Introduction sur le dessalement

1.  Introduction sur le dessalement




Le dessalement est un procédé de déminéralisation. Il a pour but l’obtention d’eau de salinité voisine de celle des eaux douces naturelles à partir d’eau de mer ou d’eau saumâtre (GERMAIN, COLAS, ROUQUET, 1997).
 
Dans cette partie, nous nous attacherons à présenter les différentes techniques de dessalement existantes et à les décrire brièvement puisqu’elles ne feront pas l’objet de notre étude.
 
Les différents procédés peuvent être classés selon le principe sur lequel ils se basent comme présenté dans le schéma suivant :
 
  1. La distillation
              Compression de vapeur
              A multiples effets
              A détententes successives
  2. La congélation
  3. L'échange d'ion
  4. Extraction par solvant
  5. Electrodialyse
  6. Osmose Inverse
 

A.     

La Distillation 

 
Les procédés de séparation par distillation consistent en un simple changement de phase d’une solution d’eau salée qui passe, de l’état liquide à l’état gazeux en agissant sur l’élévation de la température et/ou la diminution de la pression. L’eau chauffée s’évapore, les sels vont précipiter, puis par une condensation de cette vapeur d’eau et un recueillement avec des organes spéciaux on obtient de l’eau douce. La séparation par distillation repose donc sur la technique de vaporisation (METAICHE, 2000).
 
Trois procédés se partagent le marché du dessalement thermique : Le procédé de distillation à détente étagée (MSF), le procédé de distillation à multiples effets (Multi-Effect Distillation MED) et le procédé à compression de vapeur (vapor compression).
 
 
 
Le dessalement par compression de vapeur consiste à mettre sous pression la vapeur d’eau de mer, pour la réchauffer, avant de la réintroduire dans la même enceinte pour la condenser en faisant évaporer une autre quantité d’eau de mer.
 
La compression peut être obtenue par de la vapeur issue d’un générateur de vapeur en utilisant un éjecteur (thermo-compression), ou bien en utilisant un compresseur et on fait alors du dessalement par compression mécanique de vapeur. La condensation de la vapeur provoque le réchauffement de l’eau salée qui se vaporise sous l’effet d’une diminution de pression.
 


Procédé de dessalement par compression de vapeur (ALAOUI, 2008)

 




Distillation à effets multiples

 
Ce procédé permet d’améliorer la consommation spécifique de l’évaporateur à simple effet afin d’en augmenter le rendement en récupérant la chaleur d’apport pour une nouvelle distillation et le processus s’effectue comme suit (BOUKEMIDJA, 2007):
 
 
  • Dans la première cellule de distillation, l’eau de mer ruisselle sur un serpentin de tubes chauffés ou sur des plaques, grâce à la chaudière. Elle se transforme ainsi en vapeur à seulement 70°C, grâce à une pression inferieure à la pression atmosphérique. Cela évite l’entartrage des tuyaux

 
  • L’eau de mer non transformée en vapeur s’accumule au fond de la cellule. Elle se concentre davantage de sels car celui-ci n’est pas vaporisable

 
  • L’eau est pompée, puis envoyée dans la cellule 2

 
  • La vapeur entre dans la deuxième cellule, puis se condense dans le serpentin. Ce passage à l’état liquide dégage assez d’énergie pour en céder à l’eau de mer. Celle-ci ruisselle sur les tubes ainsi chauffés et se vaporise

 
  • Le même processus se répète dans la troisième cellule. En pratique, on peut placer en série jusqu’à 6 ou 7 cellules de distillation

 
  • Le dernier serpentin est refroidi par l’eau de mer

 
  • La vapeur condensée dans les serpentins donne de l’eau douce. Il faut 2 à 4 litres d’eau salée pour obtenir 1 litre d’eau douce.

  •  
 
Procédé de dessalement par distillation à multiples effets MED (ALAOUI, 2008)
 
 
 

    Ce procédé dit flash consiste à maintenir l’eau sous pression pendant toute la durée du chauffage, lorsqu’elle atteint une température de l’ordre de 120°C elle est introduite dans une enceinte (ou étage) où règne une pression réduite . Il en résulte une vaporisation instantanée par détente appelée flash. Le phénomène de flash est reproduit ensuite dans un deuxième étage où règne une pression encore plus réduite. La vaporisation de l’eau est ainsi réalisée par détentes successives dans une série d’étages où règnent des pressions de plus en plus réduites. On peut trouver jusqu’à 40 étages successifs dans une unité MSF industrielle (BOUGOUFA, 2004).
 
 
 


Procédé de dessalement par distillation multi flash MSF (ALAOUI, 2008)



 

B.     

La congélation

 
Lorsqu’on refroidie une eau de mer jusqu’à environ - 2 °C, il y a formation de cristaux de glace constitués d’eau douce. L’eau de mer étant alors plus concentrée, elle résiste mieux à la congélation. Si on fait baisser davantage la température, la production de glace augmente, le sulfate de sodium décahydraté à tendance à précipiter à - 9 °C. Pour produire de l’eau pure, il est donc préférable de ne pas refroidir l’eau au dessous de cette température (DESJARDINS, 1997).
 
 

C.     

Echange d’ion

 
Ce procédé consiste en une élimination totale des sels par l’utilisation des produits chimiques appelés « échangeurs d’ions » qui sont des substances granulaires insolubles. Ils comportent dans leur structure moléculaire des radicaux acides ou basiques susceptibles de permuter les ions  positifs ou négatifs fixés sur ces radicaux, contre des ions de même signe (Na+ et Cl-) se trouvant dans l’eau de mer. On utilise des résines synthétiques, les unes capables d’absorber les anions, les autres les cations.
 
 
L’extraction par solvant est l’opération fondamentale qui permet d’extraire un composé (soluté) d’un liquide, par un autre liquide (solvant). Cette méthode repose sur la miscibilité de certains solvants avec l’eau, sans être solvant pour les sels. On obtiendra de l’eau douce par extraction, on peut schématiser cette opération comme suit :
 
 
La phase liquide I est un mélange homogène. Le solvant ne doit pas être miscible avec l’un des deux composés initiaux, l’inerte et le solvant ne sont pas miscibles. Le mode de dispersion des deux phases peut être gravitaire par agitation ou par pulsation (AMAMRA, 1999).
 

E.     

Electrodialyse

 
Ce procédé de séparation membranaire consiste à séparer électriquement les molécules de NaCl contenues dans une eau concentrée, en anions (Cl-) et en cations (Na+). Puis à une dialyse par des membranes appropriées séparant l’eau douce et les ions produits (BENSAADI, 2004).
Un liquide fortement ionique soumis à un champ électrique par deux électrodes entre lesquelles est appliquée une différence de potentiel continue, voit ses cations Na+  se diriger vers l’électrode négative (cathode) tandis que ses anions Cl- vont se diriger vers l’électrode positive (anode). Si rien n’entrave leur mouvement, ils viennent se fixer sur les électrodes de signes opposés, c’est le phénomène d’électrolyse.
 
Par contre,  si l’on place entre les deux électrodes un ensemble de membranes de dialyse sélectives :

Les unes négatives, perméables aux cations seulement

Les autres positives, perméables aux anions seulement

Les deux types de membrane doivent se disposer alternativement comme l’indique la figure suivante, afin d’éviter la migration des ions.

 
Le système comporte trois paires de membranes, les compartiments 1, 2, 3, 4 et 5 sont alimentés par un courant d’une solution de chlorure de sodium, les ions des compartiments 1, 3 et 5 passent dans les compartiments 2 et 4 sous l’effet du champ électrique créé par les électrodes. L’eau des compartiments 1, 3 et 5 s’appauvrit en sel (se dessale) tandis que celle des compartiments 2 et 4 se concentre en sel (saumure).

 



http://www.emse.fr/~brodhag/TRAITEME/fich9_2.htm

 

F.     

Osmose inverse

L'osmose est basée sur le principe fondamental de l'équilibre. Lorsque deux liquides contenant differentes concentrations de solides dissous sont mis en contact, ceux-ci se mélangent jusqu'à uniformisation des concentrations. Lorsque ces deux liquides sont séparés par une membrane semi-perméable (laquelle laisse passer les liquides tandis que les solides dissous restent dans leur compartiment), le liquide contenant la plus faible concentration de solides dissous va traverser la membrane pour aller dans le liquide contenant la plus forte concentration de solides dissous. Après un temps donné, le niveau de l'eau sera plus élevé d'un côté de la membrane. La différence de hauteur est appelée pression osmostique.


http://culturesciences.chimie.ens.fr/Fig1DessalementMerRenaudin.jpg




En appliquant une pression supérieure à la pression osmotique, l'effet inverse se produit. Les liquides sont refoulés au travers de la membrane, laissant les solides dissous derrière.

Pour purifier l'eau à l'aide de membrane d'osmose inverse, l'effet d'osmose naturel doit être inversé. Afin de forcer l'eau de la solution saumâtre (concentration en sels élevée) à aller dans la solution douce (concentration en sels basse), l'eau doit être pressurisée à une pression d'opération supérieure à la pression osmotique. Par conséquent, la saumure devient plus concentrée.


C’est sur ce procédé que nous allons réaliser notre étude. En préambule, il convient de résumer les étapes de notre étude. Il faut tout d’abord se pencher sur la qualité de l’eau de mer à traiter, puis sur le lieu de pompage : distance des côtes, profondeur. Ensuite, étant donné que le procédé d’osmose inverse est très sensible au colmatage, il y a toute une batterie de prétraitements à mettre en œuvre pour obtenir l’eau la moins chargée possible. Vient ensuite le dimensionnement du module de dessalement à proprement parlé, avec comme objectif le meilleur rendement pour une qualité d’eau fixée. Pour conclure, pour être propre à la consommation, l’eau osmosée devra passer par des post traitements comme l’ élimination du bore ou une chloration.

 

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