Brevet FR2809385A1 — publié le 20011130

La présente invention concerne les appareils de dessalement. Elle peut être utilisée notamment pour l'épuration et le dessalement de l'eau de mer et eaux souterraines, ainsi que pour l'obtention d'eau de qualité dans l'industrie alimentaire ou chimique, dans la micro-électronique, dans la médecine et pour l'épuration des eaux de consommation et des eaux usées, y compris les déchets radioactifs liquides. La technique la plus proche à la présente invention est le moyen bien connu d'extraction des particules en suspension dans un liquide par la méthode de flottaison sous pression liquide et l'air se mélangent sous pression). L'eau saturée l'air est envoyée dans chambre où les bulles d'air remontent avec les particules en suspension (voir Epuration et récupération des déchets industriels par V.F. Maximov et I Wolf, Editions de l'Industrie Forestière, 1989, p. 214 à 219). Cette technique très connue a pourtant quelques défauts comme la concentration faible des particules en suspension à la surface de la chambre de flottaison, la durée assez longue du procédé et une très grande consommation d'énergie pour obtenir une épuration efficace. On connaît également la technique d'extraction des particules en suspension par cavitation (brevet soviétique n 1751169). Elle est basée sur l'effet de cavitation sous coup de bélier. Les particules en suspension sont extraites par la pression des ondes créées par les oscillations de la membrane, ainsi que par l'effort de levée de la couche d'émulsion créée sous l'effet de cavitation d'éjection du fluide par l'orifice de la membrane. Cependant, cette technique n'est efficace que pour l'extraction de petites particules légères qui montent et se concentrent à la surface du liquide dans la chambre. On connaît aussi l'installation de dessalement (brevet russe n 2013315) pouvant être considérée comme prototype de la présente installation. C'est ligne de production composée d'une résistance de chauffe, une chambre de vapeur, une chambre de condensation, les tubulures d'arrivée d'eau vers la résistance chauffe, les dérivations de la solution saline (saumure), les prises de vapeur, les pompes d'alimentation en eau salée et les pompes de vidange de la saumure et de l'eau dessalée. Cette installation est équipée d'une turbine radiale : l'orifice d'admission de la turbine coïncide avec la prise de vapeur de la chambre de vapeur. Cependant, cette installation a, elle aussi, des défauts comme une très grande consommation d'énergie et d'eau. connaît aussi le dialyseur électrique : des membranes sélectives cationiques et anioniques disposées en alternance entre les 'lectrodes forment des chambres de dessalement équipées de tubulures d'arrivée d'eau et des chambres de concentration équipées de membranes osmotiques inversees (brevet soviétique n 869064, 1980). Dans cette installation la membrane osmotique inversée disposée dans la chambre concentration contribue à la séparation de ions positifs et négatifs et réduit la formation des précipitations des sels insolubles sur les membranes. Cependant, elle n'est pas suffisamment efficace. Les solutions ici proposées permettent la réduction de consommation d'énergie du débit d'eau déversée dans la saumure, la suppression quasi totale de l'épuration primaire d'eau grâce à la consommation périodique des filtres, sorbants, agents réaction..., ainsi que l'augmentation de la durée de vie du dialyseur électrique grâce à la réduction des précipitations des sels insolubles sur les membranes. Nous proposons - la méthode d'épuration et de dessalement de l'eau mer qui consiste à mélanger cette eau avec un gaz (par exemple, avec l'air) dans une chambre cylindrique. La particularité de cette méthode est la suivante : mélange est soumis à l'action du générateur de cavitation et à la rotation autour de l'axe de la chambre ; elle est séparée, dans le sens contraire à l'axe de la chambre, en mélange vapeur-gaz et en volume annulaire d'eau ; la couche superficielle d'eau envoyée en dialyse électrique, la couche intérieure est déversée dans la saumure, et le mélange vapeur est séparé par la condensation. L'installation d'épuration et de dessalement de l'eau mer. La particularité de cette installation est la suivante : elle est équipée d'un dialyseur électrique ; la chambre de vapeur contient un générateur de cavitation et une dérivation d'eau couplée avec le dialyseur électrique ; la tubulure d'arrivée d'eau dans la chambre de vapeur équipée d'un diffuseur de gaz (par exemple, de l'air). Variante 1 : Dans le dialyseur électrique contenant les membranes sélectives cationiques et anioniques disposées en alternance entre les électrodes et formant les chambres de dessalement et les chambres de concentration équipées de chicanes ces chicanes représentent deux membranes hétéropolaires de sélection des ions mises bout à bout ; chacune de ces membranes est disposée du côté de la membrane de signe inverse. Variante 2 : Dans le dialyseur électrique contenant les membranes sélectives cationiques et anioniques disposées en alternance entre les électrodes et formant les chambres de dessalement et les chambres de concentration équipées de chicanes ces chicanes représentent un film diélectrique le revêtement conducteur de chaque coté ; ces revêtements sont électriquement connectés. On peut utiliser un film textile synthétique graphité. Cette méthode et cette installation d'épuration et de dessalement de l'eau de mer permettent de 1. Réduire sensiblement le volume d'eau déversé dans la saumure grâce au dialyseur électrique complémentaire. 2. Réduire la consommation d'énergie grâce au remplacement d'un réchauffeur traditionnel par une combinaison composée d'un générateur de cavitation d'un diffuseur de gaz (air, oxygène, ozone...) à dispersion ; ceci a été le facteur décisif pour l'utilisation en dessalement d'un dialyseur électrique plus économique. 3. Supprimer l'épuration primaire de l'eau liée à la consommation périodique filtres, sorbants, agents de réaction... grâce à l'utilisation de l'épuration par flottaison dans le champ centrifuge du côté d'une multitude de bulles de vapeur et de gaz obtenue par cavitation ; ces bulles créent en outre l'effet puissant de décontamination et de désinfection et réduisent la teneur dans l'eau. 4. Empêcher la formation des précipitations insolubles sur les membranes du dialyseur électrique grâce à la chicane dans la chambre de concentration du dialyseur. Dans la première variante, cette chicane représente deux membranes hétéropolaires mises bout à bout ; dans la seconde variante, on utilise en tant que chicane un film diélectrique à revêtement conducteur. L'invention ici proposée est étayée par des croquis Fig. 1 : le schéma de l'installation d'épuration et de dessalement de l'eau utilisant la méthode proposée ; Fig. 2 : chambres de vapeur et de condensation avec indication des liens fonctionnels avec les autres unités ; Fig. : vue en coupe A-A de la fig. 2 ; Fig. : dialyseur électrique proposé (variante 1) ; Fig. : dialyseur électrique proposé (variante 2). L'installation d'épuration et de dessalement de l'eau de mer (fig. 1 et comprend pompe d'alimentation en eau de mer 1, une chambre de condensation 2, un diffuseur de gaz par dispersion 3, une chambre de vapeur 4 et un dialyseur électrique La chambre de condensation 2 est équipée d'une tubulure d'alimentation d'évacuation de l'eau de mer 6 et 7, d'une tubulure 8 d'évacuation du distillat (eau dessalée) et d'une valve d'évacuation du gaz 9. La chambre de vapeur 4 est équipée d'un générateur de cavitation 10, séparateur 11, d'un compresseur 12, d'une tubulure d'évacuation du mélange vapeur gaz 13, d'une tubulure 14 d'évacuation de l'eau de mer épurée et partiellement dessalée dans le dialyseur électrique 5, d'une tubulure d'évacuation de la saumure contenant des impuretés 15 et d'une tubulure d'admission du mélange de l'eau de mer avec du gaz 16. La chambre de condensation 2 (vue en coupe sur fig. 2) contient les corps de la chambre des viroles de liaison formées par les surfaces des tubes échangeurs de la chaleur 17, un collecteur 18 d'admission du mélange vapeur-gaz en provenance de la chambre vapeur 4, un collecteur 19 pour la mise de l'eau de mer en contact avec les tubes échangeurs de la chaleur 17 et un collecteur 20 d'accumulation du distillat. La chambre de vapeur 4 (vue en coupe fig. 2) contient le corps cylindrique 21 avec des orifices tangentiels 22 et, pareil à la chambre de condensation 2, les tubes échangeurs de la chaleur 23 et les collecteurs d'admission du mélange vapeur-gaz 24 et de l'eau de mer mélangée avec du gaz 25 après le diffuseur du gaz par dispersion 3. Dans la cavité de la chambre vapeur 4, le corps cylindrique 21 et les viroles 26, 27 et 28 forment le collecteur 29 destiné à l'évacuation de la saumure contenant des impuretés dans la tubulure 14, et le collecteur 30 pour l'évacuation de l'eau épurée et partiellement dessalée travers la tubulure 14. Dans la même cavité de la chambre de vapeur 4 le mélange vapeur-gaz se forme dans la cavité du cylindre limitée par la surface I sous l'action forces centrifuges ; l'eau se forme dans l'espace circulaire limité par la surface et le corps cylindrique 21. Les bulles de vapeur et de gaz issues de la cavitation contenant les impuretés et les précipitations des sels sont dirigées vers la sortie à travers la tubulure 14 entre les surfaces I et Il sous l'action des forces centrifuges ; 'lange vapeur-gaz est séparé et évacué à travers le séparateur 11. L'eau ainsi épurée et partiellement dessalée se concentre dans la cavité entre le corps cylindrique 21 et la surface Il être évacuée à travers la tubulure 14 vers le dialyseur électrique 5. La fig. 3 montre un fragment de l'orifice 22 avec le conduit de guidage 31 dans le corps cylindrique 21 de la chambre de vapeur 4. La figure 4 représente la variante 1 du dialyseur électrique 5 proposé ; la fig. 4 montre la variante 2. La variante 1 contient les électrodes 32 et 33 entre lesquelles sont disposées les membranes sélectives cationiques 34 et anioniques 35 qui forment les chambres de dessalement 36 et de concentration 37. Les chambres de concentration contiennent les chicanes 38 formées par les membranes sélectives cationiques 34 et anioniques 35 mises bout à bout. Dans la variante 2 du dialyseur électrique, les chicanes 38 sont en film diélectrique 39 avec un revêtement conducteur 40 de chaque côté ; ces revêtements sont connectés entre eux électriquement. Il est facile de réaliser cette connexion électrique par l'application du revêtement identique sur un des bords du film. Le principe de fonctionnement de la méthode et de l'installation d'épuration et de dessalement de l'eau de mer proposé ici est le suivant - La pompe 1 amène l'eau dans la chambre de condensation via la tubulure 6. L'eau contourne les tubes échangeurs 17 et entre, via la tubulure 7, dans le diffuseur par dispersion 3, par exemple poreux, où elle est mélangée avec de l'oxygène (ou du contenant de l'ozone). Ce gaz, diffusé dans la masse d'eau sous forme de minuscules bulles se dissout dans l'eau ce qui stimule la coagulation et la floculation impuretés et contribue, par exemple, à la précipitation des composés insolubles du fer. - Ensuite, ce mélange eau-gaz arrive dans le collecteur 25 de la chambre de vapeur 16. Là, il contourne les tubes échangeurs de la chaleur 23 dans lesquels circule le mélange comprimé vapeur-gaz produit par le compresseur 12 à température élevée. Ce mélange eau-gaz se réchauffe ainsi et, grâce à la présence du gaz comprimé, entre via l'orifice 22 et les conduits de guidage dans la cavité du corps cylindrique 21 de la chambre de vapeur 4 et tourbillonne autour de l'axe du corps 21. Le générateur de cavitation 10 de type hydraulique ou ultrasonique excite encore une multitude de bulles de vapeur produite par cavitation dans lesquelles l'eau et le gaz trouvent sous la pression et à la température élevées ; sous l'action des forces centrifuges, les bulles de gaz et de vapeur font flotter les impuretés d'origine mécanique ou organique lesquelles se précipitent, avec l'évaporation du sel insoluble du côté de l'entonnoir limité par la surface I, dans l'espace entre les surfaces I et se rétrécit en direction du flux du liquide. En même temps, grâce à l'action de l'ultrason, les micro-organismes sont détruits. Ainsi, l'eau épurée des impuretés, du et partiellement des sels s'accumule dans l'espace entre le corps 21 et la surface Il. L'eau contenant des impuretés s'accumule dans l'espace entre les surfaces I et II. Le mélange vapeur-gaz s'accumule dans l'entonnoir I le long de l'axe du corps 21. Ensuite, grâce au compresseur à vide 12, le mélange vapeur-gaz est évacué pompage ce qui crée les conditions pour l'ébullition de l'eau à la température et sous la pression basses. A travers le séparateur 11, par exemple de type centrifuge, rejette les particules des impuretés à l'arrière, le mélange est refoulé dans la tubulure 3 sous pression élevée, et donc à la température élevée. Ensuite, via les tubes échangeurs de la chaleur 23 et 17, il transmet la chaleur à l'eau de mer. Dans le collecteur 20 la vapeur est condensée dans le distillat qui est évacué par la tubulure 8. Le gaz est évacué à l'extérieur à travers la valve 9. Les impuretés et les sels sont évacués dans la saumure à travers le collecteur 29. L'eau épurée des impuretés et partiellement des sels arrive dans le dialyseur électrique 5, via le collecteur 30 et la tubulure 14 pour la poursuite du dessalement. Autrement dit l'eau est préparée dans la chambre de vapeur pour atteindre les conditions (épuration et dessalement partiels) permettant le fonctionnement fiable du dialyseur électrique. Le principe de fonctionnement du dialyseur électrique 5 proposé, plus fiable est le suivant - Dans la variante 1 lors du passage successif de l'eau traitée à travers chambres de dessalement sous l'action du champ électrique créée par les électrodes 32 et 33, les ions dissociés remontent à la surface des membranes sélectives traversent ces dernières et pénètrent dans les chambres de concentration. Du côté membranes anioniques, arrivent les ions négatifs C1", SO4-2... Du côté des membranes cationiques, arrivent les ions positifs Ca+2, Mg +2, Na+... Ces ions peuvent créer entre des composés insolubles. Cependant, grâce à la présence dans la chambre de concentration d'une chicane composée de deux membranes hétéropolaires mises bout à bout, ceci ne se produit pas, puisque la membrane cationique, située du côté de la membrane anionique, retient le passage des ions positifs. Ainsi se produit la séparation fiable des ions qui ne s'accumulent que dans les compartiments adéquats de la chambre de concentration. Ensuite, les ions sont évacués à l'égout et recyclés. - Dans la variante 2, la séparation des ions est assurée par le film diélectrique. Ce film retient les ions. Les revêtements conducteurs des deux côtés du film, reliés électriquement entre eux, sont nécessaires pour assurer la possibilité de passage du courant à travers tout l'appareil. Des dialyseurs électriques utilisant ce principe ont déjà été construits. Les encombrements 165 x 82 x 265 mm. Ont été utilisées les membranes anioniques MA-40 et les membranes cationiques MC-40, séparées par les cadres en polystyrène et polypropylène. Les pièces auxiliaires sont en verre organique et en inox. Tous les matériaux sont homologués pour l'usage médical. Dans les appareils en variante 2, il est aisé d'utiliser le film textile synthétique de série (spécification 6-06 310-71) graphité d'un côté. La chicane est réalisée par pliage du tronçon du film de longueur double sur le côté non conducteur. La connexion électrique est assurée par l'intégrité du revêtement graphité. L'appareil se branche sur le réseau 220 V, 50 Hz. Il peut être utilisé pour l'épuration de l'eau salée jusqu'à 6 mg equiv./1 de dureté. La capacité énergétique constatée l'appareil est de 2 W/1 max. essais en charge ont montré que pour le rendement de 20 1/h les sels de dureté sont éliminés entièrement ; pour le rendement de 30 1/h la teneur des sels de dureté dans l'eau épurée est de 0,2 mg equiv./1 ; pour le rendement de 40 1/h la teneur des sels de dureté dans l'eau épurée est de 0,7 mg equiv./1. Ainsi, l'intégrité cinématique et dynamique des unités de l'installation d'épuration et de dessalement d'eau ici proposée, conditionnée de plus par l'utilisation d'un dialyseur électrique plus fiable, permet d'envisager la création d'une installation universelle d'épuration de fluides de n'importe quel degré de contamination. Les avantages d'une telle installation sont - faible consommation d'énergie ; - absence de consommation des matériaux traditionnels (filtres, sorbants agents de réaction ... ) ; - encombrements réduits et possibilité de tout rendement , - simplification des systèmes de décontamination de l'eau. L'installation proposée permettrait la solution nouvelle et plus simple problème d'actualité pour l'humanité : le dessalement de l'eau de mer et la décontamination des déchets nucléaires liquides. REVENDICATIONS 1. Méthode d'épuration et de dessalement de l'eau de mer, caractérisée en ce l'eau est mélangée dans une chambre avec un gaz tel que l'air, en ce qu'on applique à ce mélange l'action d'un générateur de cavitation et une rotation autour de l'axe de la chambre, le mélange étant ainsi séparé en s'éloignant de l'axe de la chambre en un mélange vapeur-gaz et un volume annulaire d'eau, la couche extérieure du volume annulaire de l'eau étant ensuite envoyée en électrodialyse la couche interne est évacuée dans la saumure, le mélange vapeur-gaz étant par la suite séparé par condensation. 2. Installation d'épuration et de dessalement de l'eau de mer, caractérisée en ce 'elle comporte des chambres de vapeur et de condensation reliées entre elles, des conduits d'arrivée d'eau, d'évacuation de la saumure et de prise de la vapeur, ainsi que des pompes d'alimentation en eau et d'évacuation de la saumure et de l'eau dessalée, la chambre de vapeur étant formée par un récipient pourvu de conduits d'arrivée d'eau et d'évacuation de la saumure disposées tangentiellement, ce qu'elle est en outre pourvue d'un dialyseur électrique, la chambre de vapeur comportant un générateur de cavitation et un conduit d'évacuation d'eau relie au dialyseur électrique, et en ce que le conduit d'amenée d'eau dans la chambre de vapeur comporte un diffuseur de gaz tel que l'air, par dispersion. 3. Installation selon la revendication 2, caractérisée en ce que le dialyseur électrique comporte des membranes sélectives cationiques et anioniques disposées en alternance entre les électrodes, ces membranes formant des chambres de dessalement et des chambres de concentration équipées de chicanes, en ce que ces chicanes sont pourvues de membranes sélectives hétéropolaires mises bout à bout, et en ce que chacune d'elles est disposée du côté d'une membrane de signe inverse. 4. Installation selon la revendication 3, caractérisée en ce que le dialyseur électrique comporte des membranes sélectives cationiques et anioniques disposées en alternance entre les électrodes, ces membranes formant des chambres de dessalement et des chambres de concentration équipées de chicanes, et en ce que lesdites chicanes sont sous forme d'un film diélectrique avec des revêtements conducteurs sur chaque face reliés électriquement entre eux. 5. Installation suivant la revendication 4, caractérisée en ce que ledit film diélectrique est en tissu synthétique graphité.