EAU - Dessalement de l’eau de mer et des eaux saumâtres

EAU - Dessalement de l’eau de mer et des eaux saumâtres

Au cours des années cinquante et soixante, le dessalement était un sujet de préoccupation des autorités, persuadées que la conjugaison de l’accroissement démographique et de l’élévation du niveau de vie conduirait globalement, et à moyen terme, à une situation de pénurie en eau. Elles ont promu d’importants programmes de recherche et de développement incluant le stade semi-industriel d’exploitation pilote, afin d’étudier la faisabilité d’un très grand nombre de processus théoriquement applicables. Dans un premier stade, quatorze procédés, considérés comme prometteurs, ont été analysés, mais finalement seuls deux d’entre eux ont survécu à l’épreuve du développement industriel: la distillation et l’emploi de membranes (osmose inverse, électrodialyse).

Parallèlement, pendant la même période, et en raison de cette même crainte de pénurie globale, une politique de gestion des ressources en eau, de leur utilisation et de leur protection a été conçue et mise en place progressivement dans la plupart des pays. Cette politique a supprimé ou renvoyé à un horizon très lointain l’apparition d’une insuffisance des ressources en eau, d’autant plus que des transferts à grande distance sont devenus techniquement et économiquement envisageables dans des contextes régionaux, nationaux et internationaux. Néanmoins, il existe dans le monde suffisamment de situations graves de pénurie locale pour que la production d’eau dessalée (à partir de l’eau de mer ou de nappes saumâtres), pratiquement marginale en 1960, ait atteint en 1985 12 millions de mètres cubes par jour, ce qui représentait plus du double de la capacité d’approvisionnement en eau de l’agglomération parisienne. L’accroissement annuel de la capacité de dessalement reste de l’ordre de 7 p. 100. Mais, pour souligner le caractère très particulier et localisé de l’emploi du dessalement, il est bon de noter que, au début des années quatre-vingt-dix, deux tiers de la capacité installée se trouvaient au Moyen-Orient et que, si de telles installations existent dans plus de cent pays, la moitié est concentrée au Proche-Orient, au Moyen-Orient et aux États-Unis.

1. Le problème thermodynamique

Le dessalement peut s’appliquer soit à des eaux provenant des océans et des mers, soit à des eaux saumâtres (eaux de nappes ou de lagunes). La salinité des océans et des mers ouvertes varie légèrement autour d’une composition moyenne (tabl. 1). Les mers fermées ont une salinité plus faible ou plus élevée suivant l’intensité de l’évaporation et la nature des eaux de rivières qui s’y jettent (tabl. 2). Des compositions typiques de quelques eaux de nappes saumâtres figurent au tableau 3.

Les eaux salées sont caractérisées par un potentiel chimique plus élevé que celui de l’eau pure:

où 猪 ^s représente le potentiel chimique de l’eau salée, R la constante des gaz parfaits, T la température absolue, a ⁱ l’activité d’un constituant dissous.

Dessaler l’eau conduit à fractionner une masse initiale d’eau salée, possédant un certain potentiel chimique, en deux masses, l’une dépourvue de sel, l’autre plus salée. Dans le cas d’une transformation thermodynamique idéale réversible, une certaine dépense minimale d’énergie sera nécessaire pour effectuer ce fractionnement en fonction du pourcentage d’eau pure produite; ramené au mètre cube d’eau pure, ce travail minimal est donné par le tableau 4 pour deux cas, celui d’une eau titrant 35 kilogrammes par mètre cube de chlorure de sodium (assimilée à l’eau de mer) et celui d’une eau saumâtre titrant 5 kilogrammes par mètre cube de chlorure de sodium.

Dans la pratique, qui est loin des rendements thermodynamiques parfaits, quel que soit le processus utilisé, le dessalement de l’eau de mer (35 kg de sel par mètre cube) demandera une quantité importante d’énergie. Dans la réalité industrielle actuelle, elle est de l’ordre de 11 à 16 kilowattheures par mètre cube d’eau douce produit (un peu moins dans certains procédés à membranes où une partie de l’énergie est récupérée au prix d’une sophistication plus poussée et d’un investissement plus élevé). Ce seul besoin d’énergie est de 75 à 100 fois plus élevé que celui qui est nécessaire pour élever 1 mètre cube d’eau naturellement douce aux 50 mètres de pression d’eau assurés dans une distribution publique. Le dessalement est donc lié à la disponibilité d’une énergie abondante et d’un coût peu élevé ou, plus exactement, d’un coût acceptable dans la conjoncture locale. On comprend pourquoi les possibilités d’application du dessalement sont très différentes, par exemple dans les Émirats et dans les régions sahéliennes.

2. La distillation

La distillation est le procédé de dessalement le plus ancien, le plus direct. Sous sa forme primitive (distillation à simple effet en alambic), il s’agit d’un énorme consommateur d’énergie: 1 000 kilowattheures par mètre cube d’eau douce produit. Lorsque l’énergie n’est pas gratuite, il est indispensable de recycler les pertes au condenseur. On obtient ainsi les formes industrielles des appareils «multiple-effet classique» ou multiflash à évaporation adiabatique (fig. 1).

Un deuxième procédé de distillation consiste à récupérer la chaleur de condensation avec un apport d’énergie sous forme mécanique (on obtient le schéma symétrique de celui de la pompe de chaleur). C’est le distillateur à compression de vapeur (fig. 2).

Les distillateurs, quel que soit l’appareillage, correspondent à la séquence suivante de processus différents: apport d’énergie (thermique ou mécanique); transfert de l’énergie sous forme thermique à l’eau salée; évaporation partielle; transfert de la vapeur vers un condenseur; condensation de la vapeur et extraction de chaleur de l’eau condensée; évacuation (ou recyclage) de cette chaleur.

Le bilan énergétique et la conception de l’appareillage industriel dépendent étroitement du mode de réalisation de chaque stade de la séquence ci-dessus. Les processus de transfert de masse (liquide ou vapeur) et de transfert d’énergie sont en étroite dépendance (existence ou absence, nature et forme des parois). L’amélioration des coefficients réels de transfert de masse et de chaleur influe directement sur les rendements énergétiques (consommation par mètre cube produit) et sur les dimensions (investissements au mètre cube). Tous les efforts des chercheurs se portent sur la suppression des obstacles (suppression des parois), sur l’amélioration des coefficients de transfert (lutte contre l’entartrage et la corrosion, traitements de surface, vitesse de circulation des fluides, augmentation des surfaces d’interface) et la diminution des pertes énergétiques.

Il faut également souligner l’extrême importance des prétraitements et des traitements internes antitartre et anticorrosion, en l’absence desquels les coefficients de transfert deviennent médiocres et les rendements s’effondrent.

À moyen terme, deux techniques de distillation sont ou seront principalement employées:

– pour une production de l’ordre de 1 000 mètres cubes par jour et au-dessous, le compresseur de vapeur et le multiflash à nombre d’étages réduit (de 5 à 10);

– pour une production supérieure à 5 000 mètres cubes par jour, le multiflash à nombre d’étages élevé (de 12 à 40).

La compression de vapeur exige un apport d’énergie noble (électricité ou vapeur à haute pression); par ailleurs, la capacité unitaire est limitée par l’impossibilité de construire des compresseurs de très grandes dimensions qui ne soient des monstres mécaniques d’un entretien délicat. Le rendement de ces appareils reste cependant élevé pour un encombrement et un premier investissement inférieurs à ceux de multiflash de dimensions moyennes. C’est donc le critère de la forme d’énergie disponible (vapeur à basse pression ou énergie noble) et les possibilités d’entretien mécanique (compresseur) qui guideront le choix dans le cas de besoins modestes (inférieurs à 1 000 m³/j).

Pour les très grandes installations, la production d’eau douce est quelquefois couplée avec celle d’énergie électrique, l’usine de dessalement se trouvant intégrée dans une centrale thermique dont les turbines sont privées de leur dernier étage de détente, la vapeur récupérée ainsi à une température déjà très basse (105 ⁰C par exemple) étant injectée dans le distillateur multiflash. Le prix de la vapeur fournie à l’appareillage de distillation est celui du déficit de production d’énergie électrique par la centrale.

On obtient ainsi, en jouant sur le rapport de production kilowattheures par mètre cube, une possibilité de moduler le fonctionnement du couple centrale-usine de dessalement, de façon à satisfaire simultanément les besoins en énergie et en eau (fig. 3). En fait, il est souvent difficile d’assurer une modulation satisfaisante du point de vue économique.

La distillation multiflash a le grand avantage de se prêter à l’utilisation des énergies thermiques à bas niveau; le couplage le plus rentable est celui qui est effectué avec des usines ou des lieux où sont évacuées de grandes quantités de chaleur (usines de production d’acide sulfurique, raffineries, centres d’incinération des ordures urbaines). De même, son emploi est tout indiqué là où il existe des combustibles non commercialisables, comme l’huile de bunker (résidu de l’exploitation des puits de pétrole), ou une énergie thermique naturelle (énergie géothermique).

La pérennité et le haut rendement des distillateurs de tous les types dépendent étroitement de la qualité des matériaux utilisés dans leur fabrication et des prétraitements antitartre et anticorrosion prévus. Les investissements et les coûts d’exploitation y seront liés. Dans ce domaine, les «économies» d’investissement se paieront durement en durée de vie, en frais d’entretien et en rendement.

Une tentative intéressante a été d’employer de l’énergie solaire, énergie rayonnante diffuse et variable. L’usage du multiflash ou d’autres procédés élaborés n’a conduit qu’à des échecs. Il subsiste de cette tentative le distillateur solaire simple effet du type serre, d’un emploi commode dans les régions arides ensoleillées pour la production de faibles quantités d’eau. Dans ce cadre limité, les appareils sont fiables et utiles (fig. 4).

3. L’osmose inverse

Le principe consiste à appliquer à l’eau salée placée dans un compartiment délimité par une membrane semi-perméable une pression supérieure à la pression osmotique (25 bars pour l’eau de mer). De l’autre côté de la membrane apparaît un débit d’eau dessalée (fig. 5).

Les membranes constituaient au départ la pierre d’achoppement du procédé, tout au moins en ce qui concerne leur longévité. Depuis lors, de nouveaux types ont fait leur apparition. L’acétate de cellulose traité des débuts a été remplacé par des polyamides aromatiques, des complexes à base de polybenzimidazole, de polyéthylénimines, de pipérazine, etc. Par ailleurs, la structure des membranes a été modifiée en les rendant composites: la fonction de résistance mécanique est assurée par un type de matériau et la fonction semi-perméable par un autre, supporté par le premier. De même, la forme de la membrane, initialement disposée comme une feuille plane, a été modifiée en tuyau, spirale, fibre creuse.

Les orifices des membranes semi-perméables se situent dans la fourchette de 0,1 à 20 nanomètres. Les membranes sont donc particulièrement sensibles à l’entartrage chimique et au colmatage par les matières en suspension. Les prétraitements chimiques et de clarification doivent être de haute qualité et maintenus en permanence. Par ailleurs, dans le cas du dessalement de l’eau de mer, la dépense en énergie mécanique est très élevée et, dans de nombreuses installations, on prévoit une récupération d’énergie par détente, par exemple, de la saumure extraite sur un turbo-générateur hydraulique qui fournira une partie de l’énergie de pompage haute pression (fig. 6).

Comme dans le cas de l’électrodialyse (cf. chap. 4), il se produit un phénomène de polarisation dû à la formation d’une couche de haute concentration au voisinage immédiat des membranes, qui bloque le processus en élevant la pression osmotique à vaincre (dans le cas de l’électrodialyse, au contraire, il se forme une couche désionisée de haute résistance électrique). On s’oppose à cette polarisation par une turbulence élevée de l’écoulement créée par une vitesse minimale de l’eau et des formes adaptées des séparateurs placés entre les membranes.

Au départ, le procédé d’osmose inverse était le concurrent de l’électrodialyse pour le traitement des eaux saumâtres. Avec l’amélioration des membranes et celle des procédés d’application, notamment avec la récupération d’énergie, il concurrence aussi la distillation dans le cas des eaux de mer.

4. L’électrodialyse à membranes sélectives

Le procédé utilise la mobilité des ions d’un électrolyte soumis à un champ électrique. Les anions sont transférés vers l’anode, les cations vers la cathode; le transfert des charges électriques est effectué par les ions qui se déchargent sur les électrodes. Le dessalement proprement dit est assuré par la mise en place de membranes de deux sortes jouant le rôle de «clapets ioniques», les membranes anioniques, perméables aux anions, et les membranes cationiques, perméables aux cations. Une disposition alternée des deux qualités de membranes permet de former des compartiments de dessalement où la teneur ionique s’appauvrit et des compartiments de concentration recueillant les sels extraits (fig. 7). Les compartiments des extrémités forment un autre espace où se produisent les réactions secondaires propres à l’électrolyse. Pour chaque faraday (96 490 coulombs) traversant l’appareil, il est séparé N /2 équivalent-gramme de sel, N étant le nombre total de compartiments autres que ceux qui contiennent les électrodes.

On sait fabriquer des membranes de deux types:

– les membranes homogènes, qui sont des matériaux possédant la propriété d’échangeur d’ions mis sous forme de feuilles souvent renforcées par une armature interne;

– les membranes hétérogènes, où les fonctions feuille et d’échange d’ions sont séparées.

Les premières sont préparées soit par fusion et moulage d’échangeur d’ions, soit par activation de feuilles plastiques inertes préformées. Les secondes sont fabriquées par incorporation de résines échangeuses d’ions moulues très finement au sein de feuilles inertes.

Ces membranes doivent être résistantes mécaniquement, imperméables à l’eau, chimiquement inattaquables, ne présenter qu’une faible résistance ohmique, posséder une haute sélectivité (rôle de clapet ionique).

Au voisinage immédiat des membranes, il se produit un déficit ionique d’un côté et un excès ionique de l’autre. Du côté du déficit, il se crée ainsi une couche pratiquement désionisée, c’est-à-dire très résistante du point de vue électrique. Si l’on augmente progressivement la densité du courant (mA/cm² de membrane), on constate l’existence d’une valeur critique à partir de laquelle la polarisation devient sensible. Pour lutter contre cette polarisation, on cherche à détruire la couche désionisée par une turbulence créée par des séparateurs de forme appropriée, disposés entre les membranes, et par une vitesse minimale d’écoulement. Ainsi il existe une vitesse critique d’écoulement (donc, pour un appareillage donné, un débit critique) qui permet d’éviter la polarisation; sa valeur peut être obtenue à partir de la formule (simplifiée):

où K est une constante; i représente la densité du courant, C la concentration en sels, d l’épaisseur du compartiment.

Comme les pertes de charge sont fonction croissante des vitesses et fonction inverse de l’épaisseur du compartiment, et que le pouvoir global de dessalement est proportionnel à l’intensité du courant, il existe une opposition entre la recherche du pouvoir d’extraction le plus élevé et la réduction des pertes auxiliaires. De même, il existe une opposition entre les investissements, qui sont fonction inverse de la densité du courant, et les pertes ohmiques, fonction directe du carré de la densité du courant et du degré de dessalement obtenu (la résistivité des compartiments de dessalement croissant à mesure de l’abaissement de la salure).

L’électrodialyse est par conséquent un procédé particulièrement bien adapté au dessalement partiel d’eaux saumâtres de salure initiale moyenne. Pour une eau donnée, il existe en outre un compromis technique entre l’investissement (surface de membranes) et la dépense d’énergie (densité du courant).

Les appareils qui ont atteint le stade du développement industriel et dont le degré de fiabilité est élevé sont constitués d’un ou de plusieurs empilements de membranes, alternativement anioniques et cationiques, entre lesquels existe un intervalle très faible (quelques millimètres) matérialisé par des séparateurs qui assurent également la répartition des débits et la création d’une turbulence dépolarisante. Les électrodes en graphite ou titane platiné sont disposées aux extrémités des piles. La plus grande installation de traitement par électrodialyse réalisée traite 10 000 mètres cubes par jour. Il existe un grand nombre d’usines dessalant plusieurs centaines de mètres cubes par jour.

Des procédés sur lesquels on fondait des espoirs sérieux – tels que la congélation, la distillation solaire sophistiquée à grande échelle – se sont trouvés éliminés, tout au moins à terme. D’autres, comme la distillation couplée à la production d’énergie, n’ont pas trouvé suffisamment de points d’application pratique, les besoins en eau étant souvent trop grands comparés aux besoins en énergie; mais cette contradiction disparaîtra à mesure du développement économique.

L’abaissement constant du coût des capteurs solaires photovoltaïques peut également favoriser l’énergie solaire dans le domaine du dessalement. Il faut aussi souligner que les progrès dans les structures et les rendements d’échangeurs d’ions peuvent, dans une certaine mesure, les remettre sur les rangs pour le dessalement des eaux saumâtres. Ils sont déjà utilisés dans les trousses de survie des canots de sauvetage et des aéronefs.

Quand il s’agit de productions importantes d’eau, là où l’énergie est gratuite ou bon marché (huiles de bunker, pays producteurs de pétrole, vapeurs basse pression perdues), la distillation multi-étage et surtout multiflash reste le procédé de choix. Quand il s’agit de productions moins importantes et que le prix de l’énergie noble n’est pas prohibitif, l’osmose inverse devient un compétiteur de premier ordre, surtout en raison des investissements moins importants qu’elle exige. Elle est entrée dans le domaine des eaux de mer.

L’électrodialyse voit son domaine confiné aux eaux saumâtres, où elle est très combattue commercialement par l’osmose inverse.

Le tableau 5 donne, d’après une enquête des Nations unies, la répartition des différentes techniques pour les installations en service dans le monde entier.

Il est hasardeux d’avancer des coûts d’investissement et des coûts d’exploitation. Le marché reste ponctuel et la compétition est importante. Les propositions peuvent porter sur de très nombreuses variantes de procédés, de modes de réalisation, sur l’emploi d’énergies très différentes, sur un coût local très variable, etc. Il est indispensable d’utiliser les conseils d’un bureau d’études compétent aussi bien pour le cahier des charges de l’appel d’offre que pour le dépouillement des résultats. Dans la négative, on s’expose à de nombreux et graves déboires. Dans l’affirmative, on peut être certain de disposer d’un bon moyen technique de production d’eau de qualité. Cependant, l’investissement comme le coût de production resteront sans commune mesure avec les stations de production d’eau potable à partir d’une eau douce naturelle, même trouble et polluée.

Le dessalement, tout en étant arrivé à un stade technologique d’une fiabilité satisfaisante, reste un moyen ponctuel (ou limité à des zones relativement réduites) permettant la poursuite d’une activité économique de haute valeur.

S’il s’agit de résoudre des problèmes de survie ou de mise en valeur de régions semi-arides ou frappées de sécheresse périodique, seuls des projets d’adduction de quantités très importantes à très grande distance peuvent apporter une solution réelle avec un financement initial international portant un caractère d’aide au développement. D’après certaines études, une possibilité de rentabilité à long terme d’un tel développement n’est pas à exclure totalement.

Encyclopédie Universelle. 2012.