Procédé et appareil pour le traitement de l'eau
On cherche dans beaucoup de domaines industriels à disposer de quantités importantes : - soit d'une eau ne contenant plus de substances
ioniques en solution (eau dite déminéralisée ,
caractérisée par une très faible conductivité spé civique) - soit d'une eau de qualité bien définie, par exemple
d'une eau contenant des quantités bien détermi
nées en certains éléments comme le fluor (pré
vention des caries dentaires), ou au contraire ne
contenant que certains éléments à l'exclusion
d'autres (eau adoucie exempte de calcium,
fer, sulfate, etc.), ou encore d'une eau épurée à
une valeur de pH déterminée.
Dans ce but, on sait qu'un procédé consiste à traiter l'eau par des échangeurs d'ions.
Les échangeurs d'ions généralement utilisés sont de deux catégories, échangeurs d'anions R'OH- et échangeurs de cations RH+, dont les ions OH - et H + sont remplaçables par des ions de même signe, de sorte que lorsque l'on fait passer de l'eau sur un lit constitué de ces deux catégories d'échangeurs d'ions, on fixe sur les grains les ions en solution et on libère H + et OH - qui se combinent en un complexe stable H20 pour donner de l'eau pure.
Les réactions sont de la forme suivante:
EMI1.1
Ces réactions sont réversibles de sorte que l'on peut régénérer les échangeurs d'ions en traitant les échangeurs anions par une solution de base et les échangeurs de cations par une solution d'acide par exemple. Cette opération nécessitera donc la séparation préalable de deux catégories d'échangeurs d'ions.
La mise en oeuvre industrielle classique de ce type de procédé s'effectue au moyen d'installations à marche essentiellement díiscon, tinue, suivant un cycle à deux temps, comportant un premier temps de fixation pendant lequel on épure l'eau et un deuxième temps de régénération au cours duquel on régénère les échangeurs d'ions.
La durée du cycle est fonction de la minéralisation de l'eau (quantité d'ions à enlever) et de la quantité d'échangeurs d'ions stockée dans l'échangeur.
Pour un service continu, on est obligé de prévoir deux installations en parallèle, l'une en service et l'autre en régénération et chacune doit comporter, pour avoir des cycles suffisamment longs à débit suffisamment élevé, des pots de traitement importants, avec un stockage d'échangeurs d'ions élevé.
fl est nécessaire aussi de prévoir une main d'oeuvre non négligeable pour mettre en route et surveiller les opérations de régénération au cours de chaque cycle (3 à 4 heures de main-d'oeuvre par cycle, en moyenne).
-Enfin les opérations de régénération se faisant en discontinu, par une suite de processus divers dans la même colonne que les opérations de traitement, ceci oblige à injecter des quantités de réactifs plus grandes que celles qui seraient normalement nécessaires, de sorte que le rendement chimique est mauvais. On est ainsi amené à injecter, par exemple, 2,5 à 2,7 fois la quantité théoriquement nécessaire de produits de régénération, tout en obtenant un faible taux de régénération, de 50 à 70 /o, et la consommation en eau de rinçage peut atteindre 10 o/o de l'eau traitée dans l'installation.
Ces facteurs défavorables conduisent à des installations à faible rendement d'ensemble dont le bilan économique n'est pas élevé.
Par ailleurs il a été proposé d'utiliser le principe des lits mobiles tant pour l'épuration de l'eau que pour la régénération des échangeurs d'anions et de cations, après leur séparation. Toutefois, cette mise en oeuvre basée sur le traitement de l'eau à cocourant des échangeurs d'ions, présente le grave inconvénient de nécessiter un débit d'échangeur à priori, très largement t supérieur à celui nécessaire, afin de ne pas risquer une épuration imparfaite de l'eau à traiter.
Dans le cas où une certaine pollution de l'eau apparaîtrait à la sortie en raison du débit d'échangeur trop faible, il serait évidemment possible, par exemple à partir de la mesure de l'augmentation de conductibilité, d'augmenter le débit d'échangeur pour ramener l'eau au degré de pureté voulu. Toutefois, il est très important de remarquer que cette opération n'ayant pas d'effet immédiat, il s'écoulera une quantité non négligeable d'eau polluée dans le circuit d'eau pure; d'autre part la mesure ne permettra pas d'ajuster le débit d'échangeurs d'ions à la valeur nécessaire pour un fonctionnement optimum de l'appareil.
I1 sera donc nécessaire de prévoir en permanence un débit d'échangeurs d'ions très largement supérieur à la quantité nécessaire pour épurer l'eau. I1 s'ensuit en outre lors de la régénération, une augmentation de la quantité nécessaire d'eau de lavage, et donc du volume d'effluents.
Enfin, on peut noter aussi que l'installation ne pourra en aucun cas s'adapter automatiquement aux variations de la composition de l'eau.
Dans ces conditions, la présente invention a pour objet un procédé à rendement élevé pour le traitement de l'eau au moyen d'échangeurs d'ions dans lequel ces inconvénients sont supprimés.
Selon l'invention le procédé d'épuration de l'eau, qui s'effectue en lit mélangé d'échangeurs anions et d'échangeurs cations, est caractérisé en ce que: - le traitement d'épuration de l'eau - la séparation des échangeurs anions et cations
saturés - le traitement de régénération des échangeurs
d'ions - le traitement de rinçage des échangeurs d'ions - eventuellement le traitement chimique pour met
tre l'un ou l'autre, ou les deux échangeurs d'ions
sous une forme chimique appropriée s'effectuent en même temps et automatiquement en lits continuellement renouvelés dans des organes distincts formant un circuit fermé pour les échangeurs d'ions qui se déplacent successivement de Fun à l'autre de ces organes, les traitements se faisant à contre-courant des solutions.
Selon le procédé, la déminéralisation d'une eau, par exemple, s'effectue de la manière suivante: - l'eau est traitée à contre-courant dans un premier
organe au moyen d'un lit compact en renouvelle
ment continu constitué par un mélange d'échan
geurs anions et cations, les ions en solution dans
l'eau étant fixés par les échangeurs d'ions au
cours de la traversée de ce premier organe et
l'avance régulière du lit d'échangeurs étant obte
nue par une modulation convenable des débits
injectés - les échangeurs anions et cations ainsi saturés sont
séparés en continu dans un deuxième organe - les échangeurs d'ions saturés ainsi séparés sont
régénérés séparément à contre-courant en lit con
tinuellement renouvelé dans deux autres organes
et sont enfin réintroduits en mélange homogène,
après rinçage,
dans le premier de traitement.
Ce procédé de traitement de l'eau à contrecourant permet l'obtention d'un front de saturation des échangeurs d'ions dans la colonne d'épuration dont la position peut être facilement déterminée avec précision grâce à des mesures de qualité d'eau à l'intérieur du lit de traitement par exemple par des mesures de résistivité.
Cette mesure permettant de localiser la place du front, dont la forme est bien caractérisée en lits mélangés mobiles, permet également de modifier très légèrement lorsque c'est nécessaire le rapport débit d'échangeurs d'ions sur débit d'eau à traiter de manière à maintenir le front dans la position déterminée à l'avance. Ainsi par exemple il est utile de prévoir deux sondes de mesures de résistivité situées par exemple à 10 cm au-dessus et 10 cm au-dessous de la moitié du lit de traitement.
La marche de l'appareil sera réglée de telle façon que le front se maintiendra entre deux sondes, l'une étant dans la zone des résines saturées donc en présence d'eau à faible résistivité, la seconde se trouvant de l'autre côté du front, dans la zone d'introduction des résines régénérées, sera dans de l'eau épurée donc à très haute résistivité.
Admettons par exemple qu'en raison d'un léger déréglage de l'appareil, une modification de la composition de l'eau à traiter entraîne la baisse de la résistivité sur la sonde normalement placée en zone saturée; ceci indiquera que le front de saturation s'est déplacé dans la colonne, un ordre peut alors être donné pour augmenter très légèrement le débit d'échangeurs d'ions de façon à ce que le front de saturation reprenne sa position primitive et que la sonde se retrouve au sein d'eau pure. De même, si sur l'autre sonde la résistivité a tendance à augmenter, un ordre sera donné pour diminuer le débit d'échangeurs d'ions ; ceci aura pour effet de rétablir le front à sa position primitive.
On peut remarquer que les variations des débits, ainsi commandés, sont très petites ; ceci permet d'obtenir un appareil dont la marche est continuellement adaptée aux exigences de fonctionnement correct. Enfin grâce à cette méthode, il n'y a plus aucun risque d'introduire de l'eau insuffisamment épurée dans le circuit d'utilisation, donc une sécurité absolue pour le fonctionnement de l'appareil en tant que producteur d'eau épurée. On obtient de cette façon la meilleure économie possible d'utilisation des échangeurs d'ions.
Selon une disposition préférée, l'appareil pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, par exemple pour la déminéralisation d'une eau, comporte une chambre de traitement de l'eau, dans laquelle le mélange intime des échangeurs d'anions et des échangeurs de cations est en lit mobile descendant compact, la circulation de l'eau se faisant à contre-courant par rapport à ces échangeurs d'ions,
I'eau à traiter étant introduite à l'extrémité inférieure de cette chambre, et l'eau épurée étant évacuée à l'autre extrémiste, les échangeurs d'anions et de cations étant introduits à l'extrémité supérieure et les échangeurs saturés étant évacués à l'extrémité inférieure pour pénétrer dans un trieur par fluidisation liquide à deux compartiments où s'effectue la séparation des échangeurs d'anions et des échangeurs de cations,
ces échangeurs se rassemblant respectivement dans chacun desdits compartiments d'où ils sortent par déversement pour être introduits ensuite, par l'intermédiaire d'étanchéités convenables, chacun dans une colonne de régénération distincte, l'introduction de l'échangeur d'ions à régénérer se faisant dans le bas de la colonne de régénération, le liquide de régénération étant introduit en un point intermédiaire de la colonne et extrait vers la base de la colonne, un liquide de rinçage étant introduit dans le haut de la colonne et extrait vers la base de la colonne, le lit mobile d'échangeurs d'ions circulant à contre-courant par rapport aux produits de régénération et de rinçage dans cette colonne, les échangeurs d'ions régénérés étant réintroduits avec les dispositifs convenables d'étanchéité dans le haut de la colonne de traitement.
L'installation selon l'invention pour le traitement de l'eau présente des avantages certains par rapport aux installations classiques.
En effet, du fait de son fonctionnement en continu, il suffit d'un seul appareil pour l'obtention d'un débit continu d'eau épurée.
La quantité d'échangeurs d'ions nécessaire au fonctionnement de l'appareil est très faible par rapport à celle des installations classiques, car il n'y a pas lieu de disposer d'une réserve importante de capacité de traitement utile (stock d'échangeurs d'ions), les échangeurs d'ions étant continuellement remplacés par une quantité équivalente d'échangeurs d'ions régénérés.
D'autre part, les dimensions du pot de traitement sont définies en hauteur par la longueur du front de saturation qui, dans le cas des lits - mélangés d'échangeurs de cations, est largement inférieure au mètre, et en diamètre par le débit spécifique admissible qui, dans le cas des lits mélangés, est 500 à 1500 Ijll/, alors qu'elle n'est que de 200° l/h/dm2 environ en lits séparés. I1 est donc possible de réduire le 0 du pot de traitement et par voie de conséquence le volume du stock minimum d'échangeurs d'ions nécessaire.
Le type d'appareil selon l'invention, dans lequel la régénération à haut rendement d'un lit mélangé d'échangeurs de cations et d'échangeurs d'anions ne présente pas de difficulté, permet de supprimer l'emploi des échangeurs d'anions et des échangeurs de cations en lits séparés, qui sont généralement disposés à l'amont des lits mélangés classiques, en vue d'augmenter considérablement la durée du cycle d'utilisation de ces derniers, considérés dans ce cas comme des finisseurs d'épuration. Il s'ensuit évidemment une réduction considérable de stock total d'échangeurs d'ions investi et de l'importance de l'installation tant en matériel qu'en surface au sol.
Ces avantages sont d'autant plus marqués que le débit horaire de l'installation est plus élevé.
D'autre part, il n'y a pas de main-d'ceuvre supplémentaire à prévoir pour les opérations de triage ou de régénération des échangeurs d'ions car l'installation étant à marche continue et automatique, ces traitements se font en même temps que l'épuration d'eau.
Enfin, la consommation en réactifs de régénération et de rinçage est nettement plus faible que dans les installations classiques, tout en permettant d'obtenir des taux de régénération plus élevés, car, d'une part, les échangeurs d'ions sont transférés pour leur régénération dans des colonnes dont le diamètre est adapté aux débits des réactifs et non, comme dans les installations classiques, au débit d'eau à épurer (ceci permet une excellente répartition du réactif au sein du lit, sans chemin préférentiel), et, d'autre part, la régénération et le rinçage se faisant à contre-courant en lit mobile, il est possible d'obtenir un régime permanent tel que le front de régénération et le front de lavage se trouvent immobiles par rapport à la colonne (il est bien connu que l'obtention d'un régime permanent permet de travailler dans les conditions les plus économiques possibles).
Cette répartition continue et stable des concentrations permet d'introduire le réactif de régénération à des concentrations plus élevées que celles admises dans les installations classiques sans entraîner de détérioration des échangeurs d'ions par variation brusque de concentration. Ceci peut permettre d'obtenir des taux de régénération beaucoup plus élevés sans augmenter la consommation de réactif.
L'intérêt d'un taux de régénération élevé est, outre la meilleure utilisation de la capacité des échangeurs d'ions (diminution du stock nécessaire), la possibilité de fixer des anions et des cations très faiblement ionisés. Il en résulte une épuration d'autant plus poussée.
Les réactifs provenant du rinçage sont effectivement utilisés pour la régénération, ce qui n'est en général pas le cas dans les installations classiques.
I1 résulte de ce qui précède que la quantité d'eau nécessaire au rinçage est considérablement réduite.
Elle est de quelques %o alors que dans les installations classiques, cette consommation varie de 3 à 10 /o suivant le type d'installation. Cette diminution de consommation d'eau a, outre un intérêt économique évident, l'avantage de diminuer le volume d'effluents et, par voie de conséquence, le coût de leur traitement pour permettre leur rejet dans des conditions légales. On peut remarquer d'autre part que ces effluents sont pratiquement neutres, car les effluents des deux colonnes de régénération peuvent se neutraliser en continu à la sortie de l'appareil.
Le réglage du débit d'échangeurs d'ions dans la colonne d'épuration de l'eau étant effectué comme il est indiqué plus haut, les échangeurs d'ions sortant de cette colonne sont saturés complètement: on connaît ainsi exactement la quantité de réactifs nécessaire. Celle-ci est ajustée en permanence, par exemple en asservissant le débit de réactifs à concentration constante au débit d'échangeurs d'ions, connu d'une façon simple (par exemple: par la mesure du nombre d'impulsions par unité de temps pour l'avancement du lit d'échangeurs d'ions dans les colonnes de régénération).
La quantité de réactifs de régénération étant ainsi toujours égale à la consommation, il n'y a pas à craindre un déréglage des colonnes de régénération et la consommation de réactifs est la plus économique.
Toutefois il peut se produire un léger déréglage passager entre le débit d'échangeurs et le débit de solution de traitement (réactif de régénération et eau de rinçage). Ce déréglage aurait pour effet de modifier la position, dans la colonne, du front de régénération et du front de rinçage. Pour pallier cet inconvénient, on asservit la position des fronts en agissant sur le débit de rinçage (dont la valeur n'est pas très critique).
Par ailleurs, les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, à titre d'exemple, d'une installation pour le traitement de l'eau en vue de sa déminéralisation en lit mélangé des échangeurs anions et des échangeurs cations en référenoe à la figure annexée qui est une vue schématique en coupe verticale de l'installation.
L'installation comporte essentiellement un pot de traitement A, un trieur par fluidisation B et deux colonnes de régénération et de rinçage C et D.
Le pot de traitement A comporte 3 parties. En haut, une réserve a de lit mélangé régénéré, au milieu la chambre de traitement de l'eau proprement dite b et en bas une chambre de stockage c, des échangeurs d'ions saturés.
Entre a et b est disposée une plaque perforée 4 munie d'un faisceau de tubes 5 de longueur et de diamètre appropriés, avec des grilles en 6 dans l'espace entre les tubes. Entre b et c se trouve une plaque perforée 9 munie de tubes 8.
L'eau à traiter est introduite périodiquement en c à la base du pot de traitement, cette introduction étant commandée par une vanne 2.
L'eau à traiter pénètre en c, traverse les tubes 8, est traitée en b et ressort par les canalisations 3.
L'écoulement de l'eau dans les tubes 8 du bas empêche la descente des échangeurs d'ions vers c et les tubes 5 du haut empêchent leur remontée dans la chambre a car les forces hydrodynamiques développées dans le lit en b sont répercutées sur les parois de ces tubes.
Quand le débit est modulé convenablement, les échangeurs d'ions descendent dans la chambre c. Ils sont en tous points du pot remplacés par des échangeurs d'ions régénérés venant de a. A partir de c, les échangeurs d'ions sont uniformément distribués au trieur.
Les échangeurs anions et les échangeurs cations régénérés et rincés sont introduits dans le haut du pot de traitement par l'orifice 7 commun aux deux conduites reliées à la partie supérieure des colonnes
C et D de régénération respectivement des échangeurs de cations et des échangeurs d'anions, et s'écoulent périodiquement dans le pot pour être évacués, une fois saturés, vers le bas à travers les tubes 8 d'une plaque percée 9.
Le fonctionnement de cette partie de l'installation est caractérisé par l'alternance répétée de deux phases opératoires, à savoir une phase de traitement et une phase de transport (renouvellement partiel du lit des échangeurs d'ions).
On injecte l'eau à traiter en c, laquelle se déplace vers le haut du pot A en traversant le lit mélangé des échangeurs d'anions et des échangeurs de cations, et en même temps en l'immobilisant, c'est àHdire en arrêtant son mouvement descendant. La valeur élevée du débit d'eau permet en outre un tassement maximum du lit d'échangeurs d'ions conférant ainsi à ce lit mélangé les meilleures conditions de fixations d'ions. Ceci correspond à la phase de traitement.
Ce temps de traitement, dont la durée peut atteindre une ou plusieurs minutes, est suivi par un temps court de déplacement du lit des échangeurs d'ions vers le bas, constituant la phase de transport.
Ceci est obtenu en modulant l'injection d'eau en c de façon telle que le lit mélangé des échangeurs d'ions descende vers le bas du pot, se renouvelant partiellement par l'évacuation en 8 vers le bas d'une partie des échangeurs d'ions saturés et par l'introduction en 5 des échangeurs d'ions régénérés. La distribution de l'eau épurée sortant du tube 3 est ensuite régularisée d'une façon connue en soi par un dispositif comportant essentiellement un accumulateur hydropneumatique.
Les échangeurs d'ions saturés recueillis au bas du pot de traitement A pénètrent régulièrement au moyen d'un tube 10 dans un trieur par fluidisation liquide B où s'effectue en continu et d'une façon autorégulée la séparation des échangeurs d'anions et des échangeurs de cations.
Ce trieur comporte une circulation d'eau en circuit fermé 11 selon les flèches f avec une pompe 12.
Les échangeurs de cations sont récupérés à l'une des sorties du trieur, en 13, et sont envoyés au moyen d'un dispositif approprié de sas 14 dans la base d'une colonne de régénération C par l'intermédiaire d'un coude 15.
Les échangeurs de cations sont transportés vers ]e haut de la colonne C, dans laquelle leur régénération et leur rinçage s'effectuent à contre-courant, le liquide de transport étant injecté en 16 et évacué en 20, l'acide de régénération étant injecté en 22 dans la partie intermédiaire de la colonne et évacué en 24 dans une conduite 25, I'eau de rinçage étant injectée en 27 dans le haut de la colonne et évacuée en 24 en même temps que la solution de régénération.
La régénération des échangeurs d'anions s'effectue de façon identique dans la colonne D avec injection d'une solution basique de régénération en 22'.
Chacune des colonnes C et D comporte un dispositif de contrôle de la position du front de rinçage et le pot de traitement A comporte un dispositif de contrôle de la position du front d'épuration.
Deux cellules 33 et 34 sur la colonne C assurent, par détection de la résistivité de l'eau de part et d'autre du front de rinçage, le contrôle de la position dudit front dans la colonne C.
Un dispositif d'asservissement 35 commande la marche du moteur électrique qui actionne la pompe d'alimentation 36 en eau de rinçage, de façon à faire varier la vitesse de cette pompe et en conséquence le débit d'alimentation d'eau de rinçage, en cas de variation de la position du front de rinçage, pour ramener celui-ci à sa position normale.
La colonne D comporte un dispositif identique qui, pour simplifier le dessin, n'a pas été montré.
D'autre part, deux cellules 37 et 38 sur le pot de traitement A assurent, par détection de la résistivité de l'eau de part et d'autre du front d'épuration, le contrôle de la position dudit front.
Un dispositif d'asservissement 39 commande la marche du moteur électrique qui actionne la pompe d'alimentation 40 en eau à épurer, de façon à faire varier la vitesse de cette pompe et, en conséquence, le débit d'alimentation en eau à épurer, en cas de variation du front d'épuration, pour ramener celui-ci à sa position normale.
Les échangeurs de cations et d'anions régénérés pénètrent régulièrement et par petites quantités dans la portion supérieure du pot de traitement A, respectivement par l'intermédiaire des sas 29 et 29', où ils se rejoignent et se mélangent dans cette portion supérieure du pot de traitement pour former un lit homogène.
Les deux liquides effluents provenant des colonnes de régénération C et D, sont réunis dans une sortie commune 30 qui débouche dans une chambre 31 munie d'un mélangeur 32 où leur neutralisation s'effectue au contact l'un de l'autre.