Les eaux de mer et eaux saumâtres

Les eaux de mer et eaux saumâtres

Les différents procédés de dessalement

Introduction

Devant une crise d’eau certaine qui commence a se faire sentir a travers le monde, en plus des contraintes économiques pour un développement durable, des solutions appropriées nécessitent d’être élaborées afin de se préparer a faire face a ce défi qui menace même l’existence de l’homme. Notre pays qui dispose de ressources hydriques salines considérables et d’un gisement solaire tout aussi important, doit utiliser les techniques de dessalement, dont la fiabilité n’est plus à démontrer, en les associant à des sources d’énergies renouvelables. Cette solution constitue un moyen assez fiable pour produire de l’eau potable. Il faut cependant signaler que ce moyen reste économiquement fiable seulement pour des unités de petites capacités allant de quelques m3 à des dizaines (voire centaines) de m3 d’eau potable par jour.
Pour de grandes capacités, l’association des procèdes de dessalement avec les énergies renouvelables nécessitent des couts d’investissement élèves et la fiabilité de tels systèmes n’est pas toujours assurée [8].

Caractéristiques des eaux marines et saumâtres

Les eaux marines

La caractéristique la plus importante des eaux marines est leur salinité, C’est-à-dire leur teneur globale en sels. (Chlorures de sodium et de magnésium, sulfates et carbonates.)
Le sel de mer est un composé dont le nom complet en chimie est chlorure de Sodium. Il tend à se dissoudre dans l’eau jusqu’à une concentration de saturation variant de 33 à 37g/l [38].
Tableau II.1 la salinité moyenne des mers [39].
Le PH moyen des eaux de mer varie entre 7,5 et 8,4, l’eau de mer est un milieu légèrement basique [38].

Les eaux saumâtres

On appelle eau saumâtre, une eau salée non potable de salinité inférieure à celle de l’eau de mer. La plupart des eaux saumâtres contiennent entre 1 et 10 g de sels par litre. Ce sont parfois des eaux de surface mais le plus souvent des eaux souterraines qui se sont chargées en sels en dissolvant certains sels présents dans les sols qu’elles ont traversés. Leur composition dépend donc de la nature des sols traversés et de la vitesse de circulation dans ces sols. Les principaux sels dissouts sont; CaCO3, CaSO4, MgCO3 et Na Cl [38].

Le dessalement

Le dessalement est une ressource alternative, complémentaire.
S’assurer que le recours au dessalement est plus compétitif que d’autres alternatives ; Le dessalement d’eau répond à des besoins spécifiques et identifiés.
Le dessalement d’eau est un des leviers de la stratégie nationale du secteur de l’eau, basée sur le principe de la gestion intégrée et durable des ressources en eau [40].
Le choix de la solution « dessalement » doit faire l’objet d’une comparaison technico-économique avec le transfert de l’eau douce ; Le dessalement permet
•  Le renforcement des ressources en eau
• L’amélioration de la qualité de l’eau distribuée [41].

Schéma général d’une installation de dessalement

Une installation de dessalement peut être schématiquement subdivisée en 4 postes
• Une prise d’eau de mer ;
• Un poste de prétraitement ;
• L’installation de dessalement proprement dite ;
• Un poste de traitement [42].

Prise d’eau de mer 

La prise d’eau de mer doit permettre d’obtenir à l’entrée de l’usine de dessalement une eau de
la meilleure qualité possible, en particulier du point de vue matières en suspension. Cette prise
en compte de la qualité de l’eau est d’autant plus importante que le procédé de dessalement
choisi sera l’osmose inverse [42].

 Un poste de prétraitement 

 Chloration Bloque la prolifération des organismes vivants. Evite l’obstruction des conduites.
 Filtration Protège les pompes et assure le bon fonctionnement des pulvérisateurs.
 Antitartre La distillation favorise précipitation du carbonate de calcium qui se dépose sur la paroi des échangeurs et réduit le transfert de chaleur [43].

L’installation de dessalement proprement dite

 Procédés de distillation L’eau de mer chauffée produit de la vapeur d’eau qu’il suffit de condenser pur obtenir de l’eau pure.
 Procédés membranaires L’eau et les sels dissous sont séparés au moyen de membranes sélectives [43].

Un poste de traitement

Le post-traitement permet de potabilité l’eau en 2 étapes (en sortie de l’unité de dessalement, l’eau n’est pas potable car elle est déminéralisée).
 Correction de la corrosivité le traitement consiste à ajouter du Ca(OH)2 ou du CaCO3.
 Désinfection finale bien que certain procédés (osmose inverse) retiennent tous les microorganismes, il est nécessaire d’assurer une désinfection à la sortie de l’usine [43]

Les différents procédés de dessalement

Les technologies actuelles de dessalement des eaux sont classées en deux catégories, selon le principe appliqué, on distingue
 Les procédés utilisant des membranes l’osmose inverse et l’électrodialyse.
 Les procédés thermiques faisant intervenir un changement de phase la congélation et la distillation.
Parmi les procédés précités, la distillation et l’osmose inverse sont des technologies dont les performances ont été prouvées pour le dessalement d’eau de mer. En effet, ces deux procédés sont les plus commercialisés dans le marché mondial du dessalement. Les autres techniques n’ont pas connu un essor important dans le domaine à cause de problèmes liés généralement à la consommation d’énergie et/ou à l’importance des investissements qu’ils requièrent [44].
Figure II.1 Les différents procédés de dessalement [45].

Les procédés de distillation

Dans ces procédés, il s’agit de chauffer l’eau de mer pour en vaporiser une partie. La vapeur ainsi produite ne contient pas de sels, il suffit alors de la condenser pour obtenir de l’eau douce liquide, on retrouve le cycle naturel de l’eau. En effet l’eau s’évapore naturellement des océans, la vapeur s’accumule dans les nuages puis l’eau douce retombe sur terre par les précipitations. Ce principe de dessalement très simple a été utilisé dès l’Antiquité pour produire de très faibles quantités d’eau douce sur les bateaux.
L’inconvénient majeur de ce type de procédés de distillation est leur consommation énergétique importante liée à la chaleur latente de vaporisation de l’eau. En effet pour transformer un kg d’eau liquide en vapeur à la même température, il faut environ 2250 kilojoules (si le changement d’état se fait à 100°C). Afin de réduire la consommation d’énergie des procédés industriels, des procédés multiples effets qui permettent de réutiliser l’énergie libérée lors de la condensation ont été mis au point.
Deux procédés se partagent le marché du dessalement thermique, le procédé de distillation à détentes étagées (Multi-Stage Flash distillation MSF) et le procédé de distillation à multiples effets (Multi-Effet Distillation MED) [44].

La Distillation multiples effets (Multi-Effect distillation MED)

Ce procédé est basé sur l’évaporation d’une partie de l’eau de mer chauffée à une température de 70 à 80°. L’évaporation a lieu sur une surface d’échanges où une chaudière fait bouillir l’eau. La vapeur produite dans le premier bassin est condensée et s’évapore vers le tuyau qui passe vers le second bassin et va le réchauffer et faire évaporer l’eau du second bassin qui va faire de même avec le troisième bassin. Les vapeurs contenues dans les tuyaux sont récupérées dans un autre bassin. Un tuyau amène continuellement de l’eau dans les bassins au fur et à mesure de l’évaporation. La saumure est évacuée vers l’extérieur. Cette technique est peu coûteuse car seul le premier bassin nécessite une source de chaleur extérieure pour faire évaporer l’eau [46].
Figure II.2 schéma distillation a multiple effets [46].

Le procédé à détentes étagées (Multi-Stage Flash distillation, MSF)

Cette technique est quasiment identique à la précédente.
Ce procédé à pour but de maintenir la pression durant la durée du chauffage. Une fois que la température est arrivée à 120°, elle est introduite dans un “étage” où la pression est faible. Instantanément, une vaporisation par détente a lieu, appelée flash. Une partie de l’eau s’évapore et va se placer dans les tubes condenseurs en haut de l’étage. L’eau de mer chaude se refroidit pour fournir la chaleur de vaporisation. L’ébullition s’arrête quand l’eau de mer a atteint la température d’ébullition correspondant à la pression régnant dans l’étage considéré. Ce phénomène sera réutilisé dans le second étage où la pression est plus faible et ainsi de suite. Dans une unité MSF industrielle, on peut retrouver jusqu’à 40 étages. De même que pour la distillation multiples effets, le coût est réduit et seule la chaudière nécessite une énergie extérieure [46].
Figure II.3 Principe de fonctionnement d’un système par détentes Successives (MSF) à 3 étages [46].

Distillation par compression de vapeur

Lors de la distillation par compression de vapeur, l’eau de mer est portée à ébullition dans une enceinte thermiquement isolée. La vapeur produite est aspirée par un compresseur qui élève sa température de saturation. Cette vapeur traverse ensuite un faisceau tubulaire placé à la base de l’enceinte et se condense en provoquant l’évaporation de l’eau salée. Ce procédé permet d’obtenir une production maximum 5 000 m3.j-1 avec une salinité de 1 à 50 mg.L-1 pour une consommation énergétique de 12 à 17 kWh.m-3 d’eau produite [47].
Figure II.4 Schéma de principe d’une unité d’évaporation simple-effet avec compression de vapeur [44].

Les procédés membranaires

Electrodialyse à membrane sélective

L’électrodialyse est un procédé électro membranaire permettant la concentration et la déminéralisation de solutions contenant des espèces chargées. La force motrice est un gradient de potentiel appliqué entre deux électrodes. Entre ces électrodes, sont placées alternativement des membranes échangeuses d’anions et des membranes échangeuses de cations. Le champ électrique provoque un déplacement des ions présents dans l’eau. Ces ions se concentrent dans un compartiment (concentrât) tandis que l’autre est appauvri en sel.
En raison de sa consommation électrique, l’électrodialyse n’est compétitive (face à l’osmose inverse) et donc utilisée que pour le traitement des eaux saumâtres de concentration inférieure à 3 g.L-1 .
En fait, l’électrodialyse a été surtout envisagée jusqu’ici pour le dessalement d’eaux saumâtres, dont la salinité n’excède pas 1%, le procédé n’étant pas rentable pour des teneurs en sels supérieurs, les membranes étant en effet très sensibles, la moindre impureté en solution ou en suspension peut les endommager. Pour prolonger la vie des membranes, il peut être nécessaire d’effectuer un pré traitement, parfois coûteux. L’électrodialyse n’est pas non plus pratiquée pour traiter les eaux à moins de 0.04% de sels. Malgré ces limitations, plusieurs petites usines de dessalement par électrodialyse sont exploitées dans le monde sur des bases commerciales [14].
 Principe de fonctionnement
Sous l’effet d’un courant appliqué dans les bacs externes les ions Na+ sont attirés vers l’électrode négative et les ions Cl- vers l’électrode positive. En raison de la sélectivité des membranes; les ions Na+ peuvent uniquement traverser les membranes cathodiques et les ions Cl- les membranes anioniques, on obtient de l’eau douce dans deux des quatre compartiments. Voire figure [44].

L’osmose inverse

L’osmose inverse utilise des membranes denses qui laissent passer l’eau et arrêtant tous les sels.
Cette technique est utilisée pour
 Le dessalement des eaux de mer ;
 Le dessalement des eaux saumâtres ;
 La production d’eau ultra pure ;
Le phénomène d’osmose est un phénomène qui tend à équilibrer la concentration en solutés de part et d’autre d’une membrane semi-perméable. Le phénomène d’osmose est un phénomène naturel courant, notamment à travers les membranes cellulaires.
La membrane semi-perméable laissera passer le solvant (le soluté ne passe pas) pour équilibrer la concentration. La différence de concentration crée une pression, appelée Pression osmotique. Pour inverser le passage du solvant et augmenter la différence de concentration, il faut appliquer une pression supérieure à la pression osmotique [49].
Figure II.6 Principe de l’osmose et l’osmose inverse [50].
Tableau II.2 avantage et inconvénients de l’osmose inverse [51].

Autres procédés

La Congélation

 Principe du dessalement par congélation
Le dessalement par congélation est basé sur le changement de phase liquide-solide de l’eau de mer. Selon la thermodynamique, la glace formée à partir de l’eau de mer est pure. Elle peut être séparée de la solution concentrée, puis fondue afin d’obtenir une eau douce. Les opérations unitaires d’un procédé de dessalement par congélation sont
1. le prétraitement de l’eau de mer (élimination des solides en suspension, élimination des gaz dissouts pour les procédés sous vide),
2. la formation des cristaux de glace à partir de la solution saline (pour les procédés en suspension, des cristaux de grande taille sont souhaités pour faciliter le lavage),
3. le lavage et/ou ressuage des cristaux de glace (pour les procédés continus, lavage dans une colonne par environ 5% de l’eau produite),
4. la fusion des cristaux de glace [52].
 Avantages et inconvénients
• Les avantages
1) les appareillages sont moins exposés à la corrosion à de faibles températures comparativement aux températures d’ébullition atteintes lors de l’évaporation de l’eau
2) il n’y a pas de problèmes d’entartrage car les sels restent dissous à faible température
3) l’eau douce obtenue est bien minéralisée et bien aérée ce qui constitue une excellente boisson.
• Les inconvénients
1) cette technique est généralement plus onéreuse que l’évaporation de l’eau la chaleur nécessaire pour congeler de l’eau est plus coûteuse que celle utilisée pour son évaporation
2) il existe une difficulté majeure concernant la séparation des cristaux de glace et de la saumure qui nécessite des opérations complexes il reste une couche limite de saumure collée aux cristaux [53].

La distillation solaire à effet de serre

Ce procédé consiste à chauffer l’eau directement par le rayonnement solaire dans une enceint fermée recouverte de vitrage. La vapeur produite, qui se condense sur le vitrage plus froid et légèrement incliné, est recueillie sous forme de condensât dans des gouttières.
Le principe est très simple, fiable et ne nécessite aucun entretien. Mais son rendement est relativement faible, 5 litres/jour.m2

L’échange d’ions

Les atomes et molécules électriquement chargés sont des ions. Le traitement connu sous le nom d’échange d’ions emploie des résines spéciales pour éliminer les contaminants minéraux tels que l’arsenic, le chrome, le calcium, le radium, l’uranium et des anions tels que les nitrates et les fluorures excédentaires de l’eau.Ce traitement fonctionne au mieux dans une eau débarrassée des particules en suspension qui peuvent s’agglutiner sur la résine et limiter son efficacité [56].Les échangeurs ioniques commerciaux courants sont, aujourd’hui, des résines synthétiques au sein desquelles des groupes chimiques fonctionnels jouent le rôle d’échangeurs. La capacité d’échange d’un échangeur ionique est exprimée en milliéquivalent par gramme ou par litre d’échangeur on trouve aussi les unités de CaCo3 par gramme ou par litre d’échangeur. La capacité totale d’échange n’est en pratique jamais atteinte

Les avantages et inconvénients de dessalement

Le dessalement de l’eau de mer apporte une réponse aux besoins d’eau douce. Il présente de nombreux avantages dont
1) D’une part, il peut s’avérer très utile dans les situations d’urgence, lorsque les réserves d’eau ont subi des infiltrations d’eau salée, à la suite, par exemple, de marées salines, comme cela s’est produit récemment avec les tsunamis en Asie.
2) D’autre part, l’irrigation à base d’eau dessalée est bénéfique pour l’environnement car elle permet une salinisation réduite du sol [59].
Toutefois, quel que soit le procédé utilisé, il n’est pas sans inconvénients
1) Besoins énergétiques importants ;
2) Rejet des saumures concentrées en mer ou injectées dans le sol ;
3) Emplois de produits chimiques pour nettoyer les membranes ;
4) Traces des métaux lourds échappés des installations ;
5) Aucune législation spécifique concernant la potabilité de l’eau
6) issue de ces traitements [60].
7) Un volume d’eau produite insuffisant comparé au volume d’eau de mer prélevé.
8) La dégradation de l’environnement marin due à l’extraction et au rejet d’eau avec une quantité de sels très élevés (rejet des concentrât) [61].

Conclusion

Toutes les techniques de dessalement sont très intéressantes au vu de leurs performances et de leur rentabilité. Le dessalement est une technologie d’avenir mais il faut l’utiliser en dernier recours et quand aucune autre solution n’est possible [62].

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Table des matières

Introduction générale
Partie I Partie théorique
Chapitre I Généralité sur l’eau
I.1. Introduction
I.2. Sources d’eau
I.3. Origine de l’eau sur la terre
I.3.a) les eaux souterraines (aquifère, nappe phréatique, infiltration)
I.3.b) les eaux de surfaces captives ou en écoulement
I.3.c) les eaux de mer et eaux saumâtres
I.4.Cycle de l’eau
I.5.La répartition de l’eau dans la planète
I.6.Classification des eaux
I.7.Les déférents états de l’eau
I.8.Eau potable
I.8.1.Qualité
I.8.1.a) Qualité physique et chimique
I.8.1.b) Qualité bactériologique
I.8.2.Contrôle de la qualité des eaux
I.8.3. Paramètres de qualité des eaux
I.8.3.1.Paramètres organoleptiques
I.8.3.1.a) Paramètres affectant la qualité organoleptique
I.8.3.2. Les paramètres microbiologiques
I.8.4.Des seuils pour certain paramètre
I.8.5.Les problèmes reliés à l’eau potable
I.8.5.1.La pollution de l’eau potable
I.8.5.2.Infections transmises par l’eau
I.9. Propriétés de l’eau
I.9.1.Propriétés physiques
I.9.1.a) Masse volumique
I.9.1.b) Viscosité dynamique
I.9.2.Propriétés thermique
I.9.2.a) Conductivité thermique
I.9.3.Propriétés électriques
I.9.3.a) Constante diélectrique
I.9.3.b) Conductivité électrique de l’eau
I.10.Conclusion
Chapitre II les déférents procèdes de dessalement
II.1.Introduction
II.2.Caractéristiques des eaux marines et saumâtres
II.2.1.Les eaux marines
II.2.2.Les eaux saumâtres
II.3.Le dessalement
II.3.1.Schéma général d’une installation de dessalement
II.3.1.a) Prise d’eau de mer
II.3.1.b) Un poste de prétraitement
II.3.1.c) L’installation de dessalement proprement dite
II.3.1.d) Un poste de traitement
II.3.2.Les différents procédés de dessalement
II.3.2.1.Les procédés de distillation
II.3.2.2.Les procédés membranaires
II.3.2.3.Autres procédés
II.3.3.Les avantages et inconvénients de dessalement
II.3.4.Conclusion
Chapitre III Osmose inverse
III.1.Introduction
III.2.Osmose inverse
III.2.1.Définitions
III.2.2 Principes de l’osmose inverse
III.2.2.a) La pression osmotique
III.2.2.b) La force ionique
III.3.Caractéristiques principales d’une unité d’osmose inverse
III.4.Phénomène de polarisation
III.4.1.Nature du phénomène
III.4.2.Les conséquences
III.4.2.a) Diminution du flux de perméat
III.4.3.b) Diminution de la sélectivité
III.4.3.c) Colmatage dû à des précipitations
III.5. Eléments constitutifs d’une unité d’osmose inverse
III.5.1.Système de récupération d’énergie
III.5.2.Pompe haute pression
III.5.3.Modules d’Osmose Inverse à spirales bobinées
III.6.Les membranes
III.6.1.Définition
III.7.Les caractéristiques des membranes
III.8.Types de membranes
III.8.1) les membranes semi-perméables
III.8.2) les membranes microporeuses
III.9.Classification des membranes
III.10.Mise en oeuvre des membranes
III.10.1.Modes de filtration
III.10.1.a) Filtration frontale
III.10.1.b) Filtration tangentiel
III.11.Les modules
III.11.a) module spirale
III.11.b) module à fibres creuses
III.12.Mecanismes généraux des traitements par osmose inverse
III.12.1.Le choix de membrane
III.12.1.a) Qualités
III.12.1.b) Matériaux utilise
III.13.Les paramètres qui influe sur la performance
III.13.1.Facteur physique
III.13.2.Facteurs chimiques
III.14.Presentation d’une unité d’osmose inverse
III.14.1.Le montage en parallèle
III.14.2.Le montage en série
III.15.Fabrication, installation et procédé
III.16.Enjeux techniques
III.16.1.Le colmatage
III.16.1.a) le colmatage microbiologique
III.16.1.b) le colmatage abiotique
III.16.2.Prévention du colmatage
III.17. Caractérisation du procédé d’osmose inverse
III.18.Conclusion
Partie II Partie expérimentale
Chapitre IV Matériels et méthodes
IV.1. Dispositif expérimental
IV.2. Présentation du pilote TE200
IV.2.1. Description du pilot
IV.2.2. Liste des vannes dans le pilot
IV.3. Expériences
IV.3.1. Procédure de démarrage du pilote
IV.3.2. Production d’eau osmosée
IV.3.3. Procédure générale d’arrêt
IV.4. Description des appareillages de mesure
IV.4.1 La conductivité
IV.4.2. Agitateur
IV.4.3. La balance électronique
IV.5. Détermination de la perméabilité de la membrane
Chapitre V Résultats et interprétations
V.1. Perméabilité de la membrane au solvant
V.2. Etude de la rétention globale du module
 Solution eau de robinet + sel commerciale
V.2.1. Pour une concentration de 1 g/L
V.2.1.1. La variation de volume de perméat en fonction de temps
V.2.1.2. La variation de la conductivité de perméat et du concentrât en fonction du temps
V.2.1.3. La variation de la rétention globale du module
V.2.2. Pour une concentration de 3 g/L
V.2.2.1. La variation de volume de perméat en fonction de temps
V.2.2.2. La variation de la conductivité de perméat et du concentrât en fonction de temps
V.2.2.3. La variation de la rétention globale du module
V.2.3. Pour une concentration de 5 g/L
V.2.3.1. La variation de volume de perméat en fonction de temps
V.2.3.2. La variation de la conductivité de perméat et du concentrât en fonction de temps..
V.2.3.3. La variation de la rétention globale du module
 Solution eau distillé + NaCl du laboratoire
V.2.4. Pour une concentration de 1 g/L
V.2.4.1. La variation de volume de perméat en fonction de temps
V.2.4.2. La variation de la conductivité de perméat et du concentrât en fonction de temps
V.2.4.3. La variation de la rétention globale du module
V.2.5. Pour une concentration de 3 g/L
V.2.5.1. La variation de volume de perméat en fonction de temps
V.2.5.2. La variation de la conductivité de perméat et du concentrât en fonction de temps
V.2.5.3. La variation de la rétention globale du module
V.2.6. Pour une concentration de 5 g/L
V.2.6.1. La variation de volume de perméat en fonction de temps
V.2.6.2. La variation de la conductivité de perméat et du concentrât en fonction de temps
V.2.6.3. La variation de la rétention globale du module
V.3. Interprétations des résultats
V.4. Conclusion
Conclusion générale

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