EP1756010A1 - Procede de traitement d'eau pure - Google Patents

Procede de traitement d'eau pure

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EP1756010A1
EP1756010A1 EP05771232A EP05771232A EP1756010A1 EP 1756010 A1 EP1756010 A1 EP 1756010A1 EP 05771232 A EP05771232 A EP 05771232A EP 05771232 A EP05771232 A EP 05771232A EP 1756010 A1 EP1756010 A1 EP 1756010A1
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water
transducers
frequency
acoustic
tank
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EP05771232A
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Fabrice Bourgard
Philippe Lionel Bruneau
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Original Assignee
Golden Team
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    • C02F2103/02—Non-contaminated water, e.g. for industrial water supply
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    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F9/00—Multistage treatment of water, waste water or sewage

Definitions

  • Water is the most important chemical compound on the planet: 70% of the earth's surface corresponds to the seas and oceans.
  • the human body contains 65% of its weight in water and the Earth's atmosphere 0.001%.
  • blood contains 85% water, intestinal juice 99.3%, gastric juices 99.4% and saliva 99.5%, hence the importance of water in biological processes.
  • Compound essential to life on earth water is the solvent par excellence in industrial and biological chemistry. We note that if in industry the purity of water is essential, it is even more so in biology. Despite all the research, the water molecule remains strange and poorly understood. There are actually several kinds of water molecules which makes water a mixture of chemical compounds.
  • the predominant molecule is H 2 0 but because of the isotopy of hydrogen and oxygen there correspond 18 kinds of water molecules. More particularly, heavy water, D 2 O, a neutron retarder, is found in small quantities, while H 2 O is a neutron sensor. T 2 O, tritiated water, radioactive, is found in rainwater in very small quantities. With D 2 O the speed of biological reactions is lower and the physical constants are slightly different (the density of D 2 O is greater than 1). In the Periodic Table of Elements oxygen is element number 8 and is found on the second row in the sixth column. Each element of the family of the V th column corresponds to a hydrogenated compound:
  • the physical and chemical properties of the elements of the same column are close to or change regularly.
  • certain constants are unexpected: high values are found for the melting temperature, the boiling temperature, the latent heat of vaporization (Lv), the heat of fusion (Lf) and the specific heat (c), so that a maximum density at 4 ° C and a large dielectric constant ( ⁇ r ).
  • the origin of these anomalies comes from the existence of particular links between water molecules, in the solid, liquid and even gaseous state (there are 38 anomalies). More particularly melting point and boiling point are abnormal for water with respect to the family of hydrogenated compounds of the elements of the family of the V th column.
  • the plasma membrane is an important structure for maintaining the ionic and molecular concentrations of the cell and for its biochemical isolation from the outside or from other cells. These exchanges through the cell membrane show the importance of water.
  • the technical problem underlying the invention is the production of water with the smallest existing polymer form (dimer, trimer and pentamer) and the weakest mineralized. These criteria facilitate exchanges at the cell level and more particularly facilitate the passage of the plasma membrane by water polymers.
  • the solution provided by the present invention is to depolymerize water in the form of dimers, trimers, pentamers and this in the greatest proportion relative to the volume of water treated.
  • the invention provides a process for micro-clustering of water, the water being previously treated so as to be ultra pure, mainly characterized in that the ultra pure water is preferably first heated to be warm and the warm water is micro-clustered by ultrasonic cavitation obtained by means of an acoustic antenna comprising at least one transducer emitting at the frequency equal to or greater than the excitation frequency of the water molecules with a power sufficient acoustics to exceed the cavitation threshold taking into account the quantity of water treated.
  • FIG. 1 a complete process for purifying water
  • Figure 2 the diagram in longitudinal section of a transducer used
  • Figure 3 the diagram in side view of the treatment tank according to the invention
  • Figure 4 the side diagram turned at 90 ° to the treatment tank according to the invention.
  • the method comprises several processing stages represented in the form of a block diagram in FIG. 1.
  • filtration by filter less than 10 microns softening by elimination of calcium, magnesium and carbonate ions, dechlorination, microfiltration by filter less than 1 micron, reverse osmosis by semi-permeable membrane separating dissolved solids, organic matter, viruses and bacteria from the water, demineralization, - disinfection and removal of contaminants from the water by ultraviolet, microfiltration final.
  • the water thus obtained is sent to a tank 1 in order to undergo the two treatments there: - reheating to make it lukewarm, without departing from the scope of the invention, reheating can be carried out upstream, micro-clustering by ultrasonic cavitation , according to the method of the invention.
  • the heating of the water to a temperature between 40 and 60 ° C and preferably 55 ° C is obtained in known manner by means of electrical resistors 30 placed on the walls of the tank.
  • several piezoelectric transducers (2) are arranged at the bottom of the tank so as to insonify the entire volume of water which it contains with a uniform pressure field and at a frequency corresponding at least to the frequency excitation of water molecules to obtain the desired percentage of clusters (dimers, trimers, pentamers).
  • transducers of the Tonpilz type are used such as those used in underwater acoustics and shown in FIG. 2.
  • a horn 20 of a motor 21 formed of a stack polarized piezoelectric ceramics and a counter mass 22. Ceramics are provided with electrodes 200, 201, 202 so as to apply to them an alternating voltage V thus generating an alternating acoustic pressure wave.
  • the transducer behaves like a spring mass system of mass M and elasticity K, and the resonance is 1 j ⁇ obtained for a frequency equal to - - corresponding to the maximum 2 ⁇ VM of the power emitted.
  • the frequency of the alternating voltage applied to the transducer is therefore advantageously chosen to be equal to or close to the resonant frequency.
  • the size (diameter at the side) of the horn must be of the order of ⁇ / 2 where ⁇ is the wavelength in water corresponding to the frequency emitted, this so that the transducer has an elementary directionality almost hemispherical .
  • the set of transducers placed side by side thus forms a flat antenna 3.
  • the transducers are excited in parallel and placed regularly at a distance between ⁇ and 1.5 ⁇ , occupying most of tank bottom.
  • the number of transducers depends on the acoustic power delivered by each transducer and on the quantity of water treated, knowing that on average it takes about 10 watts acoustic per liter of water to exceed the cavitation threshold.
  • the frequency transmitted should be between approximately 15 kHz and 35 kHz.
  • a tank capable of treating 100 liters of water at a frequency of 25 kHz was produced with a transmitting antenna formed by 60 transducers each supplied with an electrical power of approximately 30 watts.
  • the antenna 3 is constituted by a rectangular parallelepiped of dimensions 600mmx360mmx100mm forming a box in which the transducers are positioned, the power supply 31 being made from one side.
  • the transducers are embedded in polyurethane 32 damping parasitic vibrations emitted by transducers outside the pavilion.
  • the water inlet and outlet is done by means of two valves

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Abstract

L'invention concerne un procédé de traitement d'eau pure. Il consiste, après avoir obtenue une eau ultra pure, à la traiter par cavitation dans une cuve équipée d'une antenne acoustique (3) comportant des transducteurs piézoélectriques de type Tonpilz qui émettent au moins à la fréquence d'excitation des molécules d'eau avec une puissance acoustique permettant de dépasser le seuil de cavitation compte tenu de la quantité d'eau à traiter.

Description

PROCEDE DE TRAITEMENT D'EAU PURE
L'eau est le composé chimique le plus important de la planète : 70% de la surface terrestre correspond aux mers et aux océans. Le corps humain contient 65% de son poids en eau et l'atmosphère terrestre 0,001 %. Dans le corps humain le sang contient 85% d'eau, le suc intestinal 99,3%, les sucs gastriques 99,4% et la salive 99,5%, d'où l'importance de l'eau dans les processus biologiques. Composé essentiel de la vie sur la terre, l'eau est le solvant par excellence en chimie industrielle et biologique. Nous notons que si, en industrie la pureté de l'eau est indispensable, elle l'est encore plus en biologie. Malgré toutes les recherches, la molécule d'eau demeure étrange et mal connue. Il existe en réalité plusieurs sortes de molécules d'eau ce qui fait de l'eau un mélange de composés chimiques. La molécule prépondérante est H20 mais à cause de l'isotopie de l'hydrogène et de l'oxygène il y correspond 18 sortes de molécules d'eau. Plus particulièrement on trouve en petites quantités l'eau lourde, D2O, ralentisseur de neutrons alors que H2O est capteur de neutrons. T2O, eau tritiée, radioactive, se retrouve dans l'eau de pluie en très petites quantités. Avec D2O la vitesse des réactions biologiques est moindre et les constantes physiques sont légèrement différentes (la masse volumique de D2O est supérieure à 1). Dans la classification périodique des éléments l'oxygène est l'élément numéro 8 et se trouve sur la deuxième ligne vilème colonne. A chaque élément de la famille de la Vl'ème colonne correspond un composé hydrogéné :
En général, les propriétés physiques et chimiques des éléments d'une même colonne sont voisines ou évoluent régulièrement. Pour l'eau certaines constantes sont inattendues : on trouve des valeurs élevées pour la température de fusion, la température d'ébullition, la chaleur latente de vaporisation (Lv), la chaleur de fusion (Lf) et la chaleur massique (c), ainsi qu'un maximum de densité à 4°C et une grande constante diélectrique (εr). L'origine de ces anomalies provient de l'existence de liaisons particulières entre les molécules d'eau, à l'état solide, liquide et même gazeux (on dénombre 38 anomalies). Plus particulièrement point de fusion et point d'ébullition sont anormaux pour l'eau par rapport à la famille des composés hydrogénés des éléments de la famille de la Vl'eme colonne.
De même pour les autres liquides la densité diminue de façon linéaire quand la température augmente, ce n'est vrai pour l'eau qu'à haute température. On observe un maximum de densité à 4°C sous une atmosphère, là encore à cause de sa structure particulière. D'après le Docteur Lorenzen, Spécialiste en biologie, l'eau contenue dans les boissons sucrées, la bière, etc ...est peu ou pas utilisée par la cellule et repart directement par les reins. En fonction du milieu intra ou extra cellulaire l'eau adopte des configurations différentes. Chaque sorte de cellule utilise quatre sortes de configurations principales de l'eau pour son fonctionnement. Les molécules d'eau associées en grappes ou micro-clusters, permettent l'information entre les cellules : les protéines du système d'information sont entourées de neuf anneaux constitués de micro clusters. Donc, l'information ne peut bien circuler que si l'eau à une structure bien particulière : cette structure est modifiée par la température et les solutés qu'elle contient. Il semblerait que le trimère (H2O)3 eût une participation prépondérante dans le métabolisme de la cellule. L'eau permet à la fois l'assimilation au cours du métabolisme de la cellule et le transport des déchets, d'où la nécessité d'une eau pure très peu minéralisée pour ne pas surcharger le milieu électrolytique de la cellule et modifier la pression osmotique dans celle-ci. Dans le sérum sanguin on trouve 80g de protéines par litre et la viscosité est multipliée par deux alors que la présence de NaCI à 9/1000 dans le sérum physiologique ne modifie pas cette viscosité. De même, l'augmentation du nombre d'hématies dans le sang augmente la viscosité de celui-ci. Il semble donc nécessaire que l'eau d'alimentation fût la moins minéralisée possible de façon à ce qu'elle puisse jouer complètement son rôle de liquide lié dans les échanges avec la cellule. L'intérêt d'une eau peu minéralisée est que celle-ci est beaucoup mieux assimilable par la cellule et évite la surcharge de travail des reins pour l'élimination des minéraux. En effet, les végétaux pré assimilent les oligo-éléments que l'organisme n'est pas capable d'assimiler directement (l'homme et les animaux sont hétérotrophes* et les végétaux sont autotrophes*). Le Professeur Schroder, autorité mondiale sur le sujet de l'eau, conteste la recommandation des eaux minéralisées pour l'alimentation. D'autre part, alors que l'eau parfaitement pure à un pH de 7 à 25°C et que celle-ci est très sensible aux agressions acides ou basiques extérieures, les eaux minérales qui contiennent des ions hydrogénocarbonates sont moins sensibles, par effet tampon. La présence des ions calcium (Ca2+) et magnésium (Mg2+), confère à l'eau une certaine dureté caractérisée par son titre hydrotimétrique (TH). La législation impose pour les eaux de boissons un titre tel que : 15 < TH > 25 alors qu'une eau parfaitement assimilable doit avoir un titre TH. De même source, utiliser des adoucisseurs n'est pas conseillé : en effet remplacer les ions calcium et magnésium par l'ion sodium n'est pas un bénéfice pour la santé. Les eaux qui contiennent de la silice et qui sont par ailleurs déminéralisées peuvent avoir un pH légèrement acide. L'eau et les échanges extra et intra cellulaires : Pour que la vie cellulaire se maintienne, des substances nombreuses et variées doivent continuellement traverser la membrane plasmique. Les sucres, les acides aminés et les autres éléments nutritifs doivent pénétrer dans la cellule afin de satisfaire ses besoins en énergie et soutenir sa croissance; les déchets et autres produits de dégradation doivent en sortir, sous peine d'être toxiques pour la cellule. Des ions doivent être transportés dans les deux sens, afin de maintenir la composition ionique du milieu intracellulaire, qui est très différente du milieu environnant: il est beaucoup plus riche en ions potassium et moins riche en ions sodium. Ces inégalités entraînent des fuites (dues aux principes d'osmose) qui doivent être compensées par un transport, en direction inverse, contre le gradient de concentration. Tout cela entraîne un trafic bidirectionnel intense au travers de la membrane plasmique (double couche phospholipidique continue) mettant en jeu des phénomènes de diffusion (simple ou facilitée) et transport actif. Seule l'eau est capable de permettre ces transports. Ces notions montrent que la membrane plasmique est une structure importante pour le maintien des concentrations ioniques et moléculaires de la cellule et pour son isolement biochimique vis-à-vis de l'extérieur ou des autres cellules. Ces échanges au travers de la membrane cellulaire montrent l'importance de l'eau. Le problème technique à la base de l'invention est la réalisation d'une eau avec une forme polymérique la plus petite existante (dimère, trimère et pentamère) et le plus faiblement minéralisée. Ces critères permettent de faciliter les échanges au niveau de la cellule et plus particulièrement faciliter le passage de la membrane plasmique par des polymères d'eau. La solution apportée par la présente invention est de dépolymériser l'eau sous forme de dimères, trimères, pentamères et ce dans la plus grande proportion par rapport au volume d'eau traitée. On connaît des procédés de potabilisation ou d'assainissement de l'eau utilisant la cavitation ultrasonore pour produire une agitation et un brassage conduisant, en présence de réactifs chimiques oxydants, à la stérilisation de l'eau par action bactéricide. On connaît également la production de liquides "micro- clustérisés", et notamment d'eau oxygénée "micro-clustérisée", au moyen d'un procédé utilisant la cavitation. Un tel procédé est notamment décrit dans le brevet US 6 521 248 publié le 18 février 2003. Ce brevet décrit un procédé dans lequel la cavitation est obtenue par pressurisation, par écoulement tourbillonnaire, créant des bulles, puis par dépressurisation rapide, faisant imploser ou exploser les bulles dont les ondes de chocs, ainsi générées, permettent de casser les chaînes polymériques. Ce processus est répété jusqu'à ce que l'eau atteigne une température de l'ordre de 60° Celsius. La pressurisation est obtenue au moyen de pompes, et de cycles de pression doivent être répétés pour réchauffer l'eau : ces deux aspects rendent manifestement le procédé peu apte à obtenir des débits importants. Pour pallier cet inconvénient, l'invention propose un procédé de micro-clustérisation de l'eau, l'eau étant préalablement traitée de façon à être ultra pure, principalement caractérisé en ce que l'eau ultra pure est de préférence d'abord chauffée pour être tiédie et que l'eau tiédie est micro- clustérisée par cavitation ultrasonore obtenue au moyen d'une antenne acoustique comportant au moins un transducteur émettant à la fréquence égale ou supérieure à la fréquence d'excitation des molécules d'eau avec une puissance acoustique suffisante pour dépasser le seuil de cavitation compte tenu de la quantité d'eau traitée. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront clairement dans la description qui suit, faite à titre d'exemple non limitatif en regard des figures annexées qui représentent : la figure 1 , un procédé complet de purification de l'eau ; la figure 2, le schéma en coupe longitudinale d'un transducteur utilisé ; la figure 3, le schéma en vue de côté de la cuve de traitement selon l'invention ; la figure 4, le schéma de côté tourné à 90° de la cuve de traitement selon l'invention. Avant l'étape de micro-clustérisation proprement dite, objet de l'invention, le procédé, selon une réalisation préférée, comporte plusieurs étapes de traitement représentées sous forme d'un bloc diagramme sur la figure 1. De manière connue, on procède aux étapes suivantes : filtration par filtre inférieur à 10 microns, adoucissement par élimination des ions calcium, magnésium et carbonates, déchloration, microfiltration par filtre inférieur à 1 micron, osmose inverse par membrane semi-perméable séparant les solides dissous, la matière organique, les virus et les bactéries de l'eau, déminéralisation, - désinfection et élimination des contaminants de l'eau par ultraviolet, microfiltration définitive. L'eau ainsi obtenue est envoyée dans une cuve 1 afin d'y subir les deux traitements : - réchauffage pour la rendre tiède, sans sortir du cadre de l'invention, le réchauffage peut être effectué en amont, micro-clustérisation par cavitation ultrasonore, selon le procédé de l'invention. En se rapportant aux figures 3 et 4, le réchauffage de l'eau à une température comprise entre 40 et 60°C et de préférence 55°C est obtenu de manière connue au moyen de résistances électriques 30 placées sur les parois de la cuve. Bien entendu, selon l'invention, plusieurs transducteurs piézoélectriques (2) sont disposés en fond de cuve de manière à insonifier tout le volume d'eau qu'elle contient avec un champ de pression uniforme et à une fréquence correspondante au moins à la fréquence d'excitation des molécules d'eau permettant d'obtenir le pourcentage voulu de clusters (dimères, trimères, pentamères). Pour cela, selon une réalisation préférée, on utilise des transducteurs de type Tonpilz tels que ceux utilisés en acoustique sous- marine et représenté figure 2. Brièvement, ils sont constitués d'un pavillon 20, d'un moteur 21 formé d'un empilement de céramiques piézoélectriques polarisées et d'une contre masse 22. Les céramiques sont munies d'électrodes 200, 201 , 202 de manière à leur appliquer une tension V alternative générant ainsi une onde de pression acoustique alternative. Le transducteur se comporte comme un système masse ressort de masse M et d'élasticité K, et la résonance est 1 j τζ obtenue pour une fréquence égale à — — correspondant au maximum 2π V M de la puissance émise. La fréquence de la tension alternative appliquée au transducteur est donc choisie avantageusement égale ou proche de la fréquence résonance. La taille (diamètre au côté) du pavillon doit être de l'ordre de λ/2 où λ est la longueur d'onde dans l'eau correspondant à la fréquence émise, ceci pour que le transducteur ait une directivité élémentaire à peu près hémisphérique. L'ensemble des transducteurs mis côte à côte forme ainsi une antenne plane 3. Pour obtenir un champs de pression uniforme, les transducteurs sont excités en parallèle et placés régulièrement à une distance comprise entre λ et 1 ,5 λ en occupant la majeure partie de fond de cuve. Le nombre de transducteurs dépend de la puissance acoustique délivrée par chaque transducteur et de la quantité d'eau traitée sachant qu'en moyenne il faut environ 10 watts acoustique par litre d'eau pour dépasser le seuil de cavitation. Exemple de réalisation L'expérience a montré que pour obtenir le pourcentage voulu de micro-clusters, la fréquence émise devrait être comprise entre 15 kHz et 35 kHz environ. On a réalisé une cuve pouvant traiter 100 litres d'eau à une fréquence de 25 kHz avec une antenne d'émission formée de 60 transducteurs alimentés chacun avec une puissance électrique de 30 watts environ. L'antenne 3 est constituée par un parallélépipède rectangle de dimensions 600mmx360mmx100mm formant une boîte dans laquelle sont positionnés les transducteurs, l'alimentation électrique 31 étant faite par un côté. Les transducteurs sont noyés dans du polyuréthane 32 amortissant les vibrations parasites émises par les transducteurs hors pavillon. L'entrée et la sortie de l'eau est faite au moyen de deux vannes
33, 34 situées vers le bas de la cuve. Elle comporte un couvercle pivotant 35 pour pouvoir y accéder. L'eau micro-clustérisée est ensuite saturée en oxygène pur en sortie de cuve pour éviter sa contamination par d'autres gaz (figure 1).

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de traitement d'eau pure, c'est-à-dire d'eau préalablement traitée de façon à supprimer notamment les composés minéraux ainsi que les particules en suspension, suivant une technique connue, caractérisé en ce qu'il consiste à soumettre l'eau purifiée à une cavitation ultra-sonore, obtenue au moyen d'une antenne acoustique (3) comportant au moins un transducteur (2) émettant à une fréquence égale ou supérieure à la fréquence d'excitation des molécules d'eau, avec une puissance acoustique suffisante pour dépasser le seuil de cavitation, compte tenu de la quantité d'eau traitée.
2. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que préalablement au traitement de cavitation ultra-sonore, il consiste à chauffer l'eau à une température comprise entre 40 et 60°C et de préférence 55°C
3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la fréquence d'excitation est comprise entre 15 et 35 KHz et est de préférence de 25 KHz.
4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la puissance fournie pour réaliser la cavitation ultra-sonore est de l'ordre de 10 watts acoustique par litre d'eau.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les transducteurs (2) sont des transducteurs piézoélectriques de type Tonpilz.
6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'antenne acoustique (3) est plane et que les transducteurs (2) sont positionnés régulièrement, la distance entre les transducteurs étant comprise entre λ et 1 ,5 λ, λ étant la longueur d'onde correspondant à la fréquence émise.
7. Procédé selon l'une des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que la taille (diamètre de côté) du pavillon est de l'ordre de (λ / 2).
8. Procédé selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que les transducteurs (2) sont noyés dans un polyuréthane.
9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le traitement de l'eau est réalisé à l'intérieur d'une cuve, et que l'antenne (3) est placée au fond de la cuve.
10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les transducteurs sont alimentés électriquement en parallèle.
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