FR2635586A1

FR2635586A1 - Osmotic pressure sensor and method for measuring osmotic pressure

Info

Publication number: FR2635586A1
Application number: FR8811032A
Authority: FR
Original assignee: Electricite de France SA
Current assignee: Electricite de France SA
Priority date: 1988-08-19
Filing date: 1988-08-19
Publication date: 1990-02-23
Also published as: FR2635586B1

Abstract

Osmotic pressure sensor for measuring the osmotic pressure of a solution and corresponding method. The solution is poured into a closed-loop container 3, 20, 31, 40. Gas is introduced behind a piston 2 in order to push the liquid and filter it through semipermeable membranes 25. The pressure is progressively decreased. The osmotic pressure is measured by the manometer 10 when the filtered water remains stationary in a transparent tube 29.

Description

CAPTEUR DE PRESSION OSMOTIQUE ET PROCEDE DE MESURE DE
PRESSION OSMOTIQUE
DESCRIPTION
La présente invention se rapporte à un capteur de pression osmotique ainsi qu'a un procédé de mesure de pession osmotique utilisable avec ce capteur.OSMOTIC PRESSURE SENSOR AND METHOD FOR MEASURING
OSMOTIC PRESSURE
DESCRIPTION
The present invention relates to an osmotic pressure sensor as well as to an osmotic pession measurement method usable with this sensor.

La pression osmotique d'une solution vis-à- vis d'une membrane semi-perméabLe peut être mise en évidence en pLaçant, de part et d'autre de cette membrane semi-permeable, la solution et de l'eau pure dans deux enceintes soumises à des pressions déterminées. Quand les pressions sont analogues, on observe une osmose ou migration de l'eau pure vers
L'enceinte contenant la solution à travers la membrane.The osmotic pressure of a solution vis-à-vis a semi-permeable membrane can be demonstrated by placing, on either side of this semi-permeable membrane, the solution and pure water in two enclosures subjected to determined pressures. When the pressures are similar, we observe an osmosis or migration of pure water towards
The enclosure containing the solution through the membrane.

La pression osmotique est La différence des pressions des deux enceintes quand l'équilibre est obtenu. Si la différence des pressions est supérieure à cette pression osmotique, on observe par contre une osmose inverse, c'est-à-dire le passage d'eau contenue dans la solution dans l'enceinte d'eau pure.The osmotic pressure is the difference of the pressures of the two enclosures when the balance is obtained. If the difference in pressures is greater than this osmotic pressure, on the other hand, reverse osmosis is observed, that is to say the passage of water contained in the solution in the enclosure of pure water.

On dispose de deux méthodes principales pour mesurer ta pression osmotique. L'une d'elles mesure plus précisément ce qu'on appelle L'activité de L'eau vis-à-vis de La solution et consiste à disposer une coupelle remplie de La solution dans l'atmosphère d'une enceinte étanche. Un produit de référence peut être placé dans une coupelle voisine d'après certaines variantes de La méthode. Quand L'équiLibre est obtenu, on mesure par exemple la température, La pression ou
L'humidité de l'atmosphère.There are two main methods for measuring your osmotic pressure. One of them measures more precisely what is called The activity of Water vis-à-vis The solution and consists in placing a cup filled with The solution in the atmosphere of a sealed enclosure. A reference product can be placed in a neighboring cup according to certain variants of the method. When equilibrium is obtained, we measure for example the temperature, the pressure or
The humidity of the atmosphere.

Ces méthodes procèdent donc sans employer de membrane et ne sont donc valables que pour déterminer
la pression osmotique d'une solution vis-à-vis d'une membrane parfaitement semi-perméable, perméable à l'eau et absolument imperméable aux corps dissous, ce qui n'est pas représentatif de la réalité.These methods therefore proceed without using a membrane and are therefore only valid for determining
the osmotic pressure of a solution vis-à-vis a perfectly semi-permeable membrane, permeable to water and absolutely impermeable to dissolved bodies, which is not representative of reality.

Une autre méthode consiste à placer la solution et l'eau dans deux enceintes mitoyennes dont la paroi commune est constituée par la membrane semiperméable. La pression est au début ta meme dans les deux enceintes, puis la migration de l'eau à travers la membrane conduit à un déséquilibre qui donne la pression osmotique lorsque L'équilibre est atteint. Another method consists in placing the solution and the water in two adjoining enclosures, the common wall of which is formed by the semipermeable membrane. The pressure is at the start even in the two enclosures, then the migration of water through the membrane leads to an imbalance which gives the osmotic pressure when equilibrium is reached.

Cette méthode n'est cependant pas adaptée à mesurer la pression osmotique consécutive à une osmose inverse telle que définie plus haut. IL est en effet bien connu que la pression osmotique augmente avec la concentration des corps dissous dans la solution. Or, quand une osmose inverse se produit, la figure 2 montre que la concentration de la solution occupant L'enceinte
E est plus forte dans une couche de polarisation PO devant la membrane M, où elle s'éLève de Co à Cm en se rapprochant de celle-ci. D'autre part la membrane M n1 est pas parfaitement imperméable aux corps dissous, dont une partie passe donc de L'autre côté F mais demeure près de la membrane M (la concentration diminue progressivement de Cp, inférieure à Cm, à zéro en s'éloignant de la membrane M).La pression osmotique à mesurer dépend alors de la différence des concentrations (Cm-Cp) des corps dissous des deux côtés de la membrane et doit donc cotre distinguée de la pression osmotique qui serait mesurée entre une enceinte remplie d'une solution à concentration uniforme Co, sans couche de polarisation, et une autre enceinte remplie d'eau pure. C'est cette dernière pression osmotique que le dispositif qui vient d'entre décrit mesure, car il n'implique que La migration d'une très faible quantité d'eau dans un sens opposé à celui de L'osmose inverse.This method is however not suitable for measuring the osmotic pressure following a reverse osmosis as defined above. It is indeed well known that the osmotic pressure increases with the concentration of the bodies dissolved in the solution. However, when a reverse osmosis occurs, Figure 2 shows that the concentration of the solution occupying the enclosure
E is stronger in a polarization layer PO in front of the membrane M, where it rises from Co to Cm while approaching the latter. On the other hand, the membrane M n1 is not perfectly impermeable to the dissolved bodies, part of which therefore passes to the other side F but remains close to the membrane M (the concentration decreases progressively from Cp, less than Cm, to zero in s moving away from the membrane M). The osmotic pressure to be measured then depends on the difference in the concentrations (Cm-Cp) of the dissolved bodies on both sides of the membrane and must therefore be distinguished from the osmotic pressure which would be measured between a filled enclosure of a solution with uniform Co concentration, without polarization layer, and another enclosure filled with pure water. It is this last osmotic pressure that the device which has just described measures, because it only involves the migration of a very small quantity of water in a direction opposite to that of reverse osmosis.

L'invention permet par contre de mesurer la pression osmotique de la solution à la suite de La création de couches de polarisation de part et d'autre de la membrane par une osmose inverse. On y parvient en déplaçant une paroi mobile de L'enceinte dans Laquelle la solution se trouve de façon à réduire son volume, tout en accroissant la pression de la solution. On crée donc une osmose inverse à travers la paroi que l'on ralentit progressivement en réduisant la pression peu à peu. La pression osmotique recherchée est mesurée lorsqu'un état d'équilibre est atteint. The invention on the other hand makes it possible to measure the osmotic pressure of the solution following the creation of polarization layers on either side of the membrane by reverse osmosis. This is achieved by moving a movable wall of the enclosure in which the solution is located so as to reduce its volume, while increasing the pressure of the solution. We therefore create a reverse osmosis through the wall which we gradually slow down by reducing the pressure little by little. The osmotic pressure sought is measured when an equilibrium state is reached.

Le capteur de pression osmotique selon l'invention comprend plus précisément une enceinte entièrement occupée par la solution, une chambre de filtrat séparée de L'enceinte par une membrane semiperméable, un manomètre mesurant la pression de la solution, l'enceinte comprenant une paroi mobile permettant de réduire son volume sous L'action d'un générateur d'effort régLabLe#déplaçant la paroi mobile et un moyen de repérage des variations du niveau du liquide occupant la chambre de filtrat. The osmotic pressure sensor according to the invention more specifically comprises an enclosure entirely occupied by the solution, a filtrate chamber separated from the enclosure by a semipermeable membrane, a pressure gauge measuring the pressure of the solution, the enclosure comprising a movable wall. allowing its volume to be reduced under the action of an adjustable effort generator # moving the movable wall and a means of identifying variations in the level of the liquid occupying the filtrate chamber.

Dans une réaLisation préférée, le générateur d'effort régLabLe est une source de gaz comprimé débouchant dans un réservoir, la paroi mobile étant un piston coulissant dans le réservoir et séparant ceLu;- ci en une zone appartenant à L'enceinte et donc occupée par la solution et une autre zone occupée par le gaz. In a preferred embodiment, the adjustable force generator is a source of compressed gas opening into a tank, the movable wall being a piston sliding in the tank and separating it; this in an area belonging to the enclosure and therefore occupied by the solution and another area occupied by the gas.

Le moyen de repérage peut autre en fait constitué d'un tube transparent débouchant dans la chambre de filtrat à une extrémité inférieure, et à l'air Libre à une extrémité supérieure. The locating means may other in fact consist of a transparent tube opening into the filtrate chamber at a lower end, and to open air at an upper end.

Le procédé conforme à l'invention consiste, après avoir versé la solution dans l'enceinte, réduire le volume de L'enceinte par application par Le générateur d'une pression supérieure à la pression osmotique pour filtrer une partie de La solution à travers la membrane vers la chambre de filtrat. On réduit ensuite progressivement La pression dans
L'enceinte jusqu'à arreter La filtration de la solution.The process according to the invention consists, after having poured the solution into the enclosure, reducing the volume of the enclosure by application by the generator of a pressure greater than the osmotic pressure in order to filter a part of the solution through the membrane to the filtrate chamber. Then gradually reduce the pressure in
The enclosure until the filtration of the solution is stopped.

Une réaLisation envisagée de l'invention va maintenant etre décrite plus en détail avec la figure 1 annexée, la figure 2 déjà décrite expliquant le phénomène d'osmose inverse. An envisaged embodiment of the invention will now be described in more detail with FIG. 1 appended, FIG. 2 already described explaining the phenomenon of reverse osmosis.

Le capteur de pression osmotique comprend un réservoir 1 longiligne et présentant une partie médiane cylindrique dans laquelle un piston 2 coulisse. Le piston 2 sépare L'intérieur du réservoir 1 en deux zones : une première zone 3 emplie de la solution dont on mesure La pression osmotique et une seconde zone 4 remplie de gaz. Une conduite axiale 5 creuse traverse l'essentiel du réservoir 1, passe par La totalité de la seconde zone 4 et par la plus grande partie de la première zone 3 ; elle se termine par une boule perforée 6 le faisant communiquer avec la première zone 3. The osmotic pressure sensor comprises a slender tank 1 and having a cylindrical central part in which a piston 2 slides. The piston 2 separates the interior of the reservoir 1 into two zones: a first zone 3 filled with the solution of which the osmotic pressure is measured and a second zone 4 filled with gas. A hollow axial pipe 5 crosses most of the reservoir 1, passes through the whole of the second zone 4 and through most of the first zone 3; it ends with a perforated ball 6 making it communicate with the first zone 3.

L'étanchéité entre Les deux zones 3 et 4 est maintenue par deux joints d'étanchéité 7 et 8 disposés sur le piston 2, respectivement contre la paroi interne du réservoir 1 et autour de La conduite 5. The seal between the two zones 3 and 4 is maintained by two seals 7 and 8 arranged on the piston 2, respectively against the internal wall of the reservoir 1 and around the pipe 5.

Un épaulement 12 est prévu à L'intérieur du réservoir 1 pour empecher le piston 2 de coulisser jusqu'à La boule perforée 6. A shoulder 12 is provided inside the tank 1 to prevent the piston 2 from sliding up to the perforated ball 6.

Une conduite de pressurisation 9 débouche dans la seconde zone 4. Elle permet d'y insuffler du gaz à une pression déterminée et mesurée par un manomètre 10 sur cette conduite 9 ou sur La deuxième zone 4. Une vanne 11 permet d'obstruer ou d'ouvrir La conduite de pressurisation 9. A pressurization pipe 9 opens into the second zone 4. It allows gas to be injected therein at a pressure determined and measured by a pressure gauge 10 on this pipe 9 or on the second zone 4. A valve 11 makes it possible to obstruct or d '' open the pressurization line 9.

Une conduite de circulation de la solution 20 débouche au fond de la première zone 3 du réservoir 1. A solution circulation pipe 20 opens at the bottom of the first zone 3 of the tank 1.

Elle comprend un robinet 21 qui peut permettre de soutirer une partie de la solution en la faisant passer dans une conduite de préLèvement 22. Une pompe 23 est disposée sur la conduite de circulation 20 et assure la circulation de la solution. La conduite de circulation 20 se divise en aval de la pompe 3 en deux branches 24 qui aboutissent chacune dans un volume cylindrique 31 dé Limité par une membrane semi-perméable tubulaire 25 disposée verticalement. Des enveloppes 26 sont disposées autour des membranes 25 et délimitent avec celles-ci des chambres de filtrat annulaires 27 en bas desquelles une conduite 28 débouche.Les conduites 28 se joignent et aboutissent à un tube transparent vertical 29 dont L'extrémité supérieure débouche à l'air Libre et qui permet de repérer Le niveau de
Liquide dans les chambres de filtrat 27. En outre, deux tubes de mise à l'air Libre 30 débouchent au sommet des chambres de filtrat 27.It comprises a tap 21 which can make it possible to draw off part of the solution by passing it through a sampling line 22. A pump 23 is disposed on the circulation line 20 and ensures the circulation of the solution. The circulation pipe 20 is divided downstream of the pump 3 into two branches 24 which each end in a cylindrical volume 31 defined by a semipermeable tubular membrane 25 arranged vertically. Envelopes 26 are arranged around the membranes 25 and delimit with them annular filtrate chambers 27 at the bottom of which a pipe 28 opens. The pipes 28 join and end in a vertical transparent tube 29, the upper end of which opens at Free air and which identifies the level of
Liquid in the filtrate chambers 27. In addition, two free air tubes 30 open at the top of the filtrate chambers 27.

Les enveloppes 26 ont un couvercle 32 amovible qui autorise Le remplacement des membranes 25. The envelopes 26 have a removable cover 32 which allows the replacement of the membranes 25.

L'appareillage comprend encore une conduite de retour 40 qui se divise à une extrémité en deux branches 41 débouchant à travers les couvercles 32, au sommet des volumes eytindriques 31 et qui comprend également une conduite supérieure de purge d'air 42 munie d'un robinet 43, une vanne de fermeture 50, une conduite d'introduction de la solution 48 munie d'un robinet 49, ainsi qu'un échangeur de chaleur 44 pour ajuster la température de la solution. L'échangeur de chaleur 44 se compose d'une enveloppe 45 autour de la canalisation de retour 40 et munie à ses extrémités d'une canalisation d'entrée d'eau chaude 46 et d'une canalisation de sortie d'eau froide 47. The apparatus also comprises a return pipe 40 which divides at one end into two branches 41 opening out through the covers 32, at the top of the eytindrical volumes 31 and which also comprises an upper air bleed pipe 42 provided with a tap 43, a closing valve 50, a pipe for introducing the solution 48 provided with a tap 49, as well as a heat exchanger 44 for adjusting the temperature of the solution. The heat exchanger 44 consists of a casing 45 around the return pipe 40 and provided at its ends with a hot water inlet pipe 46 and a cold water outlet pipe 47.

Enfin, La conduite de retour 40 aboutit à son extrémité opposée aux branches 41 dans le réservoir 1 où elle est prolongée par la conduite axiale 5. Finally, the return pipe 40 ends at its end opposite the branches 41 in the tank 1 where it is extended by the axial pipe 5.

Un thermomêtre 51 mesure La température de la solution. A thermometer 51 measures the temperature of the solution.

Pour réaliser une mesure, la solution est tout d'abord introduite par la conduite d'introduction 48 jusqu'à ce qu'elle emplisse La première zone 3 du réservoir 1, les volumes cylindriques 31 ainsi que les conduites de circulation 20, de retour 40 et axiale 5 qui délimitent ainsi L'enceinte occupée par la solution, l'air étant entièrement purgé par la conduite 42. Cette enceinte est à volume variable à cause de la faculté qu'a le piston 2 de se déplacer ; elle constitue par ailleurs une boucle fermée dans laquelle la pompe 23 peut assurer la circulation de La solution. To carry out a measurement, the solution is first of all introduced via the introduction pipe 48 until it fills The first zone 3 of the tank 1, the cylindrical volumes 31 as well as the circulation pipes 20, back 40 and axial 5 which thus delimit the enclosure occupied by the solution, the air being entirely purged by line 42. This enclosure is of variable volume because of the ability of the piston 2 to move; it also constitutes a closed loop in which the pump 23 can circulate the solution.

Une fois que l'échangeur de chaleur 44 a été mis en marche ainsi que la pompe 23 pour chauffer la solution jusqu'à la température souhaitée pour l'essai, du gaz comprimé originaire d'une source non représentée est introduit par la canalisation d'introduction 9 dans la seconde zone 4 du réservoir 1 à une pression supérieure à la pression osmotique de la solution. Il en résulte qu'une partie de La soLution est fiLtrée par les membranes semi-perméables 25 et s'écoule dans les chambres de filtrat 27 ainsi que dans le tube vertical 29, qui étaient vides de tout Liquide auparavant. Le piston 2 se dépLace en conséquence dans le réservoir 1. Once the heat exchanger 44 has been started as well as the pump 23 to heat the solution to the temperature desired for the test, compressed gas originating from a source not shown is introduced through the line d introduction 9 into the second zone 4 of the reservoir 1 at a pressure higher than the osmotic pressure of the solution. As a result, part of the solution is filtered by the semi-permeable membranes 25 and flows into the filtrate chambers 27 as well as into the vertical tube 29, which were previously empty of any liquid. The piston 2 moves accordingly in the tank 1.

Après avoir débranché la source de gaz comprimé de la canalisation 9, la vanne 11 est ouverte de manière à diminuer lentement la pression du gaz dans ta seconde zone 4. La filtration continue de plus en plus lentement jusqu'à ce qu'on constate un équilibre par stabilisation du niveau du liquide dans Le tube 29 : Le volume de L'enceinte est alors stationnaire. La pression enregistrée par le manomètre 10 correspond
alors à la pression osmotique recherchée.After disconnecting the source of compressed gas from the line 9, the valve 11 is opened so as to slowly decrease the gas pressure in the second zone 4. The filtration continues more and more slowly until a balance by stabilization of the level of the liquid in the tube 29: The volume of the enclosure is then stationary. The pressure recorded by the pressure gauge 10 corresponds
then at the osmotic pressure sought.

Un prélèvement d'échantillon par la canalisation 22 permet de déduire la concentration exacte de la solution à ce moment, qui a pu varier
sensiblement compte tenu de l'importance du volume
filtré.A sample taken via line 22 allows the exact concentration of the solution at this time to be deduced, which may have varied
appreciably taking into account the importance of the volume
filtered.

Le procédé décrit permet de créer et maintenir des couches de polarisation sur les faces
interne 61 et externe 62 des membranes 25. On mesure donc bien la valeur souhaitée de la différence de
pression osmotique de part et d'autre des membranes.The method described makes it possible to create and maintain polarization layers on the faces.
internal 61 and external 62 of the membranes 25. The desired value of the difference in
osmotic pressure on either side of the membranes.

On a adopté dans cette réalisation une enceinte en boucle fermée pour pouvoir mesurer la
pression osmotique correspondant à des conditions
d'écoulement turbulent. On pourrait envisager des
dispositifs sans ta conduite de retour 40 ni la pompe
23 pour mesurer la pression osmotique correspondant à un régime statique. Cette pression devrait cotre
différente puisque la couche de polarisation ne serait
pas forcément la même.In this embodiment, a closed loop enclosure was adopted in order to be able to measure the
osmotic pressure corresponding to conditions
turbulent flow. We could consider
devices without your return line 40 or the pump
23 to measure the osmotic pressure corresponding to a static regime. This pressure should cut
different since the polarization layer would not be
not necessarily the same.

On a décrit L'emploi de deux membranes 25
cylindriques qui conduisent à des surfaces de
filtration plus importantes et donc à des résultats plus précis.The use of two membranes has been described.
cylindrical which lead to surfaces of
greater filtration and therefore more precise results.

Les membranes peuvent cotre de forme quelconque et en nombre quelconque, disposées en série ou en parallèle, sans sortir du cadre de l'invention. The membranes can cut any shape and any number, arranged in series or in parallel, without departing from the scope of the invention.

Dans tous les cas, le capteur est de
conception simple et robuste, notamment parce qu'il n'emploie pas de pompe ou pièce tournante pour pressuriser la solution. Il est donc parfaitement
adapté à des solutions à forte pression osmotique. La
limite supérieure de mesure est donnée par les résistances limites à La pression--de la pompe de recirculation et des membranes utilisées. In all cases, the sensor is
simple and robust design, especially because it does not use a pump or rotating part to pressurize the solution. So it's perfectly
suitable for solutions with high osmotic pressure. The
upper limit of measurement is given by the pressure limit resistances - of the recirculation pump and of the membranes used.

Claims

1. Osmotic pressure sensor of a solution through a semi-permeable membrane (25) separating an enclosure (3, 20, 24, 31) entirely occupied by the solution of a filtrate chamber (27), a pressure gauge ( 10) measuring the pressure of the solution occupying the enclosure, characterized in that the enclosure is partially delimited by a movable wall (2) under the action of an adjustable force generator,

The effort tending to move the wall so as to reduce the volume of the enclosure, the sensor being provided with means for locating (29) variations in the level of the liquid occupying the filtrate chamber (27).

2. osmotic pressure sensor of a solution according to claim 1, characterized in that the movable wall is a piston (2) sliding in a tank (1) and separating the tank into two zones, a first zone (3) belonging At the enclosure, the adjustable force generator being constituted by a source of compressed gas opening into the second zone (4) of the tank, and by a pipe (9) for progressive evacuation of gas opening into the second zone (4 ).

3. Osmotic pressure sensor of a solution according to claim 2, characterized in that the pressure gauge (10) opens into the second zone (4), occupied by the gas, of the reservoir (1).

4. osmotic pressure sensor of a solution according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the locating means (29) is a transparent tube opening into the filtrate chamber (27) at a lower end and in the open air at an upper end.

5. osmotic pressure sensor of a solution according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the enclosure is generally in closed loop and is provided with a pump (23) creating a circulation of the solution in the loop.

6. Osmotic pressure sensor according to claims 2 and 5, characterized in that the loop comprises a pipe (5) passing through the second zone (4) of the reservoir (1) and ending in the first zone (3) of the reservoir.

7. Osmotic pressure sensor according to any one of claims 5 or 6, characterized in that a thermal source (44) is installed on the loop to adjust the temperature of the solution.

8. Method for measuring osmotic pressure using a device according to any one of the preceding claims, characterized in that it consists, the solution having been poured into the enclosure, of reducing the volume of the enclosure by application an effort on the movable wall (2) to pressurize the solution above the osmotic pressure, then to reduce the effort on the paro; mobile until the volume of the enclosure becomes stationary, the pressure measured by the manometer (10) then being equal to the osmotic pressure.

9. Method for measuring osmotic pressure of a solution according to claim 8, characterized in that a verification of the concentration of ~ the solution is carried out after the measurement of osmotic pressure.