08:09 L'eau douce peut se faire rare alors même que l'océan se trouve à proximité. Cependant, le pompage direct d'eau de mer non traitée dans un système d'osmose inverse (RO) standard peut entraîner une consommation d'énergie élevée, la formation d'incrustations, l'encrassement des membranes et une mauvaise qualité de l'eau produite. Un système de dessalement par membrane d'eau de mer correctement conçu résout ces problèmes étape par étape.
Une membrane de dessalement de l'eau de mer est une membrane d'osmose inverse à haut taux de rejet, conçue pour séparer les sels dissous de l'eau de mer sous haute pression. Dans un système d'osmose inverse (RO) pour l'eau de mer, un prétraitement protège la membrane ; la pression propulse l'eau à travers la couche active de la membrane ; les sels rejetés sont évacués sous forme de concentré ; et le perméat est soumis à un traitement supplémentaire afin de produire de l'eau douce destinée à un usage municipal ou industriel.
Guide sur les membranes de dessalement de l'eau de mer : comment les membranes d'osmose inverse transforment l'eau de mer en eau douce
Une membrane de dessalement de l'eau de mer est un type de membrane d'osmose inverse conçue pour traiter une eau d'alimentation dont la concentration en sel est bien supérieure à celle de l'eau du robinet ordinaire ou de la plupart des sources d'eau saumâtre.
L'eau de mer contient en moyenne environ 35 000 ppm de sels dissous, bien que la composition exacte de l'eau de mer varie selon les endroits. L'U.S. Geological Survey classe les eaux dont la teneur en sels dissous est comprise entre 10 000 et 35 000 ppm comme étant très salines et précise que l'eau de mer se situe vers la limite supérieure de cette fourchette.
En raison de cette salinité élevée, l'eau de mer nécessite une pression bien plus élevée que dans les applications classiques d'osmose inverse à faible salinité.
Un élément membranaire classique comprend une grande surface membranaire enroulée en spirale, logée à l'intérieur d'un récipient sous pression. La couche active est généralement constituée d'une structure composite en polyamide à couche mince, conçue pour permettre le transport de l'eau tout en limitant fortement le passage des ions dissous.
En termes simples :
Eau de mer
↓
Haute pression
↓ Membrane RO
↙ ↘
Eau douce concentrée
Perméat SaumureLe perméat devient de l'eau désalée, tandis que le sel rejeté quitte le système membranaire sous forme d'un flux de saumure concentrée.
L'osmose naturelle fait passer l'eau à travers une barrière semi-perméable vers le côté où la concentration en soluté dissous est la plus élevée.
Osmose inverse fait exactement le contraire.
Une pompe haute pression exerce une pression suffisante du côté de l'eau de mer pour surmonter la pression osmotique. L'eau traverse alors la membrane semi-perméable, tandis que la plupart des sels dissous restent dans les flux d'alimentation et de concentré.
L'USGS décrit l'osmose inverse comme le processus consistant à faire passer de l'eau salée à travers une membrane semi-perméable afin de séparer l'eau des sels dissous.
Ce processus peut se résumer ainsi :
Eau d'alimentation → Pression → Séparation par membrane → Eau traitée + Concentré
Cette explication est courante, mais elle est trop simpliste.
On parle souvent des pores des membranes, mais les membranes modernes d'osmose inverse (RO) à film mince composite ne se comportent pas comme un tamis ordinaire ou un filtre à cartouche doté de trous clairement définis.
Une explication technique plus précise est que l'eau et les espèces dissoutes interagissent différemment avec la couche membranaire active dense. Les molécules d'eau traversent cette couche beaucoup plus facilement que la plupart des ions dissous.
C'est pourquoi la technologie des membranes d'osmose inverse permet d'atteindre un taux de rejet des sels très élevé, même si l'osmose inverse ne doit pas être considérée simplement comme un tamisage mécanique des particules.
Un élément d'osmose inverse pour l'eau de mer et un élément pour l'eau saumâtre peuvent sembler similaires de l'extérieur.
Les deux peuvent utiliser les formats physiques standard 4040 ou 8040.
Mais la taille ne permet pas de déterminer la pression requise, le taux de rejet du sel, les propriétés chimiques de la membrane ni l'application.
Cette distinction a son importance.
Les informations actuelles de Banott sur les produits d'osmose inverse (RO) précisent que les références 4040 et 8040 correspondent à des formats physiques standard, tandis que les performances réelles en termes de débit et de taux de rejet doivent être évaluées en fonction du type de membrane et des conditions d'essai.
| Facteur | Osmose inverse pour eaux saumâtres | Osmose inverse de l'eau de mer |
|---|---|---|
| Salinité des aliments pour animaux | Inférieur | Beaucoup plus élevé |
| Pression osmotique | Inférieur | Plus élevé |
| Pression requise | Inférieur | Plus élevé |
| Choix de la membrane | Spécifique à BWRO | Spécifique à la SWRO |
| Application principale | Eau de puits / eau de process | Dessalement de l'eau de mer |
| Demande énergétique | Inférieur | Plus élevé |
| Importance du prétraitement | Élevé | Très élevé |
À titre de comparaison, DuPont publie des données d'essais sur des membranes destinées à l'eau saumâtre à environ 2 000 ppm de NaCl et 15,5 bars, tandis que plusieurs petits éléments commerciaux de dessalement par osmose inverse (SWRO) sont testés à environ 32 000 ppm de NaCl et 55 bars. Il s'agit là de conditions d'essai normalisées, et non de valeurs d'exploitation universelles pour les installations.
Cela montre pourquoi il ne faut pas systématiquement utiliser une membrane d'osmose inverse standard destinée à l'eau saumâtre dans le cadre d'un projet portant sur de l'eau de mer à forte teneur en sel.
Le processus de dessalement ne se limite pas à la membrane elle-même.
Un système fiable comprend généralement :
Prise d'eau de mer
↓
Criblage
↓
Prétraitement
↓
Filtration sur cartouche
↓
Pompe haute pression
↓
Système de membranes SWRO
↓
Récupération d'énergie
↓
Perméat
↓
Post-traitement
↓
Eau douceLe ministère américain de l'Énergie identifie la prise d'eau, le prétraitement, l'osmose inverse, la récupération d'énergie et le post-traitement comme les principales opérations unitaires des systèmes modernes de dessalement de l'eau de mer. Les technologies de prétraitement peuvent inclure des tamis, des filtres à média, la microfiltration, l'ultrafiltration, la coagulation et la filtration sur cartouche.
Le perméat issu de l'osmose inverse (RO) présente une faible teneur en minéraux dissous.
En fonction de l'utilisation finale, l'eau produite peut nécessiter :
Si l'eau en question est destinée à la consommation humaine au niveau municipal, la stabilisation et la désinfection revêtent une importance particulière.
Si l'eau destinée à un usage industriel est visée, un traitement complémentaire par osmose inverse (RO), électrodéionisation (EDI) ou un traitement de finition peut s'avérer nécessaire.
C'est donc l'objectif final en matière de qualité de l'eau qui devrait déterminer l'ensemble du processus de traitement.
L'eau de mer contient bien plus que du sel.
Il peut également contenir :
Si ces matières atteignent la surface de la membrane sans contrôle adéquat, l'installation peut subir une perte de charge plus importante, une baisse du débit, une augmentation du passage des sels et des nettoyages plus fréquents.
C'est ce qu'on appelle l'encrassement de la membrane.
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En fonction de la qualité de l'eau de mer, le prétraitement peut comprendre :
Pour les eaux côtières difficiles, ultrafiltration à fibres creuses peut constituer une barrière physique efficace en amont de l'unité d'osmose inverse.
Cela peut améliorer la stabilité du flux d'alimentation et contribuer à protéger le système de membranes en aval.
De notre point de vue d'ingénieurs, la conception du prétraitement doit s'appuyer sur les conditions locales de la source d'eau, plutôt que d'être calquée sur celle d'un autre projet de dessalement.
Une prise d'eau en puits de plage, dans des conditions calmes, peut se comporter de manière très différente d'une prise d'eau en pleine mer exposée aux algues, aux tempêtes, à la turbidité saisonnière et à la charge biologique.
Les trois paramètres les plus importants dans la conception d'un système d'osmose inverse sont les suivants :
Mais aucun ne doit être considéré isolément.
Le rejet du sel désigne la capacité de la membrane à limiter le passage du sel.
Les membranes SWRO disponibles dans le commerce peuvent atteindre des taux de rejet très élevés dans des conditions de laboratoire bien définies. Par exemple, les données publiées par DuPont concernant ses petits éléments SWRO indiquent des valeurs de rejet de sel stabilisées comprises entre environ 99,41 TP3T et 99,71 TP3T, dans des conditions définies de concentration d'alimentation, de température, de pression et de taux de récupération.
Cela ne signifie pas pour autant que toutes les membranes de toutes les usines de dessalement d'eau de mer produiront toujours exactement ce résultat.
La qualité réelle de l'eau du produit varie en fonction :
Le flux d'eau désigne la quantité de perméat produite par unité de surface de membrane.
Un flux plus élevé peut permettre de réduire la surface totale de membrane nécessaire.
Cependant, un flux trop élevé peut accroître le risque d'encrassement et réduire la stabilité à long terme.
L'objectif ne se limite pas à obtenir un rendement maximal par élément de membrane.
Il s'agit d'une production stable tout au long de la durée de vie prévue.
L'eau de mer présente une pression osmotique bien plus élevée que la plupart des eaux saumâtres.
Le système SWRO nécessite donc une pompe haute pression.
Les conditions d'essai en eau de mer publiées par DuPont prévoient généralement une pression d'environ 55 bars pour les essais standard à 32 000 ppm de NaCl, tandis que certains éléments de filtration d'eau de mer sont conçus pour des pressions d'alimentation maximales pouvant atteindre 83 bars. La pression nominale réelle dépend de la salinité, de la température, du taux de récupération, du choix de l'élément et de la qualité visée du perméat.
La pression représente l'un des principaux facteurs de consommation d'énergie dans le processus de dessalement par osmose inverse.
Cependant, le concentré qui sort du réseau de membranes est encore soumis à une pression hydraulique importante.
Se laisser submerger par cette pression, c'est gaspiller de l'énergie.
Un dispositif de récupération d'énergie capte une partie de cette pression et la réinjecte dans le flux d'eau de mer entrant.
Le ministère américain de l'Énergie définit la récupération d'énergie comme le recyclage de l'énergie issue de la saumure à haute pression afin de contribuer à augmenter la pression de l'eau de mer avant l'osmose inverse.
Voici à quoi ressemble une configuration simplifiée :
Pompe haute pression
↓
Membranes SWRO
↙ ↘
Permeat / Saumure haute pression
↓
Récupération d'énergie
↓
Eau de mer d'alimentationLa technologie moderne des échangeurs de pression permet un transfert de pression très efficace, ce qui explique pourquoi la récupération d'énergie est devenue un élément central dans la conception de nombreuses grandes usines de dessalement par osmose inverse.
Pour les projets EPC, la décision d'intégrer un dispositif de récupération d'énergie dépend :
Dans le cas des petites installations de dessalement d'eau de mer, les aspects économiques et l'agencement des équipements peuvent conduire à une conception différente de celle d'une usine municipale.
Même une membrane d'osmose inverse de haute qualité ne fonctionnera pas correctement si les conditions d'exploitation ne sont pas adaptées.
Il existe plusieurs mécanismes principaux d'encrassement.
Des particules fines s'accumulent à la surface de la membrane.
Une conception améliorée du système d'admission, la clarification, l'ultrafiltration (UF) et la filtration sur cartouche peuvent réduire ce risque.
Les micro-organismes se fixent sur les surfaces mouillées et forment des biofilms.
Cela peut entraîner une augmentation de la pression différentielle et une baisse des performances de la membrane.
Des composés organiques naturels peuvent s'accumuler sur la membrane et modifier le débit.
Lorsque l'eau traverse la membrane, les sels dissous se concentrent davantage dans la saumure.
Si les sels peu solubles dépassent leurs limites de solubilité, des dépôts minéraux peuvent se former.
Un taux de récupération de l'eau plus élevé permet d'obtenir davantage d'eau douce à partir d'un volume d'alimentation donné.
Ça a l'air intéressant.
Cependant, l'augmentation du taux de récupération entraîne également une concentration plus importante en sels dans le flux de rejet et peut accroître le risque d'entartrage.
Le meilleur taux de récupération n'est donc pas toujours le chiffre le plus élevé possible.
C'est la reprise qui rétablit l'équilibre :
Le choix de la membrane doit se fonder sur les données du projet, et non sur la référence d'un modèle figurant dans un catalogue.
Avant de choisir des membranes destinées au dessalement de l'eau de mer, un maître d'œuvre EPC doit s'assurer que :
La membrane fait alors partie intégrante du système global de dessalement.
Certains projets accordent la priorité à une qualité optimale du perméat.
D'autres privilégient une consommation d'énergie réduite.
Une membrane de traitement de l'eau de mer à faible consommation d'énergie peut fonctionner à une pression réduite, mais les ingénieurs doivent tout de même vérifier si la qualité du perméat répond aux exigences du projet.
De même, une membrane à haut taux de rejet peut s'avérer utile lorsque des spécifications plus strictes sont exigées pour l'eau produite.
La bonne décision dépend des performances globales de l'installation, et non d'une simple valeur indiquée dans la fiche technique.
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Un même principe de base de dessalement par membrane peut s'appliquer à des capacités très différentes.
Les petits systèmes peuvent être utilisés pour :
Les éléments à membrane compacts de 4 pouces peuvent s'avérer pratiques lorsque le débit est modéré et que l'espace disponible pour l'installation est limité.
DuPont, par exemple, propose des éléments SWRO de 4 pouces destinés aux systèmes de dessalement marins et aux installations de plus petite taille.
Une installation de dessalement d'eau de mer à grande échelle peut comporter des centaines, voire des milliers d'éléments membranaires de 8 pouces installés en parallèle dans des cuves sous pression.
Le défi technique s'étend désormais pour inclure :
Pour ces projets, le prix de la membrane ne représente qu'une partie du coût du cycle de vie.
La consommation d'énergie, le nettoyage, la fréquence de remplacement, le rendement de la pompe et les temps d'arrêt sont souvent des facteurs plus importants.
Les membranes subissent de légères modifications au cours de leur fonctionnement.
La question importante est de savoir si ce changement résulte d'un encrassement réversible, d'une formation de tartre, d'une détérioration de la membrane ou d'un vieillissement normal.
Les opérateurs doivent surveiller les valeurs normalisées suivantes :
Une augmentation de la perte de charge peut indiquer la présence d'encrassement.
Une augmentation du passage du sel peut indiquer une détérioration de la membrane, son vieillissement, une étanchéité insuffisante ou d'autres problèmes de fonctionnement.
DuPont souligne que des conditions de fonctionnement extrêmes peuvent réduire le débit de perméat, augmenter le passage des sels et endommager les composants de l'élément.
Un nettoyage chimique peut permettre de rétablir les performances lorsque les dépôts sont réversibles.
Les produits chimiques utilisés pour le nettoyage dépendent de la nature des dépôts.
Les opérateurs ne doivent pas nettoyer les membranes à plusieurs reprises sans en avoir identifié la cause. Des nettoyages fréquents peuvent indiquer un prétraitement inadéquat ou une plage de fonctionnement inappropriée.
Le remplacement de la membrane s'avère nécessaire lorsqu'il n'est plus possible de rétablir un débit et un taux de rejet acceptables de manière rentable.
La planification du remplacement doit tenir compte des éléments suivants :
Le remplacement d'une membrane d'osmose inverse pour l'eau de mer doit être décidé en fonction de ses performances, et non pas simplement parce qu'une date précise est arrivée.
De nombreuses régions côtières disposent d'eau de mer en abondance, mais de ressources limitées en eau douce conventionnelle.
Le dessalement permet de créer une nouvelle source d'approvisionnement en eau en séparant les sels dissous de l'eau de mer.
L'USGS souligne que le dessalement est de plus en plus utilisé dans les régions où l'eau douce est rare et qu'il permet de fournir de l'eau non seulement pour l'usage municipal, mais aussi pour l'agriculture, les chaudières, l'industrie pharmaceutique, la production de semi-conducteurs et d'autres applications industrielles.
Cela ne signifie pas pour autant que le dessalement de l'eau de mer ne présente aucun défi sur le plan environnemental ou économique.
Les projets doivent tenir compte des éléments suivants :
Toutefois, les progrès constants réalisés dans les domaines de la technologie membranaire, des pompes, de l'automatisation, de la prévention de l'encrassement et de la récupération d'énergie contribuent à rendre le traitement par osmose inverse des eaux usées (SWRO) plus efficace.
Pour de nombreux projets côtiers, cela peut constituer un élément important d'une stratégie diversifiée en matière de gestion de l'eau.
Dans le cadre d'un projet impliquant de l'eau de mer ou une forte salinité, la fourniture d'une membrane d'osmose inverse ne suffit pas à elle seule.
La conception globale doit prendre en compte l'analyse de l'eau brute, le prétraitement, le débit requis, la configuration des membranes, les réservoirs sous pression, les pompes haute pression, le dosage des produits chimiques, le nettoyage CIP, l'instrumentation et les commandes automatiques.
Banott fournit actuellement des membranes d'osmose inverse (RO) industrielles aux formats standard 4040 et 8040, et propose une assistance technique pour la configuration des membranes et l'intégration complète des systèmes d'osmose inverse. Les valeurs de performance exactes doivent être vérifiées à l'aide de la fiche technique spécifique de la membrane et des conditions d'essai qui y sont définies avant de définir les spécifications d'un projet de traitement de l'eau de mer.
En tant que fournisseur spécialisé dans l'ingénierie proposant des membranes UF, des membranes RO, des modules EDI, usines de traitement d'eau pure, ainsi que les systèmes intégrés de traitement de l'eau, notre approche consiste à évaluer l'ensemble du projet.
Cela peut notamment inclure :
Pour les entrepreneurs EPC et les intégrateurs de systèmes, cela permet de réduire les risques liés à l'interfaçage entre les différents ensembles d'équipements.
La plupart des usines modernes de traitement de l'eau de mer à membranes utilisent des membranes spécialisées pour l'osmose inverse de l'eau de mer, généralement basées sur la technologie des membranes composites à film mince en polyamide. Elles sont conçues pour supporter une forte concentration en sel et fonctionner à haute pression.
Il ne faut pas partir du principe que c'est possible.
L'eau de mer présente une salinité et une pression osmotique bien supérieures à celles de l'eau saumâtre. Le choix de la membrane doit tenir compte de la salinité de l'eau d'alimentation, de la pression nominale, des exigences en matière de rejet et des spécifications du fabricant.
Les éléments SWRO disponibles dans le commerce peuvent atteindre un taux de rejet des sels supérieur à 99% dans des conditions d'essai définies. Certaines données publiées concernant ces éléments indiquent un taux de rejet stabilisé compris entre 99,4 et 99,7%. Les performances réelles d'une installation dépendent des conditions d'alimentation, du taux de récupération, de la température, de la pression, de l'encrassement et de l'âge des membranes.
L'eau de mer présente une pression osmotique élevée en raison de sa forte concentration en sels dissous. La pression appliquée doit dépasser cette force osmotique et fournir une pression motrice suffisante pour faire passer l'eau à travers la membrane.
La saumure qui sort de la membrane est encore soumise à une pression hydraulique élevée. Un équipement de récupération d'énergie capte une grande partie de cette pression et la transfère à l'eau de mer entrante, ce qui réduit la quantité d'énergie de pompage nécessaire.
Il n'existe pas de durée de vie fixe pour toutes les applications. La durée de vie d'une membrane dépend du prétraitement, de la qualité de l'eau de mer, de la pression de service, de l'encrassement, de l'entartrage, des pratiques de nettoyage, du taux de récupération et des exigences relatives à l'eau produite. Les exploitants doivent s'appuyer sur des tendances de performance normalisées pour planifier les opérations de nettoyage et de remplacement.
Une membrane de dessalement de l'eau de mer constitue la barrière de séparation principale d'une usine de dessalement par osmose inverse (SWRO), mais la réussite du dessalement ne dépend pas uniquement du choix d'un élément à haut taux de rejet.
Le système doit protéger la membrane.
Le prétraitement permet de contrôler les particules et la charge biologique.
La pompe haute pression fournit la force motrice.
La membrane d'osmose inverse sépare l'eau des sels dissous.
La récupération d'énergie permet de réduire le gaspillage d'énergie hydraulique.
Le post-traitement prépare le perméat en vue de son utilisation finale.
De plus, la surveillance permet de maintenir une performance stable au fil du temps.
Pour les entrepreneurs EPC, les projets d'approvisionnement en eau des collectivités locales, les utilisateurs industriels, les aménagements insulaires, les projets maritimes et les intégrateurs de systèmes, la meilleure membrane est donc celle qui s'adapte parfaitement à la conception globale du procédé.
En tant que fabricant et prestataire de services d'ingénierie spécialisé dans le traitement de l'eau, nous pouvons vous accompagner dans le choix des membranes et la conception de systèmes d'osmose inverse intégrés, en fonction de la salinité de l'eau d'alimentation, de la capacité requise, de la qualité visée pour l'eau traitée, des conditions d'installation, des besoins en automatisation et des exigences de mise en œuvre du projet.
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