La forte croissance du dessalement des eaux de meret la consommation d'électricité

L'électricité est la forme élaborée d'énergie qui va s'imposer au cours d'un XXIème siècle de plus en plus urbanisé, dépendant de systèmes à fort rendements énergétiques comme les pompes à chaleur et asservi aux énergies renouvelables intermittentes. Dans les transports, les trains à grande vitesse se substitueront aux avions et autres ferries, les véhicules à traction électrique, le développement de l'industrie de l'Aluminium (métal léger et donc écologique, malheureusement de moins en moins produit dans une Europe qui n'a rien compris au match qui se joue) seront des évolutions qui vont accentuer encore et encore les consommations d'électricité. Mais je voudrais évoquer ici, pour agrémenter le tableau, une application encore marginale mais en très forte croissance qui participera de plus en plus à cet engouement pour l'énergie électrique: le dessalement de l'eau de mer et autres eaux saumâtres.

Caractéristiques des eaux marines et saumâtres

1. Les eaux marines

La caractéristique la plus importante des eaux de mer est leur salinité, c'est-à-dire leur teneur globale en sels (chlorures de sodium et de magnésium, sulfates, carbonates). La salinité moyenne des eaux des mers et océans est de 35 g.L^-1 (27,2 g.L^-1 de NaCl, 3,8 g.L^-1 de MgCl₂, 1,7 g.L^-1 MgSO₄, 1,26 g.L^-1 CaSO₄, 0,86 g.L^-1 K₂SO₄).

Cette salinité peut être différente dans le cas de mers fermées :

• mer Méditerranée : 36 à 39 g.L^-1,
• mer Rouge : environ 40 g.L^-1,
• mer Caspienne : 13 g.L^-1,
• mer Morte : 270 g.L^-1,
• Golfe Arabo-Persique : 36 à 39 g.L^-1.

Le pH moyen des eaux de mer varie entre 7,5 et 8,4 : l'eau de mer est un milieu légèrement basique.

2. Les eaux saumâtres

On appelle eau saumâtre une eau salée non potable de salinité inférieure à celle de l'eau de mer. La plupart des eaux saumâtres contiennent entre 1 et 10 g de sels par litre. Ce sont parfois des eaux de surface mais le plus souvent des eaux souterraines qui se sont chargées en sels en dissolvant certains sels présents dans les sols qu'elles ont traversés. Leur composition dépend donc de la nature des sols traversés et de la vitesse de circulation dans ces sols. Les principaux sels dissous sont le CaCO₃, le CaSO₄, le MgCO₃ et le NaCl.

Principales étapes dans le procédé de dessalement

La méthode dite de l’osmose inverse

OSMOSE
A : L’osmose est un phénomène naturel à travers une membrane semi-perméable : l’eau douce migre vers l’eau salée, la plus concentrée.
B : L’équilibre s’établit à la pression osmotique. Plus l’eau est chargée en sels et plus la pression osmotique est élevée.OSMOSE INVERSE
C : Il est possible d’inverser l’opération en exerçant une pression sur l’eau salée et faire migrer les plus petites molécules d’eau, c’est l’osmose inverse.


Exemple : Le dessalement d’une eau saumâtre de concentration 12.000 ppm nécessite moins de pression et donc moins d’énergie qu’une eau de mer de concentration 35.000 ppm.

Conclusion

Le procédé d’OI a beaucoup des avantages sur le plan technologique, environnemental et économique, nous pouvons citer :

v  Technologie basée sur une  séparation physique permettant l’obtention d’une eau d’excellente qualité bactériologique et/ou  physico-chimique et couvrant une large gamme de performances.

v  Technologie permettant une meilleure gestion des ressources  en eau (qualité et volume consommé), une diminution du volume de boues à éliminer et une rétention maximale des polluants.

v  Technologie permettant des économies par la récupération  d’eau de procédé, de matières premières et/ou d’énergie et une diminution des volumes d’eaux usées à traiter.

Prétraitement par les procédés membranaires

En raison des limitations du prétraitement conventionnel qui viennent d’être évoquées, un intérêt croissant s’est porté sur l’utilisation de procédés membranaires basse pression tels que la microfiltration (MF), l’ultrafiltration (UF) et la nanofiltration (NF). Les avantages majeurs des procédés membranaires sont les suivants:

•     Flux de l’osmose inverse significativement élevé ;

•     Plus faible consommation de produit chimique ;

•     Augmentation de la durée de vie des membranes d’osmose inverse ;

•     Capacité de fonctionnement à une qualité de l’eau d’alimentation variée ;

           •   Désinfection et nettoyage de l’osmose inverse moins nécessaire ;

Procédés de prétraitement de l’osmose inverse

Le prétraitement de l’eau de mer avant osmose inverse est absolument nécessaire car les membranes d’osmose inverse sont très sensibles au colmatage et une bonne qualité de l’eau en entrée des modules d’osmose inverse est indispensable pour assurer des performances stables de l’osmose inverse sur le long terme. Le prétraitement a pour objectif la réduction du colmatage, l’augmentation de la durée de vie des membranes, l’amélioration de la qualité de l’eau produite et la maintenance des performances de l’osmose inverse. Les procédés de prétraitement peuvent être divisés en deux catégories : les prétraitements physiques et les prétraitements chimiques. Les prétraitements physiques incluent les préfiltres mécaniques, les filtres à cartouche, la filtration à sable et la filtration membranaire. Le prétraitement chimique consiste en l’addition d’inhibiteurs d’entartrage, de coagulants, de désinfectants et de polyélectrolytes.

A l’heure actuelle, la plupart des usines d’osmose inverse utilisent un procédé de prétraitement conventionnel qui généralement consiste en un prétraitement physique et chimique sans procédé membranaire.

 Avec la baisse constante du prix des éléments membranaires et la dégradation de la qualité des ressources en eau, le prétraitement par procédé membranaire trouve de plus en plus sa place dans les étapes de prétraitement avant osmose inverse. Nous allons détailler à présent les deux types de filières de prétraitement : conventionnelle et à membrane. 

Colmatage par dépôt

Le colmatage par dépôt peut être de deux natures différentes qui peuvent coexister:

a)                      le colmatage particulaire ou colloïdal : des colloïdes peuvent être agglomérés et adhérer à la membrane. Les colloïdes les plus courants sont des argiles de silicate d’aluminium (0,3-1 µm) et des colloïdes de fer. Les microorganismes déposés font aussi partie de ce colmatage.

          b)                  le colmatage par la matière organique : la dégradation de la matière organique produit une matrice de  macromolécules  appelée  acide  humique.  Les  matières  organiques  dans  les  eaux  salées  sont principalement des substances humiques à des concentrations entre 0,5 à 20 mg.L^-1 pour l’eau saumâtre et jusqu’à 100 mg.L^-1 de COT pour l’eau de mer en surface.

Colmatage par entartrage

L’entartrage sur une membrane est principalement causé par :

-  Le dépassement de la limite de solubilité des composants inorganiques, c'est-à-dire qu’il y a une sursaturation

-  L’augmentation rapide de la vitesse de déposition. Des sels sursaturés vont précipiter sur la surface de la membrane et construire une couche fine qui bloque le transfert de matière à travers la membrane.

L’entartrage a toujours lieu à la surface de la membrane car la concentration des sels est augmentée près de la membrane par la polarisation de concentration. Les dépôts de tartre rencontrés le plus fréquemment dans le dessalement comportent du carbonate de calcium (CaCO₃), du sulfate de calcium (Ca(SO₄)₂), de l’hydroxyde de magnésium (Mg(OH)₂) et des dépôts de silice (SiO₂, CaSiO₃, MgSiO₃, etc.…)


 Ø   Précipitation à la chaux : ce procédé est employé lorsque la dureté carbonatée est due essentiellement aux ions Ca²⁺. En revanche, l’addition de chaux entraîne la précipitation du CaCO₃ avant la membrane suite à la modification du pH.

Ca(HCO₃)₂  + Ca(OH)₂  → 2CaCO₃  + 2H₂O

Cette technique présente des inconvénients inhérents à l’emploi de la chaux et à la quantité de boues produite, mais celles-ci sont facilement déshydratées. Ce procédé permet également de traiter de manière efficace les problèmes de turbidité.

Ø   Décarbonatation à l’acide : l’addition d’un acide fort, H₂SO₄ ou HCl, déplace les carbonates sous forme de gaz carbonique

Ca(HCO₃)₂  + H₂SO₄  → CaSO₄  + 2H₂O + 2CO₂

Ø   Germination  ou  ensemencement : ce  système consiste à  provoquer  les dépôts  sur  des  germes cristallins que l’on a introduits dans la solution à raison de 10 à 20 g.L^-1. Ces germes peuvent être du carbonate de calcium, du sulfate de calcium ou du sulfate de baryum. Les risques de « prise en masse » au cours des arrêts existent et peuvent expliquer le faible développement de ce procédé.

Ø   Adoucissement sur résines de l’eau de mer : l’adoucissement de l’eau de mer consiste à remplacer les ions calcium par des ions sodium. Le procédé consiste à faire circuler l’eau de mer sur des résines cationiques acides fort saturées en ion sodium, où se produit un échange ionique.

Ø   Inhibiteurs d’entartrage : c’est ce procédé qui est le plus souvent utilisé. Les produits chimiques nommés « tartriques » sont injectés à très faible dose (quelques ppm) dans l’eau d’alimentation. Ils ont la propriété d’éviter ou de minimiser les dépôts qui se font sur la membrane. Les trois principales familles de produits antitartre utilisées dans le dessalement de l’eau de mer sont les polyphosphates, les organophosphonates et les polymères carboxyliques.

Limitations de l’osmose inverse

Nous définissons sous le terme de colmatage l’ensemble des mécanismes qui limitent le flux à travers une membrane. Dans le cas de l’osmose inverse, le phénomène de colmatage peut être classifié en 3 catégories suivantes:

·         La précipitation des composés inorganiques sur la membrane (l’entartrage),

·         La formation du dépôt par des particules ou des matières organiques sur la membrane,

      ·   La formation du biofilm et l’excrétion in situ d’exopolymères sur la membrane (le bio-colmatage)

La pression osmotique

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 [13].

La pression osmotique d’une solution est proportionnelle à la concentration en solutés :

Π = i.C.R.T      (Equation IV-1)

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)

Exemple :

Pour une estimation approximative, la pression osmotique de l’eau de mer à 20°C peut être calculée en supposant que la concentration de NaCl représente la concentration totale des sels présents dans l’eau de mer.

 La pression osmotique pour une eau de mer de NaCl à 35 g.L^-1 (i = 2 et C = 35/58,5 mol.L^-1)

est : Π = 2× (35/58,5) ×0,082 ×293 = 28,7bars

Pression osmotique

L’osmose est le transfert de solvant à travers une membrane sous l’effet d’un gradient de concentration. Considérons un système de deux compartiments séparés par une membrane semi-perméable sélective et contenant deux solutions de concentrations différentes. Le solvant (généralement l’eau) s’écoule à travers la membrane du compartiment de la solution moins concentrée vers le compartiment contenant la solution la plus concentrée, c’est le phénomène d’osmose. Si on applique progressivement une pression sur le compartiment de la solution la plus concentrée, le flux d’eau qui traverse la membrane va diminuer, puis s’annuler quand la pression appliquée atteindra à ce qui est appelé la pression osmotique. Si on applique une pression supérieure à la pression osmotique, l’eau va traverser la membrane dans le sens inverse du flux osmotique, c’est le phénomène d’osmose inverse. 

Principe de l’osmose inverse

La filtration membranaire est un procédé de séparation des composants d’un fluide. Le rôle de la membrane est d’agir comme une barrière sélective, elle permet de laisser passer certains éléments et d’en retenir d’autres en fonction des propriétés respectives de ces éléments sous l’effet d’une force motrice. Les procédés membranaires barométriques, i.e. à gradient de pression, peuvent être classifiés en fonction de la membrane utilisée et du seuil de coupure en microfiltration (MF), ultrafiltration (UF), nanofiltration (NF), et osmose inverse (OI)

L’importance du procédé de l’osmose inverse

A l’heure actuelle, la qualité d’eau produite mondialement par osmose inverse est supérieure à celle produite par distillation. Entre 1990 et 2001, la part de marché de l’osmose inverse a augmenté de 40 à 53%. L’intérêt de l’osmose inverse est le coût de l’eau produite qui est à peu près de celle de procédé thermique (Van der Bruggen et Vandecasteele, 2002), grâce à la consommation énergétique moindre du procédé. De plus, en ce qui concerne l’aspect environnemental, les émissions de pollutions atmosphériques (SO_x et NO_x) sont également réduites en osmose inverse du fait de cette plus faible consommation d’énergie par rapport au dessalement thermique. 

Procédés à membranes

Les membranes ont la capacité de différencier et séparer sélectivement les sels dissous dans l'eau. En utilisant cette capacité mais différemment dans chaque cas, trois procédés de dessalement de membrane ont été développés pour l'eau de dessalement : Électrodialyse (ED), osmose inverse (OI) et nanofiltration (NF).

L’OI représente le segment croissant le plus rapide du marché de dessalement [4]. Des technologies de membrane peuvent être employées pour le dessalement de l'eau de mer et de l'eau saumâtre, mais elles sont généralement employées pour dessaler l'eau saumâtre parce que la consommation d'énergie est proportionnelle à la teneur en sel dans l'eau de source.

Comparé aux processus de distillation thermiques, les technologies de membrane généralement ont des frais financiers inférieurs et exigent moins d'énergie, contribuant aux frais d'exploitation inférieurs.


   Électrodialyse (ED) 

L’électrodialyse est un procédé de dessalement électro-membranaire qui permet d’éliminer des sels dissous d’une eau saline par migration à travers des membranes sélectives sous l’action d’un champ électrique.

 

Les ions d’un sel dissous dans l’eau, comme le chlorure de sodium par exemple, déplacent sous l’action d’un champ électrique créé par deux électrodes trempant dans le liquide. Les ions positifs ou cations (Na⁺) sont attirés par l’électrode négative (ou cathode) tandis que les ions négatifs (Cl^-) sont attirés par l’électrode positive.

Dans l’électrodialyse, on intercale alternativement des membranes filtrantes soit imperméables aux anions et perméables aux cations, soit imperméables aux cations et perméables aux anions. On obtient ainsi une série de compartiments à forte concentration de sels et d’autres à faible concentration.

L’électrodialyse est bien adaptée aux eaux saumâtres dont la salinité est assez faible, inférieure à celle de l’eau de mer 

Nanofiltration (NF)

La nanofiltration fonctionne de la même manière que l'osmose inverse, mais elle nécessite moins de pression. Ce processus peut enlever quelques matières solides dissoutes mais est employé souvent pour adoucir partiellement l'eau et enlever les solides et le carbone organique dissous. Pour TDS bas des eaux saumâtres, N-F peut être employé comme traitement autonome pour enlever des sels 

Osmose inverse (OI)

Le procédé OI consiste à séparer les substances dissoutes d’une solution salée pressurisée en la faisant diffuser à travers une membrane. En pratique, l’eau d'alimentation est pompée dans une cuve étanche où elle pressurée contre la membrane. À mesure qu’une fraction de l’eau diffuse à travers la membrane, la teneur en sels de la fraction restante augmente. Dans le même temps, une partie de cette eau d’alimentation est rejetée, sans diffuser à travers la membrane 

Les dix dernières années ont été marquées par l’essor du procédé OI. Bien que le concept de ce dernier n’ait pas fondamentalement changé, il a donné lieu à des améliorations constantes en ce qui concerne l’efficacité des membranes, la récupération d’énergie, le contrôle des opérations sur membrane et les enseignements tirés de l’exploitation, ce qui a permis une réduction globale du coût de l’eau produite par ce procédé.

Dans le chapitre suivant, nous détaillerons le procédé de dessalement par osmose inverse, objet de notre étude. 

Les techniques les plus utilisées en dessalement

Ces différents procédés de dessalement en trois grandes familles :

1)   Les procédés faisant intervenir un changement de phase :

ü  Evaporation.

ü  Congélation.

2)   Les procédés de perméation sélective à travers une membrane :

ü  Transfert d'ions sous l'action d'un champ électrique (électrodialyse) ou d’un gradient de pression (piezodialyse),

   - Transfert d'eau sous l'action d'un gradient de pression (osmose inverse) sous l'action d'un gradient de température (thermoosmose).

3) Les procédés chimiques :

ü        - échange d'ions,

ü        - extraction par solvant.

En fait, la totalité des installations actuellement en service fait appel à de grandes familles de procédés : les procédés par évaporation et les procédés de séparation par membranes qui sont plus récents.

Les inconvénients de dessalement

•         -    Une consommation d’énergie élevée

•         -    Un coût d’opération du procédé élevé

•         -   Un volume d’eau produite insuffisant comparé au volume d’eau de mer prélevé

-   La dégradation de l’environnement marin due à l’extraction et au rejet d’eau avec une quantité de sels très élevée (rejet des concentrâts)  

Les avantages de dessalement

Les avantages de l’utilisation d’eau de mer pour la production d’eau potable peuvent être évoqués par rapport aux eaux de rivières :

•         Moindre consommation de produits chimiques

•         Faible production de boues

Introduction Générale sur le dessalement

Les trois quarts de la surface de notre planète sont recouverts d’eau mais d’eau salée malheureusement. Il n’empêche, ces résrvoirs inépuisables que sont les océans font rêver : et s’il était possible de transformer cette eau salée en eau douce ?

Cela résoudrait en effet toutes les difficultés de pénurie d’eau que connaissent beaucoup de pays, car nombre d’entre eux ont un accès aux océans, quand ils ne disposent pas d’un littoral maritime conséquent.

 En fait, dessaler l’eau de mer de manière à la rendre consommable, c’est posssible. On dispose même aujourd’hui de nombreux système dont beaucoup ont atteint le stade industriel. Les deux procédés les plus couramment utilisés sont la distillation et l’osmose  inverse. Leur principe est simple.