Dans notre monde moderne actuel, le traitement de l'eau nécessite des produits de séparation de haute technicité et de haute performance, que ce soit pour offrir une qualité d'eau traitée avec des exigences croissantes ou pour produire de l'eau au plus bas coût. Cependant, pour obtenir la qualité exigée, on a souvent recours plusieurs techniques de séparation. Cette évolution est la raison principale qui a incité Lanxess à démarrer la production de la membrane d'osmose inverse (OI) Lewabrane et de ses éléments dans un nouveau site de production à Bitterfeld en Allemagne.
Bien que les membranes composites à couche mince basées sur ce procédé s’utilisent depuis plus de trente ans, la technique la plus récente offre aujourd'hui la possibilité de contrôler le processus de polymérisation avec plus de précision. Par conséquent, pour développer notre membrane, nous nous sommes concentrés sur l’amélioration du degré de polymérisation du polyamide dans la couche. Un degré de polymérisation plus élevé améliore la stabilité mécanique et chimique de la mince couche de barrière et donc ainsi sa longévité. Il réduit en outre la charge négative sur la surface de la membrane, permettant ainsi une plus faible adsorption cationique (colmatage) à cet endroit.
Les premiers essais réalisés sur le terrain avec les nouveaux éléments de la membrane Lewabrane RO B400HR ont débuté en janvier 2012. Les éléments ont été placés dans une installation d’osmose inverse existante, qui traite 40 m³/h d’eau du Rhin en aval d'un système d’ultrafiltration. La comparaison avec les éléments installés par un autre fournisseur a permis de montrer que les éléments Lewabrane donnent une valeur de flux du même ordre de magnitude. L’élimination de composés organiques toxiques (COT) et de silice ont été mesurés périodiquement pendant ces essais. L’élimination de COT mesurée s’élevait à environ 95-96 %, et l’élimination de silice totale mesurée, à environ 99,3 %. En conclusion, il a été démontré que le nouvel
Élément de la membrane Lewabrane RO réalise une performance similaire dans des conditions d’opération identiques.
Si Lanxess a franchi un grand pas en intégrant la technologie de la membrane d’osmose inverse dans son catalogue de produits de séparation, c'est parce que l’osmose inverse est une technologie complémentaire de celle des résines échangeuses d’ions. Les résines échangeuses d’ions de Lanxess sont produites depuis plus de 70 ans sous la marque Lewatit®. En règle générale, l’osmose inverse dessale efficacement les eaux de salinité élevée, mais l’échange d’ions permet, lui, d’extraire sélectivement certains ions de l’eau. Le tableau 1 indique la technique de séparation pouvant être utilisée en fonction de la qualité du perméat.
Tableau 1
| Processus | Déminéralisation | Désalinisation |
|---|---|---|
| Limites |
|
|
| Technologie |
|
|
Dans des applications de séparation modernes, les processus mixtes osmose inverse/échange d'ions ne s’utilisent pas uniquement dans des applications telles que la désalinisation de l'eau d’alimentation des chaudières, mais aussi dans d'autres applications de processus, comme l’élimination du bore de l'eau de mer, ou le traitement de l'eau utilisée dans les extractions non conventionnelles de pétrole.
Combinaison osmose inverse - échange d’ions
Pour atteindre un niveau de récupération élevé, il convient d’adoucir l’eau à des niveaux de dureté de l’ordre du ppb. Pour réaliser cet adoucissement d'une manière fiable, surtout avec une eau de salinité élevée, on a recours à un processus d’échange d'ions sélectif, comme celui de type à résine échangeuse d'ions cationiques acide faible (la Lewatit CNP80, par ex.), qui s’utilise typiquement avant le traitement des eaux saumâtres par osmose inverse. Un autre exemple est l'utilisation de résines chélatrices, capables d’adoucir l'eau efficacement à des niveaux de dureté de l’ordre du ppb, même à partir de solutions salines saturées. Ce type de résines s'utilise typiquement pour adoucir le concentré d'une installation d’osmose inverse, avant tout traitement d’OI ultérieur. Dans la plupart des applications, un traitement chimique au moyen d’acides ou d'un produit de détartrage est appliqué comme prétraitement d’un processus d’OI. Le processus d’adoucissement par échange d’ions comporte des avantages si l’extraction des sels s’avère difficile, ou si les produits de solubilité (Ks) des sels dépassent de loin la limite de saturation, de sorte que l’utilisation d'un produit de détartrage est exclue pour l’application.
Utilisation mixte échange d’ions - osmose inverse
Contrairement à l’exemple de traitement d’eau donné ci-dessus, l’échange d’ions s’utilise comme post-traitement pour l’élimination de bore, qui, à l’aide de la seule osmose inverse s’effectue à un pH.
9. À cette valeur, le bore est partiellement chargé négativement et l'élimination peut s'élever jusqu'à 90 % avec des éléments d'osmose inverse pour l'eau de mer, et à 75 % avec des éléments d'osmose inverse pour eaux saumâtres. Pour atteindre une limite inférieure à 0,5 mg de bore par litre de perméat, il est nécessaire de soumettre le premier perméat à un traitement d'osmose inverse supplémentaire (via un système à deux passages ou en partie à deux passages). Dans ce cas, l'adaptation du pH s'effectue devant la seconde voie.
Une solution alternative à ce processus consiste en un post-traitement par résine d'échange d'ions. Bien que seules quelques usines soient équipées de cette technique, celle-ci est nettement avantageuse si le client exige une faible concentration en bore (0,3 mg/litre). Dans un essai pilote mené dans une installation de désalinisation d'eau de mer, la teneur en bore a pu être réduite de 0,7 mg/l (après OI) à 0,2 mg/l (capacité opérationnelle de 2,6 g/l). L'échange d'ions étant un processus de séparation très sélectif, c'est essentiellement du bore qui est éliminé et la capacité de la résine n'est pas épuisée par d'autres ions. Des processus similaires peuvent être utilisés après osmose inverse pour procéder à l'élimination sélective d'autres composés critiques, comme l'arsenic ou les métaux lourds.
Nouveau logiciel de conception
Pour concevoir des systèmes d'échange d'ions ou d'osmose inverse, la plupart des ingénieurs utilisent des logiciels sur mesure proposés par des fabricants de tels produits. Depuis le mois de juillet, Lanxess propose un nouveau logiciel complet, appelé LewaPlus.
Ce logiciel est capable d'intégrer des schémas de calcul d'osmose inverse et d'échange d'ions. Par conséquent, les installations de traitement de l'eau équipées d'un système OI à deux passes ou des procédés hybrides utilisant successivement l'osmose inverse puis l'échange d'ions, peuvent être comparées, permettant ainsi au concepteur d'optimiser rapidement l'installation de traitement de l'eau. De plus, le logiciel permet de calculer et d'évaluer les effets des variables de processus, telle la température, pour un système complet.
Concernant la conception d'une installation d'osmose inverse, le logiciel permet d'obtenir un schéma recommandé, basé sur les informations introduites. D'autres mises à jour sont prévues pour cette année, par exemple l'option de post-traitement par échange d'ions, ainsi qu'un calcul détaillé du coût et de l'énergie pour le concept d'osmose inverse.
Lorsqu'on procède à la validation économique des processus d'osmose inverse et d'échange d'ions, le coût d'élimination dans le concentré joue souvent un rôle important. C'est cependant la concentration en sel du paquet d'eau qui revêt généralement une importance primordiale. Alors que le coût spécifique de l'eau déminéralisée par échange d'ions dépend de la concentration en sel du paquet d'eau, le coût spécifique pour une installation d'osmose inverse est constant pour une large gamme de concentrations en sel.
Par ailleurs, le coût spécifique de l'eau traitée par osmose inverse se fait sentir à un niveau plus élevé, de sorte que le seuil de rentabilité (intersection) montre au concepteur où la valeur de salinité de l'échange d'ions et de l'osmose inverse représente le même coût. La validation économique mise à part, d'autres raisons peuvent expliquer pourquoi on sélectionne...
L’osmose inverse ou l’échange d’ions pour un processus.
En général, le processus d’osmose inverse est privilégié si la facilité de maniabilité constitue un critère de sélection critique, et l’on privilégiera l’échange d’ions si une sélectivité élevée est profitable.
Lanxess est convaincue que les technologies d’échange d’ions et d’osmose inverse connaîtront toutes deux une forte croissance dans un proche avenir. La désalinisation de l’eau de mer connaît une croissance rapide, avec un taux de croissance attendu de 12 %; celle de l’eau saumâtre a un taux de croissance légèrement inférieur. Il est clair qu’un brillant avenir est réservé au processus utilisant la membrane d’osmose inverse. Et quant aux processus de traitement de l’eau exigeant plus d’efficacité et de sélectivité, le même brillant avenir est réservé au processus par échange d’ions. La technologie de traitement de l’eau moderne exige que plusieurs technologies soient combinées, par exemple, l’intégration de différents processus de séparation par membrane (ex. ultrafiltration et séparation par membrane d’osmose inverse) ou la combinaison de plusieurs techniques comme l’osmose inverse et l’échange d’ions, ou l’osmose inverse et l’électrodéionisation.
Aujourd’hui Lanxess propose deux solutions de pointe pour les processus de séparation (osmose inverse et échange d’ions) afin de permettre au concepteur de processus d’optimiser le processus de traitement de l’eau dans le but d’en abaisser le coût et d’améliorer la fiabilité du traitement de l’eau pour l’utilisateur.
