DISPOSITIF POUR LA PRODUCTION DE CHAMPS ELECTROSTATIQUES DE
BASSES TENSIONS DANS LES SOLUTIONS AQUEUSES MINERALISEES
La présente invention concerne un dispositif permettant la production de champs électrostatiques de basses tensions dans les solutions aqueuses minéralisées. Il est connu de l'homme de l'art que si on applique un champ électrique E entre au moins deux électrodes au contact d'une solution aqueuse minéralisée donc de conductivité élevée, il se forme presque immédiatement les déplacements de charges électriques au sein du liquide qui s'opposent très rapidement à la pénétration du champ électrique dans le milieu. Une conduction ionique apparait, c'est ce que l'on appelle communément l'électrolyse. Le champ ne pénétre donc dans la solution aqueuse, qu'un très court temps après la mise sous tension.Ce temps se calcule comme étant le produit de la valeur de la permivité du liquide par la valeur de sa résistivité. Il est aussi connu de l'homme de l'art que la conductivité des solutions aqueuses minéralisées est élevée et que cela se traduit par le fait que le temps durant lequel le champ électrique pénétre la solutions aqueuse est excessivement court
Pour permettre la propagation de champs électriques dans les solutions aqueuses minéralisées, l'homme de l'art utilise traditionnellement des champs de très hautes fréquences en utilisant des électrodes isolées. Les problèmes rencontrés dans la fabrication de ces électrodes font que notamment du fait de l'épaisseur de l'isolant, l'homme de l'art est obligé d'utiliser des champs de hautes tensions.Pour provoquer un échauffement des solutions aqueuses on utilise les micro-ondes qui génèrent des agitations extrêment rapide des molécules d'eau (four à micro-ondes). Les micro-ondes sont générées par de très hautes fréquences ce qui implique qu'elles ne peuvent provoquer des déplacements de charges ioniques dans la solution mais uniquement des phénomènes d'agitation au niveau de certaines molécules. Les systèmes utilisant des électrodes isolées sont utilisés aux fins de provoquer des réactions catalytiques permettant donc divers traitements des solutions aqueuses, cependant ces techniques sont difficiles à mettre en oeuvre, onéreuses et n'utilisent du fait de la haute tension que des champs continus lorsqu'une seule électrode est isolée.Il faut entendre comme une seule électrode le fait que seule la (ou les) cathode(s) est isolée alors que l'anode est conductrice ou à l'inverse que le la (ou les) anodes(s) est isolée alors que la cathode est conductrice. Les techniques traditionnellement utilisées et décrites ci-dessus ont donc de fortes limites d'utilisation: les systèmes à microwndes ne peuvent être employés que pour chauffer les solutions aqueuses, les systèmes à électrodes isolées ne peuvent être employés qu'avec des hautes tensions ce qui oblige d'isoler toutes les électrodes en cas de champs alternatifs et de n'utiliser que des champs continus dans le cas ou l'une au moins des électrodes n'est pas isolée.Le dispositif objet de l'invention permet d'utiliser des champs électriques basses tensions continues pour générer des phénomènes catalytiques au sein de la solution aqueuse permet d'utiliser des champs électriques basses tensions et basses fréquences pour générer à la fois des phénomènes catalytîques et électrochimiques et enfin des champs électriques basses tensions et hautes fréquences pour chauffer les solutions aqueuses. Le dispositif objet de l'invention est caractérisé par le fait qu'il comporte au moins une électrode faisant office d'anode et réalisée en titane, au moins une contre électrode conductrice du courant électrique faisant office de cathode toutes deux immergées dans la solution aqueuse minéralisée. L'anode est reliée au pôle positif d'un générateur de tension et la cathode est reliée au pôle négatif du dit générateur.Suivant les utilisations souhaitées du dispositif objet de l'invention le générateur de tension peut générer une tension continue, une tension continue à laquelle est superposée des impulsions à l'anode, une tension alternative ou une tension continue à laquelle est superposée une tension alternative à l'anode. Les schémas des spectres électriques ci-après correspondent respectivement aux différentes tension d'alimentation ci-dessus énumérées.DEVICE FOR PRODUCING ELECTROSTATIC FIELDS OF
LOW VOLTAGES IN MINERALIZED AQUEOUS SOLUTIONS
The present invention relates to a device for producing low voltage electrostatic fields in mineralized aqueous solutions. It is known to one skilled in the art that if an electric field E is applied between at least two electrodes in contact with a mineralized aqueous solution and therefore of high conductivity, the movements of electric charges are formed almost immediately within the liquid that oppose very quickly the penetration of the electric field into the medium. Ionic conduction occurs, this is commonly known as electrolysis. The field thus enters the aqueous solution only a very short time after the power is turned on. This time is calculated as the product of the liquid permitivity value by the value of its resistivity. It is also known to those skilled in the art that the conductivity of the mineralized aqueous solutions is high and that this is reflected in the fact that the time during which the electric field penetrates the aqueous solution is excessively short.
To allow propagation of electric fields in mineralized aqueous solutions, those skilled in the art traditionally use very high frequency fields using isolated electrodes. The problems encountered in the manufacture of these electrodes make that, particularly because of the thickness of the insulation, those skilled in the art are obliged to use high voltage fields. To cause heating of the aqueous solutions is used microwaves that generate extremely rapid agitation of water molecules (microwave oven). Microwaves are generated by very high frequencies, which implies that they can not cause displacements of ionic charges in the solution but only agitation phenomena at the level of certain molecules. Systems using insulated electrodes are used for the purpose of causing catalytic reactions thus allowing various treatments of aqueous solutions, however these techniques are difficult to implement, expensive and use because of high voltage only continuous fields when a single electrode is insulated.It is meant as a single electrode that only the cathode (s) is insulated while the anode is conductive or conversely that the (or) anode (s) ) is isolated while the cathode is conductive. The techniques traditionally used and described above therefore have high limits of use: the microwndes systems can only be used to heat the aqueous solutions, the isolated electrode systems can be used only with high voltages which it is necessary to isolate all the electrodes in the event of alternative fields and to use only continuous fields in the case where at least one of the electrodes is not isolated. The device which is the subject of the invention makes it possible to use low voltage electric fields for generating catalytic phenomena within the aqueous solution makes it possible to use low voltage and low frequency electric fields to generate both catalytic and electrochemical phenomena and finally low voltage electric fields and high frequencies to heat aqueous solutions. The device which is the subject of the invention is characterized in that it comprises at least one anode-forming electrode made of titanium, at least one conductive electrode against the electric current acting as a cathode both immersed in the aqueous solution. mineralized. The anode is connected to the positive pole of a voltage generator and the cathode is connected to the negative pole of the said generator. According to the desired uses of the device which is the subject of the invention, the voltage generator can generate a DC voltage, a DC voltage. which is superimposed pulses at the anode, an AC voltage or a DC voltage which is superimposed on an alternating voltage at the anode. The following diagrams of the electrical spectra respectively correspond to the different supply voltage listed above.
a) tension continue
(o volt < # < #0 volts) b) tension continue et impulsions positives à l'anode
0 volt < x û volts 0 volt < yo 50 volts x < z < y c) tension alternative
0 volt x < 50 volts d) tension continue + alternative superposée à l'anode
O < x < 50 volts 0 < v < x
L'expérience du demandeur a démontré que les fréquences des impulsions ou des champs alternatifs doivent se situer de préférence dans une plage comprise entre 10 et 200 Hertz au regard du comportement particulier du titane dans le cas ou l'on recherche une action catalytique et dans le domaine de la très haute fréquence dans le cas ou l'on cherche à chauffer la solution aqueuse. De même l'expérience du demandeur a prouvé qu'il était préférable de rester sous une différence de potentiel maximum entre l'anode et la cathode de 50 volts toujours au regard du comportement particulier du titane. Enfin l1expérience du demandeur a prouvé qu'il était préférable de relier la borne négative du générateur et donc la cathode à la masse ou à l'utiliser comme masse flottante ce qui signifie que le potentiel de la cathode ne doit sensiblement pas varier lors de la mise sous tension.Le comportement du titane soumis lorsqu'il est immergé dans une solution aqueuse minéralisée, à une tension positive variable ou non est l'élément le plus important du dispositif objet de l'invention. En effet lorsque au contact de la solution aqueuse minéralisée, le titane est soumis artificiellement à une tension positive face à une cathode immergée dans la même solution aqueuse, il s'oxyde rapidement. Le produit d'oxydation adhère sur la surface immergée du titane, le courant passant initialement dans la solution par conduction ionique (à la mise sous tension) chute très rapidement ce qui signifie que ce produit d'oxydation adhérant à la surface de l'anode titane est un dielectrique.a) continuous voltage
(o volt <# <# 0 volts) b) DC voltage and positive pulses at the anode
0 volts <x volts 0 volts <yokes 50 volts x <z <yc) alternating voltage
0 volts x <50 volts d) DC + AC voltage superimposed on the anode
O <x <50 volts 0 <v <x
The applicant's experience has shown that the frequencies of the pulses or of the alternating fields must preferably be in a range between 10 and 200 Hertz with regard to the particular behavior of titanium in the case where a catalytic action is sought and in which the domain of the very high frequency in the case where one seeks to heat the aqueous solution. Similarly, the applicant's experience has shown that it is preferable to remain under a maximum potential difference between the anode and the cathode of 50 volts, still with regard to the particular behavior of titanium. Finally, the Applicant's experiment proved that it was preferable to connect the negative terminal of the generator and therefore the cathode to ground or to use it as a floating mass, which means that the cathode potential must not vary substantially during the The behavior of the titanium subjected when immersed in a mineralized aqueous solution, at a variable positive voltage or not is the most important element of the device object of the invention. Indeed, when in contact with the mineralized aqueous solution, the titanium is artificially subjected to a positive voltage facing a cathode immersed in the same aqueous solution, it oxidizes rapidly. The oxidation product adheres to the submerged surface of the titanium, the current initially flowing in the solution by ionic conduction (at power up) drops very rapidly which means that this oxidation product adhering to the surface of the anode Titanium is a dielectric.
L'expérience du demandeur a démontré que ce film d'oxyde adhérant est constitué de titanates de calcium et ou de magnésium suivant la minéralisation de la solution aqueuse. Les titanates se créent naturellement par réaction électrochimique à la surface immergée de l'anode grâce à la présence dans la solution aqueuse d'ions calcium et ou de magnésium.Les essais effectués par le demandeur donnent pour ces oxydes les caractéristiques diélectriques moyennes suivantes: constante dielectrique : 3 à 200 résistance spécifique: 106 à 1015a2Jcm coefficient de température; + 1300C à -3û00 x 10 -6/"C angle de perte :X10 x rigidité dieledrique: à 8 kV/mm de telles caractéristiques témoignent d'une excellente qualité isolante, il est normal qu'à une tension inférieure où égale à 50 volts et que d'une fréquence inférieure à 100 Hertz: jusqu'à une très haute fréquence, les titanates formés présente une excellent stabilité et que quelques microns d'épaisseur de ce diélectrique formé sur la surface de l'anode suffisent à annuler le passage des charges électriques (électrons) entre le titane et la solution aqueuse. The applicant's experiment has shown that this adhering oxide film consists of calcium and / or magnesium titanates depending on the mineralization of the aqueous solution. Titanates are naturally created by electrochemical reaction to the immersed surface of the anode by the presence in the aqueous solution of calcium and / or magnesium ions. The tests carried out by the applicant give for these oxides the following average dielectric characteristics: constant dielectric: 3 to 200 specific resistance: 106 to 1015a2Jcm temperature coefficient; + 1300C at -3000 x 10 -6 / "C loss angle: X10 x dieledric rigidity: at 8 kV / mm such characteristics testify to an excellent insulating quality, it is normal for a voltage lower than or equal to 50 volts and that with a frequency lower than 100 Hertz: up to a very high frequency, the titanates formed has excellent stability and that a few microns thick of this dielectric formed on the surface of the anode suffice to cancel the passage electric charges (electrons) between the titanium and the aqueous solution.
Dès la formation du titanate de calcium et ou de magnésium sur l'anode le dispositif formé par la chaîne cathode + solution aqueuse + anode oxydée devient un ensemble de condensateurs en série dont le plus important, celui dont la capacité est très importante est le condensateur formé entre la solution aqueuse minéralisée, le diélectrique qu'est la couche de titanates et l'anode titane. Un tel dispositif permet dès que l'oxydation de l'anode a eu lieu de générer au sein de la solution des champs électrostatiques continus, puisés, alternatifs ou polarisés et alternatifs superposés suivant le mode d'alimentation électrique choisit.Les applications d'un tel dispositif sont très nombreuses elles sont notamment: - dans le cas de champs continus : le traitement antitartre de l'eau par germination catalytique du carbonate de calcium - dans le cas de champs variables: le traitement algicide et bactéricide des eaux, le détartrage et le nettoyage des parois métalliques lorsqu'elles sont utilisées comme cathodes dans le dispositif, l'homogénéisation et la cristallisation de certaines suspensions en solutions aqueuses, la précipitation par électrofloculation de certaines suspensions en solutions aqueuses, le réchauffement de cellesci par excitation thermique des molécules d'eau. As soon as the calcium and / or magnesium titanate are formed on the anode, the device formed by the cathode + aqueous solution + oxidized anode chain becomes a set of capacitors in series, the most important of which, the capacitor of which is very important, is the capacitor formed between the mineralized aqueous solution, the dielectric which is the titanate layer and the titanium anode. Such a device makes it possible as soon as the oxidation of the anode has occurred to generate within the solution continuous, pulsed, alternating or polarized and alternating electrostatic fields superimposed according to the chosen power supply mode. such a device are very numerous they are in particular: - in the case of continuous fields: anti-tartar treatment of water by catalytic germination of calcium carbonate - in the case of variable fields: the algicide and bactericidal treatment of water, the descaling and the cleaning of the metal walls when they are used as cathodes in the device, the homogenization and the crystallization of certain suspensions in aqueous solutions, the precipitation by electroflocculation of certain suspensions in aqueous solutions, the heating of these by thermal excitation of the molecules of 'water.
- dans le cas de champs variables pulsés: outre les applications ci-dessus citées, le fait de générer des champs variables pulsés entre l'anode de titane oxydé et une paroi métallique utilisée comme cathode dans une meme solution aqueuse, permet de neutraliser immédiatement les corrosions existantes sur la dite paroi, après quelques heures de traitement la paroi métallique se passive rapidement
La figure 1 représente une réalisation particulière du dispositif objet de l'invention, elle n'est pas limitative notamment quant à la disposition et au nombre des électrodes ainsi qu'a la description du dispositif d'alimentation électrique qui se trouve ici schématisé.in the case of pulsed variable fields: in addition to the above-mentioned applications, the fact of generating pulsed variable fields between the oxidized titanium anode and a metal wall used as a cathode in the same aqueous solution makes it possible to neutralize immediately the existing corrosions on the said wall, after a few hours of treatment the metal wall is rapidly passivated
FIG. 1 represents a particular embodiment of the device which is the subject of the invention, it is not limiting in particular as regards the arrangement and the number of electrodes as well as the description of the electrical power supply device which is shown schematically here.
La figure 1 représente une application non limitative qui consiste à placer l'anode titane au sein d'un ballon métallique, elle correspond particulièrement à une protection contre la corrosion du dit ballon ainsi qu'à une protection antitartre, bactéricide et algicide. Figure 1 shows a non-limiting application which consists of placing the titanium anode within a metal balloon, it particularly corresponds to a protection against corrosion of said ball as well as anti-tartar, bactericidal and algicidal.
Le dispositif objet de l'invention représenté sur la figure 1 se compose d'un ballon métallique (1) remplit d'une solution aqueuse minéralisée (2) à sa partie supérieure le ballon (1) est percé et équipé d'un bouchon étanche (3) réalisé dans un matériau isolant électriquement, le bouchon (3) est traversé par l'anode (4) qui est disposée verticalement au centre du ballon (1), immergée en sa partie inférieure dans la solution aqueuse minéralisée (2) sans aucun contact avec les parois du ballon (1) autre que la solution aqueuse (2). L'extrémité de l'anode (4) extérieure au ballon (1) est reliée par un câble à la borne positive (7) du générateur de tension (5) au travers d'un interrupteur manuel (6).Le corps métallique du ballon (1) est relié à la borne négative (8) du générateur de tension (5) par un câble électrique. Le ballon (1) est relié à la terre (9) et le générateur de tension (5) est relié à la source d'alimentation électrique adaptée (10). The device according to the invention shown in FIG. 1 consists of a metal balloon (1) filled with a mineralized aqueous solution (2) at its upper part the balloon (1) is pierced and equipped with a leakproof plug (3) made of an electrically insulating material, the plug (3) is traversed by the anode (4) which is arranged vertically in the center of the balloon (1), immersed in its lower part in the mineralized aqueous solution (2) without no contact with the walls of the flask (1) other than the aqueous solution (2). The end of the anode (4) outside the balloon (1) is connected by a cable to the positive terminal (7) of the voltage generator (5) through a manual switch (6). balloon (1) is connected to the negative terminal (8) of the voltage generator (5) by an electric cable. The balloon (1) is connected to the ground (9) and the voltage generator (5) is connected to the adapted power source (10).
Dans le dispositif décrit à la figure 1, le générateur de tension est prévu pour délivrer une tension continue entre anode (4) et cathode (1) de 1 volts à laquelle est superposée un train d'impulsions rectangulaires positives de 40 volts de façon à ce que la tension moyenne entre anode (4) et cathode (1) soit régulée à une valeur de 3 volts. Les impulsions positives sont délivrées avec une fréquence de 25 Hertz.Un tel dispositif a été utilisé avec succès par le demandeur pour arrêter une corrosion déjà avancée du ballon, le demandeur a observé une passivation des parois du ballon (I) en contact avec la solution aqueuse minéralisée (2) ainsi que la baisse sensible de son pouvoir entartrant la chute du courant a été observée dans les minutes qui ont suivies la mise sous tension des électrodes (1) et (4) en fin d'expérience, l'anode a été démontée et il a été observé la présence d'un fin film adhérent de titanates sur toute la surface immergée de la dite anode (4). L'expérience a été renouvelée sur différents sites avec les différents types de tensions (continues, pulsées, altematives) avec les résultats escomptés. In the device described in FIG. 1, the voltage generator is designed to deliver a DC voltage between anode (4) and cathode (1) of 1 volts, on which is superimposed a 40 volt positive rectangular pulse train so as to the average voltage between anode (4) and cathode (1) is regulated to a value of 3 volts. The positive pulses are delivered with a frequency of 25 Hertz. Such a device has been used successfully by the applicant to stop an already advanced corrosion of the flask, the applicant has observed a passivation of the walls of the flask (I) in contact with the solution. mineralized water (2) as well as the significant decrease of its power scaling the fall of the current was observed in the minutes which followed the energization of the electrodes (1) and (4) at the end of the experiment, the anode has has been removed and it has been observed the presence of a thin film of titanates on the entire immersed surface of said anode (4). The experiment was repeated at different sites with the different types of voltages (continuous, pulsed, alternating) with the expected results.
L'expérience du demandeur a démontré que l'on obtenait un échauffement rapide de la solution aqueuse minéralisée dans le cas au l'on soumet ensemble anode (4) et cathode (1) à une tension pulsé ou alternative située dans la gamme des très hautes fréquences. The applicant's experiment demonstrated that a rapid heating of the mineralized aqueous solution was obtained in the case of anode (4) and cathode (1) being subjected to a pulsed or alternating voltage situated in the range of the very high frequencies.