Brevet FR2949458A1 — publié le 20110304

DISPOSITIF DE TRAITEMENT PAR RAYONS ULTRAVIOLETS La présente invention concerne un dispositif de traitement par rayons ultraviolets applicable à des fins telles que le traitement d'eaux par voie de stérilisation ou d'inactivation sous l'action d'une lampe à rayons ultraviolets par exemple. La source de lumière ultraviolette dont sont équipés les dispositifs de traitement par rayons ultraviolets conventionnels appliqués en traitement de l'eau par stérilisation ou inactivation correspond généralement à des lampes UV émettant jusqu'à 300 nm, qui englobent donc le rayonnement germicide à 254 nm (voir à ce sujet la demande de brevet japonais (Kokai) publiée non examinée sous le numéro 11-156352 (A), année 1999 par exemple). Dans leur principe, la stérilisation et l'inactivation aux longueurs d'onde ne dépassant pas 300 nm reposent sur l'action directe exercée par les rayons ultraviolets sur les gènes des micro-organismes, qu'ils privent de leur capacité de prolifération en endommageant leurs séquences génétiques. Or, en vertu du phénomène dit de photoréactivation, les séquences génétiques endommagées par une irradiation ultraviolette sont réparées chez certaines espèces microbiennes sous l'effet d'une exposition à une lumière de 300 à 500 nm dans le domaine du proche ultraviolet au visible. La présente invention a pour objet de proposer un dispositif de traitement par rayons ultraviolets permettant d'inhiber le phénomène de photoréactivation par lequel les micro-organismes recouvrent leur vitalité. La solution apportée à ce problème de photoréactivation passe ainsi par le dispositif de traitement par rayons ultraviolets selon l'invention qui agit en stérilisant les eaux à traiter ou inactivant les micro-organismes qu'elles renferment sous l'effet de rayons ultraviolets délivrés par une lampe UV émettant dans un spectre répondant à la relation X L'invention qui repose ainsi sur de puissants effets inhibiteurs de photoréactivation conduit à proposer un dispositif de traitement par rayons ultraviolets qui, en réduisant la population des micro-organismes susceptibles de recouvrer leur vitalité, garantit donc une grande efficacité en stérilisation et inactivation quand bien même les eaux irradiées par ultraviolets seraient ensuite exposées à la lumière visible. L'expression "lampe UV" associée à la présente Demande n'exclut pas, à tout le moins, les lampes à gaz ou les lampes à diodes luminescentes. Elle n'exclut pas non plus les sources lumineuses constituées par l'association d'une pluralité de lampes de même nature ou de nature dissemblable. La figure 1 est un schéma de principe général illustrant un mode de réalisation du dispositif de traitement par rayons ultraviolets selon l'invention. La figure 2 est une vue en coupe du dispositif de traitement par rayons ultraviolets schématisé sur la figure 1. La figure 3 est une élévation latérale suivant le plan IûI' de la figure 2. La figure 4 est un schéma conceptuel descriptif du spectre d'émission de la lampe à mercure haute pression à associer au dispositif de traitement par rayons ultraviolets représenté sur la figure 1. La figure 5 est un schéma de principe donné à titre d'illustration de la lampe à mercure haute pression utilisée dans le dispositif de traitement par rayons ultraviolets représenté sur la figure 1. La figure 6 est un schéma descriptif du spectre d'émission de la lampe à mercure haute pression représentée sur la figure 5. La figure 7 est un diagramme descriptif de la photoréactivation d'Escherichia coli, destiné à illustrer comparativement les résultats procurés par un traitement selon un mode de réalisation de l'invention et par un traitement classique par irradiation de rayons ultraviolets. La figure 8 est une vue en coupe illustrant schématiquement l'architecture d'un dispositif de traitement par rayons ultraviolets correspondant à ce mode de réalisation de l'invention. La figure 9 est un schéma descriptif du spectre d'émission de la lampe à mercure basse pression utilisée dans ce mode de réalisation de l'invention. La figure 10 est un schéma descriptif du spectre d'émission de la lampe UV à LED utilisée dans ce mode de réalisation de l'invention. La figure 11 est un schéma descriptif de l'énergie relative obtenue en cas de combinaison des spectres d'émission des figures 9 et 10. (Exemples de réalisation) Les exemples illustrant l'invention sont décrits en référence aux figures qui, données à seul titre indicatif, n'en restreignent donc en rien la portée. La description détaillée suivante faite en référence aux figures illustre l'invention dans ses modes de réalisation. Les figures 1 à 5 décrivent un dispositif de traitement par rayons ultraviolets correspondant à un premier mode de réalisation de l'invention. La figure 1 est un schéma de principe général, la figure 2 une vue en coupe du dispositif de traitement par rayons ultraviolets de la figure 1, la figure 3 une élévation latérale suivant le plan IùI' de la figure 2, la figure 4 un schéma conceptuel descriptif du spectre d'émission de la lampe à mercure haute pression à associer au dispositif de traitement par rayons ultraviolets de la figure 1 et la figure 5 un schéma de principe donné à titre d'illustration de la lampe à mercure haute pression utilisée dans ce même dispositif de traitement par rayons ultraviolets représenté sur la figure 1. Par "lampe à mercure haute pression", on entend au sens de la présente Demande une lampe à mercure dont la pression de vapeur de mercure en mode d'éclairage est comprise entre 100 Pa et 1000 kPa (0,75 Torr à 7 500 Torr). En référence tout d'abord aux figures 1 à 3, le symbole 100 désigne un dispositif de traitement par rayons ultraviolets composé d'une boîte à lumière 10 assurant la stérilisation d'eau du robinet par exemple par irradiation de rayons ultraviolets et d'un récipient de traitement 20. La boîte à lumière 10 revêt la forme d'un caisson dont la face inférieure laisse place à une ouverture 101. Une lampe à mercure haute pression 11 émettant des rayons ultraviolets dans un spectre associant la gamme des longueurs d'onde de 250 à 280 nm à celle des longueurs d'onde de 350 à 380 est installée à l'intérieur de cette boîte à lumière 10. Face à l'ouverture 101 se trouve monté un réflecteur 102 destiné à réfléchir en sa direction les rayons ultraviolets émis par la lampe à mercure haute pression à l'opposé de cette même ouverture 101. Comme l'illustre conceptuellement le schéma de la figure 4, la lampe à mercure haute pression 11 est telle que la relation X Cette lampe à mercure haute pression 11 est décrite en plus amples détails en référence à la figure 5. Elle s'organise autour d'un tube luminescent 112 réalisé dans un verre de quartz perméable aux rayons ultraviolets, qui délimite un espace de décharge 111. Des électrodes 113, 114 en tungstène par exemple sont placées à l'intérieur du tube luminescent 112 à ses deux extrémités longitudinales. Le tube luminescent 112 est constitué par exemple par un tube simple d'une longueur utile de l'ordre de 1 500 mm. Les électrodes 113, 114 sont soudées chacune à l'une des extrémités 117, 118 d'une feuille de molybdène par l'intermédiaire de conducteurs internes 115, 116. Ces feuilles de molybdène 117, 118 le sont aussi à leur autre extrémité à celles de conducteurs externes non représentés. Les éléments formés par les feuilles de molybdène 117, 118 sont scellés par chauffage du tube luminescent 112 entre les conducteurs internes 115, 116 et les conducteurs externes. Les feuilles 117, 118 peuvent être réalisées dans n'importe quel matériau pour autant que son coefficient de dilatation thermique avoisine celui du verre de quartz dans lequel est constitué le tube luminescent 112. Il est ici fait appel au molybdène qui répond à cette exigence. Des conducteurs d'alimentation 121, 122 isolés par scellement dans des douilles 119, 120 en céramique par exemple sont connectés électriquement à l'autre extrémité des conducteurs externes respectivement reliés par une extrémité aux feuilles de molybdène 117, 118, ces conducteurs 121, 122 étant eux-mêmes raccordés à un circuit d'alimentation non représenté. Le tube luminescent 112 est rempli sous 10�1 Torr d'un volume suffisant d'argon gazeux (gaz rare) pour entretenir la décharge d'arc ainsi qu'avec 2,64 mg/cm3 de mercure. Cette configuration conduit à une lampe à mercure haute pression émettant des rayons ultraviolets ayant l'énergie relative spectrale de la figure 6. En ce cas, la valeur du pic d'énergie du spectre d'émission aux longueurs d'onde de 350 à 380 nm est d'environ le quadruple de celle du pic d'énergie du spectre d'émission aux longueurs d'onde de 250 à 280 nm, ce qui satisfait la relation X Le taux de survie d'Escherichia coli à l'issue d'une irradiation par 30 mJ/cm2 de rayons ultraviolets émis à 254 nm par une lampe à mercure basse pression s'établit à 0,03% (courbe (a), fig. 7). Or, le taux de survie d'Escherichia coli après photoréactivation qui avoisine en ce cas 10% (soit une augmentation d'un facteur 100) témoigne d'une très forte baisse des effets de stérilisation (courbe (b), fig. 7). Le taux de survie d'Escherichia coli après une irradiation par 30 mJ/cm2 de rayons ultraviolets émis à 254 nm par une lampe à mercure haute pression présentant le spectre d'émission de la figure 6 est de 0,03% (courbe (c), fig. 7), soit une valeur identique à celle de la lampe à mercure basse pression. Avec en ce cas un taux de survie d'Escherichia coli après photoréactivation de 0,3% (soit une augmentation d'un facteur 10; courbe (d), fig. 7), on voit bien que la lampe à mercure haute pression exerce sur la photoréactivation, certes effective, des effets d'inhibition supérieurs à ceux de la lampe à mercure basse pression. La forte inhibition de la photoréactivation à laquelle préside la lampe à mercure haute pression pourrait être attribuée aux effets exercés par l'énergie lumineuse aux longueurs d'onde à partir de 300 nm qu'émet très peu la lampe à mercure basse pression. À dose identique de rayons ultraviolets à 254 nm généralement considérés comme actifs en stérilisation et inactivation, la lampe à mercure haute pression a effectivement davantage inhibé la photoréactivation. Dans ce mode de réalisation, la stérilisation et l'inactivation sont efficacement améliorées par l'utilisation en traitement de l'eau d'une lampe à mercure haute pression dont le pic d'énergie du spectre d'émission aux longueurs d'onde de 350 à 380 nm présente une valeur supérieure à celle du pic d'énergie du spectre d'émission aux longueurs d'onde de 250 à 280 nm. Des exemples concrets de lampes à mercure haute pression ayant un pic d'énergie Y du spectre d'émission aux longueurs d'onde de 350 à 380 nm supérieur au pic d'énergie X du spectre d'émission aux longueurs d'onde de 250 à 280 nm sont exposés ci-après. (1) Lampes aux halogénures métalliques (X et Y étant des valeurs relatives) X = 15,3; Y = 100 (Y/X = (1ù1) Fe métallique luminescent 10 6,5) (1ù2) Ga métallique luminescent X = 3,4; Y = 14,0 (Y/X = 4,1) (1ù3) Hg métallique luminescent X = 18,4; Y = 100 (Y/X = 5,4) 15 (1ù4) Tl métallique luminescent X = 17,4; Y = 100 (Y/X = 5,7) 20 (2) Lampes sans électrodes excitées par micro-ondes (métal luminescent à base de Fe; X et Y sont exprimés en valeurs relatives) (2ù1) Puissance 100% X = 9,939; Y = 88,72 (X/Y = 8,9) (2ù2) Puissance 90% X = 10,73; Y = 90,62 (X/Y = 8,4) (2ù3) Puissance 80% X = 10,27; Y = 93,44 (X/Y = 9,1) (2ù4) Puissance 70% X = 11,14; Y = 100 (X/Y = 9,0) 25 (2ù5) Puissance 60% X = 8,318; Y = 100 (X/Y = 12,0) (2ù6) Puissance 50% X = 7,901; Y = 100 (X/Y = 12,7) (2ù7) Puissance 40% X = 7,766; Y = 100 (X/Y = 12,9) (2ù8) Puissance 30% X = 7,362; Y = 100 (X/Y = 13,6) (2ù9) Puissance 20% X = 6,969; Y = 100 (X/Y = 14,3) 30 (3) Lampes sans électrodes excitées par micro-ondes (métal luminescent à base de Hg; les valeurs X et Y sont des valeurs relatives) (3ù1) Puissance 100% X = 27,79; Y = 100 (X/Y = 3,6) (3ù2) Puissance 83% X = 21,83; Y = 100 (X/Y = 4,6) (3ù3) Puissance 66% X = 21,83; Y = 100 (X/Y = 4,6) (3ù4) Puissance 50% X = 21,19; Y = 100 (X/Y = 4,7) (3ù5) Puissance 36% X = 22,09; Y = 100 (X/Y = 4,5) Ces lampes à mercure haute pression offrent en pratique des effets identiques à ceux décrits ci-dessus. Les valeurs prises par le rapport Y/S reliant leurs valeurs X et Y s'inscrivent sur un intervalle de l'ordre 3 Y/X 15. Pour obtenir des effets de stérilisation et d'inactivation particulièrement élevés, on imagine aisément qu'il faille assigner une fourchette de valeurs au rapport Y/S reliant X et Y. En l'absence de données venant infirmer l'obtention d'importants effets, l'intervalle de 3 Y/X 15 semble pour l'instant constituer une option particulièrement probante. Pour référence, les lampes à rayons ultraviolets dont le rapport Y/X n'obéissent pas à la relation 3 Y/X 15 relèvent des exemples suivants. Une lampe à mercure haute pression associée à In comme métal luminescent donne par exemple X = 7,78, Y = 6,68 (Y/X = 0,86). De la même façon, une lampe à mercure très haute pression, du type de celles équipant notamment les projecteurs à cristaux liquides, prendra les valeurs X = 4,29, Y = 100 (Y/X = 23,2) par exemple. Dans ces cas, les effets obtenus ne seront pas aussi élevés qu'avec les lampes respectant la relation 3 Y/X 15. Un dispositif de traitement par rayons ultraviolets selon un autre mode de réalisation de l'invention est ensuite décrit en référence aux figures 8 à 11. La figure 8 est une vue en coupe schématique de son architecture, la figure 9 un diagramme descriptif du spectre d'émission de la lampe à mercure basse pression utilisée dans ce mode de réalisation, la figure 10 un diagramme descriptif du spectre d'émission de la lampe LEDùUV utilisée dans ce mode de réalisation et la figure 11 un diagramme descriptif de l'énergie relative pour les spectres d'émission des figures 9 et 11 combinés. Par "lampe à mercure basse pression", il est fait référence dans la présente Demande aux lampes à mercure dont la pression de vapeur de mercure en mode d'éclairage est égale ou inférieure à 10 Pa (0,0075 Torr). Sur la figure 8, le symbole 81 désigne une lampe à mercure basse pression émettant des rayons ultraviolets d'énergie maximale X aux longueurs d'onde de 250 à 280 nm. Cette lampe à mercure basse pression 81 offre la même constitution qu'une lampe à mercure haute pression par exemple, avec un tube luminescent rempli sous 0,49�0,1 Torr d'un volume suffisant d'argon gazeux (gaz rare) pour entretenir la décharge d'arc ainsi qu'avec 100�5 mg/P de mercure ("/P": par tube). La figure 9 représente le spectre d'émission de la lampe à mercure basse pression. Comme en témoigne ce tracé, la lampe à mercure basse pression 81 émettant aux longueurs d'onde de 250 à 280 nm présente un pic d'énergie au voisinage de 254 nm, alors que celui du spectre d'émission aux longueurs d'onde de 350 à 380 nm n'en représente que le 1/18e environ. La condition X Sur la figure 8, le symbole 30 désigne un récipient de traitement constitué par un tube à double enveloppe comprenant un tube interne 301 et un tube externe 302 réalisés tous deux dans un matériau perméable aux rayons ultraviolets, verre de quartz par exemple. La lampe à mercure basse pression 81 est logée dans le tube interne 301 du récipient de traitement 30. Dans ce mode de réalisation, la source lumineuse émettant dans l'ultraviolet avec une énergie maximale Y aux longueurs d'onde de 350 à 380 nm est une lampe LEDùUV 15. La lampe LEDùUV 15 est disposée uniformément sur la circonférence extérieure du tube externe 302 du récipient de traitement 30. Bien que la vue en coupe de la figure 8 ne permette pas de le distinguer, cette uniformité vaut aussi dans le sens de la longueur du récipient de traitement 30. Les rayons ultraviolets émis par la lampe à mercure basse pression 81 sont irradiés dans la zone de traitement 303 du récipient de traitement 30 parcourue par l'eau, à traiter à travers son tube interne 301. Les rayons ultraviolets provenant de la lampe LEDùUV 15 le sont quant à eux dans la zone de traitement 303 du récipient de traitement 30 parcourue par l'eau à traiter, à travers son tube externe 302. La figure 10 représente le spectre d'émission de la lampe LEDùUV 15. On peut y constater qu'il présente un pic au voisinage de 365 nm. La figure 11 transcrit graphiquement l'énergie relative spectrale obtenue en cas de combinaison du spectre d'émission de la lampe à mercure basse pression 81 de la figure 9 et du spectre d'émission de la lampe LEDùUV 15 de la figure 10. On voit que l'énergie relative aux longueurs d'onde de 350 à 380 nm, à la différence de la lampe à mercure basse pression 11, est plusieurs fois supérieure à celle développée aux longueurs d'onde de 250 à 280 nm. La relation entre le pic d'énergie X aux longueurs d'onde de 250 à 280 nm et le pic d'énergie Y aux longueurs d'onde de 350 à 380 nm satisfait la condition X La présente invention n'est pas circonscrite à ces modes particuliers ainsi décrits en référence aux figures et inclut toutes les variantes envisageables sans sortir du cadre de ses revendications. REVENDICATIONS1. Dispositif de traitement par rayons ultraviolets (100) destiné à traiter des eaux par voie de stérilisation ou d'inactivation sous l'action de rayons ultraviolets émis par une lampe UV, caractérisé en ce que la lampe UV délivre des rayons ultraviolets dont le spectre d'émission répond à la relation X 2. Dispositif de traitement par rayons ultraviolets (100) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la lampe UV délivre des rayons ultraviolets dont le spectre d'émission s'inscrit dans l'intervalle de 3 Y/X 15, où X et Y représentent les pics d'énergie précités. 3. Dispositif de traitement par rayons ultraviolets (100) selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que la lampe à rayons ultraviolets est une lampe à mercure haute pression. 4. Dispositif de traitement par rayons ultraviolets (100) selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que les rayons ultraviolets y sont émis par une lampe à mercure basse pression (81) émettant des rayons ultraviolets aux longueurs d'onde de 250 à 280 nm et une lampe LEDùUV (15) émettant des rayons ultraviolets aux longueurs d'onde de 350 à 380 nm.