Installation de dessalement par osmose inverse

Maintenant que le lieu de l'usine a été choisi, les différents postes nécessaires pour le dessalement seront présentés.

Une installation de dessalement peut être schématiquement subdivisée en 4 postes:
- la prise d'eau qui s'effectuera en mer dans notre cas puisqu'on prélève 80000 m3/j. Pour ces débits, le forage côtier n'est pas envisageable.
- l'installation de dessalement proprement dite, le procédé utilisé est l'osmose inverse (éventuellement couplée à la nanofiltration )
- un post-traitement

Figure 1 : Schéma général d'une installation de dessalement
(A.Maurel, 2006)

 

 

Prétraitement

Pré-traitement

1. Objectifs

Les objectifs du prétraitement sont les suivants:

- éviter le colmatage des modules par les matières en supension (MES), soit par les micro-organismes, soit par les dépôts de sels;
- donner à l'eau des caractéristiques qui soient compatibles avec la nature des membranes: teneur en chlore, pH, température.

2. Paramètres

Il n'existe pas de prétraitement standard. Les principaux facteurs qui interviennent dans la définition d'un prétraitement sont:
- les caractéristiques physco-chimiques de l'eau à traiter : MES, turbidité, COT ( Carbone organique total), hydrocarbures, algues, composition chimique, pH;
- les conditions de fonctionnement des membrane: taux de conversion, pression;
- les types de membranes et de modules utilisées.

3. Etapes du prétraitement

Les principales étapes d'un prétraitement sont les suivants:

  1. ​​​Chloration​
  2. Clarification
  3. Prévention de l'entartrage
  4. Déchloration
  5. Filtration sur cartouches

L'eau passe d'abord par une étape de filtration grossière permettant d'éliminer les gros matériaux susceptibles d'endommager les installations et de diminuer l'efficacité globale du procédé de traitement.

Figure 1 : Etapes du prétraitement avant osmose inverse
(
C.TANKASUL, 2009)

 1. Chloration

​La chloration a pour objectif l'inactivation des micro-organismes (bactéries principalement) mais aussi micro-algues , champignons, qui, outre le fait que certains peuvent être pathogènes, sont à l'origine d'un colmatage important des membranes appelés biofouling:
- soit directement par le développement d'une biomasse;
- soit indirectement par les métabolites produits par les micro-organismes (polysaccharides par exemple).

La prolifération des organismes vivants est bloquée par un procédé de désinfection. Sinon, cela peut conduire à l’obstruction des canalisations ou au colmatage des membranes.Le procédé le plus répandu consiste à injecter du chlore, réactif dont le stockage et la manipulation exigent des précautions strictes. Le chlore dissous dans l’eau libère l’ion hypochloreux (HClO), qui est l’agent actif de la stérilisation. Pour éliminer le danger lié au chlore, on peut lui substituer l’hypochlorite de sodium (eau de Javel).

Pour plus d'information sur le colmatage et le biofouling, cliquez ici.

2. Clarification de l'eau brute

Une étape de CFS (Coagulation Floculation Sédimentation) est nécessaire afin d'éliminer les matières en suspension et une partie du COT (Carbonne Organique Total):

  • Coagulation 

La coagulation a pour objectif de neutraliser les colloïdes, en général chargés négativement, par des composés de deux métaux lourds Al3+ et Fe3+:

- chlorure ferrique FeCl​3
- sulfate ferrique Fe(SO4)3
- sulfate d'aluminium Al2(SO4)3,14 H2O

  • Floculation

Elle consiste à agglomérer sous forme de flocs les particules colloïdales neutralisés auparavant par coagulation. Les membranes s'osmose inverse étant chargé négativement, il est recommandé d'utiliser des floculants anioniques ou non ioniques.

  • Sédimentation

La sédimentation ou décantation est peu utilisée en prétraitement avant osmose inverse.

  • Filtration sur sable

La filtration sur sable peut être effectuée sous pression ou de façon gravitaire. La filtration sous pression est utilisée en général pour les débits faibles  et moyens ( les vitesses de filtration sont d'environ 10 à 15 km/h)alors que la filtration gravitaire est utilisée pour les débits plus élevés (les vitesses de filtration sont d'environ 5 à 8 km/h). La masse filtrante peut être monocouche ou bicouche:

- le filtre monocouche est constitué par une hauteur de sable de granulométrie comprise entre 0,4 et 1 mm sur une hauteur de 1 m.

- le filtre bicouche est constitué par une couche de 0,7 m de sable surmontée d'une couche de 0,3 m d'anthracite.

3. Prévention de l'entartrage 

L'entartrage des équipement doit être éviter. La méthode la plus utilisée pour éviter les tartre (CaCO3, CaCO4, 2 H2O...) dans les modules d'osmose inverse consite à  injecter dans l'eau brute des inhibiteurs d'entatrage ou antitartres. Les produits utlilisés sont:

- Les polyphosphates : ces produits sont efficaces et bon marché mais ils peuvent éventuellement former des dépôts d'orthophosphates par suite de phénomènes d'hydrolyse.
- Les polymères carboxyliques : efficaces sur la plupart des tartres, ces produits ne posent pas de problèmes pour les rejets. Ils présentent l'inconvénient d'être chers.

L'acidification de l'eau brute, en provoquant la décompostion des bicarbonates, est aussi un moyen efficace de prévenir les dépots de CaCO3:

H+ + HCO3= CO2 + H2O

 Le calcul de l’indice de Lagelier nous apprend que l’eau en entrée est incrustante (I=0,41>0 donc incrustante). Il est donc nécessaire d’acidifier le pH afin de le ramerner à la valeur du pHs. L’ajout d’H2SO4 permet de ramener le pH à la valeur de pHs calculé soit 7,78 (contre un pH de 8,2 pour l’eau de l’Océan).

Pour plus d'information sur l'entartrage cliquez ici.

4. Déchloration

Compte tenu de la sensibilité des membranes d'osmose inverse en polyamide (membranes les plus utilisés actuellement), il est indispensable d'assurer une déchloration de l'eau de mer en amont de l’osmose proprement dite. Du bisulfite de sodium est ajouté afin de réduire le chlore:

NaHSO3 + Cl2+H2O = NaHSO4 + 2HCl

C'est la solution la plus utilisée car elle est efficace et d'un coût relativement faible. 

Un produit équivalent conviendra du moment que l’eau contient moins de 0,1 mg/L de chlore libre à l’arrivée sur la membrane notamment l'utilisation de charbon actif en poudre ou en grain:

C + 2 Cl2 = 4 HCl + CO2

5. Filtration de sécurité sur cartouches

Dans tous les cas, une installation d'osmose inverse doit être protégé par une filtration de sécurité sur cartouches aux environ de 5 µm.

Le tableau 1 donne la description d'un prétraitement relativement complet pour une unité de dessalement d'eau de mer par osmose inverse:

Tableau 1 : Prétraitement de l'eau de mer avant osmose inverse
(A.Maurel, 2006)

1. Chloration Traitement choc : 7 à 8 ppm de chlore pendant 1 h toutes les semaines
2. Coagulation FeCl3 : dose = 10 g/m3
3. Floculation

Polyélectrolyte anionique ou non anionique

Dose = 1 à 5 g/m3

4. Fitration sur sable

filtre bicouche sous pression 

vitesse de filtration de 10 à 15 m/h

5. Acidification H2SO4 : 20 - 25 g/m3
6. Déchloration NaHSO3 : 5- 10 g/m3
7. Antitatre Polymères carboxyliques : dose = 1g/m3
8. Filtration sur cartouches Cartouches à base de propylène 5 µm

 

L'osmose inverse

L'osmose inverse

1. Principe

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.

 

A: Le niveau est identique dans les deux compartiments: L'eau circule de 1 vers 2 

B: A l'équilibre, une différence de niveau s'établit, c'est la pression osmotique π.

C: Lorqu'on applique une pression P >π, l'eau circule en sens inverse, c'est-à-dire de 2 vers 1 et les sels restent bloqués dans le compartiment 2.

Π = différence de pression de part et d’autre de la membrane

Une membrane semi-sélective ou semi-perméable est une membrane imperméable aux corps dissous (ionique ou non) et perméable au solvant. 

 

 

 

Figure 1 : Principe de l'osmose inverse
               (
J-M.ROVEL, 2012)

2. Schéma général d'une installation d'osmose inverse

Les principaux constituants d'une installation d'osmose inverse sont les suivants :
- membrane proprement dite
- le module
- la pompe haute pression
- le poste de traitement

L'écoulement du fluide sur la membrane est continu et tangentiel. Cet écoulement tangentiel permet de limiter l'accumulation sur la membrane des diverses espèces (particules, molécules, ions) retenues par cette dernière. Le débit d’entrée (Q0) se divise au niveau de la membrane en deux parties de concentrations différentes. Une partie (débit Qp) passe à travers la membrane (perméat) alors que l'autre partie est retenue par la membrane ( concentrat ou rétentat).

Figure 1 :Schéma de principe d'une unité d'osmose inverse
(A.Maurel, 2006)

3. Pression osmotique

Loi de Van't Hoff

 Pour des solutions suffisamment diluées, la pression osmotique π​ peut être  assimilée à pression d'un gaz parfait dont les "molécules" seraient précisément les espèces en solution (ions Na+ et Cl-) ​ :

i : nombre d'ions
C : concentration (mol/L)
R : constante des gaz parfaits (0,081 L.atm/K/mol)
T : température en K
1atm = 1,013 bars

4. ​Caractéristiques principales d'une unité d'osmose inverse

Deux paramètres sont pris en compte:
- le taux de conversion c'est-à-dire la fraction du débit de liquide qui traverse la membrane,

- la sélectivité de la membrane définie par le taux de rejet R ( ou taux de rétention) de l'espèce que la membrane peut retenir. 

5. Membranes d'osmose inverse

Le tableau 1 résume les avantages et les inconvénients des membranes organiques suivant leur composition:

Tableau 1 : Avantages et inconvénients des membranes organiques
(A.Maurel, 2006)

  Avantages Inconvénient
Acétate de celullose Perméabilité élevée
Sélectivité élevée
Mise en oeuvre assez aisée
Adsorption des protéines faible
=> colmatage moindre
Sensible à la température
Sensible au pH
Sensible au chlore
Sensible au compactage
Sensible aux microorganismes
Type Polyamide Bonne stabilité chimique, thermique et mécanique. Grande sensibilité aux oxydants
Faible perméabilité
Phénomènes d’adsorption
Type Polysulfone

Bonne stabilité thermique

Bonne tenue au pH

Résistance au chlore
 

Sensible au compactage
Adsorptions
Matériaux acryliques Bonne stabilité thermique et chimique
Stockage à sec possible
Faible résistance mécanique
Pores de diamètres assez
élevés
Matériaux fluorés Bonne stabilité thermique et chimique Faible perméabilité
Microfiltration uniquement
Membranes composites Bonnes caractéristiques : perméabilité et sélectivité
Stabilité de pH 2 à 11
Bonne tenue en température
Mauvaise tenue au chlore

 

6. Modules d'osmose inverse

Pour être mises en oeuvres, les membranes doivent être montées dans des supports appelés modules. Actuellement, quatres types de modules sont commercialisés: modules tubulaires, modules fibres creuses, modules plans et modules spirales. Plusieurs critères sont à prendre en compte pour le choix d'un type de module tels que:

• les conditions de transfert optimale
• la surface spécifique d’échange élevée
• l'investissement minimal et le coût de fabrication
• la simplicité de mise en œuvre et la durée de vie des membranes
• l'entretien aisé (nettoyage, démontage, remplacement des membranes)
  • Modules plans

Les modules plans sont les modules les  plus simples et les plus anciens. Ils présentent sous la forme de plaques unitaires disposées parallèlement les unes aux autres et séparées par des grilles​.

Tableau 2 : Avantages et inconvénients des modules plans 
(A.Maurel, 2006)
 

Avantages Inconvénients
Système souple et modulable Système peu compact (100 à 400 m²/m3)
Changement facile des membranes Investissement relativement élevé
Visualisation du perméat   

 

  • Modules spirales

Les membranes planes sont enroulés en spirale autour d’un tube creux et perforé destiné à collecter le perméat. Entre les membranes est placé un grillage plastique de 0,8 à 1,2 mm d'épaisseur, qui a pour but de créer une turbulence dans la circulation du fluide. On obtient ainsi un cylindre multi-couches où le perméat s'écoule selon un chemin spiralé vers le tube poreux tandis que l'alimentation circule axialement dans les canaux. 

Figure 1  : Modules spirales
(
P. Danis, 2003) 

Tableau 3 : Avantages et inconvénients des modules spirales
(A.Maurel, 2006)
 
Avantages Inconvénients
Compacité élevée (300 à 1000 m²/m3) Sensible au colmatage
Faible volume mort Difficulté de nettoyage
Coût d'investissement relativement faible  

Modules tubulaires

Ce type de module est constitué de tubes métalliques ou plastiques sur lesquels est fixés la membrane semi-perméable. Le diamètre du tube est compris entre 7 et 25 mm et le plus souvent 12,5 mm. L’eau à traiter circule à l’intérieur des tubes et le perméat est recueilli à l’extérieur des tubes. Le tube est soit poreux, soit perforé de trous pour permettre l'évacuation du perméat.

Figure 1: Modules tubulaires
(Lenntech)
 

Tableau 4 : Avantages et inconvénients des modules tubulaires 
(A.Maurel, 2006)
 

Avantages Inconvénients
Technologie simple Consommation d'énergie élevée
Peu traités tous types de fluides ( chargés, visqueux) Faible compacité (10 et 300 m²/m3)
Facilité de nettoyage Coût élevé
  • Modules fibres creuses

Ces modules peuvent être considérés comme des modules tubulaires composés de tubes de petits diamètre compris entre quelques millimètres et quelques dizaines de microns. Mais à la différence des modules tubulaires qui sont constitués d'une membrane et d'un support inerte, les fibres creuses jouent à la fois le rôle de membrane et de support.

Figure 2 : Modules fibre creuses 
(J-M. Berland, 2002)

Il existent deux configurations :
Int- Ext (schéma b): L’eau à traiter circule à l’intérieur et le perméat est récupéré à l’extérieur des fibres.
Ext-Int (schéma a et c): L’eau circule à l’extérieur et le perméat est récupéré à l’intérieur des fibres

Tableau 5​ : Avantages et inconvénients des modules fibres creuses 
(A.Maurel, 2006)
 

Avantages Inconvénients
Compacité élevée (15000 m²/m3) Sensibilité de colmatage dû au faible diamètre des fibres
Faible volume mort Fragiles ( Canaux fins)
Faible consommation énergétique  
Possibilité de nettoyage à contre courant  

6. La nanofiltration

L'osmose inverse peut éventuellement être couplée à la nanofiltration. Cette technique permet la séparation en taille de composants de l'ordre du nanomètre. Ce procédé a l'avantage de laisser passer les ions monovalents  et les composés organiques non ionisés de masse molaire inférieure à environ 200 - 250 g/mol mais de retenir les ions divalents (Calcium, Magnésium, sulfates....) et les composés organiques non ionisés de masse molairesupérieure à environ 200 - 250 g/mol. Le rétentat est donc chargé en ions divalents alors que le perméat est concentré en ions monovalents. La précipitation pourra donc éventuellement être étudiée par la suite. (J-M. Berland, 2002)

Post-traitement

Post-Traitement

Le Bore doit être éliminé afin de respecter les normes sanitaires en vigueur pour la consommation d'eau potable. Ce bore se trouve sous forme d'acide borique, acide faible. ( cf figure ci dessous)  Au pH de fonctionnement de l'osmose inverse (pH 6-7), le bore sous forme moléculaire H3BO3​ n'est pas retenu par les membranes d'osmose inverse. Or des teneurs élevées en bore dans l'eau potable sont sesceptibles de provoquer des problèmes de santé tels que des problèmes de développement du foetus et une  diminution de la fertilité...

Figure 1 : Le problème du bore en osmose inverse : dissociation de l'acide borique en fonction du pH
(A.Maurel, 2006)

Selon l' OMS ( Organisation Mondiale de la Santé), la valeur limite est de 0,5 mg/L. Une des solutions possibles pour réduire la teneur en bore dans l'eau osmosée est l'utilisation de résines spécifiques; ces résines ont une très bonne efficacité ( > 90 %) mais leur régénération est relativement complexe. Ensuite un autre procédé d'échange d'ion permet quant à lui de reminéraliser l'eau.