Brevet FR2962726A1 — publié le 20120120

La présente invention concerne un procédé amélioré pour la production d'eau allégée en carbonate de calcium, ainsi qu'un dispositif de mise en oeuvre de ce procédé. L'objectif premier du procédé selon l'invention est de produire une eau allégée en carbonate de calcium, pour éliminer son pouvoir entartrant, plus particulièrement destinée à être distribuée dans les réseaux d'alimentation en eau potable, mais aussi dans les installations industrielles et domestiques. Il est rappelé que l'eau contient, en solution, un certain nombre de minéraux, parmi lesquels les bicarbonates de calcium et le calcium, sous forme d'ions Ca ++ et HCO3 lequel génère l'ion CO3-. Il est également rappelé que ces ions sont générateurs du carbonate de calcium lequel est peu soluble, sa solubilité variant en fonction de certains paramètres, tels que notamment la température de l'eau, l'aération, la pression et plus généralement toutes actions qui occasionnent une modification de l'équilibre calco-carbonique ; de plus, selon les conditions, le carbonate de calcium précipite sous différentes formes cristallographiques. Ce carbonate de calcium constitue l'élément essentiel du tartre dont les inconvénients bien connus ne seront pas rappelés dans la présente description. Différents procédés ont été utilisés à ce jour pour éviter le dépôt de tartre puis son incrustation sur les parois des contenants de l'eau ; ils se distinguent entre procédés chimiques et procédés physiques. Les solutions chimiques (utilisant de la chaux, de la soude ou des résines) bien que maîtrisées depuis longtemps comportent de nombreuses contraintes dont la première est d'ajouter des produits chimiques dans une eau naturelle de bonne qualité et la seconde est de retrouver tout ou partie de ces produits chimiques dans le milieu naturel. Ces solutions chimiques présentent également des contraintes qui ne sont pas neutres en termes de mise en oeuvre, de personnels, d'approvisionnement, de manutentions, de volumes, de déchets polluants et plus généralement du point de vue de la sécurité et de l'environnement. Le procédé faisant partie des procédés physiques, il ne sera pas davantage fait de développements sur les procédés chimiques. Les procédés physiques présentent l'énorme avantage, à l'exception de la nano filtration, de ne pas modifier fondamentalement la composition originelle de l'eau, les énergies mises en oeuvre étant essentiellement électriques, électromagnétiques ou magnétiques ; parmi ces procédés, le plus efficace utilise la microélectrolyse de l'eau. L'état de la technique le plus proche de celui de l'invention est illustré par les brevets français n° 96 00074 et 02 01015. Le procédé décrit dans ce brevet utilise une microélectrolyse de l'eau, cette dernière constituant l'électrolyte, où ladite électrolyse s'accompagne d'une déshydratation des germes de carbonate de calcium contenus dans l'eau faisant l'objet de ce traitement ; lors de cette déshydratation, il est fait appel à une énergie électrique. Les améliorations faisant l'objet de la présente invention concernant un procédé de production d'eau allégée en carbonate de calcium, du type où l'on effectue une microélectrolyse au sein de l'eau à traiter qui constitue l'électrolyte, ladite électrolyse s'accompagnant d'une déshydratation des germes de carbonate de calcium contenus dans l'eau ainsi traitée, consistent à éliminer de l'eau traitée le gaz carbonique qui y est dissout et est généré lors de la dissociation des bicarbonates. De façon plus précise, le procédé selon la présente invention consiste à insuffler, dans des conditions spécifiques, de l'air dans le réacteur au moment de la microélectrolyse de l'eau à traiter. La présente invention concerne également un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé précité, où des moyens sont prévus pour évacuer le gaz carbonique contenu dans l'eau traitée. Selon un mode de réalisation particulier parmi d'autres, les moyens permettant au gaz carbonique présent d'être évacué consistent en des tubes aérateurs munis d'orifices par où l'air est insufflé, lesdits tubes étant disposés à l'intérieur de la cuve où se produit la microélectrolyse destinée à produire de l'eau allégée en carbonate de calcium. Préférentiellement, dans ce mode particulier de réalisation, ces tubes seront disposés à la partie inférieure de ladite cuve, sous les électrodes produisant ladite électrolyse. D'autres caractéristiques de la présente invention seront mieux comprises à la lecture de la présente description, référence étant faite aux figures parmi lesquelles : - la figure 1 représente en coupe transversale le détail d'une cuve d'électrolyse munie de cathodes et de tubes aérateurs, et - la figure 2 représente schématiquement une vue de dessus détaillée de l'un des tubes aérateurs et de son anode correspondante. Ainsi qu'il est connu par ailleurs, la précipitation du carbonate de calcium provient de la dissociation des « bicarbonates » en carbonates. Cette dissociation génère également du CO2 selon la formule globale : Cal+ + 2 HCO3" -* CaCO3 + CO2 + H2O Le CO2 généré s'élimine partiellement par dégazage naturel, l'autre partie se dissout à nouveau dans le milieu selon la réaction inverse de la précédente. La dissolution du CO2 diminue significativement l'efficacité du processus en reformant l'ion HCO3" qui a été dissocié précédemment. En outre, la présence de CO2 dissout diminue également le pH de l'eau, ce qui n'est pas souhaitable, surtout pour une eau destinée à la consommation humaine. Pour améliorer l'efficacité du procédé décrit dans les brevets français n° 96 00074 et 02 01015, il a été imaginé de provoquer un dégazage du CO2 afin qu'une plus grande partie soit effectivement dégazée, c'est-à-dire éliminée sous forme gazeuse, ne se dissolve pas à nouveau, et ne soit pas facteur d'une baisse du pH. Toutefois, un tel dégazage est particulièrement complexe car il doit tenir compte de facteurs multiples, et en premier lieu ne pas gêner la formation et la précipitation sous forme déshydratée de cristaux de carbonate de calcium ; cette formation et cette précipitation constituent le coeur de l'invention faisant l'objet des brevets français n° 96 00074 et 02 01015 et ne doivent être aucunement perturbées par l'élimination du CO2. Après de nombreuses tentatives avortées, il est apparu de façon surprenante qu'un tel dégazage pouvait valablement être conduit en insufflant de l'air à l'intérieur de la cuve où se produit l'électrolyse, sous réserve que les conditions selon lesquelles cet air est insufflé respectent strictement un certain nombre de critères. En effet, la diffusion de l'air au sein de l'eau doit provoquer un dégazage mécanique adapté qui chasse les gaz dont le CO2 hors de la cuve d'électrolyse, mais cela ne doit pas se faire au détriment de la formation et de la précipitation sous forme déshydratée de cristaux de carbonate de calcium ainsi que cela a déjà été mentionné. En respectant les critères selon lesquels l'air doit être insufflé, il est apparu qu'il y avait synergie entre d'une part la réaction électrolytique pour générer la précipitation du CaCO3, et d'autre part l'aération mécanique pour évacuer le CO2 naissant ; la simultanéité de ces deux opérations a permis de constater les bénéfices suivants non prévisibles : une amélioration incontestable de l'efficacité en termes de quantité de carbonate de calcium précipité (30 à 50 % de précipité supplémentaire) ; une diminution de 30 à 50 % environ de l'énergie à appliquer pour obtenir le même taux de précipitation que sans air (en incluant l'énergie consommée par le surpresseur d'air qui sera mentionné plus avant dans la présente description) ; un pH de l'eau ainsi traitée remonté au niveau du pH d'équilibre calco carbonique (obligation réglementaire des eaux distribuées destinées à la consommation humaine) sans ajout d'aucun produit chimique. Parmi les critères que doit remplir l'air insufflé figurent : sa température, qui sera préférentiellement la température ambiante, - sa pression, qui devra être supérieure à celle de la colonne d'eau formée par la cuve d'électrolyse sans pour autant être trop élevée car cela aboutirait à des projections de liquide hors de ladite cuve, à une augmentation de la turbidité du milieu et un entraînement des cristaux de carbonate de calcium ; en outre, une trop forte pression gênerait l'agglomération desdits cristaux, ce qui, au final, aboutirait à un magma solide autour des cathodes, interrompant, ou pour le moins, perturbant le passage du courant dans l'électrolyte situé dans ladite cuve. Une pression se situant entre 0,1 et 3 bars sera donc avantageusement utilisée, - son débit, qui sera préférentiellement de 2 à 20 fois le volume d'eau traité (2 à 20 m3/h pour 1 m3/h d'eau traitée), son lieu d'arrivée, qui se situera préférentiellement au niveau de la base des anodes, de préférence sous celles-ci, l'air insufflé devant rester à proximité des anodes et éviter d'aller vers la cathode (d'où l'importance de la localisation d'arrivée, de la pression et du débit de l'air insufflé). Les résultats optimaux sont obtenus lorsque l'ensemble de ces critères sont remplis simultanément. Pour permettre la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, un dispositif a été conçu comprenant, ainsi qu'il apparaît à la figure 1, une cuve (1) dans laquelle se déroule l'électrolyse de l'eau à traiter (2), celle-ci constituant l'électrolyte, il a été imaginé de placer préférentiellement en bas de la cuve 1 des moyens permettant d'insuffler l'air dans ladite cuve (1). Ces moyens consisteront avantageusement en des tubes (3) munis d'orifices (4) par où est insufflé l'air, ces tubes (3) étant alimentés par un surpresseur d'air non représenté ici. Selon un mode préférentiel de réalisation illustré à la figure 2, chaque tube (3) comportera une succession d'orifices (4), disposés par couples, chacun de ces couples étant positionné sous une anode (5), la cuve (1) comportant en alternance une série d'anodes (5) et de cathodes (6) où se déposent les cristaux de carbonate de calcium, leur formation et leur précipitation sous forme déshydratée se faisant en appliquant les paramètres électriques mentionnés dans les brevets français n° 96 00074 et 02 01015. De plus, et afin d'obtenir un meilleur résultat, les orifices (4) d'un même couple sont disposés symétriquement de part et d'autre de chaque anode (5) ; préférentiellement, l'angle formé par ces orifices (4), l'axe du tube (3) et le plan de l'anode (5) sera de l'ordre de 45°, de façon à ce que l'air issu des orifices (4) vienne lécher la partie inférieure de l'anode correspondante (5). Selon un autre mode de réalisation, non illustré ici, du dispositif de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, les tubes seront disposés non plus parallèlement aux électrodes comme cela est illustré à la figure 1, mais perpendiculairement auxdites électrodes ; lesdits tubes resteront toutefois disposés sous lesdites électrodes. Selon le réacteur, il sera également possible de prévoir un seul tube au lieu d'une pluralité. Selon encore un autre mode de réalisation, non illustré ici, du dispositif de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, une ou plusieurs électrodes pourront consister en des caissons minces dont les grandes surfaces, ou l'une d'entre elles seulement, seront dotées d'une multitude de perforations par lesquelles sera insufflé l'air dans l'eau à traiter. Ce mode de réalisation pourra d'ailleurs être combiné à l'un ou l'autre des modes de réalisations précédemment décrits. Il reste entendu que d'autres dispositifs pourront être conçus pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention sans pour autant sortir du cadre de la présente invention. 25 30 35 40 REVENDICATIONS1) Procédé de production d'eau allégée en carbonate de calcium, du type où l'on effectue une microélectrolyse au sein de l'eau à traiter qui constitue l'électrolyte, ladite électrolyse s'accompagnant d'une déshydratation des germes de carbonate de calcium contenus dans l'eau ainsi traitée caractérisé en ce qu'il consiste à éliminer de l'eau traitée le gaz carbonique qui y est dissout. 2) Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le gaz carbonique est éliminé grâce à de l'air insufflé dans ladite eau traitée. 3) Procédé selon la revendication 2 caractérisé en ce que l'air est insufflé sous une pression variant de 0,1 à 3 bars. 4) Procédé selon l'une des revendications 2 ou 3 caractérisé en ce que le débit de l'air insufflé se situe entre 2 et 20 fois le volume d'eau à traiter. 5) Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la cuve (1) où se produit la microélectrolyse comprend des moyens permettant d'éliminer le gaz carbonique contenu dans l'eau traitée servant d'électrolyte (2). 6) Dispositif selon la revendication 5 caractérisé en ce que les moyens permettant au gaz carbonique dissout d'être évacué consistent en des tubes aérateurs (3) munis d'orifices (4) par où l'air est insufflé, lesdits tubes étant disposés à l'intérieur de la cuve (1) où se produit la microélectrolyse destinée à produire de l'eau allégée en carbonate de calcium et dotée d'anodes (5) et de cathodes (6). 7) Dispositif selon la revendication 6 caractérisé en ce que lesdits tubes (3) sont disposés à la partie inférieure de ladite cuve (1), sous les anodes (5). 8) Dispositif selon la revendication 7 caractérisé en ce que les orifices (4) sont disposés de part et d'autre de l'anode correspondante (5), lesdits tubes (3) étant disposés parallèlement auxdites électrodes (5), (6). 9) Dispositif selon la revendication 8 caractérisé en ce que les orifices (4) forment avec l'axe du tube (3) et le plan de l'anode (5) un angle de 45°. 35