FR2969933A1 - Module, systeme, serre et procede de sechage de la biomasse, de depollution de l'eau et de desalinisation des eaux par osmose en phase vapeur - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un module de séchage de la biomasse, de dépollution de l'eau polluée et de desalinisation des eaux salées par osmose en phase vapeur, ledit module comprenant un film ondulé semi-perméable à la vapeur d'eau mais étanche à l'eau à l'état liquide, une paroi, étanche à l'eau sous ses deux phase (gazeuse et liquide), et un extracteur extrayant l'atmosphère entre le film ondulé semi-perméable et la paroi étanche. L'invention concerne également un Système, une Serre et un Procédé comprenant au moins un module de séchage de la biomasse et/ou de dépollution d'eaux polluées et/ou de désalinisation de l'eau par osmose en phase vapeur.

Description

Module, Système, Serre et Procédé de séchage de la biomasse, de dépollution de l'eau, et de désalinisation des eaux, par osmose en phase vapeur. La présente invention concerne un Module, un Système, une Serre et un Procédé ayant pour objet de sécher de la matière ét/ou d'épurer de l'eau polluée, et/ou de dessaler de l'eau, par un phénomène d'osmose en phase vapeur. Pour faciliter la compréhension de l'invention, nous appellerons "matière à traiter" indistinctement la biomasse à sécher, l'eau à dépolluer, l'eau à dessaler, à moins que nous ne précisions de manière explicite la nature de ladite matière. Le phénomène d'osmose en phase liquide est un phénomène physique bien connu. Il correspond à la diffusion d'un solvant, le plus généralement de l'eau, à travers une membrane semi-perméable, sous l'action d'un gradient de concentration. Il se traduit généralement par un flux d'eau se déplaçant d'une solution diluée vers une solution plus concentrée à travers une membrane semi-perméable, jusqu'à ce que les concentrations soient identiques de part et d'autre de la paroi. Cette circulation se fait sous l'influence de la pression osmotique qui est la différence de pression qui s'exerce sur le film semi-perméable du fait de la différence de concentration du soluté de part et d'autre de la paroi. Il existe également un phénomène d'osmose en phase vapeur à travers des polymères qui sont tout à la fois semi-perméables à la vapeur d'eau et imperméables à l'eau à l'état liquide.
Citons différents brevets qui portent sur de tels polymères (EP 0 688 826, EP 0 378 015, EP 0 737 709, EP 2.797 782 ). De tels polymères sont notamment commercialisés par ARKEMA sous la dénomination PEBAX® dont, de manière non limitative MV 3000 et MV 6100 et le grade 1657.
On connait également un procédé de séchage FR 2 797 781 qui utilise l'osmose-en phase vapeur. Il décrit une technique de séchage consistant à placer le produit à sécher dans une enveloppe hermétique constituée par un film polymère, semi-perméable à la vapeur d'eau, mais imperméable à l'eau à l'état liquide ; progressivement, la pression partielle de vapeur d'eau à l'intérieur de ladite enveloppe s'élèvera et la vapeur d'eau diffusera de l'intérieur vers l'extérieur, à travers le film polymère semi-perméable ; tant qu'il existera une différence de pression partielle de vapeur d'eau, entre l'intérieur et l'extérieur de l'enveloppe constituée par le film semi-perméable, la diffusion de la vapeur se poursuivra jusqu'à siccité complète de la matière à sécher, même s'il pleut à l'extérieur, dès lors que ladite enveloppe est imperméable à l'eau liquide. Ce phénomène est accéléré si ladite enveloppe est placée au soleil ; les rayons solaires pénétrant au sein de l'enveloppe translucide, élèveront la température au sein de l'enveloppe semi-perméable à la molécule d'eau à l'état gazeux, élevant la pression partielle de vapeur d'eau et accéléra la cinétique de diffusion de la vapeur d'eau et donc la cinétique de séchage de la matière à sécher.
Cette technique, relativement rustique, a trouvé des applications industrielles quand la quantité de matière à sécher est faible telle que, par exemple, le séchage de plantes médicinales. Dans ce procédé connu, comme dans tous procédés dans lesquels la matière est emprisonnée dans une enveloppe semi-perméable à la vapeur d'eau et imperméable à l'eau, la quantité de matière qu'il est possible de sécher ou d'évaporer à travers le film semi-perméable est celle qui correspond au volume du sachet constitué par le film semi-perméable, et la cinétique d'osmose en phase vapeur est limitée tout à la fois par la différence de pression partielle de vapeur au voisinage immédiat du film semi-perméable, de part et d'autre dudit film, ainsi que par la surface utile du film semi-perméable constituant le sachet. La différence de pression partielle au voisinage immédiat du film est faible, l'osmose en phase vapeur se poursuivant néanmoins jusqu'à siccité grâce à la décroissance progressive de la pression partielle de vapeur par convection naturelle, au fur et à mesure que l'on s'éloigne du sachet comme cela est représenté dans la figure 1. La cinétique d'osmose est également limitée par la surface de perméation qui correspond à la surface du sachet, moins la surface en contact avec la
matière, la surface "nue", qui n'est pas en contact avec la matière, est la seule qui participe à l'osmose en phase vapeur. Il existe de nombreux secteurs industriels qui nécessitent le séchage de grandes quantités de matière (tels que l'industrie du séchage des boues d'épuration des eaux), ou la dépollution de grandes quantités d'eaux polluées (tels que les effluents industriels) ou encore la production d'eau douce à partir d'eau salée ; ces secteurs industriels ne peuvent pas être abordés avec les techniques connues, faute de pouvoir assurer les débits nécessaires. La présente invention qui vise à remédier à la carence des techniques connues comporte un Module de séchage et/ou de dépollution de l'eau et/ou de dessalement de l'eau, par osmose en phase vapeur, caractérisé en ce que le dit Module comprend un film ondulé semi-perméable à la vapeur (b) une paroi étanche à l'eau et à la vapeur (a) et un extracteur (c) extrayant l'atmosphère comprise entre le film ondulé (b) semi-perméable et la paroi (a) étanche à l'eau et à la vapeur. La conjonction d'une paroi imperméable (a), d'un film ondulé semi-perméable (b) et d'un extracteur (c) qui caractérise le Module suivant l'invention entraîne les avantages suivants : - La paroi étanche (a) empêche la vapeur de sortir du Module, 20 autrement qu'à travers une canalisation prévue à cet effet et empêche également l'eau d'entrer dans le Module. - Le film ondulé (b) semi-perméable augmente considérablement la surface de perméation par rapport à la surface plane qui caractérise l'état antérieur de la technique et donc la cinétique de l'osmose en 25 phase vapeur L'extracteur(c) qui extrait l'atmosphère délimitée par la paroi étanche (a) et le film ondulé (b), non seulement permet de canaliser la vapeur qui aura perméé à travers le film semi-perméable et éventuellement de la condenser en plaçant un point froid dans le circuit de la vapeur 30 mais également réduit, au voisinage immédiat du film semi-perméable, la pression partielle de la vapeur ayant perméé, augmentant d'autant la pression osmotique et donc la cinétique de l'osmose en phase vapeur. L'invention vise principalement, mais pas de manière limitative, le 35 séchage de la biomasse, (terme générique qui recouvre toute matière qui a été vivante, issue du règne végétal et animal) ainsi que la dépollution d'eaux polluées et la désalinisation des eaux.
Il existe différents modes de réalisation d'un module de séchage de "matière à traiter" conformément à l'invention. Nous décrirons à titre d'exemples non limitatifs deux modes que nous appellerons "rectangulaire" et "cylindrique" en référence aux formes de ces Modules.
Le Module dit "rectangulaire" couvre toutes formes parallélépipédiques. Le Module dit "cylindrique" couvre toutes formes allongées avec un axe de révolution, même si la section perpendiculaire à l'axe n'est pas un cercle mais un polygone. La figure 2 représente un schéma théorique d'un module dit "rectangulaire" de séchage d'une "matière à traiter", par osmose en phase vapeur, conforme à la présente invention, caractérisé en ce que 1. Une paroi externe (a) étanche à l'eau et à la vapeur d'eau constitue la paroi externe d'un module de séchage de la "matière à sécher", par osmose en phase vapeur, 2. Au moins un film interne (b), ondulé par repliement sur lui-même, semi-perméable à la vapeur d'eau mais étanche à l'eau liquide qui, sans être en contact avec la "matière à traiter" est néanmoins placé en regard de la "matière à traiter", ou encore de la vapeur produite par la "matière à traiter". 3. Un extracteur (c), qui permet d'extraire l'atmosphère de l'enceinte délimitée par le film ondulé semi-perméable (b), et la paroi (a) étanche à l'eau et à la vapeur d'eau et donc la vapeur qui a perméé à travers le film ondulé semi-perméable. Pour faciliter la compréhension de l'invention nous décrirons ci-après (fig 3) un mode de réalisation non limitatif d'un module dit rectangulaire de traitement de la "matière à traiter", par osmose en phase vapeur. On fixe, sur la longueur d'un bâti constitutif du Module dit "rectangulaire"(ou sur la largeur dudit bâti) des supports verticaux (SV) de la hauteur souhaitée à des distances souhaitées de part et d'autre du module dit "rectangulaire" et on tend un support transversal (j) qui peut, à titre d'exemple non limitatif être constitué par un jonc, de préférence en matériau thermoplastique.
On suspend ensuite le film semi-perméable sur les supports verticaux et transversaux et l'on ramène, entre chaque support vertical consécutif, par exemple à l'aide d'un deuxième jonc, le film semi-perméable à la hauteur du bâti du module d'osmose en phase vapeur dit "rectangulaire" que l'on fixe de manière étanche sur ledit bâti par tout système adéquat. On forme ainsi un film ondulé semi-perméable à la vapeur avec des ondulations verticales, qui peuvent être d'un mètre ou plus, la surface de perméation pouvant être augmentée à volonté suivant la hauteur des ondulations et leur fréquence.
A titre d'exemple non limitatif, il est possible d'utiliser les clips du commerce, femelle et mâle, couramment utilisés dans la construction de serres, pour fixer les films de manière étanche sur les structures. Dans cette disposition non limitative, les clips femelles du commerce sont fixées sur le bâti et on étanche la zone délimitée par le film ondulé semi-15 perméable en emprisonnant le film avec la partie mâle des clips.
La figure 4 représente un schéma théorique d'un module dit "cylindrique" de séchage d'une "matière à traiter", par osmose en phase vapeur, conforme à la présente invention, caractérisé en ce que : 20 1. Une paroi externe (a) de forme cylindrique étanche à l'eau et à la vapeur d'eau constitue la paroi externe d'un Module de traitement de la "matière à traiter", par osmose en phase vapeur, 2. Au moins un film interne (b), ondulé par repliement sur lui-même, perpendiculairement à l'axe de révolution cylindrique, semi-perméable à 25 la vapeur d'eau mais étanche à l'eau liquide qui, sans être en contact avec la "matière à traiter" est néanmoins placé en regard de ladite matière ou encore de la vapeur produite par le traitement de la "matière à traiter". 3. Un extracteur (c), qui permet d'extraire l'atmosphère comprise dans 30 l'enceinte délimitée par le film semi-perméable (b) ondulé, et la paroi étanche à l'eau et à la vapeur d'eau (a) et donc la vapeur qui a perméé à travers le film ondulé semi-perméable.
La fig.4 représente un exemple dans lequel c'est la vapeur émise par la "matière à traiter" qui rencontre le film ondulé semi-perméable. La fig 5 est une vue de dessus d'un shéma théorique d'un module dit "cylindrique" de séchage d'une "matière à traiter", par osmose en phase vapeur, 5 conforme à la présente invention. On comprendra également mieux l'invention, en se référent aux figures 4 et 5 et en décrivant à titre d'exemple non limitatif un mode de construction possible d'un module dit "cylindrique". de traitement de "matière à traiter", par osmose en phase vapeur. 10 Le film semi-perméable à la vapeur, de la largeur requise, passe, avec la largeur parallèle à l'axe de révolution du Module dit cylindrique, entre des supports verticaux placés sur le périmètre d'un cercle et alternativement, un des supports sur deux est ramené vers le centre en suivant le rayon dudit cercle créant ainsi une ondulation sensiblement perpendiculaire à l'axe de 15 révolution du Module dit cylindrique. Sous réserve de souder entre eux les plis ainsi formés dans la partie haute et basse du film ondulé, celui-ci délimite une zone étanche, la vapeur arrivant axialement ne pouvant que perméer à travers le film ondulé. Il est possible de maintenir la forme ondulée du film semi-perméable par 20 tous moyens classiques et notamment, mais pas de manière limitative, en utilisant les clips du commerce mâle et femelle couramment utilisés dans la construction de serres pour fixer les films de manière étanche sur les structures de la serre. Ces clips peuvent, à titre d'exemple non limitatif, être fixés sur deux tubes concentriques qui tangentent les ondulations, tout en laissant 25 librement passer la vapeur transversalement par rapport à l'axe de révolution desdits tubes. La vapeur pourra alors perméer à travers le film ondulé semi-perméable, et sera arrêtée par la paroi étanche, un extracteur extrayant la vapeur. Dans la fig. 4 nous avons représenté un tube axial obturé dans sa partie 30 haute laissant passer librement la vapeur transversalement. Cette obturation peut prendre la forme d'un clapé taré qui s'ouvre à partir d'une certaine pression, pour éviter qu'une augmentation de la pression de la vapeur d'eau ne déforme le film semi-perméable ondulé.
On peut ainsi superposer plusieurs modules, de type cylindrique, de traitement par osmose en phase vapeur, le clapet du module inférieur s'ouvrant à partir d'une certaine pression pour permettre à la vapeur de pénétrer dans le module supérieur. Eventuellement, un point froid, situé dans la trajectoire de la vapeur extraite par l'extracteur (c) dans l'enceinte constituée par le film ondulé semi-perméable (b) et la paroi cylindrique imperméable à l'eau et à la vapeur (a) , permet de condenser la vapeur ayant perméé à travers le film ondulé semi- perméable aussi bien dans le module d'osmose dit "rectangulaire" que dans le module dit "cylindrique". Cette disposition est indispensable si le module d'osmose en phase vapeur est utilisé pour dépolluer de l'eau et/ou pour désaliniser de l'eau salée. Ayant défini et décrit un Module de traitement de "matière à traiter" (qu'il soit de type « rectangulaire » ou de type « cylindrique »), comme étant un Module constitué par un film ondulé semi-perméable (b), une paroi étanche à l'eau et à la vapeur (a) et un extracteur (c) extrayant la vapeur de l'enceinte comprise entre la paroi étanche et le film ondulé semi-perméable, on peut décrire un Système de traitement de "matière à traiter", comme étant caractérisé par la combinaison dudit Module et d'une Zone (Z) contenant la "matière à traiter". Ces deux éléments qui caractérisent ledit Système peuvent être distincts et dans ce cas seule la vapeur émise par la "matière à traiter est amenée en regard du film ondulé semi-perméable ; ils peuvent être réunis pour ne former qu'une zone unique et dans ce cas la "matière à traiter" sans être en contact avec le film ondulé semi-perméable, est en regard direct dudit film. La figure 6 représente un Système à module rectangulaire dans lequel la "matière à traiter" sans être en contact avec le film ondulé semi-perméable, est en regard direct dudit film.
La figure 7 représente un système à module rectangulaire dans lequel la "matière à traiter" est dans une Zone (Z) séparée mais qui communique avec le module, permettant à la vapeur de perméer à travers le module.
La figure 7 montre en outre qu'il est possible d'équiper l'enceinte séparée de moyens de chauffage, quelle que soit l'énergie utilisée. Cette disposition est également possible dans la configuration représentée par la figure 6. Il est évidemment également possible d'utiliser un Système à Module cylindrique dans lequel le Module et la "matière à traiter" sont dans une même Zone (Z) ou dans des Zones (Z) séparées. On peut enfin décrire une "Serre de traitement" de "matière à traiter", par osmose en phase vapeur, comme étant une serre classique caractérisée en ce qu'elle contient un "Système de traitement", conforme à l'invention.
La présente invention ayant pour objet d'augmenter la quantité et le débit de "matière à traiter", il est avantageux d'incorporer ledit Système conforme à l'invention, dans une serre classique, la transformant ainsi en "Serre de traitement" de "matière à traiter", par osmose en phase vapeur, ce qui permet, non seulement de bénéficier d'une augmentation de température par "effet de serre", mais également de conserver l'énergie thermique externe éventuellement apportée au système, quelle qu'en soit sa nature. Pour toutes les applications envisagées, il est possible, sans sortir de l'invention, d'ajouter au Système et/ou à la Serre des dispositifs obturable permettant à la "matière à traiter" d'entrer dans ledit Système et/ou dans ladite Serre et à la matière traitée de sortir dudit Système et/ou de ladite Serre sans perturber le phénomène d'osmose en phase vapeur réalisé conformément à l'invention. La fig. 8 montre une Serre, conforme à l'invention dont la paroi (p) contient deux Systèmes équipés de dispositifs obturable, permettant l'entrée (e) et la sortie (s) de la matière à traiter, des systèmes.
On ne sortirait pas de la présente invention si les parois de la "Serre" se confondaient avec celles du "Système" comme cela est représenté dans la fig. 9 qui peut être décrite indifféremment comme un "Système de traitement" ou une "Serre de traitement", de "matière à traiter", par osmose en phase vapeur. Pour toutes les applications envisagées, il est possible, sans sortir de l'invention, d'ajouter des dispositifs permettant de récupérer les calories utilisées pour traiter la "matière à traiter", et notamment mais pas de manière limitative par au moins un échangeur de chaleur .
L'invention porte également sur un Procédé de séchage caractérisé en ce que : - on introduit la matière humide à travers un dispositif obturable dans un Système et/ou une Serre conforme à l'invention et on retire la matière sèche à travers un dispositif obturable, - on apporte, directement ou indirectement, de la chaleur à la matière à sécher et - on récupère et réutilise l'énergie thermique acquise par la matière à sécher Selon une autre modalité, l'invention porte également sur un Procédé de dépollution d'eau polluée, caractérisé en ce que : - on introduit l'eau polluée à travers un dispositif obturable dans un Système et/ou une Serre conforme à l'invention, - on chauffe l'eau polluée, - on récupère et réutilise l'énergie thermique acquise par l'eau polluée, - on récupère l'eau dépolluée obtenue par condensation de la vapeur qui a perméé à travers le Module conforme à l'invention, on retire l'eau polluée du Système ou de la Serre conforme à l'invention, à travers un dispositif obturable et on poursuit le cycle jusqu'au traitement de toute l'eau polluée, - on recueille les résidus non vaporisables de l'eau polluée. Selon une autre modalité, l'invention porte également sur un Procédé de production d'eau douce à partir d'eau salée, caractérisé en ce que : - on pompe l'eau salée, on l'introduit dans un Système et/ou une Serre conforme à l'invention à travers un dispositif obturable, on chauffe l'eau salée, on recueille l'eau douce obtenue par condensation de la vapeur qui a perméé dans le Module conforme à l'invention, - - on récupère la chaleur de l'eau salée traitée et on retourne l'eau salée résiduelle, dont la température et la concentration en sel sont peu modifiées, là où elle a été pompée.
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