Soutenance mémoire
Mémoire Présenté en vue de l ’obtention du Diplôme de Master
L’osmose inverse
Les membranes d’osmose invers
Les membranes
La membrane est une structure poreuse avec des pores de l’ordre de 0,1 à 10 μm pour la microfiltration, 10 nm à 1 μm pour l’ultrafiltration, quelques nm pour la Nano filtration et une structure dense pour l’osmose inverse. Le seuil de coupure est défini par la masse molaire du soluté le plus petit retenu à 90 %. Les matériaux synthétiques à la base des membranes sont des polymères organiques (acétate de cellulose, polysulfone …) ou de matériaux inorganiques (ZrO2, TiO2, alumine). Leur structure asymétrique est constituée d’un support macroporeux (pour la tenue mécanique) et d’une peau ou couche superficielle (pour la sélectivité). Le but est d’assurer une bonne sélectivité avec une faible résistance au transfert tout en ayant une bonne tenue mécanique.
L’osmose inverse
Types de membranes d’osmose inverse
Dans la pratique, on trouve :
Les membranes en acétate de cellulose
Ce type de polymère est le plus ancien .c’est en effet vers 1957 qu’une équipe de chercheurs de l’université de Californie à los Angeles, qui a étudié la semi-perméabilité de film organique vis-à-vis de solution aqueuses de chlorure de sodium, découvrit qu’un film d’acétate de cellulose non traité, permettait d’obtenir avec une solution aqueuses de chlorure de sodium à 3.72 %, sous une pression de 85.8 bar, un taux de rejet de 94.4 % et un débit d’eau à travers la membrane de 1.22 l/m2/jour. L’étape suivante, en 1960 fut la réalisation par LOEB et SOURIRAJAN d’une membrane d’acétate de cellulose par la méthode d’inversement de phase, permettant d’obtenir un débit d’eau potable de 5 l/h /m2 à 20 l /h /m2 sous une pression de fonctionnement de 103 à137 bars, à partir d’eau de mer concentrée, contenant 5.25 % de sel dissous..
Les membranes en polyamide
Compte tenu des inconvénients de l’acétate de cellulose, des membranes de types polyamide/poly imide ont été développées .il existe plusieurs types de polymères caractérisées par une liaison amide dans la chaine. Les membranes en polyamide les plus répandues étaient commercialisées par DUPONT de NEMOURS sous forme de fibre creuse. Les fibres creuses sont fabriquées en continu selon la technique de séparation de phase.
Les membranes composites
Les membranes composites sont apparues entre 1970 et 1980 et constituent un net progrès par rapport aux membranes asymétriques classiques. Ce sont en effet des membranes asymétriques dont l’épaisseur de la peau est nettement plus fine que celle des membranes classiques. Elles sont constituées de deux couches de polymères qui sont presque toujours de deux composés chimiques différents.
Le choix de type de membrane
Ce choix se fait tout d’abord par rapport à la séparation à réaliser : de façon générale la taille des pores est généralement 2 fois plus petite que l’espèce la plus petite à retenir (pour assurer une bonne rétention tout en limitant le colmatage en profondeur de la membrane). Le matériau doit être choisi afin de limiter les affinités avec les espèces du fluide à traiter (pour limiter les phénomènes d’adsorption). Il faut enfin satisfaire les contraintes du fluide (pH, température) et du domaine d’utilisation (stérilisation, agrément …) et que le coût soit compatible avec la valeur ajoutée du produit.
Distillation solaire
Parmi les techniques de dessalement par changement de phase, il existe une technique ? ancienne et très intéressante, qui est d’un emploi commode dans les régions arides ensoleillée utilisant des distillateurs solaires, malgré qu’elle présente l’inconvénient de nécessiter des surfaces très importantes disponibles au sol et des investissement importants, elle présente un meilleur avantage car elle utilise une énergie gratuite. Cette technique est appelée: ‹‹Distillation Solaire››.
Principe Tous les distillateurs solaires ont le même principe de fonctionnement; néanmoins, ils peuvent différer les uns des autres en conception et en matériaux. Le fonctionnement d’un distillateur solaire repose sur l’effet de serre. La distillation solaire est une technique qui utilise le rayonnement solaire, pour chauffer de l’eau saumâtre dans un bac couvert par une vitre inclinée. L’eau salée dans le bac va se chauffer (d’autant plus vite que le bassin est noir) et avec l’augmentation de la température une partie de l’eau s’évapore. La vapeur d’eau se liquéfie sur la surface intérieure de la vitre transparente. Éventuellement des gouttes d’eau vont se former, couler sur la surface de la vitre et tomber dans le récupérateur situé au coin. Il faut régulièrement nettoyer le bassin pour éliminer le sel.
Perspective de la distillation
Les perspectives de développement de la distillation pour le dessalement de l’eau de mer sont importantes et ce d’autant plus que ce procédé présente des points forts déjà évoqués et que nous rappelons succinctement :
1) Les performances et les couts de la distillation sont pratiquement indépendants de la salinité de l’eau de mer à traité ; 2) Les procédés de distillation ne nécessitent pas de prétraitement sophistiqué de l’eau de mer : une filtration classique et une chloration pour éviter la prolifération
d’organismes marins sont généralement suffisantes ; 3) La salinité de l’eau produite par distillation est très faible (de 5 à 30 mg/l). on peut même atteindre 1 mg/l ou moins si on le souhaite, grâce à l’utilisation de séparateurs performants dans les évaporateurs. 4) Une grande partie de l’énergie nécessaire (hors pompage et hors compression mécanique de vapeur) est constituée par de l’énergie à bas niveau (température comprise entre 80 et 110 °C) que l’on peut obtenir dans certains cas à des couts très faibles, voire nuls (valorisation de rejets thermiques par exemples).
Les avantages et les inconvénients de la distillation
Les avantages
Technologie maitrisée avec des centaines d’installations en fonctionnement dans le monde entier depuis plusieurs années et couronnées de succès.
Nécessite un prétraitement minimal par rapport au procédé OI.
Produit une eau très faible en TSD.
Le procède MSF dispose de la plus grande capacité installée parmi tous les processus de dessalement grâce à l’évolutivité, a la fiabilité et à la robustesse du procède.
La distillation nécessite une maintenance peu importante par rapport au dessalement par osmose inverse.
Les inconvénients
Consommation généralement élevée d’énergie spécifique par rapport à l’OI. N’est rentable que si de l’énergie thermique à faible cout ou gratuite est disponible.
L’énergie thermique nécessaire n’a quasiment aucune corrélation avec la salinité de l’eau d’approvisionnement et de ce fait, est peu rentable pour le dessalement des eaux saumâtres par rapport à l’OI et a l’ED.
Les unités de petite capacité sont chères par rapport aux installations OI.
Les besoins en produits chimiques pour la reminéralisation sont élevés comparé aux procédés OI.
La forte probabilité d’entartrage due à la récupération élevée et la faible injection d’acide conduit à un encrassement important.
Système de filtration
Filtres presse
48 filtres presse sont installés dans la première étape, et 32 filtres dans la seconde étape de filtration pour l’élimination d’autres particules présentes dans l’eau brute.
Chaque filtre héberge à l’intérieur une plaque support équipée des buses correspondantes sur lesquelles on situe le lit filtrant. Ils ont installé un total de 50 buses par mètre carré de surface du filtre. Les buses sont en plastique résistant à l’eau de mer. La disposition des filtres est cylindrique horizontale avec des fonds de type korboggen. Les filtres sont de 3,7 m de diamètre et 11 m de longueur cylindrique, ce qui équivaut à une surface efficace d’environ 40,31 m2. La vitesse de filtration en opération normale dans la première étape est de 9,4 m/h et dans la deuxième étape de 14 m/h. les filtres seront munis des buses de visite nécessaire pour leur inspection et entretien. Ils ont aussi des drainages, des aérations et l’instrumentation correspondante, ainsi qu’un jeu de vannes automatiques nécessaires pour effectuer l’opération de nettoyage et de mise en service d’une manière totalement automatique. En outre, on pourra modifier les temps de chacune des phases. Dans les deux étapes on va utiliser deux couches de sable et l’anthracite de différente granulométrie pour réaliser deux coupes. Dans la première étape de filtration on va employer :
Dans la couche supérieure : 600 mm de hauteur de lit d’anthracite de 0,4-1,6 mm de taille effective.
Dans la couche intermédiaire : 400 mm de hauteur de lit de sable de 0,4-0,8 mm de taille effective.
Dans la couche inférieure : 100 mm de hauteur de lit de gravier 1,4-2,5 et 100 mm de hauteur de lit 4,0-8,0 de taille effective. Dans la seconde étape de filtration on va employer
Dans la couche supérieure : 700 mm de hauteur de lit de sable de 0 ,4-0 ,8 mm de taille.
Dans la couche intermédiaire : 200 mm de hauteur de lit de granuler de 0,55 mm de
taille effective et 1,4 de coefficient d’uniformité.
Dans la couche inférieure : 100 mm de hauteur de lit de gravier 2 mm de taille effective et 1,4 de coefficient d’uniformité.
Nettoyage des filtres
L’objectif de ce système est de nettoyer les filtres de la saleté qu’ils ont retirée de l’eau de mer et qui provoque que la perte de charge augmente dans le filtre. Comme tous les filtres de chacune des étapes, ils sont connectés à un collecteur commun de sortie, la pression différentielle pour tous les filtres d’une même étape est identique, c’est pour cela que cette valeur n’est pas, en principe, celle que l’on doit prendre comme critère de nettoyage d’un filtre. Pour cette raison, un plus grand encrassement d’un filtre se traduit par un plus petit passage de débit d’eau de mer à travers le filtre, c’est le paramètre qui nous indiquera l’état d’encrassement d’un filtre. Les critères de nettoyage sont les suivants :Si la pression différentielle entre l’entrée et la sortie est supérieure ou égale à 0,7 bars, on doit nettoyer tous les filtres, en commençant par celui où passe le plus petit débit et en continuant avec tous les autres dans le sens du plus petit au plus grand débit . Après le nettoyage la perte de charge sera inférieure à 0,25 bars. Il faut contrôler que la pression dans l’aspiration des turbopompes pendant le procédé n’est pas inférieure à 2 bars car dans ce cas, un déclenchement se produira dans l’usine. Si la pression différentielle est inférieure à 0,7 bars mais le débit dans un filtre est de 80 % du débit qui passe par le filtre de plus grand débit, il faut effectuer un nettoyage du filtre où passe le moins d’eau. Le nettoyage des filtres sera effectué avec de la saumure provenant de l’usine de dessalement par trois pompes centrifuges, l’une d’elle étant en service. Le débit des pompes est suffisant pour que la vitesse de nettoyage soit de 46 m/h, ce qui est approprié pour offrir un nettoyage efficace. En plus de l’eau de nettoyage grâce aux pompes décrites, nous disposerons de deux souffleuses de 2,109 Nm 3/h chacune, une opérationnelle et autre en réserve. L’intégration du groupe soufflant permet d’assurer un nettoyage efficace. Le groupe soufflant dispose de son propre filtre à air, d’un silencieux, de vannes de sécurité et d’isolement, ainsi que des sections de canalisation avec manomètres et accessoires correspondants. Pour abriter le matériel de nettoyage des filtres, nous projetons un bâtiment où se trouvent : 3 pompes de nettoyage ; 3 soufflantes ; Une salle de tableaux électriques.
Filtres cartouche
L’eau filtrée des filtres presseurs est envoyée au procédé de microfiltration par des filtres à cartouche avec un dosage de métabisulfite de sodium (deux citernes) et deux citernes d’anticristant pour empêcher la formation de calcaire avant l’entrée de l’eau filtrée dans les filtres à cartouche. Les filtres à cartouche sont équipés de cartouche de polypropylène de filtrage en profondeur avec un pouvoir de coupure de 15 microns absolus, avec un efficacité dans le remuage de particules de 99,6 %, avant et après les filtres à cartouche on installera des prises d’échantillon de SDI de l’eau, afin de déterminer l’efficacité du filtrage et la qualité de l’eau avant d’entrer dans les membranes. Le changement des cartouches des filtres est une opération manuelle.
L’osmose inverse
Les membranes doivent accomplir une série de conditions :
Résister aux pressions auxquelles on va soumettre la solution pour invertir le processus.
Suffisamment perméable à l’eau pour fournir un flux élevé.
Rejeter un pourcentage élevé de sels pour obtenir un produit de qualité.
Châssis à membrane, pompe à haute pression, pompe de recirculation et système
d’échange de pression.
La conception réalisée de l’usine de désalinisation correspond à un pas d’une étape, en installant pour chaque châssis 222 module de 7 éléments de type SWC5 max de hydranautics.
L’usine est constituée de dix lignes, la capacité de production nominale de chacune étant de 20 300 m3/jour. Le facteur de conversion de l’usine est de 47 %.
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Table des matières
A. Partie théorique
Introduction générale 1
Chapitre I : L’eau et le dessalement
I.1 Introduction
I.2 Le cycle naturel de l’eau
I.2.1 L’évaporation
I.2.2 La condensation
I.2.3 La précipitation
I.2.4 Le ruissellement
I.2.5 L’infiltration
I.3 La répartition des ressources en eau sur Terre
I.3.1 Les eaux souterraines (aquifère, nappe phréatique, infiltration)
I.3.2 Les eaux de surfaces captives ou en écoulement (lacs, étangs, rivières, fleuves)
I .3.3 Les eaux marines
I.3.4 Les eaux saumâtres
I.4 Les usages de l’eau
I.4.1 L’usage agricole
I.4.2 Les usages domestiques
I.4.3 Les usages industriels
I.4 .4 Les usages énergétiques
I.4.5 L’hydroélectricité
I.4.6 Le transport fluvial
I.4.7 Les activités et loisirs liés à l’eau
I.5 Les critères de potabilité
I.5.1 La qualité microbiologique
I.5.2 La qualité chimique
I.5.3 La qualité physique et gustative
I.5.4 Les substances « indésirables »
I.5.5 Les substances aux effets toxiques
I.5.6 Les eaux adoucies ou déminéralisées
I.6 L’eau dans la Loi Algérienne
I.6.1 Algérie
I.6.2Les axes dela politique nationale dans le domaine des ressources en eau
I.7 Généralités sur le dessalement
I.7.1 Marche du dessalement
I.7.2 Schéma général d’une installation de dessalement
I.7.3 Différents procédés de dessalement
I.7.4 Problèmes soulèvent par les usines de dessalement
I.8 Conclusion
Chapitre II : L’osmose inverse
II.1 Introduction
II.2 Principe de l’osmose inverse
II.3 Pression osmotique
II.4 Éléments constitutifs d’une unité d’osmose inverse
II.5 Mécanisme diffusionnel
II.6 Phénomènes de polarisation
II.7 Phénomènes de compactage
II.8 Les membranes d’osmose inverse
II.8.1 Les membranes
II.8.2 Types de membranes d’osmose inverse
II.8.2.1 Les membranes en acétate de cellulose
II.8.2 .2 Les membranes en polyamide
II-8-2-3Les membranes composites
II.8.3 Le choix de type de membrane
II.9 Les modules
II.9.1 Les modules tubulaires
II.9.2 Les modules fibres creuses
II.9.3 Les modules plans
II.9.4 Les modules spiraux
II.10 Procédés membranaire : ultrafiltration, microfiltration et Nano filtration
II.10 .1 La microfiltration
II.10.2 La Nano filtration
II.10.3 L’ultrafiltration
II.11 Nettoyage des membranes OI
II.11.1 Retro lavage
II.11.2 Le nettoyage chimique
II.12 La consommation d’énergie
II.12.1 Energie consommée en osmose inverse en l’absence de système de récupération
II.12.2 Récupération d’énergie
II.12.3 Différents systèmes de récupération d’énergie
II.13 Les avantages et les inconvénients de l’osmose inverse
II.13.1 Les avantages
II.13.2 Les inconvénients
II.8 Conclusion
Chapitre III : La distillation
III.1 Introduction
III.2 Principe
III.3 Les procédés de distillation
III.3.1 Distillation à simple effet
III.3.2 Distillation à multiples effets
III.3.3 Procédé par détentes successives ou procédé Flash
III.3.4 Distillation par compression de vapeur
III.3.5 Distillation solaire
III.4 perspective de la distillation
III.5 Les avantages et les inconvénients de la distillation
III.5.1 Les avantages
III.5.2 Les inconvénients
III.6 Conclusion
B. Partie pratique
Chapitre IV:Description de la station de dessalement de Honaine
IV.1 Description de la station de dessalement de Honaine
IV.2 Captation d’eau de mer
IV.3 Le prétraitement
IV.3.1 Dosage d’hypochlorite de sodium
IV.3.2 Dosage d’Acide Sulfurique
IV.4 Système de filtration
IV.4.1 Filtres presse
IV.5.2 Nettoyage des filtres
IV.4.3 Filtres cartouche
IV.5 L’osmose inverse
IV.6 Poste traitement
IV.7 Pompage du produit
Chapitre V : Matériels et méthodes
V.1 Introduction
V.2 Méthodes d’analyse physico-chimique
V.2.1 Prélèvement 51
V.2.2 Paramètres Organoleptiques
V.2.2.1 Test de Couleur 52
V.2.2.2 Test de l’odeur et la saveur
V.2.2.3 Turbidité
V.2.3 Paramètres Physico-chimiques 53
V.2.3.1 Potentiel d’hydrogène (pH)
V.2.3.2 Température (T°)
V.2.3.3 Chlore résiduel libre (cl2) (hypochlorite de sodium):
V.2.3.4 Conductivité
V.2.3.5 Les particules en suspension
V.2.3.6 Alcalinité (TA-TAC) 57
V.2.3.7 Dureté ou titre hydrotimétrique (TH)
V.2.3.9 Mesure de Magnésium
V.2.3.10 Mesure de Chlorure
V.2.3.11 Dosage du CO2 dissous
V.2.3.12 Estimation de la minéralisation globale de l’eau à analyser
V.2.3.13 Mesure des solides dissous totaux ou salinité
V.2.3.14 Mesure de l’indice de Langelier ou pH de saturation
V.2.3.15 Dosage de sulfate
V.3 La distillation
V.3.1 La distillation simple sous pression atmosphérique
V.3.1.1 Montage
Chapitre VI : Résultats et interprétations
VI. Introduction
Parie A : Les résultats d’analyse physico-chimique de l’eau de la station de dessalement de Honaine
VI.2 Paramètres organoleptiques
VI.2.1 Couleur
VI.2.2 Odeur
VI.2.3 Goût
VI.2.4 Turbidité
VI.3 Paramètres physico-chimiques
VI.3.1 MES
VI.3.2 pH
VI.3.3 La température
VI.3.4 Chlore résiduel libre (cl2) (hypochlorite de sodium)
VI.3.5 Conductivité
VI.3.6 Alcalinité
VI.3.7 la dureté totale (TH)
VI.3.8 Total des solides dissous (TDS)
Partie B : Les résultats des analyses et de distillation au niveau de laboratoire de recherche Imama
VI.4 La distillation de L’eau de mer
VI.4.1 Paramètres physico-chimiques
VI.5 La distillation de l’eau filtrée
VI.5.1 Paramètres physico-chimiques
VI.5.2 Le concentrat de l’eau de mer distillée et de l’eau filtrée distillée
VI.5.3 Les teneuses des sels dissous
VI.3.11 Le CO2 dissous
Conclusion générale
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