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See discussions, stats, and author profiles for this publication at: https://www.researchgate.net/publication/332028843 L'osmose directe et l'osmose inverse: techniques ennemies ou complémentaires Article · December 2018 CITATIONS 0 READS 6,122 1 author: Some of the authors of this publication are also working on these related projects: Visit and teaching at Indian Institute of Technology Bhubaneswar (IITB), India. View project High purity alumina processing View project Serge Alex Institute of Industrial Processes, Qc. Canada 42 PUBLICATIONS 407 CITATIONS SEE PROFILE All content following this page was uploaded by Serge Alex on 27 March 2019. The user has requested enhancement of the downloaded file. 40 Vecteur Environnement • Décembre 2018 L’osmose, peu importe le sens qu’on lui donne, se résume à l’échange d’un solvant à travers des membranes semi-perméables. L’osmose inverse, la mieux connue, est définie comme le transfert opposé à l’osmose naturelle, obtenu en exerçant sur la solution concentrée une pression supérieure à sa pression osmotique. L’application la plus célèbre de ce procédé de séparation est le dessalement de l’eau de mer, où une membrane semi-perméable retient les sels et laisse passer l’eau sous l’influence d’une forte pression. Au Québec, elle est plutôt connue pour le rôle qu’elle joue dans la préconcentration de la sève des érables à sucre afin d’en limiter les coûts d’évaporation. Dans la nature, les transferts d’eau à travers la membrane des cellules se font en permanence et spontanément par osmose naturelle ou directe, sans l’aide de la pression. Tous ces échanges, directs ou indirects, sont gouvernés par la pression osmotique ; une révision de sa signification et de ses propriétés peut s’avérer pratique. ARTICLE TECHNIQUE L’osmose directe et l’osmose inverse Technologies ennemies ou complémentaires ? L’osmose, qui existe depuis toujours, se définit comme le transfert d’un solvant d’une solution diluée vers une solution concentrée à travers une membrane dite permsélective. Ce phénomène joue un grand rôle dans la nature, mais paradoxalement, c’est l’osmose inverse – un procédé industriel – qui est de loin la mieux connue, car elle est la plus exploitée industriellement. Toutefois, comme elle réclame des pressions de travail élevées, les scientifiques essaient aujourd’hui de la remplacer par l’osmose que l’on a baptisée « osmose directe », pour bien la distinguer, dont voici un survol technique. Osmose et pression osmotique : petit retour sur les bancs d’école La pression osmotique se développe si deux solutions de concentrations différentes sont séparées par une membrane semi-sélective. Alors, un flux d’eau va passer du compartiment le plus dilué vers celui le plus concentré. Ceux-ci vont se mélanger jusqu’à atteindre l’uniformisation de leur concentration. On parlera alors d’osmose directe, ou tout simplement d’osmose. Lorsque cet équilibre est atteint, le niveau de l’eau du côté concentré s’est élevé et une pression se bâtit, que l’on appelle pression osmotique, souvent notée « p ». Ce phénomène est naturel et ne dépend que de la concentration, car la pression osmotique est une propriété colligative. En d’autres mots, elle est seulement fonction du nombre de particules du ou des solutés et non pas de leur nature. En contrepartie, si on applique du côté concentré une pression dont la valeur excède la pression PAR SERGE ALEX Professeur-chercheur retraité, Collège de Maisonneuve ET PAR CARL OUELLET Professeur-chercheur, Collège Édouard-Montpetit 41 Vecteur Environnement • Décembre 2018 osmotique induite par la différence de concentration, l’eau se dirigera dans le sens inverse du flux osmotique, d’où son nom d’osmose inverse. La figure 1 résume graphiquement ces phénomènes qui sont exploités dans les procédés d’osmose. Un peu de mathématiques L’expression de la pression osmotique (Zumdahl et Zumdahl, 2007) est donnée par l’équation de Van t’Hoff qui s’écrit : p = iMRT Équation I Où : • p est la pression osmotique exprimée en pascal (dans l’industrie, on utilise plutôt le bar ou le psi [101 325 Pa vaut 1,013 bar ou 14,65 psi]) ; • M est la molarité exprimée en mol/m3 ; • R est la constante des gaz parfaits, soit 8,314 J/mol·K ; • T est la température en degré Kelvin (K) ; • i est un facteur égal à un pour les molécules qui ne se dissocient pas, sinon il est égal au nombre d’ions libres (comprendre dissociés) pour les électrolytes. Pour les solutions diluées, le chiffre i correspond au nombre d’ions. Par exemple, pour une solution diluée de chlorure d’aluminium (AlCl3), i sera égal à 4. Si le milieu est concentré, i est plus faible que la valeur attendue, car une partie des ions restent associés et il peut alors prendre des valeurs non entières. Comme sa détermination est problématique lorsqu’on s’écarte de l’idéalité, des corrélations semi-empiriques entre les paramètres des solutions et la pression osmotique ont été développées au fil du temps pour permettre d’en estimer la valeur à partir de facteurs facilement mesurables, comme les solides dissous pour les eaux, le degré Brix pour les sucres, etc. (Aimar et collab., 2016). À des fins d’illustration, le tableau 1 (p. 42) donne des valeurs de pressions osmotiques estimées à partir des solides dissous totaux pour divers types d’eaux. Osmose directe et osmose inverse : différentes, mais presque identiques Les différences fondamentales entre l’osmose inverse (OI) et directe (OD) sont au nombre de trois – plus quelques variantes mineures – qui se déclinent ainsi : 1. L’osmose directe : une technologie plus zen. La première différence réside dans le fait que l’OI est forcée par l’application d’une pression transmembranaire, nettement supérieure à la pression osmotique de la solution, alors que l’OD est spontanée. Les pressions appliquées en OI sont de l’ordre de 15 à 80 bars, et souvent au moins égales (voire supérieures) au double de la pression osmotique pour avoir des débits intéressants (typiquement de l’ordre de 20 à 50 L/h par mètre carré de membrane). En OD, la présence d’un gradient de pression est en théorie inutile, mais habituellement une légère pression transmembranaire (autour de 0,2 à 2 bars) est imposée pour améliorer les débits de solvant pour qu’ils soient comparables à ceux rencontrés en OI (Miller et Evans, 2006 ; Nicoll, 2013 ; Perry, 2013). L’absence de pression simplifie les installations au niveau des pompes, des modules et de la plomberie, ainsi que leur opération. 2. L’osmose directe : solution aux problèmes et problème de solutions. La seconde différence – et non la moindre – vient du mode de séparation en OD qui est basé sur un gradient osmotique entre une solution de forte concentration et une autre de concentration plus faible. Cela implique donc la présence initiale de deux solutions. Le fluide le plus dilué (faible pression osmotique) circule sur une des faces de la membrane, et va céder son solvant à l’autre liquide plus concentré (pression osmotique élevée) qui longe la face opposée. Le fluide qui reçoit le solvant s’appelle la solution de soutirage (draw solution), et il doit être plus concentré que l’alimentation (figure 2, p. 43). Après transfert, la solution de soutirage s’épuise en se diluant et doit être constamment renouvelée, car sa pression osmotique chute. Deux options existent, soit celle d’utiliser une phase neuve ou de la régénérer en continu. La solution de soutirage est le talon d’Achille de cette technique, car les choix de mélanges disponibles sont limités (McCutcheon et collab., 2006 ; Achilli et collab., 2010 ; Nicoll, 2013 ; Perry, 2013). Jusqu’à récemment, ces derniers étaient surtout à base de sel et de sucre, car ce sont des produits très solubles, bon marché et relativement inoffensifs. Le tableau 2 (p. 42) en donne des exemples. En l’analysant, on remarque qu’il faut de grosses quantités de solutés pour atteindre les pressions osmotiques recherchées. Par exemple, fabriquer 1 000 litres (un mètre cube) d’une solution de soutirage réclame grosso modo 40 kg de FIGURE 1 Schémas de principe de l’osmose directe et inverse. 42 Vecteur Environnement • Décembre 2018 Article technique sels (voir tableau 2) ; il est donc impératif de les recycler pour limiter leur volume. Le recyclage s’effectue généralement soit par évaporation soit par osmose inverse (Bazerli et Esnault, 2013). Autre détail à noter : comme ces solutions de soutirage sont concentrées, on observe toujours un peu de diffusion des solutés vers l’alimentation. Plus le mélange est concentré, plus cette fuite est élevée. Ce point disqualifie les agents osmotiques toxiques, ou ceux qui pourraient altérer les propriétés chimiques ou organoleptiques de l’alimentation. 3. Osmose inverse et osmose directe : peau épaisse versus peau fine. La troisième différence est moins visible, mais aussi importante. L’osmose directe est un procédé qui est relativement nouveau comparé à la version inverse qui a plus de 60 ans d’histoire. Aussi, les premiers développements en OD ont été simplement effectués en inversant les procédés d’osmose inverse, ce qui semblait logique. Cela avait donné des résultats mitigés, car les membranes des modules d’OI n’ont pas été réellement conçues pour ça. Si les deux techniques ont bien besoin de membranes perméables à l’eau, c’est un de leur rare point commun. En effet, celles d’osmose inverse doivent être mécaniquement stables pour faire face à une exposition prolongée à une pression hydraulique élevée, alors que uploads/Litterature/ art-technique40-45v44528.pdf