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Composition de l’eau de mer
L’eau de mer désigne l’eau présente dans les océans et les mers du globe. Elle constitue 97% de l’eau totale présente sur notre planète, soit environ 1 350 millions de km3 (Maurel, 2006). Elle constitue donc une ressource en eau quasiment inépuisable. Elle est principalement composée de minéraux qui vont, notamment, définir sa salinité. Il est aussi primordial d’analyser sa composition en matière organique pour mieux comprendre le fonctionnement de la filière de dessalement et en particulier l’intérêt des prétraitements.
Composition minérale
L’eau de mer est constituée à plus de 99,9% de sels parmi les espèces dissoutes. La concentration en sels de l’eau de mer varie d’une position géographique et d’une saison à une autre.
Concentrations en sels des différents océans et mers
La concentration en sels des mers ouvertes sur les masses océanique est de l’ordre de 35 g.kg-1 , mais elle peut varier selon la position géographique et la saison. Pour les autres mers, les concentrations sont très différentes.
La proportion relative en différents sels d’une eau de mer, c’est-à-dire sa concentration en différents sels par rapport à la concentration en sel total, reste assez constante pour les mers ouvertes, et peut varier considérablement pour les mers fermées.
Il est à noter que les ions chlorure et sodium constituent environ 85% de la masse en sels présents dans l’eau de mer. C’est pourquoi les solutions synthétiques d’eau de mer sont souvent des solutions de NaCl. Il ne faut, toutefois, pas négliger les autres ions tels que les bicarbonates, les ions calcium et les sulfates qui peuvent contribuer au colmatage par entartrage dans les procédés membranaires.
Autres éléments minéraux présents dans l’eau de mer
L’élément bore est également présent dans l’eau de mer et peut avoir des incidences sur la santé à une certaine concentration. On le retrouve autour 4,5 mg.L-1 dans l’eau de mer standard (Copin-Montégut, 2002). L’Organisation Mondiale de la Santé, dans ses préconisations de 2011 (WHO, 2011), estime que la concentration maximale en bore dans une eau potable doit être de 2,4 mg.L-1. Cette préconisation a été réévaluée récemment puisqu’elle était de 0,5 mg.L-1 antérieurement.
Le bore agit comme l’un des plus importants micronutriments des plantes, et il est essentiel à la croissance de la plupart des céréales. Néanmoins, le bore n’est bénéfique aux plantes que dans une quantité limitée. L’excès de bore peut avoir des conséquences négatives sur la flore, et peut-être toxique.
Par ailleurs, l’exposition prolongée à une eau ayant une quantité de bore trop importante peut avoir des effets nocifs sur les systèmes cardiovasculaire, nerveux, digestif et reproducteur des humains et des animaux. (Hou et al., 2013) Le bore dans l’eau de mer se retrouve principalement sous forme d’acide borique H3BO3, mais peut être dissocié en fonction du pH en ion borate H2BO3- . Le pKa pour cette dissociation est de 9,14 et le pH de l’eau de mer est compris entre 8,0 et 8,4. Son abattement en dessous des valeurs limites nécessite des opérations spécifiques dans la filière de dessalement.
De nombreux autres éléments sont présents à l’état de trace (moins de 0,1 ppm), comme par exemple l’ion baryum Ba2+ ou l’iode I- . Certains ions métalliques sont également rencontrés dans l’eau de mer à une concentration d’au moins une partie par billion en masse (ppb) : titane, zinc, nickel, aluminium, chrome, cadmium, cuivre, fer, manganèse, plomb, mercure (Brown et al., 1997). Enfin, l’eau de mer contient certains éléments nutritifs que les phytoplanctons utilisent pour produire de la matière organique par photosynthèse.
Composition organique
Les océans constituent le réservoir de carbone organique le plus important sur Terre. La majeure partie de ce carbone organique des océans est présente sous forme dissoute (à plus de 90%) et l’autre partie est dite sous forme particulaire (Benner et al., 1997). La fraction particulaire est définie comme la fraction retenue sur une membrane ayant des pores de diamètre de 0,2 à 1,0 µm. Dans la pratique, une taille de 0,45 µm est la plus souvent utilisée (Baldock et al., 2004).
Les matières organiques naturelles (MONs) présentes dans les eaux sont composées d’un mélange extrêmement complexe de composés variés. Cette variété est la conséquence des divers procédés de formation et de dégradation impliqués (Filella, 2014). Pour cette raison, les études sur les MONs ont peu souvent traité de composés purs, privilégiant un groupe de composés fractionnés au moyen de plusieurs techniques. Ces groupes de « composés homologues » ont des caractéristiques physico-chimiques similaires définies dans la pratique. Les acides humiques et fulviques, mais aussi les hydrates de carbone, sont des exemples de ces groupes.
En pratique, différents « composés homologues » ne sont pas nécessairement indépendants. Par exemple, les carbohydrates sont présents dans les substances humiques mais aussi dans les particules transparentes d’exopolymères (PTE ou TEP en anglais) ou substances exopolymériques (EPS en anglais). Ainsi, les MONs peuvent être classifiées en fonction de (Filella, 2014):
– leur origine : exopolymérique, extracellulaire, terrestre…
– leur catégorie biochimique : hydrates de carbone, lipides, protéines…
– leur méthode de fractionnement physique ou chimique : poids moléculaire, dissous, ou acides fulviques, humiques, hydrophiles…
– leur assimilation ou leur dégradabilité
– leur réponse aux réactifs colorimétriques ou aux techniques spectroscopiques : PTE, chromophoriques, fluorescents…
Quatre grandes catégories (non indépendantes les unes des autres) sont couramment utilisées dans le domaine du traitement de l’eau et du dessalement d’eau de mer en particulier : les substances humiques, les composés fluorescents ou fluorophores, le carbone organique dissous (COD) et ses différentes fractions – notamment les composés neutres de faible poids moléculaire (FPM) – ainsi que les matières organiques particulaires dont les PTE.
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Table des matières
INTRODUCTION
I. État de l’art
I.1. Composition de l’eau de mer
I.1.1. Composition minérale
I.1.1.1. Concentrations en sels des différents océans et mers
I.1.1.2. Autres éléments minéraux présents dans l’eau de mer
I.1.2. Composition organique
I.1.2.1. Substances humiques
I.1.2.2. Carbone organique dissous
I.1.2.3. Fluorophores
I.1.2.4. Matières organiques particulaires et particules transparente d’exopolymères transparents (PTE)
I.1.3. Normes de potabilité sur les principaux éléments d’une eau
I.2. Le dessalement par osmose inverse
I.2.1. Principe de l’osmose inverse, transfert de matière et colmatage
I.2.1.1. Pression osmotique et définition de l’osmose inverse
I.2.1.2. Mécanisme de transfert et polarisation de concentration
I.2.1.3. Paramètres de fonctionnement en osmose inverse
I.2.2. Colmatage des membranes d’osmose inverse
I.2.2.1. Les différents types de colmatage et leurs conséquences sur la filière d’OI
I.2.2.2. Formation du biocolmatage
I.2.2.3. Détection du biocolmatage
I.2.2.4. Stratégies de lutte contre le biocolmatage
I.3. La maîtrise du colmatage des membranes d’osmose inverse : la filière de prétraitement
I.3.1. Les filières conventionnelles de prétraitement
I.3.2. Les filières de prétraitement intégrant un procédé membranaire
I.3.2.1. Etat de développement des filières intégrant l’UF ou la MF
I.3.2.2. Nouvelles filières couplant coagulation ou adsorption
I.3.2.3. Revue des études utilisant des filtres à milieu granulaire adsorbant (charbon actif en grain, anthracite) seuls ou avant UF en eau de mer
I.3.2.4. Généralités sur l’adsorption
I.4. Installations d’osmose inverse de petites capacités alimentées par énergie photovoltaïque
I.4.1.1. Consommation énergétique en osmose inverse
I.4.1.2. Alimentation des installations d’OI par énergies renouvelables
I.4.1.3. Etat du développement des installations couplant OI et énergie photovoltaïque (PV) et améliorations nécessaires
I.5. Conclusion
II. Matériels et méthodes
II.1. Caractéristiques des eaux de mer
II.2. Essais d’adsorption sur charbon actif en grain
II.2.1. Charbons actifs en grain (CAG)
II.2.2. Mesure du zéro-pH
II.2.3. Cinétique d’adsorption du COD d’une eau de mer
II.2.4. Isothermes d’adsorption du COD d’une eau de mer
II.2.5. Essais d’adsorption en lit fixe en colonne semi-industrielle
II.3. Ultrafiltration frontale à l’échelle laboratoire
II.3.1. Membranes et dispositif de laboratoire
II.3.2. Mesure de la perméabilité à l’eau pure
II.3.3. Détermination de la perméabilité pour des eaux de mer et filtrations à PTM constante
II.3.4. Détermination de la vitesse de colmatage par paliers de pression
II.4. Méthodes analytiques
II.4.1. Analyse des particules et colloïdes
II.4.1.1. Turbidité
II.4.1.2. Distribution de taille de particules
II.4.1.3. Indice de colmatage Silt Density Index (SDI)
II.4.2. Analyse des matières organiques dissoutes (MODs)
II.4.2.1. Mesure du carbone organique et inorganique
II.4.2.2. Chromatographie d’exclusion stérique avec détection de carbone et azote organique (LC-OCD-UVD-OND)
II.4.2.3. Spectrophotométrie UV
II.4.2.4. Matrices de fluorescence
II.4.3. Analyse des bactéries et de leur activité
II.4.3.1. Comptage bactérien
II.4.3.2. Mesure de la concentration en dioxygène dissous
II.4.4. Analyse du pH et des minéraux (ions)
II.4.4.1. pH
II.4.4.2. Conductivité
II.4.4.3. Chromatographie ionique
II.5. Développement d’un modèle de simulation des performances d’une unité d’osmose inverse
II.5.1. Transfert de matière à travers la membrane d’OI
II.5.2. Hydrodynamique et géométrie considérée
II.5.3. Données pour le calcul des perméabilités initiales et préconisations des fabricants
II.5.4. Consommation énergétique
II.5.5. Algorithme du modèle et fonctions utilisées
II.5.6. Première validation du modèle de simulation par comparaison avec les résultats d’un logiciel commercial
III. Choix d’un CAG pour l’adsorption de COD de l’eau de mer et analyse des différentes fractions du COD éliminées par un filtre CAG en lit fixe à l’échelle pilote
III.1. Introduction (en français)
III.2. Extrait de l’article: Activated carbon selection for the adsorption of marine DOC and analysis of DOC fractionation
III.2.1. Comparison of the different GACs
III.2.1.1. pH of the point of zero charge
III.2.1.2. Kinetic experiments in batch mode
III.2.1.3. Adsorption isotherms
III.2.1.4. Effect of pore volume and specific surface area on DOC adsorption
III.2.1.5. Selection of the best GAC for filtration application
III.2.2. Evaluation of the performance of a semi-industrial scale fixed bed with the selected GAC: impact on water quality
III.2.2.1. Organics removal rate
III.2.2.2. Impact on pH and conductivity
III.2.2.3. Retention of particles and its impact on GAC fouling
III.2.2.4. Impact on DOC fractionation
III.2.3. Conclusions
IV. Filtration sur CAG suivie par UF en tant que prétraitement couplé avant OI: impact sur la qualité de l’eau et le colmatage de l’UF à l’échelle laboratoire
IV.1. Introduction (en français)
IV.2. Extrait de l’article: Granular activated carbon filtration plus ultrafiltration as a pretreatment to seawater desalination lines: impact on water quality and UF fouling
IV.2.1. GAC adsorption effect on water quality
IV.2.2. UF characterization: membrane fouling and effect on water quality
IV.2.2.1. Impact of SW quality and of GAC filtration
IV.2.2.2. Impact of TMP
IV.2.2.3. Impact of the UF membrane Molecular Weight Cut Off (MWCO)
IV.2.3. Conclusions
V. Dimensionnement d’une petite installation intensifiée et autonome de dessalement d’eau de mer par OI (échelle semi-industrielle)
V.1. Réflexions préliminaires pour le dimensionnement de l’unité de dessalement à partir de l’estimation des coûts d’investissement
V.2. Choix de la configuration des modules d’OI de la petite unité de dessalement par osmose inverse à l’aide du modèle de simulation
V.3. Choix et dimensionnement des équipements
V.3.1. Circuit haute pression d’osmose inverse
V.3.1.1. Modules d’osmose inverse
V.3.1.2. Pompes
V.3.1.3. Reminéralisation
V.3.2. Prétraitements
V.3.2.1. Ultrafiltration
V.3.2.2. Lit de charbon actif
V.3.3. Lavages chimiques des membranes
V.3.4. Cuves
V.3.5. Capteurs de mesure
V.3.6. Prélèvements
V.3.7. Diamètre des canalisations
V.3.8. Alimentation électrique
V.4. Description du container et flowsheet
V.5. Automatisation et enregistrement des données
V.6. Déroulement des travaux et des études
CONCLUSION
