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Désalinisation : nouvelle source d’eau de consommation
Le concept des premières installations de désalinisation de l’eau de mer a été conçu dans la fin des années 1950 [19]. Les usines de désalinisation ont été implantées la plupart du temps dans des zones arides comme le Moyen-Orient [20, 21] et l’Afrique du Nord [22] et aussi en Australie [23]. A San Diego aux Etats-Unis, la désalinisation a été mise place pour répondre au problème de la sècheresse [24]. Si le procédé de désalinisation de l’eau de mer est aujourd’hui une technologie fiable pour produire de l’eau potable, l’enjeu majeur des prochaines années reste la réduction du coût énergétique des procédés (Figure I-2) [19].
Plusieurs techniques de désalinisation ont été développées au cours des dernières décennies [19, 25]. On peut citer les procédés thermiques comme la distillation [multi-stage flash distillation (MSD), multi-effect distillation (MED)], les procédés membranaires utilisant comme force motrice la pression avec par exemple le procédé d’osmose inverse (RO : reverse osmosis), l’osmose directe (FO : forward osmosis), la nanofiltration (NF), et enfin les procédés membranaires qui utilisent le potentiel électrique comme force motrice, l’électrodialyse (ED).
Différentes techniques de désalinisation
Osmose Inverse (RO : reverse osmosis)
L’osmose inverse est l’une des techniques les plus utilisées pour la désalinisation, avec environ 50 % en volume de l’eau désalinisée produite au niveau mondial par ce procédé [26]. Elle consiste à appliquer, une pression supérieure à la pression osmotique, sur une solution concentrée, pour faire passer les molécules d’eau à travers une membrane semi-sélective, cependant en suivant une direction opposée à celle du phénomène naturel d’osmose [27–29] (Voir Figure I-3). L’énergie consommée par cette technique pour le traitement des eaux de surfaces se situe environ de 0,2- 0,4 kWh/m3 [30–32], alors que pour ce qui est de l’eau de mer, elle est de 1,07 kWh/m3 pour une désalinisation de 50 % [30, 31, 33–35]. Mais le bilan énergétique total est encore plus élevé que cela puisqu’il faut considérer le prétraitement et le post traitement, ce qui revient à un coût énergétique de 3,5 4,5 kWh/m3 [36]. L’osmose inverse est utilisée généralement comme moyen de dessaler l’eau dans des pays possédant une grande capacité énergétique comme l’Australie [37], Israël [38], Arabie Saoudite [39] et les Emirats Arabes Unis [40].
La distillation
La distillation consiste à utiliser l’énergie thermique pour vaporiser l’eau qui, une fois condensée, permet d’obtenir de l’eau déminéralisée. La répétition de cette opération augmente le rendement, ce qui permet de distinguer deux techniques de distillation : la distillation multi flash (MSD) et la distillation multi effet (MED). La MSD consiste à faire l’évaporation de l’eau en plusieurs étapes [41–44] (voir Figure I-4-a), d’abord l’eau de mer maintenue sous pression est chauffé jusqu’à 120 °C, puis elle est envoyée dans des étages successifs où la pression est faible. Il en résulte une détente instantanée. La MED a pour principe d’utiliser la chaleur de condensation de la vapeur d’eau produite dans une première étape de distillation pour évaporer une partie de l’eau de mer dans une seconde étape de distillation et ainsi de suite [42, 44, 45] (voir Figure I-4-b). La MSD a une consommation d’énergie de 2,5 à 5 kWh/m3 alors que celle de la MED est de 2 à 2,5 kWh/m3 .
L’électrodialyse
L’électrodialyse est une technique qui se rapproche le plus de celle de la désalinisation capacitive car étant aussi un procédé de nature électrochimique. Les ions sont éliminés par migration sous l’effet d’un champ électrique au travers de membranes sélectives (anionique et cationique) [46– 48]. Les cations Na+ migrent vers la cathode (électrode négative) et les anions Clvers l’anode (électrode positive, voir Figure I-5). La consommation d’énergie de cette technique est estimée à environ 2,5 à 5,5 kWh/m3 [42].
La désalinisation capacitive
La désalinisation capacitive est une technique qui repose sur le phénomène d’électrosorption. Le terme « capacitive » fait référence au fait que le système utilise le même fonctionnement que les supercondensateurs, c’est-à-dire l’utilisation de deux électrodes poreuses pour adsorber les ions en solution dans la double couche électrochimique sous l’effet d’une polarisation électrique. Le potentiel électrique appliqué aux électrodes fait apparaitre deux pôles chargés positivement et négativement. Les ions cations (Na+ ) migrent et s’adsorbent à l’électrode négative et les anions (Cl- ) font de même à l’électrode positive .
La principale différence par rapport aux autres techniques est que l’énergie fournie pendant la charge (adsorption des ions aux électrodes), peut être récupérée pendant la décharge (désorption des ions aux électrodes). Ainsi cette énergie pourra être donc réutilisée pour une nouvelle étape de désalinisation. Ce procédé se base sur la Double Layer ») à la surface d’électrodes de grande surface développée, typiquement à base de carbone activé. Nous allons revenir plus en détail sur la formation de l’EDL plus tard dans ce chapitre. Idéalement, ce procédé se fait en l’absence de réactions électrochimiques. C’est pourquoi il est important, pour éviter les réactions faradiques, que le potentiel appliqué ne dépasse pas les 1,23 V correspondant au potentiel thermodynamique de l’électrolyse de l’eau [49]. Il est en pratique limité à des valeurs plus faibles du fait de la présence de réactions faradiques parasites (liées à la présence de groupes de surface sur les électrodes carbonées par exemple).
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Table des matières
Introduction Générale
Chapitre I : Bibliographie
I. Généralités
I.1- Problématique de l’eau
I.2- Désalinisation : nouvelle source d’eau de consommation
I.3- Différentes techniques de désalinisation
II. La désalinisation capacitive
II.1 Le supercondensateur : base de la désalinisation capacitive
II.2- Une brève histoire de la désalinisation capacitive
II.3- Double couche électrochimique (EDL : « Electrochemical Double Layer »)
III. Matériaux d’électrode
III.1- Porosité
III.2- Revue des matériaux de carbone utilisés pour la désalinisation capacitive
IV. Les différentes architectures de cellules
IV.1- Architecture de cellule avec des électrode Fixes
IV.2- Architecture de cellule avec des électrodes mobiles
V. Objectif de la thèse
Références bibliographique
Chapitre II : Matériaux et techniques expérimentales
I. Introduction
II. Matériaux et cellules de désalinisation
II.1. Carbone poreux
II.2 Cellules de désalinisation
III. Techniques de caractérisations électrochimiques
III.1 Voltammétrie cyclique (CV)
III.2 Spectroscopie d’impédance électrochimique (SIE)
IV. Mesures rhéologiques
IV.1 Comportement rhéologique en régime statique
IV.2 Comportement rhéologique en régime dynamique
Références
Chapitre III : Effet de la concentration de l’électrolyte et de la structure du carbone sur la désalinisation
I. Introduction
II. Expérience
III. Résultats et discussions
III.1- Influence de la concentration sur la performance de désalinisation
III.2 Effet de la structure du carbone microporeux sur la capacité
IV. Conclusion
Référence
Conclusion Générale
