PuricationdeleaudanslindustrieEnrico RiboniRemerciementsCelivreest issus des cours Pratiques et economiedelapuricationdeleaudanslindustrieorganisesparlaFondationSuissepourlaRechercheenMicrotechnique.Cescoursdeformationcontinuesadressent`adespraticiensdelindustrie.Toutcommecescours, le present livre ne sadresse donc pas ` a des personnes ayant dej` a des connaissancesapprofondies enchimie de leauouentraitement de leau, mais ` ades ingenieurs ettechniciens ayant des bases techniques generales mais pas de connaissances particuli`eresconcernantleau:celivreconstitueuneintroduction` acedomaine.Jetiens` aremercierMonsieurFischer, DirecteurdelaFondationSuissepourlaRe-chercheenMicrotechnique, qui mapermis defaireces cours et maencourage`alesameliorercontinuellement.Mes remerciements vont aussi ` a tous les participants des cours de purication de leaudelaFondationSuissepourlaRechercheenMicrotechniquedepuis1997,qui,parleursavisetpropositionsdameliorationducoursnousontpermisdameliorerlecoursetontdoncunepartdemeritesignicativepourcequiestdelaqualitedupresentouvrage.LauteurIngenieur mecanicien dipl ome de lEcole Polytechnique Federale de Lausanne, EnricoRiboni aacquissontexperiencedetraitementdeleaudabordentravaillantcommechefdeprojetaupr`esdungrandbureaudingenieurs-conseils,puiscommeresponsabledelalialeEuropeetMoyen-Orientdunfabriquantdematerieldetraitementdeleaupour lindustrie (Osmonics). Enrico Riboni est actuellement gerant de ozone.ch (Boudry,Suisse). Cette societe propose des services dingenieurs-conseil et des produits innovantspourletraitementdeleauetlutilisationdelozone.DisponibiliteCemanuelestdisponiblegratuitemententelechargementenformatPDF` apartirdusite de ozone.ch : http ://www.ozone.ch. La version imprimee peut etre obtenue contreuneparticipationforfaitaireauxfraisdimpressionetdenvoi deCHF100.00(Suisse)EUR 70.00 (Union Europeenne). Format : classeur A4, noir et blanc. Conditions specialespourclientsdeozone.chetceuxquiontparticipe`auncoursFSRMsurlapuricationdeleausurdemande.Copyrightc Enrico Riboni, Chezard-Saint-Martin, Suisse, 1997-2008. Le manuel peut etre utiliselibrementpourunusageenenseignement, entrepriseetencadreprive. Il nepeutenaucuncasetrepropose`alavente, sauf parEnricoRiboni, ozone.chetlaFondationSuissepourlaRechercheenMicrotechnique.ozone.chS`arl i http://www.ozone.chTabledesmati`eresI. Introductionetrappels 11. Introduction 21.1. Leau:aussiomnipresentequemeconnue . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.2. Rappelhistorique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.3. Tendancesactuelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52. Introduction`alachimiedeleau 62.1. Quest-cequeleau ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.2. Lesclassesdepolluants. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.3. Uneclassicationalternative. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.3.1. Polluantsprimaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.3.2. Polluantssecondaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.3.3. Polluantstertiaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.3.4. Lestraces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.3.5. Composantsnonpermanents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.4. Lesunitesdemesure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.4.1. Unitesdemesuredessubstancesdissoutes . . . . . . . . . . . . . 102.4.2. Unitesdemesuredessolidesensuspension. . . . . . . . . . . . . 112.4.3. Durete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.5. pH,acidesetbases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.6. Oxydo-reduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.7. Conductivitedeleau. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.8. Dissolutionetprecipitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.9. Lequilibrecalco-carboniquedeleau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153. Lespolluantsdansleau 213.1. Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213.2. CalciumCa++. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213.3. MagnesiumMg++. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213.4. BicarbonateHCO3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213.5. FerFe++,Fe+++. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213.6. SiliceSiO2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22iiTabledesmati`eres3.7. GazcarboniqueCO2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223.8. Chlore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233.9. Trihalomethanes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233.10. Quefaut-ilanalyser ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23II. Lestechnologiesdelapuricationdeleau 264. Filtrationetmicroltration 274.1. Quelquesdenitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274.2. Filtrationparticulaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284.2.1. Pourquoiltrer ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284.2.2. Lesmecanismesdeltration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284.2.3. Classicationdestypesdeltres . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314.2.4. Filtres-presses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324.2.5. Lesltres`apocheou` apanier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324.2.6. Etudedecas:consequencesdelutilisationdunltre` apoche . . 324.2.7. Filtres` acartoucheslavablesetltresautonettoyants . . . . . . . 344.2.8. Filtres` asable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344.2.9. Etudedecas:ltres`asables,retrolavage. . . . . . . . . . . . . . 384.2.10. Filtres`acartouchesconsommables . . . . . . . . . . . . . . . . . 384.2.11. Lechoixdunetechnologiedeltration . . . . . . . . . . . . . . . 434.3. Microltration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444.3.1. Denition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444.3.2. Typesdecartouchesltrantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444.3.3. Lechoixdelacartoucheltrantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445. Procedesmembranaires 465.1. Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 465.2. Osmoseinverse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 465.2.1. Principedelosmoseinverse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 465.2.2. Equationsfondamentalesdelosmoseinverse . . . . . . . . . . . . 495.2.3. Exemplesdunitesdosmoseinverse . . . . . . . . . . . . . . . . . 545.3. Ultraltration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 575.4. Nanoltration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 596. Lamaintenancedesosmoseurs 606.1. Suividesperformances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 606.1.1. Param`etres` aenregistrer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 606.1.2. Param`etres` acalculersurlabasedesenregistrements . . . . . . . 616.2. Nettoyagedesmembranes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 627. Ladesinfectiondeleau 65ozone.chS`arl iii http://www.ozone.chTabledesmati`eres8. SterilisationU.V. 668.1. Principeetlimitesdeladesinfectionparultraviolets . . . . . . . . . . . . 668.1.1. Principedefonctionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 668.1.2. Limitesdelasterilisationparultraviolet . . . . . . . . . . . . . . 668.1.3. Longueurdonde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 678.1.4. Leslampeultraviolet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 678.2. DimensionnementdunsterilisateurUV. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 688.2.1. DosederayonnementUVc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 688.3. DosesderayonnementUVpourdierentesclassesdemicro-organismes . 708.3.1. Exemplesdestimationsdeladosenecessaire . . . . . . . . . . . . 728.3.2. Biodosimetrieoucalcul ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 739. Chloration 7610.Ozonisation 7810.1. Principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7810.1.1. Desavantagesdelozone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7810.1.2. Avantagesdelozone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7810.1.3. PotentielsRedox . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7910.1.4. Materiauxresistants` alozone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8110.2. Dosagedozone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8210.3. Syst`emesdemelangeozone-eau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8310.3.1. ColonnesdecontactetinjecteursVenturi . . . . . . . . . . . . . . 8310.3.2. Transfertdemasse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8710.3.3. Conclusionsurladissolutiondelozone. . . . . . . . . . . . . . . 9110.3.4. Destructiondelozoneresiduelenphaseliquide . . . . . . . . . . 9110.3.5. Destructiondelozoneresiduelenphasegazeuse. . . . . . . . . . 9210.3.6. Ozone:dimensionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9310.3.7. Ozone`apartirdeloxyg`enedeleau . . . . . . . . . . . . . . . . . 9310.4. Mesuredelozonedanslair . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9410.4.1. Colorimetrie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9510.4.2. Sondes electrochimiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9510.4.3. Capteurs`asemiconducteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9610.4.4. Analyseursdozone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9710.4.5. Comparaisondesmethodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9710.4.6. Etudedecas:mesuredelozonedanslair . . . . . . . . . . . . . 9810.5. Mesuredelozonedansleau. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9910.5.1. Methodesdisponibles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9910.5.2. Colorimetrie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9910.5.3. MesuredupotentielRedox. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9910.5.4. Sondes electrochimiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10010.5.5. Capteurs`asemiconducteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10010.5.6. Analyseursdozone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100ozone.chS`arl iv http://www.ozone.chTabledesmati`eres11.Selectiondunemethodededesinfection 10311.1. Crit`eresdeselectiondelamethodededesinfection . . . . . . . . . . . . . 10311.1.1. Debitdelinstallation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10311.1.2. Micro-organismes` a eliminer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10311.1.3. Caracteristiquesdeleauensortie . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10311.1.4. Intervalleentretraitementetconsommation . . . . . . . . . . . . 10411.2. Quelquesexemples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10411.2.1. Unsyst`emedozonisationcompact et performant pour debits `apartirde1m3/h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10411.2.2. Une unite de potabilisationpour maisonsans raccordement aureseaudeaupotable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10411.2.3. Unpoint deaupotable dans unendroit qui nest pas relie aureseau electrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10611.2.4. Installationdechlorationdeleau . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10611.2.5. Eauultrapure,micro-electronique . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10612.Lesbiolms 10712.1. Importancedesbiolms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10712.2. Quest-cequunbiolm? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10712.3. Lesfacteursinuencantlaformationetledeveloppementdesbiolm . . 10712.3.1. Temps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10712.3.2. Vitessedecoulement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10812.3.3. Espacesmorts. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10812.3.4. Barri`eresantibacteriennes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10812.4. Contr oledesbiolms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10812.5. DesinfectiondinstallationslorsdelinstallationdunsterilisateurU.V. . 10912.5.1. Uncasparticulier:lesbouclesdedistributiondeauultrapure . . 11012.6. Biolmsetcorrosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11113.Leauozonee 11313.1. Pourquoileauozonee ?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11313.2. Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11313.3. Securitelorsdelemploideauozonee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11413.3.1. Probl`emesspeciques`alutilisationdeauozonee . . . . . . . . . 11413.3.2. Eetsdelozone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11513.3.3. Lesmesuresdeprecaution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11514.Ladistillation 11714.1. Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11714.2. Principedefonctionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11714.3. Qualitedeleaudistillee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11714.4. Solutionspourreduirelaconsommationdenergie . . . . . . . . . . . . . 11914.4.1. Eetsmultiples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11914.4.2. Thermocompression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119ozone.chS`arl v http://www.ozone.chTabledesmati`eres14.5. Limitesdeladistillation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11915.Procedesparechangedions 12115.1. Introduction`alechangedion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12115.2. Adoucisseursdeau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12215.3. Demineralisationpar echangedions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12215.3.1. Equationsfondamentales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12215.3.2. Regenerationdes echangeursdions`a2lits . . . . . . . . . . . . . 12415.3.3. Echangeurdions`alitmelange . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12415.3.4. Pourquoileauest-ellemeilleureapr`esunlitmelangequapr`esundeux-lits ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12415.3.5. Regeneration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12415.4. Calculdes echangeursdions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12515.4.1. Principesgeneraux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12515.4.2. Qualitedeleauobtenuepar echangedions . . . . . . . . . . . . 12516.Lesantitartreselectromagnetiques 12616.1. Passionsetpolemique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12616.2. Principedefonctionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12616.3. Limitationsdemploi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12717.Electrodeionisation 12917.1. Principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12917.2. Avantagesetdesavantages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13017.2.1. Principauxavantages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13017.2.2. Principauxdesavantages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13117.3. Probl`emesresultantsdaspectscommerciaux . . . . . . . . . . . . . . . . 13217.4. Etudesdecas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13217.4.1. Losmoseurinstable. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13217.4.2. Cellulemysterieuse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13317.5. Situationactuelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13318.Degazage 13418.1. Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13418.2. Latechnologietraditionelle:ledecarbonateur . . . . . . . . . . . . . . . 13418.2.1. Principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13418.2.2. Ledimensionnementdesdecarbonateurs . . . . . . . . . . . . . . 13418.3. Lesnouvellestechnologiesdedegazage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13518.3.1. Principedefonctionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13518.3.2. Calcul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136III. Conception et optimisation de syst`emes de purication deleau 138ozone.chS`arl vi http://www.ozone.chTabledesmati`eres19.Introduction 13919.1. Deroulementduprojet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13919.2. Delais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14019.3. Caracteristiquesdeleaudalimentation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14119.3.1. Informations`aobtenir . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14119.3.2. Etudedecas:chloreetmembranes . . . . . . . . . . . . . . . . . 14119.4. Qualitedeaunecessaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14219.5. Denitiondelaqualitedeleaunecessaire . . . . . . . . . . . . . . . . . 14319.6. Quantitedeaunecessaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14319.7. Autresparam`etres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14419.8. Conceptionduprocede . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14420.Specicationdesprincipauxelements 14620.1. Introductionauxspecications. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14620.2. Osmoseinverse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14620.3. Echangeursdions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14720.4. Generateursdozone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14720.5. Distillateurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14820.6. Electrodeionisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14820.7. Specicationdesltresetcartouchesltrantes . . . . . . . . . . . . . . . 14920.7.1. Cartouchesdepeltration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14920.7.2. Cartouchesdemicroltration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14920.7.3. Debits:ordresdegrandeur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14921.Optimisationdesyst`emesexistants 15021.1. Methode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15021.2. Osmoseurs:optimisationdelamaintenance . . . . . . . . . . . . . . . . 15021.3. Cartouchesltrantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15021.4. Etudedecas:cartouchedepreltrationdunosmoseur . . . . . . . . . . 15021.5. Osmoseurenpretraitementdechangedion . . . . . . . . . . . . . . . . . 15121.6. Capacitedesresinesdechangeursdions . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152ozone.chS`arl vii http://www.ozone.chTabledesgures1.1. Letraitementdeleau,unsujet`alafronti`eredeplusieursdisciplines . . . 31.2. Lesdomainesdutraitementdeleau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32.1. Lamoleculedeau. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.2. Classicationdesimpuretes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.3. Conductivitedeleauenfonctiondelaconcentrationdesolidesdissous(TDS).[12] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.4. Legazcarboniquedansleau. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.5. NomogrammedeLangelieretRyznard[12] . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.6. InterpretationdelindicedeRyznar[12] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203.1. LeCO2dansleau,sousdierentesformesenfonctiondupH. . . . . . . 234.1. Unltreindustrielpourdebitsdeplusieursdizainesdem3/h. . . . . . . 274.2. Interceptiondirecteoucriblage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294.3. Mouvementbrownien. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304.4. Adsorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304.5. Laformationdung ateaudeltration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314.6. Principedefonctionnementdunltre` apoche . . . . . . . . . . . . . . . 334.7. Changement dune poche. Ces poches peuvent se casser, causant desdegatsimportants. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334.8. Filtre`apoche.Carterenplastique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354.9. Filtreautonettoyant.Principedefonctionnement.Image:FiltersSrl . . 364.10. Filtreautonettoyant.Photo:FiltersSrl . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364.11. Montagedunltreautonettoyant.Photo:FiltersSrl . . . . . . . . . . . 374.12. Filtre` asable` apression.Photo:Osmonics . . . . . . . . . . . . . . . . . 374.13. Corpsdeltrespourltres` acartouche.Photo:Osmonics . . . . . . . . 394.14. Cartouche`albobine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404.15. Cuto,ounetteteduseuil deltration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414.16. Evolution de la perte de charge au cours de la vie dune cartouche ltrante 424.17. Vueaumicroscopedunemembranedunecartouchedemicroltrationabsolue.Photo:GEWater. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455.1. Lephenom`enenaturelosmose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 475.2. Unmodulespirale[9] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48viiiTabledesgures5.3. Fabricationdunmoduledosmoseinverse . . . . . . . . . . . . . . . . . 485.4. Membranedosmoseinverse:lemod`eleavecpores.Image:Osmonics . . 495.5. Membranedosmoseinverse:lemod`elesanspores . . . . . . . . . . . . . 495.6. Representationschematiquedunosmoseur . . . . . . . . . . . . . . . . . 505.7. Schemadunpetitosmoseurindustriel.Schema:Osmonics . . . . . . . . 545.8. Exempledunitedosmoseinversepourlaboratoire.Photo:Electrolux . 555.9. Schemadeprincipedelunitemontreesurlagure5.8 . . . . . . . . . . 555.10. Petitsmoseurindustriel,munidemembranes4.Photo:ROUltratech . 565.11. Exempledegrandosmoseurindustriel, muni demembranes8. Photo:GEWater . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 565.12. Exempledunitedultraltrationaupointdutilisation[20] . . . . . . . . 575.13. Schemaduneunitedultraltrationaupointdutilisation[20] . . . . . . 585.14. Machinedultraltrationpourlapotabilisationdeleau . . . . . . . . . . 586.1. Une machine pour nettoyer des membranes dosmose inverse ou de nano-ltration.Photo:ROUltratech . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 648.1. AbsorptiondurayonnementultravioletparleauetparlADN. . . . . . 668.2. Comparaison des spectres demission dune lampe basse pression et dunelampemoyennepression[13] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 678.3. Reduction du rayonnement emis au bout de 7 jours, en fonction de la durete 688.4. Dose de rayonnement U.V. necessaire pour reduire de 99.99% divers micro-organismes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 698.5. ExempledesterilisateurU.V.[23] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 749.1. Unepompe` ainjectionoupompedoseuse.Photo:ozone.ch. . . . . . . . 7710.1. Lozone:undesinfectantpluspuissantquelechlore[2] . . . . . . . . . . 7910.2. Lesprincipauxcomposantsdunsyst`emedozonisationdeleau. . . . . . 8010.3. GenerationdozonepardechargeCorona.Principe. . . . . . . . . . . . . 8110.4. Exempledesyst`emedegenerationdozone . . . . . . . . . . . . . . . . . 8210.5. principedefonctionnementdunecolonnedecontact . . . . . . . . . . . 8410.6. Contacteurmunicipal:principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8510.7. InjecteurVenturi:principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8510.8. Syst`eme Venturi-Reacteur-Cyclon : pilote de demonstration. Photo : GDTCorporation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8610.9. Ensembleinjecteurreacteurcyclon:principe . . . . . . . . . . . . . 8710.10.Solubilitedelozonedansleau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8910.11.Ecacitedeladissolutiondelozonedansleau . . . . . . . . . . . . . . 8910.12.Comparaison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9010.13.Concentrationdebacteriesenplusieurspointsdunechanedepotabili-sationdeleau[25] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9210.14.Exemple dinstallation de destructeur catalytique dozone. Photo : ozone.ch9310.15.Syst`eme MembrelTMde production dozone ` a partir de loxyg`ene de leau.Photo:Ozonia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94ozone.chS`arl ix http://www.ozone.chTabledesgures10.16.Detecteurdozoneportable[23] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9610.17.Detecteurdozonexedansarmoiredeprotection[23] . . . . . . . . . . . 9610.18.Analyseurdozonepourlairambiant.Photo:InUSACorporation. . . . 9810.19.Detecteurdozonedissous` acapteur` asemiconducteur.Photo:ozone.ch 10010.20.Principe de fonctionnement dunanalyseur dozone utilisant la loi deHenry.Dessin:InUSACorporation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10110.21.Analyseur dozone ` a mesure directe dans leau. Le capteur, `a travers lequelleaupasse,est` adroitesurlaphoto.Photo:InUSACorporation . . . . 10211.1. Syst`emecompactdozonisationdeleau[23] . . . . . . . . . . . . . . . . 10511.2. Syst`emedepotabilisationdeaudepluiepourmaisonisolee[23] . . . . . 10512.1. Unbiolm.Lebiolmestformedemicro-organismes,maisaussiparunreseaudepolym`eresextra-cellulaires[21] . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10712.2. Contr oledebiolms [21] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10912.3. Lacorrosionfavoriseeparlesbiolms.Principe [21]. . . . . . . . . . . . 11213.1. Syst`emeportabledeproductiondeauozonee[23] . . . . . . . . . . . . . 11413.2. Syst`eme pour refroidissement `a leau (Hydrocooling) de viande de poulet,aveceauozonee.Image:GDTCorporation[23] . . . . . . . . . . . . . . 11514.1. Schemadeprincipedundistillateur[9] . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11814.2. Principedelathermocompression[2] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12015.1. Schemadeprincipedunadoucisseur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12316.1. Antitartre electromagnetique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12817.1. Principedelelectrodeionisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12917.2. Principedelelectrodeionisation(2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13017.3. Exempledelecrodeionisateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13118.1. Schemadeprincipedundecarbonateur[8] . . . . . . . . . . . . . . . . . 13518.2. PrincipedefonctionnementduneinstallationdedegazageavecinjecteurVenturi[15] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13618.3. Ecacitedunsyst`emededegazage` aVenturi[15] . . . . . . . . . . . . 13718.4. Ecacite dun syst`eme de degazage ` a Venturi pour lelimination du radon[15] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13720.1. Petitconcentrateurdoxyg`ene.Photo:SeQualCorporation. . . . . . . . 14821.1. Co uts de production deau demineralisee en fonction de la mineralisationtotaledeleaubrute . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15121.2. Capaciteduneresineenfonctiondelaquantitederegenerantemploye . 152ozone.chS`arl x http://www.ozone.chListedestableaux2.1. Facteursdeconversionpourlesionslespluscourants . . . . . . . . . . . 112.2. Conversiondesdegresdedurete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134.1. Quelquesseuilsdeltrationusuels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285.1. Tauxderejetsdedierentssels,relativementauNaCl . . . . . . . . . . . 526.1. Debitsetvolumesdesolutiondenettoyagerecommandes . . . . . . . . . 638.1. DosesdinactivationD10pourquelquesmicro-organismescommuns . . . 708.2. DosesderayonnementUVpourlinactivationdebacteries . . . . . . . . 718.3. DosesderayonnementUVpourlinactivationdemoisissuresetspores. . 728.4. DosesderayonnementUVpourlinactivationdalguesetprotozoa. . . . 728.5. DosesderayonnementUVpourlinactivationdevirus . . . . . . . . . . 728.6. DosesderayonnementUVpourlinactivationdelevures . . . . . . . . . 7310.1. PotentielsRedoxdequelquesproduitsoxydantsutilisesdanslindustrie . 7910.2. Demi-viedelozone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8010.3. Lesmethodesdemesuredelozonedanslair. . . . . . . . . . . . . . . . 9813.1. Eetsdelozonesurlasantehumaine. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116xiListedestableauxozone.chS`arl xii http://www.ozone.chPremi`erepartie.Introductionetrappels11. Introduction1.1. Leau:aussi omnipresentequemeconnueLeau est omnipresente dans lindustrie. Il ny a pas de produit qui nest pas au moinsrinceavecdeleauaucoursdesaproduction, etleauestuncomposantessentiel delaproductiondebiendesproduitsalimentairesetchimiques,parexemple.Lesqualitesthermodynamiquesdeleauenfontunuidecaloporteurdechoix:elleauneenthalpiedevaporationtr`es eleveeetunechaleurspeciquetr`es elevee egalement.Pourtant, le praticien confronte ` a la conception du syst`eme de traitement de leau pourlindustrie devait jusqu` a present se tourner vers des ouvrages en anglais, par ailleurs sou-vent excellents, ou se resoudre `a utiliser des ouvrages en francais destines au traitementdeleaupotable.Cettesituationnetantpassatisfaisante,jaientreprislecrituredecetouvrage, sur la base du cours qui existe depuis 1997 aupr`es de la FSRM et des nouveauxcoursavancesdelaFSRMintroduitsen2002.Le traitement de leau est un domaine ` a la fronti`ere de plusieurs disciplines. La chimiejoue un r ole primordial, mais aussi la mecanique et, pour les installations dune certaineimportance, aussi legeniecivil. Laconceptiondunenouvelleinstallationrequiert enprincipelacollaborationdaumoinsunchimisteetuningenieurenmecanique.Lorsquonparledetraitementdeleau, onenglobeenfaituneseriededisciplinestr`es diverses. Il y a en eet peu en commun entre une installation de potabilisation deausouterraine,quiestessentiellementunouvragedegeniecivil,etunepetiteinstallationdeproductiondeauultrapurepourlamicroelectronique,qui,siellenenecessitepasdegenie civil, fait appele ` a des technologie de pointe, des methodes de mesures sophistiqueeetexigeunemaintenancetr`essoigneeparsesoperateurs.Le livre ne traite pas du sujet des eux usees. Le traitement des eaux usees industriellesfait appel en partie aux memes technologies que la purication de leau, mais aussi ` a denombreusesautrestechniques,commelesbioreacteurs.Lesaspectslegauxsontsouventdeterminants.Ilenresultequilestpratiquementimpossibledelestraiterdanslecadredunouvragetraitantdelapuricationdeleau.La grande majorite des utilisateurs deau dans lindustrie disposent deau potable. Lesujetdulivreseradoncessentiellementlapuricationdeleaupotablepourlarendreutilisabledanslesprocessusindustriels.Dansderarescas,lindustriedoitutiliserdeleaunonpotable,provenantdeforages,de la nappe phreatique ou de rivi`eres ou de lacs. Un chapitre sera consacre au traitementadditionnels necessaires si lon emploie de leau encore ` a potabiliser. Dans la plupart descas,cestraitementssontassezsimples.21.1. LEAU:AUSSIOMNIPRESENTEQUEMECONNUEFigure1.1.:Letraitementdeleau,unsujet` alafronti`eredeplusieursdisciplinesFigure1.2.:LesdomainesdutraitementdeleauCommelecours, celivreestorganiseselonleslignesdirectricessuivantes: lesdeuxpremi`erespartiessontconsacreesauxconnaissancesdebasesnecessaires: lapartie1estuneintroduction` alachimiedeleau.Ilesteneetindispensabledecomprendreleproduits que nous allons traiter. Ensuite, une 2epartie, tr`es importante par le volume deses pages, est consacree aux technologies qui sont ` a notre disposition pour le traitementozone.chS`arl 3 http://www.ozone.chCHAPITRE1. INTRODUCTIONdeleau. Enn, dansla3epartiedelouvrage, nousmettronsenpratiquelesconnais-sances acquises pour la conception de nouvelles installation et lanalyse et loptimisationdinstallations existantes. Comme bien des branches industrielles, la purication de leauutilisedestechnologiesparfoisfortanciennes. Certaines, commelozone, onconnuundeveloppementrapideavantderetomberdansloubli, pourfaireensuiteunretourenforce` aune epoquetr`esrecente.Dautres,commelosmose,sontrecentes, etaientduneutilisationassezcomplexemaissesesontaujourdhuipopularisees.La3epartie de louvrages est consacree ` alaconceptionde nouvelles installationsetloptimisationdinstallationsexistantes. Cessujetssonttraitesdupointdevuedelutilisateurdinstallation.1.2. Rappel historiqueLasedimentationdatedelantiquiteclassique:desdocumentsengrecdecriventdestechniquesemployeesdanslEgyptePtolemaquedej` aau2esi`ecleavantnotreere. Laltrationpartamisageavecuntextileestencoreplusancienne: elleetaitconnueenGr`ece au5esi`ecle avant notreere. Leltre`asable, qui est utilise aujourdhui danstoutes les piscines et dans biendes applications industrielles est dorigineincertaine,mais il semble quil etait dej` a connu dans lEgypte Ptolemaque. En Europe, il est utilised`es le 17esi`ecle. Les ltres-presse sont unproduit de larevolutionindustrielle : lespremiersbrevetsdatentdelan1800.Les technologies de desinfection de leau sont toutes beaucoup plus recentes. En eet,il fautattendrelesdeveloppementdelabiologieetlapparitiondelanotiondemicro-organismedanslesannees1860pourquelanecessitededesinfecterleauapparaisse.Pasteurauraitditquenousbuvonspresquetoutesnosmaladies. Lechloreetlozonesontlespremi`eresmethodesdedesinfectionsutilisees, ` alandu19eet` alaubedu20esi`ecle. Les premiers brevets pour lasterilisationUVdatent aussi dudebut du20esi`ecles. Malheureusement, lEuropeen1918disposedenombreusesgrandesusinesde chlore, alors que la n de la guerre cause un eondrement de la demande pour ce gaz.Le chlore est desormais bon marche, et il devient le desinfectant de choix pour leau : lasterilisationparrayonnementUVetlozonisationresterontconnee` adesapplicationsdenichejusquauxannees1960.Les techniques de demineralisation par echanges dions sont plus recentes. Le premieradoucisseur est mis en service en 1905. La premi`ere demineralisation totale date de 1937,enAngleterre:lapplicationestlaproductiondelabi`ere.Lacartoucheltrantejetableest aussi unproduit des annees 1930 .A lepoque, le grand fabriquant de cartouches je-table est la societe Sartorius, de Gottingen, en Allemagne, qui existe encore aujourdhui.AlandelaguerreplusieursingenieursdeSartoriusserontamenesauxUSAo` uilstravaillerontpourledepartementdeladefense,avantdeparticiper` alafondationdelasocieteMillipore,quiestaujourdhuilundesgeantsmondiauxdelacartoucheltranteindustrielle.Losmoseinverseaundeveloppementtr`eslent. Bienquelephenom`enedelosmosesoit connu depuis la 2`eme moitie du 19esi`ecle, il faut attendre les annees 1950 pour queozone.chS`arl 4 http://www.ozone.ch1.3. TENDANCESACTUELLESdes installations dosmose inverse soient realisee `a lechelle du laboratoire. Les premi`eresinstallations industrielles datent des annees 1960, et il faut attendre les annees 1980 pourlatechnologiesegeneralise,dabordauxUSApuisenEurope.1.3. TendancesactuellesLes annees 1990ont vuunebaissedeprixdes installations ` amembrane(Osmoseinverse)etdessyst`emesdozonisationdeleau,cequifaitquecestechnologiessontdeplusenplusfrequemmentutilisees. Cetteperiodeaaussi vudesfournisseursproposerdes equipements standard, sur catalogue, ` a des prix tr`es competitifs aussi pour des debitstr`esimportants1.La2emoitiedesannees1990aaussivulapparitiondemembranesdosmoseinverse` apressionplusfaible,quiontreduitleco utdexploitationdesosmoseursde20`a30%,favorisantainsiencoreunefoiscettetechnologie.Les technologies membranaires se sont imposees contre la demineralisation par echangedions. Undomaineoulechangedionssemaintientactuellementestladoucissementde leau. Il existe une technologie membranaire, lananoltration, qui constitue unealternativepotentielle`aladoucisseur. Latechnologiepeine` asimposerauniveaudesinstallations domestiques2, mais elle sest fortement implantee dans lindustrie agro-alimentaire3.Labaissedesprixdesmembranesdosmoseinversesexpliqueprincipalementpar:LaugmentationduvolumedeproductionLefaitquelongtempslesmembranesenpolyamides etaientlapanagedelasocieteFilmtec4surlabasedunbrevetqui aetedeclarepublicen19935: depuis1994dej`a,laconcurrenceestsev`eredansledomainedesmembranes.Enpratiqueilestdevenuessentieldenegocierlesprixlorsdachatsdemembranes.1. A titre dexemple, un fabricant americain, egalement represente en Europe, propose sur cataloguedes osmoseurs standard, construits en serie, pour des debits allant jusqu`a plus de 70 m3/h2. La societe allemande qui avait lance le premier appareil domestique de nanoltration a cesse saproductionen1998.Anotreconnaissanceaucunesocietenaencorereprisleambeau,maiscelanesaurait tarder3. De nombreuses usine de Coca-Cola sont munies de syst`emes de nanoltration pour adoucir leau,et permettre `a tous les habitant de la plan`ete de boire une boisson qui a le meme go ut4. Filiale de Dow Chemical5. La motif de la suspension de la protection accordee `a Filmtec par son brevet etait le fait que lesmembranesenpolyamideavaient etesdeveloppeespendantunprojetnanceparlarmeeUS,etauxUSA une invention resultant dun developpement nance par largent public ne peut etre protegee parun brevetozone.chS`arl 5 http://www.ozone.ch2. Introduction`alachimiedeleau2.1. Quest-cequeleau ?Il est usuel de croire que leau est H2O. Une description un peu plus precise de ce liquidepourraitetre: leau, cestH2Oplusuneseriedimpuretes. Lepraticiendutraitementdeleaudoitconnatrecesimpuretes,leursconsequencessurlesproprietesdeleau,etaussilesunitesdemesuresemployeespourexprimercesimpuretesandecomprendrelesanalysesdeau.Cetouvragesadressant` adespraticiensdelindustrie,nousnetraiteronspasicidesmethodesdanalysedeleau, maisbiendelinterpretationdesresultatsdanalysesquenouspourronsobtenirdelaboratoires. Lespolluantsdeleauayantdesconsequencesdirectessurlescaracteristiquesdeleau,lonutilisepourleaudenombreusesmesures.Nousnedecrironspasicilesmethodesdanalysedeleau,quifontlobjetdenombreuxautres ouvrages, mais il est important pour pouvoir concevoir des syst`emes de traitementdeleauetlesutiliserdemani`ereoptimaledebiencomprendrelesanalysesdeau,etlasignicationsdegrandeurstellesquelepH,lepotentieldoxydo-reduction,etc.Leauestunuidequiadescaracteristiquestout`afaitremarquables:Sadensiteestplusfaible` aletatsolidequ` aletatliquideLatensiondesurfaceesttr`es eleveeOn lappelle parfois le solvant universel, car elle dissout plus de substances que toutautreuideconnu.Sachaleurdevaporisation elevee,cequienfaitunuidecaloporteurdechoixCescaracteristiquessontdues`alamoleculedeau(voirgure2.1).La molecule deau est une molecule molecule polarisee. Ces molecules tendent `a resterensemble`aletatliquideplusquedautresuides,cequiexpliquelachaleurdevapori-sationelevee.Elletendaussi` aseparerlesions:ilenresultequeleauestunexcellentsolvant.Levolumedeleauaugmentelorsquellepassedeletatliquide` aletatsolide:elleestlunedes3seulessubstancesconnuesdanslanaturedanscecas.2.2. LesclassesdepolluantsLeau, departsanaturedesolvantuniversel, nexistepratiquementpassousformedeH2Opure. Lontrouvelitteralement detout dans leau. Andepouvoir analyserles traitements de purication envisageables, il est indispensable dans un premier temps62.2. LESCLASSESDEPOLLUANTSFigure2.1.:Lamoleculedeaudeclassierlesimpuretes.Ilyaplusieursmani`eresdeclassierlesimpuretes.Linteretduneclassicationestevidemmentconditionneparlutilitedecelle-ci pourdenirlestraitementsdepuricationapplicablespour eliminercesimpuretes.Figure2.2.:ClassicationdesimpuretesLesprincipalesclassesdepolluantssont:ozone.chS`arl 7 http://www.ozone.chCHAPITRE2. INTRODUCTION`ALACHIMIEDELEAULes elements solubles : on pourra les eliminer par osmose inverse ou echange dions1Lesmicro-organismes:onpourralesdetruirepardesmethodesdedesinfectionLescomposesinsolubles:ilfaudraprecipiteroultrerLes composants organiques : ils constituent une nourriture pour deventuelles bacteries,il faudra donc les eliminer, en general par oxydation ou par absorption sur charbonactif2.3. UneclassicationalternativeUne autre mani`ere de classier est de parler de polluants primaires ou secondaires, enfonctiondeleurconcentrationhabituelledansleau.2.3.1. PolluantsprimairesLespolluantsprimaires, dontlaconcentrationdansleaudepassesouventles5ppmsont:BicarbonateHCO3CalciumCa++ChlorureClMagnesiumMg++SiliceSiO2SodiumNa+SulfateSO242.3.2. PolluantssecondairesOndenitcommepolluantssecondaires ceuxdontlaconcentrationdepassesouvent0.1ppm:AmmoniacNH3BoreB+3FluorFFerFe++NitrateNO3PotassiumK+StrontiumSr++2.3.3. PolluantstertiairesLespolluantstertiairessontceuxdontlaconcentrationdepassesouvent0.01ppm:Aluminium1. A noter que losmose inverse mais pas lechange dions eliminera aussi des composants solublesnon ionises, comme par exemple le sucre et dautres substances organiques en solutionozone.chS`arl 8 http://www.ozone.ch2.3. UNECLASSIFICATIONALTERNATIVEArsenicBaryumBromideCuivrePlombLithiumMangan`esePhosphateZinc2.3.4. LestracesLestracessontcespolluantsdontlaconcentrationestgeneralementinferieure` a0.01ppm:AntimoineCadmiumChromeCobaltMercureNickelEtainSnTitaneTi2.3.5. ComposantsnonpermanentsLaconcentrationdenombreuxcomposantsdeleauestsoumise` adeschangementsd usaucontactaveclair, aveclesmateriauxderecipientsetconduites, ou` alactivitebiologique.Ilsagitenparticulierde:AciditeetalcaliniteProduitsdecyclesbiologiques Il sagit en particulier des produits des cycles suivants :Cycleducarbone: CH4, CO, CO2,carboneorganiqueCycledeloxyg`ene: O2, CO2Cycledelazote: azoteorganique,NH3, NO2 , NO3Reactionsredox: Enresultent2classesdeproduits:Oxydants ,parmilesquelsilfautdistinguerNaturels: O2, SResidusdetraitement: Cl2, CrO24Reducteurs: Naturels: organiques,Fe+2Residusdetraitement: organiques,Fe+2, SO2, SO23Radionucleides: essentiellementleRadon,quiestunprobl`emereelpourlasantehu-maineparexempledanscertainesregionsdelarcjurassien, maisposerarementdesprobl`emespourlesapplicationsindustriellesdeleau.ozone.chS`arl 9 http://www.ozone.chCHAPITRE2. INTRODUCTION`ALACHIMIEDELEAU2.4. LesunitesdemesureLeauestunproduitcomplexe.ilnestdoncpas etonnantquelonutiliseunnombreimportantdunitesdemesurepourdecriresescaracteristiques.Lesunitesdemesuregeneralementutiliseessont:Mesuredeconcentrations: ppm,mg/l,grainspH: exprimesansdimensionPotentiel redox: exprimeenmVDurete: exprimeegeneralementendegresSyajoutentdierentsindices,telsque:IndicedeLangelier: claculeparuneformuleempirique.Ilindiquesilonvaavoirdesprecipitationsousileauseracorrosive.Sicetindiceestnegatif,ilyatendance` alacorrosion.Siilestpositif,ilyatendance`alaformationdetartre.Turbidite: NephtelometricturbidityunitsouNTU.SDI: Indicespecialise,souventspecieparlesfabricantsdosmoseurs.PenetrationdesUVc: unautreindicespecialise,generalementexprimeen%surunelamedeaude1cm.2.4.1. UnitesdemesuredessubstancesdissoutesPourexprimerlaconcentrationdunesubstancedissoutedansleau,plusieursunitessontutilisees.Lunitedeconcentrationlapluscouranteestlemg/l,souventexprimeeparppm(partieparmillion). Lesindicationsenppmpeuventinduireenerreur: enprincipe,entraitementdeleau,lonparledeppmmassique,quicorrespondentdonc` adesmg/kg, soitmg/l pourleau. Il fautfaireattentionaufaitquelemondedelenvi-ronnementexprimegeneralementlesconcentrationsdespolluantsgazeuxenppm,maisilsagitcettefoisdeppmvolumiques(ppmv).Quandcesdeuxmondesserencontrent,comme cela est les cas par exemple dans les applications de lavage de fumees ou lozoni-sation de leau, les erreurs dues ` a linterpretation du terme ppm sont helas frequentes.LeGrainestuneunitefrequentedanslalitteratureanglo-saxonne:1grain = 1/7000lb1grain/galUS = 17.1mg/lLes concentrations depolluants sont engeneral indiquees commeion. Parfois, lonrencontre le terme Comme CaCO3utilise dans lalitterature anglo-saxonne, cetteunitequi comptabiliseleschargeselectriquesestpratiquepourlescalculsdequilibreelectriqueetdechangedions,maisestlasourcedinnombrableserreurs.Linteret de lunite ppm comme CaCO3 est que la somme des concentrations des anionsdoitetreegale` alasommedesconcentrationsdescations` apHneutre.Cetteuniteestutile aussi le calcul de syst`emes dechange dions : lon peut additionner les concentrationsozone.chS`arl 10 http://www.ozone.ch2.4. LESUNITESDEMESUREdesdierentsionsetainsi obtenirletotal decequeuneresineechangeusedionsdoitenlever de leau. Hormis ces deux cas il vaut mieux ne pas utiliser les ppm comme CaCO3.Pourobtenirlefacteurdeconversionpourpasserdelaconcentrationcommeion` alaconcentrationcommeCaCO3,ilfautdiviserlamassemolaireducarbonatedecalciumparlamasseequivalente,quiestlamassemolairediviseeparlavalence.Cetteuniteestpratiquepourexprimerladurete, cestplusfacileensuitepourcalculerlacapacitedeladoucisseur.Les chimistes utilisent aussi les unites mMol/l et mVal/l, qui expriment la quantite demolecules - respectivement la quantite de charges electriques - contenues dans leau. UneMoledunesubstancealamememasseengrammesquesamassemoleculairerelative.UnV alestainsiuneMolediviseparlenombredecharges electriques.Ion mMol/l mVal/l CommeCaCO3Ca++40 20 2.50Na+23.5 23.5 23.5Mg++24.3 12.2 4.12Cl35.5 35.5 1.41SO2496 48 1.04HCO361 61 0.82Table2.1.:Facteursdeconversionpourlesionslespluscourants2.4.2. UnitesdemesuredessolidesensuspensionLes solides en suspension dans leau posent une serie de probl`emes importants `a luti-lisateurdeaudanslindustrie. Si leausert`alaproductiondunproduit, laqualitedecelui-cipeut etreaecteeparlesparticulesensuspension.Dautrepardes elementsdusyst`eme de purifcation deau lui-meme doivent generalement etre proteges des solides ensuspension:cestlecasdespompesetdesmembranesdesosmoseurs,parexemple.Pourreduirelaquantitedesolidesensuspensionlonpeututiliserlaltration2etlaclarication.Enpuricationdeleau,onutilisedeuxmesuresdierentesdelaquantitedesolidesensuspensiondansleau`atraiter:leSDISiltDensityIndex,etlaturbidite.SDILeSDI (Silt DensityIndex) est unindicedecolmatage. Il est important pour lesapplicationsde ltrationtangentielle. Il estdeni commeetantlareductionmoyennesur15minutes, en%parminutedudebit`atraversunltre0.45m` aunepression2. Voir page 27ozone.chS`arl 11 http://www.ozone.chCHAPITRE2. INTRODUCTION`ALACHIMIEDELEAUconstante de 2.1 bar. il sagit dun param`etre americain (ASTM Standard), cette origineestdueaufaitquelesproducteursdemembranesdosmoseinversesontpresquetousamericains oujaponais. Sil est impossibledelobtenir, laturbiditepeutetreutilise,mais cest un param`etre moins able pour predire le risque dentartrage des membranes.Encas de litige avec le fournisseur de membranes, celapeut etre unprobl`eme. Unlaboratoiredanalysedevrait etrecapabledemesurerleSDI,maiscenestpastoujoursle cas. Par contre, lon trouve dans le commerce des kits pour la mesure du SDI. Le SDIdoitimperativement etremesuresurplace.LesvaleursduSDIpeuvent etresinterpreteescommesuit:Inferieur` a3:pas` apeudentartragedelamembraneEntre3et5:conditionsnormalesdutilisationSuperieur` a5:entartrageexcessif`aprevoirEnpratique, il fautconsulterlefournisseurdesmembraneslorsdelinstallationdelosmoseuretluidemanderquelleestlavaleurlimiteacceptableduSDIpoursesmem-branes.TurbiditeEnpratique, onpeut sattendre` aunentartrageexcessif des membranes dosmoseinversesi laturbiditeestsuperieure`a1NTU. Etleaunestconsidereepotablequesilaturbiditeestinferieure` a1NTU.ComptagedeparticulesLecomptagedesparticulesestcheretrarementnecessaire. Il estutiliseseulementapr`esuneltration,pouranalyseroucomprendreunphenom`eneinexplique.2.4.3. DureteLadureteestdeniecommelasommedesconcentrationsdesionsCalciumCa++etMagnesiumMg++ilfaut etreattentifaufaitqueladureteestgeneralementindiqueeendegres,etquilyaplusieursdegresdeduretedierents:1Fran cais: 10mg/lcommeCaCO31Allemand: 10mg/lcommeCaCO1Anglais: 1mgpargallonanglaiscommeCaCO31US: 1mg/lcommeCaCO3Pour une fois, nos amis americains sont les plus logiques dans la denition des unites.Letableau2.4.3donnelesfacteursdeconversionentrecesdierentesunites.ozone.chS`arl 12 http://www.ozone.ch2.5. PH,ACIDESETBASESFrance UK Allemagne USA1.43 1 0.8 14.31 0.7 0.56 10.01.79 1.25 1 17.90.1 10.07 0.056 1Table2.2.:Conversiondesdegresdedurete2.5. pH,acidesetbasesEquilibrechimiquedeleauH2O

H++ OH(2.1)Enfait:2H2O

H3O + OH(2.2)Ke = [H3O+] [OH] (2.3)O` uKeestlaconstantededissociationdeleauKe = 1014mol/l`a25CNomenclatureH+:ionhydrog`eneOH:ionhydroxydeH3O+:ionhydroniumH+: il sagit dun radical, il est peu probable quil existe. En fait, ce que lon trouveraitdansleauseraitplut otlionH3O+, maisenpratique, onutilisetoujoursH+danslescalculs.Keaete nomme ainsi pour honorer Mr. Kohrlausch, qui lamesura. Kevarie enfonctiondelatemperature.Denitions:UnacideestundonneurdionsH+UnebaseestunaccepteurdionsH+Unacidefort estcompl`etementdissociedansleauUnacidefaibleestpartiellementdissociedansleauozone.chS`arl 13 http://www.ozone.chCHAPITRE2. INTRODUCTION`ALACHIMIEDELEAUDe mani`ere analogue, une bases partiellement dissociee sera dite faible, une compl`etementdissocieeforte.AcidesetbasesfaiblesExemplesdacides:Acidesforts: HCl,HBrAcidesfaibles: AcidecarboniqueH2CO3,SulfuriqueH2SO4(K2= 0, 012)Lacide sulfurique est un acide fort quand `a son premier hydrog`ene. Cest le seul acidepolyprotiquefort.2.6. Oxydo-reductionUn oxydant est une substance qui peut accepter des electrons. Les oxydant reagissentavec les reducteurs. Pour toute oxydation, il y a une reduction. Onparle donc dereactionsdoxydo-reduction. Ondistinguelespotentielsnormauxdechaquesubstanceetlepotentielredoxdunesolution.Potentielsnormaux: mesures avec une concentration de 1 mol/kg deau, avec electrodedumememetal,parrapport`aungaz` aunbaretune electrodedeplatinePotentiel dunesolution: potentiel dune electrode de platine dans lasolutionparrapport`aune electrodestandard2.7. ConductivitedeleauLeau theorique, sans aucune impurete, a une conductivite faible. Sa resistivite est de18.3M cm. Laconductivitedeleauestenvironproportionnelle` alaconcentrationtotaledesolidesdissous.2.8. DissolutionetprecipitationLes dierents sels mineraux se dissolvent dans leau. Il sagit dune reaction en equilibre,commeparexemple:NaCl

Na++ Cl(2.4)CaSO4

Ca+++ SO4(2.5)Na2SO4

2Na++ SO4(2.6)CaCl2

Ca+++ 2Cl (2.7)ozone.chS`arl 14 http://www.ozone.ch2.9. LEQUILIBRECALCO-CARBONIQUEDELEAUFigure2.3.:Conductivitedeleauenfonctiondelaconcentrationdesolidesdissous(TDS).[12]Silonconcentreunesolutionsaturee,loncausedoncuneprecipitation.2.9. Lequilibrecalco-carboniquedeleauUncasdereaction`alequilibreparticuli`erementimportantenpuricationdeleauest celui de de la precipitation de calcaire, CaCO3. La dissolution ou la precipitation ducalcairedansleauestregieparuneseriedereactions`alequilibrequiimpliquentaussilegazcarbonique.Cestpourquoilonparledelequilibrecalco-carboniquedeleau.Legazcarboniqueestenpartiesousformeioniquedansleau:CO2 + H2O

H2CO3

H++ HCO3(2.8)etHCO3

H++ CO3(2.9)Lecarbonatedecalciumestsousformedeions:CaCO3

Ca+++ CO3(2.10)ozone.chS`arl 15 http://www.ozone.chCHAPITRE2. INTRODUCTION`ALACHIMIEDELEAUFigure2.4.:LegazcarboniquedansleauDanslesconditionshabituelles, leCO3reagitpresqueenti`erementpourformerduHCO3 , cequi expliquequelontrouvedesquantitesconsiderablesdecalcairedissousdasnleausousformedeCa(HCO3)2.Siloncombinelesreactionsinversesona:Ca+++ 2HCO3

CO2 + H2O + CaCO3 (2.11)LeCa(HCO3)2precipiteetentartreconduites,chaudi`eres,etc.Plusieursparam`etresinuencentlesequilibresdesequationsci-dessus. Il enresultequil nest pastrivial dedeterminer si uneeauest agressive, ouaucontrairecauseradesdep ots.Ilnefautenaucuncasaccepterlesarmationssimplistesquelonentendtropsouvent - malheureusement parfois aussi prononcees par des professionnels - dutype leauadoucieestcorrosive, ouleaudurecausedesdepotsdetartre. Meme une eauadouciepeutcauserdesprecipitationssi onlaconcentre, ousi onchangelepHoulatemperature.Dememe,uneeauduremaisacidepeut etrecorrosive.Lagressivitedeleau, ouaucontraire, satendance`aformerdesdepotsdetartre, serafonctiondesparam`etressuivants:LatemperatureLalcaliniteLepHLadureteLaconcentrationtotaledesolidesdissousozone.chS`arl 16 http://www.ozone.ch2.9. LEQUILIBRECALCO-CARBONIQUEDELEAUPlusieursmod`elespermettantdededuirelagressivitedeleauonteteselabores, etpeuvent etres utilises sous forme de graphiques (nomogrammes)[8] ou de programmes decalcul[20]. Ces dierents mod`eles donnent parfois des resultats dierents. Les graphiquesdes 2 pages suivantes sont extraits de [12] : lavantage de ce nomogramme et du graphiqueannexeestqueil permetenuncalcul deproceder`alevaluationducaract`erecorrosifounondeleauselon2mod`elesdecalcul (RyznaretLangelier). Lenomogrammeestdautrepartrelativementsimple` autiliser.ozone.chS`arl 17 http://www.ozone.chCHAPITRE2. INTRODUCTION`ALACHIMIEDELEAUFigure2.5.:NomogrammedeLangelieretRyznard[12]Modedemploi dunomogrammedeLangelieretRyznard1. TracerladroitedeTs` aCaetmarquerlepointo` uellecroiseladroiteT-12. TracerladroitedeAlk(alcalinite)`at(temperature)etmarquerlepointo` uellecroiseladroiteT-23. TracerunedroitedetransfertT-1` aT-2entrelesdeuxpointsmarques4. LirelavaleursurlechellepHsettirerunedroitedepuiscettevaleur`alechellepHa.Lirelesvaleurssurles echellesLetR5. Interpretationdesdeuxindices:siLestpositif,formationdetartre.R:tartresiinferieur` a6.5,corrosionsisuperieur` a6.5Cesindicespeuventaussi etrescalcules.ozone.chS`arl 18 http://www.ozone.ch2.9. LEQUILIBRECALCO-CARBONIQUEDELEAUCalcul desindicesdeLangelieretdeRyznarLindicedeLangelierLSIestdenicommesuit:LSI= pH pHs(2.12)Avec:pH:pHmesurepHs:pH` asaturationpHspeut etreestimepar:pHs= (9.3 +A +B) (C +D) (2.13)Avec:A =log10(TDS) 110(2.14)B= 13.12 log10(T+ 273) + 34.55 (2.15)C= log10(Durete) 0.4 (2.16)D = log10(Alcalinite) (2.17)LindicedeRyznarestdenipar:RSI= 2 pHs pH (2.18)ozone.chS`arl 19 http://www.ozone.chCHAPITRE2. INTRODUCTION`ALACHIMIEDELEAUFigure2.6.:InterpretationdelindicedeRyznar[12]ozone.chS`arl 20 http://www.ozone.ch3. Lespolluantsdansleau3.1. IntroductionNous passons ici en revue les polluants principaux, et les probl`emes quils posent danslessyst`emesdepuricationdeauindustriels.3.2. CalciumCa++Lecalciumestlecomposantprincipaldeladurete.Ilestleresultatdeladissolutionde roches calcaires par leau. Il cause des precipitations, et lon peut leliminer en adou-cissant leau. On en trouve generalement 2 ` a 200 ppm dans leau, plus souvent 100 ppmouplus.LecalcaireestleCaCO3.Enfait,ilestrarequecesoitunseulcomposantquiprecipite.3.3. MagnesiumMg++Ontrouvetypiquement10`a50ppmdemagnesiumdansleau,maisilposemoinsdeprobl`emesquelecalciumcarilestplussoluble.Ilrepresenteengeneralenviron1/3deladuretedeleau.3.4. BicarbonateHCO3Le bicarbonate HCO3est le resultat de la dissolution dans leau du CO2produit pardesbacteries3.5. FerFe++,Fe+++Le fer est present sous forme ionique dans toutes les eaux souterraines, donc pratique-menttoutesleseauxpotables.Ilcauselentartragedemembranesdosmoseinverse,etestdoncgeneralement`a eliminerdanslessyst`emesdepuricationdeauindustriels21CHAPITRE3. LESPOLLUANTSDANSLEAUMethodesdeliminationOxydationavantunltre`asable: avecdelozoneouduchlore1Filtrationparmedialtrant: des ltres contenant dusablevert, ouduBIRMper-mettentdenleverleferdeleau,quisaccumuledansleltresousformedoxyde.Cesproduitscatalyselareactiondoxydationdufer. EnprincipeilsnecessitentuneaerationdeleauavantleltreetnefonctionnentquedansuneplageprecisedepH.3.6. SiliceSiO2Ondistinguelasiliceneutre,lasilicecollodaleetlasiliceactivee.Lasiliceestneutre`apHneutre.ApH eleve,elleestenpartieactivee:SiO2 + H2O H++ H3SiO4(3.1)On parle de silice collodalequand la silice se combine avec des molecules organiques.On a souvent de la silice collodale dans leau qui a pour origine le squelette dalgues. Lasiliceposeunprobl`emeauniveaudeschaudi`eresetdesturbines.Lameilleuremethodepourleliminerestlosmoseinverse, qui permetdeneliminerplusdu99%lelasiliceactivee et de la silice collodale. Lechange dion nenl`eve pas la silice collodale. La silicenetantqueenpartiesousfomrionique, onnepeutpasdetecteurunchangementdelaconcentrationdesilicedansleausurlabasedelaconductivite: memeuneeau`aconductivitetr`esfaiblepeutconteniruneconcentrationsignicativedesilice.3.7. GazcarboniqueCO2Le CO2peut etre dans leausous forme de ionousous forme libre. Lapart desdierentes formes de CO2 depend du pH de leau. Le CO2 libre peut poser des probl`emesdansunsyst`emedetraitementdeleau: enparticulier, commeil nestpasarreteparlosmoseinverseil peutepuiserrapidementlaresinedunechangeurdionsqui seraitplaceenaval dunosmoseur. Etil peutaecterlaconductivitedeleau. Lameilleurefacondeleliminerestdeproceder` aundegazage`abaspH.Si lachanedetraitementdeleauinclutunosmoseuronpeut, dansleslimitesdelasolubiliteducalcaire2, convertirleCO2enbicarbonateeninjectantdelasoudeenamontdelosmoseur. Lebicarbonateetantunion, il netraversepaslamembranedelosmoseur.1. Voir page 762. En pratique cette solution nest envisageable que si losmoseur est precede dun adoucisseurozone.chS`arl 22 http://www.ozone.ch3.8. CHLOREFigure3.1.:LeCO2dansleau,sousdierentesformesenfonctiondupH3.8. ChloreSousformeCl(ionchloride)lechlorenestpasdangereux3.Lalimitehabituellede250mg/lestjustieepardesraisonsdego ut.Ilneposepasnonplusdeprobl`emesauxinstallationsouconduites.Lionchlorideestarr`eteparlesosmoseursetlesechangeursdions. Lamoleculedechlore,Cl2,passe` atraverslesmembranesdesosmoseursetles echangeursdions.3.9. TrihalomethanesHCCl3HCCl2BrHCClBr2HCBr3Lestrihalomethanesresultentdelareactiondedebrisorganiquesaveclechloreoulebrome.ilscausentdescancers.Ilnyapasdemethodeecacesdeleseliminer.Ilfautdonc eliminerlesprecurseurs,donc eviterdutiliserlechlore.3.10. Quefaut-il analyser ?Lorsque lon demande une analyse de leau au distributeur deau potable, lon obtienttropsouventuneanalysebacteriologiqueainsi quedesmesuresdecertainsparam`etrestelslepHetlasalinitetotale,maispasuneanalysechimiquecomposeparcompose.Lebut des ces analyses en bien s ur de determiner si une eau est potable. Notre objectif estpar contre de determiner quel traitement deau employer pour nos procedes : il est donc3. Il na pas non plus deet desinfectantozone.chS`arl 23 http://www.ozone.chCHAPITRE3. LESPOLLUANTSDANSLEAUnormal que les besoins en termes danalyse de leau seront dierents. Que faut-il analyser,danslecadredelaconceptionouduneoptimisationdunsyst`emedepuricationdeleauindustriel ?Lareponsedependenpartiedutypedequipementquelonprevoitdinstaller,maisenpratique,ilestutiledeconnatre:Cations:Lescomposantsdeladurete:CalciumCa++MagnesiumMg++SodiumNa+PotassiumK+Anions:Lescomposantsdelalcalinite4:BicarbonateHCO3CarbonateCO3IonHydroxyleOHSulfateSO4ChlorideClFluorideFNitrateNO3Autresparam`etres:TemperaturepHSalinitetotale(TDS)CoecientdepenetrationauxUVc5SDI6Enoutre,lesionssuivantspeuventavoirunimpactsignicatif,surtoutsurlesinstalla-tions`amembrane(lesosmoseursparexemple):Cations:FerFe++ouFe+++Mangan`eseMn++AluminiumAl+3BaryumBa++StrontiumSr++CuivreCu++ZincZn++Anions:SiliceSiO2SuldeS2PhosphatePO244. Lesconcentrationsdecescomposantssontliees: si lonconnatlepHlalaconcentrationdebicarbonates, lon peut calculer la concentration de carbonate et dion hydroxyle5. Si lon songe `a installer un sterilisateur U.V.6. Si lon songe `a installer un osmoseurozone.chS`arl 24 http://www.ozone.ch3.10. QUEFAUT-ILANALYSER?Pourpouvoirconcevoirlachanedetraitementetdimensionnerapproximativementunsyst`eme typique de purication de leau industriel il faut imperativement avoir au moinslesinformationssuivantessurlaqualitedeleaudisponible:DuretetotaleConcentrationdebicarbonatepHSalinitetotaleTemperatureConcentrationdescompoespouvantposerprobl`emesdansleproduitniEnpratique, ces donnees sont susantes pour concevoir et dimensionner unpetitsyst`emedetraitementdeleau.Lesincertitudesserontpallieesparunsurdimensionne-ment eventueldusyst`eme.Pourdessyst`emesdedimensionsimportantes7lespotentielsdeconomiejustientlargementleco utdeventuellesanalysessupplementaires.7. Pour des investissements superieurs `a environ CHF 5000.00ozone.chS`arl 25 http://www.ozone.chDeuxi`emepartie.Lestechnologiesdelapuricationdeleau264. FiltrationetmicroltrationFigure4.1.:Unltreindustrielpourdebitsdeplusieursdizainesdem3/h4.1. QuelquesdenitionsPar ltration onentendenprincipe une methode pour eliminer des impuretes deleauenlafaisantpasser` atraversunmedialtrant.Aujourdhui,laltrationregroupeungrandnombredetechnologies,dontlestechnologiesdeltrationsmembranairesquipermettent meme de demineraliser leau. Mais il faut prendre garde aux confusions : sou-vent, lonparleenlangagecourantdeltrationparticulaireenlappelantltration. Laltrationparticulaireregroupelensembledesmethodesdeltrationpermettantdenle-ver de leau les particules dune taille superieure ` a environ unm, alors que la ltrationinclutlensembledesmethodesdetraitementdeleauo` ulonfaitpasserleau`atraversun media ltrant, donc aussi par exemple losmose inverse, qui est une methode physiquededemineralisationdeleau.27CHAPITRE4. FILTRATIONETMICROFILTRATIONMateriel`aproteger SeuilsdeltrationusuelsConduites, echangeursdechaleur Typiquement50` a90 mPompe QuelquesdizainesdemAdoucisseur, echangeurdions 5`a25mMembranedosmoseinverse 5mMembranedultraltration 5`a25mTable4.1.:Quelquesseuilsdeltrationusuels4.2. FiltrationparticulaireLaltrationparticulaire et lamicroltrationutilisent des materiels semblables etobeissent `a des r`egles semblables. On distingue de mani`ere un peu articielle la ltrationparticulaire, qui concerne les seuils de ltration de 1 m ou plus, et la microltrationquiconcerne les seuils de ltration inferieurs au micron. un justication de cette distinctionestladierencedeprixdescartouches:unecartouchedemicroltrationco uteenviron10foispluscherquunecartouchedeltrationparticulaire.4.2.1. Pourquoi ltrer ?Generalement, toutsyst`emedepuricationdeleaudanslindustriecomprendunepremi`ere etape de ltrationparticulaire. Pourquoi ? Meme lorsquil nyapas dexi-gencequand`alabsencedeparticulesdansleproduitni, uneltrationestnecessairepour proteger lemateriel depuricationdeleau, quil sagissedepompe, deresinesechangeusesdionsoudemembranesdosmoseinverse.Quel est le seuil de ltration `a choisir ? Cette information fait partie des specicationsfourniesparleproducteurdumateriel` aproteger.Desseuilstypiquessontcitesdansletableau4.1.4.2.2. LesmecanismesdeltrationLefonctionnementdunltreestenpartiecontre-intuitif. Pourcomprendrecequelonobservedans lapratique, il est essentiel desavoir comment unltrefonctionne,autrementditdecomprendrelesmecanismesdeltration.Ilya4mecanismesdeltrationfondamentaux:1. Linterceptiondirecteoucriblage2. Lemouvementbrownienozone.chS`arl 28 http://www.ozone.ch4.2. FILTRATIONPARTICULAIRE3. Ladsorption4. LeBridgingouformationdegateaudeltrationLinterceptiondirecteLemecanismedelinterceptiondirecteestfacile` acomprendreintuitivement. Il estillustreparlagure4.2` alapage29.Figure4.2.:InterceptiondirecteoucriblageLemouvementbrownienMeme lorsque un ecoulement est laminaire, les particules en suspension dans leau ontun mouvement en partie aleatoire. Le mecanisme de la ltration resultant du mouvementbrownienestillustreparlagure4.3`alapage30.LadsorptionLimportance de ce phenom`ene est variable, en fonction du type de particules et de lamati`eredumedialtrant.LeBridgingouformationdegateaudeltrationLa formation du g ateau de ltration joue un r ole tr`es important dans le fonctionnementdesltres` asable.ozone.chS`arl 29 http://www.ozone.chCHAPITRE4. FILTRATIONETMICROFILTRATIONFigure4.3.:MouvementbrownienFigure4.4.:AdsorptionConclusionssurlesmecanismesdeltrationLes mecanismes de ltrationautres que linterceptiondirecte nous permettent decomprendredesaspectsobservesducomportementdeltres, enparticuliers, pourcequiestdesltresquelonutiliseenpuricationdeleau:ozone.chS`arl 30 http://www.ozone.ch4.2. FILTRATIONPARTICULAIREFigure4.5.:Laformationdung ateaudeltrationLa qualite de la ltration evolue au cours de la vie dun ltre : par exemple les ltres` asablesltrentassezmalpendantleurspremi`eresheuresdefonctionnement,maislaqualitedelaltrationsamelioregrace`alaformationdug ateauLeltrearreterades particules aussi dedimensions inferieures `asonmicronage.Celagr aceauxmecanismesdeformationdeg ateau,aumouvementbrownien,et` aladsorptionLes performances dun ltre sont diciles `a prevoir, car elles dependent dun grandnombredefacteursquiaectentcesdierentsmecanismesdeltration4.2.3. ClassicationdestypesdeltresIl existe dinnombrables technologies pour separer les particules solides dune taille de1 mm ou plus de leau. Or, dans plus de 90% des cas, un ltre `a cartouche, eventuellementprecededunltre` asable,estlasolutionoptimaledanslesapplicationsdepuricationdeleau. Il esttoutefoisimportantdeconnatrelexistenceetlesprincipauxavantagesetinconvenientsdesautressolutionsexistantes.Face auxgrandnombre de technologies de ltrationqui sont ` a la dispositiondupraticien,ilestutiledetenterdelesclassier.Ondistingueainsi:La ltration de surface par opposition ` a la ltration de profondeur. Dans la ltrationde surface, les particules sont arretees lorsque leau entre dans le media ltrant, alorsquedanslaltrationdeprofondeurtoutelepaisseurdumediaestutilisee.La ltration par elements consommables, par opposition aux elements non consom-mables. Jusquauxannees1980, lessentiel delaltrationindustrielleetaitlefaitozone.chS`arl 31 http://www.ozone.chCHAPITRE4. FILTRATIONETMICROFILTRATIONdelements ltrants nonconsommables. Aujourdhui, environ 80% de lensemble deleaultreelestpardesdessyst`emes`acartouchesconsommables, essentiellementcar le prix des cartouches a baisse alors que le les co uts de main duvre augmentent.Classicationparobjectifdeltration,endistinguantltrationdepretraitement etltrationdenitionDans les pages qui suivent, nous passerons enrevue les dierents types de ltresemployesenpuricationindustrielledeleau.4.2.4. Filtres-pressesLesltres-pressesassuraientlegrosdelaltrationindustriellejusquauxannees80.Leuravantageprincipaletaitleco utdinvestissementreduit. Ledesavantageetaitparcontre un co ut de maintenance relativement elevee en particulier pour enlever les gateauxdeltration. Cetravail etaitnonseulementco uteuxentempsdemainduvre, maisaussiilsagitduntravailtr`essale:ilestdiciledetrouverlepersonnelacceptantdefaire ce travail. Ce probl`eme est resolu par les ltres-presses automatiques, mais ceux-cisontchers`alachat,cequiannulelavantageNo.1decettetechnologie.Aujourdhui,lesltres-pressesnesontpratiquementplusutilisespourlaltrationdeleauenentree.Ilsontparcontreencorefrequentsdansletraitementdeseauxuseesetla ltration dans des procedes chimiques. Leur utilisation est justiee par le fait que cesltres produisent des gateaux de ltration assez secs : la quantite de dechets produitsest faible, ce qui est economiquement interessant lorsque le syst`eme de ltration produitdes dechets `a traiter comme dechets speciaux : cela est assez souvent le cas dans les eauxuseesindustriellestr`eschargees: lesltrespeuventretenirdessubstancestoxiques. Silon emploie pour une telle application un syst`eme de ltration ` a elements consommables,lonaugmentebienentendulevolumededechetsspeciaux,co uteux` a eliminer.4.2.5. Lesltres`apocheou`apanierIls sonteconomiquement interessants pour les eauxtr`es chargees enparticules. Ilsposentparcontreunprobl`emeserieuxdeabilite:ilarrivequunepocheouunpanierc`ede sous leet de la pression qui augmente lorsque le gateau de ltration se developpe,et lon a donc un relachage massif et soudain de particules dans leau traite, ce qui peutavoirdesconsequencescatastrophiquessurlematerielqueleltreestsenseproteger.4.2.6. Etudedecas:consequencesdelutilisationdunltre`apocheUneusinechimiqueavaitlapossibilitedutiliserdeleauprovenantdunpuitssituedanslusinepourpreparerdeleaudeprocede.Leauetaitpartiellementdemineraliseepar une machine ` ananoltration(voir page59). Pour proteger les membranes, cettemachineetait muniedecartouches ltrantes (voir page 38). Or leaudupuitsetaitsablonneuse: il fallait doncchanger souvent les cartouches : environunefois toutesozone.chS`arl 32 http://www.ozone.ch4.2. FILTRATIONPARTICULAIREFigure4.6.:Principedefonctionnementdunltre` apocheFigure4.7.:Changement dune poche. Ces poches peuvent se casser, causant des degatsimportants.les deuxsemaines. Le co ut etait assez modere, puisque cette entreprise achetait lescartouches directement chez un producteur en quantites importantes, mais par contre lepersonnel charge de ce travail setait plaint de cette tache supplementaire. Le responsabledu projet se laissa convaincre par un vendeur de ltres ` a poche que lutilisation de cetteozone.chS`arl 33 http://www.ozone.chCHAPITRE4. FILTRATIONETMICROFILTRATIONtechnologiepermettraitunchangementdeltrestousles6moisenviron. Auboutdeenviron4semaines, unepochesecassa. Lesablefutdistribuedanslesmembranesdenanoltration,quidurent etresremplaceespourunco utdeenviron30000.00EUR.Celanesignieevidemmentpasquilfautrenoncer` alutilisationdeltres` apochesltrantes : il representent une solution economique, surtout pour des uides tr`es charges.Il fautparcontreprevoirunltre`acartoucheenaval dultre`apourlesapplicationso` uunerupturedunepocheltranteauraitdesconsequencesimportantes.4.2.7. Filtres`acartoucheslavablesetltresautonettoyantsSous ces noms lontrouve une tr`es grande variete de technologies, et souvent desnouveauxltresautonettoyantssontpresenteescommelasolution` atouslesprobl`emesde ltration. Si ils presentent un avantage en termes de co uts de fonctionnement, il fautetreconscientdeleursdesavantages,quilimitentleursapplications:1. Leco utdinvestissementestgeneralement eleve2. Lesltresautonettoyantsontunseuil deltrationdequelquesdizainesdemm,cequi estinsusantpourcertainesapplications, commelapreltrationpourunosmoseur3. Linstallationestrelativementcomplexe4. Lorsdunettoyageperiodique, cesltresrejettentuneeaufortementchargeeenparticules, quil estsouventimpossibledeconduire` alegoutsansuntraitementparticulier:celacompliqueencorelinstallationLimage 4.10montreassezbien` aquoiunltreautonettoyanttypiqueressemble:ilestbeaucouppluscomplexe, lourd, co uteuxquunltre` acartoucheparcequeil aenprincipeaumoinsunmoteurelectrique1qui actionneledispositifdenettoyage, etunsyst`emepourleaudelavage.Linstallationestdoncbeaucouppluscomplexequepourunltre` acartouche.4.2.8. Filtres`asableOn parle generiquement de ltres `a sablememe si le media ltrant nest pas forcementdusable. Il peut aussi sagir danthracyteoudesablevert2, ouunautremedial-trant. Lantracyteestpluslegerquelesableproprementditetfournitunecouchedepreltration.Lesablevertestunsablequiestrecouvertdunecouchedoxydedeman-gan`ese et a la propriete doxyder le fer dissous dans leau, et aussi le mangan`ese et lhy-drog`enesulfureux. Unefoisquecesimpuretesontetesoxydees, ellestendent`arester,paradsorption,dansnesablevert.Lesltresavecunecouchedesablevertpermettentde reduire les concentrations de fer dissous, de mangan`ese dissous et dhydrog`ene sulfure` amoinsde0.01ppm.Lesltres` asablecontiennentaussisouventdugravier.Celui-cinestengeneralpasunmedialtrant,maissert` aformerunecoucheporeuseaufonddultre.1. Souvent 2 ou 3 moteurs2. Galuconiteozone.chS`arl 34 http://www.ozone.ch4.2. FILTRATIONPARTICULAIREFigure4.8.:Filtre` apoche.Carterenplastique.Lesltres`asablesontgeneralement economiquementinteressantspourdesdebitsdeaumoinsquelquesm3/hdeautr`eschargeeenparticules.Dautrespointsimportants`aconnatresurlesltres` asablesont:Le(s)media(s)choisi(s)determine(nt)undebitsurfaciquemaximum.Cedebitestozone.chS`arl 35 http://www.ozone.chCHAPITRE4. FILTRATIONETMICROFILTRATIONFigure4.9.:Filtreautonettoyant.Principedefonctionnement.Image:FiltersSrlFigure4.10.:Filtreautonettoyant.Photo:FiltersSrldetermineparleproducteurdumedia,pasparlefabricantdultre.Ilestraison-nablededemanderaufabricantdultrelesspecicationsdumediaemploye, etverierqueledebitsurfaciquespecieparlefabricantdumediaa eterespecteLegateaude ltration joueunr oleimportant : audebut, leltre` asableltreozone.chS`arl 36 http://www.ozone.ch4.2. FILTRATIONPARTICULAIREFigure4.11.:Montagedunltreautonettoyant.Photo:FiltersSrlFigure4.12.:Filtre` asable` apression.Photo:Osmonicsassez mal, et au bout de quelques heures de fonctionnement lecacite de ltrationsamelioreUn retrolavage periodiqueest necessaire. Cest une procedure automatique, qui dureenviron20minutes.Ledebitestimportant,largementsuperieuraudebitnominalozone.chS`arl 37 http://www.ozone.chCHAPITRE4. FILTRATIONETMICROFILTRATIONdu ltre. Il peut etre fait avec de leau non ltree. Le debit de retrolavage est xe parles specications du producteur du media ltrant. Ici aussi, il est donc raisonnable deverierqueleconstructeurdultreabienprevuundebitderetrolavageconformeauxspecications duproducteur demedialtrant3. Il faut prevoir aumoins unretrolavageparsemaineLorsquelonach`eteunltre` asable, onre coit leltre, avecles sacs demediasltrants ` a c ote : il faut alors mettre les dierents medias ltrants dans le bon ordredansleltre:celapeutdurerplusieursheuresLorsqueleltre` asableestenmateriaucomposite,etquilfautmettredugravier,lonrisquedelendommagersilonnemetpasdeleauavantdemettrelegravierVariantesdesltres`asablesUnltre` asablepeut etreconstruitde2facons:Filtres`agravite: peuutilisesenapplicationsindustrielles,` alexceptionducasdelaltrationdeseauxdesurfaces.LeurdebitsurfaciqueestplusfaibleFiltres`apression: ce sont generalement ceux que lon trouve dans lindustrie. La photo 4.12montreuntelltre.4.2.9. Etudedecas:ltres`asables,retrolavageUnclient utilisait des ltres ` asablepour deleaudelavagedepi`eces metallique.Linstallateur des ltres avait monte le syst`eme de telle sorte que le debit de retrolavageetaitindentiqueaudebitdeservicedesltres. Margredesnettoyageshebdomadaires,lapertedechargedesltrerestaitsuperieureouegale`aenviron2.0bar, alorsquelleauraitd u etredelordrede0.5bar.Nousavonsconseilleauclientdaugmenterledebitde retrolavage4, et de proceder aussi ` a une injection dair comprime pour casse le gateaudeltrationquisetaitformeauldesmois.Lapertedechargeretombaen-dessousde0.5bar. Ensuite, leslavagesreguliersavecundebitderetrolavagedelordrede160%du debit de service de ltres surent ` a maintenir cette perte de charge aux alentours de0.5bar.4.2.10. Filtres`acartouchesconsommablesLes ltres `a cartouche representent le gros de la ltration en purication de leau danslindustrie.Ondistingue2typesdeltres` acartouche:Filtrationabsolue: enl`evetouteslesparticulesdedimensionsuperieuresaumicro-nage3. Notre experience est que souvent cela nest pas le cas4. Ce qui etait possible sur cette installation, fort heureusement. Souvent une modication du debitde retrolavage peut exiger des modications de tuyauterieozone.chS`arl 38 http://www.ozone.ch4.2. FILTRATIONPARTICULAIREFigure4.13.:Corpsdeltrespourltres` acartouche.Photo:OsmonicsFiltrationnominale: enl`evelaplupartdes particules dedimensionsuperieures aumicronageLadenitiondelexpressiontoutes les particulesvarieselonles fabricants. Cer-tainsconsid`erentqueunecartouchequienl`eveplusde99%desparticulesdedimensionsuperieures au micronage est absolue, alors que dautres limitent ce terme aux cartouchesquienl`eventplusde99.98%desparticulesdedimensionsuperieureaumicronagedelacartouche.Lescartouchesabsoluesonttoujoursbeaucoupplusch`eres` alachatquelescartouchesnominales.Untypedecartouche` a evitersontlescartouches` albobine,commecellevisiblesurlagure 4.14:constitueesdunlenrouleautourdunecageenplastiqueouenmetal,elles ont toutes des chenaux de passage entre les ls largement superieurs au micronnageindique. Elles ont tout de meme uncertaineet ltrant enraisondes phenom`enesdadsorption, mais ont une ecacite de ltration faible si on les compare aux cartouchesdebresthermosoudees.Enoutre,ellescontiennentsouventdeslubriants.Ontrouvesouventcescartouchesdanslindustrie.Leursco utsdeproductionsontnegligeables,cequi pousse certains fournisseurs ` a continuer ` a les vendre. Il va sans dire que lutilisateurpayecher, entermesdemateriel nonprotegeparlacartouche, leseconomiesrealiseesaveccescartouches.ozone.chS`arl 39 http://www.ozone.chCHAPITRE4. FILTRATIONETMICROFILTRATIONFigure4.14.:Cartouche`albobineEcacitedunltre`acartoucheLecacitedunltreestdeniepar: =N1N2N1(4.1)Avec::ecacitedultreN1: nombredeparticules detailleegaleauseuil deltrationdultrequelontrouvedansunvolumedeaudonneavant leltreN2: nombredeparticules detailleegaleauseuil deltrationdultrequelontrouvedansunvolumedeaudonneapr`esleltreCertains fabricants ont choisi de modier la denition de N1 et de N2, en decidant queces chires se rapportaient au nombre de particules de taille egale ou superieureau seuildeltrationdultre. Biens ur cettedenitionleur permet dannoncer desecacitesplus elevees.Il nyapas de standardinternational reconnuconcernant lamethode ` aemployerpourmesurercetteecacite. Desnormessontenpreparationouenconsultationdansdierentspays,maisilnyapasdeconsensusprevisible` acourttermeauniveauinter-national.ozone.chS`arl 40 http://www.ozone.ch4.2. FILTRATIONPARTICULAIREFacteurBeta Lefacteuraetecreeparunfabricantdeltre,pourfaireplusscien-tique.Ilestdiciledevoirunquelconqueinteretdecefacteur.Commeilestsouventutilise,ilfauttutdememeconnatresadenition:=N1N2(4.2)Cequiest equivalent` a ecrire:=1 (4.3)Dautresfabricantslutilisentaussi. Lasocietequi aintroduitcefacteurvenddesltres`aprix eleves.Cuto UnautreaspectquidenitenpartielaqualitedunecartoucheltranteestleCutoounetteteduseuil deltration.Figure4.15.:Cuto,ounetteteduseuil deltrationLescourbesdelagure4.15sontpurementqualitatives.On peut se demander si il y a un avantage ` a avoir un ltre qui narrete pas les particulesplus petites que son seuil de ltration. Pour la plupart des applications oui, parce que ladureedeviedelacartoucheestdetermineeparlacapacitederetentiondecelle-ci.Lacapacitederetentionestlevolumedeparticulesquelacartouchepeutarreteravantdedevoir etre changee. Il est clair que lon ltre par exemple de leau `a 5 m, pour protegerpar exemple une pompe, et que leau ltree contient un grand nombre de particules dundiam`etreinferieur`a5m, unecartoucheavecunseuil deltrationpeunetaura` aozone.chS`arl 41 http://www.ozone.chCHAPITRE4. FILTRATIONETMICROFILTRATIONcapacitederetentionegaleunedureedeviepluscourtequunecartouche`aseuildeltrationnet.LaviedunecartoucheltranteFigure4.16.:Evolution de la perte de charge au cours de la vie dune cartouche ltranteLagure 4.16 montrelevolutiondelapertedechargedunecartoucheltranteaucoursdesavieoperationnelle:1. Miseenservicedelacartouche2. Ladierencedepressionmaximumspecieeparlefabricantestatteinte3. ChutebrutaledeladierencedepressionEntrelespoints1et2,lacourbeestapproximativementlineaire.Sionlaisselacar-touche enservice apr`es que la dierence de pressionmaximale prescrite par le fabricantaeteatteinte, ladierencedepressionaugmenterapidement, jusquaupoint o` uelleestsusantepourdetruirelacartouche: lamati`ereestforcee` atraverslespores, lemedialtrantestirremediablementabmelonobservealorsunechutedeladierencedepression. Onnoteraqueladierencedepressionaupoint 1, donc`alinstallationdelacartouche, inuencebeaucoupladureedeviedelacartouche. Si parexempleladierencedepressionmaximumestde2bar, etlonmetlacartoucheenserviceavecunedierencedepressioninitialede1bar,ladureedeviedelacartoucheseraenviron56%plusfaiblequesi lonavaitcommence` autiliserlacartoucheavecunedierencede pression de 0.2 bar. Un sous-dimensionnement dune installation de ltration se payedoncenco utsdecartouchesderemplacement.ozone.chS`arl 42 http://www.ozone.ch4.2. FILTRATIONPARTICULAIREFacteursinuen cantlaperformancedunltreDenombreuxfacteursliesauuideetauxparticulesensuspensiondansleuidein-uencent les performances dun ltre, ce qui rend les comparaisons diciles. Les facteurssuivantsinuencentladureedeviedunltre:CaracteristiquedesparticulesFormeDeformabilite: lesparticulesdeformablespeuventbiens urpasser` atraversdesporesdediam`etreinferieur`aleurtailleDensite:undensitetr`esdierentedecelleduuidetend` aameliorerlaqualitedelaltrationQuantite:siilyabeaucoupdeparticules,ilyabiens urformationrapidedungateaudeltrationCaracteristiquesduuideViscosite:uneviscositedierenteimpliqueunepertedechargedierenteTensionsupercielle,quiaecteladsorptionTemperature : elle peut avoir un eet sur le media, surtout sur les plastique, et auneetsurlaviscositeduliquide.Debit vitessedecoulementCe nombre assez important de facteurs justie un peu labsence de standards reconnuspartous.Dierentsfabricantseectuentdonclestestsdedureedevieetdecacitedeleurscartouches avec des particules dierentes, qui correspondent `a dierents standards.Pourleecacite,letestleplusemployeetleACFineTestDust(USA).Ilprescritlemploidesableramassedansuneregiondeniedundesertcalifornien.Ungrandfabricantdecartouches europeen utilise pour ses essais de duree de vie de lOvomaltineTM, alors quilmesurelecacitedesesltresavecdesparticulesdeLatexcalibrees.4.2.11. LechoixdunetechnologiedeltrationLe choix de la methode de ltration depend essentiellement de la charge en particulesdeleau` altreretduseuil deltrationvoulu. Lechoixdelamethodesurlabasedecescrit`eresestillustredansletableauci-dessous:Chargefaible Charge elevee Chargetr`es elevee1`a40 m Filtre`acartouche Filtre`apoche Filtre ` a poche,eventuellement enaval dun ltre ` asable.Plusde40 m Filtre`acartouche Filtre `a poche ou ltreauto-nettoyantFilte` asableoultreauto-nettoyantozone.chS`arl 43 http://www.ozone.chCHAPITRE4. FILTRATIONETMICROFILTRATION4.3. MicroltrationUnecartouchedemicroltration.Photo:GEWater4.3.1. DenitionOn parle de microltrationquand on utilise des cartouches aumicronage inferieur aumicron.Enpratique,lesmicronnagesutilisesenpuricationdeleausont:0.2m:susantpourarreterlesbacteries0.05`a0.1m:souventemployesenmicroelectroniqueLamicroltrationsefaitpratiquementtoujoursavecdesltres` acartouchesconsom-mablesIlsagitdeltrationdesurfaceavecdesmembranesplissees.4.3.2. TypesdecartouchesltrantesOndistinguelecartouchesdemicroltrationpourltrationnominaleetcellespourltrationabsolue. Engeneral les cartouches deltrationabsolues utilisent des mem-branesavecdespores, alorsquelesmembranesdescartouchesdeltrationnominalesontcomposeesdebres.Onpeut tester lintegrite decertaines cartouches demicroltration. Celaest utilepourdesapplicationso` ulaqualitedelaltrationdoitetredemontreeetdocumentee,commeparexempledanslindustriepharmaceutique.Lutilisateurestconfronte`aunveritableembarrasduchoixconcernantlacartoucheltrante`autiliserpouruneapplicationdemicro-ltration.Lesfabricantsproposentungrandchoixdemateriauxdemembrane, deseuilsdeltrationetdecongurationdescartouches.4.3.3. LechoixdelacartoucheltrantesLeprocessus dechoixdelacartouches est compliquepar limmensiteduchoixdecartouches ltrantes sur le marche. Une fois lobjectif de la ltration deni, il faut prendreozone.chS`arl 44 http://www.ozone.ch4.3. MICROFILTRATIONFigure4.17.:Vueaumicroscopedunemembranedunecartouchedemicroltrationabsolue.Photo:GEWaterle temps detudier les ches de specication des dierentes cartouches envisageables. Lesfabricantsexperimentesfournissentdesrecommandations,enfonctiondelapplication,concernantlemateriaudelamembrane`autiliser.Cescartouchesayantengeneraldesprix substantiels, il est important de choisir une conguration geometrique (dimensions,formedesextremites)courante, andepouvoirchangerdemod`eledecartouchesi lacartouchechoisieinitialementnedonnepassatisfaction.ozone.chS`arl 45 http://www.ozone.ch5. Procedesmembranaires5.1. IntroductionLes procedesmembranaires, ou de ltrationparmembrane, aussi appelles deltrationtangentielledi`erent de la ltration classique essentiellement par la presence dune sortiede concentrat : seulement une partie de leau passe `a travers le media ltrant, une partie,appellee le concentrat, ne passe pas ` atravers le medialtrant et sert ` aevacuer lesimpuretesqui,enltrationclassique,restentsurlemedialtrant.5.2. Osmoseinverse5.2.1. PrincipedelosmoseinverseLephenom`enedelosmoseestconnudepuislaubedelabiologie: il existedanslanaturedesmembranes, qui ontlaproprietedelaisserpasserseulementleau, sanslesselsquiysontdissous.Lorsqueunesolutionaqueuseestsepareedeleaudemineraliseeparunetellemem-brane, comme dans la gure 5.1, il se produit un uxosmotique: de leau puriee passe` atraverslamembranejusqu`acequeladierencedepression` atraverslamembraneatteigneunepressionditepressionosmotique, fonctiondesselsdissousdansleau, etquil estpossibledecalculer. Il estclairquesi lonapplique` alasolutionaqueuseunepressionsuperieure` asapressionosmotique, leuxosmotiqueserainverseetlonpro-duira de leau demineralisee : cest losmoseinverse. Les premi`eres membranes dosmoseinverseetaientenacetatedecellulose. Parlasuite, londeveloppadesmembranesenplastique1.On notera aussi que lon ne peut imaginer faire passer la totalite de la solution aqueuse` a travers la membrane. En eet, les sels dissous ne passant pas ` a travers la membrane, ilssontdeplusenplusconcentresetlapressionosmotiqueaugmente.Dautrepart,siloncontinuait ` a concentrer, t ot ou tard la limite de solubilite des dierents sels presents dansleauseraitatteinteetil yauraitdesprecipitationssurlamembrane.Ilenresultequetoutes les machines dosmose inverse ont non seulement une entree deau dalimentationetunesortiedeaudemineralisee(diteaussi permeat), maisaussi unesortiedeauquinestpaspassee` atraverslamembrane(onparlesouventdeconcentrat).Ceconcentrat1. Les membranes dosmose inverse en plastique sont generalement en polyamide465.2. OSMOSEINVERSEFigure5.1.:Lephenom`enenaturelosmosesecoule tangentiellement `a la membrane, sans la traverser, et cest cela qui donne le nomdeltrationtangentielleauxtechnologiescommelosmoseinverse.Unefoisleconceptdosmoseinverseconnu,ilfaut,pourrealiserdesmachinesindus-trielles,placerunesurfaceimportantedemembranedansunvolumeaussirestreintquepossible. Denombreusescongurationsdemodulesdosmoseinverseontetescommer-cialises, maisactuellementlaquasi-totalitedumarcheestrepresenteeparlesmodulesspirales.Comment fonctionne, au niveau microscopique, une membrane dosmose inverse ? Celanestpasconnu`alheureactuelleaveccertitude.Lonsaitquecesmembranesexistentdanslanature.Lonarrive` aproduirecesmembranesenplastique.maisleurfonction-nementexactestinconnu.Ya-t-ildespores ?Cenestpascertain.Une ecoledepenseearme quil nyapas de pore, et que lapressionauniveaude lamembrane forceleau` apasserenchangeantdephase:lonparledeauinterstitielle.Uneautre ecoledepenseearmequil ydespores, maiscetteecoledoitexpliquerpourquoi lonsaitqueles membranes dosmose inverses sont permeables non seulement `a leau, mais aussi auxpetitesmoleculesorganiques. Pourexpliquercephenom`ene, desmod`elesincluantdeseets electrostatiquesauniveaudelasurfacedelamembraneont etesdeveloppes.Laquestiondelapresenceoudelabsencedes pores est la questionqui agitelesmilieux scientiques qui travaillent sur les membranes depuis des decennies. La questionpourraitsemblerfutile,maisilnenestrien.Ellemontrequelephenom`enedelosmoseinverserestemalcompris. Sioncomprendraitmieuxlemecanisme, ilseraitplusfaciledeprevoirlestauxderejetdesdierentsions,etsurtout,dansdautresdomainesdelatechnique, unecomprehensiondesphenom`enesauniveauphysiqueaenr`eglegeneraleapportedesavanceesimportantesauniveaudesperformancedesproduitsindustriels.ozone.chS`arl 47 http://www.ozone.chCHAPITRE5. PROCEDESMEMBRANAIRESFigure5.2.:Unmodulespirale[9]Figure5.3.:Lafabricationdunmoduledosmoseinverse.Photo:OsmonicsOnpeutdoncserisquer` afairelepronosticquelesperformancesdesmembranesvontsameliorerbeaucoupdanslesanneesoudecennies`avenir.ozone.chS`arl 48 http://www.ozone.ch5.2. OSMOSEINVERSEFigure5.4.:Membranedosmoseinverse:lemod`eleavecpores.Image:OsmonicsFigure5.5.:Membranedosmoseinverse:lemod`elesanspores5.2.2. EquationsfondamentalesdelosmoseinverseCommeutilisateurouconcepteurdinstallation, onnaenprincipejamaisbesoindecalculer un osmoseur. Toutefois il est important de connatre les equations qui regissentle fonctionnement des osmoseurs : cela nous permettra de mieuxjuger les ores etozone.chS`arl 49 http://www.ozone.chCHAPITRE5. PROCEDESMEMBRANAIRESarmations de fabricants, et aussi devaluer le fonctionnement dun osmoseur : les ecartsdedebitsetdeconductiviteserontincomprehensiblessilonneconnatpaslesloisquilesregissent.QuelquesdenitionsIlestusuelderepresenterunosmoseurdansunschemasouslaformedunrectangleavecunediagonalequirepresentelamembrane,commedanslagure 5.6.Figure5.6.:RepresentationschematiquedunosmoseuroudunemembranedosmoseinverseQe: debitdeauentrantdanslosmoseurQp: debitpermeat,oudebitdeaupassant` atraverslamembraneQc: debitdeconcentratce: concentrationdesolidesdissousdansleauentrantdanslosmoseurcp: concentrationdesolidesdissousdanslepermeatdelosmoseurcc: concentrationdesolidesdissousdansleconcentratdelosmoseurDebitenfonctiondespressionsQe= KT [(P1mP2m) (Posm1Posm2)] (5.1)Avec:Qe:debit` atraverslamembraneKT: constante donnee par le fabricant de la membrane. La valeur de cette constantevarieaveclatemperature.P1m:pressionmoyenneenamontdelamembraneP2m:pressionmoyenneenavaldelamembranePosm1:pressionosmotiquemoyenneenamontdelamembranePosm2:pressionosmotiquemoyenneenavaldelamembraneozone.chS`arl 50 http://www.ozone.ch5.2. OSMOSEINVERSEEnpratiqueonadmetlesapproximationssuivantes:P1m=12 (Pe +Pc) (5.2)P2m= Pp(5.3)Peetantlapression`alentreedelamembrane,PclapressionduconcentratetPplapressiondupermeat.Delamemefacon,onadmetque:Posm1=12 (Posme +Posmc) (5.4)Posm2= Posmp(5.5)Posme etant la pression osmotique de leau dalimentation de losmoseur, Posmcla pres-sionosmotiqueduconcentratetPosmplapressionosmotiquedupermeat.Enpratique,Posmp Posme,doncPosm2 Posm1,donc(Posm1Posm2) Posm1LoncalculedoncengeneralenutilisantPosm1enlieuetplacede(Posm1Posm2).Ilfautparcontreprendregarde` anepasconfondrePosm1avecPosme: ladierencepeutetreimportanteetconduire` adeserreursimportantes.EstimationdelapressionosmotiqueLa pression osmotique est une fonction des solides dissous dans leau. En pratique lonpeututiliserlapproximationsuivante:Posm= TDS 0.0008 (5.6)TDS etantletotaldessolidesdissousdansleau.Lesunitesutilisees etant:[Posm] = bar[TDS] = ppmRejetetrecouvrementPour lutilisateur, unbonosmoseur est unosmoseur qui reduiraleplus possiblelamineralisationdeleauetconsommeralemoinsdeaupossible.Cesdeuxparam`etressontmesuresparletauxderecouvrementetletauxderejet:Denitions:Tauxderecouvrement: R =QpQeTauxderejet(rejet): Rej= 1 CpCecavecCec=12 (Ce +Cc)ozone.chS`arl 51 http://www.ozone.chCHAPITRE5. PROCEDESMEMBRANAIRESEetdelatemperatureCorr(T) = 1.03(T25)(5.7)o` uTestlatemperaturedeleauendegresCelcius. LedebitdunemembraneayantundebitnominalQN` a25Csera` aunetemperatureTquelconque:Q(T) = Corr(T) QN(5.8)BilansIl estimportantderappelerquelesbilansdemassedeleauetdessolidesdissoussappliquent:Qe= Qc +Qp(5.9)QeCe= [QcCc] + [QpCp] (5.10)Lensembledesequationspermettentdefairelescalculscourantconcernantlaper-formance de votre osmoseur, comme par exemple laqualite de leau`alasortie, enconnaissantletauxderejetetlaqualitedeleauenentree, oubienlesvariationsdeperformances ` a attendre dune variation de la qualite de leau, du taux de recouvrement,etc. Dautrepart, il estessentiel deconnatrecesequationspourevaluerlecacitedelamaintenancedunosmoseur.TauxderejetdedierentsselsLetauxderejetdunemembraneoudunosmoseuresttoujoursdonneparlesfabri-cantspourduNaCl.Biens urle