L’impact de la salinité de l’eau d’alimentation sur les systèmes d’osmose inverse

La salinité de l'eau d'alimentation, généralement exprimée en matières solides dissoutes totales (TDS), correspond à la somme des concentrations de tous les sels inorganiques (tels que le sodium, le calcium, le magnésium, le chlorure, le sulfate, etc.) présents dans l'eau. C'est l'un des paramètres les plus critiques pour la conception, l'exploitation et la rentabilité d'une centrale hydroélectrique. Osmose inverse Le système, et son impact, sont vastes et interconnectés.

1. Impact direct sur la pression osmotique et la pression de fonctionnement

Le principe du procédé d'osmose inverse est de vaincre la pression osmotique naturelle de l'eau en forçant les molécules d'eau à traverser une membrane semi-perméable, tandis que les sels sont retenus. Selon l'équation de van der Hoff, la pression osmotique d'une solution est directement proportionnelle à sa concentration molaire (directement liée à la teneur en solides dissous totaux).

Pression osmotique ≈ 0,8 bar / (1000 mg/L TDS). Il s'agit d'une formule empirique simplifiée, mais très intuitive. Si la concentration en TDS de l'eau d'alimentation est de 1000 mg/L, sa pression osmotique théorique est d'environ 0,8 bar. Si cette concentration augmente à 5000 mg/L (comme pour l'eau saumâtre), la pression osmotique théorique atteint environ 4 bar. Pour l'eau de mer, dont la concentration en TDS est d'environ 35 000 mg/L, la pression osmotique théorique peut atteindre environ 28 bar.

Pour générer une force motrice de perméat efficace (pression motrice nette), la pression de fonctionnement de la Système RO La pression de suralimentation doit être nettement supérieure à la pression osmotique. Par conséquent, pour chaque augmentation d'un ordre de grandeur de la salinité de l'eau d'alimentation, la pression de fonctionnement requise augmente de façon quasi linéaire. Les systèmes d'osmose inverse pour le dessalement d'eau de mer fonctionnent généralement entre 55 et 80 bars, tandis que ceux pour le dessalement d'eau saumâtre fonctionnent à seulement 10-25 bars. Ceci implique une consommation d'énergie plus élevée et des exigences plus importantes en matière d'équipements et de matériaux.

2. Impact sur le débit de dessalement du système

Le taux de rejet des membranes d'osmose inverse pour différents ions est relativement stable. Cependant, les variations de salinité de l'eau d'alimentation affectent les performances de dessalement du système à deux niveaux.

Diminution apparente du taux de dessalement : Le taux de dessalement est calculé comme suit : (1 - salinité du perméat / salinité de l’eau d’alimentation) * 100 %. En supposant une perméabilité absolue au sel constante (la quantité de sel qui traverse la membrane par unité de temps), lorsque la salinité de l’eau d’alimentation augmente fortement, même si les propriétés physiques de la membrane restent inchangées, le « taux de dessalement » calculé diminuera.

Plus important encore, une salinité élevée induit un gradient de concentration saline plus important à travers la membrane, ce qui accroît la force motrice de la diffusion du sel de la surface de la membrane vers le perméat (exacerbant la polarisation de concentration) et, par conséquent, le flux de sel effectif. À des salinités extrêmement élevées, le taux de dessalement de la membrane diminue effectivement de façon substantielle.

3. Impact sur le perméat et la récupération

À pression de service constante, la pression motrice nette est égale à la pression de service moins la pression osmotique. Comme indiqué précédemment, une salinité élevée entraîne une pression osmotique élevée, ce qui réduit directement la pression motrice nette.

Le débit de perméat est directement proportionnel à la pression motrice nette. Si la pression de fonctionnement reste constante, une augmentation de la concentration en TDS de l'alimentation de 1 000 mg/L à 5 000 mg/L peut entraîner une diminution de 3 à 4 bars de la pression motrice nette, ce qui se traduit par une réduction du débit de perméat de 20 à 30 % ou plus.

Lorsque le taux de récupération du système (perméat/alimentation) augmente, la salinité de l'alimentation à la sortie de l'élément membranaire croît de façon exponentielle. Afin d'éviter les pics de pression osmotique et les risques d'entartrage dus à une concentration excessive de TDS (total des solides dissous) à la sortie du système d'alimentation, les systèmes d'alimentation en eau à forte salinité doivent adopter des taux de récupération plus modérés.

Les taux de récupération des eaux usées municipales par osmose inverse peuvent atteindre 75 %. Pour les eaux fortement saumâtres, ces taux sont généralement de 60 à 70 %. Quant aux eaux de mer, ils sont limités à 40-50 %. De faibles taux de récupération entraînent un rejet plus important de concentré et une moindre utilisation de l'eau.

4. Augmentation de la tendance à l'encrassement et à l'entartrage des membranes

Une salinité élevée ne provoque pas directement l'encrassement, mais elle crée un environnement plus propice à l'encrassement et à l'entartrage.

Polarisation accrue de la concentration : Lorsque l’eau à forte teneur en TDS se concentre à la surface de la membrane, la concentration en sels et autres contaminants (tels que les silicates, les sulfates et les matières organiques) est bien supérieure à celle de l’eau en vrac. Ceci augmente considérablement le risque que les sels peu solubles (tels que CaSO₄, CaCO₃, BaSO₄) dépassent leur produit de solubilité et précipitent, entraînant ainsi l’entartrage.

Dégradation de la stabilité colloïdale : Une force ionique élevée comprime la double couche électrique des particules colloïdales, perturbant leur stabilité et les rendant plus susceptibles de se déposer sur la surface de la membrane, formant un encrassement colloïdal.

Nettoyage difficile : Une fois que l'encrassement se produit dans un environnement à forte salinité, la couche d'encrassement est généralement plus dense et plus difficile à nettoyer, ce qui raccourcit la durée de vie de la membrane.

5. Impact décisif sur la consommation d'énergie et l'économie

L'impact global se répercute en définitive sur les coûts d'exploitation. Dans les systèmes d'osmose inverse, l'énergie électrique est principalement consommée par la pompe d'alimentation. La pression de fonctionnement est généralement proportionnelle à la consommation d'énergie.

Le dessalement d'eau saumâtre à 1 000 mg/L pour obtenir le même volume de perméat peut ne consommer que 0,8 à 1,2 kWh/m³. En revanche, le dessalement d'eau de mer à 35 000 mg/L consomme généralement entre 2,5 et 4,0 kWh/m³, soit 3 à 4 fois plus.

La forte consommation d'énergie est la principale raison pour laquelle le dessalement de l'eau de mer coûte nettement plus cher que celui de l'eau saumâtre. De plus, le fonctionnement à haute pression impose des exigences plus élevées aux matériaux des pompes, des canalisations et des carters de membrane, ce qui augmente également l'investissement initial.