivent complète- ment l'état de l'art antérieur. Dans l'utilisation actuelle de ces empile- ments d'étages, il est de technique courante -d'effectuer plusieurs inversions de polarité des électrodes par heure, ces opérations se faisant suivant un cycle continu Dans le cas actuel, tous les étages et toutes les électrodes 251 1788 sont inversés au même moment Les caractéristiques du débit de produit dilué se modifient instantanément à chaque inversion, ce qui conduit à une contamination des produits partiellement dessalés dans chaque étage Par exemple dans un bloc de dessalage à dix étages, les pro- duits contenus dans les trois ou quatre derniers étages sont déjà pratiquement complètement dessalés, de sorte qu'au moment de l'inversion de polarité, le courant de liquide dessalé ou dilué commence à recevoir du produit contaminant à forte concentration en sel Par suite, il faut jeter le produit de toute la pile d'étages, qu'il soit partiellement dessalé ou non, avec la perte de ren- dement globale que cela entraîne pour l'ensemble de l'ins- tallation. On a maintenant découvert qu'à l'inverse de l'art antérieur, on pouvait éviter la perte de produit ci-dessus en changeant séquentiellement la polarité des électrodes étage par étage suivant un processus échelon- né dans le temps L'inversion s'effectue alors dans cha- que étage après que le produit partiellement dessalé dans cet étage ait complètement traversé ou quitté les passa- ges hydrauliques de l'étage en question Ainsi, la plus grande partie du produit partiellement dessalé dans les premiers étages du système poursuit son chemin dans l'ap- pareil sans être contaminée par le sel, et sort du système a l'état parfaitement utilisable. A cet effet, l'invention concerne un dispo- sitif d'inversion de polarité des électrodes d'un systè- me de traitement d'un fluide par électrodialyse à étages multiples, ce système comprenant un certain nombre d'éta- ges montés en série, chaque étage étant destiné à pour- suivre le dessalage du produit dilué sortant de l'étage précédent, chaque étage comportant une anode et une cathode séparées par au moins une paire de cellules de chambres de dilution et de concentration de sel formées 1 1788 par des membranes à perméabilité alternativement sélective aux anions et aux cathions, chaque étage étant relié aux étages associés par des passages correspondant à chacun des débits de fluide dilué et concentré produits par ces étages, chaque étage comportant en outre des moyens d'inversion de polarité destinés à charger périodiquement la polarité des électrodes, le système comportant-en outre des moyens de commande de passage de fluide permettant d'aiguiller les débits de produit dilué et de produit con- centré, dispositif caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de commutation permettant de déclencher séquen- tiellement les moyens d'inversion de polarité étage par étage suivant un processus échelonné dans le temps, ce processus s'effectuant dans l'ordre des teneurs en sel décroissantes du produit. L'invention concerne également un procédé- d'utilisation du dispositif ci-dessus, caractérisé en ce qu'il comprend l'étape consistant à déclencher séquen- tiellement les moyens d'inversion de polarité étage par étage suivant un processus échelonné dans le temps, ce processus s'effectuant dans l'ordre des teneurs en sel décroissantes de la solution, c'est-à-dire de l'amont vers l'aval par rapport au matériau brut d'alimentation. Lorsque les produits dilués ou traités quittent chaque étage, les électrodes de cet étage sont inversées jusqu'à ce qu'on ait obtenu l'inversion de tous les étages du système Les débits de produits obtenus sont alors ai- guillés de façon convenable suivant la pratique courante. Grâce à ce procédé selon l'invention, on ne jette que le produit partiellement dessalé du premier étage au lieu de jeter tout le liquide du système comme c'était le cas lorsque tous les étages étaient inversés simultanément. L'invention sera décrite en détail au moyen des dessins cijoints dans lesquels: la figure 1 est une représentation schéma- tique d'une forme préférée de réalisation de l'invention et la figure 2 est une représentation-schéma- tique d'une autre forme de réalisation de l'invention. 1 La figure 1 représente schématiquement un système de traitement de fluide par électrodialyse Ce système est constitué de quatre étages électriques 10, 12, 14 et 16 L'étage 10 comporte les électrodes 18 et 20 et se divise en un compartiment de dilution de sel 19 et un compartiment de concentration de sel 21 L'étage 12 comporte les électrodes 24 et 26 et se divise également - en compartiments de dilution et de concentration de sel 23 et 25 L'étage 14 comporte les électrodes 30 et 32 et se divise également en compartiments de dilution et de concentration de sel 27 et 29 L'étage 16 comporte les électrodes 36 et 38 et se divise également en comparti- ments de dilution et de concentration de sel 31 et 33. Ces compartiments sont représentés schématiquement En pratique chaque étage est constitué d'un certain nombre de membranes sélectives alternées d'anions et de cathions qui servent à transférer sélectivement les ions par élec- trolyse pour former ainsi des compartiments alternés de dilution et de concentration de sel Comme cela est bien connu, chaque étage con- tient classiquement un grand nombre de ces membranes al- ternées perméables sélectivement aux cathions et aux anions, de manière à former un certain nombre de cham- bres alternées de dilution et de concentration de sel, ces chambres étant montées de la même manière La nature des chambres (c'est-à-dire de dessalage ou de concentra- tion en sel) est alternée suivant la polarité des élec- trodes auxquelles sont branchées des sources de courant inversables 42, 44, 46 et 50 Les étages sont montés hydrauliquement en série, d'une chambre à une autre cham- bre identique, suivant la polarité électrique qui, en fonctionnement normal régulier, est la même d'un étage au suivant. Le fluide brut, c'est-à-dire l'électrolyte, est introduit dans le système par le tuyau 52 arrivant à l'étape 10 Ce fluide est ensuite traité progressive- ment d'étages en étages jusqu'à sortir par l'étage 16 sous forme de deux courants séparés, à savoir un courant de produit purifié complètement dessalé, et un produit à jeter fortement concentré en sel La chambre par la- quelle chacun de ces courants émerge dépend de la pola- rité particulière actuelle des électrodes. Comme décrit ci-dessus, les procédés selon l'art antérieur consistent à inverser simultanément la polarité des électrodes de tous les étages pour détar- trer le système, et l'on constate alors que cette opéra- tion déclenche immédiatement la contamination par le sel des produits partiellement raffinés dans tous les éta- ges Par suite, il faut jeter tous les produits sortant du système jusqu'à ce que tout le fluide contenu dans celui-ci ait traversé tous les étages. L'invention utilise au contraire des moyens permettant de commuter séquentiellement la polarité de chacun des étages suivant un processus échelonné dans le temps, grâce par exemple à un commutateur d'horloge 54. Cette horloge de séquence peut être de type mécanique ou électrique à l'état solide En cours de fonctionnement, on inverse la polarité de l'étage 10 à un moment corres- pondant aux impératifs de détartrage du système Les chambres de dilution de l'étage 10 commencent à donner naissance à une concentration de sel mais ce n'est pas le cas des chambres des étages 12, 14 et 16 Au bout d'un certain temps déterminé par le débit du système, le courant de liquide concentré sortant de l'étage 10 remplit le côté de liquide dilué de l'étage 12 lorsque le dernier produit dilué a quitté cet étage On inverse alors la polarité de l'étage 12 tandis que les autres étages 14 et 16 continuent de fonctionner sans inversion. On répète ensuite ce processus sur les étages 14 et 16 après avoir laissé s'écouler un certain temps déterminé de la même façon par le débit du système A la fin de ces opérations échelonnées d'inversion de polarité, on actionne les soupapes 56 et 58 pour aiguiller de nouveau les courants de fluide sortant de l'étage final 16. La figure 2 représente un système à étages multiples empilés de la même manière que dans le cas de la figure 1, les mêmes éléments étant identifiés par les mêmes références Le commutateur d'horloge de séquence est remplacé ici par un certain nombre de dispositifs de détection de conductivité 60, 62, 64, 66, 68 et 70 placés dans le débit de sortie de chaque étage Les dispositifs adaptés à ce type d'utilisation sont bien connus de l'art antérieur Le signal de sortie de chaque détecteur de conductivité est appliqué à des commutateurs de conducti- vité 72, 74 et 76 qui peuvent se programmer pour effec- tuer l'inversion de polarité de chaque étage par une opération analogue à celle du commutateur d'horloge de séquence 54 de la forme de réalisation décrite ci-dessus. Les commutateurs sont conçus pour se déclencher soit à forte conductivité, soit à faible conductivité, par suite des changements de nature des débits provoqués par le courant de fluide inversé progressivement produit par l'étage 10 L'inversion de létage 10 est déclenchée de façon répétitive par un simple commutateur d'horloge 78. Le déclenchement des soupapes 56 et 58 des- tinées à aiguiller de nouveau les courants de fluide sortant de l'étage final 16, peut être commandé par le commutateur 78 ou encore par les détecteurs de conducti- vité 68 et 70. Les exemples comparatifs ci-après indiquent les caractéristiques particulières de l'invention. Exemple I Procédé à inversion non échelonnée Dans cet exemple, on utilise un bloc ou système d'électrodialyse Aquamite @ XX alimenté en courant continu pour dessaler de l'eau salée à 10 000 parties par million, de manière à donner de l'eau à 300 parties par million Le système comprenant 4 empile- ments à membranes multiples et deux étages électriques par empilement, est commercialisé par "Ionics Incorpo- rated of Watertown, MA" Le système constitué de ses huit étages montés hydrauliquement en série, est alimen- té par une solution circulant à une vitesse équivalente à un temps d'exposition du produit dilué de 25 secondes par étage, soit un temps d'exposition total de 3,28 minu- tes pour les 8 étages du système de membranes Au moment de l'inversion de polarité du courant continu, le "temps mort" est de 3,4 minutes, ce qui correspond au temps nécessaire pour le passage complet du courant de produit dilué dans les 8 étages, y compris les tuyauteries auxi- hlaires Ce "temps mort" est le temps pendant lequel on n'obtient aucun produit dessalé. Exemple II Procédé utilisant une inversion échelonnée Le système d'électrodialyse de l'Exemple I est modifié pour introduire une inversion de polarité étage par étage utilisant des relais d'horloge de séquen- ce permettant de commander séparément l'inversion de cha- cun des huit étages électriques individuels L'inversion est déclenchée pour le premier étage, puis ensuite les autres étages se succédant en aval, sont inversés après que toute l'eau partiellement dessalée contenue dans chacun de ces étages ait été évacuée Chaque étage est inversé 25 secondes après l'inversion de létage précé- dent Le"temps mort" du système est alors réduit au - temps nécessaire pour que le courant de fluide dilué ne traverse qu'un seul étage et sa tuyauterie associée, 251 1788 c'est-à-dire environ 30 secondes au lieu des 3,4 minutes de l'Exemple I. 251 1788 R E V E N D I C A T I O N S ) Dispositif d'inversion de polarité des électrodes d'un système de traitement d'un fluide par électrodialyse à étages multiples, ce système comprenant un certain nombre d'étages ( 10, 12, 14, 16) montés en série, chaque étage étant destiné à poursuivre le dessa- lage du produit dilué sortant de l'étage précédent, cha- que étage comportant une anode et une cathode ( 18, 20, 24, 26, 30, 32, 36, 38) séparées par au moins une paire de cellules de chambres de dilution et de concentration de sel ( 19, 21, 23, 25 etc) formées par des membranes à perméabilité alternativement sélective aux anions et aux cathions, chaque étage étant relié aux étages asso- ciés par des passages correspondant à chacun des débits de fluide dilué et concentré produits par ces étages, chaque étage comportant en outre des moyens d'inversion de polarité ( 42, 44, 46, 50) destinés à changer périodi- quement la polarité des électrodes, le système comportant en outre des moyens de commande de passage de fluide ( 56, 58) permettant d'aiguiller les débits de produit dilué et de produit concentré, le dispositif caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de commutation ( 54) permettant de déclencher séquentiellement les moyens d'inversion de polarité étage par étage suivant un processus échelonné dans le temps, ce processus s'effectuant dans l'ordre des teneurs en sel décroissantes du produit. 2 ) Dispositif selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que les moyens de commutation ( 54) com- prennent une horloge de séquence. 30) Dispositif selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que les moyens de commutation comprennent, en combinaison, un certain nombre de moyens de détection de conductivité ( 60, 62, 64, 66, 68, 70) placés dans cha- que passage de débit de fluide à la sortie de chaque étage, et un certain nombre de moyens de commutation séparés ( 72, 74, 76) associés chacun à l'un des moyens d'inversion de polarité, chacun de ces moyens de commu- tation séparés étant sensible à l'un au moins des moyens de détection de conductivité. 40) Procédé d'utilisation du dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, procédé carac- térisé en ce qu'il comprend l'étape consistant à déclen- cher séquentiellement les moyens d'inversion de polarité ( 42, 44, 46, 50) étage par étage suivant un processus échelonné dans le temps, ce processus s'effectuant dans l'ordre des teneurs en sel décroissantes du produit. ) Procédé selon la revendication 4, carac- térisé en ce qu'il comprend en outre l'étage consistant à déclencher les moyens de commande de passage de fluide ( 56, 58) en même temps que la dernière inversion de pola- rité, de manière à aiguiller de nouveau les débits de produits dilués et concentrés. ) Procédé selon l'une quelconque des reven- dications 4 et 5, caractérisé en ce que le déclenchement étage par étage se fait à des intervalles de temps prédé- terminés. ) Procédé selon l'une quelconque des reven- dications 4 et 5, caractérisé en ce qu'il utilise en outre un certain nombre de moyens de détection de conductivité ( 60, 62, 64, 66, 68, 70) placés dans chacun des passages de fluide à la sortie de chaque étage, et en ce qu'il comprend en outre l'étape consistant à déclencher les moyens d'inversion de polarité ( 42, 44, 46, 50) en répon- se à ces moyens de détection de conductivité.