Livre Eau [PDF]

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Purification de l’eau dans l’industrie

Enrico Riboni

Remerciements Ce livre est issus des cours Pratiques et ´economie de la purification de l’eau dans l’industrie organis´es par la Fondation Suisse pour la Recherche en Microtechnique. Ces cours de formation continue s’adressent `a des praticiens de l’industrie. Tout comme ces cours, le pr´esent livre ne s’adresse donc pas a` des personnes ayant d´ej`a des connaissances approfondies en chimie de l’eau ou en traitement de l’eau, mais a` des ing´enieurs et techniciens ayant des bases techniques g´en´erales mais pas de connaissances particuli`eres concernant l’eau : ce livre constitue une introduction a` ce domaine. Je tiens a` remercier Monsieur Fischer, Directeur de la Fondation Suisse pour la Recherche en Microtechnique, qui m’a permis de faire ces cours et m’a encourag´e `a les am´eliorer continuellement. Mes remerciements vont aussi a` tous les participants des cours de purification de l’eau de la Fondation Suisse pour la Recherche en Microtechnique depuis 1997, qui, par leurs avis et propositions d’am´elioration du cours nous ont permis d’am´eliorer le cours et ont donc une part de m´erite significative pour ce qui est de la qualit´e du pr´esent ouvrage.

L’auteur Ing´enieur m´ecanicien diplˆom´e de l’Ecole Polytechnique F´ed´erale de Lausanne, Enrico Riboni a acquis sont exp´erience de traitement de l’eau d’abord en travaillant comme chef de projet aupr`es d’un grand bureau d’ing´enieurs-conseils, puis comme responsable de la filiale Europe et Moyen-Orient d’un fabriquant de mat´eriel de traitement de l’eau pour l’industrie (Osmonics — devenue depuis GE Water), et ensuite comme fondateur de la soci´et´e ozone.ch, qu’il a dirig´ee d’avril 2000 a` d´ecembre 2012.

Disponibilit´ e Ce manuel est disponible gratuitement en t´el´echargement en format PDF a` partir du blog d’Enrico Riboni.

Copyright c

Enrico Riboni, Ch´ezard-Saint-Martin, Suisse, 1997-2012. Le manuel peut ˆetre utilis´e librement pour un usage en enseignement, entreprise et en cadre priv´e. Il ne peut en aucun cas ˆetre propos´e `a la vente.

Purification de l’eau

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Enrico Riboni

Table des mati` eres

I. Introduction et rappels

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1. Introduction 1.1. L’eau : aussi omnipr´esente que m´econnue . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2. Rappel historique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3. Tendances actuelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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2. Introduction ` a la chimie de l’eau 2.1. L’importance de la chimie de l’eau pour le praticien 2.2. Qu’est-ce que l’eau ? . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3. Les classes de polluants . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4. Les unit´es de mesure . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.1. Unit´es de mesure des substances dissoutes . 2.4.2. Unit´es de mesure des solides en suspension . 2.4.3. Duret´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5. pH, acides et bases . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6. Oxydor´eduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7. Conductivit´e de l’eau . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.8. Dissolution et pr´ecipitation . . . . . . . . . . . . . . 2.9. Les diagrammes de Pourbaix . . . . . . . . . . . . . 2.10. L’´equilibre calco-carbonique de l’eau . . . . . . . .

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3. Les polluants dans l’eau 3.1. Introduction . . . . . . 3.2. Calcium – Ca++ . . . 3.3. Magn´esium – Mg++ . . 3.4. Bicarbonate – HCO− 3 . ++ +++ 3.5. Fer – Fe , Fe . . 3.6. Silice – SiO2 . . . . . . 3.7. Gaz carbonique – CO2 3.8. Chlore . . . . . . . . . 3.9. Trihalom´ethanes . . . 3.10. Que faut-il analyser ? .

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Table des mati`eres

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II. Les technologies de la purification de l’eau

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4. Filtration et microfiltration 4.1. Quelques d´efinitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2. Filtration particulaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1. Pourquoi filtrer ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.2. Les m´ecanismes de filtration . . . . . . . . . . . . . . 4.2.3. Classification des types de filtres . . . . . . . . . . . 4.2.4. Filtres-presses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.5. Les filtres `a poche ou a` panier . . . . . . . . . . . . . 4.2.6. Etude de cas : cons´equences de l’utilisation d’un filtre 4.2.7. Filtres a` cartouches lavables et filtres autonettoyants 4.2.8. Filtres a` sable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.9. Etude de cas : filtres `a sables, r´etrolavage . . . . . . . 4.2.10. Filtres `a cartouches consommables . . . . . . . . . . 4.2.11. Le choix d’une technologie de filtration . . . . . . . . 4.3. Microfiltration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.1. D´efinition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.2. Types de cartouches filtrantes . . . . . . . . . . . . . 4.3.3. Le choix de la cartouche filtrantes . . . . . . . . . . . 5. Proc´ ed´ es membranaires 5.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2. Osmose inverse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.1. Principe de l’osmose inverse . . . . . . . . . 5.2.2. Equations fondamentales de l’osmose inverse 5.2.3. Exemples d’unit´es d’osmose inverse . . . . . 5.3. Ultrafiltration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4. Nanofiltration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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6. La maintenance des osmoseurs 6.1. Suivi des performances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1.1. Param`etres a` enregistrer . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1.2. Param`etres a` calculer sur la base des enregistrements 6.2. Nettoyage des membranes . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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7. La d´ esinfection de l’eau

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8. St´ erilisation U.V. 8.1. Principe et limites de la d´esinfection par ultraviolets . 8.1.1. Principe de fonctionnement . . . . . . . . . . 8.1.2. Limites de la st´erilisation par ultraviolet . . . 8.1.3. Longueur d’onde . . . . . . . . . . . . . . . . 8.1.4. Les lampe ultraviolet . . . . . . . . . . . . . .

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Table des mati`eres

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8.2. Dimensionnement d’un st´erilisateur UV . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2.1. Dose de rayonnement UVc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3. Doses de rayonnement UV pour diff´erentes classes de micro-organismes 8.3.1. Exemples d’estimations de la dose n´ecessaire . . . . . . . . . . . 8.3.2. Biodosimetrie ou calcul ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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9. Chloration

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10.Ozonisation 10.1. Principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.1.1. D´esavantages de l’ozone . . . . . . . . . . . . . 10.1.2. Avantages de l’ozone . . . . . . . . . . . . . . . 10.1.3. Potentiels R´edox . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.1.4. Mat´eriaux r´esistants a` l’ozone . . . . . . . . . . 10.2. Dosage d’ozone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.3. Syst`emes de m´elange ozone - eau . . . . . . . . . . . . 10.3.1. Colonnes de contact et injecteurs Venturi . . . . 10.3.2. Transfert de masse . . . . . . . . . . . . . . . . 10.3.3. Conclusion sur la dissolution de l’ozone . . . . . 10.3.4. Destruction de l’ozone r´esiduel en phase liquide 10.3.5. Destruction de l’ozone r´esiduel en phase gazeuse 10.3.6. Ozone : dimensionnement . . . . . . . . . . . . 10.3.7. Ozone `a partir de l’oxyg`ene de l’eau . . . . . . . 10.4. Mesure de l’ozone dans l’air . . . . . . . . . . . . . . . 10.4.1. Colorim´etrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.4.2. Sondes ´electrochimiques . . . . . . . . . . . . . 10.4.3. Capteurs `a semiconducteurs . . . . . . . . . . . 10.4.4. Analyseurs d’ozone . . . . . . . . . . . . . . . . 10.4.5. Comparaison des m´ethodes . . . . . . . . . . . 10.4.6. Etude de cas : mesure de l’ozone dans l’air . . . 10.5. Mesure de l’ozone dans l’eau . . . . . . . . . . . . . . . 10.5.1. M´ethodes disponibles . . . . . . . . . . . . . . . 10.5.2. Colorim´etrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.5.3. Mesure du potentiel R´edox . . . . . . . . . . . . 10.5.4. Sondes ´electrochimiques . . . . . . . . . . . . . 10.5.5. Capteurs `a semiconducteurs . . . . . . . . . . . 10.5.6. Analyseurs d’ozone . . . . . . . . . . . . . . . . 11.S´ election d’une m´ ethode de d´ esinfection 11.1. Crit`eres de s´election de la m´ethode de d´esinfection . 11.1.1. D´ebit de l’installation . . . . . . . . . . . . . 11.1.2. Micro-organismes a` ´eliminer . . . . . . . . . 11.1.3. Caract´eristiques de l’eau en sortie . . . . . . 11.1.4. Intervalle entre traitement et consommation

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11.2. Quelques exemples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2.1. Un syst`eme d’ozonisation compact et performant pour d´ebits `a partir de 1 m3 /h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2.2. Une unit´e de potabilisation pour maison sans raccordement au r´eseau d’eau potable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2.3. Un point d’eau potable dans un endroit qui n’est pas reli´e au r´eseau ´electrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2.4. Installation de chloration de l’eau . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2.5. Eau ultrapure, micro-´electronique . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.Les biofilms 12.1. Importance des biofilms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.2. Qu’est-ce qu’un biofilm ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.3. Les facteurs influen¸cant la formation et le d´eveloppement des biofilm 12.3.1. Temps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.3.2. Vitesse d’´ecoulement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.3.3. Espaces morts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.3.4. Barri`eres antibact´eriennes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.4. Contrˆole des biofilms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.5. D´esinfection d’installations lors de l’installation d’un st´erilisateur U.V 12.5.1. Un cas particulier : les boucles de distribution d’eau ultrapure 12.6. Biofilms et corrosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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15.Proc´ ed´ es par ´ echange d’ions 15.1. Introduction `a l’´echange d’ion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.2. Adoucisseurs d’eau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.3. D´emin´eralisation par ´echange d’ions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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13.L’eau ozon´ ee 13.1. Pourquoi l’eau ozon´ee ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.2. Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.3. S´ecurit´e lors de l’emploi d’eau ozon´ee . . . . . . . . . . . 13.3.1. Probl`emes sp´ecifiques `a l’utilisation d’eau ozon´ee 13.3.2. Effets de l’ozone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.3.3. Les mesures de pr´ecaution . . . . . . . . . . . . . 14.La distillation 14.1. Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.2. Principe de fonctionnement . . . . . . . . . . . . 14.3. Qualit´e de l’eau distill´ee . . . . . . . . . . . . . . 14.4. Solutions pour r´eduire la consommation d’´energie 14.4.1. Effets multiples . . . . . . . . . . . . . . . 14.4.2. Thermocompression . . . . . . . . . . . . . 14.5. Limites de la distillation . . . . . . . . . . . . . .

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15.3.1. 15.3.2. 15.3.3. 15.3.4.

Equations fondamentales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . R´eg´en´eration des ´echangeurs d’ions `a 2 lits . . . . . . . . . . . . . Echangeur d’ions `a lit m´elang´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pourquoi l’eau est-elle meilleure apr`es un lit m´elang´e qu’apr`es un deux-lits ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.3.5. R´eg´en´eration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.4. Calcul des ´echangeurs d’ions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.4.1. Principes g´en´eraux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.4.2. Qualit´e de l’eau obtenue par ´echange d’ions . . . . . . . . . . . .

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16.Les antitartres ´ electromagn´ etiques 127 16.1. Passions et pol´emique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 16.2. Principe de fonctionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 16.3. Limitations d’emploi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 17.Electrod´ eionisation 17.1. Principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.2. Avantages et d´esavantages . . . . . . . . . . 17.2.1. Principaux avantages . . . . . . . . . 17.2.2. Principaux d´esavantages . . . . . . . 17.3. Probl`emes r´esultants d’aspects commerciaux 17.4. Etudes de cas . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.4.1. L’osmoseur instable . . . . . . . . . . 17.4.2. Cellule myst´erieuse . . . . . . . . . . 17.5. Situation actuelle . . . . . . . . . . . . . . .

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18.D´ egazage 18.1. Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.2. La technologie traditionelle : le d´ecarbonateur . 18.2.1. Principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.2.2. Le dimensionnement des d´ecarbonateurs 18.3. D´egazage avec un Venturi . . . . . . . . . . . . 18.3.1. Principe de fonctionnement . . . . . . . 18.3.2. Calcul . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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III. Conception et optimisation de syst` emes de purification de l’eau 139 19.Introduction 19.1. D´eroulement du projet . . . . . . . . . 19.2. D´elais . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.3. Caract´eristiques de l’eau d’alimentation 19.3.1. Informations `a obtenir . . . . .

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Table des mati`eres

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19.3.2. Etude de cas : chlore et membranes 19.4. Qualit´e d’eau n´ecessaire . . . . . . . . . . 19.5. D´efinition de la qualit´e de l’eau n´ecessaire 19.6. Quantit´e d’eau n´ecessaire . . . . . . . . . . 19.7. Autres param`etres . . . . . . . . . . . . . 19.8. Conception du proc´ed´e . . . . . . . . . . .

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20.Sp´ ecification des principaux ´ el´ ements 20.1. Introduction aux sp´ecifications . . . . . . . . . 20.2. Osmose inverse . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.3. Echangeurs d’ions . . . . . . . . . . . . . . . . 20.4. G´en´erateurs d’ozone . . . . . . . . . . . . . . 20.5. Distillateurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.6. Electrod´eionisation . . . . . . . . . . . . . . . 20.7. Sp´ecification des filtres et cartouches filtrantes 20.7.1. Cartouches de p´efiltration . . . . . . . 20.7.2. Cartouches de microfiltration . . . . . 20.7.3. D´ebits : ordres de grandeur . . . . . .

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21.Optimisation de syst` emes existants 21.1. M´ethode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.2. Osmoseurs : optimisation de la maintenance . . . . . . 21.3. Cartouches filtrantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.4. Etude de cas : cartouche de pr´efiltration d’un osmoseur 21.5. Osmoseur en pr´etraitement d’´echange d’ion . . . . . . . 21.6. Capacit´e des r´esines d’´echangeurs d’ions . . . . . . . .

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1.1. Le traitement de l’eau, un sujet `a la fronti`ere de plusieurs disciplines . . . 1.2. Les domaines du traitement de l’eau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3 3

2.1. La mol´ecule d’eau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2. Classification des impuret´es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3. Exemple d’une analyse Malevern d’une eau de forage utilis´ee par une usine. Cette analyse a servi a` s´electionner le type de filtre `a utiliser. . . . 2.4. Conductivit´e de l’eau en fonction de la concentration de solides dissous (TDS). [12] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5. Diagramme de Pourbaix du fer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6. Le gaz carbonique dans l’eau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7. Nomogramme de Langelier et Ryznard[12] . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.8. Interpr´etation de l’indice de Ryznar[12] . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7 8

15 16 17 19 21

3.1. Le CO2 dans l’eau, sous diff´erentes formes en fonction du pH . . . . . . .

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4.1. Un filtre industriel pour d´ebits de plusieurs dizaines de m3 /h . . . . . . . 4.2. Interception directe ou criblage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3. Mouvement brownien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4. Adsorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5. La formation d’un gˆateau de filtration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.6. Principe de fonctionnement d’un filtre a` poche . . . . . . . . . . . . . . . 4.7. Changement d’une poche. Ces poches peuvent se casser. . . . . . . . . . 4.8. Filtre `a poche. Carter en plastique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.9. Filtre autonettoyant. Principe de fonctionnement. Image : Filters Srl . . 4.10. Filtre autonettoyant. Photo : Filters Srl . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.11. Montage d’un filtre autonettoyant. Photo : Filters Srl . . . . . . . . . . . 4.12. Filtre a` sable a` pression. Photo : Osmonics . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.13. Corps de filtres pour filtres a` cartouche. Photo : Osmonics . . . . . . . . 4.14. Cartouche `a fil bobin´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.15. Cutoff, ou nettet´e du seuil de filtration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.16. Evolution de la perte de charge au cours de la vie d’une cartouche filtrante 4.17. Vue au microscope d’une membrane d’une cartouche de microfiltration absolue. Photo : GE Water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Table des figures

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5.1. Le ph´enom`ene naturel osmose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2. Un module spiral´e [9] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3. Fabrication d’un module d’osmose inverse . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4. Membrane d’osmose inverse : le mod`ele avec pores. Image : Osmonics . . 5.5. Membrane d’osmose inverse : le mod`ele sans pores . . . . . . . . . . . . . 5.6. Repr´esentation sch´ematique d’un osmoseur . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.7. Sch´ema d’un petit osmoseur industriel. Sch´ema : Osmonics . . . . . . . . 5.8. Exemple d’unit´e d’osmose inverse pour laboratoire. Photo : Electrolux . 5.9. Sch´ema de principe de l’unit´e montr´ee sur la figure 5.8 . . . . . . . . . . 5.10. Petit osmoseur industriel, muni de membranes 4”. Photo : RO Ultratech 5.11. Exemple de grand osmoseur industriel, muni de membranes 8”. Photo : GE Water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.12. Exemple d’unit´e d’ultrafiltration au point d’utilisation [19] . . . . . . . . 5.13. Sch´ema d’une unit´e d’ultrafiltration au point d’utilisation [19] . . . . . . 5.14. Machine d’ultrafiltration pour la potabilisation de l’eau . . . . . . . . . . 8.1. Absorption du rayonnement ultraviolet par l’eau et par l’ADN . . . . . . 8.2. Comparaison des spectres d’´emission d’une lampe basse pression et d’une lampe moyenne pression [13] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3. R´eduction du rayonnement ´emis au bout de 7 jours, en fonction de la duret´e 8.4. Dose de rayonnement U.V. n´ecessaire pour r´eduire de 99.99% divers microorganismes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.1. Une pompe a` injection ou pompe doseuse. La dose de chlore est command´ee soit par un compteur d’eau, soit par une mesure de la concentration du chlore dans l’eau et une boucle de r´eglage. . . . . . . . . . . . . . 10.1. Syst`eme pour dissoudre l’ozone dans l’eau. Photo : ozone.ch . . . . . . . 10.2. L’ozone : un d´esinfectant plus puissant que le chlore [2] . . . . . . . . . . 10.3. Les principaux composants d’un syst`eme d’ozonisation de l’eau : . . . . . 10.4. G´en´eration d’ozone par effet corona. Principe : . . . . . . . . . . . . . . . 10.5. Exemple de syst`eme de g´en´eration d’ozone. Ce syst`eme inclut un concentrateur d’oxyg`ene. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.6. Principe de fonctionnement d’une colonne de contact : . . . . . . . . . . 10.7. Contacteur municipal : principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.8. Injecteur Venturi : principe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.9. Syst`eme Venturi-R´eacteur-Cyclon : pilote de d´emonstration. Photo : GDT Corporation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.10.Ensemble injecteur – r´eacteur – cyclon : principe. . . . . . . . . . . . . . 10.11.Solubilit´e de l’ozone dans l’eau : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.12.Efficacit´e de la dissolution de l’ozone dans l’eau : . . . . . . . . . . . . . 10.13.Comparaison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.14.Concentration de bact´eries en plusieurs points d’une chaˆıne de potabilisation de l’eau [23] : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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48 49 49 50 50 51 55 56 56 57 57 58 59 59 67 68 69 70

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Table des figures

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10.15.Exemple d’installation de destructeur catalytique d’ozone. Photo : ozone.ch. 94 10.16.Syst`eme MembrelTM de production d’ozone a` partir de l’oxyg`ene de l’eau. Photo : Ozonia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 10.17.D´etecteur d’ozone portable. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 10.18.D´etecteur d’ozone fixe dans armoire de protection. . . . . . . . . . . . . . 97 10.19.Analyseur d’ozone pour l’air ambiant. Photo : InUSA Corporation. . . . 98 10.20.D´etecteur d’ozone dissous a` capteur a` semiconducteur. . . . . . . . . . . 101 10.21.Principe de fonctionnement d’un analyseur d’ozone utilisant la loi de Henry. Dessin : InUSA Corporation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 10.22.Analyseur d’ozone a` mesure directe dans l’eau. Le capteur, `a travers lequel l’eau passe, est a` droite sur la photo. Photo : InUSA Corporation. . . . . 102 11.1. Syst`eme compact d’ozonisation de l’eau. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 11.2. Syst`eme de potabilisation d’eau de pluie pour maison isol´ee. . . . . . . . 105 12.1. Un biofilm. Le biofilm est form´e de micro-organismes, r´eseau de polym`eres extra-cellulaires [20]. . . . . . . . 12.2. Contrˆole de biofilms [20] . . . . . . . . . . . . . . . . 12.3. La corrosion favoris´ee par les biofilms. Principe [20].

mais . . . . . . . . .

aussi par un . . . . . . . . 107 . . . . . . . . 109 . . . . . . . . 112

13.1. Syst`eme portable de production d’eau ozon´ee : . . . . . . . . . . . . . . . 114 13.2. Syst`eme pour refroidissement `a l’eau (Hydrocooling) de viande de poulet, avec eau ozon´ee. Image : GDT Corporation. . . . . . . . . . . . . . . . . 115 14.1. Sch´ema de principe d’un distillateur [9] . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 14.2. Principe de la thermocompression [2] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 15.1. Sch´ema de principe d’un adoucisseur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 16.1. Antitartre ´electromagn´etique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 17.1. Principe de l’´electrod´eionisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 17.2. Principe de l’´electrod´eionisation(2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 17.3. Exemple d’´elecrod´eionisateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 18.1. Sch´ema de principe d’un d´ecarbonateur [8] . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.2. Principe de fonctionnement d’une installation de d´egazage avec injecteur Venturi [15] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.3. Efficacit´e d’un syst`eme de d´egazage a` Venturi [15] : . . . . . . . . . . . . 18.4. Efficacit´e d’un syst`eme de d´egazage a` Venturi pour l’´elimination du radon [15] : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

135 137 138 138

20.1. Petit concentrateur d’oxyg`ene. Photo : AirSep. . . . . . . . . . . . . . . . 149 21.1. Coˆ uts de production d’eau d´emin´eralis´ee en fonction de la min´eralisation totale de l’eau brute : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 21.2. Capacit´e d’une r´esine en fonction de la quantit´e de r´eg´en´erant employ´e . 153

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2.1. Facteurs de conversion pour les ions les plus courants . . . . . . . . . . . 2.2. Conversion des degr´es de duret´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10 12

4.1. Quelques seuils de filtration usuels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

29

5.1. Taux de rejets de diff´erents sels, relativement au NaCl . . . . . . . . . . .

53

6.1. D´ebits et volumes de solution de nettoyage recommand´es . . . . . . . . .

65

8.1. 8.2. 8.3. 8.4. 8.5. 8.6.

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71 72 73 73 73 74

10.1. Potentiels R´edox de quelques produits oxydants utilis´es dans l’industrie . 10.2. Demi-vie de l’ozone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.3. Les m´ethodes de mesure de l’ozone dans l’air . . . . . . . . . . . . . . . .

79 80 99

Doses Doses Doses Doses Doses Doses

d’inactivation D10 pour quelques micro-organismes communs . de rayonnement UV pour l’inactivation de bact´eries . . . . . . de rayonnement UV pour l’inactivation de moisissures et spores de rayonnement UV pour l’inactivation d’algues et protozoa . . de rayonnement UV pour l’inactivation de virus . . . . . . . . de rayonnement UV pour l’inactivation de levures . . . . . . .

. . . . . .

13.1. Effets de l’ozone sur la sant´e humaine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

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Liste des tableaux

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Premi` ere partie . Introduction et rappels

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1. Introduction 1.1. L’eau : aussi omnipr´ esente que m´ econnue L’eau est omnipr´esente dans l’industrie. Il n’y a pas de produit qui n’est pas au moins rinc´e avec de l’eau au cours de sa production, et l’eau est un composant essentiel de la production de bien des produits alimentaires et chimiques, par exemple. Les qualit´es thermodynamiques de l’eau en font un fluide caloporteur de choix : elle a une enthalpie d’´evaporation tr`es ´elev´ee et une chaleur sp´ecifique tr`es ´elev´ee ´egalement. Pourtant, le praticien confront´e a` la conception du syst`eme de traitement de l’eau pour l’industrie devait jusqu’`a pr´esent se tourner vers des ouvrages en anglais, par ailleurs souvent excellents, ou se r´esoudre `a utiliser des ouvrages en fran¸cais destin´es au traitement de l’eau potable. Cette situation n’´etant pas satisfaisante, j’ai entrepris l’´ecriture de cet ouvrage, sur la base du cours qui existe depuis 1997 aupr`es de la FSRM et des nouveaux cours avanc´es de la FSRM introduits en 2002. Le traitement de l’eau est un domaine a` la fronti`ere de plusieurs disciplines. La chimie joue un rˆole primordial, mais aussi la m´ecanique et, pour les installations d’une certaine importance, aussi le g´enie civil. La conception d’une nouvelle installation requiert en principe la collaboration d’au moins un chimiste et un ing´enieur en m´ecanique. Lorsqu’on parle de “traitement de l’eau”, on englobe en fait une s´erie de disciplines tr`es diverses. Il y a en effet peu en commun entre une installation de potabilisation d’eau souterraine, qui est essentiellement un ouvrage de g´enie civil, et une petite installation de production d’eau ultrapure pour la micro´electronique, qui, si elle ne n´ecessite pas de g´enie civil, fait appel´e a` des technologie de pointe, des m´ethodes de mesures sophistiqu´ee et exige une maintenance tr`es soign´ee par ses op´erateurs. Le livre ne traite pas du sujet des eux us´ees. Le traitement des eaux us´ees industrielles fait appel en partie aux mˆemes technologies que la purification de l’eau, mais aussi a` de nombreuses autres techniques, comme les bior´eacteurs. Les aspects l´egaux sont souvent d´eterminants. Il en r´esulte qu’il est pratiquement impossible de les traiter dans le cadre d’un ouvrage traitant de la purification de l’eau. La grande majorit´e des utilisateurs d’eau dans l’industrie disposent d’eau potable. Le sujet du livre sera donc essentiellement la purification de l’eau potable pour la rendre utilisable dans les processus industriels. Dans de rares cas, l’industrie doit utiliser de l’eau non potable, provenant de forages, de la nappe phr´eatique ou de rivi`eres ou de lacs. Un chapitre sera consacr´e au traitement additionnels n´ecessaires si l’on emploie de l’eau encore a` potabiliser. Dans la plupart des cas, ces traitements sont assez simples.

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´ ´ CHAPITRE 1. INTRODUCTION 1.1. L’EAU : AUSSI OMNIPRESENTE QUE MECONNUE

Figure 1.1.: Le traitement de l’eau, un sujet a` la fronti`ere de plusieurs disciplines

Figure 1.2.: Les domaines du traitement de l’eau

Comme le cours, ce livre est organis´e selon les lignes directrices suivantes : les deux premi`eres parties sont consacr´ees aux connaissances de bases n´ecessaires : la partie 1 est une introduction a` la chimie de l’eau. Il est en effet indispensable de comprendre le produits que nous allons traiter. Ensuite, une 2e partie, tr`es importante par le volume de ses pages, est consacr´ee aux technologies qui sont a` notre disposition pour le traitement

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1.2. RAPPEL HISTORIQUE

CHAPITRE 1. INTRODUCTION

de l’eau. Enfin, dans la 3e partie de l’ouvrage, nous mettrons en pratique les connaissances acquises pour la conception de nouvelles installation et l’analyse et l’optimisation d’installations existantes. Comme bien des branches industrielles, la purification de l’eau utilise des technologies parfois fort anciennes. Certaines, comme l’ozone, on connu un d´eveloppement rapide avant de retomber dans l’oubli, pour faire ensuite un retour en force a` une ´epoque tr`es r´ecente. D’autres, comme l’osmose, sont r´ecentes, ´etaient d’une utilisation assez complexe mais se se sont aujourd’hui popularis´ees. La 3e partie de l’ouvrages est consacr´ee a` la conception de nouvelles installations et l’optimisation d’installations existantes. Ces sujets sont trait´es du point de vue de l’utilisateur d’installation.

1.2. Rappel historique La s´edimentation date de l’antiquit´e classique : des documents en grec d´ecrivent des techniques employ´ees dans l’Egypte Ptol´ema¨ıque d´ej`a au 2e si`ecle avant notre ˆere. La filtration par tamisage avec un textile est encore plus ancienne : elle ´etait connue en Gr`ece au 5e si`ecle avant notre ˆere. Le filtre `a sable, qui est utilis´e aujourd’hui dans toutes les piscines et dans bien des applications industrielles est d’origine incertaine, mais il semble qu’il ´etait d´ej`a connu dans l’Egypte Ptol´ema¨ıque. En Europe, il est utilis´e d`es le 17e si`ecle. Les filtres-presse sont un produit de la r´evolution industrielle : les premiers brevets datent de l’an 1800. Les technologies de d´esinfection de l’eau sont toutes beaucoup plus r´ecentes. En effet, il faut attendre les d´eveloppement de la biologie et l’apparition de la notion de microorganisme dans les ann´ees 1860 pour que la n´ecessit´e de d´esinfecter l’eau apparaisse. Pasteur aurait dit que nous buvons presque toutes nos maladies. Le chlore et l’ozone sont les premi`eres m´ethodes de d´esinfections utilis´ees, a` la fin du 19e et a` l’aube du 20e si`ecle. Les premiers brevets pour la st´erilisation UV datent aussi du d´ebut du 20e si`ecles. Malheureusement, l’Europe en 1918 dispose de nombreuses grandes usines de chlore, alors que la fin de la guerre cause un effondrement de la demande pour ce gaz. Le chlore est d´esormais bon march´e, et il devient le d´esinfectant de choix pour l’eau : la st´erilisation par rayonnement UV et l’ozonisation resteront confin´ee a` des applications de niche jusqu’aux ann´ees 1960. Les techniques de d´emin´eralisation par ´echanges d’ions sont plus r´ecentes. Le premier adoucisseur est mis en service en 1905. La premi`ere d´emin´eralisation totale date de 1937, en Angleterre : l’application est la production de la bi`ere. La cartouche filtrante jetable est aussi un produit des ann´ees 1930 . A l’´epoque, le grand fabriquant de cartouches jetable est la soci´et´e Sartorius, de G¨ottingen, en Allemagne, qui existe encore aujourd’hui. A la fin de la guerre plusieurs ing´enieurs de Sartorius seront amen´es aux USA o` u ils travailleront pour le d´epartement de la d´efense, avant de participer a` la fondation de la soci´et´e Millipore, qui est aujourd’hui l’un des g´eants mondiaux de la cartouche filtrante industrielle. L’osmose inverse a eu un d´eveloppement tr`es lent. Bien que le ph´enom`ene de l’osmose soit connu depuis la 2`eme moiti´e du 19e si`ecle, il faut attendre les ann´ees 1950 pour que

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CHAPITRE 1. INTRODUCTION

1.3. TENDANCES ACTUELLES

des installations d’osmose inverse soient r´ealis´ee `a l’´echelle du laboratoire. Les premi`eres installations industrielles datent des ann´ees 1960, et il faut attendre les ann´ees 1980 pour la technologie se g´en´eralise, d’abord aux USA puis en Europe. Dans les ann´ees 1990 le prix des membranes baisse fortement et la technologie se popularise.

1.3. Tendances actuelles Il faut admettre que la purification de l’eau n’est pas un domaine o` u il y a eu des innovation techniques spectaculaires ces derni`eres ann´ees, ou mˆeme ces derni`eres d´ecennies. Il y a certes des am´eliorations graduelles et des baisse de prix. L’ultrafiltration s’est popularis´ee en raison de baisses des prix des membranes, et d’un plus grand choix de types de membranes sur le march´e. Comme dans d’autre secteurs industriels, les importations de mat´eriel a` bas coˆ ut et g´en´eralement de faible qualit´e en provenance de Chine alt`ere l’offre : les prix baissent, mais la qualit´e baissant ´egalement, les frais de maintenance augmentent et les dur´ees de vie des appareils baissent. Les coˆ uts totaux ne sont donc pas forc´ement r´eduits.

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2. Introduction ` a la chimie de l’eau 2.1. L’importance de la chimie de l’eau pour le praticien Le praticien de la purification de l’eau, qu’il soit concepteur ou exploitant d’installations, n’est pas forc´ement chimiste ou ing´enieur chimiste. Une connaissance approfondie de la chimie ne lui est pas forc´ement n´ecessaire. Il lui faut par contre une bonne compr´ehension de base des grands principes de la chimie de l’eau. Les ´el´ements principaux qu’il doit bien comprendre sont essentiellement : • Les grandes classes de polluants de l’eau. • Les r´eactions `a l’´equilibre qui se produisent dans l’eau et de leur effet sur les substances dissoutes dans l’eau et leur pr´ecipitation ´eventuelle. • Les diff´erentes unit´es de mesures que l’on emploie : les mesures de concentrations, la turbidit´e, le pH et le potentiel d’oxydo-r´eduction, la conductivit´e, la duret´e.

2.2. Qu’est-ce que l’eau ? Il est usuel de croire que l’eau est H2 O. Une description un peu plus pr´ecise de ce liquide pourrait ˆetre : l’eau, c’est H2 O plus une s´erie d’impuret´es. Le praticien du traitement de l’eau doit connaˆıtre ces impuret´es, leurs cons´equences sur les propri´et´es de l’eau, et aussi les unit´es de mesures employ´ees pour exprimer ces impuret´es afin de comprendre les analyses d’eau. Cet ouvrage s’adressant a` des praticiens de l’industrie, nous ne traiterons pas ici des m´ethodes d’analyse de l’eau, mais bien de l’interpr´etation des r´esultats d’analyses que nous pourrons obtenir de laboratoires. Les polluants de l’eau ayant des cons´equences directes sur les caract´eristiques de l’eau, l’on utilise pour l’eau de nombreuses mesures. Nous ne d´ecrirons pas ici les m´ethodes d’analyse de l’eau, qui font l’objet de nombreux autres ouvrages, mais il est important pour pouvoir concevoir des syst`emes de traitement de l’eau et les utiliser de mani`ere optimale de bien comprendre les analyses d’eau, et la significations de grandeurs telles que le pH, le potentiel d’oxydo-r´eduction, etc. L’eau est un fluide qui a des caract´eristiques tout `a fait remarquables : • Sa densit´e est plus faible a` l’´etat solide qu’`a l’´etat liquide. • La tension de surface est tr`es ´elev´ee. • On l’appelle parfois le solvant universel, car elle dissout plus de substances que tout autre fluide connu.

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` LA CHIMIE CHAPITRE 2. INTRODUCTION A 2.3. DE LES L’EAU CLASSES DE POLLUANTS • Sa chaleur de vaporisation ´elev´ee, ce qui en fait un fluide caloporteur de choix. Ces caract´eristiques sont dues `a la mol´ecule d’eau (voir figure 2.1).

Figure 2.1.: La mol´ecule d’eau La mol´ecule d’eau est une mol´ecule mol´ecule polaris´ee. Ces mol´ecules tendent `a rester ensemble `a l’´etat liquide plus que d’autres fluides, ce qui explique la chaleur de vaporisation ´elev´ee. Elle tend aussi a` s´eparer les ions : il en r´esulte que l’eau est un excellent solvant. Ces deux caract´eristiques expliquent que l’eau soit si largement employ´ee dans l’industrie, pour des applications li´ees a` l’´energ´etique, a` la chimie et pour le nettoyage. D’autre part, volume de l’eau augmente lorsqu’elle passe de l’´etat liquide a` l’´etat solide : elle est l’une des 3 seules substances connues dans la nature dans ce cas.

2.3. Les classes de polluants L’eau, de part sa nature de solvant universel, n’existe pratiquement pas sous forme de H2 O pure. L’on trouve litt´eralement de tout dans l’eau. Afin de pouvoir analyser les traitements de purification envisageables, il est indispensable dans un premier temps de classer les impuret´es. Il y a plusieurs mani`eres de classer les impuret´es. L’int´erˆet d’un classement est ´evidemment conditionn´e par l’utilit´e de celui-ci pour d´efinir les traitements de purification applicables pour ´eliminer ces impuret´es. Les principales classes de polluants sont : • Les ´el´ements solubles : on pourra les ´eliminer par osmose inverse ou ´echange d’ions. 1 . 1. A noter que l’osmose inverse mais pas l’´echange d’ions ´eliminera aussi des composants solubles non ionis´es, comme par exemple le sucre et d’autres substances organiques en solution

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´ DE MESURE ` LA CHIMIE DE L’EAU 2.4. LES UNITES CHAPITRE 2. INTRODUCTION A

Figure 2.2.: Classification des impuret´es

• Les micro-organismes : on pourra les ´eliminer par des m´ethodes de d´esinfection. • Les compos´es insolubles, qu’il faudra pr´ecipiter ou filtrer. • Les composants organiques : ils constituent une nourriture pour d’´eventuelles bact´eries, il faudra donc les ´eliminer, en g´en´eral par oxydation ou par absorption sur charbon actif.

2.4. Les unit´ es de mesure L’eau est un produit complexe. il n’est donc pas ´etonnant que l’on utilise un nombre important d’unit´es de mesure pour d´ecrire ses caract´eristiques. Les unit´es de mesure g´en´eralement utilis´ees sont : Mesure de concentrations : ppm, mg/l, grains pH : exprim´e sans dimension Potentiel r´ edox : exprim´e en mV Duret´ e : exprim´ee g´en´eralement en degr´es S’y ajoutent diff´erents indices, tels que : Indice de Langelier : clacul´e par une formule empirique. Il indique si l’on va avoir des pr´ecipitations ou si l’eau sera corrosive. Si cet indice est n´egatif, il y a tendance a` la corrosion. Si il est positif, il y a tendance `a la formation de tartre. Turbidit´ e : Nephtelometric turbidity units ou NTU.

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` LA CHIMIE DE ´ DE MESURE CHAPITRE 2. INTRODUCTION A 2.4. L’EAU LES UNITES SDI : Indice sp´ecialis´e, souvent sp´ecifi´e par les fabricants d’osmoseurs. P´ en´ etration des UVc : un autre indice sp´ecialis´e, g´en´eralement exprim´e en % sur une lame d’eau de 1 cm.

2.4.1. Unit´ es de mesure des substances dissoutes Pour exprimer la concentration d’une substance dissoute dans l’eau, plusieurs unit´es sont utilis´ees. L’unit´e de concentration la plus courante est le mg/l , souvent exprim´ee par “ppm” (partie par million). Les indications en ppm peuvent induire en erreur : en principe, en traitement de l’eau, l’on parle de ppm massique, qui correspondent donc a` des mg/kg, soit mg/l pour l’eau. Il faut faire attention au fait que le monde de l’environnement exprime g´en´eralement les concentrations des polluants gazeux en ppm, mais il s’agit cette fois de ppm volumiques (ppmv). Quand ces deux mondes se rencontrent, comme cela est les cas par exemple dans les applications de lavage de fum´ees ou l’ozonisation de l’eau, les erreurs dues a` l’interpr´etation du terme “ppm” sont h´elas fr´equentes. Le Grain est une unit´e fr´equente dans la litt´erature anglo-saxonne : • 1grain = 1/7000lb • 1grain/gal US = 17.1mg/l Les concentrations de polluants sont en g´en´eral indiqu´ees comme ion. Parfois, l’on rencontre le terme ”Comme CaCO3 ” utilis´e dans la litt´erature anglo-saxonne, cette unit´e qui comptabilise les charges ´electriques est pratique pour les calculs d’´equilibre ´electrique et d’´echange d’ions, mais est la source d’innombrables erreurs. L’int´erˆet de l’unit´e ppm comme CaCO3 est que la somme des concentrations des anions doit ˆetre ´egale a` la somme des concentrations des cations a` pH neutre. Cette unit´e est utile aussi le calcul de syst`emes d’´echange d’ions : l’on peut additionner les concentrations des diff´erents ions et ainsi obtenir le total de ce que une r´esine ´echangeuse d’ions doit enlever de l’eau. Hormis ces deux cas il vaut mieux ne pas utiliser les ppm comme CaCO3 . Pour obtenir le facteur de conversion pour passer de la concentration comme ion a` la concentration comme CaCO3 , il faut diviser la masse molaire du carbonate de calcium par la ”masse ´equivalente”, qui est la masse molaire divis´ee par la valence. Cette unit´e est pratique pour exprimer la duret´e, c’est plus facile ensuite pour calculer la capacit´e de l’adoucisseur. Les chimistes utilisent aussi les unit´es mMol/l et mVal/l, qui expriment la quantit´e de mol´ecules - respectivement la quantit´e de charges ´electriques - contenues dans l’eau. Une Mole d’une substance a la meme masse en grammes que sa masse mol´eculaire relative. Un V al est ainsi une Mole divise par le nombre de charges ´electriques.

2.4.2. Unit´ es de mesure des solides en suspension Les solides en suspension dans l’eau posent une s´erie de probl`emes importants `a l’utilisateur d’eau dans l’industrie. Si l’eau sert `a la production d’un produit, la qualit´e de celui-ci peut ˆetre affect´ee par les particules en suspension. D’autre par des ´el´ements du

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´ DE MESURE ` LA CHIMIE DE L’EAU 2.4. LES UNITES CHAPITRE 2. INTRODUCTION A Ion

mMol/l mVal/l

Comme CaCO3

Ca++

40

20

2.50

Na+

23.5

23.5

23.5

Mg++

24.3

12.2

4.12

Cl−

35.5

35.5

1.41

96

48

1.04

61

61

0.82

SO2− 4 HCO− 3

Table 2.1.: Facteurs de conversion pour les ions les plus courants

syst`eme de purifcation d’eau lui-mˆemˆe doivent g´en´eralement ˆetre prot´eg´es des solides en suspension : c’est le cas des pompes et des membranes des osmoseurs, par exemple. Pour r´eduire la quantit´e de solides en suspension l’on peut utiliser la filtration 2 et la clarification. En purification de l’eau, on utilise deux mesures diff´erentes de la quantit´e de solides en suspension dans l’eau `a traiter : le SDI Silt Density Index, et la turbidit´e.

SDI Le SDI (Silt Density Index) est un indice de colmatage. Il est important pour les applications de filtration tangentielle. Il est d´efini comme ´etant la r´eduction moyenne sur 15 minutes, en % par minute du d´ebit `a travers un filtre 0.45 µm a` une pression constante de 2.1 bar. il s’agit d’un param`etre am´ericain (ASTM Standard), cette origine est due au fait que les producteurs de membranes d’osmose inverse sont presque tous am´ericains ou japonais. Un laboratoire d’analyse, ou un fournisseur d’osmoseur devraient ˆetre capables de mesurer le SDI, mais ce n’est pas toujours le cas. Par contre, l’on trouve dans le commerce des kits pour la mesure du SDI. Le SDI doit imp´erativement ˆetre mesur´e sur place. Les valeurs du SDI peuvent ˆetres interpr´et´ees comme suit : • Inf´erieur a` 3 : pas a` peu d’entartrage de la membrane • Entre 3 et 5 : conditions normales d’utilisation • Sup´erieur a` 5 : entartrage excessif `a pr´evoir En pratique, il faut consulter la documentation du fournisseur des membranes lors de l’installation de l‘osmoseur pour v´erifier quelle est la valeur limite acceptable du SDI pour ses membranes . 2. Voir page 28

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` LA CHIMIE DE ´ DE MESURE CHAPITRE 2. INTRODUCTION A 2.4. L’EAU LES UNITES Turbidit´ e On peut s’attendre `a un entartrage excessif des membranes d’osmose inverse si la turbidit´e est sup´erieure a` 1 NTU. L’eau n’´etant consid´er´ee potable que si la turbidit´e est inf´erieure a` 1 NTU, le probl`eme ne se pose pas, en g´en´eral, pour l’eau potable. Comptage de particules Le comptage des particules est relativement cher et rarement n´ecessaire. Il peut ˆetre utilis´e lorsque le choix d’un filtre est difficile : par exemple, si un filtre a ´et´e install´e mais se colmate trop rapidement, pour d´eterminer quel pr´efiltre il serait opportun de pr´evoir. Les laboratoires parlent souvent ”d’analyse Malevern”, du nom de l’appareil utilis´e. La forme la plus fr´equente de pr´esentation des r´esultats est celle visible `a la figure

Figure 2.3.: Exemple d’une analyse Malevern d’une eau de forage utilis´ee par une usine. Cette analyse a servi `a s´electionner le type de filtre a` utiliser.

2.4.3. Duret´ e La duret´e est un cas particulier d’unit´e de mesure de solides dissous. La duret´e est d´efinie comme la somme des concentrations des ions Calcium Ca++ et Magn´esium M g ++ . L’int´erˆet de la duret´e vient du fait que la calcium peut pr´ecipiter sous forme de tartre (CaCO3 ). Les d´epˆots de tartre sont fr´equents et difficiles a` enlever, ce qui explique la pr´eoccupation particuli`ere li´ee a` ce param`etre de l’eau. il faut ˆetre attentif au fait que la duret´e est g´en´eralement indiqu´ee en degr´es, et qu’il y a plusieurs degr´es de duret´e diff´erents : 1◦ Fran¸cais : 10 mg/l comme CaCO3 1◦ Allemand : 10 mg/l comme CaCO 1◦ Anglais : 1 mg par gallon anglais comme CaCO3 1◦ US : 1 mg/l comme CaCO3 Le tableau 2.4.3 donne les facteurs de conversion entre ces diff´erentes unit´es.

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` LA CHIMIE DE L’EAU 2.5. PH, ACIDES ET BASES CHAPITRE 2. INTRODUCTION A France

UK

Allemagne

USA

1.43

1

0.8

14.3

1

0.7

0.56

10.0

1.79

1.25

1

17.9

0.1

10.07

0.056

1

Table 2.2.: Conversion des degr´es de duret´e

2.5. pH, acides et bases Une des r´ eactions ` a l’´ equilibre Dans l’eau se produisent une s´erie de r´eactions dites `a l’´equilibre, c’est `a dire qu’elles se produisent dans les 2 directions, c’est `a dire qu’elles se produisent dans les 2 sens de l’´equation. L’eau est le lieu de plusieurs ´equilibres chimiques, et parmi ceux-ci. Le pH d´ecrit l’´etat d’un de ces ´equilibres, la dissociation de l’eau. Le potentiel d’oxydor´eduction d´ecrit l’´etat d’un autre ´equilibre chimique. pH et potentiel d’oxydo-r´eduction influencent d’autres ´equilibres chimiques dans l’eau et sont donc importants a` connaˆıtre pour le concepteur et l’utilisateur d’un syst`eme de purification de l’eau. La dissociation de l’eau La dissociation de l’eau est l’un des ´equilibres chimiques importants. H2 O * ) H+ + OH−

(2.1)

2H2 O * ) H3 O + OH−

(2.2)

Ke = [H3 O+ ] × [OH− ]

(2.3)

En fait :

O` u Ke est la constante de dissociation de l’eau Ke = 10−14 mol/l `a 25◦ C Nomenclature H+ : ion hydrog`ene OH− : ion hydroxyde H3 O+ : ion hydronium

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` LA CHIMIE DE L’EAU ´ CHAPITRE 2. INTRODUCTION A 2.6. OXYDOREDUCTION H+ : il s’agit d’un radical, il est peu probable qu’il existe. En fait, ce que l’on trouverait dans l’eau serait plutˆot l’ion H3 O+ , mais en pratique, on utilise toujours H+ dans les calculs. Ke a ´et´e nomm´e ainsi pour honorer Mr. Kohrlausch, qui la mesura. Ke varie en fonction de la temp´erature. D´ efinitions : Un acide est un donneur d’ions H+ Une base est un accepteur d’ionsH+ Un acide fort est compl`etement dissoci´e dans l’eau Un acide faible est partiellement dissoci´e dans l’eau De mani`ere analogue, une base partiellement dissoci´ee sera dite faible, une compl`etement dissoci´ee forte. Exemples d’acides : Acides forts : HCl, HBr Acides faibles : Acide carbonique H2 CO3 , Sulfurique H2 SO4 (K2 = 0, 012) L’acide sulfurique est un acide fort quand `a son premier hydrog`ene. C’est le seul acide polyprotique fort. Importance du pH Le pH influence la limite de solubilit´e de diff´erents sels dans l’eau. Pour simplifier, on peut dire que en g´en´eral plus une eau sera acide (pH bas), plus elle sera corrosive, et plus son pH sera ´elev´e plus des pr´ecipitations de diff´erents sels sont probables.

2.6. Oxydor´ eduction La d´ efinition classique L’on comprend mieux le terme oxydor´eduction si l’on commence par la d´efinition classique, donn´ee par Lavoisier : • L’oxydation signifie combinaison avec l’oxyg`ene. Par exemple : 2Hg+O2 −→ Hg2 O2 • Une r´eduction est l’extraction d’un m´etal de son oxyde. Par exemple :SO2 −→ S + O2

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´ DE ` LA CHIMIE DE L’EAU 2.7. CONDUCTIVITE CHAPITRE L’EAU 2. INTRODUCTION A Les d´ efintions modernes L’´electron et la structure interne de l’atome n’´etaient pas encore connus `a l’´epoque de Lavoisier. Avec la d´ecouverte de l’´electron 3 et l’introduction du mod`ele atomique de Bohr 4 , les r´eactions chimiques sont r´eexamin´ees a` la lumi`ere de ces nouveaux mod`eles et le concept actuel d’oxydor´eduction, qui s’exprime en termes de transferts d’´electrons, se d´egage. Les d´efinitions modernes sont : • Oxydation : perte d’un ou plusieurs ´electrons. Exemple : Fe ↔ Fe++ + 2e− • Reduction : acceptation d’un ou plusieurs ´electrons. Exemple : Cl2 +2e− ↔ 2Cl−, O2 + 4e− + 2H2 O ↔ 4OH− • Ensemble de ces r´ eactions : oxydor´eduction. • Oxydant : substance qui peut accepter des ´electrons • R´ educteur : substance qui peut donner des ´electrons • Le potentiel r´ edox d’une solution : potentiel d’une ´electrode de platine dans la solution par rapport `a une ´electrode standard Importance du potentiel R´ edox Le potentiel d’oxydo-r´eduction influence la limite de solubilit´e de diff´erents sels dans l’eau. Le pH ´egalement. Cette notion est exprim´ee par les diagrammes potentiel-pH ou diagrammes de Pourbaix.

2.7. Conductivit´ e de l’eau L’eau th´eorique, sans aucune impuret´e, a une conductivit´e faible. Sa r´esistivit´e est de 18.3 MΩ × cm. La conductivit´e de l’eau est environ proportionnelle a` la concentration totale de solides dissous.

2.8. Dissolution et pr´ ecipitation Les diff´erents sels min´eraux se dissolvent dans l’eau. Il s’agit d’une r´eaction en ´equilibre, comme par exemple : NaCl * ) Na+ + Cl−

(2.4)

CaSO4 * ) Ca++ + SO−− 4

(2.5)

Na2 SO4 * ) 2Na+ + SO−− 4

(2.6)

3. Joseph John Thomson, 1897 4. 1913.

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` LA CHIMIE CHAPITRE 2. INTRODUCTION A 2.9. LESDE DIAGRAMMES L’EAU DE POURBAIX

Figure 2.4.: Conductivit´e de l’eau en fonction de la concentration de solides dissous (TDS). [12]

CaCl2 * ) Ca++ + 2Cl−

(2.7)

Si l’on concentre une solution satur´ee, l’on cause donc une pr´ecipitation.

2.9. Les diagrammes de Pourbaix Les diagrammes de Pourbaix, aussi appel´es diagrammes potentiel-[pH] (ou E,pH), furent initialement d´evelopp´es par Marcel Pourbaix en 1938. Ils indiquent sur un plan E-pH les domaines d’existence ou de pr´edominance d’un ´el´ement. Pour illustrer leur utilit´e, prenons le diagramme de Pourbaix du fer (figure 2.5) Les r´eactions implicant le fer en solution sont :

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Fe2+ + 2OH− * ) Fe(OH)2 ↓

(2.8)

Fe3+ + 3OH− * ) Fe(OH)3 ↓

(2.9)

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´ ` LA CHIMIE DE L’EAU 2.10. L’EQUILIBRE CALCO-CARBONIQUE CHAPITRE 2. INTRODUCTION DE L’EAU A

Figure 2.5.: Diagramme de Pourbaix du fer.

Fe(OH)2 , Fe(OH)3 et Fe pr´ecipitent. Les diagrammes de Pourbaix sont utiles pour par exemple concevoir des proc´ed´es pour pr´ecipiter un ´el´ement ind´esirable, ou, au contraire, pr´evenir les pr´ecipitations. Il faut ˆetre conscients de leurs limites : • Les diagrammes de Pourbaix sont construits `a partir de donn´ees thermodynamiques : ils n’apportent donc aucune donn´ee quant `a la vitesse des r´eactions de transformations qu’ils peuvent indiquer, qui peuvent en fait ˆetre tr`es lentes. • Les diagrammes de Pourbaix d´ependent de la temp´erature. • La majorit´e des diagrammes de Pourbaix disponibles dans la litt´erature technique ne tiennent compte que de la formation d’ions simples ou d’oxydes. On se rappellera donc lorsqu’on souhaite les utiliser pour pr´evoir la durabilit´e d’un m´etal qu’ils ne tiennent donc pas compte de l’´eventuel pr´esence de complexants.

2.10. L’´ equilibre calco-carbonique de l’eau Un cas de r´eaction `a l’´equilibre particuli`erement important en purification de l’eau est celui de de la pr´ecipitation de calcaire, CaCO3 . La dissolution ou la pr´ecipitation du calcaire dans l’eau est r´egie par une s´erie de r´eactions `a l’´equilibre qui impliquent aussi le gaz carbonique. C’est pourquoi l’on parle de l’´equilibre calco-carbonique de l’eau.

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`EQUILIBRE ´ LA CHIMIECALCO-CARBONIQUE CHAPITRE 2. INTRODUCTION 2.10. L’A DE L’EAU DE L’EAU

Figure 2.6.: Le gaz carbonique dans l’eau

Le gaz carbonique est en partie sous forme ionique dans l’eau : CO2 + H2 O * ) H2 CO3 * ) H+ + HCO− 3

(2.10)

−− * + HCO− 3 ) H + CO3

(2.11)

et Le carbonate de calcium est sous forme de ions : CaCO3 * ) Ca++ + CO−− 3

(2.12)

Dans les conditions habituelles, le CO−− r´eagit presque enti`erement pour former du 3 − HCO3 , ce qui explique que l’on trouve des quantit´es consid´erables de calcaire dissous dasn l’eau sous forme de Ca(HCO3 )2 . Si l’on combine les r´eactions inverses on a : * Ca++ + 2HCO− 3 ) CO2 + H2 O + CaCO3 ↓

(2.13)

Le Ca(HCO3 )2 pr´ecipite et entartre conduites, chaudi`eres, etc. Plusieurs param`etres influencent les ´equilibres des ´equations ci-dessus. Il en r´esulte qu’il n’est pas trivial de d´eterminer si une eau est agressive, ou au contraire causera des d´epˆots. Il ne faut en aucun cas accepter les affirmations simplistes que l’on entend trop souvent - malheureusement parfois aussi prononc´ees par des professionnels - du type l’eau adoucie est corrosive, ou l’eau dure cause des d´epˆots de tartre. Mˆeme une eau adoucie peut causer des pr´ecipitations si on la concentre, ou si on change le pH ou la temp´erature. De mˆeme, une eau dure mais acide peut ˆetre corrosive.

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´ ` LA CHIMIE DE L’EAU 2.10. L’EQUILIBRE CALCO-CARBONIQUE CHAPITRE 2. INTRODUCTION DE L’EAU A L’agressivit´e de l’eau, ou au contraire, sa tendance `a former des d´epˆots de tartre, sera fonction des param`etres suivants : • • • • •

La temp´erature L’alcalinit´e Le pH La duret´e La concentration totale de solides dissous

Plusieurs mod`eles permettant de d´eduire l’agressivit´e de l’eau ont ´et´es ´elabor´es, et peuvent ˆetres utilis´es sous forme de graphiques (nomogrammes)[8] ou de programmes de calcul[19]. Ces diff´erents mod`eles donnent parfois des r´esultats diff´erents. Les graphiques des 2 pages suivantes sont extraits de [12] : l’avantage de ce nomogramme et du graphique annexe est que il permet en un calcul de proc´eder `a l’´evaluation du caract`ere corrosif ou non de l’eau selon 2 mod`eles de calcul (Ryznar et Langelier). Le nomogramme est d’autre part relativement simple a` utiliser.

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`EQUILIBRE ´ LA CHIMIECALCO-CARBONIQUE CHAPITRE 2. INTRODUCTION 2.10. L’A DE L’EAU DE L’EAU

Figure 2.7.: Nomogramme de Langelier et Ryznard[12]

Mode d’emploi du nomogramme de Langelier et Ryznard 1. Tracer la droite de Ts `a Ca et marquer le point o` u elle croise la droite T-1 2. Tracer la droite de Alk (alcalinit´e) `a t (temp´erature) et marquer le point o` u elle croise la droite T-2 3. Tracer une droite de transfert T-1 a` T-2 entre les deux points marqu´es 4. Lire la valeur sur l’´echelle pHs et tirer une droite depuis cette valeur `a l’´echelle pHa. Lire les valeurs sur les ´echelles L et R 5. Interpr´etation des deux indices : si L est positif, formation de tartre. R : tartre si inf´erieur a` 6.5, corrosion si sup´erieur a` 6.5 Ces indices peuvent aussi ˆetres calcul´es.

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´ ` LA CHIMIE DE L’EAU 2.10. L’EQUILIBRE CALCO-CARBONIQUE CHAPITRE 2. INTRODUCTION DE L’EAU A

Calcul des indices de Langelier et de Ryznar L’indice de Langelier LSI est d´efini comme suit : LSI = pH − pHs

(2.14)

pHs = (9.3 + A + B) − (C + D)

(2.15)

Avec : • pH : pH mesur´e • pHs : pH a` saturation pHs peut ˆetre estim´e par :

Avec : A=

log10 (T DS) − 1 10

(2.16)

B = −13.12 × log10 (T + 273) + 34.55

(2.17)

C = log10 (Durete) − 0.4

(2.18)

D = log10 (Alcalinite)

(2.19)

L’indice de Ryznar est d´efini par : RSI = 2 × pHs − pH

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(2.20)

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`EQUILIBRE ´ LA CHIMIECALCO-CARBONIQUE CHAPITRE 2. INTRODUCTION 2.10. L’A DE L’EAU DE L’EAU

Figure 2.8.: Interpr´etation de l’indice de Ryznar[12]

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3. Les polluants dans l’eau

3.1. Introduction Nous passons ici en revue les polluants principaux, et les probl`emes qu’ils posent dans les syst`emes de purification d’eau industriels.

3.2. Calcium – Ca++ Le calcium est le composant principal de la duret´e. Il est le r´esultat de la dissolution de roches calcaires par l’eau. Il cause des pr´ecipitations, et l’on peut l’´eliminer en adoucissant l’eau. On en trouve g´en´eralement 2 a` 200 ppm dans l’eau, plus souvent 100 ppm ou plus. Le calcaire est le CaCO3 .

3.3. Magn´ esium – Mg++ On trouve typiquement 10 `a 50 ppm de magn´esium dans l’eau, mais il pose moins de probl`emes que le calcium car il est plus soluble. Il repr´esente en g´en´eral environ 1/3 de la duret´e de l’eau.

3.4. Bicarbonate – HCO− 3 Le bicarbonate HCO3− est le r´esultat de la dissolution dans l’eau du CO2 produit par des bact´eries

3.5. Fer – Fe++, Fe+++ Le fer est pr´esent sous forme ionique dans toutes les eaux souterraines, donc pratiquement toutes les eaux potables . Il cause l’entartrage de membranes d’osmose inverse, et est donc g´en´eralement `a ´eliminer dans les syst`emes de purification d’eau industriels

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CHAPITRE 3. LES POLLUANTS DANS L’EAU

3.6. SILICE – SIO2

M´ ethodes d’´ elimination Oxydation avant un filtre ` a sable : avec de l’ozone ou du chlore 1 Filtration par m´ edia filtrant : des filtres contenant du sable vert, ou du BIRM permettent d’enlever le fer de l’eau, qui s’accumule dans le filtre sous forme d’oxyde. Ces produits catalyse la r´eaction d’oxydation du fer. En principe ils n´ecessitent une a´eration de l’eau avant le filtre et ne fonctionnent que dans une plage pr´ecise de pH.

3.6. Silice – SiO2 On distingue la silice neutre, la silice collo¨ıdale et la silice activ´ee. La silice est neutre `a pH neutre. A pH ´elev´e, elle est en partie activ´ee : − H+ + H SiO− SiO2 + H2 O ← → 3 4

(3.1)

On parle de silice collo¨ıdale quand la silice se combine avec des mol´ecules organiques. On a souvent de la silice collo¨ıdale dans l’eau qui a pour origine le squelette d’algues. La silice pose un probl`eme au niveau des chaudi`eres et des turbines. La meilleure m´ethode pour l’´eliminer est l’osmose inverse, qui permet d’en ´eliminer plus du 99% le la silice activ´ee et de la silice collo¨ıdale. L’´echange d’ion n’enl`eve pas la silice collo¨ıdale. La silice n’´etant que en partie sous fomr ionique, on ne peut pas d´etecteur un changement de la concentration de silice dans l’eau sur la base de la conductivit´e : mˆeme une eau `a conductivit´e tr`es faible peut contenir une concentration significative de silice.

3.7. Gaz carbonique – CO2 Le CO2 peut ˆetre dans l’eau sous forme de ion ou sous forme libre. La part des diff´erentes formes de CO2 d´epend du pH de l’eau. Le CO2 libre peut poser des probl`emes dans un syst`eme de traitement de l’eau : en particulier, comme il n’est pas arrˆet´e par l’osmose inverse il peut ´epuiser rapidement la r´esine d’un ´echangeur d’ions qui serait plac´e en aval d’un osmoseur. Et il peut affecter la conductivit´e de l’eau. La meilleure fa¸con de l’´eliminer est de proc´eder a` un d´egazage `a bas pH. Si la chaˆıne de traitement de l’eau inclut un osmoseur on peut, dans les limites de la solubilit´e du calcaire 2 , convertir le CO2 en bicarbonate en injectant de la soude en amont de l’osmoseur. Le bicarbonate ´etant un ion, il ne traverse pas la membrane de l’osmoseur. 1. Voir page 76 2. En pratique cette solution n’est envisageable que si l’osmoseur est pr´ec´ed´e d’un adoucisseur

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3.8. CHLORE

CHAPITRE 3. LES POLLUANTS DANS L’EAU

Figure 3.1.: Le CO2 dans l’eau, sous diff´erentes formes en fonction du pH

3.8. Chlore Sous forme Cl− (ion chloride) le chlore n’est pas dangereux 3 . La limite habituelle de 250 mg/l est justifi´ee par des raisons de goˆ ut. Il ne pose pas non plus de probl`emes aux installations ou conduites. L’ion chloride est arr`et´e par les osmoseurs et les ´echangeurs d’ions. La mol´ecule de chlore, Cl2 , passe a` travers les membranes des osmoseurs et les ´echangeurs d’ions.

3.9. Trihalom´ ethanes • • • •

HCCl3 HCCl2 Br HCClBr2 HCBr3

Les trihalom´ethanes r´esultent de la r´eaction de d´ebris organiques avec le chlore ou le brome. ils causent des cancers. Il n’y a pas de m´ethode efficaces de les ´eliminer. Il faut donc ´eliminer les pr´ecurseurs, donc ´eviter d’utiliser le chlore.

3.10. Que faut-il analyser ? Lorsque l’on demande une analyse de l’eau au distributeur d’eau potable, l’on obtient trop souvent une analyse bact´eriologique ainsi que des mesures de certains param`etres tels le pH et la salinit´e totale, mais pas une analyse chimique compos´e par compos´e. Le but des ces analyses en bien sˆ ur de d´eterminer si une eau est potable. Notre objectif est par contre de d´eterminer quel traitement d’eau employer pour nos proc´ed´es : il est donc 3. Il n’a pas non plus d’effet d´esinfectant

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CHAPITRE 3. LES POLLUANTS DANS L’EAU 3.10. QUE FAUT-IL ANALYSER ? normal que les besoins en termes d’analyse de l’eau seront diff´erents. Que faut-il analyser, dans le cadre de la conception ou d’une optimisation d’un syst`eme de purification de l’eau industriel ? La r´eponse d´epend en partie du type d’´equipement que l’on pr´evoit d’installer, mais en pratique, il est utile de connaˆıtre : • Cations : • Les composants de la duret´e : • Calcium Ca++ • Magn´esium Mg++ • Sodium Na+ • PotassiumK+ • Anions : • Les composants de l’alcalinit´e 4 : • Bicarbonate HCO− 3 • Carbonate CO3−− • Ion Hydroxyle OH− • Sulfate SO−− 4 • Chloride Cl− • Fluoride F− • Nitrate NO− 3 • Autres param`etres : • Temp´erature • pH • Salinit´e totale (TDS) • Coefficient de p´en´etration aux UVc 5 • SDI 6 En outre, les ions suivants peuvent avoir un impact significatif, surtout sur les installations `a membrane (les osmoseurs par exemple) : • Cations : • Fer Fe++ ouFe+++ • Mangan`ese Mn++ • Aluminium Al+3 • Baryum Ba++ • Strontium Sr++ • Cuivre Cu++ • Zinc Zn++ • Anions : • Silice SiO2 • Sulfide S2 • Phosphate PO−2 4 4. Les concentrations de ces composants sont li´ees : si l’on connaˆıt le pH la la concentration de bicarbonates, l’on peut calculer la concentration de carbonate et d’ion hydroxyle 5. Si l’on songe ` a installer un st´erilisateur U.V. 6. Si l’on songe ` a installer un osmoseur

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3.10. QUE FAUT-IL ANALYSER ? CHAPITRE 3. LES POLLUANTS DANS L’EAU Pour pouvoir concevoir la chaˆıne de traitement et dimensionner approximativement un syst`eme typique de purification de l’eau industriel il faut imp´erativement avoir au moins les informations suivantes sur la qualit´e de l’eau disponible : • • • • • •

Duret´e totale Concentration de bicarbonate pH Salinit´e totale Temp´erature Concentration des compo´es pouvant poser probl`emes dans le produit fini

En pratique, ces donn´ees sont suffisantes pour concevoir et dimensionner un petit syst`eme de traitement de l’eau. Les incertitudes seront palli´ees par un surdimensionnement ´eventuel du syst`eme.Pour des syst`emes de dimensions importantes 7 les potentiels d’´economie justifient largement le coˆ ut d’´eventuelles analyses suppl´ementaires.

7. Pour des investissements sup´erieurs `a environ CHF 5’000.00

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Deuxi` eme partie . Les technologies de la purification de l’eau

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4. Filtration et microfiltration

Figure 4.1.: Un filtre industriel pour d´ebits de plusieurs dizaines de m3 /h

4.1. Quelques d´ efinitions Par filtration on entend en principe une m´ethode pour ´eliminer des impuret´es de l’eau en la faisant passer a` travers un m´edia filtrant. Aujourd’hui, la filtration regroupe un grand nombre de technologies, dont les technologies de filtrations membranaires qui permettent mˆeme de d´emin´eraliser l’eau. Mais il faut prendre garde aux confusions : souvent, l’on parle en langage courant de filtration particulaire en l’appelant filtration. La filtration particulaire regroupe l’ensemble des m´ethodes de filtration permettant d’enlever de l’eau les particules d’une taille sup´erieure a` environ un µm, alors que la filtration inclut l’ensemble des m´ethodes de traitement de l’eau o` u l’on fait passer l’eau `a travers un m´edia filtrant, donc aussi par exemple l’osmose inverse, qui est une m´ethode physique de d´emin´eralisation de l’eau.

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CHAPITRE 4. FILTRATION ET MICROFILTRATION 4.2. FILTRATION PARTICULAIRE

Mat´ eriel ` a prot´ eger

Seuils de filtration usuels

Conduites, ´echangeurs de chaleur Typiquement 50 a` 90 µm Pompe

Quelques dizaines de µm

Adoucisseur, ´echangeur d’ions

5 `a 25 µm

Membrane d’osmose inverse

5 µm

Membrane d’ultrafiltration

5 `a 25 µm

Table 4.1.: Quelques seuils de filtration usuels

4.2. Filtration particulaire La filtration particulaire et la microfiltration utilisent des mat´eriels semblables et ob´eissent `a des r`egles semblables. On distingue de mani`ere un peu artificielle la filtration particulaire, qui concerne les seuils de filtration de 1 µm ou plus, et la microfiltration qui concerne les seuils de filtration inf´erieurs au micron. un justification de cette distinction est la diff´erence de prix des cartouches : une cartouche de microfiltration coˆ ute environ 10 fois plus cher qu’une cartouche de filtration particulaire.

4.2.1. Pourquoi filtrer ? G´en´eralement, tout syst`eme de purification de l’eau dans l’industrie comprend une premi`ere ´etape de filtration particulaire. Pourquoi ? Mˆeme lorsqu’il n’y a pas d’exigence quand `a l’absence de particules dans le produit fini, une filtration est n´ecessaire pour prot´eger le mat´eriel de purification de l’eau, qu’il s’agisse de pompe, de r´esines ´echangeuses d’ions ou de membranes d’osmose inverse. Quel est le seuil de filtration `a choisir ? Cette information fait partie des sp´ecifications fournies par le producteur du mat´eriel a` prot´eger. Des seuils typiques sont cit´es dans le tableau 4.1.

4.2.2. Les m´ ecanismes de filtration Le fonctionnement d’un filtre est en partie contre-intuitif. Pour comprendre ce que l’on observe dans la pratique, il est essentiel de savoir comment un filtre fonctionne, autrement dit de comprendre les m´ ecanismes de filtration . Il y a 4 m´ ecanismes de filtration fondamentaux : 1. L’interception directe ou criblage 2. Le mouvement brownien

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4.2. FILTRATION PARTICULAIRE CHAPITRE 4. FILTRATION ET MICROFILTRATION 3. L’adsorption 4. Le Bridging ou formation de gˆateau de filtration L’interception directe Le m´ecanisme de l’interception directe est facile a` comprendre intuitivement. Il est illustr´e par la figure 4.2 a` la page 30.

Figure 4.2.: Interception directe ou criblage

Le mouvement brownien Mˆeme lorsque un ´ecoulement est laminaire, les particules en suspension dans l’eau ont un mouvement en partie al´eatoire. Le m´ecanisme de la filtration r´esultant du mouvement brownien est illustr´e par la figure 4.3 `a la page 31. L’adsorption L’importance de ce ph´enom`ene est variable, en fonction du type de particules et de la mati`ere du m´edia filtrant. Le Bridging ou formation de gˆ ateau de filtration La formation du gˆateau de filtration joue un rˆole tr`es important dans le fonctionnement des filtres a` sable.

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CHAPITRE 4. FILTRATION ET MICROFILTRATION 4.2. FILTRATION PARTICULAIRE

Figure 4.3.: Mouvement brownien

Figure 4.4.: Adsorption

Conclusions sur les m´ ecanismes de filtration Les m´ecanismes de filtration autres que l’interception directe nous permettent de comprendre des aspects observ´es du comportement de filtres, en particuliers, pour ce qui est des filtres que l’on utilise en purification de l’eau :

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4.2. FILTRATION PARTICULAIRE CHAPITRE 4. FILTRATION ET MICROFILTRATION

Figure 4.5.: La formation d’un gˆateau de filtration

• La qualit´e de la filtration ´evolue au cours de la vie d’un filtre : par exemple les filtres a` sables filtrent assez mal pendant leurs premi`eres heures de fonctionnement, mais la qualit´e de la filtration s’am´eliore grˆace `a la formation du gˆateau • Le filtre arrˆetera des particules aussi de dimensions inf´erieures `a son micronage. Cela grˆace aux m´ecanismes de formation de gˆateau, au mouvement brownien, et a` l’adsorption • Les performances d’un filtre sont difficiles `a pr´evoir, car elles d´ependent d’un grand nombre de facteurs qui affectent ces diff´erents m´ecanismes de filtration

4.2.3. Classification des types de filtres Il existe d’innombrables technologies pour s´eparer les particules solides d’une taille de 1 mm ou plus de l’eau. Or, dans plus de 90% des cas, un filtre `a cartouche, ´eventuellement pr´ec´ed´e d’un filtre a` sable, est la solution optimale dans les applications de purification de l’eau. Il est toutefois important de connaˆıtre l’existence et les principaux avantages et inconv´enients des autres solutions existantes. Face aux grand nombre de technologies de filtration qui sont a` la disposition du praticien, il est utile de tenter de les classifier. On distingue ainsi : • La filtration de surface par opposition a` la filtration de profondeur. Dans la filtration de surface, les particules sont arrˆet´ees lorsque l’eau entre dans le m´edia filtrant, alors que dans la filtration de profondeur toute l’´epaisseur du m´edia est utilis´ee. • La filtration par ´el´ements consommables, par opposition aux ´el´ements non consommables. Jusqu’aux ann´ees 1980, l’essentiel de la filtration industrielle ´etait le fait

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CHAPITRE 4. FILTRATION ET MICROFILTRATION 4.2. FILTRATION PARTICULAIRE d’´el´ements filtrants non consommables. Aujourd’hui, environ 80% de l’ensemble de l’eau filtr´ee l’est par des des syst`emes `a cartouches consommables, essentiellement car le prix des cartouches a baiss´e alors que le les coˆ uts de main d’œuvre augmentent. • Classification par objectif de filtration, en distinguant filtration de pr´etraitement et filtration de finition Dans les pages qui suivent, nous passerons en revue les diff´erents types de filtres employ´es en purification industrielle de l’eau.

4.2.4. Filtres-presses Les filtres-presses assuraient le gros de la filtration industrielle jusqu’aux ann´ees ’80. Leur avantage principal ´etait le coˆ ut d’investissement r´eduit. Le d´esavantage ´etait par contre un coˆ ut de maintenance relativement ´elev´ee en particulier pour enlever les gˆateaux de filtration. Ce travail ´etait non seulement coˆ uteux en temps de main d’œuvre, mais aussi il s’agit d’un travail tr`es sale : il est difficile de trouver le personnel acceptant de faire ce travail. Ce probl`eme est r´esolu par les filtres-presses automatiques, mais ceux-ci sont chers `a l’achat, ce qui annule l’avantage No. 1 de cette technologie. Aujourd’hui, les filtres-presses ne sont pratiquement plus utilis´es pour la filtration de l’eau en entr´ee. Il sont par contre encore fr´equents dans le traitement des eaux us´ees et la filtration dans des proc´ed´es chimiques. Leur utilisation est justifi´ee par le fait que ces filtres produisent des “gˆateaux” de filtration assez secs : la quantit´e de d´echets produits est faible, ce qui est ´economiquement int´eressant lorsque le syst`eme de filtration produit des d´echets `a traiter comme d´echets sp´eciaux : cela est assez souvent le cas dans les eaux us´ees industrielles tr`es charg´ees : les filtres peuvent retenir des substances toxiques. Si l’on emploie pour une telle application un syst`eme de filtration a` ´el´ements consommables, l’on augmente bien entendu le volume de d´echets sp´eciaux, coˆ uteux `a ´eliminer.

4.2.5. Les filtres ` a poche ou ` a panier Ils sont ´economiquement int´eressants pour les eaux tr`es charg´ees en particules. Ils posent par contre un probl`eme s´erieux de fiabilit´e : il arrive qu’une poche ou un panier c`ede sous l’effet de la pression qui augmente lorsque le gˆateau de filtration se d´eveloppe, et l’on a donc un relachˆage massif et soudain de particules dans l’eau trait´e, ce qui peut avoir des cons´equences catastrophiques sur le mat´eriel que le filtre est sens´e prot´eger.

4.2.6. Etude de cas : cons´ equences de l’utilisation d’un filtre ` a poche Une usine chimique avait la possibilit´e d’utiliser de l’eau provenant d’un puits situ´e dans l’usine pour pr´eparer de l’eau de proc´ed´e. L’eau ´etait partiellement d´emin´eralis´ee par une machine a` nanofiltration (voir page60). Pour prot´eger les membranes, cette machine ´etait munie de cartouches filtrantes (voir page 39). Or l’eau du puits ´etait sablonneuse : il fallait donc changer souvent les cartouches : environ une fois toutes

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4.2. FILTRATION PARTICULAIRE CHAPITRE 4. FILTRATION ET MICROFILTRATION

Figure 4.6.: Principe de fonctionnement d’un filtre a` poche

Figure 4.7.: Changement d’une poche. Ces poches peuvent se casser.

les deux semaines. Le coˆ ut ´etait assez mod´er´e, puisque cette entreprise achetait les cartouches directement chez un producteur en quantit´es importantes, mais par contre le personnel charg´e de ce travail s’´etait plaint de cette tˆache suppl´ementaire. Le responsable du projet se laissa convaincre par un vendeur de filtres a` poche que l’utilisation de cette

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CHAPITRE 4. FILTRATION ET MICROFILTRATION 4.2. FILTRATION PARTICULAIRE technologie permettrait un changement de filtres tous les 6 mois environ. Au bout de environ 4 semaines, une poche se cassa. Le sable fut distribu´e dans les membranes de nanofiltration, qui durent ˆetres remplac´ees pour un coˆ ut de environ 30’000.00 EUR. Cela ne signifie ´evidemment pas qu’il faut renoncer a` l’utilisation de filtres a` poches filtrantes : il repr´esentent une solution ´economique, surtout pour des fluides tr`es charg´es. Il faut par contre pr´evoir un filtre `a cartouche en aval du filtre `a pour les applications o` u une rupture d’une poche filtrante aurait des cons´equences importantes.

4.2.7. Filtres ` a cartouches lavables et filtres autonettoyants Sous ces noms l’on trouve une tr`es grande vari´et´e de technologies, et souvent des nouveaux filtres autonettoyants sont pr´esent´ees comme la solution a` tous les probl`emes de filtration. Si ils pr´esentent un avantage en termes de coˆ uts de fonctionnement, il faut ˆetre conscient de leurs d´esavantages, qui limitent leurs applications : 1. Le coˆ ut d’investissement est g´en´eralement ´elev´e 2. Les filtres autonettoyants ont un seuil de filtration de quelques dizaines de mm, ce qui est insuffisant pour certaines applications, comme la pr´efiltration pour un osmoseur 3. L’installation est relativement complexe 4. Lors du nettoyage p´eriodique, ces filtres rejettent une eau fortement charg´ee en particules, qu’il est souvent impossible de conduire a` l’´egout sans un traitement particulier : cela complique encore l’installation L’image 4.10 montre assez bien a` quoi un filtre autonettoyant typique ressemble : il est beaucoup plus complexe, lourd, coˆ uteux qu’un filtre a` cartouche parce que il a en principe au moins un moteur ´electrique 1 qui actionne le dispositif de nettoyage, et un syst`eme pour l’eau de lavage. L’installation est donc beaucoup plus complexe que pour un filtre a` cartouche.

4.2.8. Filtres ` a sable On parle g´en´eriquement de filtres `a sable mˆeme si le m´edia filtrant n’est pas forc´ement du sable. Il peut aussi s’agir d’anthracyte ou de sable vert 2 , ou un autre m´edia filtrant. L’antracyte est plus l´eger que le sable proprement dit et fournit une couche de pr´efiltration. Le sable vert est un sable qui est recouvert d’une couche d’oxyde de mangan`ese et a la propri´et´e d’oxyder le fer dissous dans l’eau, et aussi le mangan`ese et l’hydrog`ene sulfureux. Une fois que ces impuret´es ont ´et´es oxyd´ees, elles tendent `a rester, par adsorption, dans ne sable vert. Les filtres avec une couche de sable vert permettent de r´eduire les concentrations de fer dissous, de mangan`ese dissous et d’hydrog`ene sulfur´e a` moins de 0.01 ppm. Les filtres a` sable contiennent aussi souvent du gravier. Celui-ci n’est en g´en´eral pas un m´edia filtrant, mais sert a` former une couche poreuse au fond du filtre. 1. Souvent 2 ou 3 moteurs 2. Galuconite

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4.2. FILTRATION PARTICULAIRE CHAPITRE 4. FILTRATION ET MICROFILTRATION

Figure 4.8.: Filtre a` poche. Carter en plastique.

Les filtres `a sable sont g´en´eralement ´economiquement int´eressants pour des d´ebits de au moins quelques m3 /h d’eau tr`es charg´ee en particules. D’autres points importants `a connaˆıtre sur les filtres a` sable sont : • Le(s) m´edia(s) choisi(s) d´etermine(nt) un d´ebit surfacique maximum. Ce d´ebit est

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CHAPITRE 4. FILTRATION ET MICROFILTRATION 4.2. FILTRATION PARTICULAIRE

Figure 4.9.: Filtre autonettoyant. Principe de fonctionnement. Image : Filters Srl

Figure 4.10.: Filtre autonettoyant. Photo : Filters Srl

d´etermin´e par le producteur du m´edia, pas par le fabricant du filtre. Il est raisonnable de demander au fabricant du filtre les sp´ecifications du m´edia employ´e, et v´erifier que le d´ebit surfacique sp´ecifi´e par le fabricant du m´edia a ´et´e respect´e • Le gˆateau de filtration joue un rˆole important : au d´ebut, le filtre a` sable filtre

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4.2. FILTRATION PARTICULAIRE CHAPITRE 4. FILTRATION ET MICROFILTRATION

Figure 4.11.: Montage d’un filtre autonettoyant. Photo : Filters Srl

Figure 4.12.: Filtre a` sable a` pression. Photo : Osmonics

assez mal, et au bout de quelques heures de fonctionnement l’efficacit´e de filtration s’am´eliore • Un r´etrolavage p´eriodique est n´ecessaire. C’est une proc´edure automatique, qui dure environ 20 minutes. Le d´ebit est important, largement sup´erieur au d´ebit nominal

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CHAPITRE 4. FILTRATION ET MICROFILTRATION 4.2. FILTRATION PARTICULAIRE du filtre. Il peut ˆetre fait avec de l’eau non filtr´ee. Le d´ebit de r´etrolavage est fix´e par les sp´ecifications du producteur du m´edia filtrant. Ici aussi, il est donc raisonnable de v´erifier que le constructeur du filtre a bien pr´evu un d´ebit de r´etrolavage conforme aux sp´ecifications du producteur de m´edia filtrant 3 . Il faut pr´evoir au moins un r´etrolavage par semaine • Lorsque l’on ach`ete un filtre a` sable, on re¸coit le filtre, avec les sacs de m´edias filtrants a` cˆote : il faut alors mettre les diff´erents m´edias filtrants dans le bon ordre dans le filtre : cela peut durer plusieurs heures • Lorsque le filtre a` sable est en mat´eriau composite, et qu’il faut mettre du gravier, l’on risque de l’endommager si l’on ne met pas de l’eau avant de mettre le gravier Variantes des filtres ` a sables Un filtre a` sable peut ˆetre construit de 2 fa¸cons : Filtres ` a gravit´ e : peu utilis´es en applications industrielles, a` l’exception du cas de la filtration des eaux de surfaces. Leur d´ebit surfacique est plus faible Filtres ` a pression : ce sont g´en´eralement ceux que l’on trouve dans l’industrie. La photo 4.12 montre un tel filtre.

4.2.9. Etude de cas : filtres ` a sables, r´ etrolavage Un client utilisait des filtres a` sable pour de l’eau de lavage de pi`eces m´etallique. L’installateur des filtres avait mont´e le syst`eme de telle sorte que le d´ebit de r´etrolavage ´etait indentique au d´ebit de service des filtres. Margr´e des nettoyages hebdomadaires, la perte de charge des filtre restait sup´erieure ou ´egale `a environ 2.0 bar, alors qu’elle aurait dˆ u ˆetre de l’ordre de 0.5 bar. Nous avons conseill´e au client d’augmenter le d´ebit de r´etrolavage 4 , et de proc´eder aussi a` une injection d’air comprim´e pour casse le gˆateau de filtration qui s’´etait form´e au fil des mois. La perte de charge retomba en-dessous de 0.5 bar. Ensuite, les lavages r´eguliers avec un d´ebit de r´etrolavage de l’ordre de 160 % du d´ebit de service de filtres suffirent a` maintenir cette perte de charge aux alentours de 0.5 bar.

4.2.10. Filtres ` a cartouches consommables Les filtres `a cartouche repr´esentent le gros de la filtration en purification de l’eau dans l’industrie. On distingue 2 types de filtres a` cartouche : Filtration absolue : enl`eve ”toutes” les particules de dimension sup´erieures au micronage 3. Notre exp´erience est que souvent cela n’est pas le cas 4. Ce qui ´etait possible sur cette installation, fort heureusement. Souvent une modification du d´ebit de r´etrolavage peut exiger des modifications de tuyauterie

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4.2. FILTRATION PARTICULAIRE CHAPITRE 4. FILTRATION ET MICROFILTRATION

Figure 4.13.: Corps de filtres pour filtres a` cartouche. Photo : Osmonics

Filtration nominale : enl`eve ”la plupart” des particules de dimension sup´erieures au micronage

La d´efinition de l’expression ”toutes les particules” varie selon les fabricants. Certains consid`erent que une cartouche qui enl`eve plus de 99% des particules de dimension sup´erieures au micronage est absolue, alors que d’autres limitent ce terme aux cartouches qui enl`event plus de 99.98% des particules de dimension sup´erieure au micronage de la cartouche. Les cartouches absolue sont toujours beaucoup plus ch`eres a` l’achat que les cartouches nominales. Un type de cartouche a` ´eviter sont les cartouches a` fil bobin´e, comme celle visible sur la figure 4.14 : constitu´ees d’un fil enroul´e autour d’une cage en plastique ou en m´etal, elles ont toutes des chenaux de passage entre les fils largement sup´erieurs au micronnage indiqu´e. Elles ont tout de mˆeme un certain effet filtrant en raison des ph´enom`enes d’adsorption, mais ont une efficacit´e de filtration faible si on les compare aux cartouches de fibres thermosoud´ees. En outre, elles contiennent souvent des lubrifiants. On trouve souvent ces cartouches dans l’industrie. Leurs coˆ uts de production sont n´egligeables, ce qui pousse certains fournisseurs a` continuer a` les vendre. Il va sans dire que l’utilisateur paye cher, en termes de mat´eriel non prot´eg´e par la cartouche, les ´economies r´ealis´ees avec ces cartouches.

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CHAPITRE 4. FILTRATION ET MICROFILTRATION 4.2. FILTRATION PARTICULAIRE

Figure 4.14.: Cartouche `a fil bobin´e

Efficacit´ e d’un filtre ` a cartouche L’efficacit´e d’un filtre est d´efinie par : ε=

N1 − N2 N1

(4.1)

Avec : • ε : efficacit´e du filtre • N1 : nombre de particules de taille ´egale au seuil de filtration du filtre que l’on trouve dans un volume d’eau donn´e avant le filtre • N2 : nombre de particules de taille ´egale au seuil de filtration du filtre que l’on trouve dans un volume d’eau donn´e apr`es le filtre Certains fabricants ont choisi de modifier la d´efinition de N1 et de N2 , en d´ecidant que ces chiffres se rapportaient au nombre de particules de taille ´egale ou sup´erieure au seuil de filtration du filtre. Bien sˆ ur cette d´efinition leur permet d’annoncer des efficacit´es plus ´elev´ees. Il n’y a pas de standard international reconnu concernant la m´ethode a` employer pour mesurer cette efficacit´e. Des normes sont en pr´eparation ou en consultation dans diff´erents pays, mais il n’y a pas de consensus pr´evisible a` court terme au niveau international.

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4.2. FILTRATION PARTICULAIRE CHAPITRE 4. FILTRATION ET MICROFILTRATION Facteur Beta Le facteurβ a ´et´e cr´ee par un fabricant de filtre, pour faire plus scientifique. Il est difficile de voir un quelconque int´erˆet de ce facteur. Comme il est souvent utilis´e, il faut tut de mˆeme connaˆıtre sa d´efinition : β=

N1 N2

(4.2)

Ce qui est ´equivalent a` ´ecrire : 1−ε (4.3) ε D’autres fabricants l’utilisent aussi. La soci´et´e qui a introduit ce facteur β vend des filtres `a prix ´elev´es. β=

Cutoff Un autre aspect qui d´efinit en partie la qualit´e d’une cartouche filtrante est le Cutoff ou nettet´e du seuil de filtration.

Figure 4.15.: Cutoff, ou nettet´e du seuil de filtration Les courbes de la figure 4.15 sont purement qualitatives. On peut se demander si il y a un avantage a` avoir un filtre qui n’arrˆete pas les particules plus petites que son seuil de filtration. Pour la plupart des applications oui, parce que la dur´ee de vie de la cartouche est d´etermin´ee par la capacit´e de r´etention de celle-ci. La capacit´e de r´etention est le volume de particules que la cartouche peut arrˆeter avant de devoir ˆetre chang´ee. Il est clair que l’on filtre par exemple de l’eau `a 5 µm, pour prot´eger par exemple une pompe, et que l’eau filtr´ee contient un grand nombre de particules d’un diam`etre inf´erieur `a 5 µm, une cartouche avec un seuil de filtration peu net aura — a`

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CHAPITRE 4. FILTRATION ET MICROFILTRATION 4.2. FILTRATION PARTICULAIRE capacit´e de r´etention ´egale — une dur´ee de vie plus courte qu’une cartouche `a seuil de filtration net. La vie d’une cartouche filtrante

Figure 4.16.: Evolution de la perte de charge au cours de la vie d’une cartouche filtrante

La figure 4.16 montre l’´evolution de la perte de charge d’une cartouche filtrante au cours de sa vie op´erationnelle : 1. Mise en service de la cartouche 2. La diff´erence de pression maximum sp´ecifi´ee par le fabricant est atteinte 3. Chute brutale de la diff´erence de pression Entre les points 1 et 2, la courbe est approximativement lin´eaire. Si on laisse la cartouche en service apr`es que la diff´erence de pression maximale prescrite par le fabricant a ´et´e atteinte, la diff´erence de pression augmente rapidement, jusqu’au point o` u elle est suffisante pour d´etruire la cartouche : la mati`ere est forc´ee a` travers les pores, le m´edia filtrant est irr´em´ediablement abˆım´e l’on observe alors une chute de la diff´erence de pression. On notera que la diff´erence de pression au point 1, donc a` l’installation de la cartouche, influence beaucoup la dur´ee de vie de la cartouche. Si par exemple la diff´erence de pression maximum est de 2 bar, et l’on met la cartouche en service avec une diff´erence de pression initiale de 1 bar, la dur´ee de vie de la cartouche sera environ 56% plus faible que si l’on avait commenc´e a` utiliser la cartouche avec une diff´erence de pression de 0.2 bar. Un sous-dimensionnement d’une installation de filtration se paye donc en coˆ uts de cartouches de remplacement.

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4.2. FILTRATION PARTICULAIRE CHAPITRE 4. FILTRATION ET MICROFILTRATION Facteurs influen¸cant la performance d’un filtre De nombreux facteurs li´es au fluide et aux particules en suspension dans le fluide influencent les performances d’un filtre, ce qui rend les comparaisons difficiles. Les facteurs suivants influencent la dur´ee de vie d’un filtre : • Caract´eristique des particules • Forme • D´eformabilit´e : les particules d´eformables peuvent bien sˆ ur passer a` travers des pores de diam`etre inf´erieur a` leur taille • Densit´e : un densit´e tr`es diff´erente de celle du fluide tend a` am´eliorer la qualit´e de la filtration • Quantit´e : si il y a beaucoup de particules, il y a bien sˆ ur formation rapide d’un gˆateau de filtration • Caract´eristiques du fluide • Viscosit´e : une viscosit´e diff´erente implique une perte de charge diff´erente • Tension superficielle, qui affecte l’adsorption • Temp´erature : elle peut avoir un effet sur le m´edia, surtout sur les plastique, et a un effet sur la viscosit´e du liquide. • D´ebit vitesse d’´ecoulement Ce nombre assez important de facteurs justifie un peu l’absence de standards reconnus par tous. Diff´erents fabricants effectuent donc les tests de dur´ee de vie et d’efficacit´e de leurs cartouches avec des particules diff´erentes, qui correspondent `a diff´erents standards.Pour l´e’efficacit´e, le test le plus employ´e et le AC Fine Test Dust (USA) . Il prescrit l’emploi de sable ramass´e dans une r´egion d´efinie d’un d´esert californien. Un grand fabricant de cartouches europ´een utilise pour ses essais de dur´ee de vie de l’OvomaltineTM , alors qu’il mesure l’efficacit´e de ses filtres avec des particules de Latex calibr´ees.

4.2.11. Le choix d’une technologie de filtration Le choix de la m´ethode de filtration d´epend essentiellement de la charge en particules de l’eau a` filtrer et du seuil de filtration voulu. Le choix de la m´ethode sur la base de ces crit`eres est illustr´e dans le tableau ci-dessous : Charge faible

Charge ´ elev´ ee

Charge tr` es ´ elev´ ee

1 `a 40 µm

Filtre `a cartouche

Filtre `a poche

Filtre a` poche, ´eventuellement en aval d’un filtre a` sable.

Plus de 40 µm

Filtre `a cartouche

Filtre `a poche ou filtre Filte a` sable ou filtre auto-nettoyant auto-nettoyant

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CHAPITRE 4. FILTRATION ET MICROFILTRATION 4.3. MICROFILTRATION

4.3. Microfiltration Une cartouche de microfiltration. Photo : GE Water

4.3.1. D´ efinition On parle de microfiltration quand on utilise des cartouches au micronage inf´erieur au micron. En pratique, les micronnages utilis´es en purification de l’eau sont : • 0.2 µm : suffisant pour arrˆeter les bact´eries • 0.05 `a 0.1 µm : souvent employ´es en micro´electronique La microfiltration se fait pratiquement toujours avec des filtres a` cartouches consommables Il s’agit de filtration de surface avec des membranes pliss´ees.

4.3.2. Types de cartouches filtrantes On distingue le cartouches de microfiltration pour filtration nominale et celles pour filtration absolue. En g´en´eral les cartouches de filtration absolues utilisent des membranes avec des pores, alors que les membranes des cartouches de filtration nominale sont compos´ees de fibres. On peut tester l’int´egrit´e de certaines cartouches de microfiltration. Cela est utile pour des applications o` u la qualit´e de la filtration doit ˆetre d´emontr´ee et document´ee, comme par exemple dans l’industrie pharmaceutique. L’utilisateur est confront´e `a un v´eritable embarras du choix concernant la cartouche filtrante `a utiliser pour une application de micro-filtration. Les fabricants proposent un grand choix de mat´eriaux de membrane, de seuils de filtration et de configuration des cartouches.

4.3.3. Le choix de la cartouche filtrantes Le processus de choix de la cartouches est compliqu´e par l’immensit´e du choix de cartouches filtrantes sur le march´e. Une fois l’objectif de la filtration d´efini, il faut prendre

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4.3. MICROFILTRATION CHAPITRE 4. FILTRATION ET MICROFILTRATION

Figure 4.17.: Vue au microscope d’une membrane d’une cartouche de microfiltration absolue. Photo : GE Water

le temps d’´etudier les fiches de sp´ecification des diff´erentes cartouches envisageables. Les fabricants exp´eriment´es fournissent des recommandations, en fonction de l’application, concernant le mat´eriau de la membrane `a utiliser. Ces cartouches ayant en g´en´eral des prix substantiels, il est important de choisir une configuration g´eom´etrique (dimensions, forme des extr´emit´es) courante, afin de pouvoir changer de mod`ele de cartouche si la cartouche choisie initialement ne donne pas satisfaction.

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5. Proc´ ed´ es membranaires 5.1. Introduction Les proc´ed´es membranaires, ou de filtration par membrane, aussi appell´es de filtration tangentielle diff`erent de la filtration classique essentiellement par la pr´esence d’une sortie de concentrat : seulement une partie de l’eau passe `a travers le m´edia filtrant, une partie, appell´ee le concentrat, ne passe pas a` travers le m´edia filtrant et sert a` ´evacuer les impuret´es qui, en filtration classique, restent sur le m´edia filtrant.

5.2. Osmose inverse 5.2.1. Principe de l’osmose inverse Le ph´enom`ene de l’osmose est connu depuis l’aube de la biologie : il existe dans la nature des membranes, qui ont la propri´et´e de laisser passer seulement l’eau, sans les sels qui y sont dissous. Lorsque une solution aqueuse est s´epar´ee de l’eau d´emin´eralis´ee par une telle membrane, comme dans la figure 5.1, il se produit un flux osmotique : de l’eau purifi´ee passe a` travers la membrane jusqu’`a ce que la diff´erence de pression a` travers la membrane atteigne une pression dite pression osmotique, fonction des sels dissous dans l’eau, et qu’il est possible de calculer. Il est clair que si l’on applique a` la solution aqueuse une pression sup´erieure a` sa pression osmotique, le flux osmotique sera invers´e et l’on produira de l’eau d´emin´eralis´ee : c’est l’osmose inverse. Les premi`eres membranes d’osmose inverse ´etaient en ac´etate de cellulose. Par la suite, l’on d´eveloppa des membranes en plastique 1 . On notera aussi que l’on ne peut imaginer faire passer la totalit´e de la solution aqueuse a` travers la membrane. En effet, les sels dissous ne passant pas a` travers la membrane, ils sont de plus en plus concentr´es et la pression osmotique augmente. D’autre part, si l’on continuait a` concentrer, tˆot ou tard la limite de solubilit´e des diff´erents sels pr´esents dans l’eau serait atteinte et il y aurait des pr´ecipitations sur la membrane. Il en r´esulte que toutes les machines d’osmose inverse ont non seulement une entr´ee d’eau d’alimentation et une sortie d’eau d´emin´eralis´ee (dite aussi perm´eat), mais aussi une sortie d’eau qui n’est pas pass´ee a` travers la membrane (on parle souvent de concentrat). Ce concentrat 1. Les membranes d’osmose inverse en plastique sont g´en´eralement en polyamide

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5.2. OSMOSE INVERSE

´ ES ´ MEMBRANAIRES CHAPITRE 5. PROCED

Figure 5.1.: Le ph´enom`ene naturel osmose

s’´ecoule tangentiellement a` la membrane, sans la traverser, et c’est cela qui donne le nom de filtration tangentielle aux technologies comme l’osmose inverse. Une fois le concept d’osmose inverse connu, il faut, pour r´ealiser des machines industrielles, placer une surface importante de membrane dans un volume aussi restreint que possible. De nombreuses configurations de modules d’osmose inverse ont ´et´es commercialis´es, mais actuellement la quasi-totalit´e du march´e est repr´esent´ee par les modules spiral´es. Comment fonctionne, au niveau microscopique, une membrane d’osmose inverse ? Cela n’est pas connu `a l’heure actuelle avec certitude. L’on sait que ces membranes existent dans la nature. L’on arrive a` produire ces membranes en plastique. mais leur fonctionnement exact est inconnu. Y a-t-il des pores ? Ce n’est pas certain. Une ´ecole de pens´ee affirme qu’il n’y a pas de pore, et que la pression au niveau de la membrane force l’eau a` passer en changeant de phase : l’on parle d’eau interstitielle. Une autre ´ecole de pens´ee affirme qu’il y des pores, mais cette ´ecole doit expliquer pourquoi l’on sait que les membranes d’osmose inverses sont perm´eables non seulement `a l’eau, mais aussi aux petites mol´ecules organiques. Pour expliquer ce ph´enom`ene, des mod`eles incluant des effets ´electrostatiques au niveau de la surface de la membrane ont ´et´es d´evelopp´es. La question de la pr´esence ou de l’absence des pores est la question qui agite les milieux scientifiques qui travaillent sur les membranes depuis des d´ecennies. La question pourrait sembler futile, mais il n’en est rien. Elle montre que le ph´enom`ene de l’osmose inverse reste mal compris. Si on comprendrait mieux le m´ecanisme, il serait plus facile de pr´evoir les taux de rejet des diff´erents ions, et surtout, dans d’autres domaines de la technique, une compr´ehension des ph´enom`enes au niveau physique a en r`egle g´en´erale apport´e des avanc´ees importantes au niveau des performance des produits industriels.

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´ ES ´ MEMBRANAIRES CHAPITRE 5. PROCED

5.2. OSMOSE INVERSE

Figure 5.2.: Un module spiral´e [9]

Figure 5.3.: La fabrication d’un module d’osmose inverse. Photo : Osmonics

On peut donc se risquer a` faire le pronostic que les performances des membranes vont s’am´eliorer beaucoup dans les ann´ees ou d´ecennies `a venir.

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5.2. OSMOSE INVERSE

´ ES ´ MEMBRANAIRES CHAPITRE 5. PROCED

Figure 5.4.: Membrane d’osmose inverse : le mod`ele avec pores. Image : Osmonics

Figure 5.5.: Membrane d’osmose inverse : le mod`ele sans pores

5.2.2. Equations fondamentales de l’osmose inverse Comme utilisateur ou concepteur d’installation, on n’a en principe jamais besoin de calculer un osmoseur. Toutefois il est important de connaˆıtre les ´equations qui r´egissent le fonctionnement des osmoseurs : cela nous permettra de mieux juger les offres et

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´ ES ´ MEMBRANAIRES CHAPITRE 5. PROCED

5.2. OSMOSE INVERSE

affirmations de fabricants, et aussi d’´evaluer le fonctionnement d’un osmoseur : les ´ecarts de d´ebits et de conductivit´e seront incompr´ehensibles si l’on ne connaˆıt pas les lois qui les r´egissent. Quelques d´ efinitions Il est usuel de repr´esenter un osmoseur dans un sch´ema sous la forme d’un rectangle avec une diagonale qui repr´esente la membrane, comme dans la figure 5.6.

Figure 5.6.: Repr´esentation sch´ematique d’un osmoseur ou d’une membrane d’osmose inverse

Qe : d´ebit d’eau entrant dans l’osmoseur Qp : d´ebit perm´eat, ou d´ebit d’eau passant a` travers la membrane Qc : d´ebit de concentrat ce : concentration de solides dissous dans l’eau entrant dans l’osmoseur cp : concentration de solides dissous dans le perm´eat de l’osmoseur cc : concentration de solides dissous dans le concentrat de l’osmoseur D´ ebit en fonction des pressions Qe = KT × [(P1m − P2m ) − (Posm1 − Posm2 )]

(5.1)

Avec : • Qe : d´ebit a` travers la membrane • KT : constante donn´ee par le fabricant de la membrane. La valeur de cette constante varie avec la temp´erature. • P1m : pression moyenne en amont de la membrane • P2m :pression moyenne en aval de la membrane • Posm1 :pression osmotique moyenne en amont de la membrane • Posm2 : pression osmotique moyenne en aval de la membrane

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´ ES ´ MEMBRANAIRES CHAPITRE 5. PROCED

5.2. OSMOSE INVERSE

En pratique on admet les approximations suivantes : P1m =

1 × (Pe + Pc ) 2

(5.2)

P2m = Pp

(5.3)

Pe ´etant la pression a` l’entr´ee de la membrane, Pc la pression du concentrat et Pp la pression du perm´eat. De la mˆeme fa¸con, on admet que : Posm1 =

1 × (Posme + Posmc ) 2

(5.4)

Posm2 = Posmp

(5.5)

Posme ´etant la pression osmotique de l’eau d’alimentation de l’osmoseur, Posmc la pression osmotique du concentrat et Posmp la pression osmotique du perm´eat. En pratique, Posmp  Posme , donc Posm2  Posm1 , donc (Posm1 − Posm2 ) ≈ Posm1 L’on calcule donc en g´en´eral en utilisant Posm1 en lieu et place de (Posm1 − Posm2 ). Il faut par contre prendre garde a` ne pas confondre Posm1 avec Posme : la diff´erence peut ˆetre importante et conduire a` des erreurs importantes. Estimation de la pression osmotique La pression osmotique est une fonction des solides dissous dans l’eau. En pratique l’on peut utiliser l’approximation suivante : Posm = T DS × 0.0008

(5.6)

TDS ´etant le total des solides dissous dans l’eau. Les unit´es utilis´ees ´etant : • [Posm ] = bar • [T DS] = ppm Rejet et recouvrement Pour l’utilisateur, un ”bon” osmoseur est un osmoseur qui r´eduira le plus possible la min´eralisation de l’eau et consommera le moins d’eau possible. Ces deux param`etres sont mesur´es par le taux de recouvrement et le taux de rejet : D´ efinitions : Taux de recouvrement : R =

Qp Qe

Taux de rejet (rejet) : Rej = 1 − avec Cec =

1 2

Cp Cec

× (Ce + Cc )

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´ ES ´ MEMBRANAIRES CHAPITRE 5. PROCED

5.2. OSMOSE INVERSE

Effet de la temp´ erature Corr(T ) = 1.03(T −25)

(5.7)

o` u T est la temp´erature de l’eau en degr´es Celcius. Le d´ebit d’une membrane ayant un d´ebit nominal QN a` 25◦ C sera a` une temp´erature T quelconque : Q(T ) = Corr(T ) × QN

(5.8)

Bilans Il est important de rappeler que les bilans de masse de l’eau et des solides dissous s’appliquent : Qe = Qc + Qp

(5.9)

Qe × Ce = [Qc × Cc ] + [Qp × Cp ]

(5.10)

L’ensemble des ´equations permettent de faire les calculs courant concernant la performance de votre osmoseur, comme par exemple la qualit´e de l’eau `a la sortie, en connaissant le taux de rejet et la qualit´e de l’eau en entr´ee, ou bien les variations de performances a` attendre d’une variation de la qualit´e de l’eau, du taux de recouvrement, etc. D’autre part, il est essentiel de connaˆıtre ces ´equations pour ´evaluer l’efficacit´e de la maintenance d’un osmoseur. Taux de rejet de diff´ erents sels Le taux de rejet d’une membrane ou d’un osmoseur est toujours donn´e par les fabricants pour du NaCl. Bien sˆ ur l’eau comporte aussi d’autres sels dissous, et les taux de rejet peuvent varier fortement d’un sel a` l’autre. [4] donne a` la page 88 une liste compl`ete des taux de rejet des diff´erents sels. Nous citons ici quelques exemples dans le tableau 5.2.2 `a la page 53. Sel

Taux de passage (compar´e au NaCl)

CaSO4

30%

MgCL2

60%

Ca(NO3 )2

500%

Mg(NO3 )2

500%

Table 5.1.: Taux de rejets de diff´erents sels, relativement au NaCl

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´ ES ´ MEMBRANAIRES CHAPITRE 5. PROCED

5.2. OSMOSE INVERSE

Les fabricants de membranes fournissent des programmes de calculs qui, utilisant ces taux de passage diff´erents pour chaque sel, calculent la concentration ion par ion dans le perm´eat pour une eau d’alimentation donn´ee.

Ordres de grandeur Taux de rejet, pour NaCl : Polyamide : Ac´etate de cellulose :

98 `a 99.7 % 93 a` 98 %

Taux de recouvrement : Pour une membrane : Pour une unit´e :

13 a` 20 % 33 a` 75 %

Dans une machine d’osmose inverse, l’on combine plusieurs membranes, et l’on peut aussi recycler une partie du concentrat, pour obtenir des taux de recouvrement beaucoup plus ´elev´es que les 13 `a 20% . Bien sˆ ur cela a pour corollaire que le taux de rejet d’une machine d’osmose inverse sera toujours plus bas que le taux de rejet d’une membrane seule. En pratique, les taux de rejet pour le NaCl d’un osmoseur seront de l’ordre de 95 a` 99%.

D´ ebits par membrane (` a environ 16 bar) : Mat´ eriau Diam` etre Polyamide 4” Polyamide 8” Ac´etate de cellulose 4” Ac´etate de cellulose 8”

D´ ebit 0.25 m3 /h 1 m3 /h 0.15 m/3 h 0.60 m/3 h

Les dimensions des membranes pour les osmoseurs industriels sont plus ou moins standardis´es : pratiquement tous les fabricants proposent des modules de diam`etre de 4” et de 8”, et d’une longueur de 40” (environ un m`etre). Par contre, pour les petits osmoseurs commerciaux ou de laboratoire, il existe un tr`es grand nombre de diam`etres de membranes (1.8”, 2”, 2.5”, etc.) et un choix presque infini de longueurs de modules. Pour les membranes en ac´etate de cellulose, le d´ebit varie avec le taux de passage : les membranes avec un taux de rejet ´elev´e ont un d´ebit plus faible.

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5.2. OSMOSE INVERSE

Les mat´ eriaux de membranes d’osmose inverse : Mat´ eriaux Rejet NaCl pH Rejet compos´es organiques Chlore Cl2 libre Temp´erature

Polyamide Ac´ etate de cellulose 98 `a 99.7 % 93 `a 98 % 3 `a 10 4 `a 8 > 150 masse mol. > 200 a` 250 masse mol. < 0.1 ppm > 0.2 ppm et < 2.0 ppm ◦ < 40 C < 40◦ C

Il existe des modules pour hautes temp´eratures avec des membranes en polyamide : pour la membrane elle-mˆeme, une temp´erature de l’eau jusqu’`a 90◦ C ne pose pas r´eellement un probl`eme, mais par contre le probl`eme est au niveau de la colle et des autres ´el´ements en plastique (tubes, grilles, joints) employ´es pour la construction des modules.

5.2.3. Exemples d’unit´ es d’osmose inverse

Figure 5.7.: Sch´ema d’un petit osmoseur industriel. Sch´ema : Osmonics Le sch´ema de la figure 5.7 est typique d’un petit osmoseur industriel. On remarque en particulier : Le pr´ efiltre : il prot`ege les membranes des particules en suspension La pompe Les membranes : le concentrat sortant de 2 membranes alimente la 3emembrane. Le concentrat de cette derni`ere est en partie recycl´e

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5.2. OSMOSE INVERSE

´ ES ´ MEMBRANAIRES CHAPITRE 5. PROCED

Vannes de r´ eglage concentrat et recyclage : en ajustant ces deux vannes, l’on peut ajuster le taux de recouvrement de la machine

Figure 5.8.: Exemple d’unit´e d’osmose inverse pour laboratoire. Photo : Electrolux

Figure 5.9.: Sch´ema de principe de l’unit´e montr´ee sur la figure 5.8

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5.2. OSMOSE INVERSE

reverse System Ordering Guide

Packapgteions Titan 4000 E – Entry O Titan 5000 S – Spec’d Up 7000 Ultratech F – Fully Loaded Figure 5.10.: Petit osmoseur industriel, muni deTitan membranes 4”. PhotoTitan : RO Titan

Spec’dUp

Entry

Features included…

Features included…

UÊ CHAMP vessels UÊ HF4 extra-low pressure membranes UÊ Goulds multi-stage pump & motor UÊ Corrosion-resistant aluminium frame UÊ Large diameter 5 micron 20" sediment pre-filter UÊ Large diameter 1 micron 20" sediment pre-filter UÊ High-capacity 20" carbon block pre-filter UÊ 2 x 0-160 psi filter pressure gauges UÊ 2 x 0-300 psi system pressure gauges UÊ Computer controller UÊ Low-pressure switch UÊ Inlet solenoid valve UÊ Manual flush valve UÊ Permeate flow meter UÊ Concentrate flow meter UÊ Panel-mounted permeate TDS meter

UÊ Titan Entry features plus… UÊ Auto-flush UÊ Panel-mounted inlet and permeate dual TDS meter UÊ Concentrate re-circ & flow meter UÊ High-pressure switch UÊ Float switch

FullyTitan Loaded Features included… UÊ
Ê/ˆÌ>˜ Spec’d Up features plus… UÊ œ“«iÌiÊ«Ài‡wÌÀ>̈œ˜ÊÜ>ÌiÀÊ softener system

Titan 5000 F

The Important Stuff For consistent performance and long membrane life, it is recommended that RO systems are used in conjunction with some fairly stringent operating conditions; soft or pre-softened, low SDI water, free from organic contaminants, chlorine, and suspended solids. Thankfully, Titan systems are equipped with more pre-filtration than most other ROs, helping eliminate many problematic contaminants. Minimum feed pressure

35 psi (2.5 bar)

Operating pressure

100 psi (6.9 bar)

Maximum hardness

200 ppm as CaCO3

Maximum TDS

2000 ppm

PH range

3-11

Feed connection

1"

Permeate connection

1"

œ˜Vi˜ÌÀ>ÌiÊVœ˜˜iV̈œ˜ Maximum temperature

1" 40.5°C (104.9°F)

*The ‘Fully Loaded’ system is recommended when water hardness 142 ppm as CaCO3 or above.

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Figure 5.11.: Exemple de grand osmoseur industriel, muni de membranes 8”. Photo : GE Water

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5.3. ULTRAFILTRATION

´ ES ´ MEMBRANAIRES CHAPITRE 5. PROCED

5.3. Ultrafiltration Comme l’osmose inverse, l’ultrafiltration est une technique de filtration tangentielle. Contrairement aux membranes d’osmose inverse, les membranes d’ultrafiltration n’enl`event aucun ion de l’eau. Les membranes d’ultrafiltration ont des pores : c’est incontestable, ils sont observables au microscope. il s’agit d’une technologie assez mˆ ure. Il y a un grand choix de mat´eriaux de membrane : polysulphone, polypropyl`ene, polyamide, ac´etate de cellulose, vinyle fluor´e, PVC, PVDF, etc. Le choix de configurations g´eom´etriques de membrane est aussi important. Les membranes dites spiral´ees ne repr´esentent qu’une minorit´e des membranes d’ultrafiltration, les membranes type ”fibres creuses” ´etant devenue les plus fr´equentes. On distingue en outre les fibres creuses filtrant l’eau de l’int´erieur vers l’ext´erieur, et celles filtrant l’eau de l’ext´erieur vers l’int´erieur. Ces derni`eres sont r´eput´ees plus durables car plus faciles a` r´etro-laver, mais aussi plus ch`eres car plus difficiles `a produire. L’utilisation principale de l’ultrafiltration dans l’industrie est la filtration au point d’utilisation dans les syst`emes de production d’eau ultrapure, surtout en pharmaceutique et en micro´electronique. depuis quelques ann´ees, l’on voit aussi des machines d’ultrafiltration destin´ees `a la potabilisation de l’eau. Les taux de recouvrement sont beaucoup plus ´elev´es en ultrafiltration que en osmose inverse : l’on parle g´en´eralement de environ 90% avec de l’eau de ville ou en potabilisation de l’eau, et plus de 95% en filtration de finition d’eau ultrapure. Ceci en employant des membranes spiral´ees. Les installations avec des membranes a` fibres creuses fonctionnent parfois a` pr`es de 100% de taux de recouvrement.

Figure 5.12.: Exemple d’unit´e d’ultrafiltration au point d’utilisation [19]

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