Brevet FR2969932A1 — publié le 20120706

Module, système et procédé d'osmose en phase vapeur pour le séchage de la biomasse, la dépollution de liquides et la désalinisation des eaux. Le phénomène d'osmose en phase liquide est un phénomène physique bien connu. Il correspond à la diffusion d'un solvant, le plus généralement de l'eau, à travers une membrane semi-perméable, sous l'action d'un gradient de concentration. Il se traduit généralement par un flux d'eau se déplaçant d'une solution diluée vers une solution plus concentrée à travers une membrane semi-perméable, jusqu'à ce que les concentrations soient identiques de part et d'autre de la paroi. Cette circulation se fait sous l'influence de la pression osmotique qui est la différence de pression qui s'exerce sur le film semi-perméable du fait de la différence de concentration du soluté de part et d'autre de la paroi. L'osmose existe également en phase vapeur. Il existe des polymères qui sont tout à la fois semi-perméables et "respirant", c'est-à-dire qui sont imperméables à l'eau à l'état liquide mais perméables à la vapeur d'eau. Citons différents brevets qui portent sur de tels polymères (EP 0 688 826, EP 0 378 015, EP 0 737 709, EP 2.797 782 ). De tels polymères sont notamment commercialisés par ARKEMA sous la 20 dénomination PEBAX®dont, de manière non limitative MV 3000 et MV 6100 et le grade 1657. On connait également un procédé de séchage FR 2 797 781 qui utilise l'osmose en phase vapeur. Il décrit une technique de séchage consistant à placer le produit à sécher dans une enveloppe hermétique constituée par un 25 film polymère, semi-perméable à la vapeur d'eau, mais imperméable à l'eau à l'état liquide ; progressivement, la pression partielle de vapeur d'eau à l'intérieur de ladite enveloppe s'élèvera et la vapeur d'eau diffusera de l'intérieur vers l'extérieur, à travers le film polymère semi-perméable ; tant qu'il existera une différence de pression partielle de vapeur d'eau, entre 30 l'intérieur et l'extérieur de l'enveloppe constituée par le film semi-perméable, la diffusion de la vapeur se poursuivra jusqu'à siccité complète de la matière à sécher, même s'il pleut à l'extérieur, dès lors que ladite enveloppe est imperméable à l'eau liquide. Ce phénomène est accéléré si ladite enveloppe est placée au soleil ; les rayons solaires pénétrant au sein de l'enveloppe translucide, élèveront la température au sein de l'enveloppe semi-perméable à la molécule d'eau à l'état gazeux, élevant la pression partielle de vapeur d'eau et accéléra la cinétique de diffusion de la vapeur d'eau et donc la cinétique de séchage de la matière à sécher. Cette technique, relativement rustique, a trouvé des applications industrielles quand la quantité de matière à sécher est faible telle que, par exemple, le séchage de plantes médicinales. La présente invention a pour objet d'accélérer la cinétique d'osmose en phase vapeur afin de développer différentes applications industrielles, dont de manière non limitative le séchage de grandes quantités de matière à sécher, la dépollution d'eaux polluées et la désalinisation des eaux ; elle porte sur un module d'osmose en phase vapeur caractérisé en ce que ledit module comporte une double enveloppe, l'enveloppe interne, constituée d'un film polymère semi-perméable à la vapeur d'eau et imperméable à l'eau à l'état liquide, l'enveloppe externe, constituée d'un film imperméable à l'eau, sous ses deux phases (gazeuse et liquide), et l'atmosphère entre les deux enveloppes étant renouvelée rapidement. L'invention vise principalement, mais pas de manière limitative, le séchage de la biomasse, (terme générique qui recouvre toute matière qui a été vivante, issue du règne végétal et animal) ainsi que la dépollution d'eaux polluées et la désalinisation des eaux. On comprendra mieux l'invention en considérant les phénomènes physiques qui interviennent dans une opération de séchage de la biomasse humide suivant l'état ancien représenté par le brevet 2 797 781 (fig. 1) et suivant l'invention (fig. 2) caractérisée par l'existence de deux enveloppes comme décrit ci-dessus, l'une, interne, semi-perméable à la vapeur d'eau et imperméable à l'eau liquide, l'autre externe, imperméable à l'eau sous ses deux phase (liquide et gazeuse), avec renouvellement rapide de l'atmosphère entre les deux enveloppes. Dans la figure 1 nous avons représenté schématiquement, sous la forme d'une sphère, l'état antérieur du séchage par osmose en phase vapeur comprenant une enveloppe semi-perméable à la vapeur d'eau et imperméable à l'eau à l'état liquide. Si, une matière humide, représentée en noir, et notamment mais pas de manière limitative, de la biomasse humide est enfermée dans cette sphère, la Pression Partielle de vapeur à l'intérieur de la sphère (PPvi) augmentera progressivement et quand elle sera supérieure à la Pression Partielle de vapeur à l'extérieur de la sphère (PPve), elle diffusera à travers le film semi-perméable, créant un flux de vapeur allant de l'intérieur à l'extérieur de la sphère. Autour de la sphère semi-perméable, il se crée également un gradient de pression partielle de vapeur d'eau diminuant progressivement au fur et à mesure que l'on s'éloigne de l'enveloppe semi-perméable ; ce gradient de pression partielle de vapeur d'eau est représenté schématiquement par des gris décroissants. Si l'on désigne par PPveO la pression partielle de vapeur à l'extérieur de la sphère mais immédiatement contigüe au film semi-perméable, et que l'on, désigne par PPvel, PPve2, PPVe3 etc., la concentration de vapeur dans les couches concentriques au fur et à mesure que l'on s'éloigne de la sphère on a : PPvi > PPveO > PPvel > PPve2 > PPv3 ....> PPvex Dans cette configuration, le flux de vapeur d'eau de l'intérieur vers l'extérieur s'entretiendra jusqu'à siccité de la matière à sécher, même s'il pleut sur la paroi semi-perméable à la vapeur d'eau qui est étanche à l'eau liquide. Cependant, la vitesse de perméation à travers la paroi semi-perméable, et donc la vitesse de séchage de la matière à sécher dépendra de la différence de pression partielle PPvi - PPveO c'est-à-dire de la pression osmotique qui est proportionnelle à la différence de concentration de part et d'autre de la paroi semi-perméable. Cette différence est relativement faible et la cinétique de séchage de la biomasse sera en conséquence faible. Dans la figure 2 nous avons représenté une enveloppe analogue à celle de la figure 1 mais emprisonnée dans une deuxième enveloppe, qui elle est imperméable à l'eau sous ses deux phases (gaz et liquide), créant ainsi un espace permettant à l'atmosphère située entre les deux parois de se renouveler rapidement par tous moyens adéquats. Sous réserve d'un renouvellement rapide de l'atmosphère entre les deux films, la pression partielle de vapeur d'eau dans la zone comprise entre les deux films est minimale et la différence de pression partielle de vapeur entre l'intérieur du film semi-perméable (PPvi) et l'extérieur (PPVeO) est maximale; la pression osmotique étant maximale, la cinétique de perméation de la vapeur d'eau à travers le film semi-perméable S est maximale. Selon un mode préféré de réalisation de l'invention, nullement limitatif, le renouvellement rapide de l'atmosphère entre les deux films est obtenu en adjoignant une soufflerie entre les deux films, à une extrémité du module de séchage conforme à l'invention. 10 Selon un autre mode préféré de réalisation de l'invention, nullement limitatif, le renouvellement rapide de l'atmosphère entre les deux films est obtenu en adjoignant une pompe d'extraction entre les deux films, à une extrémité du module conforme à l'invention. Nous avons représenté dans la figure 3 un système de séchage 15 comprenant un module d'osmose en phase vapeur constitué par un film semi-perméable, recouvert d'un autre film imperméable à l'eau sous ses deux phases (gazeuse et liquide) l'atmosphère entre les deux films étant renouvelée rapidement, et une matière à sécher, dont la biomasse, à titre d'exemple non limitatif, étant placée en regard direct du film semi-perméable, sans qu'aucune 20 cloison n'empêche la vapeur d'eau émise par la matière à sécher d'arriver en contact du film semi-perméable. Nous avons représenté dans la figure 4 un module d'osmose en phase vapeur caractérisé en ce que le film semi-perméable est ondulé, augmentant la surface de perméation à la vapeur du film semi-perméable et donc la cinétique 25 de séchage, pour une même cote linéaire du film semi-perméable. Nous avons représenté dans la figure 5 un module d'osmose en phase vapeur comprenant en outre une source froide dans l'enceinte constituée par le film interne semi-perméable et par le film externe imperméable, permettant de récolter la vapeur d'eau condensée après son passage à l'état de vapeur à 30 travers le film semi-perméable sous l'effet de la pression osmotique en phase vapeur Selon un autre mode de réalisation de l'invention, le système de séchage par osmose en phase vapeur comprend également une source de chaleur qui élève la température de la matière à sécher, dont la biomasse, de manière non limitative. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, nullement limitatif, la source de chaleur est constituée par un rayonnement solaire pénétrant dans le système de séchage, comprenant au moins une partie translucide. Selon encore un autre mode de réalisation de l'invention, nullement limitatif, la source de chaleur est obtenue par adjonction, sous forme d'un équipement annexe, d'un concentrateur de rayonnements solaires L'invention porte également sur un système d'épuration d'eaux polluées par osmose en phase vapeur (fig. 6) comprenant au moins un module d'osmose en phase vapeur et une source froide entre les deux films (semi-perméable et imperméable), le dit système d'épuration des eaux usées comprenant en outre 1. une enceinte contenant l'eau polluée à dépolluer, 2. une canalisation reliant l'enceinte d'eau polluée au système d'épuration des eaux polluées avec retour à l'enceinte polluée 3. une enceinte de stockage de l'eau purifiée Dans un mode de réalisation préférée nullement limitatif, d'un système de dépollution de l'eau polluée, celui-ci comprend en outre une source de 20 chaleur élevant la température de l'eau polluée. L'invention porte également sur un système de désalinisation de l'eau par osmose en phase vapeur analogue au système d'épuration de l'eau (l'eau salée remplaçant l'eau polluée), mais comprenant en outre au moins un dispositif d'échange de chaleur permettant de ramener la 25 température de l'eau salée retournant à la mer à une température voisine de celle qu'elle avait au moment où elle a été prélevée dans la mer. Selon un autre aspect de l'invention, il est proposé un procédé de séchage d'une matière à sécher, dont de manière non limitative de la biomasse humide, comprenant les étapes suivante : 30 - La biomasse est introduite dans un système clos comprenant au moins un module d'osmose en phase vapeur. - On fait circuler rapidement l'atmosphère comprise entre les deux films du module d'osmose en phase vapeur en soufflant ou en aspirant l'atmosphère comprise entre les deux films - On chauffe la biomasse par tous moyens adéquats de chauffage, dont, de manière non limitative, par rayonnement solaires, direct ou indirect, par un procédé photovoltaïque ou encore par un concentrateur de rayons. De nombreuses variantes du procédé selon l'invention comportent également 5 de manière non limitative les étapes supplémentaires suivantes : - On renouvelle la surface de la biomasse par tous dispositifs adéquats tels que, de manière non limitative, une vis sans fin, des chicanes, une herse, etc. - On chauffe la biomasse par des canalisations chaudes en contact direct 10 ou indirect avec la matière à sécher - Le procédé suivant l'invention peut en outre comprendre au moins un échange thermique permettant de récupérer au moins partiellement l'énergie thermique apportée au cours de la mise en oeuvre du procédé. - Un autre paramètre caractéristique de l'invention est la possibilité en 15 outre de placer une source froide dans le circuit délimité par le film semi-perméable interne et le film imperméable externe du module d'osmose en phase vapeur, permettant de récupérer l'eau de condensation de la matière à sécher 20 Selon un autre aspect de l'invention, il est proposé un procédé de dépollution de l'eau comprenant les étapes suivante : - On prélève l'eau polluée dans l'enceinte contenant l'eau polluée, - On fait pénétrer l'eau polluée dans le système de dépollution comprenant 25 au moins un module de dépollution, à travers une canalisation qui n'est pas entièrement étanche quand elle pénètre dans le système de dépollution, puis elle retourne dans l'enceinte contenant l'eau polluée. - On fait circuler rapidement l'atmosphère comprise entre les deux parois du module d'osmose en phase vapeur en soufflant un gaz ou en 30 l'extrayant, - Simultanément on entretient une zone de froid entre les deux parois du module de dépollution et on recueille le condensat qui est constitué par de l'eau dépolluée, - On stocke l'eau dépolluée 35 D'autres variantes du procédé comprennent notamment un chauffage directe ou indirecte de l'eau polluée, notamment mais pas exclusivement par un rayonnement solaire direct ou indirect. Selon un autre aspect de l'invention, il est proposé un procédé de 40 désalinisation de l'eau comprenant les étapes suivante : - On prélève l'eau salée dans la mer ou dans l'eau saumâtre à dessaler, - On fait passer l'eau salée dans un échangeur de chaleur qui récupère les calories extraites de l'eau salée retournant à la mer ou à l'eau saumâtre, - On chauffe directement ou indirectement l'eau de mer, notamment mais 45 pas de manière limitative, par rayonnement solaire, - On fait pénétrer l'eau salée chaude dans un système de désalinisation comprenant au moins un module de désalinisation, à travers une canalisation qui n'est pas entièrement étanche quand elle pénètre dans le système de désalinisation, - Simultanément on entretient une zone de froid entre les deux parois du module de désalinisation - On fait passer l'eau chaude salée dans un échangeur de chaleur jusqu'à ce que sa température soit peu différente de celle de l'eau prélevée dans la mer ou dans l'eau saumâtre, - On recueille la vapeur d'eau condensée qui est constituée par de l'eau dessalée, - On stocke l'eau dessalée. On décrira maintenant l'invention dans le cadre d'exemples particuliers, non limitatifs, de mise en oeuvre du système et d'application du procédé. Exemple 1 : Séchage des déchets de la sylviculture. Ce séchage est particulièrement intéressant quand on souhaite valoriser 15 énergétiquement cette biomasse, par un procédé thermochimique tel que, de manière non limitative, par gazéification. Les déchets de la sylviculture comme toutes biomasses, contiennent toujours une quantité plus ou moins importante d'humidité. Tous les traitements physicochimiques de valorisation énergétique de la biomasse 20 (pyrolyse, gazéification, combustion) intègrent un séchage de la biomasse qui consomme une partie de l'énergie intrinsèque de la biomasse, pour compenser la chaleur latente d'évaporation de l'eau. Un séchage osmotique en phase vapeur suivant l'invention, en amont du procédé physicochimique de valorisation de la biomasse, entraînera une 25 augmentation de l'énergie récupérée. En effet, alors que le pouvoir calorifique inférieur des plaquettes forestières à 35% d'humidité est de 3000Kj/T, elle passe à 5000KJ/T si elle est à l'état anhydre, permettant un gain significatif d'énergie valorisée. Pour une telle application, la mise en oeuvre du système et du procédé 30 est particulièrement simple ; Les plaquettes forestières sont stockées dans un système étanche de séchage comprenant au moins un module d'osmose en phase vapeur, conforme à l'invention, l'atmosphère situées entre les deux parois du module de séchage étant rapidement renouvelée grâce à une soufflerie ou un extracteur. 35 Au bout d'un certain temps, la pression partielle de vapeur d'eau à l'intérieur d système de séchage dépassera la pression partielle entre les deux films du module de séchage et la vapeur d'eau migrera des plaquettes vers l'extérieur. Ce phénomène sera encore accéléré si les plaquettes forestières sont soumises à un chauffage dont, de manière non limitative par rayonnement solaire. On pourra éviter une reprise d'humidité des plaquettes en les protégeant par un film semi-perméable au cours des transferts. Si les plaquettes sont stockées au voisinage immédiat du réacteur de valorisation énergétique de la biomasse, elles pourront être introduites dans le réacteur de valorisation énergétique, à travers un tunnel incorporant au moins un module de séchage par osmose en phase vapeur. Nous avons représenté schématiquement une telle application industrielle dans la figure 6. Exemple 2 : Séchage des boues d'épuration des eaux en vue de leur valorisation énergétique. Cette application est particulièrement difficile car les boues d'épuration sont habituellement très liquides avec une faible concentration en boues Il ne suffit en conséquence pas de faire entrer les boues dans un système de séchage comprenant au moins un module de séchage conforme à l'invention et d'attendre que les boues soient sèches, car la cinétique serait trop lente pour permettre des applications industrielles. En amont du séchage utilisant le système de séchage conforme à l'invention, il est donc nécessaire de densifier la boue, en évitant de réduire le PCI (pouvoir calorifique inférieur) de la boue. Il faut en conséquence éviter de chauler les boues et recourir à des techniques de densification mécanique en utilisant par exemple des presses à membrane ou des appareils de centrifugation. Dans un mode de réalisation nullement limitatif, représenté par la figure 7, le système de séchage de la boue conforme à l'invention à la forme de tours ; la boue fluide pénétrant par le haut, rencontre des chicanes chaudes tout au long de la descente avec pour effet un renouvellement constant de la surface de la boue et une évaporation accélérée de l'humidité de la boue ; celle-ci migre à travers le film semi-perméable constitutif du module de séchage, est arrêtée par le film extérieure imperméable et est évacuée par la circulation du fluide gazeux entre les deux parois ; si une source froide est maintenue entre les deux films, il est alors possible de récupérer le condensat qui est de l'eau exempte de toute pollution. Si, à l'arrivée de la boue, au bas de la tour, celle-ci contient encore un degré élevé d'humidité, l'opération pourra être renouvelée dans une deuxième tour, la boue étant transportée au haut de la deuxième tour par un transporteur mécanique se déplaçant dans un tunnel constituant un module de séchage. Dans la figure 8, nous avons représenté une installation classique de densification des boues transformée en un système de séchage des boues en surmontant l'installation d'un système étanche de séchage comportant au moins un module de séchage conforme à l'invention, avec récupération de l'eau obtenue par condensation de la vapeur ayant perméée à travers le film semi-perméable, par adjonction d'un point froid non représenté dans la figure. Exemple 3 : Purification par osmose en phase vapeur de l'eau Dolluée. Le module et le système de "séchage" par osmose en phase vapeur sont directement utilisables pour purifier l'eau. De même, le procédé de "séchage" est tout à fait comparable au procédé d'épuration, sous réserve d'adjonction d'étapes supplémentaires. Le terme "séchage" est donc utilisé dans un sens générique pour indiquer 25 tout mécanisme entraînant le passage sélectif de l'eau en phase vapeur à travers un film semi-perméable. En effet, si l'eau contient des polluants tels que par exemple des perturbateurs endocriniens, ou encore des résidus de désherbants, il sera très difficile de les éliminer par les méthodes classiques qui interviennent en phase 30 liquide. Par contre, en passant par la phase vapeur, et dès lors que le film semi-perméable à l'eau en phase gazeuse est imperméable à l'eau en phase liquide, et a fortiori à toute molécule de soluté, on peut ainsi obtenir une eau très pure après condensation de la vapeur d'eau ayant traversé le film semi-perméable. Ce procédé et le système correspondant de dépollution de l'eau, peut avantageusement être installé en aval des ateliers des usines chimiques et pharmaceutiques, afin de ne rejeter qu'une eau exempte de toute trace de polluants. Dans un mode préféré de réalisation, qui n'est nullement limitatif, représenté par la figure 9, l'eau polluée, confinée dans un réceptacle adéquat, circule dans une canalisation qui est chauffée par toute source possible de chaleur, dont de manière non limitative une chaleur solaire, et de manière non limitative du solaire concentré et pénètre dans le système de dépollution à travers une canalisation ouverte, qui peut prendre notamment la forme d'un U, permettant à la vapeur d'eau de s'échapper et d'augmenter la pression partielle de vapeur d'eau dans l'enceinte délimitée par le film semi-perméable ; la vapeur d'eau migre alors à travers le film semi-perméable vers l'espace délimité par la paroi semi-perméable et la paroi imperméable, où elle est condensée, puis est récupérée dans une enceinte pour eau pure ; l'eau à dépolluer résiduelle retourne alors dans l'enceinte contenant l'eau polluée. Le passage par l'osmose en phase vapeur et la récupération de l'eau condensée permet une grande efficacité dans l'élimination de traces de polluants et notamment, mais pas de manière limitative, de traces de perturbateurs endocriniens, de pesticides et d'herbicides. Exemple 4 Désalinisation de l'eau de mer ou de l'eau saumâtre. La technique utilisée pour la dépollution de l'eau peut également être utilisée pour la désalinisation de l'eau moyennant quelques modifications. La technique la plus généralement utilisée pour dessaler l'eau de mer est l'osmose inverse Dans l'osmose l'eau circule du compartiment le plus dilué vers le compartiment le plus concentré ; dans l'osmose inverse la circulation de l'eau est inversée grâce à l'application d'une pression hydrostatique compensant et dépassant la pression osmotique. Cette technique présente plusieurs inconvénients rappelés succinctement ci-après : - Elle est très fortement consommatrice d'électricité. - Les sous-produits de la désalinisation de l'eau de mer, constitués par du sel, ou une eau très concentrée en sel, perturbent l'environnement, qu'ils soient rejetés à terre ou en mer. Comme dans l'installation de dépollution, l'eau salée, comme l'eau à dépolluer, suit un circuit fermé. Cependant, dans la dépollution, l'intérêt de l'opération réside dans l'épuration de toute l'eau polluée et sa récupération sous forme d'eau dépolluée. Dans la désalinisation par contre, l'objectif étant de récupérer de l'eau dessalée en retournant vers la mer une eau dont la composition et la température sont aussi voisines que possible de l'eau prélevée en mer, afin d'éviter toute perturbation du milieu naturel, il est nécessaire de disposer d'au moins un échangeur de chaleur sur le circuit de retour de l'eau salée. Dans un mode de réalisation préféré, nullement limitatif, l'eau de mer est chauffée à travers tout dispositif, et notamment, mais pas de manière limitative à travers un dispositif solaire, dont de manière non limitative un solaire concentré, pour accélérer la production de vapeur ; l'eau salée passe ensuite dans le module d'osmose en phase vapeur, avec récupération de l'eau dessalée par condensation de la vapeur qui a traversé le film semi-perméable, puis l'eau de mer passe ensuite dans un échangeur où elle restitue ses calories avant de retourner dans la mer à la température qu'elle avait quand elle a été prélevée ; le circuit étant rapide, la modification de la concentration en sel de l'eau de mer est faible ainsi que la différence de température, grâce à l'échangeur de température. Dans le circuit d'alimentation du système de désalinisation de l'eau de mer, l'eau de mer passe en conséquence d'abord dans l'échangeur pour récupérer la chaleur évacuée par l'eau salée retournant à la mer, puis est chauffée par toute source de chaleur dont, de manière non limitative, du solaire concentré avec stockage de la chaleur, par exemple, à titre non limitatif, par des réfractaires. Le procédé de désalinisation par osmose en phase vapeur, conforme à [agi présente invention présente en conséquence deux avantages majeurs par rapport à la technique d'osmose inverse généralement utilisée : - Pas ou très faible consommation électrique, 5 - Pas de perturbation du milieu naturel.