Dispositif échangeur de ions pour la purification de liquides.
La présente invention a pour objet un dispositif échangeur de ions pour la purification de liquides, par exemple de l'eau.
On a jusqu'ici purifié l'eau en la faisant passer à travers des lits de matières actives à l'égard des cations et de matières actives à l'égard des anions, mais le système précédemment utilisé impliquait l'utilisation d'une installation lourde, y compris des bacs ou cuves en métal, en porcelaine, en bois, de dimensions considérables.
Une eau purifiée à un haut degré, d'une qualité comparable à de l'eau distillée, est nécessaire en de nombreux endroits où l'on ne dispose pas d'alambics et où il serait diffi elle de transporter les alambics ou autres installations normalement utilisées pour la purification d'eau au moyen de matières actives à l'égard des ions. En outre, il est nécessaire de pouvoir disposer d'un appareil portatif léger pour la purification d'eau, en particulier pour son utilisation en liaison avec les opérations militaires.
Le but que l'on désire atteindre est donc d'obtenir un dispositif d'un poids léger destiné à contenir des matières actives à l'égard de ions et à permettre le passage sensiblement uniforme d'un fluide à purifier, tel que de l'eau, à travers le dispositif, de manière qu'un contact efficace du fluide avec les matières actives à l'égard des ions se fasse, afin qu'une purification satisfaisante soit effectuée.
Belon la présente invention, le dispositif échangeur de ions pour la purification de liquides est caractérisé en ce qu'il présente la forme d'une cartouche portative comprenant un compartiment supérieur, un compar tintent inférieur, au moins deux compartiments additionnels superposés au compartiment inférieur, entre ce dernier et le compartriment supérieur, un couvercle supérieur et un couvercle inférieur, des pièces ajourées séparant ces compartiments, des pièces ajourées disposées à la partie supérieure du compartiment supérieur et au fond du compartiment inférieur respectivement, des moyens d'éca.rtement pour maintenir les pièces ajourées mentionnées en dernier lieu à distance du couvercle supérieur et du couvercle inférieur respectivement, le dispositif contenant, de manière alternante, dans des compartiments respectifs,
des matières différentes capables d'enlever des cations et des anions respectivement, le dispositif étant muni de moyens d'entrée et de sortie pour le liquide à purifier et étant concu de manière à permettre un passage uniforme du liquide à purifier à travers les matières d'échange de ions contenues dans les différents compartiments.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, une forme d'exécution du dispositif faisant l'objet de l'invention, ainsi que des variantes.
La fig. 1 est une vue en perspective de cette forme d'exécution, qui est munie d'or ganes obturateurs temporaires qui peuvent être enIevés pour raccorder le dispositif à une source d'eau à purifier et à une conduite d'écoulement de sortie.
La fig. 2 en est une vue en coupe verticale axiale, montrant des tampons placés dans des trous ménagés dans les couvercles du dispositif, ces tampons portant des conduites pour permettre l'écoulement du fluide dans et hors du dispositif.
La fig. 3 est une vue partielle, en coupe verticale axiale, montrant une variante du dispositif, dans laquelle la surface intérieure présente une couche de revêtement en une matière appropriée quelconque, tel qu'un revêtement bitumineux, un vernis à l'huile siccative contenant des résidus provenant de la distillation de pétrole ou de charbon, etc.
La fig. 4 est une vue en coupe verticale axiale d'une variante, et la fig. 5 est une vue en élévation, partiellement en coupe, d'une autre variante.
Les fig. 6 et 7 sont des vues en élévation, partiellement en coupe, d'autres variantes.
La fig. 8 est une vue partielle en coupe verticale d'une matière feuilletée dont une fcrme d'exécution du dispositif peut être formée.
La fig. 9 est une vue en perspective d'une pièce d'écartement (telle que la pièce d'écar- tement 22 sur les autres vues) propre à être utilisée à l'une ou l'autre extrémité du dispositif.
En référence aux fig, 1 et 2, on remarquera que le dispositif présente la forme d'une cartouche portative, désignée de façon générale par la référence 1, cette cartouche présentant une paroi cylindrique 2 et étant divisée en plusieurs compartiments, comprenant un compartiment supérieur 4, un compartiment inférieur 6 et, superposés à ce dernier, des compartiments 8 et 10. Les compartiments 6 et 8 sont séparés l'un de l'autre par une pièce ajourée 12, telle qu'un tamis, qui est de préférence non métallique et est avantageusement construite en fila1nents d'une matière plastique, par exemple en un copolymère de chlorure de vinylidène et de chlorure de vinyle.
Les compartiments 8 et 10 sont séparés l'un de l'autre par une pièce ajourée 14, tandis que les compartiments 10 et 4 sont séparés l'un de l'autre par une pièce ajourée 16. Les pièces ajourées 14 et 16 sont de préférence constituées par des tamis du même genre que la pièce ajourée 12 qui vient d'être décrite.
La cartouche présente, en outre, un couvercle supérieur 18, présentant un trou 30, et un couvercle inférieur ou fond 20, présentant un trou 32. Le couvercle supérieur 18 et le couvercle inférieur 20 sont de préférence mé- talliques et on les fixe de préférence à la paroi 2 de la cartouche 1 en repliant les bords des couvercles par-dessus l'arête supérieure et l'arête inférieure de la paroi 2. Une pièce d'écartement 22 en forme de cuvette, qui est de préférence construite en matière plastique moulée, est placée dans une position renversec au-dessus du couvercle inférieur 20, de sorte que son arête soit supportée par ce couvercle. La surface supérieure de cette pièce d'écartement 22, qui présente des ouvertures relativement grandes, supporte une pièce ajourée 28 qui peut être un tamis du même genre que la pièce ajourée 12.
Le compartiment 4 est muni, à sa partie supérieure, d'une pièce ajourée 26 qui est maintenue à une certaine distance du couvercle supérieur 18 par une pièce d'écartement 24. La pièce ajourée 26 est un tamis du même genre que la pièce ajourée 12, tandis que la pièce d'écartement 24 est du même genre que la pièce d'écartement 22. La fig. 9 est une vue en perspective montrant cette pièce d'écartement 22.
Les compartiments 6 et 10 sont remplis d'une matière granulée 34 active à l'égard des cations, tandis que les compartiments 4 et 8 sont remplis d'une matière granulée 36, res peefivemeut 38, active à l'égard des anions.
Il est préférable que la matière 36 active à l'égard des anions soit une matière active à l'égard des anions ayant subi un traitement spécial ou additionnée d'non tampon , dc sorte que l'eau s'écoulant du récipient possède un Pa compris entre 6 et 8.
Préalablement à l'utilisation du dispositif, on ferme de préférence les trous 30 et 32 avec des couvercles appropriés, tels que des obturateurs métalliques à friction 50 et 52 représentés sur la fig. 1, qu'on peut retirer des trous pour se servir du dispositif. Après fabrication, pendant le transport ou l'emmagasinage, on maintient l'état des matières actives à l'égard des ions, dans la cartouche, en excluant l'air de celle-ci et il est, par conséquent, relativement important que les trous à chaque extrémité du dispositif soient temporairement obturés de quelque manière pour maintenir les matières actives en état satisfaisant préalablement à l'utilisation du dispositif.
Des obturateurs ou tampons métalliques sont presque complètement étanches à la vapeur d'eau et sont à employer de préférence, bien que les obturateurs puissent être faits en papier adhésif, en ruban adhésif, etc.
Lorsque ce dispositif doit être utilisé pour la purification d'eau, on enlève les couvercles à friction 50 et 52, on insère une conduite 40 dans le trou 32 du couvercle inférieur 20 et on la fixe en place, de manière étanche aux fluides au moyen d'un tampon ou bouchon 42 à travers lequel passe la conduite 40. De manière semblable, on insère une conduite 44 dans le trou 30 du couvercle supérieur 18 et on la fixe en place, de manière étanche aux fluides au moyen d'un tampon ou bouchon 46 à travers lequel passe la conduite 44.
Lorsque ce dispositif est utilisé pour la purification d'un fluide, tel que de l'eau, ce fluide coule par la conduite 40 et pénètre dans l'espace entre le couvercle inférieur 20 et la pièce d'écartement 22. L'eau passe ensuite à travers la pièce d'écartement 22 et est répartie par celle-ci de manière à s'écouler uniformément à travers le tamis 28, puis à travers la matière 34 active à l'égard des cations, à travers le tamis 12, à travers la matière 38 active à l'égard des anions, à travers ]e tamis 14, à travers la matière 34 active à l'égard des cations, à travers le tamis 16, à travers la matière 36 active à 1 'égard des anions et, ayant subi un traitement spécial, à travers le tamis 26,
par les ouvertures rela tiveinent grandes de la pièce d'écartement 24, et sort finalement par la eonduite 44.
Ce dispositif convient pour le passage du fluide à purifier dans l'un et l'autre sens, mais il est préférable que le fluide pénètre par la partie inférieure et sorte par la partie supérieure du dispositif, comme représenté sur les fig. I et 2. Comme le fluide doit passer d'abord à travers un lit de matière active à l'égard des cations et un lit de matière active à l'égard des anions, soit activée de la manière ordinaire, soit ayant de préférence subi un traitement spécial de manière à être tam- ponnée , de telle sorte que le fluide sortant soit sensiblement neutralisé,
l'eau ou autre fluide à purifier doit être introduit dans le dispositif par l'extrémité de celui-ci où est placée la matière active à l'égard des cations et doit sortir du récipient par l'extrémité de celui-ci adjacente au dernier lit de matière aetive à l'égard des anions. Pour éviter la possibilité de l'introduetion d'eau ou autre fluide par la mauvaise extrémité du dispositif, il est préférable de donner aux trous dans les couvercles 18 et 20 des dimensions différentes, comme représenté sur la fig. 2.
I1 est quelque peu plus facile de raccorder la cartouche 1 aux conduites d'entrée et de sortie du fluide si le trou 32 dans le couvercle inférieur 20 est plus grand que le trou 30 dans le couvercle 18. Toutefois, ceci est simplement une question de préférence et on peut, si on le désire, utiliser la manière inverse de procéder.
Il est clair, d'après la description qui précède, que si le dispositif est utilisé pour le passage d'un fluide vers le bas à travers le dispositif, au lieu du passage vers le hant à travers le dispositif, le compartiment supérieur 4 sera rempli d'une matière active à l'égard des cations, tandis que le compartiment inférieur 6 sera rempli d'une matière active à l'égard des anions et, de préférence, d'une matière active à l'égard des anions additionnée d'un tampon ! tandis que les com- partimeufs 10 et 8 seront remplis d'une ma tière active à l'égard des anions et d'une matière active à l'égard des cations, respectivement.
La fig. 3 montre une variante de ce dispositif, dans laquelle la surface interne de la paroi 2 de la cartouche 1 est recouverte d'une pellicule 48 de matière étanche à l'eau ou résistant à l'action des acides et des alcalis, telle qu'un enduit bitumineux, un enduit asphaltique, un enduit d'un vernis à huile siccative contenant du brai provenant de résidus de distillation de pétrole ou de résidus provenant de la distillation de goudron de houille, un enduit de cire de paraffine ou autres cires naturelles ou s nthétiques, un enduit d'une résine sthétique, un enduit de caontclonc, ete.
Cet enduit 48 recouvre non seulement la paroi 2, mais aussi les couvercles 1â et 20 et rend le dispositif étanche à l'eau ainsi que résistant à un acide dilué et à un alcali dilué.
Une autre variante du dispositif est représentée sur la fig. 4. La cartouche 1 du dispositif de la fig. 4 présente une paroi tubulaire extérieure 2 et est divisée en un compartiment supérieur 4, un compartiment inférieur 6 et deux compartiments superposés à ce dernier, 8 et 10. Le dispositif est muni d'un couvercle inférieur ou fond 100, qui présente un rebord 101 s'étendant vers l'intérieur et s'adaptant étroitement à l'intérieur de la paroi 2 de la cartouche : 1, de manière à former un joint étanche aux : fluides. Si on le désire, le cou- vercle 100 peut être relié de façon étanche à la paroi 2 par une matière adhésive appropriée quelconque. Le couvercle 100 présente mi trou 102 qui peut être fermé par un joint étanche temporaire en papier 104.
Les compartiments 6, 8, 10 et 4 sont formés par des pièces en forme de cuvettes 112, 114, 116 et 118, respectivement. Toutes ces pièces en forme de cuvettes présentent des fonds perforés. La cuvette 112 est supportée par le rebord 101 du couvercle inférieur 100, tandis que la cuvette 114 est supportée par l'arête supérieure de la cuvette 112. La cuvette 116 est supportée par l'arête supérieure de la cuvette 114 et la cuvette 118 est supportée par l'arête supérieure de la cuvette : 116. Le compartiment supérieur 4 présente un couvercle-pièce d'écartement combiné 120, qui est une pièce en forme d'auge, avec un fond perforé et un rebord 121 replié vers le haut.
Ce couvercle 120 repose sur l'arête supérieure de la cuvette 118, et le rebord 121 s'étend jusqu'à la partie supérieure de la paroi 2. Le dispositif possède un couvercle supérieur 106 qui présente un trou 108; un obturateur temporaire en papier 110 recouvre ce trou. Les cuvettes 112, 114, 116 et 118 sont de dimensions telles qu'elles s'adaptent étroitement à l'intérieur de la paroi 2 de la cartouche 1, de telle sorte que lorsqu'on fait passer un fluide à travers le dispositif, sensiblement la totalité du fluide passera à travers les fonds des cuvettes et il n'en passera sensiblement aucune partie autour des parois latérales de ces cuvettes. Si on le désire, on peut utiliser une matière adhésive ou matière de remplissage pour remplir ou obturer de façon étanche l'intervalle entre les parois latérales des cuvettes et la paroi 2 de la cartouche.
Il est à remarquer que le couvercle 106 et le couvercle-pièce d'écartement - combiné 120 maintiennent les cuvettes 112, 114, 116 et 118 réunies et serrées étroitement l'une contre l'autre et contre le couvercle inférieur 100.
Bien que les compartiments 4, 6, 8 et 10 aient été représentés sur la fig. 4 comme étant de dimensions différentes, ils peuvent être de dimensions égales ou presenter toutes autres dimensions désirées. Ceci s'applique également aux autres dispositifs mentionnés dans la présente description.
Le dispositif représenté sur la fig. 4 est utilisé de la même manière que décrit en référence au dispositif représenté sur les fig. 1 et 2.
La fig. 5 représente une autre forme d'exécution du dispositif dont la cartouche 1 est quelque peu semblable à celle représentée sur la fig. 4. Le couvercle inférieur 100 de ce dispositif présente un grand trou 202, tandis que le dispositif représenté sur la fig. 4 présente un petit trou 102 dans son couvercle 100.
D'autre part, mi trou relativement grand 108 dans le couvercle 106 est représenté sur la fig. 4, tandis que sur la fig. 5, le couvercle supérieur 107 s'adapte à l'intérieur de la paroi 2 et il présente un trou 208 relativement petit. Les compartiments 6, 8,10 et 4 du dispositif représenté en fig. 5 sont formés par des cuvettes 212, 214, -16. 21 8 respectivement.
Les cuvettes 216, 218 sont munies de fonds perforés et de couvercles supérieure perforés 217 et 219, les autres cuvettes sont munies de couvercles semblables.
Il est à remarquer que le dispositif représenté sur la fig. 5 n'exige pas de pièces d'écar- tement distinctes, étant douné que les couver cles supérieur et inférieur agissent comme pièces d éeartement aussi bien que comme fermetures pour le dispositif. Le dispositif représenté sur la fig. 5 est utilisé de ]a même manière générale que décrit en référence au dispositif selon la fig. 1 et les compartiments sont remplis de matières actives à l'égard des ions, de la même manière que décrit en réfé rence aux compartiments du dispositif selon la fig. 1.
La fig. 6 représente une autre variante du dispositif. Dans cette variante, la construction intérieure est la même que dans le cas de la fig. 1, mais les parties d'extrémité supérieure et inférieure de la paroi 2 de la cartouche 1 présentent des filetages extérieurs 302 et 304 qui sont destinés à recevoir des raccords 305 et 311. Le raccord 305 présente une conduite 306 et un taraudage 308 destiné à venir en prise avec le filetage 302, ainsi qu'une garniture de joint 310 pour produire un joint étanche aux fluides entre le raccord 305 et l'arête supérieure de la paroi 2. Le raccord inférieur 311 présente une conduite 312 et un taraudage 314 destiné à venir en prise avec le filetage 304 ménagé sur la partie d'extrémité inférieure de la paroi 2.
Le raccord 311 présente également une garniture de joint 316 autour de sa périphérie inférieure, pour former un joint étanche aux fluides entre le raccord 311 et l'arête inférieure de la paroi 2.
La fig. 7 représente une variante du dispositif, dans laquelle les conduites d'entrée et de sortie du fluide sont toutes deux reliées au couvercle inférieur du dispositif. Dans cette forme de réalisation, le dispositif présente un couvercle supérieur 402 qui est de préférence métallique et qui est serti sur la paroi 2 de la cartouche 1 de manière à former un joint étanche aux fluides, de la même manière que décrit en référence au dispositif selon la fig. 2. La disposition intérieure des compartiments 4, 6, 8, 10 et des tamis 12, 14, 16, 26, 28, ainsi que des pièces d'écartement 22 et 24, est la même que dans le eas de la fig. 2.
Le dispositif selon la fig. 7 présente un couvercle inférieur 404 qui est muni d'une conduite d'entrée 408 et d'une conduite de sortie 406, cette dernière s'détendant vers le liant à travers le dispositif, de telle manière que l'extrémité supérieure de cette conduite 406 communique avec l'espace situé entre la pièce d'écartement 24 et le couvercle supérieure 402. Les compartiments, alternant entre eux, contiennent des matières actives à l'égard des cations et à l'égard des anions, le tout comme décrit en référence au dispositif selon la fig. 2.
Le mode de fonctionnement du dispositif selon la fig. 7 est semblable à celui des autres dispositifs décrits précédemment, sauf que l'eau pénètre par la conduite 408, est répartie par la pièce d'écartement 22, de manière à donner un écoulement uniforme à travers les divers compartiments, puis à travers la pièce d'écartement 24, et s'écoule ensuite vers le bas par la conduite de sortie 406.
Les différentes formes d'exécution du dispositif peuvent être faites en toute matière appropriée, telle que de la tôle, des matières plastiques ou des matières feuilletées, en particulier des matières feuilletées comprenant des couches de papier. Si l'on emploie des mé- taux, il est préférable que le métal soit d'une nature telle qu'il puisse résister à une acidité et une basicité élevées qui se produisent pendant l'utilisation du dispositif pour la purification d'eau et d'autres fluides dans les divers compartiments remplis de matière active à l'égard des ions.
Si l'on utilise un métal sujet à la corrosion, il est préférable que la surface interne de celui-ci soit enduite d'une composition imperméable à l'eau, résistant aux acides et résistant aux alcalis, telle que du brai provenant de résidus de distillation, de pétrole ou de eharbon, soit seul, soit avec une huile siccative, du caoutehoue, du polystyrène, des copolymères de chlorure de vinylidène et de chlorure de vinyle, ete.
La cartouche, de même que les couvercles, peut être moulée en matière plastique soit seule, soit avec une matière de charge ou une matière formant arma titre. Ainsi, la paroi extérieure de la cartouche peut être faite en tissu ou papier en combinaison avec une matière plastique, telle que des résines urée-formaldéhyde, des résines phénol-formaldéhyde, des résines mélamineformaldéhyde, du polystyrène, du caoutchouc dur, des copolymères de substances non saturées tels que des copolymères de résines alkydes non saturées avec du styrène ou des esters allyliques, des polymères de substances non saturées, tels que des esters polyalliques, etc. La cartouche peut être moulée; dans ce cas, on peut utiliser des matières de charge: fibres cellulosiques, fibres d'amiante, fibres de polyamides synthétiques, des fibres de verre, de la sciure de bois, etc.
Si la cartouche est faite en couches feuilletées, celles-ci peuvent être faites de matières analogues à du papier et peuvent comprendre un ou plusieurs des genres de fibres mentionnés ci-dessus.
Comme le dispositif selon l'invention peut être jeté au rebut après usage, il est préférable qu'il soit fait en matière aussi économique que possible. Des matières d'non poids léger sont également très désirables pour des raisons évidentes. Il est, par conséquent, préférable que le dispositif soit construit en une matière feuilletée, comprenant des couches de papier, et rendue imperméable à l'eau. Pour l'imperméabilité à l'eau, on peut utiliser l'lute quelconque des matières mentionnées précé
demment comme convenant pour enduire des métaux sujets à la corrosion. En outre, des feuilles métalliques peuvent être comprises
dans les matières en feuilles, pour améliorer la résistance de la matière vis-à-vis de l'eau
sans accroître notablement le poids de la matière.
La fig. 8 représente une vue partielle, en coupe verticale, d'une matière feuilletée, comprenant des couches minces de papier, qui a été reconnue convenant particulièrement bien pour être utilisée dans la construction de l'un quelconque des dispositifs décrits.
La matière feuilletée représentée sur la fig. 8 comprend une couche extérieure de papier 3, unie à deux autres couches de papier 5 au moyen de minces pellicules de brai 7 et unie ensuite à une couche de carton-pâte 9 au moyen d'une mince couche de brai 11. Une mince couche de brai 13 unit le carton-pâte à une couche de papier 15 qui présente une feuille métallique 17. La feuille métallique porte un enduit intérieur de brai 19. Une matière feuilletée de ce genre est de préfé rence enroulée sons forme d'lm cylindre, par enroulement d'une bande de la matière en un cylindre autour d'un mandrin présentant les dimensions désirées, le tout conformément à la pratique généralement suivie dans la fabrication de récipients en papier.
Les cartouches ainsi obtenues peuvent être de section transversale carrée, elliptique ou cylindrique. Il est généralement préférable d'utiliser la section transversale circulaire à cause de la simplicité de fabrication parmi d'autres raisons. On peut utiliser des matières feuilletées autres que celles décrites ci-dessus, telles que du papier feuilleté imprégné de paraffine, de substances bittunineuses et asphaltiques ou de résines synthétiques, pour constituer la paroi de ces cartouches, comme indiqué précédemment.
Il est important que les pièces ajourées supérieure et inférieure soient dans chaque cas maintenues à une certaine distance des couvercles supérieur et inférieur, respective- ment, pour obtenir un écoulement uniforme
à travers le dispositif sans formation de ca
naux. Il est, par conséquent, préférable que la distance entre les couvercles supérieur et inférieur et les pièces ajourées adjacentes soit
au moins de 3 mm, plus particulièrement,
cette distance est avantageusement comprise
entre 1/24 de la plus petite dimension transversale du dispositif et t/24 de la plus grande dimension transversale du dispositif. Naturellement, si le dispositif est de section cir maire, ces dimensions sont les mêmes.
On peut utiliser toute matière active à l'égard des cations dans un compartiment sur deux, alternativement, de ce dispositif. Ces matières actives à l'égard des cations doivent être utilisées à l'état activé à l'égard de l'hy- drogène et elles peuvent, par conséquent, également être appelées des zéolites à hydrogène . On dit que les matières actives à l'égard des cations, sous cette forme, travaillent suivant le cycle hydrogène ou sont déerites comme étant actives à l'égard de l'hy- drogène > lorsqu'elles effectuent un échange d'ions d'hydrogène dans l'opération de purification.
Des exemples de matières appropriées actives à l'égard des entions, qu'on peut utiliser, sont les produits de condensation phénolpolyhydriques-aldéhydes, le produit de condensation tanin catéchique-formaldéhyde, les produits de condensation acides sulfoniques aromatiques-formaldéhydes, les zéolites carbonacées, c'est-à-dire les matières carbonacées sulfatées ou sulfonées, telles que charbon, tourbe, lignite, etc., et les sulfonates alphafuryl insolubilisés.
On peut activer les matières actives à l'égard des cations avant de les placer dans les lits, alternant entre eux, du dispositif, en les traitant par des solutions diluées d'acides, par exemple à 0,1-10 d'acide chlorhydrique, d'acide sulfurique, etc., et en lavant ensuite la matière avec de l'eau pour éliminer l'acide libre.
On peut utiliser une résine quelconque active à l'égard des anions dans des compartiments, alternant entre eux, du dispositif; parmi ces résines, on peut citer, à titre d'exemple, les produits de condensation d'aldéhyde et de m-phénylène diamine, de biguanide, de guanylurée des guanidines substituées, telles que la méthylguanidine, des biguanidines substituées, telles que la phénylbiguanide, des polyamines, de préférence les polyéthylène-polyamines, etc. Ces produits de condensation sont de préférence des produits le condensation de formaldéhyde, bien qu'on puisse, si on le désire, utiliser des produits de condensation d'autres aldéhydes. Des esemples d'autres aldéhydes qu'on peut utiliser sont le furfural, l'acroléine, la benzaldéhyde, etc.
Les résines actives, telles que celles préparées à partir de guanidine, de guanylurée, de biguanide et d'autres matières qui ne forment pas des produits de condensation suffisarment insolubles avec la formaldéhyde pour la plupart des applications pratiques, sont de préférence insolubilisées avec des matières appropriées réagissant avec la formaldéhyde, par exemple l'urée, la thiourée, les aminotriazines (en particulier la mélamine et les guanamines qui réagissent avec la formaldéhyde pour former des produits insolubles), etc.
La résine active i' l'égard des anions uti- lisée dans le premier lit de matière active à l'égard des anisons, c'est-à-dire dans le compartiment 8 de la fig. 2, est activée de la manière habituelle par traitement avec une solution diluée d'une matière alcaline, par exemple une solution à 0,1-10% d'hydrate de sodium, de carbonate de sodium, des sels de potassium correspondants, etc. La matière active à l'égard des anions, tamponnée, contenue dans le compartiment supérieur 4 de la fig. 2 ou, e
Ion exchange device for the purification of liquids.
The present invention relates to an ion exchange device for the purification of liquids, for example water.
Water has heretofore been purified by passing it through beds of cation active materials and anion active materials, but the system previously used involved the use of a plant. heavy, including metal, porcelain, wooden tubs or vats of considerable size.
Highly purified water of comparable quality to distilled water is needed in many places where stills are not available and where it would be difficult to transport stills or other facilities normally. used for the purification of water by means of active substances with regard to ions. In addition, it is necessary to be able to have a light portable device for the purification of water, in particular for its use in connection with military operations.
The aim which is to be achieved is therefore to obtain a device of light weight intended to contain active substances with regard to ions and to allow the substantially uniform passage of a fluid to be purified, such as water, through the device, so that effective contact of the fluid with the ion active materials takes place, so that satisfactory purification is effected.
According to the present invention, the ion exchange device for the purification of liquids is characterized in that it has the form of a portable cartridge comprising an upper compartment, a lower compartment, at least two additional compartments superimposed on the lower compartment, between the latter and the upper compartment, an upper cover and a lower cover, perforated parts separating these compartments, perforated parts arranged at the upper part of the upper compartment and at the bottom of the lower compartment respectively, éca.rtement means for keep the last mentioned perforated parts away from the upper cover and the lower cover respectively, the device containing, alternately, in respective compartments,
different materials capable of removing cations and anions respectively, the device being provided with inlet and outlet means for the liquid to be purified and being designed so as to allow uniform passage of the liquid to be purified through the materials of exchange of ions contained in the different compartments.
The appended drawing represents, by way of example, an embodiment of the device forming the subject of the invention, as well as variants.
Fig. 1 is a perspective view of this embodiment, which is provided with temporary plugs which can be removed to connect the device to a source of water to be purified and to an outlet flow line.
Fig. 2 is an axial vertical sectional view thereof, showing buffers placed in holes made in the covers of the device, these buffers carrying conduits to allow the fluid to flow into and out of the device.
Fig. 3 is a partial view, in axial vertical section, showing a variant of the device, in which the inner surface has a coating layer of any suitable material, such as a bituminous coating, a drying oil varnish containing residues from the distillation of petroleum or coal, etc.
Fig. 4 is a view in axial vertical section of a variant, and FIG. 5 is an elevational view, partially in section, of another variant.
Figs. 6 and 7 are elevational views, partially in section, of other variants.
Fig. 8 is a partial view in vertical section of a laminated material from which an execution fcrme of the device can be formed.
Fig. 9 is a perspective view of a spacer (such as the spacer 22 in the other views) suitable for use at either end of the device.
With reference to FIGS, 1 and 2, it will be noted that the device has the form of a portable cartridge, generally designated by the reference 1, this cartridge having a cylindrical wall 2 and being divided into several compartments, comprising an upper compartment 4, a lower compartment 6 and, superimposed on the latter, compartments 8 and 10. The compartments 6 and 8 are separated from each other by a perforated part 12, such as a sieve, which is preferably not metallic and is advantageously constructed from filaments of a plastic material, for example a copolymer of vinylidene chloride and vinyl chloride.
The compartments 8 and 10 are separated from each other by an openwork part 14, while the compartments 10 and 4 are separated from one another by an openwork part 16. The openwork parts 14 and 16 are of preferably constituted by sieves of the same type as the perforated part 12 which has just been described.
The cartridge further has an upper cover 18, having a hole 30, and a lower cover or bottom 20, having a hole 32. The upper cover 18 and the lower cover 20 are preferably of metal and are fixedly attached. preferably to the wall 2 of the cartridge 1 by folding the edges of the lids over the upper edge and the lower edge of the wall 2. A cup-shaped spacer 22, which is preferably constructed of molded plastic, is placed in an inverted position above the lower cover 20, so that its edge is supported by this cover. The upper surface of this spacer 22, which has relatively large openings, supports a perforated part 28 which can be a screen of the same type as the perforated part 12.
The compartment 4 is provided, at its upper part, with a perforated part 26 which is held at a certain distance from the upper cover 18 by a spacer 24. The perforated part 26 is a sieve of the same type as the perforated part. 12, while the spacer 24 is of the same type as the spacer 22. FIG. 9 is a perspective view showing this spacer 22.
The compartments 6 and 10 are filled with a granulated material 34 active with regard to cations, while the compartments 4 and 8 are filled with a granulated material 36, res peefivemeut 38, active with regard to the anions.
It is preferable that the anion active material 36 is an anion active material specially treated or non-buffered, so that the water flowing from the vessel has a Pa between 6 and 8.
Prior to the use of the device, the holes 30 and 32 are preferably closed with suitable covers, such as metal friction shutters 50 and 52 shown in FIG. 1, that holes can be removed to use the device. After manufacture, during transport or storage, the state of the active substances with regard to ions is maintained in the cartridge, excluding the air therefrom, and it is therefore relatively important that the holes at each end of the device are temporarily sealed in some way to maintain the active materials in satisfactory condition prior to use of the device.
Metallic plugs or plugs are almost completely vapor-tight and are to be used preferably, although plugs can be made of adhesive paper, tape, etc.
When this device is to be used for water purification, the friction covers 50 and 52 are removed, a line 40 is inserted into the hole 32 of the bottom cover 20 and fixed in place, in a fluid-tight manner by means of a plug or plug 42 through which the line 40 passes. Similarly, a line 44 is inserted into the hole 30 of the top cover 18 and secured in place in a fluid-tight manner by means of a plug or plug 46 through which the pipe 44 passes.
When this device is used for the purification of a fluid, such as water, this fluid flows through line 40 and enters the space between the lower cover 20 and the spacer 22. The water passes through. then through the spacer 22 and is distributed by it so as to flow uniformly through the sieve 28, then through the cation active material 34, through the sieve 12, to through anion active material 38, through sieve 14, through cation active material 34, through sieve 16, through anion active material 36 and, having undergone special treatment, through the sieve 26,
through the relatively large openings of the spacer 24, and finally exits through the duct 44.
This device is suitable for the passage of the fluid to be purified in either direction, but it is preferable that the fluid enters through the lower part and leaves through the upper part of the device, as shown in FIGS. I and 2. Since the fluid must first pass through a bed of cation active material and an anion active material bed, either activated in the ordinary way or preferably having undergone a special treatment so as to be buffered, so that the outgoing fluid is substantially neutralized,
the water or other fluid to be purified must be introduced into the device by the end of the latter where the active substance with regard to cations is placed and must leave the container by the end of the latter adjacent to the last aetive matter bed with respect to the anions. To avoid the possibility of the introduction of water or other fluid through the wrong end of the device, it is preferable to give the holes in the covers 18 and 20 different dimensions, as shown in FIG. 2.
It is somewhat easier to connect the cartridge 1 to the fluid inlet and outlet lines if the hole 32 in the bottom cover 20 is larger than the hole 30 in the cover 18. However, this is simply a matter of preference and one can, if desired, use the reverse way of proceeding.
It is clear from the above description that if the device is used for the passage of a fluid downward through the device, instead of the downward passage through the device, the upper compartment 4 will be. filled with an active material with regard to cations, while the lower compartment 6 will be filled with an active material with respect to anions and, preferably, with an active material with respect to anions with the addition of 'a tampon ! while compartments 10 and 8 will be filled with an anion active material and a cation active material, respectively.
Fig. 3 shows a variant of this device, in which the internal surface of the wall 2 of the cartridge 1 is covered with a film 48 of waterproof material or resistant to the action of acids and alkalis, such as a bituminous coating, an asphalt coating, a coating of a drying oil varnish containing pitch from petroleum distillation residues or residues from the distillation of coal tar, a coating of paraffin wax or other natural waxes or s nthetics, a coating of an aesthetic resin, a coating of caontclonc, ete.
This coating 48 covers not only the wall 2, but also the lids 1a and 20 and makes the device watertight as well as resistant to dilute acid and dilute alkali.
Another variant of the device is shown in FIG. 4. The cartridge 1 of the device of FIG. 4 has an outer tubular wall 2 and is divided into an upper compartment 4, a lower compartment 6 and two compartments superimposed on the latter, 8 and 10. The device is provided with a lower cover or bottom 100, which has a rim 101 extending inwardly and closely fitting inside wall 2 of the cartridge: 1, so as to form a fluid tight seal. If desired, cover 100 can be sealed to wall 2 by any suitable adhesive material. The cover 100 has a mid-hole 102 which can be closed by a temporary waterproof paper seal 104.
The compartments 6, 8, 10 and 4 are formed by cup-shaped pieces 112, 114, 116 and 118, respectively. All these cup-shaped pieces have perforated bottoms. The bowl 112 is supported by the rim 101 of the lower cover 100, while the bowl 114 is supported by the upper ridge of the bowl 112. The bowl 116 is supported by the upper edge of the bowl 114 and the bowl 118 is supported. supported by the upper ridge of the bowl: 116. The upper compartment 4 has a combined cover-spacer 120, which is a trough-shaped piece, with a perforated bottom and a flange 121 folded upwards.
This cover 120 rests on the upper edge of the bowl 118, and the rim 121 extends to the upper part of the wall 2. The device has an upper cover 106 which has a hole 108; a temporary paper shutter 110 covers this hole. The cuvettes 112, 114, 116 and 118 are of such dimensions that they fit tightly inside the wall 2 of the cartridge 1, so that when a fluid is passed through the device, substantially all of the fluid will pass through the bottoms of the cuvettes and substantially no part of it will pass around the side walls of these cuvettes. If desired, an adhesive material or filler can be used to fill or seal the gap between the side walls of the cuvettes and the wall 2 of the cartridge.
Note that the cover 106 and the cover-spacer - combined 120 hold the cups 112, 114, 116 and 118 together and tightly clamped against each other and against the lower cover 100.
Although the compartments 4, 6, 8 and 10 have been shown in FIG. 4 as being of different dimensions, they can be of equal dimensions or have any other desired dimensions. This also applies to the other devices mentioned in the present description.
The device shown in FIG. 4 is used in the same way as described with reference to the device shown in FIGS. 1 and 2.
Fig. 5 shows another embodiment of the device, the cartridge 1 of which is somewhat similar to that shown in FIG. 4. The lower cover 100 of this device has a large hole 202, while the device shown in FIG. 4 has a small hole 102 in its cover 100.
On the other hand, a relatively large mid hole 108 in the cover 106 is shown in FIG. 4, while in fig. 5, the top cover 107 fits inside the wall 2 and has a relatively small hole 208. The compartments 6, 8, 10 and 4 of the device shown in FIG. 5 are formed by cups 212, 214, -16. 21 8 respectively.
The cuvettes 216, 218 have perforated bottoms and perforated top lids 217 and 219, the other cuvettes have similar lids.
It should be noted that the device shown in FIG. 5 does not require separate spacers, provided that the upper and lower covers act as spacers as well as closures for the device. The device shown in FIG. 5 is used in the same general manner as described with reference to the device according to FIG. 1 and the compartments are filled with active substances with regard to the ions, in the same manner as described with reference to the compartments of the device according to FIG. 1.
Fig. 6 shows another variant of the device. In this variant, the interior construction is the same as in the case of FIG. 1, but the upper and lower end portions of the wall 2 of the cartridge 1 have external threads 302 and 304 which are intended to receive fittings 305 and 311. The fitting 305 has a pipe 306 and a female thread 308 for engage the thread 302, as well as a gasket 310 to provide a fluid tight seal between the fitting 305 and the upper edge of the wall 2. The lower fitting 311 has a conduit 312 and a female thread 314 for to engage with the thread 304 formed on the lower end part of the wall 2.
The connector 311 also has a gasket insert 316 around its lower periphery, to form a fluid-tight seal between the connector 311 and the lower edge of the wall 2.
Fig. 7 shows a variant of the device, in which the fluid inlet and outlet conduits are both connected to the lower cover of the device. In this embodiment, the device has a top cover 402 which is preferably metallic and which is crimped onto the wall 2 of the cartridge 1 so as to form a fluid-tight seal, in the same manner as described with reference to the device. according to fig. 2. The interior arrangement of compartments 4, 6, 8, 10 and screens 12, 14, 16, 26, 28, as well as spacers 22 and 24, is the same as in the eas of FIG. 2.
The device according to FIG. 7 has a lower cover 404 which is provided with an inlet pipe 408 and an outlet pipe 406, the latter extending towards the binder through the device, such that the upper end of this pipe 406 communicates with the space located between the spacer 24 and the upper cover 402. The compartments, alternating with each other, contain active substances with regard to cations and with regard to anions, the whole as described in reference to the device according to FIG. 2.
The mode of operation of the device according to FIG. 7 is similar to that of the other devices described above, except that the water enters through line 408, is distributed through the spacer 22, so as to give a uniform flow through the various compartments, then through the room spacer 24, and then flows downward through outlet line 406.
The various embodiments of the device can be made of any suitable material, such as sheet metal, plastics or laminates, in particular laminates comprising layers of paper. If metals are employed, it is preferable that the metal be of such a nature that it can withstand the high acidity and basicity which occur during use of the device for the purification of water and. other fluids in the various compartments filled with active material with regard to the ions.
If a corrosion-prone metal is used, it is preferable that the inner surface thereof is coated with a waterproof, acid-resistant and alkali-resistant composition, such as pitch from tailings. distillation, petroleum or coal, either alone or with a drying oil, rubber, polystyrene, copolymers of vinylidene chloride and vinyl chloride, ete.
The cartridge, as well as the lids, can be plastic molded either alone or with filler or armor material. Thus, the outer wall of the cartridge can be made of cloth or paper in combination with a plastic material, such as urea-formaldehyde resins, phenol-formaldehyde resins, melamine-formaldehyde resins, polystyrene, hard rubber, copolymers of. unsaturated substances such as copolymers of unsaturated alkyd resins with styrene or allylic esters, polymers of unsaturated substances, such as polyallic esters, etc. The cartridge can be molded; in this case, fillers can be used: cellulosic fibers, asbestos fibers, synthetic polyamide fibers, glass fibers, sawdust, etc.
If the cartridge is made in laminated layers, these can be made of paper-like materials and can include one or more of the types of fibers mentioned above.
As the device according to the invention can be discarded after use, it is preferable that it be made as economical as possible. Non-light weight materials are also very desirable for obvious reasons. It is, therefore, preferable that the device is constructed of a laminated material, comprising layers of paper, and made waterproof. For impermeability to water, any of the above mentioned materials can be used.
as suitable for coating metals subject to corrosion. In addition, metal foils can be included
in sheet materials, to improve the material's resistance to water
without significantly increasing the weight of the material.
Fig. 8 is a partial view, in vertical section, of a laminated material, comprising thin layers of paper, which has been found to be particularly suitable for use in the construction of any of the devices described.
The laminated material shown in FIG. 8 comprises an outer layer of paper 3, joined to two other layers of paper 5 by means of thin films of pitch 7 and then joined to a layer of pulpboard 9 by means of a thin layer of pitch 11. A thin layer Pitch 13 unites the pulpboard to a layer of paper 15 which has a metal foil 17. The metal foil has an inner coating of pitch 19. Such laminated material is preferably rolled up in a cylinder shape. by winding a strip of the material into a cylinder around a mandrel having the desired dimensions, all in accordance with the practice generally followed in the manufacture of paper containers.
The cartridges thus obtained can be of square, elliptical or cylindrical cross section. It is generally preferable to use the circular cross section because of the simplicity of manufacture among other reasons. Laminated materials other than those described above, such as laminated paper impregnated with paraffin, bittuninous and asphaltic substances or synthetic resins, can be used to form the wall of these cartridges, as indicated above.
It is important that the upper and lower perforated pieces are in each case kept at a certain distance from the upper and lower covers, respectively, to obtain a uniform flow.
through the device without formation of ca
nals. It is, therefore, preferable that the distance between the upper and lower covers and the adjacent perforated pieces is
at least 3 mm, more particularly,
this distance is advantageously understood
between 1/24 of the smallest transverse dimension of the device and t / 24 of the largest transverse dimension of the device. Of course, if the device has a circular section, these dimensions are the same.
Any material active with respect to cations can be used in one out of two compartments, alternatively, of this device. These cation active materials are to be used in the hydrogen activated state and they can therefore also be called hydrogen zeolites. Cation active materials in this form are said to work in the hydrogen cycle or to be deeritated to be hydrogen active when they perform ion exchange. hydrogen in the purification operation.
Examples of suitable ention active materials which can be used are phenol-polyhydric-aldehyde condensation products, tannin-catechic-formaldehyde condensation product, sulfonic acid-aromatic-formaldehyde condensation products, carbonaceous zeolites. , that is to say sulphated or sulphonated carbonaceous materials, such as coal, peat, lignite, etc., and insolubilized alphafuryl sulphonates.
The active substances can be activated with respect to cations before placing them in the beds, alternating between them, of the device, by treating them with dilute solutions of acids, for example with 0.1-10 hydrochloric acid , sulfuric acid, etc., and then washing the material with water to remove the free acid.
Any resin active with respect to anions can be used in compartments, alternating between them, of the device; among these resins, mention may be made, by way of example, of the condensation products of aldehyde and m-phenylene diamine, of biguanide, of guanylurea, substituted guanidines, such as methylguanidine, of substituted biguanidines, such as phenylbiguanide , polyamines, preferably polyethylene polyamines, etc. These condensation products are preferably the condensation products of formaldehyde, although condensation products of other aldehydes can, if desired, be used. Examples of other aldehydes which can be used are furfural, acrolein, benzaldehyde, etc.
Active resins, such as those prepared from guanidine, guanylurea, biguanide and other materials which do not form sufficiently insoluble condensation products with formaldehyde for most practical applications, are preferably insolubilized with materials. suitable reacting with formaldehyde, for example urea, thiourea, aminotriazines (especially melamine and guanamines which react with formaldehyde to form insoluble products), etc.
The resin active with respect to anions used in the first bed of active material with respect to anions, that is to say in compartment 8 of FIG. 2, is activated in the usual way by treatment with a dilute solution of an alkaline material, for example a 0.1-10% solution of sodium hydrate, sodium carbonate, corresponding potassium salts, etc. The active material with regard to the anions, buffered, contained in the upper compartment 4 of FIG. 2 or, e