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Perfectionnementsà l'électrodésionisation.
La présente invention concerne la désionisation et plus particulièrement l'électrodésionisation de solutions.
Sous sa forme la plus simple, l'électrodésionisation comporte le passage de la solution à désioniser à travers une cel- Iule., dont une paroi est formée par une membrane perméable aux ca- tions et dont la paroi opposée est formée par une membrane perméa- ble aux anions, et l'établissement dans la cellule d'un gradient de potentiel électrique convenable, grâce auquel les anions se di- rigent vers l'anode en traversant la membrane perméable aux anions et les cations vers la cathode en traversant la membrane perméable aux cations, ce qui conduit à la désionisation de la solution dans la cellule. Toutefois, les cellules industrielles sont divisées
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en un grand nombre de compartiments par une série de membranes - alternativement perméables aux anions et aux cations.
On fait pas- ser la solution à désioniser par un compartiment sur deux (compar- timents de désionisation) tandis qu'on fait passer un liquide con- venable à travers les autres compartiments (compartiments de con- centré) .
Aux faibles concentration au dessous d'environ 10-3M, la résistance de la solution est élevée et, pour obtenir une dé- sionisation plus complète, les compartiments de désionisation doi- vent être remplis d'une résine échangeuse d'ions qui améliore la onductivité de la cellule. Il est désirable d'obtenir un effluent neutre, parce que dans ce cas le taux d'extraction est le même pour les anions et les cations, ce qui permet de pousser la dé- sionisation jusqu'au degré désiré sans qu'il soit nécessaire d'ajus- ter le pH de l'effluent.
Il convient de noter qu'une solution to- talement désionisée est neutre, mais il est rarement désirable ou utile du point de vue économique d'effectuer une désionisation complète
Le pH de l'effluent dépend du rapport du taux d'extrac- tion des anions au. taux d'extraction des cations, ce rapport dé- pendant lui-même de la nature de la substance échangeuse d'ions utilisée dans les compartiments de désionisation.
Afin d'obtenir un effluent neutre sans devoir effectuer la désionisation complète de la solution, on peut utiliser un lit d'un mélange de résines échangeuses d'ions de type classique dont chaque constituant a un degré de réticulation de 8 %, le rapport entre la quantité de résine échangeuse d'anions et la quantité de résine échangeuse de cations étant réglé pour donner l'effluent neutre déséré. Toutefois, la préparation d'un mélange homogène de résines de même que le choir judiceux des proportions des ré- sines peuvent être difficiles, étant donné qu'au voisinage de la neutralité, le pH de 1 effluent est sensible à des variations re- lativement petites des proportions des résines échangeuses.
Un autre
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inconvénient est que la résistance électrique du lit de résine est élevée lorsque le rapport de la quantité de résine échangeuse .d'anions à la quantité de résine échangeuse de cations est élevé, parce que les résines échangeuses d'anions ayant un degré de ré- ticulation de 8 % présentent une résistance électrique beaucoup plus élevée que celle des résines échangeuses de cations ayant un taux de réticulation de 8 %.
La présente invention a pour but de procurer un procédé d'électrodésionisation nouveau ou perfectionné, ainsi qu'un appa- reil permettant de l'exécuter.
Dans le procédé d'électrodésionisation d'une solution sui- vant la présente invention, on fait passer la solution à désioni- ser dans une cellule d'électrodésionisation à travers un comparti- ment de désionisation qui contient un lit d'un mélange de résines échangeuses de cations et d'anions, les conductivités électriques spécifiques de ces résines étant sensiblement identiques et leurs degrés de réticulation ét?nt différents.
En outre, la présente invention procure un appareil pour l'électrodésionisation de solutions,, comprenant une cellule d'élus trodésionisation qui comporte un compartiment de désionisation con- tenant un lit d'un mélange de résines échangeuses de cations et d'anions dont les conductivités électriques spécifiqu s sont sen- siblement identiques et les degrés de réticulation différent.:.
Il convient de noter que dans les conditions idéales, les deux résines ont des conductivités rigoureuseaent identiques mais qu'en pratique, cela est difficile à réaliser et, la Deman- deresse a découvert que lorsque les différences de conductivité des deux résines n'excèdent par un facteur d'environ 1,5, les ré- sultats sont tout à fait satisfaisants. L'expression "sensiblement ' identiques" qualifie donc des résines dont les conductivités dif- feront d'un facteur pouvant atteindre environ 1,5 au maximum.
Il convient de noter que les conductivités spécifiques des résines dépendent des conditions de mesure, étant donné qu'elles:
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sont influencées ppr de nombreux paramètres. par conséquent, les conductivités spécifiques des résines doivent être déterminées dans des conditions semblables à celles de l'utilisation des résines.
On doit donc déterminer la conductivité dans une cellule d'électro- désionisation, durant l'électrodési&nisation d'une solution sem-' blable à celle qui sera désionisée dans la cellule (c'est-à-dire dans une solution contenant les mêmes ions, approximativement à la même concentration). La conductivité spécifique dépend de la concentration, et il est donc difficile d'obtenir des résines ayant la même conductivité dans un large intervalle de concentrations.
La Demanderesse a découvert que de 5 résultats tout à fait satis- faisants sont obtenus lorsque les conductivités spécifiques des résines sont du même ordre d grandeur, par exemple, dans le rap- port de 1,44 à 1. La conductivité spécifique dépend de la nature des ions en présence et le remplacement de l'un des ions peut faire que des résines ayant des conductivités identiquespar exemplp dans des solutions de nitrate de sodium, aient des conductivités fort différentes, par exemple, dans des solutions de sulfate de sodium.
La Demanderesse a découvert que la conductivité des ré- sines dépend du degré de réticulation dont l'augmentation se tra- dait par une diminution de la conductivité. Il convient de noter que l'utilisation de l'énergie pour l'électrodésionisation est d'autant meilleure que la conductivité de la résine est plus gran- de et que des lors il est préférable d'utiliser des résines échan- geuses d'ions à degré de réticulation aussi bas que le permettent les caractéristiques de gonflement.
Dans les lits de mélanges de résines utilisés habituel- lementjle degré de réticulation des deux résines échangeuses d'anions et de cations est de 8 % et les conductivités spécifiques de ces deux résines sont fort différentes. Par conséquent, pour obtenir la même vitesse d'extraction pour les cations et les anions, il fallait utiliser une proportion élevée de la résine à faible
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conductivité (la résine échangeuse d'anions) afin d'obtenir la vi- tesse désirée d'extraction des anions. En utilisant une proportion élevée de résine à faible conductivité, on obtient un lit à ré- sistance élevée et nuisant doncà la bonne utilisation de l'énergie.
Une résine échangeuse d'anions, dont le degré de réticu- lation est inférieur à celui de la résine échangeuse de cations, c'est-à-dire inférieur à 8 %, a une conductivité beaucoup plus proche de celle de la résine échangeuse de cations. Lorsque le de- gré de réticulation de la résine échangeuse dénions est suffisam- ment inférieurà 8 %, les conductivités des résines échangeuses d'anions et de cations deviennent sensiblement identiques et l'uti- lisation d'un lit de mélange de résines comprenant des proportions égales de telles résines échangeuses d'anions et de cations, per- met d'obtenir un effluent dont les concentrations en anions et en cations sont égales, quelque soit l'état de concentration de l'ef- fluent, c'est-à-dire un effluent neutre.
Il convient de noter qu'on pourrait obtenir aussi des résines de conductivités identiques, pour un degré de réticula- tion de la résine échangeuse de cations supérieur à 8 %, mais cette façon de procédé, qui entre pourtant dans le cadre de l'invention, n'est normalement pas intéressante parce que le lit résultant au- rait probablement une résistance électrique plus élevée que celle d'un lit classique. En variante, la réticulation des résines échan- geuses de cations peut être légèrement augmentée et la réticula- tion des résines échangeuses d'anions diminuée afin d'obtenir le lit de mélange de résines voulu dans lequel les constituants ent des conductivités semblables.
En utilisant un lit d'un mélange.dans lequel le degré de .réticulation de la résine échangeuse d'anions est.de 2,5 % et le degré de réticulation de la résine échangeuse de cations de 8 on a obtenu un effluent sensiblement neutre à faible concentration, par exemple 10-5M, tandis qu'en utilisant un mélange de résines
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échangeuses de cations et d'anions dont les degrés de réticulation sont tous deux de 8 %, on a obtenu un effluent acide même pour des concentrations relativement faibles. Dans les deux cas, les résines étaient dans le rapport de 1:1.
Il est donc évident qu'en utilisant, suivant la présente invention, des résines ayant des degrés de réticulation différents et des conductivités semblables, on obtient plus facilement des effluents neutres.
La Demanderesse a découvert également qu'en utilisant des résines des degrés de réticulation différents, le coefficient de transfert classique des cations est meilleur que dans le cas des mélanges classiques de résines et de plus,que le transfert massique dépend moins de la vitesse de la solution, ce qui per- dent d'utiliser des débits moins élevés , avec une augmentation correspondante du temps de séjour, et d'améliore la désionisa- tion sans affecter défavorablement le transfert massique comme c'est le cas dans les lits classiques.
La présente invention est illustrée par les expérien- ces à l' 'de de diverses résines seules et en mélange, ainsi que par les diagrammes dans lesquels la fig. 1 représente la variation du pH en fonction de la concentration de l'effluent la fig. 2 représente la variation de résistance de di- verses résines en fonction de la concentration des solutions; la fig. 3 représente la variation d'efficacité de cou- rant en fonction du rapport de la densité de courant (J) à la concentration moyenne de la solution (c); et;' le fig. 4 représente la variation du rapport J/c en fonction de la vitesse de la solution.
Les résines échangeuses d'ions utilisées dans les expé- riences suivantes sont réticulées par le divinylbenzène. Les ré- sines échangeuses dé cations sont des résines de polystyrène de type acide sulfoniaue d'un degré de réticulation de 8 % (es) et de 20 % (c2) et les résines échangeuses d'anions des résines de
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.polystyrène de type ammonium quatern-ire d'un degré de réticulation de 2,5 % (Al) et de 8 % (A2). On mélange les résines par volumes égaux, de manière à obtenir trois lits de mélanges de résines MB1, MB2, et MB3, MB1 comprenant un mélange de résine Clet de résine A2;
MB2 comprenant un mélange de résine Cl et de résine Al; et MB3 comprenant un mélange de résine C2 et de résine Al.
Pendant l'électrodesionisation, pour une concentration moyenne (c) des solutions de 10-4 équivalent par litre, les mi- sistances des diverses résines, par rapport à celle de la résine
Cl sont,pour la résine A2 : 13,3; pour la résine C2: 3,12; pour la résine Al: 1,44. Par conséquent, parmi les lits de mélanges, le lit MB2 dans lequel le rapport des résistances est de 1,44 à
1, est celui qui se rapproche le plus du lit de mélange idéal, dans lequel le rapport des résistances est de 1.
Figure 1.- Les courbes sont obtenues en faisant passer une solution diluée de nitrate de sodium par des lits des diver- ses résines et en déterminant la concentration ea sodium et lepH de l'effluent. Dans tous les cas, on utilise une de@sité de cou- rant (u) de 5,0 mA/cm2 et on fait passer la solution par un lit d'une épaisseur de 1 cm à une vitesse linéaire de 0,23 cm/facon- de. L'échelle des concentrations en sodium en équivale ets/litres en abscisses est logarithmique, celle des pH en oruonnées est liné- aire . La courbe 1 représente les résultats obtenus avec des ré... sines anioninues seules.
Les résultats, pour les deux résines anioniques se situent sur cette courbe. La courbe 2 est obtenue avec le lit MB3, la courbe 3 avec le lit MB1, la courbe 4 avec le lit MB2 et la courbe 5 avec les résines cationioues seules, les résultats obtenus avec les deux résines cationiaues se situant sur cette courbe 5. On constate que pour un effluent concentré les résines anioniques et le lit MB3 donnent des effluents alcalins, tandis que les autres résines donnent des effluents acides. On con- state aussi qu'aux concentrations plus basses, le pH de l'effluent de la plupart des résines tend vers environ 7 et que la solution
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est neutre, cet effet étant le plus prononcé avec les lits MB2 et MB3.
Figure 2. - Les échelles sont Mutes deux logarithmiques, les courbes indiquent la variation de la résistance en chm-cm-1 en ordonnées des lits de résines en fonction de la concentration moyenne de la solution en équivalents par litre, en abscisses (c), les résultats étant obtenus en opérant dans les mêmes condi- tions que pour la fig. 1. La courbe 6 représente les résultats ob- tenus avec la résine A2, la courbe 7, avec le lit MB3, la courbe 8 avec la résine C2, la courbe 9 avec le lit MB1, la courbe 10 avec la résine Al, la courbe 11 avec le lit MB2 et la courbe 12 avec la résine Cl. On constata que le lit MB2 a la plus faible résistance aux concentrations intéressantes, c'est-à-dire au des- sous d'environ 10-3M.
Des courbes 10 et 12, il ressort, aussi que les conductivités des constituants du lit MB2 (Al et Cl) sont très semblables dans un grand intervalle de concentrations.
Figure 3. - Les deux échelles sont logarithmiques. Les courbes représentent la variation d'efficacité de courant (#) en ordonnées pour l'ion sodium en fonction du rapport J/c en abscis- ses. On obtient la courbe 13 avec les résines échangeuses de ca- tions seules, la courbe 14 avec le lit MB2, la courbe 15 avec le lit MB1, la courbe 16 avec le lit MB3 et la courbe 17 avec les résines échangeuses d'anions seules.
Le rapport J/c pour une va- leur déterminée de donne une indication du coefficient de trans- fert massique et il en ressort que le lit MB2 donne la meilleure efficacité de courant et aussi le meilleur coefficient de trans- fert massique, l'effet étant le plus sensible aux faibles concen- trations, c'est-à-dire pour les valeurs élevées du rapport J/c.
Figure 4.- Les échelles sont toutes deux logarithmiques.
Les courbes représentent la valeur du rapport J/c pour une effica- cité de courant ;± de 0,1 en ordonnées en fonction de diverses vi- tesses d'écoulement en cm/sec, en abscisses. La courbe 18 est ob- tenue avec le lit MB2, la courbe 19 avec le lit MB1, la courbe 20
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avec le lit mMB3.
Avec le lit MB2, le rapport J/c (et donc le coef- ficient de transfert massique) est proportionnel à (vitesse d'écou- lement)0,38 avec le lit MB1, J/c est proportionnel à (vitesse d'écoulement)0,59 et avec le lit MB3, J/c est proportionnel à (vi- tesse d'écoulement) . En conséquence, le lit MB2 non seulement accuse les meilleures caractéristiques de transfert massique mais aussi est moins affecté que les autres lits de mélanges de résines par les vitesses d'écoulement et, donc, permet un temps de séjour plus long et ainsi une meilleure déminéralisation sans entraîner de diminution de l'efficacité de transfert massique qui se pro- duirait avec les autres lits de mélanges de résines. L'utilisa- tion de vitesses d'écoulement plus faibles a, en outre, l'avantage d'exiger moins de puissance pour le pompage.
Les résines du lit MB2 nont pas les conductivités exac- tement identiques requises par la théorie, mais réalisent le meil- leur compromis actuellement possible.
REVENDICATIONS
1.- Procédé d'électrodésionisation d'une solution, sui- vant lequel on fait passer la solution à désioniser par un com- partiment de désionisation d'une cellule d'électrodésionisation, caractérisé en ce que le compartiment de désionisation contient un lit de mélange de résines échangeuses de cations et d'anions dont les conductivités électriques spécifiques sont sensiblement identiques et les degrés de réticulation différents.
2. - Appareil pour l'électrodésionisation d'une solution, comprenant une cellule d'électrodésionisation à compartiment de désionisation, caractérisé en ce que le compartiment de désioni- sation contient un lit de mélange de résines échangeuses de ca- tions et d'anions dont les conductivités électriques spécifiques sont sensiblement identiques et les degrés de réticuletion diffé- rents.