Brevet FR2889667A1 — publié le 20070216

PROCEDE ET DISPOSITIF D'OXYDATION HYBRIDE ET DE MISE EN CONTACT DE FLUIDES DESCRIPTION DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne un nouveau procédé d'oxydation hybride et de mise en contact de fluides, destiné pour une oxydation poussée, d'au moins une phase liquide et se basant sur un réacteur triphasique et catalytique de hautes performances. Cette technologie est dotée d'une flexibilité lui permettant une application dans tous les domaines industriels, notamment pharmaceutiques ou environnementaux. ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE L'oxydation directe des polluants de l'eau est effectuée généralement par des réactifs chimiques comme le chlore, les dérivés du chlore (dioxyde de chlore, chloramines, hypochlorite de sodium...), I'électrochloration, le permanganate de potassium, le brome, le mélange chlore-brome, les rayons ultraviolets, les rayonnements ionisants, l'ozone, les ultrasons et les ultraviolets combinés à l'ozone. Dans le domaine de traitement des eaux, aucune de ces méthodes, seule, ne s'est avérée envisageable et encourageante économiquement. Des combinaisons de ces méthodes ont fait l'objet de plusieurs recherches. Les travaux de Gogate et Pandit A review of imperative technologies for wastewater tratement I I: hybrid methods parus dans la revue Advances in Enviromental Research 8(2004):553-597, résument d'une façon pertinente ces essais. Plusieurs procédés de traitement ont été proposés, tels que ceux mettant en jeu, l'ultrason/H2O2 ou ultrason/O3, UV/ H2O2 et/ou 03, 03/réactif fenton et/ou UV et ou TiO2 etc. Généralement, le coût élevé relatif à l'investissement et à l'exploitation de ces systèmes, l'encombrement, la production des boues ou autres liés à l'efficacité de traitement, sont des paramètres limitatifs pour un tel développement. Il est important de rappeler, que dans les solutions aqueuses, l'ozone peut réagir directement avec un substrat par différentes voies du genre: cycloaddition, réactions électrophile et nucléophile, etc. Il peut aussi se décomposer et donc réagir indirectement avec le substrat, formant ainsi des espèces plus réactives. L'ozone peut se décomposer sous l'effet des ions hydroperoxydes et les radiations UV pour libérer des entités radicalaires. Ces décompositions induites de l'ozone constituent les bases des procédés combinant ces technologies. La réaction indirecte de l'ozone peut impliquer un certain nombre de remarques. En effet, les entités radicalaires générées par décomposition de l'ozone seront peu sélectives et la présence de pièges à radicaux dans l'eau pourra affecter l'efficacité de I'ozonation par l'action compétitive des radicaux vis-à-vis des matières à oxyder et des pièges à radicaux. Certains composés minéraux présents dans l'eau ont une grande réactivité vis-à-vis des radicaux hydroxyles comme les ions carbonates et bicarbonates. L'UV est une méthode utilisée généralement dans le domaine de traitement des eaux pour des fins de désinfection ou d'activation de l'ozone. C'est une technique qui nécessite un prétraitement de l'effluent pour éviter le colmatage au niveau des lampes. H2O2 est peu recommandé de fait de sa faible efficacité, de la production de la matière organique dégradable, de génération d'éléments toxiques et de la possibilité de développement bactérien. Le réactif Fenton présente l'inconvénient de production de boues. Un procédé et un dispositif de mise en contact de phases, notamment gaz/liquide, à impacts multidirectionnels est décrit dans le brevet FR2838067. Bien que constituant une étape importante dans le traitement des eaux, il présente toutefois les limitations suivantes: - la configuration de celuici ne permet pas la mise en oeuvre d'une oxydation hybride; - il est à simple impact et est certes potentiellement efficace pour la potabilisation de l'eau ou autres types de transfert gaz/liquide et beaucoup moins pour un traitement instantané (sans recyclage) des effluents de DCO dure. RESUME DE L'INVENTION L'invention vise à mettre en oeuvre un procédé et à réaliser un dispositif du genre en question conduisant à une solution inédite et originale apte à améliorer les performances du traitement envisagé. Elle est la réponse au problème posé d'une oxydation parfaite et poussée. Elle ne combine pas seulement les méthodes susmentionnées, mais sa conception va de pair avec la cinétique réactionnelle de chaque réactif chimique ou autres et éventuellement la spécificité de chaque méthode d'oxydation ou oxydant mis en jeu. Elle est basée essentiellement sur l'enchaînement d'au moins deux zones d'impact. Elle met en évidence la mise en oeuvre de plusieurs principes physiques comme par exemple l'impact, l'air lift, la filtration et la flottation, et ce, d'une façon intelligente et cohérente avec le milieu réactionnel. Le traitement se fait, sans génération de boues, notamment organique, présentant ainsi, un avantage essentiel de la présente innovation. Elle concerne à cet effet un procédé d'oxydation hybride et de mise en contact de fluides, qui se caractérise essentiellement en ce que qu'il consiste à injecter simultanément au moins deux fluides dans au moins deux zones d'impacts successives, situées dans deux cuves distinctes, dont la première zone d'impact est alimentée par au moins une première canalisation et la deuxième zone d'impact par au moins une deuxième canalisation, elle même alimentée par le mélange de fluides sortant de ladite première zone. Ledit procédé se caractérise également en ce qu'il consiste à effectuer en addition: - dans la première cuve, au moyen d'un filtre approprié, une opération de filtration bien spécifique; - dans la canalisation reliant la première zone d'impact à la deuxième zone d'impact, au moyen de lampes UV et de catalyseurs de différents types, un traitement bien 15 spécifique. PRESENTATION DES FIGURES Les caractéristiques et les avantages de l'invention vont apparaître plus clairement à la lecture de la description détaillée qui suit d'au moins un mode de réalisation préféré de celle-ci donné à titre d'exemple non limitatif et représenté au dessin annexé (figure unique) qui est un schéma de principe du dispositif selon l'invention mettant en évidence les différentes étapes du procédé pour sa mise en oeuvre. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION Le procédé d'oxydation hybride et de mise en contact de fluides, mis en oeuvre par le dispositif représenté, consiste essentiellement à injecter simultanément au moins deux fluides (1) et (2) dans au moins deux zones d'impacts successives (5) et (8), situées dans deux cuves distinctes (9) et (12), dont la première zone d'impact (5) est alimentée par au moins une première canalisation (4) et la deuxième zone d'impact (8) par au moins une deuxième canalisation (7), elle même alimentée par le mélange de fluides sortant de ladite première zone (5). Selon la réalisation préférée de l'invention, le premier fluide (1) est une phase liquide et le second (2) une phase gazeuse qui est choisie notamment parmi l'air, l'oxygène ou l'air ozoné. La position des injecteurs et la direction de l'injection (3) sont variables en fonction de l'application et de l'énergie mise en oeuvre. L'injection a été optimisée pour que la vitesse initiale d'impact soit la plus élevée possible. Or, pour augmenter la réactivité de l'ozone dans ce milieu turbulent, une des caractéristiques fondamentales de l'ozone a été favorisée. En effet, la réactivité de l'ozone augmente avec la charge polluante organique. Ce phénomène est lié à la réaction directe de l'ozone. Selon deux possibilités de réalisation additionnelles de l'invention, le procédé consiste à effectuer: - dans la première cuve (9), au moyen d'un filtre (6) approprié, une opération de filtration bien spécifique; - dans la canalisation (7) reliant la première zone d'impact (5) à la deuxième zone d'impact (8), au moyen de lampes UV et de catalyseurs de différents types, un traitement bien spécifique. Le filtre (6) peut être tubulaire ou de tout autre type et auto lavant. Les matières organiques, notamment les particules, vont être ainsi piégées et détruites directement au fur et à mesure par l'ozone. L'eau ozonée et filtrée (favorisant le rayonnement UV) va être conduite dans au moins une canalisation (7) pourvue ou non des lampes UV. Dans cette zone, l'ozone va être éventuellement activé par le rayonnement UV, en se décomposant en radicaux plus puissants Selon d'autres particularités de réalisation de l'invention: - la deuxième zone d'impact (8) est située à la base de la deuxième cuve (12) créant ainsi une turbulence au sein de ladite cuve apte à permettre au mélange des fluides sortant de ladite deuxième zone de monter dans celle-ci; - des membranes de filtration appropriées peuvent être suspendues en partie supérieure de la deuxième cuve (12), à l'intérieur de celle-ci, pour effectuer une 25 filtration directe du fluide sortant (11). - la filtration directe du fluide sortant (11) peut être également effectuée, au moyen d'un filtre approprié, situé à l'extérieur de la cuve verticale (12) ; - le gaz sortant (10) ainsi que le liquide sortant (11) peuvent être recyclés. Un réactif tel que l'oxyde de Titane peut être placé dans un endroit approprié. Dans la cuve (12), le phénomène de la flottation se produira et une couche de matières polluantes se formera. Cette couche sera détruite au fur et à mesure par les espèces oxydantes, notamment l'ozone, l'oxygène et les espèces radicalaires générées. La partie supérieure de la cuve (12) est conçue de façon que le principe d'air lift se produise avant que l'eau traitée quitte le système, augmentant ainsi le mélange des fluides mis en jeu. Le dispositif pour la mise en oeuvre du procédé se caractérise en ce qu'il comporte essentiellement: - au moins une première canalisation (4), alimentant une première zone d'impact (5), située dans une première cuve (9), dont l'extrémité possède une forme conique; - au moins une deuxième canalisation (7), alimentant une deuxième zone d'impact (8), située dans une deuxième cuve (12), dont l'extrémité possède une forme conique Les injections coniques permettent l'augmentation de la vitesse d'impact et par conséquent du degré du mélange. Dans une expérimentation pilote du procédé et du dispositif selon l'invention, un effluent secondaire (une eau usée urbaine après traitement biologique) a été traité avec l'ozone. Pour ledit effluent, le débit maximal peut atteindre 9 m3/h. Le débit d'air ozoné maximal est de 0,7 Nm3/h. La concentration en ozone maximale est de 65 g/h. Le temps de contact maximal est de l'ordre de deux minutes. Trois qualités d'eau caractérisées par leur Demande Chimique en Oxygène (DCO) ont été traitées. Le taux d'élimination de la DCO (abattement) exprimé en pourcentage (%) a été déterminé pour chaque qualité d'eau (tableaux 1 à 3 ci-après). DCO (mg/I) Abattement DCO (%) _ Eau brute 178 Après ozonation 55 69% Tableau 1 DCO (mg/I) Abattement DCO (%) Eau brute 454 Après ozonation 34 92,5% Tableau 2 DCO (mg/I) Abattement DCO (%) Eau brute 581 Après ozonation 62 89% Tableau 3 Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés pour lesquels on pourra prévoir d'autres variantes, en particulier dans: - le nombre d'injecteurs, de cuves et de zones d'impacts successives; - les types de fluides mélangés; les types de produits chimiques ou traitements physiques additionnels; sans pour cela sortir du cadre de l'invention. 2889667 7 REVENDICATIONS 1- Procédé d'oxydation hybride et de mise en contact de fluides, caractérisé en ce qu'il consiste à injecter simultanément au moins deux fluides (1) et (2) dans au moins deux zones d'impacts successives (5) et (8), situées dans deux cuves distinctes (9) et (12), dont la première zone d'impact (5) est alimentée par au moins une première canalisation (4) et la deuxième zone d'impact (8) par au moins une deuxième canalisation (7), elle même alimentée par le mélange de fluides sortant de ladite première zone (5). 2- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier fluide (1) est une phase liquide et le second (2) une phase gazeuse. 3- Procédé, selon la revendication 2, caractérisé en ce que la phase gazeuse (2) est choisie parmi l'air, l'oxygène ou l'air ozoné. 4- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à effectuer, en addition, dans la première cuve (9), au moyen d'un filtre (6) approprié, une opération de filtration bien spécifique. 5- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à effectuer, en addition, dans la canalisation (7) reliant la première zone d'impact (5) à la deuxième zone d'impact (8), au moyen de lampes UV et de catalyseurs de différents types, un traitement bien spécifique. 6- Procédé, selon la revendications 1, caractérisé en ce qu'il consiste à situer la deuxième zone d'impact (8) à la base de la deuxième cuve (12), de manière à permettre au mélange des fluides sortant de ladite deuxième zone de monter dans ladite cuve. 7- Procédé, selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il consiste à effectuer, en partie supérieure de la deuxième cuve (12), au moyen de membranes de filtration appropriées suspendues dans celle-ci, une filtration directe du fluide sortant (11). 8- Procédé, selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il consiste à effectuer, à l'extérieur de la deuxième cuve (12), au moyen d'un filtre approprié, une filtration directe du fluide sortant (11). 9- Procédé, selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il consiste à recycler le gaz sortant (10) ainsi que le liquide sortant (11). 10- Dispositif pour la mise en ceuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte: - au moins une première canalisation (4), alimentant une première zone d'impact (5), située dans une première cuve (9), dont l'extrémité possède une forme conique; - au moins une deuxième canalisation (7), alimentant une deuxième zone d'impact (8), située dans une deuxième cuve (12), dont l'extrémité possède une forme conique.