Déssalement Par Osmose Inverse [PDF]

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CHAPITRE I « TRAITEMENT DES EAUX »

Chapitre I

Traitement des eaux

Introduction : L’eau dans la nature quelque que soit son origine (des rivières, des forages, des lacs et surtout de la mer). Joue le rôle d’un solvant et se change de toutes sortes d’impuretés, elle est donc loin d’être pure et renferme nombreux corps suivant les régions et les roches recentrées. L’eau de pluie se charge dans l’atmosphère de gaz (oxygène gaz carbonique) puis en ruissellement ou en s’infiltrant, elle dissout des roches et entraîne avec elle de nombreux sels (les sels de calcium, de magnésium, de sodium…) en quantité variable suivant la nature des sols traversés la mise en solution du calcium et du magnésium. Dans l’industrie, elle joue le rôle de fluide de transfert d’énergie dans le système thermique.

La purification de l'eau? : La purification de l'eau n'est pas un processus banal; le processus de purification contient beaucoup d'étapes. Les étapes qui doivent être effectuées dépendent du type d'impuretés présentes dans l'eau. Ainsi suivant l’eau que nous souhaitons traiter le processus de purification de l’eau peut être très différents d'une eau à l'autre. Le traitement des eaux consiste à l’épuration des eaux avant usage (dessalement de l’eau de mer, production de la vapeur), c’est-à-dire sa mise en protection contre tout de l’eau de mer, production de la vapeur), c’est-à-dire sa mise en protection contre tout genre de tartre et de corrosion permet, l’exploitation et la préservation des équipements tel que : les dessalement, les chaudières dans les meilleures conditions de fonctionnement et ceci afin de leur assurer (les équipements) un intervalles de temps de vie bien large, rentable et durable.

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Traitement des eaux

Prétraitement : Les eaux brutes doivent généralement subir, un prétraitement qui comporte un certain nombre d’opérations, uniquement physique et mécanique. Il est destiné à extraire de l’eau brute la plus grande quantité possible d’éléments dont la nature ou la dimension constituerait un gène pour les traitements ultérieurs.

1/dégrillage : permet de : -Protéger la station contre l’arrivée de gros objets susceptibles de provoquer des bouchages. -Séparer et évacuer les matières volumineuses transportées par l’eau brute qui pourrait nuire à l’efficacité des traitements.

2/dilacération: cette opération concerne particulièrement les eaux résiduaires elle a pour but de détruire l’unité des matières solides transportées par l’eau, au lieu d’être extraites de l’effluent brute, ces matières sont tailladées au passage et poursuivent le circuit de l’eau vers les traitement suivants l’inréret de ce processus est de supprimer les dépendances et nuisances entrainées par l’évacuation et la décharge des déchets de grille, on distingue « les dilacération en ligne » et les dilacérations au fil d’eau.

3/dessablage: Le dessablage a pour but d’extraire des eaux brutes les graviers sable et particules minérales plus au moins fines, de façon à éviter les dépôts dans les canaux et conduite, à protéger les pompes et autres appareils contre l’assure par frottement à éviter de surcharger les stades de traitement suivantes le domaine usuel du dessablage porte par les particules de granulométrie supérieure à 200 microns. Page 02

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Traitement des

4/débourbage : Le débourbage est une opération qui procédé la clarification des eaux des surfaces particulièrement chargées, il constitue une pré-décantation dont le but est d’éliminer la totalité des sables fins et le plus possible de limon.

5/déshuilage : Le déshuilage est une opération de séparation liquide alors que le dégraissage est une opération solide (à la condition que la température de l’eau soit suffisamment basse pour permettre le figeage des graisses). Les huiles et graisses étant légères que l’eau tendent à remontrer en surface ainsi, toute capacité réduisant la vitesse d’écoulement et offrant une surface tranquille agit comme séparateur de graisse et d’huile.

6/tamisage : Le tamisage est une filtration sur un support mince, suivant la dimension des orifices de passage de support. On distingue des variantes :  Le macro tamisage: avec un passage supérieur à 03mm, il destiné à retenir certains matières en suspension, flottants et semi flottants.  Le micro tamisage : à maille inférieur à 100 microns, il est destiné à retenir les matières en suspension de très petite dimension.  Composition de l’eau brute : CA (CO3) Mg CaSO4 Ca Cl2

Mg (CO3H)2 Mg SO4 Cl2 Mg

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Traitement de l’eau : Pour rendre l’eau plus pure, il faut généralement combiner plusieurs traitements élémentaires dont les bases peuvent être physiques et chimiques, et dont l’effet est d’éliminer les matières en suspension, ensuite les substances colloïdales, puis les substances dissoutes. Les divers substances solides existantes dans l’eau qui constituent la partie la plus apparente de la pollution doit être éliminée pour éviter des nombreux problèmes, comme l’engorgement de canalisation, abrasion de pompe, usures de matériels divers, ect…… La séparation des particules solides de l’eau peut se faire selon deux principes différents :  Action directe de la pesanteur par simple décantation en fonction de la grosseur et du poids spécifique des particules ou par flottation en fixant sur les particules des bulles d’air.

 Filtration ou tamisage. L’application de ces principes se heurte à une difficulté due à la grande dispersion de la taille des particules. -Dans le tableau ci-dessous sont répertoriés certain matériau ou organisme avec leur dimension moyenne et l’ordre de grandeur du temps nécessaire pour que le sous seule influence de leurs poids, les particules parcourent verticalement un mètre d’eau. Diamètre de la particule

10 1 0.1 0.01 0.001 0.0001 0.00001

Temps de décantation Pour 1 mètre (ordre de grandeur) Gravier Sable Sable fin Argile Bactérie Particule colloïdale Particule colloïdale

1 seconde 10 secondes 2 minutes 2 heures 8 jours 2 ans 20 ans

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CHAPITRE II « DESSALLEMENT PAR OSMOSE INVESR»

Chapitre II

Dessalement par osmose inverse

Introduction : Le dessalement est un procédé permettant d'enlever le sel contenu dans les eaux de mer ou les eaux saumâtres. De l'eau de mer peut contenir jusqu'à quelques pourcents de sel, alors que l'eau potable ne peut en contenir plus de 10 ppm. La technique la plus utilisée afin de retirer le sel est l'osmose inverse, une technique capable de retirer le sel en une seule étape. La pression osmotique de l'eau étant très élevée, la pression à appliquer dans les appareils à osmose inverse peut atteindre 100 bars. Des techniques alternatives de désalinisation existent : La distillation, la nano filtration, l'électrodialyse, système d'échangeur d'ions, et la décarbonatation.

L'osmose est un phénomène naturel, sans lequel la vie serait impossible. Les procédés osmotiques permettent aux plantes d'absorber les nutriments du sol. Dans notre corps, nos reins purifient le sang grâce à l'osmose. Bien que l'osmose a été découverte et étudiée dès 1850, il a fallu attendre jusqu'en 1960 pour être capable d'appliquer ce procédé pour le dessalement de

l'eau. Page 05

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Dessalement par osmose inverse

Etude de procédé : La filtration sur membranes a longtemps été considérée comme un procédé futuriste, cher et complexe. Cependant, dans les 15 dernières années, ce procédé s'est développé pour devenir une technique fiable, qui est très utile pour la purification d'eau (potable). Lorsqu'on a un système, constitué de deux fluides qui sont séparées par une membrane semi-perméable (perméables sauf pour les sels) et que l'on ajoute du sel d'un côté du système, l'eau pure va commencer à s'écouler au travers de la membrane. Ce flux ne s'arrête que lorsque la pression est la même de chaque côté de la membrane. Le niveau de l'eau est alors plus élevé du côté où on a ajouté le sel. La différence de niveau, causée par l'addition d'une certaine quantité de sel, est appelée pression osmotique. La pression osmotique de l'eau de mer est d'environ 26 bars. On peut expliquer le terme "osmose inverse" comme suit: Pour dessaler l'eau de mer, on doit créer un flux à travers une membrane, qui entraînerait l'eau du côté salé vers le côté non salé. Pour atteindre ceci, on doit appliquer une pression au dessus de la colonne d'eau salée, pour contre-balancer la pression osmotique naturelle et pour pousser l'eau à travers la membrane. La pression appliquée doit donc être supérieure à la pression osmotique. Pour le dessalement d'eau de mer, la pression doit être d'environ 50-60 bars. Il y a plusieurs techniques qui peuvent être utilisées pour le dessalement de l'eau. On peut citer L'osmose inverse, l'électrodialyse, la distillation et l'échange d'ion. L'Osmose inverse est le procédé le plus économique pour les eaux saumâtres et l'eau de mer. Lorsqu'on compare ce procédé au procédé thermique traditionnel, la distillation, les coûts d'investissement et la consommation d'énergie sont beaucoup plus faibles.

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Dessalement par osmose inverse

Module de l’osmose inverse : Il y a quatre différents types de modules d'osmose inverse, qui sont utilisés pour les procédés d'osmoses inverses, principalement des procédés de dessalement. Il y a les modules tubulaires, plans, spiralés, et fibres creuses. Coûts des systèmes: Tubulaire, plan >> fibre creuse, spiralé Flexibilité du design: Spiralé > fibre creuse > plan > tubulaire Espace nécessaire: Tubulaire >> plan > spiralé > fibre creuse Risque d'encrassage: Fibre creuse >> spiralé > plan > tubulaire Consommation d'énergie: Tubulaire > plan > fibre creuse > spiralé Les coûts du système pour le traitement de l'eau minérale sont les mêmes pour les modules spiralés que pour les modules fibres creuses. Les coûts de pré-traitement pour la purification des eaux de surface sont plus élevés quand on utilise des membranes fibres creuses, car elles sont plus sensibles à l'encrassage. L'utilisation de module tubulaire et plan peut être plus cher que l'utilisation de modules fibres creuses ou spiralés. Les coûts d'utilisation des modules tubulaires et plans sont approximativement égaux.

Il a été dit que pour les systèmes d'osmose inverse pour dessalement d'eau de mer, les membranes spiralées sont le plus souvent utilisées.

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Technique des membranes : Une installation de dessalement comporte un système de pré-traitement, une unité de dessalement et un traitement postérieur. Une pompe haute-pression augmente la pression de l'eau d'alimentation jusqu'à la pression de travail requise. La pression de travail est considérablement plus élevée que la pression osmotique, afin d'obtenir un débit satisfaisant à travers la membrane. L'utilisation d'une pression plus élevée aboutit à une quantité d'eau traitée plus importante. Un interrupteur haute pression régule la pression au niveau des membranes. L'installation comporte aussi des débit-mètres et des appareils mesurant la pression pour la régulation des procédés. De plus, il y a un certain nombre de mesures de sécurité telles qu'un interrupteur basse pression et un conductimètre avec une barrière de sécurité.

MEMBRANE

ET APPAREIL SOUS PRESSION

L'unité de dessalement est constituée de plusieurs membranes d'osmose inverse, placées dans plusieurs réservoirs sous pression, qui sont placés dans un certain ordre. L'eau d'alimentation qui est pompée dans le module sera séparée en deux: une partie donnera de l'eau avec une faible concentration en sel et l'autre aura une forte concentration en sel.

L'eau avec une faible concentration en sel est appelée "perméat" et l'eau avec la forte concentration est appelé "concentrât". Le débit du concentrât est régulé par un appareil sous pression. L'appareil régule le pourcentage d'eau d'alimentation qui quitte le module sous forme de concentrât.

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Conception du système : Une installation de dessalement est un système complet, avec arrivée de l'eau d'alimentation et tuyaux de déversement séparés pour le concentrât et le perméat. Les données des tuyaux d'entrée et de sortie doivent toujours être comparées avec les analyses de l'eau, les pressions d'eau d'alimentation et la rétention du sel. Le concepteur d'un système d'osmose inverse vise à atteindre une pression de membrane et des coûts d'installation les plus faibles possibles et une récupération du sel maximum. Le taux de récupération d'une installation de dessalement pour de l'eau saumâtre est d'environ 85% (85% de l'eau traitée est dans le perméat). Cela dépend de la solubilité des solides en suspension qui sont présent dans l'eau d'alimentation. Lors du dessalement de l'eau de mer un taux de recouvrement de 40 à 50 pourcent est souhaitable. Le taux de recouvrement du dessalement de l'eau de mer dépend de la pression osmotique de l'eau d'alimentation et du type de membranes utilisées dans le procédé. 1- Procédé continu : Un système de filtration sur membrane est en général conçu pour fonctionner dans un procédé continu. On peut choisir de travailler avec un processus continu lorsque les conditions, tels que le débit de l'eau d'alimentation et le débit du perméat sont continues.

REPRÉSENTATION SCHÉMATIQUE D'UN PROCÉDÉ CONTINU

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Dessalement par osmose inverse

Le système est le même pour l'osmose inverse. Ces systèmes sont aussi conçus pour des procédés continus avec un débit du perméat continu et un taux de recouvrement stable. Les variations de la température de l'eau et des concentrations en impuretés de l'eau d'alimentation sont compensées par des ajustements de la pression d'alimentation. 2- Système Multi-étape : Les systèmes qui comportent plus d'une étape sont appelés systèmes multi-étapes. Ces systèmes peuvent atteindre des taux de récupération plus élevés, sans dépasser la limite de l'élément seul. Pour augmenter le taux de recouvrement jusqu'à 70%, deux étapes doivent être installer dans le système de traitement de l'eau.

REPRÉSENTATION SCHÉMATIQUES D'UN SYSTÈME DEUX-ÉTAPES

Pour des taux de recouvrement plus élevés, on doit utiliser 3 étapes. Ces valeurs sont basées sur l’hypothèse que l'on utilise des réservoirs sous pression standard avec six éléments. Avec des réservoirs plus petits on doit doubler le nombre d'étages.

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Plug-flow et recirculation du condensât : Le concept du plug-flow est le concept standard pour un système d'osmose inverse pour des applications dans le dessalement de l'eau. C'est à dire qu'il n'y a pas recirculation du condensât. Une fraction de l'eau d'alimentation passe à travers la membrane pour produire le perméat. Le reste de l'eau d'alimentation est envoyé vers un second module pour la deuxième étape. Lorsque le nombre d'éléments membranaires dans un système plug-flow est trop faible pour atteindre un taux de recouvrement suffisant, on peut mettre en place une recirculation du concentrât. Une partie du concentrât est redirigée vers l'eau d'alimentation. Le concentrât recyclé est mélangé à l'eau d'alimentation et est traité une fois de plus.

REPRÉSENTATION SCHÉMATIQUE D'UNE INSTALLATION AVEC RECIRCULATION DU CONCENTRAT

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3- Nombre d'éléments dans chaque réservoir : Les systèmes d'osmose inverse sont généralement conçus pour un débit particulier de perméat. Pour atteindre ce débit, un certain nombre d'éléments membranaires sont nécessaires. Le nombre d'éléments membranaires dans l'installation dépend du flux. Pour le dessalement de l'eau de mer le facteur limitant est la pression d'alimentation, elle ne doit pas dépasser 69 bars. En ce basant sur le flux, on peut déterminer la production par unité: Production par élément = flux * surface élément Nombre d'éléments = débit perméat / production par élément Nombre de réservoirs sous pression = nombre d'éléments / nombre d'éléments par réservoir On calcule le débit de l'alimentation, au moyen du débit du perméat et du taux de recouvrement requis: Débit d'alimentation = débit perméat / taux recouvrement 3-1-Pression de l'eau d'alimentation

Une certaine pression de l'alimentation est nécessaire, qui dépends de la conception du système. Le débit, la perte d'énergie dans le système et le pression osmotique détermine la pression de l'eau d'alimentation nécessaire. La pression requise augmente lorsque les éléments membranaires deviennent contaminés au cours des ans. On utilise alors une pompe qui permet un débit plus élevé que celui théoriquement nécessaire pour garder le pression d'alimentation continue. En pratique une pompe qui augmente la pression d'alimentation de 25M est satisfaisante.

Quand le système démarre, la situation initiale est enregistrée. Tous les paramètres pertinant doivent être enregistré et noté dans un journal de bord. En se basant sur ces données les performances de l'installation peuvent être examiné et régulé après que le système ait été mis en action. Page 12 Chapitre II

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3-2-Surveillance

Pour surveiller le système, on mesure le débit, la pression et la conductivité. Pour vérifier les conditions hydrauliques du système on doit mesurer la pression d'alimentation de chaque étage et le débit du perméat. La pression d'alimentation dépend de la température de l'eau d'alimentation. Quand les températures sont faibles, on a besoin de plus de pression pour atteindre le même recouvrement qu'avec de l'eau plus chaude. Quand les températures fluctuent, on a besoin de normaliser le débit du perméat, pour permettre les comparaisons avec la situation de départs. Quand les installations fonctionnent correctement la conductivité du perméat est faible, du fait de l'élimination des ions mono et bivalents. Quand il y a une fuite dans un élément membranaire la conductivité augmente. C'est pourquoi on effectue des mesures de conductivité. Ces mesures sont faites dans le canal de récupération du perméat. Une surveillance du système permet à l'utilisateur de savoir quand le système a besoin d'être nettoyé. 3-3-Protection du matériel

Pour les installations de dessalement le matériel doit posséder une certaine résistance à la corrosion, Ceci est valable pour les parties externes, qui sont exposées à une atmosphère salée ( fuites, dispersion...) quasi bien que pour les parties internes. La corrosion des parties externes du systèmes peuvent en général être empêcher en recouvrant la surface d'une couche protectrice (galvanisation, peinture) et par une maintenance périodique du système et en bouchant les fuites. En plus du fait que les matériaux sont protégés contre une corrosion potentielle, ils doivent aussi être capable de résister à la pression, aux vibrations et aux changements de température. Pour éviter la corrosion et les réactions chimiques dans les parties du système où la pression est faible (