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Système d'osmose inverse industriel
Présentation du projet
Principe du système d'osmose inverse
À une certaine température, une membrane semi-perméable sépare l'eau douce de la solution saline. L'eau douce passe dans la solution saline à travers cette membrane. Lorsque le niveau de liquide dans la partie saline du ventricule droit augmente, une pression se crée, empêchant l'eau douce du ventricule gauche de passer dans la partie saline. Un équilibre est finalement atteint. Cette pression d'équilibre est appelée pression osmotique, et le phénomène est appelé osmose. Si une pression externe supérieure à la pression osmotique est appliquée dans la partie saline du ventricule droit, l'eau de la solution saline passe dans la partie douce du ventricule gauche à travers la membrane semi-perméable, permettant ainsi la séparation de l'eau douce et de l'eau salée. Ce phénomène est l'inverse de l'osmose, appelé perméabilité inverse.
Ainsi, le principe de base d'un système de dessalement par osmose inverse est le suivant :
(1) La perméabilité sélective de la membrane semi-perméable, c'est-à-dire laisser passer sélectivement l'eau mais pas le sel ;
(2) La pression externe du compartiment salin est supérieure à la pression osmotique du compartiment salin et du compartiment d'eau douce, ce qui provoque le déplacement de l'eau du compartiment salin vers le compartiment d'eau douce. Les pressions osmotiques typiques de certaines solutions sont indiquées dans le tableau ci-dessous.
La membrane semi-perméable utilisée pour séparer l'eau douce de l'eau salée est appelée membrane d'osmose inverse. Elle est généralement composée de polymères. Actuellement, les membranes d'osmose inverse utilisées dans les centrales thermiques sont principalement constituées de polyamides aromatiques composites.
L'osmose inverse (OI) est une technologie de séparation et de filtration membranaire fonctionnant grâce à une différence de pression. La taille de ses pores est nanométrique (1 nanomètre = 10⁻⁹ mètre). Sous une certaine pression, les molécules d'eau (H₂O) peuvent traverser la membrane d'OI. Les sels inorganiques, les ions de métaux lourds, les matières organiques, les colloïdes, les bactéries, les virus et autres impuretés présents dans l'eau brute ne peuvent pas la traverser, ce qui permet de distinguer clairement l'eau pure qui la traverse de l'eau concentrée qui la retient.
Dans les applications industrielles, les installations d'osmose inverse utilisent des équipements spécialisés pour faciliter le processus d'osmose inverse. Les systèmes d'osmose inverse industriels sont conçus pour traiter de grands volumes d'eau et sont utilisés dans divers secteurs, notamment l'agriculture, l'industrie pharmaceutique et la production manufacturière. Les équipements utilisés dans ces systèmes sont spécifiquement conçus pour garantir l'efficacité du processus d'osmose inverse et la production d'eau douce à partir de sources d'eau salée.
Le procédé d'osmose inverse est une technologie essentielle pour le dessalement de l'eau de mer, permettant de fournir de l'eau douce aux régions où l'eau est rare ou dont les sources d'eau traditionnelles sont polluées. Grâce aux progrès réalisés en matière d'équipements et de technologies d'osmose inverse, ce procédé demeure une solution clé aux pénuries d'eau et aux problèmes de qualité de l'eau à travers le monde.
Principales caractéristiques des membranes d'osmose inverse :
Caractéristiques directionnelles et de séparation de la séparation membranaire
La membrane d'osmose inverse utilisée en pratique est une membrane asymétrique, composée d'une couche superficielle et d'une couche de support. Elle présente une directionnalité et une sélectivité marquées. Sa directivité se manifeste lorsqu'on plonge la surface de la membrane dans une saumure sous haute pression pour le dessalement : la pression augmente la perméabilité à l'eau de la membrane et, par conséquent, le taux de dessalement. En revanche, lorsque seule la couche de support est plongée dans la saumure sous haute pression, le taux de dessalement est quasiment nul, mais la perméabilité à l'eau augmente considérablement. Du fait de cette directivité, son utilisation en sens inverse est impossible.
Les caractéristiques de séparation de l'osmose inverse pour les ions et la matière organique dans l'eau ne sont pas identiques, ce qui peut être résumé comme suit
(1) La matière organique est plus facile à séparer que la matière inorganique
(2) Les électrolytes sont plus faciles à séparer que les non-électrolytes. Les électrolytes à charge élevée sont plus faciles à séparer, et leur vitesse d'élimination est généralement la suivante : Fe³⁺ > Ca²⁺ > Na⁺ > PO₄³⁻ > SO₄²⁻ > C. Pour un électrolyte, plus la molécule est grosse, plus elle est facile à éliminer.
(3) La vitesse d'élimination des ions inorganiques est liée à l'hydratation et au rayon des ions hydratés. Plus le rayon de l'ion hydraté est grand, plus son élimination est facile. L'ordre de vitesse d'élimination est le suivant :
Mg2+, Ca2+> Li+ > Na+ > K+ ; F-> C|-> Br-> NO3-
(4) Règles de séparation de la matière organique polaire :
Aldéhyde > Alcool > Amine > Acide, amine tertiaire > Amine secondaire > Amine primaire, acide citrique > Acide tartrique > Acide malique > Acide lactique > Acide acétique
Les récents progrès en matière de traitement des gaz résiduaires constituent une avancée significative pour relever les défis environnementaux, tout en offrant aux entreprises la possibilité de prospérer de manière durable et respectueuse de l'environnement. Cette solution innovante, promettant une efficacité élevée, de faibles coûts d'exploitation et l'absence de pollution secondaire, aura assurément un impact positif sur le traitement des gaz résiduaires et la protection de l'environnement.
(5) Paires d'isomères : tert- > Différent (iso-) > Zhong (sec-) > Original (pri-)
(6) La séparation des matières organiques par le sel de sodium est performante, tandis que la séparation du phénol et des bactéries phénolées est négative. Lors de la séparation par membrane de solutions aqueuses de solutés organiques polaires ou non polaires, dissociés ou non dissociés, les forces d'interaction entre le soluté, le solvant et la membrane déterminent la perméabilité sélective de cette dernière. Ces forces incluent les interactions électrostatiques, les liaisons hydrogène, l'hydrophobicité et le transfert d'électrons.
(7) En général, les solutés ont peu d'influence sur les propriétés physiques ou de transfert de la membrane. Seuls le phénol ou certains composés organiques de faible masse moléculaire provoquent le gonflement de l'acétate de cellulose en solution aqueuse. La présence de ces composés entraîne généralement une diminution, parfois importante, du flux d'eau à travers la membrane.
(8) L'effet d'élimination du nitrate, du perchlorate, du cyanure et du thiocyanate n'est pas aussi bon que celui du chlorure, et l'effet d'élimination du sel d'ammonium n'est pas aussi bon que celui du sel de sodium.
(9) La plupart des composants dont la masse moléculaire relative est supérieure à 150, qu'il s'agisse d'électrolytes ou de non-électrolytes, peuvent être facilement éliminés.
De plus, l'ordre de séparation des membranes d'osmose inverse pour les hydrocarbures aromatiques, les cycloalcanes, les alcanes et le chlorure de sodium est différent.
(2) Pompe haute pression
Pour le fonctionnement d'une membrane d'osmose inverse, l'eau doit être acheminée à la pression requise par une pompe haute pression afin de réaliser le dessalement. Actuellement, les pompes haute pression utilisées dans les centrales thermiques peuvent être centrifuges, à piston ou à vis, entre autres. Parmi celles-ci, la pompe centrifuge multicellulaire est la plus répandue. Elle permet d'atteindre un rendement supérieur à 90 % et de réaliser des économies d'énergie. Ce type de pompe se caractérise par une efficacité élevée.
(3) Ontologie de l'osmose inverse
Le corps d'osmose inverse est une unité de traitement d'eau combinée qui assemble et relie les composants de membrane d'osmose inverse par des canalisations selon une configuration précise. Chaque membrane d'osmose inverse est appelée élément membranaire. Un certain nombre d'éléments de membrane d'osmose inverse sont connectés en série selon des spécifications techniques et assemblés avec une enveloppe de membrane d'osmose inverse pour former un composant membranaire.
1. Élément membranaire
Élément de membrane d'osmose inverse : Unité de base composée d'une membrane d'osmose inverse et d'un support, destinée à un usage industriel. Actuellement, les éléments à membrane enroulée sont principalement utilisés dans les centrales thermiques.
Actuellement, divers fabricants de membranes produisent une variété de composants membranaires destinés à différents secteurs industriels. Les éléments membranaires utilisés dans les centrales thermiques peuvent être classés en trois grandes catégories : éléments membranaires d’osmose inverse pour le dessalement d’eau de mer à haute pression ; éléments membranaires d’osmose inverse pour le dessalement d’eau saumâtre à basse et très basse pression ; éléments membranaires anti-encrassement.
Les exigences de base pour les éléments de membrane sont les suivantes :
A. Densité de remplissage du film aussi élevée que possible.
B. Difficile à polariser par concentration
C. Forte capacité anti-pollution
D. Il est pratique de nettoyer et de remplacer la membrane
E. Le prix est bon marché
2. Enveloppe membranaire
Le récipient sous pression utilisé pour charger l'élément de membrane d'osmose inverse dans le corps de l'appareil d'osmose inverse est appelé enveloppe de membrane, également connu sous le nom de « récipient sous pression ». L'unité de fabrication est Haide Energy, chaque récipient sous pression mesure environ 7 mètres de long.
L'enveloppe du réservoir sous pression est généralement fabriquée en tissu plastique renforcé de fibres de verre époxy, et son revêtement extérieur est en peinture époxy. Certains fabricants proposent également des réservoirs sous pression en acier inoxydable. Grâce à sa forte résistance à la corrosion, le PRV est le matériau de prédilection des centrales thermiques pour les enveloppes sous pression.
Facteurs influençant les performances d'un système de traitement d'eau par osmose inverse :
Dans des conditions de système spécifiques, le flux d'eau et le taux de dessalement sont les caractéristiques de la membrane d'osmose inverse. De nombreux facteurs influencent le flux d'eau et le taux de dessalement du corps d'osmose inverse, notamment la pression, la température, le taux de récupération, la salinité de l'influent et le pH.
(1) Effet de pression
La pression d'entrée d'une membrane d'osmose inverse influe directement sur son flux et son taux de dessalement. L'augmentation du flux est linéaire avec la pression d'entrée. Le taux de dessalement est également linéaire avec la pression d'entrée, mais au-delà d'une certaine valeur, sa courbe se stabilise et le taux de dessalement n'augmente plus.
(2) Effet de la température
Le taux de dessalement diminue avec l'augmentation de la température d'entrée du système d'osmose inverse. Cependant, le débit d'eau produite augmente de manière quasi linéaire. Ceci s'explique principalement par le fait que, lorsque la température augmente, la viscosité des molécules d'eau diminue et leur capacité de diffusion s'accroît, ce qui augmente le flux d'eau. Avec l'augmentation de la température, la vitesse de passage du sel à travers la membrane d'osmose inverse s'accélère, ce qui réduit le taux de dessalement. La température de l'eau brute est un paramètre de référence important pour la conception d'un système d'osmose inverse. Par exemple, lors de la modernisation d'une centrale électrique pour intégrer un système d'osmose inverse, la température de l'eau brute est initialement calculée à 25 °C, et la pression d'entrée calculée à 1,6 MPa. Or, en fonctionnement réel, la température de l'eau n'est que de 8 °C, et la pression d'entrée doit être augmentée à 2,0 MPa pour garantir le débit d'eau douce prévu. En conséquence, la consommation d'énergie du système de fonctionnement augmente, la durée de vie de la bague d'étanchéité interne du composant membranaire du dispositif d'osmose inverse est réduite et le coût de la maintenance de l'équipement est accru.
(3) Effet de la teneur en sel
La concentration en sel de l'eau est un paramètre important qui influe sur la pression osmotique de la membrane ; cette dernière augmente avec la concentration en sel. Lorsque la pression d'entrée du système d'osmose inverse reste constante, la concentration en sel de l'eau d'entrée augmente. L'augmentation de la pression osmotique compensant partiellement la force d'entrée, le flux diminue et le taux de dessalement s'en trouve réduit.
(4) L'influence du taux de récupération
L'augmentation du taux de récupération du système d'osmose inverse entraîne une hausse de la concentration en sel de l'eau à l'entrée de la membrane, dans le sens de l'écoulement, ce qui accroît la pression osmotique. Cette dernière compense l'effet moteur de la pression d'entrée de l'eau d'osmose inverse, réduisant ainsi le débit d'eau. L'augmentation de la concentration en sel de l'eau à l'entrée de la membrane se traduit par une augmentation de la concentration en sel de l'eau douce, diminuant ainsi le taux de dessalement. Lors de la conception du système, le taux de récupération maximal de l'osmose inverse ne dépend pas de la pression osmotique, mais souvent de la composition et de la concentration en sel de l'eau brute. En effet, l'amélioration du taux de récupération peut entraîner la formation de dépôts de sels microsolubles, tels que le carbonate de calcium, le sulfate de calcium et le silicium, lors du processus de concentration.
(5) L'influence de la valeur du pH
La plage de pH applicable aux différents types de membranes varie considérablement. Par exemple, le flux d'eau et le taux de dessalement d'une membrane en acétate sont généralement stables entre pH 4 et 8, et sont fortement affectés en dessous de 4 ou au-dessus de 8. Actuellement, la grande majorité des matériaux membranaires utilisés dans le traitement industriel des eaux sont des matériaux composites, adaptés à une large plage de pH (le pH peut être contrôlé entre 3 et 10 en fonctionnement continu, et le flux membranaire et le taux de dessalement restent relativement stables dans cette plage).
Méthode de prétraitement par membrane d'osmose inverse :
La filtration par osmose inverse diffère de la filtration sur lit filtrant. Cette dernière assure une filtration complète, c'est-à-dire que l'eau brute traverse entièrement la couche filtrante. La filtration par osmose inverse, quant à elle, est une méthode de filtration tangentielle : une partie de l'eau brute traverse la membrane verticalement. Les sels et divers polluants sont alors retenus par la membrane, tandis que le reste de l'eau brute, circulant parallèlement à sa surface, est évacué. Cependant, les polluants ne sont pas totalement éliminés. Avec le temps, les polluants résiduels encrassent davantage la membrane. Plus la concentration de polluants dans l'eau brute et le taux de récupération sont élevés, plus l'encrassement de la membrane est rapide.
1. Contrôle de l'échelle
Lorsque les sels insolubles présents dans l'eau brute se concentrent continuellement dans l'élément membranaire et dépassent leur limite de solubilité, ils précipitent à la surface de la membrane d'osmose inverse : c'est ce qu'on appelle l'entartrage. La source d'eau étant déterminée, le risque d'entartrage augmente avec le taux de récupération du système d'osmose inverse. Actuellement, il est courant d'accroître les taux de recyclage en raison des pénuries d'eau ou des impacts environnementaux des rejets d'eaux usées. Dans ce contexte, des mesures de contrôle de l'entartrage bien pensées sont particulièrement importantes. Dans un système d'osmose inverse, les sels réfractaires courants sont le CaCO₃, le CaSO₄ et le SiO₂. D'autres composés susceptibles de former du tartre sont le CaF₂, le BaSO₄, le SrSO₄ et le Ca₃(PO₄)₂. La méthode courante pour inhiber l'entartrage consiste à ajouter un inhibiteur de tartre. Dans mon atelier, nous utilisons le Nalco PC191 et l'Euro&A NP200.
2. Contrôle de la contamination par les particules colloïdales et solides
L'encrassement par les colloïdes et les particules peut sérieusement affecter les performances des éléments de membrane d'osmose inverse, comme une réduction significative de la production d'eau douce, et parfois aussi une réduction du taux de dessalement. Le premier symptôme de cet encrassement est l'augmentation de la différence de pression entre l'entrée et la sortie des composants de la membrane d'osmose inverse.
La méthode la plus courante pour évaluer la présence de colloïdes et de particules dans les éléments de membrane d'osmose inverse consiste à mesurer la valeur SDI de l'eau, parfois appelée valeur F (indice de pollution), qui est l'un des indicateurs importants pour surveiller le fonctionnement du système de prétraitement par osmose inverse.
L'indice de densité des sédiments (IDS) mesure la variation de la vitesse de filtration de l'eau par unité de temps et indique sa qualité. La quantité de colloïdes et de particules en suspension influe sur l'IDS. Sa valeur peut être déterminée à l'aide d'un instrument dédié.
3. Contrôle de la contamination microbienne des membranes
Les micro-organismes présents dans l'eau brute comprennent principalement des bactéries, des algues, des champignons, des virus et d'autres organismes supérieurs. Lors du processus d'osmose inverse, les micro-organismes et les nutriments dissous dans l'eau se concentrent et s'enrichissent continuellement dans l'élément membranaire, créant ainsi un environnement et un processus idéaux pour la formation de biofilms. La contamination biologique des composants de la membrane d'osmose inverse affecte considérablement les performances du système. La différence de pression entre l'entrée et la sortie des composants augmente rapidement, entraînant une diminution du débit d'eau. Parfois, la contamination biologique se produit au niveau de la production d'eau, contaminant ainsi l'eau produite. Par exemple, lors de la maintenance des dispositifs d'osmose inverse dans certaines centrales thermiques, de la mousse verte est observée sur les éléments membranaires et les canalisations d'eau douce, ce qui constitue une pollution microbienne typique.
Une fois la membrane contaminée par des micro-organismes et ayant formé un biofilm, son nettoyage devient très difficile. De plus, les biofilms non éliminés favorisent une prolifération rapide des micro-organismes. Par conséquent, la maîtrise des micro-organismes constitue une étape cruciale du prétraitement, notamment pour les systèmes de prétraitement par osmose inverse utilisant l'eau de mer, les eaux de surface et les eaux usées.
Les principales méthodes de prévention de la prolifération microbienne sur les membranes sont : la chloration, la microfiltration ou l’ultrafiltration, l’ozonation, la stérilisation aux ultraviolets et l’ajout de bisulfite de sodium. Dans les systèmes de traitement des eaux des centrales thermiques, les méthodes couramment utilisées sont la chloration et l’ultrafiltration avant l’osmose inverse.
En tant qu'agent stérilisant, le chlore inactive rapidement de nombreux micro-organismes pathogènes. Son efficacité dépend de sa concentration, du pH de l'eau et du temps de contact. En pratique, la concentration de chlore résiduel dans l'eau est généralement maintenue entre 0,5 et 1,0 mg, et le temps de réaction est limité à 20-30 minutes. Le dosage du chlore doit être déterminé par essais, car les matières organiques présentes dans l'eau consomment également du chlore. Le chlore est utilisé pour la stérilisation, et le pH optimal se situe entre 4 et 6.
L'utilisation de la chloration dans les systèmes d'eau de mer diffère de celle en eau saumâtre. L'eau de mer contient généralement environ 65 mg de brome. Lors d'un traitement chimique à l'hydrogène, l'acide hypochloreux réagit d'abord avec l'acide hypobromeux, ce qui explique l'effet bactéricide de ce dernier plutôt que celui de l'acide hypochloreux. De plus, l'acide hypobromeux ne se décompose pas à pH élevé. Par conséquent, la chloration est plus efficace en eau de mer qu'en eau saumâtre.
Étant donné que l'élément membranaire du matériau composite a certaines exigences concernant le chlore résiduel dans l'eau, il est nécessaire de procéder à un traitement de déchloration après stérilisation au chlore.
4. Lutte contre la pollution organique
L'adsorption de matière organique sur la surface de la membrane entraînera une diminution du flux membranaire et, dans les cas les plus graves, une perte irréversible de ce flux, affectant ainsi la durée de vie pratique de la membrane.
Pour les eaux de surface, la plupart étant des produits naturels, un traitement combiné par coagulation, filtration par coagulation DC et filtration sur charbon actif permet de réduire considérablement la matière organique présente dans l'eau, afin de répondre aux exigences de l'osmose inverse.
5. Contrôle de la polarisation de concentration
Lors du processus d'osmose inverse, un fort gradient de concentration peut parfois apparaître entre l'eau concentrée à la surface de la membrane et l'eau d'alimentation : c'est la polarisation de concentration. Ce phénomène entraîne la formation d'une couche relativement concentrée et stable, appelée « couche critique », à la surface de la membrane. Cette couche critique entrave le bon déroulement du processus d'osmose inverse. En effet, la polarisation de concentration augmente la pression de la solution à la surface de la membrane, réduisant ainsi la force motrice du processus et, par conséquent, le rendement en eau et le taux de dessalement. Lorsque la polarisation de concentration est importante, des sels légèrement dissous peuvent précipiter et former des dépôts sur la membrane. Pour éviter la polarisation de concentration, une méthode efficace consiste à maintenir un flux d'eau concentrée turbulent, c'est-à-dire à augmenter le débit d'entrée afin de minimiser la concentration de sels micro-dissous à la surface de la membrane. De plus, après l'arrêt du dispositif de traitement d'eau par osmose inverse, l'eau concentrée du côté de l'eau concentrée remplacée doit être rincée à temps.
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