Procédé de séparation par filtration de mélanges hétérogènes contenant au moins une phase liquide. On sait que deux phases hétérogènes pré sentent toujours entre elles une différence de potentiel. 'Quelle que soit la théorie -de ce phénomène, il. en résulte, à la limite de séparation, des actions -d'attraction et de ré pulsion électriques.
Dans une suspension ou une émulsion, les grains de la suspension ou de l'émulsion se repoussent mutuellement à de très faibles distances par suite .de leurs charges électriques de même signe, c'est ce qui leur permet de rester séparées les unes des autres alors que les phénomènes capil laires (forces d'agrégation) tendent à dimi nuer la surface totale en soudant ces parti cules les unes aux autres, en amas dans le cas .des solides (floculation), ou en grosses gouttes dans le cas des liquides.
Ces forces électrostatiques de contact qui se mettent aisément en évidence pour les systèmes dispersés (colloïdes) se manifestent également, comme -on le sait, entre les sur faces continues et étendues (Osmose élec trique).
On a. fait l'observation nouvelle, et c'est <B>là</B> la base ide la présente invention, que ces répulsions électrostatiques, qui se produisent également entre les particules d'une émul sion et un .diaphragme poreux convenable ment chargé, se font sentir à une distance suffisante pour s'opposer au passage des particules de l'émulsion ou de la suspension à travers les canaux du ,diaphragme poreux,
alors même que la section de ces canaux per mettrait aux particules -de traverser le dia phragme en l'absence de la charge électrique suffisante de sorte qu'un tel diaphragme chargé statiquement peut être avantageuse ment utilisé pour la séparation du liquide dans lequel se trouve réalisée l'émulsion.
Naturellement, il y a toujours, comme il a. été dit plus haut, une différence de poten- liel entre le liquide et<B>le</B> diaphragme, mais, en général, cette différence de potentiel est trop peu importante pour agir d'une façon pratique et efficace sur la filtration. Le pro cédé de la présente invention est caractérisé en ce qu'on emploie un diaphragme poreux, nui est traité par des solutions d'électrolytes de façon à. prendre, au contact -du liquide a séparer, une forte charge électrostatique dE@ même sine que celui des particules à. sépa rer, le débit du filtre étant réglé à faible vitesse de manière qu'il demeure constant.
pendant toute l'opération et que les forces de répulsion -électrostatique s'exerçant sur les particules à séparer l'emportent sur les for ces contraires dues à la viscosité du liquide en mouvement. Dans ces conditions, en supposant, bien entendu, que l'on ait choisi convenablement la matière du diaphragme, on observe que non seulement la filtration est parfaite, c'est-à-dire qu'aucune des particules de ne traverse le diaphragme, si petite soit-elle, mais encore qu'il ne se produit au cun colmatage du filtre,
comme cela, aurait lieu pour une filtration ordinaire. Cela, tient à ce que la filtration ordinaire repose sur le principe -du crible, et les mailles de celui-ci doivent être assez serrées pour retenir les particules solides tout en laissant passer le liquide. Mais alors ces particules solides restent appliquées sur la surface du dia.- phragme filtrant et s'y entassent en @di@mi- nuant les sections d'entrée des canaux capil laires et produisent finalement une obstruc tion telle que la filtration se trouve extrê mement ralentie si on n'augmente pas Gonsi- déralblement les pressions
exercées sur le liquide. Au contraire, clans le cas du diaphragme fortement électrisé, les particules en suspen sion sont repoussées par la paroi et demeu rent soumises au mouvement brownien (mou vement que présentent les petites particules solides en suspension ,dans un fluide) qui les disperse, de telle sorte que l'ouverture des canaux capillaires demeure entièrement li bre, tout au moins tant. que la .charge trique communiquée au diaphragme persiste et conserve une valeur minima..
Il résulte de là qu'il y a une grande dif férence entre les deux genres de filtration. Si on porte en ordonnée les .débits du filtre à chaque instant et en abscisse la. quantit( de liquide filtré, on obtient dans le premier cas de la filtration ordinaire une courbe qui commence par descendre rapidement, pui.s tend à devenir asymptote à l'axe des ab-s- cisses.
Au contraire, dans le cas & la, filtration avec .diaphragme chargé électriquement, <B>I -</B> première partie de la courbe est presque horizontale; ensuite, la courbe s'infléchit assez rapidement vers l'axe des abscisses et prend alors l'allure -de la courbe de filtration ordinaire. L'inflexion est due, autant qu'on puisse s'en rendre compte, au fait que le passage du liquide finit par entraîner peu à peu la .charge électrique du diaphragme, -cette charge étant obtenue en général au moyen de gros ions polyvalents.
Cependant, pour que la filtration ait, .avec le diaphragme chargé électriquement, l'allure indiquée, il y a encore une condition à observer qui est de donner au liquide filtrant, au voisinage du diaphragme, & très faibles vitesses -afin que la, force d'entraînement sur les parti cules due à la, viscosité du liquide demei;re suffisamment petite pour ne pas gêner l'ac tion de la, force de répulsion électrosta_tiquc du diaphragme.
Lorsque cette condition est observée, on constate que deux diaphragmes présentant exactement la même porosité à la filtration, mais dont l'un est chargé électriquement et l'autre neutre, donnent, sous la. même pres sion réduite, le premier une filtration par faite, aucune particule à. séparer ne le tra versant, le second, une filtration imparfaite. les plus fines particules de lia suspension le traversant tout au moins .au début de la fil tration et tant qu'il ne s'est pas produit uli colmatage suffisant -de -la surface d'entrée.
Avec une charge convenable, un diaphragme relativement grossier donnera exactement le même résultat qu'un diaphragme de consti tution extrêmement fine, comme ceux qui sont employ6s dans les systèmes @d'ultra-fil- t:ration et il présentera l'avantage de ne pas se colmater rapidement comme ces derniers. Naturellement, le procédé décrit dans la pré sente invention ne pourra pas se substituer dans tous les cas 'a l'nltra-filtration, mais seulement dans les cas où la suspension pré sentera une charge électrique suffisante pour que les actions de répulsion électrique puissent être utilisées.
Ceci se présente, notamment, d'ans la filtration. ,des huiles végétales ou mi nérales où les suspensions sont fréquemment fortement .chargées et où la faible valeur de la constante diélectrique favorise les actions électrostatiques.
Pour appliquer le procédé, on commen cera par déterminer le signe de la charge des particules à -séparer par un moyen connu, par exemple par l'électrophorèse, et on cher chera à réaliser un -diaphragme présentant, au plus haut degré possible une charge de même signe dans le liquide de la suspension. En moyen pratique consiste encore à procé. der à des essais de filtration sur des dia phragmes constitués par des empilages de mêches de coton que le liquide traverse dans le sens de la ,;chaîne".
On réalise la charge électrique -de ces mèches par les ,moyens con nus, par exemple, "mordançage" par les ions H -ou OH, et fixation, à la faveur de ce mordançage, -de gros ions polyvalents tels que P04. On réalise ainsi des filtres portant une forte charge et on détermine ,alors facile ment quel diaphragme convient à la sépara tion et aussi quel est l'ordre -de grandeur des vitesses de filtration qui conviennent à la. sé paration.
Ces points déterminés!, on peut en suite choisir des matières plus .appropriées pour constituer le diaphragme suivant la na ture du liquide renfermant la. suspension: On prendra par exemple -des matières minérales telles que les différentes variétés de charbon pulvérisées et agglomérées, l'amiante, la si lice, le plâtre, le papier, etc., en un mot tou tes les matières filtrantes<B>déjà</B> connues et elles seront choisies en raison & la charge électrique qu'elles sont susceptibles de rece voir .au contact -d'un êlectrolyte et de conser ver pendant un temps suffisamment long au contact .du liquide à filtrer.
Dans tous les cas, on reconnaîtra que la charge électrique du -diaphragme et la pres sion de filtration sont convenables lorsqu'on aura une courbe de filtration étalblie comme il .a été dit et présentant la forme caractéris tique des courbes de filtration sur dia- pbragmes chargés, c'est-à-dire une grande constance du débit pendant une première pé riode :de filtration.
Cette forme -de la courbe de filtration suffit à distinguer le procédé de la, présente invention de tous les procédés de filtration connus.
A titre d'exemple @de mise en aeuvre du procédé, si on utilise comme diaphragme un tissu .de coton, ce dernier est d'abord dé graissé à l'aide d'éther de -pétrole, puis, pour recevoir une charge négative, il est lavé avec une solution d'acide chlorhydrique faible de manière à fixer sur le coton des ions H (po- sitifs) ;
ces ions H se fixent aisément sur 1e coton et servent à le "mordancer" de sorte que, en présence d'acide phosphorique, il s'y fixe des ions P04 trivalents négatifs; l'ac tion de la paroi ,de coton se réduira en dé finitive à l'action de ces ions négatifs dont une partie seulement -a été neutralisée par les ions H positifs.
Process for the separation by filtration of heterogeneous mixtures containing at least one liquid phase. We know that two heterogeneous phases always present a difference of potential between them. 'Whatever the theory of this phenomenon, it. results, at the limit of separation, actions -d'attraction and repulsion electric.
In a suspension or an emulsion, the grains of the suspension or of the emulsion repel each other at very short distances as a result of their electric charges of the same sign, this is what allows them to remain separated from each other. whereas capillary phenomena (aggregation forces) tend to reduce the total surface area by welding these particles together, in clusters in the case of solids (flocculation), or in large drops in the case of liquids .
These electrostatic contact forces which are easily demonstrated for dispersed systems (colloids) are also manifested, as we know, between continuous and extended surfaces (electric osmosis).
We have. makes the new observation, and this is <B> there </B> the basis of the present invention, that these electrostatic repulsions, which also occur between the particles of an emulsion and a suitably charged porous diaphragm , are felt at a sufficient distance to oppose the passage of the particles of the emulsion or suspension through the channels of the porous diaphragm,
even though the section of these channels would allow the particles to pass through the diaphragm in the absence of sufficient electric charge so that such a statically charged diaphragm can be advantageously used for the separation of the liquid in which is located. produced the emulsion.
Of course, there is always, as he has. mentioned above, a difference in potential between the liquid and <B> the </B> diaphragm, but, in general, this difference in potential is too small to act in a practical and effective way on the filtration . The process of the present invention is characterized in that a porous diaphragm is employed, which is treated with solutions of electrolytes so as to. take, in contact -du liquid to be separated, a strong electrostatic charge dE @ same sine as that of the particles. separating, the flow of the filter being regulated at low speed so that it remains constant.
throughout the operation and that the electrostatic repulsion forces exerted on the particles to be separated outweigh the opposing forces due to the viscosity of the moving liquid. Under these conditions, assuming, of course, that the material of the diaphragm has been suitably chosen, it is observed that not only the filtration is perfect, that is to say that none of the particles of does cross the diaphragm, however small it may be, but still that no clogging of the filter occurs,
like that, would take place for ordinary filtration. This is because ordinary filtration is based on the sieve principle, and the mesh of the sieve must be tight enough to retain solid particles while still allowing liquid to pass through. But then these solid particles remain applied to the surface of the filter diaphragm and accumulate therein diminishing the inlet sections of the capillary channels and finally produce such a blockage that the filtration is extremely. slowed down if we do not increase the pressures significantly
exerted on the liquid. On the contrary, in the case of the strongly electrified diaphragm, the particles in suspension are repelled by the wall and remain subject to Brownian motion (movement presented by small solid particles in suspension in a fluid) which disperses them, in such a way. so that the opening of the capillary channels remains entirely free, at least so much. that the electrical load communicated to the diaphragm persists and retains a minimum value.
It follows from this that there is a great dif ference between the two kinds of filtration. If the filter flows at each instant are taken on the ordinate and the abscissa on the abscissa. quantity (of filtered liquid, we obtain in the first case of ordinary filtration a curve which begins by descending rapidly, then tends to become asymptote to the axis of the abscissa.
On the contrary, in the case of filtration with an electrically charged diaphragm, <B> I - </B> first part of the curve is almost horizontal; then, the curve bends rather quickly towards the x-axis and then takes on the shape of the ordinary filtration curve. The inflection is due, as far as can be appreciated, to the fact that the passage of the liquid ends up gradually causing the electric charge of the diaphragm, - this charge being generally obtained by means of large polyvalent ions .
However, for the filtration to have, with the electrically charged diaphragm, the indicated shape, there is still a condition to be observed which is to give the filtering liquid, in the vicinity of the diaphragm, and very low speeds - so that the, driving force on the particles due to the viscosity of the primary liquid sufficiently small not to interfere with the action of the electrostatic repulsion force of the diaphragm.
When this condition is observed, it is observed that two diaphragms having exactly the same porosity on filtration, but one of which is electrically charged and the other neutral, give, under the. same reduced pressure, the first a filtration by made, no particles to. separate only the tra versant, the second an imperfect filtration. the finest particles of the suspension passing through it at least at the start of the filtration and as long as sufficient clogging has not occurred -of the inlet surface.
With the proper load, a relatively coarse diaphragm will give exactly the same result as a diaphragm of extremely fine construction, such as those employed in ultra-filtration systems, and will have the advantage of not not clog quickly like these. Of course, the process described in the present invention cannot be substituted in all cases for ultra-filtration, but only in cases where the suspension will present a sufficient electric charge so that the actions of electric repulsion can be. used.
This occurs, in particular, in filtration. , vegetable or mineral oils where the suspensions are frequently highly charged and where the low value of the dielectric constant promotes electrostatic actions.
To apply the method, we will begin by determining the sign of the charge of the particles to -separate by a known means, for example by electrophoresis, and we will try to achieve a -diaphragm having, to the highest possible degree a charge of the same sign in the liquid of the suspension. In practical means still consists in proceeding. der to filtration tests on diaphragms made up of stacks of cotton wicks through which the liquid passes in the direction of the chain.
The electric charge of these wicks is carried out by known means, for example, "etching" by H —or OH ions, and fixing, by means of this etching, of large polyvalent ions such as PO4. Filters carrying a high load are thus produced and it is then easily determined which diaphragm is suitable for the separation and also what is the order of magnitude of the filtration speeds which are suitable for the. separation.
These points determined !, we can then choose more .appropriate materials to constitute the diaphragm according to the nature of the liquid containing it. suspension: We will take for example -mineral materials such as the different varieties of pulverized and agglomerated coal, asbestos, silicon, plaster, paper, etc., in a word all the filtering materials <B> already </B> known and they will be chosen because of the electrical charge they are likely to receive .in contact -d'unelectrolyte and keep for a sufficiently long time in contact .du liquid to be filtered.
In all cases, it will be recognized that the electric charge of the diaphragm and the filtration pressure are suitable when we have a filtration curve established as has been said and exhibiting the characteristic form of the filtration curves on diameter. loaded pbragmes, that is to say a great constancy of flow during a first period of filtration.
This shape of the filtration curve is sufficient to distinguish the process of the present invention from all known filtration processes.
By way of example @de implementation of the process, if a cotton fabric is used as the diaphragm, the latter is first degreased with petroleum ether, then, to receive a negative charge , it is washed with a weak hydrochloric acid solution so as to fix H ions (positive) on the cotton;
these H ions easily bind to the cotton and serve to "bite" it so that, in the presence of phosphoric acid, negative trivalent PO4 ions are attached to it; the action of the cotton wall will ultimately be reduced to the action of these negative ions, only a part of which has been neutralized by the positive H ions.