FR2502510A1

FR2502510A1 - Ion exchange appts. - employing synthetic polymeric resins grafted to cellulosic substrates

Info

Publication number: FR2502510A1
Application number: FR8106577A
Authority: FR
Inventors: Guy Villette
Original assignee: SIEBEC FILTRES
Current assignee: SIEBEC FILTRES
Priority date: 1981-03-27
Filing date: 1981-03-27
Publication date: 1982-10-01
Also published as: FR2502510B1

Abstract

Substrate materials of hydrophilic celluloses in the form of e.g. paper are given special properties by a grafting process in which a monomer material is polymerised direct on to the cellulose macromolecules. The resulting has ion exchange properties considerably superior to those of conventional ion exchange resins. By assembling a cylindrical cartridge of multiple sheets of the cellulose material an ion exchange apparatus is assembled. The superior ion exchange properties of the grafted material permit a higher capacity per unit vol. of treating appts. than with conventional resins.

Description

DISPOSITIF DE TRAITEMENT A CELLULOSES GREFFEES ECHANGEUSES
D'IONS.DEVICE FOR TREATING EXCHANGED GRAFT CELLS
OF IONS.

L'invention est relative à un dispositif de traitement d'échange d'ions comprenant un empilage de plaques de cellulose greffée échangeuse d'ions, disposées transversalement sur le parcours de circulation du liquide à traiter, ledit empilage étant intercalé entre deux enceintes respec tivement d'amenée et d'évacuation du liquide.The invention relates to an ion exchange treatment device comprising a stack of grafted ion exchange cellulose plates, arranged transversely on the circulation path of the liquid to be treated, said stack being interposed between two enclosures respectively. liquid supply and evacuation.

Les matériaux greffés sont des supports polymères sur lesquels sont fixées par greffage des chaines latérales appelées greffons qui contribuent à donner au produit fini des propriétés nouvelles. Une fonction échangeuse d'ions peut par exemple être obtenue par polymérisation sur une channe macromoléculaire cellulosique d'un monomère ionique par unf technique de greffage sans aucune réticulation, à la différence des résines classiques à matrice réticulée. Le substrat de cellulose hydrophile peut être d'une présentation quelconque, tels que papiers, cartons, fibres, fils, tissus
Les médias greffés présentent l'avantage d'une cinétique d'échanges d'ions de 30 à 200 fois plus rapides que les résines traditionnelles permettant de ce fait des débits élevés de traitement dans des dispositifs ou appareillages compacts.The grafted materials are polymeric supports on which are fixed by grafting side chains called grafts which help to give the finished product new properties. An ion exchange function can for example be obtained by polymerization on a cellulosic macromolecular chain of an ionic monomer by a grafting technique without any crosslinking, unlike conventional resins with crosslinked matrix. The hydrophilic cellulose substrate can be of any presentation, such as paper, cardboard, fibers, threads, fabrics
The grafted media have the advantage of kinetics of ion exchanges from 30 to 200 times faster than traditional resins thus allowing high rates of treatment in compact devices or apparatus.

Les appareils existants ne tirent pas entièrement profit des propriétés remarquables des celluloses greffées échangeuses d'ions et comportent notamment des volumes morts.Existing devices do not take full advantage of the remarkable properties of grafted ion exchange celluloses and in particular include dead volumes.

La présente invention part de la constatation que l'échange d'ions ne produit aucune modification de structure du matériau et qu'une utilisation maximale des capacités nécessite une répartition uniforme du liquide à traiter.The present invention starts from the observation that the ion exchange produces no modification of the structure of the material and that maximum use of the capacities requires a uniform distribution of the liquid to be treated.

Le dispositif de traitement selon l'invention est caractérisé en ce que dans l'empilage desdites plaques échangeuses d'ions sont intercalés alternativement des éléments répartiteurs et des éléments collecteurs de même structure, les éléments répartiteurs communiquant par leur bord avec l'en- ceinte d'amenée de liquide, tandis que les éléments collecteurs communiquent par leur bord avec l'enceinte d'évacuation de façon que la perte de charge soit pratiquement indépendante du parcours emprunté par ledit liquide pour passer de l'enceinte d'amenée à l'enceinte d'évacuation et à éviter tout volume mort.The treatment device according to the invention is characterized in that in the stacking of said ion exchange plates are alternately interposed distributing elements and collecting elements of the same structure, the distributing elements communicating by their edge with the enclosure. of liquid supply, while the collecting elements communicate by their edge with the discharge enclosure so that the pressure drop is practically independent of the path taken by said liquid to pass from the supply enclosure to the evacuation enclosure and to avoid any dead volume.

Les éléments répartiteurs permettent une pénétration du liquide à l'intérieur de l'empilage, tandis que les éléments collecteurs collectent le liquide ayant traversé la couche de celluloses greffées intercalée entre deux éléments successifs. La perte de charge de 1' écoulement résulte d'une part du passage transversal précité et d'autre part du parcours dans l'élément répartiteur et dans l'élément collecteur, et il ressortira de l'expose qui va suivre que grâce à l'identité de structure de ces éléments cette perte de charge est indépendante du parcours. Cette répartition uniforme évite tout volume mort et est conservée dans le temps.The distributing elements allow penetration of the liquid inside the stack, while the collecting elements collect the liquid having passed through the layer of grafted celluloses interposed between two successive elements. The pressure drop of the flow results on the one hand from the aforementioned transverse passage and on the other hand from the path in the distributor element and in the collecting element, and it will emerge from the description which follows that thanks to the 'identity of structure of these elements this pressure drop is independent of the course. This uniform distribution avoids any dead volume and is preserved over time.

L'épaisseur des éléments répartiteur et collecteur peut être très faible, par exemple voisine de 1 mm, tandis que l'espace entre deux éléments successifs, rempli de cellulose greffée, est supérieur à 5 mm. Ces éléments sont, selon l'un des modes de mise en oeuvre de l'invention, en forme de grilles, par exemple tissées, intercalées dans un empilage cylindrique pour des raisons de symétrie. Le matériau cellulosique est dans ce cas en forme de disques annulaires empilés confinant un conduit axial. L'empilage, qui peut constituer une cartouche interchangeable, est logé dans une enveloppe confinant avec le pourtour externe de l'empilage une enceinte d'amenée ou d'évacuation du liquide a' traiter, le conduit axial constituant l'enceinte conjuguée d'évacuation ou d'amenée.Les grilles annulaires affleurent, les unes le pourtour externe de l'empilage pour communiquer avec l'enceinte externe, tandis que les autres affleurent le pourtour interne pour communiquer avec l'en ceinte interne. Tout pontage entre les deux enceintes par les grilles est évité, soit par une zone périphérique pleine séparant la grille de l'enceinte correspondante, soit par suppression de la grille dans cette zone et remplissage par le matériau cellulosique des disques adjacents.The thickness of the distributor and collector elements can be very small, for example close to 1 mm, while the space between two successive elements, filled with grafted cellulose, is greater than 5 mm. These elements are, according to one of the embodiments of the invention, in the form of grids, for example woven, inserted in a cylindrical stack for reasons of symmetry. The cellulosic material is in this case in the form of stacked annular discs confining an axial duct. The stack, which can constitute an interchangeable cartridge, is housed in an envelope confining with the outer periphery of the stack a supply or discharge enclosure for the liquid to be treated, the axial duct constituting the combined enclosure of The annular grids are flush with the outer periphery of the stack to communicate with the external enclosure, while the others are flush with the internal periphery to communicate with the internal enclosure. Any bridging between the two enclosures by the grids is avoided, either by a solid peripheral zone separating the grid from the corresponding enclosure, or by removing the grid in this zone and filling with the cellulosic material of the adjacent discs.

Ce remplissaqe est favorisé par le gonflage des celluloses. Les qrilles sont en un matériau passif, par exemple en matière plastique.This filling is favored by the inflation of celluloses. The qrilles are made of a passive material, for example plastic.

Selon un autre mode de réalisation, les disques répartiteurs et collecteurs sont en matière moulée présentant sur leurs faces un réseau de rainures ou de canaux radiaux et circulaires. Les rainures radiales des disques répartiteurs débouchent dans l'enceinte d'amenée du liquide et sont séparées de l'enceinte d'évacuation par une partie obturatrice pleine, tandis que les rainures des disques collecteurs débouchent dans l'enceinte d'évacuation et sont isolées de l'enceinte amenée. According to another embodiment, the distributor and collector discs are made of molded material having on their faces a network of grooves or radial and circular channels. The radial grooves of the distributor discs open into the liquid supply enclosure and are separated from the evacuation enclosure by a solid obturator part, while the grooves of the collecting discs open into the evacuation enclosure and are isolated of the enclosure brought.

D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de différents modes de mise en oeuvre de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels la figure 1 est une vue schématique en coupe axiale d'un dispositif selon l'invention; la figure 2 est une vue partielle, à échelle agrandie, de la fig. 1; la figure 3 est une vue analogue à celle de la fig. 2, illustrant une variante de réalisation; la figure 4 est une coupe partielle selon la ligne IV-IV de la fig. 3; la figure 5 est une coupe partielle selon la ligne V-V de de la fig. 3. Other advantages and characteristics will emerge more clearly from the description which follows of different embodiments of the invention, given by way of nonlimiting examples and represented in the appended drawings, in which FIG. 1 is a schematic view in axial section of a device according to the invention; Figure 2 is a partial view, on an enlarged scale, of FIG. 1; Figure 3 is a view similar to that of FIG. 2, illustrating an alternative embodiment; Figure 4 is a partial section along the line IV-IV of FIG. 3; Figure 5 is a partial section along the line V-V of FIG. 3.

Sur la fig. 1, une enveloppe cylindrique 10 est obturée à sa base par un fond tronconique 12 et au sommet par un couvercle amovible 14. Le fond 12 est traversé axialement d'une manière étanche par une tubulure 16 pénétrant partiellement à l'intérieur de l'enveloppe 10. Par la suite, la tubulure 16 sera considérée comme étant un conduit d'évacuation du liquide à traiter, un orifice 18 se raccordant à une conduite 20 étant le conduit d'amenée du liquide, mais il est clair que la disposition inverse est possible. Sur ltextrémité en forme.de bride 22 de la tubulure 16 est appliquée la plaque inférieure 23 d'un empilage 24, avantageusement en forme de cartouche amovible, comprimé par un ressort de compression 26 intercalé entre le couvercle 14 et la plaque supérieure 28 de l'empilage 24.La plaque inférieure 23 présente en regard de la tubulure 16 un orifice 30 faisant communiquer la tubulure 16 avec un canal axial ou enceinte d'évacuation 32 de l'empilage 24, obturé à son extrémité supérieure par la plaque supérieure -28. Entre les plaques 23 et 28 sont empilés des disques annulaires 34 en celluloses greffées échangeuses d'ions avec interposition périodique et alternée de disques annulaires répartiteurs 36 et de disques annulaires collecteurs 38.In fig. 1, a cylindrical casing 10 is closed at its base by a frustoconical bottom 12 and at the top by a removable cover 14. The bottom 12 is crossed axially in a leaktight manner by a tube 16 partially penetrating inside the casing 10. Subsequently, the tubing 16 will be considered as a conduit for discharging the liquid to be treated, an orifice 18 connecting to a conduit 20 being the conduit for supplying the liquid, but it is clear that the reverse arrangement is possible. On the flange-shaped end 22 of the tube 16 is applied the lower plate 23 of a stack 24, advantageously in the form of a removable cartridge, compressed by a compression spring 26 interposed between the cover 14 and the upper plate 28 of the stack 24. The lower plate 23 has, opposite the tubing 16, an orifice 30 communicating the tubing 16 with an axial channel or evacuation chamber 32 of the stack 24, closed at its upper end by the upper plate -28 . Between the plates 23 and 28 are stacked annular discs 34 in ion exchange grafted celluloses with periodic and alternating interposition of annular distributing discs 36 and annular collecting discs 38.

Le diamètre externe des disques répartiteurs 36 est égal au diamètre externe des disques 34 en celluloses, tandis que le diamètre intérieur des disques 36 est légèrement supérieur à celui des disques 34 de façon que les disques répartiteurs 36 affleurent le pourtour externe de la cartouche 24 en communiquant avec l'enceinte 42 d'amenée de liquide confiné par l'enveloppe 10, mais sans communiquer avec le canal axial 32. Ce canal axial 32 peut être gainé par un tube perforé 40. A l'inverse, les disques collecteurs 38 communiquent avec le canal 32, mais ont un diamètre externe inférieur à celui de la cartouche 24.The external diameter of the distributor discs 36 is equal to the external diameter of the cellulose discs 34, while the internal diameter of the discs 36 is slightly greater than that of the discs 34 so that the distributor discs 36 are flush with the outer periphery of the cartridge 24 in communicating with the enclosure 42 for supplying liquid confined by the envelope 10, but without communicating with the axial channel 32. This axial channel 32 can be sheathed by a perforated tube 40. Conversely, the collecting discs 38 communicate with the channel 32, but have an external diameter smaller than that of the cartridge 24.

En se référant plus particulièrement à la fig. 2, on voit que les disques 36, 38 sont constitués par des grilles en fils tissés ménageant des interstices de circulation du liquide à traiter entre les couches des disques 34 de cellulose greffée. Les grilles 36, 38 ne s'étendent, de la manière décrite ci-dessus, que sur une partie de la surface des disques 34, le bord périphérique adjacent étant, soit rempli par un anneau plein 44 de la manière représentée à la partie supérieure de la fig. 2, soit par les parties déformées 46, 48 des disques 34 adjacents. Le liquide dans l'enceinte d'amenée 42 peut pénétrer à l'intérieur de l'empilage 24 par les interstices ménagés par les grilles répartitrices 36. Le liquide traverse les disques 34 de cellulose greffée avec échange d'ions pour rejoindre les grilles collectrices 38 permettant une évacuation par le canal 32.Le parcours à travers les disques 34 correspond sensiblement à l'écartement entre deux grilles successives 36, 38, tandis que le parcours le long des grilles 36, 38 correspond à la distance entre l'enceinte 42 et le canal 32. Les grilles 36, 38 sont de même structure et la perte de charge est ainsi indépendante du trajet, voisin ou écarté de l'axe, emprunté par le liquide. La perte de charge constante évite tout volume mort et permet un fonctionnement optimal du dispositif.With particular reference to FIG. 2, it can be seen that the discs 36, 38 are constituted by grids of woven threads providing interstices for circulation of the liquid to be treated between the layers of the discs 34 of grafted cellulose. The grids 36, 38 extend, as described above, only over part of the surface of the discs 34, the adjacent peripheral edge being either filled by a solid ring 44 in the manner shown at the top. of fig. 2, or by the deformed parts 46, 48 of the adjacent discs 34. The liquid in the supply enclosure 42 can penetrate inside the stack 24 through the interstices formed by the distributing grids 36. The liquid passes through the disks 34 of grafted cellulose with ion exchange to reach the collecting grids 38 allowing evacuation through the channel 32. The route through the discs 34 corresponds substantially to the spacing between two successive grids 36, 38, while the route along the grids 36, 38 corresponds to the distance between the enclosure 42 and the channel 32. The grids 36, 38 are of the same structure and the pressure drop is thus independent of the path, close to or spaced from the axis, taken by the liquid. The constant pressure drop prevents any dead volume and allows optimal operation of the device.

L'empilage 23, 24, 28 peut être solidarisé par un moyen quelconque pour former un ensemble ou cartouche facilement amovible et remplaçable. L'épaisseur des grilles 36, 38 peut être voisine d'un millimètre et il est clair que ces grilles peuvent être réalisées d'une manière quelconque et en tout matériau approprié.The stack 23, 24, 28 can be secured by any means to form an easily removable and replaceable assembly or cartridge. The thickness of the grids 36, 38 can be close to a millimeter and it is clear that these grids can be made in any way and in any suitable material.

Les fig. 3 à 5 illustrent une variante de réalisation faisant usage d'éléments répartiteurs 36' et collecteurs 38' en forme de disques annulaires monobloc rainurés. Sur les figures, les dimensions des rainures sont exagérées pour des raisons de représentation. Les deux faces des disques collecteurs 38' présentent des rainures radiales 50 débouchant dans le canal 32 et obturées par une partie pleine 52 du côté de l'enceinte 42. A ces rainures radiales 50 se raccordent des rainures circulaires 54 permettant une évacuation uniforme du liquide. Les disques répartiteurs 36' comportent de la même manière des rainures radiales 56, une partie obturatrice centrale 58 et des rainures circulaires 60. Les disques 36', 38' peuvent être en matière plastique moulée d'une épaisseur comparable à celle des grilles 36, 38. Le fonctionnement est bien entendu identique, la perte de charge étant toujours indépendante du trajet suivi par le liquide. Cette perte de charge peut être adaptée en choisissant une épaisseur appropriée des couches 34 de cellulose greffée ent-re deux éléments intercalaires 36, 38 successifs. L'appareil est compact et permet un traitement a' débit élevé, la régénération étant également très rapide.Figs. 3 to 5 illustrate an alternative embodiment making use of distributing elements 36 'and manifolds 38' in the form of annular grooved monobloc discs. In the figures, the dimensions of the grooves are exaggerated for reasons of representation. The two faces of the collecting discs 38 ′ have radial grooves 50 opening into the channel 32 and closed off by a solid part 52 on the side of the enclosure 42. These radial grooves 50 are connected with circular grooves 54 allowing uniform evacuation of the liquid . The distributor discs 36 'likewise have radial grooves 56, a central obturating part 58 and circular grooves 60. The discs 36', 38 'can be of molded plastic material of a thickness comparable to that of the grids 36, 38. The operation is of course identical, the pressure drop being always independent of the path followed by the liquid. This pressure drop can be adapted by choosing an appropriate thickness of the layers 34 of grafted cellulose between two successive intermediate elements 36, 38. The device is compact and allows treatment at high flow rate, regeneration also being very rapid.

L'appareil est avantageusement cylindrique et vertical, mais il est clair que d'autres formes ou dispositions sont concevables.The device is advantageously cylindrical and vertical, but it is clear that other shapes or arrangements are conceivable.

L'invention n'est bien entendu nullement limitée aux modes de mise en oeuvre plus particulièrement décrits. The invention is of course in no way limited to the modes of implementation more particularly described.

Claims

1. An ion exchange treatment device comprising a stack (24) of plates (34) of grafted cellulose, arranged transversely on the circulation path of the liquid to be treated, said stack (24) being interposed between two enclosures respectively of '' supply (42) and discharge (32) of the liquid, characterized in that in the stack (24) of said ion exchange plates (34) are alternately interposed distributing elements (36) and collecting elements (38 ) of the same structure, the distributing elements (36) communicating by their edge with the liquid supply enclosure (42), while the collecting elements (38) communicate by their edge with the discharge enclosure (32) so that the pressure drop is practically independent of the path taken by said liquid to pass from the supply enclosure (42) to the evacuation enclosure (32) and to avoid any dead volume.

2. Device according to claim 1, characterized in that it comprises plates (34) of grafted cellulose ion exchange and distributing elements (36) and collectors (38) of annular shape, said enclosures (42, 32) arranged coaxially confining respectively the outer periphery and the inner periphery of the stack (24).

3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that the thickness of a distributor (36) or collector (38) element is less than a quarter of the thickness of the plates (34) interposed between two of said successive elements ( 36, 38).

4. Device according to claim 1, 2 or 3, characterized in that said distributing elements (36) and collectors (38) have a grid structure, the distributing grids (36) communicating by their periphery with the supply enclosure. (42) of the liquid and the collecting grids (38) with the discharge enclosure (32).

5. Device according to claim 3 or 4, characterized in that the distributing grids (36) are closed on their periphery adjacent to the discharge enclosure (32) by a sealing part (46), the collecting grids (38) being closed by a shutter part (44, 48) on the opposite periphery, adjacent to the supply enclosure (42).

6. Device according to claim 4 or 5, characterized in that said grids (36, 38) are made of a woven material.

7. Device according to claim 1, 2 or 3, characterized in that said distributing elements (36) and collectors (38) are a molded part of small thickness having on its faces a conjugate network of grooves (50, 54; 56, 60) ensuring a distribution and an equal pressure drop collection of the liquid on the ion exchange plates (34).

8. Device according to claim 7, characterized in that said network comprises radial grooves (50, 56) to which circular grooves are connected (54,60).

9. Cartridge for a device according to any one of the preceding claims, characterized in that it is constituted by a cylindrical block (24) with axial channel (32), formed by the successive stacking of a distributor element ( 36), a layer of plates (34) of grafted cellulose, a collecting element (38), a layer of plates (34) of grafted cellulose and so on.