• Osmose inverse





    Le procédé de filtration par osmose inverse est de loin le plus efficace en ce qui
    concerne la potabilisation des eaux. L'osmose inverse est une des nombreuses
    techniques dites membranaires, c’est à dire utilisant un film de faible épaisseur semi-perméable.
    L’eau pénètre dans la cartouche et sous la pression d’alimentation, les molécules
    d’eau traversent la membrane, tandis que les autres molécules sont rejetées en
    permanence avec une partie de l’eau non filtrée.
    On obtient donc d'un côté de cette membrane séparatrice une solution très peu
    concentrée (eau pure) et de l'autre côté, une solution sur-concentrée qui est
    progressivement évacuée.
    L'atout majeur des osmoseurs demeure évidemment dans l'élimination de la quasi
    totalité des nitrates et des molécules cytotoxiques.
    Cette technique permet soit d’épurer un solvant de ses polluants, soit de concentrer
    une solution en éliminant le solvant.
    Les applications les plus importantes de l’osmose inverse sont les dessalements
    d’eaux de mer et d’eaux saumâtres.
    En ce qui concerne le solvant "eau" et son épuration les techniques membranaires
    sont des améliorations d'une technique ancienne : la filtration.
    L'ordre de grandeur de la taille des éléments arrêtés est le suivant :
    Technique séparative Taille des particules Applications
    Filtration
    conventionnelle supérieure à 2 μm Toutes !
    Micro filtration entre 2 μm et 0,05 μm la potabilisation de l'eau et le traitement des effluents.
    Ultrafiltration entre 50 nm et 1 nm industrie agroalimentaire, bio-industries, …
    Nano filtration entre 1 nm et 0.4 nm élimination d'ions multivalents, régénération de bains usés de

    Traitement des eaux potables
    traitements de surface,…
    Osmose inverse inférieure à 0,4 nm production d'eau ultra-pure, dessalement d'eau de mer.
    Rappel : la "taille" de la molécule d'eau est de l'ordre de 0,3 nm.

    • membranes organiques :
    la plupart d'entre elles sont actuellement fabriquées à partir de polymères organiques (acétate de
    cellulose, polysulfones, polyamides, etc.) dont les qualités leurs confèrent une grande adaptabilité
    aux différentes applications. Elles sont souvent utilisées en ultrafiltration et microfiltration.
    • membranes minérales ou inorganiques :
    ces membranes sont composées de corps entièrement minéraux, principalement les matières
    céramiques, le métal fritté et le verre. Leur arrivée a permis de travailler dans des conditions
    extrêmes de température et d'agression chimique, ce qui a ouvert de nouvelles voies dans la
    séparation par membrane ;
    • membranes composites :
    elles sont caractérisées par une structure asymétrique dont la peau est beaucoup plus fine que
    celle des membranes classiques non composites et par une superposition de plusieurs couches
    différenciées soit par leur nature chimique, soit par leur état physique. Elles peuvent être
    organiques (superposition de polymères organiques différents), organo-minérales ou minérales
    (association de carbone ou d'alumine comme support et de métaux tels le zircone, l'alumine et le
    titane) ;
    • membranes échangeuses d'ions :
    introduites en 1950, elles fonctionnent sur le principe du rejet d'ions grâce à leur charge. Les
    techniques d'électrodialyse, la dialyse et l'électro-désionisation font appel à cette technologie.
    Leur principal domaine d'application actuel est le dessalement de l'eau et le traitement des
    effluents des installations de protection et de décoration des métaux.
    Une unité d’osmose inverse consiste en une juxtaposition de modules élémentaires selon une géométrie déterminée.
    Concernant leur géométrie, il existe 4 types de modules commercialisés :
    • Les modules tubulaires :
    technologie simple, facile d'utilisation et de nettoyage, grands consommateurs d'énergie pour une
    très faible surface d'échange par unité de volume (compacité réduite).
    • Les modules fibres creuses :
    faisceau de fibres creuses de diamètre inférieur au micromètre, forte densité d'écoulement par
    module.
    • Les modules plans :
    simples, les membranes sont empilées en mille-feuilles séparés par des cadres intermédiaires qui
    assurent la circulation des fluides.

    Traitement des eaux potables
    • Les modules spirales :
    une membrane plane est enroulée sur elle-même autour d'un tube poreux qui recueille le filtrat.
    On obtient ainsi un cylindre multi-couches où le perméat s'écoule selon un chemin spiralé vers le
    tube poreux tandis que l'alimentation circule axialement dans les canaux.
    PPPrrriiinnnccciiipppeeedddeeelll’’’ooosssmooossseeeiiinnnvvveeerrrssseee:::
    L'osmose normale a lieu quand l'eau passe d'une solution moins concentrée vers
    une solution plus concentrée par une membrane semi-perméable.
    La loi de l'évolution naturelle d'un système chimique découle du second principe de la thermodynamique : à température et pression constante cette évolution est caractérisée par une diminution de l’enthalpie libre, jouant le rôle d’un potentiel.
    De même qu'une masse ne pourra évoluer naturellement que d'une altitude plus
    élevée vers une altitude plus basse (d'un potentiel élevé vers un potentiel faible), de
    même un système chimique évoluera naturellement d'une enthalpie libre plus élevée vers une enthalpie libre plus faible.
    L'enthalpie libre d'un système chimique constitué d'un solvant (l'eau pour ce qui nous
    intéresse) et de solutés (sels minéraux et corps dissous), est fonction de la
    concentration de chacun de ses constituants dans le système : le potentiel d'une
    solution saline est plus élevé que le potentiel d'une solution moins saline et la
    tendance naturelle sera une diminution du potentiel le plus élevé :
    - si les deux solutions sont mises en contact direct, les solutés se répartiront de
    manière homogène par diffusion (qui peut être accélérée par la convection libre
    ou forcée)
    - si les deux solutions sont mises en contact par l'intermédiaire d'une membrane
    semi-perméable, les solutés ne pouvant la traverser, ce sera le solvant qui la
    traversera.
    Le phénomène d'osmose est réversible à condition de fournir de l'énergie : si l'on
    applique une pression à une solution, l'eau (et quelques solutés) traversera la
    membrane : on obtiendra une solution de faible concentration en solutés.
    Le problème sera, dans ce cadre "statique", que la concentration dans le
    compartiment mis sous pression augmentera, la pression osmotique à vaincre aussi :
    pour produire de l'eau il faudra vider le compartiment salin régulièrement et la
    production sera discontinue.
    Industriellement cette solution est invalide d'où la solution viable : l'eau mise sous
    pression par une pompe dans le compartiment salin s'échappera par un orifice
    calibré.
    On obtient ainsi une esquisse du principe de l'osmoseur .
    Les raccordement sont conventionnellement appelés :

    Traitement des eaux potables
    1-Alimentation : Solution à épurer et qui est mise sous pression par l'intermédiaire
    d'une pompe.
    2-Production ou perméat : Solution qui traverse la membrane.
    3-Rejet ou concentrat ou retentat : Solution qui quitte l'osmoseur et n'a pas
    traversé la membrane. Elle est enrichie en solutés et peut être soit rejetée vers le
    circuit d'effluents.
    On ne s'intéressera par la suite qu'à la production d'eau osmosée et non à
    l'enrichissement d'une solution peu concentrée (domaines pharmaceutique,
    agroalimentaire, du traitements des métaux,…)
    On voit donc que la production d'eau osmosée conduira forcément à une
    consommation d'eau (rejetée) : l'amélioration de la qualité implique forcément un
    tribut à payer (énergie mécanique pour la pompe et une part de l'eau d'alimentation),
    qui peut être réduit par divers types de montage.
    Même avec cette solution il y a risque d'accumulation de solutés (et de matières non
    dissoutes), au contact de la membrane : pour éviter ceci on essaiera de faire passer
    la solution tangentiellement à la membrane ce qui aura pour effet de la "balayer" et
    ainsi de limiter son encrassement.

    -Utilisation de cartouches filtrantes de seuil de coupure de l’ordre de 1 à 5μm pour
    éviter le colmatage des membranes.
    -Le presstotat coupe l’alimentation en cas de trop fortes pressions
    -Le chlore, produit oxydant, doit être éliminé par une cartouche à charbon actif en amont des membranes en polyamide
    -A cause des micro-organismes, les modules doivent être régulièrement désinfectés
    et rincés avant leur remise en service
    -Un adoucissement de l’eau est obligatoire à cause des précipitations de sels minéraux comme le carbonate de calcium (dans le compartiment alimenté).
    http://www.hydranet.net
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