horizon océanique

Médias de filtration dans les usines de dessalement: Argile expansée contre anthracite

Le dessalement moderne est un processus essentiel pour fournir de l’eau à la fois pour l’agriculture et l’approvisionnement en eau potable dans les régions où les précipitations adéquates sont rares ou très imprévisibles. L’usine contemporaine de dessalement prend l’eau de mer et la soumet à un processus d’osmose inverse. L’osmose inverse est le mécanisme où une membrane partiellement perméable est utilisée pour enlever les ions et les molécules indésirables de l’eau.

L’efficacité du processus d’osmose inverse (RO) repose principalement sur l’efficacité de la membrane elle-même et du prétraitement de l’eau source. En tant que tel, l’usine de dessalement moderne utilise divers types de filtres, souvent dans l’ordre, pour éliminer une grande proportion de contaminants avant qu’ils puissent atteindre la membrane. L’eau de mer a souvent des concentrations de solides dissous supérieures à 35 g par L(1).

diagramme d’usine de dessalement
osmose et schéma d’osmose inverse

Deux de ces
technologies de filtre largement utilisées
sont Light Expanded Clay Aggregate (LECA, processus d’argile élargie) et anthracite, et les deux seront discutés ici. L’idée de base est que l’eau de mer passe à travers ces matériaux mis en place comme des filtres avant qu’il n’atteigne la membrane. Quand il atteint la membrane, il est en grande partie dépourvu de solides dissous, ce qui rend le processus GLOBAL RO plus efficace.

Bon nombre des causes de l’encrassement de la membrane provenant de l’eau de mer non traitée ne sont pas facilement visibles à l’œil humain. Les principales causes sont les composés de silice dissous, les molécules organiques adsorbed, les micro-organismes, les oxydes métalliques et divers colloïdes de fer et d’aluminium(2). Les plus efficaces sont les configurations de filtration à double média, et ce sont celles-ci qui sont utilisées le plus largement dans le monde entier(3). La filtration directe (c.-à-d. une simple filtration par le sable ou par un filtre à mailles) est généralement considérée comme inefficace, en particulier contre les contaminants organiques(4).

Impératif pour les opérations RO, en raison de l’immense échelle sur laquelle ils fonctionnent, tout filtre doit être fiable pendant de longues périodes de temps et relativement peu coûteux. LECA et anthracite correspondent à ces exigences. Le prétraitement de l’eau de mer est la méthode la plus efficace pour assurer le non-encrassement de la membrane RO(5).

usine de dessalement

Agrégat d'argile expansé léger

LECA est un agrégat léger formé par l’argile standard de chauffage à ca. 1 200 oC dans un four rotatif. Pendant le processus de chauffage et de rotation, l’argile s’assèche, se forme en formes de boule et devient très poreuse. Cette porosité l’amène à posséder de bonnes propriétés absorbantes, ayant été utilisé précédemment pour enlever les métaux lourds tels que le cadmium des flux de déchets d’usine de peinture(6).

Dans l’espace de purification de l’eau, où la recherche a montré que LECA est capable d’adsorbe composés fluorés à partir de solution aqueuse, soit seul ou modifié avec du chlorure de magnésium ou de peroxyde d’hydrogène(7). En outre, les filtres à double média contenant du sable et mgCl2/H2O2-modifié LECA sont capables d’enlever les composés de chrome de l’eau(8) - et ces LECA dopés peuvent être régénérés par le traitement avec de l’acide dilué.

L’un des polluants les plus pernicieux est l’arsenic. Si cela se refilait dans le réseau d’aqueduc, des décès pourraient survenir. Les chercheurs ont démontré que l’utilisation du LECA modifié par le réactif de Fenton a été efficace pour éliminer 99 ions d’arsénite (As2)et d’arsés (As4 )d’une solution aqueuse à une concentration de 150 g par litre, en 60 minutes(9). Le réactif de Fenton est un mélange de peroxyde d’hydrogène et de fer, et est un matériau peu coûteux à utiliser à l’échelle.

Une comparaison viable serait aux tamis moléculaires activés, comme fréquemment utilisé dans le laboratoire de chimie, car les ALeC peuvent être régénérés, sont efficaces à de faibles «chargements» et sont eux-mêmes insolubles. Ces propriétés signifient que la filtration LECA est simple à travailler avec.

Processus automatisé de purification de l'eau.

Anthracite

L’anthracite est l’une des formes de charbon les plus omniprésentes. Se produisant naturellement et facilement extrait, il est peu coûteux. Ayant de nombreuses utilisations en dehors de comme carburant, son utilisation comme un milieu de filtration est largement connu(10). L’un des principaux avantages environnementaux de l’utilisation de
l’anthracite comme filtre
et non comme combustible est que, comme il n’est pas brûlé, il n’y a pas d’émission de dioxyde de carbone dans l’atmosphère. Il convient de noter, cependant, que l’anthracite est rarement utilisé seul comme un filtre pré-RO. Il est plutôt utilisé dans le cadre d’un double filtre multimédia installé à côté du sable(11) ou le long du sable et du
grenat comme filtre à média mixte,
offrant une filtration supérieure grossière à fine. Typiquement, l’anthracite est présente pour enlever les solides en suspension et certains organiques dissous(12).

Des filtres à double média à double régime dirigés par anthracite ont été utilisés dans les milieux tropicaux des plantes RO, ce qui s’est avéré très efficace pour traiter l’eau de mer brute et polluée avant le RO, produisant éventuellement plus de 50 m3 par jour (50 000 L) d’eau potable entièrement conforme aux normes de l’OMS(13). Cet exemple particulier a fourni plus de 35 récupérations d’eau au cours d’une année. À côté du carbone activé granulaire (un matériau avec lequel l’anthracite partage de nombreuses similitudes), l’anthracite a été utilisée comme composant très efficace dans un double filtre pour enlever le matériel biologique d’une installation expérimentale pré-RO(14). Cette mise en place à petite échelle n’a montré aucune baisse de performance même après 55 jours d’activité constante, au-delà de 5 mètres par heure à travers un filtre de 20 cm. Dans les deux exemples, un traitement minimal de l’anthracite était nécessaire - limité au broyage uniquement à des tailles de particules appropriées. Dans le cadre d’une filtration multimédia mise en place, l’anthracite aux côtés de greensand et de charbon actif a pu enlever des quantités importantes de fer de la solution aqueuse avant un processus DE RO(15).

Dans toutes les applications de filtration pour la taille des grains d’anthracite RO peut varier entre 1mm à 2.4mm , avec une profondeur minimale de lit de 0.8 m. Les plantes les plus modernes utilisant des filtres à double média anthracite/sable peuvent supporter plus de 40 m3 par heure(16). La plupart de l’utilitaire de filtration de l’anthracite provient de son excellente fonctionnalité d’exclusion de taille et de porosité. Après utilisation, l’anthracite usé est généralement jeté.

gouttelettes d’eau frappant l’eau
Belle éclaboussure d’eau bleue

Comparaison

Une étude menée dans le nord de la Grèce a pris des filtres anthracite et LECA pour le RO et les a exécutés en parallèle, visant à trouver une différence perceptible entre les deux approches(17). La recherche - à la fois sur les échelles des plantes et des laboratoires - a révélé que le LECA et l’anthracite ont effectué en grande partie la même chose à travers les tests de concentration organique dans le filtrate, la densité du limon et la turbidité. Il convient de noter, cependant, que les deux méthodes ont souffert de la performance sage dans les hivers plus froids, mais pas à un niveau inacceptable. Le matériau LECA et l’anthracite étaient de l’ordre de 1,2 à 2,4 mm.

Les deux types de filtration - lorsqu’il est installé dans un double filtre à double média - sont très efficaces contre l’exposition des proliférations d’algues à la membrane RO(18). Les bactéries sont beaucoup plus difficiles à éliminer à l’aide de processus à double filtre que les contaminants solides et les matières organiques, cependant, les filtres à double média contenant de l’anthracite ont été montrés pour éliminer certaines bactéries dans une étude, mais la majorité ont été enlevés par processus de filtration ultérieurs(19). Dans une autre étude, les filtres LECA ont été montrés pour piéger - mais aussi dans certains cas pour développer - la vie bactérienne(20).

processus de purification de l'eau
membrane d’osmose inverse

Naturellement, la filtration n’est pas la seule arme dans l’arsenal du concepteur de l’usine RO. Souvent, l’eau de mer avant la filtration sera traitée chimiquement pour précipiter les contaminants attendus - ceux-ci sont ensuite recueillis dans le filtre à sable ou sont autorisés à se séparer avec gravité. L’hexamétaphosphate de sodium peut être ajouté pour induire des précipitations de carbonate de calcium et de sulfate de calcium. L’acidification (car l’eau de mer est légèrement basique) peut être effectuée et le sulfate d’aluminium ajouté pour faciliter la filtration(21). Les traitements post-filtration ne sont pas rares, selon l’ampleur de la contamination.

Alors que les deux matériaux (argile et anthracite) sont abondants et facilement accessibles en termes miniers et économiques, l’anthracite a l’avantage de pouvoir être utilisé « hors de la boîte » avec seulement un traitement minimal requis. Le traitement se limite généralement à broyer l’anthracite brute à des tailles de particules appropriées. L’argile, quant à elle, doit d’abord être chauffée dans un four rotatif, puis selon l’application, dopée ou imprégnée d’une autre substance chimique - ce qui ajoute des dépenses, du temps et de la complexité au processus. L’anthracite est plus rentable car il nécessite moins de traitement, ce qui ajoute également l’avantage d’être plus respectueux de l’environnement.

l’eau propre fonctionnant au-dessus d’une chute d’eau

Sommaire

  • L’osmose inverse est l’un des processus par lesquels l’eau potable peut être produite à partir de l’eau de mer
  • RO s’appuie sur une membrane partiellement perméable pour fonctionner, et si cela devient bloqué ou encrassé, l’efficacité du processus diminue de manière significative
  • La filtration, souvent
    à l’aide d’une double configuration
    de support, est ainsi utilisée pour assurer un approvisionnement de meilleure qualité à la membrane pour empêcher l’encrassement
  • L’anthracite et l’agrégat d’argile gradué léger sont deux matériaux de premier plan utilisés comme filtres
  • Avec les mers de plus en plus polluées, et la rareté de l’eau devient de plus en plus un problème dans certaines régions, des processus efficaces RO doivent être établis - de tels processus ne peuvent pas fonctionner sans filtration efficace de l’aime de l’anthracite
Grenat
Pot rempli d’anthracite moulue

Références:

1 S.-H. Kim et coll., Dessalenation and Water Treatment, 2011, 32 , 339

2 L.J. Latham et coll., Practical Experiences of Biofouling in Reverse Osmosis Systems in: Proc. Congrès mondial de l’IDA sur le dessalement et les sciences de l’eau, Abu Dhabi, 1996

3 S.-H. Kim et coll., Dessalenation, 2009, 249, 308

4 J. Leparc et coll., Dessalenation, 2007, 203, 243

5 N. Prihasto et coll., Dessalenation, 2009, 249, 308

6 M. Malakootian et coll., Int. J. Environ. Sci. Technol. 2009, 6, 183

7 M. Zarrabi et coll., J. Taiwan Inst. Chem. Eng., 2014, 45, 1821

8 A. Hamdy et coll., Curr. Env du monde., 2012, 7, 23

9 S. S. Martinez et coll. Dessalement, 2011, 272, 212

10 G. M. Wesner et R. L. Culp, Sondage J. Eau. Contrôle Fed., 1972, 44, 1932

11 S. Jeong et S. Vigneswaran, Chem. Eng. J., 2013, 228, 976

12 S. Vigneswaran et coll., Separation and Purification Tech., 2016, 162, 171

13 C. P. Teo et coll., Dessalenation and Water Treat., 2009, 3, 183

14 S. Vigneswaran et coll., Dessalement, 2009, 247, 77

15 S. Chaturvedi et P. N. Dave, Dessalement, 2012, 303, 15

16 Department of the Army, Water Dessalenation Technical Manual, Washington, D.C., 1986

17 A. J. Karabelas et coll., Dessalement, 2008, 222, 24

18 L. O. Villacorte et coll., Dessalenation, 2015, 360, 61

19 S. Lee et coll., Dessalenation, 2016, 385, 83

20 F. X. Simon et coll., Dessalement, 2013, 328, 67

21 C. W. Saltonstall, Dessalement, 1976, 18, 315