WO2022152655A1 - 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 PDF

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WO2022152655A1
WO2022152655A1 PCT/EP2022/050357 EP2022050357W WO2022152655A1 WO 2022152655 A1 WO2022152655 A1 WO 2022152655A1 EP 2022050357 W EP2022050357 W EP 2022050357W WO 2022152655 A1 WO2022152655 A1 WO 2022152655A1
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liquid
electrodes
treatment zone
equal
phase
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PCT/EP2022/050357
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Pierre Marie MONDIN
Julien MORVAN
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Holopharm
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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/60—Heating arrangements wherein the heating current flows through granular powdered or fluid material, e.g. for salt-bath furnace, electrolytic heating
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B2203/00—Aspects relating to Ohmic resistive heating covered by group H05B3/00
    • H05B2203/021—Heaters specially adapted for heating liquids
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis

Definitions

  • the present invention relates to methods for treating a liquid with a view to heating it, producing steam, developing a catalysis reaction, producing nanoparticles and/or concentrating at least one species. within it.
  • FR3036467 describes a device for heating a liquid comprising two electrodes and a power supply applying an alternating current of 220V and 50 Hz between the two electrodes.
  • WO2009/049194 discloses a device for generating hot water for domestic heating installations, the device comprising metal electrodes, in particular steel, powered by an alternating current of 60 Hz and 120V or 220/240V.
  • EP 2394965 describes a device for the purification/decontamination of water by electrolysis, comprising electrodes powered by a three-phase current. This document indicates that the electrodes are formed of a porous material so as to maintain a high level of electrolysis.
  • the invention aims to provide a process for treating a liquid, in particular aqueous, with a view to heating it, producing steam, developing a catalysis reaction, producing nanoparticles and/or concentrating at least a species within it, which makes it possible to reduce or even eliminate the phenomenon of electrolysis of water and the production of hydrogen and oxygen linked to this electrolysis.
  • a liquid in particular aqueous
  • a flow of a liquid is circulated in at least one treatment zone formed between at least two electrodes connected to a source of alternating current of alternating frequency of phase greater than or equal to 100 Hz, so as to heat, vaporize, chemically activate, produce nanoparticles and/or concentrate the liquid at least partially under the effect of the passage of current between these electrodes.
  • aqueous liquid containing in particular one or more metal salts
  • at least one treatment zone formed between at least two electrodes connected to a source of alternating current with a phase alternation frequency greater than or equal to 100 Hz , so as to produce nanoparticles under the effect of the passage of current between these electrodes.
  • the process according to the invention can make it possible, surprisingly, to significantly reduce, or even eliminate, the production of undesirable gas(es), in particular those produced by electrolysis such as hydrogen (H2) and oxygen (O2) for example, when the liquid is aqueous.
  • undesirable gas(es) in particular those produced by electrolysis such as hydrogen (H2) and oxygen (O2) for example, when the liquid is aqueous.
  • the method according to the invention can also allow, surprisingly, the instantaneous and continuous vaporization of the flow of liquid, in particular aqueous, passing through the treatment zone. This is possible for a temperature of the liquid entering the treatment zone greater than or equal to 0°C. This means that the method according to the invention can allow the instantaneous and continuous vaporization of a flow of liquid whose temperature is between 0° C. and 10° C., which is particularly remarkable.
  • the invention can also make it possible to vaporize liquids which are brought into the treatment zone at a temperature below 0° C., and are under a pressure which allows them to remain liquid at this temperature.
  • the process according to the invention can allow the production of nanoparticles.
  • the method according to the invention is also robust and efficient in terms of energy efficiency.
  • the treatment zone can be formed between at least two electrodes powered by a single-phase current.
  • the treatment zone is formed between at least three electrodes supplied with a multi-phase current, preferably three-phase, even more preferably with a balance between the phases.
  • the method according to the invention has a higher energy efficiency than that of an electrical resistance heater for steam production applications.
  • the treatment area can be formed between three electrodes arranged in a balanced triangular mesh, or between six electrodes arranged like the vertices of an equilateral triangle and halfway along the sides, or arranged like a hexagon.
  • the current can flow between at least two electrodes including a neutral electrode placed in the treatment zone.
  • the neutral electrode can be made of a ferromagnetic material. This can make it possible to further concentrate the magnetic field generated by the passage of the current in the treatment zone.
  • the ferromagnetic material may or may not be covered with an insulating material and/or connected or not to the alternating current source depending on whether or not it is desired to modify the magnetic field and/or the electric field.
  • the electrodes can be made of any electrically conductive material, for example graphite, in a metallic material, in particular iron, steel, stainless steel, titanium, gold, copper, or a non-metallic material. conductor, in particular based on polymers or semiconductors such as metalloids.
  • the fact that the electrodes are connected to a source of alternating current of alternating phase frequency greater than or equal to 100 Hz makes it possible to limit the oxidation of the electrodes, in addition to limiting the phenomena of electrolysis of water as mentioned above.
  • the electrodes are made of a material that is chemically inert with respect to the treated liquid.
  • the electrodes are made of graphite.
  • the electrodes may comprise electrically insulated portions and non-insulated portions, the non-insulated portions defining electric dipoles arranged according to a three-dimensional mesh which can be superimposed by change of scale on a simple cubic crystal mesh, face-centered cubic, of the “Blenge” type. or hexagonal.
  • An insulated portion of an electrode is for example obtained by the use of an insulating sheath surrounding the electrode.
  • metallic electrodes can allow the formation of salts and/or metallic spherules, in particular colloidal metallic particles.
  • electrodes made of steel, titanium or gold are used so as to respectively allow the formation of iron oxides, titanium oxides or gold microspherules.
  • the use of a metal electrode can allow the production of nanoparticles of this metal.
  • the electrodes can be tubular, spherical, cylindrical or in the form of a plate.
  • the length of the electrodes can be between 1 ⁇ m and 1 m.
  • the electrodes are 10 cm in length.
  • the electrodes can be arranged in parallel or approach each other towards the upper part of the treatment area, so as to form, for example, a pyramid or cone shape.
  • the distance between two electrodes can be chosen according to the desired electric field. It can be between 1 pm and 1 m.
  • the liquid may or may not be aqueous.
  • the liquid is, for example, liquid hydrogen or another liquefied gas.
  • the circulation of the flow of liquid, in particular aqueous, in the treatment zone can be carried out by any means, in particular using a pump, in particular peristaltic, centrifugal or volumetric.
  • the circulation of the flow of liquid in the treatment zone is carried out by gravity.
  • the aqueous liquid can be chosen from more or less mineralized or polluted water, and more generally from an aqueous solution, an aqueous suspension, an aqueous emulsion or an aqueous sludge.
  • the method according to the invention can make it possible to heat the liquid.
  • the liquid to be heated is for example made up of water circulating in a heating circuit, or a liquefied gas that one seeks to vaporize very quickly.
  • the applicant has observed that the process according to the invention can make it possible to purify an aqueous liquid by degradation of organic molecules contained in the aqueous liquid.
  • the aqueous liquid at the outlet of the treatment zone or the condensates resulting from the condensation of the vapor produced by the process then correspond respectively to a purified aqueous liquid or to purified water.
  • the aqueous liquid may comprise one or more organic molecules, in particular aromatic molecules, endocrine disruptors, hydrocarbons and/or pollutants.
  • organic molecules are "Triton X-100", L-methionine, medroxyprogesterone acetate, methyl parahydroxybenzoate and/or gentian violet.
  • the aqueous liquid to be purified can be an aqueous effluent from an industrial unit, in particular industrial waste water, or be domestic waste water containing different types of pollutants, in particular organic, presenting a more or less dangerous toxicity and therefore risks for environment and health.
  • the aqueous liquid to be purified can also be raw water, coming in particular from a well, a borehole or a spring, which is intended to be distributed in drinking water circuits.
  • the present invention can thus make it possible to purify waste water before its discharge into the natural environment or its reuse or to make raw water drinkable.
  • the electrodes are preferably made of a non-oxidizable and chemically inert conductive material, in particular of graphite.
  • a non-oxidizable and chemically inert conductive material in particular of graphite.
  • the process according to the invention can make it possible to concentrate the aqueous liquid.
  • the aqueous liquid to be concentrated is for example sea water or hard water. Na + and Cl' ions from sea water or CO3 2 ', Cl', Ca 2+ and Mg 2+ ions from hard water are concentrated in the aqueous liquid within the treatment zone and the condensed correspond to soft water.
  • the aqueous liquid may contain metal ions which react with the electrodes to form metal nanoparticles.
  • the passage of current in the treatment zone can generate a rotating and/or oscillating electric field.
  • This electric field can generate a magnetic field that is oscillating and oriented perpendicular to the electric field.
  • the electric field and in particular the magnetic field, can generate Cooper pairs.
  • At least one ferromagnetic core may be present within the treatment area.
  • the ferromagnetic core may or may not be electrically insulated. In particular, it may or may not be connected to the neutral electrode.
  • the alternating current source may have a phase alternation frequency greater than or equal to 200, 300, 400, 500, 1000, 2000, 3000, 5000, 10000, 15000 or 20000 Hz, preferably greater than or equal to 300, 1000 or 20,000 Hz, and preferably less than or equal to 2 MHz, better still less than or equal to 1.6 MHz.
  • the applicant has found that the use of a phase alternation frequency greater than or equal to 300 Hz makes it possible to further reduce the production of gases, in particular those produced by electrolysis, and to further limit the oxidation of the electrodes.
  • the alternating current source is of phase alternation frequency equal to 3 kHz, 1.3 MHz or 1.6 MHz.
  • the alternating current source has a phase alternation frequency of between 1 and 50 kHz.
  • the supply current to the electrodes may or may not be a chopped current.
  • the current supplying the electrodes is a chopped current
  • the latter is preferably chopped at a chopping frequency of between 1 and 100 kHz.
  • the chopping of the current can make it possible to improve the performance of the method, in particular by making it possible to control the waveform of the alternating current supplying the electrodes.
  • the chopping frequency can be strictly equal to twice the phase alternation frequency. This can make it possible to induce a resonance phenomenon in the treatment zone and thus improve the performance of the method.
  • the chopping frequency can be strictly greater than twice the phase alternation frequency. This can make it possible to induce a resonance phenomenon in the treatment zone and thus contribute to improving the performance of the process, without this resonance phenomenon mechanically degrading the electrodes.
  • the no-load voltage between electrodes, dry is chosen according to the desired electric field. It can be greater than or equal to 1 nV, better between 20 and 600V, depending on the gap between the electrodes.
  • the intensity of the electric field can be greater than or equal to 1 V/m, and preferably less than or equal to 1 MV/cm.
  • the voltage applied between the electrodes can be chosen so as to generate electric arcs and/or plasma, preferably continuously, in the liquid within the treatment zone.
  • these electric arcs and/or plasmas are formed along the electrodes and not between the electrodes. These electric arcs or plasmas are easily visible because they emit blue, pink, violet or orange light within the treatment area. The presence of these arcs or plasmas can make it possible to improve the energy efficiency of the method according to the invention.
  • At least part of the heat generated by the process in particular at least part of the latent heat of condensation of the vapor produced and/or at least part of the vapor produced and/or at least part of the heated liquid after passage in the treatment zone and/or at least part of the heat generated within the treatment zone, can be used to heat the liquid upstream and/or within the treatment zone or to heat, or even vaporize, a fluid distinct from liquid.
  • the treatment zone can be located in a reactor having an inlet allowing the treatment zone to be supplied with aqueous liquid and an outlet allowing the heated aqueous liquid and/or the vapor produced to leave the treatment zone.
  • the outlet of the reactor can be connected to an overflow making it possible to recover the non-vaporized part of the liquid, in particular the splashes of the liquid at the outlet of the reactor.
  • the reactor can be spherical or tubular in shape, with for example a circular or polygonal section.
  • the reactor is a tube of polygonal section, in particular square, rectangular or triangular.
  • the use of a reactor of tubular shape with a triangular section is for example advantageous because this can make it possible to limit the dead volumes between the triangular mesh. balanced treatment zone and reactor walls.
  • the reactor is preferably made of a chemically inert and heat-resistant material, in particular metal, for example stainless steel, glass, ceramic or polytetrafluoroethylene (PTFE).
  • metal for example stainless steel, glass, ceramic or polytetrafluoroethylene (PTFE).
  • the reactor can be multi-jacketed, in particular double-jacketed, and at least part of the aqueous liquid heated after passing through the treatment zone, at least part of the vapor produced and/or at least part of the condensate can circulate in this to heat the liquid in the treatment area.
  • at least part of the liquid to be treated circulates in the multiple envelope, in particular the double envelope, so as to be heated by at least part of the heat generated within the treatment zone.
  • the flow rate of liquid traversing the treatment zone may be greater than or equal to 0.0001 mL/min/W delivered by an electric generator supplying the electrodes, better still greater than or equal to 0.0003 mL/sec/W delivered, for example greater or equal to 1 mL/sec, in particular greater than or equal to 1 L/min.
  • the flow rate of liquid flowing through the treatment zone is between 1 and 100 L/min or even more, depending on the electrical power delivered.
  • the liquid can be heated and/or vaporized in an open circuit.
  • the liquid is heated and/or vaporized in a closed circuit.
  • the heated liquid and/or the condensates are reinjected into the treatment zone.
  • the method can be implemented in a closed circuit in cycles, with supply of fresh liquid/discharge of the treated liquid, between each cycle.
  • the liquid is preferably deionized or even purified water or ammonia. This can make it possible to preserve the integrity of the materials used in the process, in particular the materials constituting the electrodes, the reactor, the piping and the heat exchanger(s), if applicable. This limits the deterioration of materials, in particular by oxidizing and/or corrosive agents, which makes it possible to extend their lifespan.
  • a further subject of the invention is a method for treating a liquid, in particular aqueous, in which the liquid is heated and/or vaporized by implementing the method as defined below. above, and the liquid having circulated in the treatment zone is recovered and/or condensed as the treated liquid.
  • the liquid can be an aqueous liquid, in particular sea water or hard water, in which the condensates are recovered.
  • the aqueous liquid is an effluent to be depolluted or raw water to be made drinkable.
  • the liquid, in particular aqueous comprises one or more carbonaceous compounds to be cracked and/or to be destroyed and/or to be rearranged.
  • the method according to the invention can make it possible, with graphite electrodes, to treat under positive pressure (from 1 to 5 cm of water) within the treatment zone a solution of deionized and purified water with sodium carbonate (Na2COs) as electrolyte at a concentration of 5.10′ 3 M in order to obtain carbonaceous compounds such as, for example, carbon monoxide (CO), carbon dioxide (CO2) and traces of hydrocarbons in 5 hours, in particular alkanes (methane, ethane, propane, isobutane, butane, isopentane, pentane for example), alkenes (ethylene, propene, isobutene for example) or alkynes (acetylene for example).
  • CO carbon monoxide
  • CO2 carbon dioxide
  • alkanes methane, ethane, propane, isobutan
  • Electricity generation process A further subject of the invention, independently or in combination with the foregoing, is a method for producing electricity, in which the liquid, in particular aqueous liquid, is heated and/or vaporized by implementing the method as defined below. above, and in which the heated liquid and/or the steam produced is used to drive an electric generator.
  • This electric generator can be a Stirling engine connected to an alternator or else a turbine connected to an alternator.
  • the invention also relates, independently or in combination with the foregoing, to an installation, in particular for implementing the method according to the invention, comprising:
  • a reactor comprising at least one supply of a liquid, aqueous or non-aqueous, having at least one treatment zone in which the liquid can circulate, preferably according to a continuous flow,
  • an electric generator to supply the electrodes with an alternating current with a phase alternation frequency greater than or equal to 100 Hz.
  • Such an installation may have all or some of the characteristics presented above.
  • the electric generator can be configured to generate an alternating current with a phase alternation frequency greater than or equal to 200, 300, 400, 500, 1000, 2000, 3000, 5000, 10000, 15000 or 20000 Hz, preferably greater than or equal to 300, 1000 or 20000 Hz, and preferably less than or equal to 2 MHz, better still less than or equal to 1.6 MHz.
  • the electric generator is configured to generate an alternating current with a phase alternation frequency of between 1 and 50 kHz.
  • the electric generator can be configured to generate a chopped alternating current, preferably at a chopping frequency between 1 and 100 kHz.
  • the electric generator can be configured to generate a single-phase or multi-phase alternating current, preferably three-phase, even more preferably with a balance between the phases.
  • the electric generator can be configured to make it possible to limit the voltage to a desired value, in order in particular to avoid a breakdown phenomenon between the dry electrodes.
  • the installation may comprise at least one energy recovery system configured to allow the condensation of at least a part of the steam produced, the recovery of at least a part of the latent heat of condensation and the use of at least part of the latent heat of condensation recovered to heat the liquid upstream and/or within the treatment zone or to heat, or even vaporize, a fluid distinct from the liquid.
  • the installation may include a liquid/vapor separator downstream of the treatment zone.
  • a further subject of the invention is a process for treating a liquid, in particular aqueous, with a view to heating it, producing steam, triggering a catalysis reaction and/or of the concentration of at least one species present within it, in which a flow of liquid is circulated in at least one treatment zone formed between at least two electrodes connected to a source of alternating current, so as to heat, vaporize , chemically activating and/or concentrating the liquid at least partially under the effect of the passage of current between these electrodes, and in which at least part of the heat generated by the method is used, in particular at least part of the latent heat condensation of the vapor produced and/or at least part of the vapor produced and/or at least part of the heated liquid after passing through the treatment zone and/or at least part of the heat generated within the treatment zone, to heat the liquid upstream and/or within the treatment zone or to heat or even vaporize a fluid distinct from the liquid.
  • the alternating current source may have a phase alternation frequency greater than or equal to 100 Hz, in particular greater than or equal to 200, 300, 400, 500, 1000, 2000, 3000, 5000, 10000, 15000 or 20000 Hz, preferably greater than or equal to 300, 1000 or 20000 Hz, and preferably less than or equal to 2 MHz, better still less than or equal to 1.6 MHz.
  • the alternating current source has a phase alternation frequency of between 1 and 50 kHz.
  • the current supplying the electrodes may or may not be a chopped current.
  • the latter is preferably chopped at a chopping frequency of between 1 and 100 kHz.
  • the treatment zone may be located in a reactor with multiple jackets, in particular double jackets, and at least part of the liquid, in particular aqueous, heated after passing through the treatment zone, at least part of the vapor produced and/or at least a part of the condensates can circulate therein to heat the liquid in the treatment zone.
  • at least part of the liquid to be treated circulates in the multiple envelope, in particular the double envelope, so as to be heated by at least part of the heat generated within the treatment zone.
  • a further subject of the invention is an installation, in particular for implementing the method as defined above, comprising:
  • a reactor comprising at least one supply of a liquid, having at least one treatment zone in which the liquid can in particular circulate according to a continuous flow
  • At least two electrodes arranged in the treatment zone to expose the liquid therein to an alternating electric current so as to heat, vaporize, chemically activate, produce nanoparticles and/or concentrate the liquid at least partially under the effect of the passage of current between these electrodes,
  • At least one energy recovery system configured to allow the condensation of at least a part of the steam produced, the recovery of at least a part of the latent heat of condensation and the use of at least a part latent heat of condensation recovered to heat the liquid upstream and/or within the treatment zone or to heat or even vaporize a fluid distinct from the liquid.
  • the electric generator can be configured to generate an alternating current with a phase alternation frequency greater than or equal to 100 Hz, in particular greater than or equal to 200, 300, 400, 500, 1000, 2000, 3000, 5000, 10000, 15000 or 20000 Hz, preferably greater than or equal to 300, 1000 or 20,000 Hz, and preferably less than or equal to 2 MHz, better still less than or equal to 1.6 MHz.
  • the electrical generator is configured to generate an alternating current of phase alternation frequency between 1 and 50 kHz.
  • the electric generator can be configured to generate a chopped alternating current, preferably at a chopping frequency between 1 and 100 kHz.
  • the electric generator can be configured to generate a single-phase or multi-phase alternating current, preferably three-phase, even more preferably with a balance between the phases.
  • the electric generator can be configured to make it possible to limit the voltage to a desired value, in order in particular to avoid a breakdown phenomenon between the dry electrodes.
  • the reactor can be multi-jacketed, in particular double-jacketed, and at least part of the heated liquid after passing through the treatment zone, at least part of the vapor produced and/or at least part of the condensate can circulate in that to warm the liquid in the treatment area.
  • at least part of the liquid to be treated circulates in the multiple envelope, in particular the double envelope, so as to be heated by at least part of the heat generated within the treatment zone.
  • the voltage between electrodes is between 10 V and 680 V
  • the alternating electric current has a phase alternation frequency greater than or equal to 100 Hz, with waveforms for example square, sinusoidal, triangular, etc.).
  • Nanoparticles particles whose size is less than one micron, better still than 100 nm. Nanoparticles can be metallic.
  • the medium, in particular aqueous, to be treated in the treatment zone contains one or more metal salts, for example copper or iron sulphate, silver nitrate, etc.
  • the substance(s) allowing the electrochemical reactions can be introduced beforehand into the treatment zone or be brought by a continuous flow into the treatment zone using a pump.
  • nanoparticles are almost instantaneous. These are present in particular:
  • the substrate can be a substrate made of a semiconductor material, for example silicon.
  • the production of nanoparticles can correspond to at least 10%, better still at least 20%, by mass of the metal introduced, for example at least 10% by mass of Ag nanoparticles for a given mass of Ag introduced in ionic form within of AgNOs.
  • Figure 1 shows an example of an alternating current waveform that can supply electrodes according to the invention
  • Figure 2 shows another example of an alternating current waveform that can power the electrodes
  • Figure 3 shows another example of an alternating current waveform that can power the electrodes
  • Figure 4 shows another example of an alternating current waveform that can power the electrodes
  • Figure 5 shows another example of an alternating current waveform that can power the electrodes
  • Figure 6 shows another example of an alternating current waveform that can power the electrodes
  • Figure 7 shows another example of an alternating current waveform that can power the electrodes
  • Figure 8 shows another example of an alternating current waveform that can power the electrodes
  • Figure 9 is a longitudinal section of an example of an arrangement of electrodes powered by a single-phase alternating current
  • Figure 10 is a cross-section of another example of an arrangement of electrodes powered by single-phase alternating current
  • FIG 11 is a longitudinal section of the example of figure 10,
  • Figure 12 is a longitudinal section of an alternative embodiment of the example of Figures 10 and 11,
  • Figure 13 is a cross-section of another example of an electrode arrangement powered by single-phase alternating current
  • Figure 14 is a cross-section of another example of an electrode arrangement powered by single-phase alternating current
  • Figure 15 is a cross-section of another example of an electrode arrangement powered by single-phase alternating current
  • Figure 16 is a cross-section of another example of an electrode arrangement powered by single-phase alternating current
  • figure 17 is a schematic and partial view, in perspective, of an example of an arrangement of electrodes powered by a single-phase alternating current according to a face-centered cubic crystal lattice,
  • FIG 18 is a schematic and partial view, in perspective, of an example of an arrangement of electrodes powered by a single-phase alternating current according to a simple cubic crystal lattice,
  • figure 19 is a schematic and partial view, in perspective, of an example of an arrangement of electrodes powered by a single-phase alternating current according to a crystal lattice of the “blende” type,
  • Figure 20 is a cross-section of an example arrangement of electrodes powered by multi-phase alternating current
  • Figure 21 is a cross-section of another example of an electrode arrangement powered by multi-phase alternating current
  • Figure 22 is a cross-section of another example of an arrangement of electrodes fed by a multi-phase alternating current
  • Figure 23 is a cross section of another example of an arrangement of electrodes fed by a multi-phase alternating current
  • Figure 24 is a cross-section of another example of an arrangement of electrodes powered by a multi-phase alternating current
  • Figure 25 is a cross section of another example of an arrangement of electrodes powered by a multi-phase alternating current
  • Figure 26 is a cross-section of another example of an electrode arrangement powered by multi-phase alternating current
  • Figure 27 is a cross-section of another example of an arrangement of electrodes fed by a multi-phase alternating current
  • Figure 28 is a cross-section of another example of an electrode arrangement powered by multi-phase alternating current
  • FIG 29 is a schematic view of a steam production process using an immersion heater
  • FIG 30 is a schematic view of a process for producing steam according to the invention.
  • Figure 31 is a schematic view of a reactor according to the invention.
  • FIG 32 is a cross section, according to section plane I-I, of the reactor of figure 31,
  • Figure 33 is a schematic view of a process for producing steam according to the invention, in open circuit,
  • Figure 34 is a schematic view of a process for producing steam according to the invention, in a closed circuit
  • Figure 35 is a schematic view of an alternative embodiment of the method of Figure 34,
  • Figure 36 is a schematic view of an alternative embodiment of the method of Figure 33.
  • Figure 37 is a schematic view of an alternative embodiment of the method of Figure 34.
  • the alternating current supplied to the electrodes can be sinusoidal, triangular, square or square with offset and duty cycle 50%, as shown in figures 1 to 4 respectively.
  • the alternating current supplied to the electrodes may have a waveform like that shown in Figures 5 and 6.
  • components 60 and 61 represent 146.6 V RMS and 2.1 A respectively and in Figure 6, components 62 and 63 represent 138.3 V RMS and 2.0 A respectively.
  • the alternating current supplying the electrodes can also be a pulse-width modulation wave (PWM or PWM wave) of the full-wave type (also called bipolar), as illustrated in FIG. 7, or half-wave type (also called unipolar), as shown in Figure 8.
  • PWM or PWM wave pulse-width modulation wave
  • full-wave type also called bipolar
  • half-wave type also called unipolar
  • the reactor 4 comprises a treatment zone 21 formed between two concentric tubular electrodes 31, 32: a neutral electrode 32 and a phase electrode 31, with the neutral electrode 32 having a smaller diameter than that of the phase electrode 31.
  • the circulation of the liquid for example within the reactor 4 is described below.
  • the liquid is injected into the neutral electrode 32 at the level of the inlet 16 of the reactor 4.
  • the liquid then enters the zone 21 by passing through orifices 33 made in the neutral electrode 32 so as to be heated. , even vaporized.
  • the heated liquid, or even the steam generated, then returns inside the phase electrode 32 passing through the orifices 33 so as to leave the reactor 4 at the level of its outlet 5.
  • the electrodes 31, 32 powered by a single-phase alternating current can have other shapes, for example cylindrical, spiral or plate, and be arranged differently within the reactor 4.
  • the reactor 4 can comprise a treatment zone 21 formed between two cylindrical electrodes 31, 32 - a neutral electrode 32 and a phase electrode 31 - as illustrated in FIGS. 10 and 11.
  • the electrodes 31, 32 are partially isolated.
  • an insulator 34 can partially cover the electrodes 31, 32 along their length, as shown in Figure 12.
  • the treatment zone 21 can be formed between more than two electrodes 31, 32 powered by a single-phase alternating current.
  • zone 21 can be formed between three (a neutral electrode 32 and two phase electrodes 31, or the reverse), four (two neutral electrodes 32 and two phase electrodes 31), five (four neutral electrodes 32 and one phase electrode 31, or the reverse) or seven (three neutral electrodes 32 and four phase electrodes 31, or l reverse) electrodes, in particular cylindrical, according to the arrangements illustrated respectively in FIGS. 13 to 16.
  • the phase 31 and neutral 32 electrodes represented in these figures are of course interchangeable.
  • the latter preferably has a phase alternation frequency of between 1 and 50 kHz. It may or may not be chopped, with in particular a chopping frequency of between 1 and 100 kHz.
  • Figures 17 to 19 illustrate examples of the arrangement of electrodes powered by a single-phase alternating current according to crystal meshes.
  • FIG. 17 an example of an arrangement 70 of electrodes according to a face-centered cubic crystal lattice has been shown.
  • the arrangement 70 includes alternating parallel and equidistant electrode planes 71, 72.
  • the planes 71 comprise an alternation of parallel and equidistant phase 31 and neutral 32 electrodes.
  • the planes 72 correspond to the planes 71 in which the phase 31 and neutral 32 electrodes are permuted.
  • the distance between two adjacent electrodes within a plane is equal to the distance between two adjacent planes.
  • phase 31 and neutral 32 electrodes can be conductive over their entire length or partially insulated.
  • the phase 31 and neutral 32 electrodes are partially insulated so as to provide conductive portions (represented by spheres) alternating with insulated portions (represented by segments).
  • FIGS. 18 and 19 an example of arrangement 80 of electrodes according to a simple cubic crystal lattice and an example of arrangement 90 of electrodes according to a crystal lattice of the "blende" type, each comprising electrodes phase 31 and neutral 32 partially insulated.
  • the phase electrodes 11, 12, 13 powered by an alternating current each occupy one of the vertices of an equilateral triangle when observed in cross section, so as to form a triangular unit cell, as is shown in Figure 20.
  • a neutral electrode 95 may occupy the center of the equilateral triangle, as shown in Figure 21.
  • the phase 11, 12, 13 and neutral 95 electrodes can be made of any conductive material.
  • a ferromagnetic core (not shown) can be included within the mesh, the electrode 11, 12, 13 and/or 95.
  • the neutral electrode 95 can be made of a ferromagnetic material or comprise a core ferromagnetic, whether or not covered with an insulating material.
  • the ferromagnetic core is not connected to the neutral electrode 95 and it may or may not be covered with an insulating material.
  • the reactor can comprise four phase electrodes 11, 12, 13 arranged in two meshes and an insulated ferromagnetic core 100 arranged in the center of the space formed between the electrodes 11, 12, 13.
  • the reactor may comprise six phase electrodes 11, 12, 13 arranged in four meshes arranged to form a triangle.
  • a neutral electrode 95 (FIG. 24) or a neutral electrode 96 comprising an insulated ferromagnetic core (FIG. 25) is present at the center of gravity of the triangle formed by the four meshes.
  • an insulated ferromagnetic core 100 is placed at the center of gravity of the triangle formed by the four meshes and three non-insulated ferromagnetic cores 101 are placed within this triangle, each close to one of its vertices (FIG. 26 ).
  • the reactor may comprise seven phase electrodes 11, 12, 13 arranged in six meshes arranged to form a hexagon.
  • Three neutral electrodes 95 and three insulated ferromagnetic cores 100 are arranged at the center of gravity of the meshes.
  • the reactor may comprise 12 phase electrodes 11, 12, 13 arranged in thirteen meshes arranged to form a polygon. Insulated ferromagnetic cores 100, non-insulated ferromagnetic cores 101, neutral electrodes 95, neutral electrodes 96 comprising an insulated ferromagnetic core and ferromagnetic neutral electrodes 97 are arranged within the polygon. Comparative test for steam generation applications
  • the immersion heater 19 used has the following characteristics: power of 2000 W; powered by single-phase alternating current at a voltage of 220 V; 70mm length; 58mm diameter; total length 310mm.
  • the immersion heater 19 is immersed in a polyethylene beaker 18 (capacity of 5 L and diameter of 165 mm) containing 3500 mL of tap water 20 with a conductivity of 620 pS/cm so as to heat the tap water 20 to boiling with a constant evaporation rate.
  • the beaker 18 is placed on a scale 17 of the Sartorius BP4100 type making it possible to determine the evaporation rate (in g/min) of the tap water 20 contained in the beaker 18.
  • the beaker 18 When the evaporation rate becomes constant, the beaker 18 is supplied with tap water using a peristaltic pump 15 of the Hirshmann Rotarus PK10-16 type at a feed rate corresponding to the constant evaporation rate determined so that the weight of the beaker 18 containing the city water 20 is constant over time.
  • the constant evaporation rate determined using the balance 17 is 42 g/min.
  • the electrical power consumed is then measured using a Voltcraft Energy check 3000 wattmeter and is 1920 W, i.e. an energy efficiency of 92% (1770/1920).
  • the invention comprises a treatment zone 21 formed between three graphite electrodes 11, 12, 13 each having a length of 200 mm and a diameter of 8 mm.
  • the electrodes 11, 12, 13 are arranged within a reactor 4 which is a polyethylene tube having a total length of 220 mm and a diameter of 35 mm, so that the treatment zone 21 has a length of 170 mm.
  • the electrodes 11, 12, 13 are arranged like the vertices of an equilateral triangle of side length 17 cm, so that the spacing between each electrode is 9 mm, as illustrated in Figure 32.
  • the electrodes 11, 12, 13 are supplied with a three-phase alternating current 1, 2, 3 chopped at a voltage of 130 V.
  • the supply current of the electrodes 11, 12, 13 has a phase alternation frequency of 3 kHz and a chopping frequency of 16 kHz.
  • the supply current of the electrodes 11, 12, 13 is obtained at the output of a frequency variator 14 of the SAKO SKI 670-2D2G-23 type supplied at the input by a mains current such as a single-phase alternating current of 50 Hz under a voltage of 230 V.
  • the frequency converter 14 used has the following characteristics at the input, AC mono 220V 15A/20A 50-60Hz, and the following characteristics at the output, AC three-phase O-38OV 13A/17A 0-3000Hz.
  • the electrical power consumed is then measured using a Voltcraft Energy check 3000 wattmeter at 1830 W, i.e. an energy efficiency of at least 98% (1798/1830), compared to 92% for the electrical resistance.
  • the method according to the invention can allow the production of steam in an open circuit.
  • a stream of liquid, for example aqueous, to be treated is circulated in the reactor 4 so as to vaporize it.
  • the liquid to be treated is introduced into reactor 4 at its inlet 16 and the steam generated escapes from reactor 4 at its outlet 5.
  • the outlet 5 of the reactor 4 is connected to a condenser 40 allowing the transformation of the vapor generated into liquid by a heat exchange with a cooling fluid.
  • the steam generated is conveyed to the condenser 40 in which it is condensed by means of a refrigerant fluid which is here the liquid to be treated.
  • the condenser 40 comprises an internal circuit 42 for the circulation of the vapor generated and an external circuit 41 for the circulation of the liquid to be treated, generally in the opposite direction to the internal circuit.
  • the condenser 40 is thus said to have separate fluids, that is to say without contact between the vapor and the liquid, the operating principle of which is similar to the straight condensers called "Liebig-West”, with balls called “d' Allihn” or “Graham’s” serpentine.
  • the circulation of the liquid to be treated in the external circuit 41 from its inlet 44 to its outlet 45 makes it possible to cool the internal circuit 42 for circulating the vapor and thus to condense the latter.
  • the latent heat of condensation is then transferred to the liquid to be treated, which makes it possible to obtain at the outlet 45 of the external circuit 41 a liquid to be treated which is heated.
  • Outlet 45 of external circuit 41 is connected to inlet 16 of reactor 4.
  • This heating of the liquid to be treated upstream of the reactor 4 is particularly advantageous because the energy yield of the process is thereby improved.
  • the vapor thus condensed at the outlet 46 of the condenser 40 can be, for example, drinking, purified or soft water in the case where the aqueous liquid to be treated is respectively raw water, waste water or sea/hard water.
  • the heated liquid to be treated coming from the outlet 45 of the external circuit 41 circulates in a double jacket 110 of the reactor 4 then is routed to the inlet 16 of the reactor 4 so as to cross the treatment zone 21, as illustrated in Figure 36.
  • the liquid to be treated can capture part of the heat generated within the zone 21 of treatment. Thus, this can make it possible to further heat the liquid to be treated before it passes through the treatment zone 21, and therefore to further improve the energy efficiency of the process.
  • the method according to the invention allows the production of steam in a closed circuit, as illustrated in Figures 34 and 35.
  • the liquid, in particular aqueous, preferably deionized or even purified water or ammonia, coming from a tank 43 is introduced into the reactor 4 at its inlet 16 and the steam generated escapes from the reactor 4 at its outlet 5.
  • the vapor is routed to the condenser 40 in which it is condensed by means of a refrigerant fluid which is here a fluid to be heated.
  • the steam condensed at the outlet 46 of the condenser 40 feeds the tank 43. The steam is thus produced in a closed circuit.
  • deionized or even purified water or ammonia can make it possible to limit or even eliminate the deterioration of the materials constituting the reactor 4, the electrodes arranged within the reactor 4, the condenser 40, the tank 43 and the piping, in particular by oxidizing and/or corrosive agents, and therefore to increase their service life.
  • Ammonia can in particular be used in the case of an application of the invention to a heat pump.
  • the circulation of the fluid to be heated in the external circuit 41 from its inlet 44 to its outlet 45 makes it possible to cool the internal circuit 42 for circulating the vapor and thus to condense the latter.
  • the latent heat of condensation is transferred to the fluid to be heated which allows it to be heated.
  • a heated fluid is therefore obtained at the outlet 45 of the external circuit 41.
  • This heated fluid may for example be domestic hot water.
  • the outlet 5 of the reactor 4 is connected to a double jacket 110 of the reactor 4 so that part or all of the steam generated circulates in the double jacket 110 before being conveyed to the condenser 40 , as illustrated in FIG. 37.
  • the steam generated can make it possible to heat the aqueous liquid to be treated within the treatment zone 21 and therefore to improve the energy efficiency of the process.
  • the outlet 45 of the external circuit 41 of the condenser 40 is connected to a condenser 50.
  • the vapor generated at the outlet 45 is thus conveyed to a condenser 50 within which it is condensed by means of the liquid to be vaporized which circulates within the circuit external circuit 51 of the condenser 50 from an inlet 54 to an outlet 55.
  • the output 55 of the external circuit 51 of the condenser 50 is connected to the input 44 of the external circuit 41 of the condenser 40, so that the heated liquid to be vaporized is introduced into the external circuit 41 of the condenser 40 within which it is vaporized by capture of the latent heat of condensation of the steam circulating within the internal circuit 42 of the condenser 40. As mentioned above, steam is therefore generated at the outlet 45 of the external circuit 41
  • the condenser 50 thus has the role of preheating the liquid to be vaporized and the condenser 40 has the role of vaporizing it.
  • the installation shown in Figure 35 can allow, for example, the desalination of seawater, the liquid to be vaporized then being seawater and the condensed steam at the outlet 56 of the condenser 50 being fresh water.
  • Three cylindrical copper electrodes with a length of 110 mm and a diameter of 10 mm are subjected to a voltage between between 10V and 400 V (preferably 200V) and an alternating current with a frequency greater than 100 Hz (preferably 3000 Hz).
  • the waveform of the current is for example square.
  • a pump (at a flow rate of 5 ml/min) supplies purified water (resistivity of 18.2 MQcm) to the treatment zone.
  • nanoparticles are mainly concentrated in the solution present in the treatment zone but also on the copper electrodes. Some of these nanoparticles are also entrained by the outgoing steam.
  • the copper salt reacts to form nanoparticles of copper and copper oxides.
  • Three ferric electrodes of cylindrical shape with a length of 110 mm and a diameter of 10 mm are subjected to a voltage between 10V and 400 V (preferably 200V) and an alternating current with a frequency greater than 100 Hz (preferably 3000Hz).
  • the shape of the current is for example square.
  • a quantity of 10 ml of a solution of copper sulphate (IM - CuSC) is introduced beforehand into the treatment zone.
  • a pump (at a flow rate of 5 ml/min) supplies purified water (resistivity of 18.2 MQcm) to the treatment zone.
  • ferrous nanoparticles iron
  • these nanoparticles are mainly concentrated in the solution present in the treatment zone but also on the ferric electrodes. Some of these nanoparticles are also entrained by the outgoing steam. In this example it is the ferric electrodes which react to form nanoparticles of iron and iron oxides.
  • Three stainless steel electrodes (316L stainless steel) of cylindrical shape with a length of 110 mm and a diameter of 10 mm are subjected to a voltage between 10V and 400 V (preferably 200V) and an alternating current with a frequency greater than 100 Hz (preferably 3000 Hz).
  • the shape of the current is for example square.
  • a quantity of 10 ml of a solution of silver nitrate (IM - AgNOs) is introduced beforehand into the treatment zone.
  • a pump (at a flow rate of 5 ml/min) supplies purified water (resistivity of 18.2 MQcm) to the treatment zone.
  • nanoparticles are mainly concentrated in the solution present in the treatment zone but also on the stainless electrodes. Some of these nanoparticles are also entrained by the outgoing steam.
  • the advantage of the invention when implemented for the production of metallic nanoparticles is the almost immediate production of metallic nanoparticles, in large quantities, with relatively little energy consumed. In addition, such a process is easy to industrialize.
  • the production of the metallic nanoparticles can be done using alternating current (of various waveforms) and at different frequencies (> 100 Hz), the nanoparticles being obtained from electrochemical reactions involving the nature of the salts treated and/or the nature of the electrodes used.

Landscapes

  • Water Treatment By Electricity Or Magnetism (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
  • Heat Treatment Of Water, Waste Water Or Sewage (AREA)
  • Treatment Of Water By Oxidation Or Reduction (AREA)

Abstract

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 Procédé de traitement d'un liquide en vue de son échauffement, de la production de vapeur, du développement 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 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.

Description

Description
Titre : 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
Domaine technique
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.
Technique antérieure
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.
W02009/049194 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.
Exposé de l’invention
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.
Résumé de l’invention
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
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 pm 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 pm 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 condensais 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 CO32’, Cl’, Ca2+ et Mg2+ de l’eau dure sont concentrés dans le liquide aqueux au sein de la zone de traitement et les condensais 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 condensais 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 condensais 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 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 condensais 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 condensais.
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 (Na2COs) comme électrolyte à concentration 5.10’3 M 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.
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 condensais 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.
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 condensais 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 lOOnm. Les 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 concentrât 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 AgNOs.
Brève description des dessins
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 :
[Fig 1] la figure 1 représente un exemple de forme d’onde de courant alternatif pouvant alimenter des électrodes selon l’invention,
[Fig 2] la figure 2 représente un autre exemple de forme d’onde de courant alternatif pouvant alimenter les électrodes,
[Fig 3] la figure 3 représente un autre exemple de forme d’onde de courant alternatif pouvant alimenter les électrodes,
[Fig 4] la figure 4 représente un autre exemple de forme d’onde de courant alternatif pouvant alimenter les électrodes,
[Fig 5] la figure 5 représente un autre exemple de forme d’onde de courant alternatif pouvant alimenter les électrodes,
[Fig 6] la figure 6 représente un autre exemple de forme d’onde de courant alternatif pouvant alimenter les électrodes,
[Fig 7] la figure 7 représente un autre exemple de forme d’onde de courant alternatif pouvant alimenter les électrodes,
[Fig 8] la figure 8 représente un autre exemple de forme d’onde de courant alternatif pouvant alimenter les électrodes,
[Fig 9] la figure 9 est une coupe longitudinale d’un exemple d’agencement d’électrodes alimentées par un courant alternatif monophasé, [Fig 10] la figure 10 est une coupe transversale d’un autre exemple d’agencement d’électrodes alimentées par un courant alternatif monophasé,
[Fig 11] la figure 11 est une coupe longitudinale de l’exemple de la figure 10,
[Fig 12] la figure 12 est une coupe longitudinale d’une variante de réalisation de l’exemple des figures 10 et 11,
[Fig 13] la figure 13 est une coupe transversale d’un autre exemple d’agencement d’électrodes alimentées par un courant alternatif monophasé,
[Fig 14] la figure 14 est une coupe transversale d’un autre exemple d’agencement d’électrodes alimentées par un courant alternatif monophasé,
[Fig 15] la figure 15 est une coupe transversale d’un autre exemple d’agencement d’électrodes alimentées par un courant alternatif monophasé,
[Fig 16] la figure 16 est une coupe transversale d’un autre exemple d’agencement d’électrodes alimentées par un courant alternatif monophasé,
[Fig 17] la figure 17 est une vue schématique et partielle, en perspective, d’un exemple d’agencement d’électrodes alimentées par un courant alternatif monophasé selon une maille cristalline cubique faces centrées,
[Fig 18] la figure 18 est une vue schématique et partielle, en perspective, d’un exemple d’agencement d’électrodes alimentées par un courant alternatif monophasé selon une maille cristalline cubique simple,
[Fig 19] la figure 19 est une vue schématique et partielle, en perspective, d’un exemple d’agencement d’électrodes alimentées par un courant alternatif monophasé selon une maille cristalline de type « blende »,
[Fig 20] la figure 20 est une coupe transversale d’un exemple d’agencement d’électrodes alimentées par un courant alternatif multi-phasé,
[Fig 21] la figure 21 est une coupe transversale d’un autre exemple d’agencement d’électrodes alimentées par un courant alternatif multi-phasé,
[Fig 22] la figure 22 est une coupe transversale d’un autre exemple d’agencement d’électrodes alimentées par un courant alternatif multi-phasé,
[Fig 23] la figure 23 est une coupe transversale d’un autre exemple d’agencement d’électrodes alimentées par un courant alternatif multi-phasé,
[Fig 24] la figure 24 est une coupe transversale d’un autre exemple d’agencement d’électrodes alimentées par un courant alternatif multi-phasé, [Fig 25] la figure 25 est une coupe transversale d’un autre exemple d’agencement d’électrodes alimentées par un courant alternatif multi-phasé,
[Fig 26] la figure 26 est une coupe transversale d’un autre exemple d’agencement d’électrodes alimentées par un courant alternatif multi-phasé,
[Fig 27] la figure 27 est une coupe transversale d’un autre exemple d’agencement d’électrodes alimentées par un courant alternatif multi-phasé,
[Fig 28] la figure 28 est une coupe transversale d’un autre exemple d’agencement d’électrodes alimentées par un courant alternatif multi-phasé,
[Fig 29] la figure 29 est une vue schématique d’un procédé de production de vapeur utilisant un thermoplongeur,
[Fig 30] la figure 30 est une vue schématique d’un procédé de production de vapeur selon l’invention,
[Fig 31] la figure 31 est une vue schématique d’un réacteur selon l’invention,
[Fig 32] la figure 32 est une coupe transversale, selon le plan de coupe I-I, du réacteur de la figure 31,
[Fig 33] la figure 33 est une vue schématique d’un procédé de production de vapeur selon l’invention, en circuit ouvert,
[Fig 34] la figure 34 est une vue schématique d’un procédé de production de vapeur selon l’invention, en circuit fermé,
[Fig 35] la figure 35 est une vue schématique d’une variante de réalisation du procédé de la figure 34,
[Fig 36] la figure 36 est une vue schématique d’une variante de réalisation du procédé de la figure 33, et
[Fig 37] la figure 37 est une vue schématique d’une variante de réalisation du procédé de la figure 34.
Description détaillée
Formes des ondes du courant alternatif pouvant alimenter les électrodes
Le courant alternatif alimentant les électrodes peut être de forme sinusoïdale, triangulaire, carré ou carré avec offset et rapport cyclique
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50%, comme illustré respectivement aux figures 1 à 4. Le courant alternatif alimentant les électrodes peut présenter une forme d’onde comme celle représentée aux figures 5 et 6. Sur la figure 5, les composantes 60 et 61 représentent respectivement 146,6 V RMS et 2,1 A et sur la figure 6, les composantes 62 et 63 représentent respectivement 138,3 V RMS et 2,0 A.
Le courant alternatif alimentant les électrodes peut encore être une onde à modulation de largeur d’impulsion (onde MLI ou PWM pour « Pulse Width Modulation » en anglais) de type pleine onde (encore appelée bipolaire), comme illustré à la figure 7, ou de type demi-onde (encore appelée unipolaire), comme illustré à la figure 8.
Electrodes alimentées par un courant alternatif monophasé
On a illustré à la figure 9 un exemple d’agencement d’électrodes 31, 32 alimentées par un courant alternatif monophasé, observé en coupe longitudinale.
Dans cet exemple, le réacteur 4 comporte une zone 21 de traitement formée entre deux électrodes 31, 32 tubulaires concentriques : une électrode de neutre 32 et une électrode de phase 31, avec l’électrode de neutre 32 qui présente un diamètre plus faible que celui de l’électrode de phase 31.
La circulation du liquide par exemple au sein du réacteur 4 est décrite ci-après. Le liquide est injecté dans l’électrode de neutre 32 au niveau de l’entrée 16 du réacteur 4. Le liquide pénètre ensuite dans la zone 21 en passant à travers des orifices 33 ménagés dans l’électrode de neutre 32 de manière à être échauffé, voire vaporisé. Le liquide réchauffé, voire la vapeur générée, retourne ensuite à l’intérieur de l’électrode de phase 32 en passant par les orifices 33 de manière à sortir du réacteur 4 au niveau de sa sortie 5.
Les électrodes 31, 32 alimentées par un courant alternatif monophasé peuvent présenter d’autres formes, par exemple cylindrique, en spirale ou en plaque, et être agencées différemment au sein du réacteur 4.
Par exemple, le réacteur 4 peut comporter une zone 21 de traitement formée entre deux électrodes 31, 32 cylindriques - une électrode de neutre 32 et une électrode de phase 31 - comme illustré aux figures 10 et 11. En variante, les électrodes 31, 32 sont partiellement isolées. Pour ce faire, un isolant 34 peut recouvrir partiellement les électrodes 31, 32 sur leur longueur, comme illustré à la figure 12.
La zone 21 de traitement peut être formée entre plus de deux électrodes 31, 32 alimentées par un courant alternatif monophasé. Par exemple, la zone 21 peut être formée entre trois (une électrode de neutre 32 et deux électrodes de phase 31, ou l’inverse), quatre (deux électrodes de neutre 32 et deux électrodes de phase 31), cinq (quatre électrodes de neutre 32 et une électrode de phase 31, ou l’inverse) ou sept (trois électrodes de neutre 32 et quatre électrodes de phase 31, ou l’inverse) électrodes, notamment cylindriques, selon les agencements illustrés respectivement aux figures 13 à 16. Les électrodes de phase 31 et de neutre 32 représentées sur ces figures sont bien sûr permutables.
Dans le cas où les électrodes sont alimentées par un courant alternatif monophasé, ce dernier présente de préférence une fréquence d’alternance de phase comprise entre 1 et 50 kHz. Il peut être ou non haché, avec notamment une fréquence de hachage comprise entre 1 et 100 kHz.
On a illustré aux figures 17 à 19 des exemples d’agencement d’électrodes alimentées par un courant alternatif monophasé selon des mailles cristallines.
Sur la figure 17, on a représenté un exemple d’agencement 70 d’électrodes selon une maille cristalline cubique faces centrées. L’agencement 70 comporte une alternance de plans d’électrodes 71, 72 parallèles et équidistants. Les plans 71 comportent une alternance d’électrodes de phase 31 et de neutre 32 parallèles et équidistantes. Les plans 72 correspondent aux plans 71 dans lesquels les électrodes de phase 31 et de neutre 32 sont permutées. La distance entre deux électrodes adjacentes au sein d’un plan est égale à la distance entre deux plans adjacents.
Les électrodes de phase 31 et de neutre 32 peuvent être conductrices sur toute leur longueur ou partiellement isolées. Dans cet exemple, les électrodes de phase 31 et de neutre 32 sont partiellement isolées de façon à ménager des portions conductrices (représentées par des sphères) alternant avec des portions isolées (représentées par des segments).
Sur les figures 18 et 19, on a représenté respectivement un exemple d’agencement 80 d’électrodes selon une maille cristalline cubique simple et un exemple d’agencement 90 d’électrodes selon une maille cristalline de type « blende », comportant chacun des électrodes de phase 31 et de neutre 32 partiellement isolées.
Electrodes alimentées par un courant alternatif multi-phasé
De préférence, les électrodes de phase 11, 12, 13 alimentées par un courant alternatif occupent chacune l’un des sommets d’un triangle équilatéral lorsqu’observées en coupe transversale, de manière à former une maille élémentaire triangulaire, comme cela est illustré à la figure 20. En variante, une électrode de neutre 95 peut occuper le centre du triangle équilatéral, comme cela est illustré à la figure 21.
Les électrodes de phase 11, 12, 13 et de neutre 95 peuvent être réalisées dans tout matériau conducteur.
Un noyau ferromagnétique (non représenté) peut être inclus au sein de la maille, de l’électrode 11, 12, 13 et/ou 95. Par exemple, l’électrode de neutre 95 peut être réalisée dans un matériau ferromagnétique ou comporter un noyau ferromagnétique recouvert ou non d’un matériau isolant. En variante, le noyau ferromagnétique n’est pas relié à l’électrode de neutre 95 et il est recouvert ou non d’un matériau isolant.
De façon à faire varier la puissance du champ électrique tournant et/ou oscillant au sein de la zone 21 de traitement, on peut faire varier la taille de la maille formée par le triangle équilatéral ou répéter la maille, comme cela est illustré aux figures 22 à 28.
Comme illustré sur la figure 22, le réacteur peut comporter quatre électrodes de phase 11, 12, 13 disposées selon deux mailles et un noyau ferromagnétique 100 isolé disposé au centre de l’espace formé entre les électrodes 11, 12, 13.
Comme illustré sur la figure 23, le réacteur peut comporter six électrodes de phase 11, 12, 13 disposées selon quatre mailles agencées pour former un triangle. En variante, une électrode de neutre 95 (figure 24) ou une électrode de neutre 96 comportant un noyau ferromagnétique isolé (figure 25) est présente au centre de gravité du triangle formé par les quatre mailles. Dans une autre variante, un noyau ferromagnétique 100 isolé est disposé au centre de gravité du triangle formé par les quatre mailles et trois noyaux ferromagnétiques 101 non isolés sont disposés au sein de ce triangle, chacun à proximité d’un de ses sommets (figure 26).
Comme illustré sur la figure 27, le réacteur peut comporter sept électrodes de phases 11, 12, 13 disposées selon six mailles agencées pour former un hexagone. Trois électrodes de neutre 95 et trois noyaux ferromagnétiques 100 isolés sont disposés au centre de gravité des mailles.
Comme illustré sur la figure 28, le réacteur peut comporter 12 électrodes de phase 11, 12, 13 disposées selon treize mailles agencées pour former un polygone. Des noyaux ferromagnétiques 100 isolés, des noyaux ferromagnétiques 101 non isolés, des électrodes de neutre 95, des électrodes de neutre 96 comportant un noyau ferromagnétique isolé et des électrodes de neutre 97 ferromagnétiques sont disposés au sein du polygone. Essai comparatif pour des applications de production de vapeur
Dans cet essai comparatif, le rendement énergétique du procédé selon l’invention a été comparé à celui d’une résistance électrique chauffante 19 de type thermoplongeur, pour des applications de production de vapeur.
Le thermoplongeur 19 utilisé présente les caractéristiques suivantes : puissance de 2000 W ; alimenté en courant alternatif monophasé sous une tension de 220 V ; longueur de 70 mm ; diamètre de 58 mm ; longueur totale de 310 mm.
Comme illustré à la figure 29, le thermoplongeur 19 est plongé dans un bêcher 18 en polyéthylène (capacité de 5 L et diamètre de 165 mm) contenant 3500 mL d’eau de ville 20 de conductivité 620 pS/cm de manière à chauffer l’eau de ville 20 jusqu’à ébullition avec obtention d’un débit d’évaporation constant. Le bêcher 18 est disposé sur une balance 17 de type Sartorius BP4100 permettant de déterminer le débit d’évaporation (en g/min) de l’eau de ville 20 contenue dans le bêcher 18.
Lorsque que le débit d’évaporation devient constant, le bêcher 18 est alimenté en eau de ville grâce à une pompe péristaltique 15 de type Hirshmann Rotarus PK10-16 à un débit d’alimentation correspondant au débit d’évaporation constant déterminé de sorte que le poids du bêcher 18 contenant l’eau de ville 20 soit constant au cours du temps.
Le débit d’évaporation constant déterminé à l’aide de la balance 17 est de 42 g/min.
Pour une température proche de 42°C pour l’eau de ville alimentant le bêcher 18 (thermomètre KIMO KISTOCK KTT 310 avec sonde thermocouple type K, incertitude +/- 1,1°C entre -200°C et +1000°C), la puissance thermique nécessaire théorique est proche de 1770 W pour obtenir ce débit d’évaporation constant de 42 g/min (avec chaleur latente de vaporisation de l'eau = 2260 J/g et capacité calorifique de l'eau entre 0°C et 100°C = 4,19 J/g/°C).
La puissance électrique consommée est alors mesurée à l’aide d’un wattmètre Voltcraft Energy check 3000 et est de 1920 W, soit un rendement énergétique de 92 % (1770/1920).
Comme illustré aux figures 30 et 31, l’invention comporte une zone 21 de traitement formée entre trois électrodes 11, 12, 13 en graphite présentant chacune une longueur de 200 mm et un diamètre de 8 mm. Les électrodes 11, 12, 13 sont disposées au sein d’un réacteur 4 qui est un tube en polyéthylène présentant une longueur totale de 220 mm et un diamètre de 35 mm, de sorte que la zone 21 de traitement présente une longueur de 170 mm. Au sein du réacteur 4, les électrodes 11, 12, 13 sont disposées comme les sommets d’un triangle équilatéral de côté de longueur 17 cm, de sorte que l’espacement entre chaque électrode soit de 9 mm, comme cela est illustré à la figure 32.
Les électrodes 11, 12, 13 sont alimentées par un courant alternatif triphasé 1, 2, 3 haché sous une tension de 130 V. Le courant d’alimentation des électrodes 11, 12, 13 présente une fréquence d’alternance de phase de 3 kHz et une fréquence de hachage de 16 kHz. Le courant d’alimentation des électrodes 11, 12, 13 est obtenu en sortie d’un variateur de fréquence 14 de type SAKO SKI 670-2D2G-23 alimenté en entrée par un courant secteur tel qu’un courant alternatif monophasé de 50Hz sous une tension de 230 V. Le variateur de fréquence 14 utilisé présente les caractéristiques suivantes en entrée, AC mono 220V 15A/20A 50-60Hz, et les caractéristiques suivantes en sortie, AC triphasé O-38OV 13A/17A 0-3000Hz.
On fait circuler dans la zone 21 de traitement un flux d’eau de ville similaire à celle utilisée pour l’essai avec le thermoplongeur 19, c’est-à-dire présentant une conductivité 620 pS/cm, à un débit similaire au débit d’alimentation du bêcher de l’essai avec le thermoplongeur, soit 42 g/min, à l’aide d’une pompe péristaltique 15 de type Hirshmann Rotarus PK10-16.
On note une absence de sortie d’eau liquide du réacteur 4 au niveau de sa sortie 5 mais uniquement une sortie de vapeur. Cela permet de déterminer que le débit d’évaporation est alors égal au débit d’alimentation du réacteur 4, soit 42 g/min.
Pour une température proche de 25°C pour l’eau de ville alimentant la zone 21 de traitement (thermomètre KIMO KISTOCK KTT 310 avec sonde thermocouple type K, incertitude +/- 1,1°C entre -200°C et +1000°C), la puissance thermique nécessaire théorique est proche de 1798 W pour obtenir ce débit d’évaporation de 42 g/min.
La puissance électrique consommée est alors mesurée à l’aide d’un wattmètre Voltcraft Energy check 3000 à 1830 W, soit un rendement énergétique de 98 % au moins (1798/1830), contre 92% pour la résistance électrique.
Cet essai comparatif permet de démontrer la supériorité de l’invention vis-à-vis d’un thermoplongeur en termes de rendement énergétique pour des applications de production de vapeur. En outre, l’invention permet de produire de la vapeur de façon beaucoup plus rapide qu’avec un thermoplongeur puisque l’invention permet de vaporiser instantanément le flux d’eau de ville parcourant la zone de traitement.
Production de vapeur en circuit ouvert
Comme illustré à la figure 33, le procédé selon l’invention peut permettre la production de vapeur en circuit ouvert.
Pour ce faire, on fait circuler dans le réacteur 4 un flux de liquide, par exemple aqueux, à traiter de manière à le vaporiser. Le liquide à traiter est introduit dans le réacteur 4 au niveau de son entrée 16 et la vapeur générée s’échappe du réacteur 4 au niveau de sa sortie 5.
La sortie 5 du réacteur 4 est reliée à un condenseur 40 permettant la transformation de la vapeur générée en liquide par un échange de chaleur avec un fluide réfrigérant. Ainsi, la vapeur générée est acheminée jusqu’au condenseur 40 au sein duquel elle est condensée au moyen d’un fluide réfrigérant qui est ici le liquide à traiter.
Le condenseur 40 comporte un circuit interne 42 de circulation de la vapeur générée et un circuit externe 41 de circulation du liquide à traiter, généralement de sens opposé au circuit interne. Le condenseur 40 est ainsi dit à fluides séparés, c’est-à-dire sans contact entre la vapeur et le liquide, dont le principe de fonctionnement est similaire aux condenseurs droit dit « de Liebig-West », à boules dit « d'Allihn » ou à serpentin dit « de Graham ».
La circulation du liquide à traiter dans le circuit externe 41 depuis son entrée 44 vers sa sortie 45 permet de refroidir le circuit interne 42 de circulation de la vapeur et ainsi de condenser cette dernière. La chaleur latente de condensation est alors transférée au liquide à traiter ce qui permet d’obtenir en sortie 45 du circuit externe 41 un liquide à traiter qui est réchauffé.
La sortie 45 du circuit externe 41 est reliée à l’entrée 16 du réacteur 4. Ainsi, le liquide à traiter réchauffé est acheminé jusqu’au réacteur 4 de manière à être vaporisé. Ce réchauffage du liquide à traiter en amont du réacteur 4 est particulièrement avantageux car le rendement énergétique du procédé en est amélioré.
La vapeur ainsi condensée en sortie 46 de condenseur 40 peut être par exemple une eau potable, purifiée ou douce dans le cas où le liquide aqueux à traiter est respectivement une eau brute, une eau usée ou une eau de mer/dure. En variante, le liquide à traiter réchauffé provenant de la sortie 45 du circuit externe 41 circule dans une double enveloppe 110 du réacteur 4 puis est acheminé à l’entrée 16 du réacteur 4 de manière à traverser la zone 21 de traitement, comme illustré à la figure 36. En circulant dans la double enveloppe 110 du réacteur 4, le liquide à traiter peut capter une partie de la chaleur générée au sein de la zone 21 de traitement. Ainsi, cela peut permettre de réchauffer encore le liquide à traiter avant son passage dans la zone 21 de traitement, et donc d’améliorer encore le rendement énergétique du procédé.
Production de vapeur en circuit fermé
En variante, le procédé selon l’invention permet la production de vapeur en circuit fermé, comme cela est illustré aux figures 34 et 35.
Sur le schéma de la figure 34, le liquide notamment aqueux, de préférence de l’eau déionisée voire purifiée ou de l’ammoniaque, provenant d’un réservoir 43 est introduit dans le réacteur 4 au niveau de son entrée 16 et la vapeur générée s’échappe du réacteur 4 au niveau de sa sortie 5. La vapeur est acheminée jusqu’au condenseur 40 au sein duquel elle est condensée au moyen d’un fluide réfrigérant qui est ici un fluide à chauffer. La vapeur condensée en sortie 46 du condenseur 40 alimente le réservoir 43. La vapeur est ainsi produite en circuit fermé. L’utilisation d’eau déionisée voire purifiée ou d’ammoniaque peut permettre de limiter voire d’éliminer la détérioration des matériaux constituant le réacteur 4, les électrodes disposées au sein du réacteur 4, le condenseur 40, le réservoir 43 et la tuyauterie, notamment par des agents oxydants et/ou corrosifs, et donc d’augmenter leur durée de vie. L’ammoniaque peut notamment être utilisé dans le cas d’une application de l’invention à une pompe à chaleur.
La circulation du fluide à chauffer dans le circuit externe 41 depuis son entrée 44 vers sa sortie 45 permet de refroidir le circuit interne 42 de circulation de la vapeur et ainsi de condenser cette dernière. La chaleur latente de condensation est transférée au fluide à chauffer ce qui permet de le chauffer. On obtient donc en sortie 45 du circuit externe 41 un fluide chauffé. Ce fluide chauffé peut être par exemple une eau chaude sanitaire.
En variante, la sortie 5 du réacteur 4 est reliée à une double enveloppe 110 du réacteur 4 de manière à ce qu’une partie ou la totalité de la vapeur générée circule dans la double enveloppe 110 avant d’être acheminée jusqu’au condenseur 40, comme illustré à la figure 37. En circulant dans la double enveloppe 110 du réacteur 4, la vapeur générée peut permettre de réchauffer le liquide aqueux à traiter au sein de la zone 21 de traitement et donc d’améliorer le rendement énergétique du procédé.
On a représenté à la figure 35 une variante de réalisation de la figure 34 dans laquelle le fluide réfrigérant circulant dans le circuit externe 41 du condenseur 40 est un liquide à vaporiser. On génère donc de la vapeur en sortie 45 du circuit externe 41.
La sortie 45 du circuit externe 41 du condenseur 40 est reliée à un condenseur 50. La vapeur générée en sortie 45 est ainsi acheminée jusqu’à un condenseur 50 au sein duquel elle est condensée au moyen du liquide à vaporiser qui circule au sein du circuit externe 51 du condenseur 50 depuis une entrée 54 vers une sortie 55. On obtient donc en sortie 56 de condensateur 50 de la vapeur condensée et en sortie 55 du circuit externe 51 le liquide à vaporiser réchauffé par captation de la chaleur latente de condensation de la vapeur circulant au sein du circuit interne 52 du condenseur 50.
La sortie 55 du circuit externe 51 du condenseur 50 est reliée à l’entrée 44 du circuit externe 41 du condenseur 40, de sorte que le liquide à vaporiser réchauffé est introduit dans le circuit externe 41 du condenseur 40 au sein duquel il est vaporisé par captation de la chaleur latente de condensation de la vapeur circulant au sein du circuit interne 42 du condenseur 40. Comme mentionnée ci-dessus, on génère donc de la vapeur en sortie 45 du circuit externe 41
Le condenseur 50 a ainsi pour rôle de préchauffer le liquide à vaporiser et le condenseur 40 a pour rôle de le vaporiser.
L’installation représentée à la figure 35 peut permettre par exemple la désalinisation de l’eau de mer, le liquide à vaporiser étant alors de l’eau de mer et la vapeur condensée en sortie 56 du condenseur 50 de l’eau douce.
Exemples de production de nanoparticules
Exemple 1
Trois électrodes de cuivre de forme cylindrique d’une longueur de 110 mm et d’un diamètre de 10 mm sont soumises à une tension entre comprise entre 10V et 400 V (préférablement 200V) et un courant alternatif d’une fréquence supérieure à 100 Hz (préférablement 3000 Hz). La forme d’onde du courant est par exemple carrée.
Une quantité de 10 ml d’une solution de sulfate de cuivre (IM - CuSCL), est préalablement introduite dans la zone de traitement. Une pompe (à un débit de 5 ml/min) vient alimenter en eau purifiée (résistivité de 18,2 MQcm) la zone de traitement.
Lorsque le volume de solution à traiter est suffisant pour mettre en contact les électrodes avec la solution à traiter, une réaction électrochimique se produit et l’on observe la formation instantanée de nanoparticules de cuivre (Cu), au sein du mélange.
Ces nanoparticules se concentrent principalement dans la solution présente dans la zone de traitement mais aussi sur les électrodes de cuivre. Une partie de ces nanoparticules est également entrainée par la vapeur sortante.
Dans cet exemple, le sel de cuivre réagit pour former des nanoparticules de cuivre et d’oxydes de cuivre.
Exemple 2
Trois électrodes ferriques de forme cylindrique d’une longueur de 110 mm et d’un diamètre de 10 mm sont soumises à une tension comprise entre 10V et 400 V (préférablement 200V) et un courant alternatif d’une fréquence supérieure à 100 Hz (préférablement 3000 Hz).
La forme du courant est par exemple carrée.
Une quantité de 10 ml d’une solution de sulfate de cuivre (IM - CuSC ), est préalablement introduite dans la zone de traitement.
Une pompe (à un débit de 5 ml/min) vient alimenter en eau purifiée (résistivité de 18,2 MQcm) la zone de traitement.
Lorsque le volume de solution à traiter est suffisant pour mettre en contact les électrodes avec la solution à traiter, une réaction électrochimique se produit et l’on observe la formation instantanée de nanoparticules ferreuses (Fer), au sein du mélange. Ces nanoparticules se concentrent principalement dans la solution présente dans la zone de traitement mais aussi sur les électrodes ferriques. Une partie de ces nanoparticules est également entrainée par la vapeur sortante. Dans cet exemple ce sont les électrodes ferriques qui réagissent pour former des nanoparticules de fer et d’oxydes de fer.
Exemple 3
Trois électrodes inoxydables (Inox 316L) de forme cylindrique d’une longueur de 110 mm et d’un diamètre de 10 mm sont soumises à une tension comprise entre 10V et 400 V (préférablement 200V) et un courant alternatif d’une fréquence supérieure à 100 Hz (préférablement 3000 Hz). La forme du courant est par exemple carrée.
Une quantité de 10 ml d’une solution de nitrate d’argent (IM - AgNOs), est préalablement introduite dans la zone de traitement.
Une pompe (à un débit de 5 ml/min) vient alimenter en eau purifiée (résistivité de 18,2 MQcm) la zone de traitement.
Lorsque le volume de solution à traiter est suffisant pour mettre en contact les électrodes avec la solution à traiter, une réaction électrochimique se produit et l’on observe la formation instantanée de nanoparticules d’argent (Ag), au sein du mélange.
Ces nanoparticules se concentrent principalement dans la solution présente dans la zone de traitement mais aussi sur les électrodes inoxydables. Une partie de ces nanoparticules est également entrainée par la vapeur sortante.
Dans cet exemple le sel d’argent réagi pour former des nanoparticules d’argent et d’oxydes d’argent.
L’avantage de l’invention lorsque mise en œuvre pour la production de nanoparticules métalliques est la production quasi-immédiate des nanoparticules métalliques, en grande quantité, avec relativement peu d’énergie consommée. En outre, un tel procédé est facile à industrialiser.
La production des nanoparticules métalliques peut se faire en utilisant un courant alternatif (de diverses formes d’ondes) et à différentes fréquences (> 100 Hz), les nanoparticules étant obtenues à partir de réactions électrochimiques faisant intervenir la nature des sels traités et/ou la nature des électrodes utilisées.
Il est possible de soumettre la zone de traitement à des techniques d’irradiation laser et/ou à des ultrasons pour augmenter les rendements de production des nanoparticules.

Claims

Revendications
1. 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, de la production de nanoparticules et/ou de la concentration d’au moins une espèce présente en son sein, 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 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 (31 ; 32 ; 11 ; 12 ; 13 ; 95 ; 96 ; 97).
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on fait circuler un flux d’un liquide, notamment aqueux, 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.
3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on expose un liquide, notamment aqueux, contenant notamment un ou plusieurs sels métalliques, dans au moins une zone de traitement formée entre au moins deux électrodes, notamment des 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 production de nanoparticules correspondant de préférence à au moins 10%, mieux au moins 20%, en masse du métal introduit.
4. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, la zone de traitement (21) étant formée entre au moins deux électrodes (31 ; 32) alimentées par un courant monophasé.
5. Procédé selon la revendication 4, 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 6, 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 la revendication précédente, les électrodes (31 ; 32 ; 11 ; 12 ; 13 ; 95 ; 96 ; 97) étant réalisées en graphite. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, le passage du courant dans la zone de traitement (21) générant un champ électrique tournant et/ou oscillant. Procédé selon la revendication précédente, le champ électrique générant des paires de Cooper. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, au moins un noyau ferromagnétique (100 ; 101) étant présent au sein de la zone de traitement (21). 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, la fréquence de hachage étant strictement égale à deux fois la fréquence d’alternance de phase. Procédé selon l’une quelconque des revendication 1 à 14, la fréquence de hachage étant strictement supérieure à deux fois la fréquence d’alternance de phase. 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, la zone de traitement (21) étant située dans un réacteur (4) à enveloppe multiple, notamment à double enveloppe, et dans lequel on fait circuler 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 condensais dans celle-ci pour réchauffer le aqueux dans la zone de traitement (21). Procédé selon la revendication 1 ou 2, le débit de liquide parcourant la zone de traitement (21) étant supérieur ou égal à 0,0001 mL/min/W délivré par un générateur électrique alimentant les électrodes, mieux étant 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. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on échauffe et/ou vaporise le liquide en circuit ouvert. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 23, dans lequel on échauffe et/ou vaporise le liquide en circuit fermé. Procédé selon la revendication 25, le liquide étant de l’eau déionisée voire purifiée ou de l’ammoniaque. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, le liquide étant un liquide aqueux. Procédé de traitement d’un liquide notamment aqueux, dans lequel on échauffe et/ou vaporise le liquide en mettant en œuvre le procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 27, et l’on récupère le liquide ayant circulé dans la zone de traitement (21) et/ou les condensais en tant que liquide traité. Procédé selon la revendication 28, le liquide aqueux étant de l’eau de mer ou de l’eau dure, dans lequel on récupère les condensais. Procédé selon la revendication 28, le liquide aqueux étant un effluent à dépolluer ou une eau brute à rendre potable. Procédé selon la revendication 28, le liquide aqueux comportant un ou plusieurs composés carbonés à craquer et/ou à détruire et/ou à réarranger. Procédé selon l’une quelconque des revendications 28 à 31, dans lequel on procède 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 (21). Procédé selon la revendication 32, dans lequel on mesure la conductivité électrique du liquide alimentant la zone de traitement (21) ou dans celle-ci, et l’on déclenche la vidange lorsque la conductivité dépasse un seuil prédéfini. Procédé de production d’électricité, dans lequel on échauffe et/ou vaporise le liquide notamment aqueux en mettant en œuvre le procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 33, et dans lequel on utilise le liquide échauffé et/ou la vapeur produite pour entraîner un générateur électrique. 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 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 (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. Installation selon la revendication 35, le générateur électrique étant 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. Installation selon la revendication 36, le générateur électrique étant configuré pour générer un courant alternatif de fréquence d’alternance de phase comprise entre 1 et 50 kHz. Installation selon l’une quelconque des revendications 35 à 37, le générateur électrique étant configuré pour générer un courant alternatif haché, de préférence à une fréquence de hachage comprise entre 1 et 100 kHz. Installation selon l’une quelconque des revendications 35 à 38, le générateur électrique étant configuré pour générer un courant alternatif monophasé ou multi-phasé, de préférence triphasé, encore plus préférentiellement avec un équilibre entre les phases. Installation selon l’une quelconque des revendications 35 à 39, le générateur électrique étant configuré pour permettre de limiter la tension à une valeur souhaitée. Installation selon l’une quelconque des revendications 35 à 40, comportant au moins un système de récupération d’énergie (40) 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 (21) ou pour réchauffer voire vaporiser un fluide distinct du liquide. Installation selon l’une quelconque des revendications 35 à 41, comportant un séparateur liquide/vapeur en aval de la zone de traitement (21).
PCT/EP2022/050357 2021-01-12 2022-01-10 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 WO2022152655A1 (fr)

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US18/271,543 US20240074005A1 (en) 2021-01-12 2022-01-10 Method for treating a liquid, in particular an aqueous liquid, with a view to heating same, generating steam, developing a catalytic reaction, producing nanoparticles and/or concentrating at least one species present therein

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