FR2529091A1 - Electrodialyser with superimposed alternate cells - for desalination and effluent enrichment contains square membranes - Google Patents

Abstract

The two sets of cells are piped in independent circuits and connected electrically in series to a power supply. Each cell has opposed cationic and anionic membranes the direction of hydraulic flow through the desalination cells crosses the direction of flow through the enrichment cells, pref. at right angles. Both cationic and anionic membranes are pref. square and of the same surface area. Each pile of cells comprises spacer frames between each pair of membranes. The frames are square and of the same size as the membranes. Each membrane has a set of flow passage perforations along each of its four edges. Each spacer frame has a set of flow passage perforations along two opposed edges only. The other two opposed edges of the same frame are much narrower in order to allow flow between adjacent membranes and the frame flow space. The electrodialyser is for the desalination of seawater etc., e.g. for the prodn. of drinking water. The elimination of divergent and convergent, diffuser passages at the flow entry and exit of the frame spaces of previous rectangular section cells increases the effective surface area of the membranes. This in turn, enhances the output capacity of the dialyser.

Description

DISPOSITIF D'ELECTRODIALYSE
L'invention concerne un dispositif d'électrodialyse, principalement pour la dessalinisation de l'eau; elle concerne plus particulierement un nouvel agencement des cellules de dessalinisation et d'enrichissement qui forment un tel dispositif, en vue d'augmenter à la fois la surface utile des membranes échangeuses et le rendement du dispositif.ELECTRODIALYSIS DEVICE
The invention relates to an electrodialysis device, mainly for the desalination of water; it relates more particularly to a new arrangement of the desalination and enrichment cells which form such a device, with a view to increasing both the useful surface of the exchange membranes and the yield of the device.

Un dispositif d'électrodialyse connu consiste en un empilement alterné de cellules de dessalinisation et de cellules d'enrichissement. A known electrodialysis device consists of an alternating stack of desalination cells and enrichment cells.

Une telle cellule est matérialisée par un cadre et deux membranes, respectivement une membrane anionique et une membrane cationique, accolées de part et d'autre dudit cadre. La membrane anionique de chaque cellule d'un type donné (dessalinisation ou enrichissement) est aussi celle d'une cellule adjacente de l'autre type. Il en est de même pour la membrane cationique de chaque cellule. Deux électrodes sont appliquées à chaque extrêmité de l'empilement et reliées aux deux pôles d'une source de tension continue.On rappelle qu'une membrane anionique est une membrane imperméable autorisant néanmoins la migration des anions susceptibles ainsi de passer d'une cellule de dessalinisation à une cellule d'enrichissement voisine sous l'effet de la tension électrique appliquée tandis qu'une membrane cationique est une membrane imperméable mais autorisant la migration des cations depuis cette même cellule de dessalinisation vers l'autre cellule d'enrichissement voisine.Such a cell is materialized by a frame and two membranes, respectively an anionic membrane and a cationic membrane, joined on either side of said frame. The anionic membrane of each cell of a given type (desalination or enrichment) is also that of an adjacent cell of the other type. It is the same for the cationic membrane of each cell. Two electrodes are applied at each end of the stack and connected to the two poles of a DC voltage source. It should be remembered that an anionic membrane is an impermeable membrane nevertheless allowing the migration of anions liable to pass from one cell to another. desalination to a neighboring enrichment cell under the effect of the applied electrical voltage while a cationic membrane is an impermeable membrane but allowing the migration of cations from this same desalination cell to the other neighboring enrichment cell.

Selon l'un des agencements les plus connus, les cadres et les membranes sont pourvus d'éléments de conduits matérialisés sous la forme de trous destinés à venir en regard les uns des autres pour que l'empilement précité reconstitue les conduits d'alimentation et les conduits d'evacuation de toutes les cellules. Les cadres et les membranes ont la forme de rectangles allongés et les éléments de conduits sont agencés au voisinage des deux petits côtes de chaque rectangle.Plus précisément, chaque membrane comporte une ou plusieurs paires de trous au voisinage de chacun de ses petits côtes tandis que chaque cadre comporte (également au voisinage de chacun de ses petits côtés) d'une part un trou en regard de l'un des trous de chaque membrane adjacente et d'autre part une échancrure interne otahlissant une communication entre l'espace interne délimité par le cadre et l'autre trou de chaque membrane adjacente. Les positions des echancrures et des trous dans l'empilement sont identiques pour toutes les cellules de même type, mais inversées entre une cellule de dessalinisation et une cellule d'enrichissement de sorte que l'écoulement des liquides dans ces cellules s'effectue sensiblement parallelement à leurs grands côtés.Comme l'efficacité du système dépend de la surface d'echange entre les liquides et les membranes constituant les faces principales de chaque cellule, c'est la forme et les dimensions de la fenêtre interne du cadre qui déterminent cette surface d'échange. On a donc intérêt à ce que cette fenêtre interne soit la plus grande possible. Or, la présence, a chaque extrêmité de chaque cadre, d'un trou qui doit être rigoureusement isolé de ladite fenêtre interne, implique que l'echancrure précitée (qui prolonge cette fenêtre à chaque extrêmité), forme inévitablement un etranglement pour l'écoulement de liquide. According to one of the best known arrangements, the frames and the membranes are provided with elements of conduits materialized in the form of holes intended to come opposite one another so that the aforementioned stack reconstitutes the supply conduits and the evacuation pipes of all cells. The frames and the membranes are in the form of elongated rectangles and the duct elements are arranged in the vicinity of the two small ribs of each rectangle. More specifically, each membrane has one or more pairs of holes in the vicinity of each of its small ribs while each frame has (also in the vicinity of each of its short sides) on the one hand a hole opposite one of the holes of each adjacent membrane and on the other hand an internal notch otahlissant a communication between the internal space delimited by the frame and the other hole of each adjacent membrane. The positions of the notches and holes in the stack are identical for all cells of the same type, but reversed between a desalination cell and an enrichment cell so that the flow of liquids in these cells takes place substantially parallel as their large sides. As the efficiency of the system depends on the exchange surface between the liquids and the membranes constituting the main faces of each cell, it is the shape and the dimensions of the internal window of the frame which determine this surface. exchange. It is therefore advantageous for this internal window to be as large as possible. However, the presence, at each end of each frame, of a hole which must be rigorously isolated from said internal window, implies that the abovementioned recess (which extends this window at each end), inevitably forms a constriction for the flow liquid.

Chaque portion extrême d'une cellule, encore appelée "diffuseur", correspondant à ces échancrures est le siège de perturbations de l'écoulement qui empêchent les migrations d'ions à travers les parties de membrane correspondant à ces régions. On a donc intérêt à réduire, autant que faire se peut, la proportion occupée par les diffuseurs dans une cellule.Each end portion of a cell, also called a "diffuser", corresponding to these indentations is the site of flow disturbances which prevent ion migrations through the parts of membrane corresponding to these regions. It is therefore beneficial to reduce, as much as possible, the proportion occupied by diffusers in a cell.

Une des caractéristiques importantes de l'invention est de permettre d'éliminer pratiquement completement les diffuseurs. One of the important features of the invention is that it makes it possible to virtually eliminate the diffusers.

Dans cet esprit, l'invention concerne donc un dispositif d'électrodialyse comportant une succession alternée de cellules de dessasinisation et de cellules d'enrichissement hydrauliquement branchées en parallèle, respectivement, en deux circuits hydrauliques indépendants et connectées électriquement en série avec une source de tension, chaque cellule comportant deux faces principales opposees constituées respectivement par une membrane anionique et une membrane cationique, caractérisé en ce que la direction d'ecoulement hydraulique cyans lesdites cellules de dessalinisation et la direction d'écoulement hydraulique dans lesdites cellules d'enrichissement sont croisées, de préférence sensiblement à 900. In this spirit, the invention therefore relates to an electrodialysis device comprising an alternating succession of desassination cells and enrichment cells hydraulically connected in parallel, respectively, in two independent hydraulic circuits and electrically connected in series with a voltage source. , each cell comprising two opposite main faces constituted respectively by an anionic membrane and a cationic membrane, characterized in that the direction of hydraulic flow in said desalination cells and the direction of hydraulic flow in said enrichment cells are crossed, preferably substantially 900.

Ainsi, les conduits de raccordement à ces deux types de cellules peuvent déboucher sur sensiblement tout un coté de la cellule et éviter ainsi la materialisation d'une zone inefficace ou "diffuseur" dans chaque cellule, tout en diminuant les pertes de charge. Thus, the conduits for connection to these two types of cells can lead to substantially an entire side of the cell and thus avoid the materialization of an ineffective or "diffuser" zone in each cell, while reducing the pressure losses.

L'invention sera mieux comprise à la lumière de la description qui va suivre, donnee uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés dans lesquels:
- la figure 1 représente la structure de base d'un dispositif d'électrodialyse connu ; et
- la figure 2 représente la structure de base d'un dispositif d'électrodialyse conforme à l'invention.The invention will be better understood in the light of the description which follows, given solely by way of example and made with reference to the appended drawings in which:
- Figure 1 shows the basic structure of a known electrodialysis device; and
- Figure 2 shows the basic structure of an electrodialysis device according to the invention.

La figure 1 illustre une partie d'un empilement réalisant un dispositif d'électrodialyse selon la technique antérieure, conforme à la description qui précede. On se bornera donc à énumérer à nouveau les éléments essentiels de ce dispositif connu, grâce aux références numériques portées sur le dessin. Une cellule donnée, par exemple une cellule de dessalinisation Il est constituée par l'empilement serré d'un cadre et de deux membranes, à savoir le cadre 12, une membrane anionique 13, et une membrane cationique 14. Dans la perspective éclatée de la figure 1, le cadre 15 appartient à une cellule d'enrichissement voisine (plus proche d'une anode non représentée et connectée au pâle positif d'une alimentation de tension) tandis que le cadre 16 appartient à l'autre cellule d'enrichissement voisine (plus proche d'une catode reliée au pâle négatif de la même source de tension).Chaque cadre et notamment le cadre 12 comporte une zone médiane utile 17 et deux "diffuseurs" 18 s'étendant chacun entré une extrêmité de la zone 17 et une échancrure 19 prolongeant la fenêtre interne 2Q du cadre 12. Ainsi, chaque cellule est conformée pour permettre un écoulement de liquide dans l'espace delimité par l'épaisseur d'un cadre et fermé par deux membranes. Un treillis 21 dans chaque fenêtre 20 empêche deux membranes adjacentes, respectivement anionique et cationique, de se toucher. Les trous et les échancrures des cadres et membranes alignés le long de l'axe 22 materialisent le conduit de distribution d'un liquide à dessaliniser, alimentant en parallèle toutes les cellules de dessalinisation.Les échancrures et trous alignés le long de l'axe 24 matérialisent le conduit de distribution d'une solution destinée à être enrichie en sels mineraux, alimentant en parallele toutes les cellules d'enrichissement. Des conduits d'évacuation de ces liquides sont materialisés de la même façon à l'extrêmité opposee des cellules. FIG. 1 illustrates a part of a stack producing an electrodialysis device according to the prior art, in accordance with the preceding description. We will therefore limit ourselves to enumerating again the essential elements of this known device, thanks to the numerical references given in the drawing. A given cell, for example a desalination cell It is constituted by the tight stack of a frame and two membranes, namely the frame 12, an anionic membrane 13, and a cationic membrane 14. In the exploded perspective of the Figure 1, the frame 15 belongs to a neighboring enrichment cell (closer to an anode not shown and connected to the positive pale of a voltage supply) while the frame 16 belongs to the other neighboring enrichment cell (closer to a catode connected to the pale negative of the same voltage source). Each frame and in particular the frame 12 has a useful central area 17 and two "diffusers" 18 each extending between one end of the area 17 and a notch 19 extending the internal window 2Q of the frame 12. Thus, each cell is shaped to allow a flow of liquid in the space delimited by the thickness of a frame and closed by two membranes. A trellis 21 in each window 20 prevents two adjacent membranes, respectively anionic and cationic, from touching. The holes and the notches of the frames and membranes aligned along the axis 22 materialize the conduit for distributing a liquid to be desalinated, supplying all the desalination cells in parallel. The notches and holes aligned along the axis 24 materialize the distribution duct of a solution intended to be enriched with mineral salts, supplying all the enrichment cells in parallel. Drainage pipes for these liquids are materialized in the same way at the opposite end of the cells.

La figure 2 illustre une vue en perspective éclatée de la structure de base d'un dispositif d'électrodialyse selon l'invention, représentée de façon analogue à celle de la figure 1. Une cellule de dessalinisation 111 est constituée par la juxtaposition d'un cadre 112, d'une membrane anionique 113 et d'une membrane cationique 114. Les deux cellules d'enrichissement voisines comportent respectivement les cadres 115 et 116. Contrairement à l'un des modes de réalisation connu représenté à la figure# 1, les cadres et membranes de l'empilement sont sensiblement carrés. L'assemblage du dispositif se fait comme precédemment en serrant un tel empilement entre deux électrodes (non représentées) formant anode et cathode. En revanche, chaque membrane 113 ou 114 comporte des trous régu liérement agencés le long de ses quatre cotés. Les trous 119 pratiqués dans toutes les membranes anioniques et cationiques se superposent de façon à constituer un certain nombre de conduits alimentés en paralléle par le liquide à dessaliniser. Les trous 120 pratiqués le long des côtés opposés des membranes 113 et 114 reconstituent un certain nombre de conduits d'evacuation du liquide dessalinisé.De façon analogue, les trous 121, pratiqués le long d'un autre côté de chaque membrane anionique 113 ou cationique 114 reconstituent un certain nombre de conduits alimentés en parallèle par un liquide destiné à être enrichi en sels minéraux tandis que les trous 122 pratiqués le long du côte opposé de chaque membrane reconstituent des conduits d'évacuation, branchés en parallèle, du liquide enrichi. Par ailleurs, chaque cadre (il2, 115, ou 116) comporte deux bordures opposées minces 125 et deux bordures opposées larges 126 dans lesquelles sont ménages des trous 129 analogues et correspondant à ceux qui sont pratiqués le long de n'importe quel côté d'une membrane anionique ou cationique.Si on considère chaque cadre par rapport aux deux membranes qui lui sont adjacentes dans l'empilement, on constate que les deux bordures minces 125 sont extérieures à la projection des orifices correspondants (119 et 120 par exemple) pratiqués le long de deux côtés opposés desdites membranes tandis que les trous 129 sont alignés avec ceux qui sont pratiqués le long des deux autres côtés opposés de ces mêmes membranes. En outre, les cadres sont identiques mais deux cadres superposés de part et d'autre d'une membrane sont décalés de 900. Il n'y a pas de sens préférentiel d'orientation des membranes dans l'empilement.Il apparatt donc clairement à ce stade de la description que la direction d'écoulement hydraulique dans les cellules de dessalinisation (cadre 112 par exemple) et la direction d'écoulement hydraulique dans les cellules d'enrichissement (cadre 115 ou 116 par exemple) sont croisées à 90 , ceci en raison des orientations différentes données dans l'empilement aux cadres appartenant aux cellules de dessalinisation et aux cadres appartenant aux cellules d'enrichissement.Avec une telle structure, il est clair que les conduits parallèles d'alimentation et d'evacuation des cellules de dessalinisation 111 traversent les bordures opposées larges 126 des cadres appartenant aux cellules d'enrichissement tandis que les conduits d'alimentation et d'évacuation des cellules d'enrichissement traversent les bordures opposées larges des cadres appartenant aux cellules de dessalinisation. FIG. 2 illustrates an exploded perspective view of the basic structure of an electrodialysis device according to the invention, represented in a similar manner to that of FIG. 1. A desalination cell 111 is constituted by the juxtaposition of a frame 112, an anionic membrane 113 and a cationic membrane 114. The two adjacent enrichment cells respectively comprise frames 115 and 116. Unlike one of the known embodiments represented in FIG. # 1, the frames and membranes of the stack are substantially square. The assembly of the device is done as above by clamping such a stack between two electrodes (not shown) forming an anode and cathode. However, each membrane 113 or 114 has regularly arranged holes arranged along its four sides. The holes 119 made in all the anionic and cationic membranes are superposed so as to constitute a certain number of conduits supplied in parallel with the liquid to be desalinated. The holes 120 made along the opposite sides of the membranes 113 and 114 reconstitute a certain number of conduits for evacuating the desalinated liquid. Similarly, the holes 121, made along the other side of each anionic membrane 113 or cationic 114 reconstitute a certain number of conduits supplied in parallel with a liquid intended to be enriched with mineral salts while the holes 122 made along the opposite coast of each membrane reconstitute evacuation conduits, connected in parallel, of the enriched liquid. In addition, each frame (il2, 115, or 116) comprises two opposite thin edges 125 and two opposite wide edges 126 in which are made holes 129 similar and corresponding to those which are practiced along any side of an anionic or cationic membrane. If we consider each frame with respect to the two membranes which are adjacent to it in the stack, we see that the two thin edges 125 are external to the projection of the corresponding orifices (119 and 120 for example) made on along two opposite sides of said membranes while the holes 129 are aligned with those which are made along the other two opposite sides of these same membranes. In addition, the frames are identical, but two overlapping frames on either side of a membrane are offset by 900. There is no preferential direction of orientation of the membranes in the stack. this stage of the description that the direction of hydraulic flow in the desalination cells (frame 112 for example) and the direction of hydraulic flow in the enrichment cells (frame 115 or 116 for example) are crossed at 90, this due to the different orientations given in the stack to the frames belonging to the desalination cells and to the frames belonging to the enrichment cells. With such a structure, it is clear that the parallel supply and evacuation conduits of the desalination cells 111 cross the wide opposite edges 126 of the frames belonging to the enrichment cells while the supply and discharge conduits of the enrichment cells pass through the wide opposite edges of the frames belonging to the desalination cells.

Une comparaison de la structure qui vient d'être decrite avec celle de la figure 1 montre que pour une cellule de dessa linisation 111 par exemple, le liquide introduit par les trous 119 à l'intérieur du cadre 112 ne rencontre sensiblement aucune restriction d'ecoulement puisqu'il s'ecoule sensiblement suivant une nappe de même largeur que celle de l'ouverture interne du cadre 112. La récupération du liquide dessalinisé par les conduits reconstitues à partir des trous 120 se fait également sans restriction d'écoulement notable. Ceci est également vrai dans les cellules d'enrichissement de l'appareil.Ainsi, les diffuseurs sont totalement éliminés et les migrations d'ions s'operent de façon sensiblement égale sur toute la surface utile de chaque cellule, délimitée par la totalité de la surface de l'ouverture interne des cadres de l'empilement. Il est d'autre part à noter que la forme et le nombre de trous pratiqués le long des bords des membranes et dans les bordures larges des cadres ne sont nullement limitatifs. Il suffit qu'il y ait un même nombre de trous identiques et espacés de la même façon dans lesdites membranes et dans lesdites bordures larges pour que ceux-ci puissent reconstituer des conduits parallèles dans l'empilement. Il est préférable que ces trous s'étendent le long de la plus grande partie possible d'un côté de cellule. On pourrait même envisager de remplacer chaque groupe de trous 119, 120 ou 121 ou 122 ou 129 par une seule fente, respectivement, s'étendant le long des bords des membranes ou cadres, si les caractéristiques mécaniques de ceuxci le permettaient. A comparison of the structure which has just been described with that of FIG. 1 shows that for a desalination cell 111 for example, the liquid introduced by the holes 119 inside the frame 112 does not encounter substantially any restriction of flow since it flows substantially along a sheet of the same width as that of the internal opening of the frame 112. The recovery of the desalinated liquid by the reconstituted conduits from the holes 120 is also done without significant flow restriction. This is also true in the enrichment cells of the device. Thus, the diffusers are completely eliminated and the ion migrations take place in a substantially equal manner over the entire useful surface of each cell, delimited by the entire surface of the internal opening of the stacking frames. It should also be noted that the shape and number of holes made along the edges of the membranes and in the wide edges of the frames are in no way limiting. It suffices that there are the same number of identical and equally spaced holes in said membranes and in said wide edges so that these can reconstitute parallel conduits in the stack. It is preferable that these holes extend along as much of a cell side as possible. One could even consider replacing each group of holes 119, 120 or 121 or 122 or 129 by a single slot, respectively, extending along the edges of the membranes or frames, if the mechanical characteristics of these allowed.

C'est dire que l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation spécifique qui vient d'être décrit mais comprend tous les équivalents techniques des moyens mis en jeu si ceuxci le sont dans le cadre des revendications qui suivent.  This means that the invention is not limited to the specific embodiment which has just been described but includes all the technical equivalents of the means involved if these are in the context of the claims which follow.

Claims (4)

REVENDICATIONS 1. Dispositif S electrodialyse comportant une succession alternée de cellules de dessalinisation (111) et de cellules d'enrichissement hydrauliquement branchées en parallèle, respectivement, en deux circuits hydrauliques indépendants et connectées électrique ment en série avec une source de tension, chaque cellule comportant deux faces principales opposées constituées respectivement par une membrane anionique (113) et une membrane cationique (114), caractérisé en ce que la direction d'écoulement hydraulique dans lesdites cellules de dessalinisation et la direction d'écoulement hydraulique dans lesdites cellules d'enrichissement sont croisées (figure 2) de préférence sensiblement à 906.  1. S electrodialysis device comprising an alternating succession of desalination cells (111) and enrichment cells hydraulically connected in parallel, respectively, in two independent hydraulic circuits and electrically connected in series with a voltage source, each cell comprising two opposite main faces constituted respectively by an anionic membrane (113) and a cationic membrane (114), characterized in that the direction of hydraulic flow in said desalination cells and the direction of hydraulic flow in said enrichment cells are crossed (Figure 2) preferably substantially 906. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les membranes (113, 114) précitées définissant en partie lesdites cellules sont sensiblement carrées. 2. Device according to claim 1, characterized in that the aforementioned membranes (113, 114) defining in part said cells are substantially square. 3. Dispositif selon la revendication 2,.du type dans lequel les cellules sont matérialisées par, outre lesdites membranes, des cadres (112, 115, 116) comportant à leur périphérie des éléments de conduits sous la forme de trous destinés à venir en regard d'autres éléments de conduits analogues pratiqués en bordure desdites membranes, le montage parallèle desdites cellules analogues étant réalisé par empilement serré desdits cadres et desdites membranes, caractérisé en ce que de tels éléments de conduits (119, 120, 121, 122) sont régulièrement agencés le long des quatre côtés de chaque membrane tandis que chaque cadre (112, 115, 116) comporte deux bordures opposées minces (125) extérieures à la projection des orifices correspondants pratiqués le long de deux côtés opposés desdites membranes et deux bordures opposées larges (126) dans lesquelles sont ménagés des trous (129) correspondant à ceux pratiqués le long des deux autres côtés opposés desdites membranes et en ce que deux cadres successifs superposés de part et d'autre d'une membrane sont décalés de 900 l'un par rapport à l'autre.  3. Device according to claim 2, .of the type in which the cells are materialized by, in addition to said membranes, frames (112, 115, 116) comprising at their periphery elements of conduits in the form of holes intended to come opposite other similar duct elements practiced at the edge of said membranes, the parallel mounting of said similar cells being carried out by tight stacking of said frames and of said membranes, characterized in that such duct elements (119, 120, 121, 122) are regularly arranged along the four sides of each membrane while each frame (112, 115, 116) has two opposite thin edges (125) external to the projection of the corresponding orifices formed along two opposite sides of said membranes and two opposite wide edges ( 126) in which are formed holes (129) corresponding to those made along the other two opposite sides of said membranes and in that two frames suc stops superimposed on either side of a membrane are offset by 900 relative to each other. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les quatre bords de chaque membrane et les deux bordures larges de chaque cadre comportent un même nombre de trous identiques, espacés de la même façon et qu'ils s'étendent au voisinage de la plus grande partie d'un côté de cellule.  4. Device according to claim 3, characterized in that the four edges of each membrane and the two wide edges of each frame have the same number of identical holes, spaced in the same way and that they extend in the vicinity of the most of one side of the cell.