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1 CHAPITRE 2 – PROCEDES DE DESSALEMENT DES EAUX 2 SOMMAIRE CHAPITRE 2 – PROCEDE

1 CHAPITRE 2 – PROCEDES DE DESSALEMENT DES EAUX 2 SOMMAIRE CHAPITRE 2 – PROCEDES DE DESSALEMENT DES EAUX ................................................... 1 2.1. Généralités sur le dessalement .......................................................................................... 3 2.1.1. Définition du Dessalement de l’eau ....................................................................... 3 2.1.2. Composition de l’eau à dessaler ............................................................................ 5 2.1.2.1. Eau de mer : .............................................................................................................. 5 2.1.2.2. Eau saumâtre : .......................................................................................................... 6 2.1.3. Thermodynamique de la séparation sel-eau ........................................................ 6 2.2. Procédés de dessalement ................................................................................................... 8 2.2.1. Procédés thermiques ............................................................................................... 9 2.2.1.1. La distillation à simple effet ..................................................................................... 9 2.2.1.2. Distillation par détente à étages multiples (Distillation «Multistages Flash » ou MSF) 10 2.2.1.3. Distillation à effets multiples (Distillation «Multi-Effect» ou distillation MED). 12 2.2.1.4. La distillation par compression de vapeur («Vapor Compression» ou VC) ... 15 2.2.1.5. La congélation –réfrigération (pilotes): ................................................................ 16 2.2.2. Procédés à membranes ......................................................................................... 18 2.2.2.1. Osmose inverse (OI) .............................................................................................. 18 2.2.2.2. Électrodialyse (ED) ................................................................................................. 21 Références Bibliographiques ......................................................................................................... 24 3 Les problèmes de rareté et d’accessibilité ont fait que l’insuffisance d’eau douce constitue un problème mondial de plus en plus critique. D’où la nécessité de dégager des nouvelles ressources en eau. En effet, les besoins en eau présents et futurs ne peuvent être couverts et satisfaits que si des ressources non conventionnelles (recyclage et dessalement de l’eau) sont utilisées. Le dessalement en l’occurrence pourrait être la solution clé ! Le présent chapitre s’inscrit concerne le dessalement des eaux salées. Après une introduction par les généralités correspondantes, ce chapitre présente les différents procédés de dessalement les plus usuels, et quelques notions sur leur consommation énergétique. On présente ensuite une comparaison des différentes technologies de dessalement. Dans une troisième partie, on donne un aperçu sur l’expérience du Maroc au niveau du dessalement de l’eau de mer. 2.1. Généralités sur le dessalement 2.1.1. Définition du Dessalement de l’eau Le dessalement de l'eau appelé également dessalage ou désalinisation, est un processus qui permet de produire de l’eau douce et pure quasiment exempte de sels à partir des eaux salées (eaux saumâtres ou eaux de mer) et ce dans un système auquel on apporte de l'énergie (figure 2.1). Cette eau douce produite est susceptible à la consommation : eau potable ou très rarement utilisable pour l'irrigation en raison du coût. Sa potabilisation est ensuite rendue possible par l’ajout de produits chimiques appropriés. L’eau est considérée comme potable - selon la définition de l’Organisation Mondiale de la Santé OMS - en dessous de 500 ppm (parties pas million) de sel en solution. Quant une partie de l’eau à dessaler se transforme en d’eau douce, il en résulte, inévitablement, qu’un courant d’eau relativement concentré en sels dissous, appelée saumure est rejeté. Il est beaucoup plus facile et avantageux d'extraire l'eau plutôt que le sel : on peut en effet choisir de ne retirer qu’une partie d’eau ou presque sa totalité ; alors qu’il 4 faudrait extraire tout le sel pour obtenir ne serait-ce qu’une goutte d’eau douce. En plus, il est très difficile de débarrasser l’eau du sel en solution. En pratique, pour éviter d’avoir à gérer les 35 kilogrammes de sel contenus dans chaque mètre cube d'eau de mer traitée, on n'extrait pas toute l'eau douce : on préfère concentrer l'eau de mer, d'un facteur environ égal à 2. Ainsi, pour chaque mètre cube d'eau de mer traité - soit 1000 litres - on produira 500 litres d'eau pure et on rejettera une saumure de 500 litres d’eau très salée (contenant 70 grammes par litre de sel). Energie Eau de mer ou Eau douce Eau saumâtre Saumure concentrée Figure 2.1: Principe d’un système de dessalement [Philippe Bandelier] Le plus important processus de dessalement naturel se produit sur la Terre: il s’agit du cycle hydrologique (figure 2.2) - une machine naturelle, un système continuellement en action de distillation et de pompage. En effet, l'eau des océans s'évapore naturellement, la vapeur s'accumule dans les nuages ; puis, cette eau retombe sur terre moyennant les précipitations et est ainsi récupérée en eau douce. Ce principe de dessalement très simple a été utilisé dès l'Antiquité (découverte par Aristote au IVe siècle) pour produire de très faibles quantités d'eau douce dans les bateaux. Système de dessalement 5 Figure 2.2 : Cycle naturel de l’eau 2.1.2. Composition de l’eau à dessaler L’eau de mer ainsi que les eaux saumâtres concernées par le dessalement se différencient par leur concentration en sels dissous et par leur composition. 2.1.2.1. Eau de mer : Le terme d’eau de mer regroupe l’eau salée des mers et des océans à la surface de la terre. Elles occupent un volume estimé à 1 340 millions de km³; ce qui représente 97% de la capacité totale des grands réservoirs d'eau à la surface de la terre. L’eau de mer contient un ensemble de sels (chlorures de sodium et de magnésium, sulfates, carbonates) qui modifient les caractéristiques de l’eau (tableau 2.1). Ainsi, la salinité est définie par la teneur globale en sels dans l’eau salée. Elle représente la principale caractéristique des eaux de mer. Tableau 2.1 : Composition de l’eau de mer (35 g/l) Sel Concentration % NaCl 27,2 g/l 78% MgCl2 3,8 g/l 11% MgSO4 1,7 g/l 5% CaSO4 1,26 g/l 3,5% K2SO4 0,86 g/l 2,4% 6 La salinité moyenne des eaux des mers et océans est de l’ordre de 35g/l dont 78% de NaCl. En plus, l'eau de mer est un milieu légèrement basique ; soit un pH entre 7,5 et 8,4. Il est clair que la salinité est très variable selon les régions et les saisons. Pour le cas de mers fermées, les différentes salinités sont :  mer Baltique : 7 g/l,  mer méditerranée : 36 à 39 g/l,  Golfe Persique : 40 à 70 g/l,  mer morte : 270 g/l.  mer Rouge : environ 40 g/l,  mer Caspienne : 13 g/l, 2.1.2.2. Eau saumâtre : On appelle eau saumâtre une eau salée non potable de salinité inférieure à celle de l'eau de mer. Les eaux saumâtres ont une composition très diverse. La concentration totale est très inférieure à celle de la plupart des mers avec une salinité en général inférieure à 10 grammes par litre. Ce sont parfois des eaux de surface ; mais, le plus souvent des eaux souterraines qui se sont chargées en sels en traversant les sols. Leur composition dépend donc de la nature des sols traversés. Les principaux sels dissous sont le CaCO3, le CaSO4, le MgCO3 et le NaCl. 2.1.3. Thermodynamique de la séparation sel-eau L’opération de dessalement consiste en une séparation isotherme qui permet de séparer l'eau et les sels à partir d'une eau salée brute (eau de mer ou une eau saumâtre). Ainsi, la quantité initiale de l’eau de mer est fractionnée en deux parties : une fraction sera dépourvue de sels ; alors que l’autre fraction sera plus concentrée en sels (saumure). De point de vue thermodynamique, cette séparation isotherme nécessite l’apport d’une certaine quantité d’énergie. 7 Les eaux salées possèdent un potentiel chimique plus élevé que celui des eaux douces, car elles diffèrent de celles-ci par l’énergie libre de dilution des sels, selon l’équation (2.1) : sRT Ln ai (2.1) Où s:potentiel chimique de l’eau salée (J/mol) 0: potentiel chimique de l’eau pure (J/mol) R : constante des gaz parfaits (R= 8,314) T (K) : température de l’eau salée en Kelvin ai : activité du constituant dissout i L’énergie minimale qui doit être alors fournie à l’eau salée, dans le cas d’une transformation idéale réversible, est représentée par la différence des deux potentiels chimiques. Elle est appelée « dépense énergétique minimale » ou « travail minimal » et est exprimée par la relation suivante : E= RT Ln p/p0 (2. 2) avec : E : dépense énergétique minimale (J/mol) p : pression partielle de vapeur de l’eau au dessus de la saumure (Pa) p0 : pression de vapeur de l’eau pure (Pa) Cette expression représente le travail minimal à fournir à l’eau salée pour obtenir une mole d’eau pure ; et ce, quel que soit le procédé de séparation utilisé. A titre d’exemple, soit un échantillon représentatif d’eau océanique à 25 °C, pour lequel la pression de vapeur de la saumure est de 2 % inférieure à celle de l’eau pure. Cette énergie minimale vaut 13 calories/mole, soit 3kJ/kg, qui semble être une valeur faible. Cependant, dans la pratique, le dessalement de l’eau de mer (35g/l en moyenne) consomme nettement plus d’énergie que dans le cas théorique ; et ce, à cause des 8 rendements thermodynamiques faibles et des pertes au niveau des différentes installations du procédé. 2.2. Procédés de dessalement Le progrès technologique réalisé dans le domaine du dessalement a conduit à la découverte d’une multitude de procédés actuellement utilisées et disponibles sur le marché. Ces procédés se divisent en deux grandes catégories selon le principe appliqué, à savoir les procédés thermiques et les procédés membranaires (Figure 2.3).  Les procédés thermiques qui se sont fortement développés à partir de la fin des années 1940, font intervenir un changement de phases eau-vapeur : la congélation et la distillation. Ces méthodes uploads/Geographie/ chap-2-proce-de-s-de-dessalement.pdf