dessalement de l’eau

Introduction 

L'eau est abondante sur terre, elle représente 1380 millions de km3 . L'essentiel toutefois est constitué

d'eau de mer (97,2 %) et de glace (2,15 %) inutilisables directement. L'eau douce, facilement 

disponible (lacs, fleuves, certaines eaux souterraines), ne représente que 0,07 % de la ressource totale soit environ un million de km3 . Mais la répartition de cette eau est très inégale. En effet, dix pays se partagent 60 % des réserves d'eau douce et vingt-neuf autres principalement en Afrique et au Moyen-Orient, sont au contraire confrontés à une pénurie chronique d'eau douce. Dans ces pays, selon le Water Ressources Institute, 250 millions d'individus, ne disposent pas aujourd'hui du minimum vital d'eau défini à 1000 m3 par habitant et par an. 400 millions de personnes vivent en situation de stress hydrique (figure1), estimé entre 1000 et 2000 m3 par habitant et par an. Et on estime que 2,5 milliards de personnes pourraient souffrir du manque d'eau en 2050 compte-tenu de l'évolution de la démographie et de l'augmentation des consommations d'eau.

A. Généralités sur le dessalement : Le dessalement de l’eau est un moyen d’obtenir de l’eau potable qui est de plus en plus utilisée à l’échelle planétaire. C’est un processus qui consiste à extraire le sel d’une eau salée ou d’une eau saumâtre pour la rendre potable ou utilisable pour l’industrie ou l’irrigation. 1. Caractéristiques des eaux marines et saumâtres 1.1. Les eaux marines L’eau de mer est la matière première de l’usine de dessalement. Chacun peut observer ses changements de température, de limpidité d’un lieu ou d’un jour à l’autre ; les écarts de salinité sont moins connus. Salinité, température et matières en suspension sont les paramètres majeurs du fonctionnement d’une unité de dessalement Salinité La salinité mesure la concentration en sels dissous ; elle s’exprime en g/L. Du fait que les quantités de sels dissous sont souvent très inférieures au gramme. Les salinités les plus basses se rencontrent au voisinage des pôles. La quantité de sels dissous augmente au fur et à mesure que l’on se rapproche de l’équateur. Elle peut dépasser 50 g/L dans certaines zones, telles que la côte Est de l’Arabie Saoudite où la chaleur et les hautsfonds favorisent l’évaporation. Quelques valeurs moyennes de la salinité de l’eau de mer :  Océan Atlantique : 35 g/L ;  Mer Méditerranée : 38 g/L ;  Mer Rouge : 40 g/L et plus ;  Golfe Persique : 50 g/L et plus. 1.2. L e s 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 dissous sont le CaCO3, le CaSO4, le MgCO3 et le NaCl. Tableau 1 – Composition standard de l’eau de mer océanique Cations (mg/L) Anions (mg/L) Sodium..................... Magnesium.............. Calcium.................... Potassium................ Strontium................. 11 035 1 330 418 397 14 Chlorure ................... Sulfate ...................... Bicarbonates............. Bromures ................. Fluorures................... 19 841 2 769 146 68 1,4 Salinité totale ................................ 36,047 g/L 1.3. Critères de potabilité Dans la grande majorité des cas, l’eau est exclusivement destinée à la consommation humaine et doit donc être conforme à la réglementation des eaux potables. L’OMS classe les critères de potabilité d’une eau en cinq groupes. Ceux qui intéressent le producteur d’eau dessalée concernent : *L’aspect physique : température, limpidité, odeur, teneur en matières en suspension (MES) ; *Les caractéristiques chimiques : salinité, chlorures, pH, etc. 2. Les principales technologies de dessalement de l’eau de mer Les technologies actuelles de dessalement des eaux sont classées en deux catégories (figure 2), selon le principe appliqué : Les procédés thermiques faisant intervenir un changement de phases : la congélation et la distillation. Les procédés membranaires: l'osmose inverse et l'électrodialyse. Figure 2 : procédés de dessalement de l’eau de mer Quel que soit le procédé de séparation du sel et de l'eau envisagé, toutes les installations de dessalement comportent 4 étapes :  une prise d'eau de mer avec une pompe et une filtration grossière,  un prétraitement avec une filtration plus fine, l'addition de composés biocides et de produits anti-tarte,  le procédé de dessalement lui-même,  le post-traitement avec une éventuelle reminéralisation de l'eau produite. A l'issue de ces 4 étapes, l'eau de mer est rendue potable ou utilisable industriellement, elle doit alors contenir moins de 0,5 g de sels par litre. B. Dessalement de l’eau de mer par électrodialyse : 1. principe et définition On sait que lorsqu'on soumet un liquide contenant des espèces ioniques à un champ électrique grâce à deux électrodes plongées dans le milieu entre lesquelles on applique une DDP, les cations et les anions migrent respectivement vers les électrodes positives et négatives où ils se déchargent : il y a électrolyse. Si l'on place sur le trajet des ions une série de membranes permsélectives, les unes aux anions, les autres aux cations, alternativement, la migration est limitée dans les compartiments formés par cette série de barrières. Certains s'appauvrissant tandis que d'autres, dans le même temps, s'enrichissent en espèces ioniques. Ce procédé est appelé électrodialyse (par analogie à la dialyse qui se fait, ici, sous l'impulsion du champ électrique). Fondée sur les propriétés des membranes échangeuses d'ions homopolaires à ne transférer qu'un seul type d'ions, l'application d'un champ électrique perpendiculairement au plan des membranes permet donc d'extraire en partie ou en totalité les ions contenus dans un fluide et d'opérer ainsi une séparation espèces chargées/espèces neutres. Un schéma explicatif permet de mieux comprendre le phénomène et les flux de transfert qui agissent pendant l'électrodialyse (figure 3). Figure 3 : principe de dessalement d’une eau saline par électrodialyse Les membranes sélectives aux anions (MEA) et aux cations (MEC) sont disposées alternativement entre deux électrodes situées aux extrémités du module. Une cellule élémentaire est constituée de deux compartiments (1) et (2). Lors du passage du courant électrique i, les cations sont attirés par le pôle négatif : ils peuvent quitter (1) en migrant à travers la MEC mais sont piégés dans (2) à cause de la MEA. Les anions migrent en sens inverse. Donc, le compartiment (1) dans lequel arrive l'effluent brut s'appauvrit progressivement en espèces ioniques (la solution qui en résulte est appelée «dilué») tandis que le compartiment (2) s'enrichit en ces mêmes ions (concentré). Les espèces neutres présentes dans l'alimentation ne sont pas modifiées et se retrouvent dans le dilué. Les électrodes sont maintenues au contact de circuits indépendants seulement destinés à assurer la conduction électrique. Dans les installations industrielles, les empilements peuvent atteindre plusieurs centaines de cellules élémentaires dans des assemblages de type filtre-presse. 2.1. Membranes échangeuses d’ions : 2.1.1.Principe et définition: Une membrane échangeuse d’ions, appelée aussi membrane perméable aux ions ou membrane ionique, est constituée d’un matériau généralement macromoléculaire, plus ou moins réticulé en un réseau tridimensionnel insoluble dans l’eau, sur lequel sont fixés de façon covalente des groupements fonctionnels ionisés appelés aussi des ions fixes, neutralisés électriquement par des ions mobiles de signe opposé appelés ions compensateurs ou contre-ions. Ce sont les ions fixes qui sont à la base de la spécificité de la membrane ; s’ils sont de charge négative, la membrane sera sélective aux cations et est dite alors échangeuse de cations (MEC), dans le cas contraire il s’agit d’une membrane échangeuse d’anions (MEA). Les co-ions sont des ions ayant une charge de même signe que les sites fixes. Ils sont idéalement exclus des transferts au travers de la membrane. Les contre-ions et les co-ions sont les ions composants de l’électrolyte (figure 4). Figure 4 : représentation schématique d’une membrane échangeuse de cations Les groupes échangeurs les plus couramment utilisés dans les MEI sont regroupés dans le tableau 2 suivant : Type de membrane Nature du groupement ionique Caractère conféré à la membrane MEC Sulfonique - SO3 - Phosphorique - PO3 2- Carboxylique – COOArsenique -AsO3 Acide fort Acide fort Acide faible Acide faible MEA Alkylammonium - NR3+, NHR2+ , - NH2R + AlkylSulfonium - SR2+ Alkylphosphonium - PR3+ Vinylpyridinium - C5H4NH+ Base forte Base forte Base faible Base faible Tableau 2 :Principaux types des charges fixes utilisés dans les MEI Les groupes sulfoniques et ammoniums quaternaires confèrent à la membrane dans laquelle ils sont fixés un caractère respectivement acide et basique forts ; on peut admettre que leur dissociation est complète pour tout pH. Les membranes contenant les groupes carboxyliques et ammoniums secondaires ou primaires sont respectivement cationiques et anioniques à caractère acides faibles et basiques faibles. Les membranes d’électrodialyse sont surtout des membranes ioniques fortes. Suivant le type de sites échangeurs (de cations, d’anions ou des deux à la fois), on obtient différents types de MEI que l’on distingue comme suit : les membranes homopolaires et les membranes bipolaires. 2.1.2. Classification des membranes : Du point de vue propriétés on distingue deux types de membranes :  Les membranes échangeuses de cations qui sont perméable uniquement aux cations et dont le groupement fonctionnel est en général un groupement acide sulfonique (SO3 - ) ; par exemple, le copolymère styrène-divinylbenzène ammonium sulfoné ;  Les membranes échangeuses d’anions qui sont perméables uniquement aux anions et dont le groupement fonctionnel est un groupement ammonium quaternaire (NR3 + ) ; par exemple, le copolymère styrène-divinylbenzène ammonium quaternaire. Du point de vue fabrication on distingue deux types de membranes :  Les membranes hétérogènes sont élaborées à partir de particules colloïdales échangeuses d’ions, incorporées dans une résine phénolique ou un polymère (polystyrène ou polypropylène, par exemple).  Les membranes homogènes sont obtenues par polymérisation directe de monomères fonctionnels ou en fonctionnalisant des films de polymères, c’est-à-dire en y fixant des groupements fonctionnels, par voie chimique ou radiochimique. 2.1.3.Propriétés caractéristiques Que les membranes soient homogène ou hétérogène, elles doivent, pour être utilisées avec succès en électrodialyse, procéder les qualités principales suivantes : Le taux d’hydratation, ou gonflement, résulte d’un compromis entre l’accessibilité des sites échangeurs d’ions, d’autant plus élevée que le taux d’hydratation est important, et la résistance mécanique, d’autant plus grande que ce taux est faible. La résistance électrique de la membrane contribue à la consommation énergétique. Cependant, dans la pratique, cette contribution est négligeable. La capacité d’échange, exprimée en équivalents par gramme de matériau échangeur, est directement liée au nombre de sites échangeurs (groupements fonctionnels). La sélectivité est exprimée par le nombre de transport t, qui représente la fraction du courant transporté par une espèce i, (ti), ou par une famille d’espèces, les cations par exemple. 2.1.4.Membranes homopolaires Les membranes homopolaires ne contiennent qu'un seul site échangeur d'ions. Les membranes échangeuses de cations ou cationiques (MEC) contiennent des groupes fonctionnels chargés négativement tels que SO3-, COO-, PO32-, HPO2- et AsSO32-, tandis que les membranes échangeuses d'anions ou anioniques, (MEA) ne portent que des sites chargés positivement tels que NH3+, RNH2+, R2NH+, R3N+, R3P+, R2S+. Les différents groupes ioniques ont un effet sur la stabilité vu que certains seront dissociés sur tout le domaine de pH pendant que d'autres ne le seront qu'au-delà ou en deçà d'une limite donnée : ces membranes se comportent comme des acides et des bases, forts ou faibles. Les ions échangeables, les contre-ions, sont de signe opposé au groupe fonctionnel fixé sur le matériau et peuvent circuler de site en site. Les groupes fonctionnels sont appelés ions fixés : les ions de même signe, les co-ions, sont normalement rejetés de la membrane par répulsion électrostatique mais une forte concentration de la solution au contact de la membrane amène parfois certains d'entre eux à tout de même y pénétrer. 2.1.5.Membranes bipolaires Principe et définition : Une membrane bipolaire est constituée de trois couches : une face échangeuse de cations (EC), une face échangeuse d’anions (EA) et une interface hydrophile de jonction (figure 5). Sous l’effet d’un champ électrique dans des conditions spécifiques, l’eau contenue dans la membrane est dissociée en ions H+ et OH– . Les faces EC et EA sont disposées respectivement du côté de la cathode et du côté de l’anode, de façon à permettre le transfert des ions ainsi produits vers les solutions adjacentes. L’utilisation d’une membrane bipolaire permet donc de réaliser une titration physique, c’est-à-dire sans ajout d’acide ou de base. En effet, elle produit simultanément des ions H+, qui migrent à travers la face EC et provoquent une titration acide dans le compartiment proche de la cathode, et des ions OH–, qui migrent à travers la face EA et provoquent une titration basique dans le compartiment proche de l’anode. Les compartiments adjacents aux faces EA et EC sont donc appelés respectivement compartiments base et acide. Les MB peuvent être utilisées dans des motifs élémentaires de différentes configurations permettant, par association avec des membranes homopolaires, de réaliser diverses transformations. Propriétés caractéristiques Les caractéristiques principales sont directement liées au principe décrit précédemment :  perméabilité à l’eau élevée, afin d’entretenir la réaction de dissociation de l’eau ;  faible résistance des faces EC et EA au transfert des ions H+ et OH– produits ;  bonne sélectivité des faces EA et EC ;  bonne résistance aux pH extrêmes. Figure 5 : représentation schématique du fonctionnement d’une membrane bipolaire 2. La technologie d’un électrodialyseur : 3.1. Description générale Un électodialyseur est constitué par un empilement de membranes alternativement échangeuses d’anions et échangeuses da cations, séparées par des compartiments dans lesquels circulent les solutions salines. Cet empilement est serré entre deux presses, soit à l’aide des tiges filtrées et de boulons, soit à l’aide d’un vérin hydraulique. La (figure 6) représente une vue éclatée d’un électrodialyseur. La technologie est proche de celle de filtres-presses, notons que les termes « modules d’électrodialyse » ou « stack » sont souvent utilisés pour désigner l’électrodialyseur proprement dit. Un module d’électrodialyse peut être considéré comme une succession de cellules unitaires, une cellule unitaire étant l’ensemble constitué par :  Un compartiment de déminéralisation ;  Une membrane échangeuse de cations ;  Un compartiment de concentration ;  Une membrane échangeuse d’anions. Le nombre de cellules unitaires par module doit être assez élevé de manière, d’une part à minimiser les pertes d’énergie aux électrodes, et d’autre part à rendre l’installation la plus compacte possible. En général, le nombre de cellules unitaires est compris entre 100 et 500.La manière générale d’assemblage d’une cellule à électrodialyse est décrite comme suit : 1 : Bloc en polypropylène 7 : Cadre en acier 2 : Electrode 8 : Electrode 9 3 : Electrode chamber 9 : Entrée du concentrât 4 : Joint du spacer (PVC) 10 : Membrane échangeuse de cations 5 : Toile du spacer 11 : AAM 6 : Visses 12 : Entrée du diluât 13 : Entrée du concentrât Figure 6: technologie d’un électrodialyseur L’empilement des membranes peut se faire de deux facons soit verticalement soit horizontalement. La disposition verticale présente l’avantage de faciliter le dégazage éventuel des solutions (air, CO2) d’éviter un affaissement des membranes et permettre une bonne irrigation du module, toutefois, la disposition horizontale présente l’avantage de permettre des montages et des démontages de module beaucoup plus aisés (figure7). Figure 7 : les modules d’un électrodialyseur 3.2. Electrodes : Dans le cas le plus simple, un module est équipé de deux électrodes (une anode et une cathode) qui sont placée à chacune de ses extrémités. Mais il est possible, et parfois souhaitable, de placer à l’intérieur du module une ou plusieurs électrodes reliées chacune et alternativement à un pôle positif et négatif (branchement électrique parallèle). Ce système à multi-électrodes est utilisé :  Soit lorsque le nombre de cellules unitaires est trop élevé, de manière à diminuer la tension électrique aux bornes des modules ;  Soit lorsqu’on l’on veut faire travailler plusieurs paquets et membranes à des densités de courant différentes, ce qui permet d’améliorer les performances de l’appareil ;  Soit lorsque l’utilisateur possède un redresseur ayant une tension de sortie trop faible. Les matériaux constitutifs des électrodes sont, pour l’anode, le titane ou le tantale platinés, et pour la cathode, l’acier inoxydable. 3.3. Compartiment : Chaque module d’électrodialyse est caractérisé par le type de compartiment utilisé et, en particulier, par le système de distribution et de répartition du liquide entre les membranes. Il existe actuellement deux systèmes : écoulement labyrinthe et écoulement en nappe. Ecoulement labyrinthe : Ce système permet de faire circuler les liquides à des vitesses élevées (jusqu’à 70 cm/s) tout en maintenant entre les membranes une distances uniforme : toutefois, il a l’inconvénient de créer des pertes de charges élevées. Ecoulement en nappe : Ce système est constitué par un grillage plastique qui permet à la fois de soutenir les membranes et de créer une turbulence. Les vitesses de passage, toujours calculées pour un compartiment supposé vide, sont en général inférieures à 10 cm/s et très souvent de l’ordre de 6 à 8 cm/s. 3.4. Economie du procédé : Consommation d’énergie : Pour un module d’électrodialyse comportant un nombre élevé de cellules unitaires on peut négliger les pertes d’énergie aux électrodes et ne considérer que l’énergie dépensée par effet joule. La quantité d’électricité nécessaire pour extraire par électrodialyse ∆N (équivalent, g/m3 ) d’une solution saline est égale à : Avec : qi : quantité d’électricité nécessaire par mètre cube d’eau (Ah/m3) ; f : constante da Faraday = 26.8 Ah/équiv/g ; qi=∆N.f ŋ: rendement Faraday ; ∆N : quantité de sel à extraire (equiv.g/m3) L’énergie nécessaire pour le dessalement de 1 m3 d’eau aura pou valeur : Avec : Wél : énergie dépensée par électrodialyse (KWh/m3) U : différences de potentiel appliqué à chaque cellule unitaire (V). D’où : La consommation d’énergie est donc directement proportionnelle à la quantité de sel à éliminer. Application numérique : Cas de l’eau de mer à 35 g/l que l’on veut dessaler jusqu’à 0,5 g/l ∆N=1000 (0,6-0,005)=595 équiv.g.m-3 U=1,5 V ŋ= 0,8 D’où : Surface de membrane : L’intensité pour obtenir le transfert de Q∆N (équiv.g/h) est égale à : Avec : Q : débit du circuit de déminéralisation (m3 /h) ; I : intensité du courant (A) ; n : nombre de cellules unitaires ; Wél=U.qi/1 000 Wél=U. ∆N/37,3. ŋ Wél=1,5*595/37,3*0,8=30KWh.m -3 I=26,8.Q.∆N/n.ŋ ŋ : rendement de Faraday La surface totale de membrane nécessaire sera égale à : Avec : S : surface totale de membrane (m2 ) ; SMA : surface de membrane anionique (m2 ) ; SMC: surface cationique (m2 ) Or: Avec: I: densité de courant (mA/cm2); Q : fraction de membrane utile D’où: La surface totale de membrane nécessaire pour déminéraliser Q (m3 /h) de ∆N (equiv..g/m3 ) est donc égale à: Cette relation montre que la surface nécessaire pour une déminéralisation donnée est :  Inversement proportionnelle à la densité de courant ;  Directement proportionnelle à la quantité de sel à déplacer.