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PERFECTIONNEMENTS AUX ECHANGEURS D'ACTIONS.
La présente invention se réfère aux procédés de traitement des eaux acides consistant à les faire passer sur des matières d'échange d'anions qui retiennent les radicaux acides en libé- rant des ions hydroxyl. Dans la pratique cette désaciditioation est utilisée comme traitement final dans un procédé de traitement double des eaux renfermant des sels minéraux, procédé suivant lequel lesdites eaux sont tout d'abord passées sur des matières d'échange de cations qui retiennent les radicaux métalliques en libérant des ions d'hydrogène, de telle sorte que l'effluent qui les quitte renferme les acides des sels minéraux de l'eau brute, ledit effluent étant ensuite traité par des matières d'échange d'anions ainsi qu'il vient d'être expliqué.
L'eau ainsi traitée ne renferme pratiquement plus que de l'acide carbonique que les matières d'échange d'anions ne retiennent que très partiellement de telle sorte qu'après aération pour la débarrasser de ce gaz elle est assimilable à l'eau distillée.
Bien entendu, les matières d'échange doivent être régéné- rées de temps à autre, c'est-à-dire être rechargées par des ions du type de ceux qu'elles doivent libérer au cours du pro-
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oessus d'échange. Les matières d'échange de oations se régénè- rent avec une solution d'acide minéral tel que l'acide sulfuri- que, tandis que les échangeurs d'anions se régénèrent à l'aide d'un alcali tel qu'une solution de soude caustique ou de carbona- te ou bicarbonate de soude. Après régénération, la matière est soigneusement rincée avant remise en service de manière à élimi- ner l'excès de solution régénérante.
Dans le cas des échangeurs de cations, ce rinçage se fait assez rapidement et sans difficulté. Par contre avec les échan- geurs d'anions il est fort long, la matière retenant par adsorp- tion une quantité considérable de régénérant qui ne s'élimine que fort lentement. Ce rinçage s'effectue en pratique avec de l'eau sortant de l'échangeur de cations et par conséquent libé- rée des solides que renferme l'eau brute. La durée du rinçage non seulement immobilise l'installation pendant un temps exagéré, mais encore réduit la capacité utile des deux échangeurs, puis- que l'eau de rinçage subit le traitement complet d'échange.
Quand on doit assurer un débit continu d'eau traitée, la lenteur du processus de rinçage est encore plus désavantageuse, car elle oblige soit à emmagasiner une quantité considérable d'eau traitée pour assurer le débit entre les périodes de tra- vail normal, soit à doubler l'installation de manière à alterner le service.
La présente invention permet d'accélérer considérablement le rinçage et par conséquent d'éviter tous les inconvénients qui précèdent. Suivant une première caractéristique de l'invention on utilise pour le rinçage de l'échangeur d'anions une eau ren- fermant de l'acide carbonique ou un acide organique faible et sensiblement pas d'acides minéraux ou de sels de tels acides.
Cette eau peut s'obtenir en ajoutant de l'acide carbonique ou un acide organique faible à une eau ne renfermant sensiblement pas de radicaux acides minéraux. On peut encore former le gaz carbonique au sein d'une eau sans radicaux acides minéraux par addition à celle-ci de carbonates ou bicarbonates et d'un acide
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approprié.
Enfin l'on peut utiliser l'échangeur de cations pour décomposer des bicarbonates ou carbonates ajoutés à une eau sans radicaux minéraux; la matière d'échange de cations retient les anions minéraux des carbonates ou bicarbonates et libère l'acide carbonique. Dans ce dernier cas le rinçage s'opère ainsi sur les deux échangeurs successivement, l'eau carbonatée pouvant servir à rincer l'échangeur de oations, ou à achever son rinçage commencé avec de l'eau brute, et l'effluent obtenu, chargé de gaz oarbonique, servant à rincer l'échangeur d'anions, ou égale- ment à achever son rinçage commencé soit à l'eau brute, soit mieux, avec l'eau qui s'écoule de l'échangeur de cations pendant le rinçage de celui-ci à l'eau brute.
Ainsi les deux échangeurs peuvent rester en série, le rinçage s'effectuant par admission à l'échangeur de cations d'abord d'eau brute, puis d'eau sans radicaux minéraux acides chargée en gaz carbonique.
Le rinçage à l'eau ainsi chargée d'un acide faible permet d'écourter de façon très sensible la durée de l'opération et il ménage le pouvoir d'échange des matières actives, le gaz carbo- nique n'étant que très faiblement absorbé par celles-ci.
Suivant une autre caractéristique de l'invention, on ter- mine le rinçage des deux échangeurs par circulation en circuit fermé, l'eau sortant de l'échangeur d'anions étant renvoyée à l'échangeur de cations. Dans la pratique, on commence le rinçage par les procédés habituels, c'est-à-dire en envoyant de l'eau brute dans l'échangeur de cations et en envoyant l'effluent dans l'éohangeur d'anions, l'eau sortant de ce dernier étant rejetée à l'égout. La teneur de cette eau en éleotrolytes diminue au début très rapidement.
Quand elle a atteint une valeur sensible- ment égale ou inférieure à celle de l'eau brute, on arrête l'ar- rivée d'eau brute et on termine le rinçage des deux échangeurs en circuit fermé jusqu'au moment où la teneur en électrolyte s'est abaissée jusqu'à la limite supérieure admissible pour
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l'eau épurée. Par exemple, dans la première phase la teneur e électrolyte de l'eau de rinçage tombe très rapidement à 300 à 500 millionièmes, elle continue ensuite à baisser relativement vite et ce ne serait que vers 100 millionièmes que les phénomè- nes préjudiciables retardant le rinçage se feraient sentir.
Mais on passe à la seconde phase dès que la teneur s'est abaissée à environ 200 millionièmes et quand l'eau sortant de l'échangeur d'anions renferme comme cation du sodium, surtout sous forme d'hydroxyde, et, comme anions, du carbonate ou bicarbonate en présence d'une faible quantité de chlorures et de sulfates.
Pendant le rinçage une partie du pouvoir d'échange de l'échangeur d'anions est absorbée par les acides minéraux libres contenus dans l'eau(essentiellement de l'acide chlorhydrique et de l'acide sulfurique). Mais comme la teneur en sulfates ou chlop rures de l'effluent de l'échangeur d'anions est très faible pen- dant la marche en circuit fermé, beaucoup plus faible en fait que celle de l'eau brute, la quantité de ces acides produite par passage sur l'échangeur de cations est minime et abaisse peu le pouvoir d'échange de l'échangeur d'anions. De même, le pouvoir d'échange de l'échangeur de cations n'est entamé que par la pro- duction d'acides chlorhydrique, sulfurique et carbonique et comme ainsi qu'on l'a expliqué, il s'en produit fort peu, la perte de pouvoir d'échange de l'échangeur de cations reste très faible.
Ainsi la circulation en circuit fermé de l'eau de rinçage réduit la perte de capacité des deux échangeurs par rapport au cas où l'on utilise de l'eau brute qui, après passage dans les appareils, est rejetée à l'égout. Ce gain de capacité est évidemment d'au- tant plus important que la teneur de l'eau brute en électrolytes est plus elevée.
La circulation de l'eau de rinçage en circuit fermé peut se faire à une vitesse relativement grande, ce qui réduit le temps nécessaire pour l'opération de rinçage. Evidemment dans les procédés de rinçage habituels on peut également adopter de
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forts débits d'eau pour abaisser la durée de l'opération, mais c'est au prix d'une consommation d'eau exagérée et d'une augmen- tation correspondante de la perte de pouvoir d'échange utilisa- ble pour les deux échangeurs.
Pendant la circulation en circuit fermé,, .la teneur en électrolytes de l'eau baisse très rapidement et cette dernière est vite assimilable à de l'eau distillée pour ce qui est de sa teneur en matières solides. Le rinçage est donc très effectif et on obtient rapidement à la sortie de l'échangeur d'anions un effluent sans substances minérales.
Il est à noter que la circulation en circuit fermé de l'eau de rinçage laisse dans celle-ci l'acide carbonique libre provenant de l'absorption des cations métalliques des carbonates ou bicarbonates par l'éohangeur de cations. Quand on utilise du carbonate de soude pour régénérer l'échangeur d'anions, cette teneur en acide carbonique de l'eau de rinçage en circuit fermé est encore plus marquée, puisque l'eau sortant de l'échangeur d'anions renferme un peu du carbonate utilisé comme régénérant.
Il apparait donc bien que sur ce point le procédé de rinçage en circuit fermé des installations d'épuration à double échange constitue une variante, particulièrement avantageuse et original du procédé consistant à rincer un échangeur d'anions par une eau renfermant de l'acide carbonique et sensiblement point de radicaux acides minéraux, et plus spécialement du procédé con- sistant à obtenir cette eau de rinçage par passage d'une eau oarbonatée dans un échangeur de cations. Mais en outre le procédé de rinçage en circuit fermé présente des avantages particuliers et notamment celui de n'exiger qu'une dépense d'eau très réduite et aucune dépense en produits chimiques.
L'invention vise encore le retour à l'entrée de l'installa- tion d'une partie de l'effluent de l'échangeur d'anions pendant la marche normale de l'installation et non plus seulement, comme
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sus-exposé, pendant lespêriodes de régénération. Ce retour par- tiel est notamment avantageux avec des eaux très chargées en matières minérales. En pareil cas en effet il est souvent diffi- cile d'obtenir une déminéralisation complète par un seul passage à travers l'installation. Le retour partiel d'une partie de l'eau traitée, donc déminéralisée, et son mélange avec l'eau brute avant l'entrée dans l'échangeur de cations diluent cette eau brute et par conséquent l'amènent à une teneur en matières minérales assez faible pour que la déminéralisation puisse s'ef- fectuer sans difficulté dans l'installation.
Un avantage subsé- quent important est que la durée de la matière active d'échange d'anions est nettement augmentée, Bien des matières d'absorption d'acides, telles que les gels d'oxydes de fer, subissent une attaque marquée lorsque l'eau qui les traverse renferme des quan- tités relativement importantes d'acide minéral libre. En abais- dent la teneur en sels minéraux de l'eau entrant dans l'échangeur de cations par le moyen du renvoi partiel susénonoé, on réduit de façon correspondante la teneur en acides minéraux libres de l'ef- fluent dudit échangeur et l'attaque de la matière active de l'échangeur d'anions se trouve diminuée en conséquence.
La proportion d'eau déminéralisée à renvoyer de cette fa- çon dépend de la teneur de l'eau brute en sulfates et chlorures.
Plus cette teneur est élevée, plus grande est la quantité d'eau traitée qu'il est avantageux de renvoyer à l'entrée de l'instal- lation. On peut admettre comme base que le mélange d'eau brute et d'eau déminéralisée renvoyée à l'échangeur de cations doit renfermer de 100 à 200 millionièmes de sulfates et de chlorures exprimés en CO3Ca. Dans certains cas il peut être avantageux que le mélange an renferme même moins de 100 millionièmes afin d'ob- tenir une eau traitée de meilleure qualité et en même temps pour augmenter la durée utile de la matière active de désacidification.
Le dessin annexé, donné à titre d'exemple, fera mieux com- prendre l'invention, les caractéristiques qu'elle présente et
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les avantages qu'elle est susceptible de provurer :
Fig. 1 est une vue schématique d'une installation permet- tant le renvoi de l'eau de la sortie à l'entrée.
Figs. 2 et 3 sont deux représentations graphiques des ré- sultats obtenus d'abord suivant les procédés connus, ensuite suivant le procédé objet de l'invention.
En fig. 1 l'échangeur de cations comprend un filtre 10 avec matière active 11 et une bâche 12 renfermant la solution régéné- ratrice (acide sulfurique dilué). L'eau brute arrive par le tuyau 13 avec robinet 14, aboutissant au tuyau 15 qui débouche au sommet du filtre, ce tuyau 15 ayant également un robinet 16.
Le tuyau 15 communique avec un départ de vidange 17 muni d'un robinet 18. Le tuyau 15 communique encore avec un tuyau 19 allant au bas du filtre et commandé par un robinet 20, ce tuyau 19 étant également muni d'un départ de vidange 21 avec robinet 22. De l'amenée d'eau 13 part un tuyau 24 avec un robinet 25, alimentant un injecteur 23 qui, puisant dans la bâche 12 par un tuyau 26 avec robinet 27, refoule à la partie supérieure du filtre par un tuyau 28.
L'échangeur d'anions ou désacidificateur est semblable à l'échangeur de cations sus-décrit. Son amenée d'eau 33 est bran- chée sur le tuyau 19 de sortie du filtre échangeur de cations.
Sa bâche régénératrice 32 renferme une solution alcaline. Tous les autres organes sont identiques à ceux déjà décrits pour le premier échangeur et ont été référencés d'un nombre supérieur de vingt à celui constituant la référence de l'organe correspondant de ce dernier, ce qui dispense de toute explication complément taire. On notera que l'injecteur 43 peut être alimenté non seule- ment par le tuyau 44, ici pourvu d'un robinet 50, mais encore par un tuyau 49 avec robinet 51 et qui est relié au tuyau 24 ali- mentant l'injeoteur 23 du premier éohangeur.
Le tuyau 39 formant la sortie du filtre échangeur d'anions, est relié à un tuyau de départ 52 pourvu d'un robinet 53 en amont
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duquel est branché le tuyau d'aspiration 61 d'une pompe 60 dont le refoulement 62 aboutit au tuyau 13 d'amenée d'eau à l'échan- geur de cations. Un clapet 63 est disposé sur le tuyau d'aspira- tion 61 tandis que sur le tuyau de refoulement 62 est prévu un robinet de réglage 64.
En marche normale les robinets 14, 16, 24, 36,et 53 sont ouverts tandis que tous les autres sont fermés. L'eau brute arri- vant par le tuyau 13 traverse les deux filtres et sort en 52.
Quand l'échangeur de cations est épuisé, il est lavé à oon- tre-courant, régénéré et rincé à la façon usuelle.
Quand l'échangeur d'anions est épuisé, il est d'abord lavé à contre-courant et régénérsrpar la solution 32 en utilisant soit de l'eau brute arrivant par le tuyau 49, soit de l'eau déjà trai- tée par l'échangeur de cations et provenant du tuyau 33. On rince ensuite en utilisant uniquement de l'eau provenant du filtre à cations 10. L'eau de rinçage, provenant du tuyau 33 par le tuyau 35, coule de haut en bas, traverse la couche active 31 et s'écou- le à l'égout par le tuyau 41. On surveille cet écoulement et aus- sitôt que l'eau ainsi rejetée présente une teneur en électrolytes d'environ 200 millionièmes, ou à tout le moins une valeur sensi- blement égale à celle correspondant à l'eau brute, on ferme les robinets 14 et 42 et on met en marche la pompe 60.
On laisse l'eau circuler en circuit fermé jusqu'à ce que sa teneur se soit suffisamment abaissée, ainsi qu'on l'a expliqué ci-dessus. Le rinçage est alors terminé et on peut reprendre lé service normal.
Quand on désire renvoyer de l'eau déminéralisée de la sor- tie à l'entrée pendant la marche normale, il suffit de mettre en marche la pompe 60 et de régler par le robinet 64 l'importance du débit d'eau ainsi renvoyée.
Les exemples ci-après font ressortir les avantages obtenus par le rinçage en circuit fermé. Dans ces essais, chaque échan- geur renfermait environ 30 litres de matière active, respective- ment du charbon sulfoné pour les cations et du noir d'aniline
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pour les anions. L'eau brute renfermait 326 mg par litre de ca- tions, la teneur en anions étant de 236 mg de chlorures et sul- fates et de 91 mg de bicarbonates, le tout exprimé en CO3Ca. Les échangeurs furent tout d'abord régénérés à la façon habituelle, sans circuit fermé, en utilisant 1,400 kg. d'acide sulfurique en solution à 2 % pour l'éohangeur de cations et 1,600 kg, de carbonate de soude en solution à 5 la' pour l'échangeur d'anions.
L'effluent de l'échangeur de cations utilisé pour le rinçage de l'échangeur d'anions renfermait 236 mg par litre de radicaux chlorures et sulfates sous forme d'acides sulfurique et ohlorhy- drique, quantité exprimée en CO3 Ca. Il fallait 450 litres de cette eau pour rincer l'échangeur d'anions jusqu'au point où son effluent ne renfermait plus que 5 millionièmes d'alcalinité au méthyl-orange, 2 millionièmes de chlorures et 2 millionièmes de sulfates, le tout exprimé en CO3Ca. Ce rinçage exigeait au total 100 minutes et le pouvoir d'échange restant disponible pour l'échangeur d'anions était de 1057 litres d'eau déminéralisée avant qu'une nouvelle régénération ne devint nécessaire.
Après que les deux échangeurs eussent été épuisés, ils furent à nouveau régénérés, mais aveo marche en circuit fermé conformément à l'invention. Durant la première phase on laissa s'écouler à l'égout un total de 130 litres d'eau, ce qui demanda 30 minutes. A ce moment l'effluent de l'échangeur d'anions ren- fermait moins de 20 millionièmes respectivement de chlorures et également de sulfates, l'alcalinité au méthyl-orange (correspon- dant aux carbonates et bicarbonates de soude) étant de moins de 300 millionièmes. Ainsi la teneur en électrolytes de l'eau de rinçage était un peu plus faible que celle de l'eau brute.
On rinça alors en circuit fermé avec un débit environ double'de celui du rinçage durant la première phase, faisant ainsi passer environ 320 litres d'eau en 30 minutes. A ce moment, c'est-à- dire 60 minutes après le début de l'opération de rinçage, l'ana- lyse de l'effluent donnait à peu près les mêmes résultats que
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ceux obtenus à la fin du rinçage sans marche en circuit fermé utilisé durant le premier essai. Une fois remis en service, l'échangeur put produire un total de 1370 litres d'eau déminéra- lisée avant que la régénération ne fut à nouveau nécessaire.
On voit ainsi que la marche en circuit fermé pendant le rinçage avait accru la capacité de l'échangeur d'anions de 1057 litres à 1370 litres, soit environ 30 %. La durée de l'opération était passée de 100 à 60 minutes, ce qui correspond à une réduc- tion de 40 %. En outre le pouvoir d'échange de l'échangeur de cations était également augmenté de façon sensible.
Les 320 li- tres d'eau passée en circuit fermé ne renfermaient au total en cations que 25 % par rapport à la même quantité d'eau brute, de telle sorte qu'au point de vue de l'épuisement de la matière d'échange de cations, tout s'était passé dans la marche en circujt fermé comme si l'on avait utilisé une quantité d'eau brute égale à 25 % des 320 litres, ce qui représente par rapport au premier cas une économie de 236 litres ou environ 16 % du pouvoir utile d'échange entre les périodes de régénération.
Les figs. 2 et 3 et la légende qui leur est annexée mon- trent graphiquement les données qui précèdent et font bien saisir l'économie réalisée par le rinçage en circuit fermé. L'économie de temps résulte du fait que durant la seconde phase on utilise une vitesse de circulation d'eau presque double de celle utili- sée durant la première.
Cette économie de temps permet d'employer des installations moins puissantes, moins coûteuses, occupant moins de place, puis- que les appareils sont immobilisés moins longtemps. L'augmenta- tion de capacité entre les régénérations, obtenus pour les deux échangeurs sans emploi de plus fortes quantités de régénérants, entraine une économie de produits chimiques, donc du prix de revient et accessoirement réduit également la dépense d'eau pour le lavage.
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Il doit être entendu que l'invention vise non seulement le procédé décrit de rinçage des matières d'échange d'anions avec ou sans renvoi de l'eau de la sortie à l'entrée de l'installation d'épuration d'eau brute, ou encore le procédé de renvoi total ou partiel de l'eau de la sortie à l'entrée dans de telles installa- tions soit pendant le rinçage, soitn marche normale, mais encore, et cela à titre de produits industriels nouveaux, les appareils agencés pour la mise en oeuvre de tels procédés, ainsi que les installations comportant de tels appareils.