Osmose inverse - Reverse osmosis

Désalinisation de l'eau
Méthodes

L'osmose inverse ( RO ) est un processus de purification de l'eau qui utilise une membrane partiellement perméable pour séparer les ions , les molécules indésirables et les particules plus grosses de l'eau potable. Dans l'osmose inverse, une pression appliquée est utilisée pour surmonter la pression osmotique , une propriété colligative qui est entraînée par les différences de potentiel chimique du solvant, un paramètre thermodynamique . L'osmose inverse peut éliminer de l'eau de nombreux types d' espèces chimiques dissoutes et en suspension ainsi que des espèces biologiques (principalement des bactéries) et est utilisée à la fois dans les processus industriels et dans la production d' eau potable . Le résultat est que le soluté est retenu du côté pressurisé de la membrane et le solvant pur est autorisé à passer de l'autre côté. Pour être "sélective", cette membrane ne doit pas laisser passer de grosses molécules ou ions à travers les pores (trous), mais doit permettre aux plus petits composants de la solution (tels que les molécules de solvant, par exemple l'eau, H 2 O) de passer librement.

Dans le processus normal d' osmose , le solvant se déplace naturellement d'une zone à faible concentration en soluté ( potentiel hydrique élevé ), à travers une membrane, à une zone à forte concentration en soluté (potentiel hydrique faible). La force motrice du mouvement du solvant est la réduction de l' énergie libre de Gibbs du système lorsque la différence de concentration de solvant de chaque côté d'une membrane est réduite, générant une pression osmotique due au déplacement du solvant dans la solution plus concentrée. L'application d'une pression externe pour inverser le flux naturel de solvant pur est donc une osmose inverse. Le processus est similaire à d'autres applications de la technologie membranaire.

L'osmose inverse diffère de la filtration en ce que le mécanisme d'écoulement du fluide se fait par osmose à travers une membrane. Le mécanisme d'élimination prédominant dans la filtration sur membrane est le filtrage, ou exclusion de taille, où les pores sont de 0,01 micromètre ou plus, de sorte que le processus peut théoriquement atteindre une efficacité parfaite quels que soient les paramètres tels que la pression et la concentration de la solution. L'osmose inverse implique plutôt la diffusion de solvant à travers une membrane qui est soit non poreuse, soit utilise une nanofiltration avec des pores de 0,001 micromètre. Le mécanisme d'élimination prédominant provient des différences de solubilité ou de diffusivité, et le processus dépend de la pression, de la concentration de soluté et d'autres conditions.

L'osmose inverse est surtout connue pour son utilisation dans la purification de l'eau potable à partir de l'eau de mer , en éliminant le sel et les autres effluents des molécules d'eau.

Histoire

Un processus d'osmose à travers des membranes semi-perméables a été observé pour la première fois en 1748 par Jean-Antoine Nollet . Pendant les 200 années suivantes, l'osmose n'était qu'un phénomène observé en laboratoire. En 1950, l' Université de Californie à Los Angeles a d' abord étudié le dessalement de l'eau de mer à l'aide de membranes semi-perméables. Des chercheurs de l'Université de Californie à Los Angeles et de l' Université de Floride ont réussi à produire de l'eau douce à partir d'eau de mer au milieu des années 1950, mais le flux était trop faible pour être commercialement viable jusqu'à la découverte à l'Université de Californie à Los Angeles par Sidney Loeb et Srinivasa Sourirajan du Conseil national de recherches du Canada , à Ottawa, sur les techniques de fabrication de membranes asymétriques caractérisées par une couche de « peau » effectivement mince reposant sur une région de substrat très poreuse et beaucoup plus épaisse de la membrane. John Cadotte, de FilmTec Corporation , a découvert que des membranes avec un flux particulièrement élevé et un faible passage de sel pouvaient être fabriquées par polymérisation interfaciale de m- phénylène diamine et de chlorure de trimésoyle. Le brevet de Cadotte sur ce procédé a fait l'objet d'un litige et a expiré depuis. Presque toutes les membranes d'osmose inverse du commerce sont maintenant fabriquées par cette méthode. En 2019, il y avait environ 16 000 usines de dessalement dans le monde, produisant environ 95 millions de mètres cubes par jour (25 milliards de gallons américains par jour) d'eau dessalée à usage humain. Environ la moitié de cette capacité se trouvait dans la région du Moyen-Orient et de l'Afrique du Nord.

Train de production d'osmose inverse, usine d'osmose inverse North Cape Coral

En 1977, Cape Coral , en Floride, est devenue la première municipalité des États-Unis à utiliser le procédé RO à grande échelle avec une capacité opérationnelle initiale de 11,35 millions de litres (3 millions de gal US) par jour. En 1985, en raison de la croissance rapide de la population de Cape Coral, la ville possédait la plus grande usine d'osmose inverse à basse pression au monde, capable de produire 56,8 millions de litres (15 millions de gal US) par jour (MGD).

Formellement, l'osmose inverse est le processus consistant à forcer un solvant d'une région à forte concentration de soluté à travers une membrane semi-perméable à une région à faible concentration de soluté en appliquant une pression supérieure à la pression osmotique. L'application la plus importante et la plus importante de l'osmose inverse est la séparation de l'eau pure de l'eau de mer et des eaux saumâtres ; l'eau de mer ou l'eau saumâtre est pressurisée contre une surface de la membrane, provoquant le transport d'eau appauvrie en sel à travers la membrane et l'émergence d'eau potable du côté basse pression.

Les membranes utilisées pour l'osmose inverse ont une couche dense dans la matrice polymère - soit la peau d'une membrane asymétrique, soit une couche polymérisée de manière interfaciale dans une membrane composite à couche mince - où la séparation se produit. Dans la plupart des cas, la membrane est conçue pour ne laisser passer que l'eau à travers cette couche dense tout en empêchant le passage des solutés (comme les ions de sel). Ce processus nécessite qu'une pression élevée soit exercée sur le côté à haute concentration de la membrane, généralement 2-17 bar (30-250 psi ) pour l'eau douce et saumâtre, et 40-82 bar (600-1200 psi) pour l'eau de mer, qui a une pression osmotique naturelle d'environ 27 bars (390 psi) qui doit être surmontée. Ce procédé est surtout connu pour son utilisation dans le dessalement (élimination du sel et d'autres minéraux de l'eau de mer pour produire de l'eau douce ), mais depuis le début des années 1970, il est également utilisé pour purifier l'eau douce à des fins médicales, industrielles et domestiques.

Applications eau douce

Système d'osmose inverse de comptoir

Purification de l'eau potable

Partout dans le monde, les systèmes de purification d' eau potable des ménages , y compris une étape d'osmose inverse, sont couramment utilisés pour améliorer l'eau de boisson et de cuisine.

De tels systèmes comprennent généralement un certain nombre d'étapes :

  • un filtre à sédiments pour piéger les particules, y compris la rouille et le carbonate de calcium
  • en option, un deuxième filtre à sédiments avec des pores plus petits
  • un filtre à charbon actif pour piéger les produits chimiques organiques et le chlore , qui attaqueront et dégraderont certains types de membrane composite à couche mince
  • un filtre à osmose inverse, qui est une membrane composite à couche mince
  • éventuellement, une lampe ultraviolette pour stériliser les microbes qui pourraient échapper à la filtration par la membrane d'osmose inverse
  • en option, un second filtre à charbon pour capturer les produits chimiques non éliminés par la membrane d'osmose inverse

Dans certains systèmes, le préfiltre à charbon est omis et une membrane en triacétate de cellulose est utilisée. Le CTA (triacétate de cellulose) est une membrane de sous-produit du papier liée à une couche synthétique et est conçue pour permettre le contact avec le chlore dans l'eau. Ceux-ci nécessitent une petite quantité de chlore dans la source d'eau pour empêcher la formation de bactéries. Le taux de rejet typique des membranes CTA est de 85 à 95 %.

La membrane en triacétate de cellulose est sujette à la pourriture à moins d'être protégée par de l'eau chlorée, tandis que la membrane composite à couche mince est susceptible de se décomposer sous l'influence du chlore. Une membrane composite à couche mince (TFC) est faite de matériau synthétique et nécessite l'élimination du chlore avant que l'eau ne pénètre dans la membrane. Pour protéger les éléments membranaires TFC des dommages causés par le chlore, des filtres à charbon sont utilisés comme prétraitement dans tous les systèmes d'osmose inverse résidentiels. Les membranes TFC ont un taux de rejet plus élevé de 95 à 98 % et une durée de vie plus longue que les membranes CTA.

Les processeurs d'eau portables par osmose inverse sont vendus pour la purification de l'eau personnelle dans divers endroits. Pour fonctionner efficacement, l'alimentation en eau de ces unités doit être sous une certaine pression (280 kPa (40 psi) ou plus est la norme). Les processeurs d'eau portables par osmose inverse peuvent être utilisés par les personnes qui vivent dans des zones rurales sans eau potable, loin des conduites d'eau de la ville. Les ruraux filtrent eux-mêmes l'eau des rivières ou des océans, car l'appareil est facile à utiliser (l'eau saline peut nécessiter des membranes spéciales). Certains voyageurs lors de longs voyages en bateau, de pêche ou de camping sur une île, ou dans des pays où l'approvisionnement en eau local est pollué ou de qualité inférieure, utilisent des processeurs d'eau par osmose inverse couplés à un ou plusieurs stérilisateurs ultraviolets.

Dans la production d'eau minérale en bouteille , l'eau passe dans un processeur d'eau par osmose inverse pour éliminer les polluants et les micro-organismes. Dans les pays européens, cependant, un tel traitement de l'eau minérale naturelle (tel que défini par une directive européenne) n'est pas autorisé par la loi européenne. En pratique, une fraction des bactéries vivantes peut traverser les membranes d'osmose inverse et le fait à travers des imperfections mineures, ou contourner entièrement la membrane par de minuscules fuites dans les joints environnants. Ainsi, les systèmes complets d'osmose inverse peuvent inclure des étapes supplémentaires de traitement de l'eau qui utilisent la lumière ultraviolette ou l' ozone pour empêcher la contamination microbiologique.

La taille des pores de la membrane peut varier de 0,1 à 5 000 nm selon le type de filtre. La filtration des particules élimine les particules de 1 µm ou plus. La microfiltration élimine les particules de 50 nm ou plus. L'ultrafiltration élimine les particules d'environ 3 nm ou plus. La nanofiltration élimine les particules de 1 nm ou plus. L'osmose inverse appartient à la dernière catégorie de filtration membranaire, d'hyperfiltration et élimine les particules supérieures à 0,1 nm.

Utilisation décentralisée : osmose inverse à énergie solaire

Une unité de dessalement à énergie solaire produit de l'eau potable à partir d' eau salée en utilisant un système photovoltaïque qui convertit l'énergie solaire en énergie requise pour l'osmose inverse. En raison de la grande disponibilité de la lumière du soleil dans différentes zones géographiques, l'osmose inverse à énergie solaire se prête bien à la purification de l'eau potable dans les régions éloignées dépourvues de réseau électrique. De plus, l'énergie solaire surmonte les coûts d'exploitation généralement élevés en énergie ainsi que les émissions de gaz à effet de serre des systèmes d'osmose inverse conventionnels, ce qui en fait une solution d'eau douce durable compatible avec les contextes en développement. Par exemple, une unité de dessalement à énergie solaire conçue pour les communautés isolées a été testée avec succès dans le Territoire du Nord de l' Australie .

Alors que la nature intermittente de la lumière du soleil et son intensité variable tout au long de la journée rendent difficile la prévision de l'efficacité photovoltaïque et le dessalement pendant la nuit, plusieurs solutions existent. Par exemple, les batteries, qui fournissent l'énergie nécessaire au dessalement en dehors des heures d'ensoleillement, peuvent être utilisées pour stocker l'énergie solaire pendant la journée. Outre l'utilisation de batteries conventionnelles, des méthodes alternatives de stockage de l'énergie solaire existent. Par exemple, les systèmes de stockage d'énergie thermique résolvent ce problème de stockage et assurent des performances constantes même pendant les heures sans soleil et les jours nuageux, améliorant ainsi l'efficacité globale.

Usage militaire : l'unité de purification d'eau par osmose inverse

Une unité de purification d'eau par osmose inverse (ROWPU) est une station de traitement d'eau portable et autonome . Conçu pour un usage militaire, il peut fournir de l' eau potable à partir de presque toutes les sources d'eau. Il existe de nombreux modèles utilisés par les forces armées des États-Unis et les Forces canadiennes . Certains modèles sont conteneurisés , certains sont des remorques et certains sont des véhicules en eux-mêmes.

Chaque branche des forces armées des États-Unis a sa propre série de modèles d'unités de purification d'eau par osmose inverse, mais ils sont tous similaires. L'eau est pompée de sa source brute dans le module de l'unité de purification d'eau par osmose inverse, où elle est traitée avec un polymère pour initier la coagulation . Ensuite, il passe à travers un filtre multimédia où il subit un traitement primaire en éliminant la turbidité. Il est ensuite pompé à travers un filtre à cartouche qui est généralement en coton enroulé en spirale. Ce processus clarifie l'eau de toute particule supérieure à 5 µm et élimine presque toute turbidité .

L'eau clarifiée est ensuite acheminée par une pompe à piston haute pression dans une série de récipients où elle est soumise à l'osmose inverse. L'eau produite est exempte de 90,00 à 99,98 % des solides dissous totaux de l'eau brute et, selon les normes militaires, ne devrait pas contenir plus de 1 000 à 1 500 parties par million par mesure de conductivité électrique . Il est ensuite désinfecté au chlore et stocké pour une utilisation ultérieure.

Purification de l'eau et des eaux usées

L'eau de pluie collectée dans les égouts pluviaux est purifiée avec des processeurs d'eau par osmose inverse et utilisée pour l'irrigation des paysages et le refroidissement industriel à Los Angeles et dans d'autres villes, comme solution au problème des pénuries d'eau.

Dans l' industrie, l' osmose inverse élimine les minéraux de l' eau de la chaudière à des centrales électriques . L'eau est distillée plusieurs fois. Il doit être le plus pur possible afin qu'il ne laisse pas de dépôts sur les machines et ne provoque pas de corrosion. Les dépôts à l'intérieur ou à l'extérieur des tubes de la chaudière peuvent entraîner une sous-performance de la chaudière, réduire son efficacité et entraîner une mauvaise production de vapeur, d'où une mauvaise production d'énergie à la turbine.

Il est également utilisé pour nettoyer les effluents et les eaux souterraines saumâtres . Les effluents en plus gros volumes (plus de 500 m 3 /jour) doivent d'abord être traités dans une station de traitement des effluents, puis l'effluent clair est soumis à un système d'osmose inverse. Le coût du traitement est considérablement réduit et la durée de vie de la membrane du système d'osmose inverse est augmentée.

Le procédé d'osmose inverse peut être utilisé pour la production d' eau déminéralisée .

Le procédé d'osmose inverse pour la purification de l'eau ne nécessite pas d'énergie thermique. Les systèmes d'osmose inverse à flux continu peuvent être régulés par des pompes à haute pression. La récupération de l'eau purifiée dépend de divers facteurs, notamment la taille des membranes, la taille des pores de la membrane, la température, la pression de fonctionnement et la surface de la membrane.

En 2002, Singapour a annoncé qu'un processus nommé NEWater serait une partie importante de ses futurs plans d'eau. Il s'agit d'utiliser l'osmose inverse pour traiter les eaux usées domestiques avant de rejeter la NEWater dans les réservoirs.

Industrie alimentaire

En plus du dessalement, l'osmose inverse est une opération plus économique pour concentrer les liquides alimentaires (tels que les jus de fruits) que les procédés de traitement thermique conventionnels. Des recherches ont été menées sur la concentration de jus d'orange et de jus de tomate. Ses avantages incluent un coût d'exploitation inférieur et la possibilité d'éviter les processus de traitement thermique, ce qui le rend approprié pour les substances sensibles à la chaleur telles que les protéines et les enzymes présentes dans la plupart des produits alimentaires.

L'osmose inverse est largement utilisée dans l'industrie laitière pour la production de poudres de protéines de lactosérum et pour la concentration du lait afin de réduire les coûts d'expédition. Dans les applications de lactosérum, le lactosérum (liquide restant après la fabrication du fromage) est concentré par osmose inverse de 6% de solides totaux à 10-20% de solides totaux avant le traitement par ultrafiltration . Le rétentat d'ultrafiltration peut ensuite être utilisé pour fabriquer diverses poudres de lactosérum, y compris l'isolat de protéine de lactosérum . De plus, le perméat d'ultrafiltration, qui contient du lactose , est concentré par osmose inverse de 5 % de solides totaux à 18 à 22 % de solides totaux pour réduire les coûts de cristallisation et de séchage de la poudre de lactose.

Bien que l'utilisation du processus ait été autrefois évitée dans l'industrie du vin, il est maintenant largement compris et utilisé. On estime que 60 machines à osmose inverse étaient utilisées à Bordeaux , en France , en 2002. Les utilisateurs connus incluent de nombreux crus classés par l'élite (Kramer) tels que Château Léoville-Las Cases à Bordeaux.

Production de sirop d'érable

En 1946, certains producteurs de sirop d'érable ont commencé à utiliser l'osmose inverse pour éliminer l'eau de la sève avant que celle-ci ne soit réduite en sirop . L'utilisation de l'osmose inverse permet d'éliminer environ 75 à 90 % de l'eau de la sève, ce qui réduit la consommation d'énergie et l'exposition du sirop à des températures élevées. La contamination microbienne et la dégradation des membranes doivent être surveillées.

Bière à faible teneur en alcool

Lorsque la bière à une concentration d'alcool normale est soumise à l'osmose inverse, l'eau et l'alcool traversent la membrane plus facilement que les autres composants, laissant un "concentré de bière". Le concentré est ensuite dilué avec de l'eau douce pour restaurer les composants non volatils à leur intensité d'origine.

Production d'hydrogène

Pour la production d'hydrogène à petite échelle , l'osmose inverse est parfois utilisée pour empêcher la formation de dépôts minéraux à la surface des électrodes .

Aquariums

De nombreux aquariophiles récifaux utilisent des systèmes d'osmose inverse pour leur mélange artificiel d'eau de mer. L'eau du robinet ordinaire peut contenir un excès de chlore, de chloramines, de cuivre, de nitrates, de nitrites, de phosphates, de silicates ou de nombreux autres produits chimiques nuisibles aux organismes sensibles dans un environnement récifal. Les contaminants tels que les composés azotés et les phosphates peuvent entraîner une croissance excessive et indésirable des algues. Une combinaison efficace d'osmose inverse et de déionisation est la plus populaire parmi les aquariophiles récifaux et est préférée aux autres processus de purification de l'eau en raison du faible coût de possession et des coûts d'exploitation minimes. Lorsque du chlore et des chloramines se trouvent dans l'eau, une filtration au charbon est nécessaire avant la membrane, car la membrane résidentielle commune utilisée par les gardiens de récifs ne supporte pas ces composés.

Les aquariophiles d'eau douce utilisent également des systèmes d'osmose inverse pour reproduire les eaux très douces présentes dans de nombreux plans d'eau tropicaux. Alors que de nombreux poissons tropicaux peuvent survivre dans l'eau du robinet convenablement traitée, la reproduction peut être impossible. De nombreux magasins aquatiques vendent des récipients d'eau osmosée à cet effet.

Le nettoyage des vitres

Une méthode de plus en plus populaire pour nettoyer les vitres est le système dit de "poteau alimenté en eau". Au lieu de laver les vitres avec un détergent de manière conventionnelle, elles sont nettoyées avec de l'eau hautement purifiée, contenant généralement moins de 10 ppm de solides dissous, à l'aide d'une brosse au bout d'une longue perche qui est maniée depuis le niveau du sol. L'osmose inverse est couramment utilisée pour purifier l'eau.

Purification des lixiviats de décharge

Le traitement par osmose inverse est limité, ce qui entraîne de faibles récupérations à haute concentration (mesurée avec la conductivité électrique ) et un encrassement des membranes RO. L'applicabilité de l'osmose inverse est limitée par la conductivité, les matières organiques et l'entartrage des éléments inorganiques tels que CaSO4, Si, Fe et Ba. L'entartrage organique faible peut utiliser deux technologies différentes, l'une utilise un type de module à membrane enroulée en spirale, et pour l'entartrage organique élevé, une conductivité élevée et une pression plus élevée (jusqu'à 90 bars) des modules de tube à disque avec des membranes d'osmose inverse peuvent être utilisés. Les modules de tubes à disques ont été repensés pour la purification du lixiviat des décharges, qui est généralement contaminé par des niveaux élevés de matière organique. En raison du flux croisé à grande vitesse, une pompe de surpression est fournie, qui fait recirculer le flux sur la même surface de membrane entre 1,5 et 3 fois avant qu'il ne soit libéré sous forme de concentré. Une vitesse élevée est également bonne contre l'entartrage de la membrane et permet un nettoyage réussi de la membrane.

Consommation d'énergie pour un système de module de tube de disque

Module de tube de disque et module enroulé en spirale
Module de tube de disque avec coussin de membrane RO et module enroulé en spirale avec membrane RO
Consommation d'énergie par m 3 de lixiviat
nom du module 1 étage jusqu'à 75 bar 2 étages jusqu'à 75 bar 3 étages jusqu'à 120 bar
module de tube de disque 6,1 à 8,1 kWh/m 3 8,1 à 9,8 kWh/m 3 11,2 à 14,3 kWh/m 3

Dessalement

Les zones qui n'ont pas ou peu d'eau de surface ou d'eau souterraine peuvent choisir de dessaler . L'osmose inverse est une méthode de dessalement de plus en plus courante, en raison de sa consommation d'énergie relativement faible.

Ces dernières années, la consommation d'énergie a chuté à environ 3 kWh/m 3 , avec le développement de dispositifs de récupération d'énergie plus efficaces et de matériaux membranaires améliorés. Selon l'International Desalination Association, pour 2011, l'osmose inverse a été utilisée dans 66% de la capacité de dessalement installée (0,0445 de 0,0674 km³/jour) et presque toutes les nouvelles usines. D'autres usines utilisent principalement des méthodes de distillation thermique : distillation à effets multiples et flash multi-étages .

Le dessalement par osmose inverse d'eau de mer (SWRO), un procédé membranaire, est utilisé commercialement depuis le début des années 1970. Sa première utilisation pratique a été démontrée par Sidney Loeb de l'Université de Californie à Los Angeles à Coalinga, Californie , et Srinivasa Sourirajan du Conseil national de recherches, Canada. Parce qu'aucun chauffage ou changement de phase n'est nécessaire, les besoins énergétiques sont faibles, environ 3 kWh/m 3 , par rapport à d'autres procédés de dessalement, mais sont encore beaucoup plus élevés que ceux requis pour d'autres formes d'approvisionnement en eau, y compris le traitement par osmose inverse des eaux usées , à 0,1 à 1 kWh/m 3 . Jusqu'à 50 % de l'apport d'eau de mer peut être récupéré sous forme d'eau douce, bien que des récupérations plus faibles puissent réduire l'encrassement des membranes et la consommation d'énergie.

L'osmose inverse de l'eau saumâtre fait référence au dessalement de l'eau avec une teneur en sel inférieure à celle de l'eau de mer, provenant généralement des estuaires des rivières ou des puits salés. Le processus est sensiblement le même que l'osmose inverse à l'eau de mer, mais nécessite des pressions plus faibles et donc moins d'énergie. Jusqu'à 80 % de l'eau d'alimentation peut être récupérée sous forme d'eau douce, en fonction de la salinité de l'alimentation.

L' usine de dessalement d'eau de mer par osmose inverse d' Ashkelon en Israël est la plus grande au monde. Le projet a été développé en tant que construction-exploitation-transfert par un consortium de trois sociétés internationales : Veolia eau, IDE Technologies et Elran.

Le système d'osmose inverse d'eau de mer à un seul passage typique se compose de :

  • Admission
  • Prétraitement
  • Pompe haute pression (si non combinée avec récupération d'énergie)
  • Assemblage de membranes
  • Récupération d'énergie (si utilisée)
  • Reminéralisation et ajustement du pH
  • Désinfection
  • Panneau d'alarme/de commande

Prétraitement

Le prétraitement est important lorsque l'on travaille avec des membranes d'osmose inverse et de nanofiltration en raison de la nature de leur conception en spirale. Le matériau est conçu de manière à ne permettre qu'un écoulement à sens unique à travers le système. En tant que tel, la conception enroulée en spirale ne permet pas de rétropulser avec de l'eau ou de l'air pour récurer sa surface et éliminer les solides. Étant donné que les matériaux accumulés ne peuvent pas être retirés des systèmes de surface membranaires, ils sont très sensibles à l'encrassement (perte de capacité de production). Par conséquent, le prétraitement est une nécessité pour tout système d'osmose inverse ou de nanofiltration. Le prétraitement dans les systèmes d'osmose inverse d'eau de mer comporte quatre composants principaux :

  • Tamisage des solides : Les solides contenus dans l'eau doivent être éliminés et l'eau traitée pour éviter l'encrassement des membranes par des particules fines ou une croissance biologique, et réduire le risque d'endommagement des composants de la pompe haute pression.
  • Filtration à cartouche : En général, des filtres en polypropylène enroulés sont utilisés pour éliminer les particules de 1 àµm de diamètre.
  • Dosage : Des biocides oxydants, tels que le chlore, sont ajoutés pour tuer les bactéries, suivis d'un dosage de bisulfite pour désactiver le chlore, qui peut détruire une membrane composite à couche mince. Il existe également des inhibiteurs d' encrassement biologique , qui ne tuent pas les bactéries, mais les empêchent simplement de développer de la boue sur la surface de la membrane et les parois des plantes.
  • Ajustement du pH de la préfiltration : Si le pH, la dureté et l'alcalinité de l'eau d'alimentation entraînent une tendance à l'entartrage lorsqu'ils sont concentrés dans le flux de rejet, l'acide est dosé pour maintenir les carbonates sous leur forme acide carbonique soluble.
CO 3 2− + H 3 O + = HCO 3 + H 2 O
HCO 3 + H 3 O + = H 2 CO 3 + H 2 O
  • L'acide carbonique ne peut pas se combiner avec le calcium pour former du tartre de carbonate de calcium . La tendance à l'entartrage du carbonate de calcium est estimée à l'aide de l'indice de saturation de Langelier. L'ajout d'une trop grande quantité d'acide sulfurique pour contrôler les dépôts de carbonate peut entraîner la formation de dépôts de sulfate de calcium, de sulfate de baryum ou de sulfate de strontium sur la membrane d'osmose inverse.
  • Antitartre de préfiltration : Les inhibiteurs de tartre (également appelés antitartre) empêchent la formation de tous les tartre par rapport à l'acide, qui ne peut empêcher la formation de tartre de carbonate de calcium et de phosphate de calcium . En plus d'inhiber les dépôts de carbonate et de phosphate, les antitartres inhibent les dépôts de sulfate et de fluorure et dispersent les colloïdes et les oxydes métalliques. Malgré les affirmations selon lesquelles les antitartres peuvent inhiber la formation de silice, aucune preuve concrète ne prouve que la polymérisation de la silice peut être inhibée par les antitartres. Les antitartres peuvent contrôler les dépôts solubles dans l'acide à une fraction de la dose requise pour contrôler le même dépôt en utilisant de l'acide sulfurique.
  • Certaines unités de dessalement à petite échelle utilisent des « puits de plage » ; ils sont généralement forés sur le bord de la mer à proximité immédiate de l'océan. Ces installations de prise d'eau sont relativement simples à construire et l'eau de mer qu'elles recueillent est prétraitée par filtration lente à travers les formations souterraines de sable/fond marin dans la zone d'extraction de l'eau de source. L'eau de mer brute collectée à l'aide de puits de plage est souvent de meilleure qualité en termes de solides, de limon, d'huile et de graisse, de contamination organique naturelle et de micro-organismes aquatiques, par rapport aux prises d'eau de mer ouvertes. Parfois, les prises d'eau sur les plages peuvent également fournir une source d'eau moins salée.

Pompe à haute pression

La pompe haute pression fournit la pression nécessaire pour pousser l'eau à travers la membrane, même si la membrane rejette le passage du sel à travers elle. Les pressions typiques pour l'eau saumâtre vont de 1,6 à 2,6 MPa (225 à 376 psi). Dans le cas de l'eau de mer, elles vont de 5,5 à 8 MPa (800 à 1 180 psi). Cela nécessite une grande quantité d'énergie. Lorsque la récupération d'énergie est utilisée, une partie du travail de la pompe haute pression est effectuée par le dispositif de récupération d'énergie, ce qui réduit les apports d'énergie du système.

Assemblage de membranes

Les couches d'une membrane

L'ensemble membrane se compose d'un récipient sous pression avec une membrane qui permet à l'eau d'alimentation d'être pressée contre elle. La membrane doit être suffisamment solide pour résister à toute pression exercée contre elle. Les membranes d'osmose inverse sont fabriquées dans une variété de configurations, les deux configurations les plus courantes étant enroulées en spirale et en fibres creuses.

Seule une partie de l'eau d'alimentation saline pompée dans l'assemblage de la membrane passe à travers la membrane avec le sel éliminé. Le flux de "concentré" restant passe le long du côté salin de la membrane pour chasser la solution saline concentrée. Le pourcentage d'eau dessalée produite par rapport au débit d'alimentation en eau saline est appelé « taux de récupération ». Cela varie en fonction de la salinité de l'eau d'alimentation et des paramètres de conception du système : généralement 20 % pour les petits systèmes d'eau de mer, 40 % à 50 % pour les grands systèmes d'eau de mer et 80 % à 85 % pour l'eau saumâtre. Le débit de concentré n'est généralement que de 3 bars / 50 psi de moins que la pression d'alimentation, et transporte donc toujours une grande partie de l'énergie d'entrée de la pompe haute pression.

La pureté de l'eau dessalée est fonction de la salinité de l'eau d'alimentation, de la sélection de la membrane et du taux de récupération. Pour obtenir une pureté plus élevée, un deuxième passage peut être ajouté, ce qui nécessite généralement un nouveau pompage. La pureté exprimée en solides dissous totaux varie généralement de 100 à 400 parties par million (ppm ou mg/litre) sur une alimentation en eau de mer. Un niveau de 500 ppm est généralement accepté comme limite supérieure pour l'eau potable, tandis que la Food and Drug Administration des États-Unis classe l'eau minérale comme une eau contenant au moins 250 ppm.

Récupération d'énergie

Schéma d'un système de dessalement par osmose inverse utilisant un échangeur de pression .
1 : Arrivée d'eau de mer,
2 : Débit d'eau douce (40%),
3 : Débit de concentré (60%),
4 : Débit d'eau de mer (60%),
5 : Concentré (vidange),
A : Débit de pompe (40%) ,
B : Pompe de circulation,
C : Osmoseur à membrane,
D : Echangeur de pression
Schéma d'un système de dessalement par osmose inverse utilisant une pompe de récupération d'énergie.
1 : Débit d'eau de mer (100%, 1 bar),
2 : Débit d'eau de mer (100%, 50 bar),
3 : Débit de concentré (60%, 48 bar),
4 : Débit d'eau douce (40%, 1 bar) ,
5 : Concentrat vers vidange (60%,1 bar),
A : Pompe de récupération de pression,
B : Osmoseur avec membrane

La récupération d'énergie peut réduire la consommation d'énergie de 50 % ou plus. Une grande partie de l'énergie d'entrée de la pompe haute pression peut être récupérée à partir du flux de concentré, et l'efficacité croissante des dispositifs de récupération d'énergie a considérablement réduit les besoins énergétiques du dessalement par osmose inverse. Les dispositifs utilisés, par ordre d'invention, sont :

  • Turbine ou roue Pelton : une turbine à eau entraînée par le flux de concentré, reliée à l'arbre d'entraînement de la pompe haute pression pour fournir une partie de sa puissance d'entrée. Des moteurs à pistons axiaux à déplacement positif ont également été utilisés à la place des turbines sur des systèmes plus petits.
  • Turbocompresseur : une turbine à eau entraînée par le flux de concentré, directement connectée à une pompe centrifuge qui augmente la pression de sortie de la pompe haute pression, réduisant la pression nécessaire à la pompe haute pression et donc son apport d'énergie, de principe de construction similaire aux turbocompresseurs de moteur de voiture .
  • Echangeur de pression : utilisant le débit de concentré sous pression, en contact direct ou via un piston, pour pressuriser une partie du débit d'alimentation de la membrane à une pression proche du débit de concentré. Une pompe de suralimentation augmente ensuite cette pression de 3 bars / 50 psi typiquement jusqu'à la pression d'alimentation de la membrane. Cela réduit le débit nécessaire de la pompe haute pression d'une quantité égale au débit de concentré, typiquement 60 %, et par conséquent son apport d'énergie. Ceux-ci sont largement utilisés sur les grands systèmes à faible consommation d'énergie. Ils sont capables de consommer 3 kWh/m 3 ou moins d'énergie.
  • Pompe de récupération d'énergie : une pompe à piston alternatif ayant le flux de concentré sous pression appliqué à un côté de chaque piston pour aider à entraîner le flux d'alimentation de la membrane du côté opposé. Ce sont les dispositifs de récupération d'énergie les plus simples à appliquer, combinant la pompe haute pression et la récupération d'énergie dans une seule unité autorégulée. Ceux-ci sont largement utilisés sur les petits systèmes à faible consommation d'énergie. Ils sont capables de consommer 3 kWh/m 3 ou moins d'énergie.
  • Fonctionnement par lots : les systèmes d'osmose inverse fonctionnant avec un volume fixe de fluide (thermodynamiquement un système fermé ) ne souffrent pas de gaspillage d'énergie dans le flux de saumure, car l'énergie pour pressuriser un fluide pratiquement incompressible (eau) est négligeable. De tels systèmes ont le potentiel d'atteindre des rendements de seconde loi de 60 %.

Reminéralisation et ajustement du pH

L'eau dessalée est stabilisée pour protéger les canalisations et le stockage en aval, généralement en ajoutant de la chaux ou de la soude caustique pour empêcher la corrosion des surfaces revêtues de béton. Le chaulage est utilisé pour ajuster le pH entre 6,8 et 8,1 pour répondre aux spécifications de l'eau potable, principalement pour une désinfection efficace et pour le contrôle de la corrosion. Une reminéralisation peut être nécessaire pour remplacer les minéraux retirés de l'eau par le dessalement. Bien que ce procédé se soit avéré coûteux et peu pratique s'il est destiné à répondre à la demande en minéraux de l'homme et des plantes. La même demande minérale que les sources d'eau douce fournissaient auparavant. Par exemple, l'eau du transporteur d'eau national d'Israël contient généralement des niveaux de magnésium dissous de 20 à 25 mg/litre, tandis que l'eau de l'usine d'Ashkelon n'a pas de magnésium. Après que les agriculteurs aient utilisé cette eau, des symptômes de carence en magnésium sont apparus dans les cultures, notamment les tomates, le basilic et les fleurs, et ont dû être corrigés par la fertilisation. Les normes israéliennes actuelles en matière d'eau potable fixent un niveau minimum de calcium de 20 mg/litre. Le traitement post-dessalement de l'usine d'Ashkelon utilise de l'acide sulfurique pour dissoudre la calcite (calcaire), ce qui entraîne une concentration en calcium de 40 à 46 mg/litre. C'est encore inférieur aux 45 à 60 mg/litre trouvés dans l'eau douce israélienne typique.

Désinfection

Le post-traitement consiste à préparer l'eau à distribuer après filtration. L'osmose inverse est une barrière efficace contre les agents pathogènes, mais le post-traitement offre une protection secondaire contre les membranes compromises et les problèmes en aval. La désinfection au moyen de lampes ultraviolettes (UV) (parfois appelées germicides ou bactéricides) peut être utilisée pour stériliser les agents pathogènes qui ont contourné le processus d'osmose inverse. La chloration ou la chloramination (chlore et ammoniac) protège contre les agents pathogènes qui peuvent s'être logés dans le réseau de distribution en aval, tels que les nouvelles constructions, les lavages à contre-courant, les canalisations endommagées, etc.

Désavantages

Les unités d'osmose inverse domestiques utilisent beaucoup d'eau car elles ont une faible contre-pression. Auparavant, ils ne récupéraient que 5 à 15 % de l'eau entrant dans le système. Cependant, les derniers purificateurs d'eau RO peuvent récupérer 40 à 55% d'eau. Le reste est rejeté sous forme d'eaux usées. Étant donné que les eaux usées transportent avec elles les contaminants rejetés, les méthodes de récupération de cette eau ne sont pas pratiques pour les systèmes domestiques. Les eaux usées sont généralement reliées aux drains de la maison et augmenteront la charge sur le système septique domestique. Une unité d'osmose inverse délivrant 20 litres (5,3 US gal) d'eau traitée par jour peut rejeter entre 50 et 80 litres (13 et 21 US gal) d'eaux usées par jour. C'est pour cette raison même que le National Green Tribunal en Inde a proposé d'interdire les systèmes de purification d'eau RO dans les zones où la mesure des solides dissous totaux (TDS) dans l'eau est inférieure à 500 mg/litre. Cela a une conséquence désastreuse pour les mégapoles comme Delhi où L'utilisation à grande échelle d'appareils RO domestiques a augmenté la demande totale en eau du Territoire de la capitale nationale de l'Inde, déjà desséché par l'eau.

Les systèmes industriels/municipaux à grande échelle récupèrent généralement 75 à 80 % de l'eau d'alimentation, ou jusqu'à 90 %, car ils peuvent générer la pression élevée nécessaire pour une filtration par osmose inverse à récupération plus élevée. D'autre part, à mesure que la récupération des eaux usées augmente dans les opérations commerciales, les taux effectifs d'élimination des contaminants ont tendance à diminuer, comme en témoignent les niveaux de solides dissous totaux dans l' eau du produit .

L'osmose inverse par sa construction élimine à la fois les contaminants nocifs présents dans l'eau, ainsi que certains minéraux souhaitables. Les études modernes sur cette question ont été assez superficielles, citant le manque de financement et d'intérêt pour une telle étude, car la reminéralisation des usines de traitement est aujourd'hui effectuée pour empêcher la corrosion des pipelines sans entrer dans l'aspect de la santé humaine. Ils sont cependant liés à des études plus anciennes et plus approfondies qui, d'une part, montrent une certaine relation entre les effets à long terme sur la santé et la consommation d'eau pauvre en calcium et en magnésium, d'autre part, admettent qu'aucune de ces études plus anciennes n'est conforme aux normes de recherche modernes. .

Considérations relatives au flux de déchets

Selon le produit souhaité, le solvant ou le courant de soluté de l'osmose inverse sera un déchet. Pour les applications de concentration alimentaire, le flux de soluté concentré est le produit et le flux de solvant est un déchet. Pour les applications de traitement de l'eau, le flux de solvant est de l'eau purifiée et le flux de soluté est un déchet concentré. Le flux de déchets de solvant provenant de la transformation des aliments peut être utilisé comme eau récupérée , mais il peut y avoir moins d'options pour l'élimination d'un flux de soluté de déchets concentré. Les navires peuvent utiliser des décharges marines et les usines de dessalement côtières utilisent généralement des émissaires marins . Les installations d'osmose inverse enclavées peuvent nécessiter des bassins d'évaporation ou des puits d'injection pour éviter de polluer les eaux souterraines ou le ruissellement de surface .

Nouveaux développements

Depuis les années 1970, la préfiltration des eaux fortement encrassées avec une autre membrane à pores plus larges, nécessitant moins d'énergie hydraulique, a été évaluée et parfois utilisée. Cependant, cela signifie que l'eau traverse deux membranes et est souvent repressurisée, ce qui nécessite plus d'énergie à mettre dans le système, et donc augmente le coût.

D'autres travaux de développement récents se sont concentrés sur l'intégration de l'osmose inverse avec l' électrodialyse pour améliorer la récupération des produits déionisés de valeur, ou pour minimiser le volume de concentré nécessitant une décharge ou une élimination.

Au cours des dernières années, de nombreuses entreprises de purificateurs d'eau RO domestiques ont commencé à trouver une solution à ce problème. La solution la plus prometteuse parmi celles-ci semble être le LPHR. Le LPHR, ou procédé RO à plusieurs étages à haute récupération à basse pression, produit en même temps une saumure très concentrée et de l'eau douce. Plus important encore, il s'est avéré économiquement faisable pour une récupération d'eau de plus de 70 % avec un OPD compris entre 58 et 65 bars afin de produire un produit d'eau douce ne contenant pas plus de 350 ppm de TDS à partir d'une alimentation en eau de mer avec 35 000 ppm de TDS.

Les systèmes Kent RO sont livrés avec une technologie simple « Zéro gaspillage d'eau », qui repousse l'eau rejetée vers le réservoir supérieur, réduisant ainsi le gaspillage à zéro.

Dans la production d'eau potable, les derniers développements incluent les membranes nanométriques et en graphène .

La plus grande usine de dessalement RO au monde a été construite à Sorek, en Israël, en 2013. Elle a une production de 624 000 mètres cubes par jour (165 millions de gallons américains par jour).

Voir également

Les références

Sources

  • Metcalf; Eddy (1972). Ingénierie des eaux usées . New York : McGraw-Hill Book Company.