METHOD AND APPARATUS FOR WATER DEMINERALISATION

Abstract: Hard water is softened with the aid of an electrolysis cell (1) comprising an anode (6) and a cathode (7) between which has been arranged a mass (8) of porous, electrochemically inert material through which the water to be softened is constrained to pass. Under the effect of the electrical field produced between the anode and the cathode the metal ions to be removed travel towards the cathode in the neighbourhood of which an alkaline pH prevails, causing the precipitation of these ions in the form of solid hydroxides which are deposited in the porous mass. <IMAGE>

Description: PROCèDE ET DISPOSITIF POUR DEMINERALISER DE L'EAU La présente invention a trait à un procédé et à un dispositif pour déminéraliser de l'eau, de préférence à usage domestique. On sait que, dans de nombreuses utilisations domestiques de l'eau, il est avantageux d'employer de l'eau adoucie ou déminéralisée. En effet, les ions Ca++ et Mg++ responsables de cette dureté risquent, à la longue, de former des dépôts et d'obstruer les conduites d'eau dans de nombreux appareils ménagers, tels des fers à repasser à vapeur, des machines à café, des machines à laver la vaisselle ou le linge. En ce qui concerne le lavage du linge, l'utilisation d'eau déminéralisée pour le rinçage du linge est très favorable pour rendre le linge doux au toucher. On a déjà proposé de déminéraliser de l'eau à l'aide d'une résine échangeuse d'ions, toutefois cette méthode nécessite soit le remplacement, soit la régénération de la résine à intervalles réguliers. On a également proposé dans le brevet DE-2,904,539 d'éliminer des ions de métal lourd dissous dans de l'eau à l'aide d'une cellule électrolytique contenant un matériau poreux et conducteur de l'électricité, destiné à jouer le rôle de cathode et, de plus, une membrane semi-perméable. L'élimination des ions métalliques est obtenue par dépôt cathodique de ceux-ci dans le matériau poreux qui doit donc être changé régulièrement après saturation. Le brevet US-4,048,030 décrit une cellule électrolytique pour désinfecter, purifier ou adoucir de l'eau. Dans ce dernier cas, la cellule comporte notamment un compartiment cathodique contenant des particules poreuses, de préférence iliprégnées, au moins partiellement, de résine échangeuse d'ions. Ce dispositif permet, certes, de précipiter des ions Ca++ sous forme de chaux, mais à la condition que le pH de l'eau dans la cellule soit voisin de 10 à 11. Or, le brassage dû au lit fluidisé a pour conséquence d'uniformiser l'alcalinité de l'eau dans le compartiment cathodique et il faut nécessairement utiliser une membrane semi-perméable pour obtenir le pH nécessaire à la précipitation des ions Ca++. Il est, de plus, indispensable d'utiliser un filtre à l'extérieur de la cellule électrolytique pour retenir les particules précipitées, ce filtre devant évidemment être régénéré à intervalles réguliers. Le procédé de l'invention, tel que défini à la revendication 1, permet de remédier aux inconvénients des techniques antérieures. En effet, la matière poreuse de la cellule électrolytique permet de précipiter une quantité de calcium et de magnésium sensiblement plus grande que dans les procédés antérieurs en raison de l'étendue de la surface de matière isolante accessible au dépôt. De plus, ce milieu agit à la fois comme catalyseur de précipitation et comme filtre, c'est-à-dire qu'il retient, dans ses pores, les particules de solides se formant sans l'influence du pH de la solution cathodique. Dans l!état de la technique, on cite encore les documents sui vants: Le document US-A-4,004,994 décrit une cellule électrolytique de décontamination de solutions aqueuses circulant dans celle-ci com- prenant un lit de particules conductrices de l'électricité. Cellesci jouent le rôle d'électrodes bipolaires et contribuent à renforcer l'effet électrolytique de la cathode et de l'anode. Cette cellule ne comporte pas de matière poreuse inerte fournissant un sup port absorbant les solides précipités au voisinage de la cathode. Le document US-A-1,831,075 décrit un dispositif de purification électrolytique de l'eau par coagulation des solides contenus dans cette eau et séparation de ceux-ci par filtration. La cellule électrolytique mise en oeuvre comprend une série d'électrodes positives et négatives perméables à l'eau (grilles) superposées en alternance et séparées les unes des autres par un matériau filtrant (sable) qui retient les matières coagulées au voisinage des électrodes. Constructivement, la cellule illustrant la présente demande diffère essentiellement de celle de la référence. En effet, les électrodes de cette dernière sont perméables à l'eau et interposées perpendiculairement sur le passage de celle-ci; dans l'invention, le courant d'eau ne traverse pas les électrodes, celles-ci étant disposées de part et d'autre de la cellule, parallèlement au déplacement de celui-ci. Il existe donc, au sein de la matière filtrante, un gradient de potentiel (et donc de pH) permettant une précipitation sélective des ions à éliminer dans certaines zones distinctes de celle-ci, cette disposition favorisant l'efficacité de l'adoucissement et, ultérieurement, de la régénération de la matière filtrante. L'enseignement du document DE-A-2.137.808 est similaire à celui du document US-A-4,004,994. Comme ce dernier, il décrit une cellule d'électrolyse contenant un lit de particules de charbon. Les impuretés précipitées au voisinage des électrodes ou de ces particules sont ensuite retenues par des filtres ou par décantation. De tels filtres ne sont cependant pas interposés entre les électrodes. Le document FR-2.244.842 décrit un dispositif comprenant des cuves à électrolyse pour le traitement électrochimique d'effluents résiduaires dans lesquelles le courant de liquide à purifier circule parallèlement aux électrodes comme dans l'invention. Entre ces électrodes se trouve disposé un lit fluidisé de particules isolantes dont la fonction est de modifier les paramètres d'écoulement dudit liquide et, par cela, d'améliorer l'efficacité électrochimique des électrodes. Ces particules isolantes, en verre ou en plastique, de 0,5 à 2 mm de diamètre n'ont pas une fonction filtrante et, de plus, elles sont mobiles. Le document FR-2.108.035 concerne des techniques de revêtements par voie électrolytique. La matière poreuse utilisée dans le procédé de la présente invention peut être quelconque, par exemple une résine expansée à pores ouverts telle qu'une mousse de polyuréthanne, de polyurée, de polystyrène, polyalkyde, polyéthylène et autres mousses de résines usuelles. On peut également utiliser d'autres matières poreuses à pores ouverts, par exemple des céramiques ou du graphite en granules, celles-ci étant maintenues sous forme d'un lit compact par une membrane perforée inerte, par exemple une grille de nylon. La porosité de la masse est, de préférence, choisie pour présenter, à la fois, une grande étendue de surface disponible et un diamètre de pores suffisant pour ne pas faire obstacle à la libre circulation de l'eau traversant la cellule électrolytique. De préférence, la dimension des pores est de l'ordre de quelques microns à 2-3 mm et la surface accessible à la précipitation de l'ordre de 1 à 100 m2/g de matière poreuse. On notera encore que l'existence d'une masse poreuse occupant au moins une partie du volume intérieur de la cellule et, de préférence en contact ou au voisinage immediat de la cathode, présente encore les avantages suivants: elle prévient les mouvements de dé placement du liquide, par exemple les mouvements tourbillonnaires ou de convection qui seraient susceptibles de provoquer un mélange indésirable de la phase anodique (acide) avec la phase cathodique (alcaline), le pH de cette dernière étant responsable de l'élimination, par précipitation, des ions métalliques de l'eau. Ainsi, grâce à la présence de la matière poreuse, un gradient stable de pH peut se maintenir, non perturbé, dans la cellule, de telles conditions favorisant le rendement énergétique élevé du présent processus d'adoucissement. Ainsi, en quelque sorte, la matière poreuse (laquelle se trouve de préférence dans la zone influencée par la cathode où le pH est suffisamment élevé pour provoquer la précipitation des ions métalliques, pH = 9-12) joue le rôle d'un séparateur statique entre les électrodes, les produits engendrés à l'anode (ions H+) étant, tout au moins en partie, empechés de réagir avec les produits engendrés à la cathode (ions CH-). Les ions OH sont fournis par la réaction suivante: 2 Q + 2e - y 20H- + H2 Par ailleurs, à l'anode, une réaction d'oxydation correspondante fournit de l'oxygène, ces deux gaz se dissolvant progressivement dans l'eau adoucie et se dégageant ultérieurement. Les conditions d'électrolyse convenant au présent procédé varient entre de larges limites suivant la nature de l'eau à adoucir, son degré de minéralisation, les paramètres géométriques de la cellule électrolytique utilisée, le débit de l'eau et autres facteurs évidents pour l'homme de métier. De manière générale, on préfère opérer avec des électrodes couramment utilisées pour l'électrolyse de l'eau, telles que celles en graphite ou en titane platiné. On préfère travailler avec des tensions de 10 à 100 V et des densités de courant de l'ordre de 0,1 à 2,5 A/dm2. Avantageusement, le présent procédé peut etre mis en oeuvre au moyen du dispositif suivant la revendication 5. Le dessin annexé illustre schématiquement et à titre d'exemple une forme d'exécution d'un tel dispositif. La cellule électrolytique 1 comporte un orifice d'entrée 2, relié à une amenée d'eau à déminéraliser (non représentée) par une con duite 3, et un orifice de sortie 4, débouchant dans une conduite de sortie 5, celle-ci étant reliée à un dispositif d'utilisation (non représenté). Cette cellule 1 contient une anode 6 et une cathode 7 disposées selon des plans parallèles et une plaque de matière poreuse non conductrice 8 placée entre cette anode et cette cathode. Comme on le voit au dessin, la plaque occupe la totalité du volume cotez pris entre l'anode et la cathode; toutefois, cette plaque pourrait n' occuper qu'une portion de ce volume, pour autant qu'elle reste à proximité immédiate ou en contact avec la cathode 7. Lorsque les électrodes 6 et 7 sont reliées à une source de courant continu (non représentée), les cations Ca++ et #++ dissous dans l'eau sont attirés par la cathode et migrent en direction de celle-ci. En arrivant dans la zone de la plaque poreuse ou règne un pH élevé (9 à 12), ces cations se transforment en hydroxydes ou en oxydes insolubles qui précipitent et se déposent dans les pores de la matière poreuse dont ils tapissent les parois. Il faut noter que, en raison de ses pores ouverts de dimensions relativement grandes, la matière constituant la plaque, dont au moins la surface est isolante, n'agit pas comme une membrane semi-perméable mais bien comme un élément favorisant la précipitation des hydroxydes dans la zone où règne un pH élevé. Elle agit, de plus, com- me élément filtrant. On peut, bien entendu, parfaire l'adoucissement de l'eau au moyen du dispositif ci-dessus en la faisant recirculer plusieurs fois dans celui-ci, par exemple en reliant les conduites 3 et 5 à une réserve d'eau non déminéralisée de manière à constituer un circuit permettant de faire repasser l'eau à deux ou plusieurs reprises dans la cellule 1, ce processus étant poursuivi jusqu a diminution de la dureté de l'eau jusqu'à une valeur désirée. L'eau déminéralisée peut ensuite être acheminée vers un dispositif utilisateur quelconque. Il est possible de régénérer la matière de la plaque poreuse en inversant le sens de circulation du courant dans les électrodes 6 et 7, la cathode se transformant alors en anode et, respectivement, l'anode en cathode. La conduite 3 reste branchée à une alimentation en eau non déminéralisée mais la conduite 5 est reliée à une canalisation permettant l'évacuation des eaux usées. L'acide engendré au voisinage de ltélectrode maintenant positive dissout les matiè res précipitées retenues dans la plaque 8 et les produits de dissolution sont finalement évacués par la conduite 5. A titre d'exemple d'utilisation du dispositif selon l'invention, on a relié une cellule électrolytique du type représenté au dessin à une réserve de 20 litres d'eau à déminéraliser et on a établi une circulation d'eau à un débit compris entre 0,5 et 1,5 litres par minute. La cellule utilisée avait la forme d'un parallélépipède rectangle, la cavité intérieure mesurait 13 cm de largeur, 20 cm de hauteur et 2,5 cm de profondeur, chaque électrode était constituée d'une grille rectangulaire en titane platiné de 250 cm2. La structure poreuse en contact avec les deux électrodes avait une surface d'environ 250 cm2, elle était soit constituée d'une plaque de graphite poreux isolée par une grille de nylon, soit d'une mousse de polyuréthane fine dont les pores avaient une taille comprise entre 3 Mfl et 0,05 mm, soit encore d'une mousse de polyuréthane grossière dont les pores avaient une taille comprise entre 0,05 mm et 3 mm. Le tableau ci-dessous résume les résultats expérimentaux obtenus à l'aide de cette cellule. EMI6.1 <tb> Plaque <SEP> poreuse <SEP> Ecoulement <SEP> <SEP> Alimentation <SEP> électrique <SEP> Dureté <SEP> de <SEP> l'eau <SEP> <tb> épais- <SEP> type <SEP> débit <SEP> courant <SEP> énergie <SEP> totale <SEP> initiale <SEP> finale <tb> seur <SEP> (1/min) <SEP> <SEP> (A) <SEP> (AH) <SEP> 0F <SEP> <SEP> 0F <SEP> <tb> (cm) <SEP> <tb> <SEP> 1 <SEP> mousse <SEP> PU <SEP> 0,5 <SEP> 3,8 <SEP> 3 <SEP> 50 <SEP> 20 <tb> <SEP> fine <tb> <SEP> 1 <SEP> n <SEP> " <SEP> <SEP> 0,5 <SEP> 3,2 <SEP> 35 <SEP> 10 <tb> <SEP> 1 <SEP> mousse <SEP> de <SEP> 0,5 <SEP> 5 <SEP> - <SEP> <SEP> 3 <SEP> 35 <SEP> 20 <tb> <SEP> graphite <tb> <SEP> 2 <SEP> mousse <SEP> PU <SEP> 0,5 <SEP> 4 <SEP> 4 <SEP> 55 <SEP> 34 <tb> <SEP> grossière <tb> <SEP> 1 <SEP> mousse <SEP> PU <SEP> 1,5 <SEP> 3 <SEP> 2,3 <SEP> 52 <SEP> 40 <tb> <SEP> fine <tb> Il est bien évident que l'on pourra également utiliser d'autres matériaux poreux que ceux décrits dans le présent exemple, comme par exemple des céramiques poreuses connues pour être utilisées comme filtres.

Claims: REVENDICATIONS 1. Procédé pour adoucir de l'eau, dont la dureté résulte essentiellement de la présence d'ions Ca et Mg, par passage de celle-ci dans une cellule d'électrolyse comportant, outre une anode, une cathode au voisinage de laquelle le pH alcalin créé par le courant d'électrolyse provoque la précipitation des ions Ca et Mg sous forme de leurs oxydes ou hydroxydes solides, caractérisé par le fait que, ces électrodes étant disposées de part et d'autre et parallèlement au trajet de l'eau à l'intérieur de la cellule, on interpose sur le passage de celle-ci une masse de matière poreuse inerte régularisant son écoulement dans la cellule et fournissant un support matériel de grande surface disponible sur lequel se déposent les solides pré cipités. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que ladite matière poreuse est une résine synthétique, une céramique poreuse ou encore une mousse en graphite. 3. Procédé suivant la revendication 2, caractérisé par le fait que ladite matière poreuse est une mousse de résine expansée dont les pores, ouverts, ont une dimension de 20zip à 3 mm et dont la surface accessible au dépôt est de 1 à 100 m2/g. 4. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que, pour régénérer la masse poreuse, l'on inverse la polarité des électrodes, la cathode devenant une anode, respectivement l'anode une cathode, de manière à engendrer l'acide au voisinage de l'électrode devenue positive, dissolvant les hydroxydes de métaux précipités dans la masse, la solution résultante étant alors évacuée par le courant d'eau traversant la cellule. 5. Dispositif pour mettre en oeuvre le procédé suivant la revendication 1 constitué par une cellule d'électrolyse comportant une anode et une cathode et au moins une entrée et une sortie de l'eau à adoucir, caractérisé par le fait qu'il comprend, en outre, occupant au moins une partie du volume intérieur de ladite cellule, entre l'anode et la cathode, et en contact ou au voisinage immédiat de la cathode une masse de matière poreuse à pores ouverts, inerte électrochimiquement, lesdits orifices d'entrée et de sortie ainsi que la masse de matière poreuse étant disposés de telle manière qu'au moins une portion de l'eau à adoucir soit contrainte de traverser la masse de matière poreuse.

Inventors: PORTA, AUGUSTO, SCHAUB, MAURICE
Applicants: BATTELLE MEMORIAL INSTITUTE
Application year: 1985
Main classification: C02F1
IPC codes: C02F1