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Le dessalement de l'eau de mer et des eaux saumâtres. Article rédigé par Vivian

Le dessalement de l'eau de mer et des eaux saumâtres. Article rédigé par Viviane Renaudin (Maître de conférences au Département Génie Chimique, Génie des Procédés de l'IUT de Nancy Brabois, Université Henri Poincaré et chercheur au LSGC (Laboratoire des Sciences du Génie Chimique), CNRS, Nancy), relu par Guillaume Champion (professeur agrégé à l'ENS). Cet article fait partie du dossier pluridisciplinaire sur l'eau. Table des matières I. Introduction II. Caractéristiques des eaux marines et saumâtres II.1. Les eaux marines II.2. Les eaux saumâtres III. Les principales technologies de dessalement des eaux III.1. L'osmose inverse III.2. Les procédés de distillation Webographie Bibliographie I. Introduction L'eau est abondante sur terre, elle représente 1380 millions de km3. L'essentiel toutefois est constitué d'eau de mer (97,2 %) et de glace (2,15 %) inutilisables directement. L'eau douce, facilement disponible (lacs, fleuves, certaines eaux souterraines), ne représente que 0,07 % de la ressource totale soit environ un million de km3. Mais la répartition de cette eau est très inégale. En effet, dix pays se partagent 60 % des réserves d'eau douce et vingt-neuf autres principalement en Afrique et au Moyen-Orient, sont au contraire confrontés à une pénurie chronique d'eau douce. Dans ces pays, selon le Water Ressources Institute, 250 millions d'individus, ne disposent pas aujourd'hui du minimum vital d'eau défini à 1000 m3 par habitant et par an. 400 millions de personnes vivent en situation de stress hydrique, estimé entre 1000 et 2000 m3 par habitant et par an. Et on estime que 2,5 milliards de personnes pourraient souffrir du manque d'eau en 2050 compte- tenu de l'évolution de la démographie et de l'augmentation des consommations d'eau. Pour faire face à cette pénurie annoncée d'eau, de nouvelles techniques de production d'eau potable devront être mises en place pour satisfaire les besoins de la population croissante. Une des techniques prometteuses pour certains pays est le dessalement de l'eau de mer ou des eaux saumâtres. Les techniques de dessalement de l'eau de mer sont opérationnelles depuis de nombreuses années. Mais leur coût (de 1 à 2 euros / m3) limite souvent leur utilisation aux pays riches. Cependant dans les dernières années, la capacité des usines de dessalement s'est fortement accrue et les coûts de production par m3 ont connu une forte diminution. II. Caractéristiques des eaux marines et saumâtres II.1. Les eaux marines La caractéristique la plus importante des eaux de mer est leur salinité, c'est-à-dire leur teneur globale en sels (chlorures de sodium et de magnésium, sulfates, carbonates). La salinité moyenne des eaux des mers et océans est de 35 g.L-1 (27,2 g.L-1 de NaCl, 3,8 g.L-1 de MgCl2, 1,7 g.L-1 MgSO4, 1,26 g.L-1 CaSO4, 0,86 g.L-1 K2SO4). Cette salinité peut être différente dans le cas de mers fermées : mer Méditerranée : 36 à 39 g.L-1, mer Rouge : environ 40 g.L-1, mer Caspienne : 13 g.L-1, mer Morte : 270 g.L-1, Golfe Arabo-Persique : 36 à 39 g.L-1. Le pH moyen des eaux de mer varie entre 7,5 et 8,4 : l'eau de mer est un milieu légèrement basique. II.2. Les eaux saumâtres On appelle eau saumâtre une eau salée non potable de salinité inférieure à celle de l'eau de mer. La plupart des eaux saumâtres contiennent entre 1 et 10 g de sels par litre. Ce sont parfois des eaux de surface mais le plus souvent des eaux souterraines qui se sont chargées en sels en dissolvant certains sels présents dans les sols qu'elles ont traversés. Leur composition dépend donc de la nature des sols traversés et de la vitesse de circulation dans ces sols. Les principaux sels dissous sont le CaCO3, le CaSO4, le MgCO3 et le NaCl. III. Les principales technologies de dessalement des eaux Les technologies actuelles de dessalement des eaux sont classées en deux catégories, selon le principe appliqué : Les procédés thermiques faisant intervenir un changement de phases : la congélation et la distillation. Les procédés utilisant des membranes: l'osmose inverse et l'électrodialyse. Parmi les procédés précités, la distillation et l'osmose inverse sont des technologies dont les performances ont été prouvées pour le dessalement d'eau de mer. En effet, ces deux procédés sont les plus commercialisés dans le marché mondial du dessalement. Les autres techniques n'ont pas connu un essor important dans le domaine à cause de problèmes liés généralement à la consommation d'énergie et/ou à l'importance des investissements qu'ils requièrent. Quel que soit le procédé de séparation du sel et de l'eau envisagé, toutes les installations de dessalement comportent 4 étapes : une prise d'eau de mer avec une pompe et une filtration grossière, un pré-traitement avec une filtration plus fine, l'addition de composés biocides et de produits anti-tarte, le procédé de dessalement lui-même, le post-traitement avec une éventuelle reminéralisation de l'eau produite. A l'issue de ces 4 étapes, l'eau de mer est rendue potable ou utilisable industriellement, elle doit alors contenir moins de 0,5 g de sels par litre. III.1. L'osmose inverse L'osmose inverse est un procédé de séparation de l'eau et des sels dissous au moyen de membranes semi- perméables sous l'action de la pression (54 à 80 bars pour le traitement de l'eau de mer). Ce procédé fonctionne à température ambiante et n'implique pas de changement de phase. Les membranes polymères utilisées laissent passer les molécules d'eau et ne laissent pas passer les particules, les sels dissous, les molécules organiques de 10-7 mm de taille. L'énergie requise par l'osmose inverse est uniquement celle électrique consommée principalement par les pompes haute pression. La teneur en sels de l'eau osmosée est de l'ordre de 0,5 g.L-1. Principe de l'osmose inverse On appelle osmose le transfert de solvant (eau dans la plupart des cas) à travers une membrane semi- perméable sous l'action d'un gradient de concentration. Soit un système à deux compartiments séparés par une membrane semi-perméable et contenant deux solutions de concentrations différentes (figure 1). Le phénomène d'osmose va se traduire par un écoulement d'eau dirigé de la solution diluée vers la solution concentrée. Si l'on essaie d'empêcher ce flux d'eau en appliquant une pression sur la solution concentrée, la quantité d'eau transférée par osmose va diminuer. Il arrivera un moment où la pression appliquée sera telle que le flux d'eau s'annulera. Si, pour simplifier, nous supposons que la solution diluée est de l'eau pure, cette pression d'équilibre est appelée pression osmotique. Figure 1. Principe de l'osmose et de l'osmose inverse Une augmentation de la pression au delà de la pression osmotique va se traduire par un flux d'eau dirigé en sens inverse du flux osmotique (voir figure 1), c'est-à-dire de la solution concentrée vers la solution diluée : c'est le phénomène d'osmose inverse. Pour les solutions suffisamment diluées, la pression osmotique notée Ï? peut être calculée d'après la loi de van't Hoff : Ï? = i x C x R x T Où i est le nombre d'ions dissociés dans le cas d'un électrolyte, C est la concentration en sels en mol.m-3 R est la constante des gaz parfaits R = 8,314 J.mol-1.K-1 T est la température absolue de la solution en Kelvin. Application : La pression osmotique d'une eau à 20°C contenant 35 g de chlorure de sodium par litre vaut : Ï? = 2 x (35*103/58,5) x 8,314 x 293 = 29,14 x 105 Pa = 29,14 bar. Le débit spécifique J1 (débit massique par m2 de membrane) d'eau osmosée produite est proportionnel à la différence entre la pression appliquée P et la pression osmotique Ï? de la solution concentrée. J1 = A x (P-Ï?) Où A est le coefficient de perméabilité vis-à-vis de l'eau pure. Le flux spécifique de sel traversant la membrane est quant à lui proportionnel à la différence de concentration de part et d'autre de la membrane. J2 = B x Î?C Où B est le coefficient de perméabilité vis-à-vis du sel. Éléments constitutifs d'une unité d'osmose inverse Les éléments constitutifs d'une unité d'osmose inverse sont schématisés sur la figure 2. Figure 2. Éléments constitutifs d'une unité d'osmose inverse Le dessalement par osmose inverse nécessite d'abord un pré-traitement très poussé de l'eau de mer pour éviter le dépôt de matières en suspension sur les membranes qui conduirait très rapidement à une diminution des débits produits. Il est nécessaire de retenir toutes les particules de dimension supérieure à 10 à 50 µm selon le type de module d'osmose inverse. Ceci est réalisé à l'aide d'une préfiltration grossière puis d'une filtration sur sable pour éliminer les matières en suspension les plus grosses. Puis un traitement biocide et une acidification sont nécessaires pour éviter le développement de microorganismes sur la membrane et éviter la précipitation de carbonates. Enfin une filtration sur cartouches permet de retenir les particules de taille de l'ordre de quelques dizaines de µm qui n'ont pas été retenues par le filtre à sable. La pompe haute pression permet ensuite d'injecter l'eau de mer dans le module d'osmose inverse dans lequel se trouvent les membranes. De plus, un deuxième phénomène intervient lors de l'osmose inverse, il s'agit de la polarisation de concentration de la membrane. En effet, au cours du temps, la uploads/Geographie/ dessalement-eau-de-mer.pdf