Brevet FR2523467A1 — publié le 19830923

La présente invention concerne une électrode perfectionnée destinée à être utilisée pour la déshydrata- tion des suspensions de matières solides colloïdales ou finement divisées dans un véhicule liquide, par exemple une suspension de kaolin dans l'eau, par application d'une dépression, la déshydratation sous vide étant accélérée par un champ électrique créé par circulation d'un courant électrique dans la suspension, par mise en oeuvre de deux électrodes distantes immergées dans la suspension. Les brevets des Etats-Unis d'Amérique N O 4 168 222 et 4 207 158 décrivent des procédés et appareils de déshydra- tation de suspensions Selon ces brevets, des électrodes creuses autonomes sont normalement immergées dans la sus- pension mais peuvent être retirées comme un tout lors d'une inspection ou dans un autre but Ces électrodes creuses ont deux types de surface de paroi, des parois perméables aux ions pour les électrodes d'une première polarité et des parois perméables aux liquides pour les électrodes de l'autre polarité Les surfaces des parois des électrodes comportent une matière de filtration chimiquement et élec- triquement neutre ou une membrane perméable poreuse portée par une grille, si bien qu'elles présentent une surface plane d'électrode. Lors du fonctionnement, lorsque les électrodes des deux types sont immergées dans le suspension, une source d'une dépression est reliée à l'intérieur des électrodes qui ont les parois perméables aux liquides afin qu'une différence réglable de pressions soit formée et provoque la circulation du véhicule liquide à travers les surfaces de filtration, les matières solides migrant en sens opposé, sous l'influence du champ électrique, et se déposant sous forme d'un gâteau sur les électrodes ayant les parois permé- ables aux ions Le liquide formant le filtrat, c'est-à- dire le véhicule liquide dépourvu de matières solides, est extrait ou pompé depuis l'intérieur des électrodes creuses remplies de liquide, avec un débit réglable. Comme indiqué précédemment, le dépôt du gâteau s'effectue sur les électrodes creuses qui ont les surfaces perméables aux ions; ces électrodes sont remplies d'un électrolyte et ont un élément formant électrode, immergé dans l'électrolyte et isolé contre un contact direct avec la suspension L'électrolyte est choisi spécialement pour sa conductivité élevée et sa bonne compatibilité avec l'élé- ment d'électrode La "compatibilité" indique que l'électro- lyte est relativement peu corrosif dans les conditions qui règnent habituellement à l'intérieur de l'électrode creuse Comme des produits de décomposition ou secondaires et de la chaleur se dégagent au niveau de l'élément d'élec- trode, à l'intérieur de l'électrode creuse perméable aux ions, l'électrolyte peut circuler vers la chambre d'élec- trode afin que ces produits étrangers et la chaleur soient entraînés hors de la chambre, la composition de l'électrolyte restant relativement constante à une valeur prédéterminée. La paroi perméable aux ions de l'électrode de ces structures connues est une matière de filtration chi- miquement et électriquement neutre ou une membrane perméable poreuse qui, lorsqu'elle est du type d'un film ou analogue nécessitant un support, peut être portée par une grille chimiquement ou électriquement neutre si bien qu'une surface plane de filtration est présentée à la suspension traitée. Comme le gâteau se forme sur cette électrode pendant l'ilec- trofiltration et doit être retiré par contact avec des lames de raclage, une cage de friction ou un dispositif d'espacement peut être utilisé afin qu'il protège la ma- tière de filtration contre le contact direct avec les lames de raclage La cage de friction comporte une grille ouverte et mince d'une matière relativement dure, recouvrant la matière de filtration et destinée à être au contact des lames de raclage, et le dispositif d'espacement peut com- prendre des bandes de matière plastique, par exemple de résine d'acétal "Delrin", ayant une configuration analogue à un cadre et dont l'épaisseur est suffisante pour qu'elle empêche le contact entre la lame de raclage et le milieu de filtration Lors de la récupération du gâteau, l'électrode peut être soulevée en dehors de la suspension, la couche de matière solide collectée ou de gâteau y adhérant Com- me l'électrolyte reste présent dans l'électrode lorsqu'el- le est en position haute, une dépression est appliquée à l'intérieur de l'électrode afin qu'elle réduise la pres- sion exercée sur la matière de filtration et empêche ainsi la rupture de celle-ci Lorsque l'électrode est immergée pendant le fonctionnement, la dépression appliquée à l'in- térieur permet l'extraction des produits gazeux tels que le chlore ou l'anhydride carbonique qui se dégagent au niveau de l'élément d'électrode. Les électrodes perméables aux ions de type connu, utilisées pour la déshydratation de l'argile, posent certains problèmes de mise en oeuvre Comme les particules d'argile de la matière d'alimentation ont une dimension de particules colloïdales, une quantité importante de ces particules traverse la matière de filtration Cette argile s'accumule dans la chambre de l'électrode, contamine l'électrolyte qui circule dans l'argile et limite ou empêche la circula- tion de l'électrolyte dans la chambre d'électrode Finale- ment,l'électrode doit être mise hors circuit, démontée, nettoyée -et remontée, suivant une opération qui est longue et coûteuse De plus, on constate que l'électrolyte est pompé de la chambre de l'électrode vers le bain Cette introduction de matière dans le bain nuit réellement aux propriétés du produit déshydraté Il n'existe pas d'élec- trode qui fonctionne sans présenter ces inconvénients. L'invention concerne une électrode perfectionnée destinée à être utilisée dans des opérations d'électrofil- tration. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence au dessin annexé sur lequel la figure 1 est un schéma d'un appareil d'électro- filtration comprenant l'électrode selon l'invention; la figure 2 est une élévation détaillée avec des parties arrachées de l'électrode de l'invention; et la figure 3 est une coupe suivant la ligne 3-3 de la figure 2. L'électrode selon l'invention, destinée à être immergée dans une suspension de matières solides, comprend de façon générale une chambre ayant au moins une paroi formée d'une membrane échangeuse d'ions, avec au moins un élément d'électrode placé dans la chambre et immergé dans un électrolyte. Dans la description qui suit, l'électrode est appelée "anode" par raison de commodité, mais il faut noter qu'elle peut aussi être cathodique dans certaines opérations de déshydratation Dans le cas o il s'agit d'une anode, la membrane est de type échangeuse de cations alors que, si l'électrode est cathodique, la membrane est de type échangeuse d'anions. La figure 1 représente schématiquement un appareil de déshydratation sous vide à accélération électrique du type concerné par l'invention, comprenant un réservoir contenant un bain 9 de matières solides en suspension, deux cathodes 31 et 32 étant immergées dans le bain 9 de part et d'autre d'une électrode 15 Le réservoir 10 en forme de cuve a un-raccord 11 d'alimentation de suspension. Cette dernière peut être une suspension d'argile ou une suspension de matières solides uniformément dispersées, finement divisées, négativement chargées, de dimension colloïdale La hauteur nécessaire de suspension dans le réservoir est déterminée à tout moment par un bord 12 de déversement associé à une rigole 13 de débordement, si bien que les électrodes placées dans le réservoir sont totalement immergées Ainsi, la suspension d'alimentation parvient à un débit tel qu'un excès déborde constamment du réservoir, et la masse de suspension se renouvelle cons- tamment dans le réservoir En outre, une pompe 14 de circu- lation reliée au réservoir comme indiqué par les références 14 a et 14 b, maintient le contenu en déplacement afin que les matières solides restent convenablement dispersées dans la suspension, et que les surfaces cathodiques et anodiques exposées à la suspension dans le réservoir fonc- tionnent convenablement et uniformément. Les surfaces cathodiques et anodiques de structures autonomes de configuration plane, parallèles les unes aux autres, sont ainsi réalisées et disposées de manière qu'el- les puissent être soulevées verticalement depuis leur empla- cement jusqu'à une position qui se trouve en dehors de la suspension, et qui permet leur retour dans la suspension par abaissement. Dans le cas considéré, c'est-à-dire celui de matières solides en suspension telles que de l'argile portant une charge négative, la structure anodique autonome 15 de polarité positive et de construction creuse occupe le centre comme indiqué précédemment. Un arrangement de guidage vertical non représenté permet le déplacement de cette électrode en direction verti- cale, dans son propre plan, vers une position qui se trouve en dehors de la suspension, et son retour en position immer- gée Des dispositifs d'évacuation permettent aussi la sépa- ration et le transport de la matière du gâteau formé sur les surfaces anodiques, à partir de la suspension, pendant la descente qui ramène l'électrode en place Dans un mode de réalisation, ces dispositifs d'évacuation, tels que schématiquement représentés, comportent deux lames de ra- clage 17 et 18, disposées symétriquement et destinées à pivoter autour d'axes horizontaux entre une position neutre et une position de séparation de gâteau Le gâteau ainsi retiré peut être entraîné par les dispositifs de transport représentés sous forme de bandes transporteuses 19 et 20. Evidemment, les dispositifs d'enlèvement peuvent aussi être réalisés et disposés de manière que l'enlèvement et le transport du gâteau soient réalisés lors de la remontée de l'électrode en position de sortie Comme indiqué plus en détail sur les figures 2 et 3, l'anode 15 a une cons- truction creuse et comprend un organe rectangulaire 21 formant un cadre et deux parois 22 ayant une membrane 22 a formée d'une résine échangeuse d'ions chargés négativement, montée sur le cadre 21 Ce dernier a une section en U débou- chant vers l'extérieur, permettant la fixation des parois perméables aux ions Chaque paroi 22 est un ensemble multi- couche comprenant un organe 22 a d'échange de cations, une grille 22 b de support et une cage protectrice 22 c, et les matières solides chargées négativement provenant de la suspension sont destinées à s'y déposer sous forme d'une couche ou d'un gâteau. Deux équerres 15 a de support sont fixées à l'ex- trémité supérieure du cadre 21 et sont destinées à posi- tionner et supporter l'électrode 15 dans le réservoir 10. Une borne de polarité positive est formée par une tige verticale 26 pénétrant à l'intérieur de l'électrode et raccordée dans celle-ci à l'élément 27 d'électrode alors que la partie supérieure d'extrémité de cette tige qui est exposée porte une connexion 26 a de raccordement d'un câble. Il faut noter que le cadre 21 et les parois 22 de l'électrode 15 sont électriquement neutres et en con- séquence sont formés de matière non conductrice, par exemple de matière plastique, ou sont isolés du contact de l'élément 27 d'électrode et des conduits électriques 26 et 26 a. En outre, l'intérieur de l'électrode peut être rempli d'un électrolyte convenable (anolyte) Un courant d'électrolyte neuf circule dans l'électrode afin que la composition de l'électrolyte reste relativement constante pendant le fonctionnement du filtre sous vide accéléré électriquement L'appareil qui entretient ce courant d'élec- trolyte, sous sa forme la plus simple, peut être un système d'alimentation par gravité dans lequel un réservoir d'ali- mentation d'électrolyte placé en hauteur est relié à l'élec- trode par un conduit 28 d'alimentation et un conduit 29 d'évacuation partde l'électrode et rejoint par exemple un réservoir de déchets Le gaz qui se dégage à l'anode est entraîné avec l'électrolyte épuisé La circulation de électrolyte peut être réalisée sous des formes plus élaborées Dans certains cas, il est souhaitable que les gaz de l'anode soient séparés de l'anolyte et injectés dans le catholyte (afin qu'ils règlent le p H ou dans un autre but). La membrane de résine échangeuse d'ions utilisée dans l'électrode selon l'invention est imperméable à la circulation massique des matières solides et des liquides. En conséquence, les particules d'argile ne peuvent pas pénétrer à l'intérieur de la chambre anodique et ne peu- vent pas contaminer l'anolyte De plus, l'anolyte ne peut pas pénétrer dans le bain (Cependant, sous l'action du champ électrique appliqué pendant l'électrofiltration, -une électro-osmose provoque l'introduction d'une partie de l'anolyte dans le bain Cet effet est inférieur d'au moins un facteur 2 et très souvent d'un facteur 10 à la circulation de l'anolyte observée avec les membranes connues). Il existe dans le commerce un certain nombre de membranes échangeuses de cations, mais les membranes d'acide perfluo- rosulfonique vendues par E I du Pont de Nemours & Company, sous la marque de fabrique "Nafion" conviennent particuliè- rement bien. Dans un exemple, on modifie une anode d'électro- filtration par fixation d'une membrane tendue de "Nafion" sur une face de l'anode et par bouchage de l'autre côté de l'anode Cette membrane a été traitée préalablement dans Na Cl à 48,90 C pendant 1 h La matière d'alimentation est une suspension d'argile ayant une dimension particulaire de 5 hum, du polyacrylate d'ammonium constituant un agent dispersant La déshydratation est poursuivie pendant près de 4 h dans les conditions indiquées dans le tableau I, et on note un débit relativement constant de filtrat (déshy- dratation). TABLEAU I Temps Tension, V Intensité Dépression A mbar 8:20 60 6,0 300 8:55 60 6,0 300 9:25 58 6,6 300 :05 60 6,0 200 :35 60 6,0 230 11:10 59 6,2 270 11:30 11:40 Température Débit de du bain filtrat 31 C 37 C 37 C C 43 C 1010 ao 3/20 min 1000 cm 3/20 min 6,4 41,5 C 12:00 terminé Le tableau II qui suit indique des valeurs du p H, de la conductivité et du pourcentage de matières solides mesurées dans la solution d'alimentation, le filtrat, le bain et le gâteau, pendant cette opération de déshydratation. TABLEAU II Echantillon Temps p H Conductivité Matières (m.mho/cm) solides, % alimentation 8:20 8,5 2700 36,3 filtrat 10:45 12,2 6300 - bain 11:15 9,1 2800 35,7 gâteau 11:30 8,9 * 710 * 75,0 bain 11:40 9,2 2700 36,0 filtrat 11:40 12,2 5950 - gâteau 11:40 74,0 anolyte 12:30 1,3 117000 - * le gâteau est remis en suspension à 13 % de matières so- lides, avec de l'eau désionisée. La comparaison de la conductivité du bain ( 2700 à 2800 m mho/cm) pendant l'essai avec celle de l'anolyte ( 117 000 m mho/cm) montre que la membrane échangeuse de cations empêche l'introduction de l'anolyte dans le bain. On compare les caractéristiques données par une anode ayant une membrane échangeuse de cations ("Nafion") à celle d'une anode ayant une membrane perméable aux ions de type connu "Dynel" pour la déshydration d'une suspension d'argile de 5 gm contenant du polyacrylate d'ammonium cons- tituant un agent dispersant, comme l'indique le tableau III. TABLEAU III Membrane connue Membrane échangeuse de cations Température 25,5 C 41,5 C Alimentation - matières solides, % en poids 36,3 36,3 conductivité (m mho/cm) 2700 2700 p H 8,5 8,5 Débit sec (t/h) à 9876 A 2,50 3,40 humide (m 3/h) 5,38 7,31 Filtrat matières solides (% en poids) 0,0 0,0 p H 12,5 12,2 débit (m 3/h) à 9876 A 3,56 4,77 Produit solide matières solides, % en poids 75 74,5 débit (t/h) à 9876 A 2,50 3,40 Bain matières solides, % en poids 38,0 36, 0 p H 9,4 9,2 Conductivité (m mho/cm) 2690 2700 Courant continu nécessaire produit (k Wh/t sèche) 172 174 filtrat (k Wh/m 3) 121 124 Les résultats du tableau III montrent que les caractéristiques de la membrane échangeuse de cations sont comparables de façon générale à celles des membranes connues. Bien que le débit de produit solide, obtenu avec la membrane échangeuse de cations, soit supérieur à celui qui est obtenu avec la membrane connue, cette différence peut être attribuée en grande partie à la différence des températures de fonc- tionnement Cependant, on observe qu'il ne passe pas d'ar- gile dans l'électrode, contrairement à ce qui arrive inva- riablement lors de l'utilisation des membranes connues. En outre, contrairement aux pertes présentées habituelle- ment lors de l'utilisation des membranes connues, l'intro- duction de l'anolyte dans le gâteau est faible ou nulle. Il est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses élé- ments constitutifs sans pour autant sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1 Electrode pour filtration sous vide accélérée électriquement d'une suspension de matières solides dans un véhicule liquide, caractérisée en ce qu'elle comprend un cadre non conducteur ( 21) supportant les parois d'une chambre d'électrode, un dispositif ( 28, 29) de circulation d'un élec- trolyte de conductivité élevée dans la chambre d'électrode, au moins un élément d'électrode ( 27) placé dans la chambre et relié électriquement à une source de tension extérieure à la chambre, cet élément d'électrode étant immergé dans l'électrolyte, et l'une des parois au moins ( 22) comprenant une membrane échangeuse d'ions. 2 Electrode selon la revendication 1, caractérisée en ce que la suspension de matières solides est une sus- pension d'argile, et la connexion électrique est telle que l'électrode est anodique. 3 Electrode selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que la membrane échangeuse d'ions est une membrane échangeuse de cations. 4 Electrode selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que la membrane échangeuse d'ions est formée d'un polymère d'acide perfluorosulfonique. 5 Electrode selon la revendication 1, caractérisée en ce que la connexion est telle que l'électrode est catho- dique. 6 Electrode selon l'une des revendications 1 et , caractérisée en ce que la membrane échangeuse d'ions est une membrane échangeuse d'anions.