RAPPEL DE NOTIONS FONDAMENTALES RELATIVES A L'OSMOSE INVERSE

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1 Page N 1 RAPPEL DE NOTIONS FONDAMENTALES RELATIVES A L'OSMOSE INVERSE L'osmose inverse est une technologie de séparation membranaire largement répandue dans le monde, sa principale application depuis quelques décennies a été la production d'eau potable à partir de ressources salines (eau saumâtre, eau de mer). Depuis quelques années cette technologie a été appliquée à diverses applications industrielles tant dans le domaine de l'eau que celui d'autres liquides de procédés. La présente note après un court rappel historique a pour but de présenter de manière assez générique, tout d'abord les principes qui régissent cette technologie puis ensuite : les diverses membranes existantes, leur mise en œuvre et les applications dans le domaine de l'eau. Vers ont lieu quelques réalisations de membranes, mais c'est réellement en à l'université de Californie que Loeb et Sourirajan mettent au point la première membrane semi-perméable à base d'acétate de cellulose. Cette membrane avait été créée dans le but de dessaler de l'eau de mer, mais très rapidement elle a été utilisée pour des applications en eau saumâtre ainsi qu'en milieu agroalimentaire. L'ultrafiltration ne sera en un premier temps qu'une évolution de la membrane d'osmose inverse. La nanofîltration qui est une technique dérivée de l'osmose inverse avec des sélectivités moins importantes apparaîtra en A ce jour de nombreuses membranes sont disponibles de par le monde, toutefois il faut constater que les principaux fabricants sont américains et Japonais.

2 Page N 2 PRINCIPES GENERAUX DE L'OSMOSE INVERSE FIGURE 1 La figure 1 ci-dessus représente un tube en U avec une membrane semi-perméable séparant les deux branches. Dans la branche de gauche le liquide A est un liquide très peu concentré (solvant), dans la branche de droite le liquide B est fortement concentré (solvant + soluté). Naturellement le solvant A va migrer au travers de la membrane semi-perméable et va diluer la solution B, ce phénomène s'appelle l'osmose naturelle. Au bout d'un certain temps un état d'équilibre est atteint (Equilibre Osmotique). La différence de hauteur H qui sépare les deux niveaux liquides représente la pression osmotique du liquide. Si l'on applique une pression P supérieure à la pression osmotique au-dessus de la solution concentrée B, le phénomène s inverse et seul le solvant migre au travers de la membrane ceci est le principe même de l'osmose Inverse. On peut imaginer l'eau de mer dans la branche B, l'eau douce dans la branche A. Sous l'effet d'une pression de l'ordre de 60 bars et avec des membranes appropriées, ce schéma illustre le principe même du dessalement d'eau de mer par osmose inverse. Les autres applications sur des eaux de moindre salinité ou des fluides ou effluents industriels, relèvent du même principe, seules les membranes et les pressions mises en œuvre sont différentes.

3 Page N 3 LES MEMBRANES D'OSMOSE INVERSE La classification des membranes d'osmose inverse s'opère selon deux critères : LE MATERIAU CONSTITUTIF : Les matériaux cellulosiques. Les matériaux composites (tel polyamide) Les matériaux cellulosiques sont de moins en moins utilisés et la plupart des applications actuelles font appel aux matériaux de type TFC (Thin Film Composite). LA CONFIGURATION GEOMETRIQUE : Les membranes planes. Les membranes tubulaires. Les membranes à fibres creuses. Les membranes spirales. Seuls ces deux derniers types de membranes sont utilisés à ce jour dans les applications "Eau", bien que le modèle spirale tende à se généraliser et devenir un standard de fait. FIG 3 - Membrane à fibres creuses Les membranes à fibres creuses disponibles sur le marché sont des membranes en polyamide et seul le modèle eau de mer s'utilise couramment (cf. figure 3). Les membranes spirales (cf. Figure 4) sont produites à partir d'un film plan enroulé en spirale autour d'un noyau collecteur central. Leurs dimensions sont standardisées, dans les modèles industriels on trouve les dimensions suivantes : 2,5 4 4,6 8 Les longueurs standards sont en général de : 14, 21 et

4 Page N 4 CONCEPT GENERAL D'UN POSTE D'OSMOSE INVERSE FIG 2 La figure 2 ci-dessus représente un schéma simplifié montrant les principaux circuits d'un système d'osmose inverse repris ci-dessous : A P C CC CR AA Alimentation en eau prétraitée. Perméat (Eau osmosée) Concentrât rejeté. Concentrât total sortant des membranes. Concentrât recyclé. Débit réel d'alimentation. On a les relations suivantes : CC=C+CR A = P+C Et: et AA=A+CR On en déduit les rendements volumétriques appelés «Taux de conversion» Taux de conversion apparent R% = (C/A) x 100 Taux de conversion interne R % = (CC/AA) x 100 Le débit de concentrât CC total sortant des membranes a des valeurs techniques minimales en dessous desquelles il ne faut pas descendre et ce pour des raisons purement hydrauliques nécessitant un transit turbulent de ce concentrât. Afin d'éviter des pertes d'eau importantes on est donc amener à recycler sur certains systèmes une partie plus ou moins importante de concentrât. Le rapport de salinité Entrée-Sortie (TDSA I TDSP) x 100 exprimé en pourcentage représente le Taux de réjection > ou pourcentage d'ions éliminés. La valeur (100 - Taux de Réjection) représente le flux d'ions passants en fait la fuite ionique. «L'eau d alimentation doit être correctement prétraitée afin d'éviter les problèmes de colmatage, de précipitation, d'oxydation et de pollution de toute nature.

5 Page N 5 Il est d usage de s assurer que le Fouling Index est strictement inférieur à SDI15 < 3, lorsque cela n'est pas le cas il faut mettre en œuvre une filtration appropriée tel un système anti-fouling de filtration sur diatomées préalablement conditionnées avec un polymère. Aujourd hui certaines installations sont même protégées par un système d'ultrafiltration. Une microfiltration de garde ayant une finesse de filtration comprise entre 1 et 5 microns est systématiquement prévue. Les oxydants tel le Chlore libre doivent être éliminés soit par adsorption sur charbon actif soit par réduction chimique. Les précipitations entre autre carbonées doivent être inhibées, pour cela on pratiquera soit à un adoucissement total, soit à une acidification judicieusement calculée. Les précipitations spécifiques telles celles de sels de sulfates ou de fluorures seront inhibées par injection d'un produit séquestrant adapté. On prendra garde également à divers composants tels que : Silice, Fer, Manganèse, Strontium, Baryum, Aluminium, polluants bactériens et Hydrocarbures, dont les concentrations doivent être extrêmement basses voir nulles pour certains d entre eux. En conséquence des pré traitements appropriés seront mis en œuvre. Le pré traitement est véritablement une étape stratégique qu'il ne faut absolument pas négliger car c'est le garant du bon fonctionnement du système d'osmose inverse, et surtout c'est «l'assurance vie > membranes. Les gaz dissous tels 02 et C02 ne sont pas retenus par les membranes, en conséquence ils se retrouvent dans le perméat, et il faudra les éliminer par un post-traitement adapté s'ils s'avéraient indésirables. Comme déjà expliqué plus avant, la température de l'eau à une grande importance sur la productivité des membranes en fait, elle est directement proportionnelle à la température absolue. Il faut savoir que l'influence de productivité en débit est de l'ordre de 2 à 2,5% par degré Celsius. Il faut aussi noter que les membranes ne peuvent travailler que dans des limites de températures bien précises, il ne faut en général ne pas dépasser 30 à 35W et ne pas travailler avec des températures trop basses, 10 à 12W devrait être la limite inférieure Un système bien conçu se doit d'être correctement instrumenté, les principales mesurent à prévoir sont les suivantes : Pression (manomètre, pressostat), Température (thermomètre, thermostat), Débits, Conductivité. Les accès aux membranes devront être faciles, à cet effet on prévoira des éléments de tuyauterie démontables équipés de raccords rapides de type Victaulic ou Clamp. De même des connections pour un système CIP devront être prévues et correctement positionnées.

6 Page N 6 Le CIP qui classiquement comprendra : une bâche, une pompe, un refroidisseur, des réseaux hydrauliques avec des flexibles et éventuellement un filtre devra permettre de réaliser toutes les opérations de : rinçage, nettoyage chimique et stérilisation. Ces membranes doivent être associées les unes aux autres, à cet effet elles sont installées dans des tubes de pression où selon les cas et les diamètres il est courant d'y loger de 1 à 6 membranes voir jusqu'à 7 dans certains cas (cf. Figure5). FIG 5 - Tube de pression avec 2 membranes spirales Ces tubes de pressions sont réalisés en Epoxy et possèdent des connections Entrée-Sortie situées axialement, les connections de tube à tube doivent s'effectuer par des tuyauteries externes. Il existe également des tubes à connections latérales qui permettent de simplifier ces raccordements et donnent un accès plus aisé aux membranes lors des opérations de mise en place et de démontage. Bien que moins répandus, certains fournisseurs proposent des tubes de pression en acier inoxydable, certaines construction sont même de type sanitaire pour des applications telles que la pharmacie ou la biotechnologie.