Brevet FR3000053A1 — publié le 20140627

- 1 - PROCEDE DE DESINFECTION ELECTROCHIMIQUE DES EAUX DESCRIPTION DOMAINE DE L'INVENTION L'invention concerne un procédé de désinfection électrochimique des eaux, sans ajout de produit chimique, au moyen d'au moins une cellule comportant une anode et une cathode contenues dans un boîtier pourvu de moyens d'amenée et d'évacuation des eaux et alimentées par un courant électrique. EXPOSE DE L'ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE La technique antérieure la plus proche est exposée dans le brevet EP1597202 du même déposant qui décrit un procédé consistant à faire passer l'eau à distribuer en continu au travers d'un module d'électroperoxydation utilisant des électrodes catalytiques afin d'y subir un traitement électrochimique. Ledit procédé utilise d'une part un effet direct, dû au champ électrique, et d'autre part un effet indirect dû aux réactions chimiques se produisant aux électrodes et dans le bain électrolytique : - l'effet direct étant lié aux actions d'oxydation à l'anode et de réduction à la cathode sur les matières organiques dissoutes (effets virucide, bactéricide et bactério- statique) ; - l'effet indirect étant lié à l'action des oxydants générés par l'électrolyse de l'eau (effet bactéricide complémentaire et effet bactériostatique rémanent). Ledit procédé, par contact prolongé avec les oxydants générés par voie électrochimique, permet un abattement supplémentaire des bactéries et une protection de l'eau durant le transport et le stockage jusqu'aux points d'usage, l'action se prolongeant à la sortie de l'électrolyseur (pouvoir de désinfection rémanent). Les oxydants générés à partir de l'oxygène dissous (réduction cathodique) et de l'eau (oxydation anodique), possèdent un effet rémanent appréciable et induit des produits d'oxydation à des taux inoffensifs, contrairement aux oxydants les plus utilisés comme le chlore. Le dispositif pour la mise en oeuvre dudit procédé comportait des électrodes de surfaces en regard identiques dans le but de permettre l'inversion des polarités dans de meilleures conditions (la densité de courant étant identique sur les deux électrodes) avec pour effet d'éviter une dégradation prématurée de l'une par rapport à l'autre du fait de la décarbonatation qui ne serait pas identique et des réactions secondaires qui seraient plus importantes sur l'électrode de plus petites dimensions (densité de courant plus forte). -2 Les conditions de fonctionnement appliquées audit dispositif, étaient les suivantes : - alimentation des anodes et des cathodes en opposition, par un courant électrique continu et/ou pulsé, dans le but de compenser les variations de la densité de courant d'une extrémité à l'autre de chaque électrode ; - mise en oeuvre d'un régime de circulation laminaire continu entre deux électrodes en regard dans le but de favoriser les réactions électrochimiques sur chaque électrode et d'éviter la destruction des produits formés sur une électrode par la réaction sur l'autre électrode et le choc lié à la variation de pH à la sortie par le mélange des deux solutions. Le régime hydraulique laminaire avait été choisi pour limiter les turbulences qui favorisent l'accroche des dépôts de calcaire (incrustants) sur ou entre les électrodes qui ont pour effet de produire un vieillissement prématuré de celles-ci. Lors d'essais de qualification en conditions réelles, il a été constaté que certaines bactéries étaient moins ou même peu affectées par le passage entre les électrodes. Parmi celles-ci on peut citer les bactéries Pseudomonas Aeruginosa et Clostridium Perfrigens. En fait, en régime laminaire, la lame d'eau qui traverse la cellule de part et d'autre, à égale distance de l'anode et de la cathode, subit uniquement l'effet lié au passage du courant entre les électrodes (via le transfert d'électrons entre anions et/ou cations et les électrodes). Le rendement du traitement bactéricide s'est donc avéré peu performant en régime laminaire principalement pour les bactéries susmentionnées. RESUME DE L'INVENTION C'est dans le but d'accroître le rendement du traitement bactéricide principalement pour les bactéries Pseudomonas Aeruginosa et Clostridium Perfrigens, que le déposant a poursuivi ses recherches. Il a d'abord constaté, au niveau de la cellule d'électrolyse, que le potentiel Hydrogène (pH), traduisant l'acidité de l'eau, est très bas au voisinage de l'anode (siège de l'oxydation) puisque inférieur à 1 et au contraire très haut au voisinage de la cathode (siège de la réduction) puisque supérieur à 14. D'où la mise en oeuvre d'un régime hydraulique turbulent entre les électrodes en regard de manière à faire subir aux microorganismes présents dans l'eau, tout le long leur passage dans la cellule, de fortes variations de pH afin de les désactiver. En plus de ces variations successives de pH, les microorganismes se trouvent en contact très rapproché avec les radicaux 02 et OH formés à la surface des électrodes. Les effets directs et indirects s'en trouvent donc également améliorés. De plus, le champ électrique entre les électrodes étant de l'ordre de la dizaine de volts, rapporté au niveau des membranes bactériennes il est suffisant pour induire un « claquage diélectrique ». Le fonctionnement de la cellule dans ce régime turbulent, constitue une réelle avancée dans les performances du système, autorisant dès lors des essais sur des microorganismes plus évolués comme les protozoaires (amibes par exemple), champignons et levures. Quant à l'entartrage des électrodes, il a été limité par la maitrise du pouvoir entartrant de l'eau en amont de la cellule en utilisant au moins l'une des technologies suivantes : - rétention sélective des cations de calcium et magnésium sur résine échangeuse de cations ; - séquestration des ions calcium par contact avec des polyphosphates sous la forme cristaux ou sous forme liquide ; - inhibition du pouvoir incrustant du calcaire (carbonate de calcium) par l'action d'antitartre magnétique, inductif ou équivalent. Pour optimiser les performances de traitement, notamment de désinfection, le déposant a constaté que la mise en place, dans le flux aval, de pièces métalliques, notamment en cuivre, en contact avec l'eau, avait pour effet d'accélérer, par la formation de composés radicalaires puissants à faible durée de vie, les vitesses de décomposition des composés oxydants générés par le système hydrique (formation de composés radicalaires puissants à faible durée de vie). 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 du dessin annexé (Fig.1) qui est un schéma de principe du cheminement des microorganismes entre les électrodes et des réactions chimiques au voisinage de celles-ci. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION L'invention concerne un procédé de désinfection électrochimique des eaux, sans ajout de produit chimique, exploitant l'effet direct virucide, bactéricide et bactériostatique lié aux actions d'oxydation à l'anode et de réduction à la cathode et l'effet indirect bactéricide complémentaire et bactériostatique rémanent lié à l'action des oxydants générés par l'électrolyse de l'eau. Lesdits effets s'appliquent aux matières organiques dissoutes passant entre au moins une cellule électrolytique pourvue d'une anode et d'une cathode contenues dans un boîtier pourvu de moyens d'amenée et d'évacuation des eaux et alimentées par un courant électrique. Les électrodes appartenant à une même cellule étant en forme de plaques ayant des faces catalytiques en regard symétriques, des superficies identiques et un espace de dimension identique en tous points. Le procédé selon l'invention consiste à créer, entre les électrodes, un régime turbulent ayant pour effet de projeter, tout au long de leur passage dans la cellule, de manière alternative sur l'anode et sur la cathode, les microorganismes contenus dans les matières dissoutes afin de leur faire subir l'effet désactivant provoqué par les fortes variations de pH existant entre les électrodes ainsi que l'effet bactéricide complémentaire au contact des radicaux 02 et OH formés à la surface des électrodes. La figure 1 met en évidence : - l'anode A (pH 14) - le cheminement des microorganismes M entre lesdites deux électrodes ; - la réaction chimique à l'anode : 2 H20 = 4 Hi- + 3è + 02- - la réaction chimique à la cathode : 2 H20 = 2 OH- + H2 Il consiste, en addition, pour optimiser les performances de traitement, notamment de désinfection, à placer, dans le flux aval, des pièces métalliques, notamment en cuivre, en contact avec l'eau, afin d'accélérer, par la formation de composés radicalaires puissants à faible durée de vie, les vitesses de décomposition des composés oxydants générés par le système hydrique (formation de composés radicalaires puissants à faible durée de vie). Il consiste, également en addition, pour inhiber l'entartrage des électrodes et du circuit hydrique, à appliquer, en amont de celui-ci, une technologie choisie parmi : - la rétention sélective des cations de calcium et de magnésium sur résine échangeuse de cations ; - la séquestration des ions de calcium par contact avec des polyphosphates sous la forme de cristaux ou sous la forme liquide ; - l'inhibition du pouvoir incrustant du carbonate de calcium par l'action d'antitartre magnétique ou inductif. Il consiste, également en addition, pour nettoyer les électrodes, à leur appliquer : - soit un champ ultrasonique ;. - soit un champ hautes fréquences générant des phénomènes de résonnances. Le rôle d'un système de désinfection est de maintenir des concentrations suffisantes en désinfectants oxydants dans l'eau qui circule dans le réseau interne de distribution afin que les bactéries, qui se trouvent en suspension dans l'eau (en provenance du réseau d'eau froide de la ville, de bras morts ou des bio-films en place), soient détruites ou désactivées avant leur arrivée aux points de puisage. L'assurance d'utiliser une eau de qualité conforme à son usage implique donc de vérifier dans l'espace et le temps la présence d'une concentration suffisante au niveau des points de puisage, les valeurs cibles mesurées en équivalent chlore sont comprises entre 0.5 et 1 mg/I. Le principe d'électrolyse mis en oeuvre permet de produire des désinfectants oxydants à partir de l'oxygène présent dans l'eau. Une étude interne a montré que la rémanence des oxydants générés par le procédé selon l'invention tendait vers une évolution logarithmique du temps de rémanence fonction de la concentration initiale en oxydants. Par exemple la durée de vie est d'environ 24 heures pour une concentration initiale de 0.5 mg/I et passe à 30 heures pour 1 mg/I. Elle est de 15 jours pour 2.5 mg/I et plus d'un mois (31 jours) pour 10 mg/I. La cellule d'électrolyse est généralement associée à un débitmètre (à palette, à émetteur d'impulsion ou autre) et d'un coffret électronique qui gère la régulation du courant électrique envoyé à la cellule en fonction du débit passant et des réglages adoptés par l'opérateur. Le dispositif pour la mise en oeuvre dudit procédé comporte des perturbateurs de flux comme par exemple : - à l'entrée des cellules, un générateur de turbulences pourvu d'une série de déflecteurs montés en opposition et supportés par une bague cylindrique qui vient s'emboîter sur la buse d'entrée de la cellule électrolytique ; - sur les bords d'attaque des plaques, pour accroître le régime de turbulence entre les plaques, des profils en « U » emboîtables. Selon deux variantes de d'exploitation de l'invention, plusieurs cellules peuvent être montées, hydrauliquement : - soit en série afin de cumuler leur effets désinfectants ; - en parallèle afin de cumuler leurs débits. Les cellules peuvent être, dans ces deux cas, contenues dans un boîtier commun pourvu de moyens d'amenée et d'évacuation également communs à l'ensemble desdites cellules. Les cellules peuvent être montées hydrauliquement en série ou en parallèle mais pas nécessairement électriquement : chaque cellule étant dans ce cas alimentée séparément. Selon diverses variantes d'exploitation de l'invention, un module de traitement électrochimique : a) peut être immergé dans un réservoir de traitement ou de décantation ; b) peut être placé sur la boucle d'un réservoir de traitement ou de décantation ; c) peut être couplé à un système de filtration, notamment des types granulaires, ou à membranes, et/ou à un autre module de traitement électro-chimique. La ou les cellules peuvent être alimentées en courant continu et/ou pulsé. L'inversion de polarité des électrodes est programmée selon un pourcentage bien déterminé de l'élévation de la tension fonction des caractéristiques de l'eau à traiter et/ou selon une temporisation bien déterminée en fonction de la qualité de l'eau. L'espace existant entre deux électrodes est généralement compris entre 2 et 6 mm en fonction des conductivités des eaux utilisées. Les électrodes ont des épaisseurs généralement comprises entre 1 et quelques 20 mm. Les modules de traitement électrochimique peuvent comporter, 2, 4, 6 ou plus d'électrodes. Le courant continu et/ou pulsé utilisé a une valeur généralement comprise entre 1 et 10 A par dm2. 25 La pression optimale de l'eau dans la cellule est de 3 bars. Lorsque les cellules sont montées en boucle sur une cuve, elles produisent un volume d'eau à une concentration d'oxydants totaux plus importante, par exemple pour protéger l'eau traitée contre toute recontamination par des germes et/ou des matières organiques dans les stockages et réseaux de distribution et ce jusqu'aux 30 points d'usage. Cette eau pourra ensuite être injectée sur l'eau à traiter, dans cette application seul l'effet indirect est utilisé. Cette mise en oeuvre peut être utilisée pour désinfecter des appareils par exemples chirurgicaux, par immersion dans la cuve décrite ci-dessus. Le système peut également être utilisé comme traitement tertiaire des eaux usées ou comme traitement principal ou secondaire des eaux à vocation ludique ou thérapeutiques (eaux thermales, thalassothérapie,...). Pour les applications cités ci-dessus ainsi que pour la décontamination des eaux de tours de refroidissement ou tout autre système de traitement de l'air, la mise en oeuvre pourra être différente dans le sens ou les jeux d'électrodes seront nus (non enfermés dans une cellule). La masse liquide pourra être alors mise en contact avec les oxydants générés par mouvements convectifs (phénomènes de convection). Ce type de mise en oeuvre pourra être adopté par exemple dans les bacs tampons et les réservoirs d'eau. Plusieurs jeux d'électrodes pourront être mises en oeuvre dans une même cuve. Les jeux d'électrodes pourront également être mises en oeuvre intégrés à l'intérieur ou à l'extérieur de tuyaux et baignant dans l'eau à traiter (par exemple pour les bassins dans le réseau de recyclage de l'eau). Les eaux traitées par le dispositif, quel que soit le type de mise en oeuvre, peuvent éventuellement être utilisées pour des applications médicales (thérapies). Lorsque cette technique est couplée à un système de filtration granulaire, une synergie des technique s'opère puisque la microfiltration arrête totalement les parasites et bactéries mais pas les virus alors que le dispositif participe à la destruction des virus. De plus le dispositif amène un pouvoir de désinfection rémanent à l'eau que ne peut pas apporter la microfiltration ou l'irradiation aux ultra-violets. Enfin le dispositif participe à la dégradation des matières organiques dissoutes alors que la microfiltration n'arrête que les matières en suspension (particules supérieures à 0.1 microns, ou 0.01 microns pour l'ultrafiltration). Bien entendu, l'homme de métier sera apte à réaliser l'invention telle que décrite et représentée en appliquant et en adaptant des moyens connus sans qu'il soit nécessaire de les décrire ou de les représenter. Il pourra également prévoir d'autres variantes sans pour cela sortir du cadre de l'invention tel que déterminé par la teneur des revendications. REVENDICATIONS1- Procédé de désinfection électrochimique des eaux, sans ajout de produit chimique, exploitant l'effet direct virucide, bactéricide et bactériostatique lié aux actions d'oxydation à l'anode et de réduction à la cathode et l'effet indirect bactéricide complémentaire et bactériostatique rémanent lié à l'action des oxydants générés par l'électrolyse de l'eau ; lesdits effets étant appliqués aux matières organiques dissoutes passant entre au moins une cellule électrolytique pourvue d'une anode et d'une cathode contenues dans un boîtier pourvu de moyens d'amenée et d'évacuation des eaux et alimentées par un courant électrique ; les électrodes appartenant à une même cellule étant en forme de plaques ayant des faces catalytiques en regard symétriques, des superficies identiques et un espace de dimension identique en tous points ; caractérisé en ce qu'il consiste à créer, entre les électrodes, un régime turbulent ayant pour effet de projeter, tout au long de leur passage dans la cellule, de manière alternative sur l'anode et sur la cathode, les microorganismes contenus dans les matières dissoutes afin de leur faire subir l'effet désactivant provoqué par les fortes variations de pH existant entre les électrodes ainsi que l'effet bactéricide complémentaire au contact des radicaux 02 et OH formés à la surface des électrodes. 2- Procédé, selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste, pour optimiser les performances de traitement, notamment de désinfection, à placer, dans le flux aval, des pièces métalliques, notamment en cuivre, en contact avec l'eau, afin d'accélérer, par la formation de composés radicalaires puissants à faible durée de vie, les vitesses de décomposition des composés oxydants générés par le système hydrique. 3- Procédé, selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste, pour inhiber l'entartrage des électrodes et du circuit hydrique, à appliquer, en amont de celui-ci, une technologie choisie parmi : - la rétention sélective des cations de calcium et de magnésium sur résine échangeuse de cations ; - la séquestration des ions de calcium par contact avec des polyphosphates ; - l'inhibition du pouvoir incrustant du carbonate de calcium par l'action d'antitartre magnétique ou inductif. 4- Procédé, selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste, pour nettoyer les électrodes, à leur appliquer un champ ultrasonique. - Procédé, selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste, pour nettoyer les électrodes, à leur appliquer un champ hautes fréquences générant des phénomènes de résonnances.