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La production d'eau douce par osmose inverse

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BONNERUE Daniel
SECOND MAITRE 1ère CLASSE
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La production d'eau douce par osmose inverse

Message par BONNERUE Daniel le Sam 7 Mar 2009 - 22:28

Dans un sujet précédent, nous avons évoqué la production d’eau douce à bord des navires par un procédé thermique de distillation de l’eau de mer à l’aide de bouilleurs dont l’énergie de chauffage est fournie soit par de la vapeur d’eau, soit de l’électricité et même les dispositifs de refroidissement de moteurs thermiques. Ce procédé, gros consommateur d’énergie bien que tous les moyens soient mis en œuvre pour en récupérer le maximum, n’est pas le seul pour produire de l’eau douce.

Spoiler:

Les technologies actuelles de dessalement des eaux sont donc classées en deux catégories, selon le principe appliqué :

• Les procédés thermiques faisant intervenir un changement de phases : la congélation et la distillation.
• Les procédés utilisant des membranes : l'osmose inverse et l'électrodialyse.

Parmi les procédés précités, la distillation et l'osmose inverse sont des technologies dont les performances ont été prouvées pour le dessalement d'eau de mer. En effet, ces deux procédés sont les plus utilisés dans la production mondiale d’eau douce par dessalement. Les autres techniques n'ont pas connu un essor important dans le domaine, à cause notamment de problèmes liés généralement à la consommation d'énergie et/ou à l'importance des investissements qu'ils requièrent.

Quel que soit le procédé envisagé pour la séparation du sel et de l'eau, toutes les installations de dessalement comportent quatre étapes :

• une prise d'eau de mer avec une pompe et une filtration grossière,
• un pré-traitement avec une filtration plus fine, l'addition de composés biocides et de produits anti-tarte,
• le procédé de dessalement lui-même,
• le post-traitement avec une éventuelle reminéralisation de l'eau produite.

A l'issue de ces quatre étapes, l'eau de mer est rendue potable ou utilisable industriellement, elle doit alors contenir moins de 0,5 g/l. Si sa destination est d’alimenter des chaudières de production de vapeur pour les navires, la salinité maximum admise est de 0,004 g/l (4 mg/l).

Avant d’aborder l’osmose inverse, nous allons tout d’abord voir en quoi consiste l’ « osmose ». L'osmose est un processus naturel qui vise à diluer une solution par migratrion au travers d'une membrane. Les cellules de notre corps utilisent par exemple ce principe pour échanger de l'eau entre certains organes.

Prenons un exemple :

Si on installe une membrane semi-perméable dans un récipient contenant d'un côté une solution aqueuse peu saline (milieu hypotonique) et de l'autre une solution au contraire très saline (milieu hypertonique), l'eau faiblement chargée en sel va spontanément traverser la membrane pour diluer la solution saline et ainsi équilibrer la dilution du sel des deux côtés de la membrane (milieu isotonique).

Ce faisant, le niveau de la solution peu saline va diminuer et celui de la solution saline va augmenter puisque l'eau migre de l'un vers l'autre. L'amplitude de cette migration est d'autant plus élevée que la différence de salinité est importante. La force qui génère cette migration est appelée « pression osmotique ». La pression osmotique de l'eau de mer (3% de chlorure de sodium) à 25°, se situe autour de 25 bars.



visualisation du processus d'osmose



L’osmose inverse est un dispositif de purification de l'eau contenant des matières en solution par un système de filtrage très fin qui ne laisse passer que les molécules d'eau.

En exerçant une pression hydrostatique (entre 50 et 80 bars), on dépasse la pression osmotique et on force l'eau à franchir la membrane dans un sens, ce qui permet d'obtenir d'un côté un plus grand volume (environ 70% à partir de l'eau de mer océanique) d'une eau dont les solutés sont plus dilués (donc d'une eau plus pure), et de l'autre côté un plus petit volume d'une eau plus concentrée, qui sert de piston.

Ce procédé a été utilisé pour la première fois par l’US Navy pour fournir de l'eau potable aux sous-mariniers. Il est utilisé aujourd'hui de façon industrielle pour la purification de l'eau et le dessalement de l'eau de mer.

Visualisation du processus d'osmose inverse



L’osmose inverse met en œuvre des membranes semi-perméables, dont les particularités majeures sont une porosité extrêmement fine (jusqu’à 0,0001 µM soit 0,0000000001 mm ou 1 Å) et, à l’instar des diodes en électricité, compte tenu de la grande différence de pression régnant sur ses faces opposées, de ne laisser passer le flux que dans un seul sens.

Le coût de fabrication de ces membranes est très élevé et leur durée de vie limitée ; on l’estime à trois ans maximum.

Visualisation schématisée du phénomène de filtration au travers d'une membrane semi-perméable



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

Cette salinité est sensiblement différente dans le cas de mers fermées :

* mer Méditerranée : 36 à 39 g/l,
* mer Rouge : environ 40 g/l,
* mer Caspienne : 13 g/l,
* mer Morte : 270 g/l,
* golfe Arabo-Persique : 36 à 39 g/l comme en Méditerranée.

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

Le dessalement par osmose inverse nécessite d'abord un prétraitement très poussé de l'eau de mer pour éviter le dépôt de matières en suspension sur les membranes qui conduirait très rapidement à une diminution des débits produits.

S’agissant d’un procédé « universel », pour les eaux de très mauvaise qualité, il est nécessaire de retenir toutes les particules de dimension supérieure à 10 à 50 µm selon le type de module d'osmose inverse. Ceci est réalisé à l'aide d'une préfiltration grossière puis d'une filtration sur sable pour éliminer les matières en suspension les plus grosses. Puis un traitement biocide et une acidification sont nécessaires pour éviter le développement de microorganismes sur la membrane et éviter la précipitation de carbonates. Enfin une filtration sur cartouches permet de retenir les particules de taille de l'ordre de quelques dizaines de µm qui n'ont pas été retenues par le filtre à sable.

Différents degrés de filtration pour aboutir à la production d'eau pure. Cet étagement de filtration est également utilisé dans les stations d'épuration à terre



La pompe haute pression permet ensuite d'injecter l'eau de mer dans le module d'osmose inverse dans lequel se trouvent les membranes.

De plus, un deuxième phénomène intervient lors de l'osmose inverse, il s'agit de la polarisation de concentration de la membrane. En effet, au cours du temps, la concentration de la solution salée augmente puisque la majorité des molécules sont retenues d'un seul côté de la membrane. De ce fait, la pression osmotique augmente également près de la couche limite, avec des risques de précipitation des composés à faible produit de solubilité. Pour un même rendement, la pression à appliquer est donc plus élevée. Pour éviter ce phénomène on balaye la membrane du côté de la solution salée par un flux d'eau continu. Toute l'eau n'est pas filtrée, une partie sert à nettoyer la membrane. Ce procédé est donc semblable à une filtration tangentielle. L'eau non filtrée est appelée rétentat tandis que l'eau qui a traversé la membrane est appelée perméat.

Afin de limiter la consommation d'énergie du procédé, on peut placer sur le circuit du rétentat une turbine qui permet de récupérer une partie de l'énergie contenue dans ce fluide sous haute pression.

Schéma d'un circuit de production d'eau douce par osmose inverse à partir de l'eau de mer :



Nettoyage continu de la membrane par un "balayage" engendré par un flux à haute pression





Dernière édition par BONNERUE Daniel le Dim 8 Mar 2009 - 13:46, édité 1 fois




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BONNERUE Daniel
SECOND MAITRE 1ère CLASSE
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Re: La production d'eau douce par osmose inverse

Message par BONNERUE Daniel le Dim 8 Mar 2009 - 12:51

Les membranes pour l'osmose inverse

Une membrane semi-perméable, ou semi-sélective, est une membrane qui permet certains transferts de matière entre deux milieux qu'elle sépare, en bloquant le passage de certains éléments tout en favorisant le passage à d'autres. Pour le dessalement de l'eau de mer, la membrane semi-perméable ne laisse passer que les molécules d'eau tout en bloquant les sels dissous.

L'osmose inverse est un procédé de séparation en phase liquide par porosité très fine sous l'effet d'une certaine force dépendant du fluide traité. Cette force est obligatoirement supérieure à la "pression osmotique".

Les membranes sont soit fabriquées à base d'acétate de cellulose, soit en polymères de synthèse (polyamides, polysulfones). Elles doivent être stables mécaniquement, chimiquement, biologiquement et éventuellement thermiquement si elles doivent fonctionner en autoclave.

Le prix des membranes représente entre 40 à 50% du coût total d'une installation d'épuration par osmose inverse.

Types de modules d'osmose inverse



Dernière édition par BONNERUE Daniel le Lun 9 Mar 2009 - 18:05, édité 1 fois




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andrem
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Re: La production d'eau douce par osmose inverse

Message par andrem le Dim 8 Mar 2009 - 16:33

Encore une fois merci Daniel pour cet excellent exposé qui me force à aborder des sujets auxquels je ne pense pas forcément.
Sais-tu si l'on a essayé des membranes en métal fritté et as-tu une idée de la vitesse de transfert au travers des membranes ?



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BONNERUE Daniel
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Re: La production d'eau douce par osmose inverse

Message par BONNERUE Daniel le Dim 8 Mar 2009 - 17:28

Mon cher ANDREM, les membranes constituaient au départ la pierre d’achoppement du procédé, tout au moins en ce qui concerne leur longévité. Depuis lors, de nouveaux types ont fait leur apparition. L’acétate de cellulose traité a été remplacé par des polyamides aromatiques, des complexes à base de polybenzimidazole, de polyéthylénimines, de pipérazine, etc, mais pas de métaux frittés. Je suppose que le frittage ne permet pas d'obtenir des "diamètres" de pores suffisamment fins. Par ailleurs, la structure des membranes a été modifiée en les rendant composites : la fonction de résistance mécanique est assurée par un type de matériau et la fonction semi-perméable par un autre, supporté par le premier. De même, comme je l'ai indiqué précédemment, la forme de la membrane, initialement disposée comme une feuille plane, a été modifiée en tuyau, mais aussi en spirale ou en fibre creuse.

Les orifices des membranes semi-perméables se situent dans la fourchette de 0,1 nanomètre (1 Å, taille d'une molécule d'eau) à 20 nanomètres. Les membranes sont donc particulièrement sensibles à l’entartrage chimique et au colmatage par les matières en suspension. Les prétraitements chimiques et de clarification doivent être de haute qualité et maintenus en permanence. Par ailleurs et en ce qui nous concerne directement, dans le cas du dessalement de l’eau de mer, la dépense en énergie mécanique est très élevée et, dans de nombreuses installations, on prévoit une récupération d’énergie par détente, par exemple, de la saumure extraite sur un turbo-générateur hydraulique qui fournira une partie de l’énergie de pompage haute pression.

Quant à la vitesse de filtration, il faudrait pouvoir la donner par unité de surface des membranes et encore, elle varie suivant le taux de salinité de la mer ou de l'océan fréquenté. On la fait donc varier en ajustant la pression appliquée sur l'eau de mer, car la surface globale de la (ou des) membrane(s) dans les modules d'osmose inverse est très certainement optimisée dès la conception selon des critères relevés expérimentalement en laboratoire et surtout en fonction de la production journalière moyenne espérée.


Dernière édition par BONNERUE Daniel le Dim 8 Mar 2009 - 18:51, édité 1 fois




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andrem
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Re: La production d'eau douce par osmose inverse

Message par andrem le Dim 8 Mar 2009 - 17:56

Merci beaucoup Daniel de tes précisions.



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BONNERUE Daniel
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Re: La production d'eau douce par osmose inverse

Message par BONNERUE Daniel le Dim 8 Mar 2009 - 18:42

Pour plus de précision concernant les calculs de débit au travers des membranes, j'ai relevé quelques éléments "simples et évidents", du moins pour ceux qui ont très soif (de connaissances)... Je plaisante, bien sûr, car il nous manque quelques éléments indispensables, tels les coefficients de perméabilité de la membrane vis-à-vis de l'eau et des solutés, mais d'autres encore. Cependant, ces calculs sont fait au moment de la conception d'un module d'osmose inverse, car les caractéristiques de la membrane mise en œuvre sont connues.

Calcul du flux de perméat (eau pure en ce qui nous concerne) au travers d'une membrane semi-perméable



Calcul du débit de perméat



Je souhaite bon courage à ceux d'entre-nous qui voudraient approfondir.

Mon intervention sur le forum à propos de cette technique de dessalement de l'eau de mer consiste simplement à la faire connaître des camarades, car elle est maintenant mise en œuvre à bord des bâtiments modernes et sans doute des sous-marins, notamment des SNLE. Elle vient compléter celle concernant la production thermique par évaporation faisant appel aux bouilleurs.




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andrem
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Re: La production d'eau douce par osmose inverse

Message par andrem le Lun 9 Mar 2009 - 0:24

Compte tenu du fait que le coefficient Kp doit être assez faible il faut sans doute appliquer un Delta p assez élevé,, nécessitant un compresseur relativement puissant,n'y a-t-il pas un petit problème pour les sous-marins au regard de leur discrétion ?



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BONNERUE Daniel
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Re: La production d'eau douce par osmose inverse

Message par BONNERUE Daniel le Lun 9 Mar 2009 - 18:16

Aspect en coupe d'une cartouche d'osmose inverse comportant une membrane de forme cylindrique



Géométrie d'une molécule d'eau. Traduite en millimètres, la distance séparant l'atome d'oxygène des atomes d'hydrogène s'écrit 0,00000009584 mm






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