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REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTERE DE L'ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE UNIVERSITE LARBI BEN M’HIDI OUM EL BOUAGHI FACULTE DES SCIENCES ET SCIENCES APPLIQUEES DÉPARTEMENT DE GENIE DES PROCEDES MEMOIRE En vue de l'obtention DU DIPLOME DE MASTER EN GENIE CHIMIQUE Présenté par : Encadreur : GUEZLANE Widad Dr : KOUACHI Sabri AGGOUN Manel Promotion 2016/2017 ETUDE ET SIMULATION PAR MODELE MATHEMATIQUE D’ UNE UNITE D’OSMOSE INVERSE POUR LE DESSALEMENT DE L’EAU DE MER

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REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTERE DE L'ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE

UNIVERSITE LARBI BEN M’HIDI OUM EL BOUAGHI FACULTE DES SCIENCES ET SCIENCES APPLIQUEES

DÉPARTEMENT DE GENIE DES PROCEDES

MEMOIRE

En vue de l'obtention

DU DIPLOME DE MASTER EN

GENIE CHIMIQUE

Présenté par : Encadreur :

GUEZLANE Widad Dr : KOUACHI Sabri

AGGOUN Manel

Promotion 2016/2017

ETUDE ET SIMULATION PAR MODELE MATHEMATIQUE D’ UNE UNITE D’OSMOSE

INVERSE POUR LE DESSALEMENT DE L’EAU DE MER

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Sommaire

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SOMMAIRE

Remerciements ............................................................................................................................................. i

Dédicaces .................................................................................................................................................... ii

Résumé ....................................................................................................................................................... iv

Abstract……………………………………………………………………………………………………v

Liste des figures ........................................................................................................................................ vi

Liste des tableaux .................................................................................................................................... viii

Liste des abréviations ................................................................................................................................ ix

Introduction générale ..................................................................................................................................1

CHAPITRE I : GĔNĔRALITE SUR LE PROCĔDĔ DE DĔSSALEMENT ET

TECHNIQUES DE TRAITEMENTS DES EAUX DE MER

I.1 Introduction ..........................................................................................................................................4

I.2 Définitions et historique ......................................................................................................................5

I.2.1 Définitions ....................................................................................................................................... 5

I.2.2 Historique .........................................................................................................................................8

I.3 Evolution des procédés de dessalement dans le monde ....................................................................9

I.4 Expérience Algérienne dans le dessalement ......................................................................................9

I.5 Les paramètres de choix d'un procédé de dessalement .................................................................11

I.6 Organisation générale des installations ...........................................................................................11

I.7 Les différentes techniques de dessalement des eaux de mer .........................................................12

I.8 Les procédés membranaires de dessalement des eaux de mer ......................................................13

I.8.1 microfiltration (MF) .......................................................................................................................13

I.8.2 Ultrafiltration (UF) .........................................................................................................................14

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I.8.3 Nanofiltration (NF) .........................................................................................................................15

I.8.4 Electrodialyse (ED) ........................................................................................................................15

I.8.5 Osmose inverse (RO)......................................................................................................................16

I.9 Choix d’un procédé membranaire ...................................................................................................17

I.10 Les inconvénients de dessalement ..................................................................................................18

I.11 Conclusion ........................................................................................................................................19

CHAPITRE Π : DĔSSALEMENT DE L’EAU DE MER PAR OSMOSE INVERSE

II.1 Introduction .......................................................................................................................................20

Π.2 Installation de dessalement par osmose inverse ............................................................................20

Π.2.1 Captation d’eau de mer ...............................................................................................................21

Π.2.2 Prétraitement ...............................................................................................................................21

Π.2.2.1 Chloration ..............................................................................................................................22

Π.2.2.2 Clarification de l’eau brute ...................................................................................................22

Π.2.2.3 Prévention de l'entartrage ......................................................................................................23

Π.2.2.4 Déchloration Clarification de l’eau brute ..............................................................................23

Π.2.2.5 Filtration de sécurité sur cartouches ......................................................................................23

Π.2.3 Osmose inverse ...........................................................................................................................24

Π.2.3.1 Principe de l’osmose inverse .................................................................................................24

Π.2.3.2 Schéma général d'une installation d'osmose inverse .............................................................25

Π.2.3.3 Membranes d’osmose inverse ...............................................................................................27

Π.2.3.4 Modules d’osmose inverse ....................................................................................................28

Π.2.3.5 Nanofiltration ........................................................................................................................30

Π.2.4 Post-traitement ............................................................................................................................31

II.3 Paramètres à prendre en compte ...................................................................................................31

Π.4 les avantages et les inconvénients du procédé d’osmose inverse .................................................32

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CHAPITRE III : MODĔLISATION ET CONCEPTION

III.1 Paramètres de performance ..........................................................................................................33

III.1.1 Pression osmotique et de fonctionnement ...................................................................................33

III.1.2 Rejection de sel ...........................................................................................................................34

III.1.3 Récupération de perméat .............................................................................................................34

III.2 Membranes à osmose inverse ........................................................................................................35

III.2.1 Membranes d'acétate de cellulose ...............................................................................................36

III.2.2 Membranes composites en polyamide ........................................................................................36

III.3 Modules Membrane .......................................................................................................................37

III.3.1 Fibres fines creuses .....................................................................................................................37

III.3.2 Enroulé en spirale .......................................................................................................................38

III.4 Systèmes d’osmose inverse ...........................................................................................................40

III.5 Modèle d’osmose inverse et les variables du système .................................................................43

III.5.1 Bilan de masse et du sel dans le perméat ....................................................................................43

III.5.2 Transport de l'eau ........................................................................................................................44

III.5.3 Transport de sel ...........................................................................................................................45

III.5.4 Modèle semi-empirique ..............................................................................................................46

III.5.5 Concentration de polarisation .....................................................................................................48

CHAPITRE IV : RESULTATS ET COMMENTAIRES

IV.1 Introduction ....................................................................................................................................50

IV.2 Microsoft Visual Basic ...................................................................................................................50

IV.3 Choix du langage de programmation ...........................................................................................51

IV.4 Présentation du programme ..........................................................................................................51

IV.4.1 Feuille principale ........................................................................................................................51

IV.5 Présentation du programme de calcul ..........................................................................................52

IV.6 Avantages du programme ..............................................................................................................54

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IV.7 Resultat et commentaires ...............................................................................................................54

IV.7.1 Variation de la salinité de flux de perméat (X�) en fonction du débit d'alimentation……………55

IV.7.2 Variation de la salinité de flux de perméat (X�) en fonction du débit de perméat .........................60

IV.7.3 Variation de la salinité de flux de perméat (X�) en fonction de la pression de rejet ......................64

IV.7.4 Variation de la salinité de flux de perméat (X�) en fonction de la pression d'alimentation ..........66

IV.7.5 Variation de la salinité de flux de perméat (X�) en fonction de la salinité de l’alimentaion .........69

IV.8 Résultats pour d’autres modèle .....................................................................................................72

IV.8.1 Spécifications du fabricant ..........................................................................................................72

IV.8.2 Modèle de semi-empirique .........................................................................................................73

Conclusion Générale ...............................................................................................................................74

Références bibliographiques…………………………………………………………………………...76

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i

REMERCIEMENTS

Avant tout nous remercions Ellah. Tout puissant de nous avoir accordé la force,

courage et moyens pour accomplir ce modeste travail.

Au terme de ce travail, nous tenons à exprimer nos vifs remerciements et notre

profonde reconnaissance à tous ceux qui ont contribué à la réalisation de ce mémoire.

Nous remercions tout particulièrement notre directeur de thèse ;

Dr Kouachi, pour son aide précieuse,pour les services qu’il nous a offerts et pour ses

orientations, que sans lui, ce travail, ne saurait etre accompli, et surtout pour son

dynamisme qui nous a permi de communiquer facilement et à publier beaucoup de

résultats de cette thèse.

Nos vifs remerciements vont aussi à Messieurs ;

♣ A.Zerman, Maître de conférences (université Larbi ben M’hidi).

♣ Farhoune, Maître de conférences (université Larbi ben M’hidi).

Pour avoir accepté de nous faire l’honneur de juger ce travail et de participer au

jury mémoire.

Nous remercions plus particulièrement nos familles, pour leur soutien, leur

encouragement et leur orientation au cours de toute la durée de la préparation de ce

travail.

Nous remercions nos amis et tous ceux qui ont contribué de près ou de loin à

l’élaboration de ce mémoire.

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ii

DEDICACE

A l’issue de plusieurs années de labeur, et après avoir franchi les différentes étapes

pédagogiques, voilà, enfin, arrivée au rang des détenteurs du Master II avec l’aide de

Dieu.

Je tiens à dédier ce modeste travail à :

♣ Mes professeurs de département de génie des procédés sans exception qui m’ont

accompagné durant mes études.

♣ Mon cher père qui a été toujours à mes côtés le long de ma formation.

♣ Ma chère mère que dieu la prête une longue vie plein d’honneur ; Elle a le plaisir

de m’orienter au bon chemin, et suivre mes pas avec surveillance.

♣ Mes bougies, mes chers frères : Soufien et Khalil

♣ Mes fleures qui colorent ma vie, mes sœurs : Nawel, Nabila,Imen, Boutheyna.

♣ Mes chères amies :

Wided,Hadia,Rym,Rokia,Kahina,Amel,Chams,Feriel ,Sara,Houda.

♣ Mes collègues de l'étude au Département de Génie des procédés sans exception.

♣ Toute personne qui éprouve les sentiments de joie en consultant mon travail.

♣ Toute ma famille … Tous qui m’aiment.

MANEL

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iii

DEDICACE

A l’issue de plusieurs années de labeur, et après avoir franchi les différentes étapes

pédagogiques, voilà, enfin, arrivée au rang des détenteurs du Master II avec l’aide de

Dieu.

Je tiens à dédier ce modeste travail à :

♣ Mes professeurs de département de génie des procédés sans exception qui m’ont

accompagné durant mes études.

♣ Mon cher père qui a été toujours à mes côtés le long de ma formation.

♣ Ma chère mère que dieu la prête une longue vie plein d’honneur ; Elle a le plaisir

de m’orienter au bon chemin, et suivre mes pas avec surveillance.

♣ A l’ame de mon unique frère: Abd Elkrim qui nous a quitté recemment.

♣ Mes fleures qui colorent ma vie, mes sœurs : Chahinez et Besma.

♣ Mon futur mari qui m’a donnée la force et l’aide pour continue mes études-

grand merci.

♣ Mes chères amies : Manel, Wided, Somia, Khadidja, Fatima, Saida et Karima.

♣ Mes collègues de l'étude au Département de Génie des procédés sans exception.

♣ Toute personne qui éprouve les sentiments de joie en consultant mon travail.

♣ Toute ma famille … Tous qui m’aiment.

WIDED

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iv

Résumé

De nombreux pays de notre planète sont menacés par des graves pénuries d'eau. Face

à un accroissement des besoins en eau pour l’alimentation, l’agriculture et l’industrie et

face à une démographie de plus en plus croissante, la difficulté d’approvisionnement en

eau potable se présente comme un véritable fléau à la vie humaine sur terre et source de

beaucoup de maladies autour de nous. Pour pallier à ce problème majeur de notre siècle, le

dessalement de l'eau de mer se présente comme un moyen industriel fiable de production

pouvant couvrir les besoins en eau douce de la plupart des pays du monde.

Dans cette étude, nous avons abordé la technique d’osmose inverse en domaine de

séparation membranaire pour le dessalement de l'eau de mer, qui, à priori, semble la moins

couteuse, peu polluante et offrant une eau de qualité meilleure. Cette étude a été focalisée

sur trois modèles différents dont l’interprétation mathématique a été traduite

qualitativement et quantitativement dans un milieu de simulation de Visual Basic 10

offrant le confort et la facilite d’une utilisation interactive. Le programme numérique

élaboré a été exploité pour interpréter les résultats du modèle mathématique afin

d’investiguer l’influences des paramètres explicites et de performance dans le déroulement

du processus d’osmose inverse.

Mots clé : dessalement, eau de mer, osmose inverse.

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iv

Abstract

Many countries of our planet are threatened by severe water shortages. Facing

growing water needs for food, agriculture and industry and considering, the rapid pace of

population growth, the increasing difficulty in assuring the supply of drinking water is an

impediment to human welfare on earth and the source of many diseases around us. To

overcome this major problem of our century, the desalination of seawater is seen as a

means of reliable industrial that could cover the freshwater needs of the greater part of the

world.

In this study, we discussed the reverse osmosis technique in the membrane separation

domain for seawater desalination, which seems, at first sight, to be the cheapest, least

polluting and offering better water quality. This study was focused on three different

models whose mathematical interpretation was translated qualitatively and quantitatively

into a Visual Basic 10 simulation environment offering comfort and ease of interactive use.

The elaborated numerical program was exploited to interpret the results of the

mathematical model in order to investigate the influences of the explicit and performance

parameters during the reverse osmosis process.

Keywords : Desalination, seawater, reverse osmosis.

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iv

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LISTE DES FIGURES

vi

LISTE DES FIGURES

Figure I.1 : Principaux composants de l’eau de mer...............................................................................6

Figure I.2 : Vue générale de la station de dessalement de Fouka……………………………………. 10 Figure I.3 : Installation de l’opération de dessalement..........................................................................12

Figure I.4 : Représentation schématique d’un procédé de séparation membranaire.............................13

Figure I.5 : Principe de la microfiltration..............................................................................................14

Figure I.6 : Principe de l’ultrafiltration................................................................................................14

Figure I.7 : Principe de la nanofiltration..............................................................................................15

Figure I.8 : Schéma de principe d'une unité d’électrodialyse................................................................16

Figure I.9 : Principe de l’osmose inverse..............................................................................................17

Figure I.10 : Sélection d’un procédé membranaire...............................................................................18

Figure Π.1 : Schéma général d'une installation de dessalement............................................................20

FigureΠ.2 : Etapes du prétraitement avant osmose inverse ................................................................21

Figure Π.3 : Principe générale de l'osmose inverse...............................................................................25

Figure Π.4 : Schéma de principe d'une unité d'osmose inverse............................................................26

Figure Π.5 : Schéma de principe d’une installation d’osmose inverse……………………………….26

Figure II.6 : Structure d’un module plan...............................................................................................28

Figure II.7 : Structure inverse d’un module tubulaire...........................................................................29

Figure II.8 : module spirale de l’osmose inverse .................................................................................29

Figure II.9 : Structure inverse d’un module à fibres creuses............................................................... 30

Figure Π.10 : Le problème du bore en osmose inverse.........................................................................31

Figure III.1 : Modules à membrane en fibres creuses, (a) Assemblage,

(b) Dimensions des fibres..................................................................................................39

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Figure III.2 : Modules à membrane enroulée en spirale.......................................................................40

Figure III.3 : Procédé typique d’osmose inverse avec tamisage, chloration, filtration, Acidification et

inhibition de tartre ...........................................................................................................42

Figure IV.1 : le menu.............................................................................................................................52

Figure IV.2 : page d’accueil.................................................................................................................52

Figure IV.3 : feuille de calcul du programme.......................................................................................53

Figure IV.4 : feuille de calcul du programme pour M� = 2 et X� =0.18151.........................................58

Figure IV.5 : Représentation graphique des résultats de la variation de la salinité de flux de perméat

�X�� en fonction de débit d'alimentation (M�)..................................................................58

Figure IV.6 : Effet de la pression osmotique efficace en fonction de débit d'alimentation (M�) .........59

Figure IV.7 : feuille de calcul du programme pour M�=1.3 et X�=0.19221.........................................62

Figure IV.8 : Représentation graphique des résultats de la variation de la salinité de flux de perméat

(X�) en fonction du débit de perméat (M�)......................................................................62

Figure IV.9 : Effet de la pression osmotique efficace en fonction du débit de perméat (M�) ..............63

Figure IV.10 : Représentation graphique des résultats de variation de la salinité de flux de perméat

(X�) en fonction de la pression de rejet (P�)..................................................................65

Figure IV.11 : Effet de la pression osmotique efficace en fonction du débit de de rejet (P�)..............66

Figure IV.12 : feuille de calcul du programme pour P� 8300 et X� 0.1394.............................. 68

Figure IV.13 : Représentation graphique des résultats de la variation de la salinité de flux de perméat

(X�) en fonction de la pression d'alimentation (P�)........................................................68

Figure IV.14 : Effet de la pression osmotique efficace en fonction du débit de l’alimentation……...69

Figure IV.15: feuille de calcul du programme pour X�=35000 et X�=0.1012......................................71

Figure IV.16 : Représentation graphique la variation de la salinité de flux de perméat (X�) en fonction

de la salinité de l’alimentation (X�).................................................................................71

Figure IV.17: Effet de la pression osmotique efficace en fonction de la salinité de l’alimentation…..72

Figure IV.18 : feuille de calcul du programme par le modèle de Spécifications du fabricant..............73

Figure IV.19 : feuille de calcul du programme par le modèle de semi-empirique................................73

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LISTE DES TABLEAUX

viii

LISTE DES TABLEAUX

Tableau I.1 : Classification des eaux selon la salinité ......................................................................................... 5

Tableau I.2. Principaux sels dissous pour une eau de mer de salinité 35 g/l ........................................................ 6

Tableau I.3. Composition de l’eau de mer : pourcentages en masse des principaux éléments ............................. 8

Tableau I.4. Répartition de la production d’eau dessalée .................................................................................... 9

Tableau Π.1. Prétraitement de l'eau de mer avant osmose inverse ..................................................................... 24

Tableau Π.2 Avantages et inconvénients des membranes organiques ............................................................... 27

Tableau Π.3 Avantages et inconvénients des modules d’osmose inverse .......................................................... 30

Tableau IV.1 : Variation de la salinité de flux de perméat (X�) en fonction du débit d'alimentation (M�) ........... 57

Tableau IV.2 : Variation de la pression osmotique efficace en fonction du débit d’alimentation. ………………57

Tableau IV.3 : Variation de la salinité de flux de perméat (X�) en fonction du débit de perméat (M�)…………. 61

Tableau IV.4 : Variation de la pression osmotique efficace en fonction du débit de perméat ............................. 61

Tableau IV.5: Variation de la salinité de flux de perméat (X�) en fonction de la pression de rejet (P�) .............. 64

Tableau IV.6 : Variation de la pression osmotique efficace en fonction de la Pression de Rejet …………..……65

Tableau IV.7 : variation de Salinité du flux de perméat (X�) en fonction de la pression d'alimentation (P�)...…..67

Tableau IV.8 : Variation de la pression osmotique efficace en fonction de la Pression d’alimentation ……….. 67

Tableau IV.9 : Variation de Salinité du flux de perméat (X�) en fonction de la salinité des alimentations (X�)…70

Tableau IV.10 : Variation de la pression osmotique efficace en fonction de la Pression d’alimentation………...70

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Liste des abréviations

ix

Liste des abréviations

PTM Pression transmembranaire

MSF Distillation Multi-stage-flash

MF Microfiltration

UF Ultrafiltration

NF Nanofiltration

ED Electrodialyse

RO Osmose inverse

CFS Coagulation-Floculation-Sédimentation

COT Carbonne Organique Total

OMS Organisation Mondiale de la Santé

TDS Solides Dissous Totaux

CA Membranes d'acétate de cellulose

PA Membranes composites en polyamide

MES matières en suspension

CPF facteur de polarisation de concentration

pH potentiel d’hydrogène

P La pression hydraulique �����

� La pression osmotique �����

� La température ���

SR Le rejet de sel

X Salinité (ppm) �� �⁄ �

R le taux de récupération

M le débit d’eau �� ⁄ �

A la surface de la membrane ���

�� Coefficient de perméabilité de l'eau �� �⁄ ����

�� Coefficient de perméabilité de la membrane pour le sel �� �⁄ �

∆� La différence de pression hydraulique �����

∆� La différence de pression osmotique �����

�� La différence de pression hydraulique moyennes �����

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�� La différence de pression osmotique moyennes �����

� Coefficient de transfert de masse � ⁄ �

� Coefficient de réflexion

μ Viscosité dynamique de l'eau �� ⁄ �

��� Coefficient de diffusion du soluté en solution �� ⁄ �

Les indices :

f alimentation

p perméat

b Saumure

s sel

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Introduction

Générale

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INTRODUCTION GENERALE

1

Introduction générale

L’eau est un élément vital, précieux et rare. Son rôle économique et social est très

important. Sa disponibilité dans le monde diminue et la demande en eau potable de bonne

qualité est de plus en plus forte.

En effet, la population augmente rapidement et les besoins en eau de l’industrie et de

l’agriculture sont de plus en plus élevés.

Les besoins en eau sont principalement répartis entre 4 types de consommation :

� 55% de l'eau consommée sert à fournir de l'énergie (barrage hydroélectrique,

refroidissement des centrales nucléaires, énergie géothermique, etc.),

� 18% est consommée par les particuliers ;

� 15% est utilisée par l'agriculture ;

� 12% est consacrée à un usage industriel [8].

Entre 1950 et 1990, la demande globale en eau a triplé et elle ne cesse d’augmenter.

Si la tendance actuelle se maintient, d’ici une trentaine d’années, la demande en eau

pourrait dépasser les quantités disponibles … il n’y aura simplement pas assez d’eau de

pluie pour combler nos besoins.

Nous avons besoin de plus d’eau dès maintenant. Selon les Nations Unies, disposer

d’eau est un droit humain, ce qui signifie que chacun devrait avoir facilement accès – tant

géographiquement que financièrement - à des quantités suffisantes d’eau potable et à des

installations sanitaires. La crise de l'eau potable annoncée pour les années 2000-2020

relance fortement l'intérêt de développer rapidement des techniques de dessalement moins

chères, plus simples, plus robustes, plus fiables, si possible moins consommatrices

d'énergie et respectant l'environnement. D’après, que ce qu’on a vu ci-dessus, le

dessalement de l’eau de mer et celui des eaux saumâtres constitue depuis plusieurs

décennies la solution à la pénurie d’eau dans nombreuses parties du monde.

Les technologies membranaires ont conquis, en l'espace de 3 décennies, une place de

choix dans le domaine du traitement de l'eau. Si aujourd'hui moins de 1% de l'eau potable

distribuée dans le monde est produite par un procédé faisant intervenir l'ultra ou la

microfiltration, plus d'une usine sur deux construite en 2011 fait intervenir une technologie

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INTRODUCTION GENERALE

2

membranaire. De la même manière, le dessalement d'eau de mer par osmose inverse, mis

au point dans les années 60, représente plus de la moitié de la capacité de production

mondiale d’eau potable, ayant dépassé les procédés thermiques en 2009. La raison à cela

est une consommation énergétique par mètre cube d'eau dessalée environ 7 fois inférieure

en osmose inverse qu'en évaporation multiple effets. Ces quelques chiffres démontrent la

viabilité industrielle de ces procédés, qualifiés jusqu'il y a encore récemment de

"technologies nouvelles". Aujourd'hui, une amélioration constante des matériaux et une

meilleure conduite des procédés contribuent à diminuer les coûts de fonctionnement et à

fiabiliser les installations de traitement.

La séparation par membrane est une opération unitaire de séparation appliquée dans

les procédés de purification et de transfert de matière sélectif. En ce sens, elle est employée

notamment pour la production d’eau potable, fournissant une barrière de rétention aux

micropolluants, et le traitement d’effluents, en particulier des eaux usées industrielles, pour

le recyclage de solutés à valoriser et la limitation des rejets. Les procédés membranaires

sont intégrés dans les filières du traitement de l’eau à 2 niveaux. Ils peuvent constituer

l’opération centrale et principale du traitement, en particulier en dessalement.

Alternativement, les procédés membranaires peuvent être couplés, entres autres, à des

opérations unitaires de sorption, d’oxydation et/ou traitement biologique, notamment pour

le traitement des eaux résiduaires urbaines. L’intensification des applications pour les

procédés membranaires en traitement de l’eau est portée par la recherche et le

développement dans la synthèse et fonctionnalisation de matériaux formant la surface

active d’une membrane et l’industrialisation de membranes avec la conception de modules

membranaires de différentes géométries adaptées. De ce fait, une large gamme de modules

membranaires est actuellement commercialisée. Elle couvre une sélectivité allant de

l’échelle du micromètre, pour la rétention de matière colloïdale et de microorganismes, à

l’échelle atomique, pour le traitement des eaux saumâtres et de mer, envisagé pour

l’extraction de molécules d’intérêt (principes actifs en pharmaceutique) ou la rétention de

molécules cancérigènes ou toxiques pour l’environnement présentes en concentration de

l’ordre du µ g.L-1.

La technique de dessalement peut traiter les eaux de différentes origines : l’eau de

mer (dont la concentration en sels varie entre 35.000 à 49.000 ppm), l’eau saumâtre et

l’eau souterraine (où la concentration varie de 1.000 à 10.000 ppm), l’eau de drainage,

l’eau usée, l’eau polluée par les métaux lourds, et l’eau polluée par les radioactifs.

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INTRODUCTION GENERALE

3

L’eau dessalée peut être destinée vers de nombreux domaines comme : la

consommation humaine, l’industrie, l’irrigation, production de l’eau embouteillée,

production de l’eau distillée, secteur de tourisme (hôtellerie)…etc.

Les techniques de dessalement utilisées sont nombreuses et diversifiées. Les plus

largement utilisées (vis à vis le rapport technico-économique) sont deux :

� Le dessalement par distillation à détente étagée (MSF).

� Et le dessalement par osmose inverse (RO).

Le choix de la première technique est limité généralement pour les centrales à double

fin : c'est-à-dire qu’elle n’est fiable que dans le cas où la station à envisager, est à la

proximité d’une centrale énergétique où les déchets thermiques (chaleur) produits sont

abondantes en quantité suffisante.

Dans tous les autres cas : la technique de dessalement par osmose inverse représente

le choix le plus raisonnable et le plus économique. Cette dernière produise plus de 40% de

la production mondiale en matière de dessalement.

Ce mémoire présente l'ensemble des travaux ainsi réalisés en quatre chapitres

successifs. Le premier chapitre situe le cadre du mémoire. Elle dresse un rappel ou une

présentation des connaissances générales sur le dessalement de l'eau de mer et leurs

différents procédés les plus apportées.

Dans le deuxième chapitre, nous rassemblons une description de procédé d'osmose

inverse auxquels nous avons eu recours lors de cette étude.

En ce qui concerne le troisième chapitre, nous étudierons une caractérisation et une

modélisation des paramètres de performance, ainsi nous avons mentionnés les équations et

les termes formant le modèle d’osmose inverse simple. Les équations sont utilisées à la

conception et le développement d’un programme numérique à l’aide de Visual Basic 10

comme langage de programmation. Enfin, le dernier chapitre montre l'ensemble des

résultats obtenus sous forme des graphes avec leurs interprétations.

La conclusion générale de ce mémoire reprend les principaux résultats trouvés, ainsi

que les remarques générales à l’égard de ceux-ci.

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CHAPITRE I

GENERALITE

SUR LE PROCEDE

DE DESSALEMENT

ET TECHNIQUES DE

TRAITEMENTS DES

EAUX DE MER

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CHAPITRE I GENERALITE

4

CHAPITRE I

GĔNĔRALITE SUR LE PROCĔDĔ DE DĔSSALEMENT ET

TECHNIQUES DE TRAITEMENTS DES EAUX DE MER

I.1 Introduction

L'eau est abondante sur terre, elle représente 1380 millions de km3. L'essentiel

toutefois est constitué d'eau de mer (97,2 %) et de glace (2,15 %) inutilisables directement.

L'eau douce, facilement disponible (lacs, fleuves, certaines eaux souterraines), ne

représente que 0,07 % de la ressource totale soit environ un million de km3. Mais la

répartition de cette eau est très inégale. En effet, dix pays se partagent 60 % des réserves

d'eau douce et vingt-neuf autres principalement en Afrique et au Moyen-Orient, sont au

contraire confrontés à une pénurie chronique d'eau douce. Dans ces pays, selon le Water

Ressources Institute, 250 millions d'individus, ne disposent pas aujourd'hui du minimum

vital d'eau défini à 1000 m3 par habitant et par an. 400 millions de personnes vivent en

situation de stress hydrique, estimé entre 1000 et 2000 m3 par habitant et par an. Et on

estime que 2,5 milliards de personnes pourraient souffrir du manque d'eau en 2050

compte-tenu de l'évolution de la démographie et de l'augmentation des consommations

d'eau.

Pour faire face à cette pénurie annoncée d'eau, de nouvelles techniques de

production d'eau potable devront être mises en place pour satisfaire les besoins de la

population croissante. Une des techniques prometteuses pour certains pays est le

dessalement de l'eau de mer ou des eaux saumâtres. Ces techniques de dessalement,

opérationnelles depuis de nombreuses années, font face à un coût de production (de 1 à 2

euros/m3, selon la technique utilisée) qui limite souvent leur utilisation aux pays riches [1].

Cependant dans les dernières années, la capacité des usines de dessalement s'est

fortement accrue et les coûts de production par m3 ont connu une forte diminution.

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CHAPITRE I GENERALITE

5

I.2 Définitions et historique

I.2.1 Définitions

Le dessalement de l'eau, également appelé dessalage ou désalinisation est un processus

qui permet de retirer le sel de l'eau de mer ou des eaux saumâtres pour la rendre potable.

Une eau saumâtre est une eau salée non potable de salinité inférieure à celle de l'eau de

mer. La plupart des eaux saumâtres contiennent entre 1 et 10 g de sels par litre. Ce sont

parfois des eaux de surface mais le plus souvent des eaux souterraines qui se sont chargées

en sels en dissolvant certains sels présents dans les sols qu'elles ont traversés. Leur

composition dépend donc de la nature des sols traversés et de la vitesse de circulation dans

ces sols. Les principaux sels dissous sont le CaCO3, le CaSO4, le MgCO3 et le NaCl.

Une eau de mer nomme précisément des eaux marines côtières ou situées plus au large

dans la mer ou l'océan, dans laquelle la salinité est maximale. La salinité moyenne de l’eau

de mer est de l’ordre de 35 g/l, cependant cette valeur varie fortement selon les régions et

la saison : Mer Baltique : 7g/l, Mer méditerranée : 36 à 39 g/l, Golfe Persique : 40 à 70 g/l,

Mer morte : 270 g/l [2].

Le pH moyen des eaux de mer varie entre 7,5 et 8,4 (l'eau de mer est un milieu

légèrement basique), et leur pression osmotique d’environ 26 bars.

Lorsqu’on classe les eaux en fonction des quantités de matières dissoutes qu’elles

contiennent, on obtient les données présentées au tableau I.1.

Tableau I.1 : Classification des eaux selon la salinité [3].

Type d’eau Salinité (mg/L)

Eau douce

Eau légèrement saumâtre

Eau modérément saumâtre

Eau très saumâtre

Eau de mer

< 500

1 000 – 5 000

5 000 – 15 000

15 000 – 35 000

35 000 – 42 000

L'eau de mer est composée d'eau et de sels, ainsi que de diverses substances en faible

quantité. Si plus des deux tiers des 94 éléments chimiques naturels sont présents dans l'eau

de mer, la plupart le sont en faible quantité et difficilement décelables. (Voir la figure I.1)

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CHAPITRE I

Figure I.1

Tableau I.2 : Principaux sels dissous pour une eau de mer de salinité

Anions

Chlorure (Cl−)

Sulfate (SO42−)

Hydrogénocarbonate

Bromure (Br−)

Carbonate (CO32−)

Fluorure (F−)

Hydroxyde (HO−)

Cations

Ion sodium (Na+)

Ion magnésium (Mg2+

Ion calcium (Ca2+)

Figure I.1 : Principaux composants de l’eau de mer

Principaux sels dissous pour une eau de mer de salinité

Anions g/kg

19.3524

2.7123

(HCO3−) 0.1080

0.0673

0.0156

0.0013

0.0002

Cations g/kg

10.7837

2+) 1.2837

0.4121

GENERALITE

6

Principaux sels dissous pour une eau de mer de salinité 35 g/l

mol/kg

0.54586

0.02824

0.001770

0.000842

0.000260

6.84 10-5

1.2 10-5

mol/kg

0.46907

0.05282

0.01028

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CHAPITRE I GENERALITE

7

Ion potassium (K+) 0.3991 0.01021

Ion strontium (Sr2+) 0.0079 9.02 10-5

Ion lithium (Li+) 1.73 10-4 2.49 10-5

Ion rubidium (Rb+) 1.20 10-4 1.404 10-6

Ion baryum (Ba2+) 2.0 10-5 1.46 10-7

Ions polyatomiques dont molybdène 1.0 10-5 1.04 10-7

Ions polyatomiques dont uranium 3.3 10-5 1.39 10-8

Ions polyatomiques dont vanadium 1.9 10-6 3.73 10-8

Ion fer (Fe2+ ; Fe3+) 1.3 10-6 2.33 10-8

Ions polyatomiques dont titane 1.0 10-6 2.09 10-8

Ion aluminium (Al3+) 1.0 10-6 3.71 10-8

Autres espèces g/kg mol/kg

Eau (H2O) 965 53.57

Acide borique (B(OH)3) 0.0198 0.000320

Tétrahydroxyborate (B(OH)4−) 0.0079 0.000100

Dioxyde de carbone (CO2) 4.0 10-4 9.09 10-6

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CHAPITRE I GENERALITE

8

Tableau I.3 : Composition de l’eau de mer : pourcentages en masse des principaux éléments

Éléments % En masse Éléments % En masse

Oxygène (O) 85.84 Soufre (S) 0.0905

Hydrogène (H) 10.82 Calcium (Ca) 0.041

Chlore (Cl) 1.935 Potassium (K) 0.040

Sodium (Na) 1.078 Brome (Br) 0.0067

Magnésium (Mg) 0.1284 Carbone (C) 0.00245

I.2.2 Historique

Compte tenu de la situation actuelle de pression démographique et de réchauffement

climatique, le dessalement est une technique intéressante au vu de l’abondance de la

matière première : l’eau de mer et les eaux saumâtres. Cette technique aujourd’hui à

l’échelle industrielle tient ses origines des longues dates avant JC.

− Dès le IVe siècle avant JC, Aristote observe le principe de distillation et le conseille aux

marins pour produire de l’eau douce à partir des « bouilloires ».

− Les premiers procédés industriels ont été mis au point dans les années 60

− 1978 : mise en service de la première unité de dessalement de l’eau de mer par osmose

inverse, à Djeddah en Arabie Saoudite.

− Au 1er janvier 2000, 13 600 usines de dessalement fonctionnaient dans plus de 120 pays

et totalisaient une capacité installée au niveau mondial d’environ 26 millions de m3/jour.

− De nos jours on assiste à une très forte augmentation (+10% par an) du volume d’eau

produit par dessalement : 52 millions m3/jour, soit 42 millions pour les eaux de mer et 10

millions pour les eaux saumâtres [2].

Les usines de dessalement se multiplient dans de nombreux pays (Libye, l’Australie,

la Grande Bretagne) ; surtout dans les pays en prise à des pénuries d’eau (Algérie, Libye,

pays du golfe) mais aussi dans les pays d’Europe du sud (Espagne, Italie, Grèce) et aux

États-Unis.

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CHAPITRE I GENERALITE

9

Tableau I.4 : Répartition de la production d’eau dessalée [2]

Historiquement, les pays du golfe ont été les premiers à utiliser le dessalement et sont

actuellement les plus gros producteurs d’eau dessalée dans le monde. Certains pays comme

le Qatar dépendent même à 95% de cette ressource. En Europe, c’est l’Espagne qui est de

loin le premier pays producteur d’eau dessalée [2].

I.3 Evolution des procédés de dessalement dans le monde

Depuis le premier colloque européen sur le dessalement (Athènes 1962) jusqu’à nos

jours, les techniques de dessalement n’ont cessé de se développer ; des milliers d’unités de

dessalement ont été construite dans les différentes pays notamment au moyen orient ou la

capacité de production d’eau dessalée représente 80% de la production mondiale ; l’Arabie

Saoudite détient à elle seule 40% de la production mondiale [3].

I.4 Expérience Algérienne dans le dessalement

L'expérience algérienne en matière de dessalement des eaux est étroitement liée au

développement de l'industrie et tout particulièrement de l'industrie pétroliers et

sidérurgique. Le recours au dessalement en vue d'un usage destiné exclusivement à

l'alimentation de la population en eau potable est qua-inexistant. Néanmoins une seule

expérience a été tentée dans une situation où il n'existait aucune autre solution. Il s'agit de

l'unité de déminéralisation d’Oueled Djellal dans la wilaya de Biskra (Sud-est Algérien).

En 1969, une autre installation avue le jour à Arzeui avec une capacité de production de

4560m3/j. La première station de dessalement de l’eau de mer par osmose inverse a été

installée le 17 janvier 2007 par l’entreprise de traitement hydraulique (hydrotraitement) au

niveau de la wilaya de Boumerdès. Il y'a également quelque installation qui sont de faible

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CHAPITRE I GENERALITE

10

capacité de quelques dizaines à quelques certaines de mètre cube par jour. En se référant à

l'expérience des 10 dernières années quelle que soit l'évolution du le pluviomètre et les

améliorations attendues par les ouvrages en coure de réalisation, il a été retenu de faire

appel au dessalement de l'eau de mer.

Au Nord-Ouest Algérien, la Wilaya de Tipaza a fait l’objet de l’installation d’une

station de dessalement d’eau de mer, dans la région de Fouka sur une superficie de 10 ha.

Elle va couvrir les besoins de 17 communes avec un volume affecté de 60 000 m3 pour une

population totale estimée à 476 372 habitants. Cette station est la troisième du genre

inscrite dans la wilaya de Tipasa après celle de Bou Ismail (5000 m3) et d’Oued Sebt (100

000 m3/jour), elle utilisera la technique dite de l'osmose inverse pour dessaler l'eau de mer.

Sa capacité journalière de dessalement est de 120 000 m3, dont 60 000 m3 destinés à Alger

et 60 000 m3 seront réservés à la wilaya de Tipaza qui a déjà achevé le raccordement en

aval de la station pour alimenter en eau potable les autres communes voisines.

L’unité de dessalement de Fouka a pour but de produire l’eau douce pour la

consommation humaine.

La technique du dessalement se sera généralisée entraînant une baisse généralisée

des coûts, il pourra être envisage d'augmente de manière significatif les capacités de

production. L'Algérie est programme que les capacités de production entre 2005 et 2010,

est 1890000 m3/j [4,5].

Figure I.2 : Vue générale de la station de dessalement de Fouka.

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CHAPITRE I GENERALITE

11

I.5 Les paramètres de choix d'un procédé de dessalement

Pour obtenir une eau potable : ils y'a plusieurs méthodes des traitements, on peut

Choisir d'un procédé de dessalement selon les paramètres suivants :

� Composition chimique de l'eau à traiter, particulièrement dans le cas des eaux

saumâtres ;

� Salinité des eaux produites, selon le l'usage qui en sera fait, elle peut varie de 300 -

500 ppm pour l'approvisionnement en eau potable et à 15 - 30 ppm pour

l'alimentation en eau industrielle ;

� Durée de vie de l'unité ;

� Impact sur l'environnement ;

� Le choix d'un procédé de dessalement reste tributaire du coût du m³ d'eau produit

[3].

I.6 Organisation générale des installations

La plupart des usines sont organisées selon le schéma suivant [6] :

1) Une unité de pompage : La plupart du temps, on pompe l'eau de mer mais parfois,

des eaux souterraines qui peuvent présenter une salinité qui les rend impropres à la

consommation.

2) Une unité de décantation : constituée de grandes cuves permettant le dépôt des

impuretés les plus denses.

3) Une pompe de précharge : avec crépine, filtre.

4) Une unité de désalinisation : qui peut fonctionner selon 3 principes physiques

différents : la distillation - l'osmose inverse - l'électrodialyse.

5) Une unité de traitement des eaux usées : (généralement par floculation et filtration)

avant rejet.

6) Une source d'énergie, nécessaire notamment au pompage, à la mise sous pression

de l'eau, etc... Elle peut être, par ordre décroissant d'investissement.

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CHAPITRE I GENERALITE

12

Figure I.3 : Installation de l’opération de dessalement.

I.7 Les différentes techniques de dessalement des eaux de mer

Pour dessaler l’eau il existe diverses techniques ; adaptables selon la nature de l’eau

à dessaler, l’environnement et les besoins à pouvoir [7].

Les technologies actuelles sont classées en deux catégories, selon le principe appliqué :

� Procédés thermiques faisant intervenir un changement de phases : la congélation et

la distillation.

� Procédés utilisant des membranes : l'osmose inverse, l'électrodialyse,

microfiltration, ultrafiltration, nanofiltration.

Parmi ces procédés, la distillation et l'osmose inverse sont ceux dont les

performances ont été prouvées pour le dessalement et sur lesquels nous allons nous

attarder. Les autres procédés pourront être présentés en annexe et selon l’importance. Quel

que soit le procédé de séparation du sel et de l'eau envisagé, toutes les installations de

dessalement comportent quatre étapes :

- Une prise d'eau de mer avec une pompe et une filtration grossière ;

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CHAPITRE I GENERALITE

13

-Un pré-traitement avec une filtration plus fine, l'addition de composés biocides et de

produits anti-tarte ;

- Le procédé de dessalement lui-même ;

- Le post-traitement avec une éventuelle reminéralisation de l'eau produite.

A l'issue de ces 4 étapes, l'eau de mer est rendue potable ou utilisable

industriellement, elle doit alors contenir moins de 0.5g de sels par litre.

I.8 Les procédés membranaires de dessalement des eaux de mer

Les procédés membranaires qui seront explicités sont des procédés baro-

membranaires, c’est à dire que la force motrice à l’origine du transfert de la matière à

travers la membrane est due à la différence de pression de part et d’autre de la membrane,

également définie comme la pression transmembranaire (PTM). Les membranes qui

fonctionnent sous cette force motrice sont au nombre de quatre : microfiltration,

ultrafiltration, nanofiltration, électrodialyse et osmose inverse. La pression appliquée est

croissante de la microfiltration à l’osmose inverse.

Figure I.4 : Représentation schématique d’un procédé de séparation membranaire

I.8.1 microfiltration (MF)

La microfiltration se classe dans les procédés nécessitant une faible pression

transmembranaire pour leur mise en œuvre (< 1 bar). Toutefois, la microfiltration

s’applique plutôt à la clarification de suspensions contenant des particules solides ou des

macromolécules de dimension colloïdale (0,1 à 20 µm) [18]. Les membranes utilisées ont

des tailles de pores variant entre 0,1 et 10 µm [19].

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CHAPITRE I

I.8.2 Ultrafiltration (UF)

Contrairement à l’osmose inverse et à la nanofiltration qui effectuent une séparation

à haute pression transmembranaire, l’ultrafiltration est une opération de filtration

membranaire conduite à faible pression transmembranaire de l’ordre de quelques

(entre 1 et 5 bar) [20]. Elle repose sur l’utilisation de membranes microporeuses avec des

diamètres de pores de 1 et 100 nm. De telles membranes laissent passer les petites

molécules (eau, sels) et arrêtent les molécules de masse molaire élevée (p

protéines, colloïdes) [8].

Pour cette raison, cette technique est utilisée pour l’élimination de macrosolutés

présents dans les effluents ou dans l’eau à usage domestique, industriel

médical. (Voir la figure I.6)

Figure I.5 : Principe de la microfiltration

Contrairement à l’osmose inverse et à la nanofiltration qui effectuent une séparation

à haute pression transmembranaire, l’ultrafiltration est une opération de filtration

membranaire conduite à faible pression transmembranaire de l’ordre de quelques

Elle repose sur l’utilisation de membranes microporeuses avec des

1 et 100 nm. De telles membranes laissent passer les petites

sels) et arrêtent les molécules de masse molaire élevée (p

Pour cette raison, cette technique est utilisée pour l’élimination de macrosolutés

présents dans les effluents ou dans l’eau à usage domestique, industriel

)

Figure I.6 : Principe de l’ultrafiltration

GENERALITE

14

Contrairement à l’osmose inverse et à la nanofiltration qui effectuent une séparation

à haute pression transmembranaire, l’ultrafiltration est une opération de filtration

membranaire conduite à faible pression transmembranaire de l’ordre de quelques bars

Elle repose sur l’utilisation de membranes microporeuses avec des

1 et 100 nm. De telles membranes laissent passer les petites

sels) et arrêtent les molécules de masse molaire élevée (polymères,

Pour cette raison, cette technique est utilisée pour l’élimination de macrosolutés

présents dans les effluents ou dans l’eau à usage domestique, industriel (électronique) ou

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CHAPITRE I

I.8.3 Nanofiltration (NF)

Cette technique se situe entre l’osmose inverse et l’ultrafiltration. Elle permet la

séparation de composants ayant une taille en solution voisine de celle du nanomètre (soit

10 Å) d’où son nom. Les sels ionisés monovalents et les composés organiques non i

de masse molaire inférieure à environ 200

membrane. Les sels ionisés multivalents (calcium, magnésium, aluminium, sulfates…) et

les composés organiques non ionisés de masse molaire supérieure à environ

sont, par contre, fortement

sont légèrement inférieures à celles appliquées en osmose inverse

I.8.4 Electrodialyse (ED)

Cette méthode repose, elle aussi, sur une séparation sels

membrane semi-perméable mais le principe physique utilisé est différent.

transfert des ions à travers une membrane qui leur est perméable

électrique. La figure I.8 ci-dessous schématise l'opération

Dans l’électrodialyse, on intercale alternativement des membranes filtrantes soit

imperméables aux anions et perméables aux cations, soit imperméables aux cations et

perméables aux anions. On obtient ainsi une série de compartiments à forte concentration

de sels et d’autres à faible concentration.

Cette technique se situe entre l’osmose inverse et l’ultrafiltration. Elle permet la

séparation de composants ayant une taille en solution voisine de celle du nanomètre (soit

10 Å) d’où son nom. Les sels ionisés monovalents et les composés organiques non i

de masse molaire inférieure à environ 200 - 250 g/mol ne sont pas retenus par ce type de

membrane. Les sels ionisés multivalents (calcium, magnésium, aluminium, sulfates…) et

les composés organiques non ionisés de masse molaire supérieure à environ

sont, par contre, fortement retenus [8]. Les pressions transmembranaires mises en œuvre

eures à celles appliquées en osmose inverse (entre 10 et 40 bar)

Figure I.7 : Principe de la nanofiltration

Cette méthode repose, elle aussi, sur une séparation sels-eau en faisant appel à une

perméable mais le principe physique utilisé est différent.

transfert des ions à travers une membrane qui leur est perméable, sous l'effet d'un champ

dessous schématise l'opération

Dans l’électrodialyse, on intercale alternativement des membranes filtrantes soit

imperméables aux anions et perméables aux cations, soit imperméables aux cations et

perméables aux anions. On obtient ainsi une série de compartiments à forte concentration

de sels et d’autres à faible concentration.

GENERALITE

15

Cette technique se situe entre l’osmose inverse et l’ultrafiltration. Elle permet la

séparation de composants ayant une taille en solution voisine de celle du nanomètre (soit

10 Å) d’où son nom. Les sels ionisés monovalents et les composés organiques non ionisés

250 g/mol ne sont pas retenus par ce type de

membrane. Les sels ionisés multivalents (calcium, magnésium, aluminium, sulfates…) et

les composés organiques non ionisés de masse molaire supérieure à environ 250 g/mol

Les pressions transmembranaires mises en œuvre

(entre 10 et 40 bar) [20].

eau en faisant appel à une

perméable mais le principe physique utilisé est différent. Il désigne le

, sous l'effet d'un champ

Dans l’électrodialyse, on intercale alternativement des membranes filtrantes soit

imperméables aux anions et perméables aux cations, soit imperméables aux cations et

perméables aux anions. On obtient ainsi une série de compartiments à forte concentration

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CHAPITRE I GENERALITE

16

L’électrodialyse est bien adaptée aux eaux saumâtres dont la salinité est assez faible,

inférieure à celle de l’eau de mer. C'est une technique assez peu consommatrice en énergie

mais elle ne convient qu'à la faible préparation de liquide [19].

Figure I.8 : Schéma de principe d'une unité d’électrodialyse

I.8.5 Osmose inverse (RO)

Typiquement utilisée pour le dessalement de l’eau de mer ou la déminéralisation des

eaux saumâtres. L’osmose inverse est un procédé de séparation de l’eau et des sels dissous

au moyen de membranes semi-perméables sous l’action de la pression (54 à 80 bars pour le

traitement de l’eau de mer). Ce procédé fonctionne à température ambiante et n’implique

pas de changement de phase. Les membranes polymères utilisées laissent passer les

molécules d’eau et ne laissent pas passer les particules, les sels dissous, les molécules

organiques de 10-7 mm de taille.

L’énergie requise par l’osmose inverse et uniquement celle électrique consommée

principalement par les pompes haute pression.

La teneur en sels de l’eau osmosé est de l’ordre de 0.5 g. l-1.

L'écoulement s'effectue en continue tangentiellement à la membrane, une partie de la

solution à traiter se devise au niveau de la membrane en deux parties de concentration

différent :

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CHAPITRE I GENERALITE

17

- Une partie passe à travers la membrane (perméat).

- Une partie qui ne passe pas appeler concentrât ou retentât qui contient les

particules retenues par la membrane [9].

Le principe de fonctionnement est représenté schématiquement sur la figure I.9

Figure I.9 : Principe de l’osmose inverse [10].

I.9 Choix d’un procédé membranaire

La figure I.10 simplifiée suivante permet de mieux comprendre comment

sélectionner le meilleur procédé à membranes selon des critères de qualité et de traitement

donnés.

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CHAPITRE I GENERALITE

18

Figure I.10 : Sélection d’un procédé membranaire [21].

I.10 Les inconvénients de dessalement

� Coût énergétique élevé.

� Rejet des saumures concentrées au double de la salinité naturelle en mer ou injectées

dans le sol.

� Rejet d'eaux chaudes en mer dans le cas de la distillation.

� Emploi de produits chimiques pour nettoyer les membranes (chlore).

� Traces de cuivre échappées des installations ; corrosion chimique des installations de

tuyauteries.

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CHAPITRE I GENERALITE

19

� Aucune législation spécifique concernant la potabilité de l’eau issue de ces traitements.

� Le captage de l'eau en mer peut modifier les flux maritimes.

� Risque de dégâts en fonds marins au niveau de la faune et de la flore [11].

I.11 Conclusion

Toutes les techniques de dessalement sont très intéressantes au vu de leurs

performances et de leur rentabilité, notamment grâce aux innovations techniques des 10

dernières années qui ont déclenché une baisse de coûts de dessalement significative et une

augmentation globale de la puissance des usines à dessalement. Rendre potable ces

millions de km3d’eau de mer a toujours été une perspective plaisante pour l’homme et

grâce à toutes ces nouveaux techniques procédés cela nous est désormais rendu possible

tout en étant rentable.

Le dessalement est une technologie d’avenir c’est vrai, mais plutôt en cas de dernier

recours et quand aucune autre solution n’est possible. Les gouvernements devraient donc

éviter de se détourner de solutions de rechange moins coûteuse et moins agressives comme

l’économie d’eau et recyclage des eaux usées.

Les techniques de dessalement sont multiples et chacune d’elles possède des

avantages et des inconvénients. Actuellement la technique d’osmose inverse s’impose peu

à peu et concurrence les procédés de distillation et d’électrodialyse, C’est pourquoi nous

avons choisi pour notre thème la technique de l’Osmose inverse qui, à priori, semble la

moins couteuse, peu polluante et offrant une eau de qualité meilleure.

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CHAPITRE Π

DESSALEMENT

DE L’EAU DE MER PAR

OSMOSE INVERSE

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CHAPITRE Π DĔSSALEMENT DE L’EAU DE MER PAR OSMOSE INVERSE

20

CHAPITRE Π

DĔSSALEMENT DE L’EAU DE MER PAR

OSMOSE INVERSE

Π.1 Introduction

De nos jours, le dessalement de l’eau de mer et les eaux saumâtres est une nécessité

pour les régions en situation de pré-stress hydrique. Les procédés membranaires sont

particulièrement bien adaptés dans le cas d’une charge organique faible. Parmi ces

procédés, l’osmose inverse est relativement facile à mettre en œuvre. C’est une technique

très utilisée notamment pour le dessalement de l’eau de mer où on peut retirer 70% d’eau

consommable de l’eau de mer.

Π.2 Installation de dessalement par osmose inverse

Une installation de dessalement d’eau de mer peut être schématiquement subdivisée

en 4 postes :

� La captation de l’eau de mer ;

� L e prétraitement ;

� L’installation de dessalement proprement dite, le procédé utilisé est l'osmose

inverse (éventuellement couplée à la nanofiltration) ;

� Le post-traitement ou minéralisation.

Figure Π.1 : Schéma général d'une installation de dessalement [12].

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CHAPITRE Π DĔSSALEMENT DE L’EAU DE MER PAR OSMOSE INVERSE

21

Π.2.1 Captation d’eau de mer

Consiste à pomper l’eau de mer vers la station de dessalement, cette eau doit être

bonne du point de vue matières en suspension. Sont utilisés dans cette étape deux types de

technologies :

� Les forages côtiers : soit verticaux soit sous forme de galeries horizontales

permettant d’obtenir une eau de très bonne qualité et relativement stables.

� La prise d’eau de surface : peut être faite en pleine mer. Dans le cas idéal, le

captage doit être effectué en zone profonde, éloigné de la côte, protégé des

pollutions et des forts courants [12].

Π.2.2 Prétraitement

Le prétraitement de l’eau de mer avant osmose inverse est absolument nécessaire car

les membranes d’osmose inverse sont très sensibles au colmatage et une bonne qualité de

l’eau en entrée des modules d’osmose inverse est indispensable pour assurer des

performances stables de l’osmose inverse sur le long terme.

Le procédé de prétraitement peut être divisé en cinq étapes principales [13] :

1. Chloration

2. Clarification

3. Prévention de l'entartrage

4. Déchloration

5. Filtration sur cartouches

Figure Π.2 : Etapes du prétraitement avant osmose inverse [13].

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CHAPITRE Π DĔSSALEMENT DE L’EAU DE MER PAR OSMOSE INVERSE

22

Π.2.2.1 Chloration

La chloration a pour objectif l'inactivation des micro-organismes (bactéries

principalement) mais aussi micro-algues, champignons, qui, outre le fait que certains

peuvent être pathogènes, sont à l'origine d'un colmatage important des membranes appelés

biofouling :

• Soit directement par le développement d'une biomasse.

• Soit indirectement par les métabolites produits par les micro-organismes.

La prolifération des organismes vivants est bloquée par un procédé de désinfection.

Sinon, cela peut conduire à l’obstruction des canalisations ou au colmatage des

membranes. Le procédé le plus répandu consiste à injecter du chlore, réactif dont le

stockage et la manipulation exigent des précautions strictes. Le chlore dissous dans l’eau

libère l’ion hypochloreux (HClO-), qui est l’agent actif de la stérilisation. Pour éliminer le

danger lié au chlore, on peut lui substituer l’hypochlorite de sodium (eau de Javel).

Π.2.2.2 Clarification de l’eau brute

Une étape de CFS (Coagulation Floculation Sédimentation) est nécessaire afin

d'éliminer les matières en suspension et une partie du COT (Carbonne Organique Total) [12] :

• Coagulation

La coagulation a pour objectif de neutraliser les colloïdes, en général chargés

négativement, par des composés de deux métaux lourds Al3+ et Fe3+ :

- chlorure ferrique FeCl3

- sulfate ferrique Fe(SO4)3

- sulfate d'aluminium Al2(SO4)3,14 H2O

• Floculation

Elle consiste à agglomérer sous forme de flocs les particules colloïdales neutralisés

auparavant par coagulation. Les membranes s'osmose inverse étant chargé négativement, il

est recommandé d'utiliser des floculants anioniques ou non ioniques.

• Sédimentation

La sédimentation ou décantation est peu utilisée en prétraitement avant osmose inverse.

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CHAPITRE Π DĔSSALEMENT DE L’EAU DE MER PAR OSMOSE INVERSE

23

• Filtration sur sable

La filtration sur sable peut être effectuée sous pression ou de façon gravitaire. La filtration

sous pression est utilisée en général pour les débits faibles et moyens (les vitesses de

filtration sont d'environ 10 à 15 km/h) alors que la filtration gravitaire est utilisée pour les

débits plus élevés (les vitesses de filtration sont d'environ 5 à 8 km/h).

Π.2.2.3 Prévention de l'entartrage

L'entartrage des équipements doit être éviter. La méthode la plus utilisée pour éviter

les tartre (CaCO3, CaCO4, 2 H2O...) dans les modules d'osmose inverse consiste à injecter

dans l'eau brute des inhibiteurs d'entartrage ou antitartres. Les produits utilisés sont :

Les polyphosphates et les polymères carboxyliques [12].

Π.2.2.4 Déchloration

Compte tenu de la sensibilité des membranes d'osmose inverse

en polyamide (membranes les plus utilisés actuellement), il est indispensable d'assurer

une déchloration de l'eau de mer en amont de l’osmose proprement dite. Du bisulfite de

sodium est ajouté afin de réduire le chlore [12] :

NaHSO3 + Cl2+H2O = NaHSO4 + 2HCl

C'est la solution la plus utilisée car elle est efficace et d'un coût relativement faible.

Π.2.2.5 Filtration de sécurité sur cartouches

Dans tous les cas, une installation d'osmose inverse doit être protégé par une

filtration de sécurité sur cartouches aux environs de 5 µm.

Le tableau Π.1 donne la description d'un prétraitement relativement complet pour

une unité de dessalement d'eau de mer par osmose inverse :

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CHAPITRE Π DĔSSALEMENT DE L’EAU DE MER PAR OSMOSE INVERSE

24

Tableau Π.1 : Prétraitement de l'eau de mer avant osmose inverse [12].

1. Chloration Traitement choc : 7 à 8 ppm de chlore pendant 1 h toutes les semaines

2. Coagulation FeCl3 : dose = 10 g/m3

3. Floculation Polyélectrolyte anionique ou non anionique

Dose = 1 à 5 g/m3

4. Filtration sur sable Filtre bicouche sous pression

Vitesse de filtration de 10 à 15 m/h

5. Acidification H2SO4 : 20 - 25 g/m3

6. Déchloration NaHSO3 : 5- 10 g/m3

7. Antitartre Polymères carboxyliques : dose = 1g/m3

8. Filtration sur cartouches

Cartouches à base de propylène 5 µm

Π.2.3 Osmose inverse

Π.2.3.1 Principe de l’osmose inverse

L'osmose inverse est un procédé de séparation en phase liquide par perméation à

travers des membranes semi-sélectives sous l'effet d'un gradient de pression.

L’osmose inverse utilise des membranes denses pour retenir la majorité des solutés et

ne laisser passer que le solvant (l’eau, en général). Le principe repose sur l’application,

côté alimentation, d’une pression supérieure à la différence de pression osmotique du

retentât et du perméat pour forcer le solvant à passer à travers la membrane. Les pressions

appliquées sont comprises entre 30 et 80 bar [22].

Une membrane semi-sélective ou semi-perméable est une membrane imperméable

aux corps dissous (ionique ou non) et perméable au solvant.

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CHAPITRE Π

Figure

A : Le niveau est identique dans les deux compartiments,

B : A l'équilibre, une différence de niveau s'établit, c'est la pression osmotique

C : Lorsqu’on applique une pression

vers 1 et les sels restent bloqués dans le compartiment 2.

Π.2.3.2 Schéma général d'une installation d'osmose inverse

Les principaux constituants d'une installation

- membrane proprement dite

- le module

- la pompe haute pression

- le poste de traitement

L'écoulement du fluide sur la membrane est continu et tangentiel. Cet écoulement

tangentiel permet de limiter l'accumulation sur la membrane des diverses espèces

(particules, molécules, ions) retenues par cette

DĔSSALEMENT DE L’EAU DE MER PAR OSMOSE

Figure Π.3 : Principe générale de l'osmose inverse

niveau est identique dans les deux compartiments, L'eau circule de 1 vers 2.

A l'équilibre, une différence de niveau s'établit, c'est la pression osmotique

Lorsqu’on applique une pression P >π, l'eau circule en sens inverse, c'est

les sels restent bloqués dans le compartiment 2.

général d'une installation d'osmose inverse

Les principaux constituants d'une installation d'osmose inverse sont les suivants :

membrane proprement dite

du fluide sur la membrane est continu et tangentiel. Cet écoulement

tangentiel permet de limiter l'accumulation sur la membrane des diverses espèces

(particules, molécules, ions) retenues par cette dernière. Le débit d’entrée (Q

MENT DE L’EAU DE MER PAR OSMOSE INVERSE

25

L'eau circule de 1 vers 2.

A l'équilibre, une différence de niveau s'établit, c'est la pression osmotique π.

, l'eau circule en sens inverse, c'est-à-dire de 2

d'osmose inverse sont les suivants :

du fluide sur la membrane est continu et tangentiel. Cet écoulement

tangentiel permet de limiter l'accumulation sur la membrane des diverses espèces

dernière. Le débit d’entrée (Q0) se divise au

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CHAPITRE Π DĔSSALEMENT DE L’EAU DE MER PAR OSMOSE INVERSE

26

niveau de la membrane en deux parties de concentrations différentes. Une partie (débit QP)

passe à travers la membrane (perméat) alors que l'autre partie est retenue par la membrane

(concentrât ou retentât).

Figure Π.4 : Schéma de principe d'une unité d'osmose inverse [12].

Figure Π.5 : Schéma de principe d’une installation d’osmose inverse.

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CHAPITRE Π DĔSSALEMENT DE L’EAU DE MER PAR OSMOSE INVERSE

27

Π.2.3.3 Membranes d’osmose inverse

Une membrane est une interface physique de faible épaisseur, qui contrôle le

transfert d’espèces chimiques entre les deux milieux qu’elle sépare. Cette interface peut

être homogène au niveau moléculaire, uniforme en composition et structure, ou elle peut

être chimiquement et physiquement hétérogène, contenant des pores de dimensions définis

ou contenant des couches superposées [14]. Du point de vue classification, il existe une

grande diversité des membranes. Elles sont classées par famille selon leur nature chimique,

leur structure et leur forme physique.

Le tableau Π.2 résume les avantages et les inconvénients des membranes organiques suivant leur composition :

Tableau Π.2 : Avantages et inconvénients des membranes organiques [12].

Membranes Avantages Inconvénient

Acétate de cellulose

Perméabilité élevée Sélectivité élevée Mise en œuvre assez aisée Adsorption des protéines faible colmatage moindre

Sensible à la température Sensible au pH Sensible au chlore Sensible au compactage Sensible aux microorganismes

Type Polyamide Bonne stabilité chimique, thermique et mécanique.

Grande sensibilité aux oxydants Faible perméabilité Phénomènes d’adsorption

Type Polysulfone

Bonne stabilité thermique

Bonne tenue au pH

Résistance au chlore

Sensible au compactage Adsorptions

Matériaux acryliques

Bonne stabilité thermique et chimique Stockage à sec possible

Faible résistance mécanique Pores de diamètres assez élevés

Matériaux fluorés Bonne stabilité thermique et chimique Faible perméabilité Microfiltration uniquement

Membranes composites

Bonnes caractéristiques : perméabilité et sélectivité Stabilité de pH 2 à 11 Bonne tenue en température

Mauvaise tenue au chlore

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CHAPITRE Π DĔSSALEMENT DE L’EAU DE MER PAR OSMOSE INVERSE

28

Π.2.3.4 Modules d’osmose inverse

Pour être mise en œuvre, les membranes doivent être montées dans des supports

appelés modules. Une enceinte résistant à la pression est toujours nécessaire. Il existe

quatre types de modules.

� Modules plans

Les modules plans sont les plus anciens et les plus simples : les membranes sont

empilées en mille-feuilles séparées par des cadres intermédiaires qui assurent la circulation

des fluides [15].

Figure II.6 : Structure d’un module plan.

� Modules tubulaires

Un module tubulaire contient plusieurs tubes qui peuvent être en série ou en

parallèle. L’eau à traiter circule à l’intérieur des tubes et le perméat est recueilli à

l’extérieur des tubes. Les tubes constituent des canaux d’écoulement tangentiel [15].

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CHAPITRE Π DĔSSALEMENT DE L’EAU DE MER PAR OSMOSE INVERSE

29

Figure II.7 : Structure inverse d’un module tubulaire

� Modules spirales

C’est un module particulier de membranes planes qui sont enroulées autour d’un axe

creux collecteur de perméat. L’ensemble est introduit dans une enveloppe cylindrique dont

les sections donnent accès à l’entrée de l’alimentation et à la sortie du retentât [16].

Figure II.8 : Module spirale de l’osmose inverse [2].

� Modules à fibres creuses

Ils contiennent plusieurs milliers de fibres dont le diamètre est de l’ordre de 1 mm.

Les aisceaux ainsi obtenus sont encollés aux extrémités de façon à assurer l’étanchéité

entre le compartiment (perméat) et l’alimentation. L’alimentation peut se faire à l’intérieur

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CHAPITRE Π DĔSSALEMENT DE L’EAU DE MER PAR OSMOSE INVERSE

30

(interne- externe) ou à l’extérieur (externe-interne) des fibres creuses, selon que la peau

active est à l’intérieur ou à l’extérieur de la fibre creuse [16].

Figure II.9 : Structure inverse d’un module à fibres creuses

Tableau Π.3 : Avantages et inconvénients des modules d’osmose inverse [12].

Modules Avantages Inconvénient

Plans Système souple et modulable Changement facile des membranes Visualisation du perméat

Système peu compact (100 à 400 m²/m3) Investissement relativement élevé

Spirales

Compacité élevée (300 à 1000 m²/m3) Faible volume mort Coût d'investissement relativement faible

Sensible au colmatage Difficulté de nettoyage

Tubulaires

Technologie simple Peu traités tous types de fluides (chargés, visqueux) Facilité de nettoyage

Faible compacité (10 et 300 m²/m3) Consommation d'énergie élevée Coût élevé

Fibres creuses

Faible volume mort Compacité élevée (15000 m²/m3) Faible consommation énergétique Possibilité de nettoyage à contre-courant

Sensibilité de colmatage dû au faible diamètre des fibres Fragiles (Canaux fins)

Π.2.3.5 Nanofiltration

L'osmose inverse peut éventuellement être couplée à la nanofiltration. Cette

technique permet la séparation en taille de composants de l'ordre du nanomètre. Ce procédé

a l'avantage de laisser passer les ions monovalents et les composés organiques non

ionisés de masse molaire inférieure à environ 200 - 250 g/mol mais de retenir les ions

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CHAPITRE Π DĔSSALEMENT DE L’EAU DE MER PAR OSMOSE INVERSE

31

divalents (Calcium, Magnésium, sulfates…) et les composés organiques non ionisés de

masse molaire supérieure à environ 200 - 250 g/mol. Le retentât est donc chargé en ions

divalents alors que le perméat est concentré en ions monovalents. La précipitation pourra

donc éventuellement être étudiée par la suite [17].

Π.2.4 Post-traitement

Le Bore doit être éliminé afin de respecter les normes sanitaires en vigueur pour la

consommation d'eau potable. Ce bore se trouve sous forme d'acide borique, acide faible.

Au pH de fonctionnement de l'osmose inverse (pH 6-7), le bore sous forme

moléculaire H3BO3 n'est pas retenu par les membranes d'osmose inverse. Or des teneurs

élevées en bore dans l'eau potable sont susceptibles de provoquer des problèmes de santé

tels que des problèmes de développement du fœtus et une diminution de la fertilité...

Figure Π.10 : Le problème du bore en osmose inverse : dissociation de l'acide borique en fonction

du PH [12].

Selon l'OMS (Organisation Mondiale de la Santé), la valeur limite est de 0,5 mg/L.

Une des solutions possibles pour réduire la teneur en bore dans l'eau osmosée est

l'utilisation de résines spécifiques ; ces résines ont une très bonne efficacité (> 90 %) mais

leur régénération est relativement complexe. Ensuite un autre procédé d'échange d'ion

permet quant à lui de reminéraliser l'eau [12].

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CHAPITRE Π DĔSSALEMENT DE L’EAU DE MER PAR OSMOSE INVERSE

32

II.3 Paramètres à prendre en compte

Les principaux paramètres pris en compte pour le dimensionnement et l’agencement des systèmes d’osmose inverse sont :

� La salinité et la qualité de l’eau d’alimentation. � Le taux de récupération. � La température de l’eau. � La pression de service. � Les spécifications de qualité de l’eau produite. � La fiabilité de fonctionnement et la durée de vie des systèmes d’osmose inverse

dépendent de la qualité du prétraitement mis en œuvre dans la filière globale.

Π.4 les avantages et les inconvénients du procédé d’osmose inverse

� Avantages

Après l’osmose inverse on obtient une eau très pure possédant des mesures bioélectroniques parfaites pour la santé, pratiquement identiques qu’à celles des eaux de sources les plus naturelles :

• PH légèrement acide de 6.6 (idéal pour la digestion, l’assimilation des aliments et rééquilibre de pH du sang généralement trop toxique).

• Résistivité élevée 20000 à 30000 ohms, ce qui permet une parfaite élimination des toxines par les reins.

• L’eau osmosée est antioxydante, alors que l’eau en bouteille est plus oxydée du fait du délai souvent trop long entre la mise en bouteille et la consommation.

• L’énergie de l’eau osmosée (7200 unités Bovis) est nettement supérieure à celle de l’eau en bouteille (5000) qui est en outre chargé de tous les rayonnements nocifs qu’elle subit pendant son transport et dans les lieux de stockage.

� Inconvénients

Malgré les avantages de l’osmose inverse, il y a aussi des inconvénients. On peut citer quelques inconvénients majeurs comme suit :

• La faible durée de vie des membranes, qui est de l’ordre de 3 ans. • L’énergie consommée est énorme. • Les pertes en eau : le rendement n’est que de 75% et ainsi 25% de saumure (solution

aqueuse très concentrée en sel) restent à la fin et sont inutilisables. • La pureté de l’eau est toujours inférieure à 100%.

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CHAPITRE III

MODELISATION ET

CONCEPTION

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CHAPITRE III MODĔLISATION ET CONCEPTION

33

CHAPITRE III

MODĔLISATION ET CONCEPTION

III.1 Paramètres de performance

Le processus d’osmose inverse est défini en fonction d'un certain nombre de

variables qui Comprend :

• Pression osmotique et de fonctionnement

• Rejet de sel

• Récupération de perméat

Les sociétés de fabrication de membranes définissent les spécifications de la qualité

des aliments, qui comprend la salinité et la température [23].

III.1.1 Pression osmotique et de fonctionnement

La pression osmotique π d'une solution peut être déterminée expérimentalement par

la mesure de la concentration des sels dissous dans la solution. La pression osmotique est

obtenue à partir de l'équation suivante :

� � � � ∑ �� (1)

� : Est la pression osmotique �� .

� : est la température .

� : est la constante de gaz universelle R � 8,314 kPa m�/ kg mol K .

∑ �� : est la concentration de tous les constituants dans une solution �� !" �⁄ .

Une approximation pour � peut être faite en supposant que 1000 ppm de Solides Dissous

Totaux (TDS) est égale à 75.84 kPa de pression osmotique.

La pression opératoire est ajustée pour surmonter les effets défavorables de ce qui suit :

• Pression osmotique

• Pertes de friction

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CHAPITRE III MODĔLISATION ET CONCEPTION

34

• Résistance de la membrane

• Pression du perméat

Si la pression opératoire est posée égale à la somme des résistances ci-dessus, le

débit net du perméat à travers la membrane serait minimal ou égal à zéro; Par conséquent,

la pression opératoire ou de fonctionnement est réglée à une valeur plus élevée afin de

maintenir un débit de perméat économique [23].

III.1.2 Rejection de sel

Le rejet de sel est défini par :

$� � 100% ' (1 ) *+,+-./ (2)

Où $� est le rejet de sel.

Par exemple, une eau de mer d'alimentation avec 42 000 ppm et un perméat ayant

une salinité de 150 ppm donne un pourcentage de passage de sel de 99.64%.

De même, pour une alimentation en eau saumâtre avec une salinité de 5000 ppm et

une salinité de perméat de 150 ppm, on obtient un pourcentage de passage de sel de 97%.

Les deux cas indiquent la différence spectaculaire entre les membranes de dessalement

d'eau de mer et d'eau saumâtre. La technologie actuelle des membranes fournit des valeurs

de rejet de sel supérieures à 99% pour les membranes d'eau de mer et d'eau saumâtre [23].

III.1.3 Récupération de perméat

La récupération des perméats est un autre paramètre important dans la conception et

le fonctionnement des systèmes d’osmose inverse. Le taux de récupération ou de

conversion de l'eau d'alimentation en produit (perméat) est défini par :

� � 100% ' 0121-3 (3)

Où R est le taux de récupération en (%), 45 est le débit d'eau du perméat, et 46 est le débit

d'eau d'alimentation. Le taux de récupération affecte le passage du sel et le débit du

produit. Une augmentation du taux de récupération, la concentration de sel sur le côté

alimentation-saumure de la membrane augmente, ce qui provoque une augmentation du

débit de sel à travers la membrane. De plus, une concentration de sel plus élevée dans la

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CHAPITRE III MODĔLISATION ET CONCEPTION

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solution d'alimentation en saumure augmente la pression osmotique, réduisant la ∆� )∆� et en conséquence réduisant le débit d'eau du produit [23].

La récupération des membranes pour les systèmes d’osmose inverse a augmenté au

cours des années, passant de valeurs inférieures de 10-20% à des valeurs supérieures

actuelles jusqu'à 50%. Ceci est réalisé en partie par une conception de système appropriée

et l'utilisation de plusieurs modules de membranes enroulées en spirale dans le même

récipient sous pression. Comme pour les membranes à fibres creuses il est commun

d'utiliser un module unique dans le même récipient sous pression [13].

III.2 Membranes à osmose inverse

Les caractéristiques des membranes d’osmose inverse sont les suivantes :

• Les membranes sont formées d'un film mince de matière polymère de plusieurs

milliers d'angströms d'épaisseur coulée sur un matériau poreux polymérique.

• Les membranes commerciales ont une perméabilité à l'eau élevée et un degré élevé

de semi-perméabilité ; C'est-à-dire que le taux de transport de l'eau doit être

beaucoup plus élevé que le taux de transport des ions dissous.

• La membrane doit être stable sur un large intervalle de pH et de température, et

avoir une bonne intégrité mécanique.

• La durée de vie des membranes commerciales varie entre 3 et 5 ans. En moyenne,

les taux annuels de remplacement des membranes se situent entre 5 et 15% ; Cela

dépend de la qualité de l'eau d'alimentation, des conditions de prétraitement et de la

stabilité du fonctionnement.

• Les principaux types de membranes d'osmose inverse commerciales comprennent

l'acétate de cellulose (CA) et le polyamide (PA).

• Il faut noter que le choix de la membrane est souvent régi par des considérations de

compatibilité plutôt que par la performance de séparation et les caractéristiques

liées au flux [19].

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CHAPITRE III MODĔLISATION ET CONCEPTION

36

III.2.1 Membranes d'acétate de cellulose

La membrane originale en acétate de cellulose, développée à la fin des années 1950

par Loeb et Sourirajan, a été fabriquée à partir de polymère de diacétate de cellulose. La

membrane CA courante est habituellement fabriquée à partir d'un mélange de diacétate de

cellulose et de triacétate. Le procédé de préparation de la membrane comprend une coulée

de film mince, une lixiviation du bain de morue et un recuit à haute température. Le

procédé de coulée ou coulage est associé à l'élimination partielle de la matière dissolvante

par évaporation. Le procédé du bain froid élimine le solvant restant et d'autres composés

lixiviables. Le processus de recuit est effectué dans un bain d'eau chaude à une température

de 60-90°C. L'étape de recuit améliore la semi-perméabilité de la membrane avec une

diminution du transport de l'eau et une diminution significative du passage du sel.

Les membranes CA ont une structure asymétrique avec une couche superficielle

dense d'environ 1000-2000 A (0,1-0,2 micron) qui est responsable de la propriété de rejet

de sel. Le reste du film de membrane est spongieux et poreux et a une perméabilité d'eau

élevée. Le rejet de sel et le flux d'eau d'une membrane d'acétate de cellulose peuvent être

contrôlés par des variations de température et par la durée de l'étape de recuit [24].

III.2.2 Membranes composites en polyamide

Les membranes de polyamide composite sont formées de deux couches, la première

est un support de polysulfone poreux et la seconde est une couche semi-perméable de

groupes fonctionnels amine et chlorure d'acide carboxylique. Cette procédure de

fabrication permet une optimisation indépendante des propriétés distinctes du support de

membrane et de la peau de rejet de sel. La membrane composite résultante est caractérisée

par un flux d'eau spécifique plus élevé et un passage de sel inférieur que les membranes

d'acétate de cellulose.

Les membranes composites de polyamide sont stables dans un intervalle de pH plus

large que les membranes CA. Cependant, les membranes de polyamide sont sensibles à la

dégradation oxydante par le chlore libre, tandis que les membranes d'acétate de cellulose

peuvent tolérer des niveaux limités d'exposition au chlore libre. Par rapport à une

membrane de polyamide, la surface de la membrane d'acétate de cellulose est lisse et a peu

de charge superficielle. En raison de la surface neutre et de la tolérance au chlore libre, les

membranes d'acétate de cellulose auront généralement une performance plus stable que les

membranes de polyamide dans les applications où l'eau d'alimentation présente un

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CHAPITRE III MODĔLISATION ET CONCEPTION

37

potentiel d'encrassement élevé, par exemple avec les effluents municipaux et les eaux de

surface [24].

III.3 Modules Membrane

Les deux principales configurations de modules de membrane utilisées pour les

applications d'osmose inverse sont la fibre creuse et la spirale enroulée. D'autres

configurations, qui incluent les tubes et les plaques et les fibres, sont utilisées dans

l'industrie alimentaire et laitière [23].

III.3.1 Fibres fines creuses

Cette configuration utilise une membrane sous la forme de fibres creuses, qui ont été

extrudées à partir de matériau cellulosique ou non cellulosique. La fibre est asymétrique

dans la structure et est aussi fine que les cheveux humains, environ 42 µm de diamètre

intérieur et 85 µm de diamètre extérieur, (figure III.1).

Des millions de ces fibres sont formées en faisceau et pliées en deux à une longueur

d'environ 120 cm. Un tube en plastique perforé servant de distributeur d'eau d'alimentation

est inséré au centre et s'étend sur toute la longueur du faisceau. Le faisceau est enveloppé

et les deux extrémités sont scellées en époxy pour former une extrémité de tube de perméat

en forme de feuille et une extrémité terminale qui empêche le courant d'alimentation de

contourner à la sortie de saumure.

Le faisceau de membrane en fibres creuses, de 10 cm à 20 cm de diamètre, est

contenu dans un boîtier cylindrique d'environ 137 cm de long et 15-30 cm de diamètre.

L'ensemble a la plus grande surface spécifique, définie comme la superficie totale par unité

de volume, parmi toutes les configurations de module. L'eau d'alimentation pressurisée

pénètre dans l'extrémité d'alimentation du perméateur à travers le tube distributeur central,

traverse la paroi du tube et s'écoule radialement autour du faisceau de fibres vers la

coquille de pression du perméateur externe. L'eau pénètre à travers la paroi extérieure des

fibres dans le noyau creux ou l'alésage de fibre, à travers l'alésage jusqu'à la tôle de tube ou

l'extrémité de produit du faisceau de fibres et sort par la connexion de produit sur

l'extrémité d'alimentation du perméateur [23].

Dans un module de fibres creuses, le débit d'eau du perméat par unité de surface de la

membrane est faible, et par conséquent, la polarisation de la concentration n'est pas élevée

à la surface de la membrane. Le résultat net est que les unités de fibres creuses

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CHAPITRE III MODĔLISATION ET CONCEPTION

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fonctionnent dans un régime d'écoulement non perturbé ou laminaire. La membrane de

fibre fine creuse doit fonctionner au-dessus d'un écoulement de rejet minimum pour

minimiser la polarisation de concentration et maintenir une répartition régulière de flux à

travers le faisceau de fibres. Typiquement, un seul perméateur de fibres creuses peut être

mis en œuvre jusqu'à une récupération de 50% et satisfaire au débit de rejet minimum

requis. L'unité de fibre creuse permet une grande surface de membrane par unité de volume

de perméateur qui aboutit à des systèmes compacts. Des périmètres à fibres creuses sont

disponibles pour les applications d'eau salée et d'eau de mer. Les matériaux membranaires

sont des mélanges d'acétate de cellulose et des matériaux de type polyamide.

Grâce à des fibres très compactes et à un flux d'alimentation tortueux à l'intérieur du

module, les modules à fibres creuses nécessitent une eau d'alimentation de meilleure

qualité (concentration plus faible de solides en suspension) que la configuration du module

enroulé en spirale [25].

III.3.2 Enroulé en spirale

Dans une configuration enroulée en spirale, deux feuilles plates de membrane sont

séparées avec un matériau de canal de collecteur de perméat pour former une feuille. Cet

ensemble est scellé sur trois côtés avec le quatrième côté laissé ouvert pour le perméat à la

sortie. Une feuille de matériau d'écartement d'alimentation / saumure est ajoutée à

l'ensemble de feuilles. Un certain nombre de ces assemblages ou de ces feuilles sont

enroulés autour d'un tube de perméat en plastique central. Ce tube est perforé pour

recueillir le perméat des multiples assemblages de feuilles. L'élément de membrane enroulé

en spirale industrielle typique a une longueur d'environ 100 ou 150 cm et un diamètre de

10 ou 20 cm (Figure III.2) [23].

Le flux d'alimentation à travers l'élément est un chemin axial droit depuis l'extrémité

d'alimentation jusqu'à l'extrémité de saumure opposée, s'étendant parallèlement à la surface

de la membrane. L'alimentation du canal d'alimentation induit une turbulence et réduit la

polarisation de la concentration. Les fabricants spécifient les exigences d'écoulement de la

saumure pour contrôler la polarisation de la concentration en limitant la récupération (ou la

conversion) par élément à 10-20%.

Par conséquent, la récupération (ou la conversion) est une fonction de la longueur du

trajet alimentation-saumure. Pour fonctionner à des reprises acceptables, les systèmes en

spirale sont habituellement montés avec trois à six éléments de membrane connectés en

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CHAPITRE III MODĔLISATION ET CONCEPTION

39

série dans un tube de pression. Le flux de saumure provenant du premier élément devient

l'alimentation de l'élément suivant, et ainsi de suite pour chaque élément à l'intérieur du

tube de pression.

Le courant de saumure provenant du dernier élément sort du tube de pression pour le

gaspiller. Le perméat de chaque élément entre dans le tube collecteur de perméat et sort du

récipient sous forme d'un courant de perméat commun. Un seul récipient sous pression

avec quatre à six éléments de membrane connectés en série peut être utilisé jusqu'à 50% de

récupération dans des conditions normales de conception. Le joint d'étanchéité à saumure

sur le support d'étanchéité d'extrémité d'alimentation d'élément empêche le courant

d'alimentation / saumure de contourner l'élément suivant [23].

Les éléments enroulés en spirale sont le plus souvent fabriqués avec une membrane

en feuille plate soit d'un mélange de diacétate de cellulose et de triacétate (CA), soit d'un

composite à couche mince. Une membrane composite à film mince consiste en une mince

couche active d'un polymère coulé sur une couche de support plus épaisse d'un polymère

différent. Les membranes composites présentent habituellement un taux de rejet plus élevé

à des pressions de fonctionnement inférieures à celles des mélanges d'acétate de cellulose.

Les matériaux de membrane composite peuvent être du polyamide, de la polysulfone, de la

polyurée ou d'autres polymères [25].

Figure III.1 : Modules à membrane en fibres creuses, (a) Assemblage, (b) Dimensions des

fibres

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CHAPITRE III MODĔLISATION ET CONCEPTION

40

Figure III.2 : Modules à membrane enroulée en spirale

III.4 Systèmes d’osmose inverse

Les systèmes d’osmose inverse peuvent se composer des éléments de base suivants [26] :

→ Unité d’alimentation d’eau

→ Système de prétraitement

→ Unité de pompage haute pression

→ Unité d'assemblage d'élément à membrane

→ Instrumentation et système de contrôle

→ Unité de traitement et de stockage de perméat

→ Unité de nettoyage

La figure III.3 montre un diagramme de processus typique pour le processus

d’osmose inverse. Il convient de noter que le système de la figure III.3 n'est qu'un exemple

où le niveau de prétraitement de l'alimentation dépend fortement de la qualité de l'eau

d'alimentation. Les caractéristiques du processus d’osmose inverse comprennent les

éléments suivants :

• Les grosses particules sont éliminées de l'eau d'alimentation à l'aide de Tamis à

mailles ou de cribles mobiles. Des tamis à mailles sont utilisés dans les systèmes

d'alimentation en eau de puits pour arrêter et se débarrasser des particules de sable,

qui peuvent être pompées du puits. Les cribles mobiles sont utilisés principalement

pour les sources d'eau de surface, qui ont généralement de grandes concentrations

de débris biologiques [27].

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CHAPITRE III MODĔLISATION ET CONCEPTION

41

• C'est une pratique usuelle de désinfecter l'eau d'alimentation de surface afin de

contrôler l'activité biologique. L'activité biologique dans l'eau des puits est

généralement très faible et, dans la plupart des cas, l'eau du puits ne nécessite pas

de chloration. Dans certains cas, la chloration est utilisée pour oxyder le fer et le

manganèse dans l'eau du puits avant la filtration. L'eau du puits contenant de

l'hydrogène sulfuré ne doit pas être chlorée ou exposée à l'air. En présence d'un

oxydant, l'ion sulfure peut s'oxyder en soufre élémentaire, ce qui peut

éventuellement boucher les éléments membranaires [27].

• La décantation des eaux de surface dans un batch de détention entraîne une certaine

réduction des particules en suspension. L'addition de floculant, tels que les sels de

fer ou d'aluminium, conduit à la formation d'hydroxydes correspondants ; Ces

hydroxydes neutralisent les charges superficielles de particules colloïdales,

s’agrégats (se rassemblent) et adsorbent sur des particules flottantes avant de

séjournées à la partie inférieure du clarificateur. Pour augmenter la taille et la

résistance du floc (agrégat), un polymère organique à longue chaîne peut être ajouté

à l'eau pour lier les particules de floc les unes des autres. L'utilisation de la chaux

Ca(OH2) entraîne une augmentation du pH, ainsi que la formation de particules de

carbonate de calcium CaCO3 et d'hydroxyde de magnésium. La clarification par la

chaux entraîne une réduction de la dureté (Ca2+, Mg2+), l'alcalinité et la clarification

de l'eau traitée [27].

• L'eau de puits contient généralement de faibles concentrations de matières en

suspension (MES), en raison de l'effet de filtration de l'aquifère. Le prétraitement

de l'eau de puits est habituellement limité au criblage du sable, à l'ajout d'un

inhibiteur de tartre à l'eau d'alimentation et à la filtration des cartouches [27].

• Les eaux de surface peuvent contenir diverses concentrations de particules en

suspension, qui sont d'origine inorganique ou biologique. L'eau de surface nécessite

habituellement une désinfection pour contrôler l'activité biologique et l'élimination

des particules en suspension par filtration des milieux. L'efficacité du procédé de

filtration peut être augmentée en ajoutant des auxiliaires de filtration, tels que des

floculants et des polymères organiques. Certaines eaux de surface peuvent contenir

des concentrations élevées de substances organiques dissoutes. Ceux-ci peuvent

être éliminés en faisant passer de l'eau d'alimentation à travers un filtre en charbon

actif. Selon la composition de l'eau, l'acidification et l’ajout d’un inhibiteur peuvent

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CHAPITRE III MODĔLISATION ET CONCEPTION

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être nécessaires. Le schéma fonctionnel du système de prétraitement des eaux de

surface est présenté comme montré dans la Figure III.3.

• Les filtres à cartouches, presque universellement utilisés dans tous les systèmes

d’osmose inverse devant la pompe à haute pression, qui servent comme barrière

finale aux particules qui se forment dans l'eau. La valeur nominale couramment

utilisée dans les applications d’osmose inverse se situe dans un intervalle de 5 à 15

microns. Certains systèmes utilisent des cartouches ayant un classement de taille

inférieur à 1 micron. Il a été noté que les filtres à faible taille ont de faible

efficacité, car ces filtres exigent un taux de remplacement élevé avec une

amélioration relativement faible de la qualité finale de l'eau d'alimentation [22].

• Récemment, de nouveaux équipements de prétraitement ont été introduits sur le

marché des systèmes d’osmose inverse. Il se compose de modules de membrane de

microfiltration capillaire et d'ultrafiltration rétro-lavables. Ce nouvel équipement

peut fonctionner de manière fiable à des taux de récupération très élevés et une

faible pression d'alimentation. Les nouveaux systèmes capillaires peuvent fournir

une meilleure qualité d'eau d'alimentation qu'un certain nombre d'étapes de

filtration classiques fonctionnant en série. Le coût de ce nouvel équipement est

encore très élevé par rapport au coût d'une unité d’osmose inverse [22].

Figure III.3 : Procédé typique d’osmose inverse avec tamisage, chloration, filtration,

Acidification et inhibition de tartre.

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43

III.5 Modèle d’osmose inverse et les variables du système

Le processus d’osmose inverse est défini en fonction d'un certain nombre de variables, qui

comprennent [25] :

→ Pression osmotique

→ Le transport de l'eau

→ Transport de sel

→ Passage de sel

→ Rejet de sel

→ Récupération de perméat

→ Polarisation de concentration

Dans cette partie d’étude nous avons mentionné les équations et les termes formant le

modèle d’osmose inverse simple. Le modèle repose sur les hypothèses suivantes :

• Fonctionnement en régime permanent et isotherme.

• Les coefficients de perméabilité des différents ions de sel ou de l'eau sont

indépendants de la température et de la concentration.

• Coefficient de perméabilité similaire pour divers ions du sel.

• Le débit de sel à travers la membrane est négligeable par rapport au débit de

perméat d'eau.

• Mélange complet dans le compartiment du perméat.

• La concentration du sel dans le compartiment d'alimentation varie linéairement le

long de la zone membranaire.

III.5.1 Bilan de masse et du sel dans le perméat

La masse du perméat et les bilans du sel sont donnés par les relations suivantes [25] :

M9 � M: ; M< (4)

Mf Xf � MPXP ; MbXb (5)

Où, Mf est le débit d'alimentation �� @⁄ .

MP est le débit de perméat �� @⁄ .

Mb est le débit de la saumure �� @⁄ .

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CHAPITRE III MODĔLISATION ET CONCEPTION

44

Xf est la salinité d'alimentation �� �⁄ .

XP est la salinité du perméat �� �⁄ .

Xb est la salinité de la saumure �� �⁄ .

III.5.2 Transport de l'eau

La relation suivante définit la vitesse de passage de l'eau à travers une membrane semi-

perméable

45 � ∆� ) ∆� AB (6)

45 est la vitesse d'écoulement de l'eau à travers la membrane � @⁄ .

∆� est la différence de pression osmotique à travers la membrane �� .

�A est le coefficient de perméabilité de l'eau � C⁄ @ �� .

A est la surface de la membrane C .

Dans l'équation (6) les termes ∆� et ∆� représentent la différence de pression hydraulique

et osmotique nette à travers la membrane, respectivement, où

∆� � �D ) �5 (7)

∆� � �D ) �E (8)

�5 et �E sont la pression hydraulique et osmotique du perméat, respectivement.

�D et �D sont les pressions hydrauliques et osmotiques moyennes du côté alimentation et sont

données par:

�D � 0.5 �6 ; �H (9)

�D � 0.5 �6 ; �H (10)

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CHAPITRE III MODĔLISATION ET CONCEPTION

45

Où �6 et �6 sont respectivement les pressions hydrauliques et osmotiques du flux

d'alimentation. Alors que �H et �H sont les pressions hydrauliques et osmotiques du flux de

rejet, respectivement.

III.5.3 Transport de sel

La vitesse du flux de sel à travers la membrane est définie par :

4I � �D ) �5 I B (11)

4I est le débit de sel à travers la membrane �� @⁄ .

I est le coefficient de perméabilité de la membrane pour le sel � C⁄ @ .

�5 est la concentration en solides dissous totaux du perméat �� �⁄ .

A est la surface de la membrane C .

Dans l'équation (11) le terme �D est défini par :

�D � J-+-KJL+LJ-KJL (12)

Où �6 et �H sont respectivement les concentrations de sel d'alimentation et de rejet.

Les équations 6 et 11 montrent que pour une membrane donnée :

- Le débit d’écoulement d'eau à travers une membrane est proportionnel à la différence de

pression d’entraînement net ∆� ) ∆� à travers la membrane.

- Le débit de sel est proportionnel à la différence de concentration à travers la membrane

�D ) �5 et est indépendant de la pression appliquée.

La salinité du perméat, �5, dépend des vitesses relatives de transport de l'eau et du sel par

membrane d'osmose inverse :

�5 � 4I/4M (13)

Le fait que l'eau et le sel ont différents taux de transfert de masse à travers une

membrane donnée crée le phénomène de rejet de sel. Aucune membrane n'est idéale en ce

sens qu'elle rejette absolument les sels ; Les différents taux de transport créent un rejet

apparent. Les équations 6 et 11 montrent que l'augmentation de la pression de

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CHAPITRE III MODĔLISATION ET CONCEPTION

46

fonctionnement augmentera le débit d'eau sans modifier le débit de sel, ce qui entraînera

une salinité plus faible du perméat [25].

III.5.4 Modèle semi-empirique

Le modèle semi-empirique est basé sur des mesures du rejet de sel membranaire et de la

récupération du produit [28]. Plusieurs approches sont adoptées dans l'évaluation des

modèles expérimentaux, qui comprend les éléments suivants :

� Modèle thermodynamique irréversible.

� Modèle à friction.

� Modèle solution-diffusion.

� Modèle solution-diffusion-imperfection.

� Modèle d'écoulement capillaire d'adsorption préférentielle.

� Modèle de flux de viscosité diffuse.

� Modèle finement poreux.

Tous ces modèles sont des cas particuliers du modèle statistique-mécanique.

Le modèle statistique-mécanique comprend les équations suivantes :

� Rejet de sel

$� � NO OPQ/RK ; NC O (14)

� Flux de perméat

MS A⁄ � DOCW ; DC ΔP ) YΔπ (15)

� Concentration membranaire

[\ � [H ; [H ) c^ ePQ `ab ) l (16)

Les variables du modèle ci-dessus sont définies comme suit :

- NO, NC, DO et DC sont les constantes d'adaptation des Eq. 14 et 15 avec des données

expérimentales.

- SR est le sel rejeté.

- MS est le débit du perméat � @⁄ .

- A est la surface de la membrane C .

- ΔP est la différence de pression à travers la membrane �� .

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CHAPITRE III MODĔLISATION ET CONCEPTION

47

- ∆π est la différence de pression osmotique à travers la membrane �� .

- CW est la concentration en sel dans la paroi de la membrane �� �⁄ .

- [H est la concentration en sel dans la masse du compartiment d'alimentation �� �⁄ .

- [M est la concentration en sel dans le courant de perméat �� �⁄ .

- � est le coefficient de transfert de masse @⁄ .

- Y est le coefficient de réflexion.

Le modèle finement poreux comprend les équations suivantes :

� Rejet de sel SR � 1 ) dAO ) 1 – AO efRg.PQ/Rhij kfO (17)

� Flux de perméat

MS / A � ∆p )Y∆πB1cd;B2µ (18)

� Concentration membranaire

cW � c< ; c< ) c^ pPQ Rq⁄ – l (19)

Les variables du modèle ci-dessus sont semblables à celles du modèle mécanique

statistique, sauf pour ce qui suit :

- AO, AC, BO et BC sont les constantes d'adaptation des Eq. 17 et 18 avec des données

expérimentales.

- μ est la viscosité dynamique de l'eau �� @⁄ .

- sIA est le coefficient de diffusion du soluté en solution C @⁄ .

Les deux modèles sont non linéaires et nécessitent une solution itérative pour

déterminer le débit de perméat, le rejet de sel et la concentration de la paroi membranaire

[25].

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CHAPITRE III MODĔLISATION ET CONCEPTION

48

III.5.5 Concentration de polarisation

Lorsque l'eau s'écoule à travers la membrane et que la membrane rejette les sels, une

couche limite est formée à proximité de la surface de la membrane dans laquelle la

concentration en sel dépasse la concentration en sel dans la solution mère.

Cette augmentation de la concentration en sel est appelée concentration de

polarisation. L'effet de la concentration de polarisation est de réduire le débit réel du

produit et le rejet de sel par rapport aux estimations théoriques. Les effets de la

concentration de polarisation sont les suivants :

- Une plus grande pression osmotique à la surface de la membrane que dans la solution

d'alimentation, Δπ, et une pression différentielle nette réduite à travers la membrane

ΔP ) Δπ . - Réduction du débit d'eau à travers la membrane 4M . - Augmentation du débit de sel à travers la membrane 4t .

- Augmentation de la probabilité de dépassement de la solubilité des sels faiblement

solubles à la surface de la membrane, et la possibilité distincte de précipitation causant la

mise à l'échelle de la membrane [24].

Le facteur de polarisation de concentration (CPF) peut être défini comme un rapport

de la concentration de sel à la surface de la membrane Nt à la concentration en masse

NH , où

N�u � Nt NH⁄ (20)

Une augmentation du flux de perméat augmentera la vitesse d'administration des ions

à la surface de la membrane et augmentera la Cs. Une augmentation du flux d'alimentation

augmente la turbulence et réduit l'épaisseur de la couche de concentration élevée à

proximité de la surface de la membrane. Par conséquent, le CPF est directement

proportionnel au débit de perméat (4M)et inversement proportionnel au débit

d'alimentation moyen (46), où

N�u � �expd4M 46⁄ k (21)

Où K3 est une constante de proportionnalité dépendant de la géométrie du système.

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CHAPITRE III MODĔLISATION ET CONCEPTION

49

En utilisant la moyenne arithmétique des flux d'alimentation et de concentré comme

flux d'alimentation moyen, le CPF peut être exprimé en fonction de la vitesse de

récupération du perméat a de l'élément de membrane (R) :

N�u � �exp CwCfw (22)

La valeur du Facteur de Polarisation de Concentration de 1.2, correspond à une

récupération de perméat de 18%.

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CHAPITRE IV

RESULTATS

ET

COMMENTAIRES

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CHAPITRE IV RESULTATS ET COMMENTAIRES

50

CHAPITRE IV

RESULTATS ET COMMENTAIRES

IV.1 Introduction

Pour rendre compte du fonctionnement d'un système ou du déroulement d'un processus,

les chercheurs ont établi, à partir de diverses données et ils ont fait un certain nombre

d'hypothèses, un schéma qui traduit la séquence des opérations : c'est l'ensemble des

expressions mathématiques du schéma qui constitue le modèle. Les équations reliant les

grandeurs variables comportent des paramètres que l'on choisit aussi judicieusement que

possible. A partir de ces équations, on calcul au moyen d'un langage de programmation des

valeurs théoriques des grandeurs mesurables qui sont confrontées aux résultats expérimentaux.

On vérifie ainsi que le schéma est une bonne représentation du processus. À l'aide d'un langage

de programmation on aboutit à des résultats numériques permettant à une interprétation

adéquate du procédé de traitement ou de séparation mis en jeux.

IV.2 Microsoft Visual Basic

Communément appelé VB, est un atelier de génie logiciel (AGL) de création

d'application Microsoft Windows. La première version de VB sortie en 1991 avait pour

vocation d'étendre de langage de programmation BASIC avec de la fonctionnalité graphique et

de fournir un environnement convivial de développement d'applications dédiées Windows basé

sur ces extensions.

La conception d'une application VB sort un peu du cadre standard de programmation.

En effet, un programme traditionnel repose sur une procédure principale qui appelle des

traitements en chaînes afin de remplir une tache donnée. Une fois la tache achevée, le

programme s'arrête. Le point de départ d'une application VB est généralement une fenêtre par

le système opératoire ou l'utilisateur via le clavier et la souris. Le travail de programmation

consiste alors à coder les traitements à exécuter en réponse à chacun de ces évènements, le

programme s'arrête lorsque la fenêtre principale de l'application est fermée. Ce mode de

fonctionnement n'est pas propre à VB et se trouve dans d'autres outils de développement

d'application graphique, et ce indépendamment de système opératoire [40].

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CHAPITRE IV RESULTATS ET COMMENTAIRES

51

IV.3 Choix du langage de programmation

Le langage de programmation joue un grand rôle dans l'interactivité du logiciel par les

outils qu'il offre au programmeur [41,42].

La conception particulière conviviale des programmes et l'affectation de sous-programme

aux contrôles de Visual Basic font de celui-ci le système de développement le plus innovateur.

Les objets graphiques et le système de fenêtrage qu'il gère nous dispense de la routine

des fichiers avec format (cas du Fortran) et nous donne la possibilité de réaliser des

environnements de simulation aisés à manipuler, dotés d'interfaces performantes. Avec ce

langage, le développement de programmes performants et agréables dans un temps record est

une réalité, grâce à son outil de conception visuelle de l'interface utilisateur et de

programmation événementielle, l'explication tient dans le mode de fonctionnement du Visual

Basic, qui vient se loger au sein de Windows.

Tous ces avantages nous ont guidé à choisir le Visual Basic comme langage de

programmation.

Ainsi à l'aide de ce langage, on a pu réaliser notre programme qui offre le confort d'une

utilisation interactive, et qui propose beaucoup de fonctionnalité (sauvegarde, chargement,

copier et impression des résultats de calcul...), et le plus intéressant, c'est que notre programme

propose un calcul interactif et fonctionnel pour différents modèles de calcul pour la conception

d’une unité d’osmose inverse (modèle mathématique, modèle semi-empirique.....) avec la

possibilité de changer les unité de conversion des paramètres de calcul . Notre programme

propose aussi des feuilles en Excel et Notepad, et il suffit de cliquer sur le bouton droit de la

souris dans la feuille principale pour les avoir.

IV.4 Présentation du programme

IV.4.1 Feuille principale

Elle est présentée par la figure IV.3. Elle comporte le menu présenté par la figure IV.1,

qui est composé des menus suivants :

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CHAPITRE IV

� File

� Types (modèle mathématique, manufacturer

� Edit (START Excel, START

� Help (about).

Chaque menu comporte plusieurs commandes

IV.5 Présentation du programme de calcul

L’utilisation du programme

Dis la mise en marche du programme une page d’accueil s’affiche et comprend trois

indications :

� En tête de la page : WELCOM TO MEMBRAINE CALCULATOR

� En bas à gauche un bouton «

� En bas à droite un bouton «

RESULTATS ET COMMENTAIRES

Figure IV.1 le menu

Types (modèle mathématique, manufacturer spécifications et modèle semi

START Notepad, Reading calculator)

Chaque menu comporte plusieurs commandes

du programme de calcul

L’utilisation du programme Visual Basic 10 est très simple.

Dis la mise en marche du programme une page d’accueil s’affiche et comprend trois

: WELCOM TO MEMBRAINE CALCULATOR

un bouton « LOG IN » : pour démarrer le programme.

En bas à droite un bouton « EXIT » : pour quitter le programme.

Figure IV.2 : page d’accueil

RESULTATS ET COMMENTAIRES

52

et modèle semi-empirique)

Dis la mise en marche du programme une page d’accueil s’affiche et comprend trois

: WELCOM TO MEMBRAINE CALCULATOR

marrer le programme.

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CHAPITRE IV

Le programme de calcul est réalisé à l’aide du

interface orientée objet dont l’objet est

code exécutable.

Avec un environnement

une application rapide avec une interface utilisateur graphique reliée à des fonctions de

gestion fournies par l’application.

Le programme est conçu de telle sorte que

� La feuille de calcul principale qui permet de calculer les différentes paramètres du

problème avec le choix de varie

feuille principale (Données ) pour avoir les données de

(Résultats ) encadrés tous deux par le

10 qui sert de conteneur pour le groupement des

calcul de ce programme offre d’autres avantages relatifs à son foncti

Windows que son interface utilisateur graphique qui permet à

comprendre le processu

� Le programme comprend aussi

o L’option « copier, coller

o Bouton de commande «

Figure

RESULTATS ET COMMENTAIRES

calcul est réalisé à l’aide du langage Visual Basic 10 dans

dont l’objet est très simple par sa structure de base notamment le

environnement de développement intégré et interactif, ce programme est

une application rapide avec une interface utilisateur graphique reliée à des fonctions de

cation.

Le programme est conçu de telle sorte que :

alcul principale qui permet de calculer les différentes paramètres du

problème avec le choix de varier les paramètres d’entrée est située à gauche de la

feuille principale (Données ) pour avoir les données de sortie à la droite de l’écran

(Résultats ) encadrés tous deux par le contrôle « Frame » ou cadre du Visual B

10 qui sert de conteneur pour le groupement des contrôles, outre la fonction de

ce programme offre d’autres avantages relatifs à son foncti

Windows que son interface utilisateur graphique qui permet à l’utilisateur de bien

comprendre le processus de dessalement par osmose inverse .

Le programme comprend aussi d’autres options secondaires :

copier, coller et couper »

de commande « calculer » qui permet d’exécuter le programme.

Figure IV.3 : feuille de calcul du programme

RESULTATS ET COMMENTAIRES

53

Visual Basic 10 dans une

simple par sa structure de base notamment le

intégré et interactif, ce programme est

une application rapide avec une interface utilisateur graphique reliée à des fonctions de

alcul principale qui permet de calculer les différentes paramètres du

les paramètres d’entrée est située à gauche de la

à la droite de l’écran

» ou cadre du Visual Basic

contrôles, outre la fonction de

ce programme offre d’autres avantages relatifs à son fonctionnement

l’utilisateur de bien

le programme.

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CHAPITRE IV RESULTATS ET COMMENTAIRES

54

IV.6 Avantages du programme

Le programme bénéficie de plusieurs avantages de Windows dont les principaux sont :

� Amélioration de la vitesse d'exécution :

Le programme se loge au sein de Windows 8, ce dernier est en mesure d'exécuter des

applications 64-bits, la vitesse d'exécution du programme, s'en trouve ainsi améliorée.

� Système de messagerie :

Le système de messagerie ou le dialogue avec l'utilisateur est une autre nouveauté du

logiciel, elle permet d'éviter les graves erreurs, qui peuvent engendrer des résultats erronés, en

affichant des messages attirant l'attention de l'utilisateur sur l'erreur commise, il donne aussi la

possibilité de confirmer ou d'annuler un message pour permettre ensuite la continuité de

l'exécution du programme.

� Choix des données de calculs :

L'utilisateur peut entrer à chaque fois de nouvelles données pour calculer de nouveau

les paramètres choisis, et dont il a besoin, avec le système de messagerie permettant de

voir les données qu'il a entrées comme le montre la figure IV.3.

IV.7 Resultat et commentaires

L’idéal lors de la mise en œuvre du procédé d’osmose inverse pour le traitement de

l’eau de mer est d’obtenir une densité de flux de perméat élevée, de manière à avoir une

production de perméat importante. La densité de flux de perméat permet de connaître la

productivité de perméat par rapport à la surface membranaire installée :

Les paramètres de fonctionnement ayant le plus d’influence sur l’augmentation du

flux de perméat sont par ordre d’importance : la pression, la température, le débit

d’alimentation et la concentration de l’alimentation [29]. Pour avoir une densité de flux

élevée, il faut soit travailler à forte pression, soit que la membrane ait une perméabilité

élevée. De plus, il est nécessaire que cette densité de flux reste stable au cours du procédé.

Il faut donc que la membrane soit le moins sensible possible au colmatage. Le modèle

utilisé dans cette étude sert à calculer la salinité du flux de perméat, la salinité de la

saumure, le débit massique de la saumure et la surface de la membrane. Dans cette étude

on a voulu focaliser sur un paramètre dont l’importance n’est pas toujours sous estimée

(salinité du flux de perméat) et dont la variation des paramètres de fonctionnement donne

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CHAPITRE IV RESULTATS ET COMMENTAIRES

55

une indication sur son évolution aux cours du procédé d’osmose inverse afin de pouvoir

trouver leurs influences sur la performance du système étudié. Alors les calculs effectués

serons exploités en faisant varier la salinité du flux de perméat (X�) pour de tel sorte faire

parvenir une concordance entre une multitude de résultats de simulation pour la validation

des calculs du progamme développé. Concernant l'effet de la variation de la salinité de flux

de perméat, il sera investigué de tel sorte à trouvèer une bonne concordance avec sa

variation et la variation de la pression osmotique efficace afin de prédire l’augmentation ou

la diminution de la densité de flux de perméat. Une diminution de la pression osmotique

efficace conduit à une diminution de la densité de flux de perméat. Ainsi, ce dernier se

trouve moins dilué, ce qui peut conduire à une augmentation de la densité de flux. De ce

fait, nos calculs seront basés sur ce concept afin de permettre l’interprétation appropriée

d’un tel modèle pour de tel processus.

IV.7.1 Variation de la salinité de flux de perméat (X�) en fonction du débit

d'alimentation (M�)

Les résultats obtenus dans cette section sont basées sur le modèle mathématique qui

est basée en faisant un bilan de matière par rapport aux sels, la perméation de sel et l’eau

citée précédemment afin de pouvoir calculer la salinité de perméat, la salinité de la

saumure, le débit massique de la saumure et la surface de la membrane. La solution

itérative des équations du modèle est évidente par le fait de la dépendance de la pression

osmotique sur la salinité du perméat et le flux de la saumure. Les séquences de la méthode

itérative suivis par le modèle en question sont comme suit :

• En assumant une valeur de la salinité de flux de perméat égale une valeur aléatoire ;

• Cette valeur sera par la suite prise en considération par notre programme pour

pouvoir calculer la salinité de la saumure en résolvant les équations du bilan de

matière du sel, jusqu'à obtention d’une égalité des valeurs de la surface de la

membre, d’où une méthode itérative a été employée par le modèle mathématique.

Une combinaison parfaite des résultats sera faite dans cette partie du mémoire dans le

but d’interpréter l’influence des différents paramètres explicites intervenant lors du

processus d’osmose inverse pour le dessalement de l’eau de mer. Les résultats seront ainsi

exploités à l’aide du programme numérique où ils vont permettre de discerner ou prédire le

changement des paramètres de sortie en fonction de l’augmentation ou la diminution des

conditions operatoires sur le fonctionnement et la performance de l’unité d’osmose inverse

à un seul étage.

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CHAPITRE IV RESULTATS ET COMMENTAIRES

56

Tout en gardant les autres données constantes (débit de perméat ��, pression

d'alimentation �, pression de rejet �, pression de perméation ��, salinité d'alimentation

�, perméabilité aux sels �, perméabilité à l'eau �) donnees ainsi comme suit :

Débit de perméat �� � 1 �� �⁄

Pression d'alimentation � � 8000 ���

Pression de rejet � � 7800 ���

Pression de perméation �� � 101 ���

Salinité d'alimentation � � 42 �� ��⁄

Perméabilité aux sels � � 2.03 10!" �� �#⁄ �

Perméabilité à l'eau � � 2.05 10!% �� �#⁄ �.

Note : Il faut tout d’abord noter pour une utilisation adéquate du programme numérique il

faut prendre en consideration que la relation entre la pression d’alimentation et les

perméabilités à l'eau et aux sels est proportionnelle c-à-d que plus la pression

d’alimentation augmente plus les perméabilités de la membrane à l'eau et aux sels

diminuent confirmé par [30 ,31]. Cette tendance inversement proportionnelle pour la

perméabilité aux sels est due à la présence de la concentration de polarisation où la

concentration de sel à la paroi de la membrane est plus élevée que la concentration de l’eau

d’alimentation.

Nous effectuons ensuite des modifications sur les valeurs de la salinité de flux de

perméat &��' en fonction du débit d'alimentation &M�' jusqu’à obtention une égalité des la

valeur relative à la surface de la membre &(' dans le but de la validation des resultats pour

les autres valeur calculés comme montré dans le tableau IV.2.

Les calculs effectués seront ensuite exploités pour la conception d’un système de

dessalement par osmose inverse pour un seul étage en utilisant le modèle mathématique

pour l’obtention de la salinité de perméat, la salinité de la saumure, le débit massique de la

saumure et la surface de la membrane.

L’augmentation du débit d’alimentation engendre une augmentation de la vitesse de

circulation le long de la membrane. Plus elle est importante, plus les phénomènes de

turbulence sont favorisés et plus la polarisation de concentration diminue [32]. La

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CHAPITRE IV RESULTATS ET COMMENTAIRES

57

concentration aux abords de la membrane et le colmatage sont alors moins importants, et la

diminution de densité de flux de perméat au cours du temps aussi. Il faut noter tout d’abord

que l’augmentation de la vitesse de circulation est favorable en réduisant l’épaisseur de la

couche limite et le colmatage.

Tableau IV.1 : Variation de la salinité de flux de perméat (X�) en fonction du débit

d'alimentation (M�)

Débit d'alimentation (M�)

2 2.5 2.8 3

Salinité de flux de perméat &Xd' &�� ��⁄ ' 0.18151 0.145 0.1349 0.1299

Débit massique de la saumure (M*) &�� �⁄ ' 1.00 1.50 1.80 2.00

Salinité de la saumure (X*) &�� �3⁄ ' 83.82 69.90 65.26 62.94

Salinité moyenne au côté de l’alimentation &�+' &�� ��⁄ ' 55.94 52.46 51.10 50.37

Pression osmotique de flux d’alimentation , &���' 3185.28 3185.28 3185.28 3185.28

Pression osmotique de flux de la saumure , &���' 6356.79 5301.47 4949.20 4772.99

Pression osmotique de perméat ,� &���' 13.77 11.00 10.23 9.85

Pressions osmotiques moyennes du côté de l’alimentation , 4771.04 4243.37 4067.24 3979.14

Différence de pression osmotique efficace à travers la membrane ∆π 4757.27 4232.38 4057.01 3969.29

Différence de pression efficace à travers la membrane ∆P &���' 7799.00 7799.00 7799.00 7799.00

Surface de la membrane A &�#' 160.37 136.77 130.36 127.37

Surface de la membrane A &�#' 160.37 136.53 130.36 127.36

Tableau IV.2 : Variation de la pression osmotique efficace en fonction du débit d’alimentation.

Débit d'alimentation (M�)

2 2.5 2.8 3

Différence de pression efficace à travers la membrane ∆� &���' 7799.00 7799.00 7799.00 7799.00

Différence de pression osmotique efficace à travers la membrane ∆, 4757.27 4232.38 4057.01 3969.29

Pression osmotique efficace &∆. / ∆0 ' 3241.73 3566.62 3741.99 3829.71

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CHAPITRE IV

Figure IV.4 : feuille de calcul du programme pour

Figure IV.5 : Représentation graphique des résultats

Salin

ité d

e fl

ux d

e pe

rméa

t (kg

/m3 )

��

RESULTATS ET COMMENTAIRES

feuille de calcul du programme pour M� = 2 et X� =0.18151

Représentation graphique des résultats de la variation de la salinité de flux de perméat

&X�' en fonction de débit d'alimentation (M�

Débit d'alimentation (M�) &�� �⁄ '

RESULTATS ET COMMENTAIRES

58

=0.18151

variation de la salinité de flux de perméat

�)

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CHAPITRE IV RESULTATS ET COMMENTAIRES

59

Figure IV.6 : Variation de la pression osmotique efficace en fonction de débit d'alimentation (M�)

.

Nous avons opéré des variation du débit d'alimentation (M�) pour enregistrer des

résultats de la salinité de flux de perméat (X�). En modifiant ainsi dans le programme

numérique réalisé les valeurs de (X�) jusqu'à la correspondance des résultats de la surface

de la membrane où la méthode ittérative satisfaire aux exigences du modèle utilisé.

La représentation graphique de ses résultats nous donne une courbe descendante c’est

à dire que la salinité de flux de perméat (X�) diminue lorsque le débit d'alimentation (M�)

augmente.

Comme nous pouvons le constater d’après l’analyse de l’évolution des différents

parametre calculés en fonction des paramètres opératoires représentés dans le tableau IV.1,

qu’une augmentation du débit d’alimentation entraîne une diminution de la salinité de la

saumure en provoquant cependant une diminution des pressions osmotiques des différents

flux entraînant ainsi une diminution considérable de la pression osmotique moyenne du

côté de l’alimentation alors en effet la différence de pression osmotique efficace à travers

la membrane diminuera de son côté.

Il est évident, d'après ces résultats, que la salinité de flux de perméat diminue de

façon remarquable lorsque le debit de la solution d'alimentation augmente. Cette

diminution peut être expliquée toujours en liaison avec l'expression du bilan de matière

reliant ce dernier avec le débit et salinité de l’alimentation et la saumure respectivement.

Débit d'alimentation (M�) &�� �⁄ '

Pres

sion

osm

otiq

ue e

ffic

ace

(kPa

) �

��

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CHAPITRE IV RESULTATS ET COMMENTAIRES

60

Encore d’après les résultats obtenus en se basant sur le tableau IV.1, on peut estimer

que l'augmentation du débit d'alimentation engendre, en effet, une diminution des

pressions osmotiques &,' et &,' ce qui correspond à une contre pression osmotique

provoquant une augmentation de la pression osmotique efficace donnée par &∆� /

∆, comme le montre le la courbe de la figure IV.6.

La pression efficace correspond à la pression de part et d’autre de la membrane (∆�)

diminuée de la différence de pression osmotique &∆,' de part et d’autre de la membrane.

Ainsi, elle correspond à la pression qui conduit réellement à la production de perméat. Plus

cette pression est élevée, plus le flux de perméat est important [33,34,35].

En effet la pression osmotique de flux d’alimentation reste constante ainsi que la

différence de pression efficace à travers la membrane ce qui engendrera une diminution

des flux. En conséquence la surface de la membrane diminuera par suite de l’augmentation

de la pression osmotique efficace.

Note : L'augmentation de la concentration d’alimentation peut engendrer une augmentation

de la polarisation de concentration à l'interface membrane-solution comme elle peut

accentuer, d'une façon non systématique, le colmatage par gélification ou précipitation des

solutés [36].

IV.7.2 Variation de la salinité de flux de perméat (X�) en fonction du débit de perméat

(M�)

Tout en gardant les autres données constantes mentionées dans le paragraphe du titre

précédent dont nous procédons à la modification des valeurs de la salinité de flux de

perméat (X�) en fonction du débit de perméat (M�) jusqu’à obtention une concordance de

la méthode itérative menant à des valeurs similaires de la surface de la membrane. Un

tableaux recapitulatif est établie afin de pouvoir discerner toutes les variations ou les

changements des paramètres constituant le modèle mathématique pris en compte par notre

programme comme montré dans ci-dessous.

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CHAPITRE IV RESULTATS ET COMMENTAIRES

61

Tableau IV.3 : Variation de la salinité de flux de perméat (X�) en fonction du débit de perméat

(M�)

Débit de perméat (M�)

0.5 1 1.3 1.5

Salinité de flux de perméat &Xd' &�� ��⁄ ' 0.1091 0.145 0.19221 0.261348

Débit massique de la saumure (M*) &�� �⁄ ' 2.00 1.5 1.20 1.00

Salinité de la saumure (X*) &�� �3⁄ ' 52.47 69.20 87.29 104.61

Salinité moyenne au côté de l’alimentation &�+' &�� ��⁄ ' 46.45 52.46 56.69 59.89

Pression osmotique de flux d’alimentation , &���' 3185.28 3185.28 3185.28 3185.28

Pression osmotique de flux de la saumure , &���' 3979.53 5301.47 6620.21 7933.47

Pression osmotique de perméat ,� &���' 8.27 11.00 14.58 19.82

Pressions osmotiques moyennes du côté de l’alimentation , 3582.41 4243.37 4902.74 5559.37

Différence de pression osmotique efficace à travers la membrane ∆π 3574.13 4232.38 4888.17 5539.55

Différence de pression efficace à travers la membrane ∆P &���' 7799.00 7799.00 7790.00 7799.00

Surface de la membrane A &�#' 57.73 136.77 217.86 323.84

Surface de la membrane A &�#' 57.73 136.53 217.87 323.87

Tableau IV.4 : Variation de la pression osmotique efficace en fonction du débit de perméat.

Débit de perméat (M�)

0.5 1 1.3 1.5

Différence de pression osmotique efficace à travers la membrane ∆π 3574.13 4232.38 4888.17 5539.55

Différence de pression efficace à travers la membrane ∆P &���' 7799.00 7799.00 7799.00 7799.00

Pression osmotique efficace &∆. / ∆0 ' 4424.87 3566.62 2910.83 2259.45

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CHAPITRE IV

Figure IV.7 : feuille de calcul du programme pour

Figure IV.8 : Représentation graphique des résultats de

Salin

ité d

e fl

ux d

e pe

rméa

t (kg

/m3 )

��

RESULTATS ET COMMENTAIRES

feuille de calcul du programme pour M�=1.3 et X�=0.19221

Représentation graphique des résultats de la variation de la salinité de flux de perméat

(X�) en fonction du débit de perméat (M�)

Débit de perméat (M�) &�� �⁄ '

RESULTATS ET COMMENTAIRES

62

=0.19221

variation de la salinité de flux de perméat

)

'

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CHAPITRE IV RESULTATS ET COMMENTAIRES

63

Figure IV.9 : Variation de la pression osmotique osmotique efficace en fonction du débit de

perméat (M�)

La représentation graphique de ses résultats nous donne une courbe croissante c'est-

à-dire que la salinité de flux de perméat croix lorsque le débit de perméat (M�) augmente.

L’augmentation du débit de perméat entraîne une augmentation significative de la pression

osmotique de flux de la saumure suite a une augmentation de la salinité de la saumure (X*)

ce qui provoque cependant une augmentation considérable des pressions osmotiques

moyennes du côté de l’alimentation &,'. Alors suite à ces effets, la pression osmotique

efficace du système s'en trouve diminuée comme montré dans le tableaux IV.4.

On peut également remarquer d’après les résultats de calcul, une augmentation

considérable de la surface membranaire par suite de l’augmentation du débit de perméat

(M�), et la diminution de la pression osmotique efficace &∆P / ∆π '. Ces résultats justifies

en effet les expressions reliants le flux massique le débit volumique de la solution

traversant la membrane par unité de surface par unité de temps.

Note : On peut noter que d’après les données de la salinité de flux de perméat ou densité

de flux volumique cela permet de connaître la productivité de perméat par rapport à la

surface membranaire installée.

Remarque : Le phénomène de polarisation est souvent à l’origine de la limitation du débit

de perméat qui ne devient plus proportionnel à la différence de pression et atteint une

valeur limite [12].

Débit de perméat (M�) &�� �⁄ '

Pres

sion

osm

otiq

ue e

ffic

ace

(kPa

) �

��

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CHAPITRE IV RESULTATS ET COMMENTAIRES

64

IV.7.3 Variation de la salinité de flux de perméat (X�) en fonction de la pression de

rejet (P*)

Dans les calculs effectués précédemment, nous avons focalisé notre étude sur le

changement des paramètres du modèle mathématique par rapport à deux paramètres

opératoires très importantes à savoir le débit de l’alimentation et celui de perméat.

Cependant nous allons réaliser la même procédure en variant les pressions opératoires tels

que la pression de rejet et d’alimentation. Le code du programme fonctionnera de la même

manière d’où l’obtention de deux valeurs égaux de la surface de la membrane sera évident

pour validation des autres résultats de calculs. Le tableau IV.5 récapitula les résultats

montrant la variation de la salinité de flux de perméat (X�) en fonction de la pression de

rejet (P*).

Tableau IV.5: Variation de la salinité de flux de perméat (X�) en fonction de la pression de rejet

(P*)

Pression de Rejet (P*)

7000 7500 8000 8500

Salinité de flux de perméat &Xd' &�� ��⁄ ' 0.16348 0.151565 0.14132 0.13236

Débit massique de la saumure (M*) &�� �⁄ ' 1.50 1.50 1.50 1.50

Salinité de la saumure (X*) &�� �3⁄ ' 69.89 69.90 69.91 69.91

Salinité moyenne au côté de l’alimentation &�+' &�� ��⁄ ' 52.46 52.46 52.46 52.47

Pression osmotique de flux d’alimentation , &���' 3185.28 3185.28 3185.28 3185.28

Pression osmotique de flux de la saumure , &���' 5300.53 5301.14 5301.65 5302.11

Pression osmotique de perméat ,� &���' 12.40 11.49 10.72 10.04

Pressions osmotiques moyennes du côté de l’alimentation , 4242.91 4243.21 4243.47 4243.69

Différence de pression osmotique efficace à travers la membrane ∆π 4230.51 4231.71 4232.75 4233.66

Différence de pression efficace à travers la membrane ∆P &���' 7399.00 7649.00 7899.00 8149.00

Surface de la membrane A &�#' 153.95 142.75 133.05 124.59

Surface de la membrane A &�#' 153.99 142.75 133.05 124.59

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CHAPITRE IV RESULTATS ET COMMENTAIRES

65

Tableau IV.6 : Variation de la pression osmotique efficace en fonction de la Pression de Rejet

Pression de Rejet (P*)

7000 7500 8000 8500

Différence de pression osmotique efficace à travers la membrane ∆π 4230.51 4231.71 4232.75 4233.66

Différence de pression efficace à travers la membrane ∆P &���' 7399.00 7649.00 7899.00 8149.00

Pression osmotique efficace &∆. / ∆0 ' 3168.49 3417.29 3666.25 3915.34

D’après la courbe ci-dessus nous pouvons constater qu’une augmentation de la

pression de rejet engendrera un diminution remarquable de la salinité de flux de perméat.

L’augmentation de la pression de rejet engendre en effet une augmentation du débit de

rejet de sel et une diminution de la pression osmotique de perméat qui est une bonne

indication de la réduction du phénomène de polarisation (voir tableau IV.5) .

Le modèle mathématique utilise la pression de rejet plutôt que le taux de rejet (taux

de rétention) puisqu’il exprime dans son bilan de matière seulement les pressions, les débit

et les flux de chaques paramètre. Cependant, la relation entre la pression de rejet et le taux

de rejet sera proportionnel ou l’augmentation de l’un dévoilera l’augmentation de l’autre.

Figure IV.10 : Représentation graphique des résultats de variation de la salinité de flux de perméat (X�)

en fonction de la pression de rejet (P*).

Pression de rejet (P*) &���'

Salin

ité d

e fl

ux d

e pe

rméa

t (kg

/m3 )

��

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CHAPITRE IV RESULTATS ET COMMENTAIRES

66

Autrement, l’efficacité d’une membrane est caractérisée par sa capacité à retenir une

espèce présente en solution, qui est exprimée par le taux de rejet. Il donne la proportion de

la matière retenue par la membrane, par rapport à la concentration dans le flux

d’alimentation. Il dépend des conditions de polarisation puisqu’il rend compte du transfert

du soluté dans la couche de polarisation et dans la membrane.

Figure IV.11 : Variation de la pression osmotique efficace en fonction du débit de de rejet

(P*)

Il faut tout d’abord mentionner que la concentration étant à la surface plus élevée que

dans le volume de la solution il s'ensuit une augmentation de la pression osmotique près de

la membrane et donc une diminution de la pression efficace &∆� / ∆, ' : le flux de

perméat va donc diminuer. Cependant d’après les résultats obtenu révélant que

l’augmentation des pression de rejet augmentera de façon progressive la pression efficace

et diminue la surface de la membrane.

IV.7.4 Variation de la salinité de flux de perméat (X�) en fonction de la pression

d'alimentation (P�)

La pression d’alimentation est relativement proportionnelle au débit d’alimentation,

elle dépend toutefois de l’application et de la surface membranaire mis en jeu.

Pression de rejet (P*) & ���'

Pres

sion

osm

otiq

ue e

ffic

ace

(kPa

) �

��

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CHAPITRE IV RESULTATS ET COMMENTAIRES

67

Tableau IV.7 : variation de Salinité du flux de perméat (X�) en fonction de la pression

d'alimentation (P�)

Pression d'alimentation (P�)

7500 8000 8300 8500

Salinité de flux de perméat &Xd' &�� ��⁄ ' 0.15611 0.145 0.1394 0.1358

Débit massique de la saumure (M*) &�� �⁄ ' 1.50 1.50 1.50 1.50

Salinité de la saumure (X*) &�� �3⁄ ' 69.90 69.90 69.91 69.91

Salinité moyenne au côté de l’alimentation &�+' &�� ��⁄ ' 52.46 52.46 52.47 52.47

Pression osmotique de flux d’alimentation , &���' 3185.28 3185.28 3184.88 3185.28

Pression osmotique de flux de la saumure , &���' 5300.91 5301.47 5301.75 5301.93

Pression osmotique de perméat ,� &���' 11.84 11.00 10.75 10.30

Pressions osmotiques moyennes du côté de l’alimentation , 4243.09 4243.37 4243.37 4243.61

Différence de pression osmotique efficace à travers la membrane ∆π 4231.25 4232.38 4232.94 4233.31

Différence de pression efficace à travers la membrane ∆P &���' 7549.00 7799.00 7949.00 8049.00

Surface de la membrane A &�#' 147.03 136.77 131.27 127.84

Surface de la membrane A &�#' 147.03 136.53 131.24 127.84

Tableau IV.8 : Variation de la pression osmotique efficace en fonction de la Pression

d’alimentation

Pression d'alimentation (P�)

7000 7500 8000 8500

Différence de pression osmotique efficace à travers la membrane ∆π 4231.25 4232.38 4232.94 4233.31

Différence de pression efficace à travers la membrane ∆P &���' 7549.00 7799.00 7949.00 8049.00

Pression osmotique efficace &∆. / ∆0 ' 3317.75 3566.62 3716.06 3815.69

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CHAPITRE IV

Figure IV.12 feuille de calcul du programme pour

La courbe de la figure ci

lorsque la pression d'alimentation

IV.7 montre une diminution légère de

la membrane et une augmentation considérable de la pression osmotique efficace par le fait

Figure IV.13 : Représentation graphique des résultats de la

Salin

ité d

e fl

ux d

e pe

rméa

t (kg

/m3 )

��

RESULTATS ET COMMENTAIRES

feuille de calcul du programme pour P� � 8300 et X�

La courbe de la figure ci-dessus montre que la salinité de flux de perméat diminue

lorsque la pression d'alimentation (P�) augmente. Les autres résultats extraitent du tableau

montre une diminution légère de la Pression osmotique de perméat

augmentation considérable de la pression osmotique efficace par le fait

Représentation graphique des résultats de la variation de la salinité de flux de perméat

(X�) en fonction de la pression d'alimentation (

Pression d’alimentation (P�) &���'

RESULTATS ET COMMENTAIRES

68

� 0.1394

dessus montre que la salinité de flux de perméat diminue

augmente. Les autres résultats extraitent du tableau

la Pression osmotique de perméat et de la surface de

augmentation considérable de la pression osmotique efficace par le fait

variation de la salinité de flux de perméat

) en fonction de la pression d'alimentation (P�)

& '

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CHAPITRE IV RESULTATS ET COMMENTAIRES

69

de la réduction du phénomène de concentration de polarisation comme le montre la courbe

de la figure IV.14. Encore, cela peut ètre expliquer par le fait qu’une augmentation

succesive de la pression engendrera une augmentation du potentiel chimique de l’eau dans

la solution du sel qui peut causer la migration du solvant dans le coté de l’eau pure

parcequ’elle possède un potentiel chimique faible.

Figure IV.14 : Variation de la pression osmotique efficace en fonction du débit de

d’alimentation (P�) .

IV.7.5 Variation de la salinité de flux de perméat (X�) en fonction de la salinité de

l’alimentaion (X�)

Lorsque la salinité de l’alimentation augmente, la densité de flux diminue. Il y a

deux raisons à cela. D’une part, l’augmentation de la concentration en salinité engendre

une augmentation de la pression osmotique côté rétentat, provoquant une diminution de la

pression efficace. Sans augmentation de pression transmembranaire pour la contrer, le flux

diminue [37]. D’autre part, l’augmentation de concentration peut accentuer le colmatage

par gélification ou précipitation des solutés [38], Cependant, cette tendance n’est pas

systématique. Le taux de rejet aussi peut diminuer lorsque la concentration en soluté

augmente [39]. En effet, la diminution de la pression efficace et donc de la densité de flux

de perméat engendre une augmentation de la concentration ou la salinité dans le perméat.

Pression d’alimentation (P�) & ���'

Pres

sion

osm

otiq

ue e

ffic

ace

(kPa

) �

��

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CHAPITRE IV RESULTATS ET COMMENTAIRES

70

Tableau IV.9 : Variation de Salinité du flux de perméat (Xd) en fonction de la salinité des

alimentations (X�)

Salinité de l’alimentation &Xf'

35000 38000 40000 42000

Salinité de flux de perméat &Xd' &�� ��⁄ ' 0.1012 0.11816 0.131 0.145

Débit massique de la saumure (M*) &�� �⁄ ' 1.50 1.50 1.50 1.5

Salinité de la saumure (X*) &�� �3⁄ ' 58.27 63.25 66.58 69.90

Salinité moyenne au côté de l’alimentation &�+' &�� ��⁄ ' 43.72 47.47 49.97 52.46

Pression osmotique de flux d’alimentation , &���' 2654.40 2881.92 3033.60 3185.28

Pression osmotique de flux de la saumure , &���' 4418.88 4797.23 5049.38 5301.47

Pression osmotique de perméat ,� &���' 7.68 8.96 9.94 11.00

Pressions osmotiques moyennes du côté de l’alimentation , 3536.64 3839.57 4041.49 4243.37

Différence de pression osmotique efficace à travers la membrane ∆π 3528.97 3830.61 4031.55 4232.38

Différence de pression efficace à travers la membrane ∆P &���' 7799.00 7799.00 7799.00 7799.00

Surface de la membrane A &�#' 114.24 122.92 129.48 136.77

Surface de la membrane A &�#' 114.24 122.92 129.49 136.53

Tableau IV.10 : Variation de la pression osmotique efficace en fonction de la Pression

d’alimentation

Salinité de l’alimentation &Xf'

35000 35000 35000 35000

Différence de pression osmotique efficace à travers la membrane ∆π 3528.97 3830.61 4031.55 4232.38

Différence de pression efficace à travers la membrane ∆P &���' 7799.00 7799.00 7799.00 7799.00

Pression osmotique efficace &∆. / ∆0 ' 4270.03 3968.39 3767.45 3566.62

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CHAPITRE IV

Figure IV.15 : feuille de calcul du programme pour

La courbe de la figure

(X�) en fonction de la salinité de l’alimentation (

Figure IV.16 : Représentation graphique la

Salin

ité d

e fl

ux d

e pe

rméa

t (kg

/m3 )

��

RESULTATS ET COMMENTAIRES

feuille de calcul du programme pour Xf=35000 et X

La courbe de la figure IV.17 représente la variation de la salinité de flux

) en fonction de la salinité de l’alimentation (X�). Une augmentation de la salinité de

Représentation graphique la variation de la salinité de flux de perméat (

de la salinité de l’alimentation (X�)

Salinité de l’alimentation &Xf'

RESULTATS ET COMMENTAIRES

71

Xd=0.1012

sente la variation de la salinité de flux de perméat

). Une augmentation de la salinité de

variation de la salinité de flux de perméat (X�) en fonction

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CHAPITRE IV RESULTATS ET COMMENTAIRES

72

l’alimentation engendre un augmentation de la pression osmotique de flux d’alimentation

&π�' et des pressions osmotiques moyennes du côté de l’alimentation &π', et en

conséquence la pression osmotique efficace s’en trouve diminuée suivi d’une augmentation

progressive de la salinité de flux de perméat &X�' montrée dans le tableau récapitulatif et

les courbe des figures IV.16 et IV.17 respectivement. Cependant le taux de rejet diminue

proportionnellement tandi que la surface de la membrane augmente moins rapidement.

Figure IV.17 : Variation de la pression osmotique efficace en fonction de la salinité de

l’alimentation &Xf'.

IV.8. Résultats pour d’autres modèle

IV.8.1 Spécifications du fabricant

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CHAPITRE IV RESULTATS ET COMMENTAIRES

73

Figure IV.18 : feuille de calcul du programme par le modèle de Spécifications du fabricant.

IV.8.2 Modèle semi-empirique

Figure IV.19 : feuille de calcul du programme par le modèle de semi-empirique.

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Conclusion

Générale

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CONCLUSION GENERALE

74

Conclusion générale

Du fait de l’augmentation de la population mondiale, la pénurie en eau douce est

devenue un problème majeur, en particulier dans plusieurs régions arides du monde. Le

dessalement d’eau de mer pour la production d’eau potable est donc une solution alternative

qui permet d’augmenter les ressources en eau disponible, de fournir une solution en cas de

sécheresse et de lutter contre les pénuries.

Le dessalement de l’eau de mer s’impose, dans un certain nombre de pays du pourtour

méditerranéen en situation de stress hydrique, comme une option pour sécuriser l’alimentation

en eau potable des populations des villes côtières, compte tenu de l’accroissement rapide de la

demande en eau dans les secteurs de l’agriculture et de l’industrie. Le dessalement sera un

enjeu particulièrement important pour l’avenir des régions sujettes aux pénuries d’eau. C’est

une méthode d’avenir pour pallier aux problèmes d’eau douce. Elle permet une utilisation et

d’une gestion économe des ressources en eau et la mise en œuvre de moyens appropriés pour

faciliter l’accès à l’eau potable. Cependant il ne faut pas négliger l’impact écologique des

rejets de concentrât.

Aujourd’hui, plus de 15000 unités de dessalement dans le monde produisent environ 56

millions de m3/j, alors que la capacité mondiale de production en eau potable est de l’ordre de

500 millions de m3/j. En Méditerranée, la production des usines de dessalement s’élève à 10

millions de m3/j.

En Algérie, un déficit de 1 milliards de m3 sera enregistré en 2025 [43]. Pour pallier le

manque d’eau potable dans le pays, L’Algérie a décidé de miser sur des usines de dessalement

d’eau de mer. Les autorités comptent monter à 43 stations à l’horizon 2019, dont dix usines

sont déjà opérationnelles [44].

Un travail de simulation à l’aide d’un modèle mathématique pour la description du

processus de dessalement de l’eau de mer par osmose inverse a été effectué. Une étude de

simulation de dessalement de l’eau est réalisée pour trois modèles de calcul différents : modèle

mathématique, semi-empirique et modèle du fabriquant. L’étude de simulation est validée par

la concordance des résultats de calculs montrant l’influence des conditions opératoires à savoir

la pression, le débit d’alimentation et la concentration de l’alimentation sur la performance de

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CONCLUSION GENERALE

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traitement de l’unité d’osmose inverse.

Le déroulement du processus d’osmose inverse opère plusieurs paramètres dont leurs

influences attirent de considérable attention. Les résultats trouves dans notre études peuvent

être résumés comme suit :

• L’augmentation du débit d’alimentation entraîne une diminution de la salinité de la

saumure en provoquant cependant une diminution des pressions osmotiques des

différents flux ce qui engendre une augmentation considérable de la pression

osmotique efficace ce qui diminue la surface de la membrane.

• L’augmentation du débit de perméat entraîne une diminution de la pression osmotique

efficace du système.

• L’augmentation de la pression de rejet engendre une diminution de la pression

osmotique de perméat qui est une bonne indication de la réduction du phénomène de

polarisation.

• L’augmentation de la concentration en salinité engendre une augmentation de la

pression osmotique côté rétentat, provoquant une diminution de la pression efficace ce

qui engendre une augmentation de la salinité dans le perméat.

Enfin nous pouvons dire que le modèle étudié et simulé utilise les paramètres de

pression et de débit alors qu’il néglige l’effet de la température sur le cours du processus dans

le bilan énergétique, et l’absence de la densité de flux de perméat dans le bilan de matière.

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