Brevet FR2697950A1 — publié le 19940513

DISPOSITIF POUR LA PRODUCTION DE CHAMPS ELECTROSTATIQUES DE BASSES TENSIONS DANS LES SOLUTIONS AQUEUSES MINERALISEES La présente invention concerne un dispositif permettant la production de champs électrostatiques de basses tensions dans les solutions aqueuses minéralisées. Il est connu de l'homme de l'art que si on applique un champ électrique E entre au moins deux électrodes au contact d'une solution aqueuse minéralisée donc de conductivité élevée, il se forme presque immédiatement les déplacements de charges électriques au sein du liquide qui s'opposent très rapidement à la pénétration du champ électrique dans le milieu. Une conduction ionique apparait, c'est ce que l'on appelle communément l'électrolyse. Le champ ne pénétre donc dans la solution aqueuse, qu'un très court temps après la mise sous tension.Ce temps se calcule comme étant le produit de la valeur de la permivité du liquide par la valeur de sa résistivité. Il est aussi connu de l'homme de l'art que la conductivité des solutions aqueuses minéralisées est élevée et que cela se traduit par le fait que le temps durant lequel le champ électrique pénétre la solutions aqueuse est excessivement court Pour permettre la propagation de champs électriques dans les solutions aqueuses minéralisées, l'homme de l'art utilise traditionnellement des champs de très hautes fréquences en utilisant des électrodes isolées. Les problèmes rencontrés dans la fabrication de ces électrodes font que notamment du fait de l'épaisseur de l'isolant, l'homme de l'art est obligé d'utiliser des champs de hautes tensions.Pour provoquer un échauffement des solutions aqueuses on utilise les micro-ondes qui génèrent des agitations extrêment rapide des molécules d'eau (four à micro-ondes). Les micro-ondes sont générées par de très hautes fréquences ce qui implique qu'elles ne peuvent provoquer des déplacements de charges ioniques dans la solution mais uniquement des phénomènes d'agitation au niveau de certaines molécules. Les systèmes utilisant des électrodes isolées sont utilisés aux fins de provoquer des réactions catalytiques permettant donc divers traitements des solutions aqueuses, cependant ces techniques sont difficiles à mettre en oeuvre, onéreuses et n'utilisent du fait de la haute tension que des champs continus lorsqu'une seule électrode est isolée.Il faut entendre comme une seule électrode le fait que seule la (ou les) cathode(s) est isolée alors que l'anode est conductrice ou à l'inverse que le la (ou les) anodes(s) est isolée alors que la cathode est conductrice. Les techniques traditionnellement utilisées et décrites ci-dessus ont donc de fortes limites d'utilisation: les systèmes à microwndes ne peuvent être employés que pour chauffer les solutions aqueuses, les systèmes à électrodes isolées ne peuvent être employés qu'avec des hautes tensions ce qui oblige d'isoler toutes les électrodes en cas de champs alternatifs et de n'utiliser que des champs continus dans le cas ou l'une au moins des électrodes n'est pas isolée.Le dispositif objet de l'invention permet d'utiliser des champs électriques basses tensions continues pour générer des phénomènes catalytiques au sein de la solution aqueuse permet d'utiliser des champs électriques basses tensions et basses fréquences pour générer à la fois des phénomènes catalytîques et électrochimiques et enfin des champs électriques basses tensions et hautes fréquences pour chauffer les solutions aqueuses. Le dispositif objet de l'invention est caractérisé par le fait qu'il comporte au moins une électrode faisant office d'anode et réalisée en titane, au moins une contre électrode conductrice du courant électrique faisant office de cathode toutes deux immergées dans la solution aqueuse minéralisée. L'anode est reliée au pôle positif d'un générateur de tension et la cathode est reliée au pôle négatif du dit générateur.Suivant les utilisations souhaitées du dispositif objet de l'invention le générateur de tension peut générer une tension continue, une tension continue à laquelle est superposée des impulsions à l'anode, une tension alternative ou une tension continue à laquelle est superposée une tension alternative à l'anode. Les schémas des spectres électriques ci-après correspondent respectivement aux différentes tension d'alimentation ci-dessus énumérées. a) tension continue (o volt 0 volt 0 volt x O L'expérience du demandeur a démontré que les fréquences des impulsions ou des champs alternatifs doivent se situer de préférence dans une plage comprise entre 10 et 200 Hertz au regard du comportement particulier du titane dans le cas ou l'on recherche une action catalytique et dans le domaine de la très haute fréquence dans le cas ou l'on cherche à chauffer la solution aqueuse. De même l'expérience du demandeur a prouvé qu'il était préférable de rester sous une différence de potentiel maximum entre l'anode et la cathode de 50 volts toujours au regard du comportement particulier du titane. Enfin l1expérience du demandeur a prouvé qu'il était préférable de relier la borne négative du générateur et donc la cathode à la masse ou à l'utiliser comme masse flottante ce qui signifie que le potentiel de la cathode ne doit sensiblement pas varier lors de la mise sous tension.Le comportement du titane soumis lorsqu'il est immergé dans une solution aqueuse minéralisée, à une tension positive variable ou non est l'élément le plus important du dispositif objet de l'invention. En effet lorsque au contact de la solution aqueuse minéralisée, le titane est soumis artificiellement à une tension positive face à une cathode immergée dans la même solution aqueuse, il s'oxyde rapidement. Le produit d'oxydation adhère sur la surface immergée du titane, le courant passant initialement dans la solution par conduction ionique (à la mise sous tension) chute très rapidement ce qui signifie que ce produit d'oxydation adhérant à la surface de l'anode titane est un dielectrique. L'expérience du demandeur a démontré que ce film d'oxyde adhérant est constitué de titanates de calcium et ou de magnésium suivant la minéralisation de la solution aqueuse. Les titanates se créent naturellement par réaction électrochimique à la surface immergée de l'anode grâce à la présence dans la solution aqueuse d'ions calcium et ou de magnésium.Les essais effectués par le demandeur donnent pour ces oxydes les caractéristiques diélectriques moyennes suivantes: constante dielectrique : 3 à 200 résistance spécifique: 106 à 1015a2Jcm coefficient de température; + 1300C à -3û00 x 10 -6/"C angle de perte :X10 x rigidité dieledrique: à 8 kV/mm de telles caractéristiques témoignent d'une excellente qualité isolante, il est normal qu'à une tension inférieure où égale à 50 volts et que d'une fréquence inférieure à 100 Hertz: jusqu'à une très haute fréquence, les titanates formés présente une excellent stabilité et que quelques microns d'épaisseur de ce diélectrique formé sur la surface de l'anode suffisent à annuler le passage des charges électriques (électrons) entre le titane et la solution aqueuse. Dès la formation du titanate de calcium et ou de magnésium sur l'anode le dispositif formé par la chaîne cathode + solution aqueuse + anode oxydée devient un ensemble de condensateurs en série dont le plus important, celui dont la capacité est très importante est le condensateur formé entre la solution aqueuse minéralisée, le diélectrique qu'est la couche de titanates et l'anode titane. Un tel dispositif permet dès que l'oxydation de l'anode a eu lieu de générer au sein de la solution des champs électrostatiques continus, puisés, alternatifs ou polarisés et alternatifs superposés suivant le mode d'alimentation électrique choisit.Les applications d'un tel dispositif sont très nombreuses elles sont notamment: - dans le cas de champs continus : le traitement antitartre de l'eau par germination catalytique du carbonate de calcium - dans le cas de champs variables: le traitement algicide et bactéricide des eaux, le détartrage et le nettoyage des parois métalliques lorsqu'elles sont utilisées comme cathodes dans le dispositif, l'homogénéisation et la cristallisation de certaines suspensions en solutions aqueuses, la précipitation par électrofloculation de certaines suspensions en solutions aqueuses, le réchauffement de cellesci par excitation thermique des molécules d'eau. - dans le cas de champs variables pulsés: outre les applications ci-dessus citées, le fait de générer des champs variables pulsés entre l'anode de titane oxydé et une paroi métallique utilisée comme cathode dans une meme solution aqueuse, permet de neutraliser immédiatement les corrosions existantes sur la dite paroi, après quelques heures de traitement la paroi métallique se passive rapidement La figure 1 représente une réalisation particulière du dispositif objet de l'invention, elle n'est pas limitative notamment quant à la disposition et au nombre des électrodes ainsi qu'a la description du dispositif d'alimentation électrique qui se trouve ici schématisé. La figure 1 représente une application non limitative qui consiste à placer l'anode titane au sein d'un ballon métallique, elle correspond particulièrement à une protection contre la corrosion du dit ballon ainsi qu'à une protection antitartre, bactéricide et algicide. Le dispositif objet de l'invention représenté sur la figure 1 se compose d'un ballon métallique (1) remplit d'une solution aqueuse minéralisée (2) à sa partie supérieure le ballon (1) est percé et équipé d'un bouchon étanche (3) réalisé dans un matériau isolant électriquement, le bouchon (3) est traversé par l'anode (4) qui est disposée verticalement au centre du ballon (1), immergée en sa partie inférieure dans la solution aqueuse minéralisée (2) sans aucun contact avec les parois du ballon (1) autre que la solution aqueuse (2). L'extrémité de l'anode (4) extérieure au ballon (1) est reliée par un câble à la borne positive (7) du générateur de tension (5) au travers d'un interrupteur manuel (6).Le corps métallique du ballon (1) est relié à la borne négative (8) du générateur de tension (5) par un câble électrique. Le ballon (1) est relié à la terre (9) et le générateur de tension (5) est relié à la source d'alimentation électrique adaptée (10). Dans le dispositif décrit à la figure 1, le générateur de tension est prévu pour délivrer une tension continue entre anode (4) et cathode (1) de 1 volts à laquelle est superposée un train d'impulsions rectangulaires positives de 40 volts de façon à ce que la tension moyenne entre anode (4) et cathode (1) soit régulée à une valeur de 3 volts. Les impulsions positives sont délivrées avec une fréquence de 25 Hertz.Un tel dispositif a été utilisé avec succès par le demandeur pour arrêter une corrosion déjà avancée du ballon, le demandeur a observé une passivation des parois du ballon (I) en contact avec la solution aqueuse minéralisée (2) ainsi que la baisse sensible de son pouvoir entartrant la chute du courant a été observée dans les minutes qui ont suivies la mise sous tension des électrodes (1) et (4) en fin d'expérience, l'anode a été démontée et il a été observé la présence d'un fin film adhérent de titanates sur toute la surface immergée de la dite anode (4). L'expérience a été renouvelée sur différents sites avec les différents types de tensions (continues, pulsées, altematives) avec les résultats escomptés. L'expérience du demandeur a démontré que l'on obtenait un échauffement rapide de la solution aqueuse minéralisée dans le cas au l'on soumet ensemble anode (4) et cathode (1) à une tension pulsé ou alternative située dans la gamme des très hautes fréquences. REVENDICATIONS 1) UisposwT pour ia production ae cnamps eiectrostauques ae Dasses fréquences et de basses tensions dans les solutions aqueuses minéralisées caractérisé en ce qutils comprennent au moins une anode (4) réalisée en titane et immergée dans la solution (2) face à au moins une cathode (1) conductrice du courant électrique et au contact direct de la solution aqueuse (2), anode (4) est reliée à la borne positive (7) d'un générateur de tension (5), la cathode (1) est reliée à la borne négative (8) du générateur de tension (5). 2) Dispositif suivant la revendication 1) caractérisé en ce que la mise sous tension des électrodes (1) et (4) grâce au générateur de tension (5) permet la formation d'un oxyde isolant constitué de titanates de calcium et ou de magnésium obtenu par réactions électrochimiques avec la solution aqueuse minéralisée (2) au contact des deux électrodes (1) et (4). 3) Dispositif suivant les revendications 1) et 2) caractérisé en ce que suivant les formes de tensions délivrées par le générateur (5) l'électrode de titane oxydé (4) permet de générer au sein de la solution aqueuse (2) des champs électrostatiques continus, pulsés et alternatifs. 4) Dispositif suivant les revendications 1), 2) et 3) caractérisé en ce que la différence de tension entre anode (4) et cathode (1) ne dépasse pas 50 volts. 5) Dispositif suivant les revendications 1 â 3 caractérisé en ce que la fréquence des tensions pulsées ou alternatives soient inférieures ou égales à 200 Hertz. 6) Dispositif suivant les revendications 1) à 4) caractérisé en ce que la fréquence des tensions pulsées ou alternatives se trouve dans la plage des très hautes fréquences dans le cas ou il est souhaité une augmentation de la température de la solution aqueuse minéralisée. 7) Dispositif suivant les revendications 1-2 et 3 caractérisé en ce que la cathode (1) est une paroi métallique à protéger contre la corrosion. 8) Dispositif suivant la revendication 7) Caractérisé en ce que la cathode (1) est utilisée comme masse flottante du circuit électrique du générateur de tension (5). 9) Dispositif suivant les revendications 7) et 8) caractérisé en ce que la cathode (1) est reliée à la terre (9).