Entartrage et colmatage

Entartrage et colmatage

 

Les principaux problèmes que l'on rencontre dans le dessalement de l'eau de mer sont les problèmes d'entartrages et de colmatage des surfaces d'échange (fouling).

1. Problèmes d'entartrage

L'entartrage est un problème de sels minéraux qui a tendance à se former sur les surfaces d'échanges. Les dépôts sont constitués principalement par du carbonate de calcium (CaCO3), de l'hydroxyde de magnésium (Mg(OH)2) et du sulfate de calcium. Pour qu'il y ait dépôts de tartre sur une surface d'échange, deux conditions principales doivent être réunies :

- une condition thermodynamique : il faut que la limite de solubilité soit dépassée, c'est-à-dire qu'il y ait sursaturation.
- une condition cinétique :  il faut que la vitesse de déposition soit suffisamment rapide.

 

1.1 Aspect thermodynamique : la saturation

Pour la plupart des espèces, la solubilité augmente avec la température. Pour d'autres comme le carbonate de calcium et le sulfate de calcium (à partir de 40°C), la solubilité diminue avec la température. Dans ce cas, la sursaturation est atteinte soit par concentration de la solution à température constante, soit par une augmentation de la température à concentration. ( La combinaison des deux est aussi possible).

1.2 Aspect cinétique : nucléation et croissance cristalline

Le phénomène de nucléation, première étape de formation d'une phase cristallisée,  est la croissance des premiers germes solides appelés nucléi dans une solution saturée.Deux types de nucléation existent:

- la nucléation homogène, lorsqu'il y a formation de nucléi exclusivement entre ions libres en solution
- la nucléation hétérogène lorsqu'il y a formation de nucléi au contact d'un interface : parois, cristaux d"ja formés...

Lorsque les embryons ont atteint la taille du nucleus critique, la croissance a lieu puisque la solution sursaturée tend vers l'état d'équilibre par précipitation.

1.3 Principaux dépôts de tartre rencontrés

En général, les dépôts de tartre rencontrés dans les installations de dessalement sont:

- le carbonate de calcium CaCO3 ( calcite, aragonite)
- le sulfate de cacium CaSO4 ( anhydrite, gypse)
- l'hydroxyde de magnésium Mg(OH)2 ( brucite)
- des silicates de calcium dont CaSiO3
​- 
des silicates de magnésium dont MgSiO3
- le silico-aluminate de sodiium (analcite)
- le ferro silicate de sodium (acmite)
- la silice (SiO2)

D'autres matières tels que les oxydes de fer, les matières en suspension, les matières organiques, les éléments traces métalliques sont souvent renfermées dans ces dépôts de tartre.

1.4 Différents moyens de lutte contre l'entartrage

Les différents moyens de lutte contre l'entartrage sont résumés dans la partie cadre de l'étude, installation de dessalement par osmose inverse, prétraitement)

2. Problèmes de colmatage

Les dépôts qui sont à l'origine du colmatage (fouling) des surfaces d'échange peuvent être classés en trois catégories :

- les dépôts minéraux qui correspondent au phénomène d'entartrage ou scaling constitués principalement par CaCO3, CaSO4,x H2O...
- les dépôts organiques tels que les matières en supension, les acides humiques et fulviques, les micro-organismes ainsi que les produits excrétés par les micro-organismes (polysaccharides)
- les dépôts colloïdaux tels que la silice et les hydroxydes de fer, de manganèse d'aluminium...

En général, un dépôt est constitué par un mélange de ces différents types auxquels il faut rajouter les produits de corrosion, ainsi que les précipités résultants des réactifs ajoutés (antitartres, floculants)...

2.1 Matière organique dans les eaux

La matière organique naturelle est principalement issue de la décomposition des végétaux, des animaux et des micro-organismes. La figure 1 représente les différentes substances humiques présentes dans les eaux.

Figure 1 : Différentes substances humiques présentes dans les eaux
(A.Maurel, 2006)

​2.2 Biofouling

Le biofouling peut être défini comme un colmatage dû à des micro-organismes (bactéries principalement), mais aussi micro-algues, champignons :

- soit directement par le développement d'une biomasse,
- soit indirectement par les métabolites produits par les micro-organismes (polysaccharides)

Très fréquent en osmose inverse, le biofouling entraîne :

- une augmentation de la perte de charge car les sections de passage de l'eau à traiter sont diminuées.
- une attaque chimique éventuelle des métaux (corrosion) ou des membranes par des composés acides produits par des bactéries (acides organiques en général).

La croissance bactérienne est un phénomène exponentiel qui dépend des paramètres tels que la température, les nutriments, le pH, la vitesse du fluide, ma pression osmotique, la teneur en oxygène et la présence ou non de biocides. 

2.3 Différents moyens de lutte contre le colmatage

Pour éviter les dépôts de matières organiques sur les surfaces d'échange, le traitement d'oxydation par chloration a pour but :

- de dégrader la matière organique en molécules plus petites et éventuellement en CO2
- de réduire la teneur en micro-organismes (désinfection)

La chloration est expliqué dans la partie cadre de l'étude, installation de dessalement par osmose inverse, prétraitement)

2.4 Pouvoir colmatant

La rapidité de colmatage dépend non seulement de la quantité de matières en supension contenue dans l'eau brute mais surtout de la nature de ces matières en suspension. Le pouvoir colmatant couramment appelé fouling index (FI) ou silt density index (SDI) ou silt index (SI) s'obtient en mesurant la vitesse de colmatage d'une membrane de type Millipore de 0,45 µm de porosité et de 47 mm de diamètre sous pression de 2,1 bar. FI est déterminé selon la relation suivante:

$ F.I_t = \frac{[(t_f-\frac{t_i}{t_f}.100]}{t} $

 

avec 
ti le temps nécessaire pour filtrer 500 mL au démarrage de la mesure,
tf  le temps nécessaire pour filtrer 500 mL après un temps t. 

En général le temps t entre deux mesures de volumes est égal à 15 min, dans le cas particulier d'eaux à pouvoir colmatant élevé, le temps t entre deux mesures de volumes est égal à 10 ou 5 min.

Les valeurs maximales des différents fouling index sont par définition les suivantes :
 

$ F.I_{15} \le 6,67 $
$ F.I_{10} \le 10 $
$ F.I_5 \le 20 $

L'obtention d'un fouling index de 2 ou 3 nécessite un prétraitement. 

retour vers la page prétraitement

retour vers la page Bilan DMV