FR3000740A1 - Procede de purification d'eau et systeme correspondant - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un procédé et un système de purification d'eau apte à être monté sur un conduit d'écoulement de ladite eau. Selon l'invention, un tel système comprend notamment : - un lit de billes de diamètres compris entre 5 et 30 millimètres, formé d'une pluralité de billes métalliques et d'une pluralité de billes en matériau non magnétique distribuées de façon sensiblement homogène au sein dudit lit de billes ; - des moyens d'exposition dudit écoulement à des ultrasons de fréquence préférentiellement comprise entre 20 et 60 kHz sur au moins une première portion dudit lit de billes ; - des moyens d'exposition dudit écoulement à un champ électromagnétique sur au moins une deuxième portion dudit lit de billes.

Description

Procédé de purification d'eau et système correspondant 1. Domaine de l'invention Le domaine de l'invention est celui du traitement de l'eau. Plus précisément, l'invention concerne un système et un procédé de purification d'eau. L'invention s'applique notamment, mais non exclusivement, à la purification d'une eau de forage, d'une eau de ville ou d'une eau industrielle captée dans un cours d'eau, afin d'obtenir une eau apte à être utilisée dans un processus industriel. 2. Etat de la technique Les eaux de forage et les eaux prétraitées, telles que l'eau de ville ou l'eau industrielle, contiennent des quantités résiduelles de polluants chimiques et de minéraux. Les polluants chimiques présents dans ces eaux proviennent principalement de l'activité agricole ou industrielle. On trouve ainsi dans ces eaux, par exemple, des traces de produits phytosanitaires, des nitrates, des phosphates, des perchlorates, des métaux lourds, des hydrocarbures, des dioxines, des organochlorés, des polychlorobiphényles, des micro-organismes pathogènes, des résidus médicamenteux et/ou des huiles solaires.

Les eaux de forage présentent en outre généralement des teneurs assez importantes en minéraux et/ou en métaux. L'utilisation d'une eau de forage, d'une eau de ville ou d'une eau industrielle requiert dans de nombreuses applications industrielles de procéder à une phase préalable de purification de l'eau pour éliminer ou neutraliser au moins partiellement certains polluants et/ou des produits chlorés ou bromés ajouté à l'eau pour prévenir une prolifération des bactéries, susceptibles d'altérer la qualité des produits industriels et/ou d'endommager des équipements. On connait des filtres sur membrane poreuse permettant de retenir des particules de taille micrométrique ou nanométrique, et qui sont efficaces pour purifier l'eau des pollens, algues, parasites, bactéries, virus, germes et des molécules organiques d'un haut poids moléculaire. Il est également connu d'utiliser des filtres mécaniques contenant des substances actives et par exemple de la résine échangeuse d'ions ou du charbon actif pour adoucir et/ou purifier l'eau de façon partielle. Ces filtres actifs permettent de retenir le calcaire et des produits chimiques organiques volatils, tels que le benzène, des pesticides et des herbicides, le chlore, le radon, des dissolvants et certains produits chimiques synthétiques trouvés dans l'eau de robinet. Certains de ces filtres permettent également d'agglomérer une partie des métaux lourds contenus dans l'eau. Un inconvénient de ces techniques de purification par filtration est qu'elles requièrent de la maintenance pour remplacer ou régénérer régulièrement le filtre qui s'obture ou se sature, ce qui est couteux. Un autre inconvénient de ces techniques de filtration est qu'elles sont peu ou pas efficaces pour éliminer des polluants inorganiques, certains métaux et des minéraux dissous. Par ailleurs, ces filtres favorisent le développement de bactéries multirésistantes, ce qui n'est pas souhaitable. On connait des techniques de purification d'eau reposant sur le principe de l'osmose inverse. L'osmose inverse s'avère efficace pour éliminer de l'ordre de 90% des polluants de l'eau. Elle présente cependant de nombreux inconvénients : une installation d'osmose inverse est d'un prix de revient élevé et consomme beaucoup d'eau. On estime ainsi généralement que pour purifier 1 m3 d'eau par osmose inverse 4 à 5 m3 d'eau contaminée sera rejetée à l'égout. Afin de remédier aux inconvénients des techniques classiques mettant en oeuvre des membranes ou des substrats actifs poreux, on a proposé d'exposer l'eau à des ultraviolets, des ondes magnétiques et/ou certaines ondes ultrasonores ou à électrolyser l'eau sous forme de microbulles d'oxygène, de sorte à provoquer une oxydation ou une réduction des éléments polluants vers une forme susceptible de précipiter et d'être éliminée par un filtre. Ces techniques d'exposition connues sous le terme de procédés d'oxydation avancée (POA) peuvent combiner une action chimique et physique. Leur mode d'action peut être chimique et basé sur une production indirecte d'entités radiculaires, et notamment d'entités hydroxyle, permettant d'oxyder les polluants réfractaires, dans l'eau. Il peut également reposer sur une action physique. Ainsi par exemple les ultrasons à haute fréquence génèrent des bulles de cavitation dans l'eau qui en implosant vont agir comme des microréacteurs et détruire les polluants par pyrolyse ou provoquer leur oxydation. On a également pensé à associer des POA à des techniques de filtration classique dans des systèmes connus de purification d'eau.

Les techniques mettant en oeuvre des POA présentent cependant l'inconvénient d'être consommatrices d'énergie électrique. 3. Objectifs de l'invention L'invention a donc notamment pour objectif de pallier les inconvénients de l'état de la technique cités ci-dessus.

Plus précisément l'invention a pour objectif particulier de fournir une technique de purification d'eau qui soit efficace et peu consommatrice d'énergie. Notamment, dans au moins un mode de réalisation, l'invention a pour objectif de proposer une technique de purification d'eau qui fournisse une eau convenant pour la dilution d'agents tensioactifs. Un autre objectif de l'invention est de fournir une technique de purification d'eau qui permette d'éliminer au moins 95% des polluants présents dans l'eau. Un objectif de l'invention est également de proposer une technique de purification d'eau qui soit simple à mettre en oeuvre et d'un coût de revient réduit.

Encore un objectif de l'invention est de fournir une telle technique de purification d'eau qui soit fiable. 4. Exposé de l'invention Ces objectifs, ainsi que d'autres qui apparaitront par la suite sont 5 atteints à l'aide d'un procédé de purification d'un écoulement d'eau, notamment d'un écoulement d'eau de forage ou d'eau de ville destinée à la fabrication d'une préparation industrielle sous forme liquide. Selon l'invention, un tel procédé de purification comprend les étapes suivantes dans cet ordre : 10 - adoucissement et traitement par osmose inverse dudit écoulement d'eau ; - exposition dudit écoulement d'eau à un rayonnement ultra-violet ; - circulation dudit écoulement d'eau au travers d'un lit de billes de diamètre compris entre 5 et 30 millimètres, formé d'une pluralité de billes métalliques et d'une pluralité de billes en matériau non magnétique distribuées de façon 15 sensiblement homogène au sein dudit lit de billes, au cours de laquelle ledit écoulement d'eau est exposé à des ultrasons de fréquence préférentiellement comprise entre 20 et 60 kHz et encore plus préférentiellement entre 34 et 38 kHz sur au moins une première portion dudit lit de billes et à un champ électromagnétique sur au moins une deuxième portion dudit lit de billes. 20 Ainsi, selon une approche inédite, l'invention propose de combiner de façon astucieuse plusieurs techniques de purification d'eau de sorte à pouvoir éliminer la plupart des polluants présents dans l'eau. Par ailleurs, les inventeurs on constaté que la mise en oeuvre d'un lit de billes et l'association de différentes techniques d'oxydation avancée 25 participe avantageusement à une réduction de la consommation globale d'énergie nécessaire à la purification de l'eau. Selon un aspect particulier de l'invention, ladite pluralité de billes métalliques et ladite pluralité de billes en matériau non magnétique sont formées de billes de diamètres sensiblement identiques. 30 Dans des variantes de l'invention, il peut également être envisagé que les billes métalliques soient d'un diamètre différent de celui des billes en matériau non magnétique et/ou que la pluralité de billes métalliques ou la pluralité de billes en matériau non magnétique soient formées de billes de différents diamètres. De préférence, ladite pluralité de billes métalliques est en acier inoxydable magnétique. On évite ainsi une oxydation de la surface des billes métalliques. De façon avantageuse, lesdites première et deuxième portions dudit lit de bille se chevauchent au moins partiellement. Ainsi, on réduit la longueur totale et donc l'encombrement du lit de bille. On peut en outre bénéficier avantageusement d'un effet coopératif entre les ondes magnétiques et les ondes ultrasonores concernant l'élimination ou la neutralisation des polluants dans la zone de chevauchement.

Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, ladite première portion dudit lit de billes et ladite deuxième portion dudit lit de billes sont séparées par une cloison. On limite ainsi les perturbations et les interférences d'origine magnétique susceptibles d'affecter l'émetteur d'ondes ultrasonores.

Dans un mode de réalisation particulièrement avantageux de l'invention, ledit lit de billes s'étend sur 1,8 mètre à 2,2 mètres de long dans la direction dudit écoulement. Il a en effet été observé qu'on obtenait une purification convenable de l'eau dans cette plage de longueur pour des vitesses d'écoulement comprises entre 0,3 et 1,5 m/s. De façon préférentielle, ledit lit de billes est un lit de billes compacté présentant une porosité comprise entre 0,17 et 0,38. On limite ainsi la vibration des billes et/ou une déformation du lit de billes sous l'action des champs d'ondes magnétiques et d'ondes ultrasonores.

Avantageusement, un tel procédé de purification comprend en outre une étape de filtration dudit écoulement d'eau au travers d'un élément microporeux tel qu'un complexe, une grille ou une membrane. On retient ainsi les polluants oxydés.

Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, ledit élément microporeux présente un diamètre hydraulique inférieur, et de préférence inférieur à un dixième d'une longueur d'onde desdits ultrasons et/ou dudit champ magnétique et/ou dudit rayonnement ultraviolet. Il se produit dès lors une diffraction des ondes au travers de l'élément microporeux, qui peuvent ainsi se propager dans tout l'écoulement. Selon un aspect particulier de l'invention, le pas moyen du réseau dudit lit de bille et/ou le diamètre moyen des pores dudit lit de bille est un multiple de la longueur d'onde associée à ladite fréquence des ultrasons. On amplifie ainsi l'onde dans le lit de bille, qui est le siège d'une résonance. Dans au moins un mode de réalisation particulier de l'invention, ledit lit de bille est logé dans un boitier au moins partiellement opaque présentant au moins une dimension intérieure multiple d'une longueur d'onde desdits ultrasons et/ou dudit champ électromagnétique.

On excite ainsi un mode de résonance du boitier. L'invention concerne également un système de purification d'un écoulement d'eau, notamment d'eau de forage ou d'eau de ville destinée à la fabrication d'une préparation industrielle sous forme liquide, configuré de sorte à pouvoir être monté sur un conduit d'écoulement de ladite eau.

Selon l'invention, un tel système de purification d'eau comprend : - des moyens d'adoucissement et de traitement par osmose inverse dudit écoulement d'eau ; - un lit de billes de diamètres compris entre 5 et 30 millimètres, formé d'une pluralité de billes métalliques et d'une pluralité de billes en matériau non magnétique distribuées de façon sensiblement homogène au sein dudit lit de billes ; - des moyens d'exposition dudit écoulement à des ultrasons de fréquence préférentiellement comprise entre 20 et 60 kHz et encore plus préférentiellement entre 34 et 38 kHz sur au moins une première portion dudit lit de billes ; - des moyens d'exposition dudit écoulement à un champ électromagnétique sur au moins une deuxième portion dudit lit de billes ; et - des moyens d'exposition dudit écoulement d'eau à un rayonnement ultraviolet montés en amont dudit lit de billes. 5. Liste des figures D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation de l'invention, donné à titre de simple exemple illustratif et non limitatif, et des dessins annexés parmi lesquels : la figure 1 représente de façon schématique un exemple de mode de réalisation d'un système de purification d'un écoulement d'eau selon l'invention ; la figure 2 est une vue de détail du boitier de traitement présenté sur la figure 1 ; la figure 3 est une représentation synoptique, sous forme de schéma-bloc, des étapes du procédé de purification d'un écoulement d'eau mises en oeuvre au sein du système présenté en référence à la figure 1. 6. Description détaillée de l'invention On présente en référence à la figure 1 un exemple de mode de réalisation d'un système 10 de purification d'un écoulement d'eau selon l'invention, monté sur une canalisation de puisage 11 d'une eau de forage. L'écoulement d'eau, symbolisé par la flèche 12, pénètre dans le système de purification 10 par le raccord d'entrée 13. Un pré-traitement de l'écoulement d'eau est opéré dans une section 30 amont 14 du système 10.

Cette section 14 comprend un adoucisseur-osmoseur 15 monté en amont d'une lampe à vapeur de mercure 16 émettant des ultra-violets dans la plage de longueur d'ondes 200-400 nm au travers d'un hublot en plexiglas. Elle est raccordée à un boitier opaque 17 inclus dans le système 10.

Comme on peut le voir sur la figure 2, qui est une vue de détail du boitier de traitement 17, celui-ci présente une boucle de circulation 21 en forme de "U" de 2,0 mètres de long, mesurés sur la ligne médiane de la boucle, entre l'orifice d'entrée d'eau 22 et l'orifice de sortie d'eau 23. Les deux portions linéaires 24 et 25, ou jambes, de la boucle 21 sont séparées par une cloison métallique 26 recouverte d'un film de fibre de verre traité au graphite. Cette boucle de circulation est emplie d'un lit de billes compacté 27. Dans ce mode de réalisation particulier de l'invention, le lit de billes 27 est constitué d'un mélange de 96%, en proportions volumiques, de billes translucides en polyamide 28 de 8 et de 20 millimètres de diamètre et de 4%, en proportions volumiques, de billes d'inox magnétique 29 de 12 millimètres de diamètre réparties de façon homogène dans le lit de billes 27. La porosité du lit de bille est d'environ 0,3. Un transducteur émetteur à ultrasons 210 est monté sur la face latérale 211 du boitier 17 au contact de la première portion 24 du lit de billes. Ce transducteur 210 émet des ultrasons de fréquence 37 kHz qui se propagent dans la première portion 24 du lit de billes en se réfléchissant sur les billes. Il convient de noter que le pas moyen du réseau de bille étant sensiblement égal à une demi-longueur d'onde des ultrasons et que la longueur de la portion 24 étant un multiple de la longueur d'onde des ultrasons, l'amplitude des ondes ultrasonores est amplifiée de façon significative dans la portion 24 du lit de billes, par résonance. Quatre électroaimants 212 sont disposés sur la face latérale du boitier 17 située en vis-à-vis de la face 211. Ces électroaimants 212 génèrent un champ magnétique pulsé au sein de la deuxième portion 25 du lit de billes, qui permet notamment de stabiliser le pH de l'écoulement d'eau et est susceptible d'agir sur des nanoparticules magnétiques présentes dans l'écoulement d'eau qui vont agréger certains polluants. Cet effet du champ magnétique est renforcé par la présence des billes en inox magnétique 29 au sein du lit de billes, lesquelles s'aimantent sous l'action du champ magnétique généré par les électroaimants 212, ce qui amplifie l'intensité du champ magnétique à proximité de leur surface. En outre, dans le creux 214 de la boucle, où les portions 24 et 25 communiquent et où les ultrasons et le champ électromagnétique coexistent, se produit avantageusement un effet de synergie concernant l'élimination et la neutralisation des polluants. Une membrane perméable filtrante pour l'ultra-filtration 213 est logée dans l'orifice de sortie 23. Cette membrane 213 permet de retenir les polluants oxydés ou 15 agrégés par exposition aux ultra-violets, aux ultrasons ou au champ magnétique généré par les électroaimants 212, de taille supérieure à environ 10 nanomètres. Du fait de la faible valeur du diamètre hydraulique des pores de la membrane, le rayonnement ultra-violet et les ultrasons peuvent 20 avantageusement se propager par diffraction à l'extérieur du boitier 17, au- delà de la membrane 213 et continuer à agir sur les polluants résiduels à la sortie du système de purification 10. L'eau purifiée obtenue après passage dans le système de purification 10 est ensuite stockée dans une citerne 18. Cette eau est soutirée de la 25 citerne 18 pour être mélangée avec des tensioactifs afin de produire des produits détergents dans cet exemple de mode de réalisation de l'invention. L'utilisation d'une eau purifiée par le système 10 a permis de potentialiser l'action de décontamination du produit détergent et d'augmenter son pouvoir moussant, mouillant et émulsifiant.

La figure 3 présente les étapes du procédé de purification d'un écoulement d'eau mises en oeuvre au sein du système de purification d'eau 10 sous forme de schéma-bloc. Dans une étape 31, l'eau s'écoulant est adoucie et traitée par osmose inverse au sein de l'adoucisseur-osmoseur 15. L'écoulement d'eau est ensuite exposé à un rayonnement ultra-violet émis par la lampe à vapeur de mercure 16, dans une étape 32. Dans une étape suivante 33, l'écoulement d'eau circule au travers d'un lit de billes 17 de diamètres 8, 12 et 20 millimètres, formé d'une pluralité de billes métalliques et d'une pluralité de billes en matériau non magnétique distribuées de façon sensiblement homogène au sein du lit de billes 17. Au cours de l'étape 33, l'eau est exposée à des ultrasons de fréquence égale à 37kHz sur une portion 24 dudit lit de billes 17 (étape 331) et à un champ électromagnétique sur une portion 25 dudit lit de billes 17 (étape 332).

Enfin, l'écoulement d'eau est filtré au travers d'une membrane poreuse 213, dans une étape 34. Dans des variantes du mode de réalisation de l'invention détaillé ci-dessus, il peut également être prévu : un lit de billes formé de billes de diamètre identique ; un lit de bille de porosité égale à 0,17, 0,2, 0,22, 0,25, 0,28, 0,32, 0,36 ou 0,38 ; un lit de bille rectiligne ou présentant plusieurs boucles ; de filtrer l'écoulement d'eau au travers d'un complexe microporeux ou d'une grille microporeuse.

Dans une autre variante, il peut être envisagé, sans sortir du cadre de l'invention, que la première et la deuxième portion du lit de bille soient confondues.30

Claims (4)

1. REVENDICATIONS1. Procédé de purification d'un écoulement d'eau, notamment d'un écoulement d'eau de forage ou d'eau de ville destinée à la fabrication d'une préparation industrielle sous forme liquide, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes dans cet ordre : - adoucissement et traitement par osmose inverse dudit écoulement d'eau ; - exposition dudit écoulement d'eau à un rayonnement ultra-violet ; - circulation dudit écoulement d'eau au travers d'un lit de billes de diamètre compris entre 5 et 30 millimètres, formé d'une pluralité de billes métalliques et d'une pluralité de billes en matériau non magnétique distribuées de façon sensiblement homogène au sein dudit lit de billes, au cours de laquelle ledit écoulement d'eau est exposé à des ultrasons de fréquence préférentiellement comprise entre 20 et 60 kHz et encore plus préférentiellement entre 34 et 38kHz sur au moins une première portion dudit lit de billes et à un champ électromagnétique sur au moins une deuxième portion dudit lit de billes.
2. 2. Procédé de purification selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite pluralité de billes métalliques et ladite pluralité de billes en matériau non magnétique sont formées de billes de diamètres sensiblement identiques.
3. 3. Procédé de purification selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que ladite pluralité de billes métalliques est en acier inoxydable magnétique.
4. 4. Procédé de purification selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que lesdites première et deuxième portions dudit lit de bille se chevauchent au moins partiellement. S. Procédé de purification selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ladite première portion dudit lit de billes et ladite deuxième portion dudit lit de billes sont séparées par une cloison. 6. Procédé de purification selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ledit lit de billes s'étend sur 1,8 mètre à 2,2 mètres de long dans la direction dudit écoulement. 7. Procédé de purification selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ledit lit de billes est un lit de billes compacté présentant une porosité comprise entre 0,17 et 0,38. 8. Procédé de purification selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une étape de filtration dudit écoulement d'eau au travers d'un élément microporeux tel qu'un complexe, une grille ou une membrane. 9. Procédé de purification selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit élément microporeux présente un diamètre hydraulique inférieur, et de préférence au moins 10 fois inférieur, à une longueur d'onde desdits ultrasons et/ou dudit champ magnétique et/ou dudit rayonnement ultraviolet 10. Procédé de purification selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le pas moyen du réseau dudit lit de bille et/ou le diamètre moyen des pores dudit lit de bille est un multiple de la longueur d'onde associée à ladite fréquence des ultrasons. 11. Procédé de purification selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que ledit lit de bille est logé dans un boitier au moins partiellement opaque présentant au moins une dimension intérieure multiple d'une longueur d'onde desdits ultrasons et/ou dudit champ 20 électromagnétique. 12. Système de purification d'un écoulement d'eau, notamment d'eau de forage ou d'eau de ville destinée à la fabrication d'une préparation industrielle sous forme liquide, configuré de sorte à pouvoir être monté sur un conduit d'écoulement de ladite eau, caractérisé en ce qu'il comprend : 25 - des moyens d'adoucissement et de traitement par osmose inverse dudit écoulement d'eau ; - un lit de billes de diamètre compris entre 5 et 30 millimètres, formé d'une pluralité de billes métalliques et d'une pluralité de billes en matériau non magnétique distribuées de façon sensiblement homogène au sein dudit lit de 30 billes ;- des moyens d'exposition dudit écoulement à des ultrasons de fréquence préférentiellement comprise entre 20 et 60 kHz et encore plus préférentiellement entre 34 et 38kHz sur au moins une première portion dudit lit de billes ; - des moyens d'exposition dudit écoulement à un champ électromagnétique sur au moins une deuxième portion dudit lit de billes ; et - des moyens d'exposition dudit écoulement d'eau à un rayonnement ultraviolet montés en amont dudit lit de billes.10