WO2017032863A1 - Dispositif de purification de l'eau - Google Patents

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WO2017032863A1 PCT/EP2016/070143 EP2016070143W WO2017032863A1 WO 2017032863 A1 WO2017032863 A1 WO 2017032863A1 EP 2016070143 W EP2016070143 W EP 2016070143W WO 2017032863 A1 WO2017032863 A1 WO 2017032863A1
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purified
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    • Y02A20/212—Solar-powered wastewater sewage treatment, e.g. spray evaporation

Definitions

  • the invention relates to a water purification system, and a method of manufacturing such a system.
  • Water purification systems are often based on ultraviolet light, either nano-filtration, or activated carbon systems. There is also, under the term sodis, or solar disinfection, a process that allows the water to be treated by photolysis, inside PET bottles exposed to the sun for a day.
  • the main objective of the invention is to maximize the use of solar radiation while providing a purification device easy to use and maintenance free, and can provide a large amount of purified water with a low floor area.
  • a first aspect of the invention is a water purification device comprising:
  • At least one reservoir arranged to contain water to be purified
  • a cover with a wall arranged to close said at least one reservoir
  • the lid comprises an exposure surface of the water to be purified, the wall being arranged between the said at least one reservoir and the exposure surface,
  • the device further comprises:
  • a transparent ultra-violet solar radiation wall which covers the exposure surface to form a closed treatment volume, and so as to expose the exposure surface to the solar radiation
  • circulating means arranged to establish a circulation of the water to be purified between said at least one reservoir and the exposure surface
  • a photovoltaic panel arranged to feed the circulation means.
  • a cold water inlet arranged to feed the at least one cold water tank to be purified
  • a purified hot water outlet arranged to take purified hot water from the at least one tank.
  • the device can then be used easily as a source of hot water, that is to say as a solar water heater.
  • the water purification device comprises a cold water supply unit, comprising for example a float, arranged to limit a level of water to be purified in said at least one tank.
  • the upgrade is automatic, reliable and cheap.
  • the exposure surface comprises a catalyst material, such as titanium dioxide, arranged to catalyze a photocatalytic treatment reaction of the water to be purified.
  • a catalyst material such as titanium dioxide
  • the invention proposes combining photolysis and photocatalysis to provide effective and rapid disinfection.
  • the exposure surface comprises a titanium dioxide foam or is formed by a titanium dioxide foam.
  • Such a titanium dioxide foam can be obtained by depositing, by a screen printing process, a paste containing nanoparticles of titanium dioxide on the exposure surface, and then firing the paste at 450 ° C-500 ° C.
  • foam thicknesses comprised between a few micrometers and a few hundredths of a millimeter.
  • the photovoltaic panel can be chosen so that it provides an electric power which makes the pump run at full speed when the sun is at its maximum, and as soon as the sunshine decreases, the power supplied to the pump drops. all the same, which causes the flow of water to be purified to fall and thus increases the time of passage on the exposure surface and therefore the exposure time.
  • the minimum exposure time is 10 seconds, when the water to be purified is at 60 ° C and the exposure surface receives a dose of ultraviolet A (UV-A) of 40J / m 2 .
  • UV-A ultraviolet A
  • the water purification device comprises thermal insulation means arranged to thermally isolate the reservoir.
  • the heat stored by the water on the exposure surface is stored in the tank which allows to maintain a high temperature, for example at least 60 ° C, so as to maximize the efficiency of the photolysis treatment and photo-catalysis , and keep the water warm even at night.
  • the thermal insulation means are double walls of the tank. Obviously, any thermal bridge with metal parts is to be avoided.
  • the wall is pierced to allow a gravity flow of the water to be purified from the exposure surface to the reservoir.
  • the water purification device comprises means for disinfecting the water to be purified, such as means for generating ozone
  • the solution proposed by the invention is an integrated purification water tank comprising:
  • the bottom of the lid is coated with photo-catalytic material, or directly treated with a photo-catalytic process.
  • At least a photovoltaic solar panel of reduced power allowing to activate the pump with the wire of sun, without battery or power supply.
  • the total height slightly exceeds 40 cm, and is limited to about 60 cm in order to both emerge from the shading of acroteria often encountered on the roof terrace, and stay below the area of disturbance of the wind to keep the calories at best.
  • the bottom of the lid is either black to absorb solar energy, or covered by a photo-catalytic material also acting as an absorber, and a color promoting thermal absorption.
  • This water layer will preferably have a thickness of between 1 mm and 10 mm.
  • -Dispose an insulated lid over an insulated tank by placing a hollow about 3cm thick including 2cm of air space, and 1 cm for the water slide.
  • the insulated tank will also have a 2cm air gap between the surface of the water and the underside of the insulated lid.
  • -Fixer said cover a transparent plate ultraviolet radiation, glass or polymer, preferably insulating.
  • an insulating constructive material is used, for example HDPE roto molding, foamed for insulation, or even EPP foam, or even polyurethane foam partitions. This reduces costs and heat losses.
  • double-wall insulation will be implemented to increase the efficiency of the process.
  • FIG. 1 is a schematic sectional view of a solar water purification tank according to the invention.
  • the solar water purification tank incorporates a water tank 1 with double perimeter wall 3 and thermal insulation.
  • a cover 2 is placed above tightly and insulated from heat losses, preferably by a socket which will also form a seal.
  • a pump 6, powered by a photovoltaic solar panel 8 pumps unpurified cold water through a collector 9 and drives it to an exposure surface 7 formed in a recess of the cover 2, forming a water slide 4 , which is heated and purified flows by gravity through a hole 5.
  • the hot treated water is thus stratified at the top of the tank 1.
  • An air gap 13 will be maintained between the upper water level and the underside of the cover, to maximize the thermal insulation, necessarily maximum on the top of the tank.
  • a second air gap 14 will advantageously be placed between the water slide exposed to sunlight and the window transparent to ultraviolet radiation, and will add its insulating effect to the insulation of the lid.
  • the water therefore flows on the exposure surface 7, formed for example by a titanium dioxide foam.
  • the water can be purified with a water flow of 0.66 liters per minute, and about 200 liters of water can be a period of about six hours.
  • the water is exposed for a minimum of between 10 and 90 seconds each time the surface is exposed. It can also be envisaged to consider that the water is treated when it has reached a temperature of 65 ° C for at least five minutes.

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Abstract

Dispositif de purification d'eau comprenant : - au moins un réservoir (1) agencé pour contenir de l'eau à purifier, - un couvercle (2) avec une paroi agencée pour fermer ledit au moins un réservoir (1), caractérisé en ce que : - le couvercle (2) comprend une surface d'exposition (7) de l'eau à purifier, la paroi étant agencée entre ledit au moins un réservoir (1) et la surface d'exposition (7), - le dispositif comprend en outre : - une paroi transparente (16) au rayonnement solaire ultra violet qui recouvre la surface d'exposition (7) pour former un volume clos de traitement, et de sorte à exposer au rayonnement solaire la surface d'exposition (7), - des moyens de circulation agencés pour établir une circulation de l'eau à purifier entre ledit au moins un réservoir (1) et la surface d'exposition (7), - un panneau photovoltaïque (8) agencé pour alimenter les moyens de circulation, et en ce que la surface d'exposition (7) du couvercle (2) est revêtue avec une mousse de dioxyde de titane.

Description

D ispositif de purification de l'eau Domaine technique de l'invention
L'invention à pour objet un système de purification de l'eau, ainsi qu'un procédé de fabrication d'un tel système.
Elle concerne le domaine des solutions pour rendre l'eau potable à travers l'utilisation du rayonnement ultraviolet dans la lumière solaire. Cette solution est destinée à l'utilisation domestique, voire petite collectivité, et permet de purifier l'eau dans un réservoir exposé au soleil, sans autre énergie que le rayonnement solaire.
État de la technique
Les systèmes de purification de l'eau sont souvent basés sur de la lumière ultraviolette, soit de la nano-filtration, ou encore des systèmes à charbon actif. Il existe aussi , sous le terme sodis, ou solar désinfection, un procédé qui permet de traiter l'eau par photolyse, à l'intérieur de bouteilles en PET exposées au soleil pendant une journée.
Les documents de brevets suivants décrivent un certain nombre de solutions pour la désinfection de l'eau :
US20050258108 A1 ( Eric Sanford ), WO2001081250 A1 ( Charles Joseph Carr ), WO2004083126 A1 ( Arthur Stephen Healey ) . Ces systèmes possèdent divers inconvénients, principalement basés sur leur entretien, ou le renouvellement de leur consommable : lampe uv, membrane de filtration, filtre à charbon doivent être régulièrement remplacés, souvent dans des pays ou l'approvisionnement est difficile, et la rigueur pas forcement suffisante pour en respecter le rythme. Ces systèmes deviennent ainsi de potentielles machines à prolifération bactérienne. Le système sodis ne dispose pas de ces inconvénients, mais est doté d'une efficacité limitée, de l'ordre de 30L par jour et par mètre carré, et surtout demande beaucoup de manipulation quotidienne, cf. le site internet www.sodis.ch .
Divulgation de l'invention
L'objectif principal de l'invention consiste à maximiser l'utilisation du rayonnement solaire tout en proposant un dispositif de purification simple à utiliser et sans entretien, et qui peut fournir une grande quantité d'eau purifiée avec une surface au sol faible.
A cet effet, un premier aspect de l'invention est un dispositif de purification d'eau comprenant :
- au moins un réservoir agencé pour contenir de l'eau à purifier,
- un couvercle avec une paroi agencée pour fermer ledit au moins un réservoir,
caractérisé en ce que :
- le couvercle comprend une surface d'exposition de l'eau à purifier, la paroi étant agencée entre ledit au moins un réservoir et la surface d'exposition,
- le dispositif comprend en outre :
- une paroi transparente au rayonnement solaire ultra violet qui recouvre la surface d'exposition pour former un volume clos de traitement, et de sorte à exposer au rayonnement solaire la surface d'exposition,
- des moyens de circulation agencés pour établir une circulation de l'eau à purifier entre ledit au moins un réservoir et la surface d'exposition,
- un panneau photovoltaïque agencé pour alimenter les moyens de circulation.
Le dispositif selon la présente mise en œuvre est sans entretien, puisqu'il n'a pas de pièces à changer pour effectuer la désinfection, et grâce à la circulation d'eau, la quantité d'eau traitée efficacement est importante. Enfin, l'utilisation d'un panneau photovoltaïque permet d'obtenir un équipement autonome qui fonctionne lorsque la désinfection par rayonnement solaire est possible. Avantageusement, le dispositif de purification d'eau comprend :
- une arrivée d'eau froide, agencée pour alimenter ledit au moins un réservoir en eau froide à purifier,
- une sortie d'eau chaude purifiée, agencée pour prélever de l'eau chaude purifiée dudit au moins un réservoir. Le dispositif peut alors être utilisé aisément comme source d'eau chaude, c'est-à-dire comme chauffe eau solaire.
Avantageusement, le dispositif de purification d'eau comprend une unité d'alimentation en eau froide, comprenant par exemple un flotteur, agencée pour limiter un niveau d'eau à purifier dans ledit au moins un réservoir. La mise à niveau est automatique, fiable et bon marché.
Avantageusement, la surface d'exposition comprend un matériau catalyseur, tel que du dioxyde de titane, agencé pour catalyser une réaction de traitement photocatalytique de l'eau à purifier. Avec cette mise en œuvre, l'invention propose de combiner la photolyse, et la photocatalyse, afin de proposer une désinfection efficace et rapide.
Avantageusement, la surface d'exposition comprend une mousse de dioxyde de titane ou est formée par une mousse de dioxyde de titane.
Une telle mousse de dioxyde de titane peut être obtenue par dépose par un procédé de sérigraphie d'une pâte contenant des nanoparticules de dioxyde de titane sur la surface d'exposition, puis cuisson de cette pâte à 450°C-500°C. Typiquement, on peut obtenir des épaisseurs de mousse comprises entre quelques micromètres et quelques centièmes de millimètres. En particulier, il est possible de fabriquer une surface d'exposition avec une mousse de dioxyde de titane d'une épaisseur comprise entre 3 m et 15 m.
Une telle mousse de dioxyde de titane a pour avantage d'augmenter la surface de contact avec le liquide à traiter, ce qui retarde également les risques de bouchage ou sédimentation sur la surface d'exposition. Enfin, une telle mousse (plus épaisse qu'un simple film ou couche mince de dioxyde de titane) capte plus efficacement les rayons UV, ce qui augmente encore l'efficacité du traitement.
Avantageusement, les moyens de circulation d'eau et la surface d'exposition sont agencés pour établir un débit d'eau à purifier sur la surface d'exposition qui garantit un temps d'exposition minimal de l'eau à purifier sur la surface d'exposition. En d'autres termes, l'eau reste sur la surface d'exposition pendant un certain temps qui garantit une désinfection efficace. On peut imaginer de former un écoulement particulier sur la surface d'exposition, avec des chemins de ruissellement préformés pour définir un parcours sinueux. On peut également calibrer le débit de la pompe pour garantir le débit. On peut également asservir le débit de la pompe avec l'ensoleillement, dont une mesure est aisée avec le panneau photovoltaïque. D'une manière préférentielle, on peut choisir le panneau photovoltaïque pour qu'il fournisse une puissance électrique qui fait fonctionner la pompe à plein régime lorsque l'ensoleillement est maximal, et dès que l'ensoleillement diminue, la puissance fournie à la pompe baisse d'autant, ce qui fait chuter le débit d'eau à purifier et augmente alors le temps de passage sur la surface d'exposition et donc le temps d'exposition.
Avantageusement, le temps d'exposition minimal est de 10 secondes, lorsque l'eau à purifier est à 60°C et la surface d'exposition reçoit une dose d'ultra violet A (UV-A) de 40J/m2.
Avantageusement, le dispositif de purification d'eau comprend des moyens d'isolation thermiques agencés pour isoler thermiquement le réservoir. La chaleur emmagasinée par l'eau sur la surface d'exposition est conservée dans le réservoir ce qui permet de conserver une température élevée, par exemple au moins 60°C, de sorte à maximiser l'efficacité du traitement de photolyse et photo-catalyse, et garder l'eau chaude même la nuit. Avantageusement, les moyens d'isolation thermiques sont des doubles parois du réservoir. Evidemment, tout pont thermique avec des pièces métallique est à proscrire.
Avantageusement, les moyens de circulation comprennent une pompe.
Avantageusement, la paroi est percée pour permettre un écoulement gravitaire de l'eau à purifier depuis la surface d'exposition vers le réservoir.
Avantageusement, le dispositif de purification d'eau comprend des moyens de désinfection de l'eau à purifier, tels que des moyens de génération d'ozone
Autrement dit, la solution proposée par l'invention est un réservoir d'eau à purification intégrée comprenant :
-Un réservoir d'eau avec isolation thermique d'une contenance d'environ 100L par mètre carré. -Un couvercle avec isolation thermique faisant office de capteur de lumière solaire
-Un vitrage sur le couvercle laissant passer la lumière ultraviolette
-Une Pompe faisant transiter l'eau du réservoir dans le couvercle, l'exposant ainsi à la lumière ultraviolette. -Le fond du couvercle est revêtu de matériau photo-catalytique, ou directement traité par un processus photo-catalytique.
-Au minimum un panneau solaire photovoltaïque de puissance réduite permettant d'activer la pompe au fil du soleil, sans batterie ou alimentation secteur.
Préférentiellement, la hauteur totale dépasse légèrement 40cm , et se limite à environ 60cm afin de à la fois se dégager de l'ombrage des acrotères souvent rencontrés sur les toits terrasse, et rester en dessous de la zone de perturbation du vent pour garder au mieux les calories.
Le fond du couvercle, est soit noir pour absorber l'énergie solaire, soit recouvert par un matériau photo-catalytique faisant aussi office d'absorbeur, et d'une couleur favorisant l'absorption thermique.
Le soleil, à travers le vitrage supérieur, chauffe ainsi l'absorbeur, qui est recouvert d'une lame d'eau à chauffer / purifier renouvelée autant que nécessaire, en fonction de l'éclairement disponible et de la température de l'eau, qui conditionne l'efficacité du traitement. Cette lame d'eau sera préférentiellement d'une épaisseur comprise entre 1 mm et 10mm.
Pour optimiser la surface au soleil, et donc la capacité à traiter les bactéries, le tout sera maintenu à plat, sans inclinaison au soleil. Ceci diminue le rendement solaire de très peu (4 à 20% suivant les latitudes), mais permet une excellent isolation grâce à un rapport de forme favorable et une surface optimum de la lame d'eau exposée à la lumière naturelle.
Préférentiellement, l'eau traitée et chauffée retombera par gravité dans le réservoir. Un fusible thermique stoppera la pompe en cas de surchauffe estivale, permettant ainsi à l'ensemble de durer de longues années. Le fonctionnement est aussi possible à travers l'ajout d'une électronique et deux capteurs de température, permettant ainsi de doser plus finement la fenêtre de fonctionnement, et mieux balancer les fonctions de chauffage et de purification dans le sens désiré par l'utilisateur. Dans ce cas, l'ajout d'une électrovanne entre le couvercle et le réservoir permettra d'aller encore plus loin sur le contrôle des cycles, ainsi que de régler finement l'épaisseur de la lame d'eau exposée aux rayonnements ultraviolets de la lumière solaire. Un autre aspect de l'invention concerne un procédé de fabrication d'un réservoir solaire à purification de l'eau dans lequel un couvercle isolé fait office de capteur solaire thermique et de support de matériau photo- catalytique . ledit procède constituant à :
-Disposer une couvercle isolé au dessus d'un réservoir isolé, en y aménageant un creux d'environ 3cm d'épaisseur dont 2cm de lame d'air, et 1 cm pour la lame d'eau. Le réservoir isolé disposera aussi d'une lame d'air de 2cm entre la surface de l'eau et le dessous du couvercle isolé. -Fixer sur ledit couvercle une plaque transparente aux rayonnement ultraviolet, de type verre ou polymère, avantageusement isolante.
Préférentiellement, on utilise un matériau constructif isolant, par exemple du roto moulage de PEHD, moussé pour l'isolation, voire de la mousse EPP , ou encore des cloisons en mousse polyuréthane. Ceci permet de réduire les coûts et les pertes thermiques.
Préférentiellement, une isolation par double cloison sera mise en œuvre pour augmenter l'efficacité du procédé.
Description de la figure
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description d'un mode de réalisation préféré qui va suivre, en référence au dessin annexé, réalisé à titre d'exemple indicatif, et non limitatif sur lequel la figure 1 est une vue schématique en coupe d'un réservoir solaire à purification de l'eau conforme à l'invention. Modes de réalisation de l'invention.
Le panneau solaire objet de l'invention est un réservoir solaire à purification de l'eau, c'est à dire qu'il est capable de chauffer et purifier de l'eau avec la seule énergie du soleil. Il est destiné à être utilisé seul, ou en pluralité de modules, de façon à ce que l'eau pure et chaude qu'il produit soit exploitables par une habitation ou une installation.
En se rapportant à la figure 1 , le réservoir solaire à purification de l'eau intègre un réservoir d'eau 1 comportant double cloison périmétrique 3 et une isolation thermique . Un couvercle 2 est posé au dessus de manière étanche et isolée des pertes thermiques, préférentiellement par un emboîtement qui formera aussi joint d'étanchéité. Une pompe 6, alimentée par u panneau solaire photovoltaïque 8 pompe de l'eau froide non purifiée à travers un collecteur 9 et l'entraîne vers un surface d'exposition 7 formée dans un évidement du couvercle 2, formant une lame d'eau 4, qui réchauffée et purifiée s'écoule par gravité à travers un trou 5. L'eau traitée chaude se trouve ainsi stratifiée en haut du réservoir 1 .
En utilisation mixte chauffe eau solaire / machine de purification d'eau, on ajoutera une entrée d'eau froide 10, coupée par un flotteur 12 type chasse d'eau de wc, et une sortie d'eau chaude purifiée 1 1 , située tout en haut du niveau d'eau.
Une lame d'air 13 sera maintenue entre le niveau d'eau supérieur et le dessous du couvercle, afin de maximiser l'isolation thermique, nécessairement maximale sur le dessus du réservoir. Pour augmenter cette performance isolante, une deuxième lame d'air 14 sera placée avantageusement entre la lame d'eau exposée à la lumière solaire et la vitre transparente 16 au rayonnement ultraviolet, et se rajoutera ainsi son effet isolant à l'isolation du couvercle.
Une plaque photo-catalytique, ou un traitement photo-catalytique 15 se trouvera bloqué mécaniquement, ou collé au fond du couvercle, pour former la surface d'exposition 7. Il pourra s'agir de verre, de plastique, de céramique, recouvert de particules de Ti02 (dioxyde de titane) de manière à ce que le flux d'eau n'arrache pas les nanoparticules, mais permettre une surface de contact optimisée, favorable au traitement des bactéries et autre métaux lourds / pesticides.
Lors du fonctionnement, l'eau circule donc sur la surface d'exposition 7, formée par exemple par une mousse en dioxyde de titane. Lors d'un ensoleillement normal, avec une surface d'exposition faisant 0.7m2, on peut obtenir la purification de l'eau avec un débit d'eau de 0.66 litres par minute, et on peut traiter environ 200 litres d'eau sur une période de six heures environ. En conséquence, l'eau est exposée au minimum pendant un temps compris entre 10 et 90 secondes à chaque passage sur la surface d'exposition. On peut également prévoir de considérer que l'eau est traitée dès lors qu'elle a atteint une température de 65°C pendant au moins cinq minutes.
On comprendra que diverses modifications et/ou améliorations évidentes pour l'homme du métier peuvent être apportées aux différents modes de réalisation de l'invention décrits dans la présente description sans sortir du cadre de l'invention défini par les revendications annexées.

Claims

REVE N D I CATI O N S
1 . Dispositif de purification d'eau comprenant :
- au moins un réservoir (1 ) agencé pour contenir de l'eau à purifier,
- un couvercle (2) avec une paroi agencée pour fermer ledit au moins un réservoir (1 ),
caractérisé en ce que :
- le couvercle (2) comprend une surface d'exposition (7) de l'eau à purifier, la paroi étant agencée entre ledit au moins un réservoir (1 ) et la surface d'exposition (7),
- le dispositif comprend en outre :
- une paroi transparente (16) au rayonnement solaire ultra violet qui recouvre la surface d'exposition (7) pour former un volume clos de traitement, et de sorte à exposer au rayonnement solaire la surface d'exposition (7), - des moyens de circulation agencés pour établir une circulation de l'eau à purifier entre ledit au moins un réservoir (1 ) et la surface d'exposition
(7),
- un panneau photovoltaïque (8) agencé pour alimenter les moyens de circulation, et en ce que la surface d'exposition (7) du couvercle (2) est revêtue avec une mousse de dioxyde de titane.
2. Dispositif de purification d'eau selon la revendication précédente, comprenant :
- une arrivée d'eau froide (10), agencée pour alimenter ledit au moins un réservoir (1 ) en eau froide à purifier,
- une sortie d'eau chaude purifiée (1 1 ), agencée pour prélever de l'eau chaude purifiée dudit au moins un réservoir (1 ).
3. Dispositif de purification d'eau selon la revendication précédente, comprenant une unité d'alimentation en eau froide, comprenant par exemple un flotteur (12), agencée pour limiter un niveau d'eau à purifier dans ledit au moins un réservoir (1 ).
4. Dispositif de purification d'eau selon l'une des revendications précédentes, dans lequel, les moyens de circulation d'eau et la surface d'exposition (7) sont agencés pour établir un débit d'eau à purifier sur la surface d'exposition (7) qui garantit un temps d'exposition minimal de l'eau à purifier sur la surface d'exposition (7).
5. Dispositif de purification d'eau selon la revendication précédente, dans lequel le temps d'exposition minimal est de 10 secondes, lorsque l'eau à purifier est à 60°C et la surface d'exposition (7) reçoit une dose d'ultra violet A (UV-A) de 40J/m2.
6. Dispositif de purification d'eau selon l'une des revendications précédentes, comprenant des moyens d'isolation thermiques agencés pour isoler thermiquement le réservoir (1 ).
7. Dispositif de purification d'eau selon la revendication précédente, dans lequel les moyens d'isolation thermiques sont des doubles parois du réservoir (1 ).
8. Dispositif de purification d'eau selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les moyens de circulation comprennent une pompe (6).
9. Dispositif de purification d'eau selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la paroi est percée pour permettre un écoulement gravitaire de l'eau à purifier depuis la surface d'exposition (7) vers le réservoir (1 ).
10. Dispositif de purification d'eau selon l'une des revendications précédentes, comprenant des moyens de désinfection de l'eau à purifier, tels que des moyens de génération d'ozone.
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