FR3118767A1 - Procédé de traitement d’un liquide, notamment aqueux, en vue de son échauffement, de la production de vapeur, du développement d’une réaction de catalyse, de la production de nanoparticules et/ou de la concentration d’au moins une espèce présente en son sein - Google Patents
Procédé de traitement d’un liquide, notamment aqueux, en vue de son échauffement, de la production de vapeur, du développement d’une réaction de catalyse, de la production de nanoparticules et/ou de la concentration d’au moins une espèce présente en son sein Download PDFInfo
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Abstract
Procédé de traitement d’un liquide, notamment aqueux, en vue de la production de nanoparticules en son sein Procédé de traitement d’un liquide, notamment aqueux, en vue de la production de nanoparticules, dans lequel on expose un liquide ou l’on fait circuler un flux du liquide dans au moins une zone de traitement formée entre au moins deux électrodes reliées à une source de courant alternatif de fréquence d’alternance de phase supérieure ou égale à 100 Hz, de manière à produire des nanoparticules sous l’effet du passage du courant entre ces électrodes. Figure pour l’abrégé : Fig. 33
Description
La présente invention concerne les procédés de traitement d’un liquide en vue de son échauffement, de la production de vapeur, du développement d’une réaction de catalyse, de la production de nanoparticules et/ou de la concentration d’au moins une espèce en son sein.
FR3036467 décrit un dispositif d’échauffement d’un liquide comportant deux électrodes et une alimentation électrique appliquant un courant alternatif de 220V et 50 Hz entre les deux électrodes.
WO2009/049194 divulgue un dispositif pour générer de l’eau chaude pour des installations de chauffage domestique, le dispositif comportant des électrodes métalliques, notamment en acier, alimentées par un courant alternatif de 60 Hz et 120V ou 220/240V.
EP 2394965 décrit un dispositif de purification/décontamination de l’eau par électrolyse, comportant des électrodes alimentées par un courant triphasé. Ce document indique que les électrodes sont formées d’un matériau poreux de manière à maintenir un haut niveau d’électrolyse.
Les dispositifs ci-dessus entraînent une production d’une quantité non négligeable d’hydrogène et d’oxygène par électrolyse, ce qui pose des problèmes d’évacuation de ces gaz en raison du risque d’explosion à certaines concentrations.
L’invention vise à proposer un procédé de traitement d’un liquide, notamment aqueux, en vue de son échauffement, de la production de vapeur, du développement d’une réaction de catalyse, de la production de nanoparticules et/ou de la concentration d’au moins une espèce en son sein, qui permette de diminuer voire d’éliminer le phénomène d’électrolyse de l’eau et la production d’hydrogène et d’oxygène liée à cette électrolyse.
Procédé
de traitement d’un liquide
,
notamment
aqueux
,
en vue
d
e son
échauffement, de
la
production de vapeur,
du développement d’une réaction
de catalyse
, de la production de nanoparticules
et/ou de
la
concentration
d’au moins une espèce
présente
en son sein
Selon l’invention, on expose un liquide, notamment aqueux, ou l’on fait circuler un flux d’un liquide dans au moins une zone de traitement formée entre au moins deux électrodes reliées à une source de courant alternatif de fréquence d’alternance de phase supérieure ou égale à 100 Hz, de manière à échauffer, vaporiser, activer chimiquement, produire des nanoparticules et/ou concentrer le liquide au moins partiellement sous l’effet du passage du courant entre ces électrodes.
On peut notamment faire circuler un flux d’un liquide dans au moins une zone de traitement formée entre au moins deux électrodes reliées à une source de courant alternatif de fréquence d’alternance de phase supérieure ou égale à 100 Hz, de manière à échauffer, vaporiser, activer chimiquement et/ou concentrer le liquide au moins partiellement sous l’effet du passage du courant entre ces électrodes.
On peut encore exposer un liquide aqueux, contenant notamment un ou plusieurs sels métalliques, dans au moins une zone de traitement formée entre au moins deux électrodes, reliées à une source de courant alternatif de fréquence d’alternance de phase supérieure ou égale à 100 Hz, de manière à produire des nanoparticules sous l’effet du passage du courant entre ces électrodes.
La demanderesse a constaté que le procédé selon invention peut permettre, de manière surprenante, de diminuer significativement, voire d’éliminer, la production de gaz indésirable(s), en particulier ceux produits par électrolyse tels que l’hydrogène (H2) et l’oxygène (O2) par exemple, lorsque le liquide est aqueux.
Le procédé selon l’invention peut également permettre, de manière surprenante, la vaporisation instantanée et en continu du flux de liquide, notamment aqueux, traversant la zone de traitement. Cela est possible pour une température du liquide entrant dans la zone de traitement supérieure ou égale à 0°C. Cela signifie que le procédé selon l’invention peut permettre la vaporisation instantanée et en continu d’un flux de liquide dont la température est comprise entre 0°C et 10°C, ce qui est particulièrement remarquable. L’invention peut encore permettre de vaporiser des liquides qui sont amenés dans la zone de traitement à une température inférieure à 0°C, et sont sous une pression qui leur permet de rester liquide à cette température.
Le procédé selon l’invention peut permettre la production de nanoparticules.
Le procédé selon l’invention est en outre robuste et performant en termes de rendement énergétique.
Zone de traitement
La zone de traitement peut être formée entre au moins deux électrodes alimentées par un courant monophasé.
En variante, la zone de traitement est formée entre au moins trois électrodes alimentées par un courant multi-phasé, de préférence triphasé, encore plus préférentiellement avec un équilibre entre les phases. Dans ce cas, le procédé selon l’invention présente un rendement énergétique supérieur à celui d’une résistance électrique chauffante pour des applications de production de vapeur.
La zone de traitement peut être formée entre trois électrodes disposées selon une maille triangulaire équilibrée, ou entre six électrodes disposées comme les sommets d’un triangle équilatéral et à mi-longueur des côtés, ou disposées comme un hexagone.
Le courant peut circuler entre au moins deux électrodes dont une électrode de neutre placée dans la zone de traitement. L’électrode de neutre peut être réalisée dans un matériau ferromagnétique. Cela peut permettre de concentrer davantage le champ magnétique généré par le passage du courant dans la zone de traitement. Le matériau ferromagnétique peut-être recouvert ou non d’un matériau isolant et/ou relié ou non à la source de courant alternatif selon que l'on souhaite ou non qu'il modifie le champ magnétique et/ou le champ électrique.
Electrodes
Les électrodes peuvent être réalisées dans tout matériau conducteur électrique, par exemple en graphite, dans un matériau métallique, notamment le fer, l’acier, l’acier inoxydable, le titane, l’or, le cuivre, ou un matériau non-métallique conducteur, notamment à base de polymères ou de semi-conducteurs tels que des métalloïdes. Le fait que les électrodes soient reliées à une source de courant alternatif de fréquence d’alternance de phase supérieure ou égale à 100 Hz permet de limiter l’oxydation des électrodes, en plus de limiter les phénomènes d’électrolyse de l’eau comme mentionné précédemment.
De préférence, les électrodes sont réalisées dans un matériau inerte chimiquement vis-à-vis du liquide traité.
De préférence, les électrodes sont réalisées en graphite.
Les électrodes peuvent comporter des portions isolées électriquement et des portions non-isolées, les portions non-isolées définissant des dipôles électriques agencés selon une maille tridimensionnelle superposable par changement d’échelle à une maille cristalline cubique simple, cubique faces centrées, de type « Blende » ou hexagonale. Une portion isolée d’une électrode est par exemple obtenue par l’utilisation d’une gaine isolante entourant l’électrode.
L’utilisation d’électrodes métalliques peut permettre la formation de sels et/ou de sphérules métalliques, notamment de particules métalliques colloïdales. Par exemple, on utilise des électrodes en acier, en titane ou en or de manière à permettre respectivement la formation d’oxydes de fer, d’oxydes de titane ou de microsphérules d’or.
L’utilisation d’une électrode métallique peut permettre la production de nanoparticules de ce métal.
Les électrodes peuvent être de forme tubulaire, sphérique, cylindrique ou sous forme de plaque.
La longueur des électrodes peut être comprise entre 1 µm et 1 m. Par exemple, les électrodes mesurent 10 cm de longueur.
Les électrodes peuvent être disposées en parallèle ou se rapprocher l’une de l’autre en allant vers la partie supérieure de la zone de traitement, de manière à former par exemple une forme de pyramide ou de cône.
La distance entre deux électrodes peut être choisie en fonction du champ électrique souhaité. Elle peut être comprise entre 1 µm et 1 m.
Liquide
Le liquide peut être aqueux ou non. Lorsque non aqueux, le liquide est par exemple de l’hydrogène liquide ou un autre gaz liquéfié.
La circulation du flux de liquide, notamment aqueux, dans la zone de traitement peut être réalisée par tout moyen, notamment à l’aide d’une pompe, notamment péristaltique, centrifuge ou volumétrique. En variante, la circulation du flux de liquide dans la zone de traitement est réalisée par gravité.
Le liquide aqueux peut être choisi parmi de l’eau plus ou moins minéralisée ou polluée, et plus généralement parmi une solution aqueuse, une suspension aqueuse, une émulsion aqueuse ou une boue aqueuse.
Le procédé selon l’invention peut permettre d’échauffer le liquide. Le liquide à échauffer est par exemple constitué d’eau circulant dans un circuit de chauffage, ou un gaz liquéfié que l’n cherche à vaporiser très rapidement.
La demanderesse a constaté que le procédé selon invention peut permettre de purifier un liquide aqueux par dégradation de molécules organiques contenues dans le liquide aqueux. Le liquide aqueux en sortie de la zone de traitement ou les condensats issus de la condensation de la vapeur produite par le procédé correspondent respectivement alors à un liquide aqueux purifié ou à une eau purifiée.
Le liquide aqueux peut comporter une ou plusieurs molécules organiques, notamment des molécules aromatiques, perturbateurs endocriniens, hydrocarbures et/ou polluants. Par exemple, les molécules organiques sont du « Triton X-100 », L-méthionine, acétate de médroxyprogestérone, parahydroxybenzoate de méthyle et/ou violet de gentiane.
Le liquide aqueux à purifier peut être un effluent aqueux provenant d’une unité industrielle, notamment une eau usée industrielle, ou être une eau usée domestique contenant différents types de polluants, notamment organiques, présentant une toxicité plus ou moins dangereuse et donc des risques pour l’environnement et la santé.
Le liquide aqueux à purifier peut encore être une eau brute, provenant notamment d’un puits, d’un forage ou d’une source, qui est destinée à être distribuée dans les circuits d'eau potable.
La présente invention peut ainsi permettre de purifier une eau usée avant son rejet dans le milieu naturel ou sa réutilisation ou rendre potable une eau brute.
Pour une telle application de purification, les électrodes sont de préférence réalisées dans un matériau conducteur non oxydable et inerte chimiquement, en particulier en graphite. Cela permet d’éviter que le liquide aqueux à purifier parcourant la zone de traitement ne soit pollué par des éléments provenant du matériau des électrodes, notamment par un relargage d’ions métalliques dans le cas d’électrodes réalisées dans un matériau métallique.
Le procédé selon l’invention peut permettre de concentrer le liquide aqueux. Le liquide aqueux à concentrer est par exemple une eau de mer ou une eau dure. Les ions Na+et Cl-de l’eau de mer ou les ions CO3 2-, Cl-, Ca2+et Mg2+de l’eau dure sont concentrés dans le liquide aqueux au sein de la zone de traitement et les condensats correspondent à de l’eau douce.
Le liquide aqueux peut contenir des ions métalliques qui réagissent avec les électrodes pour former des nanoparticules de métal.
Champ électrique
Le passage du courant dans la zone de traitement peut générer un champ électrique tournant et/ou oscillant. Ce champ électrique peut générer un champ magnétique qui est oscillant et orienté de manière perpendiculaire au champ électrique.
Le champ électrique, et notamment le champ magnétique, peut générer des paires de Cooper.
Au moins un noyau ferromagnétique peut être présent au sein de la zone de traitement. Le noyau ferromagnétique peut être isolé électriquement ou non. Il peut notamment être relié ou non à l’électrode de neutre.
La source de courant alternatif peut être de fréquence d’alternance de phase supérieure ou égale à 200, 300, 400, 500, 1000, 2000, 3000, 5000, 10000, 15000 ou 20000 Hz, de préférence supérieure ou égale à 300, 1000 ou 20000 Hz, et de préférence inférieure ou égale à 2 MHz, mieux inférieure ou égale à 1,6 MHz. La demanderesse a constaté que l’utilisation d’une fréquence d’alternance de phase supérieure ou égale à 300 Hz permet de réduire encore la production de gaz, en particulier ceux produits par électrolyse, et de limiter encore l’oxydation des électrodes. Par exemple, la source de courant alternatif est de fréquence d’alternance de phase égale à 3 kHz, 1,3 MHz ou 1,6 MHz. De préférence, la source de courant alternatif est de fréquence d’alternance de phase comprise entre 1 et 50 kHz.
Le courant d’alimentation des électrodes peut être ou non un courant haché. Dans le cas où le courant d’alimentation des électrodes est un courant haché, ce dernier l’est de préférence à une fréquence de hachage comprise entre 1 et 100 kHz. Le hachage du courant peut permettre d’améliorer les performances du procédé, notamment en permettant de maîtriser la forme d’onde du courant alternatif alimentant les électrodes.
La fréquence de hachage peut être strictement égale à deux fois la fréquence d’alternance de phase. Cela peut permettre d’induire un phénomène de résonnance dans la zone de traitement et ainsi améliorer les performances du procédé.
La fréquence de hachage peut être strictement supérieure à deux fois la fréquence d’alternance de phase. Cela peut permettre d’induire un phénomène de résonnance dans la zone de traitement et ainsi contribuer à améliorer les performances du procédé, sans que ce phénomène de résonnance ne dégrade mécaniquement les électrodes.
La tension à vide entre électrodes, à sec, est choisie en fonction du champ électrique souhaité. Elle peut être supérieure ou égale à 1 nV, mieux comprise entre 20 et 600V, selon l’écart entre les électrodes. L’intensité du champ électrique peut être supérieure ou égale à 1 V/m, et de préférence inférieure ou égale à 1 MV/cm.
La tension appliquée entre les électrodes peut être choisie de manière à générer des arcs électriques et/ou plasma, de préférence en continu, dans le liquide au sein de la zone de traitement. De préférence, ces arcs électriques et/ou plasmas se forment le long des électrodes et non entre les électrodes. Ces arcs électriques ou plasmas sont facilement visibles car émettant une lumière bleue, rose, violette ou orange au sein de la zone de traitement. La présence de ces arcs ou plasmas peut permettre d’améliorer le rendement énergétique du procédé selon l’invention.
Au moins une partie de la chaleur générée par le procédé, notamment au moins une partie de la chaleur latente de condensation de la vapeur produite et/ou au moins une partie de la vapeur produite et/ou au moins une partie du liquide échauffé après passage dans la zone de traitement et/ou au moins une partie de la chaleur générée au sein de la zone de traitement, peut être utilisée pour réchauffer le liquide en amont et/ou au sein de la zone de traitement ou réchauffer, voire vaporiser, un fluide distinct du liquide. Pour ce faire, on peut utiliser par exemple un ou plusieurs échangeurs de chaleur.
Réacteur
La zone de traitement peut être située dans un réacteur présentant une entrée permettant d’alimenter la zone de traitement en liquide aqueux et une sortie permettant au liquide aqueux échauffé et/ou à la vapeur produite de sortir de la zone de traitement.
Pour des applications de production de vapeur, la sortie du réacteur peut être reliée à un trop-plein permettant de récupérer la partie non-vaporisée du liquide, notamment les éclaboussures du liquide en sortie de réacteur.
Le réacteur peut être de forme sphérique ou tubulaire, avec par exemple une section circulaire ou polygonale. Par exemple, le réacteur est un tube de section polygonale, notamment carrée, rectangulaire ou triangulaire. Dans le cas où la zone de traitement est formée entre trois électrodes disposées selon une maille triangulaire équilibrée, l’utilisation d’un réacteur de forme tubulaire à section triangulaire est par exemple avantageuse car cela peut permettre de limiter les volumes morts entre la maille triangulaire équilibrée de la zone de traitement et les parois du réacteur.
Le réacteur est de préférence réalisé dans un matériau inerte chimiquement et résistant thermiquement, notamment en métal, par exemple en acier inoxydable, en verre, en céramique ou en polytétrafluoroéthylène (PTFE).
Le réacteur peut être à enveloppe multiple, notamment à double enveloppe, et au moins une partie du liquide aqueux échauffé après passage dans la zone de traitement, au moins une partie de la vapeur produite et/ou au moins une partie des condensats peut circuler dans celle-ci pour réchauffer le liquide dans la zone de traitement. En variante, au moins une partie du liquide à traiter circule dans l’enveloppe multiple, notamment la double enveloppe, de manière à être réchauffé par au moins une partie de la chaleur générée au sein de la zone de traitement.
Le débit de liquide parcourant la zone de traitement peut être supérieur ou égal à 0,0001 mL/min/W délivré par un générateur électrique alimentant les électrodes, mieux supérieur ou égal à 0,0003 mL/sec/W délivré, par exemple supérieur ou égal 1 mL/sec, notamment supérieur ou égal à 1 L/min. Par exemple, le débit de liquide parcourant la zone de traitement est compris entre 1 et 100 L/min voire plus, selon la puissance électrique délivrée.
On peut échauffer et/ou vaporiser le liquide en circuit ouvert.
En variante, on échauffe et/ou vaporise le liquide en circuit fermé. Dans ce cas, le liquide échauffé et/ou les condensats sont réinjectés dans la zone de traitement. Le procédé peut être mis en œuvre en circuit fermé par cycles, avec apport de liquide frais/évacuation du liquide traité, entre chaque cycle. Dans le cas où on échauffe et/ou vaporise le liquide en circuit fermé, le liquide est de préférence de l’eau déionisée voire purifiée ou de l’ammoniaque. Cela peut permettre de préserver l’intégrité des matériaux utilisés dans le procédé, notamment les matériaux constituant les électrodes, le réacteur, la tuyauterie et le ou les échangeurs de chaleur le cas échéant. On limite ainsi la détérioration des matériaux, notamment par des agents oxydants et/ou corrosifs, ce qui permet d’allonger leur durée de vie.
Procédé de traitement d’un liquide
,
notamment
aqueux
,
avec récupération du liquide traité
L’invention a encore pour objet, indépendamment ou en combinaison avec ce qui précède, un procédé de traitement d’un liquide, notamment aqueux, dans lequel on échauffe et/ou vaporise le liquide en mettant en œuvre le procédé tel que défini ci-dessus, et l’on récupère le liquide ayant circulé dans la zone de traitement et/ou les condensats en tant que liquide traité.
Le liquide peut être un liquide aqueux, notamment de l’eau de mer ou de l’eau dure, dans lequel on récupère les condensats.
Dans une variante, le liquide aqueux est un effluent à dépolluer ou une eau brute à rendre potable.
Dans une autre variante le liquide, notamment aqueux, comporte un ou plusieurs composés carbonés à craquer et/ou à détruire et/ou à réarranger. Par exemple, le procédé selon l’invention peut permettre, avec des électrodes en graphite, de traiter en pression positive (de 1 à 5 cm d'eau) au sein de la zone de traitement une solution d'eau déionisée et purifiée avec du carbonate de sodium (Na2CO3) comme électrolyte à concentration 5.10-3M afin d'obtenir en 5 heures des composés carbonés tels que par exemple du monoxyde de carbone (CO), du dioxyde de carbone (CO2) et des traces d'hydrocarbures, notamment des alcanes (méthane, éthane, propane, isobutane, butane, isopentane, pentane par exemple), des alcènes (éthylène, propène, isobutène par exemple) ou des alcynes (acétylène par exemple). Ces composés carbonés peuvent être mis en évidence par chromatographie en phase gazeuse, notamment couplée à un catharomètre.
On peut procéder par séquences, avec au moins une séquence d’échauffement du liquide et/ou de production de vapeur suivie d’au moins une séquence de vidange de la zone de traitement. Cela est particulièrement approprié pour des applications telles que le dessalement de l'eau de mer ou l’adoucissement de l’eau dure.
On peut mesurer la conductivité électrique du liquide, notamment aqueux, alimentant la zone de traitement ou dans celle-ci, et déclencher la vidange du réacteur lorsque la conductivité dépasse un seuil prédéfini.
Procédé de production d’électricité
L’invention a encore pour objet, indépendamment ou en combinaison avec ce qui précède, un procédé de production d’électricité, dans lequel on échauffe et/ou vaporise le liquide, notamment aqueux, en mettant en œuvre le procédé tel que défini ci-dessus, et dans lequel on utilise le liquide échauffé et/ou la vapeur produite pour entraîner un générateur électrique.
Ce générateur électrique peut être un moteur Stirling relié à un alternateur ou encore une turbine reliée à un alternateur.
Installation
L’invention a encore pour objet, indépendamment ou en combinaison avec ce qui précède, une installation, notamment pour la mise en œuvre du procédé selon l’invention, comportant :
- un réacteur comportant au moins une alimentation en un liquide, aqueux ou non aqueux, présentant au moins une zone de traitement dans laquelle le liquide peut circuler, de préférence selon un flux continu,
- au moins deux électrodes disposées dans la zone de traitement pour exposer le liquide qui s’y trouve à un courant électrique alternatif de fréquence d’alternance de phase supérieure ou égale à 100 Hz de manière à échauffer, vaporiser, activer chimiquement et/ou concentrer le liquide au moins partiellement sous l’effet du passage du courant entre ces électrodes,
- un générateur électrique pour alimenter les électrodes en un courant alternatif de fréquence d’alternance de phase supérieure ou égale à 100 Hz.
- un réacteur comportant au moins une alimentation en un liquide, aqueux ou non aqueux, présentant au moins une zone de traitement dans laquelle le liquide peut circuler, de préférence selon un flux continu,
- au moins deux électrodes disposées dans la zone de traitement pour exposer le liquide qui s’y trouve à un courant électrique alternatif de fréquence d’alternance de phase supérieure ou égale à 100 Hz de manière à échauffer, vaporiser, activer chimiquement et/ou concentrer le liquide au moins partiellement sous l’effet du passage du courant entre ces électrodes,
- un générateur électrique pour alimenter les électrodes en un courant alternatif de fréquence d’alternance de phase supérieure ou égale à 100 Hz.
Une telle installation peut présenter tout ou partie des caractéristiques présentées plus haut.
En particulier, le générateur électrique peut être configuré pour générer un courant alternatif de fréquence d’alternance de phase supérieure ou égale 200, 300, 400, 500, 1000, 2000, 3000, 5000, 10000, 15000 ou 20000 Hz, de préférence supérieure ou égale à 300, 1000 ou 20000 Hz, et de préférence inférieure ou égale à 2 MHz, mieux inférieure ou égale à 1,6 MHz. De préférence, le générateur électrique est configuré pour générer un courant alternatif de fréquence d’alternance de phase comprise entre 1 et 50 kHz.
Le générateur électrique peut être configuré pour générer un courant alternatif haché, de préférence à une fréquence de hachage comprise entre 1 et 100 kHz.
Le générateur électrique peut être configuré pour générer un courant alternatif monophasé ou multi-phasé, de préférence triphasé, encore plus préférentiellement avec un équilibre entre les phases.
Le générateur électrique peut être configuré pour permettre de limiter la tension à une valeur souhaitée, afin notamment d’éviter un phénomène de claquage entre les électrodes à sec.
L’installation peut comporter au moins un système de récupération d’énergie configuré pour permettre la condensation d’au moins une partie de la vapeur produite, la récupération d’au moins une partie de la chaleur latente de condensation et l’utilisation d’au moins une partie de la chaleur latente de condensation récupérée pour réchauffer le liquide en amont et/ou au sein de la zone de traitement ou pour réchauffer, voire vaporiser un fluide distinct du liquide.
L’installation peut comporter un séparateur liquide/vapeur en aval de la zone de traitement.
L’invention a encore pour objet, indépendamment ou en combinaison avec ce qui précède, un procédé de traitement d’un liquide notamment aqueux en vue de son échauffement, de la production de vapeur, du déclenchement d’une réaction de catalyse et/ou de la concentration d’au moins une espèce présente en son sein, dans lequel on fait circuler un flux du liquide dans au moins une zone de traitement formée entre au moins deux électrodes reliées à une source de courant alternatif, de manière à échauffer, vaporiser, activer chimiquement et/ou concentrer le liquide au moins partiellement sous l’effet du passage du courant entre ces électrodes, et dans lequel on utilise au moins une partie de la chaleur générée par le procédé, notamment au moins une partie de la chaleur latente de condensation de la vapeur produite et/ou au moins une partie de la vapeur produite et/ou au moins une partie du liquide échauffé après passage dans la zone de traitement et/ou au moins une partie de la chaleur générée au sein de la zone de traitement, pour réchauffer le liquide en amont et/ou au sein de la zone de traitement ou réchauffer voire vaporiser un fluide distinct du liquide.
La source de courant alternatif peut être de fréquence d’alternance de phase supérieure ou égale à 100 Hz, notamment supérieure ou égale à 200, 300, 400, 500, 1000, 2000, 3000, 5000, 10000, 15000 ou 20000 Hz, de préférence supérieure ou égale à 300, 1000 ou 20000 Hz, et de préférence inférieure ou égale à 2 MHz, mieux inférieure ou égale à 1,6 MHz. De préférence, la source de courant alternatif est de fréquence d’alternance de phase comprise entre 1 et 50 kHz.
Le courant d’alimentation des électrodes peut être ou non un courant haché. Dans le cas où le courant d’alimentation des électrodes est un courant haché, ce dernier l’est de préférence à une fréquence de hachage comprise entre 1 et 100 kHz.
La zone de traitement peut être située dans un réacteur à enveloppe multiple, notamment à double enveloppe, et au moins une partie du liquide, notamment aqueux, échauffé après passage dans la zone de traitement, au moins une partie de la vapeur produite et/ou au moins une partie des condensats peut circuler dans celle-ci pour réchauffer le liquide dans la zone de traitement. En variante, au moins une partie du liquide à traiter circule dans l’enveloppe multiple, notamment la double enveloppe, de manière à être réchauffé par au moins une partie de la chaleur générée au sein de la zone de traitement.
L’invention a encore pour objet, indépendamment ou en combinaison avec ce qui précède, une installation, notamment pour la mise en œuvre du procédé tel que défini ci-dessus, comportant :
- un réacteur comportant au moins une alimentation en un liquide, présentant au moins une zone de traitement dans laquelle le liquide peut notamment circuler selon un flux continu,
- au moins deux électrodes disposées dans la zone de traitement pour exposer le liquide qui s’y trouve à un courant électrique alternatif de manière à échauffer, vaporiser, activer chimiquement, produire des nanoparticules et/ou concentrer le liquide au moins partiellement sous l’effet du passage du courant entre ces électrodes,
- un générateur électrique pour alimenter les électrodes en un courant alternatif,
- au moins un système de récupération d’énergie configuré pour permettre la condensation d’au moins une partie de la vapeur produite, la récupération d’au moins une partie de la chaleur latente de condensation et l’utilisation d’au moins une partie de la chaleur latente de condensation récupérée pour réchauffer le liquide en amont et/ou au sein de la zone de traitement ou pour réchauffer voire vaporiser un fluide distinct du liquide.
- un réacteur comportant au moins une alimentation en un liquide, présentant au moins une zone de traitement dans laquelle le liquide peut notamment circuler selon un flux continu,
- au moins deux électrodes disposées dans la zone de traitement pour exposer le liquide qui s’y trouve à un courant électrique alternatif de manière à échauffer, vaporiser, activer chimiquement, produire des nanoparticules et/ou concentrer le liquide au moins partiellement sous l’effet du passage du courant entre ces électrodes,
- un générateur électrique pour alimenter les électrodes en un courant alternatif,
- au moins un système de récupération d’énergie configuré pour permettre la condensation d’au moins une partie de la vapeur produite, la récupération d’au moins une partie de la chaleur latente de condensation et l’utilisation d’au moins une partie de la chaleur latente de condensation récupérée pour réchauffer le liquide en amont et/ou au sein de la zone de traitement ou pour réchauffer voire vaporiser un fluide distinct du liquide.
Le générateur électrique peut être configuré pour générer un courant alternatif de fréquence d’alternance de phase supérieure ou égale 100 Hz, notamment supérieure ou égale à 200, 300, 400, 500, 1000, 2000, 3000, 5000, 10000, 15000 ou 20000 Hz, de préférence supérieure ou égale à 300, 1000 ou 20000 Hz, et de préférence inférieure ou égale à 2 MHz, mieux inférieure ou égale à 1,6 MHz. De préférence, le générateur électrique est configuré pour générer un courant alternatif de fréquence d’alternance de phase comprise entre 1 et 50 kHz.
Le générateur électrique peut être configuré pour générer un courant alternatif haché, de préférence à une fréquence de hachage comprise entre 1 et 100 kHz.
Le générateur électrique peut être configuré pour générer un courant alternatif monophasé ou multi-phasé, de préférence triphasé, encore plus préférentiellement avec un équilibre entre les phases.
Le générateur électrique peut être configuré pour permettre de limiter la tension à une valeur souhaitée, afin notamment d’éviter un phénomène de claquage entre les électrodes à sec.
Le réacteur peut être à enveloppe multiple, notamment à double enveloppe, et au moins une partie du liquide échauffé après passage dans la zone de traitement, au moins une partie de la vapeur produite et/ou au moins une partie des condensats peut circuler dans celle-ci pour réchauffer le liquide dans la zone de traitement. En variante, au moins une partie du liquide à traiter circule dans l’enveloppe multiple, notamment la double enveloppe, de manière à être réchauffé par au moins une partie de la chaleur générée au sein de la zone de traitement.
Production de nanoparticules
De préférence, pour la production de nanoparticules, la tension entre électrodes est comprise entre 10V et 680 V, le courant électrique alternatif est de fréquence d’alternance de phase supérieure ou égale à 100 Hz, avec des formes d’ondes par exemple carrées, sinusoïdales, triangulaires….
Par « nanoparticules », on désigne des particules dont la taille est inférieure au micron, mieux à 100nm. Ces nanoparticules peuvent être métalliques.
Le milieu, notamment aqueux, à traiter dans la zone de traitement contient un ou plusieurs sels métalliques, par exemple sulfate de cuivre, de fer, nitrate d’argent, etc.
La ou les substances permettant les réactions électrochimiques peuvent être introduites préalablement au sein de la zone de traitement ou être amenées par un flux continu dans la zone de traitement à l'aide d'une pompe.
La formation des nanoparticules est quasi-instantanée. Ces dernières sont présentes notamment :
- A la surface des électrodes,
- sur les parois de la zone de traitement
- dans le concentrat résiduel du milieu traité, et
- dans la vapeur produite
On peut exposer à la vapeur produite, chargée de nanoparticules, un substrat sur lequel on souhaite déposer les nanoparticules. Le substrat peut être un substrat en un matériau semi-conducteur, par exemple en silicium.
La production de nanoparticules peut correspondre à au moins 10%, mieux au moins 20%, en masse du métal introduit, par exemple au moins 10 % en masse de nanoparticules d’Ag pour une masse donnée d’Ag introduite sous forme ionique au sein de AgNO3.
L’invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d’exemples de mise en œuvre non limitatifs de celle-ci, et à l’examen du dessin annexé, sur lequel :
Claims (16)
- Procédé de traitement d’un liquide, notamment aqueux, en vue de la production de nanoparticules, dans lequel on expose un liquide ou l’on fait circuler un flux du liquide dans au moins une zone de traitement (21) formée entre au moins deux électrodes (31 ; 32 ; 11 ; 12 ; 13 ; 95 ; 96 ; 97) reliées à une source de courant alternatif de fréquence d’alternance de phase supérieure ou égale à 100 Hz, de manière à produire des nanoparticules sous l’effet du passage du courant entre ces électrodes (31 ; 32 ; 11 ; 12 ; 13 ; 95 ; 96 ; 97).
- Procédé selon la revendication 1, la zone de traitement (21) étant formée entre au moins deux électrodes (31 ; 32) alimentées par un courant monophasé.
- Procédé selon la revendication 2, les électrodes (31 ; 32) comportant des portions isolées et des portions non-isolées, les portions non-isolées définissant des dipôles électriques agencés selon une maille tridimensionnelle superposable par changement d’échelle à une maille cristalline cubique simple, cubique faces centrées, de type « Blende » ou hexagonale.
- Procédé selon l’une des revendications 1 à 3, la zone de traitement (21) étant formée entre au moins trois électrodes (11 ; 12 ; 13 ; 95 ; 96 ; 97) alimentées par un courant multi-phasé, de préférence triphasé, encore plus préférentiellement avec un équilibre entre les phases.
- Procédé selon la revendication 4, la zone de traitement (21) étant formée entre trois électrodes (11 ; 12 ; 13 ; 95 ; 96 ; 97) disposées selon une maille triangulaire équilibrée, ou entre six électrodes (11 ; 12 ; 13 ; 95 ; 96 ; 97) disposées comme les sommets d’un triangle équilatéral et à mi-longueur des côtés, ou disposées comme un hexagone.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, le courant circulant entre au moins deux électrodes (31 ; 32 ; 11 ; 12 ; 13 ; 95 ; 96 ; 97) dont une électrode de neutre (95 ; 96 ; 97) placée dans la zone de traitement (21).
- Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, les électrodes (31 ; 32 ; 11 ; 12 ; 13 ; 95 ; 96 ; 97) étant réalisées dans un matériau inerte chimiquement.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, la source de courant alternatif étant de fréquence d’alternance de phase supérieure ou égale à 200, 300, 400, 500, 1000, 2000, 3000, 5000, 10000, 15000 ou 20000 Hz, de préférence supérieure ou égale à 300, 1000 ou 20000 Hz, et de préférence inférieure ou égale à 2 MHz, mieux inférieure ou égale à 1,6 MHz.
- Procédé selon la revendication précédente, la source de courant alternatif étant de fréquence d’alternance de phase comprise entre 1 et 50 kHz.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, le courant d’alimentation des électrodes étant un courant haché, de préférence à une fréquence de hachage comprise entre 1 et 100 kHz.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’intensité du champ électrique est supérieure ou égale à 1 V/m, et de préférence inférieure ou égale à 1 MV/cm.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la tension appliquée entre les électrodes (31 ; 32 ; 11 ; 12 ; 13 ; 95 ; 96 ; 97) est choisie de manière à générer des arcs électriques et/ou un plasma, de préférence en continu, dans le liquide au sein de la zone de traitement (21).
- Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on utilise au moins une partie de la chaleur générée par le procédé, notamment au moins une partie de la chaleur latente de condensation de la vapeur produite et/ou au moins une partie de la vapeur produite et/ou au moins une partie du liquide échauffé après passage dans la zone de traitement et/ou au moins une partie de la chaleur générée au sein de la zone de traitement, pour réchauffer le liquide en amont et/ou au sein de la zone de traitement (21) ou réchauffer voire vaporiser un fluide distinct du liquide.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, le liquide étant un liquide aqueux.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, la production de nanoparticules correspondant à au moins 10%, mieux au moins 20%, en masse du métal introduit.
- Installation, notamment pour la mise en œuvre du procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant :
- un réacteur (4) comportant au moins une alimentation en un liquide, présentant au moins une zone de traitement (21) dans laquelle le liquide peut notamment circuler selon un flux continu,
- au moins deux électrodes (31 ; 32 ; 11 ; 12 ; 13 ; 95 ; 96 ; 97) disposées dans la zone de traitement (21) pour exposer le liquide qui s’y trouve à un courant électrique alternatif de fréquence d’alternance de phase supérieure ou égale à 100 Hz de manière à produire des nanoparticules sous l’effet du passage du courant entre ces électrodes (31 ; 32 ; 11 ; 12 ; 13 ; 95 ; 96 ; 97),
- un générateur électrique pour alimenter les électrodes (31 ; 32 ; 11 ; 12 ; 13 ; 95 ; 96 ; 97) en un courant alternatif de fréquence d’alternance de phase supérieure ou égale à 100 Hz.
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