Aspects techniques et économiques de l'osmose inverse

L'osmose inverse est utilisée dans le milieu industriel depuis la mise au point des membranes asymétriques par Loeb et Sourirajan dans les années soixante.

Historiquement, la production d'eau potable à partir d'eau de mer fut la première application industrielle de l'osmose inverse. De nos jours, les applications de cette technologie membranaire (et des autres : nanofiltration, ultrafiltration, microfiltration, perméation gazeuse) sont de plus en plus nombreuses et trouvent leur place dans un nombre croissant d'activités industrielles au point qu'il semble que seule l'imagination humaine puisse en limiter les possibilités.

Caruana (1) a bien décrit les avantages des technologies membranaires et particulièrement de l'osmose inverse pour éliminer des polluants de l'eau et permettre ainsi sa réutilisation : faible consommation énergétique, systèmes modulaires, procédés continus aisément automatisables. Lambisto (2) par exemple a démontré l'utilisation de l'osmose inverse dans la production du vin pour enrichir le jus de raisin en sucres à des valeurs constantes de 280 g/l en enlevant 10 à 20 % de son eau. Les œnologues ont conclu que les vins de Médoc traités de cette manière avaient un merveilleux bouquet. De très nombreuses autres applications, quoique moins plaisantes pour le palais, sont décrites dans une abonne-

Abondante littérature. Quelques-unes sont passées en revue dans cet article qui décrit d’abord les principes de l’osmose inverse et analyse ensuite l’influence de différents paramètres de fonctionnement (pression transmembranaire, qualité et débit d’eau traitée) sur la qualité du perméat. Nous évoquons également quelques considérations économiques dans le cadre de certaines applications ainsi que les possibilités qui existent pour traiter ou réutiliser les concentrats produits.

Osmose et osmose inverse

Quand de l’eau pure et une solution aqueuse concentrée sont séparées par une membrane semi-perméable, un flux d’eau s’établit spontanément depuis le compartiment eau pure vers le compartiment solution aqueuse (figure 1) à cause de la différence de potentiel chimique existant entre les deux liquides. En conséquence, la pression augmente dans le compartiment de la solution aqueuse jusqu’à un niveau d’équilibre auquel correspond sa pression osmotique π. Celle-ci est fonction de la concentration en solutés et de la température du liquide. Pour des solutions diluées et pures (un seul type de soluté), la pression osmotique peut être calculée à l’aide de la relation suivante :

π = RTC eq. 1

où R est la constante des gaz parfaits en Joule mole⁻¹ K⁻¹, T est la température en °K et π est exprimé en Pa.

L’osmose inverse apparaît quand une pression supérieure à la pression osmotique d’un liquide lui est appliquée. La direction du flux d’eau s’inverse vers le compartiment eau pure et le liquide traité se concentre de plus en plus. Le flux d’eau à travers la membrane est une fonction linéaire de la pression transmembranaire qui est la différence entre la pression appliquée et la différence de pression osmotique entre les deux compartiments. Le flux transmembranaire Jw est calculé à l’aide de la relation suivante :

Jw = Aw (ΔP – Δπ) eq. 2

où Jw est exprimé en moles s⁻¹ m⁻² et Aw est la perméabilité à l’eau en moles s⁻¹ m⁻² Pa⁻¹ et est une caractéristique de la membrane. Le flux de soluté, au contraire, est empêché par la membrane et est beaucoup plus faible que le flux d’eau. Il peut être mesuré par la relation suivante :

Js = Bs (Ca – Cp) eq. 3

où Js est exprimé en moles s⁻¹ m⁻², Bs est la perméabilité au soluté en m s⁻¹ m⁻² et Ca et Cp sont les concentrations en mole/l du soluté de chaque côté de la membrane, respectivement du côté alimentation et du côté perméat.

Dans la plupart des systèmes d’osmose inverse, la concentration en solutés au niveau de la membrane est supérieure à la concentration du liquide traité à cause du fait que de l’eau est enlevée au niveau de la surface. Ce phénomène, appelé polarisation de concentration, dépend beaucoup du type d’appareil utilisé et est très difficile à mesurer. Il est possible de l’estimer par l’application des règles de la dynamique des fluides mais il est surtout plus simple de l’étudier en traçant des courbes au départ de données expérimentales.

Dans la documentation technique, les propriétés des membranes pour la séparation des différents types de composés solubles sont exprimées en général en termes de taux de rétention (R) défini par :

R = 1 – (Cp / Ca) eq. 4

Le débit de solvant transmembranaire, quant à lui, se mesure le plus souvent en taux de conversion, c’est-à-dire par le rapport entre le débit de perméat (Dp) et le débit d’alimentation (Da) :

Taux de conversion = (Dp / Da) eq. 5

À l’aide des figures 2 à 4 ci-après, nous essayons d’expliquer comment la qualité et le débit de perméat changent en fonction de la pression appliquée, de la concentration du liquide traité et du débit d’alimentation. Les taux de rétention et les concentrations dans le perméat sont présentés comme une estimation de sa qualité et le débit transmembranaire est exprimé en termes de taux de conversion. Les courbes présentées ont été établies à partir de données expérimentales et de simulations réalisées sur un module disque-tube décrit ailleurs (5). Dans ce système, le liquide traité est mis sous pression dans une pompe à haute pression à pistons donnant un débit constant proportionnel à la pression du concentrat. La solution de référence ne contient que du CaCl₂ et la polarisation de concentration est estimée à 1,5 fois la concentration du liquide traité.

Nous supposons également que les caractéristiques de l’écoulement dans le module ne changent pas en fonction des différentes conditions expérimentales, ce qui bien sûr est incorrect. Cependant, les variations de qualité du perméat sont des données expérimentales et pourraient également être établies pour d’autres molécules.

Influence de la pression de travail

À la figure 2, nous avons calculé et représenté la qualité du perméat en fonction de la pression pour des solutions de CaCl₂ à 0,05 mole/l ; la pression osmotique vaut 0,36 MPa. Le débit d’alimentation est de 200 l/h et les pres

Les pressions appliquées vont de 1 à 6 MPa (l’osmose inverse est le plus souvent utilisée entre 3 et 6 MPa).

Il apparaît que le taux de conversion augmente linéairement avec la pression appliquée comme on peut s’y attendre (eq. 2). Dans le même temps, la concentration dans le perméat diminue jusqu’à une valeur 200 fois inférieure à celle du liquide traité à 6,0 MPa et le taux de rétention augmente jusqu’à 0,995. Nous pouvons par exemple calculer que 35 % de solvant passent à travers les membranes pour seulement 0,3 % du soluté. Il est par ailleurs évident que des taux de conversion plus élevés pourraient être obtenus en utilisant des surfaces membranaires supérieures (eq. 2).

Influence de la concentration du liquide traité

La figure 3 décrit l’influence de la concentration du liquide traité sur les mêmes paramètres (taux de conversion, concentration du perméat et taux de rétention). Les concentrations varient de 0,01 à 0,2 mole/l, ce qui correspond à des pressions osmotiques de 0,073 à 1,46 MPa à 20 °C.

La pression appliquée (constante) vaut 2 MPa et le débit d’alimentation est maintenu à 450 l/h pendant les expérimentations. Il est clair d’après l’équation 2 que le taux de conversion diminue quand la pression transmembranaire diminue, de 12 à environ 3 % dans ces essais. De plus fortes concentrations dans le liquide traité aboutissent nécessairement à une moindre qualité du perméat parce que le transfert des solutés à travers la membrane est indépendant de la pression transmembranaire mais augmente avec la concentration du liquide traité. Par exemple, on calcule que la concentration dans le perméat passe de 2·10⁻⁴ à 1,4·10⁻² mole/l lorsque la concentration dans le liquide traité augmente de 0,01 à 0,2 mole/l. De la même manière, le taux de rétention diminue rapidement aux concentrations élevées.

Influence du débit d’alimentation

La figure 4 essaie de prédire les modifications de qualité et de débit de perméat lorsque le débit d’alimentation varie entre 50 et 450 l/h à une pression constante de 3 MPa et pour une concentration du liquide traité de 0,05 mole/l.

Ces courbes doivent être interprétées avec beaucoup de précautions. En effet, les variations de débit modifient considérablement les régimes d’écoulement dans le module qui, de turbulents, peuvent devenir tout à fait laminaires. Le coefficient de transfert et la polarisation de concentration subissent alors des variations importantes qui n’ont pas été prises en compte dans le tracé des courbes de la figure 4.

Nos simulations tiennent compte d’un taux de conversion maximum de 80 %. Comme on peut le voir, la concentration en soluté du perméat est plus importante pour les faibles débits à cause de l’augmentation de la polarisation de concentration et d’un débit d’eau à travers les membranes plus faible.

Pour les mêmes raisons, le taux de rétention est inférieur à faible débit tandis que le taux de conversion augmente avec le débit pour une même surface de membranes et une même pression transmembranaire.

Exemples d’applications de l’osmose inverse

Le dessalement d’eau de mer est certainement l’application la plus connue de l’osmose inverse. Les technologies alternatives les plus courantes sont l’évaporation simple ou multi-étagée, la distillation à multiples effets, ou les systèmes d’évaporation solaire. Depuis plusieurs années cependant, l’utilisation de l’osmose inverse tend à augmenter en raison de facteurs d’encombrement et de consommation énergétique moindres, de peu de problèmes de corrosion et de maintenance et du caractère modulaire des installations.

L’eau de mer est un milieu complexe contenant en moyenne jusqu’à 35 g/l de différents composés organiques et inorganiques (surtout NaCl) mesurés en termes de TDS (Total Dissolved Solids). Dans le Golfe Persique, l’eau de mer présente des valeurs en général supérieures et pouvant atteindre 50 g/l. De plus, l’eau de mer contient des argiles, des particules colloïdales, des microorganismes et autres particules solides qui doivent être éliminées avant le traitement par osmose inverse afin d’éviter ou au moins de réduire les phénomènes de colmatage des membranes (fouling). Filtres à sable, préfiltration, coagulation, polyélectrolytes, stérilisation sont autant de techniques de prétraitement utilisées pour éliminer ces composés de manière plus ou moins poussée selon les systèmes d’osmose inverse utilisés. Le colmatage des membranes par la précipitation de sels (scaling) présents à des concentrations voisines de la limite de solubilité peut quant à lui être évité en ajustant le pH ou en utilisant des agents séquestrants comme le métaphosphate de sodium.

La configuration des installations de dessalement est présentée à la figure 5 : la plupart sont à passage simple (5A), c’est-à-dire que l’eau à traiter est simplement séparée en deux flux, l’un traversant les membranes (perméat = eau potable) et l’autre se concentrant au long des modules (concentrat). Dans les systèmes à deux étages (5B), le perméat du premier étage (p1) est traité dans un second étage d’osmose inverse dont le concentrat (c2) est renvoyé en tête de traitement avec l’eau brute. Dans les deux cas, le concentrat final est simplement renvoyé dans la mer.

En Belgique même, des producteurs d’eau (3) étudient actuellement les potentialités de l’osmose inverse pour la production d’eau potable à partir des eaux saumâtres des docks du port d’Anvers. On estime que l’osmose inverse serait jusqu’à 30 % moins chère que l’électrodialyse pour une même capacité de 10 000 m³ par jour en tenant compte du renvoi du concentrat dans les docks.

Les utilisations de l’osmose inverse

Elements of Water – Production Costs

Tableau II (12) : Coûts comparés (US$/m³) de production d’eau ultrapure (18 MΩ) par échange d’ions, osmose inverse + échange d’ions ou osmose inverse à deux étages pour différents TDS (mg CaCO₃/l) (capacité de 4400 m³/jour, eau à traiter à 30 °C et pH 7,6)

dans les domaines industriel et environnemental sont de plus en plus nombreuses. Les plus remarquables concernent le traitement des lixiviats de décharge, la récupération de matières actives dans l’industrie textile, la concentration de solutions dans l’industrie agro-alimentaire ou la production d’eau ultrapure dans l'industrie chimique et électronique. Le tableau présente une synthèse d’applications importantes en mentionnant les coefficients de rétention obtenus et les paramètres de fonctionnement principaux quand ils sont connus.

Considérations économiques sur l’osmose inverse

Les coûts de traitement par osmose inverse varient naturellement avec la dimension des installations comme pour toutes les technologies. Les capacités de traitement des installations peuvent varier de quelques centaines de litres par jour à plusieurs milliers ou dizaines de milliers de m³ dans certaines applications dont le dessalement (usines de production d’eau potable). La qualité de l'eau à traiter comme les objectifs de qualité du perméat à atteindre influencent considérablement les coûts du traitement par osmose inverse comme on peut l’imaginer en fonction de l’équation 2 : des concentrations en sels plus élevées dans l'eau à traiter augmentent en effet la pression osmotique du liquide à traiter et diminuent donc la pression transmembranaire pour une même pression appliquée. Conséquence, le débit et la qualité du perméat diminuent et les coûts augmentent.

Si on considère que les liquides sont incompressibles, la quantité d’énergie E nécessaire pour amener un volume V de liquide de la pression atmosphérique à une haute pression P est donnée par le produit de la pression et du volume :

E = P × V (eq. 6)

où E est exprimé en Joule, P en Pa et V en m³. À 6,0 MPa par exemple, la quantité minimale d’énergie par m³ vaut 5,887 MJoule. En principe, une quantité d’énergie non négligeable peut être récupérée à partir du concentrat : des pompes à contresens ou des turbines de Pelton animées par la pression du concentrat peuvent réduire la puissance nette consommée de 20 à 40 % et sont fréquemment utilisées dans les installations de dessalement.

Birkett (11) a étudié les coûts de fonctionnement de plusieurs usines de dessalement utilisant la technologie d’osmose inverse. À Malte, l’installation de Ghar Lapsi consomme 5,25 kWh par m³ et le coût total de production d’un m³ d’eau potable atteint 0,925 US$. L’usine du Diablo Canyon comprend deux étages de traitement et nécessite environ 6,33 kWh par m³ pour un coût total de production d’un m³ atteignant 1,21 US$, dont 63 % représentent des coûts opérationnels et 37 % les coûts d’amortissement du capital.

Whipple et al. (12) ont présenté une étude comparative des différents coûts (amortissement, exploitation, assurances et taxes) de production d’eau ultrapure (18 MΩ) à partir d’eau de ville avec trois techniques différentes : échange d’ions, combinaison d’osmose inverse et d’échange d’ions et osmose inverse à deux étages.

Le tableau II présente les résultats de cette étude : la qualité de l'eau à traiter est exprimée en TDS (mg CaCO₃/l) et le débit traité atteint 4400 m³/jour. Dans le cas des résines échangeuses, on remarque que les coûts varient très fort en fonction de la qualité de l'eau à traiter alors qu’en osmose inverse, ils sont relativement peu sensibles au même paramètre. Il n'y a que pour des faibles valeurs du TDS que l’échange d’ions apparaît comme une technique moins chère que l’osmose inverse. Par contre, dans tous les cas, c’est la combinaison des deux techniques qui aboutit aux coûts les moins importants.

En 1988, une étude (13) du département de l’énergie aux États-Unis concernant les systèmes hybrides combinant osmose inverse et échange d’ions a abouti aux mêmes conclusions. Cette étude présente également les besoins énergétiques de différentes

Tableau III (13) : Besoins énergétiques (10¹¹ Joules/tonne de solution traitée) du traitement de liqueurs noires (45 t/jour, 15 % de matière sèche, rendement énergétique vapeur = 85 % et rendement énergétique électricité = 33 %)

Les installations utilisées pour traiter les liqueurs noires des usines de production de pâte à papier utilisant le procédé Kraft. Les liqueurs noires contiennent environ 15 % de matière sèche et sont normalement traitées par évaporation (EV) ou peuvent être concentrées jusqu’à 65 % par osmose inverse (RO : Reverse Osmosis) et/ou refroidissement (FC : Freeze Concentration) avant d’être évaporées. On peut voir que les besoins énergétiques totaux du traitement peuvent être considérablement réduits en utilisant des membranes d’osmose inverse avant les autres technologies.

Owen et al. (14) ont publié une étude économique des systèmes membranaires utilisés pour la production d’eau et le traitement des eaux usées. Bien qu’ils aient surtout étudié l’ultrafiltration et la microfiltration, ils ont conclu que les coûts des technologies membranaires dépendent essentiellement du prix des membranes, de la fréquence de leur remplacement et de la consommation énergétique, et qu’un choix judicieux des membranes et des conditions opératoires permet de réduire nettement les coûts d’exploitation.

Autre exemple, la décharge de Schönberg (15) près de Hambourg en Allemagne, où les lixiviats sont traités par osmose inverse (153 607 m³ traités en 1992, soit 17,5 m³/h à cette époque, capacité actuelle 65 m³/h) en deux étages : un premier étage à 6,0 MPa (1 560 m² de surface membranaire) et un second étage de concentration à 14,0 MPa (887 m² de surface membranaire) permettent de réduire le volume des concentrats à moins de 10 % du volume initial avant solidification et remise en décharge des déchets solides. Le premier étage à 6,0 MPa nécessite seulement 6 kWh/m³ et le second 20 kWh/m³, soit au total environ 10 kWh/m³ pour l'ensemble du traitement par osmose inverse.

Conclusions

En osmose inverse, le débit et la qualité du perméat dépendent largement de la qualité des eaux traitées ; un des paramètres les plus importants à considérer pour prévoir l’efficacité du traitement étant leur pression osmotique.

Dans la documentation technique, la qualité des résultats obtenus par les systèmes d’osmose inverse est le plus souvent exprimée en termes de taux de rétention qui dépendent à la fois du type de membrane et de module utilisés. Le taux de conversion et les taux de rétention augmentent avec la pression tandis que l’augmentation de la concentration des eaux traitées a un effet inverse sur les deux mêmes paramètres.

Les applications industrielles de l’osmose inverse citées dans la littérature sont de plus en plus nombreuses. Parmi celles-ci, le dessalement d’eau de mer reste toujours la principale utilisation avec seulement 36 % des coûts totaux représentés par des frais d’exploitation pour un prix de revient d’environ 1,21 US$ par m³ d’eau potable produit dans un système à deux étages.

Dans d’autres cas, il apparaît que ce sont des systèmes hybrides combinant l’osmose inverse à d’autres technologies qui permettent de réduire les besoins énergétiques d’une installation complète de traitement d’eau.

Notre étude et la revue bibliographique qui la complète mettent bien en évidence les avantages de l’osmose inverse (et des technologies membranaires en général) dans les installations de traitement d’eau (faible consommation énergétique, systèmes modulaires, procédés continus aisément automatisables) et l’intérêt d’étudier convenablement tous les paramètres de fonctionnement pour le dimensionnement d’une installation.

Références bibliographiques

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2. Lambista G., Environnement et Technique, Jan./Fév. 1995, 42

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11. Birkett J.D., Factors influencing the Economics of Reverse Osmosis in Reverse Osmosis Technology, Marcel Dekker Inc., New York, 1988

12. Whipple S.S., Ebach E., Beardley S.S., Ultrapure Water, Oct. 1987, 24

13. Gottschlich E., Roberts D.L., Energy minimization of separation processes using conventional/membrane hybrid systems, Final Report DOE/ID-10301, SRI Int., Menlo Park, CA, 1990

14. Owen, M. Bardi, J.A. Howell, S.J. Churchhouse, J. Membr. Sc., 102, 1995, 77

15. Rautenbach R., Melis R., Simon S., Umkehrosmose auf die Deponie Schönberg, I.V.T., Aachen, 1993