Installation et procédé de minéralisation d'une boisson aqueuse

La présente invention concerne de manière générale une installation et un procédé de minéralisation d'une boisson aqueuse, et notamment de l'eau potable.

Le domaine visé est en premier lieu celui des articles électroménagers prévus pour la préparation de boissons aqueuses, et plus particulièrement la minéralisation de boissons aqueuses, y compris l'eau potable .

Par minéralisation d'une boisson, on entend, au sens de la présente invention, son enrichissement en sels minéraux et/ou oligo-éléments.

Par eau potable, on entend, au sens de la présente invention, toute eau apte à la consommation humaine.

A l'heure actuelle, la majorité des procédés mis en œuvre pour minéraliser de l'eau potable utilise le même principe de dissolution passive de sels minéraux (par exemple sous forme de roche soluble telle que la dolomite), qui présente l'inconvénient d'être lent et de ne pas permettre un large choix dans la composition finale de l'eau en minéraux.

Ainsi, pour remédier à ces problèmes, la demanderesse a mis au point une installation permettant la minéralisation par voie électrolytique d'une boisson aqueuse, de manière quasi-instantanée tout en contrôlant la quantité finale de minéraux.

Il est connu de l'homme de l'art d'utiliser la voie électrolytique pour traiter de l'eau. Ainsi, le brevet américain US 7,306,725 décrit un appareil de traitement de l'eau comportant une électrode apte à larguer des ions Mg ou Ca . Toutefois, il s'agit d'une installation pour la décontamination des chlorures et rien n'est dit dans US 7,306,725 US concernant l'enrichissement de l'eau en cations Mg ²⁺ ou Ca ²⁺ .

De même, le brevet américain US 6,860,990 décrit également un dispositif de traitement de l'eau. Celui-ci comporte une électrode sacrificielle en magnésium. Toutefois, les ions Mg ²⁺ produits par voie électrolytique à partir de cette électrode servent à neutraliser les ions chlorures et non à l'enrichissement de l'eau en Mg ²⁺ .

La présente invention a donc pour objet une installation pour la minéralisation d'une boisson aqueuse, par exemple une eau potable comprenant :

■ un dispositif de filtration de l'eau ou de la boisson,

^■ un dispositif de minéralisation de la boisson filtrée comprenant un réservoir, dans lequel est disposé au moins un composé comprenant au moins un élément minéral sous forme d'un métal ou de son sel, et

^■ un système de circulation dans ladite installation apte à amener la boisson filtrée en provenance dudit dispositif de filtration vers ledit dispositif de minéralisation.

Selon l'invention, le dispositif de minéralisation comprend :

un réacteur anodique de minéralisation qui contient :

· un système d' introduction de la boisson à minéraliser communiquant avec ledit système de circulation, • ledit composé constituant une anode soluble, qui est reliée au pôle positif d'un générateur de courant électrique, ledit élément minéral contenu dans ledit composé étant apte à former des cations métalliques sous l'effet d'un courant électrique,

• un système d'évacuation de la boisson une fois minéralisée hors dudit réacteur d' anodisation,

un réacteur cathodique comprenant une cathode, par exemple en acier inoxydable, plongeant dans une solution saturée en sels aptes à assurer la conduction électrique dans le milieu tout en évitant de redéposer du métal sur la cathode par réduction (par exemple des sels de type NaCl) , ladite cathode étant reliée au pôle négatif dudit générateur,

une membrane imperméable aux cations métalliques dudit élément minéral issus de l'anode soluble sous l'effet d'un courant électrique, ladite membrane séparant lesdits réacteurs anodique et cathodique à l'intérieur du dispositif de minéralisation.

Par sels minéraux, on entend, au sens de la présente invention, les sels métalliques qui sont présents dans l'organisme humain en quantité élevée ou suffisamment élevée pour jouer un rôle plastique ou de construction (par exemple pour l'édification de nouvelles cellules, réparation des tissus, élaboration des enzymes nécessaires à la digestion, des hormones etc.) ou un rôle à la fois plastique et fonctionnel (notamment une bonne utilisation des nutriments énergétiques, protection et régulation du bon fonctionnement de l'organisme) . De tels sels-minéraux sont alors considérés comme étant des macronutriments. A titre de sels minéraux (macronutriments) , on utilisera avantageusement dans le cadre de la présente invention les métaux alcalins et alcalino-terreux (tels que le sodium, le potassium, le magnésium, et le calcium) et le fer.

Par oligo-éléments, on entend, au sens de la présente invention, des sels minéraux métalliques présents en quantité faible ou infime dans l'organisme, qui malgré leur faible dosage sont néanmoins indispensable au bon fonctionnement de l'organisme et dont l'absence peut provoquer des anomalies structurelles et physiologiques. A titre d' oligo-éléments , on utilisera avantageusement dans le cadre de la présente invention le zinc, le cuivre, le manganèse, le sélénium, le cobalt, le chrome, le germanium, le rubidium, et le vanadium.

L'élément minéral contenu dans l'anode est nécessairement un élément métallique, car sinon il n'est pas possible de réaliser une minéralisation d'une boisson ou d'une eau par voie électrolytique à l'aide de l'installation selon l'invention.

Selon un premier mode de réalisation avantageux de la présente invention, le composé de l'anode soluble peut être essentiellement métallique, et est constitué de l'élément minéral sous forme de métal pur ou allié à un ou plusieurs autres éléments chimiques.

Par composé essentiellement métallique, on entend au sens de la présente invention, un composé ayant des propriétés métalliques et composé de deux ou plusieurs éléments, dont un au moins est un métal. Dans ce premier mode de réalisation, on utilisera avantageusement une anode entièrement constituée de magnésium ou d'un alliage calcium/magnésium.

Selon un deuxième mode de réalisation avantageux de la présente invention, le composé de l'anode soluble peut être constitué d'un matériau poreux, dont les pores sont remplis d'au moins un sel minéral.

Par exemple, on peut utiliser une mousse métallique, par exemple une mousse de magnésium métal dont les pores sont remplis de carbonate de calcium et chlorure de calcium.

En fonctionnement, lorsque l'on applique une différence de potentiel entre l'anode et la cathode, on génère à l'anode la formation de cations métalliques dudit élément minéral. La vitesse de réaction est contrôlée par l'intensité du courant électrique ainsi généré .

Par exemple, dans le cas d'une anode uniquement constituée de magnésium, la réaction principale qui se déroule à l'anode est la suivante :

(1) Mg -> Mg ²⁺ + 2e ^"

De la même façon, dans le cas d'une anode en calcium, la réaction principale qui se déroule à l'anode est la suivante :

(2) Ca -» Ca ²⁺ + 2e ^" Si l'anode comporte essentiellement un métal tel que le magnésium ou le calcium, mais également, en des quantités bien moindres d'autres éléments chimiques, c'est la vitesse de la réaction anodique (1) ou (2) (selon que le métal principal est le magnésium ou le calcium) qui contrôlera la vitesse de dissolution du composé constitutif de l'anode.

Si l'anode est constituée d'un alliage métallique, proportion des éléments dissous est la même que dans l'alliage : tous les éléments de l'alliage sont dissous en même temps et leur vitesse de dissolution est proportionnelle au courant électrique imposé.

Si l'anode est constituée d'un matériau poreux tel qu'une mousse métallique en magnésium dont les pores sont remplis d'au moins un sel minéral, le magnésium est dissous selon la réaction (1), tandis que les sels métalliques contenus dans les pores passent en solution selon les principes de dissolution classique des sels dans l'eau.

La nature du composé constitutif de l'anode est choisie en fonction des applications visées (types de boissons ou d'eaux) . Par contre, les concentrations en minéraux visés pour une boisson ou une eau données dépendent de facteurs tels que la vitesse de dissolution (dépendante du courant électrique imposé, et de la surface de l'anode), le temps de passage de l'eau sur la surface de l'anode ou les surfaces exposées de sels minéraux et/ou de métaux.

Par ailleurs, la réaction principale qui se déroule à la cathode, dans un milieu adéquat aqueux à pH entre 1 et 7, est la suivante :

(3) 2H ⁺ + 2e ^~ ^ H ₂ En fonctionnement, en faisant varier un certain nombre de paramètres (comme par exemple la taille de l'anode, la composition chimique de l'anode, l'intensité du courant, ou encore l'épaisseur de la membrane séparant les réacteurs anodique et cathodique) , on peut donc choisir la concentration que l'on souhaite atteindre : la quantité visée sera très faible si l'élément minéral que l'on souhaite ajouter appartient à la catégorie des oligoéléments), tandis qu'elle sera plus élevée si l'élément minéral appartient à la catégorie des sels minéraux de type macronutriments.

L'installation selon l'invention, comprend, outre le dispositif de minéralisation, un dispositif de filtration, qui est disposé en amont de ce dernier. II s'agit de préférence d'un système par osmose inverse, car il permet d'éliminer la grande majorité des composants organiques et inorganiques indésirables dissous, comme par exemple les métaux lourds (en l'occurrence Pb, Cd, et Hg) ou les particules organiques comme les bactéries ou hydrocarbures. Etant donné qu'un système par osmose inverse a par ailleurs tendance à éliminer aussi les sels minéraux, l'installation selon l'invention permet de partir d'une eau pure, que l'on reminéralise ensuite en maîtrisant la quantité finale de minéraux dans l'eau.

La présente invention a encore pour objet un procédé de minéralisation d'une eau potable ou d'une boisson aqueuse comprenant les étapes de filtration préalable de l'eau ; puis de minéralisation de l'eau ainsi filtrée par mise en circulation dans un réservoir contenant au moins un composé comportant au moins un élément minéral sous forme d'un métal électropositif ou de son sel.

Selon l'invention, la minéralisation est réalisée par voie électrolytique et comporte les étapes suivantes :

mise en œuvre d'une cellule électrochimique comprenant un réacteur anodique de minéralisation constitué du réservoir dans lequel l'eau ou la boisson filtrée est mise en circulation, ledit réacteur anodique contenant ledit composé à titre d'anode soluble reliée au pôle positif d'un générateur de courant électrique, et un réacteur cathodique comprenant une cathode (par exemple en acier inoxydable) plongeant dans une solution saturée en sels aptes à assurer la conduction électrique dans le milieu tout en évitant de redéposer du métal sur la cathode par réduction (par exemple de type NaCl) , ladite cathode étant reliée au pôle négatif dudit générateur, lesdits réacteurs anodique et cathodique étant séparés à l'intérieur du dispositif de minéralisation par une membrane imperméable aux cations métalliques dudit élément minéral, puis - application d'une différence de potentiel entre l'anode et la cathode, de manière à générer à l'anode la formation de cations métalliques dudit élément minéral.

L'installation selon l'invention permet la mise en œuvre du procédé selon l'invention lorsque l'on applique une différence de potentiel entre l'anode et la cathode, comme illustrée par les figures 1 et 2. Comme indiqué précédemment, la filtration est réalisée par osmose inverse, de manière à éliminer l'essentiel des composés indésirables et obtenir une eau la plus pure possible.

Les avantages du procédé selon l'invention, notamment mis en œuvre grâce à l'installation selon l'invention, sont les suivants :

• procurer à un utilisateur, dans le cadre d'un usage domestique, une boisson aqueuse ou une eau minéralisée riche en minéraux, quelle que soit la provenance de l'eau,

• fabriquer de l'eau minéralisée par un procédé sain, car il ne met en jeu que des minéraux habituellement présents dans l'eau avec une concentration optimisée, sans adjuvants et en ne faisant seulement intervenir qu'un courant électrique .

• maîtriser la quantité de sels minéraux libérés : cela est possible en jouant sur l'intensité du courant électrique et le flux d'eau sur la surface de l'anode.

D'autres avantages et particularités de la présente invention résulteront de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux figures 1 et 2 annexées :

la figure 1 représente une vue schématique en coupe d'une installation selon l'invention, la figure 2 représente une vue schématique en coupe du dispositif de minéralisation de l'installation selon l'invention représentée sur la figure 1. Les éléments identiques représentés sur les figures 1 et 2 sont identifiés par des références numériques identiques .

L'installation de minéralisation selon l'invention représentée sur la figure 1 comporte :

^■ un dispositif de filtration 2 d'eau potable,

^■ un dispositif de minéralisation 3 de l'eau filtrée, et

^■ un système 4 de circulation de l'eau dans l'installation 1.

Le système 4 de circulation permet d' amener directement l'eau potable filtrée en provenance du dispositif de filtration 2 vers le dispositif de minéralisation 3, via une pompe 41.

Sur la figure 2, est représenté, de manière plus détaillée, le dispositif de minéralisation 3 de l'installation 1 représentée sur la figure 1. Ce dispositif de minéralisation 3 comprend :

un réacteur anodique de minéralisation 31 communiquant avec le système 4 de circulation de l'eau et présentant un système d'évacuation 312 de l'eau une fois filtrée, le réacteur anodique comportant au moins un composé 311 comprenant au moins un élément minéral sous forme d'un métal ou de son sel,

un réacteur cathodique 32, qui est séparé du réacteur anodique dans le dispositif de minéralisation par une membrane 5 imperméable aux cations métalliques provenant de la dissolution du composé 311,

En ce qui concerne plus particulièrement le réacteur anodique 31 de l'installation selon l'invention, le composé 311 est relié au pôle positif d'un générateur de courant électrique 6, de manière à constituer une anode.

A titre d'exemple, on utilise une électrode en magnésium se présentant sous forme d'un disque de 5 cm de diamètre et de 0,5 cm d'épaisseur. En pratique, on immerge un quart du disque de magnésium constituant l'anode dans le réacteur anodique 31.

En ce qui concerne plus particulièrement le réacteur cathodique 32 de l'installation selon l'invention, celui-ci comprend une cathode 321 en acier inoxydable plongeant dans une solution saturée en sels aptes à assurer la conduction électrique dans le milieu tout en évitant de redéposer par réduction du métal sur la cathode 32, qui est reliée au pôle négatif du générateur 6,

En fonctionnement, une différence de potentiel de 80 V a été appliquée entre l'anode et la cathode, où se déroulent alors les réactions électrochimique suivantes :

à l'anode : (1) Mg -> Mg ²⁺ + 2e ^"

à la cathode : (3) 2H ⁺ + 2e ^" -> H ₂

Au bout de 5 minutes, on mesure, dans le réacteur anodique contenant la boisson ou l'eau à minéraliser, une concentration en ions Mg ²⁺ de 40 mg/L. A titre de comparaison, on ne mesure qu'une concentration de 3 mg/L à partir d'une dolomite.