WO2008147165A1 - Conception d'un réacteur gazosiphon à boucle externe (external-loop airlift reactor) pour le traitement des effluents liquides par electrocoagulation/electroflotation - Google Patents

Conception d'un réacteur gazosiphon à boucle externe (external-loop airlift reactor) pour le traitement des effluents liquides par electrocoagulation/electroflotation Download PDF

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Abdelhafid Essadki
Mounir Bennajah
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Abdelhafid Essadki
Mounir Bennajah
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    • C02F2103/30—Nature of the water, waste water, sewage or sludge to be treated from the textile industry

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus for treating liquid discharges (washing water, defluorination, dephosphatation, denitrification, elimination of Crome, removal of Cadmium and Arsenic, recovery of Cobalt, urban water, industrial water ).
  • the technology of the process is based on the introduction of two electrodes (cathode and anode) in an external loop gasosiphon reactor.
  • the depollution of the water is carried out electrochemically.
  • Pollutants are refracted in the form of flocs at the free surface of the reactor (of the device).
  • the hydrogen bubbles produced at the cathode, resulting from the electrolysis of the water cause the destabilized particles of the pollutant, to the top of the reactor floc, easily recoverable.
  • Gazosiphon reactors also known as non (Airlift) are two-phase reactors (liquid-gas) or three-phase reactors (liquid-gas-solid). They generally consist of two main compartments (Riser and Downcomer), the injection of the gas inside the Riser compartment causes a circulation of the rising liquid in this compartment, whereas in the second compartment, the liquid drops down towards the bottom of the compartment. reactor.
  • the continuous phase can be liquid or a solid suspension.
  • the introduction of the gas into one of the two compartments of the reactor causes a difference in gaseous retention between the two zones, aerated and non-aerated, a driving force is then created, inducing the circulation of the liquid in the reactor. When the flow of gas entering the Riser is large, the speed of the liquid is then high.
  • AIRLIFT reactors are frequently used in the chemical and biotechnological industry, and bioprocesses (exp: the production of vinegar or citric acid ... etc). Numerous recent studies on the growth of microorganisms in Airlift reactors are listed. There are in particular applications of this type of apparatus in the petrochemical field (eg the hydrogenation of benzene to cyclohexane catalyzed by nickel ).
  • AMIFT reactors As electrochemical reactors, the use of AMIFT reactors as electrochemical reactors has never been proposed, especially their use electro-chemical for the depollution of liquid discharges. Electrocoagulation is often carried out in a stirred reactor, and sludge (floc) recovery is often done after the electrolysis has stopped. Sedimentation of pollutants in the form of flocs is a relatively slow operation. Often in the case of electrocoagulation in stirred reactors the floc flotation is carried out by injection of the compressed air, in this case the gas distributor plays an important role in the operation, the efficiency of the flotation increases when the size of the air bubbles decreases.
  • the residence time (volume in the separation zone divided by the induced flow) of the liquid (effluent) in the separation chamber is an important factor in the stability of the floc. A relationship has been established for the purpose of determining the optimum residence time of the effluent in the separation chamber.
  • This reactor is an operational pilot, extrapolable on a large scale (textile industry, water treatment plant ).
  • Our innovation is to create a driving force, by circulating the liquid effluent, not by introducing the compressed air, but rather by the hydrogen bubbles produced at the cathode to the Riser compartment, the latter thus creating the strength motor of the liquid.
  • hydrodynamic studies, optimization calculations, and simulation by computer tools were the subject of study.
  • Several parameters and phenomena were taken into account during the design of this device, in particular that of the recirculation of bubbles produced by the Riser and their entrainment by the liquid towards the second compartment (Downcomer), (problem frequently encountered in the airlift reactor).
  • the position of the electrodes is adjusted for each type of pollutant due to the structure of the formed floc, which differs from one type of discharge to another, and which is sensitive to the speed of circulation of the liquid, therefore to the position electrodes.
  • the apparatus used in this project to carry out the electro-coagulation / electrocoating purification is an external loop gasifier ( ⁇ irlift) made from altuglas 1.79 m high.
  • the reactor diagram and its dimensions are shown in the section "Scheme of the reactor".
  • the useful volume of the liquid is 201, it corresponds to a height of the liquid in the gas separation chamber of 14 cm.
  • the diameters of the ascending and descending legs of the reactor (frequently called riser and downcomer) are respectively 94 mm and 50 mm.
  • the ratio between the straight sections of the two compartments downcomer and the riser (A d / A r ) is 0.28, this value allows optimal operation.
  • the distance between the axes of these legs or columns is 675 mm.
  • the riser and the downcomer are connected at the bottom of the reactor by a 50 mm diameter column.
  • the radius of curvature of the elbows was chosen at a value of 12.5 cm.
  • the electrodes were introduced into the riser compartment column,
  • the treated rejection is a red-colored textile water consisting of two toxic products
  • a d is the area of the cross-section of the downcomer column.
  • the downcomer is a cylindrical column of diameter d.
  • the maximum velocity of the liquid at (downcomer) that can be achieved while keeping a stable floc is 8 cm / s, value from which the liquid velocity becomes important thus causing a part of the flock at the bottom of the apparatus, the efficiency weakens in this case ( Figure 3).
  • V 3 is the volume of the separation zone
  • Q is the flow rate of the effluent induced by a combination of the two parameters (the electrode position and the current density) as stated in relations (I) and (II).
  • Figure 4 shows the absorbance versus residence time in the case of the textile rejection. We found that the absorbance reaches a value close to 0.05, the residence time must then be greater than or equal to 50 seconds.
  • This reactor also works continuously, that is to say as an open reactor with an inlet and an outlet (with pump or entrained liquid entrained), our device therefore has a simplicity of scale change of the discontinuous towards the continuous, while keeping the same performances.
  • the reactor can be dimensioned based on the residence time (relation (HI)) which should be greater than or equal to 50, thus the. flow rate and the volume of the separation zone can be calculated based on the relationships (I) and (II).
  • FIG. 5 schematizes the externally looped air loop reactor as an electrochemical reactor for the depollution of liquid effluents where the two electrodes are introduced into the riser compartment at a depth calculated to ensure liquid circulation and stability of the floc. form.

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Abstract

La présente invention concerne un appareil de traitement des rejets liquides (eau de lavage, défluorisation, déphosphatation, dénitrification, élimination du Crome, élimination du Cadmium et d'Arsenic, récupération du Cobalt, eaux urbaines, eaux industrielles...)- La technologie du procédé repose sur l'introduction de deux électrodes (cathode et anode) dans un réacteur gazosiphon à boucle externe. La dépollution de l'eau s'effectue par voie électrochimique. Les polluants sont récupérés sous forme de flocs à la surface libre du réacteur (de l'appareil). Les bulles d'hydrogène produites au niveau de la cathode, à l'issu de l'électrolyse de l'eau entraînent les particules déstabilisées du polluant, vers le haut du réacteur formant un floc, facilement récupérable. L'énergie mécanique qui sert pour l'agitation et même pneumatique pour la flottation ont été remplacées par la seule l'énergie électrique qui sert en même temps à l'agitation, la flottation et l'électrocoagulation.

Description

«Conception d'un réacteur gazosiphon à boucle externe (external-loop airlift reactor) pour Ie traitement des effluents liquides par Electrocoagulation/Electroflotation»,
La présente invention concerne un appareil de traitement des rejets liquides (eau de lavage, défluoration, déphosphatation, dénitrifi cation, élimination du Crome, élimination du Cadmium et d'Arsenic, récupération du Cobalt, eaux urbaines, eaux industrielles...). La technologie du procédé repose sur l'introduction de deux électrodes (cathode et anode) dans un réacteur gazosiphon à boucle externe. La dépollution de l'eau s'effectue par voie électrochimique. Les polluants sont rérapérés sous forme de flocs à la surface libre du réacteur (de l'appareil). Les bulles d'hydrogène produites au niveau de la cathode, à l'issu de Pélectrolyse de l'eau entraînent les particules déstabilisées du polluant, vers le haut du réacteur formant un floc, facilement récupérable.
Comme tout réacteur gazosiphon à boucle externe, celui-ci est composé de deux compartiments : le riser et Je downcomer.
Les réacteurs gazosiphons connus aussi sous le non (Airlift) sont des réacteurs biphasiques (liquide-gaz) ou triphasiques (liquide-gaz-solide). Ils sont généralement constitués de deux compartiments principaux (Riser et Downcomer), l'injection du gaz à l'intérieur du compartiment Riser provoque une circulation du liquide ascendante dans ce compartiment, alors qu'au deuxième compartiment, le liquide redescend vers le bas du réacteur. La phase continue peut être liquide ou une suspension solide. L'introduction du gaz dans l'un des deux compartiments du réacteur provoque une différence de rétention gazeuse entre les deux zones, aérée et non aérée, une force motrice est alors crée, induisant la circulation du liquide dans le réacteur. Lorsque le débit de gaz entrant au Riser est important, la vitesse du liquide est alors élevée.
Les réacteurs AIRLIFT sont fréquemment utilisés dans l'industrie chimique et biotechnologique, et des bioprocédés (exp : la production du vinaigre ou de l'acide citrique...etc). On énumère de nombreuses études récentes relatives à la croissance des microorganismes dans les réacteurs Airlift. Il existe notamment des applications de ce type d'appareil dans le domaine pétrochimique (exp. l'hydrogénisation du benzène en cyclohexane catalysé par du Nickel...)•
Malgré l'application avec succès de ces réacteurs dans le domaine industriel, l'utilisation des réacteurs AMift en tant que réacteurs électrochimiques n'a jamais été proposée, d'autant plus leur utilisation électro chimique pour la dépollution des rejets liquides. L' électrocoagulation est souvent réalisée dans un réacteur agité, et la récupération des boues (flocs) est souvent faite après arrêt de l'électrolyse. La sédimentation des polluants sous forme des flocs est une opération relativement lente. Souvent pour le cas de T électrocoagulation dans les réacteurs agités la flottation des flocs est réalisée par injection de l'air comprimée, dans ce cas le distributeur du gaz joue un rôle important dans l'opération, l'efficacité de la flottation augmente lorsque la taille des bulles d'air diminue.
Originalité et Description
L'originalité de l'invention réside :
- Dans l'idée de réaliser un procédé électrochimique (électrolyse) dans un appareil de génie chimique (réacteur gazosiphon), généralement utilisé dans des applications biochimiques et de transfert de gaz liquide.
- Dans le choix optimal de la position des électrodes dans un compartiment du réacteur nommé riser. Ce choix permet d'assurer, d'une part, une circulation du liquide et donc une agitation pour homogénéiser et d'autre part de préserver le fioc en haut de l'appareil pendant le temps nécessaire du procédé. Une loi a été proposée reliant la vitesse du liquide dans chaque compartiment du réacteur en fonction de la densité de courant appliquée (courant électrique divisé par la surface de l'anode) et de la position des électrodes.
De plus, le temps de séjour (volume dans la zone de séparation divisé par le débit induit) du liquide (effluent) dans la chambre de séparation constitue un facteur important dans la stabilité du floc. Une relation a été établie dans le but de déterminer le temps de séjour optimal de l' effluent dans la chambre de séparation.
Ce réacteur est un pilote opérationnel, extrapolable à grande échelle (industrie textile, centrale de traitement des eaux...).
Notre innovation consiste à créer une force motrice, en faisant circuler l' effluent liquide, non pas en introduisant l'air comprimée, mais plutôt par les bulles d'hydrogène produite au niveau de la cathode au compartiment Riser, cette dernière crée donc la force motrice du liquide. Dans le but de concevoir un procédé stable, fonctionnant dans les conditions optimale d'efficacité et de dépense énergétique, des études hydrodynamiques, des calculs d'optimisation, et de simulation par des outils informatique ont été sujet d'étude. Plusieurs paramètres et phénomènes on été pris en compte lors du dimensionnement de cet appareil, notamment celui de la recirculation des bulles produite au Riser et leur entraînement par le liquide vers le deuxième compartiment (Downcomer), (problème fréquemment rencontrée dans les réacteur airlift). La position optimal des électrodes est le résultat de nombreux essais, sur différents rejets liquide (Minéraux (Fluor, Phosphate, Nitrates, Crome, Cadmium Arsenic, Cobalt...), organique, rejets de textile, eau du réseau urbain ...), ces effluents on été choisis à des charges différentes en polluants allant jusqu'à 2g/l, ils étaient traitées avec succès à des taux résiduels en polluant acceptable par des normes internationaux.
Dans ce contexte la position des électrodes est ajustée pour chaque type de polluant en raison de structure du floc formé, qui diffère d'un type de rejet à un autre, et qui est sensible à la vitesse de circulation du liquide, donc à la position des électrodes.
Pour cela plusieurs essais de stabilité de flocs approuvée par différentes techniques d'analyses
(Absorbance, turbidité) ont permis de déterminer la position optimale des électrodes permettant ainsi une bonne circulation du liquide tout en gardant un floc stable.
Description du dispositif expérimental : dimensionnement
L'appareil utilisé dans ce projet pour réaliser la dépollution par électrocoagulation/élcctroflotation est un réacteur gazosiphon (Àirlift) à boucle externe fabriqué à base de l'altuglas de 1.79 m de haut. Le schéma du réacteur et ses dimensions sont représentés dans la partie « Schéma du réacteur ».
Le volume utile du liquide est 201, il correspond à une hauteur du liquide à la chambre de séparation du gaz de 14 cm. Les diamètres des pieds ascendants et descendants du réacteur (fréquemment appelées riser et du downcomer) sont respectivement 94 mm et 50 mm. Le rapport entre les sections droites des deux compartiments downcomer et du riser (Ad/Ar) est 0.28, cette valeur permet un fonctionnement optimal. La distance entre les axes de ces jambes ou colonnes est de 675 mm. Le riser et le downcomer sont connectés en bas du réacteur par une colonne de 50 mm de diamètre.
Afin de réduire au minimum la chute de pression (les pertes de charge) et d'éviter les zones mortes, le rayon de courbure des coudes à été choisis à une valeur de 12,5 cm. Les plaques d'aluminium sont de forme rectangulaire (longueur = 300 mm, largeur = 70 mm et épaisseur = 1 mm) ont été employées comme électrodes (anode et cathode). La distance entre les électrodes est optimisée à 20 mm. Les électrodes ont été introduites dans la colonne du compartiment riser,
L'intensité du courant appliquée aux bornes des électrodes a été assurée par une alimentation stabilisée à courant continu (Générateur de courant). Exemple des résultats de traitement d'un polluant de textile industriel et de défluoration :
Le rejet traité est une eau de textile de teinte rouge constitué de deux produits toxiques
(naphtol et l'acide naphtoique), les analyses de l'effluent ont dévoilés une Demande Chimique d'oxygène (DCO) initiale de 2500 mg/î et une absorbance (coloration) initiale de 0.25, avec le procédé discontinue (sans pompe), un volume de rejet traité de 20 1. Il a fallu appliquer une densité de courant de 17,14 mA/cm2 pendant 15 minutes de traitement pour diminuer la DCO à 80% (figure 1) et atteindre une absorbance proche de celle d'une eau potable (absorbance =
0.05), cela nous a permis d'être compétitifs, et de classer notre appareil parmis les premiers procédés propres de traitement des eaux au niveau mondiale.
Exemple de résultats de traitement d'un effluent minéral synthétisé (eau contaminé avec le fluor)
Cette étude nous a particulièrement intéressé en raison du sérieux problème que rencontre notre pays pour le traitement des eaux souterraines dans certaines villes exp. :KHERIBGA et les régions environnantes.
Pour cela, différentes charges initiales on été essayés allant jusqu'à 30 mg/1 des ions fluorures.
10 minutes étaient suffisantes pour une densité de 17,14 mA/crn2 pour ramener les 20 L à traiter à 1,5 mg/1 (Norme mondiale de santé pour les fluorures) (figure 2).
Lois régissant le fonctionnement :
La position des électrodes dans le compartiment Riser à été étudiée, chaque variation de position ou de densité de courant génère une vitesse de liquide circulant différente, pour cela après chaque variation de la position d'électrodes, on réalisait des mesure d' absorbance et de turbidité pour s'assurer de la stabilité du floc formé. Ainsi une relation a été déterminée entre la vitesse du liquide dans le downeomer, la densité de courant j et Ia hauteur de dispersion ho (voir schéma de l'appareil figure 5).
Figure imgf000006_0001
U|d : Vitesse du liquide dans le compartiment Downeomer (cm/s) j : Densité de courant (intensité appliquée/surface de l'électrode) exprimée en mA/cm2. ho : Hauteur de dispersion : distance entre le bat de l'électrode et la surface libre du réacteur
(parcours des bulles). hϋmax : Hauteur maximum du dispersion correspondant à la position basse des électrodes dans le riser.
Le débit Q (litre/s) peut être déduit :
Q = Uld*Ad (II)
Ad est l'aire de la section droite de la colonne « downcomer ».
Dans notre cas, le downcomer est une colonne cylindrique de diamètre d.
Pour tous les polluants traités les résultats d'études ont révélé que la destruction ou l'érosion des flocs est une fonction de la vitesse du liquide, donc du débit de liquide induit dans le réacteur.
Pour l'exemple du colorant de textile, la vitesse maximale du liquide au (downcomer) qu'on peut atteindre tout en gardant un floc stable est 8 cm/s, valeur à partir de la quelle la vitesse du liquide devient importante entraînant ainsi une partie du floc en bas de l'appareil, l'efficacité s'affaiblit dans ce cas (figure 3).
Le phénomène de destruction, ou la simple érosion du floc, a été aussi exprimé en terme de temps de séjour τ du liquide qui parcoure la zone de séparation du réacteur :
τ = Vs/Q (III)
V3 est le volume de la zone de séparation, Q est le débit de l'effluent induit par une combinaison des deux paramètres (la position des électrodes et la densité de courant) comme le stipule les relations (I) et (II). La figure 4 montre l'absorbance en fonction du temps de séjour dans le cas du rejet Rouge de textile. Nous avons constaté que l'absorbance atteint une valeur proche de 0.05, le temps de séjour doit être alors supérieure ou égale à 50 secondes. Ce réacteur fonctionne aussi en continu c'est-à-dire en tant que réacteur ouvert doté d'une entrée et une sortie (avec pompe ou une entrée du liquide entraîné), notre appareil présente donc une simplicité de changement d'échelle du discontinu vers le continu, tout en gardant les mêmes performances. Notons que le changement d'échelle pour un besoin industriel à grand volume, demande juste une prise en compte des lois proposées et une conservation des rapports entre les différentes grandeurs propre au réacteur (Temps de séjour du liquide dans la chambre de séparation supérieur à 50 s (figure 4), rapport surface de l'électrode sur le volume traité, rapport de sections des compartiments, hauteur de la zone de séparation assurant le même rapport volume de la zone de séparation sur le volume total, débit du liquide / volume traité...). En conclusion :
Le brevet que nous présentons est un réacteur de type gazosiphon à boucle externe dont l'innovation peut se décliner en :
• l'utilisation de ce type de réacteur pour la première fois en tant que réacteur électrochimique pour la dépollution des effluents liquides par électrocoagulation/électroflotation.
• l'introduction de deux électrodes dans le compartiment « riser », dont la position a été calculée de sorte à ce que le débit soit déterminé avec précision dans le but de le conserver à une valeur assurant la stabilité du floc en surface, et un degré de mélange acceptable, pour une bonne efficacité du procédé. Le débit est déduit de la vitesse du liquide dans le downcomer (relation (II)) et cette dernière peut être déduite de la relation (I). Ainsi on peut dimensionner le réacteur en se basant sur le temps de séjour (relation (HI)) qui devrait être supérieure ou égale à 50, de ce faite le. débit et le volume de la zone de séparation peuvent être calculés en se basant sur les relations (I) et (II).
• l'invention d'un appareil facile à dimensionner adapté à différent type d'utilisations
(utilisation domestique pour recycler l'eau de la machine à laver, utilisation dans des grandes production de textile, centrale de traitement des eaux potables ....) et fonctionnant tant en discontinu qu'en continu.
Schéma du réacteur :
La figure 5 schématise le réacteur gazosiphon (airlift) à boucle externe comme réacteur électrochimique pour la dépollution des effluents liquides où les .deux électrodes sont introduites dans le compartiment « riser » à une profondeur calculée pour assurer une circulation du liquide et une stabilité du floc formé.
Les différents éléments et du réacteur sont comme suit :
1- ampèremètre : pour la mesure du courant électrique introduit
2- Générateur de tension continu ou de courant.
3- Les électrodes (cathode et anode) : largeur 1 = 7 cm, longueur H3 = 30 cm, distance entre cathode et anode e = 2 cm. - Zone de séparation ou zone de récupération de polluant sous forme de floc : hauteur du liquide dans cette zone est h, hauteur totale est H1 = 20 cm ; H6 : hauteur de dispersion (ho), H6 + H4 : hauteur de dispersion maximum (homax)- - Jambe descendante du réacteur : « downcomer ». - Jambe ascendante du réacteur : « riser » : H2 = 107 cm, H^ = 40 cm, H4 : distance entre le bas du « riser » et le bas des électrodes entre 47 cm et 58 cm. - Tube pour maintenir le niveau du liquide constant dans le réacteur et présente la sortie du réacteur lorsqu'il fonctionne en continu. - Vidange ou entrée du réacteur lorsqu'il fonctionne en continu.

Claims

Revendications :
1. Réacteur gazosiphon à boucle externe (external-loop air lift reactor) pour le traitement des effluents liquides par Electxocoagulation/Electroflotation comprenant deux compartiments principaux : Riser (6) et Downcomer (5) caractérisé en ce que deux électrodes (3) sont introduites dans le compartiment « riser » (6) à une profondeur calculée pour assurer une circulation du liquide et une stabilité du floc formé. L'énergie électrique, produite par un générateur de tension ou de courant (2) réalise d'une part la dissociation de l'anode, qui forme un coagulent, et d'autre part la génération des bulles d'hydrogène qui provoquent une circulation du liquide, donc une homogénéisation du réacteur, et aussi une flottation des particules coagulées. Ces dernières forment ainsi un floc à la surface du réacteur qui peut être récupéré facilement par raclage ou simple débordement.
2. Réacteur gazosiphon à boucle externe (external-loop air lift reactor) selon la revendication 1 caractérisé en ce que les dimensions du réacteur sont faites en respectant d'une part les différents rapports et d'autre part en se basant sur les relations (I), (II) et (III) de manière à ce que les bulles formées ne recirculent pas dans le downcomer (5) et servent seulement à faire flotter et faire circuler le liquide sans détruire le floc formé
3. Réacteur gazosiphon à boucle externe (external-loop airlift reactor) selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que l'élimination de fluorures, de nitrates, de phosphate, de Crome, de Cadmium, d'Arsenic et le traitement des eaux de textile sont réalisés par électrocoagulation dans ce réacteur.
4. Réacteur gazosiphon à boucle externe (external-loop airlift reactor) selon les revendications 1, 2 et 3 caractérisé en ce que le traitement d'une eau de textile contenant deux polluants : acide naphtoïque-2 et le naphtol-2 est réalisé par électrocoagulation dans ce réacteur.
5. Réacteur gazosiphon à boucle externe (external-loop airlift reactor) selon les revendications précédentes caractérisé en ce que ce réacteur fonctionne en continu.
PCT/MA2008/000001 2007-05-28 2008-05-26 Conception d'un réacteur gazosiphon à boucle externe (external-loop airlift reactor) pour le traitement des effluents liquides par electrocoagulation/electroflotation WO2008147165A1 (fr)

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