Bureau d'Etudes Industrielles "Energies Renouvelables et Environnement"

Description des deux méthodes




1) La distillation


Le principe est de chauffer de l'eau pour en vaporiser une partie. La vapeur ainsi produite se débarrasse, dans son ascension, des particules lourdes, en particulier des sels. Elle se condense ensuite pour donner de l'eau douce liquide. Dans les processus de distillation,  la répétition en chaîne de cette séparation améliore au fur et à mesure l'élimination des sels. On distingue ainsi deux procédés de distillation : le procédé à détentes étagées (Multi-Stage Flash distillation) et le procédé à multiples effets (Multi-Effect distillation).

- Le procédé à détentes étagées (Multi-Stage Flash distillation, MSF )







Figure 1 :  Principe de fonctionnement d'un système par détentes successives (MSF) à 3 étages ( d'après AOS )

Ce procédé dit Flash consiste à maintenir l'eau sous pression pendant toute la durée du chauffage. Lorsque l'eau de mer atteint une température de 120°C, elle est introduite dans un "étage" où la pression est faible. Il en résulte une vaporisation instantanée par détente appelée Flash. Une fraction de l'eau s'évapore (voir figure1) puis va se condenser sur les tubes condenseurs placés en haut de l'étage. L'eau de mer chaude se refroidit pour fournir la chaleur de vaporisation et l'ébullition s'arrête quand l'eau de mer a atteint la température d'ébullition correspondant à la pression régnant dans l'étage considéré. Ce phénomène est reproduit ensuite dans un second étage où règne une pression encore plus faible et ainsi de suite. On peut trouver jusqu'à 40 étages successifs dans une unité MSF industrielle.

L'énergie requise est principalement l'énergie thermique à fournir à la chaudière.

       

- Le procédé à multiples effets (Multi-Effect distillation, MED)

Ce procédé est basé sur le principe de l'évaporation, sous pression réduite, d'une partie de l'eau de mer préchauffée à une température variant entre 70 et 80°C. L'évaporation de l'eau a lieu sur une surface d'échange, contrairement au cas du procédé précédent. La chaleur transférée à travers cette surface est apportée, soit par de la vapeur produite, soit par de l’eau eau chaude. La vapeur ainsi produite dans le premier effet est condensé pour produire l'eau douce dans le deuxième effet où règne une pression inférieure. La chaleur de condensation qu'elle cède permet ainsi d'évaporer une partie de l'eau de mer contenue dans le deuxième effet et ainsi de suite (voir figure 4). Seule l'énergie nécessaire à l'évaporation dans le premier effet est d'origine externe. La multiplication du nombre d'effets permet donc de réduire la consommation spécifique (énergie/m3 d'eau douce produite).






Figure 2 : Schéma de principe d'un système d'évaporateurs multiples effets ( d'après AOS )



L'énergie requise est principalement l'énergie thermique à fournir à la chaudière produisant le fluide de chauffage pour le premier effet.



Pour que l'eau de mer soit rendue potable ou utilisable industriellement, elle doit alors contenir moins de 0,5 g de sels par litre. Aujourd'hui le processus d'osmose inverse est très majoritairement utilisé. Nous allons donc détailler cette méthode de dessalement.




2) L'osmose inverse


Ce procédé est un procédé de séparation de l’eau et des sels dissous à l’aide de membranes semi-perméables sous l’action de la pression.

Principe


Si on sépare une solution saline concentrée d’une solution plus diluée par une telle membrane, la différence de potentiel chimique tend à faire passer l’eau du compartiment à bas potentiel vers celui à potentiel plus élevé pour diluer celui ci (osmose directe). Si l’on veut empêcher cette diffusion, il faut exercer une pression sur le fluide «filtré». A l’équilibre, la différence de pression ainsi créée est appelée pression osmotique (figure 3).




Figure 3 : Principe de l'osmose et de l'osmose inverse (d'après culture sciences)


Une augmentation de la pression  au delà de la pression osmotique va se traduire par un flux d’eau dirigé en sens inverse du flux osmotique, c’est-à-dire de la solution concentrée vers la solution diluée: c’est le phénomène d’osmose inverse.


Pour les solutions suffisamment diluées, la pression osmotique notée Π se calcule par la relation suivante:


Π = i*C*R*T (1)


Avec i le nombre d’ions dissociés dans le cas d’un électrolyte

C la concentration en sels en mol.m-3

R la constante des gaz parfaits R=8,314 J.mol-1.K-1

T la température de la solution en Kelvin.

Du principe à la réalité


Le dessalement par osmose inverse nécessite d’abord un pré-traitement très poussé de l’eau de mer pour éviter le dépôt de matières en suspension sur les membranes qui conduirait à une diminution des débits produits.

 



Figure 4 : Éléments constitutifs d'une unité d'osmose inverse (d'après culture sciences)


En fait, pour produire de l’eau «pure» à partir d’une solution saline, il faut travailler à au moins deux fois la pression osmotique de la solution. En effet, pour obtenir de l’eau pure à partir d’eau salée, il faut «vaincre» plusieurs ΔP:

Comparaison théorie et expérience


L'expérience que nous avons étudiée est la comparaison de 3 technologies de membranes: la nanofiltration (NF), l'ultrafiltration (UF) et l'osmose inverse (RO).


Pour l'expérience suivante, 4 concentrations en NaCl différentes peuvent être testées: 5, 10, 20 et 30 g/L.


Protocole opératoire:




Tracer la courbe débit de perméat (ou flux de perméat) en fonction de la pression pour les 5 concentrations testées


Déteminer l'influence de la pression transmembranaire (PTM) sur le taux de rejet pour les 3 types de membranes


  1. membranes de nanofiltration

On obtient le résultat suivant:






Figure 5: variation du flux de perméat en fonction du temps pour une membrane de nanofiltration


Lorsque le flux est quasiment stabilisé, on a : Qperméat=1l/h.



Figure 6: variation du flux de perméat en fonction de la pression transmembranaire pour différentes solutions (0, 5,10, 20 et 30g/l en NaCl)


Le flux augmente linéairement avec la pression, il n'y a donc pas de couche de polarisation. Cependant, la pente des droites tend à diminuer avec la concentration car il y a un peu plus de colmatage. La pression permettant d’obtenir le flux non nul est la pression osmotique.


La pression osmotique dépend de la différence de concentration entre le perméat et le rétentat, c'est-à-dire comme il n’y a pas de couche de polarisation de concentration, le perméat et l’alimentation.


  1. Comparaison des trois types de membranes

La figure 7 montre que pour une membrane d’osmose inverse la rétention est de 100%. Avec une membrane de nanofiltration les résultats sont similaires, mais les valeurs de pression osmotique sont plus faible car la rétention attendue est de 70% et la pente des droites est plus élevée car la perméabilité de ces membranes est plus grande.

Pour une membrane d’UF, toutes les droites sont confondues ou presque avec la droite obtenue avec de l’eau pure. Il n’y a pas de colmatage et pas de pression osmotique car pas de rétention.







Figure 7: Variation du flux de perméat en fonction de la pression transmembranaire pour les 3 types de membranes


Si on compare pour une concentration donnée les performances des trois membranes: on constate que la membrane d’UF présente des flux de perméat beaucoup plus élevés que celle de NF et que celle de RO. La gamme de pression utilisée n’est d’ailleurs pas la même, et les pentes des droites non plus.




Figure 8: Variation du taux de rejet en fonction de la pression transmembranaire pour les 3 types de membranes



L’évolution du taux de rejet (TR) montre que la membrane d’UF est inefficace pour réaliser la déminéralisation. Les membranes de RO sont les plus efficaces, mais l’eau obtenue est trop déminéralisée. Les membranes de NF sont les plus adaptées à la production d’eau potable à partir d’eau salée car le flux de perméat est plus élevé que celui obtenu avec les membranes de RO et la qualité de l’eau reste bonne. Il faut adapter le TR de la membrane à la concentration en sel désirée.