B. Carbonel (Les Applications du Filtre)
L. Dalle (Comptoir des Produits Filtrants)
R. Chatelin (Institut Textile de France)
Le traitement des eaux contenant une forte proportion de bicarbonates peut nécessiter, selon les cas, leur précipitation sous forme de carbonates de calcium, ou bien une stabilisation, c’est-à-dire de faire en sorte que le carbonate de calcium reste en solution.
La réalisation de cette opération de stabilisation de l’eau est effectuée en général en utilisant certains composés chimiques ayant la propriété de former des complexes avec les ions métalliques, et en particulier, avec les ions calcium et magnésium. Ces complexes sont très solubles et possèdent toutes les caractéristiques des sels de sodium, de sorte que les inconvénients dus au calcium et au magnésium se trouvent inhibés ; l’eau traitée avec ces produits présente alors toutes les caractéristiques d’une eau adoucie.
Ces composés chimiques sont le plus souvent des polyphosphates, dont la formule générale linéaire est
MₙPₓOᵧ, (MPO₃)ₙ
ou des polymétaphosphates à structure cyclique,
(Na PO₃)ₙ
Ces polyphosphates sont également utilisés souvent comme inhibiteurs de corrosion.
HYPOTHÈSES DE TRAVAIL
L’eau d’alimentation est une eau de forage à laquelle sont ajoutés 7 mg/l de polyphosphates en tant qu’agent anticorrosion.
Le traitement de déminéralisation comporte un passage sur résines en lits mélangés amenant la résistivité de l’eau à une valeur supérieure à 1 Mégohm · cm.
La pression disponible est de 4,5 bars en moyenne. Le débit moyen sur l’installation est de l’ordre de 4 m³/h en fonctionnement normal et de 12 m³/h en régénération (séparation et détassement des résines). La capacité d’échange des résines est de 30 m³, auquel il convient d’ajouter 30 m³ d’eau exempte de polyphosphates pour les opérations de régénération et de rinçage.
LE MÉDIA FILTRANT
Dans le cadre de ses recherches concernant la modification des polymères, l’Institut Textile de France (I.T.F.) a mis au point deux nouveaux types de matériaux en fibres de cellulose doués de propriétés échangeuses d’ions, l’un cationique et l’autre anionique. Ces matériaux fonctionnent comme toute résine échangeuse d’ions, mais en différant fondamentalement par la nature du support et la présentation des fonctions actives. Le réseau polystyrène réticulé et hydrophobe est en effet remplacé par la cellulose, composé macromoléculaire à très grande surface spécifique d’échange, hydrophile et accessible par excellence. Cette caractéristique permet des réactions d’échanges beaucoup plus rapides (15 à 100 fois), donc des débits importants et permet d’utiliser les médias dans des applications telles que l’épuration d’eaux de rejets ou la récupération d’ions en solution, par simple filtration de l’effluent.
Les conséquences de ce qui précède sont, sur le plan pratique, les suivantes :
1. Les performances
La capacité d’échange utile correspond intégralement à la capacité d’échange théorique, ce qui n’est pas en général obtenu sur les résines à haute surface spécifique.
La fuite ionique est pratiquement nulle après un faible parcours (à titre d’exemple, pour une fuite ionique nulle, un kilo de cellulose greffée assure le même débit que 180 litres de résines classiques correspondantes).
Enfin, grâce aux très grandes cinétiques d’échange, les conditions de régénération sont très intéressantes :
- — Temps de régénération très court, pratiquement instantané.
- — Volume de régénération faible (environ le volume de la chambre de traitement).
- — Concentration en réactif régénérant très basse.
[Photo : Cartouche à précouche MACROTUBE.]
2. Utilisation
Compte tenu de la très grande variété de formes, de présentations de ces matériaux et des performances annoncées ci-dessus, il est évident que tous les types de matériels disponibles peuvent être utilisés.
TESTS PRÉALABLES
A. Essai qualitatif : Filtration d’un échantillon d'eau additionné d'une quantité de polyphosphates égale à celle devant être injectée en marche normale (7 mg/l).
Ce premier essai a été positif.
B. Essai quantitatif :
a) Essais préliminaires : Filtration d'une solution d'eau distillée contenant 7 ppm de polyphosphates sur 3 g de média, d'une capacité de 1,5 meq à travers 10 cm² de surface (débit : 6 l/h).
— Après filtration de 10 l : fuite ionique nulle.
— Après filtration de 15 l : début de fuite (moins de 1 ppm).
Une première estimation permet d'envisager un débit moyen de 6 m³/h/m² sous 5 bars, avec 9 kg de média filtrant (pour traiter 30 m³).
b) Régénération du média.
— Au moyen d'une solution de soude normale en excès : les résultats sont sensiblement équivalents et la régénération s'avère complète. On note toutefois un léger gonflement du média qui pourrait être préjudiciable à sa tenue au vieillissement et qui augmenterait les pertes de charges.
— Au moyen d'une solution de carbonate de sodium normale en excès : mêmes résultats, sans gonflement, et ce réactif sera choisi, étant moins agressif et plus facilement rinçable en fin de régénération.
c) Essai sur effluent réel.
Étude de l'influence des autres ions entrant dans la composition de l'eau : la présence des ions NO₃, NO₂, Cl, HCO₃ et CO₃ ne modifie pas la fixation des polyphosphates. L’anion SO₄ risquant en revanche d'être une gêne à cause de sa forte concentration (68 ppm contre 7) et son affinité relative par rapport aux polyphosphates, les essais comparatifs ont été effectués sur lit sursaturé en SO₄.
Le résultat a été très satisfaisant : la sélectivité de l'ion polyphosphate par rapport à l'ion sulfate est supérieure à 95 %.
d) Essai industriel.
Cette série d'essais s'est effectuée sur un filtre presse, équipé de 25 plaques anioniques de 400 g, soit 10 kg, de 40 x 40 cm.
Les observations suivantes ont été effectuées :
— On constate une teneur régulière en polyphosphates égale à 0,3 ppm en moyenne. Cette fuite ionique, bien que faible, apparaît toutefois plus forte que celle prévue par les essais préliminaires. En fait, elle s'explique par la teneur en orthophosphates contenue dans l'eau, réelle et issue d'une dégradation très légère et normale des polyphosphates (de l’ordre de 0,1 ppm à 0,3 ppm en moyenne).
On peut donc conclure, sans risque d'erreur, que l'extraction des polyphosphates s’effectue parfaitement.
— Un examen des plaques montre un dépôt d'hydroxyde de fer n'entraînant aucun écart significatif sur la perte de charge.
— L'essai a été arrêté à 58 m³, pour des raisons internes, sans avoir saturé les papiers en polyphosphates.
En conclusion, l'extraction sélective des ions polyphosphates s'effectue très aisément à l'aide des papiers en fibres de cellulose greffées et permet de résoudre ce problème d'élimination de polyphosphates ayant une chaîne de déminéralisation, avec régénération au carbonate de sodium.
B. Carbonel.
