Brevet FR2932271A1 — publié le 20091211

L'invention a trait à un dispositif pour l'analyse du niveau de pureté d'un liquide obtenu après un traitement de purification, et en particulier de celui de l'eau dite ultrapure (moins de 10 parties par milliard ou � ppb �). La méthode généralement employée pour purifier l'eau, ou tout autre liquide, comporte tout d'abord un passage dans un premier appareil comportant des moyens de filtration et de purification, du type filtration sur charbon actif ou sur une résine d'échange d'ions ou encore du type osmose inverse. A la sortie de ce premier moyen de traitement, l'eau dite ultrapure, ne contient plus que très peu d'ions et se caractérise par une résistivité proche, voire égale, à 18,2 MQ.cm mais elle renferme encore des composés organiques. Elle est ensuite passée à travers un second appareil dans lequel ces composés organiques sont oxydés afin de les ioniser. Au cours de cette oxydation les composés organiques sont dégradés et les atomes de carbone sont désormais présents sous forme de gaz carbonique, qui se dissout dans l'eau pour former des ions bicarbonate HCO3-. Cette oxydation est obtenue par un passage devant une lampe à ultraviolets ou par adjonction de peroxyde d'hydrogène. La troisième étape de la purification consiste en un polissage de l'eau, c'est-à-dire en son passage à travers une résine d'échange d'ions qui arrête les ions créés lors de l'étape précédente et termine ainsi la purification de l'eau. Au cours de cette étape les composés organiques qui n'ont pas été dégradés lors de la phase d'oxydation ne sont pas affectés. Il reste à connaître la pureté obtenue pour l'eau à l'issue de ce processus. Une méthode couramment employée consiste à mesurer sa résistivité en sortie des moyens d'oxydation, qui est directement liée au taux de gaz carbonique dissous, c'est-à-dire au nombre d'ions bicarbonate, puis à trouver la résistivité qu'elle aurait si le processus d'oxydation avait été conduit jusqu'à son terme, c'est-à-dire si tous ses composés organiques avaient été dégradés. Ce processus nécessitant un temps infini ne peut bien évidemment pas être mis en oeuvre et il faut donc mettre en oeuvre des méthodes d'estimation de cette résistivité limite. On connaît déjà, notamment par le brevet EP0581157 de Millipore Corporation, un dispositif et une méthode d'analyse de la pureté de l'eau qui utilisent la différence de résistivité de l'eau entre l'amont et l'aval des moyens d'oxydation pour estimer cette résistivité à l'infini. Cette méthode comprend la mise en oeuvre du dispositif dans un premier mode, dit mode de référence, au cours duquel l'écart de résistivité entre l'amont et l'aval des moyens d'oxydation est mesuré sur des échantillons d'eau qui ont été exposés pendant des temps divers à ces moyens d'oxydation. Les temps d'exposition sont typiquement de l'ordre de 10, 20, 30, 40, 50 et 60 secondes. La courbe obtenue permet par extrapolation de déterminer quelle serait la résistivité de l'eau obtenue au bout d'un temps d'exposition infini, c'est-à-dire lorsque tous les atomes de carbone auront été dégradés. A l'aide d'un programme de modélisation adapté, tel que le programme MINTEQA2 décrit dans la publication EPA/600/3-91/021 (1991) de l'Agence américaine de protection de l'environnement, il est possible à partir de la résistivité à l'infini de retrouver la quantité de composés organiques (TOC ou Total carbon content) figurant dans cette eau de référence. Un second mode, dit mode de purification ou mode d'analyse, est alors mis en oeuvre, au cours duquel on fait passer de l'eau ultrapure, sous un débit donné, au travers des moyens d'oxydation, pour connaître son taux d'impuretés en composés organiques et ainsi vérifier que sa pureté reste nominale. L'écart de résistivité entre l'amont et l'aval des moyens d'oxydation est mesuré en permanence et la quantité totale de composés organiques en est déduite au moyen d'une relation supposée linéaire entre l'écart de résistivité mesuré dans le mode de purification et l'écart de résistivité à l'infini dans le mode de référence. L'invention vise à proposer un dispositif d'analyse de la quantité de composés organiques existant dans un liquide en sortie d'un dispositif de purification, qui soit plus économique et plus facile à mettre en oeuvre. Le dispositif, selon l'invention, d'analyse de la quantité de composés organiques existant dans un liquide, tel que de l'eau ultrapure, en sortie d'un dispositif de purification comporte en série des moyens de filtration, des moyens d'oxydation et des moyens de polissage, et comporte en outre des moyens de mesure de résistivité de l'eau pour en déterminer la pureté ; il se caractérise en ce que lesdits moyens de mesure ne comportent qu'une seule cellule de mesure de résistivité et en ce qu'il est prévu des moyens de liaison et de pilotage de la circulation du fluide adaptés à : - interdire la circulation du fluide entre le point de sortie des moyens de filtration et le point d'entrée des moyens d'oxydation tout en autorisant la circulation du fluide entre le point de sortie des moyens de filtration et le point d'entrée de la cellule de mesure de résistivité, ou - autoriser la circulation du fluide entre le point de sortie des moyens de filtration et le point d'entrée des moyens d'oxydation tout en interdisant la circulation du fluide entre le point de sortie des moyens de filtration et le point d'entrée de la cellule de mesure de résistivité. La réduction à une seule cellule permet ainsi d'éviter les problèmes d'incertitude rencontrés, notamment lorsqu'on utilise dans le calcul la valeur de l'écart entre plusieurs cellules, et surtout permet de réduire les coûts puisque, du fait de leur complexité, ces cellules constituent une part importante du coût global du dispositif. Selon des caractéristiques préférées, destinées à simplifier la réalisation du circuit du liquide : - ladite cellule de mesure de résistivité est positionnée en série dans le circuit entre le point de sortie des moyens d'oxydation et le point 20 d'entrée des moyens de polissage, - le point de sortie des moyens de filtration est relié à ladite cellule de résistivité par un circuit de dérivation comprenant un clapet anti-retour qui ne s'ouvre que si la pression à l'entrée atteint une valeur prédéfinie, - le point de sortie des moyens de filtration est relié au point 25 d'entrée des moyens d'oxydations par une vanne d'analyse simple à deux positions, ouverte ou fermée, - la vanne à deux positions est située en aval du point de départ du circuit de dérivation, - la vanne d'analyse et le capteur de mesure sont connectés à une 30 unité de commande et de calcul comportant un module de commande apte à commander l'ouverture et la fermeture de la vanne d'analyse selon une séquence prédéfinie et un module de calcul apte à recueillir la valeur de la résistivité sur ladite cellule de mesure pour en déduire la valeur de pureté de l'eau en temps réel. L'exposé de l'invention sera maintenant poursuivi par la description d'un exemple préféré de réalisation, donné ci-après à titre illustratif et non limitatif, en référence aux dessins annexés. Sur ceux-ci : - la figure 1 est une vue schématique d'un dispositif de purification d'eau selon l'art antérieur ; - la figure 2 est une vue schématique d'un dispositif de purification d'eau selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 3 est une courbe représentant la décroissance, à partir d'une valeur quelconque, de la résistivité de l'eau, dans le mode de référence, en fonction du temps qu'elle a passé dans le réacteur, selon une méthode d'approximation de l'art antérieur ; et - la figure 4 est une courbe représentant la décroissance, à partir d'une valeur quelconque, de la résistivité de l'eau, dans le mode de référence, en fonction du temps qu'elle a passé dans le réacteur, selon une méthode d'approximation proposée par l'invention. En référence à la figure 1 on voit un dispositif de purification de l'eau, selon l'art antérieur, comprenant en série des moyens de filtration 1, des moyens d'oxydation 2 et des moyens de polissage de l'eau 3. Deux cellules de mesure de la résistivité de l'eau 4 sont insérées dans le circuit respectivement en sortie des moyens de filtration 1 et en sortie des moyens de d'oxydation 2. Les moyens de filtration 1 sont typiquement des filtres à base de charbon actif tels que ceux commercialisés par la société Millipore Corporation sous la marque Q-GARD�. En sortie de ces moyens de filtration l'eau a une pureté d'environ 10 ppb et une résistivité voisine ou égale à 18,2 MQ.cm. Les moyens d'oxydation 2 sont ici une lampe UV du type à vapeur de mercure, rayonnant dans la gamme comprise entre 185 et 254 nanomètres. L'eau qui circule à travers le dispositif de purification est soumise à ce rayonnement pendant des temps pouvant aller entre 2 et 120 secondes. Les moyens de polissage 3 sont typiquement constitués par une résine d'échange d'ions et permettent en final d'obtenir une eau dont la pureté est de l'ordre de 1 à 5 ppb. L'eau pénètre dans le dispositif par le point d'entrée 11 des moyens de filtration. Le point de sortie 12 de ces moyens de filtration est relié par une canalisation au point d'entrée 41 de la première cellule de résistivité 4, dont la sortie est reliée à une vanne trois voies 16. Cette vanne trois voies 16 est reliée d'une part au point d'entrée 21 des moyens d'oxydation et d'autre part à un circuit d'évacuation (non représenté). Elle permet, soit de faire passer l'eau qui sort des moyens de filtration dans les moyens d'oxydation 2, soit de l'évacuer hors du circuit. Le point de sortie des moyens d'oxydation 22 est relié par une canalisation au point d'entrée 41 de la seconde cellule de résistivité 4, dont le point de sortie 42 est, lui-même, relié au point d'entrée 31 des moyens de polissage. L'eau ultrapure obtenue est alors disponible au niveau du point de sortie 32 des moyens de polissage. En référence à la figure 2 on voit un dispositif de purification de l'eau selon un mode de réalisation de l'invention, comprenant en série comme précédemment des moyens de filtration 1, des moyens d'oxydation 2 et des moyens de polissage de l'eau 3. Ce circuit diffère du circuit de l'art antérieur en ce qu'il ne présente qu'une seule cellule de mesure 4, positionnée en série entre le point de sortie 22 des moyens d'oxydation 2 et le point d'entrée 31 des moyens de polissage 3, et en ce que la vanne trois voies 16 est remplacée par une vanne d'analyse 6, simple, à deux positions, ouverte ou fermée, qui est moins chère et plus aisée à mettre en oeuvre. L'eau en sortie des moyens de filtration est répartie entre deux canalisations, une qui se dirige comme précédemment vers la vanne d'analyse 6 et une seconde, faisant circuit de dérivation, qui se dirige directement vers la cellule de mesure de résistivité 4, en passant à travers un clapet anti-retour 5 calibré pour s'ouvrir au-delà d'une certaine valeur. L'eau en provenance des moyens de filtration 1 est dirigée uniquement par une action sur la valve d'analyse 6, que ce soit vers les moyens d'oxydation 2, ou directement vers la cellule de mesure 4 par l'intermédiaire du circuit de dérivation équipé du clapet anti-retour 5. Lorsque la valve d'analyse 6 est en position ouverte elle laisse passer le liquide vers les moyens d'oxydation ; la pression dans le circuit de dérivation chute et le clapet anti- retour 5 reste fermé. Lorsque la vanne d'analyse 6 est fermée, la pression monte dans le circuit de dérivation et le clapet anti-retour 5 s'ouvre, laissant l'eau se diriger vers la cellule de mesure de résistivité 4. La figure 2 montre également des moyens de commande du dispositif de purification de l'eau, qui comportent une unité de commande et de calcul 7 et un dispositif d'affichage 8 apte à fournir à l'opérateur des informations en temps réel sur le niveau de pureté obtenu. Cette unité de commande et de calcul 7 commande la position de la vanne d'analyse 6 grâce à un module de commande 9 et traite les informations fournies par la cellule de mesure de résistivité 4 dans un module de calcul 10. Ce module de calcul 10 met en oeuvre la méthode de calcul de la pureté de l'eau, et transmet le résultat obtenu au dispositif d'affichage 8. Comme dans l'art antérieur la méthode de mesure de la pureté de l'eau comprend une première mesure de la résistivité de l'eau en sortie des moyens de filtration puis la mise en oeuvre de deux modes distincts de fonctionnement du dispositif de purification, un mode de référence et un mode d'analyse. Pour évaluer la résistivité de l'eau fournie par les moyens de filtration 1 la valve d'analyse 6 est fermée et la pression en amont du clapet anti-retour augmente ; le clapet s'ouvre quand la pression atteint la valeur nominale d'ouverture et le flux de liquide circule dans le circuit de dérivation à travers le clapet anti-retour 5. En mode d'analyse ou en mode de référence, lorsque la valve d'analyse est ouverte, le clapet anti-retour 5 empêche la circulation du liquide dans le circuit de dérivation, la pression à son entrée restant en dessous de la valeur nominale d'ouverture. La valve d'analyse est ouverte de façon continue en mode d'analyse. Par contre en mode de référence elle reste fermée pendant des durées prédéterminées au cours desquelles l'eau située dans les moyens d'oxydation reste soumise au rayonnement UV. Puis la valve d'analyse est ouverte pour l'envoi de l'eau irradiée vers la cellule de mesure 4. Grâce à ces durées qui sont choisies significativement différentes, le mode de référence permet de connaître l'évolution de la résistivité de l'eau en fonction du temps qu'elle a passé dans les moyens d'oxydation. La configuration à un clapet anti-retour 5 et une valve d'analyse 6 permet de n'utiliser qu'une seule cellule de mesure 4 pour mesurer la résistivité en sortie des moyens de filtration 1 et en sortie des moyens d'oxydation 2. Ceci se traduit, en premier lieu par une économie importante dans la réalisation du dispositif, et, en second lieu par une plus grande facilité d'utilisation, les valves trois voies de l'art antérieur étant complexes à mettre en oeuvre dans les conditions hydrauliques de fonctionnement du dispositif. En se référant à la figure 3 on voit un certain nombre de points indiquant la valeur de la résistivité de l'eau en sortie des moyens d'oxydation 2, en fonction du temps qu'elle a séjourné dans ces moyens. La figure 3 donne également une courbe d'approximation de ces points par une fonction exponentielle du type p(t) = p~ + (po - p.) e-th. La figure 4 présente la valeur de résistivité de ces mêmes points et donne une courbe d'approximation par une fonction mixte, exponentielle et linéaire, qui peut être représentée par la fonction suivante : p(t) = p~ + (po - p.) e t/T + (pslope t + pintercept)•Ustart, length(t) où pslope et pintercept sont la pente et l'ordonnée à l'origine d'une fonction linéaire et où Ustart, lenght(t) est une fonction valant 0 dans une première partie de l'axe des abscisses correspondant à une fonction purement exponentielle et valant 1 pour la partie restante de l'axe des abscisses où la fonction peut être assimilée à la somme d'une fonction exponentielle et d'une fonction linéaire. La courbe de la figure 4 correspond à une meilleure approximation de l'évolution de la résistivité en fonction du temps passé en irradiation sous les rayons UV, en particulier lorsque le réacteur UV possède des parties en matière plastique qui sont en contact avec l'eau et qui sont soumises à ce rayonnement. La partie linéaire de la courbe prend en compte la présence dans l'eau de composés organiques qui sont générés par la photo-ionisation de ces matières ou par la dissolution du gaz carbonique de l'atmosphère. Cette nouvelle courbe d'approximation permet de réduire de 50% l'ajustement effectué selon la méthode des moindres carrés. On va maintenant décrire le déroulement du processus aboutissant à la mesure de la pureté de l'eau obtenue après son passage par le dispositif de purification. La première opération consiste à mesurer la résistivité de l'eau en sortie des moyens de filtration 1, en faisant fermer la valve d'analyse 6. L'eau passe alors, via le circuit de dérivation et le clapet anti-retour 5, directement dans la cellule de mesure de résistivité 4 qui donne la valeur de la résistivité qu'a l'eau en sortie des moyens de filtration 1. Cette valeur pupw reste a priori constante tout au long de l'opération de purification car elle ne dépend que des caractéristiques du liquide avant purification. Puis débutent une série d'opérations dans un mode dit de référence. Ce mode a pour objet de déterminer quelle est la résistivité à l'infini p.REF d'une eau, qui servira comme fluide de référence pour la suite des mesures. La vanne d'analyse 6 est ouverte pendant un court instant, le temps de remplacer l'eau présente dans les moyens d'oxydation par une eau nouvelle provenant des moyens de filtration, puis cette vanne d'analyse 6 est refermée. Cette vanne reste fermée pendant une première durée déterminée, puis est rouverte pour que l'eau qui a été retenue dans les moyens d'oxydation passe dans la cellule de mesure de résistivité 4 ; on enregistre la valeur de résistivité de cette eau puis on recommence la même opération en faisant varier le temps de stationnement de l'eau dans les moyens d'oxydation. On établit ainsi une série de mesures de résistivité en fonction du temps et on en déduit par des techniques de régression la meilleure courbe d'approximation passant par ces points, dans un diagramme donnant la résistivité en fonction du temps. On obtient alors la résolution des paramètres de la fonction p(t) = p.REF + (po - pooREF) e t/T + (pslope t + pintercept)•Ustart, Iength(t), qui étaient inconnus jusqu'alors c'est-à-dire les paramètres p00REF, P0, T, pslope, Pintercept, et le point de coupure de la fonction Ustart, Iength. Cette fonction présentant six paramètres inconnus il est nécessaire de réaliser des expérimentations pendant au moins six durées différentes. On détermine ainsi en particulier le paramètre 9 POREF qui donne la valeur de la résistivité qu'aurait l'eau si elle était restée un temps infini dans les moyens d'oxydation, autrement dit si tous ses composés organiques avaient été dégradés en ions bicarbonates. La connaissance de ces deux valeurs (valeur puPw de la résistivité en sortie des moyens de filtration et valeur pOREF de la résistivité à l'infini après une oxydation complète) permet de débuter la phase d'analyse de l'eau qui sort du dispositif de purification et de connaître à tout instant sa concentration en atomes de carbone, c'est-à-dire son niveau de pureté. Pour cela on laisse la valve d'analyse ouverte en permanence. L'eau qui a traversé les moyens de filtration passe, avec un débit donné, à travers les moyens d'oxydation où elle subit une dégradation partielle de ses composés organiques et où sa résistivité évolue du fait de la dissolution du gaz carbonique ainsi généré. En sortie sa résistivité p est mesurée par la cellule de mesure 4, et est fonction du temps de résidence t pendant lequel elle est restée soumise à l'irradiation par les moyens d'oxydation 2. En prenant pour modèle d'évolution de la résistivité la seule courbe exponentielle on peut écrire p(t) = p.+ (pupw - p.) e-t/T. L'approximation, faite ici, qui consiste à ne retenir que la partie exponentielle de la courbe d'évolution de la résistivité en fonction du temps et qui ne pouvait être prise en compte dans le mode de référence avec des réacteurs disposant de pièces en matière plastique, est ici acceptable car les temps d'exposition de l'eau dans le réacteur UV restent brefs, ce qui n'était pas le cas dans le mode de référence. La valeur qu'il convient maintenant de déterminer est la valeur p. qui permettra de trouver la valeur de pureté de l'eau en sortie du dispositif de purification. Ce paramètre sera calculé par une méthode d'extrapolation analytique exposée ci-dessous. En désignant, pour simplifier l'écriture, par ka le rapport entre les termes p(t) et p. et par e-° la formule e- th on obtient : 1/ ka = 1+ (puPw/ p. -1) e-° En exprimant que cette formule s'applique également au mode de référence, dans la partie gauche de sa courbe (ustart, Iength(t)=0) pour le même temps de résidence, on obtient : 10 KREF = p(t)REF/ POOREF et e -a = (1 - KREF)/ KREF X POOREF/ (pUPW -p0oREF)• On peut alors exprimer ka en fonction de p. et de paramètres qui sont connus à travers la mise en oeuvre du mode de référence (KREF, pupes et p0oREF)• En utilisant le temps de résidence t comme un paramètre de travail destiné à tendre vers l'infini, il est possible, par une méthode itérative classique, de faire évoluer successivement ka et p. jusqu' à obtenir la convergence de ce dernier paramètre. On obtient ainsi la valeur de la résistivité qu'aurait l'eau qui passe dans les moyens d'oxydation si son passage avait duré un temps infini, c'est à dire si l'oxydation de ses composés organiques avait été conduite à son terme. Des méthodes classiques, comme par exemple celle mise en oeuvre par le programme MINTEQA2, permettent ensuite de remonter de la valeur de la résistivité à l'infini à la quantité de composés organiques (TOC) figurant dans cette eau, c'est-à-dire à son taux de pureté exprimée en ppb. De nombreuses variantes sont possibles en fonction des circonstances, et l'on rappelle à cet égard que l'invention ne se limite pas aux exemples décrits et représentés. REVENDICATIONS1. Dispositif d'analyse de la quantité de composés organiques existant dans un liquide, tel que de l'eau ultrapure, en sortie d'un dispositif de purification comportant en série des moyens de filtration (1), des moyens d'oxydation (2) et des moyens de polissage (3), comportant en outre des moyens de mesure (4) de résistivité de l'eau pour en déterminer la pureté, caractérisé en ce que lesdits moyens de mesure ne comportent qu'une seule cellule de mesure de résistivité (4) et en ce qu'il est prévu des moyens de liaison et de pilotage de la circulation du fluide adaptés à : - interdire la circulation du fluide entre le point de sortie (12) des moyens de filtration (1) et le point d'entrée (21) des moyens d'oxydation (2) tout en autorisant la circulation du fluide entre le point de sortie (12) des moyens de filtration (1) et le point d'entrée (41) de la cellule de mesure de résistivité (4), ou - autoriser la circulation du fluide entre le point de sortie (12) des moyens de filtration (1) et le point d'entrée (21) des moyens d'oxydation (2) tout en interdisant la circulation du fluide entre le point de sortie (12) des moyens de filtration (1) et le point d'entrée (41) de la cellule de mesure de résistivité (4). 2. Dispositif d'analyse de la quantité de composés organiques existant dans un liquide selon la revendication 1 dans lequel ladite cellule de mesure de résistivité (4) est positionnée en série dans le circuit entre le point de sortie (12) des moyens d'oxydation (2) et le point d'entrée (31) des moyens de polissage (3). 3. Dispositif d'analyse de la quantité de composés organiques existant dans un liquide selon l'une des revendications 1 ou 2 dans lequel le point de sortie (12) des moyens de filtration est relié à ladite cellule de résistivité (4) par un circuit de dérivation comprenant un clapet anti-retour (5) qui ne s'ouvre que si la pression à l'entrée atteint une valeur prédéfinie. 4. Dispositif d'analyse de la quantité de composés organiques existant dans un liquide selon l'une des revendications 1 à 3 dans lequel le point de sortie (12) des moyens de filtration (1) est relié au point d'entrée (21)des moyens d'oxydations (2) par une vanne d'analyse (6) simple à deux positions, ouverte ou fermée. 5. Dispositif d'analyse de la quantité de composés organiques existant dans un liquide selon l'ensemble des revendications 3 et 4 dans lequel la vanne à deux positions est située en aval du point de départ du circuit de dérivation. 6. Dispositif d'analyse de la quantité de composés organiques existant dans un liquide selon l'une des revendications 1 à 5 dans lequel la vanne d'analyse (6) et le moyen de mesure (4) sont connectés à une unité de commande et de calcul (7) comportant un module de commande (9) apte à commander l'ouverture et la fermeture de la vanne d'analyse (6) selon une séquence prédéfinie et un module de calcul (10) apte à recueillir la valeur de la résistivité sur ladite cellule de mesure (4) pour en déduire la valeur de pureté de l'eau en temps réel.15