Charbon actif : applications de dessalement

Le premier d’une série de cinq sur les applications du charbon actif, le dessalement est discuté ici. Certaines régions du monde souffrant constamment d’un mauvais approvisionnement en eau potable, le concept de dessalement est attrayant. Les méthodes contemporaines d’élimination du sel de l’eau de mer sont coûteuses et énergivores. L’utilisation de charbon actif peut aider à atténuer certaines de ces préoccupations.

État actuel de la technique

Non seulement c’est essentiel pour la préservation de la vie,
mais assurer un bon approvisionnement en eau
est essentiel pour le succès et la stabilité d’un pays. Avec le réchauffement climatique provoquant une augmentation des températures conduisant à la sécheresse et donc à la déshydratation des humains et des animaux et aux mauvaises récoltes, le maintien d’un approvisionnement régulier en eau propre n’a jamais été aussi important. Les usines de dessalement contemporaines utilisent de l’eau de mer (qui est abondante) et, grâce à un processus de filtration par filtres, membranes et autres, produisent des approvisionnements propres et potables. L’eau de mer peut contenir jusqu’à 35 g L-1 de solides dissous(1).

Le principal type d’usine de dessalement est l’usine d’osmose inverse. Cela force l’eau propre à travers une membrane partiellement perméable d’un endroit à forte concentration de sel à un endroit faible. Cela utilise de l’énergie électrique. Il élimine également d’autres ions et impuretés de l’eau salée. L’efficacité est cependant perdue lorsque ces membranes sont obstruées ou bloquées par des polluants, des organismes et des microplastiques par exemple. Les usines modernes d’osmose inverse ne fonctionnent qu’avec une efficacité d’environ 30%, de sorte que la nécessité d’un régime de filtration prémembranaire est cruciale.

Les installations d’osmose inverse contemporaines utilisent une filtration progressive avant la membrane perméable pour assurer un processus aussi efficace que possible. L’idée étant de réduire l’accumulation de solides sur le site de la membrane, les besoins en énergie peuvent être réduits. Les choix populaires pour les médias de filtration comprennent l’anthracite, le sable et
le charbon actif
granulaire. De telles voies de filtration peuvent permettre une amélioration de 35% de la récupération de l’eau au cours de l’année par rapport à l’absence de filtration. Ces filtres multimédias peuvent traiter jusqu’à 40 mètres cubes d’eau de mer par heure, produisant souvent environ 10 mètres cubes d’eau potable(2).

Carbone

Ajout de CAG en tant que filtre d’osmose inverse

Tout comme avec l’anthracite, le déploiement du CAG comme filtre pré-osmose est courant. Souvent, ils sont utilisés côte à côte afin de fournir la filtration la plus complète possible - avantageux pour protéger davantage le filtre, pratique car le CAG et l’anthracite sont des matériaux très résistants. Un tel exemple d’utilisation conjointe est celui où l’efficacité globale du système a été améliorée par le CAG éliminant efficacement les matières organiques dissoutes (jusqu’à 70%) et cTEP (jusqu’à 90%) avec des améliorations globales de l’efficacité venant par le biais d’une diminution limitée de la perméabilité(3). Lorsqu’il est utilisé dans le cadre d’une installation d’ultrafiltration, les gains d’efficacité sont encore plus importants.

Pour l’élimination des résidus bactériens, le CAG et l’anthracite ont été utilisés dans une étude concurrente. Il a été constaté que les deux sont très efficaces comme prétraitement pour le dessalement de l’eau de mer dans les cas où cette eau de mer était riche en bactéries. Dans une colonne à lit fixe avec une profondeur de lit de 1 m, les deux étaient aussi efficaces, mais l’anthracite avait tendance à permettre une agglomération bactérienne plus importante au sommet du lit filtrant(4). En fait, l’utilisation du CAG dans le cadre du système de filtration prémembranaire a longtemps été considérée comme efficace contre les matières biologiques(5).

L’un des principaux avantages du CAG en tant que filtre pré-membranaire est sa capacité à réduire la dose requise de floculants. Le CAG est capable d’éliminer plus de 70% des composés de faible poids moléculaire - neutres et acides - ce qui réduit l’encrassement biologique de la membrane. Dans les systèmes conventionnels, une dose de chlorure ferrique et de sulfate polyferrique (3 et 2 mg L-1 respectivement) est normalement nécessaire pour assurer l’élimination des résidus organiques par floculation. L’utilisation du CAG comme filtre réduit considérablement la quantité de chlorure ferrique et de sulfate jusqu’à environ 1 mg L-1 de façon constante, ce qui réduit les coûts et la complexité(6).

L’activité microbienne dans le biofiltre au CAG n’est pas préoccupante. Le CAG réduit la quantité d’encrassement biologique par adsorption et biodégradation, il est souhaitable d’avoir du matériel biologique sur le filtre, car il peut causer la dégradation d’autres molécules polluantes(7). Les biofiltres CAG entraînent systématiquement une réduction de la concentration de particules d’exopolymères transparents et de carbone organique assimilable.

Même l’eau de mer contaminée par le pétrole peut être traitée avec du CAG. Naturellement, c’est plus difficile et les grands déploiements devraient envisager d’utiliser d’autres matériaux pour éliminer le pétrole en plus, mais la recherche a montré que la filtration au CAG peut éliminer jusqu’à 98 % du carbone organique dissous de l’eau de mer contaminée par le pétrole altéré(8). Cela représente une amélioration impressionnante par rapport à ce qui est possible avec la floculation du chlorure de fer seule, qui n’a pu éliminer qu’un quart du carbone organique dissous.

Dans l’ensemble, on peut dire sans aucun doute que le CAG est une voie efficace de traitement par filtre à membrane pré-osmose inverse qui assure une élimination adéquate à excellente des composés organiques dissous, des bactéries et autres, afin de protéger la membrane.

Une autre méthode de désionisation est la déionisation capacitive par membrane, qui utilise une installation de type électrolyse pour désioniser les liquides à petite échelle. Alors que l’accent est mis sur les identités des électrodes elles-mêmes, l’identité du matériau qui les sépare ne l’est pas. Les matériaux courants sont les fibres d’acier inoxydable et le papier filtre. GAC les surpasse largement dans le dessalement. Le CAG est capable de dessaler à un taux de 513,4 mg L-1 h-1, tandis que des valeurs de 374,1 et 297,9 mg L-1 h-1 ont été observées pour les matières traditionnelles, respectivement(9).

Eau propre versant après filtrage par le milieu de filtre en verre

Considérations requises

Le CAG n’est pas une solution miracle et est souvent utilisé avec d’autres méthodes de traitement pour une bonne raison. Des études ont montré que, bien qu’extrêmement efficace comme traitement prémembranaire, le CAG pourrait ne pas être aussi efficace contre les contaminants tels que les molécules de type humique de faible poids moléculaire qui sont liées aux polysaccharides et aux protéines(10). Heureusement, le CAG est efficace sur la plupart des autres lignes, y compris et surtout les biodégradables et autres matières organiques qui constituent de toute façon la plupart des contaminants responsables de l’encrassement.

Exemples concrets

Bien que des tests de laboratoire approfondis soient utiles, rien ne peut battre l’expérience acquise dans le monde réel. Le CAG est utilisé dans plusieurs endroits du monde dans le cadre d’un programme complet de dessalement. À Curaçao, dans les Antilles néerlandaises, le CAG est utilisé pour immobiliser les espèces de bore après leur passage à travers la membrane d’osmose inverse. En tant qu’île des Caraïbes, Curaçao dépend de l’osmose inverse pour une grande partie de ses besoins en eau potable. Le CAG de l’usine de Curaçao est responsable de l’élimination des niveaux de bore jusqu’en dessous de la limite légale de 0,3 mg L-1, et ce processus fournit 50 % de l’eau de l’île(11).

L’eau saumâtre des rivières Llobregat et Ter - près de Barcelone - contient des niveaux élevés de matière organique naturelle et de trihalométhanes. La filtration au CAG est utilisée avant un processus de dessalement par électrodialyse. Contrairement à l’osmose inverse, l’objectif principal n’est pas de protéger une membrane en soi, mais l’élimination des haloalcanes et des résidus organiques permet à l’électrolyseur de fonctionner dans des conditions beaucoup plus appropriées(12). L’usine est capable de produire 2,3 m3 s-1 d’eau potable pour les 4,5 millions d’habitants qui en dépendent.

Le dessalement solaire est plus applicable aux pays en développement. Ceci n’est pas non plus basé sur la membrane et peut être décrit comme une méthode plus grossière - mais plus robuste. Parce qu’un système de dessalement solaire repose sur l’eau bouillante et condensée, il est impératif que les seules choses que l’eau contient sont de l’eau et du sel. Le charbon actif granulaire est utilisé comme filtre à large gamme pour éliminer une multitude de contaminants. Ce filtre adsorbant poreux conduit à une meilleure performance solaire, à un coût d’exploitation inférieur et à moins d’émissions globales(13).

photo de fonctionnalité

Résumé

  • Le charbon actif granulaire est un filtre largement utilisé et utile pour une variété d’applications
  • Basé sur sa porosité et sa chimie de surface unique, il trouve une utilisation dans les applications de dessalement dans le cadre de la voie de prétraitement, souvent aux côtés de matériaux comme l’anthracite et le sable
  • Le dessalement est l’une des méthodes les plus étudiées et les plus largement utilisées pour assurer un approvisionnement en eau propre
  • En tant que prétraitement, le CAG agit pour protéger la membrane filtrante par osmose inverse - en veillant à ce qu’elle puisse fonctionner sans relâche et sans être perturbée par des molécules qui ne sont pas du sel et de l’eau.
  • L’utilisation d’un procédé de prétraitement signifie que moins d’énergie est nécessaire pour l’osmose inverse et que la membrane dure plus longtemps - avec jusqu’à 35% d’eau potable en plus produite
  • L’utilisation du CAG comme filtre prémembranaire est aujourd’hui utilisée avec succès aux Antilles néerlandaises pour l’osmose inverse et en Espagne pour les méthodes de dessalement par électrodialyse inverse.
  • Il est également utile dans la désionisation capacitive de la membrane, surpassant les technologies de séparation traditionnelles
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Références

1 S.-H. Kim et coll., Dessalement et traitement de l’eau, 2011, 32, 339

2 Département de l’armée, Manuel technique de dessalement de l’eau, Washington, D.C., 1986

3 S. Laborie et coll., Dessalement, 2016, 383, 1

4 G. Naidu et al., Ecologue. Eng., 2013, 60, 370

5 S. Vigneswaran et al., Dessalement, 2009, 247, 77

6 S. Vigneswaran et al., Dessalement, 2014, 354, 9

7 S. Vigneswaran et al., Dessalement, 2013, 309, 254

8 W.-H. Kim et M. Okada, Kor. J. Eau env., 2004, 20, 447

9 P. Liang et al., Dessalement, 2016, 381, 95

10 C. G. Dosoretz et coll., Water Res., 2008, 42, 1595

11 V. Bonnélye et al., Dessalement, 2007, 205, 200

12 F. Valero et R. Arbós, Dessalement, 2010, 253, 170

13 G. B. Abdelaziz et al., Environnement de sécurité des processus. Protection, 2021, 147, 1052