Brevet FR2529091A1 — publié le 19831230

DISPOSITIF D'ELECTRODIALYSE L'invention concerne un dispositif d'électrodialyse, principalement pour la dessalinisation de l'eau; elle concerne plus particulierement un nouvel agencement des cellules de dessalinisation et d'enrichissement qui forment un tel dispositif, en vue d'augmenter à la fois la surface utile des membranes échangeuses et le rendement du dispositif. Un dispositif d'électrodialyse connu consiste en un empilement alterné de cellules de dessalinisation et de cellules d'enrichissement. Une telle cellule est matérialisée par un cadre et deux membranes, respectivement une membrane anionique et une membrane cationique, accolées de part et d'autre dudit cadre. La membrane anionique de chaque cellule d'un type donné (dessalinisation ou enrichissement) est aussi celle d'une cellule adjacente de l'autre type. Il en est de même pour la membrane cationique de chaque cellule. Deux électrodes sont appliquées à chaque extrêmité de l'empilement et reliées aux deux pôles d'une source de tension continue.On rappelle qu'une membrane anionique est une membrane imperméable autorisant néanmoins la migration des anions susceptibles ainsi de passer d'une cellule de dessalinisation à une cellule d'enrichissement voisine sous l'effet de la tension électrique appliquée tandis qu'une membrane cationique est une membrane imperméable mais autorisant la migration des cations depuis cette même cellule de dessalinisation vers l'autre cellule d'enrichissement voisine. Selon l'un des agencements les plus connus, les cadres et les membranes sont pourvus d'éléments de conduits matérialisés sous la forme de trous destinés à venir en regard les uns des autres pour que l'empilement précité reconstitue les conduits d'alimentation et les conduits d'evacuation de toutes les cellules. Les cadres et les membranes ont la forme de rectangles allongés et les éléments de conduits sont agencés au voisinage des deux petits côtes de chaque rectangle.Plus précisément, chaque membrane comporte une ou plusieurs paires de trous au voisinage de chacun de ses petits côtes tandis que chaque cadre comporte (également au voisinage de chacun de ses petits côtés) d'une part un trou en regard de l'un des trous de chaque membrane adjacente et d'autre part une échancrure interne otahlissant une communication entre l'espace interne délimité par le cadre et l'autre trou de chaque membrane adjacente. Les positions des echancrures et des trous dans l'empilement sont identiques pour toutes les cellules de même type, mais inversées entre une cellule de dessalinisation et une cellule d'enrichissement de sorte que l'écoulement des liquides dans ces cellules s'effectue sensiblement parallelement à leurs grands côtés.Comme l'efficacité du système dépend de la surface d'echange entre les liquides et les membranes constituant les faces principales de chaque cellule, c'est la forme et les dimensions de la fenêtre interne du cadre qui déterminent cette surface d'échange. On a donc intérêt à ce que cette fenêtre interne soit la plus grande possible. Or, la présence, a chaque extrêmité de chaque cadre, d'un trou qui doit être rigoureusement isolé de ladite fenêtre interne, implique que l'echancrure précitée (qui prolonge cette fenêtre à chaque extrêmité), forme inévitablement un etranglement pour l'écoulement de liquide. Chaque portion extrême d'une cellule, encore appelée "diffuseur", correspondant à ces échancrures est le siège de perturbations de l'écoulement qui empêchent les migrations d'ions à travers les parties de membrane correspondant à ces régions. On a donc intérêt à réduire, autant que faire se peut, la proportion occupée par les diffuseurs dans une cellule. Une des caractéristiques importantes de l'invention est de permettre d'éliminer pratiquement completement les diffuseurs. Dans cet esprit, l'invention concerne donc un dispositif d'électrodialyse comportant une succession alternée de cellules de dessasinisation et de cellules d'enrichissement hydrauliquement branchées en parallèle, respectivement, en deux circuits hydrauliques indépendants et connectées électriquement en série avec une source de tension, chaque cellule comportant deux faces principales opposees constituées respectivement par une membrane anionique et une membrane cationique, caractérisé en ce que la direction d'ecoulement hydraulique cyans lesdites cellules de dessalinisation et la direction d'écoulement hydraulique dans lesdites cellules d'enrichissement sont croisées, de préférence sensiblement à 900. Ainsi, les conduits de raccordement à ces deux types de cellules peuvent déboucher sur sensiblement tout un coté de la cellule et éviter ainsi la materialisation d'une zone inefficace ou "diffuseur" dans chaque cellule, tout en diminuant les pertes de charge. L'invention sera mieux comprise à la lumière de la description qui va suivre, donnee uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 représente la structure de base d'un dispositif d'électrodialyse connu ; et - la figure 2 représente la structure de base d'un dispositif d'électrodialyse conforme à l'invention. La figure 1 illustre une partie d'un empilement réalisant un dispositif d'électrodialyse selon la technique antérieure, conforme à la description qui précede. On se bornera donc à énumérer à nouveau les éléments essentiels de ce dispositif connu, grâce aux références numériques portées sur le dessin. Une cellule donnée, par exemple une cellule de dessalinisation Il est constituée par l'empilement serré d'un cadre et de deux membranes, à savoir le cadre 12, une membrane anionique 13, et une membrane cationique 14. Dans la perspective éclatée de la figure 1, le cadre 15 appartient à une cellule d'enrichissement voisine (plus proche d'une anode non représentée et connectée au pâle positif d'une alimentation de tension) tandis que le cadre 16 appartient à l'autre cellule d'enrichissement voisine (plus proche d'une catode reliée au pâle négatif de la même source de tension).Chaque cadre et notamment le cadre 12 comporte une zone médiane utile 17 et deux "diffuseurs" 18 s'étendant chacun entré une extrêmité de la zone 17 et une échancrure 19 prolongeant la fenêtre interne 2Q du cadre 12. Ainsi, chaque cellule est conformée pour permettre un écoulement de liquide dans l'espace delimité par l'épaisseur d'un cadre et fermé par deux membranes. Un treillis 21 dans chaque fenêtre 20 empêche deux membranes adjacentes, respectivement anionique et cationique, de se toucher. Les trous et les échancrures des cadres et membranes alignés le long de l'axe 22 materialisent le conduit de distribution d'un liquide à dessaliniser, alimentant en parallèle toutes les cellules de dessalinisation.Les échancrures et trous alignés le long de l'axe 24 matérialisent le conduit de distribution d'une solution destinée à être enrichie en sels mineraux, alimentant en parallele toutes les cellules d'enrichissement. Des conduits d'évacuation de ces liquides sont materialisés de la même façon à l'extrêmité opposee des cellules. La figure 2 illustre une vue en perspective éclatée de la structure de base d'un dispositif d'électrodialyse selon l'invention, représentée de façon analogue à celle de la figure 1. Une cellule de dessalinisation 111 est constituée par la juxtaposition d'un cadre 112, d'une membrane anionique 113 et d'une membrane cationique 114. Les deux cellules d'enrichissement voisines comportent respectivement les cadres 115 et 116. Contrairement à l'un des modes de réalisation connu représenté à la figure# 1, les cadres et membranes de l'empilement sont sensiblement carrés. L'assemblage du dispositif se fait comme precédemment en serrant un tel empilement entre deux électrodes (non représentées) formant anode et cathode. En revanche, chaque membrane 113 ou 114 comporte des trous régu liérement agencés le long de ses quatre cotés. Les trous 119 pratiqués dans toutes les membranes anioniques et cationiques se superposent de façon à constituer un certain nombre de conduits alimentés en paralléle par le liquide à dessaliniser. Les trous 120 pratiqués le long des côtés opposés des membranes 113 et 114 reconstituent un certain nombre de conduits d'evacuation du liquide dessalinisé.De façon analogue, les trous 121, pratiqués le long d'un autre côté de chaque membrane anionique 113 ou cationique 114 reconstituent un certain nombre de conduits alimentés en parallèle par un liquide destiné à être enrichi en sels minéraux tandis que les trous 122 pratiqués le long du côte opposé de chaque membrane reconstituent des conduits d'évacuation, branchés en parallèle, du liquide enrichi. Par ailleurs, chaque cadre (il2, 115, ou 116) comporte deux bordures opposées minces 125 et deux bordures opposées larges 126 dans lesquelles sont ménages des trous 129 analogues et correspondant à ceux qui sont pratiqués le long de n'importe quel côté d'une membrane anionique ou cationique.Si on considère chaque cadre par rapport aux deux membranes qui lui sont adjacentes dans l'empilement, on constate que les deux bordures minces 125 sont extérieures à la projection des orifices correspondants (119 et 120 par exemple) pratiqués le long de deux côtés opposés desdites membranes tandis que les trous 129 sont alignés avec ceux qui sont pratiqués le long des deux autres côtés opposés de ces mêmes membranes. En outre, les cadres sont identiques mais deux cadres superposés de part et d'autre d'une membrane sont décalés de 900. Il n'y a pas de sens préférentiel d'orientation des membranes dans l'empilement.Il apparatt donc clairement à ce stade de la description que la direction d'écoulement hydraulique dans les cellules de dessalinisation (cadre 112 par exemple) et la direction d'écoulement hydraulique dans les cellules d'enrichissement (cadre 115 ou 116 par exemple) sont croisées à 90 , ceci en raison des orientations différentes données dans l'empilement aux cadres appartenant aux cellules de dessalinisation et aux cadres appartenant aux cellules d'enrichissement.Avec une telle structure, il est clair que les conduits parallèles d'alimentation et d'evacuation des cellules de dessalinisation 111 traversent les bordures opposées larges 126 des cadres appartenant aux cellules d'enrichissement tandis que les conduits d'alimentation et d'évacuation des cellules d'enrichissement traversent les bordures opposées larges des cadres appartenant aux cellules de dessalinisation. Une comparaison de la structure qui vient d'être decrite avec celle de la figure 1 montre que pour une cellule de dessa linisation 111 par exemple, le liquide introduit par les trous 119 à l'intérieur du cadre 112 ne rencontre sensiblement aucune restriction d'ecoulement puisqu'il s'ecoule sensiblement suivant une nappe de même largeur que celle de l'ouverture interne du cadre 112. La récupération du liquide dessalinisé par les conduits reconstitues à partir des trous 120 se fait également sans restriction d'écoulement notable. Ceci est également vrai dans les cellules d'enrichissement de l'appareil.Ainsi, les diffuseurs sont totalement éliminés et les migrations d'ions s'operent de façon sensiblement égale sur toute la surface utile de chaque cellule, délimitée par la totalité de la surface de l'ouverture interne des cadres de l'empilement. Il est d'autre part à noter que la forme et le nombre de trous pratiqués le long des bords des membranes et dans les bordures larges des cadres ne sont nullement limitatifs. Il suffit qu'il y ait un même nombre de trous identiques et espacés de la même façon dans lesdites membranes et dans lesdites bordures larges pour que ceux-ci puissent reconstituer des conduits parallèles dans l'empilement. Il est préférable que ces trous s'étendent le long de la plus grande partie possible d'un côté de cellule. On pourrait même envisager de remplacer chaque groupe de trous 119, 120 ou 121 ou 122 ou 129 par une seule fente, respectivement, s'étendant le long des bords des membranes ou cadres, si les caractéristiques mécaniques de ceuxci le permettaient. C'est dire que l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation spécifique qui vient d'être décrit mais comprend tous les équivalents techniques des moyens mis en jeu si ceuxci le sont dans le cadre des revendications qui suivent. REVENDICATIONS 1. Dispositif S electrodialyse comportant une succession alternée de cellules de dessalinisation (111) et de cellules d'enrichissement hydrauliquement branchées en parallèle, respectivement, en deux circuits hydrauliques indépendants et connectées électrique ment en série avec une source de tension, chaque cellule comportant deux faces principales opposées constituées respectivement par une membrane anionique (113) et une membrane cationique (114), caractérisé en ce que la direction d'écoulement hydraulique dans lesdites cellules de dessalinisation et la direction d'écoulement hydraulique dans lesdites cellules d'enrichissement sont croisées (figure 2) de préférence sensiblement à 906. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les membranes (113, 114) précitées définissant en partie lesdites cellules sont sensiblement carrées. 3. Dispositif selon la revendication 2,.du type dans lequel les cellules sont matérialisées par, outre lesdites membranes, des cadres (112, 115, 116) comportant à leur périphérie des éléments de conduits sous la forme de trous destinés à venir en regard d'autres éléments de conduits analogues pratiqués en bordure desdites membranes, le montage parallèle desdites cellules analogues étant réalisé par empilement serré desdits cadres et desdites membranes, caractérisé en ce que de tels éléments de conduits (119, 120, 121, 122) sont régulièrement agencés le long des quatre côtés de chaque membrane tandis que chaque cadre (112, 115, 116) comporte deux bordures opposées minces (125) extérieures à la projection des orifices correspondants pratiqués le long de deux côtés opposés desdites membranes et deux bordures opposées larges (126) dans lesquelles sont ménagés des trous (129) correspondant à ceux pratiqués le long des deux autres côtés opposés desdites membranes et en ce que deux cadres successifs superposés de part et d'autre d'une membrane sont décalés de 900 l'un par rapport à l'autre. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les quatre bords de chaque membrane et les deux bordures larges de chaque cadre comportent un même nombre de trous identiques, espacés de la même façon et qu'ils s'étendent au voisinage de la plus grande partie d'un côté de cellule.