Livre Eau

Purification de l’eau dans l’industrie

Enrico Riboni

Remerciements Ce livre est issus des cours Pratiques et économie de la purification de l’eau dans l’industrie organisés par la Fondation Suisse pour la Recherche en Microtechnique. Ces cours de formation continue s’adressent à des praticiens de l’industrie. Tout comme ces cours, le présent livre ne s’adresse donc pas a` des personnes ayant déjà des connaissances approfondies en chimie de l’eau ou en traitement de l’eau, mais a` des ingénieurs et techniciens ayant des bases techniques générales mais pas de connaissances particulières concernant l’eau : ce livre constitue une introduction a` ce domaine. Je tiens a` remercier Monsieur Fischer, Directeur de la Fondation Suisse pour la Recherche en Microtechnique, qui m’a permis de faire ces cours et m’a encouragé à les améliorer continuellement. Mes remerciements vont aussi a` tous les participants des cours de purification de l’eau de la Fondation Suisse pour la Recherche en Microtechnique depuis 1997, qui, par leurs avis et propositions d’amélioration du cours nous ont permis d’améliorer le cours et ont donc une part de mérite significative pour ce qui est de la qualité du présent ouvrage.

L’auteur Ingénieur mécanicien diplômé de l’Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, Enrico Riboni a acquis sont expérience de traitement de l’eau d’abord en travaillant comme chef de projet auprès d’un grand bureau d’ingénieurs-conseils, puis comme responsable de la filiale Europe et Moyen-Orient d’un fabriquant de matériel de traitement de l’eau pour l’industrie (Osmonics — devenue depuis GE Water), et ensuite comme fondateur de la société ozone.ch, qu’il a dirigée d’avril 2000 a` décembre 2012.

Disponibilit´ e Ce manuel est disponible gratuitement en téléchargement en format PDF a` partir du blog d’Enrico Riboni.

Copyright c

Enrico Riboni, Chézard-Saint-Martin, Suisse, 1997-2012. Le manuel peut être utilisé librement pour un usage en enseignement, entreprise et en cadre privé. Il ne peut en aucun cas être proposé à la vente.

Purification de l’eau

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Enrico Riboni

Table des mati` eres

I. Introduction et rappels

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1. Introduction 1.1. L’eau : aussi omniprésente que méconnue . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2. Rappel historique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3. Tendances actuelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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2. Introduction ` a la chimie de l’eau 2.1. L’importance de la chimie de l’eau pour le praticien 2.2. Qu’est-ce que l’eau ? . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3. Les classes de polluants . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4. Les unités de mesure . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.1. Unités de mesure des substances dissoutes . 2.4.2. Unités de mesure des solides en suspension . 2.4.3. Dureté . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5. pH, acides et bases . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6. Oxydoréduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7. Conductivité de l’eau . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.8. Dissolution et précipitation . . . . . . . . . . . . . . 2.9. Les diagrammes de Pourbaix . . . . . . . . . . . . . 2.10. L’équilibre calco-carbonique de l’eau . . . . . . . .

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3. Les polluants dans l’eau 3.1. Introduction . . . . . . 3.2. Calcium – Ca++ . . . 3.3. Magnésium – Mg++ . . 3.4. Bicarbonate – HCO− 3 . ++ +++ 3.5. Fer – Fe , Fe . . 3.6. Silice – SiO2 . . . . . . 3.7. Gaz carbonique – CO2 3.8. Chlore . . . . . . . . . 3.9. Trihalométhanes . . . 3.10. Que faut-il analyser ? .

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II. Les technologies de la purification de l’eau

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4. Filtration et microfiltration 4.1. Quelques définitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2. Filtration particulaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1. Pourquoi filtrer ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.2. Les mécanismes de filtration . . . . . . . . . . . . . . 4.2.3. Classification des types de filtres . . . . . . . . . . . 4.2.4. Filtres-presses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.5. Les filtres à poche ou a` panier . . . . . . . . . . . . . 4.2.6. Etude de cas : conséquences de l’utilisation d’un filtre 4.2.7. Filtres a` cartouches lavables et filtres autonettoyants 4.2.8. Filtres a` sable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.9. Etude de cas : filtres à sables, rétrolavage . . . . . . . 4.2.10. Filtres à cartouches consommables . . . . . . . . . . 4.2.11. Le choix d’une technologie de filtration . . . . . . . . 4.3. Microfiltration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.1. Définition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.2. Types de cartouches filtrantes . . . . . . . . . . . . . 4.3.3. Le choix de la cartouche filtrantes . . . . . . . . . . . 5. Proc´ ed´ es membranaires 5.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2. Osmose inverse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.1. Principe de l’osmose inverse . . . . . . . . . 5.2.2. Equations fondamentales de l’osmose inverse 5.2.3. Exemples d’unités d’osmose inverse . . . . . 5.3. Ultrafiltration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4. Nanofiltration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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6. La maintenance des osmoseurs 6.1. Suivi des performances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1.1. Paramètres a` enregistrer . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1.2. Paramètres a` calculer sur la base des enregistrements 6.2. Nettoyage des membranes . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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7. La d´ esinfection de l’eau

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8. St´ erilisation U.V. 8.1. Principe et limites de la désinfection par ultraviolets . 8.1.1. Principe de fonctionnement . . . . . . . . . . 8.1.2. Limites de la stérilisation par ultraviolet . . . 8.1.3. Longueur d’onde . . . . . . . . . . . . . . . . 8.1.4. Les lampe ultraviolet . . . . . . . . . . . . . .

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8.2. Dimensionnement d’un stérilisateur UV . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2.1. Dose de rayonnement UVc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3. Doses de rayonnement UV pour différentes classes de micro-organismes 8.3.1. Exemples d’estimations de la dose nécessaire . . . . . . . . . . . 8.3.2. Biodosimetrie ou calcul ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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9. Chloration

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10.Ozonisation 10.1. Principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.1.1. Désavantages de l’ozone . . . . . . . . . . . . . 10.1.2. Avantages de l’ozone . . . . . . . . . . . . . . . 10.1.3. Potentiels Rédox . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.1.4. Matériaux résistants a` l’ozone . . . . . . . . . . 10.2. Dosage d’ozone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.3. Systèmes de mélange ozone - eau . . . . . . . . . . . . 10.3.1. Colonnes de contact et injecteurs Venturi . . . . 10.3.2. Transfert de masse . . . . . . . . . . . . . . . . 10.3.3. Conclusion sur la dissolution de l’ozone . . . . . 10.3.4. Destruction de l’ozone résiduel en phase liquide 10.3.5. Destruction de l’ozone résiduel en phase gazeuse 10.3.6. Ozone : dimensionnement . . . . . . . . . . . . 10.3.7. Ozone à partir de l’oxygène de l’eau . . . . . . . 10.4. Mesure de l’ozone dans l’air . . . . . . . . . . . . . . . 10.4.1. Colorimétrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.4.2. Sondes électrochimiques . . . . . . . . . . . . . 10.4.3. Capteurs à semiconducteurs . . . . . . . . . . . 10.4.4. Analyseurs d’ozone . . . . . . . . . . . . . . . . 10.4.5. Comparaison des méthodes . . . . . . . . . . . 10.4.6. Etude de cas : mesure de l’ozone dans l’air . . . 10.5. Mesure de l’ozone dans l’eau . . . . . . . . . . . . . . . 10.5.1. Méthodes disponibles . . . . . . . . . . . . . . . 10.5.2. Colorimétrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.5.3. Mesure du potentiel Rédox . . . . . . . . . . . . 10.5.4. Sondes électrochimiques . . . . . . . . . . . . . 10.5.5. Capteurs à semiconducteurs . . . . . . . . . . . 10.5.6. Analyseurs d’ozone . . . . . . . . . . . . . . . . 11.S´ election d’une m´ ethode de d´ esinfection 11.1. Critères de sélection de la méthode de désinfection . 11.1.1. Débit de l’installation . . . . . . . . . . . . . 11.1.2. Micro-organismes a` éliminer . . . . . . . . . 11.1.3. Caractéristiques de l’eau en sortie . . . . . . 11.1.4. Intervalle entre traitement et consommation


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11.2. Quelques exemples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2.1. Un système d’ozonisation compact et performant pour débits à partir de 1 m3 /h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2.2. Une unité de potabilisation pour maison sans raccordement au réseau d’eau potable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2.3. Un point d’eau potable dans un endroit qui n’est pas relié au réseau électrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2.4. Installation de chloration de l’eau . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2.5. Eau ultrapure, micro-électronique . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.Les biofilms 12.1. Importance des biofilms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.2. Qu’est-ce qu’un biofilm ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.3. Les facteurs influen¸cant la formation et le développement des biofilm 12.3.1. Temps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.3.2. Vitesse d’écoulement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.3.3. Espaces morts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.3.4. Barrières antibactériennes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.4. Contrôle des biofilms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.5. Désinfection d’installations lors de l’installation d’un stérilisateur U.V 12.5.1. Un cas particulier : les boucles de distribution d’eau ultrapure 12.6. Biofilms et corrosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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15.Proc´ ed´ es par ´ echange d’ions 15.1. Introduction à l’échange d’ion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.2. Adoucisseurs d’eau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.3. Déminéralisation par échange d’ions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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13.L’eau ozon´ ee 13.1. Pourquoi l’eau ozonée ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.2. Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.3. Sécurité lors de l’emploi d’eau ozonée . . . . . . . . . . . 13.3.1. Problèmes spécifiques à l’utilisation d’eau ozonée 13.3.2. Effets de l’ozone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.3.3. Les mesures de précaution . . . . . . . . . . . . . 14.La distillation 14.1. Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.2. Principe de fonctionnement . . . . . . . . . . . . 14.3. Qualité de l’eau distillée . . . . . . . . . . . . . . 14.4. Solutions pour réduire la consommation d’énergie 14.4.1. Effets multiples . . . . . . . . . . . . . . . 14.4.2. Thermocompression . . . . . . . . . . . . . 14.5. Limites de la distillation . . . . . . . . . . . . . .


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15.3.1. 15.3.2. 15.3.3. 15.3.4.

Equations fondamentales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Régénération des échangeurs d’ions à 2 lits . . . . . . . . . . . . . Echangeur d’ions à lit mélangé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pourquoi l’eau est-elle meilleure après un lit mélangé qu’après un deux-lits ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.3.5. Régénération . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.4. Calcul des échangeurs d’ions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.4.1. Principes généraux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.4.2. Qualité de l’eau obtenue par échange d’ions . . . . . . . . . . . .

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16.Les antitartres ´ electromagn´ etiques 127 16.1. Passions et polémique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 16.2. Principe de fonctionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 16.3. Limitations d’emploi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 17.Electrod´ eionisation 17.1. Principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.2. Avantages et désavantages . . . . . . . . . . 17.2.1. Principaux avantages . . . . . . . . . 17.2.2. Principaux désavantages . . . . . . . 17.3. Problèmes résultants d’aspects commerciaux 17.4. Etudes de cas . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.4.1. L’osmoseur instable . . . . . . . . . . 17.4.2. Cellule mystérieuse . . . . . . . . . . 17.5. Situation actuelle . . . . . . . . . . . . . . .

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18.D´ egazage 18.1. Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.2. La technologie traditionelle : le décarbonateur . 18.2.1. Principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.2.2. Le dimensionnement des décarbonateurs 18.3. Dégazage avec un Venturi . . . . . . . . . . . . 18.3.1. Principe de fonctionnement . . . . . . . 18.3.2. Calcul . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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III. Conception et optimisation de syst` emes de purification de l’eau 139 19.Introduction 19.1. Déroulement du projet . . . . . . . . . 19.2. Délais . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.3. Caractéristiques de l’eau d’alimentation 19.3.1. Informations à obtenir . . . . .


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19.3.2. Etude de cas : chlore et membranes 19.4. Qualité d’eau nécessaire . . . . . . . . . . 19.5. Définition de la qualité de l’eau nécessaire 19.6. Quantité d’eau nécessaire . . . . . . . . . . 19.7. Autres paramètres . . . . . . . . . . . . . 19.8. Conception du procédé . . . . . . . . . . .

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20.Sp´ ecification des principaux ´ el´ ements 20.1. Introduction aux spécifications . . . . . . . . . 20.2. Osmose inverse . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.3. Echangeurs d’ions . . . . . . . . . . . . . . . . 20.4. Générateurs d’ozone . . . . . . . . . . . . . . 20.5. Distillateurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.6. Electrodéionisation . . . . . . . . . . . . . . . 20.7. Spécification des filtres et cartouches filtrantes 20.7.1. Cartouches de péfiltration . . . . . . . 20.7.2. Cartouches de microfiltration . . . . . 20.7.3. Débits : ordres de grandeur . . . . . .

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147 147 147 148 148 148 149 150 150 150 150

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151 151 151 151 151 152 153

21.Optimisation de syst` emes existants 21.1. Méthode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.2. Osmoseurs : optimisation de la maintenance . . . . . . 21.3. Cartouches filtrantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.4. Etude de cas : cartouche de préfiltration d’un osmoseur 21.5. Osmoseur en prétraitement d’échange d’ion . . . . . . . 21.6. Capacité des résines d’échangeurs d’ions . . . . . . . .


vii

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1.1. Le traitement de l’eau, un sujet à la frontière de plusieurs disciplines . . . 1.2. Les domaines du traitement de l’eau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3 3

2.1. La molécule d’eau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2. Classification des impuretés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3. Exemple d’une analyse Malevern d’une eau de forage utilisée par une usine. Cette analyse a servi a` sélectionner le type de filtre à utiliser. . . . 2.4. Conductivité de l’eau en fonction de la concentration de solides dissous (TDS). [12] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5. Diagramme de Pourbaix du fer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6. Le gaz carbonique dans l’eau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7. Nomogramme de Langelier et Ryznard[12] . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.8. Interprétation de l’indice de Ryznar[12] . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7 8

15 16 17 19 21

3.1. Le CO2 dans l’eau, sous différentes formes en fonction du pH . . . . . . .

24

4.1. Un filtre industriel pour débits de plusieurs dizaines de m3 /h . . . . . . . 4.2. Interception directe ou criblage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3. Mouvement brownien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4. Adsorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5. La formation d’un gâteau de filtration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.6. Principe de fonctionnement d’un filtre a` poche . . . . . . . . . . . . . . . 4.7. Changement d’une poche. Ces poches peuvent se casser. . . . . . . . . . 4.8. Filtre à poche. Carter en plastique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.9. Filtre autonettoyant. Principe de fonctionnement. Image : Filters Srl . . 4.10. Filtre autonettoyant. Photo : Filters Srl . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.11. Montage d’un filtre autonettoyant. Photo : Filters Srl . . . . . . . . . . . 4.12. Filtre a` sable a` pression. Photo : Osmonics . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.13. Corps de filtres pour filtres a` cartouche. Photo : Osmonics . . . . . . . . 4.14. Cartouche à fil bobiné . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.15. Cutoff, ou netteté du seuil de filtration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.16. Evolution de la perte de charge au cours de la vie d’une cartouche filtrante 4.17. Vue au microscope d’une membrane d’une cartouche de microfiltration absolue. Photo : GE Water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

28 30 31 31 32 34 34 36 37 37 38 38 40 41 42 43

11

46

Table des figures

Table des figures

5.1. Le phénomène naturel osmose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2. Un module spiralé [9] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3. Fabrication d’un module d’osmose inverse . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4. Membrane d’osmose inverse : le modèle avec pores. Image : Osmonics . . 5.5. Membrane d’osmose inverse : le modèle sans pores . . . . . . . . . . . . . 5.6. Représentation schématique d’un osmoseur . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.7. Schéma d’un petit osmoseur industriel. Schéma : Osmonics . . . . . . . . 5.8. Exemple d’unité d’osmose inverse pour laboratoire. Photo : Electrolux . 5.9. Schéma de principe de l’unité montrée sur la figure 5.8 . . . . . . . . . . 5.10. Petit osmoseur industriel, muni de membranes 4”. Photo : RO Ultratech 5.11. Exemple de grand osmoseur industriel, muni de membranes 8”. Photo : GE Water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.12. Exemple d’unité d’ultrafiltration au point d’utilisation [19] . . . . . . . . 5.13. Schéma d’une unité d’ultrafiltration au point d’utilisation [19] . . . . . . 5.14. Machine d’ultrafiltration pour la potabilisation de l’eau . . . . . . . . . . 8.1. Absorption du rayonnement ultraviolet par l’eau et par l’ADN . . . . . . 8.2. Comparaison des spectres d’émission d’une lampe basse pression et d’une lampe moyenne pression [13] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3. Réduction du rayonnement émis au bout de 7 jours, en fonction de la dureté 8.4. Dose de rayonnement U.V. nécessaire pour réduire de 99.99% divers microorganismes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.1. Une pompe a` injection ou pompe doseuse. La dose de chlore est commandée soit par un compteur d’eau, soit par une mesure de la concentration du chlore dans l’eau et une boucle de réglage. . . . . . . . . . . . . . 10.1. Système pour dissoudre l’ozone dans l’eau. Photo : ozone.ch . . . . . . . 10.2. L’ozone : un désinfectant plus puissant que le chlore [2] . . . . . . . . . . 10.3. Les principaux composants d’un système d’ozonisation de l’eau : . . . . . 10.4. Génération d’ozone par effet corona. Principe : . . . . . . . . . . . . . . . 10.5. Exemple de système de génération d’ozone. Ce système inclut un concentrateur d’oxygène. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.6. Principe de fonctionnement d’une colonne de contact : . . . . . . . . . . 10.7. Contacteur municipal : principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.8. Injecteur Venturi : principe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.9. Système Venturi-Réacteur-Cyclon : pilote de démonstration. Photo : GDT Corporation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.10.Ensemble injecteur – réacteur – cyclon : principe. . . . . . . . . . . . . . 10.11.Solubilité de l’ozone dans l’eau : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.12.Efficacité de la dissolution de l’ozone dans l’eau : . . . . . . . . . . . . . 10.13.Comparaison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.14.Concentration de bactéries en plusieurs points d’une chaˆıne de potabilisation de l’eau [23] : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .


ix

48 49 49 50 50 51 55 56 56 57 57 58 59 59 67 68 69 70

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Table des figures

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10.15.Exemple d’installation de destructeur catalytique d’ozone. Photo : ozone.ch. 94 10.16.Système MembrelTM de production d’ozone a` partir de l’oxygène de l’eau. Photo : Ozonia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 10.17.Détecteur d’ozone portable. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 10.18.Détecteur d’ozone fixe dans armoire de protection. . . . . . . . . . . . . . 97 10.19.Analyseur d’ozone pour l’air ambiant. Photo : InUSA Corporation. . . . 98 10.20.Détecteur d’ozone dissous a` capteur a` semiconducteur. . . . . . . . . . . 101 10.21.Principe de fonctionnement d’un analyseur d’ozone utilisant la loi de Henry. Dessin : InUSA Corporation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 10.22.Analyseur d’ozone a` mesure directe dans l’eau. Le capteur, à travers lequel l’eau passe, est a` droite sur la photo. Photo : InUSA Corporation. . . . . 102 11.1. Système compact d’ozonisation de l’eau. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 11.2. Système de potabilisation d’eau de pluie pour maison isolée. . . . . . . . 105 12.1. Un biofilm. Le biofilm est formé de micro-organismes, réseau de polymères extra-cellulaires [20]. . . . . . . . 12.2. Contrôle de biofilms [20] . . . . . . . . . . . . . . . . 12.3. La corrosion favorisée par les biofilms. Principe [20].

mais . . . . . . . . .

aussi par un . . . . . . . . 107 . . . . . . . . 109 . . . . . . . . 112

13.1. Système portable de production d’eau ozonée : . . . . . . . . . . . . . . . 114 13.2. Système pour refroidissement à l’eau (Hydrocooling) de viande de poulet, avec eau ozonée. Image : GDT Corporation. . . . . . . . . . . . . . . . . 115 14.1. Schéma de principe d’un distillateur [9] . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 14.2. Principe de la thermocompression [2] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 15.1. Schéma de principe d’un adoucisseur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 16.1. Antitartre électromagnétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 17.1. Principe de l’électrodéionisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 17.2. Principe de l’électrodéionisation(2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 17.3. Exemple d’élecrodéionisateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 18.1. Schéma de principe d’un décarbonateur [8] . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.2. Principe de fonctionnement d’une installation de dégazage avec injecteur Venturi [15] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.3. Efficacité d’un système de dégazage a` Venturi [15] : . . . . . . . . . . . . 18.4. Efficacité d’un système de dégazage a` Venturi pour l’élimination du radon [15] : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

135 137 138 138

20.1. Petit concentrateur d’oxygène. Photo : AirSep. . . . . . . . . . . . . . . . 149 21.1. Coˆ uts de production d’eau déminéralisée en fonction de la minéralisation totale de l’eau brute : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 21.2. Capacité d’une résine en fonction de la quantité de régénérant employé . 153


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2.1. Facteurs de conversion pour les ions les plus courants . . . . . . . . . . . 2.2. Conversion des degrés de dureté . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10 12

4.1. Quelques seuils de filtration usuels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

29

5.1. Taux de rejets de différents sels, relativement au NaCl . . . . . . . . . . .

53

6.1. Débits et volumes de solution de nettoyage recommandés . . . . . . . . .

65

8.1. 8.2. 8.3. 8.4. 8.5. 8.6.

. . . . . .

71 72 73 73 73 74

10.1. Potentiels Rédox de quelques produits oxydants utilisés dans l’industrie . 10.2. Demi-vie de l’ozone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.3. Les méthodes de mesure de l’ozone dans l’air . . . . . . . . . . . . . . . .

79 80 99

Doses Doses Doses Doses Doses Doses

d’inactivation D10 pour quelques micro-organismes communs . de rayonnement UV pour l’inactivation de bactéries . . . . . . de rayonnement UV pour l’inactivation de moisissures et spores de rayonnement UV pour l’inactivation d’algues et protozoa . . de rayonnement UV pour l’inactivation de virus . . . . . . . . de rayonnement UV pour l’inactivation de levures . . . . . . .

. . . . . .

13.1. Effets de l’ozone sur la santé humaine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

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Liste des tableaux


Liste des tableaux

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Premi` ere partie . Introduction et rappels

1

1. Introduction 1.1. L’eau : aussi omnipr´ esente que m´ econnue L’eau est omniprésente dans l’industrie. Il n’y a pas de produit qui n’est pas au moins rincé avec de l’eau au cours de sa production, et l’eau est un composant essentiel de la production de bien des produits alimentaires et chimiques, par exemple. Les qualités thermodynamiques de l’eau en font un fluide caloporteur de choix : elle a une enthalpie d’évaporation très élevée et une chaleur spécifique très élevée également. Pourtant, le praticien confronté a` la conception du système de traitement de l’eau pour l’industrie devait jusqu’à présent se tourner vers des ouvrages en anglais, par ailleurs souvent excellents, ou se résoudre à utiliser des ouvrages en fran¸cais destinés au traitement de l’eau potable. Cette situation n’étant pas satisfaisante, j’ai entrepris l’écriture de cet ouvrage, sur la base du cours qui existe depuis 1997 auprès de la FSRM et des nouveaux cours avancés de la FSRM introduits en 2002. Le traitement de l’eau est un domaine a` la frontière de plusieurs disciplines. La chimie joue un rôle primordial, mais aussi la mécanique et, pour les installations d’une certaine importance, aussi le génie civil. La conception d’une nouvelle installation requiert en principe la collaboration d’au moins un chimiste et un ingénieur en mécanique. Lorsqu’on parle de “traitement de l’eau”, on englobe en fait une série de disciplines très diverses. Il y a en effet peu en commun entre une installation de potabilisation d’eau souterraine, qui est essentiellement un ouvrage de génie civil, et une petite installation de production d’eau ultrapure pour la microélectronique, qui, si elle ne nécessite pas de génie civil, fait appelé a` des technologie de pointe, des méthodes de mesures sophistiquée et exige une maintenance très soignée par ses opérateurs. Le livre ne traite pas du sujet des eux usées. Le traitement des eaux usées industrielles fait appel en partie aux mêmes technologies que la purification de l’eau, mais aussi a` de nombreuses autres techniques, comme les bioréacteurs. Les aspects légaux sont souvent déterminants. Il en résulte qu’il est pratiquement impossible de les traiter dans le cadre d’un ouvrage traitant de la purification de l’eau. La grande majorité des utilisateurs d’eau dans l’industrie disposent d’eau potable. Le sujet du livre sera donc essentiellement la purification de l’eau potable pour la rendre utilisable dans les processus industriels. Dans de rares cas, l’industrie doit utiliser de l’eau non potable, provenant de forages, de la nappe phréatique ou de rivières ou de lacs. Un chapitre sera consacré au traitement additionnels nécessaires si l’on emploie de l’eau encore a` potabiliser. Dans la plupart des cas, ces traitements sont assez simples.

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´ ´ CHAPITRE 1. INTRODUCTION 1.1. L’EAU : AUSSI OMNIPRESENTE QUE MECONNUE

Figure 1.1.: Le traitement de l’eau, un sujet a` la frontière de plusieurs disciplines

Figure 1.2.: Les domaines du traitement de l’eau

Comme le cours, ce livre est organisé selon les lignes directrices suivantes : les deux premières parties sont consacrées aux connaissances de bases nécessaires : la partie 1 est une introduction a` la chimie de l’eau. Il est en effet indispensable de comprendre le produits que nous allons traiter. Ensuite, une 2e partie, très importante par le volume de ses pages, est consacrée aux technologies qui sont a` notre disposition pour le traitement


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1.2. RAPPEL HISTORIQUE

CHAPITRE 1. INTRODUCTION

de l’eau. Enfin, dans la 3e partie de l’ouvrage, nous mettrons en pratique les connaissances acquises pour la conception de nouvelles installation et l’analyse et l’optimisation d’installations existantes. Comme bien des branches industrielles, la purification de l’eau utilise des technologies parfois fort anciennes. Certaines, comme l’ozone, on connu un développement rapide avant de retomber dans l’oubli, pour faire ensuite un retour en force a` une époque très récente. D’autres, comme l’osmose, sont récentes, étaient d’une utilisation assez complexe mais se se sont aujourd’hui popularisées. La 3e partie de l’ouvrages est consacrée a` la conception de nouvelles installations et l’optimisation d’installations existantes. Ces sujets sont traités du point de vue de l’utilisateur d’installation.

1.2. Rappel historique La sédimentation date de l’antiquité classique : des documents en grec décrivent des techniques employées dans l’Egypte Ptoléma¨ıque déjà au 2e siècle avant notre êre. La filtration par tamisage avec un textile est encore plus ancienne : elle était connue en Grèce au 5e siècle avant notre êre. Le filtre à sable, qui est utilisé aujourd’hui dans toutes les piscines et dans bien des applications industrielles est d’origine incertaine, mais il semble qu’il était déjà connu dans l’Egypte Ptoléma¨ıque. En Europe, il est utilisé dès le 17e siècle. Les filtres-presse sont un produit de la révolution industrielle : les premiers brevets datent de l’an 1800. Les technologies de désinfection de l’eau sont toutes beaucoup plus récentes. En effet, il faut attendre les développement de la biologie et l’apparition de la notion de microorganisme dans les années 1860 pour que la nécessité de désinfecter l’eau apparaisse. Pasteur aurait dit que nous buvons presque toutes nos maladies. Le chlore et l’ozone sont les premières méthodes de désinfections utilisées, a` la fin du 19e et a` l’aube du 20e siècle. Les premiers brevets pour la stérilisation UV datent aussi du début du 20e siècles. Malheureusement, l’Europe en 1918 dispose de nombreuses grandes usines de chlore, alors que la fin de la guerre cause un effondrement de la demande pour ce gaz. Le chlore est désormais bon marché, et il devient le désinfectant de choix pour l’eau : la stérilisation par rayonnement UV et l’ozonisation resteront confinée a` des applications de niche jusqu’aux années 1960. Les techniques de déminéralisation par échanges d’ions sont plus récentes. Le premier adoucisseur est mis en service en 1905. La première déminéralisation totale date de 1937, en Angleterre : l’application est la production de la bière. La cartouche filtrante jetable est aussi un produit des années 1930 . A l’époque, le grand fabriquant de cartouches jetable est la société Sartorius, de Göttingen, en Allemagne, qui existe encore aujourd’hui. A la fin de la guerre plusieurs ingénieurs de Sartorius seront amenés aux USA o` u ils travailleront pour le département de la défense, avant de participer a` la fondation de la société Millipore, qui est aujourd’hui l’un des géants mondiaux de la cartouche filtrante industrielle. L’osmose inverse a eu un développement très lent. Bien que le phénomène de l’osmose soit connu depuis la 2ème moitié du 19e siècle, il faut attendre les années 1950 pour que


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1.3. TENDANCES ACTUELLES

des installations d’osmose inverse soient réalisée à l’échelle du laboratoire. Les premières installations industrielles datent des années 1960, et il faut attendre les années 1980 pour la technologie se généralise, d’abord aux USA puis en Europe. Dans les années 1990 le prix des membranes baisse fortement et la technologie se popularise.

1.3. Tendances actuelles Il faut admettre que la purification de l’eau n’est pas un domaine o` u il y a eu des innovation techniques spectaculaires ces dernières années, ou même ces dernières décennies. Il y a certes des améliorations graduelles et des baisse de prix. L’ultrafiltration s’est popularisée en raison de baisses des prix des membranes, et d’un plus grand choix de types de membranes sur le marché. Comme dans d’autre secteurs industriels, les importations de matériel a` bas coˆ ut et généralement de faible qualité en provenance de Chine altère l’offre : les prix baissent, mais la qualité baissant également, les frais de maintenance augmentent et les durées de vie des appareils baissent. Les coˆ uts totaux ne sont donc pas forcément réduits.


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2. Introduction ` a la chimie de l’eau 2.1. L’importance de la chimie de l’eau pour le praticien Le praticien de la purification de l’eau, qu’il soit concepteur ou exploitant d’installations, n’est pas forcément chimiste ou ingénieur chimiste. Une connaissance approfondie de la chimie ne lui est pas forcément nécessaire. Il lui faut par contre une bonne compréhension de base des grands principes de la chimie de l’eau. Les éléments principaux qu’il doit bien comprendre sont essentiellement : • Les grandes classes de polluants de l’eau. • Les réactions à l’équilibre qui se produisent dans l’eau et de leur effet sur les substances dissoutes dans l’eau et leur précipitation éventuelle. • Les différentes unités de mesures que l’on emploie : les mesures de concentrations, la turbidité, le pH et le potentiel d’oxydo-réduction, la conductivité, la dureté.

2.2. Qu’est-ce que l’eau ? Il est usuel de croire que l’eau est H2 O. Une description un peu plus précise de ce liquide pourrait être : l’eau, c’est H2 O plus une série d’impuretés. Le praticien du traitement de l’eau doit connaˆıtre ces impuretés, leurs conséquences sur les propriétés de l’eau, et aussi les unités de mesures employées pour exprimer ces impuretés afin de comprendre les analyses d’eau. Cet ouvrage s’adressant a` des praticiens de l’industrie, nous ne traiterons pas ici des méthodes d’analyse de l’eau, mais bien de l’interprétation des résultats d’analyses que nous pourrons obtenir de laboratoires. Les polluants de l’eau ayant des conséquences directes sur les caractéristiques de l’eau, l’on utilise pour l’eau de nombreuses mesures. Nous ne décrirons pas ici les méthodes d’analyse de l’eau, qui font l’objet de nombreux autres ouvrages, mais il est important pour pouvoir concevoir des systèmes de traitement de l’eau et les utiliser de manière optimale de bien comprendre les analyses d’eau, et la significations de grandeurs telles que le pH, le potentiel d’oxydo-réduction, etc. L’eau est un fluide qui a des caractéristiques tout à fait remarquables : • Sa densité est plus faible a` l’état solide qu’à l’état liquide. • La tension de surface est très élevée. • On l’appelle parfois le solvant universel, car elle dissout plus de substances que tout autre fluide connu.

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` LA CHIMIE CHAPITRE 2. INTRODUCTION A 2.3. DE LES L’EAU CLASSES DE POLLUANTS • Sa chaleur de vaporisation élevée, ce qui en fait un fluide caloporteur de choix. Ces caractéristiques sont dues à la molécule d’eau (voir figure 2.1).

Figure 2.1.: La molécule d’eau La molécule d’eau est une molécule molécule polarisée. Ces molécules tendent à rester ensemble à l’état liquide plus que d’autres fluides, ce qui explique la chaleur de vaporisation élevée. Elle tend aussi a` séparer les ions : il en résulte que l’eau est un excellent solvant. Ces deux caractéristiques expliquent que l’eau soit si largement employée dans l’industrie, pour des applications liées a` l’énergétique, a` la chimie et pour le nettoyage. D’autre part, volume de l’eau augmente lorsqu’elle passe de l’état liquide a` l’état solide : elle est l’une des 3 seules substances connues dans la nature dans ce cas.

2.3. Les classes de polluants L’eau, de part sa nature de solvant universel, n’existe pratiquement pas sous forme de H2 O pure. L’on trouve littéralement de tout dans l’eau. Afin de pouvoir analyser les traitements de purification envisageables, il est indispensable dans un premier temps de classer les impuretés. Il y a plusieurs manières de classer les impuretés. L’intérêt d’un classement est évidemment conditionné par l’utilité de celui-ci pour définir les traitements de purification applicables pour éliminer ces impuretés. Les principales classes de polluants sont : • Les éléments solubles : on pourra les éliminer par osmose inverse ou échange d’ions. 1 . 1. A noter que l’osmose inverse mais pas l’échange d’ions éliminera aussi des composants solubles non ionisés, comme par exemple le sucre et d’autres substances organiques en solution


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´ DE MESURE ` LA CHIMIE DE L’EAU 2.4. LES UNITES CHAPITRE 2. INTRODUCTION A

Figure 2.2.: Classification des impuretés

• Les micro-organismes : on pourra les éliminer par des méthodes de désinfection. • Les composés insolubles, qu’il faudra précipiter ou filtrer. • Les composants organiques : ils constituent une nourriture pour d’éventuelles bactéries, il faudra donc les éliminer, en général par oxydation ou par absorption sur charbon actif.

2.4. Les unit´ es de mesure L’eau est un produit complexe. il n’est donc pas étonnant que l’on utilise un nombre important d’unités de mesure pour décrire ses caractéristiques. Les unités de mesure généralement utilisées sont : Mesure de concentrations : ppm, mg/l, grains pH : exprimé sans dimension Potentiel r´ edox : exprimé en mV Duret´ e : exprimée généralement en degrés S’y ajoutent différents indices, tels que : Indice de Langelier : claculé par une formule empirique. Il indique si l’on va avoir des précipitations ou si l’eau sera corrosive. Si cet indice est négatif, il y a tendance a` la corrosion. Si il est positif, il y a tendance à la formation de tartre. Turbidit´ e : Nephtelometric turbidity units ou NTU.


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` LA CHIMIE DE ´ DE MESURE CHAPITRE 2. INTRODUCTION A 2.4. L’EAU LES UNITES SDI : Indice spécialisé, souvent spécifié par les fabricants d’osmoseurs. P´ en´ etration des UVc : un autre indice spécialisé, généralement exprimé en % sur une lame d’eau de 1 cm.

2.4.1. Unit´ es de mesure des substances dissoutes Pour exprimer la concentration d’une substance dissoute dans l’eau, plusieurs unités sont utilisées. L’unité de concentration la plus courante est le mg/l , souvent exprimée par “ppm” (partie par million). Les indications en ppm peuvent induire en erreur : en principe, en traitement de l’eau, l’on parle de ppm massique, qui correspondent donc a` des mg/kg, soit mg/l pour l’eau. Il faut faire attention au fait que le monde de l’environnement exprime généralement les concentrations des polluants gazeux en ppm, mais il s’agit cette fois de ppm volumiques (ppmv). Quand ces deux mondes se rencontrent, comme cela est les cas par exemple dans les applications de lavage de fumées ou l’ozonisation de l’eau, les erreurs dues a` l’interprétation du terme “ppm” sont hélas fréquentes. Le Grain est une unité fréquente dans la littérature anglo-saxonne : • 1grain = 1/7000lb • 1grain/gal US = 17.1mg/l Les concentrations de polluants sont en général indiquées comme ion. Parfois, l’on rencontre le terme ”Comme CaCO3 ” utilisé dans la littérature anglo-saxonne, cette unité qui comptabilise les charges électriques est pratique pour les calculs d’équilibre électrique et d’échange d’ions, mais est la source d’innombrables erreurs. L’intérêt de l’unité ppm comme CaCO3 est que la somme des concentrations des anions doit être égale a` la somme des concentrations des cations a` pH neutre. Cette unité est utile aussi le calcul de systèmes d’échange d’ions : l’on peut additionner les concentrations des différents ions et ainsi obtenir le total de ce que une résine échangeuse d’ions doit enlever de l’eau. Hormis ces deux cas il vaut mieux ne pas utiliser les ppm comme CaCO3 . Pour obtenir le facteur de conversion pour passer de la concentration comme ion a` la concentration comme CaCO3 , il faut diviser la masse molaire du carbonate de calcium par la ”masse équivalente”, qui est la masse molaire divisée par la valence. Cette unité est pratique pour exprimer la dureté, c’est plus facile ensuite pour calculer la capacité de l’adoucisseur. Les chimistes utilisent aussi les unités mMol/l et mVal/l, qui expriment la quantité de molécules - respectivement la quantité de charges électriques - contenues dans l’eau. Une Mole d’une substance a la meme masse en grammes que sa masse moléculaire relative. Un V al est ainsi une Mole divise par le nombre de charges électriques.

2.4.2. Unit´ es de mesure des solides en suspension Les solides en suspension dans l’eau posent une série de problèmes importants à l’utilisateur d’eau dans l’industrie. Si l’eau sert à la production d’un produit, la qualité de celui-ci peut être affectée par les particules en suspension. D’autre par des éléments du


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´ DE MESURE ` LA CHIMIE DE L’EAU 2.4. LES UNITES CHAPITRE 2. INTRODUCTION A Ion

mMol/l mVal/l

Comme CaCO3

Ca++

40

20

2.50

Na+

23.5

23.5

23.5

Mg++

24.3

12.2

4.12

Cl−

35.5

35.5

1.41

96

48

1.04

61

61

0.82

SO2− 4 HCO− 3

Table 2.1.: Facteurs de conversion pour les ions les plus courants

système de purifcation d’eau lui-mêmê doivent généralement être protégés des solides en suspension : c’est le cas des pompes et des membranes des osmoseurs, par exemple. Pour réduire la quantité de solides en suspension l’on peut utiliser la filtration 2 et la clarification. En purification de l’eau, on utilise deux mesures différentes de la quantité de solides en suspension dans l’eau à traiter : le SDI Silt Density Index, et la turbidité.

SDI Le SDI (Silt Density Index) est un indice de colmatage. Il est important pour les applications de filtration tangentielle. Il est défini comme étant la réduction moyenne sur 15 minutes, en % par minute du débit à travers un filtre 0.45 µm a` une pression constante de 2.1 bar. il s’agit d’un paramètre américain (ASTM Standard), cette origine est due au fait que les producteurs de membranes d’osmose inverse sont presque tous américains ou japonais. Un laboratoire d’analyse, ou un fournisseur d’osmoseur devraient être capables de mesurer le SDI, mais ce n’est pas toujours le cas. Par contre, l’on trouve dans le commerce des kits pour la mesure du SDI. Le SDI doit impérativement être mesuré sur place. Les valeurs du SDI peuvent êtres interprétées comme suit : • Inférieur a` 3 : pas a` peu d’entartrage de la membrane • Entre 3 et 5 : conditions normales d’utilisation • Supérieur a` 5 : entartrage excessif à prévoir En pratique, il faut consulter la documentation du fournisseur des membranes lors de l’installation de l‘osmoseur pour vérifier quelle est la valeur limite acceptable du SDI pour ses membranes . 2. Voir page 28


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` LA CHIMIE DE ´ DE MESURE CHAPITRE 2. INTRODUCTION A 2.4. L’EAU LES UNITES Turbidit´ e On peut s’attendre à un entartrage excessif des membranes d’osmose inverse si la turbidité est supérieure a` 1 NTU. L’eau n’étant considérée potable que si la turbidité est inférieure a` 1 NTU, le problème ne se pose pas, en général, pour l’eau potable. Comptage de particules Le comptage des particules est relativement cher et rarement nécessaire. Il peut être utilisé lorsque le choix d’un filtre est difficile : par exemple, si un filtre a été installé mais se colmate trop rapidement, pour déterminer quel préfiltre il serait opportun de prévoir. Les laboratoires parlent souvent ”d’analyse Malevern”, du nom de l’appareil utilisé. La forme la plus fréquente de présentation des résultats est celle visible à la figure

Figure 2.3.: Exemple d’une analyse Malevern d’une eau de forage utilisée par une usine. Cette analyse a servi à sélectionner le type de filtre a` utiliser.

2.4.3. Duret´ e La dureté est un cas particulier d’unité de mesure de solides dissous. La dureté est définie comme la somme des concentrations des ions Calcium Ca++ et Magnésium M g ++ . L’intérêt de la dureté vient du fait que la calcium peut précipiter sous forme de tartre (CaCO3 ). Les dépôts de tartre sont fréquents et difficiles a` enlever, ce qui explique la préoccupation particulière liée a` ce paramètre de l’eau. il faut être attentif au fait que la dureté est généralement indiquée en degrés, et qu’il y a plusieurs degrés de dureté différents : 1◦ Fran¸cais : 10 mg/l comme CaCO3 1◦ Allemand : 10 mg/l comme CaCO 1◦ Anglais : 1 mg par gallon anglais comme CaCO3 1◦ US : 1 mg/l comme CaCO3 Le tableau 2.4.3 donne les facteurs de conversion entre ces différentes unités.


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` LA CHIMIE DE L’EAU 2.5. PH, ACIDES ET BASES CHAPITRE 2. INTRODUCTION A France

UK

Allemagne

USA

1.43

1

0.8

14.3

1

0.7

0.56

10.0

1.79

1.25

1

17.9

0.1

10.07

0.056

1

Table 2.2.: Conversion des degrés de dureté

2.5. pH, acides et bases Une des r´ eactions ` a l’´ equilibre Dans l’eau se produisent une série de réactions dites à l’équilibre, c’est à dire qu’elles se produisent dans les 2 directions, c’est à dire qu’elles se produisent dans les 2 sens de l’équation. L’eau est le lieu de plusieurs équilibres chimiques, et parmi ceux-ci. Le pH décrit l’état d’un de ces équilibres, la dissociation de l’eau. Le potentiel d’oxydoréduction décrit l’état d’un autre équilibre chimique. pH et potentiel d’oxydo-réduction influencent d’autres équilibres chimiques dans l’eau et sont donc importants a` connaˆıtre pour le concepteur et l’utilisateur d’un système de purification de l’eau. La dissociation de l’eau La dissociation de l’eau est l’un des équilibres chimiques importants. H2 O * ) H+ + OH−

(2.1)

2H2 O * ) H3 O + OH−

(2.2)

Ke = [H3 O+ ] × [OH− ]

(2.3)

En fait :

O` u Ke est la constante de dissociation de l’eau Ke = 10−14 mol/l à 25◦ C Nomenclature H+ : ion hydrogène OH− : ion hydroxyde H3 O+ : ion hydronium


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` LA CHIMIE DE L’EAU ´ CHAPITRE 2. INTRODUCTION A 2.6. OXYDOREDUCTION H+ : il s’agit d’un radical, il est peu probable qu’il existe. En fait, ce que l’on trouverait dans l’eau serait plutôt l’ion H3 O+ , mais en pratique, on utilise toujours H+ dans les calculs. Ke a été nommé ainsi pour honorer Mr. Kohrlausch, qui la mesura. Ke varie en fonction de la température. D´ efinitions : Un acide est un donneur d’ions H+ Une base est un accepteur d’ionsH+ Un acide fort est complètement dissocié dans l’eau Un acide faible est partiellement dissocié dans l’eau De manière analogue, une base partiellement dissociée sera dite faible, une complètement dissociée forte. Exemples d’acides : Acides forts : HCl, HBr Acides faibles : Acide carbonique H2 CO3 , Sulfurique H2 SO4 (K2 = 0, 012) L’acide sulfurique est un acide fort quand à son premier hydrogène. C’est le seul acide polyprotique fort. Importance du pH Le pH influence la limite de solubilité de différents sels dans l’eau. Pour simplifier, on peut dire que en général plus une eau sera acide (pH bas), plus elle sera corrosive, et plus son pH sera élevé plus des précipitations de différents sels sont probables.

2.6. Oxydor´ eduction La d´ efinition classique L’on comprend mieux le terme oxydoréduction si l’on commence par la définition classique, donnée par Lavoisier : • L’oxydation signifie combinaison avec l’oxygène. Par exemple : 2Hg+O2 −→ Hg2 O2 • Une réduction est l’extraction d’un métal de son oxyde. Par exemple :SO2 −→ S + O2


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´ DE ` LA CHIMIE DE L’EAU 2.7. CONDUCTIVITE CHAPITRE L’EAU 2. INTRODUCTION A Les d´ efintions modernes L’électron et la structure interne de l’atome n’étaient pas encore connus à l’époque de Lavoisier. Avec la découverte de l’électron 3 et l’introduction du modèle atomique de Bohr 4 , les réactions chimiques sont réexaminées a` la lumière de ces nouveaux modèles et le concept actuel d’oxydoréduction, qui s’exprime en termes de transferts d’électrons, se dégage. Les définitions modernes sont : • Oxydation : perte d’un ou plusieurs électrons. Exemple : Fe ↔ Fe++ + 2e− • Reduction : acceptation d’un ou plusieurs électrons. Exemple : Cl2 +2e− ↔ 2Cl−, O2 + 4e− + 2H2 O ↔ 4OH− • Ensemble de ces r´ eactions : oxydoréduction. • Oxydant : substance qui peut accepter des électrons • R´ educteur : substance qui peut donner des électrons • Le potentiel r´ edox d’une solution : potentiel d’une électrode de platine dans la solution par rapport à une électrode standard Importance du potentiel R´ edox Le potentiel d’oxydo-réduction influence la limite de solubilité de différents sels dans l’eau. Le pH également. Cette notion est exprimée par les diagrammes potentiel-pH ou diagrammes de Pourbaix.

2.7. Conductivit´ e de l’eau L’eau théorique, sans aucune impureté, a une conductivité faible. Sa résistivité est de 18.3 MΩ × cm. La conductivité de l’eau est environ proportionnelle a` la concentration totale de solides dissous.

2.8. Dissolution et pr´ ecipitation Les différents sels minéraux se dissolvent dans l’eau. Il s’agit d’une réaction en équilibre, comme par exemple : NaCl * ) Na+ + Cl−

(2.4)

CaSO4 * ) Ca++ + SO−− 4

(2.5)

Na2 SO4 * ) 2Na+ + SO−− 4

(2.6)

3. Joseph John Thomson, 1897 4. 1913.


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` LA CHIMIE CHAPITRE 2. INTRODUCTION A 2.9. LESDE DIAGRAMMES L’EAU DE POURBAIX

Figure 2.4.: Conductivité de l’eau en fonction de la concentration de solides dissous (TDS). [12]

CaCl2 * ) Ca++ + 2Cl−

(2.7)

Si l’on concentre une solution saturée, l’on cause donc une précipitation.

2.9. Les diagrammes de Pourbaix Les diagrammes de Pourbaix, aussi appelés diagrammes potentiel-[pH] (ou E,pH), furent initialement développés par Marcel Pourbaix en 1938. Ils indiquent sur un plan E-pH les domaines d’existence ou de prédominance d’un élément. Pour illustrer leur utilité, prenons le diagramme de Pourbaix du fer (figure 2.5) Les réactions implicant le fer en solution sont :


Fe2+ + 2OH− * ) Fe(OH)2 ↓

(2.8)

Fe3+ + 3OH− * ) Fe(OH)3 ↓

(2.9)

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´ ` LA CHIMIE DE L’EAU 2.10. L’EQUILIBRE CALCO-CARBONIQUE CHAPITRE 2. INTRODUCTION DE L’EAU A

Figure 2.5.: Diagramme de Pourbaix du fer.

Fe(OH)2 , Fe(OH)3 et Fe précipitent. Les diagrammes de Pourbaix sont utiles pour par exemple concevoir des procédés pour précipiter un élément indésirable, ou, au contraire, prévenir les précipitations. Il faut être conscients de leurs limites : • Les diagrammes de Pourbaix sont construits à partir de données thermodynamiques : ils n’apportent donc aucune donnée quant à la vitesse des réactions de transformations qu’ils peuvent indiquer, qui peuvent en fait être très lentes. • Les diagrammes de Pourbaix dépendent de la température. • La majorité des diagrammes de Pourbaix disponibles dans la littérature technique ne tiennent compte que de la formation d’ions simples ou d’oxydes. On se rappellera donc lorsqu’on souhaite les utiliser pour prévoir la durabilité d’un métal qu’ils ne tiennent donc pas compte de l’éventuel présence de complexants.

2.10. L’´ equilibre calco-carbonique de l’eau Un cas de réaction à l’équilibre particulièrement important en purification de l’eau est celui de de la précipitation de calcaire, CaCO3 . La dissolution ou la précipitation du calcaire dans l’eau est régie par une série de réactions à l’équilibre qui impliquent aussi le gaz carbonique. C’est pourquoi l’on parle de l’équilibre calco-carbonique de l’eau.


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ÈQUILIBRE ´ LA CHIMIECALCO-CARBONIQUE CHAPITRE 2. INTRODUCTION 2.10. L’A DE L’EAU DE L’EAU

Figure 2.6.: Le gaz carbonique dans l’eau

Le gaz carbonique est en partie sous forme ionique dans l’eau : CO2 + H2 O * ) H2 CO3 * ) H+ + HCO− 3

(2.10)

−− * + HCO− 3 ) H + CO3

(2.11)

et Le carbonate de calcium est sous forme de ions : CaCO3 * ) Ca++ + CO−− 3

(2.12)

Dans les conditions habituelles, le CO−− réagit presque entièrement pour former du 3 − HCO3 , ce qui explique que l’on trouve des quantités considérables de calcaire dissous dasn l’eau sous forme de Ca(HCO3 )2 . Si l’on combine les réactions inverses on a : * Ca++ + 2HCO− 3 ) CO2 + H2 O + CaCO3 ↓

(2.13)

Le Ca(HCO3 )2 précipite et entartre conduites, chaudières, etc. Plusieurs paramètres influencent les équilibres des équations ci-dessus. Il en résulte qu’il n’est pas trivial de déterminer si une eau est agressive, ou au contraire causera des dépôts. Il ne faut en aucun cas accepter les affirmations simplistes que l’on entend trop souvent - malheureusement parfois aussi prononcées par des professionnels - du type l’eau adoucie est corrosive, ou l’eau dure cause des dépôts de tartre. Même une eau adoucie peut causer des précipitations si on la concentre, ou si on change le pH ou la température. De même, une eau dure mais acide peut être corrosive.


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´ ` LA CHIMIE DE L’EAU 2.10. L’EQUILIBRE CALCO-CARBONIQUE CHAPITRE 2. INTRODUCTION DE L’EAU A L’agressivité de l’eau, ou au contraire, sa tendance à former des dépôts de tartre, sera fonction des paramètres suivants : • • • • •

La température L’alcalinité Le pH La dureté La concentration totale de solides dissous

Plusieurs modèles permettant de déduire l’agressivité de l’eau ont étés élaborés, et peuvent êtres utilisés sous forme de graphiques (nomogrammes)[8] ou de programmes de calcul[19]. Ces différents modèles donnent parfois des résultats différents. Les graphiques des 2 pages suivantes sont extraits de [12] : l’avantage de ce nomogramme et du graphique annexe est que il permet en un calcul de procéder à l’évaluation du caractère corrosif ou non de l’eau selon 2 modèles de calcul (Ryznar et Langelier). Le nomogramme est d’autre part relativement simple a` utiliser.


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Figure 2.7.: Nomogramme de Langelier et Ryznard[12]

Mode d’emploi du nomogramme de Langelier et Ryznard 1. Tracer la droite de Ts à Ca et marquer le point o` u elle croise la droite T-1 2. Tracer la droite de Alk (alcalinité) à t (température) et marquer le point o` u elle croise la droite T-2 3. Tracer une droite de transfert T-1 a` T-2 entre les deux points marqués 4. Lire la valeur sur l’échelle pHs et tirer une droite depuis cette valeur à l’échelle pHa. Lire les valeurs sur les échelles L et R 5. Interprétation des deux indices : si L est positif, formation de tartre. R : tartre si inférieur a` 6.5, corrosion si supérieur a` 6.5 Ces indices peuvent aussi êtres calculés.


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´ ` LA CHIMIE DE L’EAU 2.10. L’EQUILIBRE CALCO-CARBONIQUE CHAPITRE 2. INTRODUCTION DE L’EAU A

Calcul des indices de Langelier et de Ryznar L’indice de Langelier LSI est défini comme suit : LSI = pH − pHs

(2.14)

pHs = (9.3 + A + B) − (C + D)

(2.15)

Avec : • pH : pH mesuré • pHs : pH a` saturation pHs peut être estimé par :

Avec : A=

log10 (T DS) − 1 10

(2.16)

B = −13.12 × log10 (T + 273) + 34.55

(2.17)

C = log10 (Durete) − 0.4

(2.18)

D = log10 (Alcalinite)

(2.19)

L’indice de Ryznar est défini par : RSI = 2 × pHs − pH


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(2.20)

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Figure 2.8.: Interprétation de l’indice de Ryznar[12]


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3. Les polluants dans l’eau

3.1. Introduction Nous passons ici en revue les polluants principaux, et les problèmes qu’ils posent dans les systèmes de purification d’eau industriels.

3.2. Calcium – Ca++ Le calcium est le composant principal de la dureté. Il est le résultat de la dissolution de roches calcaires par l’eau. Il cause des précipitations, et l’on peut l’éliminer en adoucissant l’eau. On en trouve généralement 2 a` 200 ppm dans l’eau, plus souvent 100 ppm ou plus. Le calcaire est le CaCO3 .

3.3. Magn´ esium – Mg++ On trouve typiquement 10 à 50 ppm de magnésium dans l’eau, mais il pose moins de problèmes que le calcium car il est plus soluble. Il représente en général environ 1/3 de la dureté de l’eau.

3.4. Bicarbonate – HCO− 3 Le bicarbonate HCO3− est le résultat de la dissolution dans l’eau du CO2 produit par des bactéries

3.5. Fer – Fe++, Fe+++ Le fer est présent sous forme ionique dans toutes les eaux souterraines, donc pratiquement toutes les eaux potables . Il cause l’entartrage de membranes d’osmose inverse, et est donc généralement à éliminer dans les systèmes de purification d’eau industriels

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CHAPITRE 3. LES POLLUANTS DANS L’EAU

3.6. SILICE – SIO2

M´ ethodes d’´ elimination Oxydation avant un filtre ` a sable : avec de l’ozone ou du chlore 1 Filtration par m´ edia filtrant : des filtres contenant du sable vert, ou du BIRM permettent d’enlever le fer de l’eau, qui s’accumule dans le filtre sous forme d’oxyde. Ces produits catalyse la réaction d’oxydation du fer. En principe ils nécessitent une aération de l’eau avant le filtre et ne fonctionnent que dans une plage précise de pH.

3.6. Silice – SiO2 On distingue la silice neutre, la silice collo¨ıdale et la silice activée. La silice est neutre à pH neutre. A pH élevé, elle est en partie activée : − H+ + H SiO− SiO2 + H2 O ← → 3 4

(3.1)

On parle de silice collo¨ıdale quand la silice se combine avec des molécules organiques. On a souvent de la silice collo¨ıdale dans l’eau qui a pour origine le squelette d’algues. La silice pose un problème au niveau des chaudières et des turbines. La meilleure méthode pour l’éliminer est l’osmose inverse, qui permet d’en éliminer plus du 99% le la silice activée et de la silice collo¨ıdale. L’échange d’ion n’enlève pas la silice collo¨ıdale. La silice n’étant que en partie sous fomr ionique, on ne peut pas détecteur un changement de la concentration de silice dans l’eau sur la base de la conductivité : même une eau à conductivité très faible peut contenir une concentration significative de silice.

3.7. Gaz carbonique – CO2 Le CO2 peut être dans l’eau sous forme de ion ou sous forme libre. La part des différentes formes de CO2 dépend du pH de l’eau. Le CO2 libre peut poser des problèmes dans un système de traitement de l’eau : en particulier, comme il n’est pas arrêté par l’osmose inverse il peut épuiser rapidement la résine d’un échangeur d’ions qui serait placé en aval d’un osmoseur. Et il peut affecter la conductivité de l’eau. La meilleure fa¸con de l’éliminer est de procéder a` un dégazage à bas pH. Si la chaˆıne de traitement de l’eau inclut un osmoseur on peut, dans les limites de la solubilité du calcaire 2 , convertir le CO2 en bicarbonate en injectant de la soude en amont de l’osmoseur. Le bicarbonate étant un ion, il ne traverse pas la membrane de l’osmoseur. 1. Voir page 76 2. En pratique cette solution n’est envisageable que si l’osmoseur est précédé d’un adoucisseur


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3.8. CHLORE

CHAPITRE 3. LES POLLUANTS DANS L’EAU

Figure 3.1.: Le CO2 dans l’eau, sous différentes formes en fonction du pH

3.8. Chlore Sous forme Cl− (ion chloride) le chlore n’est pas dangereux 3 . La limite habituelle de 250 mg/l est justifiée par des raisons de goˆ ut. Il ne pose pas non plus de problèmes aux installations ou conduites. L’ion chloride est arrèté par les osmoseurs et les échangeurs d’ions. La molécule de chlore, Cl2 , passe a` travers les membranes des osmoseurs et les échangeurs d’ions.

3.9. Trihalom´ ethanes • • • •

HCCl3 HCCl2 Br HCClBr2 HCBr3

Les trihalométhanes résultent de la réaction de débris organiques avec le chlore ou le brome. ils causent des cancers. Il n’y a pas de méthode efficaces de les éliminer. Il faut donc éliminer les précurseurs, donc éviter d’utiliser le chlore.

3.10. Que faut-il analyser ? Lorsque l’on demande une analyse de l’eau au distributeur d’eau potable, l’on obtient trop souvent une analyse bactériologique ainsi que des mesures de certains paramètres tels le pH et la salinité totale, mais pas une analyse chimique composé par composé. Le but des ces analyses en bien sˆ ur de déterminer si une eau est potable. Notre objectif est par contre de déterminer quel traitement d’eau employer pour nos procédés : il est donc 3. Il n’a pas non plus d’effet désinfectant


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CHAPITRE 3. LES POLLUANTS DANS L’EAU 3.10. QUE FAUT-IL ANALYSER ? normal que les besoins en termes d’analyse de l’eau seront différents. Que faut-il analyser, dans le cadre de la conception ou d’une optimisation d’un système de purification de l’eau industriel ? La réponse dépend en partie du type d’équipement que l’on prévoit d’installer, mais en pratique, il est utile de connaˆıtre : • Cations : • Les composants de la dureté : • Calcium Ca++ • Magnésium Mg++ • Sodium Na+ • PotassiumK+ • Anions : • Les composants de l’alcalinité 4 : • Bicarbonate HCO− 3 • Carbonate CO3−− • Ion Hydroxyle OH− • Sulfate SO−− 4 • Chloride Cl− • Fluoride F− • Nitrate NO− 3 • Autres paramètres : • Température • pH • Salinité totale (TDS) • Coefficient de pénétration aux UVc 5 • SDI 6 En outre, les ions suivants peuvent avoir un impact significatif, surtout sur les installations à membrane (les osmoseurs par exemple) : • Cations : • Fer Fe++ ouFe+++ • Manganèse Mn++ • Aluminium Al+3 • Baryum Ba++ • Strontium Sr++ • Cuivre Cu++ • Zinc Zn++ • Anions : • Silice SiO2 • Sulfide S2 • Phosphate PO−2 4 4. Les concentrations de ces composants sont liées : si l’on connaˆıt le pH la la concentration de bicarbonates, l’on peut calculer la concentration de carbonate et d’ion hydroxyle 5. Si l’on songe ` a installer un stérilisateur U.V. 6. Si l’on songe ` a installer un osmoseur


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3.10. QUE FAUT-IL ANALYSER ? CHAPITRE 3. LES POLLUANTS DANS L’EAU Pour pouvoir concevoir la chaˆıne de traitement et dimensionner approximativement un système typique de purification de l’eau industriel il faut impérativement avoir au moins les informations suivantes sur la qualité de l’eau disponible : • • • • • •

Dureté totale Concentration de bicarbonate pH Salinité totale Température Concentration des compoés pouvant poser problèmes dans le produit fini

En pratique, ces données sont suffisantes pour concevoir et dimensionner un petit système de traitement de l’eau. Les incertitudes seront palliées par un surdimensionnement éventuel du système.Pour des systèmes de dimensions importantes 7 les potentiels d’économie justifient largement le coˆ ut d’éventuelles analyses supplémentaires.

7. Pour des investissements supérieurs à environ CHF 5’000.00


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Deuxi` eme partie . Les technologies de la purification de l’eau

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4. Filtration et microfiltration

Figure 4.1.: Un filtre industriel pour débits de plusieurs dizaines de m3 /h

4.1. Quelques d´ efinitions Par filtration on entend en principe une méthode pour éliminer des impuretés de l’eau en la faisant passer a` travers un média filtrant. Aujourd’hui, la filtration regroupe un grand nombre de technologies, dont les technologies de filtrations membranaires qui permettent même de déminéraliser l’eau. Mais il faut prendre garde aux confusions : souvent, l’on parle en langage courant de filtration particulaire en l’appelant filtration. La filtration particulaire regroupe l’ensemble des méthodes de filtration permettant d’enlever de l’eau les particules d’une taille supérieure a` environ un µm, alors que la filtration inclut l’ensemble des méthodes de traitement de l’eau o` u l’on fait passer l’eau à travers un média filtrant, donc aussi par exemple l’osmose inverse, qui est une méthode physique de déminéralisation de l’eau.

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CHAPITRE 4. FILTRATION ET MICROFILTRATION 4.2. FILTRATION PARTICULAIRE

Mat´ eriel ` a prot´ eger

Seuils de filtration usuels

Conduites, échangeurs de chaleur Typiquement 50 a` 90 µm Pompe

Quelques dizaines de µm

Adoucisseur, échangeur d’ions

5 à 25 µm

Membrane d’osmose inverse

5 µm

Membrane d’ultrafiltration

5 à 25 µm

Table 4.1.: Quelques seuils de filtration usuels

4.2. Filtration particulaire La filtration particulaire et la microfiltration utilisent des matériels semblables et obéissent à des règles semblables. On distingue de manière un peu artificielle la filtration particulaire, qui concerne les seuils de filtration de 1 µm ou plus, et la microfiltration qui concerne les seuils de filtration inférieurs au micron. un justification de cette distinction est la différence de prix des cartouches : une cartouche de microfiltration coˆ ute environ 10 fois plus cher qu’une cartouche de filtration particulaire.

4.2.1. Pourquoi filtrer ? Généralement, tout système de purification de l’eau dans l’industrie comprend une première étape de filtration particulaire. Pourquoi ? Même lorsqu’il n’y a pas d’exigence quand à l’absence de particules dans le produit fini, une filtration est nécessaire pour protéger le matériel de purification de l’eau, qu’il s’agisse de pompe, de résines échangeuses d’ions ou de membranes d’osmose inverse. Quel est le seuil de filtration à choisir ? Cette information fait partie des spécifications fournies par le producteur du matériel a` protéger. Des seuils typiques sont cités dans le tableau 4.1.

4.2.2. Les m´ ecanismes de filtration Le fonctionnement d’un filtre est en partie contre-intuitif. Pour comprendre ce que l’on observe dans la pratique, il est essentiel de savoir comment un filtre fonctionne, autrement dit de comprendre les m´ ecanismes de filtration . Il y a 4 m´ ecanismes de filtration fondamentaux : 1. L’interception directe ou criblage 2. Le mouvement brownien


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4.2. FILTRATION PARTICULAIRE CHAPITRE 4. FILTRATION ET MICROFILTRATION 3. L’adsorption 4. Le Bridging ou formation de gâteau de filtration L’interception directe Le mécanisme de l’interception directe est facile a` comprendre intuitivement. Il est illustré par la figure 4.2 a` la page 30.

Figure 4.2.: Interception directe ou criblage

Le mouvement brownien Même lorsque un écoulement est laminaire, les particules en suspension dans l’eau ont un mouvement en partie aléatoire. Le mécanisme de la filtration résultant du mouvement brownien est illustré par la figure 4.3 à la page 31. L’adsorption L’importance de ce phénomène est variable, en fonction du type de particules et de la matière du média filtrant. Le Bridging ou formation de gˆ ateau de filtration La formation du gâteau de filtration joue un rôle très important dans le fonctionnement des filtres a` sable.


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Figure 4.3.: Mouvement brownien

Figure 4.4.: Adsorption

Conclusions sur les m´ ecanismes de filtration Les mécanismes de filtration autres que l’interception directe nous permettent de comprendre des aspects observés du comportement de filtres, en particuliers, pour ce qui est des filtres que l’on utilise en purification de l’eau :


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4.2. FILTRATION PARTICULAIRE CHAPITRE 4. FILTRATION ET MICROFILTRATION

Figure 4.5.: La formation d’un gâteau de filtration

• La qualité de la filtration évolue au cours de la vie d’un filtre : par exemple les filtres a` sables filtrent assez mal pendant leurs premières heures de fonctionnement, mais la qualité de la filtration s’améliore grâce à la formation du gâteau • Le filtre arrêtera des particules aussi de dimensions inférieures à son micronage. Cela grâce aux mécanismes de formation de gâteau, au mouvement brownien, et a` l’adsorption • Les performances d’un filtre sont difficiles à prévoir, car elles dépendent d’un grand nombre de facteurs qui affectent ces différents mécanismes de filtration

4.2.3. Classification des types de filtres Il existe d’innombrables technologies pour séparer les particules solides d’une taille de 1 mm ou plus de l’eau. Or, dans plus de 90% des cas, un filtre à cartouche, éventuellement précédé d’un filtre a` sable, est la solution optimale dans les applications de purification de l’eau. Il est toutefois important de connaˆıtre l’existence et les principaux avantages et inconvénients des autres solutions existantes. Face aux grand nombre de technologies de filtration qui sont a` la disposition du praticien, il est utile de tenter de les classifier. On distingue ainsi : • La filtration de surface par opposition a` la filtration de profondeur. Dans la filtration de surface, les particules sont arrêtées lorsque l’eau entre dans le média filtrant, alors que dans la filtration de profondeur toute l’épaisseur du média est utilisée. • La filtration par éléments consommables, par opposition aux éléments non consommables. Jusqu’aux années 1980, l’essentiel de la filtration industrielle était le fait


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CHAPITRE 4. FILTRATION ET MICROFILTRATION 4.2. FILTRATION PARTICULAIRE d’éléments filtrants non consommables. Aujourd’hui, environ 80% de l’ensemble de l’eau filtrée l’est par des des systèmes à cartouches consommables, essentiellement car le prix des cartouches a baissé alors que le les coˆ uts de main d’œuvre augmentent. • Classification par objectif de filtration, en distinguant filtration de prétraitement et filtration de finition Dans les pages qui suivent, nous passerons en revue les différents types de filtres employés en purification industrielle de l’eau.

4.2.4. Filtres-presses Les filtres-presses assuraient le gros de la filtration industrielle jusqu’aux années ’80. Leur avantage principal était le coˆ ut d’investissement réduit. Le désavantage était par contre un coˆ ut de maintenance relativement élevée en particulier pour enlever les gâteaux de filtration. Ce travail était non seulement coˆ uteux en temps de main d’œuvre, mais aussi il s’agit d’un travail très sale : il est difficile de trouver le personnel acceptant de faire ce travail. Ce problème est résolu par les filtres-presses automatiques, mais ceux-ci sont chers à l’achat, ce qui annule l’avantage No. 1 de cette technologie. Aujourd’hui, les filtres-presses ne sont pratiquement plus utilisés pour la filtration de l’eau en entrée. Il sont par contre encore fréquents dans le traitement des eaux usées et la filtration dans des procédés chimiques. Leur utilisation est justifiée par le fait que ces filtres produisent des “gâteaux” de filtration assez secs : la quantité de déchets produits est faible, ce qui est économiquement intéressant lorsque le système de filtration produit des déchets à traiter comme déchets spéciaux : cela est assez souvent le cas dans les eaux usées industrielles très chargées : les filtres peuvent retenir des substances toxiques. Si l’on emploie pour une telle application un système de filtration a` éléments consommables, l’on augmente bien entendu le volume de déchets spéciaux, coˆ uteux à éliminer.

4.2.5. Les filtres ` a poche ou ` a panier Ils sont économiquement intéressants pour les eaux très chargées en particules. Ils posent par contre un problème sérieux de fiabilité : il arrive qu’une poche ou un panier cède sous l’effet de la pression qui augmente lorsque le gâteau de filtration se développe, et l’on a donc un relachâge massif et soudain de particules dans l’eau traité, ce qui peut avoir des conséquences catastrophiques sur le matériel que le filtre est sensé protéger.

4.2.6. Etude de cas : cons´ equences de l’utilisation d’un filtre ` a poche Une usine chimique avait la possibilité d’utiliser de l’eau provenant d’un puits situé dans l’usine pour préparer de l’eau de procédé. L’eau était partiellement déminéralisée par une machine a` nanofiltration (voir page60). Pour protéger les membranes, cette machine était munie de cartouches filtrantes (voir page 39). Or l’eau du puits était sablonneuse : il fallait donc changer souvent les cartouches : environ une fois toutes


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Figure 4.6.: Principe de fonctionnement d’un filtre a` poche

Figure 4.7.: Changement d’une poche. Ces poches peuvent se casser.

les deux semaines. Le coˆ ut était assez modéré, puisque cette entreprise achetait les cartouches directement chez un producteur en quantités importantes, mais par contre le personnel chargé de ce travail s’était plaint de cette tâche supplémentaire. Le responsable du projet se laissa convaincre par un vendeur de filtres a` poche que l’utilisation de cette


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CHAPITRE 4. FILTRATION ET MICROFILTRATION 4.2. FILTRATION PARTICULAIRE technologie permettrait un changement de filtres tous les 6 mois environ. Au bout de environ 4 semaines, une poche se cassa. Le sable fut distribué dans les membranes de nanofiltration, qui durent êtres remplacées pour un coˆ ut de environ 30’000.00 EUR. Cela ne signifie évidemment pas qu’il faut renoncer a` l’utilisation de filtres a` poches filtrantes : il représentent une solution économique, surtout pour des fluides très chargés. Il faut par contre prévoir un filtre à cartouche en aval du filtre à pour les applications o` u une rupture d’une poche filtrante aurait des conséquences importantes.

4.2.7. Filtres ` a cartouches lavables et filtres autonettoyants Sous ces noms l’on trouve une très grande variété de technologies, et souvent des nouveaux filtres autonettoyants sont présentées comme la solution a` tous les problèmes de filtration. Si ils présentent un avantage en termes de coˆ uts de fonctionnement, il faut être conscient de leurs désavantages, qui limitent leurs applications : 1. Le coˆ ut d’investissement est généralement élevé 2. Les filtres autonettoyants ont un seuil de filtration de quelques dizaines de mm, ce qui est insuffisant pour certaines applications, comme la préfiltration pour un osmoseur 3. L’installation est relativement complexe 4. Lors du nettoyage périodique, ces filtres rejettent une eau fortement chargée en particules, qu’il est souvent impossible de conduire a` l’égout sans un traitement particulier : cela complique encore l’installation L’image 4.10 montre assez bien a` quoi un filtre autonettoyant typique ressemble : il est beaucoup plus complexe, lourd, coˆ uteux qu’un filtre a` cartouche parce que il a en principe au moins un moteur électrique 1 qui actionne le dispositif de nettoyage, et un système pour l’eau de lavage. L’installation est donc beaucoup plus complexe que pour un filtre a` cartouche.

4.2.8. Filtres ` a sable On parle génériquement de filtres à sable même si le média filtrant n’est pas forcément du sable. Il peut aussi s’agir d’anthracyte ou de sable vert 2 , ou un autre média filtrant. L’antracyte est plus léger que le sable proprement dit et fournit une couche de préfiltration. Le sable vert est un sable qui est recouvert d’une couche d’oxyde de manganèse et a la propriété d’oxyder le fer dissous dans l’eau, et aussi le manganèse et l’hydrogène sulfureux. Une fois que ces impuretés ont étés oxydées, elles tendent à rester, par adsorption, dans ne sable vert. Les filtres avec une couche de sable vert permettent de réduire les concentrations de fer dissous, de manganèse dissous et d’hydrogène sulfuré a` moins de 0.01 ppm. Les filtres a` sable contiennent aussi souvent du gravier. Celui-ci n’est en général pas un média filtrant, mais sert a` former une couche poreuse au fond du filtre. 1. Souvent 2 ou 3 moteurs 2. Galuconite


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Figure 4.8.: Filtre a` poche. Carter en plastique.

Les filtres à sable sont généralement économiquement intéressants pour des débits de au moins quelques m3 /h d’eau très chargée en particules. D’autres points importants à connaˆıtre sur les filtres a` sable sont : • Le(s) média(s) choisi(s) détermine(nt) un débit surfacique maximum. Ce débit est


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Figure 4.9.: Filtre autonettoyant. Principe de fonctionnement. Image : Filters Srl

Figure 4.10.: Filtre autonettoyant. Photo : Filters Srl

déterminé par le producteur du média, pas par le fabricant du filtre. Il est raisonnable de demander au fabricant du filtre les spécifications du média employé, et vérifier que le débit surfacique spécifié par le fabricant du média a été respecté • Le gâteau de filtration joue un rôle important : au début, le filtre a` sable filtre


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Figure 4.11.: Montage d’un filtre autonettoyant. Photo : Filters Srl

Figure 4.12.: Filtre a` sable a` pression. Photo : Osmonics

assez mal, et au bout de quelques heures de fonctionnement l’efficacité de filtration s’améliore • Un rétrolavage périodique est nécessaire. C’est une procédure automatique, qui dure environ 20 minutes. Le débit est important, largement supérieur au débit nominal


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CHAPITRE 4. FILTRATION ET MICROFILTRATION 4.2. FILTRATION PARTICULAIRE du filtre. Il peut être fait avec de l’eau non filtrée. Le débit de rétrolavage est fixé par les spécifications du producteur du média filtrant. Ici aussi, il est donc raisonnable de vérifier que le constructeur du filtre a bien prévu un débit de rétrolavage conforme aux spécifications du producteur de média filtrant 3 . Il faut prévoir au moins un rétrolavage par semaine • Lorsque l’on achète un filtre a` sable, on re¸coit le filtre, avec les sacs de médias filtrants a` côte : il faut alors mettre les différents médias filtrants dans le bon ordre dans le filtre : cela peut durer plusieurs heures • Lorsque le filtre a` sable est en matériau composite, et qu’il faut mettre du gravier, l’on risque de l’endommager si l’on ne met pas de l’eau avant de mettre le gravier Variantes des filtres ` a sables Un filtre a` sable peut être construit de 2 fa¸cons : Filtres ` a gravit´ e : peu utilisés en applications industrielles, a` l’exception du cas de la filtration des eaux de surfaces. Leur débit surfacique est plus faible Filtres ` a pression : ce sont généralement ceux que l’on trouve dans l’industrie. La photo 4.12 montre un tel filtre.

4.2.9. Etude de cas : filtres ` a sables, r´ etrolavage Un client utilisait des filtres a` sable pour de l’eau de lavage de pièces métallique. L’installateur des filtres avait monté le système de telle sorte que le débit de rétrolavage était indentique au débit de service des filtres. Margré des nettoyages hebdomadaires, la perte de charge des filtre restait supérieure ou égale à environ 2.0 bar, alors qu’elle aurait dˆ u être de l’ordre de 0.5 bar. Nous avons conseillé au client d’augmenter le débit de rétrolavage 4 , et de procéder aussi a` une injection d’air comprimé pour casse le gâteau de filtration qui s’était formé au fil des mois. La perte de charge retomba en-dessous de 0.5 bar. Ensuite, les lavages réguliers avec un débit de rétrolavage de l’ordre de 160 % du débit de service de filtres suffirent a` maintenir cette perte de charge aux alentours de 0.5 bar.

4.2.10. Filtres ` a cartouches consommables Les filtres à cartouche représentent le gros de la filtration en purification de l’eau dans l’industrie. On distingue 2 types de filtres a` cartouche : Filtration absolue : enlève ”toutes” les particules de dimension supérieures au micronage 3. Notre expérience est que souvent cela n’est pas le cas 4. Ce qui était possible sur cette installation, fort heureusement. Souvent une modification du débit de rétrolavage peut exiger des modifications de tuyauterie


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Figure 4.13.: Corps de filtres pour filtres a` cartouche. Photo : Osmonics

Filtration nominale : enlève ”la plupart” des particules de dimension supérieures au micronage

La définition de l’expression ”toutes les particules” varie selon les fabricants. Certains considèrent que une cartouche qui enlève plus de 99% des particules de dimension supérieures au micronage est absolue, alors que d’autres limitent ce terme aux cartouches qui enlèvent plus de 99.98% des particules de dimension supérieure au micronage de la cartouche. Les cartouches absolue sont toujours beaucoup plus chères a` l’achat que les cartouches nominales. Un type de cartouche a` éviter sont les cartouches a` fil bobiné, comme celle visible sur la figure 4.14 : constituées d’un fil enroulé autour d’une cage en plastique ou en métal, elles ont toutes des chenaux de passage entre les fils largement supérieurs au micronnage indiqué. Elles ont tout de même un certain effet filtrant en raison des phénomènes d’adsorption, mais ont une efficacité de filtration faible si on les compare aux cartouches de fibres thermosoudées. En outre, elles contiennent souvent des lubrifiants. On trouve souvent ces cartouches dans l’industrie. Leurs coˆ uts de production sont négligeables, ce qui pousse certains fournisseurs a` continuer a` les vendre. Il va sans dire que l’utilisateur paye cher, en termes de matériel non protégé par la cartouche, les économies réalisées avec ces cartouches.


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Figure 4.14.: Cartouche à fil bobiné

Efficacit´ e d’un filtre ` a cartouche L’efficacité d’un filtre est définie par : ε=

N1 − N2 N1

(4.1)

Avec : • ε : efficacité du filtre • N1 : nombre de particules de taille égale au seuil de filtration du filtre que l’on trouve dans un volume d’eau donné avant le filtre • N2 : nombre de particules de taille égale au seuil de filtration du filtre que l’on trouve dans un volume d’eau donné après le filtre Certains fabricants ont choisi de modifier la définition de N1 et de N2 , en décidant que ces chiffres se rapportaient au nombre de particules de taille égale ou supérieure au seuil de filtration du filtre. Bien sˆ ur cette définition leur permet d’annoncer des efficacités plus élevées. Il n’y a pas de standard international reconnu concernant la méthode a` employer pour mesurer cette efficacité. Des normes sont en préparation ou en consultation dans différents pays, mais il n’y a pas de consensus prévisible a` court terme au niveau international.


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4.2. FILTRATION PARTICULAIRE CHAPITRE 4. FILTRATION ET MICROFILTRATION Facteur Beta Le facteurβ a été crée par un fabricant de filtre, pour faire plus scientifique. Il est difficile de voir un quelconque intérêt de ce facteur. Comme il est souvent utilisé, il faut tut de même connaˆıtre sa définition : β=

N1 N2

(4.2)

Ce qui est équivalent a` écrire : 1−ε (4.3) ε D’autres fabricants l’utilisent aussi. La société qui a introduit ce facteur β vend des filtres à prix élevés. β=

Cutoff Un autre aspect qui définit en partie la qualité d’une cartouche filtrante est le Cutoff ou netteté du seuil de filtration.

Figure 4.15.: Cutoff, ou netteté du seuil de filtration Les courbes de la figure 4.15 sont purement qualitatives. On peut se demander si il y a un avantage a` avoir un filtre qui n’arrête pas les particules plus petites que son seuil de filtration. Pour la plupart des applications oui, parce que la durée de vie de la cartouche est déterminée par la capacité de rétention de celle-ci. La capacité de rétention est le volume de particules que la cartouche peut arrêter avant de devoir être changée. Il est clair que l’on filtre par exemple de l’eau à 5 µm, pour protéger par exemple une pompe, et que l’eau filtrée contient un grand nombre de particules d’un diamètre inférieur à 5 µm, une cartouche avec un seuil de filtration peu net aura — a`


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CHAPITRE 4. FILTRATION ET MICROFILTRATION 4.2. FILTRATION PARTICULAIRE capacité de rétention égale — une durée de vie plus courte qu’une cartouche à seuil de filtration net. La vie d’une cartouche filtrante

Figure 4.16.: Evolution de la perte de charge au cours de la vie d’une cartouche filtrante

La figure 4.16 montre l’évolution de la perte de charge d’une cartouche filtrante au cours de sa vie opérationnelle : 1. Mise en service de la cartouche 2. La différence de pression maximum spécifiée par le fabricant est atteinte 3. Chute brutale de la différence de pression Entre les points 1 et 2, la courbe est approximativement linéaire. Si on laisse la cartouche en service après que la différence de pression maximale prescrite par le fabricant a été atteinte, la différence de pression augmente rapidement, jusqu’au point o` u elle est suffisante pour détruire la cartouche : la matière est forcée a` travers les pores, le média filtrant est irrémédiablement abˆımé l’on observe alors une chute de la différence de pression. On notera que la différence de pression au point 1, donc a` l’installation de la cartouche, influence beaucoup la durée de vie de la cartouche. Si par exemple la différence de pression maximum est de 2 bar, et l’on met la cartouche en service avec une différence de pression initiale de 1 bar, la durée de vie de la cartouche sera environ 56% plus faible que si l’on avait commencé a` utiliser la cartouche avec une différence de pression de 0.2 bar. Un sous-dimensionnement d’une installation de filtration se paye donc en coˆ uts de cartouches de remplacement.


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4.2. FILTRATION PARTICULAIRE CHAPITRE 4. FILTRATION ET MICROFILTRATION Facteurs influen¸cant la performance d’un filtre De nombreux facteurs liés au fluide et aux particules en suspension dans le fluide influencent les performances d’un filtre, ce qui rend les comparaisons difficiles. Les facteurs suivants influencent la durée de vie d’un filtre : • Caractéristique des particules • Forme • Déformabilité : les particules déformables peuvent bien sˆ ur passer a` travers des pores de diamètre inférieur a` leur taille • Densité : un densité très différente de celle du fluide tend a` améliorer la qualité de la filtration • Quantité : si il y a beaucoup de particules, il y a bien sˆ ur formation rapide d’un gâteau de filtration • Caractéristiques du fluide • Viscosité : une viscosité différente implique une perte de charge différente • Tension superficielle, qui affecte l’adsorption • Température : elle peut avoir un effet sur le média, surtout sur les plastique, et a un effet sur la viscosité du liquide. • Débit vitesse d’écoulement Ce nombre assez important de facteurs justifie un peu l’absence de standards reconnus par tous. Différents fabricants effectuent donc les tests de durée de vie et d’efficacité de leurs cartouches avec des particules différentes, qui correspondent à différents standards.Pour lé’efficacité, le test le plus employé et le AC Fine Test Dust (USA) . Il prescrit l’emploi de sable ramassé dans une région définie d’un désert californien. Un grand fabricant de cartouches européen utilise pour ses essais de durée de vie de l’OvomaltineTM , alors qu’il mesure l’efficacité de ses filtres avec des particules de Latex calibrées.

4.2.11. Le choix d’une technologie de filtration Le choix de la méthode de filtration dépend essentiellement de la charge en particules de l’eau a` filtrer et du seuil de filtration voulu. Le choix de la méthode sur la base de ces critères est illustré dans le tableau ci-dessous : Charge faible

Charge ´ elev´ ee

Charge tr` es ´ elev´ ee

1 à 40 µm

Filtre à cartouche

Filtre à poche

Filtre a` poche, éventuellement en aval d’un filtre a` sable.

Plus de 40 µm

Filtre à cartouche

Filtre à poche ou filtre Filte a` sable ou filtre auto-nettoyant auto-nettoyant


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CHAPITRE 4. FILTRATION ET MICROFILTRATION 4.3. MICROFILTRATION

4.3. Microfiltration Une cartouche de microfiltration. Photo : GE Water

4.3.1. D´ efinition On parle de microfiltration quand on utilise des cartouches au micronage inférieur au micron. En pratique, les micronnages utilisés en purification de l’eau sont : • 0.2 µm : suffisant pour arrêter les bactéries • 0.05 à 0.1 µm : souvent employés en microélectronique La microfiltration se fait pratiquement toujours avec des filtres a` cartouches consommables Il s’agit de filtration de surface avec des membranes plissées.

4.3.2. Types de cartouches filtrantes On distingue le cartouches de microfiltration pour filtration nominale et celles pour filtration absolue. En général les cartouches de filtration absolues utilisent des membranes avec des pores, alors que les membranes des cartouches de filtration nominale sont composées de fibres. On peut tester l’intégrité de certaines cartouches de microfiltration. Cela est utile pour des applications o` u la qualité de la filtration doit être démontrée et documentée, comme par exemple dans l’industrie pharmaceutique. L’utilisateur est confronté à un véritable embarras du choix concernant la cartouche filtrante à utiliser pour une application de micro-filtration. Les fabricants proposent un grand choix de matériaux de membrane, de seuils de filtration et de configuration des cartouches.

4.3.3. Le choix de la cartouche filtrantes Le processus de choix de la cartouches est compliqué par l’immensité du choix de cartouches filtrantes sur le marché. Une fois l’objectif de la filtration défini, il faut prendre


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4.3. MICROFILTRATION CHAPITRE 4. FILTRATION ET MICROFILTRATION

Figure 4.17.: Vue au microscope d’une membrane d’une cartouche de microfiltration absolue. Photo : GE Water

le temps d’étudier les fiches de spécification des différentes cartouches envisageables. Les fabricants expérimentés fournissent des recommandations, en fonction de l’application, concernant le matériau de la membrane à utiliser. Ces cartouches ayant en général des prix substantiels, il est important de choisir une configuration géométrique (dimensions, forme des extrémités) courante, afin de pouvoir changer de modèle de cartouche si la cartouche choisie initialement ne donne pas satisfaction.


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5. Proc´ ed´ es membranaires 5.1. Introduction Les procédés membranaires, ou de filtration par membrane, aussi appellés de filtration tangentielle diffèrent de la filtration classique essentiellement par la présence d’une sortie de concentrat : seulement une partie de l’eau passe à travers le média filtrant, une partie, appellée le concentrat, ne passe pas a` travers le média filtrant et sert a` évacuer les impuretés qui, en filtration classique, restent sur le média filtrant.

5.2. Osmose inverse 5.2.1. Principe de l’osmose inverse Le phénomène de l’osmose est connu depuis l’aube de la biologie : il existe dans la nature des membranes, qui ont la propriété de laisser passer seulement l’eau, sans les sels qui y sont dissous. Lorsque une solution aqueuse est séparée de l’eau déminéralisée par une telle membrane, comme dans la figure 5.1, il se produit un flux osmotique : de l’eau purifiée passe a` travers la membrane jusqu’à ce que la différence de pression a` travers la membrane atteigne une pression dite pression osmotique, fonction des sels dissous dans l’eau, et qu’il est possible de calculer. Il est clair que si l’on applique a` la solution aqueuse une pression supérieure a` sa pression osmotique, le flux osmotique sera inversé et l’on produira de l’eau déminéralisée : c’est l’osmose inverse. Les premières membranes d’osmose inverse étaient en acétate de cellulose. Par la suite, l’on développa des membranes en plastique 1 . On notera aussi que l’on ne peut imaginer faire passer la totalité de la solution aqueuse a` travers la membrane. En effet, les sels dissous ne passant pas a` travers la membrane, ils sont de plus en plus concentrés et la pression osmotique augmente. D’autre part, si l’on continuait a` concentrer, tôt ou tard la limite de solubilité des différents sels présents dans l’eau serait atteinte et il y aurait des précipitations sur la membrane. Il en résulte que toutes les machines d’osmose inverse ont non seulement une entrée d’eau d’alimentation et une sortie d’eau déminéralisée (dite aussi perméat), mais aussi une sortie d’eau qui n’est pas passée a` travers la membrane (on parle souvent de concentrat). Ce concentrat 1. Les membranes d’osmose inverse en plastique sont généralement en polyamide

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5.2. OSMOSE INVERSE

´ ES ´ MEMBRANAIRES CHAPITRE 5. PROCED

Figure 5.1.: Le phénomène naturel osmose

s’écoule tangentiellement a` la membrane, sans la traverser, et c’est cela qui donne le nom de filtration tangentielle aux technologies comme l’osmose inverse. Une fois le concept d’osmose inverse connu, il faut, pour réaliser des machines industrielles, placer une surface importante de membrane dans un volume aussi restreint que possible. De nombreuses configurations de modules d’osmose inverse ont étés commercialisés, mais actuellement la quasi-totalité du marché est représentée par les modules spiralés. Comment fonctionne, au niveau microscopique, une membrane d’osmose inverse ? Cela n’est pas connu à l’heure actuelle avec certitude. L’on sait que ces membranes existent dans la nature. L’on arrive a` produire ces membranes en plastique. mais leur fonctionnement exact est inconnu. Y a-t-il des pores ? Ce n’est pas certain. Une école de pensée affirme qu’il n’y a pas de pore, et que la pression au niveau de la membrane force l’eau a` passer en changeant de phase : l’on parle d’eau interstitielle. Une autre école de pensée affirme qu’il y des pores, mais cette école doit expliquer pourquoi l’on sait que les membranes d’osmose inverses sont perméables non seulement à l’eau, mais aussi aux petites molécules organiques. Pour expliquer ce phénomène, des modèles incluant des effets électrostatiques au niveau de la surface de la membrane ont étés développés. La question de la présence ou de l’absence des pores est la question qui agite les milieux scientifiques qui travaillent sur les membranes depuis des décennies. La question pourrait sembler futile, mais il n’en est rien. Elle montre que le phénomène de l’osmose inverse reste mal compris. Si on comprendrait mieux le mécanisme, il serait plus facile de prévoir les taux de rejet des différents ions, et surtout, dans d’autres domaines de la technique, une compréhension des phénomènes au niveau physique a en règle générale apporté des avancées importantes au niveau des performance des produits industriels.


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5.2. OSMOSE INVERSE

Figure 5.2.: Un module spiralé [9]

Figure 5.3.: La fabrication d’un module d’osmose inverse. Photo : Osmonics

On peut donc se risquer a` faire le pronostic que les performances des membranes vont s’améliorer beaucoup dans les années ou décennies à venir.


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5.2. OSMOSE INVERSE


Figure 5.4.: Membrane d’osmose inverse : le modèle avec pores. Image : Osmonics

Figure 5.5.: Membrane d’osmose inverse : le modèle sans pores

5.2.2. Equations fondamentales de l’osmose inverse Comme utilisateur ou concepteur d’installation, on n’a en principe jamais besoin de calculer un osmoseur. Toutefois il est important de connaˆıtre les équations qui régissent le fonctionnement des osmoseurs : cela nous permettra de mieux juger les offres et


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5.2. OSMOSE INVERSE

affirmations de fabricants, et aussi d’évaluer le fonctionnement d’un osmoseur : les écarts de débits et de conductivité seront incompréhensibles si l’on ne connaˆıt pas les lois qui les régissent. Quelques d´ efinitions Il est usuel de représenter un osmoseur dans un schéma sous la forme d’un rectangle avec une diagonale qui représente la membrane, comme dans la figure 5.6.

Figure 5.6.: Représentation schématique d’un osmoseur ou d’une membrane d’osmose inverse

Qe : débit d’eau entrant dans l’osmoseur Qp : débit perméat, ou débit d’eau passant a` travers la membrane Qc : débit de concentrat ce : concentration de solides dissous dans l’eau entrant dans l’osmoseur cp : concentration de solides dissous dans le perméat de l’osmoseur cc : concentration de solides dissous dans le concentrat de l’osmoseur D´ ebit en fonction des pressions Qe = KT × [(P1m − P2m ) − (Posm1 − Posm2 )]

(5.1)

Avec : • Qe : débit a` travers la membrane • KT : constante donnée par le fabricant de la membrane. La valeur de cette constante varie avec la température. • P1m : pression moyenne en amont de la membrane • P2m :pression moyenne en aval de la membrane • Posm1 :pression osmotique moyenne en amont de la membrane • Posm2 : pression osmotique moyenne en aval de la membrane


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5.2. OSMOSE INVERSE

En pratique on admet les approximations suivantes : P1m =

1 × (Pe + Pc ) 2

(5.2)

P2m = Pp

(5.3)

Pe étant la pression a` l’entrée de la membrane, Pc la pression du concentrat et Pp la pression du perméat. De la même fa¸con, on admet que : Posm1 =

1 × (Posme + Posmc ) 2

(5.4)

Posm2 = Posmp

(5.5)

Posme étant la pression osmotique de l’eau d’alimentation de l’osmoseur, Posmc la pression osmotique du concentrat et Posmp la pression osmotique du perméat. En pratique, Posmp Posme , donc Posm2 Posm1 , donc (Posm1 − Posm2 ) ≈ Posm1 L’on calcule donc en général en utilisant Posm1 en lieu et place de (Posm1 − Posm2 ). Il faut par contre prendre garde a` ne pas confondre Posm1 avec Posme : la différence peut être importante et conduire a` des erreurs importantes. Estimation de la pression osmotique La pression osmotique est une fonction des solides dissous dans l’eau. En pratique l’on peut utiliser l’approximation suivante : Posm = T DS × 0.0008

(5.6)

TDS étant le total des solides dissous dans l’eau. Les unités utilisées étant : • [Posm ] = bar • [T DS] = ppm Rejet et recouvrement Pour l’utilisateur, un ”bon” osmoseur est un osmoseur qui réduira le plus possible la minéralisation de l’eau et consommera le moins d’eau possible. Ces deux paramètres sont mesurés par le taux de recouvrement et le taux de rejet : D´ efinitions : Taux de recouvrement : R =

Qp Qe

Taux de rejet (rejet) : Rej = 1 − avec Cec =

1 2

Cp Cec

× (Ce + Cc )


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5.2. OSMOSE INVERSE

Effet de la temp´ erature Corr(T ) = 1.03(T −25)

(5.7)

o` u T est la température de l’eau en degrés Celcius. Le débit d’une membrane ayant un débit nominal QN a` 25◦ C sera a` une température T quelconque : Q(T ) = Corr(T ) × QN

(5.8)

Bilans Il est important de rappeler que les bilans de masse de l’eau et des solides dissous s’appliquent : Qe = Qc + Qp

(5.9)

Qe × Ce = [Qc × Cc ] + [Qp × Cp ]

(5.10)

L’ensemble des équations permettent de faire les calculs courant concernant la performance de votre osmoseur, comme par exemple la qualité de l’eau à la sortie, en connaissant le taux de rejet et la qualité de l’eau en entrée, ou bien les variations de performances a` attendre d’une variation de la qualité de l’eau, du taux de recouvrement, etc. D’autre part, il est essentiel de connaˆıtre ces équations pour évaluer l’efficacité de la maintenance d’un osmoseur. Taux de rejet de diff´ erents sels Le taux de rejet d’une membrane ou d’un osmoseur est toujours donné par les fabricants pour du NaCl. Bien sˆ ur l’eau comporte aussi d’autres sels dissous, et les taux de rejet peuvent varier fortement d’un sel a` l’autre. [4] donne a` la page 88 une liste complète des taux de rejet des différents sels. Nous citons ici quelques exemples dans le tableau 5.2.2 à la page 53. Sel

Taux de passage (comparé au NaCl)

CaSO4

30%

MgCL2

60%

Ca(NO3 )2

500%

Mg(NO3 )2

500%

Table 5.1.: Taux de rejets de différents sels, relativement au NaCl


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5.2. OSMOSE INVERSE

Les fabricants de membranes fournissent des programmes de calculs qui, utilisant ces taux de passage différents pour chaque sel, calculent la concentration ion par ion dans le perméat pour une eau d’alimentation donnée.

Ordres de grandeur Taux de rejet, pour NaCl : Polyamide : Acétate de cellulose :

98 à 99.7 % 93 a` 98 %

Taux de recouvrement : Pour une membrane : Pour une unité :

13 a` 20 % 33 a` 75 %

Dans une machine d’osmose inverse, l’on combine plusieurs membranes, et l’on peut aussi recycler une partie du concentrat, pour obtenir des taux de recouvrement beaucoup plus élevés que les 13 à 20% . Bien sˆ ur cela a pour corollaire que le taux de rejet d’une machine d’osmose inverse sera toujours plus bas que le taux de rejet d’une membrane seule. En pratique, les taux de rejet pour le NaCl d’un osmoseur seront de l’ordre de 95 a` 99%.

D´ ebits par membrane (` a environ 16 bar) : Mat´ eriau Diam` etre Polyamide 4” Polyamide 8” Acétate de cellulose 4” Acétate de cellulose 8”

D´ ebit 0.25 m3 /h 1 m3 /h 0.15 m/3 h 0.60 m/3 h

Les dimensions des membranes pour les osmoseurs industriels sont plus ou moins standardisés : pratiquement tous les fabricants proposent des modules de diamètre de 4” et de 8”, et d’une longueur de 40” (environ un mètre). Par contre, pour les petits osmoseurs commerciaux ou de laboratoire, il existe un très grand nombre de diamètres de membranes (1.8”, 2”, 2.5”, etc.) et un choix presque infini de longueurs de modules. Pour les membranes en acétate de cellulose, le débit varie avec le taux de passage : les membranes avec un taux de rejet élevé ont un débit plus faible.


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5.2. OSMOSE INVERSE

Les mat´ eriaux de membranes d’osmose inverse : Mat´ eriaux Rejet NaCl pH Rejet composés organiques Chlore Cl2 libre Température

Polyamide Ac´ etate de cellulose 98 à 99.7 % 93 à 98 % 3 à 10 4 à 8 > 150 masse mol. > 200 a` 250 masse mol. < 0.1 ppm > 0.2 ppm et < 2.0 ppm ◦ < 40 C < 40◦ C

Il existe des modules pour hautes températures avec des membranes en polyamide : pour la membrane elle-même, une température de l’eau jusqu’à 90◦ C ne pose pas réellement un problème, mais par contre le problème est au niveau de la colle et des autres éléments en plastique (tubes, grilles, joints) employés pour la construction des modules.

5.2.3. Exemples d’unit´ es d’osmose inverse

Figure 5.7.: Schéma d’un petit osmoseur industriel. Schéma : Osmonics Le schéma de la figure 5.7 est typique d’un petit osmoseur industriel. On remarque en particulier : Le pr´ efiltre : il protège les membranes des particules en suspension La pompe Les membranes : le concentrat sortant de 2 membranes alimente la 3emembrane. Le concentrat de cette dernière est en partie recyclé


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5.2. OSMOSE INVERSE


Vannes de r´ eglage concentrat et recyclage : en ajustant ces deux vannes, l’on peut ajuster le taux de recouvrement de la machine

Figure 5.8.: Exemple d’unité d’osmose inverse pour laboratoire. Photo : Electrolux

Figure 5.9.: Schéma de principe de l’unité montrée sur la figure 5.8


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5.2. OSMOSE INVERSE

reverse System Ordering Guide

Packapgteions Titan 4000 E – Entry O Titan 5000 S – Spec’d Up 7000 Ultratech F – Fully Loaded Figure 5.10.: Petit osmoseur industriel, muni deTitan membranes 4”. PhotoTitan : RO Titan

Spec’dUp

Entry

Features included…

Features included…

UÊ CHAMP vessels UÊ HF4 extra-low pressure membranes UÊ Goulds multi-stage pump & motor UÊ Corrosion-resistant aluminium frame UÊ Large diameter 5 micron 20" sediment pre-filter UÊ Large diameter 1 micron 20" sediment pre-filter UÊ High-capacity 20" carbon block pre-filter UÊ 2 x 0-160 psi filter pressure gauges UÊ 2 x 0-300 psi system pressure gauges UÊ Computer controller UÊ Low-pressure switch UÊ Inlet solenoid valve UÊ Manual flush valve UÊ Permeate flow meter UÊ Concentrate flow meter UÊ Panel-mounted permeate TDS meter

UÊ Titan Entry features plus… UÊ Auto-flush UÊ Panel-mounted inlet and permeate dual TDS meter UÊ Concentrate re-circ & flow meter UÊ High-pressure switch UÊ Float switch

FullyTitan Loaded Features included… UÊ Ê/Ì> Spec’d Up features plus… UÊ «iÌiÊ«ÀiwÌÀ>ÌÊÜ>ÌiÀÊ softener system

Titan 5000 F

The Important Stuff For consistent performance and long membrane life, it is recommended that RO systems are used in conjunction with some fairly stringent operating conditions; soft or pre-softened, low SDI water, free from organic contaminants, chlorine, and suspended solids. Thankfully, Titan systems are equipped with more pre-filtration than most other ROs, helping eliminate many problematic contaminants. Minimum feed pressure

35 psi (2.5 bar)

Operating pressure

100 psi (6.9 bar)

Maximum hardness

200 ppm as CaCO3

Maximum TDS

2000 ppm

PH range

3-11

Feed connection

1"

Permeate connection

1"

ViÌÀ>ÌiÊViVÌ Maximum temperature

1" 40.5°C (104.9°F)

*The ‘Fully Loaded’ system is recommended when water hardness 142 ppm as CaCO3 or above.

15

Figure 5.11.: Exemple de grand osmoseur industriel, muni de membranes 8”. Photo : GE Water


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5.3. ULTRAFILTRATION


5.3. Ultrafiltration Comme l’osmose inverse, l’ultrafiltration est une technique de filtration tangentielle. Contrairement aux membranes d’osmose inverse, les membranes d’ultrafiltration n’enlèvent aucun ion de l’eau. Les membranes d’ultrafiltration ont des pores : c’est incontestable, ils sont observables au microscope. il s’agit d’une technologie assez mˆ ure. Il y a un grand choix de matériaux de membrane : polysulphone, polypropylène, polyamide, acétate de cellulose, vinyle fluoré, PVC, PVDF, etc. Le choix de configurations géométriques de membrane est aussi important. Les membranes dites spiralées ne représentent qu’une minorité des membranes d’ultrafiltration, les membranes type ”fibres creuses” étant devenue les plus fréquentes. On distingue en outre les fibres creuses filtrant l’eau de l’intérieur vers l’extérieur, et celles filtrant l’eau de l’extérieur vers l’intérieur. Ces dernières sont réputées plus durables car plus faciles a` rétro-laver, mais aussi plus chères car plus difficiles à produire. L’utilisation principale de l’ultrafiltration dans l’industrie est la filtration au point d’utilisation dans les systèmes de production d’eau ultrapure, surtout en pharmaceutique et en microélectronique. depuis quelques années, l’on voit aussi des machines d’ultrafiltration destinées à la potabilisation de l’eau. Les taux de recouvrement sont beaucoup plus élevés en ultrafiltration que en osmose inverse : l’on parle généralement de environ 90% avec de l’eau de ville ou en potabilisation de l’eau, et plus de 95% en filtration de finition d’eau ultrapure. Ceci en employant des membranes spiralées. Les installations avec des membranes a` fibres creuses fonctionnent parfois a` près de 100% de taux de recouvrement.

Figure 5.12.: Exemple d’unité d’ultrafiltration au point d’utilisation [19]


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-

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Figure 5.13.: Schéma d’une unité d’ultrafiltration au point d’utilisation [19] ?5$/)<,5$/)$,08'@%+A8050 -

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L’ultrafiltration s’est popularisée ces dernières années, essentiellement pour le traitement d’eau en entrée dont la turbidité est fortement variable au cours de l’année. Les prix varient fortement entre les fournisseurs. Les technologies très différentes rendent les comparaison de prix très ardues.


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5.4. NANOFILTRATION


5.4. Nanofiltration La nanofiltration enlève 30 a` 50 % des ions monovalents et plus de 90% des ions divalents. Cette caractéristique fait de la nanofiltration une alternative intéressante à la déminéralisation partielle et à l’adoucissement par échange d’ions. Il s’agit d’une technologie relativement jeune. Les écarts de performances entre membranes non négligeables. Les membranes sont faites dans les mêmes matériaux que les membranes d’osmose inverse (polyamide et acétate de cellulose), et sont utilisées a` des pressions un peu plus basses que les membranes d’osmose inverse : des pressions de 8 a` 10 bar sont typiques. Au début de la nanofiltration, certains fabricants proposaient comme membranes de nanofiltration les écarts de production de membranes d’osmose inverse. Depuis, la nanofiltration s’est imposée comme méthode de traitement de l’eau dans l’industrie, surtout comme alternative aux adoucisseurs pour des applications en agro-alimentaire, et des fabricants ont donc développé des membranes spécifiques à la nanofiltration. Jusqu’à présent, les facteurs suivants ont limité le développement de la nanofiltration comme remplacement des adoucisseurs : • Le coˆ ut de l’eau rejetée (concentrat) 2 • Les coˆ uts d’investissement, beaucoup plus élevés a` l’heure actuelle que pour un adoucisseur à échange d’ions La nanofiltration n’est donc utilisée que dans les situations o` u le fait que elle enlève aussi des bactéries et des substances organiques et qu’il n’y a pas de saumure à éliminer est un avantage.

2. L’on peut souvent augmenter le taux de recouvrement des machines à nanofiltrations en injectant de l’acide dans l’eau d’alimentation. Cela réduit bien sˆ ur les coˆ uts d’eau rejetée, mais l’installation et sa maintenance deviennent alors plus complexes.


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6. La maintenance des osmoseurs Notre expérience est que la maintenance des osmoseurs est trop souvent négligée. Il en résulte une production d’eau de qualité inférieure a` celle que l’on pourrait obtenir, et une durée de vie réduite des membranes. C’est pourquoi nous consacrons ici un chapitre séparé à ce sujet. Bien que ce chapitre se réfère spécifiquement aux osmoseurs, tout ce qui y est dit est applicable aussi aux machines a` nanofiltration, et dans une certaine mesure aux machines a` ultrafiltration.

6.1. Suivi des performances La maintenance d’un osmoseur est plus simple que celle d’un échangeur d’ion par exemple. L’essentiel du travail de maintenance, a` l’exception d’opérations assez spécialisées mais peu fréquentes comme le changement des membranes par exemple, peut être fait par le personnel de maintenance sans faire appel a` des fournisseurs extérieurs.

6.1.1. Param` etres ` a enregistrer Pour suivre les performances d’un osmoseur, il faut enregistrer quotidiennement 1 les paramètres suivants : • Pressions : • Pression avant le préfiltre • Pression après le préfiltre et avant la pompe haute pression • Pression après la pompe • Pression en sortie des membranes, côté concentrat • Pression du perméat (si celle-ci est différente de la pression atmosphérique) • Débits : • Perméat • Concentrat • Conductivité : • Alimentation • Perméat Cp • Concentrat Cc 1. De préférence quotidiennement. Si cela n’est pas possible, ou pour un petit osmoseur, on peut se contenter de relevés hebdomadaires.

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6.1. SUIVI DES PERFORMANCES CHAPITRE 6. LA MAINTENANCE DES OSMOSEURS • Température de l’eau d’alimentation Ces paramètres ne sont pas en eux-mêmes une mesure directe des performance de l’osmoseur. Comme nous l’avons vu au paragraphe 5.2.2, le débit varie en fonction de la température par exemple et la qualité de l’eau produite varie en fonction de la la qualité de l’eau d’alimentation : or ces paramètres varient au cours du temps dans pratiquement toutes les installations. Il est donc essentiel de procéder à quelques calculs a` partir des valeurs enregistrées.

6.1.2. Param` etres ` a calculer sur la base des enregistrements Taux de recouvrement en % : En principe ce taux ne devrait pas varier. Il peut varier au cours de l’année si la température de l’eau d’alimentation varie. Il faudrait alors utiliser les vannes permettant d’ajuster les débits de concentrat et de recyclage D´ ebit de perm´ eat ` a T= 25◦ C et Pmoy = Pnominale : on parle souvent de normalisation du débit. Comme nous l’avons vu plus haut, le débit varie en fonction de la température de l’eau et de la différence de pression a` travers la membrane. On ne peut donc comparer directement les débits mesurés. Si le débit de perméat est resté constant alors que la température de l’eau a augmenté de 8◦ C par exemple, alors les performances se son dégradés d’avantage que si a` température égale et à une différence de pression à travers la membrane qui aurait légèrement augmenté le débit de perméat était resté constant. Il faut donc calculer, avec les équations du paragraphe 5.2.2, de combien serait le débit de perméat si la température restait constante Conductivit´ e moyenne : Cmoy = Taux de rejet : Rej = 1 −

Calim+Cc 2

Cp Cmoy

Perte de charge, cˆ ot´ e concentrat, ` a d´ ebit constant : la différence entre la pression en aval de la pompe haute pression et la sortie du concentrat des membranes donne la perte de charge a` travers les membranes, côté concentrat. Ce paramètre est important, car il peut indiquer si il y a un entartrage important des membranes. Comme les débits peuvent varier au cours du temps, il faut calculer la perte de charge a` débit nominal. L’approximation suivante est utilisable en pratique [4] : ∆Pnorm = ∆Pmesuree ×

2 × Qcnom + Qpnom 2 × Qc + Qp

(6.1)

Qcnom et Qpnom étant les débits de concentrat et respectivement de perméat nominaux et ∆Pmesuree étant la différence de pression effectivement mesurée. Pour les débits on peut aussi prendre les valeurs des débits lors de la mise en service pour Qcnom et Qpnom . Nous avons maintenant 2 valeurs : le débit de perméat a` 25◦ C (et Pmoy = Pnominale ) et le taux de rejet des membranes qui reflètent les performances de l’osmoseur, et une 3e valeur, ∆Pnorm , qui est une mesure de l’état des membranes. Le taux de recouvrement


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CHAPITRE 6. LA MAINTENANCE DES OSMOSEURS 6.2. NETTOYAGE DES MEMBRANES doit être contrôlé pour vérifier qu’il ne varie pas plus que quelques % au cours de l’année. Sur la base d’un tableau de chiffres, il est difficile de déterminer si l’on assiste a` une évolution ou si les différences de valeurs sont dues à la précision des mesures. Il est donc conseillé de tracer des graphiques donnant le débit de perméat a` 25◦ C (et Pmoy = Pnominale ) , le taux de rejet des membranes et ∆Pnorm .

6.2. Nettoyage des membranes Il est inévitable que après un certain temps les performance d’un osmoseur se dégradent. La débit de perméat (à température constante de l’eau) baisse, le taux de rejet baisse. Il faut alors nettoyer les membranes. En règle générale, le nettoyage est économique par rapport au remplacement de membranes pour les membranes de 4” ou 8”. Par contre, les petites membranes de 2 ou 2 1/2 ” de diamètres étant très bon marché, il n’est pas forcément avantageux de les nettoyer plutôt que de les remplacer. De combien faut-il que les performances se dégradent pour qu’un nettoyage soit justifié ? L’ensemble de la littérature et plusieurs fabricants 2 conseillent de nettoyer lorsque les performances se sont dégradées comme suit : 1. Le débit de perméat a` 25◦ C et Pmoy = Pnominale a baissé de 10 a` 15% 2. ∆Pnorm a augmenté de 10 à 15% 3. Le taux de rejet a baissé de 1 a` 2 % Les produits a` employer pour le nettoyage sont fonction de la nature du dépôt que l’on trouve sur la membrane. [4] affirme qu’il faut procéder à une analyse de la nature du tartre que l’on trouve sur la surface de la membrane avant de choisir le produit nettoyant. Cette méthode implique que l’on extrait une membrane de la machine avant de procéder au premier nettoyage et qu’on la détruit pour effectuer un prélèvement : elle n’est donc économiquement défendable que si l’on utilise un osmoseur avec un grand nombre de membranes 3 , ce qui est rarement le cas des osmoseurs utilisés dans l’industrie. En pratique, il est donc généralement préférable de procéder par essais successifs. On trouve différents type de dépôts sur les membranes des osmoseurs : D´ epˆ ots inorganiques : ils résultent de la concentration des différents sels dissous dans l’eau et du changement de l’équilibre calco-carbonique de l’eau. La meilleure fa¸con de les éliminer est d’utiliser une solution de nettoyage acide. D´ epˆ ots organiques : ils sont enlevés de préférence par des solutions basiques contenant un surfactant. 2. Pas tous les fabricants. Il faut être conscients que certains fabricants d’osmoseurs ignorent complètement la problématique du nettoyage des membranes 3. Plus de 20 membranes environ


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6.2. NETTOYAGE DES MEMBRANES CHAPITRE 6. LA MAINTENANCE DES OSMOSEURS Sulfates : si des traces de baryum, de strontium ou de calcium sont présentes dans l’eau et l’on utilise une injection d’acide sulfurique pour l’ajustement du pH en amont de l’osmoseur, des dépôts de sulfates (de baryum, de strontium, de calcium) peuvent se former. Un nettoyage avec de l’EDTA peut alors être tenté, mais il faut en général changer les membranes. Biofilms : ils sont enlevés de préférence par des solutions basiques, avec un pH de au moins 11, contenant un surfactant.

Sp´ ecification des produits de nettoyage Les fabricants de membranes donnent des spécifications des produits a` employer pour les différents types de nettoyages (acide, croissance biologique, etc.). Ces spécifications font généralement appels a` des produits que l’on trouve facilement en droguerie ou auprès d’un distributeur de produits chimiques, comme l’acide nitrique, l’EDTA, etc. Il arrive que des fournisseurs d’installations d’osmose inverse proposent des produits nettoyant prêts, généralement a` des prix prohibitifs. Notre expérience est que en général il n’est pas économique de les utiliser. Il existe aussi des cartouches que l’on place à la place de la cartouche filtrante de l’osmoseur, et qui relarguent une solution nettoyante lorsque l’eau les traverse. Cette solution est très pratique et économique pour les petits osmoseurs (jusqu’à environ 3 m3 /h).

Quel produit utiliser ? En pratique, dans environ 80% des cas, la baisse des performances est due essentiellement à des dépôts inorganiques. Il est donc préférable de commencer par un nettoyage acide. Si les résultats sont insuffisants, procéder alors à un nettoyage avec une solution basique, puis a` un 2e nettoyage acide, car si il y a un biofilm, il et probable que sous celui-ci se trouve un dépôt de substances inorganiques.

Proc´ edure de nettoyage Il faut laisser la solution nettoyante recirculer dans la machine pendant au moins 30 minutes [4]. Il faut impérativement ouvrir la vanne de concentrat pour éviter une montée excessive de la pression en amont de la membrane. Le tableau 6.1 donne les débits maximums a` prévoir et les volumes minimums de solution nettoyante nécessaires pour la procédure. Selon la conception de l’osmoseur, il peut être impossible de faire circuler une solution de nettoyage dans celui-ci. Dans ce cas, l’on peut faire appel a` certains fournisseurs qui effectuent le nettoyage de membranes hors site. Il faut toutefois faire attention au fait que si la membrane sèche, elle n’est plus utilisable : son transport peut donc poser problème. Il existe aussi sur le marché des machines pour nettoyer les membranes. Leur utilisation est économique si l’on a un parc de plusieurs osmoseurs en service.


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CHAPITRE 6. LA MAINTENANCE DES OSMOSEURS 6.2. NETTOYAGE DES MEMBRANES

Diamètre

Débit max. Vol. solution par élément

4”

40 l/min

20 litres

8”

120 l/min

80 litres

Table 6.1.: Débits et volumes de solution de nettoyage recommandés


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7. La d´ esinfection de l’eau Il existe actuellement 5 méthodes courantes pour la désinfection de l’eau dans l’industrie : 1. La chloration de l’eau 2. La stérilisation par les rayons U.V. 3. L’ozonisation 4. La microfiltration 5. L’ultrafiltration La distillation n’est plus utilisée que dans des cas exceptionnels, comme l’industrie pharmaceutique. Elle sera tout de même traitée séparément, dans le chapitre 14 a` la page 118. La chloration et la stérilisation par UVc sont des méthodes très simples a` mettre en œuvre, alors que l’ozonisation est plus complexe, mais aussi plus intéressante. La microfiltration est intéressante uniquement dans des cas très particuliers en raison des ses coˆ uts élevés de fonctionnement. L’ultrafiltration est utilisée depuis longtemps en microélectronique pour la stérilisation finale au point d’utilisation et est utilisée aussi en eau potable. La destruction des biofilms est traitée dans le chapitre 12 à la page 107.

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8. St´ erilisation U.V. 8.1. Principe et limites de la d´ esinfection par ultraviolets 8.1.1. Principe de fonctionnement Le principe de la stérilisation de l’eau par ultraviolet est très simple : on éclaire l’eau avec des rayons UVc, qui ont un effet germicide par destruction des molécules d’ADN.

Figure 8.1.: Absorption du rayonnement ultraviolet par l’eau (traitillé) et par l’ADN (trait continu) [13]

8.1.2. Limites de la st´ erilisation par ultraviolet Par sa simplicité et son efficacité, la stérilisation par ultraviolet est une solution très attrayante. Il faut toutefois aussi être conscients des limites de cette technologie : La st´ erilisation par ultraviolet inactive mais n’´ elimine pas physiquement les bact´ eries : les bactéries restent dans l’eau sous forme de particules inactives. Dans beaucoup

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´ ´ 8.1. PRINCIPE ET LIMITES DE LA DESINFECTION CHAPITRE PAR 8. ULTRAVIOLETS STERILISATION U.V. d’applications, cela ne pose pas de problèmes, mais dans certains cas, comme en micro-électronique, par exemple, il faut combiner la stérilisation par ultraviolet avec la microfiltration ou l’ultrafiltration pour éliminer les particules que sont devenues les bactéries inactivées par le stérilisateur U.V. de l’eau utilisée pour laver les Wafers par exemple. Pas d’effet r´ emanent : si des bactéries sont déjà présentent en aval du stérilisateur UV, elles resterons actives. La stérilisation U.V. n’a donc absolument aucun effet sur les biofilms

8.1.3. Longueur d’onde Longueur d’onde utilisée pour stériliser l’eau est de : 254 nm. A 185 nm l’ultraviolet produit de l’ozone, dans l’eau et dans l’air : méthode pour produire l’ozone, de moins en moins utilisée, sauf pour des très petits générateurs d’ozone. Par contre, a` 254 nm, le rayonnement ultraviolet détruit l’ozone : il s’agit de la seule méthode fiable pour détruire l’ozone. Elle est décrite en détail a` la page 92.

8.1.4. Les lampe ultraviolet Il existe plusieurs types de lampes ultraviolet. Pour le traitement de l’eau, on distingue les lampes basse pression et moyenne pression.

Figure 8.2.: Comparaison des spectres d’émission d’une lampe basse pression et d’une lampe moyenne pression [13]

La lampe est généralement au centre de l’écoulement. Il faut être attentif a` ne pas acheter stérilisateurs qui utilisent des lampes faites spécialement sur mesure pour le


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´ ´ CHAPITRE 8. STERILISATION 8.2. DIMENSIONNEMENT U.V. D’UN STERILISATEUR UV

Figure 8.3.: Réduction du rayonnement émis au bout de 7 jours, en fonction de la dureté [22]. Ce graphique confirme que l’entartrage du quartz est un désavantage important en cas d’utilisation de lampes moyenne pression

stérilisateur : après quoi, l’on est otage de l’installateur qui ne se prive pas, souvent de vendre très cher les lampes de remplacement.

8.2. Dimensionnement d’un st´ erilisateur UV 8.2.1. Dose de rayonnement UVc En pratique, le dimensionnement se fait en général sur la base des normes applicables pour la stérilisation de l’eau potable. Celles-ci prescrivent une dose de rayonnement germicide, dose qui varie d’un pays à l’autre : Plusieurs pays europ´ eens 1 : 25 mJ/cm2 Suisse : 40 mJ/cm2 USA, Canada : 20 mJ/cm2 Il faut donc toujours préciser la dose de rayonnement germicide demandée lors d’un appel d’offre. Les stérilisateurs U.V. sont aussi souvent utilisés comme destructeurs d’ozone résiduel dans l’eau. Pour détruire l’ozone, il faut un dosage de rayonnement germicide beaucoup plus élevé que pour l’inactivation de bactéries 2 . 1. Dont la France et l’Italie jusqu’en 2011. La Belgique elle prescrit 30 mJ/cm2 . Une norme européenne impose 40 mJ/cm2 et est implémentée peu à peu en Europe 2. Voir le point 10.3.4 ` a la page 92


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´ ´ 8.2. DIMENSIONNEMENT D’UN STERILISATEUR CHAPITRE UV 8. STERILISATION U.V.

Figure 8.4.: Dose de rayonnement U.V. nécessaire pour réduire de 99.99% divers microorganismes. Les barres claires montrent la dose en présence de lumière réactivant les micro-organismes, les barres pleines montrent la dose en l’absence de lumière réactivant les micro-organismes [22]

L’eau peut être plus ou moins perméable aux rayons UVc. Pour dimensionner un stérilisateur UV, le fabricant aura donc besoin, en plus du débit d’eau à traiter, du coefficient de transmission aux UVc de XX% sur une lame d’eau de 1 cm . Les doses mentionnées dans les normes pour la potabilisation de l’eau sont adaptées pour la grande majorité des cas, mais pas tous. Il faut des doses beaucoup plus élevées pour éliminer des cellules d’algues et des moisissure, et aussi pour certains virus rares. Le coefficient de transmission admis par les fabricants qui donnent un débit dans leurs catalogues sont généralement de l’ordre de 80 a` 98%, selon les fabricants. Cette différence fait que des stérilisateurs U.V. standard peuvent sembler être moins chers que un modèle prévu pour le même débit d’une autre marque, alors que en fait le débit est tout simplement donné pour un coefficient de pénétration des UVc différent. Il est donc important de comparer des offres calculées sur la base de coefficients de transmission aux UVc de XX% sur une lame d’eau de 1 cm et non des chiffres tirés de catalogues.


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´ 8.3. DOSES DE RAYONNEMENT UV POUR DIFFERENTES CLASSES DE ´ CHAPITRE 8. STERILISATION U.V. MICRO-ORGANISMES Table 8.1.: Doses d’inactivation D10 pour quelques micro-organismes communs D10 en mJ/cm2

Micro-organisme Escherichia Coli

3.0

Pseudomonas Auroginosas

5.0

Staphyllococcus Aureus

2.18

Moisissures

30 à 300

Algues

300 à 600

La dose de rayonnement UVc nécessaire est fonction du micro-organisme à éliminer. L’on trouve dans la littérature des tableaux donnant les Doses D10 pour divers microorganismes. Cette dose est définie comme suit : Dose D10 : dose de rayonnement UVc qui permet d’inactiver 90.0% des micro-organismes présents Une fois D10 connue, l’on peut calculer facilement la dose nécessaire pour inactiver des pourcentages plus élevés de micro-organismes : • Pour 99.0% : 2 × D10 • Pour 99.9% :3 × D10 • Pour 99.99% (=100%) :4 × D10 Le tableau 8.1 donne des valeurs de D10 pour les micro-organismes les plus communs : L’on trouve dans la littérature des valeurs de D10 différentes d’une publication a` l’autre. Des laboratoires ayant affecté les mêmes mesures ont trouvés des résultats parfois assez différents. En pratique, cela signifie qu’il faut considérer ces valeurs comme indicatives, et en aucun cas dimensionner une installation sans un coefficient de sécurité significatif par rapport aux valeurs de D10 3 trouvées dans la littérature. Les tableaux qui suivent donnent les valeurs deD1000 pour un grand nombre de microorganismes[8].

8.3. Doses de rayonnement UV pour diff´ erentes classes de micro-organismes Les algues sont un problème fréquent en Suisse. Une part non négligeable de notre eau potable provient d’eau de surface, en particuliers des lacs. Les cellules d’algues sont plus résistantes que les bactérie aux aux traitements de désinfection, ce qui fait que les doses D1000 sont généralement beaucoup plus élevées pour les algues que pour les bactéries et les virus. 3. Ou de D100 ou D1000 ,d’ailleurs


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´ 8.3. DOSES DE RAYONNEMENT UV POUR DIFFERENTES CLASSES DE ´ MICRO-ORGANISMES CHAPITRE 8. STERILISATION U.V.

Table 8.2.: Doses de rayonnement UV pour l’inactivation de bactéries Micro-organisme Dose D1000 en mJ/cm2 Bacillus anthracis 8,700 B. enteritidis 7,600 B. Megatherium sp. (vegatative) 2,500 B. Megatherium sp. (spores) 52,000 B. paratyphosus 6,100 B. subtilis (vegatative) 11,000 B. subtilis (spores) 58,000 Clostridium tetani 22,000 Corynebacterium diphtheria 6,500 Eberthella typhosa 4,100 Escherichia coli 7,000 Leptospira interrogans 6,000 Micrococcus candidus 12,300 Micrococcus sphaeroides 15,400 Mycobacterium tuberculosis 10,000 Neisseria catarrhalis 8,500 Phytomonas tumefaciens 8,500 Proteus vulgaris 6,600 Pseudomonas aeruginosa 10,500 Pseudomonas fluorescens 6,600 Salmonella enteritidis 7,600 Salmonella paratyphi 6,100 Salmonella typhimurium 15,200 Salmonella typhosa (Typhoide) 6,000 Sarcina lutea 26,400 Serratia marcescens 6,200 Shigella dysenteriae (Dysenterie) 4,200 Shigella paradysenteriae 3,400 Spirillum rubrum 6,160 Staphylococcus albus 5,720 Staphylococcus aureus 6,600 Streptococcus hemolyticus 5,500 Streptococcus lactis 8,800 Streptococcus viridans 3,800 Vibrio cholerae 6,500


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´ 8.3. DOSES DE RAYONNEMENT UV POUR DIFFERENTES CLASSES DE ´ CHAPITRE 8. STERILISATION U.V. MICRO-ORGANISMES

Table 8.3.: Doses de rayonnement UV pour l’inactivation de moisissures et spores Micro-organisme Dose D1000 en mJ/cm2 Aspergillus flavus 99,000 Aspergillus glaucus 88,000 Aspergillus niger 330,000 Mucor racemosus A 35,200 Mucor racemosus B 35,200 Oospora lactis 11,000 Penicillium digitatum 88,000 Penicillium expansum 22,000 Penicillium roqueforti 26,400 Rhizopus nigricans 220,000

Table 8.4.: Doses de rayonnement UV pour l’inactivation d’algues et protozoa Micro-organisme Chlorella vulgaris (algue) Oeufs de Nematodes Paramecium

Dose D1000 en mJ/cm2 22,000 92,000 200,000

Table 8.5.: Doses de rayonnement UV pour l’inactivation de virus Micro-organisme Virus : Bacteriophage (E. coli) Virus Hepatitis Virus Influenza Virus Polio Rotavirus (diarhées) Tobacco mosaic

Dose D1000 en mJ/cm2 6,600 8,000 6,600 6,000 24,000 440,000

8.3.1. Exemples d’estimations de la dose n´ ecessaire Escherichia Coli L’on veut assurer l’absence de bactéries fécales (Escherichia Coli) de l’eau. Quelle dose faut-il prévoir ? Réponse : Il faut une dose suffisant pour réduire le nombre d’UFC de 99.99%, ce qui est considéré en pratique comme une réduction de 100%. Il faut une dose égale à 4 fois


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´ 8.3. DOSES DE RAYONNEMENT UV POUR DIFFERENTES CLASSES DE ´ MICRO-ORGANISMES CHAPITRE 8. STERILISATION U.V.

Table 8.6.: Doses de rayonnement UV pour l’inactivation de levures Micro-organisme Dose D1000 en mJ/cm2 Virus : Baker’s yeast 8,800 Brewer’s yeast 6,600 Common yeast cake 13,200 Saccharomyces cerevisiae 13,200 Saccharomyces ellipsoideus 13,200 Saccharomyces sp. 17,600

D10 , ou 2 fois D1000 soit : Dose = 6 × 2 = 12 mJ/cm2

(8.1)

Un cas particulier : les lampes plongeantes dans les r´ eservoirs L’on rencontre parfois dans l’industrie des lampes U.V. plongeantes dans des réservoirs : il s’agit de lampes monoculot dont une partie plonge dans du liquide stocké. A priori l’idée semble séduisante : l’on insère pour un coˆ ut très limité une lampe à ultraviolet dans un réservoir existant, ou de toute fa¸con prévu dans l’installation, et l’on espère obtenir ainsi un stérilisateur UV bon marché. Hélas, ces lampes en général favorisent plus qu’elles n’empêchent la croissance de bactéries. Le motif en est le coefficient de pénétration des UVc discuté précédemment. Ce coefficient est généralement inférieur a` celui de la lumière visible. Il en résulte que dès que l’on s’éloigne de la lampe de plus de quelques dizaines de centimètres dans le réservoir, l’on ne trouve plus qu’un rayonnement négligeable d’UVc, alors qu’un rayonnement significatif de lumière dans le spectre visible est mesurable. Cette lumière favorise la croissance des bactéries. D’autre part, les lampes U.V. plongeantes amènent de l’énergie thermique au réservoir. Autrement dit, elles chauffent l’eau. Elles rendent ainsi le milieu plus propice à la croissance de bactéries.

8.3.2. Biodosimetrie ou calcul ? Une difficulté supplémentaire pour le praticien qui doit acquérir un stérilisateur U.V. et qui doit évaluer les offres de divers fournisseur est donnée par le fait que les divers fabricant dimensionnent leurs systèmes de manière différente. Nous avons vu que la réduction de la concentration de micro-organismes est fonction de la dose de rayonnement germicide. Or, il est clair que les particules d’eau qui traversent un stérilisateur ne re¸coivent pas toutes la même dose de rayonnement. La question se pose donc de savoir comment le fabricant détermine la dose de rayonnement fournie par son appareil


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´ 8.3. DOSES DE RAYONNEMENT UV POUR DIFFERENTES CLASSES DE ´ CHAPITRE 8. STERILISATION U.V. MICRO-ORGANISMES pour le débit et le coefficient de pénétration aux UVc qui lui auront étés indiqués. Les fournisseurs de stérilisateurs procèdent selon 3 méthodes différentes : Calcul de la dose moyenne : c’est la méthode traditionnelle, encore trop souvent employée : on mesure la dose sur la base du rayonnement moyen calculé à l’intérieur du stérilisateur et on la multiplie par le temps de résidence moyen d’une particule d’eau, qui est tout simplement le volume du stérilisateur divisé par le débit. La méthode est simple, mais discutable, dans la mesure o` u l’on peut imaginer que les bactéries ne sont pas forcément distribués de manière uniforme dans l’eau, et donc le calcul donnera des résultats différents de mesures sur l’installation. Mesure pas biodosim´ etrie : l’on mesure le taux de survie de bactéries dont les valeurs D10 , D100 etc. sont connues : sur cette base l’on calcule la dose de rayonnement effective fournie par la stérilisateur. Cette méthode a un immense désavantage : son coˆ ut 4 . Il s’agit en effet d’essais complexes, et il y a peu d’installations dans le monde pouvant les réaliser.[13] décrit en détail la procédure de la mesure par biodosimétrie. Calcul de la dose minimum : il est possible de déterminer le parcours la plus défavorable du point de vue de la dose de rayonnement à travers un stérilisateur U.V. Le fabricant qui emploi cette méthode indiquera dans ses spécifications que l’appareil a été calculé sur la base d’un rayonnement germicide de (par exemple) 40 mJ/cm2 au point le plus défavorable de l’appareil. Cette méthode conduit a` un surdimensionnement de l’appareil, mais évite les coˆ uts élevés de la biodosimétrie, ce qui permet d’avoir des stérilisateurs U.V. plus économiques que ceux dimensionnés par biodosimétrie. Il est donc important lors des comparaison d’offres de plusieurs fournisseurs de savoir comment chaque stérilisateur proposé est calculé. Les stérilisateurs calculés ou testés par biodosimétrie seront toujours plus chers a` performances égales, puisque le coˆ ut de cette mesure très coˆ uteuse doit être amorti par la vente des appareils.

4. La SSIGE affirme que ces essais ne peuvent êtres effectués que en Autriche si ils doivent êtres reconnus par la SSIGE (Société Suisse de l’Industrie du Gaz et des Eaux), et que l’essai d’un appareil coˆ ute entre 40’000.00 et 60’000.00 Francs Suisses


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9. Chloration

Figure 9.1.: Une pompe à injection ou pompe doseuse. La dose de chlore est commandée soit par un compteur d’eau, soit par une mesure de la concentration du chlore dans l’eau et une boucle de réglage.

Principe Le principe de fonctionnement de la chloration est d’une extrême simplicité : l’on injecte du chlore dans l’eau avec une pompe pour injection ou un injecteur Venturi, et l’on attend que le chlore agisse. La chloration est très peu employée en purification de l’eau dans l’industrie, essentiellement en raison du problème insoluble posé par le résidu de chlore et de dérivés chlorés présents dans l’eau désinfectée. Dosage du chlore On considère généralement qu’il y a désinfection de l’eau si la concentration fois le temps de contact respecte les valeurs suivantes : • 0.5 ppm × 30 minutes pour chlore libre • 0.2 ppm × 15 minutes pour le dioxyde de chlore

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CHAPITRE 9. CHLORATION Certaines industries peuvent avoir des exigences particulières. Ainsi, l’industrie des boissons utilise un dosage résiduel de 10 ppm, avec un temps de contact de 2 heures au minimum. Combien de chlore faut-il donc injecter ? Le dosage sera : DT ot = DRes + DCons

(9.1)

Avec : • DT ot : dosage total • DRes : concentration résiduelle • DCons : consommation immédiate de chlore par l’eau [ppm] La consommation sera déterminée par l’oxydation des matières organiques et des composants dissous que le chlore oxydera, c’est à dire essentiellement le fer et le manganèse. La quantité de chlore nécessaire à l’oxydation du fer et du manganèse est simplement le dosage stoechiométrique pour l’oxydation du fer et du manganèse présents dans l’eau. Par contre, la consommation pour l’oxydation de la matière organique ne peut qu’être estimée : elle sera de l’ordre de 3 à 5 fois la DCO. On ne peut pas prévoir quelle portion de la matière organique sera effectivement oxydée. Il est donc judicieux de dimensionner les installations en prévoyant une injection de chlore calculée sur la base de 4 à 5 fois la DCO, tout en sachant que la consommation effective pourrait être nettement plus faible.


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10. Ozonisation

Figure 10.1.: Système pour dissoudre l’ozone dans l’eau. Photo : ozone.ch

10.1. Principe L’ozone O3 est une variété allotropique de l’oxygène O2 . L’ozone est une alternative intéressante au chlore. Par rapport au chlore, l’ozone présente des désavantages mais aussi et surtout des avantages décisifs pour l’utilisation dans l’industrie.

10.1.1. D´ esavantages de l’ozone Investissement plus ´ elev´ e : l’expression usine à gaz est certainement appropriée dans le cas de l’ozonisation, puisque ce gaz est produit sur place : il en résulte que le coˆ ut d’exploitation est réduit par rapport à des systèmes o` u l’on doit acheter le désinfectant, par contre l’installation est inévitablement plus complexe et plus coˆ uteuse.

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CHAPITRE 10. OZONISATION

10.1. PRINCIPE

Syst` eme plus complexe : L’ozone doit être produit, puis dissous dans l’eau, le gaz résiduel doit être extrait de l’eau, etc. Le système résultant est inévitablement plus complexe a` installer et a` utiliser qu’une pompe a` injection de chlore, par exemple. Il n’y a pas de membranes r´ esistantes ` a l’ozone : cela pose un problème à certaines industries particulières, comme l’agro-alimentaire, qui veulent en général désinfecter l’ensemble de la chaˆıne de traitement : si un osmoseur est prévu, cela est possible avec le chlore en choisissant une membrane en acétate de cellulose par exemple, alors que c’est effectivement impossible avec l’ozone. Consommation en ´ energie plus ´ elev´ ee, puisque l’ozone est produit par décharge électrique

10.1.2. Avantages de l’ozone Ces désavantages sont compensés par une série d’avantages qui rendent l’ozone très intéressant dans nombre d’applications industrielles : Pas de d´ eriv´ es dangereux, contrairement au chlore. Ne reste pas dans l’eau, redevient de l’oxyg` ene : il est donc utilisable par exemple pour le traitement d’eau ultrapure, ce qui n’est pas le cas du chlore. Pas de stockage de produits dangereux. Oxydation tr` es compl` ete : certaines molècules organiques qui ne sont pas oxydées par le chlore le sont par l’ozone.

10.1.3. Potentiels R´ edox L’ozone est le plus puissant des oxydants utilisables en traitement de l’eau. Le tableau 10.1 montre les potentiels Rédox de produits oxydants employés dans l’industrie : il montre que l’ozone est l’oxydant le plus fort. Table 10.1.: Potentiels Rédox de quelques produits oxydants utilisés dans l’industrie R´ eactif Ozone Peroxyde d’hydrogène Chlore (gaz) Oxygène

Potentiel R´ edox 2.07 1.17 1.36 1.23

En pratique, cela signifie que des composés qui ne sont pas oxydés par le chlore le seront par l’ozone, et ceux qui sont oxydés par le chlore et l’ozone seront oxydés beaucoup plus rapidement par l’ozone. Les micro-organismes sont détruits par oxydation, ce qui fait que l’ozone est un désinfectant beaucoup plus puissant que le chlore. Cela se traduit par des temps de contact plus courts pour obtenir le même résultat, comme cela est visible dans la figure 10.2.


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10.1. PRINCIPE


Figure 10.2.: L’ozone : un désinfectant plus puissant que le chlore [2]

Table 10.2.: Demi-vie de l’ozone Milieu Gaz Eau, pH = 6.0 Eau, pH = 7.0 Eau, pH = 8.0

Demi-vie Env. 20 minutes Env. 20 minutes Env. 15 minutes Env. 5 minutes Instable

Instabilit´ e de l’ozone Demi-vie : période pendant laquelle la concentration d’ozone diminue de moitié. Syst` emes d’ozonisation En général, l’attention se concentre sur le générateur, qui n’est qu’une partie du système et moins que le 50% des investissements. Les autres composants principaux d’un système d’ozonisation sont visibles sur la figure 10.3. Nous examinerons dans les pages qui suivent les différents composants mentionnés a` la figure 10.3. Principe de la production d’ozone : La foudre a inspiré les générateurs d’ozone. Ce principe est utilisé dans les générateurs d’ozone dit à effet corona, qui représentent la quasi-totalité des générateurs d’ozone utilisés en purification de l’eau : l’on crée un champ


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10.1. PRINCIPE

Figure 10.3.: Les principaux composants d’un système d’ozonisation de l’eau :

électrique assez élevé pour ioniser l’oxygène. Ce principe est illustré par la figure 10.4 Figure 10.4.: Génération d’ozone par effet corona. Principe :

Les électrodes sont alimentées en courant alternatif. Plus la fréquence de l’alimen-


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10.1. PRINCIPE


tation des électrodes est élevée, plus la concentration d’ozone produit sera élevée. Les générateurs d’ozone a` fréquence standard (50 Hz) peuvent atteindre des concentrations d’ozone de 1.5 a` 2.5 % avec de l’air et de 3 a` 4 % avec de l’oxygène. Les générateurs d’ozone a` moyenne fréquence (200 - 400 Hz) peuvent eux atteindre 4 a` 6 % d’ozone avec de l’air, 6 à 12 % avec de l’oxygène. Aujourd’hui, en traitement de l’eau, l’on emploie pratiquement plus que des générateurs dit à fréquence moyenne. Toutefois, des générateurs a` fréquence standard sont encore vendus. Souvent leur prix est bas, ce qui peut attirer des acheteurs. Mais la faible concentration d’ozone a un coˆ ut : l’on consomme plus d’oxygène pour produire la même quantité d’ozone. Figure 10.5.: Exemple de système de génération d’ozone. Ce système inclut un concentrateur d’oxygène.

10.1.4. Mat´ eriaux r´ esistants ` a l’ozone Il faut êtres attentifs au fait que l’ozone est très agressif et il y a donc peu de matériaux résistants à l’ozone : Mat´ eriaux r´ esistants ` a l’ozone en phase gazeuse • Verre • Téflon (PTFE, PFA, PVDF)


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10.2. DOSAGE D’OZONE

• Aciers Inox • Problème potentiel : soudures Mat´ eriaux r´ esistants ` a l’ozone en phase liquide • • • • • • •

Aciers inox PVC Béton Plexiglas Téflon (PTFE, PFA, PVDF) Verre Polyéthylène (seulement jusqu’à 0.2 ppm)

Etanch´ eit´ e (joints) Le choix de matériaux pour les joints d’étanchéité et aussi restreint : • KalrezTM • KynarTM • Téflon (PTFE, PFA, PVDF) • VitonTM

10.2. Dosage d’ozone Comme pour le chlore, il faut respecter une valeur minimum de concentration fois temps de contact pour désinfecter l’eau. Avec l’ozone , il est admis que cette valeur est de : 0.4 ppm au bout de 4 minutes. Cela signifie que l’on peut aussi utiliser une dose plus faible mais un temps de contact plus important (par exemple 0.2 ppm au bout de 8 minutes) ou inversement augmenter la concentration : il faut que le produit du temps de contact par la concentration reste constant.

10.3. Syst` emes de m´ elange ozone - eau 10.3.1. Colonnes de contact et injecteurs Venturi Alors que la technologie des générateurs d’ozone a fait des progrès remarquables au cours de la dernière décennie, l’on est parfois surpris de constater que les technologies employées pour transférer l’ozone de la phase gazeuse à la phase liquide ont peu évolué. Pourtant, comme nous l’avons rappelé plus haut, ce système est important, au point que des auteurs définissent le système de mélange de l’ozone avec l’eau ”La partie la plus importante dans une installation d’ozonisation de l’eau”. La plupart des systèmes actuellement installés fonctionnent selon le principe de ”Diffusion de bulles” : l’on diffuse, par des éléments poreux, des bulles de mélange ozone plus air dans un flux d’eau. Pendant que les bulles montent vers la surface, le transfert de


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` ´ 10.3. SYSTEMES DE MELANGE OZONE - EAU CHAPITRE 10. OZONISATION masse de l’ozone s’opère. Les systèmes selon ce principe prennent la forme de colonnes de contact ou de contacteurs. Figure 10.6.: Principe de fonctionnement d’une colonne de contact :

La figure 10.6 montre le principe de fonctionnement d’une colonne de contact. L’eau coule a` contre-courant des bulles contenant l’ozone qui s’élèvent dans le liquide. L’efficacité de transfert de masse (ETM= masse d’ozone dissous dans l’eau au cours du transfert divisée par la masse d’ozone introduite dans la colonne) augmente avec la hauteur de la colonne. Si l’on augmente la hauteur de la colonne, l’efficacité du transfert augmente, donc le débit d’ozone a` produire devient plus faible. Il y a donc une hauteur utile économiquement optimale, qui est en général d’environ 4,5 a` 4,7 m, et correspond a` une efficacité de transfert de masse de l’ordre de 67 à 70%. Le diamètre de la colonne est donné par la vitesse maximale d’écoulement d’eau, a` respecter si l’on veut éviter l’entraˆınement de bulles d’air en aval. Celle-ci est de l’ordre de 0,24 a` 0,25 m/s. L’ozone est dispersé dans le bas de la colonne par des diffuseurs poreux. La figure 10.7 illustre le principe de fonctionnement d’un contacteur, typique pour les applications de traitement d’eau potable. Les plus volumineuses de ces unités per-


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` ´ CHAPITRE 10. OZONISATION 10.3. SYSTEMES DE MELANGE OZONE - EAU

Figure 10.7.: Contacteur municipal : principe .

mettent d’atteindre une efficacité de transfert de masse de l’ozone de l’ordre de 80% a` 90%. Elles ont le désavantage de représenter des investissements importants. L’on trouve parfois dans la pratique des contacteurs sous-dimensionnés par rapport au débit d’eau a` traiter. Ce sous-dimensionnement résulte en un entraˆınement de bulles de gaz a` l’aval du contacteur, ce qui peut poser des problèmes à des clients industriels utilisant l’eau pour des procédés, et peut aussi susciter la méfiance des consommateurs d’eau potable. Figure 10.8.: Injecteur Venturi : principe.

La figure 10.8 illustre le principe de fonctionnement du mélangeur à tube Venturi.


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` ´ 10.3. SYSTEMES DE MELANGE OZONE - EAU CHAPITRE 10. OZONISATION Le tube Venturi prend son nom d’effet Venturi, qui dit que, si la section d’écoulement diminue, alors la pression diminue aussi. Cela s’explique aisément par les équations de Bernoulli et l’équation de continuité : Equation de Bernoulli : si l’on néglige les pertes de charge entre les points 1 et 2 : %

v2 v12 + P1 = % 2 + P2 2 2

(10.1)

Avec : • % : masse volumique de l’eau • vi : vitesse d’écoulement au point i • Pi :pression au point i Equation de continuit´ e: v1 S1 = v2 S2

(10.2)

Avec : Si : section de la conduite au point i Des deux équations ci-dessus, on déduit que la pression au point le plus étroit du Venturi (point 2) sera inférieure a` la pression à l’entrée du Venturi (point 1) de : S1 v12 ∆P = P2 − P1 = (% ) × [( )2 − 1] 2 S2

(10.3)

On peut donc aisément dimensionner le Venturi (en particulier le rapport SS21 ) pour obtenir un pression au point 2 qui soit inférieure à la pression atmosphérique, donc avoir un effet d’aspiration sur une entrée gaz, que l’on place au point le plus étroit du Venturi. Ceci permet d’aspirer et mélanger avec l’eau le mélange d’ozone et d’air. Le mélangeur a` tube Venturi est bien sˆ ur de la solution la plus compacte pour le mélange proprement dit. La totalité du gaz injecté est entraˆınée a` l’aval du mélangeur. Le transfert de l’ozone de la phase gazeuse a` la phase liquide se fait en aval du mélangeur, dans un réservoir (réacteur) prévu a` cet effet. Un temps de contact de l’ordre de 12 a`15 secondes est suffisant pour obtenir une efficacité de transfert de masse de l’ozone de 90% ou plus. Les dimensions d’un réacteur sont donc toujours très inférieures a` celles d’une colonne de contact ou d’un contacteur conventionnel. L’on peut se demander dès lors pourquoi les mélangeurs a` tube Venturi n’ont pas encore remplacé les autres systèmes dans toutes les applications. La principale raison qui pousse encore aujourd’hui des concepteurs d’installations a` ne pas choisir des injecteurs Venturi est le problème des gas entraˆınés. Alors que, au sortir d’une colonne de contact, l’eau contiendra bien de l’ozone dissous, mais pas de bulles de gaz, les bulles de gaz sont tout naturellement entraˆınées a` l’aval après le réacteur, et un système de dégazage doit être con¸cu et dimensionné séparément. Le résultat est souvent un système de dégazage non-optimisé, du point de vue coˆ ut et encombrement, ou alors des bulles de gaz dans l’eau qui atteignent les consommateurs.


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` ´ CHAPITRE 10. OZONISATION 10.3. SYSTEMES DE MELANGE OZONE - EAU Les concepteurs d’installations sont depuis longtemps à la recherche d’une solution économique pour l’élimination des gaz entraˆınés. L’on trouve aujourd’hui dans le commerce d’unités de dégazage fonctionnant selon le principe du cyclon (Voir figure 10.9). L’idée de combiner ces dégazeurs avec un ensemble mélangeur Venturi plus réacteur est donc assez logique. Nous nommerons dans la suite de cet article une telle combinaison ”Unité de gazage – réaction – dégazage” ou ”Combinaison Venturi – Réacteur – Cyclon”. Figure 10.9.: Système Venturi-Réacteur-Cyclon : pilote de démonstration. Photo : GDT Corporation.

Des essais pilotes sur des applications fréquentes de l’ozone en traitement de l’eau potable ont étés effectués dans plusieurs villes des USA. Les essais et leurs résultats sont décrits plus loin dans l’article. La figure 10.10 montre le principe de fonctionnement des unités de gazage-réaction-dégazage utilisées pour ces essais pilotes.

10.3.2. Transfert de masse Comme expliqué plus haut, l’efficacité de transfert de masse (ET M ) est le paramètre qui décrit l’efficacité d’un système de mélange eau-ozone. Cette efficacité est définie comme suit : ET M =

Mdissous Mgaz

(10.4)

Mdissous étant la masse d’ozone dissous dans l’eau et Mgaz étant la masse d’ozone dasn le flux gazeux provenant du générateur d’ozone pendant une unité de temps donnée


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` ´ 10.3. SYSTEMES DE MELANGE OZONE - EAU CHAPITRE 10. OZONISATION

Figure 10.10.: Ensemble injecteur – réacteur – cyclon : principe.

Le principe de fonctionnement d’un ensemble Venturi - Réacteur - Cyclon pour l’ozonation de l’eau a été décrit plus haut. La question est maintenant de savoir quels paramètres affectent ET M dans un tel système, et quelles doivent être les valeurs de ces paramètres pour obtenir des valeurs suffisantes d’ET M . Intuitivement, l’on comprend que le transfert de masse augmentera lorsque le temps o` u les deux phases sont en contact augmentera. Nous nommerons le temps de contact des deux phases T c, qui sera : Tc =

Veau + Vmelange Vreacteur

(10.5)

Avec : • Veau : débit d’eau • Vgaz : débit de gaz mélangé avec l’eau • Vreacteur : volume du réacteur Le transfert de masse de l’ozone de la phase gazeuse à la phase liquide résulte de la différence entre la solubilité de l’ozone dans l’eau et la concentration d’ozone déjà


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` ´ CHAPITRE 10. OZONISATION 10.3. SYSTEMES DE MELANGE OZONE - EAU présente dans l’eau [2]. Or, la solubilité d’un gaz dans l’eau augmente avec la pression. Ceci résulte directement de la Loi de Henry, qui dit que la solubilité d’un gaz dans un liquide est proportionnelle a` la pression partielle PA de ce gaz dans la phase gazeuse : Loi de Henry : PA = H × C A

(10.6)

Avec : • PA : Pression partielle du gaz A dans la phase gazeuse • H : Constante de Henry pour le gaz A • CA : Concentration du gaz A dans la phase liquide Il est donc clair que, en augmentant la pression, on augmente la solubilité, donc par là même le transfert de masse. Figure 10.11.: Solubilité de l’ozone dans l’eau :

La figure 10.11 montre l’effet de la pression partielle et totale sur la solubilité de l’ozone (calculée a` partir de la loi de Henry). La figure 10.12 montre le résultats de mesures de l’efficacité du transfert de masse obtenues avec les valeurs suivantes : • • • •

Pression relative à la sortie de l’injecteur : 1,7 a` 2,3 bar Concentration massique d’ozone en phase gazeuse : 10 Temps de contact : 12 s Ratio débit volumique de la phase gazeuse divisé par le débit volumique de la phase liquide : VV gl = 0, 1 • Température de l’eau : 8◦ C


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Figure 10.12.: Efficacité de la dissolution de l’ozone dans l’eau :

La courbe montre que l’efficacité ET M varie entre 87% et 95%. Ces résultats ont étés obtenus avec un Venturi fourni par la société Mazzei Corporation, USA. Des Venturi d’autres fabricants devraient donner des résultats semblables, mais pas forcément égaux. Le Venturi est un élément peu coˆ uteux d’un système de mélange eau-ozone, et pour cette raison, l’on investit généralement peu de temps dans le choix du Venturi. Or il se peut que le transfert de masse soit plus ou moins bon avec un Venturi d’une marque donnée. Nous ne pouvons donc que recommander aux concepteurs d’installations de demander a` leur fournisseurs de mélangeurs Venturi des données sur l’efficacité de transfert de masse a` attendre de leur produit, et les paramètres nécessaires pour atteindre cette efficacité. Il est possible d’obtenir des efficacités beaucoup plus élevées en augmentant le temps de rétention ou en réduisant la concentration d’ozone. Par exemple, l’on a obtenu des efficacités ET M de plus de 99% lorsque, les autres paramètres restant inchangés, on a utilisé des concentrations massiques d’ozone dans la phase gazeuse comprises entre 3% et 5 Le ratio VV gl a également un impact important. On a constaté que ET M augmentait lorsque l’on diminue VV gl . Ceci s’explique par le fait que des rations VV gl faibles résultent en des bulles de gaz plus petites, donc la surface séparant les deux phases est plus importante, proportionnellement au volume de la phase gazeuse La figure 10.13 montre la différence de dimensions entre une unité de mélange traditionnelle fonctionnant sur le principe de la diffusion de bulles (une colonne de contact) et une unité de gazage - réaction - dégazage. Le dessin 10.13 montre, a` la même échelle, deux installations hypothétiques qui ont étés dimensionnées sur les hypothèses suivantes :


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Figure 10.13.: Comparaison

• • • •

Débit d’eau : 30 m3 /h Hauteur utile de la colonne de contact : 4,7 m Hauteur totale de la colonne de contact = Hauteur utile plus 60 cm Diamètre de la colonne : déterminé par la vitesse d’écoulement de l’eau qui ne doit pas dépasser 0,24 m/s

La section de la colonne sera donc d’environ 1.17 m2 ,son diamètre intérieur sera donc d’environ 122 cm, nous admettrons un diamètre extérieur d’environ 132 cm. • Ratio V g/V l pour l’unité de gazage - réaction - dégazage : 10%. • Temps de contact dans le réacteur de l’unité de gazage - réaction - dégazage : 12 s, le volume du réacteur est donc de 110 litres. • Pour les dimensions du Venturi et du séparateur a` cyclon, nous nous référons aux données de fournisseurs de ces unités, et obtenons : • Pour le Venturi : diamètres d’entrée et sortie de l’eau : 110 mm, longueur environ 66 cm (Source : catalogue Mazzei) . • Pour le séparateur cyclon : diamètre 44 cm, hauteur 109 cm (Source : catalogue GDT). La différence de dimensions est assez spectaculaire. La différence en coˆ uts d’investissements est aussi importante. Nous ne ferons pas ici une comparaison des coˆ uts d’investissements, car il y a bien sˆ ur une différence importante d’un fournisseur à l’autre. Les coˆ uts de maintenance mériteraient également une étude détaillée. Ils sont beaucoup plus faibles pour un ensemble Venturi - Réacteur - Cyclon que pour un système à diffusion de bulles. Le motif en est le caractère turbulent de l’écoulement dans un ensemble Venturi - Réacteur - Cyclon, qui évite la formation de tartre, qu’ils soient de nature minérale ou


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` ´ 10.3. SYSTEMES DE MELANGE OZONE - EAU CHAPITRE 10. OZONISATION organique. Ceci n’est pas le cas des systèmes à diffusion de bulles, o` u l’écoulement laminaire de l’eau, nécessaire pour éviter l’entraˆınement de bulles, est propice a` la formation de tartre.

10.3.3. Conclusion sur la dissolution de l’ozone A notre avis il n’y a aucune raison de ne pas utiliser un système autre d’un injecteur Venturi pour dissoudre l’ozone dans l’eau. Il n’y a aucune raison technique ou économique de continuer à utiliser des systèmes avec une colonne de contact et des diffuseurs poreux.

10.3.4. Destruction de l’ozone r´ esiduel en phase liquide Sauf dans certains cas particuliers 1 il faut éliminer l’ozone dans la phase liquide avant d’utiliser l’eau désinfectée. les méthodes envisageables sont les suivantes : Charbon actif : il se consomme peu à peu et en fin de vie relâche des particules. Anthracyte : utilisé essentiellement dans les piscines et les parcs zoologiques. UV : la méthode la plus chère, mais aussi la plus sˆ ure. C’est de loin la méthode plus utilisées dans l’industrie. R´ eaction avec iodide ou bromide : la réaction avec des iodides et bromide produit du iode ou brome libre, qui agit comme désinfectant résiduel à la place du chlore. Cette méthode employées pour les piscines, mais est pratiquement inutilisable pour les applications industrielles. Le filtre à charbon actif est très souvent employé pour l’élimination de l’ozone résiduel en potabilisation de l’eau. Hélas, le charbon actif, outre a` être très efficace pour l’élimination de l’ozone, fournit aussi un milieu poreux très favorable a` la croissance de bactéries. Ce phénomène est trop souvent ignoré en potabilisation de l’eau, mais est bien démontré par plusieurs études. La figure 10.14 montre bien ce phénomène. du point de vue de la microbiologie : une installation coˆ uteuse d’ozonisation et charbon actif aboutit a` un maintient du nombre de bactéries, ce qui n’est bien sˆ ur pas l’objectif de ce traitement.

10.3.5. Destruction de l’ozone r´ esiduel en phase gazeuse Il existe 3 types de destructeurs couramment employés dans l’industrie : Filtres ` a charbon actifs : autrefois souvent utilisés, il présentent le défaut majeur de chauffer et peuvent s’enflammer. Ils sont à proscrire. Destructeurs thermiques : au-dessus de 350◦ C, la demi-vie de l’ozone est réduite a` environ 5 ms. 1. Comme par exemple le lavage de Wafers à l’eau ozonée dans l’industrie microélectronique, o` u l’on veut avoir de l’ozone résiduel dans l’eau pour son effet désinfectant


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Figure 10.14.: Concentration de bactéries en plusieurs points d’une chaˆıne de potabilisation de l’eau [23] :

Destructeurs thermocatalytiques : Il existe des catalytes qui permettent de détruire l’ozone lorsque la température est portée au-dessus de environ 150◦ C. Les destructeurs fonctionnant selon ce principe sont obsolètes depuis l’apparition de catalytes détruisant l’ozone a` température ambiante, mais ils sont pourtant encore fréquemment utilisés et bon marché à à l’achat Destructeurs catalytiques : ce sont aujourd’hui les plus économiques lorsque l’on tient compte des frais de fonctionnement. Ils fonctionnent avec des mélanges d’oxydes métalliques (en général MnO2 et CuO). Ils sont en général chauffés à environ 60◦ C pour prévenir l’accumulation d’eau condensée dans le catalyseur.

10.3.6. Ozone : dimensionnement Le dimensionnement d’un système d’ozonisation est assez simple. De manière analogue au chlore, on a : DT ot = DRes + DCons

(10.7)

Avec :


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Figure 10.15.: Exemple d’installation de destructeur catalytique d’ozone. Photo : ozone.ch.

• DT ot : dosage total • DRes : concentration résiduelle • DCons : Consommation immédiate d’ozone par l’eau [ppm] Il faut impérativement tenir compte de l’efficacité de transfert de masse (ET M ) pour ensuite choisir le générateur d’ozone.

10.3.7. Ozone ` a partir de l’oxyg` ene de l’eau Figure 10.16.: Système MembrelTM de production d’ozone a` partir de l’oxygène de l’eau. Photo : Ozonia.

La production d’ozone directement a` partir de l’oxygène de l’eau est une solution


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10.4. MESURE DE L’OZONE DANS L’AIR

séduisante mais pas économique. Le motif en est l’enthalpie de réaction élevée pour passer de l’eau a` l’ozone : 3H2 O −→ O3 : ∆H = 249 kcal/mol

(10.8)

3 O2 −→ O3 : ∆H = 34 kcal/mol (10.9) 2 Il en résulte une consommation d’énergie très importante pour la production d’ozone : • 10 à 20 kWh/kg d’ozone a` partir de l’oxygène • 20 à 50 kWh/kg d’ozone a` partir de l’air 2 • environ 60 kWh/kg a` partir de l’eau ! On trouve tout de même des appareils produisant l’ozone a` partir de l’oxygène de l’eau dans des installations de l’industrie pharmaceutique. Ceux qui les emploient justifient leur choix avec l’argument que c’est la seule méthode pour s’assurer que des microorganismes ne sont pas introduits dans l’eau a` partir de l’air. L’argument ne survit pas a` une analyse : le gaz que l’on mélange dans l’eau est passé à travers un générateur d’ozone, c’est a` dire dans une zone o` u le gaz est ionisé : aucun micro-organisme ne survit dans cet environnement.

10.4. Mesure de l’ozone dans l’air L’ozone étant un gaz agressif, les appareils de mesure de l’ozone sont relativement coˆ uteux. L’instrumentation d’une installation d’ozonisation peut représenter une part importante de l’investissement total, donc il est important de la choisir en étant informé des options disponibles. Souvent la mesure de l’ozone dans l’air est négligée lors de la conception d’une installation, alors que les conséquences d’une exposition a` des concentrations d’ozone élevées sont importantes (voir page 115). Il existe 4 méthodes couramment employées pour la mesure de l’ozone dans l’air. • • • •

Colorimétrie Sondes électrochimiques Capteurs à semiconducteur Analyseurs d’ozone

10.4.1. Colorim´ etrie Pour la mesure de l’ozone dans l’air, ce type de mesure a pris la forme de tubes contenant un réactif. Il faut faire passer dans le tube un volume d’air spécifié, après quoi l’on peut lire sur une échelle la concentration d’ozone. En pratique, l’on trouve sur le marché des tubes a` utiliser avec des pompes volumétriques manuelles ou électriques. Si l’on utilise déjà une telle pompe pour mesurer d’autres gaz, alors l’investissement pour 2. Fourchette de valeur assez large, car couvre beaucoup de technologies


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pouvoir mesurer aussi l’ozone est faible. Par contre, chaque mesure est chère. D’autres limitations de cette méthode sont : Le manque de pr´ ecision : il est difficile de faire mieux que environ +/- 30% Le temps : une mesure prend quelques minutes. Si la concentration d’ozone a atteint un niveau dangereux, l’opérateur peut déjà avoir souffert des conséquences de la concentration élevée avant d’avoir pu la mesurer La difficult´ e : les opérateurs font souvent des erreurs de manipulation du tube, qui conduisent a` des mesures erronées

10.4.2. Sondes ´ electrochimiques Les sondes électrochimiques contiennent un électrolyte, séparé de l’air par une membrane sélective. Ces détecteurs dominaient le marché de la détection de l’ozone dans l’air ambiant avant l’apparition des capteurs a` semiconducteurs. Ils sont aujourd’hui encore utilisés, bien qu’ils présentent des désavantages importants par rapports aux nouveaux capteurs à semiconducteurs, qui sont aussi plus économiques : Sensibilit´ e` a d’autres gaz : leur principe de fonctionnement fait qu’ils mesurent en fait la concentration de tous les gaz oxydants. En purification de l’eau, le gaz qui pose problème est le chlore. Les détecteurs a` sonde électrochimique sont souvent plus sensibles a chlore que a` l’ozone 3 . N´ ecessit´ e de remplacer le catalyte : Le catalyte peut être sous forme de solution aqueuse (donc liquide) ou de gel. Dans ce dernier cas, il faut en général remplacer la sonde tous les 1 à 2 ans. Une sonde électrochimique a un coˆ ut de l’ordre de 5 a` 10 fois supérieur à celui d’un capteur à semiconducteur. Lorsque le catalyte est une solution aqueuse, ce qui est généralement le cas, le coˆ ut est essentiellement causé par la main d’œuvre nécessaire pour remplacer le catalyte.

10.4.3. Capteurs ` a semiconducteurs Les capteurs a` semiconducteurs utilisent une pièce de matériau semiconducteur dont les caractéristiques électriques (en pratique : la résistance électrique) varient en fonction de la concentration d’ozone dans l’air. Initialement, au début des années 1990, ces détecteurs étaient aussi sensibles aux autres gaz oxydants. Les capteurs actuels sont munis de couches protectrices sélectives qui diminuent cette sensibilité, ce qui les rend aujourd’hui très supérieur aux sondes électrochimiques.

10.4.4. Analyseurs d’ozone Les analyseurs d’ozone mesurent la concentration d’ozone en utilisant la loi de BeerLambert, qui permet de déterminer la concentration d’ozone en fonction de l’absorption de rayonnement ultraviolet sur une distance connue : 3. Autrement dit, la présence de par exemple 0.1 ppm de chlore gazeux dans l’air ambiant donnera une mesure d’ozone supérieure ` a 0.1 ppm, même si il n’y a pas du tout d’ozone dans l’air


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Figure 10.17.: Détecteur d’ozone portable.

Figure 10.18.: Détecteur d’ozone fixe dans armoire de protection.

C=

ln ( lloi ) X ×L

Avec : • • • •

C : Concentration d’ozone lo : Intensité du rayonnement UV avant l’absorption li : Intensité du rayonnement UV après l’absorption X : Constante : coefficient d’absorption de l’ozone


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• L : Longueur sur laquelle il y a absorption L’utilisation de l’absorption de rayonnement ultraviolet présente de nombreux avantages : Pas de consommables : Seule la lampe UV doit être remplacée une fois toute les quelques années Pas d’´ etalonnage : dans l’équation de Beer-Lambert, la seule inconnue est la concentration d’ozone. Dès sa mise en servie l’instrument mesure la concentration d’ozone correctement Pas d’interf´ erences des autres polluants Temps de r´ eponse inf´ erieur ` a une seconde : la réponse immédiate est un avantage important pour les applications concernant la sécurité ou le réglage d’installations Les analyseurs d’ozone ont un seul défaut qui peut en limiter l’utilisation : le prix. Un analyseur d’ozone a un prix d’achat environ 10 a` 12 fois supérieur a` celui d’un détecteur a` capteur a` semiconducteur. Les analyseurs haut de gamme peuvent êtres équipés de systèmes pour la mesure en plusieurs points, ce qui peut réduire la différence de prix avec une mesure par capteur a` semiconducteur a` environ un facteur de 3 à 4. Ce supplément de prix par rapport aux autres systèmes de mesure se comprend aisément : l’appareil est beaucoup plus précis, mais aussi beaucoup plus complexe a` construire. Figure 10.19.: Analyseur d’ozone pour l’air ambiant. Photo : InUSA Corporation.


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Table 10.3.: Les méthodes de mesure de l’ozone dans l’air M´ ethode

Colorim´ etrie

Electrochimie

Capteurs

Absorption U.V.

Investissement

Faible

Moyen

Modéré

Elevé

Coˆ uts maintenance

Elevés

Moyens

Très faibles

Limités

Précision

Env. 30%

Env. 30%

Env. 15%

1 à 2%

Interférences

Elevées

Elevées

Faibles

Inexistantes

10.4.5. Comparaison des m´ ethodes Au vu de cette comparaison, il semble évident que sauf exception, il faut préférer l’utilisation d’analyseurs a` absorption d’U.V. si le budget le permet, et sinon utiliser des capteurs a` semiconducteurs. Les sondes électrochimiques et les tubes ne devraient plus êtres utilisés.

10.4.6. Etude de cas : mesure de l’ozone dans l’air Un distributeur d’eau a continué à utiliser des tubes pour la mesure colorimétrique de l’ozone jusqu’en 2001. Ce distributeur avait plusieurs stations d’ozonisation de l’eau. Chacune était équipée de détecteurs fixes. En cas d’alarme donné par un détecteur fixe, une équipe d’intervention pénétrait dans le bâtiment munie de ”tubes”. Etant donné le temps nécessaire pour réaliser une mesure avec les tubes, les employés du groupe d’intervention revêtaient des respirateurs avant d’entrer dans le bâtiment, et ensuite mesuraient périodiquement la concentration d’ozone En 2001, ce distributeur a équipé ses équipes d’intervention de détecteurs portables du type illustré à la figure 10.17. Le prix d’achat de ces détecteurs a été amorti en quelques semaines, car ils ont permis des économies a` deux niveau : Gains de temps : L’équipe d’intervention ne doit plus revêtir les respirateurs avant d’entrer dans le bâtiment : les interventions étant plus rapide, les pertes de production dues à des fuites d’ozone sont plus faibles et les coˆ uts de main d’œuvre sont réduits puisque l’équipe peut travailler plus vite. Economies de tubes : chaque mesure avec les tubes coˆ ute. Ces coˆ uts ont bien sˆ ur disparu lors de la mise en service des détecteurs à capteur à semiconducteurs En outre, bien sˆ ur, la satisfaction au travail du personnel des équipes d’intervention s’est améliorée, puisque le port de respirateurs est très déplaisant.


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10.5. MESURE DE L’OZONE DANS L’EAU


10.5. Mesure de l’ozone dans l’eau 10.5.1. M´ ethodes disponibles Pour la mesure de l’ozone dans l’eau, les méthodes à disposition sont : • • • • •

Colorimétrie Mesure du potentiel Rédox Sonde électrochimique Capteurs à semiconducteurs Analyseurs d’ozone (absorption d’U.V.)

10.5.2. Colorim´ etrie La méthodes est connue sous le nom de méthode indigo et a été développée en Suisse (EAWAG). En pratique, l’on utilise des kits disponibles auprès des fournisseurs de matériel de laboratoire. Le résultat est obtenu soit par un photomètre, soit en comparant la couleur de la solution avec des couleurs de référence sur un disque. La méthode est précise, et sert de référence aux autres méthodes de mesure. Par contre, elle n’est pas simple à mettre en œuvre pour des personnes qui n’ont pas une formation de laborantin ou de chimiste. L’utilisation de la méthode par comparaison visuelle des couleurs est aussi limitée par la qualité de la vue de l’opérateur et donc inutilisable par environ 20% de la population. En outre les mesures sont assez coˆ uteuse, puisque l’on consomme du réactif.

10.5.3. Mesure du potentiel R´ edox L’ozone étant un oxydant puissant, le potentiel Rédox de l’eau varie en fonction de la concentration de celui-ci. Comme il existe sur le marché un grand choix d’appareils de mesure du potentiel rédox, il est envisageable de les utiliser pour la mesure de l’ozone. Le défaut principal de la méthodes est que des variations de la qualité de l’eau faussent la mesure : la méthode n’est donc applicable que si la qualité de l’eau reste constante. En outre, à la mise en servie de l’installation il fut étalonner la mesure rédox : en pratique, il faut procéder a` une série de mesures avec une autre méthode (analyseur ou colorimétrie, par exemple) pour tracer une courbe donnant la concentration d’ozone en fonction du potentiel rédox pour l’eau que l’on traite.

10.5.4. Sondes ´ electrochimiques Les sondes électrochimiques contiennent un électrolyte, séparé de l’eau par une membrane sélective. L’on mesure un courant électrique entre deux électrodes placées de part et d’autre de la membrane. La mesure est beaucoup plus précise que avec une sonde Rédox, mais la durée de vie de la membrane est limitée, et en général la plage de mesure de ces sondes est limitée.


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10.5.5. Capteurs ` a semiconducteurs Un premier détecteur d’ozone dissous utilisant un capteur a` semiconducteur pour la mesure de l’ozone dissous est arrivé sur le marché fin 2001. Cet appareil ne permet de mesurer que l’ozone contenu dans un échantillon et ne permet pas des mesures en ligne [27]. Figure 10.20.: Détecteur d’ozone dissous à capteur à semiconducteur.

10.5.6. Analyseurs d’ozone Les analyseurs d’ozone utilisent l’absorption du rayonnement U.V. selon la loi de BeerLambert, expliquée a` la page 96, pour mesurer la concentration d’ozone dans l’eau. Il existe deux type d’analyseurs pour la mesure de l’ozone dissous dans l’eau : Analyseurs ` a mesure directe dans l’eau : Un tel analyseur est visible sur la figure 10.22. Dans ces appareils, un rayon U.V. traverse une longueur connue d’eau contenant de l’ozone. L’absorption du rayonnement U.V. donne la concentration d’ozone. Analyseurs utilisant la loi de Henry : ces analyseurs utilisent une colonne de dégazage pour extraire l’ozone de l’eau. La concentration d’ozone est mesurée dans l’air, et on en déduit la concentration d’ozone dans l’eau par la loi de Henry (voir paragraphe 10.3.2). Le principe de fonctionnement d’un tel analyseur est visible sur la figure 10.21. L’avantage des analyseurs utilisant la loi de Henry est qu’ils peuvent être utilisé aussi si l’eau est sale, alors que les appareils a` mesure directe dans l’eau sont en principe réservés a` des applications sur de l’eau déjà traitée.


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Figure 10.21.: Principe de fonctionnement d’un analyseur d’ozone utilisant la loi de Henry. Dessin : InUSA Corporation.

Figure 10.22.: Analyseur d’ozone a` mesure directe dans l’eau. Le capteur, à travers lequel l’eau passe, est a` droite sur la photo. Photo : InUSA Corporation.


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11. S´ election d’une m´ ethode de d´ esinfection 11.1. Crit` eres de s´ election de la m´ ethode de d´ esinfection On choisit un type de désinfection en tenant compte de plusieurs critères :

11.1.1. D´ ebit de l’installation Pour de petites installations, l’investissement nécessaire pour la chloration ou l’ozonisation rend ces méthodes peu rentables. De plus, chloration et ozonisation nécessitent des connaissances techniques car on travaille avec des produits dangereux. On choisira donc, pour des petites installations de préférence la stérilisation U.V., qui est simple a` mettre en œuvre et économique. La microfiltration est économique pour les très petits débits. Ils conviennent pour un usage irrégulier. La microfiltration peut être combinée a` la stérilisation U.V..

11.1.2. Micro-organismes ` a´ eliminer L’ozone est un oxydant puissant qui possède la plus large gamme d’application. Il possède une forte activité virulicide. De plus, il est aussi efficace contre les protozoaires, contrairement aux composés chlorés. Les U.V. sont très efficaces mais certaines algues et moisissures nécessitent des doses d’exposition très importantes. La microfiltration est inefficace contre les virus, car leur taille est plus petite que les pores du filtre.

11.1.3. Caract´ eristiques de l’eau en sortie La microfiltration et la stérilisation U.V. n’ajoutent aucun élément extérieur à l’eau. Dans le cas des U.V., les produits issus de la lyse des bactéries changent légèrement la composition de l’eau. L’ozone ajouté a` l’eau change temporairement ses caractéristiques mais il se décompose peu a` peu en oxygène moléculaire. Le chlore laisse des dérivés dans l’eau, dont certains présentent un toxicité que l’on connaˆıt encore mal.

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´ ´ ´ 11.2. QUELQUES CHAPITRE EXEMPLES 11. SELECTION D’UNE METHODE DE DESINFECTION

11.1.4. Intervalle entre traitement et consommation Lorsque l’eau est traitée au niveau du consommateur, toutes les méthodes sont applicables. Si l’eau doit par contre attendre avant d’être consommée (réseau de distribution ou réservoir), il faut que l’eau reste potable durant un certain temps. Dans ce cas, il faut éviter d’utiliser les U.V. car les bactéries peuvent redevenir actives dans certaines conditions, même sans contamination extérieure. L’ozone et la microfiltration sont utilisables, pour autant qu’il n’y ait pas de contamination après traitement. Le chlore possède un effet rémanent qui garantit une désinfection dans le réseau, jusqu’au point de consommation. C’est pourquoi le chlore est employé dans pratiquement tous les réseaux de distribution d’eau potable.

11.2. Quelques exemples 11.2.1. Un syst` eme d’ozonisation compact et performant pour d´ ebits ` a partir de 1 m3 /h L’ozone est produit a` l’état gazeux à partir d’air ou d’oxygène. Il faut ensuite le dissoudre dans l’eau, ce qui se fait traditionnellement en injectant des bulles dans le fond d’un bassin. Ce système est peu efficace et nécessite beaucoup de place. Il existe actuellement des systèmes beaucoup plus petites et performants. Un système complet d’ozonisation GDT tient par exemple sur une surface de 60 × 60 cm. Il est composé d’une pompe, d’un injecteur Venturi, d’un réacteur, et du séparateur cyclon. Il permet de dissoudre un grande quantité d’ozone dans l’eau en utilisant un minimum de place. La pression régnant dans le réacteur permet d’augmenter le transfert de l’ozone dans l’eau, par rapport à un système traditionnel qui fonctionne à pression atmosphérique. Il est ainsi possible de produire de l’eau avec une grande concentration d’ozone, qui peut servir à désinfecter des canalisations, à nettoyer et désinfecter des denrées alimentaires.

11.2.2. Une unit´ e de potabilisation pour maison sans raccordement au r´ eseau d’eau potable Le système idéal consiste à associer un filtre combiné particulaire (5 µm), qui élimine les particules de l’eau. On ajoute aussi un filtre a` charbon actif , qui permet d’éliminer de l’eau les matières organiques responsables du mauvais goˆ ut et des odeurs, Ensuite, on prévoit un stérilisateur U.V., qui élimine virus, bactéries et champignons. On obtient ainsi un petite unité complète, avantageuse et simple d’utilisation qui garantit une eau de bonne qualité au consommateur. Il est ainsi possible de potabiliser une eau de citerne, dans les endroits qui ne sont pas relié au réseau d’eau potable. Les eaux de citerne contiennent fréquemment des poussières, des bactéries fécales, des matières organiques, issus du passage de l’eau de pluie sur le toit et les chenaux.


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´ ´ ´ QUELQUES EXEMPLES CHAPITRE 11. SELECTION D’UNE METHODE DE 11.2. DESINFECTION

Figure 11.1.: Système compact d’ozonisation de l’eau.

Figure 11.2.: Système de potabilisation d’eau de pluie pour maison isolée.


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´ ´ ´ 11.2. QUELQUES CHAPITRE EXEMPLES 11. SELECTION D’UNE METHODE DE DESINFECTION

11.2.3. Un point d’eau potable dans un endroit qui n’est pas reli´ e au r´ eseau ´ electrique En associant des filtres successifs, on obtient un petit système de potabilisation qui nécessite peu d’investissement. On prévoit un filtre particulaire (5 µm), un filtre à charbon actif, et finalement un microfiltre en céramique (0.2 µm) pour éliminer les bactéries de l’eau.

11.2.4. Installation de chloration de l’eau Le chlore est principalement utilisé pour traiter l’eau potable municipale. Ces qualités de rémanence en font une très bonne solution lorsque l’eau est acheminé dans un système de distribution, o` u il existe des sources de contamination. En prévoyant une dose de chlore assez grande, on garantit une eau de qualité jusque chez le consommateur. En prévoyant une désinfection initiale par l’ozone ou les U.V, puis en ajoutant une petite dose de chlore pour protéger l’eau dans le réseau de distribution, on arrive a` diminuer les désavantages liés au chlore (mauvais goˆ ut, présence de dérivés chlorés).

11.2.5. Eau ultrapure, micro-´ electronique L’eau ultrapure est bactériologiquement instable. Il faut donc impérativement la stériliser. De plus, les bactéries ont une taille suffisamment importante pour causer des taches sur les Wafers. Pour l’eau ultrapure, l’on place donc généralement sur la boucle de distribution un stérilisateur U.V. suivi d’un microfiltre a` 0.2 µm. En outre, l’on procède a` des stérilisations périodiques avec de l’eau ozonée. Souvent, l’on ajoute en plus une stérilisation au point d’utilisation par ultrafiltration ou microfiltration.


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12. Les biofilms 12.1. Importance des biofilms Plus de 99% des bactéries présentes dans un systèmes de distribution d’eau sont dans des biofilms et ne flottent pas librement dans l’eau. Quand on fait un analyse bactériologique de l’eau d’eau, on détecte que du moins de 1% des bactéries présentes dans la conduite ou le système. Ces bactéries peuvent provenir de relargages du biofilm.

12.2. Qu’est-ce qu’un biofilm ? On imagine en général les biofilms comme étant un simple entassement de bactéries sur une surface. En fait, il s’agit de structures complexes dans lesquelles les micro-organismes sont intégrés, et qui les protègent de la pénétration de désinfectants [20]. Figure 12.1.: Un biofilm. Le biofilm est formé de micro-organismes, mais aussi par un réseau de polymères extra-cellulaires [20].

12.3. Les facteurs influen¸cant la formation et le d´ eveloppement des biofilm 12.3.1. Temps Les biofilms peuvent se former très rapidement. Des expériences ont montré que des bactéries communes dans l’eau comme les pseudomonas aeruginosa peuvent adhérer a`

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ˆ 12.4. CONTROLE DES BIOFILMS

CHAPITRE 12. LES BIOFILMS

une surface d’acier inoxydable électropolie au bout de 30 secondes [20]. Toutefois, les temps typiques de formation de biofilms sont plutôt de l’ordre de quelques heures a` quelques semaines. On en déduit qu’il est nécessaire de mettre en place les barrières antibactériennes dès la mise en service d’une installation. Il est illusoire de penser que l’on peut mettre en eau un système en espérant que au cours de quelques heures il n’y aura pas assez de passage de bactéries pour qu’un biofilm se forme.

12.3.2. Vitesse d’´ ecoulement Même si l’écoulement est turbulent, il y a toujours une sous-couche laminaire dans la couche limite de l’écoulement, sous-couche dont l’épaisseur varie de quelques dizaines a` quelques centaines de microns. Un rin¸cage n’élimine pas le biofilm dans cette épaisseur. L’épaisseur de la sous-couche limite est en principe l’épaisseur maximum d’un biofilm classique (formé essentiellement de bactéries). Les couches d’algues peuvent par contre atteindre des épaisseurs de plusieurs dizaines de cm. Il n’est pas inhabituel, en Suisse, o` u une part importante de l’eau provient des lacs, de trouver des conduites de distribution d’eau déminéralisée ou ultrapure complètement obstruées par les algues. Si l’écoulement dans une conduite est laminaire, rien n’empêche aussi un biofilm classique d’occuper à terme l’ensemble de la section d’une conduite. Il faut donc impérativement dimensionner les réseaux de distribution d’eau ultrapure sur la base d’un écoulement turbulent. En première approximation, on planifie le système en prévoyant une vitesse d’écoulement de à 1.7 à 2.3 m/s.

12.3.3. Espaces morts Souvent l’on trouve des boucles de distribution avec une vitesse d’écoulement élevées, mais des espaces morts : des Tés, des brusques changements de diamètre, etc. Il est évident que ce genre d’espaces sans écoulement turbulent seront le lieux o` u se développeront des biofilms.

12.3.4. Barri` eres antibact´ eriennes Il est clair que le biofilm ne peut commencer a` se développer que si des bactéries arrivent dans le système. La présence d’une barrière antibactérienne comme un osmoseur, ou un stérilisateur U.V. peut fortement retarder l’apparition, puis le développement du biofilm. Les réseaux d’eau déminéralisée alimentés par de l’eau déminéralisée uniquement par échange d’ions ne sont pas munis de barrière contre les bactéries : le développement de biofilms est donc favorisé.

12.4. Contrˆ ole des biofilms La figure ?? montre que la vitesse de pénétration du chlore dans un biofilm est lente : dans l’expérience a` laquelle cette image se réfère, le chlore avait pénétré seulement de


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´ 12.5. DESINFECTION D’INSTALLATIONS LORS DE L’INSTALLATION D’UN ´ CHAPITRE 12. LES BIOFILMS STERILISATEUR U.V 100 µm à l’intérieur du biofilm. ces expériences confirment ce qui avait été observé dans la pratique : la destruction de biofilms avec du chlore (en pratique de l’eau de javel) prend au moins 8 heures, et généralement plus. C’est ce qui se pratique lors de l’installation de stérilisateurs U.V. comme barrières contre les Légionelles. Il semble aussi, d’après l’état actuel des connaissances, le temps de contact a plus d’importance pour la destruction de biofilms que la concentration, et les temps de contact doivent être très longs.

Figure 12.2.: Contrôle de biofilms [20]

Le processus de destruction de biofilm devrait être beaucoup plus rapide avec l’ozone : cela semble logique, puisque les temps de contact pour la désinfection de l’eau sont aussi beaucoup plus courts avec l’ozone. Cette observation est confirmée par la pratique industrielle, mais doit être confirmée par la recherche.

12.5. D´ esinfection d’installations lors de l’installation d’un st´ erilisateur U.V La procédure de désinfection ci-dessous est tiré de [33]. Elle n’est pas démontrée scientifiquement, c’est à dire qu’elle ne s’appuie pas sur une recherche systématique avec analyses des biofilms, mais est basée sur des expériences pratiques et sur la littérature publiée concernant les biofilms. On ne peut pas surestimer l’importance du temps de contact, autrement du temps de résidence de l’eau chlorée dans les conduites.


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´ 12.5. DESINFECTION D’INSTALLATIONS LORS DE L’INSTALLATION D’UN ´ STERILISATEUR U.V CHAPITRE 12. LES BIOFILMS Proc´ edure ` a suivre Si une installation est désinfectée pour la première fois, et a 10 ans ou plus, l’on conseille de répéter l’opération après environ 48 heures. Il est possible, dans des cas rares et surtout dans les installations anciennes, que après la désinfection une odeur désagréable persiste dans l’eau pendant quelques jours a` environ 2 semaines. Cette odeur n’est pas dangereuse pour la santé. 1. Eteindre le stérilisateur U.V. 2. Fermer la vanne du corps de l’un des préfiltres (ou du préfiltre). 3. Ouvrir le (ou un) préfiltre. Enlever la cartouche. Remplir la coupe d’eau de javel puis la remonter et ouvrir la vanne du préfiltre 1 4. Faire couler de l’eau à chaque robinet et douche jusqu’à ce que l’odeur de chlore soit perceptible a` chaque robinet. Répéter les points 2 et 3 si nécessaire, jusqu’à environ 4-5 fois. 5. Laisser reposer 10 heures (minimum 8 heures) sans consommer d’eau 2 6. Remonter la cartouche filtrante (fermer la vanne du corps de filtre, ouvrir le corps de filtre, insérer la cartouche filtrante, refermer le corps de filtre, ouvrir la vanne du corps de filtre 7. Remettre en marche le stérilisateur U.V. 8. Rincer l’installation (ouvrir les robinets) jusqu’à ce que l’odeur de chlore disparaisse L’eau est maintenant potable.

12.5.1. Un cas particulier : les boucles de distribution d’eau ultrapure Les boucles de distributions habituellement employées dans l’industrie pharmaceutique et en microélectronique constituent un cas particulier car d’une part la qualité d’eau requise interdit l’utilisation du chlore et d’autre part les exigence en matière de microbiologie sont particulièrement élevées. D’après les paragraphes précédents, il apparaˆıt qu’il est pratiquement impossible de se débarrasser complètement des biofilms dans les conduites. On peut tout de même réduire fortement leur relargage des bactéries, donc réduire leur étendue, leur volume, leur épaisseur, avec des mesures pratiques. Il n’y a pas de normes particulières pour les boucles de distribution d’eau ultrapure. Les directives suivantes sont utilisables en pratique [32] : 1. Cette procédure est citée telle quelle de [33]. Elle aboutit à un surdosage de chlore, ce qui n’est généralement pas un problème pour les petites installations. Pour une grande installation (plusieurs m3 de conduites), il est bien sˆ ur préférable d’utiliser une pompe à injection pour doser le chlore 2. Certains recommandent plutˆ ot 24 à 48 heures


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12.6. BIOFILMS ET CORROSION

Fr´ equence : Il est habituel de désinfecter les boucles de distribution d’eau ultrapure au moins une fois par an avec de l’eau oxygénée ou de l’ozone, et plus souvent si des bactéries sont détectées dans l’eau. Le chlore n’est pratiquement plus employé, essentiellement en raison de son pouvoir désinfectant trop faible face aux biofilms, et de ses produits dérivés. Quel que soit le produit utilisé, il faut purger la boucle après désinfection. Concentrations et dur´ ees : Avec l’eau oxygénée, il est usuel d’utiliser des concentrations très élevées, de l’ordre de 5%, et de faire circuler l’eau contenant le peroxyde d’hydrogène pendant 12 heures. Il faut donc diluer d’un facteur 6 l’eau oxygénée commerciale L’ozone étant un désinfectant beaucoup plus puissant, il est usuel d’utiliser une concentration entre 0.4 et 2.0 ppm, et de faire circuler l’eau ozonée pendant 2 à 6 heures Il faut impérativement vérifier que les matériaux des conduites de votre boucle sont résistants au désinfectant que vous voulez employer. Un problème fréquent est celui posé par l’ABS : les fournisseurs de systèmes de tuyauteries et les installateurs sanitaires tendent a` promouvoir l’ABS comme alternative au PVC. L’ABS présente l’avantage d’une plus grande résistance aux chocs, et l’avantage théorique 3 de ne pas dégager du chlore en cas d’incendie, mais il n’est pas résistant a` l’ozone. Choisir l’ABS, c’est donc renoncer au plus puissant des moyens de contrôle des biofilms. Mat´ eriel ` a utiliser Eau oxyg´ en´ ee : en général on peut employer le réservoir-tampon de la boucle pour préparer la solution. Si ce n’est pas le cas, ou si l’on ne veut désinfecter que une partie de la boucle, utiliser une unité de désincrustation Ozone : Utilisez une unité de production d’eau ozonée mobile ou fixe Pr´ ecautions ` a prendre : Prévoir des by-pass pour tout élément de la boucle ne supportant pas le désinfectant employé. Les résines échangeuses d’ions doivent toujours être by-passées.

12.6. Biofilms et corrosion La figure 12.3 montre comment le biofilm, grâce a` la diversité des bactéries qu’il contient, peut constituer une véritable pile électrochimique et causer la corrosion de conduites. L’augmentation de la rugosité des conduites par la corrosion aboutit à des 3. Avantage purement théorique, parce que en pratique l’on trouve des matériaux en plastiques contenant du chlore dans les constructions dans des éléments tels que isolations, cadres de fenêtres, etc. qui représentent des quantités de plastique généralement beaucoup plus importantes que l’ensemble des conduites d’eau


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12.6. BIOFILMS ET CORROSION


couches limites laminaires plus épaisses, ce qui favorise encore la croissance des biofilms. L’utilisation de conduites en matériaux autres que plastiques ou acier inoxydable est donc à proscrire. Figure 12.3.: La corrosion favorisée par les biofilms. Principe [20].


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13. L’eau ozon´ ee 13.1. Pourquoi l’eau ozon´ ee ? L’eau ozonée est un désinfectant trop peu connu, mais qui gagne en popularité dans l’industrie depuis quelques années. Les motifs de ces gains en popularité sont essentiellement : La possibilit´ e technique donn´ ee par les g´ en´ erateurs ` a haute concentration La recherche de substituts du chlore , le chlore restant un produit dangereux à stocker et à manipuler

Avantages : Les avantages de l’ozone comme substitut du chlore ont étés discutés au chapitre 10. • Désinfectant puissant • Ne laisse pas de résidus • Pas de stockage Lorsque l’on parle d’eau ozonée, l’on parle de concentrations d’ozone beaucoup plus élevées que lors d’applications de désinfection de l’eau : alors que pour la désinfection de l’eau on emploie des dosages pouvant atteindre dosage 2 à 3 g/m3 , on parle d’eau ozonée pour des concentrations d’ozone de l’ordre de 10 à 15 g/m3 , voire 20 g/m3 . L’eau ozonée est un désinfectant puissant, produit sur place à coˆ ut réduit, et, étant donné que l’ozone est instable, elle ne pose pas de problèmes pour son élimination après utilisation. Elle est donc la solution pour toutes les situations o` u l’on veut désinfecter sans laisser de traces.

13.2. Applications Ozonisation de l’eau Flux partiel : on utilise une partie de l’eau pour produire un désinfectant qu’on mélange avec le reste de l’eau Lavage de pi` eces m´ etalliques Lavage de Wafers : en microélectronique : important car une bactérie est une particule Lavage de r´ eservoirs, conduites : contrôle des biofilms (voir page 107)

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´ ´ LORS DE L’EMPLOI D’EAU OZON ´ ´ 13.3. SECURIT E CHAPITRE EE 13. L’EAU OZONEE Lavage de bouteilles, fˆ uts, murs et sols de caves : ces applications gagnent de l’importance dans l’industrie du vin, qui a pouratnt une réputation de conservatisme. Ceux qui visitent les caveaux à Napa, en Californie, sont généralement surpris ne ne pas voir de champignons sur les murs des caves, caves o` u l’on ne sent pas du tout l’odeur caractétistiques de ces pièces humides en sous-sol : le motif en est que a` Napa l’utilisation de l’eau ozonée pour le nettoyage des caves s’est généralisé déjà à la fin des annéess 1990. Les résultats sont des caves plus propres, et des économies importantes, en particulier au niveau des fˆ uts : avant l’introduction de l’eau ozonée, l’on jetait 1/4 a` 1/3 des fˆ uts chaque annéee : on peut désormais en sauver le 100% grâce au lavage avec l’eau ozonée Lavage de l´ egumes, fruits, poissons Production de glace ozon´ ee employée pour la conservation d’aliments Figure 13.1.: Système portable de production d’eau ozonée :

13.3. S´ ecurit´ e lors de l’emploi d’eau ozon´ ee 13.3.1. Probl` emes sp´ ecifiques ` a l’utilisation d’eau ozon´ ee Par rapport à une installation classique d’ozonisation de l’eau, une installation de production d’eau ozone pose des problèmes spécifiques : • Il y a inévitablement des personnes à proximité de l’eau ozonée. • On utilise des concentrations d’ozone élevées. Les effets de l’ozone sur l’organisme humain sont décrits dans la section suivante.


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´ SECURIT ´ ´ LORS DE L’EMPLOI D’EAU OZONEE ´ CHAPITRE 13. L’EAU OZON 13.3.EE E

Figure 13.2.: Système pour refroidissement a` l’eau (Hydrocooling) de viande de poulet, avec eau ozonée. Image : GDT Corporation.

13.3.2. Effets de l’ozone L’ozone est moins dangereux que le chlore, puisque on ne le stocke pas. Il reste néanmoins un gaz irritant et toxique, donc il faut être conscient des risques d’une exposition à l’ozone. Ceux-ci sont décrits dans le tableau 13.3.2.

13.3.3. Les mesures de pr´ ecaution Pour utiliser l’eau ozonée sans danger, il faut prendre des précautions : Mat´ eriaux r´ esistants ` a l’ozone : cet aspect semble évident, mais est souvent négligé. Il est critique surtout pour la phase gazeuse 1 D´ etecteur d’ozone contrˆ olant l’air en continu : de tels détecteurs sont aujourd’hui 2 bon marché 1. Voir page 82 pour une liste de matériaux résistants à l’ozone 2. L’on recontre souvent des installations industrielles sans détecteurs d’ozone surveillant l’air am-


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´ ´ LORS DE L’EMPLOI D’EAU OZON ´ ´ 13.3. SECURIT E CHAPITRE EE 13. L’EAU OZONEE

Table 13.1.: Effets de l’ozone sur la santé humaine Concentration

Effet

0.01 à 0.04 ppm

Odeur

en-dessous de 0.05 ppm

Aucun danger (consensus)

0.1 ppm

Légères irritations

plus de 0.1 ppm, exposition prolongée Maux de tête, fonction pulmonaire affectée si activité physique (réversible) < 0.6 ppm, 2 heures

Fonction pulmonaire affectée

1.5 ppm, 2 heures

Toux sèche, douleurs dans la cage thoracique

9 ppm, intermittent

Faculté de discernement affectée

dès 10 ppm

Pneumonie grave, danger de mort, perte de conscience dès env. 15 min.

Transfert de masse efficace : avec un système Venturi-Réacteur-Cyclon, l’on dissous facilement plus de 95% d’ozone. Il ne faut donc pas accepter des systèmes avec des efficacités de transfert de masse plus faible. S´ eparation des phases avant utilisation : si l’on ne fait pas cette séparation, l’on aura des bulles de gaz au niveau du bac ou de l’appareil de lavage. Cela posera des problèmes de sécurité pour le personnel. Bulles d’ozone dans l’eau et humains sont tout simplement incompatibles. Dans les contacteurs municipaux, personne n’est a` côté du bassin, l’on peut donc avoir des bulles d’ozone dans l’eau. Lorsque l’on produit de l’eau ozonée pour le lavage, il est essentiel de prévoir un cyclon pour l’extraction des bulles de gaz Contrˆ ole de la phase gazeuse : le gaz contenant l’ozone résiduel doit être conduit a` travers un destructeur catalytique d’ozone résiduel Destruction de l’ozone r´ esiduel en phase liquide : impératif, sinon on détruit les conduites d’eau usée, qui en général ne sont pas résistantes à l’ozone. Cette destruction peut se faire avec un simple filtre au charbon actif. Sortie azote du concentrateur d’oxyg` ene dans la mˆ eme pi` ece : une erreur aussi classique que dangereuse consiste à placer le concentrateur d’oxygène dans une pièce séparée de celle o` u a lieu le lavage. Avec le temps, la concentration d’oxygène dans biant : le fait qu’une entreprise ou une collectivité préfère mettre en danger la vie de ces collaborateurs qu’investir une somme de l’ordre du millier de francs suisses pour les protéger est d’autant plus difficile a comprendre que le prix de tels détecteurs ne représente qu’un pourcentage faible de l’investissement ` total.


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´ SECURIT ´ ´ LORS DE L’EMPLOI D’EAU OZONEE ´ CHAPITRE 13. L’EAU OZON 13.3.EE E l’air augmente dans le local de lavage. Cela augmente le risque d’incendie, et peut causer des symptômes semblables à l’ivresse chez les opérateurs A´ eration appropri´ ee de la pi` ece : c’est à dire avec une sortie en bas, puisque l’ozone est plus lourd que l’air.


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14. La distillation 14.1. Applications La distillation de l’eau est une très vieille méthode de traitement de l’eau, qui remonte a` l’antiquité. De nos jours, elle est de moins en moins utilisée, essentiellement pour pour des raisons de coˆ ut. La consommation électrique est élevée, ce qui signifie que les coˆ uts de fonctionnement sont très élevés. Et l’investissement est important pour les installations de taille significative. Aujourd’hui, cette méthode n’est plus utilisée que dans l’industrie pharmaceutique et les laboratoires. La distillation reste la méthode pour la production des injectables : les normes européennes exigent que lors de la production d’eau pour injectables la dernière étape de traitement soit la distillation. Hors industrie pharmaceutique, l’on trouve des distillateurs dans les laboratoires : un petit distillateur alimenté en eau potable représente un investissement limité — moins de 5’000.00 Francs suisses en général . La maintenance de ces appareil est simple, ce qui fait qu’ils sont intéressants si l’on consomme peu d’eau.

14.2. Principe de fonctionnement Le principe de fonctionnement de la distillation est très simple : l’on fait évaporer l’eau, puis on la condense. L’eau est en même temps déminéralisée et désinfectée. Généralement les distillateurs sont des appareils assez fragiles, employés pratiquement uniquement en laboratoire et dans l’industrie pharmaceutique.

14.3. Qualit´ e de l’eau distill´ ee Souvent l’on imagine que l’eau distillée représente le nec plus ultra de l’eau purifiée. Cela n’est pas le cas. Une série de facteurs influencent la qualité de l’eau distillée : Chicanes, ´ el´ ements de coalescence : ces éléments permettent de réduire la quantité de gouttelettes entraˆınées avec la vapeur. Les distillateurs ne donnent pas tous la même qualité d’eau. La vitesse verticale de la vapeur est déterminante pour la qualité de l’eau produite : une vitesse basse réduit la quantité de particules et autres impuretés entraˆınées par la vapeur, ce qui permet d’obtenir de l’eau de meilleure qualité.

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´ DE L’EAU DISTILLEE ´ 14.3. QUALITE

CHAPITRE 14. LA DISTILLATION

Figure 14.1.: Schéma de principe d’un distillateur [9]

Mat´ eriaux de construction : les verre est employé pour les distillateur en laboratoire laboratoire. La production d’eau pour injectables présuppose l’emploi d’acier inoxydable. La distillation est populaire dans l’industrie pharmaceutique car elle reste le meilleur moyen d’éliminer les pyrogènes.

Qualit´ es d’eau atteignables Eau d’alimentation Vitesse R´ esistivit´ e distillat (MΩ/cm) Potable Basse 0.5 a` 1.0 Potable Elevée A éviter Déminéralisée Basse 4 a` 18.3 Déminéralisée Elevée 2 a` 18.3


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´ ´ DISTILLATION 14.4. SOLUTIONS POUR REDUIRE LA CONSOMMATION CHAPITRE 14.D’ENERGIE LA Les distillateurs à basse vitesse permettent d’obtenir l’eau distillée sans déminéraliser avant. La qualité de l’eau produite n’atteint pas forcément les 18 MΩ/cm (max théorique 18.3 MΩ/cm) requis par l’industrie microélectronique.

14.4. Solutions pour r´ eduire la consommation d’´ energie Il y a deux technologies pour réduire la consommation d’énergie des distillateurs : • La thermo-compression • L’utilisation d’effets multiples

14.4.1. Effets multiples L’énerge consommée par un distillateur diminue lorsque le nombre d’effets augmente selon l’équation suivante : Energie =

K N

(14.1)

Dans laquelle : • L’Energie : souvent donnée en kg de vapeur par kg de condensat • K est une constante qui dépend du distillateur, dont la valeur est de l’ordre de 1.1 a` 1.2. • N est nombre d’effets du distillateur Economie d’´ energie : ´ Nombre d’effets Energie 1 100% 2 55% 3 39% 4 32%

14.4.2. Thermocompression Cette méthode n’est économique que pour de très grands débits. Les systèmes de distillation d’eau de mer utilisent généralement la thermocompression. Nous ne l’étudierons donc pas en détail ici.


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CHAPITRE 14. LA DISTILLATION

14.5. LIMITES DE LA DISTILLATION

Figure 14.2.: Principe de la thermocompression [2]

14.5. Limites de la distillation L’eau pure étant très corrosive, le choix de matériaux de construction est limité. En pratique, l’on trouve des distillateurs en acier inoxydable et en titane. Dans l’industrie pharmaceutique, o` u le souci primordial est la croissance des bactéries, l’on emploie l’acier inoxydable. La nécessité d’employer du métal limite l’emploi de la distillation. En effet, il est impossible de produire de l’eau destinée a` l’industrie microélectronique en utilisant des appareils en métal. Il faudrait utiliser du plastique inerte come le Téflon, ce qui en pratique n’est pas possible. Cela explique que l’on n’utilise pas la distillation en microélectronique.


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15. Proc´ ed´ es par ´ echange d’ions

15.1. Introduction ` a l’´ echange d’ion Le terme échange d’ions regroupe un ensemble de technologie assez diverses, qui ont pour point commun d’utiliser des résines qui ont la propriété d’avoir des adhésions préférentielles connues : un ion adhère plus ou moins a` la résine : cette propriété permet de construire des systèmes o` u l’on échange des ions contre d’autres de manière ciblée afin de changer la propriété de l’eau. Les ions que l’on veut relarguer dans l’eau sont apportés a` la résine lors de la régénération de celle-ci. Selon la résine et le produit régénérant choisi, l’on obtient des systèmes aux propriétés différentes : Les adoucisseurs permettent d’enlever le calcium et le magnésium de l’eau Les ´ echangeurs d’ions proprement dits permettent de remplacer les ions présent dans l’eau avec des ions H+ et OH− , ce qui permet de déminéraliser l’eau.

Adh´ esion pr´ ef´ erentielle ` a la r´ esine ´ echangeuse d’ions : Cations

Anions

Fer

Fe3+

Phosphate

PO3− 4

Aluminium

Al+ 3

Sulfate

SO2− 4

Calcium

Ca2+ Nitrate

NO− 3

Magnésium

Mg2+

Nitrite

NO− 2

Potassium

K+

Chlorure

Cl−

Sodium

Na+

Bicarbonate

HCO− 3

Protons

H+

Silice

SiO2

Hydroxyde

OH−

Les ions au début de chaque liste adhèrent le plus a` la résine. C’est cette adhésion préférentielle qui permet aux échangeurs d’ions de déminéraliser l’eau.

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´ ES ´ PAR ECHANGE ´ CHAPITRE 15. PROCED D’IONS 15.2. ADOUCISSEURS D’EAU

15.2. Adoucisseurs d’eau Equations fondamentales Adoucissement 2RNa + MgSO4 → R2 Mg + Na2 SO4

(15.1)

2RNa + Ca(HCO3 )2 → R2 Ca + 2NaHCO3

(15.2)

R´ eg´ en´ eration De l’eau salée (saumure) est amenée au contact de la résine échangeuse d’ions : R2Ca + 2NaCl → 2RNa + CaCl2

(15.3)

C’est la vanne multivoies (ou tête) de l’adoucisseur qui se charge des régénérations périodiques de la résine en aspirant de la saumure.

15.3. D´ emin´ eralisation par ´ echange d’ions 15.3.1. Equations fondamentales Pour déminéraliser l’eau, les échangeurs d’ions emploient 2 types de résine : anionique et cationique. Cations D´ emin´ eralisation : la neutralité électrique doit être respectée : les cations (+ ) sont remplacés par des ions hydrogène, alors que les anions (− ) remplacés par des ions hydroxyde. Les ions hydrogène et hydroxyde réagissent et donnent de l’eau. Dans la première étape de la déminéralisation, les cations sont remplacés par des ions hydrogène : le pH de l’eau baisse. RH + NaCl → RNa + HCl

(15.4)

2RH + CaSO4 → R2Ca + H2SO4

(15.5)

R´ eg´ en´ eration : se fait avec de l’acide : 2X + H2 SO4 → 2RH + X2 SO4


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(15.6)

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´ ´ ´ ´ ES ´ PAR ECHANGE ´ 15.3. DEMIN ERALISATION CHAPITRE PAR ECHANGE 15. PROC D’IONS ED D’IONS

Figure 15.1.: Schéma de principe d’un adoucisseur

Anions D´ emin´ eralisation ROH + HCl → RCl + H2O

(15.7)

2ROH + H2 SO4 → RSO2 + 2H2 O

(15.8)

RCl + NaOH → ROH + NaCl

(15.9)

R´ eg´ en´ eration


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´ ES ´ 15.3. ´ EMIN ´ ´ D’IONS ´ CHAPITRE 15. PROCED PAR ECHANGE D ERALISATION PAR ECHANGE D’IONS

15.3.2. R´ eg´ en´ eration des ´ echangeurs d’ions ` a 2 lits La régénération peut se faire a` co-courant ou à contre-courant. La régénération a` contre-courant donne une meilleure qualité d’eau et permet d’économiser jusqu’à 10% de régénérant (à dosage élevé).

15.3.3. Echangeur d’ions ` a lit m´ elang´ e Dans un échangeur d’ions a` lit mélangé, les 2 résines sont mélangées dans une seule colonne. Le système de régénération de la résine est plus complexe. Par contre, la qualité de l’eau obtenue est meilleure.

15.3.4. Pourquoi l’eau est-elle meilleure apr` es un lit m´ elang´ e qu’apr` es un deux-lits ? Les réactions d’échange d’ions sont des réactions à équilibre. Les substances ne réagissent pas complètement, mais seulement jusqu’au point d’équilibre entre la déionisation et la régénération. Durant la déionisation, la résine échangeuse de cations libère de l’acide. Dans un échangeur à 2 lits, cet acide est a` disposition pour la réaction en sens inverse (régénération). Dans un lit mélangé, l’acide libérée est tout de suite neutralisé et enlevé par une boule de résine échangeuse d’anions a` proximité. De même, la soude produite par la résine anionique est tout de suite neutralisée et enlevée par une boule de résine cationique a` proximité. Donc, dans un lit mélangé, la contre-réaction ne se produit pas, à défaut de réactants. L’équilibre n’est pas atteint avant la déionisation presque complète de l’eau. Du point de vue conceptuel, un lit mélangé peut aussi être décrit comme une série infinie d’échangeurs à deux lits.

15.3.5. R´ eg´ en´ eration Etant donné que deux résines l’une devant être régéénérée avec de la soude et l’autre avec de l’acide sont mélangées, la régénération d’un échangeur d’ions à lit mélangé est une opération plus délicates que la régénération d’échangeurs à 2 lits. La durée d’une séquence de régénération et aussi plus longue : de l’ordre de 4 heures, contre environ 2 pour un échangeur à 2 lits et moins de 2 heures pour un adoucisseur. Phases de la r´ eg´ en´ eration d’un lit m´ elang´ e 1. Rétrolavage : enlève les particules et permet la stratification des résines 2. Adjonction de soude sur toute la résine : cette opération augmente la différence de densité entre les deux résines 3. Rétrolavage : permet de peaufiner la stratification des résines 4. Adjonction de soude et d’acide, avec sortie à mi hauteur, a` la limite entre les deux résines


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´ ´ ES ´ PAR ECHANGE ´ 15.4. CALCUL DES ECHANGEURS CHAPITRE D’IONS 15. PROCED D’IONS 5. Lavage, avec sortie à mi hauteur, a` la limite entre les deux résines 6. Mélange de la résine avec de l’air comprimé 7. Lavage co-courant pour stabiliser la résine 8. Remise en service Certains fabricants proposent des variantes de ce cycle.

15.4. Calcul des ´ echangeurs d’ions 15.4.1. Principes g´ en´ eraux Le calcul d’un échangeur d’ions se base sur 2 paramètres : • Le débit maximum • La capacité nécessaire entre deux régénérations Le débit détermine une section ou un volume minimum de résine, alors que la capacité détermine le volume minimum de la résine. La capacité de la résine et les débits surfaciques maximum admissibles sont donnés par fabricants de résine. Il est raisonnable de demander aux fournisseurs la fiche de spécification du fabricant de la résine, et de vérifier que l’échangeur d’ions a été dimensionné en conformité avec les spécifications du fournisseur de résine.

15.4.2. Qualit´ e de l’eau obtenue par ´ echange d’ions La qualité de l’eau que l’on peut obtenir en aval d’un échangeur d’ions dépend du type d’échangeur : Adoucisseur : 0 à 5 ppm de calcium comme CaCO3 Echangeur d’ions, 2 lits : 1% de salinité résiduelle pour co-courant. Contre-courant jusqu’à 1 MΩ Echangeur d’ions, lits m´ elag´ e : un échangeur permet d’atteindre une résistivité de l’eau de 1 a` 15 MΩ. L’emploi d’un deuxième échangeur a` lit mélangé en aval permet de dépasser les 18 MΩ.


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16. Les antitartres ´ electromagn´ etiques 16.1. Passions et pol´ emique Il est impossible de mentionner les antitartres électromagnétiques a` un praticien du traitement de l’eau sans déclencher les passions les plus vives. Alors que certains lancent des regards incrédules a` celui qui explique qu’il utilise un adoucisseur — Vous utilisez encore les adoucisseurs ? m’a lancé une fois un entousiaste des antitartres alors que nous discutions de l’alimentation d’une chaudière à vapeur — alors que les détracteurs de ces appareils aiment se lancer dans de longues diatribes sur l’impossibilité physique du fonctionnement des antitartres. Le nombre d’études publiées sur ces appareils est beaucoup moins important que pour d’autres technologies de traitement de l’eau. D’après [17], cela peut s’expliquer en partie par le fait que cette technologie fut initialement développée surtout en Russie, et en Occident l’on tend a` être sceptique concernant toute technologie provenant de l’Est. Pourtant plusieurs études ont montré l’efficacité de ces appareils depuis les années 1950 [29] [30]. Plusieurs études ont étés publiées au cours des années 1990 concernant l’utilisation des antitratres électromagnétiques pour les eaux usées [17] [28]. D’autre part il y a aussi des études réalisées sur des bancs d’essai qui ont montré que les antitartres testés n’avaient aucun effet sur l’eau, comme par exemple [31].

16.2. Principe de fonctionnement Ces appareils permettent la stabilisation du calcium dans l’eau, du moins d’après ceux qui les proposent. L’explication ci-dessous est tirée de la documentation d’un fabricant 1 Sous l’effet d’un champs électromagnétique induit, des microcristaux de carbonate de calcium sont formés et restes en suspension dans l’eau. Les appareils antitartres électroniques, procédé RIMEAU, provoquent, sous l’effet d’un champ électrique impulsionnel induit, la collision des ions Ca+ 2 et CO− esents dans les eaux calcifiantes, la formation de microcristaux de 3 pr´ carbonate de calcium CaCO3 . Ceux-ci ainsi formés, restent en suspension dans la veine d’eau et se comportent en ”germes de cristallisation” fixant d’autres ions encore libres. Ainsi ces germes grossissent en aval de l’appareil 1. RIME SA, Chabeuil, France

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´ ´ 16.3. LIMITATIONS CHAPITRE D’EMPLOI 16. LES ANTITARTRES ELECTROMAGN ETIQUES durant leur séjour dans les canalisations. Ils n’ont aucune tendance a` s’incruster ni dans les canalisations, ni dans les installations ni dans les appareils a` protéger. 1. Une fois l’eau traitée, les ions Ca++ et HCO− eférentiellement 3 se fixent pr´ sur les germes de CaCO3 générés par l’appareil, au lieu de former de nouveaux cristaux sur les parois des canalisations (o` u des phénomènes électrochimiques peuvent conduire à une élévation locale de pH de l’eau, la rendant ainsi très fortement entartrante). Les installations sont donc protégées contre de nouveaux dépôts de calcaire incrustant, et les microcristaux seront véhiculés à travers l’installation jusqu’à leur sortie lors de soutirages 2. Un détartrage général de toutes les parois métalliques est induit par ces appareils qui détachent le calcaire incrusté sur les vieilles installations n’ayant pas été protégées. Cette action est progressive ; il demeure cependant un fin voile blanchâtre protecteur constitué d’ions positifs naturellement attirés par les parois métalliques (à caractère électronégatif). Ce voile isole et rend électropositive la paroi en contact avec l’eau. Ceci contribue a` la longévité de l’installation en limitant les effets de la corrosion. Description Une série de bobinages moulés autour de la chambre de traitement dans laquelle circule l’eau a` traiter re¸coit en permanence des impulsions électriques délivrées par le générateur électronique, a` une tension et une fréquence déterminées. Un champ impulsionnel se trouve ainsi transmis par induction dans la veine d’eau a` traiter. Ce traitement agit sans électrolyse puisqu’il n’y a pas de courant dans la veine d’eau. Une énergie optimale est ainsi transmise aux particules dissoutes qui sont porteuses d’une charge électrique a` l’état naturel (Ca++ , CO−− 3 ). A chaque impulsion de traitement est opposée une impulsion d’autonettoyage qui garantie l’absence de tout dépôt dans la chambre de traitement, ce qui assure le fonctionnement sans entretien et sans visite périodique.

16.3. Limitations d’emploi Le principal défaut des antitartres électromagnétiques est l’impossibilité de vérifier de manière sˆ ure et simple si ils fonctionnent réellement : on ne peut pas simplement mesurer la dureté de l’eau sortant de l’appareil, comme avec un adoucisseur. On ne peut que les employer dans les situations o` u une précipitation de calcaire n’aura pas de conséquences catastrophiques.


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´ ´LIMITATIONS D’EMPLOI CHAPITRE 16. LES ANTITARTRES ELECTROMAGN 16.3. ETIQUES

Figure 16.1.: Antitartre électromagnétique. Image : RIME SA


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17. Electrod´ eionisation 17.1. Principe L’électrodéionisation est pratiquement l’inverse de l’osmose inverse. Des électrodes attirent les ions a` travers des membranes. Il y aussi un concentrat, comme pour l’osmose inverse, mais peu (5-10%). La qualité d’eau obtenue est excellente : meilleure que celle obtenue avec un échangeur à deux lits, mais pas tout à fait aussi bonne que avec un lit mélangé.

Figure 17.1.: Principe de l’électrodéionisation. Image : E-Cell Corporation

La figure 17.1 illustre le fonctionnement de l’électrodéionisation : 1. L’eau d’alimentation est distribuée dans les différentes cellules 2. Une différence de potentiel électrique est appliquée a` travers la cellule. Des molécules d’eau présentes dans la chambre ”D” sont séparée en ions hydrogène et ions hydroxyle

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´ ´ CHAPITRE 17. ELECTRODEIONISATION 17.2. AVANTAGES ET DESAVANTAGES 3. Les ions hydrogène et hydroxyle sont amenés par force électrostatique dans la chambre ”C”. La production continuelle de ces ions régénère en continu les lits de résine échangeuse 4. Les ions présents dans l’eau sont absorbés par la résine échangeuse d’ions et migrent dans la chambre ”C”. 5. Dans la chambre ”C”, les ions hydrogène et hydroxyle se combinent pour former de l’eau 6. 90% à 95% de l’eau entrant dans la cellule sort de la cellule a` travers la chambre ”D” sous forme d’eau déminéralisée 7. Le concentrat est recirculé, comme souvent dans les osmoseurs 8. le concentrat peut être réinjecté en début de chaˆıne de traitement Figure 17.2.: Principe de l’électrodéionisation expliqué par un client de E-Cell. Image : Osmonics

17.2. Avantages et d´ esavantages 17.2.1. Principaux avantages Comparé a` un système d’échange d’ions, l’électrodéionisation apporte les avantages suivants : Elimine le besoin d’acide et soude : il n’y a pas a` regénérer de résines comme avec un échangeur d’ions Fonctionnement continu : pas d’interruptions pour les régénérations


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´ ´ 17.2. AVANTAGES ET DESAVANTAGES CHAPITRE 17. ELECTRODEIONISATION

Figure 17.3.: Exemple d’élecrodéionisateur pour 6 m3 /h. Dimensions 117 × 134 × 214 cm. Puissance électrique maximum 68 kW. Image : E-Cell Corporation

17.2.2. Principaux d´ esavantages Consomme de l’eau en continu, environ 5 à 10% de l’eau d’alimentation. Cela est toujours beaucoup plus que la consommation d’eau lors de la régénération de résines d’un échangeur a` lit mélangé. N’arrˆ ete pas : silice, particules, bactéries, molécules organiques Prix d’achat : a` débit égal, un élecrodéionisateur coˆ ute environ 2 fois plus qu’un échangeur d’ions à lit mélangé Remplacement des modules : il faut échanger les modules au bout de 3 a` 5 ans. Part importante du prix de l’appareil (variable) R´ echauffement de l’eau : un élecrodéionisateur chauffe l’eau de environ 2 à 3◦ C. Cela peut constituer un problème dans les installations sur des boucles de distribution : l’eau devient plus chaude, donc plus propice aux bactéries N´ ecessit´ e de r´ egler la conductivit´ e : le principe de l’élecrodéionisateur fait qu’il faut que l’eau ait une certaine conductivité. Si l’on emploie de l’eau trop déminéralisée, donc isolante, l’élecrodéionisateur ne peut fonctionner. Il faut donc régler la conductivité de l’eau à une valeur donnée par le fournisseur des cellules 1 1. Le principal fabricant de cellules spécifie une conductivité de l’eau en entrée de environ 20 µS/cm


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ÉMES ` ´ CHAPITRE 17. 17.3. ELECTROD PROBL EIONISATION RESULTANTS D’ASPECTS COMMERCIAUX

17.3. Probl` emes r´ esultants d’aspects commerciaux L’électrodéionisation fut longtemps un brevet de la société US-Filter (Aujourd’hui intégrée dans Vivendi Waters). Lorsque le brevet est tombé dans le domaine public au début des années 1990, plusieurs sociétés ont commencé a` produire des électrodéionisateurs. La technologie étant difficile a` maˆıtriser, une seule société a acquis une part de marché importante : il s’agit de E-Cell, filiale de General Electrics. E-Cell produit essentiellement les cellules, laissant a` des intégrateurs le soin de construire la machine complète. Pour pouvoir proposer une machine avec une cellule E-Cell, l’intégrateur doit d’abord acheter une licence E-Cell et suivre une formation assez coˆ uteuse. Les intégrateurs avec licence E-Cell sont donc très motivés a` vendre un grande nombre d’électrodéionisateurs, Cette situation cause aussi un autre problème, que peu de clients remarquent : l’életronique de puissance d’un électrodéionisateur est très complexe : la plupart des clients d’E-Cell achètent donc leur électronique de puissance aux USA, chez E-Cell. Cela peut poser un problème en cas de pannes, puisque ces électrodéionisateurs sont équipés de de composants d’électronique de puissance américains aux normes NEMA, que l’on ne trouve pas ou difficilement en Europe : la panne peut donc être prolongée par manque de pièces de rechange.

17.4. Etudes de cas 17.4.1. L’osmoseur instable Convaincue par un fournisseur d’électrodéionisateurs, une société qui alimentait sa chaudière a` vapeur avec une chaˆıne de traitement qui comprenait un osmoseur suivi d’un échangeur d’ions à lit mélangé a remplacé ce dernier par un élecrodéionisateur. Au bout de quelques jours la qualité de l’eau a empiré : la conductivité de l’eau augmentait, puis périodiquement s’améliorait pour ensuite empirer. Sommé de l’expliquer, le fournisseur de l’élecrodéionisateur a commencé à noter la qualité de l’eau provenant de l’osmoseur, et, constatant que la valeur de conductivité de l’eau mesurée variait entre 11 et 13 µS/cm, le fournisseur a expliqué au client que le problème était dˆ u à l’osmoseur qui serait ”instable”. Il en suivi des échanges de correspondance assez houleux entre le fournisseur de l’osmoseur et l’utilisateur, puisque le fournisseur de l’osmoseur prétendait que l’osmoseur fonctionnait et que d’une part les variations de conductivité étaient imputables a` la précision du conductivimètre et que d’autre part aucune spécification ne mentionnait que l’osmoseur devait produire une eau dont les variations de conductivité devaient êtres inférieures au µS/cm. Finalement, après plusieurs mois, le fournisseur de l’élecrodéionisateur obtint du client qu’il enlève l’osmoseur de l’autre fournisseur et le remplace par un osmoseur livré par le fournisseur de l’élecrodéionisateur. Cette opération représenta un investissement de plusieurs dizaines de milliers de francs. La qualité de l’eau produite par l’élecrodéionisateur continua à varier. Finalement, pour pouvoir continuer a` faire fonctionner la chaudière, le client changea la valeur de seuil


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17.5. SITUATION ACTUELLE

´ CHAPITRE 17. ELECTRODEIONISATION

de conductivité déclenchant l’alarme ”conductivité” de l’alimentation de la chaudière de 1 µS/cm à 3 µS/cm.

17.4.2. Cellule myst´ erieuse Une société de microélectronique avait choisi l’électrodéionisation sur la base du coˆ ut d’investissement. Un fournisseur de matériel de traitement d’eau proposait un nouvel élecrodéionisateur, avec des cellules d’électrodéionisation de fabrication propre. Au bout de 6 mois de fonctionnement, les cellules d’électrodéionisation se bloquèrent. Au démontage, l’on constata qu’il s’agissait de dépôts organiques : la cellule fut remplacée. L’épisode se répéta 4 fois a` distance de 6 mois, après quoi le fournisseur accusa l’utilisateur d’utiliser une eau ”spéciale” 2 . Finalement, des mesures furent prises pour empêcher que des bactéries pénètrent dans l’élecrodéionisateur : un filtre 0.2 µm fut placé a` l’entrée de l’appareil, qui pourtant était placé directement en aval d’un osmoseur. Environ 6 mois après, la cellule dut a` nouveau être changée. Cette fois une cellule différente fut employée, et le problème n’est plus réapparu depuis.

17.5. Situation actuelle En l’état actuel du marché et de la technologie, l’electrodéionisation est une solution intéressante si Le fournisseur de l’´ elecrod´ eionisateur fournit l’ensemble de l’installation : pour éviter les conflits entre fournisseurs du type de ceux décrits dans les études de cas cidessus. Il est impossible ou difficile de stocker des produits toxiques : dans ce cas l’utilisation d’un échangeur d’ions régénéré sur place est exclu. La placemanque : l’élecrodéionisateur est moins encombrant en général qu’un échangeur d’ions équivalent, et en plus il n’est pas nécessaire de prévoir un système de neutralisation des eaux de régénération.

2. Il ne pouvait pas lui reprocher le dysfonctionnement de l’osmoseur, puisque c’est lui qui l’avait fourni aussi


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18. D´ egazage 18.1. Applications Il peut être nécessaire d’enlever de l’eau un ou plusieurs des gaz suivants : • • • •

Gaz carbonique CO2 Radon Hydrogène sulfuré H2 S Oxygène O2

En pratique, plus de 90% des applications de dégazage dans l’industrie concernent le CO2 .

18.2. La technologie traditionelle : le d´ ecarbonateur 18.2.1. Principe Figure 18.1.: Schéma de principe d’un décarbonateur [8]

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´ 18.3. DEGAZAGE AVEC UN VENTURI

´ CHAPITRE 18. DEGAZAGE

Les décarbonateurs sont généralement de véritables zoos de bactéries.

18.2.2. Le dimensionnement des d´ ecarbonateurs L’efficacité d’un décarbonateur est fonction de sa hauteur. log c1 − log c2 = K

H Q

(18.1)

Avec : • • • • •

c1 : concentration de CO2 a` l’entrée c2 : concentration de CO2 a` la sortie H : hauteur Q : débit d’eau K : constante, dépend de la construction de la colonne

En pratique, il s’agit généralement de colonnes de 3 à 4 m de hauteur.

18.3. D´ egazage avec un Venturi 18.3.1. Principe de fonctionnement L’utilisation de systèmes d’aération et de dégazage basés sur les injecteurs Venturi se généralise depuis la fin des années 1990 [15]. Le principe de fonctionnement d’une combinaison Venturi - Réacteur - Cyclon utilisée pour le dégazage est le suivant : • Le Venturi mélange les phases gazeuses et liquides en dispersant des bulles d’air dans un écoulement d’eau fortement turbulent • Dans le réacteur, a lieu le transfert de masse des gaz ou produits volatiles indésirables de la phase liquide (eau) à la phase gazeuse (bulles d’air). Le caractère turbulent de l’écoulement de l’eau assure une répartition assez uniforme des gaz et produits volatiles indésirables dans chacune des deux phases, accélérant ainsi le transfert de masse • Le séparateur cyclon sépare les deux phases. Ce principe est illustré par la figure 18.2. Les avantages de la combinaison Venturi - Cyclon par rapport au systèmes traditionnels sont fondamentalement les mêmes que ceux illustrés pour l’ozonisation : encombrement réduit, investissement moins élevé, coˆ uts de maintenance plus faibles. L’aspect maintenance est encore plus important pour les colonnes de dégazage que pour l’ozonisation. En effet, les problèmes de croissances bactérielles sont relativement fréquents dans les colonnes de dégazage, alors qu’ils sont absents des combinaisons Venturi - Cyclon, en raison du caractère turbulent de l’écoulement.


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Figure 18.2.: Principe de fonctionnement d’une installation de dégazage avec injecteur Venturi [15]

18.3.2. Calcul D’après [15], l’efficacité d’un système de dégazage utilisant un venturi est essentiellement une fonction du rapport entre le débit de gaz et le débit d’eau : plus celui-ci est élevé, plus l’efficacité est élevée. La courbe 18.3 permet de calculer l’efficacité de l’enlèvement du CO2 d’un tel système. La température a aussi une influence sur l’efficacité des systèmes de dégazage, comme cela est illustré par la courbe a` la figure 18.4. En pratique, lors de la spécification d’un système de dégazage, il faudra donc indiquer aux fournisseurs : • • • •

Quel est le gaz dont il faut réduire la concentration La concentration initiale du gaz La concentration à atteindre La température de l’eau a` traiter


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Figure 18.3.: Efficacité d’un système de dégazage a` Venturi [15] :

Figure 18.4.: Efficacité d’un système de dégazage à Venturi pour l’élimination du radon [15] :


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Troisi` eme partie . Conception et optimisation de syst` emes de purification de l’eau

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19. Introduction Cette partie traite des aspects pratiques concernant la conception d’installation et l’optimisation d’installations existantes. Nous aborderons les aspects suivants : M´ ethodologie : comment procéder pour la conception d’une installation D´ eroulement d’un projet typique Sp´ ecifications : les points dont il faut tenir compte pour les différents éléments du système Les possibilités d’optimisation d’une installation existante seront traités dans chapitre séparé.

19.1. D´ eroulement du projet

La conception d’un système de traitement de l’eau est une démarche de conception de procédé. Nous n’étudierons pas ici le détail de la conception de chaque élément du système de traitement d’eau – de l’osmoseur, par exemple – car ce travail sera fait par le fournisseur de l’appareil. Nous examinerons le processus de conception de la chaˆıne de traitement du point de vue de l’utilisateur ou de l’intégrateur de système. La plupart des éléments du systèmes seront disponibles sur le marché, souvent comme produits standard sur catalogue.

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´ 19.2. DELAIS


19.2. D´ elais Il est importants d’être conscients de délais nécessaires à la mise en place d’un système de traitement de l’eau. Un tel système ne s’improvise pas. Mon expérience est que ces délais sont généralement sous-évalué : il en résulte des achats erratiques d’équipements, qui conduisent a` la mise en service d’un système ne correspondant pas pleinement aux besoins des utilisateurs.

D´ elais typiques : Obtention des donn´ ees de base : quelques jours a` 8 semaines Conception du proc´ ed´ e : quelques jours a` 3 semaines, y compris quelques itérations Etablissement des sp´ ecifications : quelques jours Recherche des fournisseurs : 2 à 4 semaines Obtention des offres : 1 à 4 semaines Examen des offres, discussion des offres avec les fournisseurs : 2 à 4 semaines Processus de d´ ecision interne ` a l’entreprise : variable D´ elais de livraison 2 à 16 semaines Mise en service : une journée a` 1 semaine max., sauf pharmacie et microélectronique En pratique, le délai total de mise en place d’un système de purification de l’eau est de l’ordre de 12 a` 40 semaines. Notre expérience est que le plus grand facteur de retards est le processus de décision interne. Nous avons aussi trop souvent fait l’expérience d’utilisateurs qui imposent des délais trop courts aux fournisseurs pour les offres : le résultat est que le client obtient trop peu d’offres, ou des prix peu avantageux. Il y a une grande différence de délais selon que l’on achète du matériel standard ou sur mesure. En pratique, l’on trouve sur le marché du matériel standard jusqu’à environ 70 m3 /h, et beaucoup de choix jusqu’à environ 40 m3 /h

19.3. Caract´ eristiques de l’eau d’alimentation 19.3.1. Informations ` a obtenir Le principe de base est de concevoir le système en fonction de la ”pire” eau possible. En pratique, cela signifie qu’il faut avoir : Eaux souterraines : demander une analyse et l’avis d’un hydrogéologue. De telles expertises on un coˆ ut, mais elles sont essentielles. Par exemple pour un projet o` u une usine devait pomper de l’eau souterraine à relativement faible distance près d’un fleuve, l’hydrogéologue avait dit que dureté et salinité diminueraient, mais charge en bactéries augmenterait. Cela a permis de concevoir une installation assez différente de celle qui aurait été prévue sur la base de la seule analyse de l’eau


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´ D’EAU NECESSAIRE ´ 19.4. QUALITE


Eaux de surface : analyse et avis d’un hydrologue sur les variations saisonnières Eau potable : obtenir les analyses du service des eaux (commune) l’eau communale : un réseau, des réservoirs, plusieurs sources, souvent mélange eau surface / eau souterraine. Eau de puits : les utiliser affecte les écoulement souterrains, donc la qualité de l’eau. Eau potable : quelques recommandations : • Demander les analyse de chaque source - station - point d’alimentation • Se méfier d’affirmations toutes faites telles que : • ”Notre eau est conforme à l’OSEC” (Ordonnance sur les substances étrangères et les composants) • ”Il n’y a pas de chlore dans l’eau, puisque nous utilisons l’ozone” . Il y a bien sˆ ur toujours du chlore dans l’eau potable. • ”Toute l’eau qui arrive chez vous vient de la source X” • ”Votre eau contient 34% d’eau de la source 1 et 66% de la source 2” • Faire faire une — ou plusieurs — analyses par un laboratoire indépendant.

19.3.2. Etude de cas : chlore et membranes Dans une ville de l’arc jurassien, une société avait installé deux petits osmoseurs en série pour produire environ 1 m3 /h d’eau pour des bains de traitement de surface. Ils avaient obtenu l’assurance par téléphone de la part de la commune que l’eau potable fournie par la ville ne contenait pas de chlore. Ils décidèrent donc d’économiser en n’installant pas de filtre a` charbon actif en amont de l’osmoseur. Au bout de 6 mois, la conductivité de l’eau en aval du premier osmoseur avait doublé. Au bout de moins que 2 ans, la conductivité en aval du premier osmoseur avait tellement augmenté que l’eau fournie par le 2eosmoseur était d’une qualité qui n’était plus suffisante pour l’utilisation prévue, et les membranes du premier osmoseur ont dˆ u être changées. Des analyses faite par l’entreprise de l’eau re¸cue de la ville ont montré que l’eau contenait 0.1 a` 0.2 ppm de chlore libre, ce qui est suffisant pour fortement accélérer le vieillissement des membranes. Eau potable : autres informations Outre l’analyse chimique, il faudrait savoir aussi : • Pression : peut varier de manière importante • Température • Débit disponible. Ce paramètre est rarement un problème sauf pour de très grandes installations, mais il vaut mieux le découvrir avant de réaliser l’investissement. • Pénétration des UVc — si l’on envisage l’installation d’un stérilisateur U.V.

19.4. Qualit´ e d’eau n´ ecessaire La qualité de l’eau nécessaire dépend évidemment de l’usage. Définir la qualité de l’eau dont on a besoin est souvent d’un problème difficile, car le praticien se trouve


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´ ´ DE L’EAU NECESSAIRE ´ CHAPITRE 19. INTRODUCTION 19.5. DEFINITION DE LA QUALITE confronté a` des utilisateurs de l’eau qui réclament la meilleure qualité possible ou encore l’eau comme elle a toujours été, sans préciser leurs demandes de manière quantitative. Il est essentiel de mettre en question les affirmations des utilisateurs de l’eau sur la qualité qu’ils réclament, et aussi de refuser les spécifications impossibles ou impossibles a` mesurer. • Si le but du traitement de l’eau est la protection d’´ equipements, la qualité de l’eau sera spécifié par le fabricant du matériel a` protéger. C’est le cas le plus simple que l’on puisse rencontrer. • Si la purification de l’eau est nécessaire pour assurer la qualit´ e du produit fini, comme c’est souvent le cas dans l’industrie chimique et l’agro-alimentaire, alors la qualité de l’eau est a` définir par les concepteurs du procédé et le responsables de la qualité. il n’y a pas de recette simple pour déterminer la qualité de l’eau a` fournir. • Pour les eaux de rin¸cages, en règle générale des essais sont nécessaires. On peut toutefois citer quelques points de repère : • Eau de lave-vaisselle ménager : eau adoucie • Eau de rin¸cage en fin de tunnel de lavage de voiture : eau osmosée, max. 40 ppm de salinité totale • Eau de lavage de Wafers en microéléctronique : eau 18 MΩ × cm • Eaux de rin¸cage de pièces en traitement de surface et horlogerie : Typiquement l’on utilise une succession de bains : • Un bain d’eau ”dure” qui rince mieux que l’eau adoucie ou déminéralisée • Un bain d’eau adoucie (pas toujours). • Un bain d’eau déminéralisée (typiquement < 1 mS/cm, généralement de l’ordre de 0.1 mS/cm. • Certaines industries ont des normes, ce qui simplifie bien sˆ ur le choix de la qualité d’eau a` produire. C’est notamment le cas de la microélectronique et de l’industrie pharmaceutique.

19.5. D´ efinition de la qualit´ e de l’eau n´ ecessaire En pratique on peut procéder par étapes comme suit pour définir la qualité d’eau nécessaire : 1. Est-ce que le but du traitement est de protéger un appareil ou machine ? Si oui, se référer aux spécifications du fournisseur. 2. Est-ce que il existe une norme pour notre industrie ? Parmi les branches pour lesquelles il y a des normes, il faut citer la microélectronique et la pharmaceutique. 3. Est-ce que l’eau doit être employée pour un procédé de lavage ? Si oui, des essais sont recommandés, sachant que probablement le dernier lavage se fera a` l’eau déminéralisée 4. Est-ce que l’eau fera partie du produit fini ? Dans ce cas, les concepteurs de procédé du produit, et les responsables de la qualité doivent définir les spécifications de l’ingrédient ”eau”.


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´ D’EAU NECESSAIRE ´ 19.6. QUANTITE


Etude de cas : sp´ ecifications inv´ erifiables Extraits d’une spécification réelle d’un système pour la microélectronique : 1. ”Les échangeurs d’ions devront êtres con¸cus de manière a` ce qu’il soit impossible qu’il y ait une croissance de bactéries”. 2. ”Zéro particules de plus de 0.05 microns après la filtration finale”. Le point 1 est techniquement impossible a` réaliser : l’échangeur d’ions est un milieux poreux, donc a` priori propice aux croissances de bactéries. C’est pourquoi l’on prévoit, en microélectronique, des systèmes de désinfection en aval des échangeurs d’ions. Le point 2 est quand a` lui réalisable, mais impossible à vérifier avec du matériel industriel disponible dans le commerce. On s’expose donc à des conflits insolubles.

19.6. Quantit´ e d’eau n´ ecessaire Il est important de définir les différents paramètres : • Consommation moyenne • Consommation maximum, durée • Heures par jour – jours par semaine La question n’est pas triviale ! Mais elle est souvent sous-estimée. On arrive souvent a` la conclusion qu’il faut prévoir un stockage de l’eau purifiée. L’eau stockée sert aussi, pendant des phases d’arrêt éventuelles dus au lavage ou la régénération d’un filtre à sable ou d’un adoucisseur, ou au lavage de l’osmoseur. La régénération d’un échangeur d’ions nécessite une grande quantité d’eau. S’il n’y a pas une configuration duplex (1 en fonctionnement, 1 en régénération ou standby), il faut toujours prévoir un assez grand stockage d’eau déminéralisée ou osmosée. Si un osmoseur est utilisé, en général, il faut un stock tampon, car le débit n’est pas variable.

19.7. Autres param` etres D’autres paramètres importants ont souvent négligés : voici une brève checklist pour vérifier que aucun paramètre n’est oublié : Place disponible : est souvent un critère majeur Accessibilit´ e : essentiel pour la maintenance. Vérifier la place nécessaire pour le remplacement des membranes des osmoseurs et des lampes U.V. des stérilisateurs par exemple Charge admissible du sol Eaux us´ ees : capacit´ e disponible : cela peut interdire certaines solutions. C’est un problème surtout dans les zones industrielles Exigences concernant instrumentation et contrˆ ole ` a distance


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´ E ´ 19.8. CONCEPTION DU PROCED


Stocks de mati` eres dangereuses (Chlore) : dans certaines entreprises, le fait de devoir stocker des matières dangereuses comme le chlore, ou bien les acides et soude nécessaires pour la régénération d’échangeurs d’ions pose un problème insoluble. Dans d’autres entreprises, comme par exemple la microélectronique, qui stocke généralement ces matières pour ses procédés de production, ce stockage ne pose aucun problème Conception int´ egr´ ee : souvent plusieurs niveaux de qualité d’eau sont requis a` l’intérieur d’une même usine : la méthodologie de conception de tels systèmes pourrait faire l’objet d’une séminaire ou d’un livre entier. Voir [35].

19.8. Conception du proc´ ed´ e M´ ethodologie Un procédé de traitement de l’eau comprendra généralement : • Prétraitement • Procédé de traitement ou purification principal • Finition En pratique, la chronologie de la conception sera : 1. Traitement principal 2. Prétraitement 3. Finition Le présent manuel devrait vous permettre de choisir les procédés appropriés. Les listes ci-dessous permettent un premier choix des procédés a` employer. Proc´ ed´ es de pr´ etraitement Filtre ` a sable : enlever les particules de taille importante Charbon actif : élimination du chlore et des composés organiques Adoucisseur : enlever les ions divalents, prévenir le tartre Injection d’acide ou de base : réglage du pH Injection de m´ etabisulfite de sodium : élimination du chlore Filtre ` a cartouche : élimination de particules en suspension Ultrafiltration : élimination de certaines substances organiques et de silice collo¨ıdale Chlore : précipitation du fer, désinfection


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´ E ´ 19.8. CONCEPTION DU PROCED


Choix du proc´ ed´ e principal Osmose inverse : élimine particules, bactéries, pyrogènes, composés organiques, ions Nanofiltration : élimine particules, bactéries, ions divalents, réduit la concentration d’ions monovalents Echange d’ions : élimine ions, silice activée, CO2 U.V : inactive les bactéries Ozone : élimine bactéries, précipite le fer Proc´ ed´ es de finition Echangeur d’ions ` a lit m´ elang´ e : Diminue les solides dissous, silice et CO2 résiduels Microfiltration : élimine particules et bactéries Ultrafiltration : élimination de bactéries, pyrogènes, particules, collo¨ıdes, certains composés organiques Electrod´ eionisation : diminue les solides dissous, silice et CO2 résiduels


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20. Sp´ ecification des principaux ´ el´ ements 20.1. Introduction aux sp´ ecifications Dans ce chapitre nous nous proposons quelques checklists de points desquels il faut ternir compte lors de la spécification de différents éléments de systèmes de traitement de l’eau.

20.2. Osmose inverse • • • •

Demander calcul de la qualité d’eau obtenue Pompe centrifuge 1 . Place : ne pas oublier la place pour sortir les membranes ! Prévoir une solution pour le nettoyage des membrnes 2 , eventuellement rin¸cage automatique à l’eau à chaque arrêt de l’osmoseur. • Cartouches du pré-filtre : demander prix des cartouches de remplacement ! Le micronnage conseillé est de 5 µm nominal • Demander une offre pour un jeu de membranes de rechange • Matériaux : • Membranes : polyamide, sauf nécessité absolue d’utiliser l’acétate de cellulose • Se renseigner sur le type de membranes utilisées • Cartouches filtrantes : polypropylène, a` densité progressive • Corps de membrane : en acier inox 3 , sauf pour les plus petits osmoseurs. • Conduites : inox pour conduites haute pression. Plastique inerte (PVC ou tuyaux flexibles) pour conduites basse pression, sauf cas particulier (industrie pharma1. Sauf pour les petites installations de moins de de environ 500 l/h. Des entreprises sérieuses vendent des systèmes avec pompes volumétriques : cette solution est à éviter en raison des variations de pression qui abiment les membranes rapidement 2. Cette unité de doit pas forcément pas forcément être fournie par le fabricant de l’unité d’osmose inverse.Il est fréquent de trouver des osmoseurs sans système de nettoyage. Dans ces cas, les fournisseurs proposent généralement un service coˆ uteux de nettoyage par leurs soins. 3. Il faut éviter les corps de membrane en plastique, qui d’après notre expérience commencent vite a avoir des fuites. Les corps de membrane en fibre de verre tendent à se déformer avec le temps, ce qui ` peut poser des problèmes lors de remplacement de membranes, surtout si il y a plusieurs membranes dans un seul corps de membrane

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´ ´ EMENTS ´ 20.3. ECHANGEURS CHAPITRE D’IONS 20. SPECIFICATION DES PRINCIPAUX EL ceutique ou microélectronique, qui utilisent inox, propylène ou PVDF pour le perméat).

Instrumentation reccomand´ ee Au minimum : • • • • • •

Alarme température Alarme basse pression a` l’entrée Débit concentrat et perméat Pression différentielle du préfiltre Electrovanne en entrée, fermeture si la machine n’est pas en service Conductibilité du perméat

20.3. Echangeurs d’ions • • • •

Régénération automatique Conduites et vannes en PVC Capacité suffisante pour que la régénération n’interrompe pas la production ! Lits mélangés : demandez a` savoir les pourcentages en volume des résines anionique et cationique • Instrumentation : • Pression amont/aval • Débit • Résistivité aval

20.4. G´ en´ erateurs d’ozone Notre expérience est que la solution la plus économique est généralement : • Générateur d’ozone à fréquence moyenne • Alimenté avec un concentrateur d’oxygène • Concentration d’ozone. de l’ordre de 6 à 10% • Mélange eau-ozone par Venturi, séparation des phases par cyclon et réaction dans la conduite • Réglage : en fonction du débit • Prévoir une détection des fuites avec alarme

20.5. Distillateurs Il est important de spécifier au fournisseur la qualité d’eau disponible.


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´ ÉLECTROD ´ ´ CHAPITRE 20. SPECIFICATION DES PRINCIPAUX 20.6. EL EMENTS EIONISATION

Figure 20.1.: Petit concentrateur d’oxygène. Photo : AirSep.

Mat´ eriaux : Verre : très fragiles, on le les trouve que dans les laboratoires Acier inoxydable : standard pharmaceutique Cuivre avec couche d’´ etain : économiques, mais adaptésseulement a` l’usage en laboratoire. Titane : imbattable du point de vue de la résistance a` la corrosion • Filtre à air côté distillat, avec système de vannes pour eau pharmaceutique • Avec réglage du niveau de l’eau • Instrumentation nécessaire : • Conductivité distillat • Alarme niveau d’eau (distillateurs électriques)

20.6. Electrod´ eionisation L’électrodéionisation a longtemps été le monopole d’une entreprise, US Filter 4 , qui avait brévetté le procédé. Suite à l’expiration du brevet, la 2è moitié des années 1990’ a vu la prolifération de nouveaux fournisseurs de systèpmes d’électrodéionisation, dont certains sont proposés à des prix inférieurs a` ceux d’un échangeur à lit mélangé. Notre expérience est que certains de ces fournisseurs ne maˆıtrisent pas réellement la technologie et livrent des installations très peu fiables. Nous avons ainsi vécu le cas d’une installation o` u les cellules d’électrodéionisation ont été remplacées 4 fois pendant l’année de garantie. Actuellement, il nous semble que les deux fournisseurs dignes de confiance pour les cellules d’électrodéionisation sont US Filter et E-Cell. E-Cell fournit ses cellules à un 4. Aujourd’hui filiale du groupe Vivendi


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´ ´ ET CARTOUCHES ´ EMENTS ´ 20.7. SPECIFICATION CHAPITRE DES 20. FILTRES SPECIFICATION DES PRINCIPAUX FILTRANTES EL grand nombre de fabricants. Il nous paraˆıt donc raisonnable en l’état actuel du marché de n’utiliser que des électrodéionisateurs muni de cellules de l’une de ces deux marques.

20.7. Sp´ ecification des filtres et cartouches filtrantes 20.7.1. Cartouches de p´ efiltration • Préférer corps de filtre en acier inox, sauf pour les corps de filtre monocartouche • Cartouches : 5 µm, en polypropylène à densité progressive • Débit : pour avoir une perte de charge initiale de 0.1 a` 0.2 bar

20.7.2. Cartouches de microfiltration • En fonction de l’application, décider si le surcoˆ ut de cartouches dont on peut tester l’intégrité est justifié • 0.2 µm : suffit pour arrèter les bactéries — En général filtrer à 0.1 µm ou 0.05 µm ne sert a` rien • Corps de filtre en plastique inerte ou acier inox

20.7.3. D´ ebits : ordres de grandeur • 1 m3 /h par cartouche 10” pour préfiltration • 0.5 m3 /h pour microfiltration


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21. Optimisation de syst` emes existants 21.1. M´ ethode Alors qu’il est assez simple de définir une méthode générale de conception de systèmes de traitement de l’eau, il est plus difficile de définir une méthodologie générale pour les systèmes existants, tant la variété de systèmes rencontrés est grande. Nous donnons ici quelques exemples de cas d’optimisation économique de systèmes industriels existants, espérant qu’ils pourront stimuler l’imagination des lecteurs.

21.2. Osmoseurs : optimisation de la maintenance Notre expérience est que souvent la maintenance es osmoseurs est négligée. Il en résulte un surcoˆ ut en terme de performances non optimales de l’osmoseur et en terme de durée de vie des membranes. Nous recommandons donc de réaliser la maintenance des osmoseurs selon les directives du chapitre 6 à la page 61.

21.3. Cartouches filtrantes Lors de la construction d’une installation, le prix des cartouches filtrantes ne représente qu’une part négligeable de l’investissement total. Par contre, lors du fonctionnement du système, les cartouches peuvent représenter une part importante des coˆ uts de consommables de l’installation. Il faut surveiller de près deux aspects : la fréquence de changement des cartouches filtrantes, et le prix des cartouches. Il est très fréquent qu’il soit avantageux économiquement de protéger une cartouche ”chère” — comme par exemple une cartouche de microfiltration — avec une cartouche plus économique de filtration nominale à par exemple 1 ou 5 µm.

21.4. Etude de cas : cartouche de pr´ efiltration d’un osmoseur Une société de microélectronique utilisait un petit osmoseur produisant environ 0.2 m3 /h alimenté directement avec l’eau du réseau. Initialement cet osmoseur ne fonctionnait que occasionnellement. Par la suite, la production de la société passa du stade de prototypes

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´ ´ ` 21.5. OSMOSEUR EN CHAPITRE PRETRAITEMENT 21. OPTIMISATION D’ECHANGE DE D’ION SYSTEMES EXISTANTS et préséries au stade de production normale, et l’osmoseur devait fonctionner en permanence. Il apparut qu’il fallait changer la cartouche filtrante — qui était une cartouche combinée filtration plus charbon actif — toutes les deux semaines, pour un prix de plus de CHF 200.00 par cartouche. Un bref calcul de la capacité du charbon actif compris dans la cartouche montra que l’on pouvait, du point de vue de la capacité du charbon actif, garder une cartouche pendant environ 2 mois. Une cartouche nominale de 5 µm fut installée en amont de l’osmoseur, pour un investissement total de environ CHF 250.00. Maintenant, l’on procède a un remplacement de la cartouche 5 µm environ 2 fois par an, pour un prix unitaire de environ CHF 10.00, alors que la cartouche combinée au charbon actif n’est plus changée que une fois tous les deux mois.

21.5. Osmoseur en pr´ etraitement d’´ echange d’ion L’on trouve fréquemment dans l’industrie et dans les laboratoires les bouteilles échangeuses d’ions, utilisées pour déminéraliser de l’eau provenant directement du réseau. Il s’agit d’échangeurs d’ions a` lit mélangé qui n’ont pas de système de régénération des résines : la régénération se fait alors en externe, chez un fournisseur. Ou bien l’on remplace périodiquement les résines. Dans un cas particulier, le laboratoire d’une usine dépensait environ CHF 500.00 par mois en remplacement de résines. En investissant CHF 5000.00 dans un osmoseur de laboratoire, ces frais ont étés divisé par 20.

Figure 21.1.: Coˆ uts de production d’eau déminéralisée en fonction de la minéralisation totale de l’eau brute :


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´ DES ` RESINES ´ EXISTANTS ´ CHAPITRE 21. OPTIMISATION 21.6. CAPACIT DE SYST E EMES D’ECHANGEURS D’IONS

21.6. Capacit´ e des r´ esines d’´ echangeurs d’ions Les échangeurs d’ions sont souvent surdimensionnés. Il en résulte des potentiels d’économie important, d’autant plus que la capacité d’une résine régénérée n’est pas linéaire en fonction de la quantité de régénérant employé.

Figure 21.2.: Capacité d’une résine en fonction de la quantité de régénérant employé


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Bibliographie [1] Les traitements de l’eau, Claude Cardot, Ellipses Edition, Paris, 1999, ISBN 2-72985981-0. Ce livre donne de bonnes connaissances de base, surtout sur les technologies employées en potabilisation de l’eau et pour le traitement des eaux usées. [2] Handbook of water purification ed. Walter Lorch, Ellis Horwood Ltd. Passe les technologie en revue, et présente les particularités du traitement de l’eau dans plusieurs industries. Un classique. Plus informatif que pratique. [3] Wasseraufbereitung , Prof. Dr. Ing. Klaus Hancke, VDI Verlag, 1994. Très complet en ce qui concerne la chimie de l’eau et l’échange d’ions. Ne contient pratiquement aucune information concernant la désinfection et les technologies membranaires, ce qui est assez décevant. [4] Reverse Osmosis - A Practical Guide for Industrial Users, Wes Byrne, Tall Oaks Publishing, 1995. Répond pratiquement a` toute question que l’on peut avoir sur l’osmose inverse. [5] Ozone in Water Treatment, Bruno Langlais, David A. Reckhow, Deborah R. Brink, Lewis Publishers, 1991, ISBN 0-87371-474-1 : la référence sur l’ozone [6] Les applications innovantes des techniques membranaires dans l’industrie, Réseau NOVELEC (EDF), 1993 [7] Les traitement de l’eau, Claude Cardot, Ellipses Edition, Paris, 1999, ISBN 2-72985981-0 [8] Mémento technique de l’eau, Degrémont, éd. Lavoisier, Paris. Connu comme ”la bible de Degrémont”. Complet, traite aussi de la potabilisation de l’eau et des eaux usées. Surtout utile pour ses formules et graphiques sur la chimie de l’eau et l’hydraulique. Disponible Online a` http ://www.degremont.com [9] Osmonics Pure Water Handbook Bonne introduction aux différentes technologies de purification de l’eau. [10] Le manuel de l’eau édité par NALCO. Une alternative à la ”bible” de Degrémont [11] Water, the Universal Solvent . Edité par NALCO. Bonne introduction a` la chimie de l’eau [12] Permutit Water and Waste Water Treatment Handbook. L’éditeur (Permutit USA) ayant disparu, cet excellent recueuil de chiffres est devenu dificile à trouver. [13] Ultraviolet Applications Handbook, Bolton, James R., Ph.D, Bolton Photosciences Inc.,Ayr, Canada, 2001. Web : http ://www.boltonuv.com. Malgré son titre, il s’agit

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Bibliographie

Bibliographie

essentiellement d’un manuel sur les bases théoriques de la stérilisation par ultraviolet. [14] La filtrazione dei fluidi, édité par FILTERS srl, Scalenghe, Italie. En italien [15] Nouvelles technologies pour l’ozonisation et le dégazage, Riboni, Enrico, Overbeck, Paul, Gaz Eau Eaux usées, mai 1997 [16] Eaux de process. Quand la désinfection est nécessaire, Riboni, Enrico, Environnement et Technique, octobre 2002 [17] Elektromagnetische Wasserbehandlung — Falstudien in Abwasseranlagen und Trinkwasser-Anwendungen. Bundesamt f¨ ur Umwelt, Wald und Landschaft (BUWAL), 1999. Cette publication disponible auprès de l’administration fédérale suisse résulte d’une thèse faite a` l’Ecole Polytechnique de Zurich et représente l’étude la plus extensive sur des essais d’antitartres électromagnétiques réalisés en conditions réelles a` ce jours. [18] Le mémento technique de l’eau de Degrémont, qui fut un certain temps disponible en ligne, mais peut encore être acheté. [19] http ://www.osmonics.com : grande quantité d’articles sur différentes applications des technologies membranaires [20] Biofilms Online : http ://www.biofilmsonline.com/ : informations et liens sur les biofilms [21] Center for Biofilm Engineering : http ://www.erc.montana.edu/ : informations et liens sur les biofilms [22] Ultraviolet (UV) Disinfection in Drinking Water Treatment in North America Malley, James P. Jr, Ph.D, WaterTECH Conference, Sydney, Australia, Avril 2000. Disponible sur le site http ://www.iuva.org [23] Survival of Bacteria After Ozonation, Lee, JiYoung et Deininger, Rolf A., Ozone Science and Engineering, Volume 22, Number 1, 2000 [24] High Efficiency In-Line Pressurized Ozone Contacting With The GDTTM Process Mazzei, Angelo, Overbeck, Paul, présenté à International Ozone Association Annual Conference, Berlin, avril1997 [25] Mass Transfer of High Concentration Ozone With High Efficiency Injectors and Degassing Separators, Mazzei, Angelo L., présenté a` International Ozone Association Annual Conference, Cambridge, Massachusetts, novembre 1995 [26] Battling Biofilms : Costerton, J.W. and P.S. Stewart, Scientific American, 285(1) :74-81 (2001) [27] Measurement of Dissolved Ozone, Kilham, Larry B., Water Conditioning and Purification, January 2002, pages 34-35 [28] Blockage of Piggery Effluents Pipes — A Magneto-Hydrodynamic Solution, dans Water, février 1991. [29] Le traitement magnétique des liquides contre la corrosion et l’incrustation, Vermeiren, T., Cebelcor, 1957


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Bibliographie

Bibliographie

[30] Magnetic Treatment of Liquids for Scale and Corrosion Prevention, Vermeiren, T., Corrosion Technology, 5, 1958 [31] Physikalische Wasserbehandlungsgeräte. Versuche und Stellungnahme der EMP, Theiler, F., Gas — Wasser — Abwasser, 11, 1988. [32] Désinfection de boucles de distribution, Riboni, Enrico, Note Technique ozone.ch, 2002 [33] Désinfection d’installations domestiques, Riboni, Enrico, Note Technique ozone.ch, 2001 [34] Paramètres à enregistrer quotidiennement sur un osmoseur, Riboni, Enrico, Note Technique ozone.ch, 2002 [35] Practical Techniques and Methods to Develop an Efficient Water Management Strategy,Tainsh, R.A. and Rudman A. R.,IQPC conference “Water Recycling and Effluent Re-Use”, 26-27 April 1999


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Livre Eau

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