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Membranes et Modules
L’osmose inverse n’a pu se développer que grâce à l a mise au point de techniques permettant de préparer des films polymères d’épaisseur très ible,fa sans quoi les surfaces membranaires à mettre en œuvre pour avoir un rendement suffisant a uraient été gigantesques. Lesmembranes utilisées sont donc asymétriques (plusieurs couchesd’épaisseur différente) et composites (plusieurs matériaux différents). Les premières membranes d’osmose inverse étaient constituées d’acétate de cellulose asymétrique. Aujourd’hui, la majorité des membranes d’osmose inverse ont une couche active constituée de polyamide aromatique déposé sur un support polysulfone sur polyester, présentant une meilleure tenue mécanique, chimique et thermique et générant des densités de flux plus élevées. Elles sont donc en général composées de 3 couches (Figure I-3) :
– La base (~100 µm), formée d’un matériau inerte type textile tissé ou non (ex : polyester téréphtalique), assure la résistance physique du film. Elle est trop grossière pour permettre le dépôt en couche mince de la partie active.
– Le support (~50 µm) est une membrane d’ultrafiltrati on aux pores plus fins, calibrés (ex : polysulfone). Il assure la résistance mécanique de l’ensemble.
– La couche active superficielle (~0,1 à 0,2 µm) perme t la séparation des espèces. Elle est déposée sur le support. Le polymère le plus employé est le polyamide aromatique. Il est traité différemment selon les fabricants et les modèles employés.
Mode de fonctionnement
Dans le cas du traitement de l’eau, le mode continu est largement utilisé, sans recirculation du rétentat. Les modules spiralés sont agencés en série dans des carters de pression pouvant accueillir jusqu’à 7 modules. Ces carters sont posi tionnés en parallèle pour former un train. Plusieurs trains forment alors un étage. Selon les applications et les membranes utilisées, la disposition des modules peut être étagée par rapport au rétentat ou au perméat (Figure I-7, étages par rapport au rétentat) pour former une cascade. Dans les deux cas, comme la quantité de liquide à traiter diminue, la surface membranair e diminue d’un étage à l’autre de manière à maintenir un débit suffisamment élevé dans chaque odulem (Fell 1995).
Le cas présenté ici (Figure I-7) est étagé par rapport au rétentat. Le premier étage est formé de quatre trains et le second de deux trains. Les perméats sont collectés ensemble pour leur utilisation ultérieure.
Lorsque le volume est faible ou pour des études prospectives, il est possible de travailler en mode discontinu avec recirculation du rétentat-sortie et extraction du perméat (Figure I-2). Le FRV représente alors l’avancée du traitement. En mode continu, chaque étage travaille à un FRV donné qui dépend du taux de conversion de l’étage précédent.
Par exemple, le premier étage voit arriver l’alimentation (FRV = 1). Avec un taux de conversion de 75% (débit de perméat de -1 un débit de rétentat-entrée de 75 L.h pour 100 L.h -1 -1 ), le rétentat-sortie a atteint un FRV de 4 et son débit est de 25 L .h . Il alimente le deuxième étage, dont la surface membranaire doit être plus faible que celle du premier. Si son taux de conversion est de 50%, le FRV de sortie sera de 8.
Les installations sont par ailleurs toujours précédées d’une unité de filtration (filtre à sable par exemple) pour éliminer toute particule susceptible d’endommager les pompes « haute pression » et les membranes.
Polarisation de concentration et colmatage
Du fait de la sélectivité des membranes et du passage d’eau à travers celles-ci, les composés retenus s’accumulent progressivement auprès de la surface membranaire. C’est le phénomène de polarisation de concentration. Ainsi la concentration en soluté dans le liquide près de la membrane C’ est supérieure à celle dans le rétentat C (Figure I-8). Le facteur de polarisation R R de concentration est défini par : CR I-8 CR
Pour les modules spiralés couramment utilisés en osmose inverse, en généralγ = 1,2 (Maurel 2006) ou 1,3 (Lipp et al. 1994). Cependant, ce facteur dépend du débit d’alimentation, ainsi les industriels utilisent des relations empiriques du type (Wilf 2005) : DRe DRs exp cste I-9
L’écoulement tangentiel par rapport à la membrane permet de limiter cet effet.
Influence des paramètres opératoires
De nombreux paramètres ont des influences, parfois opposées, sur les performances du procédé d’osmose inverse. L’idéal est d’obtenir unedensité de flux et un taux de rétention élevés, mais parfois les conditions de fonctionnement ont des effets antagonistes sur ces paramètres.
Pression
La pression de fonctionnement (Ptm) doit avant tout être supérieure à la pression osmotique. Par exemple, Sridhar et al. (2002) constatent que pour une pression appliquée inférieure à 8,9 bar, aucun perméat n’est produit lors du traitement d’un effluent d’industrie d’huile végétale. Ainsi, la pression efficace (PtmΠ- ) correspond à la pression qui conduit réellement à la production de perméat. Plus cette pression est élevée, plus le flux de perméat est important (Padilla et Tavani 1999 ; Galambos et al. 2004 ; Lin et Yang 2004).
De même, le taux de rétention augmente lorsque la ressionp augmente (Sridhar et al. 2002 ; -1 Lin et Yang 2004). Pour Lin et al. (2004), la DCO du perméat passe de 6,7 mg.L à 2,1 bar à 3,1 mg.L-1 à 6,3 bar. Le taux de rétention augmente de 96,9% à 98,6%. Sridhar et al. (2002) expliquent l’augmentation du taux de rétention de la manière suivante : lorsque la pression transmembranaire augmente, le flux de solvant augmente proportionnellement tandis que le flux de solutés augmente moins rapidement. La concentration en soluté dans le perméat s’en trouve diminuée et par conséquent le taux de rétention augmenté.
Température
L’augmentation de la température engendre une diminution de la viscosité des solutions, et par conséquent une augmentation de la densité de flux de perméat (Bilstad 1995), d’environ 3% par degré Celsius (Maurel 1998). Le taux de rétention diminue. En effet, la diffusivité de l’eau et des solutés augmente avec la température Girard( et Fukumoto 2000).
Afin de prendre en compte la variation de la viscosité de l’eau, même si ce n’est pas le seul paramètre dépendant de la température, il est d’usage de ramener les densités de flux à une température de référence (x) (Allègre et al. 2004): kT µ T I-11 µxCJP x C JPT .kT I-12 kT : facteur correctif à appliquer pour passer de J P-T à J P-x°C µ T, µ x°C : viscosités dynamiques à T, la température de travail, et x la température de référence, en Pa.s JP-T, JP-x°C : densités de flux de perméat à T, la températurede travail, et à x la température de -1 -2.
Par ailleurs, pour une pression donnée, le compactage de la membrane est d’autant plus important que la température est élevée (Maurel 1998). Il est donc important de vérifier que la membrane et le module aient une tenue suffisante à la température de fonctionnement choisie En général, la température maximale conseillée estde l’ordre de 50°C.
Débit d’alimentation
L’augmentation du débit d’alimentation engendre une augmentation de la vitesse de circulation le long de la membrane. Plus elle est importante, plus les phénomènes de turbulence sont favorisés et plus la polarisation de concentration diminue (Cornelissen et al. 2001). La concentration aux abords de la membrane et le colmatage sont alors moins importants, et la diminution de densité de flux deperméat au cours du temps aussi.
Concentration en soluté
Lorsque la concentration de l’alimentation augmente, la densité de flux diminue (Bilstad 1995). Il y a deux raisons à cela. D’une part, l’au gmentation de la concentration engendre une augmentation de la pression osmotique côté rétentat, provoquant une diminution de la pression efficace. Sans augmentation de pression transmembranaire pour la contrer, le flux diminue (Allègre et al. 2004). D’autre part, l’augmentation de concentration peut accentuer le colmatage par gélification ou précipitation des solutés (Al-Wazzan et al. 2003). Cependant, cette tendance n’est pas systématique (Galambos et al. 2004).
Le taux de rétention aussi peut diminuer lorsque laconcentration en soluté augmente (Sridhar et al. 2002). En effet, la diminution de la pression efficace et donc de la densité de flux de perméat engendre une augmentation de la concentration dans le perméat .
Taux de conversion , durée de filtration et FRV
En mode continu, plus le taux de conversion est élevé, plus le flux diminue (Kim et al. 2005). En effet, la concentration côté rétentat augmente avec le taux de conversion, la pression osmotique côté rétentat et le colmatage augmententaussi. Le même effet est obtenu en mode discontinu avec une durée de filtration et donc unFRV importants.
Par conséquent, en ce qui concerne le colmatage, ilest plus intéressant de travailler à bas taux de conversion ou FRV. En revanche, un fort taux de conversion est favorable à la consommation énergétique, qui est inversement proportionnelle à ce paramètre (Maurel 1998).
Les paramètres de fonctionnement ayant le plus d’influence sur l’augmentation du flux de perméat sont par ordre d’importance : la pression, la température, le débit d’alimentation et la concentration de l’alimentation (Girard et Fukumoto 2000).
Applications de l’osmosein verse
L’osmose inverse présente des avantages par rapport à d’autres procédés de traitement des effluents. Elle permet d’avoir un traitement plus poussé que la nanofiltration, en particulier en ce qui concerne l’abattement de la couleur, de la dureté et de la conductivité. A la différence des procédés biologiques, elle permet de séparer sle molécules non biodégradables, en particulier les composés colorés. Contrairement à ’ultrafiltration, elle retient des composés dissous. Par ailleurs, elle permet d’abattre plusieurs paramètres de qualité à la fois : par exemple, DCO et coloration (Allègre et al. 2004).
L’osmose inverse a été mise en place dans de nombreux cas de traitements des eaux et est de plus en plus utilisée pour le traitement d’effluents industriels. Ces derniers ont des compositions complexes et contiennent souvent des composés organiques. Un bilan des applications a été dressé et les paramètres utiliséou obtenus dans les différentes études industrielles (Tableau I-1) et prospectives (Tableau I-2) ont été rassemblés.
Diversitéd’applications
Productiond’eau
Pour les pays dont les ressources en eaux sont limitées, comme le Koweït ou le Maroc, l’osmose inverse s’avère un bon procédé de traitement des eaux naturelles afin de les rendre aptes à leur utilisation en agriculture ou à la con sommation humaine (Tahri 2001 ; Abdel-Jawad et al. 2002 ; Al-Wazzan et al. 2003). Historiquement, l’osmose inverse a été employée pour dessaler l’eau de mer dans les pays côtiers. P ar exemple, sur l’île de Malte, quatre usines de dessalement de l’eau de mer produisent 116 400 m3 d’eau potable par jour (Marty 1999). C’est encore aujourd’hui, et peut-être plus que jamais, l’application principale de ce procédé. Devant l’augmentation des besoins en eau potable, les industriels ont dû étendre les sources d’eau à purifier. Les eaux souterraines ou de surfa ce plus ou moins saumâtres (Redondo 2001 ; Al-Wazzan et al. 2003) sont devenues de bonnes candidates. Les effluents de stations d’épuration peuvent également être utilisées pourénérer,g après passage dans une unité d’osmose inverse, une eau non potable mais utilisable en irrigation (Abdel-Jawad et al. 2002) ou pour des industries de galvanoplastie (Redondo 2001) par exemple.
Un des grands avantages de l’osmose inverse est qu’ elle produit de l’eau suffisamment pure pour être utilisée comme vapeur pour lesgénérateurs électriques (Anonyme) ou les chaudières (Tjomb 1999), et dans les tours de refroidissement (Anonyme). La source utilisée peut être de l’eau de rivière, de l’eau de ville (Tjomb 1999 ; Anonyme) ou des eaux usées de procédés.
La bonne qualité de l’eau produite permet égalementde l’utiliser comme eau de procédé (Clever et al. 2000). Par exemple, dans les industries agro-alimentaires (IAA), le producteur d’eaux-de-vie Courvoisier obtient son eau de procédé en traitant de l’eau de forage par osmose inverse (Tjomb 1998b). Cerestar (produits amylacés) traite de l’eau de rivière (Gattegno 1998) et Pagès Védrenne (liquoriste) de ’eaul de ville (Anonyme 2004).
Un des grands avantages de l’osmose inverse est qu’ elle produit de l’eau suffisamment pure pour être utilisée comme vapeur pour lesgénérateurs électriques (Anonyme) ou les chaudières (Tjomb 1999), et dans les tours de refroidissement (Anonyme). La source utilisée peut être de l’eau de rivière, de l’eau de ville (Tjomb 1999 ; Anonyme) ou des eaux usées de procédés.
La bonne qualité de l’eau produite permet égalementde l’utiliser comme eau de procédé (Clever et al. 2000). Par exemple, dans les industries agro-alimentaires (IAA), le producteur d’eaux-de-vie Courvoisier obtient son eau de procédé en traitant de l’eau de forage par osmose inverse (Tjomb 1998b). Cerestar (produits amylacés) traite de l’eau de rivière (Gattegno 1998) et Pagès Védrenne (liquoriste) de ’eaul de ville (Anonyme 2004).
Traitementd’effluentsindustriels
En ce qui concerne les effluents industriels, l’osmose inverse est assez performante pour traiter les condensats de différentes origines. Les condensats de concentration de nitrate d’ammonium peuvent être traités et recyclés, commechez Nitrogen Works Tarnow (Noworyta et al. 2003). Le perméat rejoint les circuits de refroidissement et le rétentat l’unité de production. Au niveau d’une unité de production de triméthylolpropane (TMP) (Into et al. 2004) en Suède, le rétentat est recyclé dans l’unité. Le perméat est utilisé comme eaux de chaudière ou de régénération des résines échangeused’ions (EI). Cette dernière utilisation de l’eau osmosée est présente dans d’autres usines de pétrochimie (Wong 2000). L’osmose inverse peut aussi être utilisée pour traiter, et on produire, ces solutions de régénération des résines. C’est le cas, entre autre, dans une usine de production d’acier (Borsani et al. 1996) où le perméat est ensuite utilisé comme eau de procédé. Cette technique trouve également des applications dans l’industrie des semi-conducteurs qui nécessite une eau très pure chimiquement, physiquement et biologiquement. Osmonics, par exemple, a mis en place plus de 140 unités dans le monde pour les eaux de rinçage des procédés de placage de métaux (Anonyme). Le perméatest réutilisé comme eau de rinçage et le rétentat réintègre les bains de placage.
L’eau de rinçage des canettes en aluminium (Anonyme ) peut aussi être traitée pour être réutilisée avec la même fonction dans le procédéhez.C les producteurs d’amidon, le jus de pomme de terre peut être séparé en deux flux : leétentat,r valorisé en alimentation animale et le perméat, utilisé dans les circuits de rinçage etnettoyage (Tjomb 1998a). Au Danemark, les industriels des produits de la mer utilisent l’osmose inverse pour traiter leurs effluents et réduire leur consommation d’eau en réutilisant le perméat dans l’unité de mise en filets des harengs (Tjomb 1998a).
Une dernière finalité de l’osmose inverse est de traiter les effluents pour autoriser leur rejet. C’est le cas par exemple des eaux de forages pétroliers ayant été en contact avec les hydrocarbures, trop chargées pour être rejetées dans le milieu naturel (Anonyme). Le procédé Phytopur de la société Michael Paetzold permet, lui, de traiter par osmose inverse les effluents provenant du nettoyage du matériel de pulvérisation phytosanitaires avant leur rejet (Caillaud 2004).
L’utilisation de l’osmose inverse est en pleine exp ansion pour le traitement des effluents industriels (Tableau I-2). De nombreuses études prospectives sont menées à l’échelle du laboratoire dans des domaines d’application très variées comme la chimie/pharmacie (Koyuncu 2003 ; Li et al. 2004) (Karabelas et al. 2001 ; Kim et al. 2005), les IAA (Koyuncu et al. 2000 ; Mavrov et Bélières 2000 ; Sridhar etal. 2002 ; Balannec et al. 2004), la papeterie (Mänttäri et al. 1997 ; Koyuncu et al. 1999), les s emi-conducteurs (Mukherjee et al. 1996 ; Benito et Ruiz 2002 ; Qin et al. 2003 ; Lin et Yang 2004) ou le textile (Fabiani et al. 1996 ; Padilla et Tavani 1999 ; Marcucci et al. 2001 ; Allègre et al. 2004 ; Suthanthararajan et al. 2004 ; Kim et al. 2005). Pour ces diverses études, comme au niveau industriel, l’eau obtenue est soit rejetée, soit recyclée dans le procédé quila génère, soit utilisée au sein de l’usine pour une autre application.
Cette grande diversité d’application implique une grande diversité de molécules à séparer.
L’eau de rinçage des canettes en aluminium (Anonyme ) peut aussi être traitée pour être réutilisée avec la même fonction dans le procédéhez.C les producteurs d’amidon, le jus de pomme de terre peut être séparé en deux flux : leétentat,r valorisé en alimentation animale et le perméat, utilisé dans les circuits de rinçage etnettoyage (Tjomb 1998a). Au Danemark, les industriels des produits de la mer utilisent l’osmose inverse pour traiter leurs effluents et réduire leur consommation d’eau en réutilisant le perméat dans l’unité de mise en filets des harengs (Tjomb 1998a).
Une dernière finalité de l’osmose inverse est de traiter les effluents pour autoriser leur rejet. C’est le cas par exemple des eaux de forages pétroliers ayant été en contact avec les hydrocarbures, trop chargées pour être rejetées dans le milieu naturel (Anonyme). Le procédé Phytopur de la société Michael Paetzold permet, lui, de traiter par osmose inverse les effluents provenant du nettoyage du matériel de pulvérisation phytosanitaires avant leur rejet (Caillaud 2004).
L’utilisation de l’osmose inverse est en pleine exp ansion pour le traitement des effluents industriels (Tableau I-2). De nombreuses études prospectives sont menées à l’échelle du laboratoire dans des domaines d’application très variées comme la chimie/pharmacie (Koyuncu 2003 ; Li et al. 2004) (Karabelas et al. 2001 ; Kim et al. 2005), les IAA (Koyuncu et al. 2000 ; Mavrov et Bélières 2000 ; Sridhar etal. 2002 ; Balannec et al. 2004), la papeterie (Mänttäri et al. 1997 ; Koyuncu et al. 1999), les s emi-conducteurs (Mukherjee et al. 1996 ; Benito et Ruiz 2002 ; Qin et al. 2003 ; Lin et Yang 2004) ou le textile (Fabiani et al. 1996 ; Padilla et Tavani 1999 ; Marcucci et al. 2001 ; Allègre et al. 2004 ; Suthanthararajan et al. 2004 ; Kim et al. 2005). Pour ces diverses études, comme au niveau industriel, l’eau obtenue est soit rejetée, soit recyclée dans le procédé quila génère, soit utilisée au sein de l’usine pour une autre application.
Cette grande diversité d’application implique une grande diversité de molécules à séparer.
Diversité de molécules à séparer
Deux grandes familles de molécules sont potentiellement retenues lors du procédé d’osmose inverse : les sels (ions inorganiques) et les molécules organiques (ionisées ou non). Mais si le but premier du procédé est parfois de retenir les molécules de l’une ou l’autre de ces familles, l’ensemble des impuretés est en général retenu. Certaines études ne se focalisent d’ailleurs sur aucune des familles et envisagent un traitement global.
Le traitement des sources d’eau naturelle est en général considéré comme un dessalement bien que des molécules organiques soit également retenues. (Redondo 2001 ; Abdel-Jawad et al. 2002 ; Al-Wazzan et al. 2002).
Pour la production de vapeur et d’eau pour les tours de refroidissement, les ions inorganiques sont à éliminer en priorité pour éviter la formation de précipités qui entartreraient le matériel (Anonyme). Il en est de même pour le traitement deseaux de régénération des résines échangeuses d’ions (Borsani et al. 1996).
La dénitrification d’eaux de STEP (Bilstad 1995) tout comme le traitement des condensats des usines de fertilisants (Noworyta et al. 2003) visent à éliminer les ions NH4+ et NO3-.
Dans l’industrie des semi-conducteurs, on retrouve principalement dans les effluents des espèces inorganiques même s’il peut y avoir quelques graisses (Benito et Ruiz 2002). En particulier, les métaux doivent être retenus en quantité pour pouvoir être recyclés dans le procédé (Qin et al. 2003).
Pour la production d’eaux de procédé, on cherche à obtenir de l’eau très pure, que ce soit en composition inorganique ou organique (Clever et al. 2000). Le traitement des eaux de forage pétrolier (Murray-Gulde et al. 2003) vise aussi à éliminer des molécules des deux familles.
L’utilisation de l’osmose inverse pour le traitemen t des effluents de gravure à l’eau forte est originale. Le but est de laisser passer non seulement l’eau mais aussi l’acide fluorhydrique (HF) et de retenir l’acide fluosilicique (FSA) et une trentaine d’autres impuretés inorganiques présentes à l’état de trace (Mukherjee et al. 1996).
Les effluents pharmaceutiques sont, eux, plus concernés par la rétention des molécules organiques comme les antibiotiques (Li et al. 2004). Il en est de même pour les condensats d’usine pétrochimique (Into et al. 2004). Les effluents de dégommage de la soie (Fabiani et al. 1996) contiennent principalement des protéines (MM~10000 g.mol-1).
Dans l’industrie de l’huile végétale (Sridhar et al. 2002), les deux familles de molécules sont également concernées mais sous forme de paramètresglobaux, même si le but est parfois d’éliminer les huiles et composés organiques (Galambos et al. 2004).
Les effluents des IAA sont en général assez concentrés en composés organiques, qu’il faut éliminer au cours du traitement. Toutefois, les sel sont retenus par la même occasion (Koyuncu et al. 2000 ; Balannec et al. 2004), ce qui permet d’utiliser le perméat en eaux de chaudière ou autres applications nécessitant une eau très pure. C’est le cas également en pétrochimie (Wong 2000), papeterie (Mänttäri et al. 1997 ; Koyuncu et al. 1999), teinture textile (Marcucci et al. 2001 ; Allègre et al. 2004) et tannerie (Padilla et Tavani 1999 ; Suthanthararajan et al. 2004) où le traitement élimine à la fois des composés organiques et inorganiques. Cependant lorsque l’osmose inverse est précédée d’un autre traitement, elle ne sert plus qu’à éliminer les sels.
Il est donc clair que l’osmose inverse peut-être unprocédé performant en ce qui concerne la rétention de molécules organiques. Cependant, les asc présentés ici concernent le plus souvent des molécules de masse molaire assez élevées.
Le traitement des sources d’eau naturelle est en général considéré comme un dessalement bien que des molécules organiques soit également retenues. (Redondo 2001 ; Abdel-Jawad et al. 2002 ; Al-Wazzan et al. 2002).
Pour la production de vapeur et d’eau pour les tours de refroidissement, les ions inorganiques sont à éliminer en priorité pour éviter la formation de précipités qui entartreraient le matériel (Anonyme). Il en est de même pour le traitement deseaux de régénération des résines échangeuses d’ions (Borsani et al. 1996).
La dénitrification d’eaux de STEP (Bilstad 1995) tout comme le traitement des condensats des usines de fertilisants (Noworyta et al. 2003) visent à éliminer les ions NH4+ et NO3-.
Dans l’industrie des semi-conducteurs, on retrouve principalement dans les effluents des espèces inorganiques même s’il peut y avoir quelques graisses (Benito et Ruiz 2002). En particulier, les métaux doivent être retenus en quantité pour pouvoir être recyclés dans le procédé (Qin et al. 2003).
Pour la production d’eaux de procédé, on cherche à obtenir de l’eau très pure, que ce soit en composition inorganique ou organique (Clever et al. 2000). Le traitement des eaux de forage pétrolier (Murray-Gulde et al. 2003) vise aussi à éliminer des molécules des deux familles.
L’utilisation de l’osmose inverse pour le traitemen t des effluents de gravure à l’eau forte est originale. Le but est de laisser passer non seulement l’eau mais aussi l’acide fluorhydrique (HF) et de retenir l’acide fluosilicique (FSA) et une trentaine d’autres impuretés inorganiques présentes à l’état de trace (Mukherjee et al. 1996).
Les effluents pharmaceutiques sont, eux, plus concernés par la rétention des molécules organiques comme les antibiotiques (Li et al. 2004). Il en est de même pour les condensats d’usine pétrochimique (Into et al. 2004). Les effluents de dégommage de la soie (Fabiani et al. 1996) contiennent principalement des protéines (MM~10000 g.mol-1).
Dans l’industrie de l’huile végétale (Sridhar et al. 2002), les deux familles de molécules sont également concernées mais sous forme de paramètresglobaux, même si le but est parfois d’éliminer les huiles et composés organiques (Galambos et al. 2004).
Les effluents des IAA sont en général assez concentrés en composés organiques, qu’il faut éliminer au cours du traitement. Toutefois, les sel sont retenus par la même occasion (Koyuncu et al. 2000 ; Balannec et al. 2004), ce qui permet d’utiliser le perméat en eaux de chaudière ou autres applications nécessitant une eau très pure. C’est le cas également en pétrochimie (Wong 2000), papeterie (Mänttäri et al. 1997 ; Koyuncu et al. 1999), teinture textile (Marcucci et al. 2001 ; Allègre et al. 2004) et tannerie (Padilla et Tavani 1999 ; Suthanthararajan et al. 2004) où le traitement élimine à la fois des composés organiques et inorganiques. Cependant lorsque l’osmose inverse est précédée d’un autre traitement, elle ne sert plus qu’à éliminer les sels.
Il est donc clair que l’osmose inverse peut-être unprocédé performant en ce qui concerne la rétention de molécules organiques. Cependant, les asc présentés ici concernent le plus souvent des molécules de masse molaire assez élevées.
Couplage avec d’autres procédés
Selon l’application envisagée, le procédé d’osmoseinverse n’est pas toujours efficace employé seul. Il fait de plus en plus partie intégrante de systèmes de procédés, en particulier pour les effluents complexes. Au lieu d’utiliser une seule opération unitaire dans des conditions drastiques permettant d’obtenir la qualité de perméat souhaitée, il est parfois plus intéressant de coupler plusieurs opérations fonctionnant dans des conditions optimales et permettant d’atteindre le même but de manière plusdouce.
L’ajout systématique et indispensable d’un système sommaire de préfiltration n’est pas considéré comme un couplage. Cette préfiltration,urs filtre à cartouche ou à manche, permet d’éliminer les particules qui endommageraient les pompes et les membranes. De même, le prétraitement de l’effluent (ajustement du pH, ajout de séquestrants anti-tartre…) n’entre pas dans la catégorie « couplage ».
Cependant, pour éviter les problèmes de colmatage de la membrane, ce prétraitement doit parfois être approfondi. Une étape de coagulation/floculation/filtration peut être ajoutée en amont de l’osmose inverse pour éliminer les particules et colloïdes (Abdel-Jawad et al. 2002 ; Lin et Yang 2004). L’ultrafiltration (UF) est également beaucoup employée (Clever et al. 2000 ; Koyuncu 2003).
Dans d’autres cas, l’osmose inverse est considérée comme le post-traitement d’un autre procédé comme la nanofiltration (NF) (Mavrov et Bélières 2000) ou l’UF (Fabiani et al. 1996). Elle peut alors être conduite à des pressions moins élevées et avec moins de risque de colmatage (Kim et al. 2005) pour retenir les ions monovalents et les petites molécules organiques.
Pour parfaire la déminéralisation de l’eau, en vuepar exemple d’une utilisation en chaudière, un passage du perméat sur résines échangeuses d’ions peut être effectué en sortie du procédé d’osmose inverse (Clever et al. 2000). Lorsqu’il es t riche en gaz dissous comme l’ammoniac (Noworyta et al. 2003), le perméat peut être dégazéavec un contacteur à membrane.
Le rétentat aussi peut nécessiter un deuxième traitement. Par exemple, un rétentat riche en antibiotiques peut être concentré plus fortement par ultrafiltration pour favoriser la cristallisation et la récupération du produit à haute valeur ajoutée (Li et al. 2004).
Dans d’autres cas, sa concentration par évaporation et cristallisation (Borsani et al. 1996), peut permettre de le rejeter en tant que déchet solide.
L’osmose inverse est parfois intégrée à d’importants systèmes de procédés. Par exemple, un enchaînement oxydation, filtration sur double média, adsorption sur charbon actif, ultrafiltration, désinfection par des rayons ultraviolets (UV), osmose inverse et dégazage a été mis en place pour traiter un effluent d’usine pétrochimique (Wong 2000). Le perméat est utilisé comme eau de dilution pour les solutions de régénération des résines échangeuses d’ions. Un couplage réacteur à membrane/osmose inverse est effectué pour traiter les lixiviats de décharge (Cornelissen et al. 2001). Un couplage clarification/électrodialyse inversée (EDI)/UF/OI/désinfection par UV permet de recycler des eaux agricoles en irrigation (Gotor et al. 2001).
L’ajout systématique et indispensable d’un système sommaire de préfiltration n’est pas considéré comme un couplage. Cette préfiltration,urs filtre à cartouche ou à manche, permet d’éliminer les particules qui endommageraient les pompes et les membranes. De même, le prétraitement de l’effluent (ajustement du pH, ajout de séquestrants anti-tartre…) n’entre pas dans la catégorie « couplage ».
Cependant, pour éviter les problèmes de colmatage de la membrane, ce prétraitement doit parfois être approfondi. Une étape de coagulation/floculation/filtration peut être ajoutée en amont de l’osmose inverse pour éliminer les particules et colloïdes (Abdel-Jawad et al. 2002 ; Lin et Yang 2004). L’ultrafiltration (UF) est également beaucoup employée (Clever et al. 2000 ; Koyuncu 2003).
Dans d’autres cas, l’osmose inverse est considérée comme le post-traitement d’un autre procédé comme la nanofiltration (NF) (Mavrov et Bélières 2000) ou l’UF (Fabiani et al. 1996). Elle peut alors être conduite à des pressions moins élevées et avec moins de risque de colmatage (Kim et al. 2005) pour retenir les ions monovalents et les petites molécules organiques.
Pour parfaire la déminéralisation de l’eau, en vuepar exemple d’une utilisation en chaudière, un passage du perméat sur résines échangeuses d’ions peut être effectué en sortie du procédé d’osmose inverse (Clever et al. 2000). Lorsqu’il es t riche en gaz dissous comme l’ammoniac (Noworyta et al. 2003), le perméat peut être dégazéavec un contacteur à membrane.
Le rétentat aussi peut nécessiter un deuxième traitement. Par exemple, un rétentat riche en antibiotiques peut être concentré plus fortement par ultrafiltration pour favoriser la cristallisation et la récupération du produit à haute valeur ajoutée (Li et al. 2004).
Dans d’autres cas, sa concentration par évaporation et cristallisation (Borsani et al. 1996), peut permettre de le rejeter en tant que déchet solide.
L’osmose inverse est parfois intégrée à d’importants systèmes de procédés. Par exemple, un enchaînement oxydation, filtration sur double média, adsorption sur charbon actif, ultrafiltration, désinfection par des rayons ultraviolets (UV), osmose inverse et dégazage a été mis en place pour traiter un effluent d’usine pétrochimique (Wong 2000). Le perméat est utilisé comme eau de dilution pour les solutions de régénération des résines échangeuses d’ions. Un couplage réacteur à membrane/osmose inverse est effectué pour traiter les lixiviats de décharge (Cornelissen et al. 2001). Un couplage clarification/électrodialyse inversée (EDI)/UF/OI/désinfection par UV permet de recycler des eaux agricoles en irrigation (Gotor et al. 2001).
Conditions de fonctionnement
Au niveau industriel (Tableau I-1), les modules employés sont majoritairement spiralés de taille 4040 ou 8040 et présentent des surfaces membranaires allant de 7 à 3150 m 2. Le critère d’efficacité majoritairement étudié est la rétentiodes sels (Total Dissolved Solids TDS, conductivité) avec de très bons taux de rétention98( à 99,6%). L’abattement de la DCO ou du carbone organique total (COT) fait aussi partie des finalités de l’osmose inverse, mais dans une moindre mesure au niveau industriel. Ici encore les taux de rétention sont bons (98,9-100%).
La gamme de pression utilisée est très large, de 9à 60 bar, car elle dépend énormément de la pression osmotique de l’alimentation. Du fait de la sensibilité des membranes à la chaleur, la gamme de température est elle assez restreinte (15 à 35°C). Le pH est parfois ajusté de manière à obtenir de meilleures performances. Le taux de conversion est très variable, de 10 à 94% et dépend beaucoup de la composition de l’alimentation. Le débit d’alimentation, lui, dépend de l’application et de la surface membranaire mise en jeu. Il varie donc dans une large gamme, de 10 à 44 m 3.h-1. Les densités de flux de perméat ont des valeurs lassiques,c dépendant de la pression transmembranaire, comprise entre 13 et 27 L.h-1.m2.
Au niveau prospectif (Tableau I-2), les pilotes employés vont du petit pilote de laboratoire à membranes planes (de 20 à 360 cm 2) au pilote à module(s) spiralé(s) de taille variable. Majoritairement, ce type d’études est réalisé avecdes pilotes munis d’un module 2540 (2,3 m 2 en moyenne) mais on trouve également des études avec un ou plusieurs modules 4040 (7 m2 environ).
Dans ces cas, l’abattement de la DCO devient un enjeu important, ce qui montre l’intérêt de plus en plus élevé qui est porté à ce type de sépationr (molécules organiques). Les taux de rétention obtenus sont parfois moins bons qu’au stade industriel : de 90 à 99,8% en moyenne pour la DCO avec ponctuellement des valeurs assez mauvaises (50%) et 72 à 99,5% pour les sels avec également des valeurs à 50%. Les taux de conversion, eux, sont assez élevés, de 60 à 95%. Comme au niveau industriel, les pressions varient de 15 à 70 bar et les températures de 15 à 40°C. On trouve quelques essais d’osmose inver se basse pression (P<10 bar), mais ces exemples sont encore assez rares. Les débits d’alimentation varient de 0,1 à 10 m 3.h-1. Les flux obtenus sont très variables également puisque parfois des problèmes inattendus de colmatage peuvent survenir. Ils varient entre 5 et 50 L.h-1.m-2 avec des valeurs exceptionnelles inférieures à 1 L.h-1.m-2.
La gamme de pression utilisée est très large, de 9à 60 bar, car elle dépend énormément de la pression osmotique de l’alimentation. Du fait de la sensibilité des membranes à la chaleur, la gamme de température est elle assez restreinte (15 à 35°C). Le pH est parfois ajusté de manière à obtenir de meilleures performances. Le taux de conversion est très variable, de 10 à 94% et dépend beaucoup de la composition de l’alimentation. Le débit d’alimentation, lui, dépend de l’application et de la surface membranaire mise en jeu. Il varie donc dans une large gamme, de 10 à 44 m 3.h-1. Les densités de flux de perméat ont des valeurs lassiques,c dépendant de la pression transmembranaire, comprise entre 13 et 27 L.h-1.m2.
Au niveau prospectif (Tableau I-2), les pilotes employés vont du petit pilote de laboratoire à membranes planes (de 20 à 360 cm 2) au pilote à module(s) spiralé(s) de taille variable. Majoritairement, ce type d’études est réalisé avecdes pilotes munis d’un module 2540 (2,3 m 2 en moyenne) mais on trouve également des études avec un ou plusieurs modules 4040 (7 m2 environ).
Dans ces cas, l’abattement de la DCO devient un enjeu important, ce qui montre l’intérêt de plus en plus élevé qui est porté à ce type de sépationr (molécules organiques). Les taux de rétention obtenus sont parfois moins bons qu’au stade industriel : de 90 à 99,8% en moyenne pour la DCO avec ponctuellement des valeurs assez mauvaises (50%) et 72 à 99,5% pour les sels avec également des valeurs à 50%. Les taux de conversion, eux, sont assez élevés, de 60 à 95%. Comme au niveau industriel, les pressions varient de 15 à 70 bar et les températures de 15 à 40°C. On trouve quelques essais d’osmose inver se basse pression (P<10 bar), mais ces exemples sont encore assez rares. Les débits d’alimentation varient de 0,1 à 10 m 3.h-1. Les flux obtenus sont très variables également puisque parfois des problèmes inattendus de colmatage peuvent survenir. Ils varient entre 5 et 50 L.h-1.m-2 avec des valeurs exceptionnelles inférieures à 1 L.h-1.m-2.
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I ANALYSE BIBLIOGRAPHIQUE
I.1. GENERALITES
I.1.1. PRINCIPE
I.1.2. MEMBRANES ET MODULES
I.1.3. MODE DE FONCTIONNEMENT
I.1.4. POLARISATION DE CONCENTRATION ET COLMATAGE
I.1.5. INFLUENCE DES PARAMETRES OPERATOIRES
I.2. APPLICATIONS DE L’OSMOSE INVERSE
I.2.1. DIVERSITE D’APPLICATIONS
I.2.2. DIVERSITE DE MOLECULES A SEPARER
I.2.3. COUPLAGE AVEC D’AUTRES PROCEDES
I.2.4. CONDITIONS DE FONCTIONNEMENT
I.2.5. CONCLUSION
I.3. INTERACTIONS ET PROPRIETES DE SEPARATION
I.3.1. EFFETS STERIQUES
I.3.2. INTERACTIONS ELECTROSTATIQUES
I.3.3. ADSORPTION
I.3.4. INFLUENCE DES SOLUTES ENTRE EUX
I.3.5. CONCLUSION
I.4. MODELES DE TRANSFERT DE MATIERE
I.4.1. THERMODYNAMIQUE IRREVERSIBLE
I.4.2. MODELES DE SOLUBILISATION-DIFFUSION
I.4.3. MODELES DE PORES
I.4.4. PRISE EN COMPTE DES CHARGES DU SOLUTE ET DE LA MEMBRANE
I.5. PROBLEMATIQUE ET OBJECTIFS
CHAPITRE II MATERIELS ET METHODES
II.1. METHODES DE QUANTIFICATION DES SOLUTES
II.1.1. CRITERES D’EVALUATION DES METHODES D’ANALYSE
II.1.2. METHODE D’ANALYSE PAR CPG
II.1.3. METHODE D’ANALYSE PAR HPLC
II.1.4. COMPARAISON DES METHODES
II.2. INHIBITION ET TEST DE FERMENTATION
II.2.1. INHIBITION DE LA FERMENTATION
II.2.2. DESCRIPTION ET AMELIORATION DU TEST DE FERMENTATION
II.3. SELECTION DES MEMBRANES
II.3.1. DESCRIPTION DES ESSAIS
II.3.2. RESULTATS ET DISCUSSION
II.3.3. CRITERES DE SELECTION ET CONCLUSION
II.4. ESSAIS D’OSMOSE INVERSE
II.4.1. DESCRIPTION DU PILOTE D’OSMOSE INVERSE
II.4.2. CONDUITE DES ESSAIS
II.4.3. TRAITEMENT DES RESULTATS
CHAPITRE III COMPREHENSION DES MECANISMES D’INTERACTIONS
III.1. CARACTERISTIQUES DES MOLECULES CIBLES
III.2. DETERMINATION DE LA CHARGE DES MEMBRANES : MESURES DE POTENTIEL ZETA
III.2.1. THEORIE
III.2.2. MODE OPERATOIRE
III.2.3. RESULTATS ET DISCUSSION
III.3. MESURES D’ANGLES DE CONTACT
III.3.1. PRINCIPE
III.3.2. MODE OPERATOIRE
III.3.3. RESULTATS ET DISCUSSION
III.3.4. BILAN DE LA CARACTERISATION DES MEMBRANES
III.4. CARACTERISATION DES INTERACTIONS PAR MESURE DE L’ADSORPTION
III.4.1. CONSIDERATIONS THEORIQUES
III.4.2. MODE OPERATOIRE
III.4.3. RESULTATS DES ISOTHERMES D’ADSORPTION ET DISCUSSION
III.4.4. RESULTATS DES CINETIQUES D’ADSORPTION ET DISCUSSION
III.5. CONCLUSION DU CHAPITRE III
CHAPITRE IV ETUDE DU PROCEDE
IV.1. DESCRIPTION DES ESSAIS
IV.2. INFLUENCE DES CONDITIONS OPERATOIRES SUR LES PERFORMANCES DU PROCEDE
IV.2.1. DENSITES DE FLUX DE PERMEAT
IV.2.2. TAUX DE RETENTION
IV.2.3. PERFORMANCES ET INTERACTIONS
IV.3. TRAITEMENT DU CONDENSAT INDUSTRIEL
IV.3.1. INFLUENCE DE LA PRESSION TRANSMEMBRANAIRE
IV.3.2. INFLUENCE DU PH
IV.3.3. INFLUENCE DU FRV
IV.3.4. CONCLUSION DU TRAITEMENT DU CONDENSAT INDUSTRIEL
IV.4. MODELISATION DES TRANSFERTS DE MATIERE
IV.4.1. DESCRIPTION DU MODELE
IV.4.2. VALIDITE DU MODELE
IV.4.3. SIMULATION DU PROCEDE
IV.5. CONCLUSION DU CHAPITRE IV
CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
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