La détermination du pouvoir de colmatage 

La détermination du pouvoir de colmatage 

Dessalement de l’eau: vue globale

Introduction :

Les ressources en eau douce dans le monde sont en diminution sous l’effet de la croissance démographique, de l’expansion de l’activité industrielle et du changement climatique. Le manque d’eau potable concerne principalement les pays ayant des réserves limitées ou bien se trouvant dans des zones arides tels que le Moyen- Orient, ou l’Afrique du Nord. Ces pays ont eu recours au dessalement de l’eau de mer pour satisfaire leurs besoins. En effet, l’eau disponible sur notre planète se trouve à 97% dans les mers et les océans. Elle doit alors être traitée pour être rendue potable. L’homme a commencé par produire des petites quantités à partir de simples bouilleurs pour arriver au cours des dernières années à une production de 120 millions m3/j en 2016 (la plus grande usine est en Israël à Sarek 600 000 m3/j)

Disponibilité de l’eau :

L’hydrosphère terrestre représente 1,38 milliards de km3 d’eau. Comme représenté sur la figure I 1 ; 97,5% d’eau de mer avec celle des océans couvrant environ 71% de la surface terrestre. Seulement les 2,5% de l’hydrosphère étant de l’eau douce, 69,5% étant sous forme de glace ou de La couverture de neige dans l’Arctique, l’Antarctique et les régions montagneuses. Les autres 30,1% sont des eaux souterraines Estimées à 10 millions de km3 (Bindra et al., 2001). Enfin, les lacs et les rivières représentent 0,4% d’eau douce, c’est-à-dire autour d’un 1/150000ème de l’eau sur la terre. Le problème principal de l’eau au début du XXIe siècle et celui de l’insuffisance et de l’approvisionnement incertain. Les quantités finies de réserves d’eau existantes développées ont dépassé la demande croissante dans de nombreuses régions du monde. L’augmentation de la demande en eau pour les usages domestiques, due à la croissance de la population et à l’élévation du niveau de vie, associée à des problèmes progressifs de pollution de l’environnement, a conduit à une surexploitation des sources d’eau directement potable mais non renouvelable et à la diminution de la qualité de l’eau. Plus de 1,4 milliard de personnes n’ont pas accès à l’eau potable (WHO et UNICEFF, 2015) et environ 2,3 milliards de personnes (40% de la population mondiale) vivent dans des régions où la pénurie d’eau existe d’ici 2031(Bonnely, 2009). Au-delà de ces considérations démographiques et environnementales, le dessalement est maintenant une réponse économiquement viable pour les pays industrialisés comme pour les régions qui manquent de ressources en eau.

Paramètres affectant la performance des membranes NF :

Plusieurs paramètres physiques et chimiques affectent les performances de perméation et de rejet des membranes NF. Ceux-ci sont brièvement discutés dans la section suivante:

La Température:

L’augmentation de la température de processus, augmente le flux de la membrane NF en raison de la réduction de la viscosité. En outre, l’augmentation de la température, augmente le rayon des pores moyens et le poids moléculaire coupé, suggérant des changements dans la structure et la morphologie de la matrice polymère qui comprend la couche barrière à la membrane (Ramesh et al., 2003).

La Pression transmembranaire:

La Pression transmembranaire est la principale force motrice responsable du transport dans un processus NF. À une pression plus élevée, le dépôt sur la surface de la membrane augmente, ce qui entraîne la réduction de la force motrice du transport de solvant. Par conséquent, le flux de perméat augmente avec une vitesse plus lente à des pressions plus élevées. A des pressions plus élevées, la couche déposée devient plus compacte, donnant lieu à une résistance progressive à l’écoulement du solvant. Cela conduit à une augmentation plus lente des valeurs de flux (Kaushik, 2017).

Taux de récupération:

P lusieurs auteurs ont signalé qu’une augmentation de la récupération de l’eau d’alimentation entraîne une diminution du rejet (Bannoud, 2001 ; Abouzaid et al., 2003). La récupération de l’eau d’alimentation avait un impact significatif sur le rejet de la dureté totale. L’augmentation de taux de récupération peut être responsable d’une plus forte concentration-polarisation, d’interactions membranaire-soluté et, même, d’adsorption de soluté sur la surface de la membrane, tous ces phénomènes avec un effet délétère sur la performance de la membrane (Dach, 2008).

Le pH:

En général, la plus grande partie de la membrane NF et RO a un rejet plus faible à faible pH ou après un rinçage acide. En raison de la présence de différents composants chimiques et propriétaires dans la fabrication des membranes composites en couches minces par les fabricants, la dépendance au pH d’une membrane devrait être évaluée pour chaque type de membrane pendant l’essai en laboratoire (Kaushik, 2017).

La Salinité:

Le rayon de pore effectif, d’un pore chargé augmente à mesure que la force ionique du liquide environnant augmente. Par conséquent, le rejet des ions monovalents diminuera à mesure que leur concentration dans la solution d’alimentation augmente. Le rejet des ions divalents sera affecté dans une moindre mesure. L’effet de bouclage de la charge de la membrane 23
Chapitre I Etude Bibliographique et état de l’art augmente également à mesure que la force ionique de la solution d’alimentation augmente (Dach, 2008).

Vitesse de croisement:

L’augmentation de la vitesse d’écoulement de passage dans la nanofiltration entraîne l’augmentation du flux moyen due à l’élimination efficace de la couche d’encrassement de la surface de la membrane (Kaushik, 2017). Le flux de perméat augmente avec l’augmentation de la vitesse du liquide tangentiel. Ceci réduit encore les chances de polarisation de concentration et, par conséquent, le flux de perméat peut augmenter (Kaushik, 2017). L’utilisation d’une membrane NF à une vitesse de flux croisée trop élevée peut provoquer une défaillance prématurée des membranes et des modules. La vitesse de croisement croissante augmente également la chute de pression (Dach, 2008).

L’optimisation du temps de mélange rapide:

Sur la base des résultats des concentrations optimales de coagulant et de la vitesse de mélange rapide obtenu auparavant, une étude a été réalisée pour déterminer le temps optimal de l’étape de coagulation / le mélange rapide. La figure III 16 montre que la turbidité résiduelle la plus faible a été obtenue quand un temps de mélange rapide égal à 1 minute a été appliqué pour le chitosane ; 2 minutes pour le cactus et 1 min pour l’alun. La figure III 17 montre que la turbidité résiduelle la plus faible a été obtenue quand un temps de mélange rapide égal à 1 minute a été appliqué pour le chitosane ; 1,5 minute pour le cactus et 1 minute pour l’alun. La figure III 18 montre que la turbidité résiduelle la plus faible a été obtenue quand un temps de mélange rapide égal à 1,5 minute a été appliqué pour le chitosane ; 1 minute pour le cactus et 1 minute pour l’alun. Le temps de mélange a un grand impact sur la formation de flocons pendant la phase de mélange lent. En général, un mélange rapide pendant une période plus courte que l’optimum donne une turbidité résiduelle plus élevée et des flocs plus grands (Yukselen et Gregory, 2004).En tant que tel, chaque application a un temps de mélange rapide optimal qui dépend de la vitesse de mélange rapide et de la concentration de coagulant. L’effet négatif d’un temps de mélange rapide prolongé peut être observé sur les figures III 16, III 17 et III 18, car une turbidité résiduelle plus élevée a été obtenue pour des temps de mélange rapides plus longs. Selon Bratby, de longues périodes de mélange rapide peuvent donner lieu à des effets délétères dans le processus de coagulation-floculation (Bratby , 2006). Yu et al. a rapporté qu’une vitesse de mélange rapide de 10 secondes à 200 tr/min (vitesse de mélange lente de 10 minutes à 50 tr/min) n’était pas suffisante pour une adsorption complète lorsqu’elle est appliqué à 50 tr/min) n’était pas suffisante pour une adsorption complète lorsqu’elle est appliquée à 50 mg/l de suspension d’argile kaolin traitée à l’alun coagulant (Yu et al., 2011).

Grosseurs et concentration des particules colloïdales :

Il existe un seuil propice, pour la coagulation, du point du vue dimensionnel. Pour les particules dont les dimensions sont inférieures au micron, les forces de surface deviennent prépondérantes vis-à-vis des forces de masse. Dans ces conditions, on constate un état de dispersion stable dû aux effets conjugués du mouvement brownien (Pattabi et al., 2000). De même, il s’avère que la concentration des particules ; c’est-à-dire le nombre de charges électriques à mettre en jeu pour rompre le potentiel zêta, a une grande influence sur la coagulation. Cette coagulation est très difficile quand la concentration colloïdale est basse, sachant que le taux de contact interarticulaire se trouve probablement baissé (Lakhdari, 2011).

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Table des matières

Résumé
Abstract 
Remerciement 
Sommaire
Liste des figures
Liste des tableaux 
Liste des symboles 
Introduction générale 
I.1.Dessalement de l'eau: vue globale 
I.1.1.Introduction 
I.1.2.Disponibilité de l'eau 
I.1.3.Le dessalement des eaux 
I.1.3.1.L’eau saumâtre par rapport à l'eau de mer 
I.1.3.2.La Croissance de la capacité de dessalement dans le monde 
I.1.3.3.Les technologies de dessalement 
I.1.3.4.Les technologies actuelles et leurs mérites et démérites 
I.1.4.Le dessalement des eaux saumâtres 
I.1.4.1.Définition des eaux saumâtres 
I.1.4.2.Dessalement de l'eau saumâtre 
I.1.4.2.1.Dessalement des eaux saumâtres par l’osmose inverse 
a)Principe de l’osmose inverse 
b)Mécanisme de transfert 
c)Limitations de l’osmose inverse 
d)La Résistance de colmatage 
e)Estimation du potentiel de colmatage 
I.1.4.2.2.Dessalement des eaux saumâtres par la nano filtration 
a)Principe 
b)Mécanismes de transfert
c)Membranes utilisées et leurs caractéristiques 
d)Applications des membranes NF 
e)Paramètres affectant la performance des membranes NF 
I.1.4.2.3.Caractérisation des membranes NF /OI 
I.1.5.Le dessalement des saumâtres en Algérie 
I.2.Le Prétraitement conventionnel 
I.2.1.Rappels sur les techniques de coagulation et floculation 
I.2.1.1.La suspension colloïdale 
I.2.1.2.Classification granulométrique des colloïdes 
I.2.1.3.Caractérisation des colloïdes 
I.2.1.4.Théorie de la double couche 
I.2.1.5.Déstabilisation des particules colloïdales – Le processus de Coagulation 
I.2.1.6.Les étapes de l’agrégation 
A.La compression de la double couche 
B.Adsorption et neutralisation des charges 
C.Emprisonnement des particules dans un précipité 
D.Adsorption et pontage entre les particules 
I.2.1.7.Le processus de floculation 
A)La Floculation péricinétique 
B)La Floculation orthocinétique 
I.2.1.8.Paramètres affectant la coagulation floculation 
A.Effet de La température 
B.Effet du pH / alkalinity 
C.Grosseurs et concentration des particules colloïdales 
D.Etat d’hydratation  
E.Electrisations des particules 
F.Concentration du coagulant 
G.Vitesses et temps d’agitation 
H.La couleur 
I.La turbidité 
I.2.1.9.Coagulant utilisées 
A)Coagulants inorganiques (métalliques) 
B)Coagulants organiques 
C)Coagulants naturels: nouvelles perspectives 
I.3.Prétraitement par les procédés membranaires 
I.3.1.Généralités sur les procédés membranaires 
I.3.2.Les différents systèmes de la filtration membranaire 
I.3.3.Prétraitement membranaire avant l’osmose inverse 
I.3.3.1.Le prétraitement par l’ultrafiltration 
I.3.3.2.Matériaux membranaires et géométries utilisés dans les usines de dessalement 
I.3.3.3.Phénomènes de colmatage en ultrafiltration 
A.Mécanismes de colmatage en UF 
L’adsorption 
La polarisation de concentration (la couche gel) 
Blocage des pores: 
B.Impact du colmatage 
C.Le nettoyage : 
Méthodes physique de décolmatage 
Le nettoyage chimiques et /ou enzymatique 
II.1.Matériels et méthodes 
II.1.1.Préparation de l'eau synthétique 
II.1.2.Coagulation-floculation-décantation 
 Description des tests de floculation 
II.1.3.Préparation des coagulants 
II.1.4.Préparation du floculant 
II.1.5.Ultrafiltration /Nanofiltration 
Les membrane utilisée 
La cellule AMICON 
La perméabilité hydraulique et la Rétention de sel 
L’indice de colmatage MFI (Modèle de type « gâteau ») 
La résistance du gâteau 
II.1.6.Méthodes d'analyse physico-chimique 
La turbidité 
Le pH 
La Conductivité 
Le thermomètre 
III.1.Introduction 
III.2.La première partie : Le prétraitement des eaux faiblement saumâtres turbides 
III.2.1.Etude expérimentale de la coagulation-floculation et décantation 
A.L’optimisation de la température 
B.L’optimisation de dosage du coagulant 
C.L’optimisation de la vitesse de mélange 
D.L’optimisation du temps de mélange rapide 
E.L’optimisation du pH dans la coagulation-floculation 
F.L’optimisation de la dose du floculant 
G.L’influence de la turbidité 
H.La comparaison de l'efficacité des coagulants 
III.2.2.Conclusion 
III.2.3.Le prétraitement par l’ultrafiltration seul 
A.La perméabilité hydraulique 
B.La résistance du gâteau 
C.L’évolution de débit en fonction du temps à 4 bars 
D.La détermination de l’indice de colmatage « le MFI » 
III.2.4.Le prétraitement par couplage 
« La coagulation -floculation-décantation couplé avec l’ultrafiltration » 
A)La perméabilité hydraulique 
B)La résistance du gâteau 
C)L’évolution de débit en fonction du temps à 4 bars 
D)La détermination de l’indice de colmatage 
III.2.5.Concluion 
III.3.La deuxième partie : Influence des prétraitements sur les performances de la Nano filtration à l’échelle du laboratoire 
III.3.1.Introduction 
A.La détermination de la perméabilité hydraulique de la membrane NF 
B.L’évolution de la rétention de sel en fonction de la pression 
C.La détermination du pouvoir de colmatage 
III.3.2.Conclusion 
conclusion générale 
Perspectives 
Référence bibliographique 
Annexe 2 : Le prétraitement par l’ultrafiltration seul 
Annexe 3 : Le prétraitement par couplage 
« La coagulation -floculation-décantation couplé avec l’ultrafiltration » 
Annexe 4 : Influence des prétraitements sur les performances de la Nano filtration à l’échelle du laboratoire

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