Brevet FR2636059A1 — publié le 19900309

La présente invention concerne les dispositifs élec- tro-chimiques pour l'épuration de milieux liquides, et plus marticulièremient, les électrolyseurs à électrodes chargées en vrac servant à débarrasser les milieux liquides de différen- tes impuretés. L'invention peut être apnlirque dans les industries cnimique, électrochimique, de construction mécaniaue, énerg - tique, alimentaire et autres, essentiellement pour purifier des milieux liquides en éliminant différentes impuret s par coagulation de particules en suspension, par absorbtion d'im- puretés, par exemnle, des ions de métaux lourds, par réduc- tion du chrome hexavalent, par modification de la réaction active (pl) et du potentiel d'oxvdo-réduction (Eh) du milieu liquide. Il existe toute une série d'électrolyseurs servant à l'épuration de milieux liquides qui contiennent des élec- trodes formées de copeaux, charaées en vrac. Par exemple, il existe un électrolyseur décrit dans SU, A, 700 468. Cet électrolyseur comporte une cuve cylindrique ver- ticale électroconductrice qui contient une charge de copeaux en vrac munie d'une amenée de courant anodique disposée dans la bartie inférieure de la cuve, une cathode perforée en for- me de lame placée au-dessus de ladite charge et isolée par rapport à celle-ci par une membrane diélectrique perforée, une tubulure d'amenée du milieu liquide d'égout à la charge et une tubulure d'évacuation du milieu liquide traits dispo- sée dans la partie supérieure de la cuve. Dans cet électrolyseur, la dissolution de la charge a lieu au passage du liquide à travers la charge immobile. C'est pourquoi, les produits de l'électrolyse se formant lors du fonctionnement de l'flectrolyseur, encrassent la charge ce qui provoque l'augmentation de la résistance ohmi- que de l'électrode de copeaux en vrac, la formation de zones mortes dans le volure de l'électrode. Compte tenu de ce qui précède, lors du fonctionne- ment avec un électrolyseur donné, il faut procéder à des ré- générations périodiques à l'eau et à l'air de la charge et son lavage avec des solutions d'acides. Outre cela, ces électrolyseurs ont une surface d'électrode utile faible, bien que le volume de l'électrolyseur proprement dit soit important. L'amenée de courant anodique est disposée dans de telles structures au fond du corps, à une grande distan- ce de la cathode, ce qui implique une haute résistance ohmique de la cellule d'électrolyse. Donc, les électrolyseurs de cette conception sont peu efficaces comme les épurateurs de milieux liquides; Il existe également un électrolyseur décrit dans SU, A, 1 122 618 qui comporte une cuve cylindrique vertica- le pourvue de couvercles d'extrémité installée de manière à pouvoir tourner autour de son axe, reliée au pôle positif d'une source de courant et remplissant la fonction d'une des électrodes de l'électrolyseur, une charge de particules de matériau conducteur placée dans la cuve, une deuxième électrode formant cathode cylindrique, disposée au centre de la cuve, coaxialement à cette dernière, et isolée par rapport à la charge par une membrane en di lectrique. Dans un couvercle d'extrémité, est montée une tubulure d'amenée du milieu liquide dans l'électrolyseur, et, dans le second couvercle, est montée une tubulure d'évacuation du milieu liquide traité. L'électrolyseur fonctionne avec la cuve en position verticale, la charge se trouvant dans des conditions stati- ques, ce qui provoque un encrassement intense de la charge. Pour la régénération de la charge, on cesse le traitement du milieu liquide, on met la cuve de l'électrolyseur en po- sition horizontale et, à l'aide d'un moteur, on réalise la rotation de la cuve autour de son axe longitudinal, pour assurer le déplacement de la charge de copeaux en vrac afin de la nettoyer. Cependant, ces mesures sont peu efficaces et ne permettent pas de réaliser le nettoyage dp la charge et de la membrane disposées dans la partie centrale de la cuve. Lors du fonctionnement de l'électrolyseur connu avec une rotation constante du corps, il faudrait réaliser une construction particulière des amenées de courant et des tubulures d'amenée et d'évacuation du milieu liquide qui permettent de réaliser une telle rotation. Cependant, le fonctionnement de l'électrolyseur ayant la construction in- diquée avec une disposition relative des électrodes et de la cuve ne permet pas d'obtenir le résultat voulu. Ceci est dû au fait que la charge dans la partie centrale de la cuve ne se déplace presque pas lors de la rotation et ne change pas sa position ce qui fait que cette partie de l'électro- lyseur est la plus soumise à l'encrassement. L'invention vise à créer un électrolyseur pour l'épuration de milieux liquides ayant une structure et une disposition relative des électrodes qui permettraimtd'assu- rer la rotation de la cuve durant l'épuration du milieu li- quide en évitant un encrassement éventuel de la charge et en permettant de se passer de la régénération périodique de la charge de l'électrolyseur en réduisant ainsi la consomma- tion d'énergie et en élevant le rendement de l'électrolyseur. Le problème, ainsi posé, se trouve résolu par un électrolyseur pour l'épuration de milieux liquides qui com- porte une cuve cylindrique électroconductrice avec des cou- vercles d'extrémité, montée-de façon à pouvoir tourner autour de son axe, reliée à l'un des pôle d'une source de courant et remplissant la fonction d'une des électrodes de l'électro- lyseur, une charge de particules de matériau électroconduc- teur mise en vrac dans la cuve, une deuxième électrode reliée à l'autre pôle de la source de courant, disposée dans la cuve et isolée par rapport à la charge par une membrane de dié- lectrique, des tubulures d'amenée et d'évacuation du milieu liquide, caractérisé en ce que, la deuxième électrode est ré- alisée sous la forme d'une cloison divisant la cuve en deux chambres le long de l'axe de rotation de la cuve, alors que la membrane est constituée de deux parties répétant la forme de la cloison et disposées de part et d'autre de la cloison. Pour diminuer la tension d'électrolyse du milieu liquide, élever l'efficacité de son épuration, il est utile de disposer la cloison et lesdites parties de la membrane dans des plans parallèles inclinés sous un angle de 90 à 25 par rapport à l'axe de rotation du corps. Afin d'augmenter la quantité de métal à dissoudre et d'assurer le déroulement des processus cathodiques lors de l'électrolyse du milieu liquide à traiter, il est souhai- table de réaliser la cloison sous la forme d'une charge de particules de matériau conducteur disposée entre les deux parties de la membrane. L'avantage de l'électrolyseur pour l'épuration de milieux liquides réalisé conformément à l'invention réside dans le fait-que le processus de dissolution de la charge s'y déroule à une basse tension d'électrolyse, avec possibi- lité de régulation du pH et du Eh des liquides à traiter. La rotation permanente de la cuve crée des conditions favo- risant le nettoyage, l'élimination efficace de la surface de la membrane et de la charge électroconductrice des pro- duits de dissolution de cette dernière, permet de maintenir la surface de la charge en état actif et d'assurer une hau- te production d'ions et, par conséquent, une formation ac- tive d'hydroxydes de métal. Tout ceci contribue à diminuer la consommation de l'énergie électrique pour l'épuration du milieu liquide. Lors de l'utilisation d'une variante de l'électro- lyseur comprenant une deuxième électrode se présentant sous la forme d'une charge de particules de matériau électrocon- ducteur, cette charge peut être constituée de copeaux métal- liques, par exemple, solubles en un milieu alcalin, en par- ticulier de copeaux d'aluminium. Dans ce cas, lorsque la première électrode est en copeaux de fer, on peut obtenir un coagulant mixte fer-aluminium. Un des avantages de l'électrolyseur est la possibi- lité d'obtenir des ions et des hydroxydes de métal avec mo- dification simultanée de la valeur de la réaction active (pH) et du potentiel d'oxydo-réduction (Eh) du milieu aqueux. Dans ce cas, la cathode ou l'anode, ou les deux, peuvent être réalisées sous la forme d'une charge de parti- cules d'un matériau électroconducteur insoluble; par exem- pie, du coke ou du graphite. Ces versions d'utilisation de l'électrolyseur per- mettent d'intensifier le processus d'épuration de milieux liquides en éliminant différentes impuretés grace à l'ob- tention d'ions de métal de différents degrés d'oxydation lors de la dissolution de copeaux métalliques, par exemple; hydroxyde ferreux, hydroxyde ferrique, ains que grâce aux processus d'oxydo-réduction se déroulant à la surface d'une charge en matériau insoluble et dans le volume du milieu liquide traité dus au dégagement de gaz lors de l'électro- lyse. L'invention ressortira de la description des exem- ples concrets de son exécution schématisée sur les dessins annexés, sur lesquels: - la Figure 1 représente en perspective une vue d'en- semble d'un électrolyseur pour l'puration de milieux liqui- des, selon l'invention, sur un cadre de suspension; - la Figure 2 représente en coupe longitudinale le même électrolyseur que sur la Figure 1, sans cadre de suspension, agrandi; - la Figure 3 représente en coupe longitudinale une version de l'électrolyseur dans lequel une deuxième électro- de est réalisée sous la forme d'une charge de particules de matériau électroconducteur, selon l'invention; - la Figure 4 représente schématiquement un électroly- seur dans lequel la deuxième électrode et une membrane se trouvent dans des plans inclinés par rapport à l'axe de ro- tation de la cuve sous un angle de 45 , selon l'invention; - la Figure 5 représente le même électrolyseur que sur la Figure 4, mais dont la cuve est tournée de 90 autour de son axe de rotation; - la Figure 6 représente le même électrolyseur que sur la Figure 4, mais dont la cuve est tourn e ee 1 0 autour de son axe de rotation; - la Figure 7 représente le même électrolyseur que sur la Figure 4, mais dont la cuve est tournée de 270 autour de son axe de rotation. L'électrolyseur représenté sur les Figures 1, 2 comporte une cuve cylindrique 1 en matériau électroconduc- teur chimiquement insoluble, par exemple, en acier inoxyda- ble, relié électriquement à l'un des pmôles (dans l'exemple décrit, au pôle positif) d'une source de courant (non re- présenté sur les dessins) à l'aide de balais 2 et joue le rôle de l'une des électrodes, notamnment de l'anode de l'é- lectrolyseur. La cuvelest munie de couvercles d'extrémité 3 présentant des orifices centraux 4. A l'intérieur de la cuve 1, se trouve une charge 5 de particules de matériau électroconducteur, par exemple, de copeaux métalliques. Ou- tre cela, la cuve 1 contient une deuxième électrode de l'é- lectrolyseur réalisée sous la forme d'une cloison constituée par une plaque ronde 6, en un matériau chimiquement insolu- ble, par exemple en acier inoxydable, séparant la cuve 1 en deux chambres 7 et 8 le long de l'axe 9 de rotation de la cuve 1. La plaque 6 est fixée dans un anneau diélectrique 10 et est électriquement reliée au pôle négatif de la source de courant à l'aide du balai 2. La plaque 6 est isolée électri- quement de la charge 5 par une membrane diélectrique poreuse Il constituée de deux parties répétant la forme de la cloison en forme de plaque 6, chacune disposée d'un côté de la plaque 6. L'électrolyseur est également muni de tubulures 12 d'ame- née dans la cuve 1 du milieu liquide à traiter, dans ce qui suit de l'eau, fixée aux couvercles d'extrémité 3 et communi- quant avec l'intérieur de la cuve 1 à travers des orifices centraux 4. Des tubulures 13 d'évacuation d'eau purifiée sont disposées à l'intérieur des tubulures 12 concentrique- ment à ces derniers, les extrémités des tubulures 13 se trou- vant à l'intérieur de la cuve 1 sont courbées de façon que leurs extrémités d'entrée 14 se trouvent au-dessus de la charge 5 dans la partie périphérique des chambres 7, 8. Pour faciliter le prélèvement de l'eau pure de l'électrolyseur, les extrémités d'entrée 14 des tubulures 13 présentent des perforations supplémentaires. Sur la Figure 1, l'électrolyseur est représenté sur un cadre de suspension 15 fixé par l'intermédiaire de paliers de glissement 16 calés sur les tubulures 12, alors - que les tubulures 13 sont rigidement reliées au cadre 15 et restent immobiles lors de la rotation de la cuve 1 autour de l'axe de rotation 9. Le mouvement rotatif de la cuve 1 est obtenu à l'aide d'un moteur électrique 17 fixé au cadre de suspension 15. L'électrolyseur, représenté sur la Figure 3, est essentiellement identique à celui représenté sur les Figures 1, 2, mais différent par le fait que la deuxième électrode est réalisée sous la forme d'une charge 18 de particules de matériau électroconducteur placée entre les parties de la membrane 11. L'amenée du courant à la charge 18 se fait à l'aide d'un anneau conducteur 19 placé entre des anneaux isolants 20 avec les parties de la membrane 11 montées dans ceux-ci. Outre cela, dans cette version d'exécution de l'é- lectrolyseur, la fonction des tubulures d'évacuation de la cuve 1 de l'eau purifiée est remplie par des perforations 21 pratiquées dans les couvercles d'extrémité 3. Le nombre de chambres à électrodes disposées suc- cessivement dans l'électrolyseur selon l'invention peut dé- passer celui représenté sur la Figure 3 et dépend de la des- tination de l'appareil. La version de l'électrolyseur représentée schémati- quement sur les Figures 4, 5, 6, 7, diffère des versions re- présentées sur les Figures 1, 2, 3, par le fait que sa deu- xième électrode, constituée par la plaque 6, et les parties de la membrane 11 sont disposées dans des plans parallèles inclinés sous un angle de 90 à 25 par rapport à l'axe de rotation de la cuve 1. Dans l'exemple décrit, ces plans sont inclinés sous un angle de 45 par rapport à l'axe de rota- tion 9. L'électrolyseur fonctionne de la façon suivante. L'eau à épurer passe par la tubulure 12 (Figure 1, 2) à l'intérieur de la cuve 1 de l'électrolyseur. A l'aide du moteur électrique 17, la cuve 1 est mise en rotation au- tour de l'axe 9. Sous l'action du courant appliqué aux élec- trodes de l'électrolyseur (cuve 1 et plaque 6), a lieu l'é- iectrolyse de l'eau avec dissolution de la charge électro- conductrice 5 (dans ce cas, on examine la version o la charge 5 se présente sous la forme de particules métalli- ques). La dissolution de la charge 5 est accompagnée de la formation d'ions ferreux (II) qui forment dans l'eau des composés hydroxydes, Les impuretés se trouvant dans l'eau à traiter sont coagulées et absorbées par l'hydroxyde ferreux (II) formé. L'eau ayant subi le traitement dans l'électroly- seur est évacuée par la tubulure 13 et transmise en vue d'une purification ultérieure vers un séparateur (par exem- ple, un filtre). S'il y a besoin d'obtenir le coagulant sous la for- me d'un mélange d'hydroxydes quelconques, par exemple, de l'hydroxyde ferreux et d'aluminium, on met dans l'électroly- seur des charaes en copeaux 5, 18 (Figure 3) de ces métaux avec des pourcentages prédéterminés. Lors du fonctionnement de l'électrolyseur rempli d'une charge finement dispersée à haute densité, apparais- sent des difficultés d'évacuation du coagulant généré et des gaz d'électrolyse à partir de la partie centrale de l'appareil (qui lors de la rotation d'un électrolyseur chargé jusqu'à un niveau dépassant l'axe 9, reste immobile). Dans ce cas, il est très commode d'utiliser l'électrolyseur avec une électrode en forme de plaque 6 et une membrane 11 disposées sous un angle de 25 à 90 par rapport à l'axe 9 de rotation de la cuve 1. Une telle disposition de la deu- xième électrode et de la membrane 11 permet de séparer l'es- pace entre les électrodes de la cuve 1 avec sa charge en vrac 5, en chambres l'électrolyse de section variable dans les plans parallèles à l'axe de rotation 9 de la cuve 1, ce qui permet à la charge 5, lors de la rotation de la cuve 1, de se déplacer au-dessous de l'axe 9 de rotation de sorte que des zones mortes ne se forment plus, et que la surface d'interaction des électrodes d'anode et de cathode reste inchangée. Lors de l'utilisation de la version de l'élec- trolyseur représentée sur la Figure 3, o la cathode est constituée de particules de matériau électroconducteur (charge 18), et en tenant compte du fait que dans la cham- bre cathodique, par suite des réactions électrochimiques cathodiques, il y a alcalinisation de l'eau, on peut utili- S05 ser une charge 18 soluble dans le milieu alcalin, par exem- ple des particules d'aluminium. Au cas o il est nécessaire d'exclure la dissolu- tion de la charge métallique servant de cathode, elle est réalisée sous la forme d'une charge en matériau électrocon- ducteur insoluble (par exemple, en graphite, en acier ino- xydable). Dans ce cas, la charge 18 permet simultanément à l'obtention de l'hydroxyde de la charge anodique soluble, de conduire le processus de précipitation cathodique d'ions de métaux se trouvant dans l'eau traitée (par exemple, pré- cipitation des ions de cuivre à partir des eaux usées de procédés galvaniques). S'il est nécessaire d'exclure la dissolution de l'anode, elle peut être réalisée sous la forme d'une charge de particules de matériau électroconducteur chimiquement insoluble (par exemple, de graphite, de coke, d'acier ino- xydable). Dans ce cas, lors de l'application du courant électrique, par suite des réactions électrochimiques dans l'eau passée par la chambre anodique, on observe l'affai- blissement de la réaction active (pH) du milieu aqueux et dans la chambre cathodique, l'élévation du pH. Les solutions obtenues peuvent être ultérieurement utilisées pour réguler les propriétés de l'eau traitée, ceest-à-dire de réaliser son acidification ou alcalinisation sans introduire des ré- actifs quelconques. La variation possible de la gamme de ré- glage est d'un pH de 2 à 3 unités jusqu'à 10 à 11 unités. Lors de la réalisation de l'électrolyse avec une charge chimiquement insoluble (par exemple, de graphite), dans la cuve 1, il y a dégagement des gaz d'électrolyse. Par exemple, dans la chambre anodique de l'électrolyseur se dégagent de l'oxygène, du chlore et dans la chambre catho- dique, de l'hydrogène. Ceci permet de purifier de l'eau dans l'électrolyseur, lorsqu'il est nécessaire de réaliser l'épuration par oxydo-réduction, par exemple, l'oxydation d'impuretés de colorants d'origine organique. On a décrit les versions préférées d'exécution de l'invention servant à illustrer la présente invention, mais un spécialiste compétent comprend qu'elles peuvent subir des modifications ne sortant pas du cadre des revendications. i1 REVENDICATIONS 1. Electrolyseur pour l'épuration de milieux liqui- des qui comporte une cuve cylindrique électroconductrice (1) avec des couvercles d'extrémité (3) monté de façon à pouvoir tourner autour de son axe de symétrie, relié à l'un des pôles d'une source de courant et remplissant la fonction d'une des électrodes de l'électrolyseur, une charge (5) de particules de matériau électroconducteur mise dans la cuve (1), une deuxième électrode reliée à l'autre pôle de la sour- ce de courant, disposée dans la cuve (1) et isolée de la charge (5) par une membrane diélectrique (11), des tubulures 112, 13) d'amenée et d'évacuation du milieu liquide, carac- térisé en ce que la deuxième électrode est réalisée sous la forme d'une cloison séparant la cuve (1) en deux chambres (7, 8) le long de l'axe de rotation (9) de la cuve (1) et la membrane (11) est constituée de deux parties répétant la forme de la cloison, ces parties étant disposées de part et d'autre de la cloison. 2. Electrolyseur pour l'épuration de milieux liqui- des selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cloi- son et les parties de la membrane (11) sont disposées dans des plans parallèles inclinés sous un angle de 90 à 25 par rapport à l'axe de rotation (9) de la cuve. 3. Electrolyseur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la cloison est constituée de particu- les d'un matériau électroconducteur et est constituée par une charge placée entre les deux parties de ladite membrane (11).