FR3030479A1 - Installation et procede de mineralisation d'une boisson aqueuse - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne une installation pour la minéralisation d'une boisson aqueuse comprenant un réservoir de minéralisation dans lequel sont disposées une anode soluble destinée à plonger dans la boisson à minéraliser et à être reliée au pôle positif d'un générateur de courant électrique, l'anode comprenant un alliage comprenant du calcium, du magnésium et du zinc, l'alliage comprenant le composé Mg2Ca, et une cathode destinée à être reliée au pôle négatif dudit générateur.
Description
INSTALLATION ET PROCEDE DE MINERALISATION D'UNE BOISSON AQUEUSE La présente invention concerne de manière générale une installation et un procédé de minéralisation d'une boisson aqueuse, et notamment de l'eau potable. Le domaine visé est en premier lieu celui des articles électroménagers prévus pour la préparation de boissons aqueuses, et plus particulièrement la minéralisation de boissons aqueuses, y compris l'eau potable.
Par minéralisation d'une boisson, on entend, au sens de la présente invention, son enrichissement en sels minéraux et/ou oligo-éléments. Par eau potable, on entend, au sens de la présente invention, toute eau apte à la consommation humaine. Il existe un besoin pour des systèmes simples et efficaces pour obtenir 15 des eaux minceur, des eaux répondant aux apports journaliers ou des eaux bien être. A l'heure actuelle, la majorité des procédés mis en oeuvre pour minéraliser de l'eau potable utilise le même principe de dissolution passive de sels minéraux (par exemple sous forme de roche soluble telle que la dolomite), 20 qui présente l'inconvénient d'être lent et de ne pas permettre un large choix dans la composition finale de l'eau en minéraux. Il est connu de l'homme de l'art d'utiliser la voie électrolytique pour traiter de l'eau. Ainsi, le document brevet WO 2013/064764 divulgue un procédé et un dispositif de minéralisation d'eau potable par dissolution 25 anodique (électrolyse forcée), notamment d'alliages comprenant du calcium et du magnésium. Cependant, les eaux minérales sont naturellement entartrantes. Le type de dissolution, décrit dans ce document brevet, dans ces eaux très minérales mène à une formation importante de tartre et d'oxydes limitant les quantités 30 d'ions métalliques Mg2+ et Ca2+ relargués en solution. En effet, lors de la dissolution anodique d'un alliage Mg-Ca dans de l'eau minérale, on relargue en solution des ions Mg2+ et Ca2+. Le Mg2+ reste facilement en solution, par contre, les ions Ca2+ ont tendance à réagir avec les ions C032- et à former du tartre, la dissolution anodique d'un alliage Mg-Ca ayant tendance à déplacer grandement les équilibres calcocarboniques de l'eau et à favoriser la formation de tartre CaCO3. Afin de pallier aux inconvénients de l'art antérieur, la Demanderesse a développé des systèmes de minéralisation permettant d'accélérer les cinétiques de dissolution du magnésium et du calcium tout en favorisant un relargage plus important des cations Mg2+ et Ca2+. La présente invention a donc pour objet une installation pour la minéralisation d'une boisson aqueuse, par exemple une eau potable, comprenant un réservoir de minéralisation dans lequel sont disposées : - une anode soluble destinée à plonger dans la boisson à minéraliser et à être reliée au pôle positif d'un générateur de courant électrique, l'anode comprenant un alliage comprenant du calcium, du magnésium et du zinc ; et - une cathode destinée à être reliée au pôle négatif dudit générateur et étant destinée à: - plonger dans la boisson à minéraliser, ou à - plonger dans une solution saturée en sels aptes à assurer la conduction électrique dans le milieu tout en évitant de redéposer par réduction du métal sur ladite cathode, le réservoir de minéralisation comprenant alors en outre une membrane imperméable aux cations métalliques dudit alliage issus de l'anode soluble sous l'effet d'un courant électrique, ladite membrane étant destinée à séparer la boisson à minéraliser de la solution saturée en sels ; caractérisée en ce que l'alliage comprend le composé Mg2Ca. Le but de la présente invention est tout d'abord d'éviter la formation de tartre lors de la dissolution anodique des alliages comprenant du magnésium et du calcium, afin d'accélérer les vitesses de dissolution de ces éléments 30 métalliques. En effet, le zinc permet d'inhiber, au moins partiellement, la formation du tartre car les ions Zn2+ réagissent de façon préférentielle avec les ions carbonates et vont donc limiter la formation de CaCO3. Ainsi, les ions Zn2+ relargués en même temps que les ions Mg2+ et Ca2+ par dissolution anodique vont se substituer aux ions Ca2+ dans le processus de formation du tartre. En outre, la présence du zinc dans l'alliage de l'invention permet d'accroître la corrosion galvanique et micro galvanique au sein de l'alliage, et ainsi stimuler le relargage des ions Mg2+ et Ca2+. Avantageusement, la fraction atomique en calcium dudit alliage est d'au moins 10 °A, et est de préférence comprise entre 10 et 33 °A. Ces plages préférées de teneur en calcium permettent d'obtenir un alliage présentant la microstructure suivante : des dentrites de Mg2Ca et un composé eutectique lamellaire contenant du Mg et du Mg2Ca. Cette microstructure particulière permet d'obtenir un relargage optimal en calcium. La teneur en zinc peut être inférieure ou égale à 5 % en poids, et de préférence comprise entre 2,4 et 5 % en poids, par rapport au poids total de l'alliage.
Avantageusement, l'alliage comprend en outre le composé Mg2Ca6Zn3. La présence de ce composé dans l'alliage selon l'invention permet de stimuler encore plus la corrosion galvanique et micro galvanique dans l'alliage lors de la dissolution et va favoriser un relargage encore plus important des cations Mg2+ et Ca2+.
Avantageusement, le composé majoritaire de l'alliage selon l'invention est le magnésium et le composé minoritaire dudit alliage est le zinc. La teneur relative en poids de magnésium par rapport au calcium peut être inférieure à 100:0 et supérieure ou égale à 66,7:33,3. La teneur relative en poids de magnésium et de calcium par rapport au zinc peut être inférieure à 100:0 et supérieure ou égale à 95:5. Avantageusement, ledit alliage est constitué de magnésium, calcium et zinc. Un tel alliage est biocompatible et permet donc une utilisation libre dans des systèmes de minéralisation de boissons aqueuses. Par composé biocompatible, on entend au sens de la présente invention tout composé qui est utilisé en lien étroit avec l'organisme et le corps humain pour remplacer ou compléter une partie ou une fonction du corps de manière fiable, sûre et acceptable d'un point de vue économique et physiologique.
Avantageusement, l'anode est constituée de l'alliage selon l'invention. L'alliage peut être sous forme d'une mousse métallique dont les pores sont vides ou remplis d'au moins un sel métallique, tel que du carbonate de calcium.
Avantageusement, l'alliage selon l'invention peut être préparé par moulage, notamment par moulage par gravité ou par moulage sous-pression, d'un mélange en fusion comprenant du magnésium, du calcium et du zinc. La température (lors du mélange et de la coulée) du mélange métallique en fusion lors de la préparation de l'alliage selon l'invention peut être comprise entre 685 et 710°C. Le mélange métallique peut être mélangé en fusion entre 30 et 60 minutes afin qu'il soit homogène. Selon un mode de réalisation de l'invention, la cathode peut comprendre au moins un matériau conducteur et posséder un potentiel électrochimique supérieur au potentiel chimique de l'alliage comprenant du calcium, du magnésium et du zinc constitutif de l'anode. Avantageusement, la cathode comprend au moins l'un de l'acier inoxydable, du graphite, du platine. En fonctionnement, lorsque l'on applique une différence de potentiel entre l'anode et la cathode, on génère à l'anode la formation de cations métalliques dudit alliage. La vitesse de réaction est contrôlée par l'intensité du courant électrique ainsi généré. Les réactions principales qui se déroulent à l'anode sont les suivantes : (1) Mg Mg2+ + 2e- (2) Ca Ca2+ + 2e- (3) Zn Zn2+ + 2e La proportion des éléments, de l'alliage constitutif de l'anode, qui se dissolvent dépend de la microstructure dudit alliage puisque c'est la phase dendritique (dont le ratio volumique dépend de la composition et de la fabrication de l'alliage) qui se dissout préférentiellement par rapport à la phase eutectique lamellaire plus compacte. Leur vitesse de dissolution est proportionnelle au courant électrique imposé et aux paramètres physiques liés à la loi de Faraday (distance entre les électrodes, surface spécifique, conductivité de la solution de travail, durée de dissolution).
Si l'anode est constituée d'un matériau poreux tel qu'une mousse de l'alliage selon l'invention dont les pores sont remplis d'au moins un sel minéral, l'alliage se dissout comme indiqué ci-dessus, tandis que les sels métalliques contenus dans les pores passent en solution selon les principes de dissolution classique des sels dans l'eau. Les concentrations en minéraux que l'on souhaite relarguer pour une boisson ou une eau donnée dépendent de facteurs tels que la vitesse de dissolution (dépendante du courant électrique imposé, et de la surface de l'anode), le temps de passage de l'eau sur la surface de l'anode ou les surfaces exposées de sels minéraux et/ou de métaux. En fonctionnement, en faisant varier un certain nombre de paramètres (comme par exemple la taille de l'anode, la composition chimique de l'anode, l'intensité du courant, la distance entre les électrodes, la durée de dissolution, la température, l'agitation de la boisson de départ ou encore, éventuellement l'épaisseur de la membrane séparant les réacteurs anodique et cathodique), on peut donc choisir la concentration que l'on souhaite atteindre. L'installation selon l'invention, peut comprendre en outre un dispositif de filtration de la boisson à minéraliser, et un système de circulation de la boisson à minéraliser apte à amener la boisson filtrée en provenance dudit dispositif de filtration vers ledit réservoir de minéralisation. Il s'agit de préférence d'un système par osmose inverse, car il permet d'éliminer la grande majorité des composants organiques et inorganiques indésirables dissous, comme par exemple les métaux lourds (en l'occurrence Pb, Cd, et Hg) ou les particules organiques comme les bactéries ou hydrocarbures. Etant donné qu'un système par osmose inverse a par ailleurs tendance à éliminer aussi les sels minéraux, l'installation selon l'invention permet de partir d'une eau pure, que l'on reminéralise ensuite en maitrisant la quantité finale de minéraux dans l'eau. La présente invention a encore pour objet un procédé de minéralisation d'une boisson aqueuse, telle qu'une eau potable, par voie électrolytique comportant les étapes suivantes : - introduction de la boisson à minéraliser dans le réservoir de minéralisation d'une installation pour la minéralisation d'une boisson aqueuse dans lequel sont disposées : - une anode soluble destinée à plonger dans la boisson à minéraliser et à être reliée au pôle positif d'un générateur de courant électrique, l'anode comprenant un alliage comprenant du calcium, du magnésium et du zinc ; et - une cathode destinée à être reliée au pôle négatif dudit générateur et étant destinée à: - plonger dans la boisson à minéraliser, ou à - plonger dans une solution saturée en sels aptes à assurer la conduction électrique dans le milieu tout en évitant de redéposer par réduction du métal sur ladite cathode, le réservoir de minéralisation comprenant alors en outre une membrane imperméable aux cations métalliques dudit alliage issus de l'anode soluble sous l'effet d'un courant électrique, ladite membrane étant destinée à séparer la boisson à minéraliser de la solution saturée en sels ; puis - application d'une différence de potentiel entre l'anode et la cathode, de manière à générer à l'anode la formation de cations métalliques dudit alliage ; caractérisée en ce que l'alliage comprend le composé Mg2Ca. Avantageusement, la boisson à minéraliser est en circulation dans le 25 réservoir, le réservoir comprenant en conséquence au moins une entrée et au moins une sortie. L'installation pour la minéralisation d'une boisson aqueuse utilisée dans le procédé de minéralisation selon l'invention peut être telle que décrite précédemment. L'installation selon l'invention permet la mise en oeuvre du 30 procédé selon l'invention lorsque l'on applique une différence de potentiel entre l'anode et la cathode. Avantageusement, ledit procédé de minéralisation comprend en outre une étape de filtration de la boisson à minéraliser avant l'introduction de la boisson à minéraliser dans ledit réservoir. La filtration comprend de préférence une filtration par osmose inverse, de manière à éliminer l'essentiel des composés indésirables et obtenir une eau la plus pure possible. Les avantages du procédé selon l'invention, notamment mis en oeuvre grâce à l'installation selon l'invention, sont les suivants : - procurer à un utilisateur, dans le cadre d'un usage domestique, une boisson aqueuse ou une eau minéralisée riche en minéraux, quelle que soit la provenance de l'eau, - fabriquer de l'eau minéralisée par un procédé sain, car il ne met en jeu 10 que des minéraux habituellement présents dans l'eau avec une concentration optimisée, sans adjuvants et en ne faisant seulement intervenir qu'un courant électrique, - maitriser la quantité de sels minéraux libérés : ce qui est possible en jouant notamment sur l'intensité du courant électrique et le flux d'eau sur la 15 surface de l'anode, - éviter l'entartrage et ainsi assurer un relargage continu des minéraux. D'autres avantages et particularités de la présente invention résulteront de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux figures 1 à 6 annexées : 20 - la figure 1 représente une vue schématique en coupe d'un premier mode de réalisation d'une installation selon l'invention, - la figure 2 représente une vue schématique en coupe d'un second mode de réalisation d'une installation selon l'invention, - la figure 3 est un graphique représentant l'évolution du relargage 25 d'ions Mg2+ en fonction du temps, dans de l'eau d'Evian® pour différentes teneurs en zinc (cf. exemple), - la figure 4 est un graphique représentant l'évolution du relargage d'ions Ca2+ en fonction du temps, dans de l'eau d'Evian® pour différentes teneurs en zinc (cf. exemple), 30 - la figure 5 est un graphique représentant l'évolution du relargage d'ions Mg2+ en fonction du temps, dans de l'eau de Volvic® pour différentes teneurs en zinc (cf. exemple), et - la figure 6 est un graphique représentant l'évolution du relargage d'ions Ca2+ en fonction du temps, dans de l'eau de Volvic® pour différentes teneurs en zinc (cf. exemple). Les éléments identiques représentés sur les figures 1 et 2 sont identifiés par des références numériques identiques. L'installation de minéralisation 1 selon l'invention représentée sur la figure 1 comporte un réservoir de minéralisation 2, dans lequel sont disposées : - une anode 3 soluble, et - une cathode 4, plongées dans la boisson aqueuse 5 à minéraliser. L'installation de minéralisation 1 est connectée à un générateur de courant électrique 6, l'anode 3 étant connectée au pôle positif du générateur 6 et la cathode 4 étant connectée au pôle négatif du générateur 6. La boisson aqueuse 5 à minéraliser est mise en circulation dans le réservoir 2 et une différence de potentiel est appliquée entre l'anode 3 et la cathode 4 grâce au générateur 6. L'installation de minéralisation 1 selon l'invention représentée sur la figure 2 comporte un réservoir de minéralisation 2, dans lequel sont disposées : - une anode 3 soluble plongée dans la boisson aqueuse 5 à minéraliser, - une cathode 4 plongée dans une solution 8 saturée en sels aptes à assurer la conduction électrique dans le milieu tout en évitant de redéposer par réduction du métal sur la cathode 4, et - une membrane 7 imperméable aux cations métalliques provenant de la dissolution de l'anode 3. L'installation de minéralisation 1 est connectée à un générateur de courant électrique 6, l'anode 3 étant connectée au pôle positif du générateur 6 et la cathode 4 étant connectée au pôle négatif du générateur 6. La boisson aqueuse 5 à minéraliser est mise en circulation dans le réservoir 2 et une différence de potentiel est appliquée entre l'anode 3 et la cathode 4 grâce au générateur 6.
EXEMPLE Cinq anodes ont été préparées : une anode consistant en un alliage Mg-Ca pour servir de témoin et quatre anodes selon l'invention, chacune consistant en un alliage Mg-Ca-Zn contenant une teneur différente en zinc. La composition de chacune de ces anodes est détaillée dans le tableau 1 ci-dessous. Tableau 1 Anode Anode 1 Anode 2 Anode 3 Anode 4 témoin Magnésium 76 75 74 73 71 (% en poids) Calcium 24 24 24 24 24 (% en poids) Zinc 0 1 2 3 5 (% en poids) Les anodes ont été préparées par moulage sous-pression de ces éléments en fusion. Du magnésium, du calcium et du zinc (le cas échéant) sous forme métallique ont été chauffés à une température comprise entre 685°C et 690°C afin d'être mis en fusion et mélangés pendant 30 à 40 minutes, dans des 15 teneurs conformes au tableau 1. Ces éléments métalliques en fusion ont été injectés, toujours à une température comprise entre 685°C et 690°C, dans un moule, préchauffé et maintenu pendant la coulée à 200°C, afin de fabriquer des lingots de 90 mm de large, 40 mm de profondeur et 150 mm de haut. Les anodes utilisées dans le 20 présent exemple sont des morceaux des lingots obtenus avec une surface de contact de 4 cm2. Chaque anode soluble définie ci-dessus et une cathode ont été plongées dans un réservoir de l'installation selon l'invention, dans lequel ont été introduits environ 700 mL d'eau d'Evian® ou d'eau de Volvic®. L'anode et la cathode étaient en contact direct avec l'eau à minéraliser. La différence de potentiel appliquée entre les électrodes était de 40V, la distance entre les électrodes était de 0,2 cm et les anodes utilisées (telles que définies ci-dessous) présentaient une surface de travail en alliage de 4 cm2. Les expériences ont été menées à température ambiante (soit environ 25°C). La cathode utilisée était en acier inoxydable. Les résultats obtenus sont représentés sur les Figures 3 à 6 dans lesquelles : - le symbole x (une croix) correspond à l'anode témoin, - le symbole ^ (un triangle) correspond à l'anode 1, - le symbole - (un carré) correspond à l'anode 2, - le symbole - (un rond) correspond à l'anode 3, et - le symbole - (un losange) correspond à l'anode 4. Les Figures 3 et 4 représentent l'évolution du relargage d'ions Mg2+ et Ca2+ respectivement en fonction du temps dans de l'eau d'Evian®. Les Figures 5 et 6 représentent l'évolution du relargage d'ions Mg2+ et Ca2+ respectivement en fonction du temps dans de l'eau de Volvic®.
Il est observable sur ces figures que les relargages en ions Mg2+ et Ca2+ sont d'autant plus importants que la teneur en zinc dans l'alliage concerné augmente. Ceci s'explique par le fait que les alliages étudiés dans cet exemple ont une microstructure à l'équilibre (homogène) composée de dentrites pro- eutectiques Mg2Ca et d'un composé eutectique lamellaire comprenant du Mg et du Mg2Ca (observations réalisées au microscope électronique à balayage).
Claims (12)
- REVENDICATIONS1. Installation pour la minéralisation d'une boisson aqueuse comprenant un réservoir de minéralisation dans lequel sont disposées : - une anode soluble destinée à plonger dans la boisson à minéraliser et à être reliée au pôle positif d'un générateur de courant électrique, l'anode comprenant un alliage comprenant du calcium, du magnésium et du zinc ; et - une cathode destinée à être reliée au pôle négatif dudit générateur et étant destinée à: - plonger dans la boisson à minéraliser, ou à - plonger dans une solution saturée en sels aptes à assurer la conduction électrique dans le milieu tout en évitant de redéposer par réduction du métal sur ladite cathode, le réservoir de minéralisation comprenant alors en outre une membrane imperméable aux cations métalliques dudit alliage issus de l'anode soluble sous l'effet d'un courant électrique, ladite membrane étant destinée à séparer la boisson à minéraliser de la solution saturée en sels ; caractérisée en ce que l'alliage comprend le composé Mg2Ca.
- 2. Installation selon la revendication 1, dans laquelle la fraction atomique en calcium dudit alliage est d'au moins 10 %.
- 3. Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la teneur en zinc est inférieure ou égale à 5 °A en poids par rapport au poids total de l'alliage.
- 4. Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle l'alliage comprend en outre le composé Mg2Ca6Zn3.
- 5. Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la teneur relative en poids de magnésium par rapport au calcium est inférieure à 100:0 et supérieure ou égale à 66,7:33,3.
- 6. Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la teneur relative en poids de magnésium et de calcium par rapport au zinc est inférieure à 100:0 et supérieure ou égale à 95:5.
- 7. Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle ledit alliage est constitué de magnésium, calcium et zinc.
- 8. Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle l'anode est constituée dudit alliage.
- 9. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que l'alliage est sous forme d'une mousse métallique.
- 10. Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la cathode comprend au moins un matériau conducteur et possédant un potentiel électrochimique supérieur au potentiel chimique de l'alliage comprenant du calcium, du magnésium et du zinc de l'anode.
- 11. Installation selon la revendication 10, dans laquelle la cathode comprend au moins l'un de l'acier inoxydable, du graphite, du platine. 25
- 12. Procédé de minéralisation d'une boisson aqueuse par voie électrolytique comportant les étapes suivantes : - introduction de la boisson à minéraliser dans le réservoir de minéralisation d'une installation pour la minéralisation d'une boisson 30 aqueuse dans lequel sont disposées : - une anode soluble destinée à plonger dans la boisson à minéraliser et à être reliée au pôle positif d'un générateur decourant électrique, l'anode comprenant un alliage comprenant du calcium, du magnésium et du zinc ; et - une cathode destinée à être reliée au pôle négatif dudit générateur et étant destinée à: - plonger dans la boisson à minéraliser, ou à - plonger dans une solution saturée en sels aptes à assurer la conduction électrique dans le milieu tout en évitant de redéposer par réduction du métal sur ladite cathode, le réservoir de minéralisation comprenant alors en outre une membrane imperméable aux cations métalliques dudit alliage issus de l'anode soluble sous l'effet d'un courant électrique, ladite membrane étant destinée à séparer la boisson à minéraliser de la solution saturée en sels ; puis - application d'une différence de potentiel entre l'anode et la cathode, de manière à générer à l'anode la formation de cations métalliques dudit alliage ; caractérisé en ce que l'alliage comprend le composé Mg2Ca.
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| CN109626551A (zh) * | 2019-01-03 | 2019-04-16 | 同济大学 | 一种新型阴阳极内置式电化学微滤膜生物反应器及其应用 |
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| CN101665944A (zh) * | 2008-09-05 | 2010-03-10 | 淄博宏泰防腐有限公司 | 一种高电流效率Mg-Mn-Ca-Zn-Sr牺牲阳极 |
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