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EP1064100A1 - Moyens de pulverisation electrohydrodynamique - Google Patents

Moyens de pulverisation electrohydrodynamique

Info

Publication number
EP1064100A1
EP1064100A1 EP99910454A EP99910454A EP1064100A1 EP 1064100 A1 EP1064100 A1 EP 1064100A1 EP 99910454 A EP99910454 A EP 99910454A EP 99910454 A EP99910454 A EP 99910454A EP 1064100 A1 EP1064100 A1 EP 1064100A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
liquid
droplets
approximately
surface tension
spraying
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
EP99910454A
Other languages
German (de)
English (en)
Other versions
EP1064100B1 (fr
EP1064100B9 (fr
Inventor
Jean-Pascal Borra
Pascale Ehouarn
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Publication of EP1064100A1 publication Critical patent/EP1064100A1/fr
Publication of EP1064100B1 publication Critical patent/EP1064100B1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP1064100B9 publication Critical patent/EP1064100B9/fr
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B5/00—Electrostatic spraying apparatus; Spraying apparatus with means for charging the spray electrically; Apparatus for spraying liquids or other fluent materials by other electric means
    • B05B5/025—Discharge apparatus, e.g. electrostatic spray guns
    • B05B5/0255—Discharge apparatus, e.g. electrostatic spray guns spraying and depositing by electrostatic forces only

Definitions

  • the present invention relates to electrohydrodynamic spraying means (hereinafter referred to as HDPE).
  • HDPE is a means of producing nebulisates of liquid droplets of millimeter, micron or submicron sizes electrically charged.
  • HDPE essentially consists in applying an electric field to a liquid so as to induce on the surface of this liquid electric charges of the same polarity as the voltage applied to it. These charges, accelerated by the electric field, generate a transformation of the drop of liquid into a cone. At the apex of this cone, a jet of liquid occurs which breaks up into droplets of millimeter, micron or submicron sizes (nebulisate or spray).
  • HDPE in "cone-jet” mode poses however problem for liquids with high surface tension such as water or even liquids with reagents or active ingredients with surfactant effect.
  • a first type of solution uses an increase in the dielectric strength of the gas surrounding the liquid by increasing the pressure of the gas and / or by using gases other than air such as CO2 or SF 6
  • a second type of solution uses an additional electrode placed near the cone and the liquid jet so as to reduce the radial electric field in the gas in the vicinity of the fluid.
  • the first type requires means of controlling the atmospheric environment
  • the second type requires an additional high voltage source.
  • the present application relates to new means making it possible to solve this problem, and aiming to overcome the drawbacks of the means of the prior art.
  • the inventors have in fact established for the first time that a HDPE without impulse discharge regime could be established directly in air and at atmospheric pressure for liquids, the surface tension of which, as measured at ambient temperature, is higher at 0.055 N / m and, remarkably greater than 0.065 N / m. They have in particular established that such a HDPE can be obtained using a HDPE device meeting certain operating parameters, and quite essential, using a HDPE device comprising at least a liquid distribution duct whose dimensions of outside diameter and inside diameter, at the point of exit of the polarized liquid, correspond to an appropriate relationship in a range of outside diameters previously defined (cf. examples and chart in Figure 2 below) ). Such a relationship may in particular correspond to a ratio between (outside diameter dimension) and (inside diameter dimension) greater than or equal to a fixed limit value.
  • the inventors have in fact observed that the regime of discharges in the gas (continuous regime of discharges -glow stabilizer- or impulse regime of discharges -dart destabilizers-) is directly linked to the diverging of the field in the gas. They thus established that, for liquids whose surface tension is greater than 0.055 N / m, and of remarkably greater than 0.065 N / m, it is essential, to achieve the desired HDPE in air at atmospheric pressure, to choose outside and inside diameters which allow to control:
  • the present application thus has for first object an electrohydrodynamic spraying device, characterized in that it comprises at least one conduit at an outlet from which an polarized liquid can be sprayed, and in that said conduit has, at least at this outlet , outside and inside diameters such that said device is capable of spraying, into the air and at atmospheric pressure, a liquid whose surface tension, as measured at ambient temperature, is greater than 0.055 N / m, without generating a impulse discharge regime.
  • the device according to the invention makes it possible to spray, into the air, at atmospheric pressure, a liquid whose surface tension, as measured at ambient temperature, is greater than 0.065 N / m, without generating a regime impulse of discharges.
  • One means of demonstrating the absence of such a pulsed discharge regime comprises measuring the temporal variation of the current using a fast oscilloscope.
  • electro-hydrodynamic spraying device we mean, in the present application, a device capable of generating a nebulized (or dispersion, or spray) of polarized liquid, that is to say a nebulized liquid fragmented, or sprayed, into electrically charged droplets.
  • Such a device therefore comprises means for supplying and distributing liquid, and means for electrically polarizing the surface of this liquid.
  • the liquid distribution means are provided by a conduit, or capillary, at an outlet from which the polarized liquid forms a conical meniscus, from the apex of which a jet leaves and then a dispersion of droplets of electrically charged liquid.
  • surface tension we mean in the present application the surface tension as measured in air at ambient temperature and pressure.
  • the device according to the invention designed so as to allow HDPE without impulse regime of discharges, in air and at atmospheric pressure, of liquids whose surface tension is greater than 0.055 N / m, and remarkably greater than 0.065 N / m has the advantage of allowing, without modification of said device, the HDPE of liquids whose surface tension is less than or equal to 0.055 N / m.
  • said outside and inside diameters have dimensions which respond, when expressed in the same unit, to the following relationship: outside diameter dimension greater than or equal to about 1.445, inside diameter dimension
  • outside diameter dimension preferably greater than or equal to approximately 1.5697, more preferably greater than or equal to approximately 1.6, and even more preferably greater than or equal to approximately 1.8.
  • the upper limit of the appropriate values for this ratio (outside diameter dimension) / (inside diameter dimension) is determined by different technical limits. Mention may in particular be made of the technical limits linked to the machining of a very small internal diameter, or else those linked to the pressure drop which may result from a smaller internal diameter and which then requires hydraulic systems to be compensated for. higher pressure.
  • the lower limit of the appropriate values for the ratio (outside diameter dimension) / (inside diameter dimension) is obtained from experimental measurements (observation of obtaining a stable HDPE as a function of a range of diameter values exterior and interior). Examples of such measures are given in the "examples” section below.
  • the lower bound value naturally depends on the experimental conditions applied. Examples of suitable devices and their use are described in Figure 1 and in the “examples” section below.
  • a person skilled in the art can, however, design and implement variants thereof.
  • a person skilled in the art can naturally take account of the material and / or the arrangement of the support supporting said conduit, or capillary, insofar as this material and / or this arrangement are liable to affect the electric field produced.
  • the measurements carried out, and thereby the lower bound value obtained also depend on the profile of the section at said outlet of the duct or capillary.
  • the above-mentioned lower bound value 1.445 is thus obtained when said duct, or capillary, has at least at said outlet a straight straight section (right face): the straight section perpendicular to the axis of said duct or capillary, at said level outlet, has an annular profile.
  • the outlet section is not perpendicular to the edge of the duct or capillary, the lower terminal value obtained can be significantly different.
  • the lower bound value may appear lower (a value of 1.38 could be obtained under these conditions, by comparison with the value of 1.445 obtained using an outlet section perpendicular to the edge of the duct or capillary.
  • the lower bound value may appear higher (a value of 1.8 could thus be obtained under these conditions, compared to 1.445 obtained using free sections with an annular profile. trade may therefore choose to machine a particular profile on the section at said conduit or capillary outlet.
  • low viscosity means a viscosity of around 1 rnPa.s
  • high viscosity means a viscosity around two orders of magnitude higher (ie around 100 rnPa.s) .
  • the dimension of said outside diameter is less than half of this limit value D max .
  • said outside and inside diameters have dimensions the ratio of which corresponds to a relationship specified above (greater than or equal to approximately 1.445, preferably greater than or equal to approximately 1.5697, more preferably greater than or equal to approximately 1.65, again more preferably greater than or equal to approximately 1.8), the dimension of said outside diameter is preferably less than one third of this limit value D max .
  • said device comprises at least one conduit which, at least at said outlet, is essentially constituted by a capillary, such as a syringe needle.
  • said device comprises a plurality of such conduits or capillaries.
  • the device according to the invention is capable of atomizing, in air and at atmospheric pressure, a liquid whose surface tension is greater than 0.055 N / m, and remarkably greater than 0.065 N / m , by generating a continuous discharge regime, such as a crown type discharge regime (or glow regime, or d ⁇ ermstein regime).
  • a continuous discharge regime such as a crown type discharge regime (or glow regime, or d ⁇ ermstein regime).
  • Various means are known to those skilled in the art for controlling the continuous nature of a discharge regime. Mention may in particular be made of the measurement of the electric current using a rapid oscilloscope, the visual control of the stability of the cone of the liquid formed, and / or the particle size measurements making it possible to verify the bi-modal nature of the size distribution.
  • droplets Such a bi-modal distribution can in particular correspond to a first population, the majority (for example 90% of the volume of liquid sprayed), of larger average droplets, and to a second population, mmoritary (for example 10% of the volume of liquid spray), finer medium-sized droplets.
  • the device according to the invention is capable of spraying, into air and at atmospheric pressure, a liquid whose surface tension is greater than 0.055 N / m, and remarkably greater than 0.65 N / m, in a stable mode of WO 99/49981 -
  • the device according to the invention further comprises means making it possible to electrically polarize said liquid upstream or during its passage through said conduit, in particular means making it possible to apply an electrical voltage to said liquid upstream or during its passage through the inside said conduit, so as to polarize it.
  • any voltage to obtain a stable HDPE is appropriate. Its choice depends on the polarization sought. Advantageously, this tension is continuous.
  • the device according to the invention then produces nebulisates whose charge always has the same sign (that of the applied DC voltage. This voltage can be positive as well as negative, depending on the intended applications.
  • said voltage is a DC voltage, preferably a positive DC voltage, such as a DC voltage O 99/49981 -j -, PCT / FR99 / 00730
  • said means making it possible to apply such an electrical voltage to said liquid essentially consist of at least one high-voltage generator which can be connected to the ground on the one hand, and which can on the other hand be connected to said liquid either directly upstream or during its passage inside said conduit, either indirectly via a conductive material in contact with said liquid upstream or during its passage inside said conduit.
  • Said conduit may in fact comprise an electrically conductive material on its internal surface, or over an internal thickness, and / or is essentially made of such a material.
  • the device according to the invention may further, for safety, include a protective resistance making it possible to limit the current in the sprayed polarized liquid, in particular a resistance of protection making it possible to limit the discharge current of said liquid in the case of the passage of a very strong current.
  • a protective resistance making it possible to limit the current in the sprayed polarized liquid
  • a resistance of protection making it possible to limit the discharge current of said liquid in the case of the passage of a very strong current.
  • Such a resistance can advantageously be placed between said high voltage generator and its connection point to said fluid.
  • said device also comprises means making it possible to depolarize said liquid after spraying, that is to say to discharge the droplets of liquid produced by contact on a grounded surface.
  • said means making it possible to depolarize said liquid after spraying are placed at a distance D, hereinafter called inter-electrode distance, advantageously greater than the minimum distance which allows the passage to the arc before the establishment of HDPE.
  • inter-electrode distance advantageously greater than the minimum distance which allows the passage to the arc before the establishment of HDPE.
  • said device further comprises means making it possible, during the spraying of said liquid, to collect a discharge current in the gas surrounding said polarized liquid, such as in particular a conductive material having a opening of shape and dimensions allowing the passage of the sprayed liquid while collecting said stream of gaseous ions created by electrical discharges in the gas.
  • a discharge current in the gas surrounding said polarized liquid such as in particular a conductive material having a opening of shape and dimensions allowing the passage of the sprayed liquid while collecting said stream of gaseous ions created by electrical discharges in the gas.
  • Such means are particularly suitable when said device is used for the purpose of producing a nebuliser whose polarity must interact with components of reverse polarity. They are also suitable for ensuring that the field on the surface of the liquid in the production area remains independent of the charge densities + and - under the ring (coagulation phenomena, charge modulation, and neutralization).
  • the device according to the invention is thus capable of controlling the discharge regime over a wide operating range, typically over voltage ranges of the order of several thousand volts.
  • Such means for collecting a discharge current make it possible in particular to collect the gaseous ions created by such a discharge current, without however collecting the droplets of liquid produced.
  • a particularly suitable means consists of a counter electrode, or conductive material connected to ground, placed at a distance d from said conduit outlet, and having an opening allowing the passage of the droplets of liquid produced while collecting the gaseous ions. created by a landfill. Said distance d can in particular be evaluated by trial and error, by moving said means by translation along the axis of the nebulus of liquid produced until non-collection of liquid droplets is obtained, and effective collection of said current. of discharge.
  • Such a means may in particular have an annular shape.
  • the device according to the invention further comprises means making it possible to supply said conduit with liquid.
  • Said conduit can in particular be supplied with liquid using one or more pumps, or using a tank which has a height of liquid suitable for controlling the flow rate.
  • said device further comprises means allowing an average flow of operating liquid at the inlet, or inside said conduit of a similar value, in m 3 .
  • s "1 which is within a range of one factor of approximately 10 between its upper limit and its lower limit, said range comprising, preferably centrally, a value which can correspond to the following formula:
  • A (4/3) ⁇ r 3 ] / ⁇ q , A being a constant different from 0 and 1, between approximately 0.1 and 10 and preferably equal to approximately 0.5, r the desired drop radius expressed in m, and ⁇ q the electrical relaxation constant of said liquid expressed in s.
  • said device further comprises means allowing a measurement of the particle size of the dispersion produced by the spraying of said polarized liquid, and in particular an LDA (Laser Doppler Anemometry) type system, and / or means for measuring the electric current carried by the dispersion produced by the spraying of said polarized liquid, and in particular an oscilloscope.
  • LDA Laser Doppler Anemometry
  • Such means make it possible in particular to follow the evolution of the particle size of the droplets produced and / or the evolution of said current during the spraying of said liquid.
  • said liquid is essentially a solution (solvent and solute (s) neutral (s) or ionic (s), organic (s) or mineral (s))), or a mixture of solutions chosen ( s) from the group consisting of water, ultrapure water, distilled water, water comprising conductive salts, an organic solvent supplemented with surfactant molecule (s), ethanol supplemented with surfactant molecule (s), acetone supplemented with surfactant molecule (s), ethylene glycol supplemented with surfactant molecule (s).
  • the device according to the invention has many applications of interest.
  • HDPE devices in general, such as coating or surface deposition, to which are added new applications now feasible using the device according to the invention due to its ability to spray, in air and at atmospheric pressure , a liquid whose surface tension is greater than 0.055 N / m, and remarkably greater than 0.065 N / m, without generating a pulse discharge regime. Mention may in particular be made of applications in the field of electric washing of particles, and in the biological field.
  • said device is applied to the collection of particles, and in particular of polluting particles, present in an aerosol (dusting).
  • aerosol dust
  • Such collection is effected by electrical coagulation of said particles to be eliminated with said droplets of fluid produced by the device according to the invention; so that such coagulation is effective, said device is then applied to the production of liquid droplets of reverse polarity to the polarity (natural or induced) of said particles to be eliminated.
  • the device according to the invention is therefore, in a preferred embodiment of the invention, placed on a vein of industrial effluent to be dusted, in which it can produce a nebulisate of polarization opposite to that of the particles of the aerosol effluent from liquid (s) with surface tension greater than 0.055 N / m, and remarkably greater than 0.065 N / m, such as water.
  • a plurality of devices according to the invention on such a stream of effluents.
  • the device according to the invention Compared with the devices of the prior art for the collection of aerosols such as in particular a fluidized bed and a wet washer, the device according to the invention has in particular the advantage of producing charged droplets of liquid of finer sizes and, in the case of an application to collect polluting particles in an aerosol, to limit the volume of resulting wastewater.
  • the device according to the invention also has the advantages of increasing the collection surface per unit volume of collector fluid (increase in the inter-particle electrostatic forces, finer medium-sized collecting droplets), of avoiding the problem of reduction.
  • the device according to the invention also has, in general, the advantages of reducing installation costs, energy costs, wastewater treatment costs (due to the low flow rates of wastewater produced by the device according to the invention, from beech to cubic meter per hour). It also has the advantage of reliability: the percolation of the collecting droplets on the walls used for inertial collection makes it possible to avoid accumulation of the products collected on the electrodes, as observed using said devices of the prior art.
  • the device according to the invention makes it particularly advantageous to work continuously.
  • said device is therefore applied to the collection by inertia, following electrical coagulation on larger droplets, of particles whose initial size is less than or equal to a micron, and in particular of polluting particles of such size, present in an aerosol, or in an effluent convertible into an aerosol.
  • the device according to the invention by allowing the control of the size (s) of charged droplets produced, makes it possible to produce charged droplets whose size (s) is (are) optimal for cause, after coagulation to said particles to be eliminated, their fall by simple inertia in a controlled and efficient manner. With the device according to the invention, it is not necessary to use, for said collection, filtration systems. Pressure losses linked to the use of such filtration systems are thus avoided.
  • the device according to the invention also makes it possible to control the volume of water necessary for this growth, and thus the volume of used water to be treated.
  • One means for varying the size (s) of droplets produced by the device according to the invention consists in particular in varying the flow rate of water, that is to say in varying the mechanical flow rate of liquid by varying the speed of supply of liquid to the inlet, or inside, of said conduit, and / or to varying those of the properties specific to said liquid which influence its flow rate, in particular its conductivity properties ( either by modifying the properties of a single and same basic fluid, or using different liquids with specific properties).
  • Said effluent or aerosol can in particular originate from an incineration plant, from a chemical, metallurgical industry, from a glass industry, from a boiler or from a tliermic central plant, from a road tunnel, from a vehicle, in particular a diesel vehicle.
  • said device is applied to the electroporation of biological membranes (plant or animal) for the transfer of organic molecules, and in particular of nucleic acids.
  • the present application also relates to a method of HDPE characterized in that it implements at least one device according to the invention. It also relates to a method for depolluting aerosol effluents, or transformable into aerosols, from which one seeks to eliminate polluting particles, characterized in that it comprises the steps of: - polarizing said polluting particles present in aerosol,
  • FIGS. 1 to 6 The characteristics and advantages of the present invention are illustrated by the following examples given without limitation. In these examples, reference is made to FIGS. 1 to 6:
  • FIG. 1 represents an embodiment of the HDPE device according to the invention
  • - Figure 2 represents an abacus (capillary diameter in m as a function of the electrical relaxation time in s) on which can be read values of external diameters of conduit suitable for producing HDPE in air, at pressure atmospheric, and without impulse discharge regime, for liquids with surface tension greater than 0.055 N / m, and remarkably greater than 0.065 N / m (dotted line: limit values of external diameter of conduit for a liquid of high viscosity , continuous straight line: limit values for external diameters of conduit for a liquid of low viscosity), - Figures 3 and 4 show, depending on the internal diameter
  • a straight line (vertical straight line D max ) marks the upper bound with appropriate outside diameters.
  • - Figures 5 and 6 show, like Figures 3 and 4, obtaining a probability equal to 1 (sign +), or less than 1 (sign -), for HDPE, without pulse discharges regime (in "cone-jet-glow” mode), of a liquid with a conductivity of 100 ⁇ S / m (figure 5) or 1000 ⁇ S / m (figure 6) and with a surface tension greater than 0.055 N / m: and in particular 0.065 N / m: in these FIGS.
  • the line D ext 1.445 D mt is plotted which traces an operating limit of the capillary 1 according to another arrangement of the invention (absence of metal support perpendicular to said conduit or capillary).
  • a straight line (vertical straight line D max ) marks the upper bound with appropriate outside diameters.
  • a HDPE device is mounted as shown in FIG. 1.
  • This HDPE device comprises in particular:
  • liquid distributor duct made of conductive or capillary material, 1,
  • the ring 4 is placed at a distance d from the capillary 1 equal to 2 to 4 cm, so as to collect the gaseous ions created by the discharges in the gas surrounding the liquid, while allowing the nebulization of charged droplets to pass.
  • a counter-electrode 5 (optional) is placed at a distance D from the capillary 1 so as to collect the charges of droplets of the nebulisate. If it is sought to produce an aerosol of droplets charged suspended in a gas, only the capillary 1 and the ring 4 are essential.
  • the HDPE device also includes, as illustrated in FIG. 1, means of analysis and measurements, namely:
  • LDA laser Doppler Anemometry
  • an oscilloscope (Oscillo 200 Mhz) 8 for measuring the electric current carried by the nebulized product.
  • the voltage applied to the liquid, via the conductive capillary 1, is for example between +1 kV and +30 kV approximately for interelectrode distances of the order of approximately 1 to 10 cm.
  • a positive voltage is applied preferentially because the threshold field of a negative discharge is less than the threshold field of a positive discharge, which makes it possible to widen the range of voltages applicable to the liquid in the case of positive HDPEs.
  • the capillary 1 is constituted by a syringe needle. Different outside (D ext ) and inside (D mt ) diameters of capillary 1 were tested.
  • FIG. 2 represents an abacus making it possible to read the maximum value of appropriate external diameter: as a function of the time of electrical relaxation in s (abscissa axis) of the liquid considered, we read the maximum value of external diameter of capillary in m (ordinate axis) on the continuous line if it is a fluid with low viscosity, on the dotted right if it is a high viscosity liquid.
  • the terms "low” and "high” viscosity are understood in accordance with the concepts commonly accepted by those skilled in the art.
  • 0.055 N / m, and remarkably greater than 0.065 N / m) is chosen to be less than the limit value read in FIG. 2.
  • the values of external diameters of the capillary 1 range from 0.324 to 1.8 mm.
  • the results of the present example were obtained with capillaries placed on a conductive support arranged perpendicular to the axis of the capillary.
  • each couple (outside diameter - inside diameter) is tested with different liquids with a surface tension greater than 0.055 N / m, and a remarkable mass greater than 0.065 N / m at room temperature (liquids ranging from ultrapure water (conductivity 10 ⁇ S / m ; ⁇ q 70 ⁇ s) with water doped with conductive salts (conductivity 1000 .S / m; ⁇ q 7.10 "7 s)).
  • the entire device according to the invention is placed in air and at atmospheric pressure, a positive DC voltage between +1 and +30 kV is applied, and said device is supplied with liquid.
  • the LDA 7 and oscilloscope 8 systems make it possible to observe the obtaining of a stable or unstable HDPE (absence or presence of a pulsed discharge regime). We then calculate the probability of obtaining, for all of the liquids tested, a stable HDPE for each Dext / Dint couple tested.
  • Tables 1 and 2 above, as well as FIGS. 3 and 4 show that, if the values of D ex t and D mt correspond to an appropriate relation, a HDPE without a pulsed discharge regime can be obtained, in the air and at atmospheric pressure, for a liquid with surface tension greater than 0.055 N / m, and remarkably greater than 0.065 N / m, with a probability equal to 1.
  • a probability equal to 1 For example, for D ext going up to a value equal to (D ext maximum) / 3 approximately, an appropriate relation can be calculated and read in figure 3 (liquid of conductivity of 100 u_S / m) and figure 4 (liquid of conductivity of 1000 // S / m ) as being: Dext ratio of capillary 1 greater than approximately 1.5697.

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Description

MOYENS DE PULVERISATION ELECTROHYDRODYNAMIQUE
La présente invention est relative à des moyens de pulvérisation électrohydrodynamique (ci-après dénommée PEHD).
La PEHD est un moyen de produire des nébulisats de gouttelettes de liquide de tailles millimétriques, microniques ou submicroniques chargées électriquement.
La PEHD consiste essentiellement à appliquer un champ électrique sur un liquide de manière à induire à la surface de ce liquide des charges électriques de même polarité que la tension qui y est appliquée. Ces charges, accélérées par le champ électrique, engendrent ime transformation de la goutte de liquide en cône. A l'apex de ce cône, se produit un jet de liquide qui se fragmente en gouttelettes de tailles millimétriques, microniques ou submicroniques (nébulisat ou spray).
Différents modes de fragmentation de liquide peuvent être obtenus et ont été décrits dans l'art antérieur {cf. notamment Cloupeau et Prunet- Foch, 1989, J. Electrostatics 22, pp 135-159). On peut notamment citer le mode "goutte-à-goutte" qui produit des gouttes millimétriques, et le mode "cône-jet" stable qui produit une distribution granulométrique bi-modale du nébulisat (gouttes microniques et satellites sub-microniques).
Différents moyens ont été décrits dans l'art antérieur afin de permettre l'obtention d'une PEHD en mode "cône-jet" stable (mode garant de la dispersion bi-modale) pour des liquides dont la tension de surface à température ambiante est inférieure ou égale à 0,055 N/m tel que l'éthanol, l'acétone, l'éthylèneglycol. La PEHD en mode "cône-jet" pose toutefois problème pour les liquides à forte tension de surface tels que l'eau ou bien encore les liquides additionnés de réactifs ou principes actifs à effet tensioactif.
La forte tension de surface de ces liquides impose en effet, pour la réalisation de leur PEHD, l'application de forts potentiels sur le liquide, ce qui créé un champ électrique fort dans le gaz entourant le liquide et, par suite, des phénomènes d'ionisation dans le gaz. Dans l'air, à pression atmosphérique, ces décharges électriques sont la plupart du temps impulsionnelles (dards), et empêchent l'établissement d'un mode de fragmentation "cône-jet" au profit d'un mode "cône-jet-glow".
Différentes solutions ont été proposées dans l'art antérieur afin de stabiliser la PEHD de tels liquides en prévenant la formation de décharges impulsionnelles dans le gaz les entourant. Deux types de solutions peuvent être identifiées : un premier type de solutions utilise une augmentation de la rigidité diélectrique du gaz entourant le liquide par augmentation de la pression du gaz et/ou par mise en oeuvre de gaz autres que l'air tels que le CO2 ou le SF6, un deuxième type de solutions, utilise une électrode supplémentaire placée à proximité du cône et du jet de liquide de manière à réduire le champ électrique radial dans le gaz au voisinage du hquide. Aucun de ces deux types de solutions n'est toutefois industriellement satisfaisant : le premier type impose des moyens de contrôle de l'environnement atmosphérique, et le deuxième type impose une source de haute tension supplémentaire.
A la connaissance de la Demanderesse, aucun des dispositifs décrits dans l'art antérieur ne permettent donc, pour des liquides à fortes tensions de surface tels que l'eau, une PEHD dans l'air et à pression atmosphérique, sans engendrer un régime impulsionnel de décharges, et sans nécessiter l'utilisation d'une électrode supplémentaire.
La présente demande est relative à de nouveaux moyens permettant de résoudre ce problème, et visant à pallier les inconvénients des moyens de l'art antérieur.
Les inventeurs ont en effet pour la première fois établi qu'une PEHD sans régime impulsionnel de décharges pouvait être établie directement dans l'air et à pression atmosphérique pour des liquides, dont la tension de surface, telle que mesurée à température ambiante, est supérieure à 0,055 N/m et, de manière remarquable supérieure à 0,065 N/m. Ils ont notamment établi qu'une telle PEHD peut être obtenue à l'aide d'un dispositif de PEHD répondant à certains paramètres de fonctionnement, et de manière tout à fait essentielle, à l'aide d'un dispositif de PEHD comportant au moins un conduit de distribution de liquide dont les dimensions de diamètre extérieur et de diamètre intérieur, au point de sortie du liquide polarisé, répondent à une relation appropriée dans une gamme de diamètres extérieurs préalablement définie (cf. exemples et abaque en Figure 2 ci-après). Une telle relation peut notamment correspondre à un rapport entre (dimension de diamètre extérieur) et (dimension de diamètre intérieur) supérieur ou égal à une valeur limite fixe.
Les inventeurs ont en effet observé que le régime de décharges dans le gaz (régime continu de décharges -glow stabilisateur- ou régime impulsionnel de décharges -dards déstabilisateurs-) est directement relié au divergent du champ dans le gaz. Ils ont ainsi établi que, pour des liquides dont la tension de surface est supérieure à 0,055 N/m, et de manière remarquable supérieure à 0,065 N/m, il est essentiel, pour réaliser la PEHD recherchée dans l'air à pression atmosphérique, de choisir des diamètres extérieur et intérieur qui permettent de contrôler :
- la forme du liquide, c'est-à-dire la géométrie du cône et du jet de liquide, et
- la chute de potentiel dans le liquide, c'est-à-dire le potentiel à la surface du liquide, ceci afin de contrôler le divergent du champ dans le gaz (c'est-à-dire la variation du champ électrique dans le gaz). La présente demande a ainsi pour premier objet un dispositif de pulvérisation électrohydrodynamique, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un conduit à une sortie duquel un liquide polarisé peut être pulvérisé, et en ce que ledit conduit présente, tout au moins à cette sortie, des diamètres extérieur et intérieur tels que ledit dispositif est capable de pulvériser, dans l'air et à pression atmosphérique, un liquide dont la tension de surface, telle que mesurée à température ambiante, est supérieure à 0,055 N/m, sans engendrer un régime impulsionnel de décharges. De manière remarquable, le dispositif selon l'invention permet de pulvériser, dans l'air, à pression atmosphérique, un liquide dont la tension de surface, telle que mesurée à température ambiante, est supérieure à 0,065 N/m, sans engendrer un régime impulsionnel de décharges. Un moyen pour mettre en évidence l'absence d'un tel régime impulsionnel de décharges comprend la mesure de la variation temporelle du courant à l'aide d'un oscilloscope rapide. Par dispositif de pulvérisation élecfrohydrodynamique, nous entendons, dans la présente demande, un dispositif capable de générer un nébulisat (ou dispersion, ou spray) de liquide polarisé, c'est-à-dire un nébulisat de liquide fragmenté, ou pulvérisé, en gouttelettes électriquement chargées. Un tel dispositif comprend donc des moyens d'alimentation et de distribution en liquide, et des moyens pour polariser électriquement la surface de ce liquide. Les moyens de distribution en liquide sont assurés par un conduit, ou capillaire, à une sortie duquel, le liquide polarisé forme un ménisque conique, de l'apex duquel part un jet puis une dispersion de gouttelettes de liquide électriquement chargées.
Par tension de surface, nous entendons dans la présente demande la tension de surface telle que mesurée dans l'air à température et pression ambiantes.
Le dispositif selon l'invention, conçu de manière à permettre la PEHD sans régime impulsionnel de décharges, dans l'air et à pression atmosphérique, de liquides dont la tension de surface est supérieure à 0,055 N/m, et de manière remarquable supérieure à 0,065 N/m, présente l'avantage de permettre, sans modification dudit dispositif, la PEHD de liquides dont la tension de surface est inférieure ou égale à 0,055 N/m.
Selon une disposition avantageuse de l'invention, lesdits diamètres extérieur et intérieur présentent des dimensions qui répondent, lorsqu'elles sont exprimées dans la même unité, à la relation suivante : dimension de diamètre extérieur supérieur ou égal à 1,445 environ, dimension de diamètre intérieur
préférentiellement supérieur ou égal à 1,5697 environ, plus préférentiellement supérieur ou égal à 1,6 environ, et encore plus préférentiellement supérieur ou égal à 1,8 environ. La borne supérieure des valeurs appropriées pour ce rapport (dimension de diamètre extérieur) / (dimension de diamètre intérieur) est déterminée par différentes limites techniques. On peut notamment citer les limites techniques liées à l'usinage d'un diamètre intérieur très petit, ou bien encore celles liées à la perte de charge qui peut résulter d'un diamètre intérieur plus petit et qui impose alors en compensation des systèmes hydrauliques à plus haute pression.
La borne inférieure des valeurs appropriées pour le rapport (dimension de diamètre extérieur) / (dimension de diamètre intérieur) est obtenue à partir de mesures expérimentales (observation de l'obtention d'une PEHD stable en fonction d'une gamme de valeurs de diamètres extérieurs et intérieurs). Des exemples de telles mesures sont donnés dans la partie "exemples" ci-dessous. La valeur de borne inférieure dépend bien entendu des conditions expérimentales appliquées. Des exemples de dispositifs appropriés et de leur utilisation sont décrits en figure 1 et dans la partie "exemples" ci-dessous. L'homme du métier peut toutefois en concevoir, et en mettre en oeuvre des variantes. Ainsi, l'homme du métier peut naturellement tenir compte du matériau et/ou de la disposition du support soutenant ledit conduit, ou capillaire, dans la mesure où ce matériau et/ou cette disposition sont susceptibles d'affecter le champ électrique produit. Il apparaîtra en effet à l'homme du métier que le choix de la présence ou de l'absence d'un tel support en matériau conducteur, en particulier lorsqu'il est disposé perpendiculairement à l'axe dudit conduit, ou capillaire, influence sensiblement la borne inférieure expérimentalement mesurée desdites valeurs appropriées de rapport (dimension de diamètre extérieur) / (dimension de diamètre intérieur). Ainsi, la susdite valeur de borne inférieure 1,5697 est obtenue à partir de mesures expérimentales réalisées en présence d'un tel support, alors que la susdite valeur de borne inférieure 1,445 est obtenue à partir de mesures expérimentales réalisées dans des conditions comparables, mais en l'absence d'un tel support.
Il doit également être souligné que les mesures réalisées, et par là- même, la valeur de borne inférieure obtenue, dépendent également du profil de la section à ladite sortie de conduit ou capillaire. La susdite valeur de borne inférieure 1,445 est ainsi obtenue lorsque ledit conduit, ou capillaire, présente tout au moins à ladite sortie ime section droite franche (face droite) : la section droite perpendiculaire à l'axe dudit conduit ou capillaire, au niveau de ladite sortie, présente un profil annulaire. Lorsque la section de sortie n'est pas perpendiculaire au bord du conduit ou capillaire, la valeur de borne inférieure obtenue peut être sensiblement différente. Ainsi, lorsque la face externe de conduit ou capillaire apparaît, tout au moins à ladite sortie, plus longue que la face interne (face non droite, c'est-à-dire profil de type biseauté), la valeur de borne inférieure peut apparaître moins élevée (une valeur de 1,38 a pu être obtenue dans ces conditions, par comparaison avec la valeur de 1,445 obtenue à l'aide d'une section de sortie perpendiculaire au bord du conduit ou capillaire. Inversement, lorsque la face externe apparaît, tout au moins à ladite sortie, plus courte que la face interne (profil de type biseauté), la valeur de borne inférieure peut apparaître plus élevée (une valeur de 1,8 a ainsi pu être obtenue dans ces conditions, par comparaison à 1,445 obtenue à l'aide de sections franches à profil annulaire. L'homme du métier pourra donc choisir d'usiner un profil particulier sur la section à ladite sortie de conduit ou capillaire.
Une dimension appropriée pour ledit diamètre extérieur est notamment fonction de la constante de relaxation électrique du liquide τq (qui est elle-même fonction de la conductivité du liquide). Elle est avantageusement inférieure à ime valeur limite Dmax répondant, dans le cas d'un liquide à forte viscosité, à l'équation : logio (Dmax) = 0,37793 x logio (τq) + 0,34674 avec Dmax ladite valeur limite en m, et τq constante de relaxation électrique dudit liquide en s, ou, dans le cas d'un liquide à faible viscosité, à l'équation : logio (Dmax) = 0,37747 x logio (τq) + 0,43141 avec Dmax et τq comme ci-dessus définis.
Les termes "faible" et "forte" viscosité sont entendus conformément aux notions communément admises par l'homme du métier. Typiquement, par
"faible" viscosité, on entend une viscosité d'environ 1 rnPa.s, tandis que par "forte" viscosité, on entend une viscosité supérieure d'environ deux ordres de grandeur (soit de l'ordre de 100 rnPa.s environ).
Préférentiellement, la dimension dudit diamètre extérieur est inférieure à la moitié de cette valeur limite Dmax. Lorsque lesdits diamètres extérieur et intérieur présentent des dimensions dont le rapport répond à une relation ci-dessus précisée (supérieur ou égal à 1,445 environ, préférentiellement supérieur ou égal à 1,5697 environ, plus préférentiellement supérieur ou égal à 1,65 environ, encore plus préférentiellement supérieur ou égal à 1,8 environ), la dimension dudit diamètre extérieur est préférentiellement inférieure au tiers de cette valeur limite Dmax. Dans im mode de réalisation de l'invention, ledit dispositif comprend au moins un conduit qui, tout au moins à ladite sortie, est essentiellement constitué par un capillaire, tel qu'une aiguille de seringue.
De manière préférentielle, ledit dispositif comprend une pluralité de tels conduits ou capillaires.
Selon un aspect avantageux, le dispositif selon l'invention est capable de pulvériser, dans l'air et à pression atmosphérique, un liquide dont la tension de surface est supérieure à 0,055 N/m, et de manière remarquable supérieure à 0,065 N/m, en engendrant un régime continu de décharges, tel qu'un régime de décharges de type couronne (ou régime glow, ou régime dΗermstein).
Différents moyens sont connus de l'homme du métier pour contrôler le caractère continu d'un régime de décharges. On peut notamment citer la mesure du courant électrique à l'aide d'un oscilloscope rapide, le contrôle visuel de la stabilité du cône de liquide formé, et/ou les mesures granulométriques permettant de vérifier le caractère bi-modal de la distribution en tailles des gouttelettes. Une telle distribution bi-modale peut notamment correspondre à une première population, majoritaire (par exemple 90% du volume de liquide pulvérisé), de gouttelettes de taille moyenne plus importante, et à une deuxième population, mmoritaire (par exemple 10% du volume de liquide pulvérisé), de gouttelettes de taille moyenne plus fine.
Selon un autre aspect avantageux, le dispositif selon l'invention est capable de pulvériser, dans l'air et à pression atmosphérique, un liquide dont la tension de surface est supérieure à 0,055 N/m, et de manière remarquable supérieure à 0,65 N/m, dans un mode stable de WO 99/49981 -| g PCT/FR99/00730
fragmentation du liquide, notamment dans un mode de fragmentation "cône-jet-glow" stable (c'est-à-dire dans un mode "cône-jet" auquel se superposent des décharges continues). L'homme du métier peut vérifier l'obtention d'un mode "cône-jet-glow", c'est-à-dire la superposition d'un régime de décharges continu et d'un mode cône-jet de pulvérisation, à l'aide de moyens connus. On peut notamment citer les mesures électriques à l'aide d'un oscilloscope rapide qui permettent de vérifier que le courant est continu (absence d'impulsions), et qu'il est supérieur au courant de "cône-jet" théorique. Par stable, nous entendons dans la présente demande un phénomène permanent (probabilité de réalisation dans le temps supérieure ou égale à 0,9, préférentiellement supérieure ou égale à 0,95, plus préférentiellement égale à 1).
Le dispositif selon l'invention comprend en outre des moyens permettant de polariser électriquement ledit liquide en amont ou lors de son passage à travers ledit conduit, notamment des moyens permettant d'appliquer une tension électrique audit liquide en amont ou lors de son passage à l'intérieur dudit conduit, de manière à le polariser.
Toute tension permettant d'obtenir une PEHD stable est appropriée. Son choix est fonction de la polarisation recherchée. Avantageusement, cette tension est continue. Le dispositif selon l'invention produit alors des nébulisats dont la charge présente toujours le même signe (celui de la tension continue appliquée. Cette tension peut être positive tout comme négative, selon les applications visées. Dans un mode de réalisation avantageux de l'invention, ladite tension est une tension continue, de préférence une tension continue positive, telle qu'une tension continue O 99/49981 -j -, PCT/FR99/00730
positive inférieure à +30 kV environ. L'homme du métier peut choisir une tension appropriée en fonction des propriétés propres au liquide mis en œuvre dans le dispositif selon l'invention, notamment de ses propriétés de conductivité, viscosité, densité, tension de surface, et en fonction de propriétés propres au dispositif, notamment de la distance qui sépare ladite sortie de conduit du point masse le plus proche.
De mamère avantageuse, lesdits moyens permettant d'appliquer une telle tension électrique audit liquide sont essentiellement constitués par au moins un générateur haute tension pouvant être rehé d'une part à la masse, et pouvant être d'autre part rehé audit hquide soit de manière directe en amont ou lors de son passage à l'intérieur dudit conduit, soit de manière indirecte par l'intermédiaire d'un matériau conducteur en contact avec ledit liquide en amont ou pendant son passage à l' intérieur dudit conduit. Ledit conduit peut en effet comprendre un matériau électriquement conducteur sur sa surface interne, ou sur une épaisseur interne, et/ou est essentiellement constitué d'un tel matériau.
Afin de limiter le courant dans ledit hquide résultant de l'application de ladite tension, le dispositif selon l'invention peut en outre, par sécurité, comprendre une résistance de protection permettant de limiter le courant dans le liquide polarisé pulvérisé, notamment une résistance de protection permettant de limiter le courant de décharge dudit liquide dans le cas du passage d'un très fort courant. Une telle résistance peut avantageusement être placée entre ledit générateur haute tension et son point de liaison audit hquide. Selon un mode particulier de réalisation de l'invention, ledit dispositif comprend en outre des moyens permettant de dépolariser ledit liquide après pulvérisation, c'est-à-dire permettant de décharger les gouttelettes de liquide produites par contact sur une surface à la masse. Selon une disposition avantageuse de ce mode particulier, lesdits moyens permettant de dépolariser ledit liquide après pulvérisation sont placés à une distance D, ci-après dénommée distance inter-électrode, avantageusement supérieure à la distance minimale qui permet le passage à l'arc avant l'établissement de la PEHD. De tels moyens sont toutefois optionnels : lorsque ledit dispositif est utilisé dans l'objectif de produire un nébulisat dont la polarité doit interagir avec des composants de polarité inverse, ces moyens sont sans objet.
Selon un mode avantageux de réalisation de l'invention, ledit dispositif comprend en outre des moyens permettant, au cours de la pulvérisation dudit hquide, de collecter un courant de décharge dans le gaz entourant ledit liquide polarisé, tel que notamment un matériau conducteur présentant une ouverture de forme et de dimensions permettant le passage du liquide pulvérisé tout en collectant ledit courant d'ions gazeux créés par décharges électriques dans le gaz. De tels moyens sont particulièrement appropriés lorsque ledit dispositif est utilisé dans l'objectif de produire un nébulisat dont la polarité doit interagir avec des composants de polarité inverse. Ils sont également appropriés pour s'assurer que le champ à la surface du liquide dans la zone de production reste indépendant des densités de charges + et - sous l'anneau (phénomènes de coagulation, de modulation des charges, et neutralisation). Ces moyens permettent alors d'éliminer des ions gazeux présentant la même polarité que ledit nébulisat et qui, de ce fait, pourraient parasiter l'interaction nébulisat-composants recherchée, et ainsi chiriinuer l'efficacité du dispositif selon l'invention. Le dispositif selon l'invention est ainsi capable de contrôler le régime de décharges sur une large plage de fonctionnement, typiquement sur des plages de tensions de l'ordre de plusieurs milliers de volts.
De tels moyens de collecte d'un courant de décharge permettent notamment de collecter les ions gazeux créés par un tel courant de décharge, sans pour autant collecter les gouttelettes de liquide produites. Un tel moyen particulièrement approprié est constitué par une contre- électrode, ou matériau conducteur relié à la masse, placé à une distance d de ladite sortie de conduit, et présentant une ouverture permettant le passage des gouttelettes de liquide produites tout en collectant les ions gazeux créés par une décharge. Ladite distance d peut notamment être évaluée par essai et erreur, en déplaçant ledit moyen par translation selon l'axe du nébuhsat de liquide produit jusqu'à obtention d'une non-collecte des gouttelettes de liquide, et d'une collecte effective dudit courant de décharge. Un tel moyen peut notamment présenter une forme annulaire.
Le dispositif selon l'invention comprend en outre des moyens permettant d'alimenter ledit conduit en liquide. Ledit conduit peut notamment être alimenté en liquide à l'aide d'ime ou plusieurs pompe(s), ou à l'aide d'un réservoir qui présente une hauteur de liquide appropriée au contrôle du débit.
Selon un autre mode avantageux de réalisation de l'invention, ledit dispositif comprend en outre des moyens permettant un débit moyen de liquide de fonctionnement à l'entrée, ou à l'intérieur dudit conduit d'ime valeur, en m3. s"1, qui est comprise dans une plage présentant un écart d'un facteur de 10 environ entre sa borne haute et sa borne basse, ladite plage comprenant, de préférence de manière centrale, une valeur pouvant répondre à la formule suivante :
A[(4/3) π r3] / τq, A étant une constante différente de 0 et de 1, comprise entre 0,1 et 10 environ et de préférence égale à 0,5 environ, r le rayon de gouttes désiré exprimé en m, et τq la constante de relaxation électrique dudit liquide exprimée en s.
Pour des liquides dont la tension de surface est inférieure ou égale à 0,055 N/m, c'est-à-dire en l'absence de problème de décharge, il est connu de l'homme du métier que le mode "cône-jet" peut être réalisé en choisissant un débit moyen de fonctionnement égal à [(4/3) π r3] / τq, r étant le rayon de goutte désiré (en m), et τq la constante de relaxation électrique (en s). Il est ici rappelé que : τq = [εo εr ] /λ = [ 8,92.10"12 εr ] /λ, λ étant la conductivité du liquide en s/m, o la permittivité du vide, εr la permittivité relative du matériau (εr = le rapport entre permittivité absolue du matériau et permittivité du vide).
Pour les liquides dont la tension de surface est supérieure à 0,055 N/m, et de manière remarquable supérieure à 0,065 N/m, les inventeurs ont pu établir que le débit moyen de fonctionnement approprié, pour des liquides à tension de surface inférieure ou égale à 0,055 N/m à température ambiante comme indiqué ci-dessus, doit être corrigé d'un facteur constant A, différent de 0 et de 1, compris entre 0,1 et 10 environ et préférentiellement égal à 1/2, afin d'éviter un régime impulsionnel de décharges déstabilisateur du nébulisat. débit moyen de liquide de fonctionnement à l'entrée dudit conduit dont la valeur en m3. s"1 répond à la formule suivante :
A[(4/3) π r3] / τq, A étant une constante différente de 0 et de 1, comprise entre 0,1 et 10 environ et de préférence égale à 0,5 environ, r le rayon de gouttes désiré exprimé en m, et τq la constante de relaxation électrique dudit liquide exprimée en s. Selon un autre aspect de l'invention, ledit dispositif comprend en outre des moyens permettant une mesure de la granulométrie de la dispersion produite par la pulvérisation dudit liquide polarisé, et notamment un système de type LDA (Laser Doppler Anemometry), et/ou des moyens pour la mesure du courant électrique porté par la dispersion produite par la pulvérisation dudit liquide polarisé, et notamment un oscilloscope. De tels moyens permettent notamment de suivre l'évolution de la granulométrie des gouttelettes produites et/ou l'évolution dudit courant au cours de la pulvérisation dudit liquide.
Selon un aspect avantageux de l'invention, ledit liquide est essentiellement une solution (solvant et soluté(s) neutre(s) ou ionique(s), organique(s) ou minéral(aux)), ou un mélange de solutions choisie(s) parmi le groupe constitué par de l'eau, de l'eau ultrapure, de l'eau distillée, de l'eau comprenant des sels conducteurs, un solvant organique additionné de molécule(s) tensioactive(s), de l'éthanol additionné de molécule(s) tensioactive(s), de l'acétone additionnée de molécule(s) tensioactive(s), de l'éthylèneglycol additionné de molécule(s) tensioactive(s). Le dispositif selon l'invention présente de nombreuses applications d'intérêt. Elles englobent l'ensemble des applications connues des dispositifs de PEHD en général, telles que le revêtement ou dépôt de surface, auxquelles s'ajoutent de nouvelles applications maintenant réalisables à l'aide du dispositif selon l'invention du fait de sa capacité à pulvériser, dans l'air et à pression atmosphérique, un liquide dont la tension de surface est supérieure à 0,055 N/m, et de manière remarquable supérieure à 0,065 N/m, sans engendrer un régime impulsionnel de décharges. On peut notamment citer des applications dans le domaine du lavage électrique des particules, et dans le domaine biologique.
Selon un mode préféré de réalisation de l'invention, ledit dispositif est appliqué à la collecte de particules, et notamment de particules polluantes, présentes dans un aérosol (dépoussiérage). Ceci s'applique à tout effluent à l'état d'aérosol ou à tout effluent qui peut être transformé en aérosol. Une telle collecte s'opère par coagulation électrique desdites particules à éliminer auxdites gouttelettes de hquide produites par le dispositif selon l'invention ; pour qu'une telle coagulation soit opérante, ledit dispositif est alors appliqué à la production de gouttelettes de liquide de polarité inverse à la polarité (naturelle ou induite) desdites particules à éliminer.
Le dispositif selon l'invention est donc, dans un mode de réalisation préféré de l'invention, disposé sur une veine d'effluent industriel à dépoussiérer, dans laquelle il peut produire un nébulisat de polarisation inverse de celle des particules de l'effluent aérosol à partir de liquide(s) à tension de surface supérieure à 0,055 N/m, et de manière remarquable supérieure à 0,065 N/m, tels que l'eau. De mamère particulièrement avantageuse, on dispose une pluralité de dispositifs selon l'invention sur une telle veine d'effluents. Par rapport aux dispositifs de l'art antérieur pour la collection des aérosols tels que notamment lit fluidisé et laveur humide, le dispositif selon l'invention présente notamment l'avantage de produire des gouttelettes de liquide chargées de tailles plus fines et, dans le cas d'ime application de collecte de particules polluantes dans un aérosol, de limiter le volume d'eaux usées résultant. Le dispositif selon l'invention présente en outre les avantages d'augmenter la surface de collecte par unité de volume de hquide collecteur (augmentation des forces électrostatiques inter-particulaires, gouttelettes collectrices de taille moyenne plus fine), d'éviter le problème de réduction de l'efficacité des systèmes de précipitation électrostatique lié à l'accumulation sur les électrodes collectrices des poussières isolantes, de ne pas requérir de système de pressurisation ou de système mécanique et ainsi d'éviter les problèmes de perte de charge d'un système de filtration en sortie du procédé (la collecte inertielle est possible avec le dispositif selon l'invention).
Le dispositif selon l'invention présente de plus, de manière générale, les avantages de réduction des coûts d'installation, des coûts énergétiques, des coûts de traitement des eaux usées (du fait des faibles débits d'eaux usées produits par le dispositif selon l'invention, du htre au mètre cube par heure). Il présente également l'avantage de la fiabilité : la percolation des gouttelettes collectrices sur les parois utilisées pour la collecte inertielle permet d'éviter raccumulation des produits collectés sur les électrodes, telle qu'observée en utilisant lesdits dispositifs de l'art antérieur. Le dispositif selon l'invention permet de manière particulièrement avantageuse de travailler en continu. Selon un mode particulièrement préféré de réalisation de l'invention, ledit dispositif est donc appliqué à la collecte par inertie, suite à la coagulation électrique sur des gouttelettes plus grosses, de particules dont la taille initiale est inférieure ou égale au micron, et notamment de particules polluantes d'ime telle taille, présentes dans un aérosol, ou dans un effluent transformable en aérosol.
De telles particules, du fait de leurs faibles tailles, ne pouvaient jusqu'alors être efficacement éliminées d'un aérosol par collecte inertielle après leur coagulation aux gouttelettes collectrices. Le dispositif selon l'invention, en permettant le contrôle de la (ou des) taille(s) de gouttelettes chargées produites, permet de produire des gouttelettes chargées dont la (les) taille(s) est (sont) optimale(s) pour provoquer, après coagulation auxdites particules à éliminer, leur chute par simple inertie de manière contrôlée et efficace. Avec le dispositif selon l'invention, il n'est pas nécessaire d'utihser, pour ladite collecte, de systèmes de filtration. Les pertes de charges liées à l'utilisation de tels systèmes de filtration sont ainsi évitées. Le dispositif selon l'invention permet également de contrôler le volume d'eau nécessaire à cette croissance, et ainsi le volume d'eau usée à traiter. Un moyen pour faire varier la (les) taille(s) de gouttelettes produite(s) par le dispositif selon l'invention consiste notamment à faire varier le débit de hquide, c'est-à-dire à faire varier le débit mécanique de liquide en faisant varier la vitesse d'alimentation en liquide à l'entrée, ou à l'intérieur, dudit conduit, et/ou à faire varier celles des propriétés propres audit liquide qui influencent son débit, notamment ses propriétés de conductivité (que cela soit en modifiant les propriétés d'un seul et même hquide de base, ou en utilisant différents liquides de propriétés déterminées).
Ledit effluent ou aérosol peut notamment être issu d'ime usine d'incinération, d'une industrie chimique, métallurgique, d'ime industrie du verre, d'une chaudière ou d'ime centrale tliermique, d'un tunnel routier, d'un véhicule, notamment d'im véhicule diesel.
Selon un autre mode préféré de réalisation de l'invention, ledit dispositif est appliqué à l'électroporation de membranes biologique (végétale ou animale) pour le transfert de molécules organiques, et notamment d'acides nucléiques.
La présente demande a également pour objet une méthode de PEHD caractérisée en ce qu'elle met en œuvre au moins un dispositif selon l'invention. Elle vise également une méthode de dépollution d'effluents aérosols, ou transformables en aérosols, dont on chercher à éliminer les particules polluantes, caractérisée en ce qu'elle comprend les étapes de : - polariser lesdites particules polluantes présentes en aérosol,
- produire une dispersion de gouttelettes de liquide de polarité inverse à l'aide d'au moins im dispositif selon l'invention, - mettre ladite dispersion de gouttelettes de liquide et lesdites particules polluantes polarisées en contact, de manière à permettre la coagulation électrique de ces particules polluantes sur lesdites gouttelettes de liquide,
- collecter les gouttelettes de liquide polluées de manière inertielle. Les caractéristiques et avantages de la présente invention sont illustrées par les exemples suivants donnés à titre non limitatif. Dans ces exemples, il est fait référence aux figures 1 à 6 :
- la figure 1 représente un mode de réalisation du dispositif de PEHD selon l'invention,
- la figure 2 représente une abaque (diamètre de capillaire en m en fonction du temps de relaxation électrique en s) sur laquelle peut être lue des valeurs de diamètres extérieurs de conduit appropriées à la réalisation d'une PEHD dans l'air, à pression atmosphérique, et sans régime impulsionnel de décharges, pour des liquides à tension de surface supérieure à 0,055 N/m, et de manière remarquable supérieure à 0,065 N/m (droite pointillée : valeurs limites de diamètres extérieurs de conduit pour un liquide de forte viscosité, droite continue : valeurs limites de diamètres extérieurs de conduit pour un liquide de faible viscosité), - les figures 3 et 4 représentent, en fonction du diamètre intérieur
(axe des ordonnées, en mm) et du diamètre extérieur (axe des abscisses, en mm) de conduits testés, l'obtention d'une probabilité égale à 1 (signe +), ou inférieure à 1 (signe -), pour la PEHD, sans régime impulsionnel de décharges, d'un liquide de conductivité 100 μS/m (figure 3) ou 1000 μS/m (figure 4) et à tension de surface supérieure à 0,055 N/m, et notamment à 0,065 N/m : sur ces figures 3 et 4, est portée la droite Dext =1,5697 Dmt qui trace une limite de fonctionnement du capillaire 1 selon une disposition de l'invention (présence d'un support métallique soutenant ledit conduit ou capillaire, et perpendiculaire à ce conduit ou capillaire). Une droite (droite verticale Dmax) marque la borne supérieure de diamètres extérieurs appropriés. - les figures 5 et 6 représentent, comme les figures 3 et 4, l'obtention d'une probabilité égale à 1 (signe +), ou inférieure à 1 (signe -), pour la PEHD, sans régime impulsionnel de décharges (en mode "cône- jet-glow"), d'un liquide de conductivité 100 μS/m (figure 5) ou 1000 μS/m (figure 6) et à tension de surface supérieure à 0,055 N/m : et notamment à 0,065 N/m : sur ces figures 5 et 6, est portée la droite Dext = 1,445 Dmt qui trace ime limite de fonctionnement du capillaire 1 selon une autre disposition de l'invention (absence de support métallique perpendiculaire audit conduit ou capillaire). Une droite (droite verticale Dmax ) marque la borne supérieure de diamètres extérieurs appropriés.
EXEMPLE 1
On monte un dispositif de PEHD comme présenté en figure 1. Ce dispositif de PEHD comprend notamment :
- un conduit distributeur de liquide, en matériau conducteur, ou capillaire, 1,
- un générateur 2 à Haute Tension continue positive (HT DC 0 - 30 kV positive), - une résistance de protection 3 (R = 106 Ohm),
- un moyen 4 de collecte du courant de décharge dans le gaz entourant le Hquide, sous foπne d'un anneau conducteur relié à la masse,
- une contre-électrode 5 reliée à la masse permettant de collecter la charge des gouttelettes de liquide pulvérisées, et - une pompe d'alimentation en liquide 6. L'anneau 4 est placé à une distance d du capillaire 1 égale à 2 à 4 cm, de manière à collecter les ions gazeux créés par les décharges dans le gaz entourant le liquide, tout en laissant passer le nébulisat de gouttelettes chargées. Une contre-électrode 5 (optionnelle) est placée à une distance D du capillaire 1 de manière à collecter les charges de gouttelettes du nébulisat. Si on cherche à produire un aérosol de gouttelettes chargées en suspension dans un gaz, seul le capillaire 1 et l'anneau 4 sont indispensables.
Le dispositif de PEHD comprend également, comme illustré en figure 1, des moyens d'analyses et de mesures, à savoir :
- im système Laser Doppler Anemometry (LDA) 7 permettant, à l'aide de rayons laser 9, de mesurer la granulométrie des gouttelettes chargées produites par le dispositif selon l'invention, et
- un oscilloscope (Oscillo 200 Mhz) 8 permettant de mesurer le courant électrique porté par le nébulisat produit.
La tension appliquée au liquide, par rintermédiaire du capillaire conducteur 1, est par exemple comprise entre +1 kV et +30 kV environ pour des distances interélectrodes de l'ordre de 1 à 10 cm environ. Une tension positive est appliquée de mamère préférentielle car le champ seuil d'une décharge négative est inférieur au champ seuil d'une décharge positive, ce qui permet d'élargir la gamme des tensions applicables au liquide dans le cas des PEHD positives.
Le capillaire 1 est constitué par ime aiguille de seringue. Différents diamètres extérieurs (Dext) et intérieurs (Dmt) de capillaire 1 ont été testés. La figure 2 représente une abaque permettant de lire la valeur maximale de diamètre extérieur approprié : en fonction du temps de relaxation électrique en s (axe des abscisses) du liquide considéré, on lit la valeur maximale de diamètre extérieur de capillaire en m (axe des ordonnées) sur la droite continue s'il s'agit d'un hquide à faible viscosité, sur la droite pointillée s'il s'agit d'im liquide à forte viscosité. Les termes "faible" et "forte" viscosité sont entendus conformément aux notions communément admises par l'homme du métier. Typiquement, à faible viscosité, on entend une viscosité d'environ lmPa.s, tandis que par forte viscosité, on entend ime viscosité supérieure d'environ deux ordres de grandeur (soit de l'ordre de 100 rnPa.s environ). Sur cette figure 2, la droite pointillée (liquides à forte viscosité) répond à l'équation : logio (diamètre de capillaire en m)= 0,37793 x logio (temps de relaxation électrique en s) + 0,34674.
La droite continue (liquides à faible viscosité) répond à l'équation : logio (diamètre de capillaire en m) = 0,37747 x logio (temps de relaxation électrique en s)+ 0,43141.
Une valeur de diamètre extérieur appropriée à la PEHD stable
(absence de régime impulsionnel de décharges) dans l'air à pression atmosphérique, d'un liquide à forte tension de surface (supérieure à
0,055 N/m, et de manière remarquable supérieure à 0,065 N/m) est choisie inférieure à la valeur limite lue sur la figure 2.
Dans les essais ici rapportés, les valeurs de diamètres extérieurs du capillaire 1 vont de 0,324 à 1,8 mm. Les résultats du présent exemple ont été obtenus avec des capillaires placés sur un support conducteur disposé perpendiculairement à l'axe du capillaire. Différentes valeurs de diamètres intérieurs de capillaire 1 sont testées pour chaque valeur de diamètre extérieur ; et chaque couple (diamètre extérieur - diamètre intérieur) est testé avec différents liquides à tension de surface supérieure à 0,055 N/m, et de mamère remarquable supérieure à 0,065 N/m à température ambiante (liquides allant de l'eau ultrapure (conductivité 10 μS/m ; τq 70 μs) à l'eau dopée en sels conducteurs (conductivité 1 000 .S/m ; τq 7.10"7 s)).
On place l'ensemble du dispositif selon l'invention à l'air et à la pression atmosphérique, on applique une tension continue positive comprise entre +1 et +30 kV, et on alimente ledit dispositif en liquide. Les systèmes LDA 7 et oscilloscope 8 permettent d'observer l'obtention d'une PEHD stable ou instable (absence ou présence de régime impulsionnel de décharges). On calcule alors la probabilité d'obtenir pour l'ensemble des liquides testés, une PEHD stable pour chaque couple Dext/Dint testé.
Sur le tableau 1 ci-dessous sont rapportés des résultats ainsi obtenus avec un hquide dont la conductivité est de 100 /tS/m :
TABLEAU 1
Sur la figure 3, sont reportés, pour différents couples de valeurs (diamètre intérieur du capillaire 1 ; diamètre extérieur du capillaire 1), ces résultats de PEHD obtenus avec im liquide dont la conductivité est de 100 μS/m : le symbole + indique l'obtention d'ime PEHD stable (absence de régime impulsiomiel de décharges), c'est-à-dire l'obtention d'un mode "cône-jet-glow" stable avec ime probabilité égale à 1 ; le symbole - indique l'obtention d'ime PEHD instable (présence d'un régime impulsionnel de décharges), c'est-à-dire l'obtention d'un mode instable ("cône-jet-glow" non permanent), et donc avec une probabilité inférieure à l.
Sur le tableau 2 ci-dessous sont rapportés des résultats ainsi obtenus avec un liquide dont la conductivité est de 1000 μS/m :
TABLEAU 2
Sur la figure 4, sont reportés, pour différents couples de valeurs (diamètre intérieur du capillaire 1 ; diamètre extérieur du capillaire 1), ces résultats de PEHD obtenus avec im liquide dont la conductivité est de 1000 μS/m : le symbole + indique l'obtention d'une PEHD stable (absence de régime impulsionnel de décharges), c'est-à-dire l'obtention d'un mode "cône-jet-glow" stable avec une probabilité égale à 1 ; le symbole - indique l'obtention d'ime PEHD instable (présence d'im régime impulsionnel de décharges), c'est-à-dire l'obtention d'im mode "cône-jet- glow" stable avec une probabihté inférieure à 1.
Les tableaux 1 et 2 ci-dessus, ainsi que les figures 3 et 4 mettent en évidence que, si les valeurs de Dext et Dmt répondent à une relation appropriée, ime PEHD sans régime impulsionnel de décharges peut être obtenue, dans l'air et à pression atmosphérique, pour un liquide à tension de surface supérieure à 0,055 N/m, et de manière remarquable supérieure à 0,065 N/m, avec une probabilité égale à 1. Par exemple, pour des Dext allant jusqu'à une valeur égale à (Dext maximal)/3 environ, une relation appropriée peut être calculée et lue sur la figure 3 (liquide de conductivité de 100 u_S/m) et la figure 4 (liquide de conductivité de 1000 //S/m) comme étant : rapport Dext du capillaire 1 supérieur à 1,5697 environ.
Dint
On procède de même sur les plages de Dex restantes (jusqu'à Dext maximal). Les tableaux 3 et 4 ci-dessous présentent, pour chaque diamètre extérieur Dext de capillaire 1 présenté dans le tableau 1 (liquide de conductivité 100 μS/m) et respectivement 2 (liquide de conductivité 1000 μS/m), la valeur maximale de diamètre intérieur Dmt de capillaire 1 qui peut être ainsi utilisée, conformément à l'invention, afin d'obtenir une PEHD sans régime impulsionnel de décharges dans l'air et à pression atmosphérique pour un liquide à tension de surface supérieure à 0,055 N/m, et de mamère remarquable supérieure à 0,065 N/m,
(Relation Dext = 1,5697 Dmt pour des valeurs de Dext inférieures à — de
Dext maximal environ).
TABLEAU 3 (liquide de conductivité 100 //S/m)
TABLEAU 4 (liquide de conductivité 1000 μS/m)
EXEMPLE 2
Des expériences ont été réalisées de mamère comparable à celles décrites en exemple 1 ci-dessus, mais en l'absence de support conducteur soutenant ledit conduit ou capillaire 1.
Les résultats obtenus sont reportés dans les tableaux 5 (liquide de conductivité 100 μS/m) et 6 (liquide de conductivité 1000 μS/m) ci- dessous.
TABLEAU 5
TABLEAU 6
Ces résultats sont illustrés respectivement par les figures 5 et 6. La figure 5 illustre les résultats reportés sur le tableau 5 (liquide de conductivité 100 μS/m ; τq = 7, 143136.10"6 ; liquide faible viscosité : le signe + symbolise une probabilité de PEHD stable en mode "cône-jet-glow" égale à 1 (instabilité dans le temps du mode "cône-jet-glow"), le signe - une probabilité inférieure à 1, la droite de valeurs limites de fonctionnement obtenue répond à l'équation Dext = 1,445 Dint avec Dext maximal = 4,22 mm). La figure 6 utilise le même symbolisme que la figure 5, et illustre les résultats issus du tableau 6 (liquide de conductivité 1000 μS/m, τq = 7, 143136.10"7 ; liquide faible viscosité) : la droite de valeurs limites de fonctionnement répond à l'équation Dex = 1.445 D^t mais avec Dext maximal = 1,77 mm.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de pulvérisation électrohydrodynamique, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un conduit à une sortie duquel im liquide polarisé peut êfre pulvérisé, et en ce que ledit conduit présente, tout au moins à cette sortie, des diamètres extérieur et intérieur tels que ledit dispositif est capable de pulvériser, dans l'air et à pression atmosphérique, un liquide dont la tension de surface est supérieure à 0,055 N/m, sans engendrer im régime impulsionnel de décharge.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits diamètres extérieur et intérieur présentent des dimensions qui répondent, lorsqu'elles sont exprimées dans la même unité, à la relation suivante : (dimension de diamètre extérieur) / (dimension de diamètre intérieur) supérieur à 1,445 environ, préférentiellement supérieur à 1,5697 environ, plus préférentiellement supérieur à 1,6 environ, encore plus préférentiellement supérieur à 1,8 environ.
3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la dimension dudit diamètre extérieur est inférieure à une valeur limite Dmaχ qui répond à la formule : logio (Dmaχ) = 0,37793 x logio (τq) + 0,34674 lorsque ledit liquide présente ime forte viscosité, ou à l'équation : logio (Dmax) = 0,37747 x logio (τq)+ 0,43141 lorsque ledit liquide présente une faible viscosité, avec Dmax ladite valeur limite en m, et τq la constante de relaxation électrique dudit liquide en s.
4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit conduit, tout au moins à ladite sortie, est essentiellement constitué par un capillaire, tel qu'une aiguille de seringue.
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit conduit présente, tout au moins à ladite sortie, des diamètres extérieur et intérieur tels que ledit dispositif est capable de pulvériser, dans l'air et à pression atmosphérique, un liquide dont la tension de surface est supérieure à 0,055 N/m dans im mode stable de fragmentation du liquide, tel qu'un mode "cône-jet-glow" stable.
6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens permettant d'appliquer ime tension électrique audit liquide en amont ou lors de son passage à l'intérieur dudit conduit, de mamère à le polariser.
7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite tension est ime tension continue, notamment une tension continue positive telle qu'une tension continue inférieure à 30 kV environ.
8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens permettant de dépolariser ledit liquide après pulvérisation, tel qu'un matériau électriquement conducteur relié à la masse.
9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens permettant, au cours de la pulvérisation dudit liquide, de collecter im courant de décharge dans le gaz entourant ledit liquide polarisé, tel que notamment im matériau conducteur présentant une ouverture de forme et de dimensions permettant le passage du liquide pulvérisé tout en collectant ledit courant de décharge.
10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en oufre des moyens d'alimentation en liquide (6) permettant un débit moyen de liquide de fonctionnement à l'entrée, ou à l'intérieur dudit conduit d'ime valeur en m3. s"1 qui est comprise dans une plage présentant im écart d'un facteur de 10 environ entre sa borne haute et sa borne basse, ladite plage comprenant, de préférence de mamère cenfrale, une valeur pouvant répondre à la formule suivante :
A[(4/3) π r3] / tq, A étant ime constante différente de 0 et de 1, comprise entre 0,1 et 10 environ et de préférence égale à 0,5 environ avec r le rayon de gouttes désiré exprimé en m, τq la constante de relaxation électrique dudit liquide exprimée en s.
11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit liquide dont la tension de surface est supérieure à 0,055N/m est essentiellement une solution (solvant et soluté(s) neufre(s) ou ionique(s), organique(s) ou minéral(aux)), ou un mélange de solutions choisie(s) parmi le groupe constitué par de l'eau, de l'eau ultrapure, de l'eau distillée, de l'eau comprenant des sels conducteurs, un solvant organique additionné de molécule(s) tensioactive(s), de l'éthanol additionné de molécule(s) tensioactive(s), de l'acétone additionnée de molécule(s) tensioactive(s), de l'éthylèneglycol additionné de molécule(s) tensioactive(s).
12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit liquide présente ime tension de surface supérieure à 0,065 N/m environ.
13. Dispositif de collecte de particules, et notamment de particules polluantes, présentes dans im aérosol, et en particulier de collecte par inertie, suite à la coagulation électrique sur des gouttelettes plus grosses, de particules dont la taille initiale est inférieure ou égale au micron, et notamment de particules polluantes dont la taille est inférieure ou égale au micron, présentes dans im aérosol, caractérisé en ce qu'il met en oeuvre un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 12.
14. Dispositif d'électroporation dîme membrane biologique pour le transfert de molécules organiques, et notamment d'acides nucléiques, caractérisé en ce qu'il met en oeuvre un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 12.
15. Méthode de pulvérisation électrohydrodynamique, caractérisée en ce qu'elle met en œuvre au moins im dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 14.
16. Méthode de dépollution d'effluents aérosols, ou transformables en aérosols, dont on chercher à éliminer les particules polluantes, caractérisée en ce qu'elle comprend les étapes de :
- polariser lesdites particules polluantes présentes en aérosol,
- produire une dispersion de gouttelettes de liquide de polarité inverse à l'aide d'au moins im dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, - mettre ladite dispersion de gouttelettes de liquide et lesdites particules polluantes polarisées en contact, de mamère à permettre la coagulation électrique de ces particules polluantes sur lesdites gouttelettes de liquide,
- collecter les gouttelettes de liquide polluées de mamère inertielle.
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