Brevet FR2629447A1 — publié le 19891006

Procédé et dispositif de déminéralisation de fluides La présente invention utilise les actions conjuguées et simultanées d'un champ électrique et d'un champ magnétique pour déminéraliser un fluide. Un des domaines d'application de l'invention est celui, trés important, de la déminéralisation et du dessalement de 1 eau pour répondre aux problèmes posés par l'augmentation des besoins pour les usages domestiques, industriels et agricoles. Cette-application fait l'objet de l'exposé qui suit. Les techniques de déminéralisation et de dessalement reconnues utilisables et susceptibles mètre commercialisées peuvent être classées en trois catégories : Procédés agissant sur les liaisons chimiques: échanges d'ions formation d'hydrates, extraction par solvants; Procédés utilisant des membranes: électrodialyse, osmose inverse; Procédés faisant intervenir un changement de phase: congélation, distillation. Le procédé d'électrodialyse utilise la migration des ions positifs au travers d'une membrane de type C et la migration des ions négatifs au travers d'une membrane de type A sous l'influence d'une tension continue entre deux électrodes. Ce procédé n'a pas connu le développement espéré en raison de difficultés importantes d'exploitation: les membranes laissent passer des ions qu'elles devraient arrêter, la résistance électrique de ce membranes et leur polarisation sont cause d'une augmentation sensible de 1 consommation d'énergie électrique; les dépôts de sels et la prolifération d'organismes vivants sont trés gênants; il ne s'applique guère qu'à des eaux modérément salines. D'autres procédés électriques utilisent la formation de dépôts sur des électrodes plongées dans un bain électrolytique pour extraire de la minéralisation. Mais il ne sont d'un grand intérêt que pour la galvanoplas tie, l'électrolyse de sels fondus, l'affinage des métaux. L'invention diffère des procédés existants en ce qu'elle n'utilise pas de membrane, qu'elle conjugue les effets d'un champ électrique et d'un champ magnétique auxquels peut s'ajouter l'écoulement hydraulique, que son fonctionnement et son entretien sont extrêmement simples et ne demandent que 1 manoeuvre de vannes d'admission, de puisage et de purge. Un dispositif suivant l'invention comporte une cellule de traitement dans laquelle l'eau est soumise aux actions conjuguées et simultanées d'un cham électrique et d'un champ magnétique, tous deux agissant suivant un même axe et une même directionqui est aussi, de préférence, celle de l'écoulement du fluide. Lorsque leau à traiter pénètre dans la région de la cellule soumise à l'action des deux champs, les particules ionisées qui composent en partie sa minéralisation, sont telles que des charges électriques soumises à l'influence des deux champs/ l'influx du champ magnétique modifiera la direction de leur mouvement sans modifier leur vitesse; l'influx du champ électrique exercera une force qui modifiera leur énergie cinétique.La résultante de l'action simultanée des deux champs ( orientés dans le même sens) tend à produire un mouvement hélicoïdal des particules ionisées. Ces particules se dirigent,sous les actions des deux champs, dans le mouvement hélicoïdal mais dans des directions opposées. L'entrée tangentieue de l'eau brute dans la cellule engendrera un mouvement circulaire se transformant en mouvement hélicoïdal de même sens que la résultante hélicoïdale des actions des deux champs.Les conditions du déplacement des particules sont réunies lorsque : Les actions des deux champs sont simultanées et stables; Les actions des deux champs s'exercent dans la même région et sur un axe commun; Le mouvement hydraulique de 1 'eau est hélicoïdal et de même sens que la résultante des actions des deux champs, l'évacuation de l'eau épurée pouvant se faire par une tubulure coaxiale à la virole de la cellule et à l'opposé de l'entrée de l'eau brute. Le puisage d'eau épurée aura pour conséquence une augmentation de la concentration de la minéralisation. Des purges tangentielles dans le même sens que le mouvement hydraulique, permanentes ou intermittentes, seront effectuées vers les extrémités de la cellule. Pour vérifier le bien fondé de notre théorie : un dispositf selon l'invention a été testé sur de l'eau potable à déminéraliser. Voir figure 1. La cellule de traitement utilisée (1) est en matière isolante, de forme cylindrique comportant une augmentation de diamètre à chaque extrémité. La cellule est fermée à chaque extrémité par un disque (7) constituant l'anode et un disque (6) servant de cathode pour établir la différence de potentiel du champ électrique. Un solénoïde (8) constitué par un bobinage sur la face externe de la partie de plus faible diamètre de la cellule, a sa face Sud tournée vers l'anode (7). L'alimentation en énergie électrique du système anode-cathode et du solénoïde peut être un courant continu commun dont on commande l'intensité mais, aussi, deux courants continus indépendants et règlables séparément. L'eau brute pénètre par une tuyauterie (2) raccordée tangentiellement à la virole de la cellule (1), dans sa partie proche de 1' anode (7).L'eau épurée quitte la cellule (1) par une tuyauterie (3) coaxiale à la virole et dont l'origine se situe légèrement au-delà du solénoïde (8) vers la cathode (6). Cette tuyauterie traverse l'anode (7). Le sens d' écoulement de l'eau à traiter est de 1 anode (7) vers la cathode (6). Le ser d'écoulement de l'eau épurée dans la tuyauterie (3) est à l'inverse de cel de l'eau chargée. L'entrée tangentielle de l'eau brute (2) lui donne un mo# vement circulaire et son écoulement vers l'extrémité de la tuyauterie (3) transforme ce mouvement en flux hélicoïdal de même sens que la résultante hélicoïdale des actions conjuguées et simultanées du champ électrique, établi entre l'anode (7) et la cathode (6), et du champ magnétique, généré par le solénoïde (8), sur les particules ionisées.Ces actions se poursui vent jusqu'à proximité de la cathode (6) et de l'anode (7) suivant que les particules ionisées subissent des forces de répulsion ou d'attraction. Aux extrémités de plus grand diamètre de la cellule (1), le pas hélicoïdal est faible tandis qu'il s allonge dans la partie rétrécie centrale en augmen tant la vitesse de translation des particules dans les deux sens. Aux extr mités les trajectoires des particules ionisées "s'écrasent", leur pas se réduit jusqu'au zéro équivalant à un mouvement circulaire annulant la vi tesse de translation des particules. La résultante des actions des deux champs sur les particules ionisées en mouvement circulaire est la transfor mat ion de ce mouvement en une trajectoire hélicoïdale amplifiée qui écarte les particules de l'axe central de la cellule (1).C'est dans cette zône que se situe le départ d'eau épurée (3). De ce fait, la concentration de 1 minéralisation augmentant, des purges , intermittentes ou continues pour 1 gros débits, seront effectuées par les tuyauteries (4) et (5) raccordées tangentiellement à la cellule (1) de manière que ces purges accélèrent le mouvement hydraulique. Toute la cuverie et la tuyauterie sont en matière isolante (verre; fibres de verre, matières plastiques, etc...). Le mouveme hélicoïdal est nécessaire pour permettre de vaincre la résistance aux déplu cemen#des'particules,consécutive à la viscosité acquise par l'eau et en cas de traitement d'autres fluides visqueux.Au cours de ces essais; la dureté calcique de l'eau brute a pu être ramenée de 28 à 4-5 pour 1 'eau épurée. D'autres essais ont mis en évidence qu'en utilisant uniquement le mouvement hélicoïdal généré par les actions des deux champs sur les parti cules ionisées, sans le mouvement hélicoïdal hydraulique, les résultats obtenus sont faibles et que cette application reste trés limitée quant aux débits pouvant être traités ou quant à la qualité du fluide à traiter. D'autres formes de cellule et d'autres montages peuvent être envisagés pou produire les champs électriques et magnétiques notamment par l'emploi d' aimants ou d'électro-aimants aux extrémités de la cellule, l'idée maitress étant les actions conjuguées et simultanées des deux champs sur les parti cules ioniques, complétées par un mouvement hélicoïdal hydraulique. Compte tenu de la théorie exposée et des résultats obtenus, la forme de la cellule de traitement et de ses équipements peuvent être représentés suivant la figure 2 qui est une des meilleures manières de réaliser l'invention: la cellule (1) se compose d'une partie centrale cylindrique, prolongée de part et d'autre par une partie tronconique S'évasant vers l'extrémité, laquelle est constituée d'une partie cylindrique du diamètre le plus grand. Chaque extrémité est fermée par un disque anode (7) et un disque cathode (6). L'eau brute (2) arrive tangentiellement dans la partie centrale. Le départ d'eau épurée (3) forme un té dans la partie centrale de manière à puiser l'eau pure coté anode et coté cathode. Chacun des puisages est commandé par des obturateurs (8) et (9) règlables en fonction du pH désiré pour 1 'eau épurée. Deux purges tangentielles (4) et (5), installées à chaque extrémité de la cellule, permettent la déconcentration minérale séparée des anions et des cations. Le dispositif est complété par un solénoïde (10) bobiné sur la partie centrale de la cellule. Le dispositif schématique représenté par la figure 2 permet d'adapter les résultats en fonction des besoins. La séparation anions-cations est effective. Il est possible d'obtenir une déminéralisation plus poussée des anions ou des cations en privilègiant l'une ou 1' autre des purges (6) ou (7) et encore en obturant par (8) et (9) plus ou moins l'un ou l'autre des puisages d'eau épurée.Tous ces règlages peuvent être modifiés et automatisés selon chaque besoin particulier: correction des eaux, neutralisation, besoins spéciaux, teintureries, photographie verrerie, stérilisation,etc...Une déminéralisation plus poussée sera obtenue par l'uti lisation d'appareils en série. Une utilisation en série est préferable pour les eaux fortement minéralisées comme pour le recyclage des eaux des lagunages des stations d'épuration communales et industrielles. Le traitement des purges permettra l'extraction de sous-produits tandis que le mélange des purges procurera des sédiments utilisables comme amendements. Le domaine d'application du procédé et dispositif selon l'invention trouve son application la plus importante dans la déminéralisation, le conditionnement des eaux de surface et des nappes phréatiques ainsi que dans le dessalement de l'eau de mer en raison des immenses besoins, sans cesse croissants, pour les ménages, l'industrie, l'agriculture,... REVENDICATIONS l)Procédé permettant la purification et/ou la déminéralisation et/ou le conditionnement et/ou le dessalement de fluides minéralisés et dispositif caractérisé en ce qu'il comporte : une cellule de traitement (1) fermée à ses extrémïtés par deux électrodes (6) & (7) établissant un champ électrique; équipée d'un solénoïde (10) bobiné sur sa partie centrale et générant un champ magnétique; pourvue d'une entrée tangentielle de fluide brut (2) en son centre; équipée d'une sortie de fluide traité (3) puisant coté anionique et cotécationique suivant son axe; munie d'obturateurs (8) & (9) sur les puisages de fluide traité; équipée de purges tangentielles (4) & 5 à ses extrémités; 2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la cellule de traitement (1) est formée d'une partie centrale cylindrique prolongée de part et d'autre d'une partie tronconique s'évasant vers l'extremité et se terminant par une partie cylindrique du plus grand diamètre; 3) Dispositif selon les revendications 1 & 2 caractérisé en ce que l'entre tangentielle (2) du fluide brut engendre un mouvement circulaire se transformant en hélicoïdal en direction des extrémités;; 4) Dispositif selon les revendications là 3 caractérisé en ce que le fluide est soumis aux actions conjuguées et simultanées d'un champ électrique et d'un champ magnétique, tous deux agissant suivant un même axe et une même direction qui est aussi, de préférence, celle de l'écoulement du f1uide,l# particules ionisées étant telles que des charges électriques soumises à leurs influences; 5) Dispositif selon les revendications 1 à 4 caractérisé en ce que la rést tante des actions conjuguées et simultanées des deux champs sur les particules ionisées (forces d'attraction et de répulsion pour le champ électrique, orientation du mouvement pour le champ magnétique) est un mouvement hélicoïdal de même sens que le mouvement hélicoïdal hydraulique avec leque il se conjugue pour accélérer la translation des anions et des cations; 6) Dispositif selon les revendications 1 à 5 caractérisé en ce que le ou : courants déterminant la puissance du champ électrique et du champ magnétic sont calculés en fonction du fluide minéralisé, des aimants ou électroaimants pouvant être installés aux extrémités de la cellule (1) en complément ou en remplacement du solénoïde (10); 7)Dispositif selon les revendications 1 à 6 caractérisé en ce que le mouvement des particules ionisées va en s'élargissant du centre vers les extrémités et, de ce fait, les deux puisages de départ de fluide traité (3) s' effectuent dans une zone déminéralisée, suivant l'axe de la cellule (1) et à contre courant; 8) Dispositif selon les revendications 1 à 7 caractérisé en ce que la manoeuvre des obturateurs (8) & (9) permet d'agir sur la qualité du fluide traité, en particulier sur le pH des liquides, en diminuant ou supprimant le débit de l'un ou l'autre des puisages de départ (3); 9) Dispositif selon l#s revendications 1 à 8 caractérisé en ce que les purges tangentielles(4) et (5) de déconcentration. de la minéralisation contribuent à l'entretien du mouvement hydraulique et, suivant leurs fréquences et leurs débits, peuvent évacuer ou garder davantage de minéralisation alcaline ou acide; 10) dispositif selon les revendications 1 à 9 caractérisé en ce que la cuverie, les tuyauteries, les obturateurs sont réalisés en matière isolante.