I. 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, 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.
Pour faire face à
cette pénurie annoncée d'eau, de nouvelles techniques de production d'eau
potable devront être mises en place pour satisfaire les besoins de la
population croissante. Une des techniques prometteuses pour certains pays est
le dessalement de l'eau de mer ou des eaux saumâtres. Les techniques de
dessalement de l'eau de mer sont opérationnelles depuis de nombreuses années.
Mais leur coût (de 1 à 2 euros / m3) limite souvent leur utilisation
aux pays riches. Cependant dans les dernières années, la capacité des usines de
dessalement s'est fortement accrue et les coûts de production par m3 ont connu
une forte diminution.
La caractéristique la
plus importante des eaux de mer est leur salinité, c'est-à-dire leur teneur
globale en sels (chlorures de sodium et de magnésium, sulfates, carbonates). La
salinité moyenne des eaux des mers et océans est de 35 g.L-1
(27,2 g.L-1 de NaCl, 3,8 g.L-1 de MgCl2, 1,7 g.L-1 MgSO4,
1,26 g.L-1 CaSO4, 0,86 g.L-1 K2SO4).
Cette salinité peut
être différente dans le cas de mers fermées :
·
mer Méditerranée : 36 à 39 g.L-1,
·
mer Rouge : environ 40 g.L-1,
·
mer Caspienne : 13 g.L-1,
·
mer Morte : 270 g.L-1,
·
Golfe Arabo-Persique : 36 à 39 g.L-1.
Le pH moyen des eaux
de mer varie entre 7,5 et 8,4 : l'eau de mer est un milieu légèrement basique.
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.
Les technologies
actuelles de dessalement des eaux sont classées en deux catégories, selon le
principe appliqué :
·
Les procédés thermiques faisant intervenir un changement de phases : la
congélation et la distillation.
·
Les procédés utilisant des membranes: l'osmose inverse et l'électrodialyse.
Parmi les procédés
précités, la distillation et l'osmose inverse sont des technologies dont les
performances ont été prouvées pour le dessalement d'eau de mer. En effet, ces
deux procédés sont les plus commercialisés dans le marché mondial du
dessalement. Les autres techniques n'ont pas connu un essor important dans le
domaine à cause de problèmes liés généralement à la consommation d'énergie
et/ou à l'importance des investissements qu'ils requièrent.
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 pré-traitement 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.
L'osmose inverse est
un procédé de séparation de l'eau et des sels dissous au moyen de membranes
semi-perméables sous l'action de la pression (54 à 80 bars pour le traitement
de l'eau de mer). Ce procédé fonctionne à température ambiante et n'implique
pas de changement de phase. Les membranes polymères utilisées laissent passer
les molécules d'eau et ne laissent pas passer les particules, les sels dissous,
les molécules organiques de 10-7 mm de taille.
L'énergie requise par
l'osmose inverse est uniquement celle électrique consommée principalement par
les pompes haute pression.
La teneur en sels de
l'eau osmosée est de l'ordre de 0,5 g.L-1.
On appelle osmose le
transfert de solvant (eau dans la plupart des cas) à travers une membrane
semi-perméable sous l'action d'un gradient de concentration.
Soit un système à deux
compartiments séparés par une membrane semi-perméable et contenant deux
solutions de concentrations différentes (figure 1). Le phénomène d'osmose va se
traduire par un écoulement d'eau dirigé de la solution diluée vers la solution
concentrée. Si l'on essaie d'empêcher ce flux d'eau en appliquant une pression
sur la solution concentrée, la quantité d'eau transférée par osmose va
diminuer. Il arrivera un moment où la pression appliquée sera telle que le flux
d'eau s'annulera. Si, pour simplifier, nous supposons que la solution diluée
est de l'eau pure, cette pression d'équilibre est appelée pression osmotique.
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Une augmentation de la
pression au delà de la pression osmotique va se traduire par un flux d'eau
dirigé en sens inverse du flux osmotique (voir figure 1), c'est-à-dire de la
solution concentrée vers la solution diluée : c'est le phénomène d'osmose
inverse.
Pour les solutions
suffisamment diluées, la pression osmotique notée Ï? peut être calculée d'après
la loi de van't Hoff :
Ï? = i x C x R x T
Où i est le nombre
d'ions dissociés dans le cas d'un électrolyte,
C est la concentration
en sels en mol.m-3
R est la constante des
gaz parfaits R = 8,314 J.mol-1.K-1
T est la température
absolue de la solution en Kelvin.
Application :
La pression osmotique
d'une eau à 20°C contenant 35 g de chlorure de sodium par litre vaut :
Ï? = 2 x (35*103/58,5) x 8,314 x 293 = 29,14 x 105 Pa = 29,14
bar.
Le débit spécifique J1
(débit massique par m2 de membrane) d'eau osmosée produite est proportionnel à
la différence entre la pression appliquée P et la pression osmotique Ï? de la
solution concentrée.
J1 = A x (P-Ï?)
Où A est le
coefficient de perméabilité vis-à-vis de l'eau pure.
Le flux spécifique de
sel traversant la membrane est quant à lui proportionnel à la différence de
concentration de part et d'autre de la membrane.
J2 = B x Î?C
Où B est le
coefficient de perméabilité vis-à-vis du sel.
Les éléments
constitutifs d'une unité d'osmose inverse sont schématisés sur la figure 2.
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Le dessalement par
osmose inverse nécessite d'abord un pré-traitement très poussé de l'eau de mer
pour éviter le dépôt de matières en suspension sur les membranes qui conduirait
très rapidement à une diminution des débits produits.
Il est nécessaire de
retenir toutes les particules de dimension supérieure à 10 à 50 µm selon le
type de module d'osmose inverse. Ceci est réalisé à l'aide d'une préfiltration
grossière puis d'une filtration sur sable pour éliminer les matières en
suspension les plus grosses. Puis un traitement biocide et une acidification
sont nécessaires pour éviter le développement de microorganismes sur la
membrane et éviter la précipitation de carbonates. Enfin une filtration sur
cartouches permet de retenir les particules de taille de l'ordre de quelques
dizaines de µm qui n'ont pas été retenues par le filtre à sable.
La pompe haute
pression permet ensuite d'injecter l'eau de mer dans le module d'osmose inverse
dans lequel se trouvent les membranes.
De plus, un deuxième
phénomène intervient lors de l'osmose inverse, il s'agit de la polarisation de
concentration de la membrane. En effet, au cours du temps, la concentration de
la solution salée augmente puisque la majorité des molécules sont retenues d'un
seul côté de la membrane. De ce fait, la pression osmotique augmente également
près de la couche limite, avec des risques de précipitation des composés à
faible produit de solubilité. Pour un même rendement, la pression à appliquer
est donc plus élevée. Pour éviter ce phénomène on balaye la membrane du côté de
la solution salée par un flux d'eau continu. Toute l'eau n'est pas filtrée, une
partie sert à nettoyer la membrane. Ce procédé est donc semblable à une
filtration tangentielle. L'eau non filtrée est appelée retentât tandis que
l'eau qui a traversé la membrane est appelée perméat.
Afin de limiter la
consommation d'énergie du procédé, on peut placer sur le circuit du retentât une turbine qui permet de récupérer une partie de l'énergie contenue dans ce
fluide sous haute pression.
Dans les procédés de
distillation, il s'agit de chauffer l'eau de mer pour en vaporiser une partie.
La vapeur ainsi produite ne contient pas de sels, il suffit alors de condenser
cette vapeur pour obtenir de l'eau douce liquide. Il s'agit en fait d'accélérer
le cycle naturel de l'eau. En effet l'eau s'évapore naturellement des océans,
la vapeur s'accumule dans les nuages puis l'eau douce retombe sur terre par les
précipitations. Ce principe de dessalement très simple a été utilisé dès
l'Antiquité pour produire de très faibles quantités d'eau douce sur les
bateaux.
L'inconvénient majeur
des procédés de distillation est leur consommation énergétique importante liée
à la chaleur latente de vaporisation de l'eau. En effet pour transformer un kg
d'eau liquide en 1 kg d'eau vapeur à la même température il faut environ 2250
kilojoules (si le changement d'état se fait à 100°C). Afin de réduire la
consommation d'énergie des procédés industriels, des procédés multiples effets
qui permettent de réutiliser l'énergie libérée lors de la condensation ont été
mis au point.
Deux procédés se
partagent le marché du dessalement thermique : le procédé de distillation
à détentes étagées (Multi-Stage Flash distillation MSF) et le procédé
de distillation à multiples effets (Multi-Effect distillation MED).
Ce procédé dit Flash
consiste à maintenir l'eau sous pression pendant toute la durée du
chauffage ; lorsqu'elle atteint une température de l'ordre de 120°C, elle
est introduite dans une enceinte (ou étage) où règne une pression réduite. Il
en résulte une vaporisation instantanée par détente appelée Flash. Une fraction
de l'eau s'évapore (voir figure 3) puis va se condenser sur les tubes
condenseurs placés en haut de l'enceinte, et l'eau liquide est recueillie dans
des réceptacles en dessous des tubes. C'est l'eau de mer chaude qui se
refroidit pour fournir la chaleur de vaporisation, l'ébullition s'arrête quand
l'eau de mer a atteint la température d'ébullition correspondant à la pression
régnant dans l'étage considéré. Le phénomène de flash est reproduit ensuite
dans un deuxième étage où règne une pression encore plus faible. La
vaporisation de l'eau est ainsi réalisée par détentes successives dans une
série d'étages où règnent des pressions de plus en plus réduites. On peut
trouver jusqu'à 40 étages successifs dans une unité MSF industrielle.
Pour chauffer l'eau de
mer jusqu'à 120°C, l'eau de mer circule d'abord dans les tubes des condenseurs
des différents étages en commençant d'abord par le dernier étage où la
température est la plus faible, elle est alors préchauffée en récupérant la
chaleur de condensation de la vapeur d'eau. Elle est finalement portée à 120 °C
grâce à de la vapeur à une température supérieure à 120°C produite par une
chaudière ou provenant d'une centrale de production d'électricité.
On remarque lors du
phénomène de flash que des gouttelettes d'eau salée peuvent être entraînées
avec la vapeur, elles sont séparées grâce à un dévésiculeur constitué par une
sorte de grillage qui limite le passage des gouttelettes qui retombent alors au
fond de l'enceinte.
L'avantage principal
du procédé MSF est que l'évaporation de l’eau de mer ne se produit pas autour
des tubes de chauffe puisque le liquide « flashe » ceci limite
les risques d'entartrage.
L'énergie requise est
principalement l'énergie thermique à fournir à la chaudière, cette énergie peut
être peu coûteuse si on récupère de la vapeur basse pression à la sortie d'une
turbine de centrale électrique. Il faut également fournir de l'énergie
électrique pour les pompes de circulation de l'eau de mer.
Le procédé MSF ne
permet pas une flexibilité d'exploitation. Aucune variation de production n'est
tolérée, c'est pourquoi ce procédé est surtout utilisé pour les très grandes
capacités de plusieurs centaines de milliers de m3 d'eau dessalée par jour.
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Ce procédé est basé
sur le principe de l'évaporation, sous pression réduite, d'une partie de l'eau
de mer préchauffée à une température variant entre 70 et 80°C. L'évaporation de
l'eau a lieu sur une surface d'échange, contrairement au cas du procédé
précédent, où elle est assurée par détente au sein des étages successifs. La
chaleur transférée au travers de cette surface est apportée soit par une vapeur
produite par une chaudière, soit par une eau chaude provenant d'un récupérateur
de chaleur. La vapeur ainsi produite dans le 1er effet est condensée pour
produire de l'eau douce dans le 2ème effet où règne une pression inférieure,
ainsi la chaleur de condensation qu'elle cède permet d'évaporer une partie de
l'eau de mer contenue dans le 2ème effet et ainsi de suite (voir figure 4).
Ainsi seule l'énergie nécessaire à l'évaporation dans le premier effet est
d'origine externe. La multiplication du nombre d'effets permet donc de réduire
la consommation spécifique (énergie/m3 d'eau douce produite).
Plusieurs technologies
d'évaporateurs multiples effets existent :
·
Les évaporateurs multiples effets à tubes horizontaux arrosés sont les
appareils les plus utilisés actuellement. Dans ces appareils le fluide de
chauffage s'écoule dans les tubes horizontaux tandis que l'eau de mer à
évaporer est arrosée de façon à s'écouler sous forme de film le plus uniforme
possible sur l'extérieur des tubes. La vapeur produite dans la calandre
(enceinte cylindrique qui contient le faisceau de tubes) est ensuite envoyée
dans les tubes de l'effet suivant où elle cédera son énergie de condensation.
Ces évaporateurs présentent un très bon coefficient d'échange grâce à
l'écoulement en film de l'eau de mer. C'est la raison pour laquelle ils
remplacent actuellement les plus anciens évaporateurs à faisceau de tubes noyés
dans lesquels les tubes étaient plongés dans l'eau de mer.
|
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·
Des évaporateurs multiples effets à plaques sont également en cours de
développement. L'eau de mer à évaporer s'écoule alors sous forme de film mince
le long d'une mince plaque métallique chauffée par la vapeur provenant de
l'effet précédent qui s'écoule le long de l'autre face de la plaque métallique.
De nombreuses plaques entre lesquelles s'écoulent alternativement l'eau de mer
et la vapeur de chauffage sont associées en parallèle pour constituer un effet.
La vapeur produite est recueillie dans une calandre cylindrique dans laquelle
sont placées les plaques. Cette vapeur est ensuite envoyée entre les plaques
situées dans une calandre qui constitue le deuxième effet et ainsi de suite.
Un système compact à
bases de plaques EasyMED constitué de cellules élémentaires comprenant une zone
d'évaporation et une zone de condensation breveté en 1998 est également en
cours de développement. L'agencement judicieux de cellules élémentaires pour
que chaque zone d'évaporation se situe entre deux zones de condensation de l'effet
précédent permet d'obtenir un appareil plus compact puisqu'il ne nécessite pas
une volumineuse calandre pour chaque effet.
L'énergie requise est
principalement l'énergie thermique à fournir à la chaudière produisant le
fluide de chauffage pour le premier effet. On peut cependant utiliser des
chaleurs résiduaires en couplant le procédé MED à des usines de production
d'électricité ou des usines rejetant produisant les eaux résiduaires à des
températures de l'ordre de 80°C. Il faut également de l'énergie électrique pour
les pompes de circulation et la production de vide.
Afin de limiter la
consommation d'énergie thermique, il est aussi possible d'utiliser la compression
mécanique de vapeur. Ceci est possible dans le cas de l'évaporation simple
ou multiple effet. La vapeur produite dans le dernier effet ou dans l'effet
unique (pour de petites unités) est aspirée par un compresseur. Après
compression, la température de saturation de la vapeur haute pression est
augmentée. Cette vapeur peut donc être utilisée (elle est envoyée dans les
tubes du faisceau tubulaire) pour porter à ébullition l'eau de mer dans
l'évaporateur où règne une pression plus faible. La vapeur haute pression est
ainsi condensée et se transforme en eau distillée liquide et le cycle se reproduit
avec la vapeur produite par l'évaporation partielle de l'eau de mer.
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Dans le procédé MED,
l'ébullition de l'eau de mer au sein de chaque cellule (effet) se fait au
contact de la surface d'échange de chaleur, il y a des risques d'entartrage dû
à la précipitation de sels tels que CaSO4 ou CaCO3 dont la solubilité diminue
quand la température augmente. Pour limiter ces risques, il faut donc utiliser
un traitement à l'acide et limiter la température de tête (du 1er effet ou
étage) à moins de 70°C.
A titre d'information,
pour comprendre la nécessité de réduire la pression dans les systèmes
multiples-effets ou à détentes étagées, la figure 6 donne l'évolution de la
température d'ébullition de l'eau en fonction de la pression.
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Site de la société
ENTROPIE qui fabrique et commercialise des installation de déssalement
Document édité par
l'IDA (International Desalination Association) en anglais sur les différentes
technologies et le marché du dessalement.
Description en anglais
de plusieurs procédés de dessalement.
Site du projet
européen EasyMED sur le développement d'un nouveau procédé de dessalement
multiples effets à plaques.
Site de la société
Alfa Laval qui commercialise des systèmes de dessalement thermiques
Réflexions sur le
dessalement de l'eau de mer
A. Maurel. Dessalement
de l'eau de mer et des eaux saumâtres et autres procédés non conventionnels
d'approvisionnement en eau douce. Lavoisier
Tec&Doc. 2001.
J. Matricon. Vive l'eau. Découvertes
Gallimard. 2000.
P. Danis. Dessalement de
l'eau de mer. Techniques de l'Ingénieur, J 2700. Juin 2003.
Numéro spécial de
Science et Vie sur l'eau, N°211, Juin 2000.
C. Galus, Les
techniques de dessalement de l'eau de mer prennent de l'essor, extrait du
Monde, 12 Janvier 2000, p.24.
Usine Nouvelle, Septembre 1999.
M. Chartier, Les
prix du dessalement, Marée d'eau douce, Hydroplus, 121, Mars 2002, p.24 à
39.
