Brevet FR2766812A1 — publié le 19990205

Dispositif pour le traitement électrique d'un électrolyte liquide, en particulier d'une eau à épurer. L'invention concerne le traitement électrique des électrolytes liquides, et notamment des eaux à épurer contenant des micelles colloïdales (eaux de rejet industriel, agricole, etc). On connaît déjà, d'après la publication FR-A-2 640 655, un dispositif de traitement électrique d'électrolytes liquides de conductivité élevée, en particulier d'eau de ville ou d'eau de rivière. Ce dispositif connu comprend pour l'essentiel un récipient propre à être traversé par un écoulement du liquide à traiter, au moins une électrode disposée à l'intérieur du récipient, revêtue d'une couche isolante et de forme choisie pour augmenter la surface de contact avec l'électrolyte liquide, au moins une contre-électrode disposée à l'intérieur du récipient et comportant une surface nue ou revêtue d'une couche isolante, ainsi qu'une alimentation haute tension continue dont les bornes positive et négative sont reliées respectivement à l'électrode et à la contre-électrode, la polarité employée dépendant du type de traitement à effectuer. Le traitement effectué dans ce dispositif connu implique un phénomène de paroi au contact entre la couche isolante qui recouvre l'électrode et l'électrolyte à traiter. I1 est donc essentiel que la surface de l'électrode soit aussi grande que possible pour que la surface de contact entre la couche isolante et l'électrolyte à traiter soit aussi étendue que possible. Ce dispositif connu fonctionne de façon satisfaisante et convient tout particulièrement au traitement de l'eau de ville ou de l'eau de rivière pour éviter l'entartrage d'installations. Il est aussi très efficace pour traiter l'eau des cabines dites humides des installations de peinture industrielle (industrie automobile par exemple) afin de provoquer la floculation, à la surface de la cuve qui recueille l'écoulement, des déchets formés par les aérosols de peinture tombant sur les rideaux d'eau de ces cabines. Ce dispositif connu évite l'entartrage des canalisations et provoque la floculation de la peinture en favorisant des réactions chimiques conduisant à la production de microcristaux de carbonate de calcium en suspension dans le liquide. Dans la première application citée ci-dessus, le dépôt de tartre se produit non pas sur les parois des installations, mais sur ces micro-cristaux ; dans la seconde, les micro-cristaux, qui possèdent des charges électrostatiques de signe différent, transfèrent ces charges aux micelles de peinture qui les capturent ; ces micelles s'assemblent alors en fines dendrites. Les amas de peinture se structurent sous la forme d'éponges très légères qui flottent à la surface de l'eau (floculation). Ainsi, ce dispositif connu implique l'utilisation d'un récipient dans lequel s'effectue le traitement, le liquide circulant sur la surface extérieure d'une ou plusieurs électrodes placées dans ce récipient. La présence de ce récipient alourdit la structure du dispositif, augmente son encombrement et son court. L'invention a notamment pour but de surmonter les inconvénients précités. Elle vise en particulier à procurer un dispositif de traitement fonctionnant suivant le même principe physique que le dispositif précité mais ayant notamment pour avantage de présenter une structure simplifiée, fondée sur le principe consistant à utiliser pour récipient l'électrode sous haute tension, et pour contreélectrode la tuyauterie métallique à la terre du réseau extérieur de distribution ou de circulation du liquide à traiter. Elle propose à cet effet un dispositif de traitement du type défini en introduction, lequel comprend au moins un élément tubulaire comportant un premier conduit isolant cylindrique propre à être traversé par le liquide à traiter et formé d'un matériau diélectrique propre à tenir une tension électrique élevée (potentiel disruptif supérieur à 107 V/m) et possédant une paroi d'épaisseur choisie e1 ; un premier revêtement conducteur entourant le premier conduit et propre à constituer une électrode à haute tension ; un deuxième conduit isolant de mêmes propriétés que le premier, entourant le premier revêtement conducteur et destiné à l'isoler de tout contact extérieur ; un deuxième revêtement conducteur, métallique, entourant le deuxième conduit isolant, et destiné à assurer à la fois sa protection mécanique et la sécurité des éventuels opérateurs ; un générateur électrique à haute tension dont une borne est reliée au premier revêtement conducteur par une connexion pour appliquer entre ce revêtement et le liquide maintenu au potentiel de la terre, une différence de potentiel électrique dont la valeur V sera choisie en fonction de l'épaisseur e1 de la paroi du premier conduit pour que le champ électrique E1 = V/e1 ait la valeur la plus élevée possible, sans pour cela atteindre des valeurs dangereuses pour la tenue en tension du conduit isolant ainsi qu'une liaison à la terre couplée au deuxième revêtement conducteur. Ainsi, le dispositif de l'invention présente une structure ou configuration qui s'éloigne de celles décrites dans le Brevet précité, essentiellement par le fait que le récipient dans lequel s'effectue le traitement disparaît puisqu'il est remplacé par un ou plusieurs éléments formés de tubes concentriques, le tube isolant adjacent au liquide jouant le rôle du revêtement conducteur de l'électrode haute tension du brevet précité, et le revêtement conducteur qui lui est superposé jouant le rôle de cette électrode. En résumé, alors que dans les configurations du Brevet précité, le liquide à traiter circule toujours à l'extérieur d'électrodes recouvertes d'isolant, dans le dispositif de l'invention, le liquide circule à l'intérieur d'un ou plusieurs éléments tubulaires. Chaque élément tubulaire complet est structuré autour d'une électrode creuse formée par un revêtement conducteur entourant un conduit isolant dans lequel circule le liquide à traiter. De ce fait, l'invention procure une configuration simplifiée, qui ne comporte pas de récipient et qui est formée par l'assemblage d'un ou plusieurs éléments tubulaires, ou tuyaux, traversés par le liquide à traiter. I1 en résulte non seulement une simplification de la structure, mais aussi une diminution de l'encombrement et une réduction des coûts. Chaque élément tubulaire, ou tuyau, est formé par un assemblage coaxial de quatre éléments principaux, qui peuvent être emboîtés ou emmanchés les uns dans les autres. Le matériau diélectrique du premier conduit isolant est de préférence un polymère imperméable à l'eau et susceptible d'être obtenu par extrusion. Le polymère est avantageusement choisi parmi le polytétrafluoréthylène (PTFE), le polyéthylène et le polypropylène. Selon une autre caractéristique de l'invention, le premier conduit isolant est traité extérieurement pour permettre le mouillage d'une couche de colle ou de peinture conductrice. En effet, le premier revêtement comprend avantageusement dans sa partie centrale une couche de colle ou de peinture conductrice. Cette couche peut soit être utilisée seule, soit être associée à une enveloppe tubulaire métallique. Utilisée seule, cette couche de colle conductrice joue le rôle d'électrode à haute tension. En association avec une enveloppe tubulaire conductrice jouant le rôle d'électrode haute tension, elle permet d'éviter les inconvénients dus à la présence d'un champ électrique élevé dans la couche d'air emprisonnée entre le tube isolant et l'enveloppe conductrice sous tension. Le deuxième conduit isolant est de préférence formé à partir d'un polymère diélectrique, avantageusement le même que celui du premier conduit. Comme le premier et pour les mêmes raisons, le deuxième conduit isolant est de préférence traité afin de recevoir à l'intérieur sur sa partie centrale et à l'extérieur sur toute sa surface une peinture conductrice. La peinture conductrice située à l'intérieur est propre à venir en contact électrique avec le premier revêtement conducteur. La peinture conductrice située à l'extérieur du deuxième conduit sert alors à former, au moins en partie, le deuxième revêtement conducteur. Pour certaines applications, par exemple au cours d'expériences de laboratoire réalisées par un personnel qualifié, le deuxième revêtement conducteur peut être formé uniquement de cette couche conductrice. Par contre, pour toute application industrielle ou domestique, le deuxième revêtement comprendra en outre un tube plein métallique entourant la couche conductrice et servant d'enveloppe de protection, et éventuellement d'enceinte à pression. Dans ce dernier cas, pour les raisons qui ont été exposées antérieurement, ce deuxième revêtement conducteur, mis à la terre pour des raisons de sécurité, comprend avantageusement une couche conductrice déposée extérieurement sur le deuxième conduit isolant, afin d'éviter les inconvénients dûs à la présence d'un champ électrique élevé dans la couche d'air emprisonnée entre le tube isolant et l'enve- loppe métallique à la terre. Dans une forme de réalisation préférée de l'invention, le générateur électrique à haute tension applique, entre l'électrolyte en contact électrique avec la terre et le premier revêtement conducteur, un potentiel continu, positif ou négatif, ou un potentiel alternatif, apte à produire sur la paroi intérieure du premier conduit un champ électrique aussi élevé que possible, sans atteindre des valeurs susceptibles d'affecter la tenue en tension du matériau diélectrique. Pour fixer les idées, ce champ électrique peut atteindre des valeurs comprises entre 10 et 30 kV/mm. Dans le cas d'un potentiel alternatif, le champ électrique doit avoir une valeur de crête aussi élevée que possible, sans pour autant affecter la tenue en tension du matériau diélectrique. Le champ électrique à travers la paroi du conduit isolant peut attendre des valeurs de crête comprises entre 10 et 30 KV/mm. Selon une autre caractéristique de l'invention, le dispositif comprend plusieurs éléments tubulaires agencés dans un montage en série et/ou en parallèle et reliés entre eux par des raccords. Ces raccords peuvent être métalliques et reliés électriquement à la terre et aux deuxièmes revêtements conducteurs des éléments tubulaires. En variante, il peut s'agir de raccords isolants, auquel cas les deuxièmes revêtements conducteurs des éléments tubulaires doivent être alors individuellement reliés à la terre. Le deuxième revêtement conducteur des éléments tubulaires peut être aussi relié au corps métallique d'une installation, ce corps métallique étant relié à la terre. I1 peut s'agir par exemple du corps d'une cuve, du corps d'une pompe de circulation, etc. Dans la description qui suit, faite seulement à titre d'exemple, on se réfère aux dessins annexés, sur lesquels - la figure 1 est une vue en coupe transversale d'un dispositif selon l'invention - la figure 2 est un détail à échelle agrandie de la figure 1 montrant les éléments constitutifs d'un élément tubulaire; - la figure 3 est une vue en perspective d'un dispositif à plusieurs éléments tubulaires montés en série - la figure 4 est une vue en perspective d'un dispositif à plusieurs éléments tubulaires montés en parallèle - la figure 5 est une vue de côté d'un dispositif comportant deux éléments tubulaires dont les enveloppes extérieures sont reliées par un raccord conducteur ; et - la figure 6 est une autre vue de côté d'un dispositif comportant deux éléments tubulaires reliés par un accord isolant. On se réfère tout d'abord à la figure 1 qui représente un dispositif pour le traitement électrique d'un électrolyte liquide selon l'invention, et comprenant un élément tubulaire 1 présentant une forme générale cylindrique de révolution. Cet élément tubulaire est formé par un assemblage de plusieurs constituants coaxiaux ou concentriques. I1 comprend tout d'abord un premier conduit isolant 2 qui constitue un tube intérieur propre à venir au contact du liquide L à traiter. Le conduit isolant 2 est formé d'un matériau diélectrique, dans l'exemple un polymère susceptible d'être obtenu par extrusion, de préférence du polyéthylène ou encore du poltétrafluoréthylène (PTFE). Ce polymère est imperméable à l'eau et est susceptible de tenir des tensions électriques élevées, c'est-à-dire généralement un potentiel disruptif supérieur à 107 V/m. Ce conduit 2 possède une épaisseur e1 (figure 2) choisie pour permettre, comme on le verra plus loin, la production d'un champ électrique aussi élevé que possible sur la paroi intérieure du conduit 2, sans pour cela atteindre des valeurs dangereuses pour la tenue en tension du conduit isolant 2. Le conduit 2 est traité extérieurement pour permettre le mouillage d'une couche de colle. Ce traitement peut être réalisé par exemple par effet corona. En effet, le conduit isolant 2 est destiné à recevoir ultérieurement, sur sa surface latérale extérieure, à l'exception des zones situées au voisinage de ses extrémités, une couche de colle conductrice 3 faisant partie d'un premier revêtement conducteur entourant le conduit 2. Les zones situées au voisinage des extrémités doivent assurer un isolement suffisant du revêtement conducteur par rapport à la terre ; pour cela , elles ne doivent pas être recouvertes de matière conductrice. Pour certaines applications, le revêtement conducteur peut être constitué uniquement de la couche de colle conductrice 3 précitée. Dans l'exemple particulier de la figure 2, la couche de colle conductrice 3 est combinée à une enveloppe métallique 4. Cette couche de colle conductrice est destinée à éviter l'ionisation de l'air emprisonné dans les intervalles éventuellement situés entre tubes isolants et tubes conducteurs jouant le rôle d'électrodes. Le tube isolant 6, plaqué autour de l'enveloppe métallique 4, a subi un traitement de manière à être recouvert à l'intérieur (sauf au voisinage de ses extrémités) et à l'extérieur (sur toute sa surface latérale) de couches de colle ou de peinture conductrices, respectivement 5 et 7, analogues dans leur constitution à la couches 3, et dont la présence répond aux mêmes préoccupations que la présence de la couche 3. Ce tube a pour rôle d'isoler électriquement l'ensemble des éléments 3, 4, et 5, connectés à la borne haute tension du générateur, de l'ensemble connecté à la terre et formé par la couche conductrice 7 et par le tube métallique 8 qui l'enveloppe, ce deuxième ensemble jouant le rôle d'électrode à la terre. Le tube 6 est formé à partir d'un matériau diélectrique, de préférence un polymère de même nature que celui du conduit isolant 2 ; situé entre un ensemble d'éléments à la haute tension et un ensemble d'éléments à la terre, il possède une épaisseur e2 suffisante pour éviter tout risque de claquage par disruption du diélectrique utilisé. La paroi intérieure du tube métallique 8, recouverte de la colle conductrice 7, est en contact avec le tube isolant 6. Le tube 8 sert d'enveloppe de protection ou de paroi d'enceinte résistant à la pression. Le dispositif de l'invention comprend en outre un générateur électrique 9 à haute tension relié au premier revêtement conducteur 3, 4, 5. Dans l'exemple, il s'agit d'un générateur à tension continue dont l'une des bornes 10 est reliée au revêtement conducteur 3, 4, 5 par une liaison électrique 11 qui passe par une traversée isolée à travers les tubes 6 et 8 et le revêtement 7. L'autre borne 13 du générateur électrique 9 est reliée à la terre. Ce générateur produit un potentiel élevé, par exemple compris entre 5000 et 20000 V, en fonction de l'épaisseur e1 de la paroi du conduit isolant 2. Les valeurs de la haute tension et de l'épaisseur du conduit 2 sont choisies de manière à produire, sur la paroi intérieure du conduit 2, un champ électrique aussi élevé que possible, sans toutefois atteindre une valeur dangereuse pour la tenue en tension du matériau isolant. A titre d'exemple, il est possible d'obtenir un champ électrique d'une valeur comprise entre 10 et 30 kV/mm pour un matériau isolant du type PTFE non chargé et de bonne qualité, et plus encore pour un matériau polyéthylène. Dans un exemple de réalisation, l'épaisseur e1 du conduit 2 est de 1,5 mm et le potentiel appliqué est un potentiel continu de 30 kV. Le dispositif comprend en outre une liaison électrique 12 reliant le deuxième revêtement conducteur 7, 8 à la terre. La liaison électrique 12 est reliée dans l'exemple au tube 8 entourant la couche conductrice 7. Dans une variante de réalisation dans laquelle le tube 8 n'est pas employé, c'est alors la couche conductrice 7 qui est reliée à la terre par un collier conducteur et. une connexion appropriée (non représentée). On se réfère maintenant à la figure 3 qui montre un disposée tif selon l'invention comprenant plusieurs éléments tubulaires 1 montées en série et reliés deux à deux par des raccords coudés 13. Ces éléments tubulaires 1 peuvent être ainsi traversés en série par un liquide à traiter pénétrant par une entrée 14 et sortant par une sortie 15. Dans la forme de réalisation de la figure 4, le dispositif comprend aussi plusieurs éléments tubulaires 1, mais ceux-ci sont montés en parallèle et alimentés conjointement par un raccord commun 16 muni d'une entrée commune 17. Un autre raccord (non représenté) est monté à la sortie des éléments tubulaires 1 pour recueillir le liquide une fois traité. Bien entendu, il est possible de concevoir différents dispositifs combinant un montage en série et un montage en parallèle en fonction des besoins et des contraintes d'encombrement ou d'implantation. En fonction du débit à traiter, les éléments tubulaires sont réunis en séries ou en parallèle par des joints ou des coudes. I1 est possible ainsi de réaliser, à partir d'éléments modulaires, des structures ressemblant extérieurement à des ensembles de tubes de chaudière ou de radiateur pour réaliser le traitement d'électrolytes liquides. Le revêtement conducteur porté à haute tension ne se prolonge pas jusqu'aux coudes ou aux joints. Une distance calculée pour éviter l'apparition de charges rampantes sépare en effet les bords du revêtement conducteur de la jonction du premier conduit isolant (conduit intérieur) avec le coude ou le joint. I1 en résulte que tous les accords sont traités comme des parties à la terre, ce qui simplifie considérablement la réalisation des mises en série ou en parallèle. Comme montré à la figurer5, les enveloppes extérieures de deux éléments tubulaires 1 peuvent être reliées électriquement par un raccord métallique 20 lequel est relié à la terre par une liaison 21. Dans ce cas, l'étanchéité du circuit d'eau à traiter peut être assurée par des joints toriques situés entre le tube 2 et les raccords métalliques 20, ces raccords ayant une forme appropriée pour pouvoir en outre participer à la continuité de la protection extérieure électrique et mécanique de l'ensemble des éléments tubulaires 1. Dans le cas de la figure 6, deux éléments tubulaires 1 sont reliés entre eux par un raccord isolant 22 raccordé au tube 2. En ce cas, la liaison à la terre s'effectue directement sur l'enveloppe extérieure des éléments tubulaires 1. D'une façon générale, la liaison avec la terre peut se faire soit directement sur une prise de terre, soit par l'intermédiaire d'un corps métallique appartenant à l'installation, par exemple une cuve ou une pompe de circulation. Le dispositif objet de l'invention a pour avantage, par rapport aux dispositifs de la technique antérieure, d'augmenter, pour le même débit de liquide, au moins d'un ordre de grandeur le rapport de la surface active au volume de l'électrolyte, augmentant ainsi dans le même rapport l'effi- cacité du traitement Le dispositif objet de l'invention permet de traiter des liquides électrolytiques, tels que des eaux de villes ou de rivière, des eaux industrielles, des eaux de chauffage domestique, des eaux usées ou des eaux de lavage de déchets. Ce dispositif trouve différentes applications. I1 peut être utilisé pour éliminer les dépôts de tartre dans les installations de distribution d'eau ou de chauffage domestique. I1 peut également traiter les eaux et les électrolytes liquides contenant une phase colloïdale que l'on veut faire floculer afin de la séparer du reste du liquide. A ce titre, il peut être utilisé pour la floculation des peintures recueillies en cabine humide (carrosseris automobile). I1 peut être aussi utilisé pour améliorer l'efficacité des floculants utilisés pour l'élimination de divers résidus liquides mélangés à des eaux de lavage. Revendications 1. Dispositif pour le traitement électrique d'un électrolyte liquide, en particulier d'une eau à épurer, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un élément tubulaire (1) comportant un premier conduit isolant (2) propre à être traversé par le liquide à traiter et formé d'un matériau diélectrique propre à tenir une tension électrique élevée (potentiel disruptif supérieur à 107 V/m) et possédant une paroi d'épaisseur choisie (el), un premier revêtement conducteur (3, 4, 5) entourant le premier conduit isolant et propre à constituer une électrode à haute tension, un deuxième conduit isolant (6) de mêmes propriétés que le premier, entourant le premier revêtement conducteur et destiné à l'isoler de tout contact extérieur ; et un deuxième revêtement conducteur métallique (7, 8) entourant le deuxième conduit isolant, et destiné à assurer à la fois sa protection mécanique et la sécurité des éventuels opérateurs un générateur électrique à haute tension (9) dont une borne (10) est reliée au premier revêtement conducteur par une connexion (11) pour appliquer entre ce revêtement et le liquide maintenu au potentiel de la terre, une différence de potentiel électrique dont la valeur (V) sera sera choisie en fonction de l'épaisseur (e1) de la paroi du premier conduit isolant (2) pour que le champ électrique (E1=V/el) ait la valeur la plus élevée possible, sans pour cela atteindre des valeurs dangereuses pour la tenue en tension du conduit isolant ; et enfin une liaison (12) à la terre couplée au deuxième revêtement conducteur. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau diélectrique du premier conduit isolant (2) est un polymère imperméable à l'eau et susceptible d'être obtenu par extrusion. 3. Disposition selon la revendication 2, caractérisé en ce que le polymère est choisi parmi le polytrafluoréthylène (PTFE), le polyéthylène et le polypropylène. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le premier conduit isolant (2), traité extérieurement sur sa partie centrale pour permettre le mouillage, reçoit sur cette partie centrale d'une couche de colle ou de peinture conductrice (3). 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la couche de colle conductrice (3) est combinée à une enveloppe tubulaire métallique (4). 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le deuxième conduit isolant (6) est formé à partir d'un polymère diélectrique, traité pour permettre le mouillage, reçoit à l'intérieur et à l'extérieur des couches de peinture conductrices (5) et (7). 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le deuxième revêtement comprend en outre un tube plein métallique (8) entourant la couche conductrice et servant d'enveloppe de protection ou d'enceinte à pression. 8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le générateur électrique à haute tension (11) applique entre l'électrode en contact avec la terre et le premier revêtement conducteur un potentiel continu, positif ou négatif, apte à appliquer sur la paroi intérieure du premier conduit isolant (2) un champ électrique aussi élevé que possible, sans pour autant affecter la tenue en tension du matériau diélectrique. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le champ électrique à travers la paroi du conduit isolant (2) atteint des valeurs comprises entre 10 et 30 kV/mm. 10. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le générateur électrique à haute tension (11) applique sur le premier revêtement conducteur un potentiel alternatif, apte à appliquer sur la paroi intérieure du premier conduit isolant (2) un champ électrique de valeur de crête aussi élevée que possible, sans pour autant affecter la tenue en tension du matériau diélectrique. 11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que le champ électrique à travers la paroi du conduit isolant (2) atteint des valeurs de crête comprises entre 10 et 30 kV/mm. 12. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs éléments tubulaires (1) agencés dans un montage en série et/ou en parallèle et reliés entre eux par des raccords (15, 20, 22). 13. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que les raccords sont métalliques, reliés électriquement à la terre et aux deuxièmes revêtements conducteurs (8) des éléments tubulaires (1). 14. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que les raccords sont isolants, et en ce que les deuxièmes revêtements conducteurs (8) des éléments tubulaires (1) sont individuellement reliés à la terre. 15. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que les deuxièmes revêtements conducteurs (8) des éléments tubulaires (1) sont reliées au corps métallique d'une installation, ce corps métallique étant lui même relié à la terre.