Tout pour dessaler de l'eau de mer

II) L'osmose inverse

L'osmose inverse, dérivé de l'osmose est un phénomène très utile, essentiellement utilisé pour la potabilisation de l'eau. Il existe des machines qui fonctionnent grâce à l'osmose inverse à plusieurs échelles : de petits osmoseurs individuels exploités par des familles, aux usines de dessalement qui permettent de produire de l'eau en plus grande quantité. Cette eau pure et potable a des avantages mais elle a également des inconvénients.

A) Principe de l'osmose inverse

Deux solutions aqueuses, l'une concentrée faiblement en sel et l'autre concentrée fortement en sel, sont séparées l'une de l'autre part une membrane semi-perméable, qui laisse seulement passer les molécules d'eau. On rappelle que lors du phénomène d'osmose, seul les molécules d'eau de la solution faiblement concentrée traversent spontanément la membrane pour rejoindre l'eau fortement concentrée afin de rétablir l'équilibre des concentrations. Ensuite vient le phénomène d'osmose inverse ou hyperfiltration, on applique une pression sur la nouvelle solution concentrée, pour «obliger» l'eau à repasser à travers la membrane. On obtient à l'aide de ce procédé de l'eau douce, il aboutit à de très bons résultats, car la membrane retient 95% à 100% des particules présents dans l'eau. Ce pourcentage varie selon la qualité de la membrane.

 

 

 

Principe de l'osmose: Le niveau de l'eau monte et devient une solution de plus en plus diluée se rapprochant du taux moyen de concentration de sel des deux solutions, jusqu'à atteindre un état d'équilibre appelé équilibre osmotique.

 

 

 

L'osmose inverse, comme son nom l'indique est en fait le même processus inversé. Le bassin 1 de la figure ne contient pas beaucoup d'eau au départ. En appliquant sur la partie la plus concentrée (bassin 2) une pression, on inverse le sens du courant et on provoque une production d'eau pure à partir de l'eau très saline. Le sel restera au fond du bassin 2.

Principe de l'hyperfiltration :

1er étape : Tout d'abord, l'eau passe à travers un filtre de 5 micromètres qui empêche le passage des plus grosses particules en suspension dans l'eau. Il est conçu pour retenir l'ensemble des impuretés solides présentent dans l'eau.

2ème étape : L'eau passera au travers d'une cartouche de charbon actif à absorption, à son contact le chlore, chlorine seront supprimés. Ce qui protègera la membrane.

3ème étape : Ensuite, elle passera au travers de la membrane d'osmose inverse,celle-ci n'est pas toujours de forme rectangulaire, elle peut aussi être en forme de spirale comme sur le schéma ci-dessous, la porosité est de l'ordre de 0.0001 micromètre. Lors du passage à travers cette membrane, les éléments supérieurs 0 micron restent prisonniers de la membrane. Ainsi, l'eau est débarrassée de ses impuretés. Le concentrât* est déchargé automatiquement sous l'évier et chassé dans le système d'égout.

 

Le système de filtration comporte des membranes qui sont de l'ordre de 10 um et qui n'arrêtent que les particules en suspension, visibles par l'homme. Ensuite la micro-filtration empêche les bactéries de l'ordre de 100 nm de passer à travers la membrane. Puis l'ultra-filtration avec des membranes de porosité de 10 nm stoppent les virus. Et, la nano-filtration bloque des ions de l'ordre de 1nm. Enfin, l'osmose inverse comme déjà dit précédemment interdit le passage au sel.

4éme étape : Enfin l'eau maintenant pure est placée dans une bombone sous pression.

5ème étape : L'eau passe une dernière fois dans une cartouche post-charbon absorption pour enlever les odeurs et les gaz.

6ème étape : Après le passage dans la cartouche post-filtre, une eau pure vous est servie au robinet osmoseur.

 

Chaine de filtrage de L'eau

Filtrer l'infiniment petit

Les premières membranes artificielles furent commercialisées au début des années 30. Elles furent utilisées en particulier lors de la seconde guerre mondiale pour le contrôle bactériologique des eaux dans les villes sujettes aux attaques aériennes. Les travaux ont repris en particulier après les années 30 sous la pression d'une demande concernant le dessalement. Il faut attendre les années 60 pour voir un développement industriel suite au résultat du programme américain sur le dessalement des eaux saumâtres.

La première génération de membranes est un composant dérivé de la cellulose*. Bien que ces membranes ont été une grande avancée dans le monde scientifique, elles ont été la cause principale d'échecs en raison de limites incompatibles avec les exigences des industries: Faible résistance à la température, au PH, aux attaques bactériennes. Dans les années 80, de nouvelles membranes faites de polymères* non cellulosiques ont été introduites. Leur résistance chimique a été améliorée comme leur capacité à retenir les petites molécules, la qualité de filtration est améliorée, le perméat* peut être utilisé pour la consommation humaine. Les molécules, comme les antibiotiques, arômes, parfums sont retenus, ce qui est très important pour l'industrie pharmaceutique et pour l'industrie agro-alimentaire.

Le coeur du système de filtration par osmose inverse est une cartouche maintenant une membrane ou film en polymère. Cette membrane est une sorte de peau, présentant des pores d'un diamètre de 10-4 microns (0,000l),capable d'éliminer les molécules les plus fines ainsi que les bactéries et même les virus qui, mesurent 0,2 microns. L'eau pénètre dans la cartouche et seules les molécules d'eau traversent cette membrane, les autres molécules sont rejetées en permanence avec une partie de l'eau non filtrée. L'atout majeur des osmoseurs demeure évidemment l'élimination de la quasi totalité des nitrates et des molécules, métaux, nitrates, engrais, herbicides, pesticides, dioxines, poussières radioactives.

 

 

B) Dessalement de l'eau de mer par osmose inverse

Les trois quarts de la surface de notre planète sont recouverts d’eau mais d’eau salée malheureusement. L'eau douce ne représente que 2,5 % du volume total mondial.

La carte ci-dessous montre l'augmentation des pays ayant une disponibilité en eau très faible.

 

On dit qu'une région est en stress hydrique lorsque ses ressources par an sont inférieures à 1700 m3 par an et par personne. On parle de pénuries d'eau lorsque la quantité d'eau prélevée n'excède pas 1 000 m3 par an et par personne. Vers 2025, 3 milliards d'êtres humains se retrouveront dans cette situation.

Pouvoir transformer l'eau douce en eau salée résoudrait en effet toutes les difficultés de pénurie d’eau que connaissent beaucoup de pays. Selon les nations unies, trois milliards de personnes vivront dans des régions où les réserves d'eau existantes seront surexploitées, ou auront disparu. Car nombre d’entre eux ont un accès aux océans, quand ils ne disposent pas d’un littoral maritime conséquent. Au moyen-orient ainsi qu'autour de la méditerranée, on s'emploie déjà à transformer en eau potable la plus grande réserve d'eau de la planète: l'océan. La méthode, la plus simple appelé distillation coûte très cher ainsi que l'eau produite par ce procédé.

Technique de la distillation

Il faut chauffer l'eau de mer, la condensation de la vapeur d'eau va produire de l'eau douce. La forme la plus simple de la distillation, la distillation à simple effet, a été installé sur les bateaux: l'énergie pour le chauffage provient du diesel de propulsion, le refroidissement est assuré par l'eau de mer froide qui circule dans un échangeur. Des pompes récupèrent l'eau douce condensée et évacuent la saumure*.

 

Schéma d'une distillation simple

Distillation à multiples effets

L’eau est dessalée dans plusieurs évaporateurs reliés en série que l’on appelle effets. Chaque évaporateur est relié en son haut par un tuyau rempli d'eau de mer. L’eau de mer entre dans le 1er évaporateur et est chauffée par des tubes en serpentin, alimentés par un système de chauffage. Le sel et l’eau non évaporés tombent au fond de la cellule tandis que l’eau évaporée entre dans le second évaporateur par le biais d’un autre tuyau. L’eau salée tombant du plafond est chauffée par les serpentins et la vapeur à l’intérieur de ces tuyaux se condense puis est évacuée dans un système de stockage d’eau distillée. L’eau salée qui est tombée sur les conduits en serpentins se transforme en vapeur et passe dans un tuyau l’amenant dans le troisième évaporateur et ainsi de suite. La saumure, qui est restée au fond de chaque cellule est évacuée. Il y a un compresseur qui baisse la pression d’effet en effet. Plus la pression augmente, plus la température d’ébullition est basse.

Schéma de la distillation à multiples effets

L'électrolyse

L’électrodialyse est une méthode électro-chimique dans laquelle le sel est séparé de l’eau par transfert d’ions. Tout d’abord, il faut savoir que le sel de cuisine, lorsqu’il est dissout, donne dans l’eau des ions positifs de sodium (Na+) et des ions négatifs de chlore (Cl-).

L’équation chimique de cette réaction est: NaCl(aq) + H2O(l) = Na+(aq) + Cl-(aq) + H2O(l)

Mise en place de la technique de l’électrodialyse:

Une cuve est munie de deux électrodes appelés: anode et cathode, toutes les deux reliées à un générateur de courant continu. De plus le récipient est divisé en plusieurs sous parties, séparées alternativement de membranes cationiques et de membranes anioniques.

Dans la première sous partie est placée une solution à dessaler, puis dans celle d’à côté ce que l’on appelle une solution de lavage, dans la troisième on retrouve la solution à dessaler, puis la solution de lavage et ainsi de suite jusqu’à ce que la cuve soit pleine.

Fonctionnement du dessalement :

Après la mise sous tension du générateur, chaque ion (Na+ et Cl-) va être attiré vers l’électrode de signe opposé, les ions Na+ vont êtres attirés vers la cathode et les ions Cl- attirés vers l’anode.

Cependant les membranes séparant les parties sont des membranes semi-perméables: les membranes anioniques ne laissent passer que les ions Cl- et retiennent les ions Na+, tandis que les membranes cationiques retiennent les ions Cl- et laissent passer les ions Na+. Dans certaines sous parties de la cuve, on peut donc collecter les ions retenus par chacune de ces deux membranes.

Résultats:

Le compartiments du milieu est lui, dés le début totalement dessalé. Ainsi, les compartiments où l'eau contient une concentration d'ions chlorure Cl- alternent avec d'autres où l'eau contient des ions sodium Na+. Lorsque l’eau ne contient plus suffisamment d’ions (l’eau est dessalée), elle est extraite de ces cellules.

 

Schéma représentant le principe de l'electrolyse

L'osmose inverse

Une autre méthode, qui prend peu à peu le dessus, est plus subtile: l'osmose inverse. D'abord développée pour les besoins des sous-mariniers américains, qui ne pouvaient pas emporter des bouteilles d'eau minérale avec eux, l'osmose inverse nécessite de traiter au préalable l’eau de mer en la filtrant et en la désinfectant afin de la débarrasser des éléments en suspension et des micro-organismes qu’elle contient. Le procédé consiste ensuite à appliquer à cette eau salée une pression si elle est suffisamment forte , le flux d'eau s'arrêtera: cette pression est appelée pression osmotique. Lorsque l'on dépasse la valeur de la pression osmotique, on observera que le courant sera dans le sens inverse de celui de l'osmose. Seules les molécules d’eau traversent la membrane, fournissant ainsi une eau douce potable.

 Osmose inverse

Schéma représentant la désalination par osmose inverse

 

C)Utilisation de l'eau de mer dessalée

Naturellement, on dessale l'eau de mer pour pouvoir la boire mais l'eau osmosée peut convenir pour d'autres choses. Tout d'abord l'eau dessalée évite beaucoup de maladies ce qui est très bien pour les enfants, comme ils sont constitués à 80 % d'eau, ils ont besoin d'une eau de très bonne qualité. Elle est recommandée pour l'hygiène, la toilette pour les peaux sensibles. Ensuite, on peut utiliser cette eau en toute sécurité dans les appareils ménagers, comme le fer à repasser, la cafetière... Il n'y aura plus de dépôts de chlore. De plus, elle n'influe pas sur le goût et garde les propriétés des aliments, notamment les légumes cuits dans l'eau. Beaucoup d'aquariophiles, l'utilisent, car la propreté de l'aquarium et la survie des animaux dépendent de la qualité de l'eau. Mais bien qu'elle soit beaucoup mieux que l'eau «du robinet» il faut tout de même rajouté des minéraux car les poissons, tout comme nous, on besoin de minéraux et ne supportent pas une eau ou la dureté* est nul. L'osmose inverse sert aussi pour concentrer le sucre de la sève de canne ou du sirop d'érable.

D)Les avantages et inconvénients de l'osmose inverse

a) Les avantages

Avoir un osmoseur apporte de nombreux avantages, notamment celui de la faible demande d'énergie (car au lieu de chauffer le liquide il suffit de le mettre sous pression) et donc d'un coût plus faible que celui de tout le système de distillation. De plus, il est possible d'avoir un osmoseur chez soi pour filtrer l'eau provenant de nos canalisations afin de la consommer et donc faciliter l'approvisionnement, en effet on a plus besoin d'acheter de bouteilles d'eau, ce qui réduit considérablement les dépenses financières en eau. D'autant plus qu'elle est libérée de tous produits qui peuvent être nocifs, en particulier le chlore et le fluorure, comme nous l'avons déjà vu les membranes philtres jusqu'au 0,0001 μm, elle est idéale pour la santé et pour notre peau car elle ne sera pas irritée, puis les problèmes de dépôt de calcaire seront terminés. Par ailleurs, c'est un système écologique qui n'utilise aucun produit chimique. De surcroit, on protège, en n'achetant plus de bouteilles, les sources d'eau douces qui se détériorent, s'assèchent et sont polluées de plus en plus.

b) Les désavantages

Malgré les avantages il y a aussi des inconvénients comme la perte de cinq litres d'eau pour un litre d'eau osmosée car la membrane doit être continuellement nettoyée. Le prix est certes plus faible que les autres système de purification d'eau mais la moitié du coût des usines d'osmose inverse passe dans ces membranes extrêmement élaborées, qui doivent être changées régulièrement. Enfin comme l'eau est déminéralisée, elle est agressive et corrosive pour les tuyauteries. En effet, l'eau perd tous ses minéraux y compris les minéraux bénéfiques comme certains alcalins, notamment le calcium et le magnésium, son PH sera alors plus acide. Il est donc préférable de reminéraliser l'eau avant de la boire.

Après avoir décrit en profondeur le procédé d'osmose ainsi que le procédé d'osmose inverse, nous allons donc maintenant nous interresser dans la partie suivante à la centrale osmostique de Statkraft en Norvège, qui utilise l'osmose pour produire de l'énergie propre.

 

 


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