Si l'apport de produits chimiques reste nécessaire pour le traitement des eaux de chaudières et dans les circuits de refroidissement, ces deux activités totalisant à l'heure actuelle plus de 70% du marché du conditionnement, les techniques de traitement physique ont pris un essor important ces dernières années, faisant de l'ombre à la chimie dans toutes les applications où l'eau est utilisée comme matière première. Les produits chimiques utilisés sont optimisés et les nouvelles formules biodégradables. Tendance au « vert » donc, et complémentarité de plus en plus marquée entre chimie et traitement physique.
Sous la pression environnementale et les exigences des industriels, le métier du conditionneur est actuellement en pleine mutation. Le conditionnement chimique rentre désormais dans une problématique globale du traitement de l’eau, l'industriel ne désirant s'adresser qu’à un seul fournisseur, rapporte Jean-Michel Fréal-Saison, directeur technique de Betz-Dearborn. Depuis 5 à 6 ans, la tendance est ainsi à l’externalisation des services et de l’exploitation du traitement des eaux industrielles, le conditionneur travaillant en collaboration étroite avec l’entreprise chargée du traitement physique de l’eau. De moins en moins chimique, le métier prend en charge de nouvelles responsabilités dans la gestion globale des projets d’installations. Expertises, audits et gestion des interfaces sont les nouvelles données ambiantes. Le mot d’ordre des clients : atteindre un niveau de qualité déterminé. « Les traiteurs d’eau sont payés au mètre cube ». Les temps changent donc, les techniques évoluent et les mentalités aussi. Depuis le début des années 90, on commence à envisager une gestion plus intégrée et plus « verte » de l’eau, avec un objectif : « Utiliser le moins possible de produits chimiques ».
Aujourd’hui, l’association du couple conditionnement chimique – traitement physique est incontournable pour le traitement des eaux de process. L’amalgame entre ces deux activités pourrait d’ailleurs bientôt être fait, le conditionnement se limitant de plus en plus à la protection du matériel industriel, comme les chaudières, ou, nouveauté, des osmoseurs. Les industriels, gros consommateurs d’eau, chimistes, pétroliers ou constructeurs automobiles, font appel à des groupes experts dans le traitement de l’eau qui mettent en place toute la filière de traitement des eaux de process des sites. Sous le terme d’eaux de process se cachent les diffé-
Différentes applications des eaux du secteur industriel, soit l'eau matière première, qui rentre dans les procédés de fabrication, et l'eau vecteur énergétique, vapeur et refroidissement. Vivendi Water STI, leader sur ce marché, traite ainsi les eaux de process des plus grands groupes en fonction du critère de qualité de l'eau exigé, dans le respect des contingences économiques. Jean-Pierre Morin, en charge des marchés Chimie et Automobile à la Direction Commerciale de Vivendi Water STI, qualifie ainsi le traitement des eaux de process comme “l'assemblage des maillons de traitement clé définis par la qualité de l'eau brute et par l'objectif à atteindre”. Leur stratégie : réaliser des filières de traitement permettant de délivrer sur plusieurs étages les différentes qualités d'eau requises, dans des conditions économiques optimales. Beaucoup d'industriels désirent une eau de qualité industrielle de base, voire décarbonatée, pour une utilisation courante. Lorsque l'eau sert de matière première, elle doit en général subir des traitements plus poussés pour sortir adoucie, osmosée ou déminéralisée. Certaines eaux, telles que les eaux de chaudières, nécessitent en plus d’être conditionnées en aval du traitement physico-chimique (conditionnement anti-corrosion notamment), où l'emploi de produits chimiques reste incontournable.
Choisir une filière
La première étape d'une filière de traitement est avant tout déterminée par la nature de l'eau brute. L'eau de rivière, la plus chargée en matières en suspension, molécules organiques, salinité et bactéries, subira plus d'étapes de traitement qu'une eau potable plus noble, qui ne contient principalement que des sels. Première étape donc, l'élimination des matières en suspension. Vivendi Water STI utilise son procédé Actiflo®, visant à remplacer le procédé classique de coagulation, floculation, décantation. Basé sur une floculation lestée par l'ajout de microsable qui augmente d'un facteur 50 la vitesse de décantation, ce procédé permet d'atteindre des vitesses de décantation de 50 à 100 m/h, réduisant par conséquent la taille et le coût des installations. À Maubeuge, Renault a ainsi adopté un système Actiflo®, opérationnel en quelques minutes, pour traiter et recycler ses eaux pluviales, très variables tant en qualité qu’en quantité.
Au-delà de l’élimination des matières en suspension, il est ensuite nécessaire de débarrasser l'eau de sa faible turbidité résiduelle par filtration. En complément de l'utilisation de filtres conventionnels sous pression, monocouches ou multimédias, Vivendi Water STI propose également un système de filtration gravitaire particulièrement bien adapté aux gros débits, le procédé Filtraflo®.
Il est à noter que de plus en plus, des membranes de micro et d’ultrafiltration sont utilisées pour l’élimination des matières en suspension résiduelle. À ce niveau de traitement, une simple désinfection au chlore conduit à des eaux industrielles de bonne qualité permettant de satisfaire des usages courants.
Les étapes de traitement complémentaire concernent surtout les eaux de process « matière première » et les eaux de chaudière. L'élimination des sels dissous est alors une étape indispensable, modulable selon les exigences de qualité. L’eau peut être uniquement adoucie par élimination du calcium et
du magnésium, décarbonatée, ce sont alors les bicarbonates qui sont supprimés, ou déminéralisée. Jean-Pierre Morin cite à ce propos le procédé de décarbonatation catalytique Actina®. “Il permet la cristallisation du carbonate de calcium à très grande vitesse dans un lit fluidisé”. Là encore, on évite l’ajout de produits chimiques dans l’eau. Les résines échangeuses d'ions, à co ou contre courant, sont elles aussi très répandues pour l’adoucissement et la déminéralisation. Les techniques membranaires sont en pleine expansion et tendent à se généraliser comme premier niveau de dessalement : osmose inverse pour la déminéralisation et nano-filtration pour l’adoucissement et/ou la désulfatation. L'eau déminéralisée obtenue par osmose inverse contient encore 1 à 3 % de la salinité initiale, une qualité qui couvre de très larges besoins industriels.
Confrontée à des exigences de qualité supérieure, l'eau utilisée pour l’énergie, la pharmacie, les cosmétiques ou la micro-électronique doit être débarrassée de la salinité résiduelle, mais aussi de la silice dissoute. Là encore, les résines échangeuses d'ions viennent à la rescousse. Mais pas uniquement, il faut également compter sur le CDI®, module d’électrodéionisation de Vivendi Water STI, procédé qui couple électrodialyse et échange d'ions. Cette technique possède un avantage sur les résines puisqu’elle ne nécessite pas l'apport de produits chimiques de régénération agressifs. En effet, alors que traditionnellement les résines sont classiquement régénérées de façon discontinue à l'aide d’acide et de soude conduisant à la formation d’éluats à neutraliser, dans ce procédé la régénération est continue et électrique.
Le stade ultime pour passer d’une eau déminéralisée de haute pureté à une eau ultra-pure réside en l’élimination des micro-polluants (bactéries, pyrogènes, TOC, particules). On parle alors de « polissage » de l'eau, réalisé par différents passages sur membranes couplés à une photo-oxydation. Des rayons ultraviolets de haute intensité éliminent bactéries et micro-organismes. Ainsi, on peut arriver à l’obtention d'une eau ultrapure sans conditionnement, à condition d’adapter également la nature des matériaux de canalisation (inox, polymères fluorés) pour les rendre compatibles avec la qualité d’eau qu’ils véhiculent.
Certains industriels n’ont pas besoin de filières aussi complètes. Il s’agit alors de cas par cas, selon la nature de l'eau brute et la qualité requise en sortie, pour mettre en œuvre la filière alliant une grande disponibilité.
Qualité, une parfaite fiabilité pour un coût global (investissement et exploitation/maintenance) le plus réduit possible.
Dans les grandes lignes, les solutions retenues par des industriels ayant besoin de différentes qualités d’eau sont des installations contenant 4 ou 5 étapes.
Classiquement, un traitement physique en 4 ou 5 étapes
Classiquement, l’eau brute provenant souvent des rivières est traitée par un système Actiflo®. Après l’élimination des matières en suspension, une filtration est nécessaire pour préparer l'eau à un passage sur membrane d’osmose inverse. Cette technique membranaire s'est largement développée depuis 15 ans puisqu’elle est devenue économiquement intéressante, parfaitement fiable, et permet d’obtenir une qualité de déminéralisation standard à bas coût. Cependant, la tendance est à l'utilisation d’un conditionnement chimique simple comme prétraitement en amont des osmoseurs à la place d'un module d'adoucisseur. Moins contraignante et moins chère que l'adoucissement, cette solution protège l’osmoseur des dépôts de calcaire. Pour limiter les facteurs de concentration de sels dans les circuits : ajout d'un couple dispersant-complexant comme les polyacrylates et l'acide phosphonique. Enfin, l’entretien des membranes à l’arrêt nécessite l’apport de biocides car il s'y développe de nombreuses bactéries. Il est ensuite possible de coupler l'osmose inverse à des résines échangeuses d'ions, donnant accès à une eau déminéralisée de très bonne qualité. Les résines sont toujours situées en aval des osmoseurs pour limiter la quantité de produits de régénération à utiliser. Moins l'eau est chargée en sels à l'entrée des résines, plus la quantité d'éluats générés sera faible. L'autre possibilité, installer un module CDI™ en sortie de l'osmoseur, pour accéder à de l'eau ultrapure.
Ce type d'installation permet ainsi une gestion intégrée du traitement puisque chaque étape donne accès à des qualités d’eau modulables.
Cependant, beaucoup d’industriels n’investissent pas dans une filière de traitement intégré, lorsque l'eau leur sert uniquement de vecteur énergétique (chaudières et refroidissement). Investir dans une installation d'osmose inverse pour déminéraliser l'eau en amont de la chaudière est une tendance à la hausse mais qui ne fait pas encore la majorité. Les prétraitements physiques sont encore peu développés sur le marché des chaudières, la stratégie de nombreux industriels n’étant généralement pas axée sur l’optimisation énergétique de la vapeur. En pharmacie ou en chimie fine, activités qui nécessitent une eau déminéralisée de bonne qualité dans leurs procédés de fabrication, il est évident que cette eau leur sert également à l’alimentation des chaudières. Mais l'agroalimentaire, qui travaille beaucoup avec de l'eau potable, n’installera pas de filière de prétraitement physique très sophistiquée destinée au traitement de la vapeur. La majorité préfère encore minimiser les coûts en utilisant un simple adoucissement chimique, par ajout d’acides ou, au mieux, à l'aide de résines échangeuses d'ions. Pascal Berardo, responsable des marchés biopharmacie et microélectronique chez Vivendi Water STI, évoque ainsi une grande disparité de traitement des eaux de chaudière.
Chaudières et circuits de refroidissement, le conditionnement s’impose
Les installations de dégazage thermique représentent également un véritable inves-
L'industrie de traitement de surface, qui utilise la vapeur pour chauffer les bains chimiques, ou l'industrie papetière assurent un traitement de qualité aux eaux de chaudières. Une autre alternative, le conditionnement chimique, qui s’adapte bien à des chaudières de puissance moyenne. Dans ce cas, les réducteurs d'oxygène couramment employés sont l'hydrate d’hydrazine et le sulfite de sodium ou de potassium. Le premier additif est interdit pour de la vapeur utilisée en agroalimentaire mais, de par sa nature organique, ne génère pas de minéraux dans les circuits de chaudière. Le second correspond à la qualité alimentaire mais peut charger la chaudière en minéraux.
D’autres réducteurs sont présents sur le marché mais sont moins faciles à analyser; citons l'acide iso-ascorbique, les carbohydrazides et la DEHA (diéthylhydroxylamine). Le dioxyde de carbone dissous entraîne la formation d'acide carbonique et génère un phénomène de « corrosion carbonique ». L’ajout de neutralisants, ammoniaque ou dérivés, évite la formation d’acide. Les plus utilisés à l'heure actuelle, les amines volatiles, l'aminométhylpropanol, la cyclohexylamine et le DEAE (diéthylaminoéthanol).
Enfin, contre les dépôts de tartre qui obstruent les canalisations, le rôle des dispersants est indispensable. Les polyacrylates sont de nature organique et les polyphosphates forment une couche passive ferrophosphate qui assure également un rempart à la corrosion des tuyaux. Babcock-Wanson, spécialisé dans l'installation de chaudières et service après-vente, donc le conditionnement de l'eau, délivre ainsi depuis 10 ans des produits de commodités mélangeant les additifs chimiques de conditionnement. Le groupe possède un portefeuille de quelques 30 spécialités différentes, combinant réducteurs d’O2, phosphatants et alcalinisants et s'adaptant aux exigences du client.
Les industriels possédant des unités de traitement utilisent l'eau de qualité industrielle, voire décarbonatée pour les circuits de refroidissement. Les autres ont recours à un conditionnement chimique. Comparée à celle des chaudières, la température de 20-35 °C qui s'établit dans les circuits de refroidissement est propice à un fort développement bactérien qui nécessite l’ajout de biocides en « doses-choc » et une chloration en dose continue. Des tensioactifs de structure ammoniums quaternaires, le thiocarbamate et l'isothiazolone sont les biocides les plus répandus à l’heure actuelle. Selon la nature physico-chimique de l’eau brute, un traitement antitartre ou anticorrosion s'impose. Pour une eau dure (pH élevé), des couples dispersant-complexant antitartre ont été élaborés par Babcock-Wanson, en mélangeant polyacrylates et phosphonates. BetzDearborn propose également des dispersants ter-
Cimineuse des produits chimiques, les conditionneurs se posent désormais comme des conseillers de la gestion intégrée, observe Jean-Michel Fréal-Saison.
Polymères AEC et l'acide phosphonique ou le PBTC (acide phosphonobutyltricarboxylique) comme complexant. Lorsque l'eau est douce (pH faible), c’est une formulation à base de phosphates, phosphonates et sels de zinc qui jouent le rôle d'inhibiteurs de corrosion. Dianodic III, breveté par BetzDearborn, possède en outre une résistance au chlore. Le groupe a également breveté en 1999 un azole, produit chimique inhibiteur du cuivre, par dépôt d'un film sur les parois des échangeurs en laiton. Sa présence évite la corrosion au cuivre, par réaction électrochimique avec le zinc solubilisé. Les molybdates, sels anticorrosion coûteux, sont également utilisés, mais uniquement en circuits fermés, précise Jacques Dubreuil, responsable du conditionnement des eaux chez Babcock-Wanson.
Tendance à la hausse, la gestion intégrée des eaux de process
Les produits chimiques utilisés pour le conditionnement des eaux de chaudières et de refroidissement restent présents dans l'eau. Pour les éliminer, il est nécessaire de purger les installations. Devant les nouvelles pressions environnementales, le spectre du « rejet zéro » et une utilisation de plus en plus par-
Permo et Ionics, des solutions au cas par cas
Ionics et Permo sont spécialisés dans le traitement des eaux de process trouvant leurs applications dans l’industrie agro-alimentaire aussi bien que dans l’industrie chimique, pharmaceutique et micro-électronique. Ce dernier secteur requiert une qualité d'eau ultrapure rentrant dans la fabrication des plaquettes de silicium servant de base aux composés électroniques. La résistivité de l'eau atteint alors 18 megaohm-cm, correspondant à une eau ne contenant plus que les ions hydrogène et hydroxyle.
Pour atteindre cette qualité de déminéralisation, l'eau subit un traitement physique complet. Les grandes lignes : pré-traitement nécessaire à éliminer les pollutions organiques et minérales par filtration, suivi par une unité d'osmose inverse puis des chaînes de déminéralisation. L'électrodésionisation (EDI) commence d'ailleurs à remplacer les résines. Le module EDI commercialisé par Ionics retient ainsi plus de 99 % des minéraux, bore, silice et CO₂ encore présents dans l'eau après osmose inverse. Traitement UV, polissage ionique, la phase ultime de déminéralisation sur résines et filtration se succèdent pour obtenir de l'eau ultrapure.
Dans l'agro-alimentaire, il s'agit plutôt de traitement au cas par cas. Chez Ionics, on cite la déminéralisation sur membrane du petit lait, pour en extraire les protéines. Pour le nettoyage des cuves, les choix varient entre adoucissement, déminéralisation et osmose et illustrent souvent l'état du cahier des charges du client, commente Hubert Dinard, responsable du traitement physique des eaux de process chez Permo.
De nouveaux schémas se développent.
L’eau brute, en provenance des rejets traités, est injectée dans les circuits de refroidissement puis envoyée dans la chaudière. “Cependant, l'eau n’est pas assez chère en France pour que le recyclage s’impose naturellement aux industriels”, note Jean-Pierre Morin. Il est actuellement mis en place au cas par cas, généralement pour des clients gros consommateurs d'eau. Les pétroliers traitent leurs effluents dilués pour récupérer une eau de qualité industrielle. Les industries de traitement de surface ou automobiles qui génèrent des effluents déminéralisés faiblement pollués par des métaux lourds comme le chrome, les recyclent intégralement par une technique généralisée basée sur l'échange d'ions. Finalement, le concept de dépollution à la source reste encore le premier pas effectif vers un recyclage plus systématique. Les effluents générés sont séparés selon leur provenance puis regroupés lors de leur traitement, en fonction du type d’eau brute désirée.
Dans les procédés industriels
La présence d'additifs dans l'eau pose toujours un problème technique et légal. Le conditionnement chimique est donc cantonné à certaines applications ciblées. La gamme Foodpro de BetzDearborn réunit dispersants et antimousses pour l’agroalimentaire, utilisés lorsque l'eau sert de support à des procédés aqueux. Toujours en agroalimentaire, il existe certains biocides comme le formol et le glutaraldéhyde.
Dans l’industrie automobile
L'eau de lavage de l'air est conditionnée par des absorbants de peinture. Bentonite ou polymères de structure polyamines assurent ainsi le transfert des molécules organiques de peinture de la phase gazeuse vers la phase aqueuse. Mais les produits chimiques utilisés en process sont déjà homologués et on assiste à peu d'innovation dans ce domaine. Devant la stratégie actuelle tournée vers les bénéfices et la pression du marché, le développement et la recherche s’affaiblissent. La tendance actuelle aux appels d'offres et le phénomène de concentration jugulent en effet une incertitude à court terme et un risque d’appauvrissement technologique. Entre pression économique et environnementale, on peut se demander où se place l'avenir du conditionnement.
Évolution du marché
La réponse de J-M Fréal-Saison résume les enjeux actuels du métier. Le marché actuel, les eaux résiduaires, seul domaine du conditionnement qui affiche une croissance annuelle de 5 à 6 %. Les traitements physiques membranaires étant encore mal adaptés à la nature complexe de ces effluents, les produits chimiques ont encore de beaux jours devant eux. De nouveaux coagulants "verts" à base d’amidon et de tanin sont développés pour la coagulation. Cependant, les techniques physiques supplantent d’ores et déjà le conditionnement chimique pour le traitement des eaux de process. Solutions efficaces et plus respectueuses de l’environnement, elles sont incontestablement les mieux adaptées aux contingences du nouveau siècle !
