présenté au salon 36 heures des pros de l‘eau du québec, le 21 mars 2014

L’application & les avantages d’un adoucisseur d’eau équipé de la résine cationique

Purolite® SSTC60ᴹᴰTechnologie enveloppe mince (Shallow Shell)

Présenté au Salon36 heures des pros de l‘eau du Québec, le 21 mars 2014

Par Don Downey, Directeur des ventes pour le Canada, Purolite Canada

Pourquoi adoucir l’eau?

Réduction de la dureté pour:1. Prévenir l'entartrage par

le CaSO4.2. Réduire les résidus de

savons 3. Prévenir les taches par le

Fe

Bicarbonate de calcium

Ca (HCO3 )2

CHALEUR

Carbonate de calcium

Dépôts de

Ca CO3

Pourquoi adoucir l’eau?

Comment adoucir l’eau?

Mesure de la dureté de l’eau:• en parties par million (ppm) en CaCO3

• en milligrammes par litre (mg/L)• en milliéquivalents par litre (meq/L) ─ pour le chimiste• en grains par gallon US (gr/gal US) en industrie• exprimée en ions ou en équivalent CaCO3

Procédé d’échange de dureté

HCO3

ClSO4

NO3

CaMgNa

Na

HCO3

ClSO4

NO3


Les perles ou grains de résine sont placées dans une cave pressurisée

En moyenne, un adoucisseur d’eau est conçu pour opérer pendant 20 heures avant d’être régénéré

La résine de l’adoucisseur est régénérée avec une solution de sel (NaCl) à 15% afin que la résine puisse être remise en service en peu de temps

CaMgNa

SACRésine

Na


Étapes de la régénération

RétrolavageExpansion du lit 50 - 80 %-pour séparer les perles-pour enlever les matières colloïdales -pour assurer un bon contact avec la saumure Volume de l’eau de lavage :1.5 à 4 fois le volume du lit Durée : -10-20 minutesDébit:-dépend de la température de l’eau normalement 7 - 12 m/h (3-5 gal US/pi2.)

Effluent à drainerSAC

Résine

Eau de lavage

Injection de selQuantité de sel: 64-320g g/L─r (4 ─ 20 lb./pi³-R)Concentration de saumure: 10% en poids (8-15%)Durée de contact: 30 (min) - 60 minutesDébit (incluant eau de dilution): 2 – 7 BV/h (0.25 to 0.9 USGPM/pi3

Eau de dilutionVolume de l’eau: 2- 4 fois le volume de résine (15- 30 USG/pi3.)Débit: 2 - 7 BV/h (0.25 - 0.90 USGPM/pi3)

SACRésine

Chlorure de drainerCa, Mg, Na

Saumure et eau de dilution

Étapes de la régénération

Étapes de régénération

Rinçage rapideVolume de l’eau: 3- 6 fois le Volume du lit de résine (25- 50 USG/pi3)

Débit: 8 - 40 BV/h (1.0 - 5.0 USGPM/pi3)

SACRésine

Chlorure deNa vers le drain

Eau de rinçage

Coûts de régénération Description Montant $

Sel (min) pour régénérer 1pi³ de résine 8 0,10/Ib.

Eau (min) pour régénérer 1pi3 de résine 75 4.00/1000 galCoût total annuel pour utiliser un adoucisseur domestique 400.00$

Nombre total d’adoucisseurs domestiques au Canada 2.5 millions

Description Montant $

Sel (min) pour régénérer 1pi3 de résine 12 0.10/lb.

Eau (min) pour régénérer 1pi3 de résine 100 4.00/1000 galCoût total pour exploiter 1pi3 de résine commercial ou industriel/année 560.00$

Quantité totale de résine utiliser dans le commercial et l’industriel au Canada 13 millions pi3

Ajoutez les adoucisseurs commerciaux et industriels et quel grand total croyez-vous atteindre dans ce tableau?

Faire les choses différemment

Et si nous pouvions fabriquer une résine qui nécessiterait moins de sel et continuerait de respecter les normes de qualité de l’effluent?

Et si nous pouvions utiliser une résine qui nécessiterait moins d’eau et qui continuerait de respecter les normes de qualité de l’effluent?

Et si nous pouvions fabriquer une résine que l’on pourrait régénérer avec de l’eau de mer?

Et si nous pouvions fabriquer une résine et ensuite la régénérer avec les rejets d’un procédé d’osmose inverse?

Et si nous pouvions fabriquer une résine et utiliser du bicarbonate de soude pour la régénérer?

Et si nous pouvions fabriquer une résine et utiliser de la vapeur pour la régénérer?

Faire les choses différemment

Pour améliorer la perle de résine

•99% des sites disponibles pour l’échange d’ions sont à l’intérieur de la perle de résine.

•La cinétique est la vitesse à laquelle les ions sont échangés sur les sites en surface et à l’intérieur de la perle de résine.

•À mesure que la perle de résine augmente de grosseur, la cinétique ralentit à cause des difficultés de diffusion.

•Si la dimension des perles double la cinétique est 4 fois plus lente.

NOTE: Contamination du “coeur” de la perle et contamination par le Fe

Na

Na

Na

Na

Na

Na

Na Na

NaNa

NaNa

Na

Na

Na

Na

Na

NaNa

Na

Na Ca

Ca

CaCa

Ca

Na

Na

Na

Na

Na

Na

NaNa

Na

Na

NaNa

Na

NaNa

Na

Na

Na

NaNa

Na

Na

NaNa

Fe

Fe



À mesure que le produit régénérant est utilisé dans le processus de régénération de la résine, la capacité pour compléter la réaction s’épuise.

• Le centre de la perle ne peut être régénéré, ce qui résulte en une fuite lorsque le régénérant pénètre jusqu’au centre de la perle.

• À cause de ce centre non-régénéré ─des métaux lourds─ Fe, Br et Sr s’accumulent, ce qui rouille la résine.

• Des quantités excessives de produit chimique son requises afin de surmonter les problèmes associés aux résines standards.

Améliorations à la perle

Na

Na

Na

Na

Na

Na

Na Na

NaNa

NaNa

Na

Na

Na

Na

Na

NaNa

Na

Na Na+

Na+

Na+

Na+

Na+

Na

Na

Na

Na

Na

Na

NaNa

Na

Na

NaNa

Na

NaNa

Na

Na

Na

NaNa

Na

Na

NaNa

Fe+

Fe+

Ajouter un noyau

Technologie enveloppe mince (Shallow Shell)

SST60 and SST80

Améliorations à la perle

La résine SST60 permet une cinétique plus rapide vs. Les catégories de résine standard et PUROFINE en opération à co-courant

Résine standard du plus grand diamètre Résine SST60 à enveloppe mince et noyau central

Résine Purofine C100 de plus grand diamètre

Diamètre de 1 à 2 mm

Diamètre de 1,87 mm

Diamètre de 0,71 mm

10 X plus rapide 3.5 X plus

rapide

0,375 mm de diamètre

La résine SST60 est 10 X plus rapide que la résine standard

La résine SST60 est 3.5 X plus rapide que la résine Purofine

Diamètre équivalent de 0,375 mm pour la résine SST60

Le taux de diffusion est proportionnelle à 1/r² où «r» est le rayon de la perle

Applications sur le terrain

1: Une étude (2007) sur le terrain illustrant la régénération de la résine SST SAC avec l’eau de mer, aux installations de BP (EOR) à Prudhoe Bay Alaska.

2: Une étude sur le terrain (2010) démontrant la régénération de la résine SST SAC avec le rejet d’une unité d’osmose inverse (CIX-RO) à l’usine ZLD en banlieue de Chicago, Illinois.

3:Une étude (2011) sur papier de l’illustration de l’eau évacuée d’une chaudière à vapeur pour régénérer la résine SST SAC/WAC.

4:Une étude (2011) sur le terrain démontrant la régénération d’une résine SST WAC en utilisant la NaHCO³ comme régénérant, sur un projet CBM à Sheridan, Wyoming.

À l’installation de BP à Prudhoe Bay (Alaska) on utilise un polymère pour opérer un EOR. Pour optimiser on doit utiliser de l’Eau douce. La température moyenne en hiver est de -480C et le sel gèle à -280C.

Des travaux préliminaires avec des adoucisseurs régénérés à l’eau de mer ont montré que plus de 20 volumes de lit ont été nécessaires pour obtenir 22kg d’OC et 2mg/L de pertes (fuites). L’adoucissement conventionnel utilise 6 BV (volumes de lit de résine) pour obtenir des résultats identiques. (Kunin, Amber-Hi-Lights No. 147)



Affluent non traité

Rejet après régénération

Adoucisseur avec une résine à enveloppe mince (SST) SAC

Effluent traité

Entrée du régénérant

SII

BPCC BPI

ROI FC

FC SOI

RII

BPC ─ Régulateur du débit de contournementBPI ─ Isolateur de la dérivationSII ─ Isolateur d’entrée de serviceSOI ─ Isolateur de sortie de service RII ─ Isolateur du débit de régénérant ROI ─ Isolateur du rejet de régénérant

Jauge de pression et indicateur de débit

Valve d'échantillonnage

Contrôleur de débit

Valve manuelle

Identification (numéro) des cycles de fonctionnement

1 2 3 4 5 6

Durée (min) de fonctionnement par cycle de service 360 360 360 360 360 360

Salinité moyenne (%) du régénérant 16 18 9 9 17 17

% calculé de chlorure de sodium 3.1 3.6 1.9 1.9 3.4 3.4

Quantité calculée de NaCl utilisé (lb) 88 99 50 50 94 94

Quantité de NaCl utilisé (lb/pi3) 17.6 19.8 10 10 18.8 18.8

Fuites (en CaCO3) – l’objectif était de 20 10.1 2.1 2.7 3.8 2.8 3.1

Les résultats globaux montrent que le pilote aurait pu fonctionner pendant 12 heures pour chaque 2 heures de régénération, soit 1BV de régénération pour chaque BV de service.


En se basant sur l’étude de 2007 avec l’eau de mer─ nous avons posé les questions suivantes:1. Quelle est la quantité minimale d’eau de mer requise pour

régénérer efficacement la résice SST? 2. En excluant le NaCL commercial quelles autres sources de NaCL en

concentration suffisante pouvons-nous utiliser gratuitement comme régénérant?

Perméat (eau pure) , 75%

Alimentation

Rejet concentré de l’OI, 25%


Dessalement d’eau saumâtre – utilisant la saumure rejetée par l’OI > 0.5 (1)%

CIX-ROÉchange d‘ions cyclique –

récupération par OI

90 - 95% de récupération

SST65

SST65

Cuve de récupération des rejets

Pompe à rejets


SST65

SST65

Chaudière à vapeur à passage unique

Écon

omise

ur

Purge de la chaudière

Échangeur de chaleur

Vapeur

CIX-BBD


• Inventée par Irwin Higgins en 1951 à EAC pour la séparation d’ions radioactifs à l’aide de résines I-X

• Commercialisée en 1955. Acquise par Severn Trent Services -1991

• Première technologie développée par le Gouvernement américain commercialisée par l’industrie privée.

• Conçue pour la séparation d’ions sélective et en continue• Applique à l’échange d’ions la mise en contact à contre-courant

des liquides et de la résine• Utilisée dans les applications commerciales d’adoucissement de

l’eau qui deviendra vapeur (SPE 1958)


Boucle de Higginsᴹᴰ


Système Boucle de Higginsᴹᴰ pour échange d’ions

Configuration de la boucle

Boucle cylindrique de la résine

4 sections séparées par les robinets sur la boucle

• Adsorption – Ions chargés sur la résine

• Régénération – Ions résorbés de la résine

• Rétrolavage – Fines particules et matières solides enlevées

• Pulsation – Régularise le mouvement de la résine dans la boucle

Débits à contre-courant La résine se déplace dans le sens des

aiguilles d’une montre L’alimentation et la régénération se

déplace dans le sens contraire des aiguilles d’une montre

Robinets papillon sur

la boucle

Régénération

Pulsation

Rétrolavage

Adsorption

Résin

eliq

uide

s

• Une boucle de Higgins Modèle 3012 (30” de diamètre pour la section adsorption et 12 de diamètre pour la section régénération) à été installée sur un site de traitement d’eau CBM-EWMS en opération dans le Wyoming.

• Environ 50 pi³ de résine de Purolite SST104 (à ions hydrogène) a d’abord été épuisée à un volume maximum sous la forme de sodium, puis introduite dans la boucle de Higgins.

• Environ 5pi³ de résine additionnelle fut ajoutée par incréments pendant l’opération initiale à mesure que le volume de résine dans le système CCIX s’approchait des conditions d’état stable pour l’expansion/contraction.


Le projet CBM de Sheridan Wyoming

Résultats d’essais sur le terrain de la résine Purolite SST 104HParamètre Unités Résultats

Débit d’eau entrant USPGM 150

MST entrant PPM 2000 à 10000

Dureté entrant PPM en CaCO3 50 à 110

Sodium entrant PPM 800 – 3900

Alcalinité entrant PPM en CaCO3 1800 - 1900

Dureté dans l’effluent PPM en CaCO3 < 0.5

Volume total traité par le pilote m3 14200

Dosage de HCI g/L 104

Conversion NaOH nécessaire M3 0 (1)

(1)À cause de la forte alcalinité en bicarbonate de sodium dans l’eau entrant dans le système la neutralisation de la résine WAC IX par l’hydroxyde de sodium ne fut pas requise.


- Enlèvement du fer du manganèse par la résine Purolite SST60

(avec ions Na)

- Enlèvement des fluorures ─ Purolite SST60 (avec inos Al or Ca)

- Désalcanisation – Purolite SST104H

- Déminéralisation de petit lait de fromage– Purolite SST80H

- Déminéralisation d’acide lactique – Purolite SST80H

- Adoucissement d’eau de forte teneur en matière solides

dissoutes – Purolite SST104Na

Autres applications

Documents de référence

• IWC 11-06 Régénération par l’eau de mer de la résine Purolite SST80 SAC à l’enveloppe mince – D. Downey

• IWC 10-56 Récupération accrue en osmose inverse par Cyclic IX – F. Boodoo

• IWC 11-37 Régénération de résine d’adoucissement à l’aide d’eau de vidange d’une chaudière – S. Moylan

• 2013 PWS – 20 cas d’eau produite par adoucissement dans un système à boucle de Higgins– D Beagle