FR2644155A1 - Apparatus for the electrolytic sterilisation of water - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention concerne un appareil de traitement des eauc fonctionnant par électrolyse d'une solution saline a stéri i i ser. The present invention relates to a water treatment apparatus operating by electrolysis of a sterile saline solution.
Il est connu que par électrolyse d'une solution de sel di luée, on produit anodiquement des composés oxygénés du chlore, ioniques ou moléculaires, ainsi que de l'oxygène actif et présumément de l'ozone. Le traitement ainsi obtenu, cumulant les avantages de ces diverses espèces chimiques, s avère des plus efficaces. En revanche, l'activité o > :ydante de ces espèces, renforcée par la présence de chlorures, est responsable de phénomènes de corrosion observés sur les éléments métalliques de 1 'installa- tion, en particulier des rechauffeurs. It is known that by electrolysis of a dilute salt solution, chlorine, ionic or molecular oxygen compounds, as well as active oxygen and presumably ozone, are anodically produced. The treatment thus obtained, combining the advantages of these various chemical species, proves to be most effective. On the other hand, the active activity of these species, reinforced by the presence of chlorides, is responsible for corrosion phenomena observed on the metal elements of the plant, in particular the heaters.
Depuis l'apparition d'une nouvelle génération d'anodes pratiquement inconsommables, on a proposé des appareils tels que par exemple ceus décrits dans les brevets FR 233242 et FR 2370800. Since the appearance of a new generation of practically incommensable anodes, devices such as for example those described in patents FR 233242 and FR 2370800 have been proposed.
Leur coat insuffisament compétitif par rapport à celui des desinfectants chimiques, ainsi que les problèmes de corrosion précités, sont à l'origine de la faible diffusion de ces appareil.Their insufficiently competitive cost compared to that of chemical disinfectants, as well as the aforementioned corrosion problems, are at the origin of the low diffusion of these apparatus.
L'objet de la présente invention est de décrire un mode de réalisation d'un tel appareil particulièrement simple et éco- nomique, et apportant une solution efficace aux problèmes de corrosion. The object of the present invention is to describe an embodiment of such a particularly simple and economical apparatus, and providing an effective solution to corrosion problems.
L'appareil comporte deux parties principales
- Une alimentation électrique en courant continu basse tension, principalement composée d'un transformateur de sécurité abaisseur de tension 2 x 5 V - 2 VA, d'un redresseur ~omposb de deux diodes Schottky à faible chute ohmique, d'un dispositif de variation de tension classique ou électronique sur le circuit' primaire, d'un dispositif d'inversion de polarité à relais ou å triac, d'un ampèremètre, de moyens de protection cathodique décrits plus loin.The apparatus has two main parts
- A low-voltage direct current power supply, mainly composed of a safety step-down transformer 2 x 5 V - 2 VA, a rectifier ~ omposb of two Schottky diodes with low ohmic drop, a dimming device conventional or electronic voltage on the primary circuit, a relay polarity reversal device or triac, an ammeter, cathodic protection means described below.
- Une cellule électrolytique å circulation composée d'électrodes planes et parallèles disposées à l'intérieur d'un corps traversé par le flux de la solution à stériliser. - A flow electrolytic cell composed of flat and parallel electrodes arranged inside a body through which flows the solution to be sterilized.
Le premier objet de la présente invention est de proposer l'utilisation d'électrodes ne présentant aucun raccord par serrage, soudure, ou tout autre moyen, entre la partie de l'électrode située à l'intérieur du corps, et celle se trouvant a l'éxtérieur et servant de bornes de prise de contact. Selon l'invention, la figure 1 représente une électrode plane et rectangulaire (1), munie d'une queue (2) d'une largeur d'environ 5 mm déstinée a la prise de contact e > #'térîeur. L'électrode ne formant avec sa queue qu'une seule et meme pièce, est dite monobloc. The first object of the present invention is to propose the use of electrodes having no connection by clamping, welding, or any other means, between the part of the electrode situated inside the body, and that located at the outside and serving as contact terminals. According to the invention, Figure 1 shows a flat rectangular electrode (1), provided with a tail (2) with a width of about 5 mm intended for the contact e> # 'terer. The electrode forming with its tail only one and the same piece, is said monobloc.
Selon un exemple de réalisation, ces électrodes sont découpées sans chute à partir de tole métallique d'une épaisseur comprise entre 0,3 et i mm (figure 2), Dans ces conditions, la longueur de la queue (3) est égale à la largeur de l'électrode (4).
Conformément au meilleur état antérieur de la technique, les électrodes positives ou anodes sont en titane revetu d'une coche mince d'oxyde mixte. Les électrodes négatives ou cathodes peuvent Etre choisies soit en metal courant tel que fer ou acier inox, soit identiquement aux anodes.According to an exemplary embodiment, these electrodes are cut without falling from metal sheet of a thickness of between 0.3 and i mm (FIG. 2). Under these conditions, the length of the shank (3) is equal to width of the electrode (4).
According to the best prior art, the positive electrodes or anodes are made of titanium coated with a thin check mark of mixed oxide. The negative electrodes or cathodes can be chosen either in current metal such as iron or stainless steel, or identically to the anodes.
Les électrodes ainsi confectionnées sont alors assemblées à l'aide d'espaceurs latéraux (5)(figure 3) formant ainsi le "blocélectrodes (6)(figure 4). Cette figure montre l'intérêt d'alterner le sens d'orientation des queues. Les espaceurs sont constitués de plaques planes et rectangulaires en matière plastique, d'une épaisseur de 3 a 5 mm, dans lesquelles on a usiné des rainures (7) d'ne profondeur de 1 à 3 mm et d'une largeur adaptée a l'épaisseur des électrodes, avec un jeu maximal de 0,1 mm. The electrodes thus made are then assembled using lateral spacers (5) (FIG. 3) thus forming the "electrode block (6) (FIG. 4) .This figure shows the interest of alternating the direction of orientation of the The spacers consist of flat and rectangular plastic plates having a thickness of 3 to 5 mm, in which grooves (7) having a depth of 1 to 3 mm and a suitable width have been machined. to the thickness of the electrodes, with a maximum clearance of 0.1 mm.
La rainure peut éventuellement se terminer par une entaille (8) de manière a loger la naissance de la queue de 1 'électrode,
Dans une variante de réalisation, les espaceurs ne sont pas usinés mais thermoformés directement par placage à chaud contre l'areste des électrodes préassemblées.The groove may possibly end with a notch (8) so as to accommodate the birth of the tail of the electrode,
In an alternative embodiment, the spacers are not machined but thermoformed directly by hot plating against the plume of preassembled electrodes.
Le ''bloc-électrodes'l ainsi formé est introduit dans un corps tubulaire (9) (figure 5) en matière plastique muni d'entailles (10) diamétralement opposées, destinées au passage groupé des queues d'électrodes, respectivement positives d'un co'té et négatives de l'autre (figure #). Les extrémités des queues sont toutes sectionnées à la mteme longueur et une soudure par point permet d'en faire un ensemble massif appelé borne (il),
Dans un exemple de réalisation, le corps sera confectionn# dans du tube en PVC (opaque ou transparent) de diamètre extérieur standard de 50, 63 ou 75 mm Pour un tube de 63 mm et 55 mm de diamètre intérieur, on pourra insérer des espaceurs de 39 mm de large comportant 15 rainures de Cl 5 mm distantes de 2 mm. Avec un espaceur de 3 mm d'épaisseur, la largeur utile des électrodes sera donc de 33 mm. Pour une longueur d'électrode de 18 cm, la surface anodique sera de 831 cmr. Afin d'assurer une vitesse maximale du fluide sur les électrodes, il convient d'obturer les quatre secteurs compris entre le corps et le "bloc-éle#trodes", par exemple à l'aide de mousse expansive, ou à l'aide d'une transformation tubulaire rond-carré placée a l intérieur du corps. Un mastique approprié assure l'étanchéité entre le corps et la borne.The '' electrode block '' thus formed is introduced into a tubular body (9) (FIG. 5) made of plastic material provided with diametrically opposite notches (10), intended for the collective passage of the electrode tails, respectively positive ones. one cost and negative on the other (figure #). The ends of the tails are all cut to the same length and a spot weld makes it a massive set called terminal (il),
In an exemplary embodiment, the body will be made in PVC tube (opaque or transparent) of standard outside diameter of 50, 63 or 75 mm For a 63 mm tube and 55 mm internal diameter, we can insert spacers 39 mm wide with 15 grooves of Cl 5 mm 2 mm apart. With a spacer 3 mm thick, the effective width of the electrodes will be 33 mm. For an electrode length of 18 cm, the anode surface will be 831 cmr. In order to ensure maximum fluid velocity on the electrodes, the four sectors between the body and the "trunk block" should be sealed, for example using expansive foam, or using a tubular round-square transformation placed inside the body. A suitable mastic ensures the seal between the body and the terminal.
Dans une variante de réalisation, les électrodes sont introduites dans un corps a faces planes. Les espaceurs peuvent alors ëtre constitués par deux faces opposées munies de rainures adéquates. il convient de réserver des entailles alternées pour la sortie individuelle des queues d'électrodes dont on assurera l'étanchéité par un mastic approprié epoxy etc.). Afin d'obtenir un parfait balayage hydrodynamique des électrodes, le corps å section carrée (12) sera raccordé a l'installation par l'intermédiaire de deux raccords (13) présentant une section carrée coté cellule et ronde c & é installation. Le coté carré de chaque raccord sera colle bout a bout sur le corps.Les raccords (13) seront aisément réalisés a partir d'un tube emmanché à chaud sur un moule malle de section carrée adéquate. Dans le cas ou il est souhaité de pouvoir observer l'interieur de la cellule, celle-ci comprendra un corps et des espaceurs transparents. In an alternative embodiment, the electrodes are introduced into a flat-faced body. The spacers can then be constituted by two opposite faces provided with suitable grooves. alternating notches should be reserved for the individual outlet of the electrode tails, which should be sealed with a suitable epoxy sealant, etc.). In order to obtain a perfect hydrodynamic sweep of the electrodes, the square section body (12) will be connected to the installation via two connectors (13) having a square section on the side of the cell and the round side of the installation. The square side of each fitting will be glue end to end on the body. The fittings (13) will be easily made from a hot-pressed tube on a trunk mold of adequate square section. In the case where it is desired to be able to observe the interior of the cell, it will comprise a body and transparent spacers.
Il est avantageux d'animer l'électrolyte d'une vitesse liné- aire de 1 à 3 m/s permettant d'une part de réduire 1 'épaisseur de la couche de diffusion de manière a obtenir un rendement élevé en produits anodiques chlorés, méme à partir d'une solution de chlorure de sodium très diluée (2 g/l), et d'autre part de minimiser l'entartrage des électrodes. Ce résultat est favorisé par 1 'em- ploi d'un espacement des électrodes d'environ 2 mm. Dans ces conditions, pour une densité de courant de 50 m#/cm2, il faut environ 1,5 Ah pour produire un gramme de chlore actif. En conséquence, un courant global de 40 A permettra d'obtenir une production horaire de 27 g de chlore. It is advantageous to animate the electrolyte with a linear velocity of 1 to 3 m / s, on the one hand to reduce the thickness of the diffusion layer so as to obtain a high yield of chlorinated anodic products. even from a solution of very dilute sodium chloride (2 g / l), and on the other hand to minimize scaling of the electrodes. This result is favored by the use of an electrode spacing of about 2 mm. Under these conditions, for a current density of 50 m 2 / cm 2, it takes about 1.5 Ah to produce one gram of active chlorine. As a result, an overall current of 40 A will produce an hourly production of 27 g of chlorine.
Pour résoudre le problème d'entartrage des cathodes dii aux eaux calcaires, on a proposé l'inversion périodique de polarité des électrodes. Cet inversion prolongée du courant n'est possible qu'avec des matériaux d'électrode pouvant fonctionner indifféremment selon les deux polarités, sans subir de déterioration. Cette condition est remplie par des matériaux coûteux tels que ceux å base d'oxydes de titate et de ruthénium qui permettent un fonctionnement bipolaire. To solve the problem of scaling dii cathodes to calcareous waters, it has been proposed the periodic inversion of polarity of the electrodes. This prolonged reversal of the current is possible only with electrode materials that can operate indifferently according to the two polarities, without undergoing deterioration. This condition is fulfilled by expensive materials such as those based on titanium and ruthenium oxides which allow bipolar operation.
Dans le cas d'un appareil peu coQteux & cathodes en acier inox tel que décrit dans la présente invention, l'inversion des poles doit théoriquement provoquer une dissolution du matériau
Cependant, contre toute attente, il a été trouvé que l'inversion du courant pendant une courte période, comprise entre 10 et 20 s, permet de détacher les dépits magnésio-calcaires sans dissolution notable de 1 'électrode, la perte de masse ayant été mesurée comme étant inférieure a 1 % de la valeur théorique.Par exemple, pour une électrode de 5 cm x 10 cm, un courant inverse (anodique) de 2 A pendant 18 s, correspondant au passage de 0,01 o h, se traduit par une perte de-masse inférieure à 0,1 mg, alors que la loi de
Faraday indique une perte théorique d'environ 10 mg.In the case of a low-cost apparatus and cathodes made of stainless steel as described in the present invention, the inversion of the poles must theoretically cause a dissolution of the material.
However, against all odds, it has been found that the reversal of the current for a short period, between 10 and 20 seconds, makes it possible to detach the magnesium-calcareous deposits without appreciable dissolution of the electrode, the loss of mass being measured as being less than 1% of the theoretical value. For example, for an electrode of 5 cm x 10 cm, an inverse (anodic) current of 2 A for 18 s, corresponding to the passage of 0.01 oh, results in a loss of mass less than 0.1 mg, whereas the law of
Faraday indicates a theoretical loss of about 10 mg.
Afin de limiter les séquences d'inversion de polarité au strict nécéssaire pour le nettoyage des cathodes, il est proposé, dans un premier mode de réalisation, d'effectuer une succession de périodes d'inversion limitées à une durée de 10 s environ chacune, séparées par des périodes de passage direct du courant d'au moins 1 minute, cet opération pouvant être effectuée soit manuellement soit automatiquement. In order to limit the polarity inversion sequences to the strictest necessary for cleaning the cathodes, it is proposed, in a first embodiment, to carry out a succession of inversion periods limited to a duration of approximately 10 seconds each, separated by periods of direct current passage of at least 1 minute, this operation can be performed either manually or automatically.
Un objet de la présente invention est de proposer un système simple permettant à la fois de détecter l'entartrage, et d'assurer la sécurité en cas de manque de débit liquide. Conformément a la présente invention, on utilise un dispositif à capsule manomé-- trique du type "pressostat'l, raccordé en amont de la cellule.Ce dispositif comprend deux étages, le premier à basse pression servant à actionner le courant d'électrolyse dés l'apparition d'un certain débit, et le second actionnant l'inversion de polarité lorsque la formation de dépit provoque ltélevation de la pression à une valeur haute prédéterminée, A titre d'exemple, le premier étage sera calibré pour une pression de 20 mbar, et le deuxième étage pour une pression de 200 mbar, le débit nominal correspondant à une pression de 10 mbar. An object of the present invention is to provide a simple system for both detecting scaling, and to ensure safety in case of lack of liquid flow. According to the present invention, a manometric capsule device of the "pressure switch" type, connected upstream of the cell, is used. This device comprises two stages, the first at low pressure serving to actuate the electrolysis current the occurrence of a certain flow, and the second actuating the reversal of polarity when the formation of spite causes the rise of the pressure to a predetermined high value, For example, the first stage will be calibrated for a pressure of 20 mbar, and the second stage for a pressure of 200 mbar, the nominal flow rate corresponding to a pressure of 10 mbar.
Le dernier objet de la présente invention est de proposer une solution aux problèmes de corrosion. En effet, l'électrolyse d'une solution de sel à 2 g/l produit à l'anode un mélange d'oxygène et de composés oxygénés du chlore, Ces espèces particulièrement actives, a l'origine d'une qualité d'eau remarquable, sont en revanche responsable de phénomènes, de corrosion observés sur les parties métalliques des installations. I1 est proposé de recourrir à une protection cathodique. Cette méthode est couramment effectuée en couplant les éléments å protéger soit a une anode soluble, soit a une anode inerte a l'aide d'un générateur exté- rieur. The last object of the present invention is to provide a solution to corrosion problems. Indeed, the electrolysis of a salt solution to 2 g / l produced at the anode a mixture of oxygen and oxygen compounds of chlorine, These particularly active species, the origin of a water quality remarkable, are however responsible for phenomena, corrosion observed on the metal parts of the installations. It is proposed to resort to cathodic protection. This method is commonly carried out by coupling the elements to be protected either to a soluble anode or to an inert anode with the aid of an external generator.
Conformément a la présente invention, ce principe connu est mis en oeuvre en imposant une tension entre les pièces a protéger et les anodes comprises dans la cellule d~electrolyse, suivant un fonctionnement en deux phases: Pendant la phase d'électrolyse, les parties a protéger sont reliées électriquement au pale négatif de l'alimentation par l'intermédiaire d'une diode et d'une résistance calculée de manière à maintenir une tension d'environ 2 V par rapport au pôle positif. Durant l'interruption de l'élec'- trolyse, ou phase de veille, la tension at > x bornes de la cellule est abaissée à 2 V, maintenant en polarisation négative les cathodes de la cellule ainsi que les parties métalliques à protéger de la corrosion. Au cours de la phase de veille, la tension réduite peut etre fournie soit par le tranxformateur principal, soit par un petit transformateur aux i liai re ou encore par un accumulateur se rechargeant pendant la phase d'électrolyse. According to the present invention, this known principle is implemented by imposing a voltage between the parts to be protected and the anodes included in the electrolysis cell, according to a two-phase operation: During the electrolysis phase, the parts a protect are electrically connected to the negative blade of the power supply via a diode and a resistance calculated to maintain a voltage of about 2 V relative to the positive pole. During the interruption of the electrolysis, or standby phase, the voltage at> x terminals of the cell is lowered to 2 V, maintaining in negative polarization the cathodes of the cell as well as the metal parts to be protected from the corrosion. During the standby phase, the reduced voltage can be provided either by the main transformer, or by a small transformer to link or by a battery recharging during the electrolysis phase.
L'appareil selon l'invention est plus particulièrement destiné a la stérilisation des piscines, mais s'applique plus généralement aux traitements des eaux. The apparatus according to the invention is more particularly intended for the sterilization of swimming pools, but more generally applies to water treatment.
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