Dimensionnement des modules d'osmose inverse

5. Dimensionnement des modules d'osmose inverse



 

Pour réaliser le dimensionnement de nos modules d'osmose inverse, nous avons réalisé un calculateur sous forme d'une feuille excel qui est en fichier attaché à cette page.

Tout d'abord, il est nécessaire de se fixer un cahier de charges pour réaliser ce design :

les deux principaux critères à prendre en compte sont : la salinité en sortie et la production journalière

  • L'Organisation Mondiale de la Santé a fixé la salinité de l'eau potable à une valeur inférieure à 250 mg/L
     
  • Le débit d'eau de sortie nécessaire à alimenter Palm Jumeirah et d'autres quartiers de Dubaï est de 110 000 m3/j

 

L'osmose inverse

L'osmose inverse est un procédé de séparation en phase liquide par perméation à travers des membranes semi-sélectives sous l'effet d'un gradient de pression.

Une membrane semi-sélective est une membrane permettant certains transferts de matière entre deux milieux qu'elle sépare, en interdisant d'autres ou plus généralement en favorisant certains par rapport à d'autres.

L'écoulement s'effectue en continu tangentiellement à la membrane. Une partie de la solution à traiter (débit Q0) se divise au niveau de la membrane en deux parties de concentrations différentes:
• une partie (débit Qp) passe à travers la membrane (perméat)
• une partie qui ne passe pas à travers la membrane (concentrat ou rétentat) et qui contient les molécules ou particules retenues par la membrane
 
La fraction de débit qui traverse la membrane est le taux de conversion Y défini par:
 

Lors d'une filtration classique la suspension à traiter est amenée perpendiculairement au milieu filtrant; l'accumulation de matières forme une couche qui diminue la porosité et ainsi le débit de filtration. L'écoulement tangentiel permet au contraire de limiter l'accumulation sur la membrane des diverses espèces (particules, molécules, ions) retenues par cette dernière. La sélectivité d'une membrane est définie par le taux de rejet R (ou taux de rétention) de l'espèce que la membrane est censée retenir:
 
 
où C0 est la concentration de l'espèce à retenir dans la solution et Cp est la concentration de la même espèce dans le perméat.
 
L'osmose inverse utilise des membranes denses sans porosité qui laissent passer le solvant et arrêtent les ions.
 

 

La nanofiltration

L'osmose inverse n'est pas la seule technologie possible pour réaliser le dessalement de l'eau de mer. La nanofiltration est un procédé en voie de développement en ce qui concerne la potabilsation d'une eau chargée en sels. En effet, ce procédé présente l'avantage de laisser passer les ions monovalents, mais de retenir les ions divalents ce qui aura pour résultat un perméat concentré en ions monovalents et un rétentat chargé en ions divalents. Cela présente un intérêt dans le sens où l'on va pouvoir faire précipiter plus facilement des sels pour les revendre ensuite.

Cette technique se situe entre l’osmose inverse et l’ultrafiltration. Elle permet la séparation de composants ayant une taille en solution voisine de celle du nanomètre (soit 10 Å) d’où son nom. Les sels ionisés monovalents et les composés organiques non ionisés de masse molaire inférieure à environ 200 - 250 g/mol ne sont pas retenus par ce type de membrane. Les sels ionisés multivalents (calcium, magnésium, aluminium, sulfates…) et les composés organiques non ionisés de masse molaire supérieure à environ 250 g/mol sont, par contre, fortement retenus (Alain MAUREL – 1993).

 

 

Unité de nanofiltration à Mery sur Oise (http://www.cfm-mb.fr/techniques/images/nanofiltration_3.jpg)

 

 

La pression osmotique peut être calculée par la loi de Van’t Hoff qui exprime que la pression osmotique exercée par un soluté est égale à la pression que ce corps aurait exercé dans l’état gazeux parfait dans le même volume (V) et à la même température (T). Si le soluté est dissocié en i ions, la pression osmotique sera i fois supérieure.
 
La pression osmotique d’une solution est proportionnelle à la concentration en solutés :
 
Π = i.C.R.T
 
Avec :
Π     Pression osmotique (bar)
i      Nombre d’ions dissociés dans le cas d’un électrolyte
C     Concentration molaire (mol.L-1)
R     Constante des gaz parfaits (0,082 L.bar.mol-1K-1)
T    Température absolue (K)

 

Pour atteindre nos objectifs, nous avons choisi de travailler avec un couplage de membranes d'osmose inverse et de nanofiltration. Nous avons étudié 5 scénarii différents d'agencement possible de ces membrane. Les uniques paramètres que nous avons fait varier sont le taux de conversion par membrane et les taux de rétention des ions par les membranes. Nous avons cependant tenté de conserver des valeurs de ces paramètres les plus proches de la réalité physique dans ces installations.  

 

a.   

Scénario 1 : agencement à 4 étages débutant par une nanofiltration

b.     

Scénario 2 : agencement à 4 étages débutant par une osmose inverse

c.      

Scénario 3 : agencement à 5 étages débutant par une nanofiltration

d.     

Scénario 4 : agencement à 5 étages débutant par une nanofiltration et comprenant 2 autres nanofiltrations

e.     

Scénario 5 : agencement à 5 étages débutant par une osmose inverse

 

 

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