Brevet FR2555979A1 — publié le 19850607

La présente invention concerne des électrodes destinées à être utilisées pour une désionisation électro- chimique. L'extraction électrochimique des ions des solu- tions aqueuses, parfois appelée désionisation électrochi- mique, est déjà connue comme décrit par exemple dans le brevet britannique n 1 247 732 et le brevet correspondant des Etats-Unis d'Amérique n 3 533 929. Il comprend essen- tiellement la formation d'une cellule électrochimique contenant la solution aqueuse comme électrolyte, une élec- trode de travail et une électrode auxiliaire, l'électrode de travail au moins comprenant un matériau d'échange d'ions tel qu'une résine, et l'application d'un potentiel continu à l'électrode de travail. Un potentiel cathodique est appliqué à l'électrode de travail qui constitue une- élec- trode sensible aux cations lorsque les cations doivent être retirés de la solution. Une variation localisée du pH est ainsi produite au niveau de l'électrode étant donné la création d'ions OH- qui produisent à leur tour des sites actifs pour l'adsorption des cations de la solution aqueuse. La régénération de l'électrode de travail est réalisée par inversion de sa polarité si bien que les cations adsorbés sont élués dans un milieu aqueux. La cellule peut aussi fonctionner d'une manière analogue dans laquelle l'électrode de travail est sensible aux anions, la cellule étant destinée à retirer les anions d'une solution aqueuse ou, lorsque l'électrode de travail est sensible aux cations et l'électrode auxiliaire est sensible aux anions, les anions et les cations peuvent être retirés. Un avantage particulier de la désionisation électrochimique est que la régénération de l'électrode de travail peut être réalisée sans addition de composés chimi- ques. L'électrode de travail peut comprendre un support d'alimentation en courant contenant un mélange intime d'une aatiere d'échange d'ions et un liant. Le mélange peut aussi comprendre une matière conductrice de l'électricité. Des exemples de matières convenables sont le carbone (par exemple sous forme d'un feutre de carbone) comme organe d'alimentation en courant, une résine échangeuse d'ions comme matière d'échange d'ions, du graphite comme matière conductrice de l'électricité, et un élastomère adhésif comme liant. Un problème particulier dans l'utilisation d'une telle électrode de travail pour la désionisation électro- chimique est celui du maintien de l'adhérence entre l'organe d'alimentation en courant et le mélange. Ainsi, on a cons- taté en pratique que des bulles avaient tendance à se former entre eux et à réduire ainsi les caractéristiques de l'électrode. La présente invention concerne la résolution du problème précité. Ainsi, l'invention concerne une élec- trode destinée à être utilisée dans une désionisation électrochimique et comprenant un support d'alimentation en courant, portant un mélange intime d'une matière d'échange d'ions et d'un liant, une enveloppe externe inerte et perméable à l'électrolyte adhérant au mélange afin qu'elle maintienne le mélange au contact de l'organe d'alimentation en courant pendant l'utilisation de l'électrode au cours d'une désionisation électrochimique. L'enveloppe externe doit être perméable à l'élec- trolyte afin que celui-ci puisse la traverser et permette un contact satisfaisant entre un électrolyte et le mélange lors de l'utilisation de l'électrode dans une cellule électrochimique. Par exemple, l'enveloppe peut être sous forme d'une étoffe ayant des pores ouverts dont la dimen- sion est de l'ordre de plusieurs microns (par exemple inférieure à 20 microns). Le terme "inerte" indique que la matière de l'enveloppe ne réagit pas avec un réactif quelconque ou une autre matière qui peut être présente lors de l'utilisation de l'électrode dans une cellule électrochimique et en particulier qu'èlle ne participe pas à une réaction électrochimique quelconque. Un exemple particulier de matière de l'enveloppe externe est une étoffe de polyamide non-tissée ayant par exemple une dimen- sion maximale de pores de 18 microns. L'organe d'alimentation en courant peut par exemple être un feutre de carbone amorphe ou un feutre de graphite ou une toile métallique par exemple formée d'acier inoxydable, de titane platiné, de nickel ou de platine. Des organes métalliques d'alimentation en courant sont préférables étant donné leur plus grande stabilité au cours de cycles répétés. La matière d'échange d'ions peut par exemple être une résine échangeuse d'ions, par exemple connue dans la technique et elle est de préférence mais non obligatoirement présente sous forme finement divisée, par exemple avec une dimension particulaire de l'ordre de 00 microns. Le liant peut par exemple être un élastomère adhésif de type connu dans la technique. Le mélange intime peut aussi contenir une matière conductrice de l'électri- cité telle que le graphite sous forme finement divisé. L'enveloppe peut avoir un organe de retenue destiné à empêcher la déformation de l'électrode pendant l'utilisation, l'organe de retenue étant disposé et adapté de manière qu'il permette l'accès de l'électrolyte à l'enve- loppe lors de l'utilisation de l'électrode. Ainsi, l'organe de retenue oblige les gaz formés à l'interface de l'organe d'alimentation en courant et de la matière d'échange d'ions a s'échapper de l'électrode par ses bords et ne provoque pas de déformation de la matière d'échange d'ions. L'organe de retenue aide aussi l'enveloppe à encaisser les contraintes dues à l'hydratation ainsi qu'à la dilatation et à la contraction de la matière d'échange d'ions. L'organe de retenue, lorsqu'il est présent, peut être sous forme d'une toile métallique (par exemple du metal déployé) ou d'une matière plastique, les espaces de la toile permettant l'accès de l'électrolyte à l'enve- ]oppe lors de l'utilisation de l'électrode. Il peut aussi constituer un organe facilitant la turbulence et améliorant ainsi le contact de l'essentiel de l'électrolyte avec l'électrcde. Le cas échéant, l'organe de retenue (lorsqu'il est formé de métal) peut être adapté et réalisé afin qu'il délimite un espace pour l'électrolyte entre lui-même et l'enveloppe, par exemple en étant sous forme d'une toile non aplatie. Ceci permet à l'électrode de l'invention d'être utilisée sous forme d'une paire d'électrodes, l'or- gane de retenue constituant une électrode auxiliaire. L'es- pace pour l'électrolyte est donc réduit de façon très importante par rapport à une cellule électrochimique dans laquelle une électrode auxiliaire séparée est utilisée. La tension de la cellule est ainsi réduite et permet des caractéristiques accrues de l'électrode. Ceci est particu- lièrement utile pour les faibles concentrations d'électro- lyte, lorsque la conductivité de l'électrolyte est faible. Manifestement, la matière d'échange d'ions n'a pas à être un conducteur électronique dans ces conditions, le courant étant transporté à travers elle par conduction ionique. L'organe de retenue peut être maintenu en place par un adhésif, par exemple à base d'une résine époxyde. L'électrode selon l'invention peut être formée par mise en contact de l'organe d'alimentaton en courant avec un mélange intime de la matière d'échange d'ions et d'une solution du liant dans un solvant de celui-ci afin qu'une électrode "humide" soit formée, par application de l'enve- loppe par-dessus afin que la solution de liant pénètre dans les pores de l'enveloppe ou traverse l'enveloppe, et par séchage donnant l'électrode finale. Suivant la sélection convenable des matières et des conditions de travail, l'électrode selon l'inven- tion peut être utilisée comme électrode de travail dans une cellule électrochimique de désionisation électrochimique de cations ou d'anions ou des deux, par exemple pour l'adou- cissement de l'eau ou pour l'extraction des cations de métaux lourds. Plusieurs procédés de mise en oeuvre de l'inven- tion sont maintenant décrits a titre purement illustratif en référence au dessin annexé dont la figure unique est une coupe schématique d'une électrode selon l'invention. Sur le dessin, un organe d'alimentation en courant sous forme d'une toile 1 est entouré d'un mélange 2 d'une matière d'échange d'ions et d'un liant de celle-ci. Le mélange 2 est entouré par une enveloppe externe 3 d'étoffe non-tissée qui est maintenue par un organe 4 de retenue sous forme d'une toile. Les directions de retenue appliquée par l'organe 4 sont indiquées par les flèches a. Exemple 1 Un organe d'alimentation en courant sous forme d'un feutre de carbone (vendu dans le commerce sous la dénom- mination "RVC 1000")a été imprégné de toluène. Un mélange d'une résine échangeuse d'ions en poudre (dimension parti- culaire 100 microns, formée de la matière vendue dans le commerce sous la dénommination CG 50). de poudre de graphite, d'un élastomère (vendu dans le commerce sous la dénommination "Cariflex" TR1101) et de toluène, dans lequel l'élastomère a été dissous, a été alors appliqué au feutre imprégné (c'est-à-dire sans que le feutre puisse sécher) à la brosse afin qu'il se forme une électrode "humide". Une étoffe non-tissée de polyamide (dimension maximale de pores 18 microns, épaisseur 0,3 mm, vendue dans le commerce sous la dénommination "Viledon" FT 2118) de dimension suffisante pour qu'elle recouvre l'électrode humide a été appliquée immédiatement à celle-ci et la surface de l'étoffe a été frottée afin que le graphite et l'élastomère traversent les pores. L'électrode a alors été séchée peDdant 2 h afin qu'elle forme l'électrode finale ayant une surface de 175 cm2 et contenant 3,5 g de résine, 3,5 g de poudre de graphite et 2 g d'élastomère. Exemple 2 Un organe d'alimentation en courant tel qu'utilisé dans!'exemple 1 a été imprégné d'un mélange de poudre de graphite, d'élastomère "Kraton" et de toluène afin qu'il puisse sécher. Un traitement supplémentaire destiné à former l'électrode finale était exactement comme décrit dans l'exemple l, après imprégnation de l'organe d'alimentation en courant par le toluène. Exemple 3 On a préparé une électrode comme décrit dans l'exemple 1. Une toile métallique déployée de titane platiné, ayant des parties ouvertes en losanges d'environ 3 à 4 mm de dimension et des parties métalliques d'environ 1 mm d'épaisseur, a été appliquée à l'étoffe afin qu'elle soit à son contact et collée par celle-ci par les bords à l'aide d'un adhésif à base de résine époxyde. Ceci a formé une électrode telle que décrite précédemment en référence au dessin annexé. REVENDICATIONS I. Electrode destinée à la désionisation électro- chimique, comprenant un support d'alimentation en courant (1) portant un mélange intime (2) d'une matière d'échange d'ions et d'un liant, caractérisée en ce que le mélange porte une enveloppe externe interne (3) perméable à l'élec- trolyte, adhérant au mélange et destiné à maintenir celui-ci au contact de l'organe d'alimentation en courant pendant l'utilisation de l'électrode dans une désionisation électro- chimique. 2. Electrode selon la revendication 1, caracté- risée en ce que l'enveloppe (3) est sous forme d'une étoffe à pores ouverts dont la dimension est de l'ordre de plu- sieurs microns. 3. Electrode selon la revendication 2, caracté- risée en ce que l'étoffe est une étoffe non-tissée de polya- mide. 4. Electrode selon l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisée en ce que l'enveloppe a un organe de retenue (4) destiné à empêcher la déformation de l'électrode pendant l'utilisation ou à favoriser la turbulence et à améliorer ainsi le contact entre l'électro- lyte et l'électrode, l'organe de retenue (4) étant disposé et réalisé afin qu'il donne accès à l'enveloppe à l'électro- lyte lors de l'utilisation de l'électrode. 5. Electrode selon la revendication 4, caracté- risée en ce que l'organe de retenue (4) est sous forme d'une toile métallique ou de matière plastique. 6. Electrode selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisée en ce que l'organe de retenue (4) est métallique et est réalisé et disposé de manière qu'il d-limite un espace pour l'électrolyte entre lui-même et l'enveloppe et permette ainsi a l'organe de retenue d'être utilise comme electrode auxiliaire dans une désionisation électrochimique. 7. Procédé de réalisation d'une électrode selon la revendication 1, caractérisé par les étapes suivantes: (i) mise en contact de l'organe d'alimentation en courant (1) avec un mélange intime {2) contenant la matière d'échange d'ions et une solution du liant dans un solvant de celui-ci afin qu'une électrode humide soit formée, (ii) l'application de l'enveloppe (3) au mélange afin que la solution du liant pénètre dans les pores de l'enveloppe, et (iii) le séchage destiné à former l'électrode finale. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé par l'étape supplémentaire d'application, à l'enveloppe externe, d'un organe de retenue (4) destiné à empêcher la déformation de l'électrode pendant son utilisation.