Modification du pouvoir entartrant de l'eau par chauffage micro-ondes

Modification of the scaling properties of water by microwave heating

Ecole Nationale Supérieure d'Arts et Métiers, LM3-ESA CNRS 8006 - 151, boulevard de l'Hôpital 75013 PARIS

Résumé

Un chauffage rapide de l'eau permet de modifier, quasi-instantanément, les équilibres calcocarboniques. Lorsque les sursaturations locales en carbonate de calcium sont suffisamment élevées on peut amorcer une germination de CaCO₃ colloïdal analogue à celle qui est engendrée par les appareils de traitement " physique" de l'eau. Le chauffage par micro-ondes présente dans ce cas un double intérêt :

- Il s'agit d'un procédé thermique à sources internes provoquées par la relaxation diélectrique, sous l'influence des pulsations à très haute fréquence du champ électrique. Il n'y a donc aucun apport thermique à travers une paroi, seuls subsistent les transferts dus à la déperdition de chaleur vers l'extérieur. De plus il y a également absence de phénomènes liés à la diffusion de chaleur aux interfaces avec cette source.

- Il permet de disposer, dans de larges limites, d'un contrôle de la cinétique d'élévation de température, qui est un paramètre essentiel du phénomène de germination de CaCO₃.

Avec le dispositif expérimental utilisé on peut traiter l'eau de manière statique (volume fixe) ou dynamique (écoulement). Pour obtenir un traitement on ne chauffe qu'une partie de l'eau à traiter (12,5 %) qui est réinjectée dans l'eau à modifier. L'efficacité du traitement est quantifiée par la méthode de " Précipitation Contrôlée Rapide " qui consiste à suivre la cinétique de germination - croissance du CaCO₃ lors d'une précipitation. Les paramètres retenus sont le pH et la résistivité de l'eau. Les résultats obtenus montrent que les paramètres les plus importants sont les suivants : la puissance de la source micro-ondes, la température finale atteinte, la position du tube contenant l'eau par rapport à la direction du champ électrique, le diamètre du tube qui doit être choisi en tenant compte du phénomène de résonance dimensionnelle. Tous ces paramètres, ainsi que la composition de l'eau, interviennent dans la cinétique de chauffage. Si celle-ci est adaptée on obtient effectivement un effet antitartre. Une optimisation avec de l'eau embouteillée d'Aix les Bains a donné un optimum pour un chauffage de 35 à 37 secondes dans un tube de diamètre 16,5 mm, placé dans le guide d'ondes parallèlement au champ électrique. La température correspondante est de 90°C. La puissance micro-onde optimisée étant de 600W. Pour des températures plus élevées (> 90°C) ou trop basses (< 60°C) le traitement est inefficace ou accélérateur de l'entartrage.

Abstract

The fast heating of water allows to change the calcium carbonate equilibrium almost instantaneously. When CaCO₃ local oversaturations are high enough, a CaCO₃ colloïdal nucleation starts similar to the one which is generated by the physic systems of water treatment. The microwave heating has, in that case, a twofold advantage :

- it is a heating process with internal sources due to dielectric relaxation under the influence of ultra high frequency pulsations of the electrical field. Therefore there is no heat contribution throughout cell walls, only the transfers due to the heat loss towards the exterior.

- it allows to control, to a large extent, the regulation of a rise in temperature, which is the main parameter of the CaCO₃ nucleation.

With the experimental device used, water can be treated by either a static (fixed volume) or a dynamic way (flow). Only a part of the water (12.5%), which is injected into the water to be treated, is heated.

The efficiency of the treatment is quantified by a method called Fast Controled Precipitation Test (FCP) which consists in following the kinetics of the CaCO₃ nucleation-growth phenomenom during the precipitation. The method consists in comparing the behaviours of two types of water: one is untreated while the other one undergoes a physical, chemical or heating treatment. Thanks to controlled stirring, both are simultaneously raised to an oversaturation degree of about 30 K's. Once gases have been extracted, they strike an equilibrium with the atmosphere and are still characterized heterogenous precipitation. The process of nucleation-growth leading to their precipitation can then be studied, using conventional measurements of pH assessment and conductivity. The corresponding FCP charts make it possible to calculate an efficiency ratio expressed in percentage.

The results show that parameters like the microwave power, the final temperature, the position of the water tube with regard to the electrical field direction, the tube diameter which must be chosen by taking into account the dimensional resonance phenomenom, are the most important.

So, for a similar final temperature, the fastest heating velocity gives the best results. In compensation, at a similar power (400 W) we have shown that the best efficiency could be obtained for a lower temperature, about 70°C. That underlines that the heating velocity is paramount if the heating kinetics is adapted.