osmose inverse déminéralisation totale sur résines échangeuses d'ions www.detrigne.com

L'osmose inverse est un procédé qui a pour but la production d'eau déminéralisée destinée à divers usages dans le milieu industriel ou chez les particuliers.

De nombreux fabricants de postes d'osmose inverse existent sur le marché mondial.

L'expérience et les considérations techniques suivantes permettront de mieux comprendre le phénomène à la base du processus dit "d'osmose inverse".

Quand l'on met de l'eau dans deux capacités séparées par une membrane semi-perméable, le niveau, dans chacune des capacités, est identique, comme schématisé ci-dessous.

Une membrane semi-perméable a pour propriété de bloquer les sels contenus dans l'eau, en ne leur permettant pas de migrer à travers elle.

Par contre, si de part et d'autre de cette même membrane, l'on met des eaux de qualités salines différentes, l'eau sans salinité ( en tant que solvant) migrera de la capacité où la concentration est la plus faible, vers celle où la concentration saline est la plus élevée. Il se produira alors une différence de niveau comme schématisé ci-après, donc il apparaitra une différence de pression appelée "pression osmotique". La valeur de cette pression est donnée par la formule de Van't Hoff :

Compte tenu de ces observations de base, si l'on exerce dans la capacité la plus saline, une pression supérieure à la pression osmotique, l'on inverse le phénomème et l'on crée une migration de la partie solvant de la solution saline, c'est à dire de l'eau sans salinité, autrement dit de l'eau "désalée", vers la capacité de concentration la plus faible: ceci constitue l'osmose inverse.

Les membranes sont dites semi-perméables; elles laissent passer l'eau et retiennent plus de 90 % des sels et éléments organiques dissous. Elles retiennent également toutes les matières colloïdales et ce qui est intéressant les bactéries et certains virus. Elles sont définies au niveau de leur aptitude au colmatage par le SDI.

Le passage en sel ( P.S) des membranes est le paramètre donnant la fuite de minéralisation de la membrane de l'eau salée vers l'eau dessalée. Une membrane qui retient 96 % de la salinité d'une eau a un passage en sel de 4 %.

Les fabricants de membranes donnent des caractéristiques précisent des produits qu'ils mettent sur le marché.

Les membranes sont généralement constituées de fibres de polyamides, d'acétate de cellulose etc.

Compte tenu de la surface importante de l'interface eau salée / eau dessalée, les membranes sont sous formes de spirales et les corps d'osmoseurs sont des cylindres horizontaux dans lesquels les spirales enroulées de membranes sont placées. La technologié des membranes, des matériaux d'espacement dans l'enroulement, de la collecte de l'eau osmosée fait l'objet de technologies propres aux fabricants.

Un prétraitement de l'eau à osmoser est souvent necessaire pour éliminer toutes les impuretés (MES) que l'eau peut contenir et qui peuvent encrasser les membranes.

Les membranes d'osmose inverse sont disponibles sous différentes qualités de constitution et sous différentes formes: Membranes planes, membranes sous forme de tubes à grand diamètre, membranes en fibres creuses.

Les premières membranes d'osmose inverse ont été fabriquées à partir d'acétocellulose ( bonne rétention en sels) . Le problème posé par ces membranes est leur stabilité; elles doivent être utilisées dans une gamme de pH relativement limitée ( 4 à 6 ) et à une température inférieure à environ 30°C. A une température supérieure, une hydrolyse peut avoir lieu et conduit à une diminution du taux de rétention des sels. Ce type de membrane est également attaquable biologiquement, ce qui n'est pas un problème puisque le matériau constitutif est chlororésistant. Ceci permet de travailler en dessalement avec des eaux légérement chlorées.

Le gros avantage des membranes en acétocellulose est leur faible prix par rapport aux autres types produits sur le marché.

Une société d'outre atlantique a développé des membranes de type "à fibres creuses", qui servent essentiellement à des installations de dessalement d'eau de mer.

Dans la littérature, l'on trouve le chiffre d'un tiers des installations équipées de ce type de membranes.

Les membranes en polyamides aromatiques résistent mal au chlore, mais bien aux attaques bactériennes. La gamme de pH pour laquelle elles peuvent être utilisées est intéressante puisque de 4 à environ 8,5; température d'eau recommandée < 35°C.

La figure de gauche montre le plus simple des schémas, c'est à dire l'installation des corps d'osmoseurs ( modules) en parallèle; la figure de droite figure un montages des modules en série.

Pour l'obtention d'eau de haute qualité ( de forte résistivité ), des montages en série à 2 étages - ou plus - sont mis en oeuvre.

Applications de l'osmose inverse:

Les applications sont nombreuses: alimentation en eau potable quand il n'y a à disposition que des eaux saumâtres, eau industrielle , dessalement d'eau de mer.

L'aspect économique, c'est à dire le coût de la production d'eau dessalée par osmose est un facteur déterminant dans le choix d'un type de traitement, quand ce choix est possible.

Il convient de faire le bilan technico-économique préalablement à un choix et le procédé semble assez bien placé par rapport à certains autres traitements traditionnels.

Le procédé le plus répandu dans l'industrie pour obtenir de l'eau déminéralisée est celui qui consiste à faire passer de l'eau sur des résines échangeuses d'ions, lesquelles bloquent les anions et les cations contenus dans cette eau en les remplaçant par des ions OH^-et H ⁺.

L'opération se passe en deux phases:

1/ Fixation des cations sur une charge de résines dites "cationiques" avec permutation en ions H⁺

2/ Fixation des anions sur une charge de résines dites "anioniques" avec permutation en ions OH^-.

Les réactions de fixation des ions sur les résines sont des réactions d'équilibre, d'où des rendements de capture inférieurs à 1, d'où les fuites ioniques qui en découlent ( "leakage").

La régénération du système se fait en extrayant les ions fixés par les résines et en les remplaçant par les ions H⁺ ( acide fort minéral) et OH^- ( base forte minérale).

Principe de la déminéralisation sur résines échangeuses d'ions






			Les résines produites sur le marché se présentent sous forme de billes sphériques de couleur jaune clair à marron et sont produites par différentes sociétés de grand renom ( Bayer, Dow Chemical, Montédison, Rohm & Haas, pour ne citer que les plus connus).

A partir du principe ci-dessus, différents schémas de principe sont possibles pour les raisons principales suivantes:

- la composition chimique de l'eau met en évidence la présence de différents types d'ions, tant cations qu'anions, avec des affinités différentes pour les résines.
- pour permettre une élimination plus complète des ions, il a été mis au point des résines de qualités différentes, dont notamment

- résines cationiques fortes ou faibles ( carboxyliques)
- résines anioniques faibles, fortes ou moyennes ( faiblement basiques, fortement basiques ou moyennement basiques).

La mise en série des différentes résines en fonction de leur affinité ionique et leur rendement de capture des ions permet d'obtenir des rendements globaux de capture de l'ensemble des ions contenus dans l'eau trés élevés ( ex: eau brute avec une conductivité de 700 microsiemens donnant une eau déminéralisée ayant une conductivité inférieure à 1 microsiemens).

Schémas de principe

Les schémas suivants sont des schémas de principe d'installation généralement rencontrés dans l'industrie pour la production d'eau déminéralisée destinée à l'alimentation des chaudières à moyenne et haute pression.

Note: Le lit mélangé ( mixed bed) positionné en fin de chaine est constitué par un mélange de résines anioniques et cationiques et a pour but de parfaire l'élimination des traces ( leakages) de salinités restantes; il permet d'obtenir des conductivité élevées en sortie de chaine ( plusieurs mégohms de résistivité dans certains cas).

Eléments techniques necessaires au calcul d'une installation

Le calcul d'une installation de déminéralisation sur résines est basé sur un certain nombre de paramètres.

Analyses chimiques de l'eau à déminéraliser
Qualité demandée pour l'eau produite.
Débit de l'eau brute à traiter ( ou débit de l'eau produite)
Cycle de production de l'installation ( quantité d'eau produite entre deux régénérations), y compris les eaux de service.
Paramètres concernant les résines ( pouvoir d'échange, donnée fournie par le fabricant).

Calcul des charges de résines

Les charges de résines, tant cationiques qu'anioniques, sont calulées, en volume, en fonction des caractéristiques de l'eau à déminéraliser, du cycle de l'appareil ( nombre de m³ d'eau entre les régénérations) et pouvoir d'échange de chacune des résines utilisées.

Le volume des résines anioniques est donné par la formule:





		Le volume des résines cationiques est donné par la formule:

Les points importants qui déterminent les diamètres des corps d'échangeurs et leur hauteur cylindrique et par voie de conséquence totale) sont les suivants:

La vitesse linéaire de passage dans le lit de résines ( données du fabricant)
la vitesse spaciale d'épuisement (données du fabricant)
Une hauteur minimale de couche de résine ( minimum 80 cms à 1 m.).
Une hauteur minimale d'expansion du lit de résine permettant, au détassage avant régénération de se réaliser normalement, ceci dans le cadre d'installation à régénération à co-courant.

Contrôles d'eaux sur un poste de déminéralisation totale

Contrôles périodiques de l'eau à traiter ( TH, TA, TAC, Cl, SO₄, SAF, SiO₂, Ca, Fe, MO), pour vérifier soit la constance des titres dans le temps, soit d'éventuelles variations.
Contrôles sortie echangeurs cationiques: TH, SAF, Fe, Na
Contrôles sortie échangeurs anioniques ( sortie chaine primaire): pH, TH, SAF, SiO₂, Na, conductivité.
Contrôles sortie lit mélangé ( Mixed Bed): Conductivité, SiO₂, pH.

Variantes des techniques de déminéralisation

Deux types principaux de postes déminéralisation totale existent et sont exploités dans l'industrie:

Le type le plus ancien et le plus répandu qui est celui où la régénération des résines se fait à co-courant c'est à dire du haut vers le bas, dans le même sens que la permutation de l'eau.


	R : Résine échangeuse S : support ( plaque crépinée Regen.: Liquide de régénération ( resines cationiques: acide sulfurique, résines anioniques: soude caustique)
	Quand une chaine comprend des échangeurs d'ions " forts" et "faibles", la régénération des résines se fait en série pour la partie de chaine cationique et pour la partie de chaine anionique

Il existe depuis plusieurs années une nouvelle technique dite de régénération à contre-courant; le sens de circulation du fluide de régénération se fait de bas en haut, ce qui implique une technologie du matériel différente du matériel traditionnel.
Contrairement à ce qui se passe dans la régénération à co-courant où le régénérant rencontre d'abord les couches de résine les plus saturées en éléments qu'elle a retenus ( Ca, Mg, Na pour les résines cationiques, Cl, SO₄, SiO₂ pour les résines anioniques), le fluide régénérant entrant par la partie basse de la couche de résine percole d'abord à travers les couches les moins concentrées en ions retenus; l'élution des ions se fait dans les meilleures conditions et les ions ainsi déplacés ne peuvent pas se fixer dans les couches supérieures, plus concentrées: ainsi, le rendement de régénération est nettement meilleur.
De plus dans ce type de régénération, les couches inférieures de résines qui sont les masses de sortie de l'eau permutée, sont régénérées avec un liquide le plus concentré, ce qui améliore encore les qualités de l'eau traitée.

Retour en haut de page déminéralisation

Retour sommet page osmose

Retour au sommaire




			EB: Eau brute P: Pompe haute pression EC: décencentration M: Membrane d'osmose EO: Eau osmosée ( déminéralisée)


Système sans pression: Eau à dessaler à gauche de la membrane.	Système en pression: l'eau dessalée est produite et s'écoule à la partie droite.