Chapitre I : REVUE DE LA LITTERATURE
1. Définitions des concepts
Pression Osmotique : La pression
osmotique définit le minimum de pression qui doit être
appliquée à une solution pour empêcher l'écoulement
vers l'intérieur de l'eau à travers une membrane
semi-perméable. Elle est également définie comme la mesure
de la tendance d'une solution à prendre de l'eau par osmose. Les valeurs
sont régies par le coefficient osmotique. L'osmose et les forces
osmotiques favorisent la diffusion des substances à travers la
membrane,
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en milieu interne, le solvant passant de la solution la moins
concentrée vers la plus concentrée. L'osmose implique une
pression osmotique, et l'osmose inverse implique une pression hydrostatique.
Le colmatage : ensemble des
mécanismes qui limitent le flux de perméation à travers
une membrane, il résulte de l'accumulation de macromolécules
à la surface ou à l'intérieur des membranes. (A.
Bouchoux, 2003)
2. Composition de l'eau
La composition chimique de l'eau varie
énormément d'une région à l'autre et pour une
même région d'une saison à l'autre. Ces variations
chimiques dépendent de plusieurs paramètres comme la
solubilité des sels constituant l'écorce terrestre (CaCO3, CaSO4,
MgCO3, NaCl), ainsi que de la composition physique des roches.
2.1. Espèce inorganique
? Constituants majeurs
Ce sont des composés ioniques, anions et cations, qui
proviennent de la dissolution des roches dans l'eau qui circule à leur
contact. Il s'agit des sels minéraux tel que : Carbonate de Sodium,
Carbonate de Calcium, Nitrate de Potassium, bicarbonate de sodium, ....
? Les éléments traces
métalliques
Les « éléments traces métalliques
» (ETM) sont définis comme les éléments
métalliques présents avec une concentration d'environ une partie
par billion (103 mg.kg-1) en masse, ou moins. Les principaux
éléments traces métalliques présentent dans l'eau
sont : Titane (Ti), Zinc (Zn), Nickel (Ni), Aluminium, (Al), Chrome (Cr),
Cadmium (Cd), Cuivre (Cu), Fer (Fe), Manganèse (Mn), Plombe (Pb),
Mercure (Hg).
? Les éléments nutritifs
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Ces éléments sont composés principalement
par le nitrate (NO3-) et l'ammoniac (NH4+), le phosphore
sous forme phosphate (PO43-) et le silicium tel que la silice
(SiO2).
2.2. Matières organiques
? Matières organiques dissoutes
La plupart du carbone organique dans l'eau est sous la forme
de matière organique dissoute et principalement de molécules
à faible poids moléculaire et d'origines diverses. La
concentration des matières organiques dissoutes et particulaires
dépend de type d'eau et sa profondeur : l'eau de mer surfacique a une
concentration plus élevée que l'eau en profondeur. On peut
trouver dix milliers de molécules différentes dans l`eau comme
les produits de dégradation de déchets végétaux,
produits de synthèse organique soluble, et matières
azotées. Le carbone organique dissous est un facteur important dans le
cycle du carbone et la chaine alimentaire. Il influence la
pénétration de la lumière, l'échange de gaz
à la surface.
? Matières organiques particulaires
C'est la matière en suspension et en émulsion,
elles peuvent être classifiées selon leur taille. Dans l'eau
surfacique, la plupart d'entre elles sont d'origine biologique. Les plus
petites particules (moins de 1 um jusqu'à quelques dizaines de um) se
composent de bactéries et d'autres détritus organiques fins, et
des particules inorganiques particulièrement des minéraux
d'argile et des composés hydratés insolubles tels que Fe(OH)3. La
gamme de taille allant de quelques dizaines à quelques centaines de um
comporte des grands détritus et des agglomérats fécaux,
produits de l'agrégation biologique (sable, boues, pétrole,
huiles, ...). L'eau contient également les gaz dessous ayant une grande
importance dans les phénomènes biologiques ainsi que chimique
(corrosion)
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3. Les paramètres d'évaluation de la qualité
de l'eau
3.1. Les paramètres organoleptiques
Les paramètres organoleptiques sont : la couleur,
l'odeur et la saveur. La couleur de l'eau résulte essentiellement de
particules colloïdales en suspension, peu ou pas décantables.
L'importance de la couleur est surtout d'ordre organoleptique,
c'est à dire capable de produire un effet sensoriel. Elle peut
être l'indice d'une pollution par diverses substances chimiques (Potelon
et al, 1993). Alors que l'odeur et la saveur sont dues à la
présence de matières organiques en décomposition (Rodier,
2009).
L'odeur a pour origine principale la présence de
substances organiques volatiles ou de certains gaz : d'origine biologique, les
odeurs révèlent la présence de microorganismes qui peuvent
signifier une augmentation de la concentration en germes pathogènes ;
elles peuvent aussi provenir de pollutions issues des activités humaines
(Potelon et al, 1993).
L'apparition de goût provient souvent d'une croissance
de microorganismes à l'intérieur du système de
distribution ou bien d'une contamination occasionnelle par les matériaux
utilisés pour la construction ou l'entretien du réseau (Potelon
et al, 1993).
3.2. Les paramètres physico-chimiques
La qualité d'une eau souterraine est
caractérisée par un certain nombre de paramètres physiques
et chimiques ;
? Le potentiel d'hydrogène (pH)
Par définition, le pH est égal au cologarithme de
l'activité des protons. pH = - log (H3O+)
Le pH de l'eau conditionne un grand nombre d'équilibres
physico-chimiques, en particulier l'équilibre calco-carbonique et donc
l'action de l'eau sur les carbonates (attaque ou dépôt). Le pH de
l'eau est acide dans les eaux des
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aquifères sableux ou granitiques, et alcalin dans les
calcaires Dans les eaux naturelles, le pH est corrigé selon le cas par
élimination du CO2 dissous en excès ou par correction de la
dureté carbonatée.
? La température
La température influe directement sur les réactions
chimiques, et particulièrement la dissolution des gaz et des sels dans
l'eau, cette solubilité diminue quand la température augmente.
Elle est étroitement liée au pH et à la
conductivité électrique.
? La conductivité
La conductivité électrique est l'aptitude d'un
matériau à laisser les charges électriques se
déplacer librement, autrement dit à permettre le passage du
courant électrique. Plus précisément dans le domaine de
l'eau, la conductivité électrique traduit la capacité
d'une solution aqueuse à conduire le courant électrique. Cette
notion est inversement proportionnelle à celle de la
résistivité électrique. L'unité de mesure
communément utilisée est le siemens par cm (S/cm), exprimé
souvent en micro siemens par centimètre (uS/cm). La conductivité
est directement proportionnelle à la quantité de solides (les
sels minéraux et non les matières organiques) dissous dans l'eau.
Ainsi, plus la concentration en solide dissout sera importante plus la
conductivité sera élevée.
? La dureté
La dureté d'une eau correspond à la somme des
concentrations en cations métalliques, excepté celles des
métaux alcalins et du proton. Elle est souvent due aux ions calcium et
magnésium. La présence de ces deux cations dans l'eau tend
souvent à réduire la toxicité des métaux. On
distingue :
o la dureté totale ou titre hydrotimétrique «
TH » qui est la somme des concentrations calcique et magnésienne
;
o la dureté calcique qui correspond à la teneur
globale en sels de calcium
o la dureté magnésienne qui correspond à la
teneur globale en sels de magnésium
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? L'alcalinité
L'alcalinité d'une eau est essentiellement due à
la présence de bases et de sels d'acides faibles. Dans les eaux
naturelles, l'alcalinité résulte le plus
généralement à la présence
d'hydrogénocarbonates, carbonates et hydroxydes.
o le titre alcalimétrique T.A. d'une eau correspond
à la somme des concentrations des ions carbonates (CO32-) et
des ions hydroxydes (OH-). T.A. = [OH-] +
[CO32-]
o le titre alcalimétrique complet T.A.C rend compte de la
concentration d'une eau en ions carbonate CO32- et en ions
hydrogénocarbonate HCO32-
T.A.C. = [OH-] + [CO32-] +
[HCO3-]
Le T.A. et le T.A.C. s'expriment en milliéquivalent par
litre (meq/L) ou mol/ L. ? Les matières en
suspension
Les matières en suspension comprennent toutes les
matières minérales ou organiques qui ne se solubilisent pas dans
l'eau. Elles incluent les argiles, les sables, les matières organiques
et minérales de faible dimension, microorganismes de l'eau. La
quantité de matières en suspension varie notamment selon les
saisons et le régime d'écoulement des eaux. Ces matières
affectent la transparence de l'eau et diminuent la pénétration de
la lumière. La teneur en MES sont exprimées en mg/l.
? Les teneurs
Les eaux douces sont majoritairement constituées
d'anions et de cations : les ions bicarbonates, chlorures, nitrates, sulfates,
phosphates, calcium, magnésium, potassium et sodium (BANTON et al,
1997). Il y a aussi des oligoéléments comme le fer, le
manganèse, le zinc, le fluor... Les contaminants chimiques de l'eau
(arsenic, plomb...) peuvent à long terme engendrer des
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maladies cancérigènes (OMS, 2006). Le suivi de
la qualité physico-chimique de l'eau destinée à la
consommation est nécessaire pour s'assurer que leurs teneurs respectent
les directives de l'OMS.
3.3. Les paramètres microbiologiques
Une eau destinée à la consommation ne doit
contenir aucune bactérie. Dans le cas contraire, des critères
permettent de fixer la quantité limite de ces organismes à
tolérer dans l'eau. Pour l'analyse microbiologique, les experts se
basent essentiellement sur des bactéries spécifiques qui
représentent des indicateurs de contamination fécale. En un
premier temps, elles se retrouvent en proportion élevées dans les
selles des animaux à sang chaud. Ceux-ci, au vu de leur contact
permanent avec les sources d'eau, se révèlent comme de
véritables vecteurs de grave contamination. La présence de ces
bactéries dans une eau suppose donc que celle-ci ne peut se consommer
sans risque de maladie. En exemple, l'Escherichia coli ou les coliformes
thermotolérants paraissent comme les plus faciles à
repérer et en même temps les plus virulents. En bref, une eau
potable doit rester exempte de ces organismes. Les experts peuvent
également rechercher des entérocoques ou des spores de
clostridium perfringens pour parfaire leurs études.
4. Procédés de traitement de l'eau par osmose
inverse 4.1. Généralités sur les procédés
membranaires
4.1.1. Principe de filtration par membrane
La membrane est définie comme une barrière
séparant deux compartiments et permettant le passage
préférentiel d'au moins une espèce parmi les autres sous
l'action d'une force de transfert chimique (concentration ...) ou physique
(pression). En général, les constituants qui sont plus petits que
les pores de la membrane sont capables de passer à travers sous l'effet
d'une pression appliquée tandis que les substances et les
molécules de taille plus importante sont retenues. La technologie de la
filtration sur membrane peut être appliquée pour la
séparation fluide / fluide ou particules / fluide en vue de
récupérer les
espèces valorisables (eau, lactose, sels
minéraux...). Les membranes ont des structures poreuses ou denses
permettant de laisser passer de manière sélective les composants
d'une solution sous l'action d'une différence de pression entre l'amont
et l'aval de la membrane. Deux fractions sont obtenues : le rétentat, en
amont de la membrane, qui contient les éléments retenus par la
membrane, et le perméat, en aval, qui contient les
éléments qui ont traversé la membrane. Les performances
d'une membrane sont définies par sa sélectivité et sa
perméabilité. Les membranes utilisées dans les
procédés de séparation membranaire sont
caractérisées par le diamètre des particules ou la masse
molaire d'une molécule qui est retenue par la membrane. Les
composés ayant une masse molaire supérieure au seuil de coupure
de la membrane sont retenus à plus de 90 % par la membrane. A l'inverse,
les composés de masse molaire inférieure au seuil de coupure de
la membrane sont retenus à moins de 90%. Le SC (seuil de coupure) est
relié principalement à la taille des pores de la membrane, mais
il est aussi beaucoup influencé par la forme de la molécule
à filtrer, par sa charge, par son degré d'hydratation, parle pH
et la force ionique de la solution à filtrer, par la
pression appliquée et le flux de perméation.
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Figure 3: Schéma du mécanisme de
filtration sur membrane (Greenlee et al. 2009 Dow Water & Process
Solutions)
Le résultat d'une opération de filtration
membranaire est la séparation du fluide à traiter en deux parties
de concentrations différentes :
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? Le retentât qui contient les molécules ou
particules retenues par la membrane
? Le perméat qui contient les molécules qui
traversent la membrane.
Les procédés de séparation membranaire
regroupent un grand nombre de techniques permettant de réaliser des
séparations en phase liquide ou gazeuse sous l'action de diverses forces
de transfert.
4.1.2. Les techniques membranaires à gradient de
pression
Elles reposent sur une différence de pression totale
de part et d'autre de la membrane, appelée pression transmembranaire.
Ces procédés membranaires barométriques, peuvent
être classifiés en fonction de la membrane utilisée et du
seuil de coupure en microfiltration, ultrafiltration, nanofiltration, et osmose
inverse comme présenté sur la figure 2.
Figure 4: Classification des
procédés barométriques membranaires selon la taille (Ouali
M S. (2001))
La microfiltration, l'ultrafiltration et nanofiltration mettent
en jeu des membranes possédant une structure poreuse tandis que les
membranes d'osmose inverse sont des matériaux denses.
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s La microfiltration
Elle est définie comme un procédé de
séparation solide / liquide. Avec une taille des pores variant de 0,1
à 5 um et une pression transmembranaire requise de 1 à 10 bars
(Cui et al., 2010), la MF est principalement utilisée pour la
séparation des solides en suspension dans l'eau. Cette séparation
se fait par tamisage à travers les macropores de la membrane (Judd,
2011). Le mécanisme est basé exclusivement sur l'effet tamis
(taille) et rend possible la rétention de particules en suspension ou de
bactéries dont la taille se situe entre 0.1 et 10 um. Les pressions
appliquées sont de quelques dixièmes de bar pour éviter un
colmatage important.
s L'ultrafiltration
L'UF est caractérisée par une taille de pores
des membranes comprise entre 1 à 100 nm et des pressions
transmembranaires comprises entre 1 et 10 bars (Cui et al., 2010). Elle est
utilisée pour la séparation des solutés de poids
moléculaire compris entre 500 et 100.000 Daltons tels que les
colloïdes (protéines), les petites molécules
(polysaccharides), etc. La séparation se fait essentiellement par «
tamisage » (effet stérique) à travers les mésopores
(Cui et al., 2010 ; Judd, 2011).
s La nanofiltration
Pour traiter des espèces de taille inférieur
à 2 nm (sucre, colorant, sels ) elle
se situe à la transition entre l'osmose inverse et
l'ultrafiltration La NF est caractérisée par un poids
moléculaire de coupure de 100 à 500 Daltons, une taille de pores
des membranes comprise entre 0,5 à 10 nm et des pressions
transmembranaires atteignant 30 bars (Cui et al., 2010). La séparation
par cette membrane se fait grâce à la combinaison rejet
électrostatique, solubilité-diffusion et « tamisage »
à travers des micropores (Judd, 2011).
s L'osmose inverse
L'OI retient les solutés tels que les sels et les
acides aminés de poids moléculaires inférieurs à
1000 Daltons (Charcosset, 2012). Sa taille de pores est
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inférieure à 0,5 nm et la pression
transmembranaire peut atteindre les 100 bars (Cui et al., 2010). La
séparation se fait grâce à la différence de
solubilité et au taux de diffusion du solvant et du soluté dans
la membrane (Judd, 2011). L'OI est généralement utilisée
pour le dessalement et la production d'eau pure. Il utilise des membranes
denses. La pression appliquée doit être supérieure à
la pression osmotique exercée en amont de la membrane par la solution
filtrée pour observer un flux de perméat à travers la
membrane. Les pressions appliquées varient de 20 à 80 bars.
4.1.3. Nature chimique des membranes
Les membranes utilisées dans les
procédés de filtration peuvent être classés selon
leurs natures chimiques en différents types :
? Les membranes organiques sont généralement
constituées à partir de polymères, dont l'acétate
de cellulose (CA), le polyamide (PA), le polysulfone (PS), le
polyéthersulfone (PES), le polyfluorure de vinylidène (PVDF),
polypropylène (PP), etc. (Cui et al., 2010 ; Charcosset, 2012).
Les membranes polymériques sont relativement moins onéreuses,
faciles à fabriquer, disponibles dans une large gamme de tailles de
pores ; et elles ont été largement utilisées dans diverses
industries. Néanmoins, la plupart des membranes polymériques ont
des limites sur une ou plusieurs conditions de fonctionnement (le pH, la
température, la pression ou la tolérance au chlore, etc.) qui
entravent une plus large application. Par exemple, l'acétate de
cellulose est le matériau classique généralement
utilisé pour produire la peau des membranes. Cependant, il
présente de nombreux inconvénients tels qu'une température
maximale d'exploitation basse (30 - 40 °C), une faible résistance
chimique avec une étroite gamme de pH (2 - 8, de
préférence 2 - 6) et une faible tolérance au chlore (moins
de 1 mg/L de chlore libre) (Cui et al., 2010).
? Les membranes inorganiques ont été
commercialisées depuis le début de l'année 1980. Elles
sont d'un grand intérêt en technologie membranaire grâce
à leur forte résistance mécanique et chimique et à
leur stabilité thermique par rapport à la plupart des membranes
polymériques (Cui et al., 2010 ; Charcosset, 2012). Les
membranes inorganiques (telles que y-
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alumina/á-alumina, verre borosilicaté, carbone
pyrolysé, zircone/acier inoxydable ou zircone/carbone) ont une forte
tolérance aux conditions opératoires extrêmes (Cui et
al., 2010). Des températures opératoires de plus de
500°C et des valeurs de pH extrêmes (1 et 14) peuvent être
atteintes (Charcosset, 2012), tout en ayant une grande valeur limite de
pression opératoire et une longue durée de vie (Cui et al.,
2010). De plus, les membranes inorganiques peuvent être
nettoyées avec des produits chimiques agressifs, des solvants organiques
ou par un courant d'eau chaude (Charcosset, 2012). Cependant, les membranes
inorganiques sont très fragiles mécaniquement(cassantes), ainsi
les membranes peuvent être facilement endommagées. En outre, il
existe actuellement uniquement des membranes céramiques
d'ultrafiltration et de microfiltration (Cui et al., 2010). Aussi, il faut
noter que le coût est un grand désavantage dans l'application des
membranes inorganiques. En effet, elles sont de loin plus chères que les
membranes organiques.
? Les membranes composites : Elles sont
créées à partir des deux types précédents.
Il s'agit de membranes minérales sur lesquelles on dépose des
polymères ou sur lesquelles on greffe d'autres composés tels que
des silanes. Elles possèdent donc des propriétés qui sont
un compromis entre les membranes organiques et inorganiques.
4.1.4. Structure des membranes
? Les membranes symétriques ont une structure
homogène (taille des pores uniforme) sur toute l'épaisseur de la
membrane. Parmi les membranes isotropiques on distingue :
o Membranes poreuses
La porosité d'une membrane est définie comme
étant le rapport du volume des espaces vides sur le volume total de la
matrice. La structure et la fonction d'une membrane poreuse est très
similaire à celle d'un filtre classique (diamètre de pore
supérieur au micron). Elle a une structure rigide avec un grand nombre
de pores interconnectés distribués aléatoirement et de
petite taille (0,01 à 1 micron). Les particules de taille plus grosses
que les pores sont toutes retenues, celles de
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taille intermédiaire sont partiellement retenues et les
particules de petites tailles passent quasi totalement (Satinder Ahuja, 2003).
La séparation de soluté par les membranes poreuses se fait
principalement en fonction de la taille des molécules et de la
distribution de taille des pores ; et donc seulement les solutés qui
diffèrent significativement en taille peuvent être
séparées, comme c'est le cas en microfiltration et en
ultrafiltration. Il existe plusieurs variétés de membranes
poreuses : - membranes microporeuses : diamètre des pores
inférieur à 2 nm ; - membranes mésoporeuses :
diamètre des pores compris entre 2 et 50 nm ; - membranes macroporeuses
: diamètre des pores supérieur à 50 nm. Le
mécanisme de transfert de matière sous l'effet de la pression est
exclusivement convectif pour le solvant, celui-ci n'entraîne avec lui que
les espèces dont la taille est plus petite que celle des pores (effet
tamis).
o Membranes denses
Lorsque les interstices entre les constituants de la matrice
membranaire ont une taille voisine de celle d'un ion solvaté, la
membrane est qualifiée de dense. Cette membrane consiste en un film
dense à travers lequel le perméat est transporté par
diffusion sous l'effet d'un gradient de pression, de concentration ou de
potentiel électrique. La séparation des composés d'un
mélange est directement reliée à leur diffusivité
et leur solubilité à travers la membrane. Ainsi, une membrane
dense peut séparer des composés de taille voisine si leur
solubilité (concentration dans la membrane) diffère. Dans une
membrane dense, lorsque les pores se réduisent aux espaces libres
situés entre les chaines de polymères, leur taille est voisine de
celles des molécules organiques simples ou des ions hydratés.
L'effet tamis devient donc négligeable.
o Membranes échangeuses d'ions
Les membranes échangeuses d'ions sont des membranes
denses ou poreuses portant des charges. La membrane porte des ions fixes, qui
peuvent être positivement ou négativement chargés. Lorsque
les ions positifs sont fixés sur la membrane, on parle de membrane
échangeuse d'anion. Lorsque les ions de charge négatifs sont
fixés, on parle de membrane échangeuse de cation. La
séparation par une membrane électriquement chargée est
réalisée par la taille pore de la membrane aussi bien que par
l'exclusion de co-ions (ions de même
charge que la charge fixe de la membrane) (Satinder Ahuja,
2003). Les membranes échangeuses d'ions sont généralement
utilisées dans les techniques de dialyse ionique,
d'électrodialyse, depiézodialyse, etc.
? Les membranes asymétriques
(anistropiques) :
Ces membranes sont formées d'une couche de surface
très fine (la peau) déposée sur un support poreux plus
épais (le corps de la membrane). La peau est très mince (0,1
à 1 um d'épaisseur) et représente la couche active de
filtration et le support a une épaisseur 0,1 à 1 mm (Satinder
Ahuja, 2003). Cette structure est obtenue soit à partir de plusieurs
matériaux polymères ou soit à partir d'un processus
d'inversion de phase (Nunes & Peinemann, 2001). La plupart des membranes
d'ultrafiltration, de nanofilration et d'osmose inverse sont de structure
asymétrique, tandis que la plupart des membranes de microfiltration sont
de structure microporeuse. Un exemple bien connu de membrane asymétrique
est la membrane composite dont le développement a permis d'atteindre des
taux de transport élevés.
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Figure 5: Description des différents
types de membrane (Baker, 2004)
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4.1.5. Mécanismes de transfert de matière
Lors de la filtration par des membranes d'osmose inverse et de
nanofiltration plusieurs phénomènes de transport et de
sélectivité interviennent. Les principaux mécanismes de
transfert sont de types physiques, chimiques et électrochimiques
:
? Une séparation sur la différence de taille :
effet stérique,
? Une séparation sur la différence de
solubilité et de diffusion des espèces :
mécanisme de solubilisation - diffusion, dont toutes
les espèces moléculaires(solutés et solvant) se dissolvent
dans la membrane et diffusent à l'intérieur de celle-ci sous
l'action d'un gradient de concentration et de pression,
? Une séparation sur la différence de charges
des espèces à séparer : effet électrochimique
5. Osmose inverse
5.1. Principe de l'osmose inverse
L'osmose est le transfert de solvant à travers une
membrane sous l'effet d'un gradient de concentration. Considérons un
système de deux compartiments séparés par une membrane
semi-perméable sélective et contenant deux solutions de
concentrations différentes (figure 6). Le solvant
(généralement l'eau) s'écoule à travers la membrane
du compartiment de la solution moins concentrée vers le compartiment
contenant la solution la plus concentrée, c'est le
phénomène d'osmose. Si on applique progressivement une pression
sur le compartiment de la solution la plus concentrée, le flux d'eau qui
traverse la membrane va diminuer, puis s'annuler quand la pression
appliquée atteindra à la pression osmotique. Si on applique une
pression supérieure à la pression osmotique, l'eau va traverser
la membrane dans le sens inverse du flux osmotique, c'est le
phénomène d'osmose inverse.
Figure 6: Principe de l'Osmose et de l'osmose
inverse
5.2. Pression Osmotique
La pression osmotique peut être calculée par la
loi de Van't Hoff qui stipule que la
pression osmotique exercée par un soluté est
égale à la pression que ce corps aurait exercé dans
l'état gazeux parfait dans le même volume (V) et à la
même température (T). Si le soluté est dissocié en n
ions, la pression osmotique sera n fois supérieure. La
pression osmotique d'une solution est proportionnelle à la concentration
en solutés.
?? = ??.??.??.??
Avec :
?? : Pression osmotique (bar)
n : Nombre d'ions dissociés dans le cas d'un
électrolyte
C : Concentration molaire (mol.l-1)
R : Constante des gaz parfaits (0,082
l.bar.mol-1K-1)
T : Température absolue (Kelvin).
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5.3. Description générale du processus de
traitement de l'eau par osmose inverse
5.4. Membranes et modules d'osmose inverse
Les membranes d'osmose inverse utilisées sont
constituées d'une superposition de plusieurs couches de polymères
(membranes composites) souvent de polyamide. Les autres matériaux
constituant le support n'interviennent pas dans
Figure 7: Structure interne d'une membrane
le procédé. La séparation des
espèces dissoutes est due principalement aux propriétés
chimiques du polymère de surface. Les membranes de séparation
sont insérés dans un dispositif appelé module afin
d'obtenir un espace d'échange plus important. Un certain nombre de
modules (6 au niveau de Cevital) disposées selon divers arrangements
forme une unité ou une vicelle. Dans chaque module spiral, les membranes
sont enroulées autour d'un tube central destiné à
collecter le perméat. La solution à filtrer circule
parallèlement au tube central dans les espaces ménagés
entre les deux faces actives des membranes par des espaceurs (écoulement
tangentiel). Les tubes de pression sont raccordés entre eux par des
connecteurs, dont le taux de conversion est fonction du nombre de modules
placés en série
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6. Caractéristiques principales d'une unité
d'osmose inverse
La performance des procédés membranaires est
directement associée à toutes les propriétés de la
membrane. L'information sur la structure chimique de la membrane, ses
propriétés de perméabilité, sa taille de pore, la
forme et la distribution ainsi que ses propriétés de surface sont
importantes pour les fabricants et les utilisateurs de la membrane.
6.1. Taux de conversion
Le taux de conversion d'un osmoseur est défini par le
ratio entre le débit d'eau déminéralisée produite
(perméat) et le débit d'eau d'alimentation. Le débit du
perméat est notamment fonction de la pression d'eau appliquée, de
la température et de la minéralisation d'eau à traiter. Le
débit du rejet, le concentrât est à régler par une
vanne à pointeau ou capillaire, de manière à obtenir le
taux de conversion souhaitée.
Pour optimiser la durée de vie d'une membrane d'osmose
inverse, le ratio entre le perméat et le débit d'alimentation
doit être de l'ordre de 1 : 5. Ainsi 20% de l'eau d'alimentation
transformée en eau déminéralisée, le reste, soit
80% correspond au concentrât rejeté. Dans ce cas, 4 litres d'eau
sont rejetés pour en produire 1.
Afin de limiter la consommation d'eau, le taux de conversion
des osmoseurs de petites capacités est augmenté par une
augmentation du débit de rejet, même si cela réduit la
durée de vie de la membrane. C'est le cas par exemple pour les
ménages.
Dans le cas d'osmoseurs professionnels produisant des volumes
d'eau déminéralisée important, le ratio entre le
débit de production et celui de l'alimentation de la membrane est
maintenu à environ 20%. Cependant, le flux d'eau du concentrât est
réinjecté dans le flux d'alimentation.
6.2. Sélectivité
Une membrane retient des solutés selon :
? leur taille : c'est l'effet stérique qui
résulte de la structure « tamis » du matériau
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? leur charge : une membrane peut être chargée
générant ainsi des interactions électrostatique avec des
composés chargés
? leur hydratation : dans le cas de petit soluté le
cortège d'eau d'hydratation qui l'entoure peut participer à la
rétention
Dans le cas d'une rétention stérique, il est
possible d'estimer à partir de considérations basées sur
l'écoulement du solvant et du soluté dans un pore de rayon, rs,
de définir le taux de rejet par la loi de Ferry :
????
?? = 1 - = (1 - (1 - A)2)2
????
Où A = r??est le rapport du
rayon du soluté sur le rayon du pore. L'évolution du r??
taux de rejet de l'eau en fonction de A selon cette relation
est représentée sur la figure.
Figure 8:Evolution du taux de rejet en
fonction du ratio rayon de soluté/ rayon du pore (Patrice Bacchin,
2008)
Une membrane n'est donc pas un séparateur
séparant « parfaitement » les espèces par taille : le
transfert d'un soluté deux fois plus petit que le pore est réduit
de 40 %. Il faut, pour en rajouter encore sur « l'imperfection » des
membranes, garder à l'esprit qu'une membrane possède une
distribution de taille de pore ! Les conditions opératoires, et plus
particulièrement le flux, ont un effet important sur le taux de rejet.
En effet, le taux de rejet observé
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expérimentalement est défini par rapport
à la concentration en solution C0 (Patrice Bacchin, 2008).
C??
R= 1- Co
Où C0 est la concentration de l'espèce à
retenir dans la solution et Cp est la concentration de la même
espèce dans le perméat.
6.3. Débit spécifique (densité du flux
volumique)
Il s'agit du flux de perméation c'est-à-dire la
productivité du procédé défini par
le débit de perméation, Qp, divisé par la surface
membranaire. Il représente aussi la vitesse du fluide perpendiculaire
à la surface de la membrane. Il s'exprime par :
??
J = s Il s'exprime en
L.h-1.m-2
7. Limitation de l'osmose inverse
7.1. Le Colmatage
L'un des principaux facteurs qui limitent l'utilisation des
membranes dans presque toutes les applications est le colmatage (Charcosset,
2012). Le colmatage est généralement défini comme un
processus résultant à une chute des performances (diminution de
flux de filtrat et/ou de la sélectivité) d'une membrane en raison
du dépôt de matières en suspension ou dissoutes sur sa
surface extérieure (Cui et al., 2010) ou à l'intérieur des
pores de la membrane (Fane et al., 2011). C'est une modification
réversible ou irréversible de la membrane provoquée par
des interactions physiques et/ou chimiques entre la membrane et les composants
présents dans les solutions d'alimentation (Charcosset, 2012). Cette
modification nécessite un nettoyage ou le remplacement de la membrane et
ne peut généralement pas être résolue simplement en
arrêtant le processus de filtration. Selon Cui et al. (2010), plusieurs
paramètres peuvent influencer le degré d'encrassement d'une
membrane : (1) la nature et concentration des solutés et des solvants,
(2) le type de membrane, (4) la distribution de la taille des pores, (5) les
caractéristiques de la surface et des matériaux membranaires
et (6) l'hydrodynamique du module. Le colmatage peut
être lié à différents modes tels que l'adsorption,
la formation de gâteau et le blocage des pores par des particules. Ces
mécanismes peuvent conduire à l'obstruction ou au blocage partiel
de la zone active de la membrane ou au dépôt d'une couche sur la
surface de la membrane (Cui et al., 2010 ; Charcosset, 2012).
Généralement, quatre mécanismes de colmatage des membranes
poreuses peuvent être observés comme l'indique la figure 2.8 (Cui
et al., 2010).
Selon la nature des éléments colmatant, le
colmatage peut être classé en tartre (précipitation des
sels solubles), en colmatage colloïdal, en colmatage organique et en
bio-colmatage (formation de biofilm) (Fane et al., 2011). L'effet net du
colmatage est soit la réduction du flux d'eau à pression
constante appliquée ou l'augmentation de la PTM pour maintenir un flux
constant d'eau. Dans les deux cas, la demande d'énergie pour traiter une
unité de volume d'eau peut être augmentée de manière
significative. Il est donc nécessaire d'effectuer un nettoyage
approprié de la membrane encrassée afin de retrouver ses
caractéristiques initiales. L'élimination des
éléments colmatant des membranes peut se faire par nettoyage
physique (ou mécanique) et/ou par l'utilisation d'une solution de
nettoyage spécifique contenant des détergents appropriés
et/ou des produits chimiques (acides et bases) (Charcosset, 2012).
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Figure 9: Mécanisme simplifié du
colmatage des membranes poreuses
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7.2. Polarisation de concentration
La polarisation de concentration est liée à
l'accumulation des solutés totalement ou partiellement retenus à
la surface amont de la membrane (Van Reis & Zydney, 2007). En effet, la
concentration en soluté à proximité de la surface de la
membrane est généralement plus élevée que la
concentration au coeur de la solution en raison de la rétention des
solutés par la membrane. Le gradient de concentration au voisinage de la
surface de la membrane conduit à une rétrodiffusion des
molécules de soluté vers le coeur de la solution. Lorsque la
rétrodiffusion s'équilibre avec le transport convectif des
solutés vers la membrane, un profil de concentration de polarisation
constante est établi (figure 2.9) (Fane et al., 2011). C'est une
conséquence naturelle de la sélectivité de la membrane et
correspond à la limite de transfert de masse. Si la force motrice est
stoppée, la perméation cesse, et le phénomène de
polarisation de concentration disparaît (Cui et al., 2010).
Figure 10:Phénomène de
polarisation de concentration sur une membrane
8. Estimation du potentiel de colmatage
Différentes méthodes d'évaluation du
potentiel de colmatage d'une eau ont été
développées. La plus utilisée est le Silt Density Index
(SDI).
SDI (Silt Density Index)
Le SDI est considéré comme un paramètre
représentatif du potentiel de colmatage d'une eau brute d'alimentation
dans un procédé d'osmose inverse. Un essai de SDI consiste en la
filtration d'un échantillon d'eau à travers une membrane de 0,45
um (microfiltration) de surface filtrante 1,73×10-4 m2 à
une pression transmembranaire constante de 2,07 bar. Le SDI est
déterminé par une comparaison des temps de filtration, t1 et t2,
nécessaires pour obtenir un volume de filtration fixe respectivement au
temps 0 et après un temps t.
SDIt =
t
(i - ti
t??) * i00
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Avec :
SDI Silt Densité Index
(%min-1)
t1 temps initial pour filtrer un échantillon de
500 ml (sec) t temps après le départ de la mesure
(min)
t2 temps pour filtrer un échantillon de 500 ml
après le temps T (sec)
Le SDI15 (t = 15 minutes) est défini par l'ASTM comme
le temps nécessaire pour des essais précis et normalisés.
Néanmoins, des temps (t) plus faibles (3,5 et 10 minutes) sont
utilisés dans la pratique afin d'éviter un colmatage important et
un flux trop faible. Le SDI peut être considéré comme un
outil pour caractériser une fraction particulaire de l'eau et permettre
de comparer des eaux entre elles plus que de caractériser le colmatage
d'une membrane d'osmose inverse. En effet, on peut remarquer qu'il n'utilise
pas une membrane d'osmose inverse. De plus, la pression utilisée pendant
ce test est très inférieure à la pression utilisée
pendant l'opération d'osmose inverse. Le pouvoir de colmatage est donc
différent. Enfin, les essais de SDI sont effectués en mode
frontal et pas en tangentiel comme l'osmose inverse, le flux du perméat
est beaucoup plus élevé. Toutefois, malgré toutes les
limites posées par ce test, c'est celui qui est encore utilisé en
routine par les traiteurs d'eau. On considère généralement
que le SDI15 de l'eau d'alimentation doit être inférieur à
4 en osmose inverse. Les prétraitements sont mis au point pour amener le
SDI de l'eau en deçà de cette valeur.
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