Les technologies à base de membranes sont essentielles pour l'avenir du traitement de l'eau et la production durable d'eau douce.
La recherche sur les matériaux de membranes avancés offre des perspectives prometteuses, car elle vise à améliorer la fonctionnalité des membranes pour répondre aux défis et aux opportunités auxquels la communauté mondiale est confrontée vis-à-vis de la production d’eau durable et rentable.
De quelle manière les techniques telles que les matériaux membranaires avancés, les membranes biomimétiques, les systèmes hybrides, l’osmose directe et la distillation membranaire sont utilisés pour améliorer la production afin de répondre à l’augmentation des besoins en eau ?
Selon les Nations Unies, plus de 748 millions de personnes n’ont pas accès à une source d’eau potable et la demande en eau de l’industrie devrait augmenter de 400% entre 2000 et 2050 à l’échelle mondiale.
Les estimations prévoient que la moitié de la population mondiale souffrira de graves pénuries d’eau d’ici 2050. Cette situation sera aggravée par la croissance de la population mondiale, qui devrait passer de 7,6 milliards d’habitants à 9.8 milliards en 2050.
Les besoins en eau douce et la gestion des eaux usées vont augmenter de façon exponentielle.
L’industrie du traitement de l’eau doit développer de nouvelles méthodes de traitement pour augmenter la ressource. Les procédés à base de membranes et le dessalement sont des technologies qui permettront de relever ces défis.
Le dessalement augmente considérablement la quantité d’eau disponible pour la production d’eau potable; le dessalement par membrane et les procédés thermiques sont les méthodes les plus courantes.
L’énergie représente le coût le plus important du dessalement, allant jusqu’à la moitié du coût total de la production d’eau douce. En effet, les ressources d’énergie et d’eau sont intimement liées puisque 7 % de l’énergie consommée dans le monde est utilisée pour produire de l’eau douce.
Ces dernières années, l’énergie nécessaire au dessalement a considérablement diminué grâce au développement de pompes plus efficaces, des dispositifs de récupération d’énergie, de la configuration des processus et des membranes. En comparaison aux procédés thermiques, les technologies de dessalement par membranes présentent l’avantage d’avoir des besoins énergétiques comparativement faibles.
Ils sont basés sur des procédés tels que l’osmose inverse (RO), l’osmose directe (FO), l’électrodialyse et la nanofiltration (NF)
Il existe de nombreuses formes de séparation par membrane qui reposent toutes sur le même principe de sélectivité, permettant le passage différentiel d’une matière, en fonction de la relation entre les propriétés physiques et chimiques de la matière.
Le passage des solutés à travers la membrane est régi par une convolution de leur taille, de leur charge, de leur activité et de leurs propriétés. Le matériau de la membrane détermine l’efficacité du processus de séparation et est l’objet de nombreuses recherches.
L’efficacité d’un procédé membranaire est compromise par l’encrassement de la surface des membranes, qui est dans de nombreux cas inévitable pour les matériaux traités, et impose des contraintes économiques à l’adoption de la technologie membranaire pour le traitement de l’eau.
L’encrassement est fonction des propriétés de surface de la membrane et de ses interactions avec les composants des eaux à traiter. Le dépôt d’une couche d’encrassement entraîne des modifications des propriétés chimiques et physiques de la membrane qui doivent être traitées par des nettoyages réguliers. Cela a un impact économique et est un problème sérieux pour les usines de dessalement par osmose inverse.
De nombreux procédés de prétraitement conventionnels ne parviennent pas à protéger l’usine des matières biologiques présentes dans l’eau et qui entrainent la formation de biofilms. Ils compromettent l’efficacité de la membrane et sont difficiles à éliminer. Il existe un besoin de stratégies de prétraitement des membranes afin de réduire l’adhérence des matériaux et obtenir une meilleure robustesse chimique et mécanique.
L’entartrage est un autre problème qui affecte souvent les installations et se produit lorsque la concentration en sel devient saturée et forme des cristaux sur les surfaces de la membrane.
L’industrie a développé trois techniques pour atténuer ce problème. Il s’agit de l’ajout d’antitartre, de la modification des propriétés de l’eau d’alimentation et de l’optimisation de la conception du procédé.
La méthode de prévention la plus utilisée est l’ajout d’un antitartre en raison des limites des autres méthodes.
L’acidification est utilisée pour ajuster le pH des eaux d’alimentation afin de modifier la solubilité du tartre mais en veillant à ne pas favoriser la formation de tartre sulfaté.
Les fluctuations de l’alimentation du prétraitement vers une unité de dessalement contrôlées en termes d’indice de densité de la vase (IDV), ont également un impact sur l’efficacité du processus avec la consommation de produits chimiques pour le coagulant et l’ajustement du pH et l’obstruction des filtres à média.
Les processus de prétraitement conventionnels peuvent être sensibles aux changements dans la qualité de l’eau de mer brute avec des variations saisonnières dues aux conditions climatiques.
L’incapacité à traiter les eaux d’alimentation avec un SDI extrême entraîne une grave détérioration des membranes d’OI. Afin de mieux gérer les fluctuations de la qualité de l’eau d’alimentation en termes de pH, température, alcalinité, matières organiques naturelle et de turbidité, le prétraitement des usines de dessalement peut être modifié en changeant l’ajustement du pH et les taux de dosage de coagulant, ainsi qu’un réglage fin des procédures de lavage à contre-courant.
Cependant, ces procédures réactives sont difficiles à contrôler et ne permettent que de légères améliorations de l’efficacité du traitement de l’eau.
Technologies avancées des membranes pour réduire les limites des membranes et obtenir une meilleure efficacité du traitement de l’eau et la production d’eau potable.
Les matériaux membranaires avancés tels que l’osmose directe, les membranes biomimétiques, la distillation par membrane et les systèmes membranaires hybrides constituent une option intéressante pour les technologies à venir. Ils améliorent le traitement et le dessalement de l’eau par rapport aux systèmes conventionnels.
Un système membranaire hybride associe une unité de filtration à membrane à d’autres processus tels que la coagulation, l’adsorption par échange d’ions ou un autre système membranaire. L’efficacité et le choix des procédés dépendent de la qualité de l’eau d’alimentation et de l’eau produite.
Chaque station de traitement de l’eau/désalinisation O.R. nécessite une combinaison différente de procédés hybrides et de prétraitement.
L’osmose directe est une technologie qui a fait l’objet de nombreuses critiques en raison de ses promesses d’efficacité énergétique. Ce qui est incontestable, c’est que l’OE présente un avantage par rapport à l’OI car elle ne nécessite pas de pression hydraulique comme force motrice. L’OE a une solution concentrée qui crée un effet osmotique. Cependant, cette solution doit être couplée à une source d’énergie économique, telle que la chaleur évacuée d’une centrale électrique.
La distillation par membrane (DM) offre des caractéristiques intéressantes pour le dessalement des eaux hautement salées. Cependant, l’optimisation de la MD à l’échelle industrielle est limitée.
Le MD est une séparation par voie thermique basée sur un procédé membranaire MF, où seules les molécules de vapeur traversent une membrane hydrophobe avec une force motrice créée par une différence de pression de vapeur entre les deux surfaces de la membrane.
Par rapport aux procédés conventionnels, le MD a des pressions hydrostatiques et des températures de fonctionnement plus faibles. Le coût des matériaux est réduit car on peut utiliser des plastiques plus résistants et qui suppriment les problèmes de corrosion.
Source : Nature.com – Clean Water – Exploring the current state of play for cost-effective water – N Hilal and CJ Wright
