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REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTERE DE L'ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE
UNIVERSITE LARBI BEN M’HIDI OUM EL BOUAGHI FACULTE DES SCIENCES ET SCIENCES APPLIQUEES
DÉPARTEMENT DE GENIE DES PROCEDES
MEMOIRE
En vue de l'obtention
DU DIPLOME DE MASTER EN
GENIE CHIMIQUE
Présenté par : Encadreur :
GUEZLANE Widad Dr : KOUACHI Sabri
AGGOUN Manel
Promotion 2016/2017
ETUDE ET SIMULATION PAR MODELE MATHEMATIQUE D’ UNE UNITE D’OSMOSE
INVERSE POUR LE DESSALEMENT DE L’EAU DE MER
Sommaire
SOMMAIRE
Remerciements ............................................................................................................................................. i
Dédicaces .................................................................................................................................................... ii
Résumé ....................................................................................................................................................... iv
Abstract……………………………………………………………………………………………………v
Liste des figures ........................................................................................................................................ vi
Liste des tableaux .................................................................................................................................... viii
Liste des abréviations ................................................................................................................................ ix
Introduction générale ..................................................................................................................................1
CHAPITRE I : GĔNĔRALITE SUR LE PROCĔDĔ DE DĔSSALEMENT ET
TECHNIQUES DE TRAITEMENTS DES EAUX DE MER
I.1 Introduction ..........................................................................................................................................4
I.2 Définitions et historique ......................................................................................................................5
I.2.1 Définitions ....................................................................................................................................... 5
I.2.2 Historique .........................................................................................................................................8
I.3 Evolution des procédés de dessalement dans le monde ....................................................................9
I.4 Expérience Algérienne dans le dessalement ......................................................................................9
I.5 Les paramètres de choix d'un procédé de dessalement .................................................................11
I.6 Organisation générale des installations ...........................................................................................11
I.7 Les différentes techniques de dessalement des eaux de mer .........................................................12
I.8 Les procédés membranaires de dessalement des eaux de mer ......................................................13
I.8.1 microfiltration (MF) .......................................................................................................................13
I.8.2 Ultrafiltration (UF) .........................................................................................................................14
I.8.3 Nanofiltration (NF) .........................................................................................................................15
I.8.4 Electrodialyse (ED) ........................................................................................................................15
I.8.5 Osmose inverse (RO)......................................................................................................................16
I.9 Choix d’un procédé membranaire ...................................................................................................17
I.10 Les inconvénients de dessalement ..................................................................................................18
I.11 Conclusion ........................................................................................................................................19
CHAPITRE Π : DĔSSALEMENT DE L’EAU DE MER PAR OSMOSE INVERSE
II.1 Introduction .......................................................................................................................................20
Π.2 Installation de dessalement par osmose inverse ............................................................................20
Π.2.1 Captation d’eau de mer ...............................................................................................................21
Π.2.2 Prétraitement ...............................................................................................................................21
Π.2.2.1 Chloration ..............................................................................................................................22
Π.2.2.2 Clarification de l’eau brute ...................................................................................................22
Π.2.2.3 Prévention de l'entartrage ......................................................................................................23
Π.2.2.4 Déchloration Clarification de l’eau brute ..............................................................................23
Π.2.2.5 Filtration de sécurité sur cartouches ......................................................................................23
Π.2.3 Osmose inverse ...........................................................................................................................24
Π.2.3.1 Principe de l’osmose inverse .................................................................................................24
Π.2.3.2 Schéma général d'une installation d'osmose inverse .............................................................25
Π.2.3.3 Membranes d’osmose inverse ...............................................................................................27
Π.2.3.4 Modules d’osmose inverse ....................................................................................................28
Π.2.3.5 Nanofiltration ........................................................................................................................30
Π.2.4 Post-traitement ............................................................................................................................31
II.3 Paramètres à prendre en compte ...................................................................................................31
Π.4 les avantages et les inconvénients du procédé d’osmose inverse .................................................32
CHAPITRE III : MODĔLISATION ET CONCEPTION
III.1 Paramètres de performance ..........................................................................................................33
III.1.1 Pression osmotique et de fonctionnement ...................................................................................33
III.1.2 Rejection de sel ...........................................................................................................................34
III.1.3 Récupération de perméat .............................................................................................................34
III.2 Membranes à osmose inverse ........................................................................................................35
III.2.1 Membranes d'acétate de cellulose ...............................................................................................36
III.2.2 Membranes composites en polyamide ........................................................................................36
III.3 Modules Membrane .......................................................................................................................37
III.3.1 Fibres fines creuses .....................................................................................................................37
III.3.2 Enroulé en spirale .......................................................................................................................38
III.4 Systèmes d’osmose inverse ...........................................................................................................40
III.5 Modèle d’osmose inverse et les variables du système .................................................................43
III.5.1 Bilan de masse et du sel dans le perméat ....................................................................................43
III.5.2 Transport de l'eau ........................................................................................................................44
III.5.3 Transport de sel ...........................................................................................................................45
III.5.4 Modèle semi-empirique ..............................................................................................................46
III.5.5 Concentration de polarisation .....................................................................................................48
CHAPITRE IV : RESULTATS ET COMMENTAIRES
IV.1 Introduction ....................................................................................................................................50
IV.2 Microsoft Visual Basic ...................................................................................................................50
IV.3 Choix du langage de programmation ...........................................................................................51
IV.4 Présentation du programme ..........................................................................................................51
IV.4.1 Feuille principale ........................................................................................................................51
IV.5 Présentation du programme de calcul ..........................................................................................52
IV.6 Avantages du programme ..............................................................................................................54
IV.7 Resultat et commentaires ...............................................................................................................54
IV.7.1 Variation de la salinité de flux de perméat (X�) en fonction du débit d'alimentation……………55
IV.7.2 Variation de la salinité de flux de perméat (X�) en fonction du débit de perméat .........................60
IV.7.3 Variation de la salinité de flux de perméat (X�) en fonction de la pression de rejet ......................64
IV.7.4 Variation de la salinité de flux de perméat (X�) en fonction de la pression d'alimentation ..........66
IV.7.5 Variation de la salinité de flux de perméat (X�) en fonction de la salinité de l’alimentaion .........69
IV.8 Résultats pour d’autres modèle .....................................................................................................72
IV.8.1 Spécifications du fabricant ..........................................................................................................72
IV.8.2 Modèle de semi-empirique .........................................................................................................73
Conclusion Générale ...............................................................................................................................74
Références bibliographiques…………………………………………………………………………...76
i
REMERCIEMENTS
Avant tout nous remercions Ellah. Tout puissant de nous avoir accordé la force,
courage et moyens pour accomplir ce modeste travail.
Au terme de ce travail, nous tenons à exprimer nos vifs remerciements et notre
profonde reconnaissance à tous ceux qui ont contribué à la réalisation de ce mémoire.
Nous remercions tout particulièrement notre directeur de thèse ;
Dr Kouachi, pour son aide précieuse,pour les services qu’il nous a offerts et pour ses
orientations, que sans lui, ce travail, ne saurait etre accompli, et surtout pour son
dynamisme qui nous a permi de communiquer facilement et à publier beaucoup de
résultats de cette thèse.
Nos vifs remerciements vont aussi à Messieurs ;
♣ A.Zerman, Maître de conférences (université Larbi ben M’hidi).
♣ Farhoune, Maître de conférences (université Larbi ben M’hidi).
Pour avoir accepté de nous faire l’honneur de juger ce travail et de participer au
jury mémoire.
Nous remercions plus particulièrement nos familles, pour leur soutien, leur
encouragement et leur orientation au cours de toute la durée de la préparation de ce
travail.
Nous remercions nos amis et tous ceux qui ont contribué de près ou de loin à
l’élaboration de ce mémoire.
ii
DEDICACE
A l’issue de plusieurs années de labeur, et après avoir franchi les différentes étapes
pédagogiques, voilà, enfin, arrivée au rang des détenteurs du Master II avec l’aide de
Dieu.
Je tiens à dédier ce modeste travail à :
♣ Mes professeurs de département de génie des procédés sans exception qui m’ont
accompagné durant mes études.
♣ Mon cher père qui a été toujours à mes côtés le long de ma formation.
♣ Ma chère mère que dieu la prête une longue vie plein d’honneur ; Elle a le plaisir
de m’orienter au bon chemin, et suivre mes pas avec surveillance.
♣ Mes bougies, mes chers frères : Soufien et Khalil
♣ Mes fleures qui colorent ma vie, mes sœurs : Nawel, Nabila,Imen, Boutheyna.
♣ Mes chères amies :
Wided,Hadia,Rym,Rokia,Kahina,Amel,Chams,Feriel ,Sara,Houda.
♣ Mes collègues de l'étude au Département de Génie des procédés sans exception.
♣ Toute personne qui éprouve les sentiments de joie en consultant mon travail.
♣ Toute ma famille … Tous qui m’aiment.
MANEL
iii
DEDICACE
A l’issue de plusieurs années de labeur, et après avoir franchi les différentes étapes
pédagogiques, voilà, enfin, arrivée au rang des détenteurs du Master II avec l’aide de
Dieu.
Je tiens à dédier ce modeste travail à :
♣ Mes professeurs de département de génie des procédés sans exception qui m’ont
accompagné durant mes études.
♣ Mon cher père qui a été toujours à mes côtés le long de ma formation.
♣ Ma chère mère que dieu la prête une longue vie plein d’honneur ; Elle a le plaisir
de m’orienter au bon chemin, et suivre mes pas avec surveillance.
♣ A l’ame de mon unique frère: Abd Elkrim qui nous a quitté recemment.
♣ Mes fleures qui colorent ma vie, mes sœurs : Chahinez et Besma.
♣ Mon futur mari qui m’a donnée la force et l’aide pour continue mes études-
grand merci.
♣ Mes chères amies : Manel, Wided, Somia, Khadidja, Fatima, Saida et Karima.
♣ Mes collègues de l'étude au Département de Génie des procédés sans exception.
♣ Toute personne qui éprouve les sentiments de joie en consultant mon travail.
♣ Toute ma famille … Tous qui m’aiment.
WIDED
iv
Résumé
De nombreux pays de notre planète sont menacés par des graves pénuries d'eau. Face
à un accroissement des besoins en eau pour l’alimentation, l’agriculture et l’industrie et
face à une démographie de plus en plus croissante, la difficulté d’approvisionnement en
eau potable se présente comme un véritable fléau à la vie humaine sur terre et source de
beaucoup de maladies autour de nous. Pour pallier à ce problème majeur de notre siècle, le
dessalement de l'eau de mer se présente comme un moyen industriel fiable de production
pouvant couvrir les besoins en eau douce de la plupart des pays du monde.
Dans cette étude, nous avons abordé la technique d’osmose inverse en domaine de
séparation membranaire pour le dessalement de l'eau de mer, qui, à priori, semble la moins
couteuse, peu polluante et offrant une eau de qualité meilleure. Cette étude a été focalisée
sur trois modèles différents dont l’interprétation mathématique a été traduite
qualitativement et quantitativement dans un milieu de simulation de Visual Basic 10
offrant le confort et la facilite d’une utilisation interactive. Le programme numérique
élaboré a été exploité pour interpréter les résultats du modèle mathématique afin
d’investiguer l’influences des paramètres explicites et de performance dans le déroulement
du processus d’osmose inverse.
Mots clé : dessalement, eau de mer, osmose inverse.
iv
Abstract
Many countries of our planet are threatened by severe water shortages. Facing
growing water needs for food, agriculture and industry and considering, the rapid pace of
population growth, the increasing difficulty in assuring the supply of drinking water is an
impediment to human welfare on earth and the source of many diseases around us. To
overcome this major problem of our century, the desalination of seawater is seen as a
means of reliable industrial that could cover the freshwater needs of the greater part of the
world.
In this study, we discussed the reverse osmosis technique in the membrane separation
domain for seawater desalination, which seems, at first sight, to be the cheapest, least
polluting and offering better water quality. This study was focused on three different
models whose mathematical interpretation was translated qualitatively and quantitatively
into a Visual Basic 10 simulation environment offering comfort and ease of interactive use.
The elaborated numerical program was exploited to interpret the results of the
mathematical model in order to investigate the influences of the explicit and performance
parameters during the reverse osmosis process.
Keywords : Desalination, seawater, reverse osmosis.
iv
����
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� :ا��� �� ا����ت��G4 ،ا�����-Gا�� ���� ،+*� .ا�#��MN ا�
LISTE DES FIGURES
vi
LISTE DES FIGURES
Figure I.1 : Principaux composants de l’eau de mer...............................................................................6
Figure I.2 : Vue générale de la station de dessalement de Fouka……………………………………. 10 Figure I.3 : Installation de l’opération de dessalement..........................................................................12
Figure I.4 : Représentation schématique d’un procédé de séparation membranaire.............................13
Figure I.5 : Principe de la microfiltration..............................................................................................14
Figure I.6 : Principe de l’ultrafiltration................................................................................................14
Figure I.7 : Principe de la nanofiltration..............................................................................................15
Figure I.8 : Schéma de principe d'une unité d’électrodialyse................................................................16
Figure I.9 : Principe de l’osmose inverse..............................................................................................17
Figure I.10 : Sélection d’un procédé membranaire...............................................................................18
Figure Π.1 : Schéma général d'une installation de dessalement............................................................20
FigureΠ.2 : Etapes du prétraitement avant osmose inverse ................................................................21
Figure Π.3 : Principe générale de l'osmose inverse...............................................................................25
Figure Π.4 : Schéma de principe d'une unité d'osmose inverse............................................................26
Figure Π.5 : Schéma de principe d’une installation d’osmose inverse……………………………….26
Figure II.6 : Structure d’un module plan...............................................................................................28
Figure II.7 : Structure inverse d’un module tubulaire...........................................................................29
Figure II.8 : module spirale de l’osmose inverse .................................................................................29
Figure II.9 : Structure inverse d’un module à fibres creuses............................................................... 30
Figure Π.10 : Le problème du bore en osmose inverse.........................................................................31
Figure III.1 : Modules à membrane en fibres creuses, (a) Assemblage,
(b) Dimensions des fibres..................................................................................................39
Figure III.2 : Modules à membrane enroulée en spirale.......................................................................40
Figure III.3 : Procédé typique d’osmose inverse avec tamisage, chloration, filtration, Acidification et
inhibition de tartre ...........................................................................................................42
Figure IV.1 : le menu.............................................................................................................................52
Figure IV.2 : page d’accueil.................................................................................................................52
Figure IV.3 : feuille de calcul du programme.......................................................................................53
Figure IV.4 : feuille de calcul du programme pour M� = 2 et X� =0.18151.........................................58
Figure IV.5 : Représentation graphique des résultats de la variation de la salinité de flux de perméat
�X�� en fonction de débit d'alimentation (M�)..................................................................58
Figure IV.6 : Effet de la pression osmotique efficace en fonction de débit d'alimentation (M�) .........59
Figure IV.7 : feuille de calcul du programme pour M�=1.3 et X�=0.19221.........................................62
Figure IV.8 : Représentation graphique des résultats de la variation de la salinité de flux de perméat
(X�) en fonction du débit de perméat (M�)......................................................................62
Figure IV.9 : Effet de la pression osmotique efficace en fonction du débit de perméat (M�) ..............63
Figure IV.10 : Représentation graphique des résultats de variation de la salinité de flux de perméat
(X�) en fonction de la pression de rejet (P�)..................................................................65
Figure IV.11 : Effet de la pression osmotique efficace en fonction du débit de de rejet (P�)..............66
Figure IV.12 : feuille de calcul du programme pour P� 8300 et X� 0.1394.............................. 68
Figure IV.13 : Représentation graphique des résultats de la variation de la salinité de flux de perméat
(X�) en fonction de la pression d'alimentation (P�)........................................................68
Figure IV.14 : Effet de la pression osmotique efficace en fonction du débit de l’alimentation……...69
Figure IV.15: feuille de calcul du programme pour X�=35000 et X�=0.1012......................................71
Figure IV.16 : Représentation graphique la variation de la salinité de flux de perméat (X�) en fonction
de la salinité de l’alimentation (X�).................................................................................71
Figure IV.17: Effet de la pression osmotique efficace en fonction de la salinité de l’alimentation…..72
Figure IV.18 : feuille de calcul du programme par le modèle de Spécifications du fabricant..............73
Figure IV.19 : feuille de calcul du programme par le modèle de semi-empirique................................73
LISTE DES TABLEAUX
viii
LISTE DES TABLEAUX
Tableau I.1 : Classification des eaux selon la salinité ......................................................................................... 5
Tableau I.2. Principaux sels dissous pour une eau de mer de salinité 35 g/l ........................................................ 6
Tableau I.3. Composition de l’eau de mer : pourcentages en masse des principaux éléments ............................. 8
Tableau I.4. Répartition de la production d’eau dessalée .................................................................................... 9
Tableau Π.1. Prétraitement de l'eau de mer avant osmose inverse ..................................................................... 24
Tableau Π.2 Avantages et inconvénients des membranes organiques ............................................................... 27
Tableau Π.3 Avantages et inconvénients des modules d’osmose inverse .......................................................... 30
Tableau IV.1 : Variation de la salinité de flux de perméat (X�) en fonction du débit d'alimentation (M�) ........... 57
Tableau IV.2 : Variation de la pression osmotique efficace en fonction du débit d’alimentation. ………………57
Tableau IV.3 : Variation de la salinité de flux de perméat (X�) en fonction du débit de perméat (M�)…………. 61
Tableau IV.4 : Variation de la pression osmotique efficace en fonction du débit de perméat ............................. 61
Tableau IV.5: Variation de la salinité de flux de perméat (X�) en fonction de la pression de rejet (P�) .............. 64
Tableau IV.6 : Variation de la pression osmotique efficace en fonction de la Pression de Rejet …………..……65
Tableau IV.7 : variation de Salinité du flux de perméat (X�) en fonction de la pression d'alimentation (P�)...…..67
Tableau IV.8 : Variation de la pression osmotique efficace en fonction de la Pression d’alimentation ……….. 67
Tableau IV.9 : Variation de Salinité du flux de perméat (X�) en fonction de la salinité des alimentations (X�)…70
Tableau IV.10 : Variation de la pression osmotique efficace en fonction de la Pression d’alimentation………...70
Liste des abréviations
ix
Liste des abréviations
PTM Pression transmembranaire
MSF Distillation Multi-stage-flash
MF Microfiltration
UF Ultrafiltration
NF Nanofiltration
ED Electrodialyse
RO Osmose inverse
CFS Coagulation-Floculation-Sédimentation
COT Carbonne Organique Total
OMS Organisation Mondiale de la Santé
TDS Solides Dissous Totaux
CA Membranes d'acétate de cellulose
PA Membranes composites en polyamide
MES matières en suspension
CPF facteur de polarisation de concentration
pH potentiel d’hydrogène
P La pression hydraulique �����
� La pression osmotique �����
� La température ���
SR Le rejet de sel
X Salinité (ppm) �� �⁄ �
R le taux de récupération
M le débit d’eau �� ⁄ �
A la surface de la membrane ���
�� Coefficient de perméabilité de l'eau �� �⁄ ����
�� Coefficient de perméabilité de la membrane pour le sel �� �⁄ �
∆� La différence de pression hydraulique �����
∆� La différence de pression osmotique �����
�� La différence de pression hydraulique moyennes �����
�� La différence de pression osmotique moyennes �����
� Coefficient de transfert de masse � ⁄ �
� Coefficient de réflexion
μ Viscosité dynamique de l'eau �� ⁄ �
��� Coefficient de diffusion du soluté en solution �� ⁄ �
Les indices :
f alimentation
p perméat
b Saumure
s sel
Introduction
Générale
INTRODUCTION GENERALE
1
Introduction générale
L’eau est un élément vital, précieux et rare. Son rôle économique et social est très
important. Sa disponibilité dans le monde diminue et la demande en eau potable de bonne
qualité est de plus en plus forte.
En effet, la population augmente rapidement et les besoins en eau de l’industrie et de
l’agriculture sont de plus en plus élevés.
Les besoins en eau sont principalement répartis entre 4 types de consommation :
� 55% de l'eau consommée sert à fournir de l'énergie (barrage hydroélectrique,
refroidissement des centrales nucléaires, énergie géothermique, etc.),
� 18% est consommée par les particuliers ;
� 15% est utilisée par l'agriculture ;
� 12% est consacrée à un usage industriel [8].
Entre 1950 et 1990, la demande globale en eau a triplé et elle ne cesse d’augmenter.
Si la tendance actuelle se maintient, d’ici une trentaine d’années, la demande en eau
pourrait dépasser les quantités disponibles … il n’y aura simplement pas assez d’eau de
pluie pour combler nos besoins.
Nous avons besoin de plus d’eau dès maintenant. Selon les Nations Unies, disposer
d’eau est un droit humain, ce qui signifie que chacun devrait avoir facilement accès – tant
géographiquement que financièrement - à des quantités suffisantes d’eau potable et à des
installations sanitaires. La crise de l'eau potable annoncée pour les années 2000-2020
relance fortement l'intérêt de développer rapidement des techniques de dessalement moins
chères, plus simples, plus robustes, plus fiables, si possible moins consommatrices
d'énergie et respectant l'environnement. D’après, que ce qu’on a vu ci-dessus, le
dessalement de l’eau de mer et celui des eaux saumâtres constitue depuis plusieurs
décennies la solution à la pénurie d’eau dans nombreuses parties du monde.
Les technologies membranaires ont conquis, en l'espace de 3 décennies, une place de
choix dans le domaine du traitement de l'eau. Si aujourd'hui moins de 1% de l'eau potable
distribuée dans le monde est produite par un procédé faisant intervenir l'ultra ou la
microfiltration, plus d'une usine sur deux construite en 2011 fait intervenir une technologie
INTRODUCTION GENERALE
2
membranaire. De la même manière, le dessalement d'eau de mer par osmose inverse, mis
au point dans les années 60, représente plus de la moitié de la capacité de production
mondiale d’eau potable, ayant dépassé les procédés thermiques en 2009. La raison à cela
est une consommation énergétique par mètre cube d'eau dessalée environ 7 fois inférieure
en osmose inverse qu'en évaporation multiple effets. Ces quelques chiffres démontrent la
viabilité industrielle de ces procédés, qualifiés jusqu'il y a encore récemment de
"technologies nouvelles". Aujourd'hui, une amélioration constante des matériaux et une
meilleure conduite des procédés contribuent à diminuer les coûts de fonctionnement et à
fiabiliser les installations de traitement.
La séparation par membrane est une opération unitaire de séparation appliquée dans
les procédés de purification et de transfert de matière sélectif. En ce sens, elle est employée
notamment pour la production d’eau potable, fournissant une barrière de rétention aux
micropolluants, et le traitement d’effluents, en particulier des eaux usées industrielles, pour
le recyclage de solutés à valoriser et la limitation des rejets. Les procédés membranaires
sont intégrés dans les filières du traitement de l’eau à 2 niveaux. Ils peuvent constituer
l’opération centrale et principale du traitement, en particulier en dessalement.
Alternativement, les procédés membranaires peuvent être couplés, entres autres, à des
opérations unitaires de sorption, d’oxydation et/ou traitement biologique, notamment pour
le traitement des eaux résiduaires urbaines. L’intensification des applications pour les
procédés membranaires en traitement de l’eau est portée par la recherche et le
développement dans la synthèse et fonctionnalisation de matériaux formant la surface
active d’une membrane et l’industrialisation de membranes avec la conception de modules
membranaires de différentes géométries adaptées. De ce fait, une large gamme de modules
membranaires est actuellement commercialisée. Elle couvre une sélectivité allant de
l’échelle du micromètre, pour la rétention de matière colloïdale et de microorganismes, à
l’échelle atomique, pour le traitement des eaux saumâtres et de mer, envisagé pour
l’extraction de molécules d’intérêt (principes actifs en pharmaceutique) ou la rétention de
molécules cancérigènes ou toxiques pour l’environnement présentes en concentration de
l’ordre du µ g.L-1.
La technique de dessalement peut traiter les eaux de différentes origines : l’eau de
mer (dont la concentration en sels varie entre 35.000 à 49.000 ppm), l’eau saumâtre et
l’eau souterraine (où la concentration varie de 1.000 à 10.000 ppm), l’eau de drainage,
l’eau usée, l’eau polluée par les métaux lourds, et l’eau polluée par les radioactifs.
INTRODUCTION GENERALE
3
L’eau dessalée peut être destinée vers de nombreux domaines comme : la
consommation humaine, l’industrie, l’irrigation, production de l’eau embouteillée,
production de l’eau distillée, secteur de tourisme (hôtellerie)…etc.
Les techniques de dessalement utilisées sont nombreuses et diversifiées. Les plus
largement utilisées (vis à vis le rapport technico-économique) sont deux :
� Le dessalement par distillation à détente étagée (MSF).
� Et le dessalement par osmose inverse (RO).
Le choix de la première technique est limité généralement pour les centrales à double
fin : c'est-à-dire qu’elle n’est fiable que dans le cas où la station à envisager, est à la
proximité d’une centrale énergétique où les déchets thermiques (chaleur) produits sont
abondantes en quantité suffisante.
Dans tous les autres cas : la technique de dessalement par osmose inverse représente
le choix le plus raisonnable et le plus économique. Cette dernière produise plus de 40% de
la production mondiale en matière de dessalement.
Ce mémoire présente l'ensemble des travaux ainsi réalisés en quatre chapitres
successifs. Le premier chapitre situe le cadre du mémoire. Elle dresse un rappel ou une
présentation des connaissances générales sur le dessalement de l'eau de mer et leurs
différents procédés les plus apportées.
Dans le deuxième chapitre, nous rassemblons une description de procédé d'osmose
inverse auxquels nous avons eu recours lors de cette étude.
En ce qui concerne le troisième chapitre, nous étudierons une caractérisation et une
modélisation des paramètres de performance, ainsi nous avons mentionnés les équations et
les termes formant le modèle d’osmose inverse simple. Les équations sont utilisées à la
conception et le développement d’un programme numérique à l’aide de Visual Basic 10
comme langage de programmation. Enfin, le dernier chapitre montre l'ensemble des
résultats obtenus sous forme des graphes avec leurs interprétations.
La conclusion générale de ce mémoire reprend les principaux résultats trouvés, ainsi
que les remarques générales à l’égard de ceux-ci.
CHAPITRE I
GENERALITE
SUR LE PROCEDE
DE DESSALEMENT
ET TECHNIQUES DE
TRAITEMENTS DES
EAUX DE MER
CHAPITRE I GENERALITE
4
CHAPITRE I
GĔNĔRALITE SUR LE PROCĔDĔ DE DĔSSALEMENT ET
TECHNIQUES DE TRAITEMENTS DES EAUX DE MER
I.1 Introduction
L'eau est abondante sur terre, elle représente 1380 millions de km3. L'essentiel
toutefois est constitué d'eau de mer (97,2 %) et de glace (2,15 %) inutilisables directement.
L'eau douce, facilement disponible (lacs, fleuves, certaines eaux souterraines), ne
représente que 0,07 % de la ressource totale soit environ un million de km3. Mais la
répartition de cette eau est très inégale. En effet, dix pays se partagent 60 % des réserves
d'eau douce et vingt-neuf autres principalement en Afrique et au Moyen-Orient, sont au
contraire confrontés à une pénurie chronique d'eau douce. Dans ces pays, selon le Water
Ressources Institute, 250 millions d'individus, ne disposent pas aujourd'hui du minimum
vital d'eau défini à 1000 m3 par habitant et par an. 400 millions de personnes vivent en
situation de stress hydrique, estimé entre 1000 et 2000 m3 par habitant et par an. Et on
estime que 2,5 milliards de personnes pourraient souffrir du manque d'eau en 2050
compte-tenu de l'évolution de la démographie et de l'augmentation des consommations
d'eau.
Pour faire face à cette pénurie annoncée d'eau, de nouvelles techniques de
production d'eau potable devront être mises en place pour satisfaire les besoins de la
population croissante. Une des techniques prometteuses pour certains pays est le
dessalement de l'eau de mer ou des eaux saumâtres. Ces techniques de dessalement,
opérationnelles depuis de nombreuses années, font face à un coût de production (de 1 à 2
euros/m3, selon la technique utilisée) qui limite souvent leur utilisation aux pays riches [1].
Cependant dans les dernières années, la capacité des usines de dessalement s'est
fortement accrue et les coûts de production par m3 ont connu une forte diminution.
CHAPITRE I GENERALITE
5
I.2 Définitions et historique
I.2.1 Définitions
Le dessalement de l'eau, également appelé dessalage ou désalinisation est un processus
qui permet de retirer le sel de l'eau de mer ou des eaux saumâtres pour la rendre potable.
Une eau saumâtre est une eau salée non potable de salinité inférieure à celle de l'eau de
mer. La plupart des eaux saumâtres contiennent entre 1 et 10 g de sels par litre. Ce sont
parfois des eaux de surface mais le plus souvent des eaux souterraines qui se sont chargées
en sels en dissolvant certains sels présents dans les sols qu'elles ont traversés. Leur
composition dépend donc de la nature des sols traversés et de la vitesse de circulation dans
ces sols. Les principaux sels dissous sont le CaCO3, le CaSO4, le MgCO3 et le NaCl.
Une eau de mer nomme précisément des eaux marines côtières ou situées plus au large
dans la mer ou l'océan, dans laquelle la salinité est maximale. La salinité moyenne de l’eau
de mer est de l’ordre de 35 g/l, cependant cette valeur varie fortement selon les régions et
la saison : Mer Baltique : 7g/l, Mer méditerranée : 36 à 39 g/l, Golfe Persique : 40 à 70 g/l,
Mer morte : 270 g/l [2].
Le pH moyen des eaux de mer varie entre 7,5 et 8,4 (l'eau de mer est un milieu
légèrement basique), et leur pression osmotique d’environ 26 bars.
Lorsqu’on classe les eaux en fonction des quantités de matières dissoutes qu’elles
contiennent, on obtient les données présentées au tableau I.1.
Tableau I.1 : Classification des eaux selon la salinité [3].
Type d’eau Salinité (mg/L)
Eau douce
Eau légèrement saumâtre
Eau modérément saumâtre
Eau très saumâtre
Eau de mer
< 500
1 000 – 5 000
5 000 – 15 000
15 000 – 35 000
35 000 – 42 000
L'eau de mer est composée d'eau et de sels, ainsi que de diverses substances en faible
quantité. Si plus des deux tiers des 94 éléments chimiques naturels sont présents dans l'eau
de mer, la plupart le sont en faible quantité et difficilement décelables. (Voir la figure I.1)
CHAPITRE I
Figure I.1
Tableau I.2 : Principaux sels dissous pour une eau de mer de salinité
Anions
Chlorure (Cl−)
Sulfate (SO42−)
Hydrogénocarbonate
Bromure (Br−)
Carbonate (CO32−)
Fluorure (F−)
Hydroxyde (HO−)
Cations
Ion sodium (Na+)
Ion magnésium (Mg2+
Ion calcium (Ca2+)
Figure I.1 : Principaux composants de l’eau de mer
Principaux sels dissous pour une eau de mer de salinité
Anions g/kg
19.3524
2.7123
(HCO3−) 0.1080
0.0673
0.0156
0.0013
0.0002
Cations g/kg
10.7837
2+) 1.2837
0.4121
GENERALITE
6
Principaux sels dissous pour une eau de mer de salinité 35 g/l
mol/kg
0.54586
0.02824
0.001770
0.000842
0.000260
6.84 10-5
1.2 10-5
mol/kg
0.46907
0.05282
0.01028
CHAPITRE I GENERALITE
7
Ion potassium (K+) 0.3991 0.01021
Ion strontium (Sr2+) 0.0079 9.02 10-5
Ion lithium (Li+) 1.73 10-4 2.49 10-5
Ion rubidium (Rb+) 1.20 10-4 1.404 10-6
Ion baryum (Ba2+) 2.0 10-5 1.46 10-7
Ions polyatomiques dont molybdène 1.0 10-5 1.04 10-7
Ions polyatomiques dont uranium 3.3 10-5 1.39 10-8
Ions polyatomiques dont vanadium 1.9 10-6 3.73 10-8
Ion fer (Fe2+ ; Fe3+) 1.3 10-6 2.33 10-8
Ions polyatomiques dont titane 1.0 10-6 2.09 10-8
Ion aluminium (Al3+) 1.0 10-6 3.71 10-8
Autres espèces g/kg mol/kg
Eau (H2O) 965 53.57
Acide borique (B(OH)3) 0.0198 0.000320
Tétrahydroxyborate (B(OH)4−) 0.0079 0.000100
Dioxyde de carbone (CO2) 4.0 10-4 9.09 10-6
CHAPITRE I GENERALITE
8
Tableau I.3 : Composition de l’eau de mer : pourcentages en masse des principaux éléments
Éléments % En masse Éléments % En masse
Oxygène (O) 85.84 Soufre (S) 0.0905
Hydrogène (H) 10.82 Calcium (Ca) 0.041
Chlore (Cl) 1.935 Potassium (K) 0.040
Sodium (Na) 1.078 Brome (Br) 0.0067
Magnésium (Mg) 0.1284 Carbone (C) 0.00245
I.2.2 Historique
Compte tenu de la situation actuelle de pression démographique et de réchauffement
climatique, le dessalement est une technique intéressante au vu de l’abondance de la
matière première : l’eau de mer et les eaux saumâtres. Cette technique aujourd’hui à
l’échelle industrielle tient ses origines des longues dates avant JC.
− Dès le IVe siècle avant JC, Aristote observe le principe de distillation et le conseille aux
marins pour produire de l’eau douce à partir des « bouilloires ».
− Les premiers procédés industriels ont été mis au point dans les années 60
− 1978 : mise en service de la première unité de dessalement de l’eau de mer par osmose
inverse, à Djeddah en Arabie Saoudite.
− Au 1er janvier 2000, 13 600 usines de dessalement fonctionnaient dans plus de 120 pays
et totalisaient une capacité installée au niveau mondial d’environ 26 millions de m3/jour.
− De nos jours on assiste à une très forte augmentation (+10% par an) du volume d’eau
produit par dessalement : 52 millions m3/jour, soit 42 millions pour les eaux de mer et 10
millions pour les eaux saumâtres [2].
Les usines de dessalement se multiplient dans de nombreux pays (Libye, l’Australie,
la Grande Bretagne) ; surtout dans les pays en prise à des pénuries d’eau (Algérie, Libye,
pays du golfe) mais aussi dans les pays d’Europe du sud (Espagne, Italie, Grèce) et aux
États-Unis.
CHAPITRE I GENERALITE
9
Tableau I.4 : Répartition de la production d’eau dessalée [2]
Historiquement, les pays du golfe ont été les premiers à utiliser le dessalement et sont
actuellement les plus gros producteurs d’eau dessalée dans le monde. Certains pays comme
le Qatar dépendent même à 95% de cette ressource. En Europe, c’est l’Espagne qui est de
loin le premier pays producteur d’eau dessalée [2].
I.3 Evolution des procédés de dessalement dans le monde
Depuis le premier colloque européen sur le dessalement (Athènes 1962) jusqu’à nos
jours, les techniques de dessalement n’ont cessé de se développer ; des milliers d’unités de
dessalement ont été construite dans les différentes pays notamment au moyen orient ou la
capacité de production d’eau dessalée représente 80% de la production mondiale ; l’Arabie
Saoudite détient à elle seule 40% de la production mondiale [3].
I.4 Expérience Algérienne dans le dessalement
L'expérience algérienne en matière de dessalement des eaux est étroitement liée au
développement de l'industrie et tout particulièrement de l'industrie pétroliers et
sidérurgique. Le recours au dessalement en vue d'un usage destiné exclusivement à
l'alimentation de la population en eau potable est qua-inexistant. Néanmoins une seule
expérience a été tentée dans une situation où il n'existait aucune autre solution. Il s'agit de
l'unité de déminéralisation d’Oueled Djellal dans la wilaya de Biskra (Sud-est Algérien).
En 1969, une autre installation avue le jour à Arzeui avec une capacité de production de
4560m3/j. La première station de dessalement de l’eau de mer par osmose inverse a été
installée le 17 janvier 2007 par l’entreprise de traitement hydraulique (hydrotraitement) au
niveau de la wilaya de Boumerdès. Il y'a également quelque installation qui sont de faible
CHAPITRE I GENERALITE
10
capacité de quelques dizaines à quelques certaines de mètre cube par jour. En se référant à
l'expérience des 10 dernières années quelle que soit l'évolution du le pluviomètre et les
améliorations attendues par les ouvrages en coure de réalisation, il a été retenu de faire
appel au dessalement de l'eau de mer.
Au Nord-Ouest Algérien, la Wilaya de Tipaza a fait l’objet de l’installation d’une
station de dessalement d’eau de mer, dans la région de Fouka sur une superficie de 10 ha.
Elle va couvrir les besoins de 17 communes avec un volume affecté de 60 000 m3 pour une
population totale estimée à 476 372 habitants. Cette station est la troisième du genre
inscrite dans la wilaya de Tipasa après celle de Bou Ismail (5000 m3) et d’Oued Sebt (100
000 m3/jour), elle utilisera la technique dite de l'osmose inverse pour dessaler l'eau de mer.
Sa capacité journalière de dessalement est de 120 000 m3, dont 60 000 m3 destinés à Alger
et 60 000 m3 seront réservés à la wilaya de Tipaza qui a déjà achevé le raccordement en
aval de la station pour alimenter en eau potable les autres communes voisines.
L’unité de dessalement de Fouka a pour but de produire l’eau douce pour la
consommation humaine.
La technique du dessalement se sera généralisée entraînant une baisse généralisée
des coûts, il pourra être envisage d'augmente de manière significatif les capacités de
production. L'Algérie est programme que les capacités de production entre 2005 et 2010,
est 1890000 m3/j [4,5].
Figure I.2 : Vue générale de la station de dessalement de Fouka.
CHAPITRE I GENERALITE
11
I.5 Les paramètres de choix d'un procédé de dessalement
Pour obtenir une eau potable : ils y'a plusieurs méthodes des traitements, on peut
Choisir d'un procédé de dessalement selon les paramètres suivants :
� Composition chimique de l'eau à traiter, particulièrement dans le cas des eaux
saumâtres ;
� Salinité des eaux produites, selon le l'usage qui en sera fait, elle peut varie de 300 -
500 ppm pour l'approvisionnement en eau potable et à 15 - 30 ppm pour
l'alimentation en eau industrielle ;
� Durée de vie de l'unité ;
� Impact sur l'environnement ;
� Le choix d'un procédé de dessalement reste tributaire du coût du m³ d'eau produit
[3].
I.6 Organisation générale des installations
La plupart des usines sont organisées selon le schéma suivant [6] :
1) Une unité de pompage : La plupart du temps, on pompe l'eau de mer mais parfois,
des eaux souterraines qui peuvent présenter une salinité qui les rend impropres à la
consommation.
2) Une unité de décantation : constituée de grandes cuves permettant le dépôt des
impuretés les plus denses.
3) Une pompe de précharge : avec crépine, filtre.
4) Une unité de désalinisation : qui peut fonctionner selon 3 principes physiques
différents : la distillation - l'osmose inverse - l'électrodialyse.
5) Une unité de traitement des eaux usées : (généralement par floculation et filtration)
avant rejet.
6) Une source d'énergie, nécessaire notamment au pompage, à la mise sous pression
de l'eau, etc... Elle peut être, par ordre décroissant d'investissement.
CHAPITRE I GENERALITE
12
Figure I.3 : Installation de l’opération de dessalement.
I.7 Les différentes techniques de dessalement des eaux de mer
Pour dessaler l’eau il existe diverses techniques ; adaptables selon la nature de l’eau
à dessaler, l’environnement et les besoins à pouvoir [7].
Les technologies actuelles sont classées en deux catégories, selon le principe appliqué :
� Procédés thermiques faisant intervenir un changement de phases : la congélation et
la distillation.
� Procédés utilisant des membranes : l'osmose inverse, l'électrodialyse,
microfiltration, ultrafiltration, nanofiltration.
Parmi ces procédés, la distillation et l'osmose inverse sont ceux dont les
performances ont été prouvées pour le dessalement et sur lesquels nous allons nous
attarder. Les autres procédés pourront être présentés en annexe et selon l’importance. Quel
que soit le procédé de séparation du sel et de l'eau envisagé, toutes les installations de
dessalement comportent quatre étapes :
- Une prise d'eau de mer avec une pompe et une filtration grossière ;
CHAPITRE I GENERALITE
13
-Un pré-traitement avec une filtration plus fine, l'addition de composés biocides et de
produits anti-tarte ;
- Le procédé de dessalement lui-même ;
- Le post-traitement avec une éventuelle reminéralisation de l'eau produite.
A l'issue de ces 4 étapes, l'eau de mer est rendue potable ou utilisable
industriellement, elle doit alors contenir moins de 0.5g de sels par litre.
I.8 Les procédés membranaires de dessalement des eaux de mer
Les procédés membranaires qui seront explicités sont des procédés baro-
membranaires, c’est à dire que la force motrice à l’origine du transfert de la matière à
travers la membrane est due à la différence de pression de part et d’autre de la membrane,
également définie comme la pression transmembranaire (PTM). Les membranes qui
fonctionnent sous cette force motrice sont au nombre de quatre : microfiltration,
ultrafiltration, nanofiltration, électrodialyse et osmose inverse. La pression appliquée est
croissante de la microfiltration à l’osmose inverse.
Figure I.4 : Représentation schématique d’un procédé de séparation membranaire
I.8.1 microfiltration (MF)
La microfiltration se classe dans les procédés nécessitant une faible pression
transmembranaire pour leur mise en œuvre (< 1 bar). Toutefois, la microfiltration
s’applique plutôt à la clarification de suspensions contenant des particules solides ou des
macromolécules de dimension colloïdale (0,1 à 20 µm) [18]. Les membranes utilisées ont
des tailles de pores variant entre 0,1 et 10 µm [19].
CHAPITRE I
I.8.2 Ultrafiltration (UF)
Contrairement à l’osmose inverse et à la nanofiltration qui effectuent une séparation
à haute pression transmembranaire, l’ultrafiltration est une opération de filtration
membranaire conduite à faible pression transmembranaire de l’ordre de quelques
(entre 1 et 5 bar) [20]. Elle repose sur l’utilisation de membranes microporeuses avec des
diamètres de pores de 1 et 100 nm. De telles membranes laissent passer les petites
molécules (eau, sels) et arrêtent les molécules de masse molaire élevée (p
protéines, colloïdes) [8].
Pour cette raison, cette technique est utilisée pour l’élimination de macrosolutés
présents dans les effluents ou dans l’eau à usage domestique, industriel
médical. (Voir la figure I.6)
Figure I.5 : Principe de la microfiltration
Contrairement à l’osmose inverse et à la nanofiltration qui effectuent une séparation
à haute pression transmembranaire, l’ultrafiltration est une opération de filtration
membranaire conduite à faible pression transmembranaire de l’ordre de quelques
Elle repose sur l’utilisation de membranes microporeuses avec des
1 et 100 nm. De telles membranes laissent passer les petites
sels) et arrêtent les molécules de masse molaire élevée (p
Pour cette raison, cette technique est utilisée pour l’élimination de macrosolutés
présents dans les effluents ou dans l’eau à usage domestique, industriel
)
Figure I.6 : Principe de l’ultrafiltration
GENERALITE
14
Contrairement à l’osmose inverse et à la nanofiltration qui effectuent une séparation
à haute pression transmembranaire, l’ultrafiltration est une opération de filtration
membranaire conduite à faible pression transmembranaire de l’ordre de quelques bars
Elle repose sur l’utilisation de membranes microporeuses avec des
1 et 100 nm. De telles membranes laissent passer les petites
sels) et arrêtent les molécules de masse molaire élevée (polymères,
Pour cette raison, cette technique est utilisée pour l’élimination de macrosolutés
présents dans les effluents ou dans l’eau à usage domestique, industriel (électronique) ou
CHAPITRE I
I.8.3 Nanofiltration (NF)
Cette technique se situe entre l’osmose inverse et l’ultrafiltration. Elle permet la
séparation de composants ayant une taille en solution voisine de celle du nanomètre (soit
10 Å) d’où son nom. Les sels ionisés monovalents et les composés organiques non i
de masse molaire inférieure à environ 200
membrane. Les sels ionisés multivalents (calcium, magnésium, aluminium, sulfates…) et
les composés organiques non ionisés de masse molaire supérieure à environ
sont, par contre, fortement
sont légèrement inférieures à celles appliquées en osmose inverse
I.8.4 Electrodialyse (ED)
Cette méthode repose, elle aussi, sur une séparation sels
membrane semi-perméable mais le principe physique utilisé est différent.
transfert des ions à travers une membrane qui leur est perméable
électrique. La figure I.8 ci-dessous schématise l'opération
Dans l’électrodialyse, on intercale alternativement des membranes filtrantes soit
imperméables aux anions et perméables aux cations, soit imperméables aux cations et
perméables aux anions. On obtient ainsi une série de compartiments à forte concentration
de sels et d’autres à faible concentration.
Cette technique se situe entre l’osmose inverse et l’ultrafiltration. Elle permet la
séparation de composants ayant une taille en solution voisine de celle du nanomètre (soit
10 Å) d’où son nom. Les sels ionisés monovalents et les composés organiques non i
de masse molaire inférieure à environ 200 - 250 g/mol ne sont pas retenus par ce type de
membrane. Les sels ionisés multivalents (calcium, magnésium, aluminium, sulfates…) et
les composés organiques non ionisés de masse molaire supérieure à environ
sont, par contre, fortement retenus [8]. Les pressions transmembranaires mises en œuvre
eures à celles appliquées en osmose inverse (entre 10 et 40 bar)
Figure I.7 : Principe de la nanofiltration
Cette méthode repose, elle aussi, sur une séparation sels-eau en faisant appel à une
perméable mais le principe physique utilisé est différent.
transfert des ions à travers une membrane qui leur est perméable, sous l'effet d'un champ
dessous schématise l'opération
Dans l’électrodialyse, on intercale alternativement des membranes filtrantes soit
imperméables aux anions et perméables aux cations, soit imperméables aux cations et
perméables aux anions. On obtient ainsi une série de compartiments à forte concentration
de sels et d’autres à faible concentration.
GENERALITE
15
Cette technique se situe entre l’osmose inverse et l’ultrafiltration. Elle permet la
séparation de composants ayant une taille en solution voisine de celle du nanomètre (soit
10 Å) d’où son nom. Les sels ionisés monovalents et les composés organiques non ionisés
250 g/mol ne sont pas retenus par ce type de
membrane. Les sels ionisés multivalents (calcium, magnésium, aluminium, sulfates…) et
les composés organiques non ionisés de masse molaire supérieure à environ 250 g/mol
Les pressions transmembranaires mises en œuvre
(entre 10 et 40 bar) [20].
eau en faisant appel à une
perméable mais le principe physique utilisé est différent. Il désigne le
, sous l'effet d'un champ
Dans l’électrodialyse, on intercale alternativement des membranes filtrantes soit
imperméables aux anions et perméables aux cations, soit imperméables aux cations et
perméables aux anions. On obtient ainsi une série de compartiments à forte concentration
CHAPITRE I GENERALITE
16
L’électrodialyse est bien adaptée aux eaux saumâtres dont la salinité est assez faible,
inférieure à celle de l’eau de mer. C'est une technique assez peu consommatrice en énergie
mais elle ne convient qu'à la faible préparation de liquide [19].
Figure I.8 : Schéma de principe d'une unité d’électrodialyse
I.8.5 Osmose inverse (RO)
Typiquement utilisée pour le dessalement de l’eau de mer ou la déminéralisation des
eaux saumâtres. L’osmose inverse est un procédé de séparation de l’eau et des sels dissous
au moyen de membranes semi-perméables sous l’action de la pression (54 à 80 bars pour le
traitement de l’eau de mer). Ce procédé fonctionne à température ambiante et n’implique
pas de changement de phase. Les membranes polymères utilisées laissent passer les
molécules d’eau et ne laissent pas passer les particules, les sels dissous, les molécules
organiques de 10-7 mm de taille.
L’énergie requise par l’osmose inverse et uniquement celle électrique consommée
principalement par les pompes haute pression.
La teneur en sels de l’eau osmosé est de l’ordre de 0.5 g. l-1.
L'écoulement s'effectue en continue tangentiellement à la membrane, une partie de la
solution à traiter se devise au niveau de la membrane en deux parties de concentration
différent :
CHAPITRE I GENERALITE
17
- Une partie passe à travers la membrane (perméat).
- Une partie qui ne passe pas appeler concentrât ou retentât qui contient les
particules retenues par la membrane [9].
Le principe de fonctionnement est représenté schématiquement sur la figure I.9
Figure I.9 : Principe de l’osmose inverse [10].
I.9 Choix d’un procédé membranaire
La figure I.10 simplifiée suivante permet de mieux comprendre comment
sélectionner le meilleur procédé à membranes selon des critères de qualité et de traitement
donnés.
CHAPITRE I GENERALITE
18
Figure I.10 : Sélection d’un procédé membranaire [21].
I.10 Les inconvénients de dessalement
� Coût énergétique élevé.
� Rejet des saumures concentrées au double de la salinité naturelle en mer ou injectées
dans le sol.
� Rejet d'eaux chaudes en mer dans le cas de la distillation.
� Emploi de produits chimiques pour nettoyer les membranes (chlore).
� Traces de cuivre échappées des installations ; corrosion chimique des installations de
tuyauteries.
CHAPITRE I GENERALITE
19
� Aucune législation spécifique concernant la potabilité de l’eau issue de ces traitements.
� Le captage de l'eau en mer peut modifier les flux maritimes.
� Risque de dégâts en fonds marins au niveau de la faune et de la flore [11].
I.11 Conclusion
Toutes les techniques de dessalement sont très intéressantes au vu de leurs
performances et de leur rentabilité, notamment grâce aux innovations techniques des 10
dernières années qui ont déclenché une baisse de coûts de dessalement significative et une
augmentation globale de la puissance des usines à dessalement. Rendre potable ces
millions de km3d’eau de mer a toujours été une perspective plaisante pour l’homme et
grâce à toutes ces nouveaux techniques procédés cela nous est désormais rendu possible
tout en étant rentable.
Le dessalement est une technologie d’avenir c’est vrai, mais plutôt en cas de dernier
recours et quand aucune autre solution n’est possible. Les gouvernements devraient donc
éviter de se détourner de solutions de rechange moins coûteuse et moins agressives comme
l’économie d’eau et recyclage des eaux usées.
Les techniques de dessalement sont multiples et chacune d’elles possède des
avantages et des inconvénients. Actuellement la technique d’osmose inverse s’impose peu
à peu et concurrence les procédés de distillation et d’électrodialyse, C’est pourquoi nous
avons choisi pour notre thème la technique de l’Osmose inverse qui, à priori, semble la
moins couteuse, peu polluante et offrant une eau de qualité meilleure.
CHAPITRE Π
DESSALEMENT
DE L’EAU DE MER PAR
OSMOSE INVERSE
CHAPITRE Π DĔSSALEMENT DE L’EAU DE MER PAR OSMOSE INVERSE
20
CHAPITRE Π
DĔSSALEMENT DE L’EAU DE MER PAR
OSMOSE INVERSE
Π.1 Introduction
De nos jours, le dessalement de l’eau de mer et les eaux saumâtres est une nécessité
pour les régions en situation de pré-stress hydrique. Les procédés membranaires sont
particulièrement bien adaptés dans le cas d’une charge organique faible. Parmi ces
procédés, l’osmose inverse est relativement facile à mettre en œuvre. C’est une technique
très utilisée notamment pour le dessalement de l’eau de mer où on peut retirer 70% d’eau
consommable de l’eau de mer.
Π.2 Installation de dessalement par osmose inverse
Une installation de dessalement d’eau de mer peut être schématiquement subdivisée
en 4 postes :
� La captation de l’eau de mer ;
� L e prétraitement ;
� L’installation de dessalement proprement dite, le procédé utilisé est l'osmose
inverse (éventuellement couplée à la nanofiltration) ;
� Le post-traitement ou minéralisation.
Figure Π.1 : Schéma général d'une installation de dessalement [12].
CHAPITRE Π DĔSSALEMENT DE L’EAU DE MER PAR OSMOSE INVERSE
21
Π.2.1 Captation d’eau de mer
Consiste à pomper l’eau de mer vers la station de dessalement, cette eau doit être
bonne du point de vue matières en suspension. Sont utilisés dans cette étape deux types de
technologies :
� Les forages côtiers : soit verticaux soit sous forme de galeries horizontales
permettant d’obtenir une eau de très bonne qualité et relativement stables.
� La prise d’eau de surface : peut être faite en pleine mer. Dans le cas idéal, le
captage doit être effectué en zone profonde, éloigné de la côte, protégé des
pollutions et des forts courants [12].
Π.2.2 Prétraitement
Le prétraitement de l’eau de mer avant osmose inverse est absolument nécessaire car
les membranes d’osmose inverse sont très sensibles au colmatage et une bonne qualité de
l’eau en entrée des modules d’osmose inverse est indispensable pour assurer des
performances stables de l’osmose inverse sur le long terme.
Le procédé de prétraitement peut être divisé en cinq étapes principales [13] :
1. Chloration
2. Clarification
3. Prévention de l'entartrage
4. Déchloration
5. Filtration sur cartouches
Figure Π.2 : Etapes du prétraitement avant osmose inverse [13].
CHAPITRE Π DĔSSALEMENT DE L’EAU DE MER PAR OSMOSE INVERSE
22
Π.2.2.1 Chloration
La chloration a pour objectif l'inactivation des micro-organismes (bactéries
principalement) mais aussi micro-algues, champignons, qui, outre le fait que certains
peuvent être pathogènes, sont à l'origine d'un colmatage important des membranes appelés
biofouling :
• Soit directement par le développement d'une biomasse.
• Soit indirectement par les métabolites produits par les micro-organismes.
La prolifération des organismes vivants est bloquée par un procédé de désinfection.
Sinon, cela peut conduire à l’obstruction des canalisations ou au colmatage des
membranes. Le procédé le plus répandu consiste à injecter du chlore, réactif dont le
stockage et la manipulation exigent des précautions strictes. Le chlore dissous dans l’eau
libère l’ion hypochloreux (HClO-), qui est l’agent actif de la stérilisation. Pour éliminer le
danger lié au chlore, on peut lui substituer l’hypochlorite de sodium (eau de Javel).
Π.2.2.2 Clarification de l’eau brute
Une étape de CFS (Coagulation Floculation Sédimentation) est nécessaire afin
d'éliminer les matières en suspension et une partie du COT (Carbonne Organique Total) [12] :
• Coagulation
La coagulation a pour objectif de neutraliser les colloïdes, en général chargés
négativement, par des composés de deux métaux lourds Al3+ et Fe3+ :
- chlorure ferrique FeCl3
- sulfate ferrique Fe(SO4)3
- sulfate d'aluminium Al2(SO4)3,14 H2O
• Floculation
Elle consiste à agglomérer sous forme de flocs les particules colloïdales neutralisés
auparavant par coagulation. Les membranes s'osmose inverse étant chargé négativement, il
est recommandé d'utiliser des floculants anioniques ou non ioniques.
• Sédimentation
La sédimentation ou décantation est peu utilisée en prétraitement avant osmose inverse.
CHAPITRE Π DĔSSALEMENT DE L’EAU DE MER PAR OSMOSE INVERSE
23
• Filtration sur sable
La filtration sur sable peut être effectuée sous pression ou de façon gravitaire. La filtration
sous pression est utilisée en général pour les débits faibles et moyens (les vitesses de
filtration sont d'environ 10 à 15 km/h) alors que la filtration gravitaire est utilisée pour les
débits plus élevés (les vitesses de filtration sont d'environ 5 à 8 km/h).
Π.2.2.3 Prévention de l'entartrage
L'entartrage des équipements doit être éviter. La méthode la plus utilisée pour éviter
les tartre (CaCO3, CaCO4, 2 H2O...) dans les modules d'osmose inverse consiste à injecter
dans l'eau brute des inhibiteurs d'entartrage ou antitartres. Les produits utilisés sont :
Les polyphosphates et les polymères carboxyliques [12].
Π.2.2.4 Déchloration
Compte tenu de la sensibilité des membranes d'osmose inverse
en polyamide (membranes les plus utilisés actuellement), il est indispensable d'assurer
une déchloration de l'eau de mer en amont de l’osmose proprement dite. Du bisulfite de
sodium est ajouté afin de réduire le chlore [12] :
NaHSO3 + Cl2+H2O = NaHSO4 + 2HCl
C'est la solution la plus utilisée car elle est efficace et d'un coût relativement faible.
Π.2.2.5 Filtration de sécurité sur cartouches
Dans tous les cas, une installation d'osmose inverse doit être protégé par une
filtration de sécurité sur cartouches aux environs de 5 µm.
Le tableau Π.1 donne la description d'un prétraitement relativement complet pour
une unité de dessalement d'eau de mer par osmose inverse :
CHAPITRE Π DĔSSALEMENT DE L’EAU DE MER PAR OSMOSE INVERSE
24
Tableau Π.1 : Prétraitement de l'eau de mer avant osmose inverse [12].
1. Chloration Traitement choc : 7 à 8 ppm de chlore pendant 1 h toutes les semaines
2. Coagulation FeCl3 : dose = 10 g/m3
3. Floculation Polyélectrolyte anionique ou non anionique
Dose = 1 à 5 g/m3
4. Filtration sur sable Filtre bicouche sous pression
Vitesse de filtration de 10 à 15 m/h
5. Acidification H2SO4 : 20 - 25 g/m3
6. Déchloration NaHSO3 : 5- 10 g/m3
7. Antitartre Polymères carboxyliques : dose = 1g/m3
8. Filtration sur cartouches
Cartouches à base de propylène 5 µm
Π.2.3 Osmose inverse
Π.2.3.1 Principe de l’osmose inverse
L'osmose inverse est un procédé de séparation en phase liquide par perméation à
travers des membranes semi-sélectives sous l'effet d'un gradient de pression.
L’osmose inverse utilise des membranes denses pour retenir la majorité des solutés et
ne laisser passer que le solvant (l’eau, en général). Le principe repose sur l’application,
côté alimentation, d’une pression supérieure à la différence de pression osmotique du
retentât et du perméat pour forcer le solvant à passer à travers la membrane. Les pressions
appliquées sont comprises entre 30 et 80 bar [22].
Une membrane semi-sélective ou semi-perméable est une membrane imperméable
aux corps dissous (ionique ou non) et perméable au solvant.
CHAPITRE Π
Figure
A : Le niveau est identique dans les deux compartiments,
B : A l'équilibre, une différence de niveau s'établit, c'est la pression osmotique
C : Lorsqu’on applique une pression
vers 1 et les sels restent bloqués dans le compartiment 2.
Π.2.3.2 Schéma général d'une installation d'osmose inverse
Les principaux constituants d'une installation
- membrane proprement dite
- le module
- la pompe haute pression
- le poste de traitement
L'écoulement du fluide sur la membrane est continu et tangentiel. Cet écoulement
tangentiel permet de limiter l'accumulation sur la membrane des diverses espèces
(particules, molécules, ions) retenues par cette
DĔSSALEMENT DE L’EAU DE MER PAR OSMOSE
Figure Π.3 : Principe générale de l'osmose inverse
niveau est identique dans les deux compartiments, L'eau circule de 1 vers 2.
A l'équilibre, une différence de niveau s'établit, c'est la pression osmotique
Lorsqu’on applique une pression P >π, l'eau circule en sens inverse, c'est
les sels restent bloqués dans le compartiment 2.
général d'une installation d'osmose inverse
Les principaux constituants d'une installation d'osmose inverse sont les suivants :
membrane proprement dite
du fluide sur la membrane est continu et tangentiel. Cet écoulement
tangentiel permet de limiter l'accumulation sur la membrane des diverses espèces
(particules, molécules, ions) retenues par cette dernière. Le débit d’entrée (Q
MENT DE L’EAU DE MER PAR OSMOSE INVERSE
25
L'eau circule de 1 vers 2.
A l'équilibre, une différence de niveau s'établit, c'est la pression osmotique π.
, l'eau circule en sens inverse, c'est-à-dire de 2
d'osmose inverse sont les suivants :
du fluide sur la membrane est continu et tangentiel. Cet écoulement
tangentiel permet de limiter l'accumulation sur la membrane des diverses espèces
dernière. Le débit d’entrée (Q0) se divise au
CHAPITRE Π DĔSSALEMENT DE L’EAU DE MER PAR OSMOSE INVERSE
26
niveau de la membrane en deux parties de concentrations différentes. Une partie (débit QP)
passe à travers la membrane (perméat) alors que l'autre partie est retenue par la membrane
(concentrât ou retentât).
Figure Π.4 : Schéma de principe d'une unité d'osmose inverse [12].
Figure Π.5 : Schéma de principe d’une installation d’osmose inverse.
CHAPITRE Π DĔSSALEMENT DE L’EAU DE MER PAR OSMOSE INVERSE
27
Π.2.3.3 Membranes d’osmose inverse
Une membrane est une interface physique de faible épaisseur, qui contrôle le
transfert d’espèces chimiques entre les deux milieux qu’elle sépare. Cette interface peut
être homogène au niveau moléculaire, uniforme en composition et structure, ou elle peut
être chimiquement et physiquement hétérogène, contenant des pores de dimensions définis
ou contenant des couches superposées [14]. Du point de vue classification, il existe une
grande diversité des membranes. Elles sont classées par famille selon leur nature chimique,
leur structure et leur forme physique.
Le tableau Π.2 résume les avantages et les inconvénients des membranes organiques suivant leur composition :
Tableau Π.2 : Avantages et inconvénients des membranes organiques [12].
Membranes Avantages Inconvénient
Acétate de cellulose
Perméabilité élevée Sélectivité élevée Mise en œuvre assez aisée Adsorption des protéines faible colmatage moindre
Sensible à la température Sensible au pH Sensible au chlore Sensible au compactage Sensible aux microorganismes
Type Polyamide Bonne stabilité chimique, thermique et mécanique.
Grande sensibilité aux oxydants Faible perméabilité Phénomènes d’adsorption
Type Polysulfone
Bonne stabilité thermique
Bonne tenue au pH
Résistance au chlore
Sensible au compactage Adsorptions
Matériaux acryliques
Bonne stabilité thermique et chimique Stockage à sec possible
Faible résistance mécanique Pores de diamètres assez élevés
Matériaux fluorés Bonne stabilité thermique et chimique Faible perméabilité Microfiltration uniquement
Membranes composites
Bonnes caractéristiques : perméabilité et sélectivité Stabilité de pH 2 à 11 Bonne tenue en température
Mauvaise tenue au chlore
CHAPITRE Π DĔSSALEMENT DE L’EAU DE MER PAR OSMOSE INVERSE
28
Π.2.3.4 Modules d’osmose inverse
Pour être mise en œuvre, les membranes doivent être montées dans des supports
appelés modules. Une enceinte résistant à la pression est toujours nécessaire. Il existe
quatre types de modules.
� Modules plans
Les modules plans sont les plus anciens et les plus simples : les membranes sont
empilées en mille-feuilles séparées par des cadres intermédiaires qui assurent la circulation
des fluides [15].
Figure II.6 : Structure d’un module plan.
� Modules tubulaires
Un module tubulaire contient plusieurs tubes qui peuvent être en série ou en
parallèle. L’eau à traiter circule à l’intérieur des tubes et le perméat est recueilli à
l’extérieur des tubes. Les tubes constituent des canaux d’écoulement tangentiel [15].
CHAPITRE Π DĔSSALEMENT DE L’EAU DE MER PAR OSMOSE INVERSE
29
Figure II.7 : Structure inverse d’un module tubulaire
� Modules spirales
C’est un module particulier de membranes planes qui sont enroulées autour d’un axe
creux collecteur de perméat. L’ensemble est introduit dans une enveloppe cylindrique dont
les sections donnent accès à l’entrée de l’alimentation et à la sortie du retentât [16].
Figure II.8 : Module spirale de l’osmose inverse [2].
� Modules à fibres creuses
Ils contiennent plusieurs milliers de fibres dont le diamètre est de l’ordre de 1 mm.
Les aisceaux ainsi obtenus sont encollés aux extrémités de façon à assurer l’étanchéité
entre le compartiment (perméat) et l’alimentation. L’alimentation peut se faire à l’intérieur
CHAPITRE Π DĔSSALEMENT DE L’EAU DE MER PAR OSMOSE INVERSE
30
(interne- externe) ou à l’extérieur (externe-interne) des fibres creuses, selon que la peau
active est à l’intérieur ou à l’extérieur de la fibre creuse [16].
Figure II.9 : Structure inverse d’un module à fibres creuses
Tableau Π.3 : Avantages et inconvénients des modules d’osmose inverse [12].
Modules Avantages Inconvénient
Plans Système souple et modulable Changement facile des membranes Visualisation du perméat
Système peu compact (100 à 400 m²/m3) Investissement relativement élevé
Spirales
Compacité élevée (300 à 1000 m²/m3) Faible volume mort Coût d'investissement relativement faible
Sensible au colmatage Difficulté de nettoyage
Tubulaires
Technologie simple Peu traités tous types de fluides (chargés, visqueux) Facilité de nettoyage
Faible compacité (10 et 300 m²/m3) Consommation d'énergie élevée Coût élevé
Fibres creuses
Faible volume mort Compacité élevée (15000 m²/m3) Faible consommation énergétique Possibilité de nettoyage à contre-courant
Sensibilité de colmatage dû au faible diamètre des fibres Fragiles (Canaux fins)
Π.2.3.5 Nanofiltration
L'osmose inverse peut éventuellement être couplée à la nanofiltration. Cette
technique permet la séparation en taille de composants de l'ordre du nanomètre. Ce procédé
a l'avantage de laisser passer les ions monovalents et les composés organiques non
ionisés de masse molaire inférieure à environ 200 - 250 g/mol mais de retenir les ions
CHAPITRE Π DĔSSALEMENT DE L’EAU DE MER PAR OSMOSE INVERSE
31
divalents (Calcium, Magnésium, sulfates…) et les composés organiques non ionisés de
masse molaire supérieure à environ 200 - 250 g/mol. Le retentât est donc chargé en ions
divalents alors que le perméat est concentré en ions monovalents. La précipitation pourra
donc éventuellement être étudiée par la suite [17].
Π.2.4 Post-traitement
Le Bore doit être éliminé afin de respecter les normes sanitaires en vigueur pour la
consommation d'eau potable. Ce bore se trouve sous forme d'acide borique, acide faible.
Au pH de fonctionnement de l'osmose inverse (pH 6-7), le bore sous forme
moléculaire H3BO3 n'est pas retenu par les membranes d'osmose inverse. Or des teneurs
élevées en bore dans l'eau potable sont susceptibles de provoquer des problèmes de santé
tels que des problèmes de développement du fœtus et une diminution de la fertilité...
Figure Π.10 : Le problème du bore en osmose inverse : dissociation de l'acide borique en fonction
du PH [12].
Selon l'OMS (Organisation Mondiale de la Santé), la valeur limite est de 0,5 mg/L.
Une des solutions possibles pour réduire la teneur en bore dans l'eau osmosée est
l'utilisation de résines spécifiques ; ces résines ont une très bonne efficacité (> 90 %) mais
leur régénération est relativement complexe. Ensuite un autre procédé d'échange d'ion
permet quant à lui de reminéraliser l'eau [12].
CHAPITRE Π DĔSSALEMENT DE L’EAU DE MER PAR OSMOSE INVERSE
32
II.3 Paramètres à prendre en compte
Les principaux paramètres pris en compte pour le dimensionnement et l’agencement des systèmes d’osmose inverse sont :
� La salinité et la qualité de l’eau d’alimentation. � Le taux de récupération. � La température de l’eau. � La pression de service. � Les spécifications de qualité de l’eau produite. � La fiabilité de fonctionnement et la durée de vie des systèmes d’osmose inverse
dépendent de la qualité du prétraitement mis en œuvre dans la filière globale.
Π.4 les avantages et les inconvénients du procédé d’osmose inverse
� Avantages
Après l’osmose inverse on obtient une eau très pure possédant des mesures bioélectroniques parfaites pour la santé, pratiquement identiques qu’à celles des eaux de sources les plus naturelles :
• PH légèrement acide de 6.6 (idéal pour la digestion, l’assimilation des aliments et rééquilibre de pH du sang généralement trop toxique).
• Résistivité élevée 20000 à 30000 ohms, ce qui permet une parfaite élimination des toxines par les reins.
• L’eau osmosée est antioxydante, alors que l’eau en bouteille est plus oxydée du fait du délai souvent trop long entre la mise en bouteille et la consommation.
• L’énergie de l’eau osmosée (7200 unités Bovis) est nettement supérieure à celle de l’eau en bouteille (5000) qui est en outre chargé de tous les rayonnements nocifs qu’elle subit pendant son transport et dans les lieux de stockage.
� Inconvénients
Malgré les avantages de l’osmose inverse, il y a aussi des inconvénients. On peut citer quelques inconvénients majeurs comme suit :
• La faible durée de vie des membranes, qui est de l’ordre de 3 ans. • L’énergie consommée est énorme. • Les pertes en eau : le rendement n’est que de 75% et ainsi 25% de saumure (solution
aqueuse très concentrée en sel) restent à la fin et sont inutilisables. • La pureté de l’eau est toujours inférieure à 100%.
CHAPITRE III
MODELISATION ET
CONCEPTION
CHAPITRE III MODĔLISATION ET CONCEPTION
33
CHAPITRE III
MODĔLISATION ET CONCEPTION
III.1 Paramètres de performance
Le processus d’osmose inverse est défini en fonction d'un certain nombre de
variables qui Comprend :
• Pression osmotique et de fonctionnement
• Rejet de sel
• Récupération de perméat
Les sociétés de fabrication de membranes définissent les spécifications de la qualité
des aliments, qui comprend la salinité et la température [23].
III.1.1 Pression osmotique et de fonctionnement
La pression osmotique π d'une solution peut être déterminée expérimentalement par
la mesure de la concentration des sels dissous dans la solution. La pression osmotique est
obtenue à partir de l'équation suivante :
� � � � ∑ �� (1)
Où
� : Est la pression osmotique �� .
� : est la température .
� : est la constante de gaz universelle R � 8,314 kPa m�/ kg mol K .
∑ �� : est la concentration de tous les constituants dans une solution �� !" �⁄ .
Une approximation pour � peut être faite en supposant que 1000 ppm de Solides Dissous
Totaux (TDS) est égale à 75.84 kPa de pression osmotique.
La pression opératoire est ajustée pour surmonter les effets défavorables de ce qui suit :
• Pression osmotique
• Pertes de friction
CHAPITRE III MODĔLISATION ET CONCEPTION
34
• Résistance de la membrane
• Pression du perméat
Si la pression opératoire est posée égale à la somme des résistances ci-dessus, le
débit net du perméat à travers la membrane serait minimal ou égal à zéro; Par conséquent,
la pression opératoire ou de fonctionnement est réglée à une valeur plus élevée afin de
maintenir un débit de perméat économique [23].
III.1.2 Rejection de sel
Le rejet de sel est défini par :
$� � 100% ' (1 ) *+,+-./ (2)
Où $� est le rejet de sel.
Par exemple, une eau de mer d'alimentation avec 42 000 ppm et un perméat ayant
une salinité de 150 ppm donne un pourcentage de passage de sel de 99.64%.
De même, pour une alimentation en eau saumâtre avec une salinité de 5000 ppm et
une salinité de perméat de 150 ppm, on obtient un pourcentage de passage de sel de 97%.
Les deux cas indiquent la différence spectaculaire entre les membranes de dessalement
d'eau de mer et d'eau saumâtre. La technologie actuelle des membranes fournit des valeurs
de rejet de sel supérieures à 99% pour les membranes d'eau de mer et d'eau saumâtre [23].
III.1.3 Récupération de perméat
La récupération des perméats est un autre paramètre important dans la conception et
le fonctionnement des systèmes d’osmose inverse. Le taux de récupération ou de
conversion de l'eau d'alimentation en produit (perméat) est défini par :
� � 100% ' 0121-3 (3)
Où R est le taux de récupération en (%), 45 est le débit d'eau du perméat, et 46 est le débit
d'eau d'alimentation. Le taux de récupération affecte le passage du sel et le débit du
produit. Une augmentation du taux de récupération, la concentration de sel sur le côté
alimentation-saumure de la membrane augmente, ce qui provoque une augmentation du
débit de sel à travers la membrane. De plus, une concentration de sel plus élevée dans la
CHAPITRE III MODĔLISATION ET CONCEPTION
35
solution d'alimentation en saumure augmente la pression osmotique, réduisant la ∆� )∆� et en conséquence réduisant le débit d'eau du produit [23].
La récupération des membranes pour les systèmes d’osmose inverse a augmenté au
cours des années, passant de valeurs inférieures de 10-20% à des valeurs supérieures
actuelles jusqu'à 50%. Ceci est réalisé en partie par une conception de système appropriée
et l'utilisation de plusieurs modules de membranes enroulées en spirale dans le même
récipient sous pression. Comme pour les membranes à fibres creuses il est commun
d'utiliser un module unique dans le même récipient sous pression [13].
III.2 Membranes à osmose inverse
Les caractéristiques des membranes d’osmose inverse sont les suivantes :
• Les membranes sont formées d'un film mince de matière polymère de plusieurs
milliers d'angströms d'épaisseur coulée sur un matériau poreux polymérique.
• Les membranes commerciales ont une perméabilité à l'eau élevée et un degré élevé
de semi-perméabilité ; C'est-à-dire que le taux de transport de l'eau doit être
beaucoup plus élevé que le taux de transport des ions dissous.
• La membrane doit être stable sur un large intervalle de pH et de température, et
avoir une bonne intégrité mécanique.
• La durée de vie des membranes commerciales varie entre 3 et 5 ans. En moyenne,
les taux annuels de remplacement des membranes se situent entre 5 et 15% ; Cela
dépend de la qualité de l'eau d'alimentation, des conditions de prétraitement et de la
stabilité du fonctionnement.
• Les principaux types de membranes d'osmose inverse commerciales comprennent
l'acétate de cellulose (CA) et le polyamide (PA).
• Il faut noter que le choix de la membrane est souvent régi par des considérations de
compatibilité plutôt que par la performance de séparation et les caractéristiques
liées au flux [19].
CHAPITRE III MODĔLISATION ET CONCEPTION
36
III.2.1 Membranes d'acétate de cellulose
La membrane originale en acétate de cellulose, développée à la fin des années 1950
par Loeb et Sourirajan, a été fabriquée à partir de polymère de diacétate de cellulose. La
membrane CA courante est habituellement fabriquée à partir d'un mélange de diacétate de
cellulose et de triacétate. Le procédé de préparation de la membrane comprend une coulée
de film mince, une lixiviation du bain de morue et un recuit à haute température. Le
procédé de coulée ou coulage est associé à l'élimination partielle de la matière dissolvante
par évaporation. Le procédé du bain froid élimine le solvant restant et d'autres composés
lixiviables. Le processus de recuit est effectué dans un bain d'eau chaude à une température
de 60-90°C. L'étape de recuit améliore la semi-perméabilité de la membrane avec une
diminution du transport de l'eau et une diminution significative du passage du sel.
Les membranes CA ont une structure asymétrique avec une couche superficielle
dense d'environ 1000-2000 A (0,1-0,2 micron) qui est responsable de la propriété de rejet
de sel. Le reste du film de membrane est spongieux et poreux et a une perméabilité d'eau
élevée. Le rejet de sel et le flux d'eau d'une membrane d'acétate de cellulose peuvent être
contrôlés par des variations de température et par la durée de l'étape de recuit [24].
III.2.2 Membranes composites en polyamide
Les membranes de polyamide composite sont formées de deux couches, la première
est un support de polysulfone poreux et la seconde est une couche semi-perméable de
groupes fonctionnels amine et chlorure d'acide carboxylique. Cette procédure de
fabrication permet une optimisation indépendante des propriétés distinctes du support de
membrane et de la peau de rejet de sel. La membrane composite résultante est caractérisée
par un flux d'eau spécifique plus élevé et un passage de sel inférieur que les membranes
d'acétate de cellulose.
Les membranes composites de polyamide sont stables dans un intervalle de pH plus
large que les membranes CA. Cependant, les membranes de polyamide sont sensibles à la
dégradation oxydante par le chlore libre, tandis que les membranes d'acétate de cellulose
peuvent tolérer des niveaux limités d'exposition au chlore libre. Par rapport à une
membrane de polyamide, la surface de la membrane d'acétate de cellulose est lisse et a peu
de charge superficielle. En raison de la surface neutre et de la tolérance au chlore libre, les
membranes d'acétate de cellulose auront généralement une performance plus stable que les
membranes de polyamide dans les applications où l'eau d'alimentation présente un
CHAPITRE III MODĔLISATION ET CONCEPTION
37
potentiel d'encrassement élevé, par exemple avec les effluents municipaux et les eaux de
surface [24].
III.3 Modules Membrane
Les deux principales configurations de modules de membrane utilisées pour les
applications d'osmose inverse sont la fibre creuse et la spirale enroulée. D'autres
configurations, qui incluent les tubes et les plaques et les fibres, sont utilisées dans
l'industrie alimentaire et laitière [23].
III.3.1 Fibres fines creuses
Cette configuration utilise une membrane sous la forme de fibres creuses, qui ont été
extrudées à partir de matériau cellulosique ou non cellulosique. La fibre est asymétrique
dans la structure et est aussi fine que les cheveux humains, environ 42 µm de diamètre
intérieur et 85 µm de diamètre extérieur, (figure III.1).
Des millions de ces fibres sont formées en faisceau et pliées en deux à une longueur
d'environ 120 cm. Un tube en plastique perforé servant de distributeur d'eau d'alimentation
est inséré au centre et s'étend sur toute la longueur du faisceau. Le faisceau est enveloppé
et les deux extrémités sont scellées en époxy pour former une extrémité de tube de perméat
en forme de feuille et une extrémité terminale qui empêche le courant d'alimentation de
contourner à la sortie de saumure.
Le faisceau de membrane en fibres creuses, de 10 cm à 20 cm de diamètre, est
contenu dans un boîtier cylindrique d'environ 137 cm de long et 15-30 cm de diamètre.
L'ensemble a la plus grande surface spécifique, définie comme la superficie totale par unité
de volume, parmi toutes les configurations de module. L'eau d'alimentation pressurisée
pénètre dans l'extrémité d'alimentation du perméateur à travers le tube distributeur central,
traverse la paroi du tube et s'écoule radialement autour du faisceau de fibres vers la
coquille de pression du perméateur externe. L'eau pénètre à travers la paroi extérieure des
fibres dans le noyau creux ou l'alésage de fibre, à travers l'alésage jusqu'à la tôle de tube ou
l'extrémité de produit du faisceau de fibres et sort par la connexion de produit sur
l'extrémité d'alimentation du perméateur [23].
Dans un module de fibres creuses, le débit d'eau du perméat par unité de surface de la
membrane est faible, et par conséquent, la polarisation de la concentration n'est pas élevée
à la surface de la membrane. Le résultat net est que les unités de fibres creuses
CHAPITRE III MODĔLISATION ET CONCEPTION
38
fonctionnent dans un régime d'écoulement non perturbé ou laminaire. La membrane de
fibre fine creuse doit fonctionner au-dessus d'un écoulement de rejet minimum pour
minimiser la polarisation de concentration et maintenir une répartition régulière de flux à
travers le faisceau de fibres. Typiquement, un seul perméateur de fibres creuses peut être
mis en œuvre jusqu'à une récupération de 50% et satisfaire au débit de rejet minimum
requis. L'unité de fibre creuse permet une grande surface de membrane par unité de volume
de perméateur qui aboutit à des systèmes compacts. Des périmètres à fibres creuses sont
disponibles pour les applications d'eau salée et d'eau de mer. Les matériaux membranaires
sont des mélanges d'acétate de cellulose et des matériaux de type polyamide.
Grâce à des fibres très compactes et à un flux d'alimentation tortueux à l'intérieur du
module, les modules à fibres creuses nécessitent une eau d'alimentation de meilleure
qualité (concentration plus faible de solides en suspension) que la configuration du module
enroulé en spirale [25].
III.3.2 Enroulé en spirale
Dans une configuration enroulée en spirale, deux feuilles plates de membrane sont
séparées avec un matériau de canal de collecteur de perméat pour former une feuille. Cet
ensemble est scellé sur trois côtés avec le quatrième côté laissé ouvert pour le perméat à la
sortie. Une feuille de matériau d'écartement d'alimentation / saumure est ajoutée à
l'ensemble de feuilles. Un certain nombre de ces assemblages ou de ces feuilles sont
enroulés autour d'un tube de perméat en plastique central. Ce tube est perforé pour
recueillir le perméat des multiples assemblages de feuilles. L'élément de membrane enroulé
en spirale industrielle typique a une longueur d'environ 100 ou 150 cm et un diamètre de
10 ou 20 cm (Figure III.2) [23].
Le flux d'alimentation à travers l'élément est un chemin axial droit depuis l'extrémité
d'alimentation jusqu'à l'extrémité de saumure opposée, s'étendant parallèlement à la surface
de la membrane. L'alimentation du canal d'alimentation induit une turbulence et réduit la
polarisation de la concentration. Les fabricants spécifient les exigences d'écoulement de la
saumure pour contrôler la polarisation de la concentration en limitant la récupération (ou la
conversion) par élément à 10-20%.
Par conséquent, la récupération (ou la conversion) est une fonction de la longueur du
trajet alimentation-saumure. Pour fonctionner à des reprises acceptables, les systèmes en
spirale sont habituellement montés avec trois à six éléments de membrane connectés en
CHAPITRE III MODĔLISATION ET CONCEPTION
39
série dans un tube de pression. Le flux de saumure provenant du premier élément devient
l'alimentation de l'élément suivant, et ainsi de suite pour chaque élément à l'intérieur du
tube de pression.
Le courant de saumure provenant du dernier élément sort du tube de pression pour le
gaspiller. Le perméat de chaque élément entre dans le tube collecteur de perméat et sort du
récipient sous forme d'un courant de perméat commun. Un seul récipient sous pression
avec quatre à six éléments de membrane connectés en série peut être utilisé jusqu'à 50% de
récupération dans des conditions normales de conception. Le joint d'étanchéité à saumure
sur le support d'étanchéité d'extrémité d'alimentation d'élément empêche le courant
d'alimentation / saumure de contourner l'élément suivant [23].
Les éléments enroulés en spirale sont le plus souvent fabriqués avec une membrane
en feuille plate soit d'un mélange de diacétate de cellulose et de triacétate (CA), soit d'un
composite à couche mince. Une membrane composite à film mince consiste en une mince
couche active d'un polymère coulé sur une couche de support plus épaisse d'un polymère
différent. Les membranes composites présentent habituellement un taux de rejet plus élevé
à des pressions de fonctionnement inférieures à celles des mélanges d'acétate de cellulose.
Les matériaux de membrane composite peuvent être du polyamide, de la polysulfone, de la
polyurée ou d'autres polymères [25].
Figure III.1 : Modules à membrane en fibres creuses, (a) Assemblage, (b) Dimensions des
fibres
CHAPITRE III MODĔLISATION ET CONCEPTION
40
Figure III.2 : Modules à membrane enroulée en spirale
III.4 Systèmes d’osmose inverse
Les systèmes d’osmose inverse peuvent se composer des éléments de base suivants [26] :
→ Unité d’alimentation d’eau
→ Système de prétraitement
→ Unité de pompage haute pression
→ Unité d'assemblage d'élément à membrane
→ Instrumentation et système de contrôle
→ Unité de traitement et de stockage de perméat
→ Unité de nettoyage
La figure III.3 montre un diagramme de processus typique pour le processus
d’osmose inverse. Il convient de noter que le système de la figure III.3 n'est qu'un exemple
où le niveau de prétraitement de l'alimentation dépend fortement de la qualité de l'eau
d'alimentation. Les caractéristiques du processus d’osmose inverse comprennent les
éléments suivants :
• Les grosses particules sont éliminées de l'eau d'alimentation à l'aide de Tamis à
mailles ou de cribles mobiles. Des tamis à mailles sont utilisés dans les systèmes
d'alimentation en eau de puits pour arrêter et se débarrasser des particules de sable,
qui peuvent être pompées du puits. Les cribles mobiles sont utilisés principalement
pour les sources d'eau de surface, qui ont généralement de grandes concentrations
de débris biologiques [27].
CHAPITRE III MODĔLISATION ET CONCEPTION
41
• C'est une pratique usuelle de désinfecter l'eau d'alimentation de surface afin de
contrôler l'activité biologique. L'activité biologique dans l'eau des puits est
généralement très faible et, dans la plupart des cas, l'eau du puits ne nécessite pas
de chloration. Dans certains cas, la chloration est utilisée pour oxyder le fer et le
manganèse dans l'eau du puits avant la filtration. L'eau du puits contenant de
l'hydrogène sulfuré ne doit pas être chlorée ou exposée à l'air. En présence d'un
oxydant, l'ion sulfure peut s'oxyder en soufre élémentaire, ce qui peut
éventuellement boucher les éléments membranaires [27].
• La décantation des eaux de surface dans un batch de détention entraîne une certaine
réduction des particules en suspension. L'addition de floculant, tels que les sels de
fer ou d'aluminium, conduit à la formation d'hydroxydes correspondants ; Ces
hydroxydes neutralisent les charges superficielles de particules colloïdales,
s’agrégats (se rassemblent) et adsorbent sur des particules flottantes avant de
séjournées à la partie inférieure du clarificateur. Pour augmenter la taille et la
résistance du floc (agrégat), un polymère organique à longue chaîne peut être ajouté
à l'eau pour lier les particules de floc les unes des autres. L'utilisation de la chaux
Ca(OH2) entraîne une augmentation du pH, ainsi que la formation de particules de
carbonate de calcium CaCO3 et d'hydroxyde de magnésium. La clarification par la
chaux entraîne une réduction de la dureté (Ca2+, Mg2+), l'alcalinité et la clarification
de l'eau traitée [27].
• L'eau de puits contient généralement de faibles concentrations de matières en
suspension (MES), en raison de l'effet de filtration de l'aquifère. Le prétraitement
de l'eau de puits est habituellement limité au criblage du sable, à l'ajout d'un
inhibiteur de tartre à l'eau d'alimentation et à la filtration des cartouches [27].
• Les eaux de surface peuvent contenir diverses concentrations de particules en
suspension, qui sont d'origine inorganique ou biologique. L'eau de surface nécessite
habituellement une désinfection pour contrôler l'activité biologique et l'élimination
des particules en suspension par filtration des milieux. L'efficacité du procédé de
filtration peut être augmentée en ajoutant des auxiliaires de filtration, tels que des
floculants et des polymères organiques. Certaines eaux de surface peuvent contenir
des concentrations élevées de substances organiques dissoutes. Ceux-ci peuvent
être éliminés en faisant passer de l'eau d'alimentation à travers un filtre en charbon
actif. Selon la composition de l'eau, l'acidification et l’ajout d’un inhibiteur peuvent
CHAPITRE III MODĔLISATION ET CONCEPTION
42
être nécessaires. Le schéma fonctionnel du système de prétraitement des eaux de
surface est présenté comme montré dans la Figure III.3.
• Les filtres à cartouches, presque universellement utilisés dans tous les systèmes
d’osmose inverse devant la pompe à haute pression, qui servent comme barrière
finale aux particules qui se forment dans l'eau. La valeur nominale couramment
utilisée dans les applications d’osmose inverse se situe dans un intervalle de 5 à 15
microns. Certains systèmes utilisent des cartouches ayant un classement de taille
inférieur à 1 micron. Il a été noté que les filtres à faible taille ont de faible
efficacité, car ces filtres exigent un taux de remplacement élevé avec une
amélioration relativement faible de la qualité finale de l'eau d'alimentation [22].
• Récemment, de nouveaux équipements de prétraitement ont été introduits sur le
marché des systèmes d’osmose inverse. Il se compose de modules de membrane de
microfiltration capillaire et d'ultrafiltration rétro-lavables. Ce nouvel équipement
peut fonctionner de manière fiable à des taux de récupération très élevés et une
faible pression d'alimentation. Les nouveaux systèmes capillaires peuvent fournir
une meilleure qualité d'eau d'alimentation qu'un certain nombre d'étapes de
filtration classiques fonctionnant en série. Le coût de ce nouvel équipement est
encore très élevé par rapport au coût d'une unité d’osmose inverse [22].
Figure III.3 : Procédé typique d’osmose inverse avec tamisage, chloration, filtration,
Acidification et inhibition de tartre.
CHAPITRE III MODĔLISATION ET CONCEPTION
43
III.5 Modèle d’osmose inverse et les variables du système
Le processus d’osmose inverse est défini en fonction d'un certain nombre de variables, qui
comprennent [25] :
→ Pression osmotique
→ Le transport de l'eau
→ Transport de sel
→ Passage de sel
→ Rejet de sel
→ Récupération de perméat
→ Polarisation de concentration
Dans cette partie d’étude nous avons mentionné les équations et les termes formant le
modèle d’osmose inverse simple. Le modèle repose sur les hypothèses suivantes :
• Fonctionnement en régime permanent et isotherme.
• Les coefficients de perméabilité des différents ions de sel ou de l'eau sont
indépendants de la température et de la concentration.
• Coefficient de perméabilité similaire pour divers ions du sel.
• Le débit de sel à travers la membrane est négligeable par rapport au débit de
perméat d'eau.
• Mélange complet dans le compartiment du perméat.
• La concentration du sel dans le compartiment d'alimentation varie linéairement le
long de la zone membranaire.
III.5.1 Bilan de masse et du sel dans le perméat
La masse du perméat et les bilans du sel sont donnés par les relations suivantes [25] :
M9 � M: ; M< (4)
Mf Xf � MPXP ; MbXb (5)
Où, Mf est le débit d'alimentation �� @⁄ .
MP est le débit de perméat �� @⁄ .
Mb est le débit de la saumure �� @⁄ .
CHAPITRE III MODĔLISATION ET CONCEPTION
44
Xf est la salinité d'alimentation �� �⁄ .
XP est la salinité du perméat �� �⁄ .
Xb est la salinité de la saumure �� �⁄ .
III.5.2 Transport de l'eau
La relation suivante définit la vitesse de passage de l'eau à travers une membrane semi-
perméable
45 � ∆� ) ∆� AB (6)
Où
45 est la vitesse d'écoulement de l'eau à travers la membrane � @⁄ .
∆� est la différence de pression osmotique à travers la membrane �� .
�A est le coefficient de perméabilité de l'eau � C⁄ @ �� .
A est la surface de la membrane C .
Dans l'équation (6) les termes ∆� et ∆� représentent la différence de pression hydraulique
et osmotique nette à travers la membrane, respectivement, où
∆� � �D ) �5 (7)
∆� � �D ) �E (8)
Où
�5 et �E sont la pression hydraulique et osmotique du perméat, respectivement.
�D et �D sont les pressions hydrauliques et osmotiques moyennes du côté alimentation et sont
données par:
�D � 0.5 �6 ; �H (9)
�D � 0.5 �6 ; �H (10)
CHAPITRE III MODĔLISATION ET CONCEPTION
45
Où �6 et �6 sont respectivement les pressions hydrauliques et osmotiques du flux
d'alimentation. Alors que �H et �H sont les pressions hydrauliques et osmotiques du flux de
rejet, respectivement.
III.5.3 Transport de sel
La vitesse du flux de sel à travers la membrane est définie par :
4I � �D ) �5 I B (11)
Où
4I est le débit de sel à travers la membrane �� @⁄ .
I est le coefficient de perméabilité de la membrane pour le sel � C⁄ @ .
�5 est la concentration en solides dissous totaux du perméat �� �⁄ .
A est la surface de la membrane C .
Dans l'équation (11) le terme �D est défini par :
�D � J-+-KJL+LJ-KJL (12)
Où �6 et �H sont respectivement les concentrations de sel d'alimentation et de rejet.
Les équations 6 et 11 montrent que pour une membrane donnée :
- Le débit d’écoulement d'eau à travers une membrane est proportionnel à la différence de
pression d’entraînement net ∆� ) ∆� à travers la membrane.
- Le débit de sel est proportionnel à la différence de concentration à travers la membrane
�D ) �5 et est indépendant de la pression appliquée.
La salinité du perméat, �5, dépend des vitesses relatives de transport de l'eau et du sel par
membrane d'osmose inverse :
�5 � 4I/4M (13)
Le fait que l'eau et le sel ont différents taux de transfert de masse à travers une
membrane donnée crée le phénomène de rejet de sel. Aucune membrane n'est idéale en ce
sens qu'elle rejette absolument les sels ; Les différents taux de transport créent un rejet
apparent. Les équations 6 et 11 montrent que l'augmentation de la pression de
CHAPITRE III MODĔLISATION ET CONCEPTION
46
fonctionnement augmentera le débit d'eau sans modifier le débit de sel, ce qui entraînera
une salinité plus faible du perméat [25].
III.5.4 Modèle semi-empirique
Le modèle semi-empirique est basé sur des mesures du rejet de sel membranaire et de la
récupération du produit [28]. Plusieurs approches sont adoptées dans l'évaluation des
modèles expérimentaux, qui comprend les éléments suivants :
� Modèle thermodynamique irréversible.
� Modèle à friction.
� Modèle solution-diffusion.
� Modèle solution-diffusion-imperfection.
� Modèle d'écoulement capillaire d'adsorption préférentielle.
� Modèle de flux de viscosité diffuse.
� Modèle finement poreux.
Tous ces modèles sont des cas particuliers du modèle statistique-mécanique.
Le modèle statistique-mécanique comprend les équations suivantes :
� Rejet de sel
$� � NO OPQ/RK ; NC O (14)
� Flux de perméat
MS A⁄ � DOCW ; DC ΔP ) YΔπ (15)
� Concentration membranaire
[\ � [H ; [H ) c^ ePQ `ab ) l (16)
Les variables du modèle ci-dessus sont définies comme suit :
- NO, NC, DO et DC sont les constantes d'adaptation des Eq. 14 et 15 avec des données
expérimentales.
- SR est le sel rejeté.
- MS est le débit du perméat � @⁄ .
- A est la surface de la membrane C .
- ΔP est la différence de pression à travers la membrane �� .
CHAPITRE III MODĔLISATION ET CONCEPTION
47
- ∆π est la différence de pression osmotique à travers la membrane �� .
- CW est la concentration en sel dans la paroi de la membrane �� �⁄ .
- [H est la concentration en sel dans la masse du compartiment d'alimentation �� �⁄ .
- [M est la concentration en sel dans le courant de perméat �� �⁄ .
- � est le coefficient de transfert de masse @⁄ .
- Y est le coefficient de réflexion.
Le modèle finement poreux comprend les équations suivantes :
� Rejet de sel SR � 1 ) dAO ) 1 – AO efRg.PQ/Rhij kfO (17)
� Flux de perméat
MS / A � ∆p )Y∆πB1cd;B2µ (18)
� Concentration membranaire
cW � c< ; c< ) c^ pPQ Rq⁄ – l (19)
Les variables du modèle ci-dessus sont semblables à celles du modèle mécanique
statistique, sauf pour ce qui suit :
- AO, AC, BO et BC sont les constantes d'adaptation des Eq. 17 et 18 avec des données
expérimentales.
- μ est la viscosité dynamique de l'eau �� @⁄ .
- sIA est le coefficient de diffusion du soluté en solution C @⁄ .
Les deux modèles sont non linéaires et nécessitent une solution itérative pour
déterminer le débit de perméat, le rejet de sel et la concentration de la paroi membranaire
[25].
CHAPITRE III MODĔLISATION ET CONCEPTION
48
III.5.5 Concentration de polarisation
Lorsque l'eau s'écoule à travers la membrane et que la membrane rejette les sels, une
couche limite est formée à proximité de la surface de la membrane dans laquelle la
concentration en sel dépasse la concentration en sel dans la solution mère.
Cette augmentation de la concentration en sel est appelée concentration de
polarisation. L'effet de la concentration de polarisation est de réduire le débit réel du
produit et le rejet de sel par rapport aux estimations théoriques. Les effets de la
concentration de polarisation sont les suivants :
- Une plus grande pression osmotique à la surface de la membrane que dans la solution
d'alimentation, Δπ, et une pression différentielle nette réduite à travers la membrane
ΔP ) Δπ . - Réduction du débit d'eau à travers la membrane 4M . - Augmentation du débit de sel à travers la membrane 4t .
- Augmentation de la probabilité de dépassement de la solubilité des sels faiblement
solubles à la surface de la membrane, et la possibilité distincte de précipitation causant la
mise à l'échelle de la membrane [24].
Le facteur de polarisation de concentration (CPF) peut être défini comme un rapport
de la concentration de sel à la surface de la membrane Nt à la concentration en masse
NH , où
N�u � Nt NH⁄ (20)
Une augmentation du flux de perméat augmentera la vitesse d'administration des ions
à la surface de la membrane et augmentera la Cs. Une augmentation du flux d'alimentation
augmente la turbulence et réduit l'épaisseur de la couche de concentration élevée à
proximité de la surface de la membrane. Par conséquent, le CPF est directement
proportionnel au débit de perméat (4M)et inversement proportionnel au débit
d'alimentation moyen (46), où
N�u � �expd4M 46⁄ k (21)
Où K3 est une constante de proportionnalité dépendant de la géométrie du système.
CHAPITRE III MODĔLISATION ET CONCEPTION
49
En utilisant la moyenne arithmétique des flux d'alimentation et de concentré comme
flux d'alimentation moyen, le CPF peut être exprimé en fonction de la vitesse de
récupération du perméat a de l'élément de membrane (R) :
N�u � �exp CwCfw (22)
La valeur du Facteur de Polarisation de Concentration de 1.2, correspond à une
récupération de perméat de 18%.
CHAPITRE IV
RESULTATS
ET
COMMENTAIRES
CHAPITRE IV RESULTATS ET COMMENTAIRES
50
CHAPITRE IV
RESULTATS ET COMMENTAIRES
IV.1 Introduction
Pour rendre compte du fonctionnement d'un système ou du déroulement d'un processus,
les chercheurs ont établi, à partir de diverses données et ils ont fait un certain nombre
d'hypothèses, un schéma qui traduit la séquence des opérations : c'est l'ensemble des
expressions mathématiques du schéma qui constitue le modèle. Les équations reliant les
grandeurs variables comportent des paramètres que l'on choisit aussi judicieusement que
possible. A partir de ces équations, on calcul au moyen d'un langage de programmation des
valeurs théoriques des grandeurs mesurables qui sont confrontées aux résultats expérimentaux.
On vérifie ainsi que le schéma est une bonne représentation du processus. À l'aide d'un langage
de programmation on aboutit à des résultats numériques permettant à une interprétation
adéquate du procédé de traitement ou de séparation mis en jeux.
IV.2 Microsoft Visual Basic
Communément appelé VB, est un atelier de génie logiciel (AGL) de création
d'application Microsoft Windows. La première version de VB sortie en 1991 avait pour
vocation d'étendre de langage de programmation BASIC avec de la fonctionnalité graphique et
de fournir un environnement convivial de développement d'applications dédiées Windows basé
sur ces extensions.
La conception d'une application VB sort un peu du cadre standard de programmation.
En effet, un programme traditionnel repose sur une procédure principale qui appelle des
traitements en chaînes afin de remplir une tache donnée. Une fois la tache achevée, le
programme s'arrête. Le point de départ d'une application VB est généralement une fenêtre par
le système opératoire ou l'utilisateur via le clavier et la souris. Le travail de programmation
consiste alors à coder les traitements à exécuter en réponse à chacun de ces évènements, le
programme s'arrête lorsque la fenêtre principale de l'application est fermée. Ce mode de
fonctionnement n'est pas propre à VB et se trouve dans d'autres outils de développement
d'application graphique, et ce indépendamment de système opératoire [40].
CHAPITRE IV RESULTATS ET COMMENTAIRES
51
IV.3 Choix du langage de programmation
Le langage de programmation joue un grand rôle dans l'interactivité du logiciel par les
outils qu'il offre au programmeur [41,42].
La conception particulière conviviale des programmes et l'affectation de sous-programme
aux contrôles de Visual Basic font de celui-ci le système de développement le plus innovateur.
Les objets graphiques et le système de fenêtrage qu'il gère nous dispense de la routine
des fichiers avec format (cas du Fortran) et nous donne la possibilité de réaliser des
environnements de simulation aisés à manipuler, dotés d'interfaces performantes. Avec ce
langage, le développement de programmes performants et agréables dans un temps record est
une réalité, grâce à son outil de conception visuelle de l'interface utilisateur et de
programmation événementielle, l'explication tient dans le mode de fonctionnement du Visual
Basic, qui vient se loger au sein de Windows.
Tous ces avantages nous ont guidé à choisir le Visual Basic comme langage de
programmation.
Ainsi à l'aide de ce langage, on a pu réaliser notre programme qui offre le confort d'une
utilisation interactive, et qui propose beaucoup de fonctionnalité (sauvegarde, chargement,
copier et impression des résultats de calcul...), et le plus intéressant, c'est que notre programme
propose un calcul interactif et fonctionnel pour différents modèles de calcul pour la conception
d’une unité d’osmose inverse (modèle mathématique, modèle semi-empirique.....) avec la
possibilité de changer les unité de conversion des paramètres de calcul . Notre programme
propose aussi des feuilles en Excel et Notepad, et il suffit de cliquer sur le bouton droit de la
souris dans la feuille principale pour les avoir.
IV.4 Présentation du programme
IV.4.1 Feuille principale
Elle est présentée par la figure IV.3. Elle comporte le menu présenté par la figure IV.1,
qui est composé des menus suivants :
CHAPITRE IV
� File
� Types (modèle mathématique, manufacturer
� Edit (START Excel, START
� Help (about).
Chaque menu comporte plusieurs commandes
IV.5 Présentation du programme de calcul
L’utilisation du programme
Dis la mise en marche du programme une page d’accueil s’affiche et comprend trois
indications :
� En tête de la page : WELCOM TO MEMBRAINE CALCULATOR
� En bas à gauche un bouton «
� En bas à droite un bouton «
RESULTATS ET COMMENTAIRES
Figure IV.1 le menu
Types (modèle mathématique, manufacturer spécifications et modèle semi
START Notepad, Reading calculator)
Chaque menu comporte plusieurs commandes
du programme de calcul
L’utilisation du programme Visual Basic 10 est très simple.
Dis la mise en marche du programme une page d’accueil s’affiche et comprend trois
: WELCOM TO MEMBRAINE CALCULATOR
un bouton « LOG IN » : pour démarrer le programme.
En bas à droite un bouton « EXIT » : pour quitter le programme.
Figure IV.2 : page d’accueil
RESULTATS ET COMMENTAIRES
52
et modèle semi-empirique)
Dis la mise en marche du programme une page d’accueil s’affiche et comprend trois
: WELCOM TO MEMBRAINE CALCULATOR
marrer le programme.
CHAPITRE IV
Le programme de calcul est réalisé à l’aide du
interface orientée objet dont l’objet est
code exécutable.
Avec un environnement
une application rapide avec une interface utilisateur graphique reliée à des fonctions de
gestion fournies par l’application.
Le programme est conçu de telle sorte que
� La feuille de calcul principale qui permet de calculer les différentes paramètres du
problème avec le choix de varie
feuille principale (Données ) pour avoir les données de
(Résultats ) encadrés tous deux par le
10 qui sert de conteneur pour le groupement des
calcul de ce programme offre d’autres avantages relatifs à son foncti
Windows que son interface utilisateur graphique qui permet à
comprendre le processu
� Le programme comprend aussi
o L’option « copier, coller
o Bouton de commande «
Figure
RESULTATS ET COMMENTAIRES
calcul est réalisé à l’aide du langage Visual Basic 10 dans
dont l’objet est très simple par sa structure de base notamment le
environnement de développement intégré et interactif, ce programme est
une application rapide avec une interface utilisateur graphique reliée à des fonctions de
cation.
Le programme est conçu de telle sorte que :
alcul principale qui permet de calculer les différentes paramètres du
problème avec le choix de varier les paramètres d’entrée est située à gauche de la
feuille principale (Données ) pour avoir les données de sortie à la droite de l’écran
(Résultats ) encadrés tous deux par le contrôle « Frame » ou cadre du Visual B
10 qui sert de conteneur pour le groupement des contrôles, outre la fonction de
ce programme offre d’autres avantages relatifs à son foncti
Windows que son interface utilisateur graphique qui permet à l’utilisateur de bien
comprendre le processus de dessalement par osmose inverse .
Le programme comprend aussi d’autres options secondaires :
copier, coller et couper »
de commande « calculer » qui permet d’exécuter le programme.
Figure IV.3 : feuille de calcul du programme
RESULTATS ET COMMENTAIRES
53
Visual Basic 10 dans une
simple par sa structure de base notamment le
intégré et interactif, ce programme est
une application rapide avec une interface utilisateur graphique reliée à des fonctions de
alcul principale qui permet de calculer les différentes paramètres du
les paramètres d’entrée est située à gauche de la
à la droite de l’écran
» ou cadre du Visual Basic
contrôles, outre la fonction de
ce programme offre d’autres avantages relatifs à son fonctionnement
l’utilisateur de bien
le programme.
CHAPITRE IV RESULTATS ET COMMENTAIRES
54
IV.6 Avantages du programme
Le programme bénéficie de plusieurs avantages de Windows dont les principaux sont :
� Amélioration de la vitesse d'exécution :
Le programme se loge au sein de Windows 8, ce dernier est en mesure d'exécuter des
applications 64-bits, la vitesse d'exécution du programme, s'en trouve ainsi améliorée.
� Système de messagerie :
Le système de messagerie ou le dialogue avec l'utilisateur est une autre nouveauté du
logiciel, elle permet d'éviter les graves erreurs, qui peuvent engendrer des résultats erronés, en
affichant des messages attirant l'attention de l'utilisateur sur l'erreur commise, il donne aussi la
possibilité de confirmer ou d'annuler un message pour permettre ensuite la continuité de
l'exécution du programme.
� Choix des données de calculs :
L'utilisateur peut entrer à chaque fois de nouvelles données pour calculer de nouveau
les paramètres choisis, et dont il a besoin, avec le système de messagerie permettant de
voir les données qu'il a entrées comme le montre la figure IV.3.
IV.7 Resultat et commentaires
L’idéal lors de la mise en œuvre du procédé d’osmose inverse pour le traitement de
l’eau de mer est d’obtenir une densité de flux de perméat élevée, de manière à avoir une
production de perméat importante. La densité de flux de perméat permet de connaître la
productivité de perméat par rapport à la surface membranaire installée :
Les paramètres de fonctionnement ayant le plus d’influence sur l’augmentation du
flux de perméat sont par ordre d’importance : la pression, la température, le débit
d’alimentation et la concentration de l’alimentation [29]. Pour avoir une densité de flux
élevée, il faut soit travailler à forte pression, soit que la membrane ait une perméabilité
élevée. De plus, il est nécessaire que cette densité de flux reste stable au cours du procédé.
Il faut donc que la membrane soit le moins sensible possible au colmatage. Le modèle
utilisé dans cette étude sert à calculer la salinité du flux de perméat, la salinité de la
saumure, le débit massique de la saumure et la surface de la membrane. Dans cette étude
on a voulu focaliser sur un paramètre dont l’importance n’est pas toujours sous estimée
(salinité du flux de perméat) et dont la variation des paramètres de fonctionnement donne
CHAPITRE IV RESULTATS ET COMMENTAIRES
55
une indication sur son évolution aux cours du procédé d’osmose inverse afin de pouvoir
trouver leurs influences sur la performance du système étudié. Alors les calculs effectués
serons exploités en faisant varier la salinité du flux de perméat (X�) pour de tel sorte faire
parvenir une concordance entre une multitude de résultats de simulation pour la validation
des calculs du progamme développé. Concernant l'effet de la variation de la salinité de flux
de perméat, il sera investigué de tel sorte à trouvèer une bonne concordance avec sa
variation et la variation de la pression osmotique efficace afin de prédire l’augmentation ou
la diminution de la densité de flux de perméat. Une diminution de la pression osmotique
efficace conduit à une diminution de la densité de flux de perméat. Ainsi, ce dernier se
trouve moins dilué, ce qui peut conduire à une augmentation de la densité de flux. De ce
fait, nos calculs seront basés sur ce concept afin de permettre l’interprétation appropriée
d’un tel modèle pour de tel processus.
IV.7.1 Variation de la salinité de flux de perméat (X�) en fonction du débit
d'alimentation (M�)
Les résultats obtenus dans cette section sont basées sur le modèle mathématique qui
est basée en faisant un bilan de matière par rapport aux sels, la perméation de sel et l’eau
citée précédemment afin de pouvoir calculer la salinité de perméat, la salinité de la
saumure, le débit massique de la saumure et la surface de la membrane. La solution
itérative des équations du modèle est évidente par le fait de la dépendance de la pression
osmotique sur la salinité du perméat et le flux de la saumure. Les séquences de la méthode
itérative suivis par le modèle en question sont comme suit :
• En assumant une valeur de la salinité de flux de perméat égale une valeur aléatoire ;
• Cette valeur sera par la suite prise en considération par notre programme pour
pouvoir calculer la salinité de la saumure en résolvant les équations du bilan de
matière du sel, jusqu'à obtention d’une égalité des valeurs de la surface de la
membre, d’où une méthode itérative a été employée par le modèle mathématique.
Une combinaison parfaite des résultats sera faite dans cette partie du mémoire dans le
but d’interpréter l’influence des différents paramètres explicites intervenant lors du
processus d’osmose inverse pour le dessalement de l’eau de mer. Les résultats seront ainsi
exploités à l’aide du programme numérique où ils vont permettre de discerner ou prédire le
changement des paramètres de sortie en fonction de l’augmentation ou la diminution des
conditions operatoires sur le fonctionnement et la performance de l’unité d’osmose inverse
à un seul étage.
CHAPITRE IV RESULTATS ET COMMENTAIRES
56
Tout en gardant les autres données constantes (débit de perméat ��, pression
d'alimentation �, pression de rejet �, pression de perméation ��, salinité d'alimentation
�, perméabilité aux sels �, perméabilité à l'eau �) donnees ainsi comme suit :
Débit de perméat �� � 1 �� �⁄
Pression d'alimentation � � 8000 ���
Pression de rejet � � 7800 ���
Pression de perméation �� � 101 ���
Salinité d'alimentation � � 42 �� ��⁄
Perméabilité aux sels � � 2.03 10!" �� �#⁄ �
Perméabilité à l'eau � � 2.05 10!% �� �#⁄ �.
Note : Il faut tout d’abord noter pour une utilisation adéquate du programme numérique il
faut prendre en consideration que la relation entre la pression d’alimentation et les
perméabilités à l'eau et aux sels est proportionnelle c-à-d que plus la pression
d’alimentation augmente plus les perméabilités de la membrane à l'eau et aux sels
diminuent confirmé par [30 ,31]. Cette tendance inversement proportionnelle pour la
perméabilité aux sels est due à la présence de la concentration de polarisation où la
concentration de sel à la paroi de la membrane est plus élevée que la concentration de l’eau
d’alimentation.
Nous effectuons ensuite des modifications sur les valeurs de la salinité de flux de
perméat &��' en fonction du débit d'alimentation &M�' jusqu’à obtention une égalité des la
valeur relative à la surface de la membre &(' dans le but de la validation des resultats pour
les autres valeur calculés comme montré dans le tableau IV.2.
Les calculs effectués seront ensuite exploités pour la conception d’un système de
dessalement par osmose inverse pour un seul étage en utilisant le modèle mathématique
pour l’obtention de la salinité de perméat, la salinité de la saumure, le débit massique de la
saumure et la surface de la membrane.
L’augmentation du débit d’alimentation engendre une augmentation de la vitesse de
circulation le long de la membrane. Plus elle est importante, plus les phénomènes de
turbulence sont favorisés et plus la polarisation de concentration diminue [32]. La
CHAPITRE IV RESULTATS ET COMMENTAIRES
57
concentration aux abords de la membrane et le colmatage sont alors moins importants, et la
diminution de densité de flux de perméat au cours du temps aussi. Il faut noter tout d’abord
que l’augmentation de la vitesse de circulation est favorable en réduisant l’épaisseur de la
couche limite et le colmatage.
Tableau IV.1 : Variation de la salinité de flux de perméat (X�) en fonction du débit
d'alimentation (M�)
Débit d'alimentation (M�)
2 2.5 2.8 3
Salinité de flux de perméat &Xd' &�� ��⁄ ' 0.18151 0.145 0.1349 0.1299
Débit massique de la saumure (M*) &�� �⁄ ' 1.00 1.50 1.80 2.00
Salinité de la saumure (X*) &�� �3⁄ ' 83.82 69.90 65.26 62.94
Salinité moyenne au côté de l’alimentation &�+' &�� ��⁄ ' 55.94 52.46 51.10 50.37
Pression osmotique de flux d’alimentation , &���' 3185.28 3185.28 3185.28 3185.28
Pression osmotique de flux de la saumure , &���' 6356.79 5301.47 4949.20 4772.99
Pression osmotique de perméat ,� &���' 13.77 11.00 10.23 9.85
Pressions osmotiques moyennes du côté de l’alimentation , 4771.04 4243.37 4067.24 3979.14
Différence de pression osmotique efficace à travers la membrane ∆π 4757.27 4232.38 4057.01 3969.29
Différence de pression efficace à travers la membrane ∆P &���' 7799.00 7799.00 7799.00 7799.00
Surface de la membrane A &�#' 160.37 136.77 130.36 127.37
Surface de la membrane A &�#' 160.37 136.53 130.36 127.36
Tableau IV.2 : Variation de la pression osmotique efficace en fonction du débit d’alimentation.
Débit d'alimentation (M�)
2 2.5 2.8 3
Différence de pression efficace à travers la membrane ∆� &���' 7799.00 7799.00 7799.00 7799.00
Différence de pression osmotique efficace à travers la membrane ∆, 4757.27 4232.38 4057.01 3969.29
Pression osmotique efficace &∆. / ∆0 ' 3241.73 3566.62 3741.99 3829.71
CHAPITRE IV
Figure IV.4 : feuille de calcul du programme pour
Figure IV.5 : Représentation graphique des résultats
Salin
ité d
e fl
ux d
e pe
rméa
t (kg
/m3 )
��
�
RESULTATS ET COMMENTAIRES
feuille de calcul du programme pour M� = 2 et X� =0.18151
Représentation graphique des résultats de la variation de la salinité de flux de perméat
&X�' en fonction de débit d'alimentation (M�
Débit d'alimentation (M�) &�� �⁄ '
RESULTATS ET COMMENTAIRES
58
=0.18151
variation de la salinité de flux de perméat
�)
CHAPITRE IV RESULTATS ET COMMENTAIRES
59
Figure IV.6 : Variation de la pression osmotique efficace en fonction de débit d'alimentation (M�)
.
Nous avons opéré des variation du débit d'alimentation (M�) pour enregistrer des
résultats de la salinité de flux de perméat (X�). En modifiant ainsi dans le programme
numérique réalisé les valeurs de (X�) jusqu'à la correspondance des résultats de la surface
de la membrane où la méthode ittérative satisfaire aux exigences du modèle utilisé.
La représentation graphique de ses résultats nous donne une courbe descendante c’est
à dire que la salinité de flux de perméat (X�) diminue lorsque le débit d'alimentation (M�)
augmente.
Comme nous pouvons le constater d’après l’analyse de l’évolution des différents
parametre calculés en fonction des paramètres opératoires représentés dans le tableau IV.1,
qu’une augmentation du débit d’alimentation entraîne une diminution de la salinité de la
saumure en provoquant cependant une diminution des pressions osmotiques des différents
flux entraînant ainsi une diminution considérable de la pression osmotique moyenne du
côté de l’alimentation alors en effet la différence de pression osmotique efficace à travers
la membrane diminuera de son côté.
Il est évident, d'après ces résultats, que la salinité de flux de perméat diminue de
façon remarquable lorsque le debit de la solution d'alimentation augmente. Cette
diminution peut être expliquée toujours en liaison avec l'expression du bilan de matière
reliant ce dernier avec le débit et salinité de l’alimentation et la saumure respectivement.
Débit d'alimentation (M�) &�� �⁄ '
Pres
sion
osm
otiq
ue e
ffic
ace
(kPa
) �
��
CHAPITRE IV RESULTATS ET COMMENTAIRES
60
Encore d’après les résultats obtenus en se basant sur le tableau IV.1, on peut estimer
que l'augmentation du débit d'alimentation engendre, en effet, une diminution des
pressions osmotiques &,' et &,' ce qui correspond à une contre pression osmotique
provoquant une augmentation de la pression osmotique efficace donnée par &∆� /
∆, comme le montre le la courbe de la figure IV.6.
La pression efficace correspond à la pression de part et d’autre de la membrane (∆�)
diminuée de la différence de pression osmotique &∆,' de part et d’autre de la membrane.
Ainsi, elle correspond à la pression qui conduit réellement à la production de perméat. Plus
cette pression est élevée, plus le flux de perméat est important [33,34,35].
En effet la pression osmotique de flux d’alimentation reste constante ainsi que la
différence de pression efficace à travers la membrane ce qui engendrera une diminution
des flux. En conséquence la surface de la membrane diminuera par suite de l’augmentation
de la pression osmotique efficace.
Note : L'augmentation de la concentration d’alimentation peut engendrer une augmentation
de la polarisation de concentration à l'interface membrane-solution comme elle peut
accentuer, d'une façon non systématique, le colmatage par gélification ou précipitation des
solutés [36].
IV.7.2 Variation de la salinité de flux de perméat (X�) en fonction du débit de perméat
(M�)
Tout en gardant les autres données constantes mentionées dans le paragraphe du titre
précédent dont nous procédons à la modification des valeurs de la salinité de flux de
perméat (X�) en fonction du débit de perméat (M�) jusqu’à obtention une concordance de
la méthode itérative menant à des valeurs similaires de la surface de la membrane. Un
tableaux recapitulatif est établie afin de pouvoir discerner toutes les variations ou les
changements des paramètres constituant le modèle mathématique pris en compte par notre
programme comme montré dans ci-dessous.
CHAPITRE IV RESULTATS ET COMMENTAIRES
61
Tableau IV.3 : Variation de la salinité de flux de perméat (X�) en fonction du débit de perméat
(M�)
Débit de perméat (M�)
0.5 1 1.3 1.5
Salinité de flux de perméat &Xd' &�� ��⁄ ' 0.1091 0.145 0.19221 0.261348
Débit massique de la saumure (M*) &�� �⁄ ' 2.00 1.5 1.20 1.00
Salinité de la saumure (X*) &�� �3⁄ ' 52.47 69.20 87.29 104.61
Salinité moyenne au côté de l’alimentation &�+' &�� ��⁄ ' 46.45 52.46 56.69 59.89
Pression osmotique de flux d’alimentation , &���' 3185.28 3185.28 3185.28 3185.28
Pression osmotique de flux de la saumure , &���' 3979.53 5301.47 6620.21 7933.47
Pression osmotique de perméat ,� &���' 8.27 11.00 14.58 19.82
Pressions osmotiques moyennes du côté de l’alimentation , 3582.41 4243.37 4902.74 5559.37
Différence de pression osmotique efficace à travers la membrane ∆π 3574.13 4232.38 4888.17 5539.55
Différence de pression efficace à travers la membrane ∆P &���' 7799.00 7799.00 7790.00 7799.00
Surface de la membrane A &�#' 57.73 136.77 217.86 323.84
Surface de la membrane A &�#' 57.73 136.53 217.87 323.87
Tableau IV.4 : Variation de la pression osmotique efficace en fonction du débit de perméat.
Débit de perméat (M�)
0.5 1 1.3 1.5
Différence de pression osmotique efficace à travers la membrane ∆π 3574.13 4232.38 4888.17 5539.55
Différence de pression efficace à travers la membrane ∆P &���' 7799.00 7799.00 7799.00 7799.00
Pression osmotique efficace &∆. / ∆0 ' 4424.87 3566.62 2910.83 2259.45
CHAPITRE IV
Figure IV.7 : feuille de calcul du programme pour
Figure IV.8 : Représentation graphique des résultats de
Salin
ité d
e fl
ux d
e pe
rméa
t (kg
/m3 )
��
�
RESULTATS ET COMMENTAIRES
feuille de calcul du programme pour M�=1.3 et X�=0.19221
Représentation graphique des résultats de la variation de la salinité de flux de perméat
(X�) en fonction du débit de perméat (M�)
Débit de perméat (M�) &�� �⁄ '
RESULTATS ET COMMENTAIRES
62
=0.19221
variation de la salinité de flux de perméat
)
'
CHAPITRE IV RESULTATS ET COMMENTAIRES
63
Figure IV.9 : Variation de la pression osmotique osmotique efficace en fonction du débit de
perméat (M�)
La représentation graphique de ses résultats nous donne une courbe croissante c'est-
à-dire que la salinité de flux de perméat croix lorsque le débit de perméat (M�) augmente.
L’augmentation du débit de perméat entraîne une augmentation significative de la pression
osmotique de flux de la saumure suite a une augmentation de la salinité de la saumure (X*)
ce qui provoque cependant une augmentation considérable des pressions osmotiques
moyennes du côté de l’alimentation &,'. Alors suite à ces effets, la pression osmotique
efficace du système s'en trouve diminuée comme montré dans le tableaux IV.4.
On peut également remarquer d’après les résultats de calcul, une augmentation
considérable de la surface membranaire par suite de l’augmentation du débit de perméat
(M�), et la diminution de la pression osmotique efficace &∆P / ∆π '. Ces résultats justifies
en effet les expressions reliants le flux massique le débit volumique de la solution
traversant la membrane par unité de surface par unité de temps.
Note : On peut noter que d’après les données de la salinité de flux de perméat ou densité
de flux volumique cela permet de connaître la productivité de perméat par rapport à la
surface membranaire installée.
Remarque : Le phénomène de polarisation est souvent à l’origine de la limitation du débit
de perméat qui ne devient plus proportionnel à la différence de pression et atteint une
valeur limite [12].
Débit de perméat (M�) &�� �⁄ '
Pres
sion
osm
otiq
ue e
ffic
ace
(kPa
) �
��
CHAPITRE IV RESULTATS ET COMMENTAIRES
64
IV.7.3 Variation de la salinité de flux de perméat (X�) en fonction de la pression de
rejet (P*)
Dans les calculs effectués précédemment, nous avons focalisé notre étude sur le
changement des paramètres du modèle mathématique par rapport à deux paramètres
opératoires très importantes à savoir le débit de l’alimentation et celui de perméat.
Cependant nous allons réaliser la même procédure en variant les pressions opératoires tels
que la pression de rejet et d’alimentation. Le code du programme fonctionnera de la même
manière d’où l’obtention de deux valeurs égaux de la surface de la membrane sera évident
pour validation des autres résultats de calculs. Le tableau IV.5 récapitula les résultats
montrant la variation de la salinité de flux de perméat (X�) en fonction de la pression de
rejet (P*).
Tableau IV.5: Variation de la salinité de flux de perméat (X�) en fonction de la pression de rejet
(P*)
Pression de Rejet (P*)
7000 7500 8000 8500
Salinité de flux de perméat &Xd' &�� ��⁄ ' 0.16348 0.151565 0.14132 0.13236
Débit massique de la saumure (M*) &�� �⁄ ' 1.50 1.50 1.50 1.50
Salinité de la saumure (X*) &�� �3⁄ ' 69.89 69.90 69.91 69.91
Salinité moyenne au côté de l’alimentation &�+' &�� ��⁄ ' 52.46 52.46 52.46 52.47
Pression osmotique de flux d’alimentation , &���' 3185.28 3185.28 3185.28 3185.28
Pression osmotique de flux de la saumure , &���' 5300.53 5301.14 5301.65 5302.11
Pression osmotique de perméat ,� &���' 12.40 11.49 10.72 10.04
Pressions osmotiques moyennes du côté de l’alimentation , 4242.91 4243.21 4243.47 4243.69
Différence de pression osmotique efficace à travers la membrane ∆π 4230.51 4231.71 4232.75 4233.66
Différence de pression efficace à travers la membrane ∆P &���' 7399.00 7649.00 7899.00 8149.00
Surface de la membrane A &�#' 153.95 142.75 133.05 124.59
Surface de la membrane A &�#' 153.99 142.75 133.05 124.59
CHAPITRE IV RESULTATS ET COMMENTAIRES
65
Tableau IV.6 : Variation de la pression osmotique efficace en fonction de la Pression de Rejet
Pression de Rejet (P*)
7000 7500 8000 8500
Différence de pression osmotique efficace à travers la membrane ∆π 4230.51 4231.71 4232.75 4233.66
Différence de pression efficace à travers la membrane ∆P &���' 7399.00 7649.00 7899.00 8149.00
Pression osmotique efficace &∆. / ∆0 ' 3168.49 3417.29 3666.25 3915.34
D’après la courbe ci-dessus nous pouvons constater qu’une augmentation de la
pression de rejet engendrera un diminution remarquable de la salinité de flux de perméat.
L’augmentation de la pression de rejet engendre en effet une augmentation du débit de
rejet de sel et une diminution de la pression osmotique de perméat qui est une bonne
indication de la réduction du phénomène de polarisation (voir tableau IV.5) .
Le modèle mathématique utilise la pression de rejet plutôt que le taux de rejet (taux
de rétention) puisqu’il exprime dans son bilan de matière seulement les pressions, les débit
et les flux de chaques paramètre. Cependant, la relation entre la pression de rejet et le taux
de rejet sera proportionnel ou l’augmentation de l’un dévoilera l’augmentation de l’autre.
Figure IV.10 : Représentation graphique des résultats de variation de la salinité de flux de perméat (X�)
en fonction de la pression de rejet (P*).
Pression de rejet (P*) &���'
Salin
ité d
e fl
ux d
e pe
rméa
t (kg
/m3 )
��
�
CHAPITRE IV RESULTATS ET COMMENTAIRES
66
Autrement, l’efficacité d’une membrane est caractérisée par sa capacité à retenir une
espèce présente en solution, qui est exprimée par le taux de rejet. Il donne la proportion de
la matière retenue par la membrane, par rapport à la concentration dans le flux
d’alimentation. Il dépend des conditions de polarisation puisqu’il rend compte du transfert
du soluté dans la couche de polarisation et dans la membrane.
Figure IV.11 : Variation de la pression osmotique efficace en fonction du débit de de rejet
(P*)
Il faut tout d’abord mentionner que la concentration étant à la surface plus élevée que
dans le volume de la solution il s'ensuit une augmentation de la pression osmotique près de
la membrane et donc une diminution de la pression efficace &∆� / ∆, ' : le flux de
perméat va donc diminuer. Cependant d’après les résultats obtenu révélant que
l’augmentation des pression de rejet augmentera de façon progressive la pression efficace
et diminue la surface de la membrane.
IV.7.4 Variation de la salinité de flux de perméat (X�) en fonction de la pression
d'alimentation (P�)
La pression d’alimentation est relativement proportionnelle au débit d’alimentation,
elle dépend toutefois de l’application et de la surface membranaire mis en jeu.
Pression de rejet (P*) & ���'
Pres
sion
osm
otiq
ue e
ffic
ace
(kPa
) �
��
CHAPITRE IV RESULTATS ET COMMENTAIRES
67
Tableau IV.7 : variation de Salinité du flux de perméat (X�) en fonction de la pression
d'alimentation (P�)
Pression d'alimentation (P�)
7500 8000 8300 8500
Salinité de flux de perméat &Xd' &�� ��⁄ ' 0.15611 0.145 0.1394 0.1358
Débit massique de la saumure (M*) &�� �⁄ ' 1.50 1.50 1.50 1.50
Salinité de la saumure (X*) &�� �3⁄ ' 69.90 69.90 69.91 69.91
Salinité moyenne au côté de l’alimentation &�+' &�� ��⁄ ' 52.46 52.46 52.47 52.47
Pression osmotique de flux d’alimentation , &���' 3185.28 3185.28 3184.88 3185.28
Pression osmotique de flux de la saumure , &���' 5300.91 5301.47 5301.75 5301.93
Pression osmotique de perméat ,� &���' 11.84 11.00 10.75 10.30
Pressions osmotiques moyennes du côté de l’alimentation , 4243.09 4243.37 4243.37 4243.61
Différence de pression osmotique efficace à travers la membrane ∆π 4231.25 4232.38 4232.94 4233.31
Différence de pression efficace à travers la membrane ∆P &���' 7549.00 7799.00 7949.00 8049.00
Surface de la membrane A &�#' 147.03 136.77 131.27 127.84
Surface de la membrane A &�#' 147.03 136.53 131.24 127.84
Tableau IV.8 : Variation de la pression osmotique efficace en fonction de la Pression
d’alimentation
Pression d'alimentation (P�)
7000 7500 8000 8500
Différence de pression osmotique efficace à travers la membrane ∆π 4231.25 4232.38 4232.94 4233.31
Différence de pression efficace à travers la membrane ∆P &���' 7549.00 7799.00 7949.00 8049.00
Pression osmotique efficace &∆. / ∆0 ' 3317.75 3566.62 3716.06 3815.69
CHAPITRE IV
Figure IV.12 feuille de calcul du programme pour
La courbe de la figure ci
lorsque la pression d'alimentation
IV.7 montre une diminution légère de
la membrane et une augmentation considérable de la pression osmotique efficace par le fait
Figure IV.13 : Représentation graphique des résultats de la
Salin
ité d
e fl
ux d
e pe
rméa
t (kg
/m3 )
��
�
RESULTATS ET COMMENTAIRES
feuille de calcul du programme pour P� � 8300 et X�
La courbe de la figure ci-dessus montre que la salinité de flux de perméat diminue
lorsque la pression d'alimentation (P�) augmente. Les autres résultats extraitent du tableau
montre une diminution légère de la Pression osmotique de perméat
augmentation considérable de la pression osmotique efficace par le fait
Représentation graphique des résultats de la variation de la salinité de flux de perméat
(X�) en fonction de la pression d'alimentation (
Pression d’alimentation (P�) &���'
RESULTATS ET COMMENTAIRES
68
� 0.1394
dessus montre que la salinité de flux de perméat diminue
augmente. Les autres résultats extraitent du tableau
la Pression osmotique de perméat et de la surface de
augmentation considérable de la pression osmotique efficace par le fait
variation de la salinité de flux de perméat
) en fonction de la pression d'alimentation (P�)
& '
CHAPITRE IV RESULTATS ET COMMENTAIRES
69
de la réduction du phénomène de concentration de polarisation comme le montre la courbe
de la figure IV.14. Encore, cela peut ètre expliquer par le fait qu’une augmentation
succesive de la pression engendrera une augmentation du potentiel chimique de l’eau dans
la solution du sel qui peut causer la migration du solvant dans le coté de l’eau pure
parcequ’elle possède un potentiel chimique faible.
Figure IV.14 : Variation de la pression osmotique efficace en fonction du débit de
d’alimentation (P�) .
IV.7.5 Variation de la salinité de flux de perméat (X�) en fonction de la salinité de
l’alimentaion (X�)
Lorsque la salinité de l’alimentation augmente, la densité de flux diminue. Il y a
deux raisons à cela. D’une part, l’augmentation de la concentration en salinité engendre
une augmentation de la pression osmotique côté rétentat, provoquant une diminution de la
pression efficace. Sans augmentation de pression transmembranaire pour la contrer, le flux
diminue [37]. D’autre part, l’augmentation de concentration peut accentuer le colmatage
par gélification ou précipitation des solutés [38], Cependant, cette tendance n’est pas
systématique. Le taux de rejet aussi peut diminuer lorsque la concentration en soluté
augmente [39]. En effet, la diminution de la pression efficace et donc de la densité de flux
de perméat engendre une augmentation de la concentration ou la salinité dans le perméat.
Pression d’alimentation (P�) & ���'
Pres
sion
osm
otiq
ue e
ffic
ace
(kPa
) �
��
CHAPITRE IV RESULTATS ET COMMENTAIRES
70
Tableau IV.9 : Variation de Salinité du flux de perméat (Xd) en fonction de la salinité des
alimentations (X�)
Salinité de l’alimentation &Xf'
35000 38000 40000 42000
Salinité de flux de perméat &Xd' &�� ��⁄ ' 0.1012 0.11816 0.131 0.145
Débit massique de la saumure (M*) &�� �⁄ ' 1.50 1.50 1.50 1.5
Salinité de la saumure (X*) &�� �3⁄ ' 58.27 63.25 66.58 69.90
Salinité moyenne au côté de l’alimentation &�+' &�� ��⁄ ' 43.72 47.47 49.97 52.46
Pression osmotique de flux d’alimentation , &���' 2654.40 2881.92 3033.60 3185.28
Pression osmotique de flux de la saumure , &���' 4418.88 4797.23 5049.38 5301.47
Pression osmotique de perméat ,� &���' 7.68 8.96 9.94 11.00
Pressions osmotiques moyennes du côté de l’alimentation , 3536.64 3839.57 4041.49 4243.37
Différence de pression osmotique efficace à travers la membrane ∆π 3528.97 3830.61 4031.55 4232.38
Différence de pression efficace à travers la membrane ∆P &���' 7799.00 7799.00 7799.00 7799.00
Surface de la membrane A &�#' 114.24 122.92 129.48 136.77
Surface de la membrane A &�#' 114.24 122.92 129.49 136.53
Tableau IV.10 : Variation de la pression osmotique efficace en fonction de la Pression
d’alimentation
Salinité de l’alimentation &Xf'
35000 35000 35000 35000
Différence de pression osmotique efficace à travers la membrane ∆π 3528.97 3830.61 4031.55 4232.38
Différence de pression efficace à travers la membrane ∆P &���' 7799.00 7799.00 7799.00 7799.00
Pression osmotique efficace &∆. / ∆0 ' 4270.03 3968.39 3767.45 3566.62
CHAPITRE IV
Figure IV.15 : feuille de calcul du programme pour
La courbe de la figure
(X�) en fonction de la salinité de l’alimentation (
Figure IV.16 : Représentation graphique la
Salin
ité d
e fl
ux d
e pe
rméa
t (kg
/m3 )
��
�
RESULTATS ET COMMENTAIRES
feuille de calcul du programme pour Xf=35000 et X
La courbe de la figure IV.17 représente la variation de la salinité de flux
) en fonction de la salinité de l’alimentation (X�). Une augmentation de la salinité de
Représentation graphique la variation de la salinité de flux de perméat (
de la salinité de l’alimentation (X�)
Salinité de l’alimentation &Xf'
RESULTATS ET COMMENTAIRES
71
Xd=0.1012
sente la variation de la salinité de flux de perméat
). Une augmentation de la salinité de
variation de la salinité de flux de perméat (X�) en fonction
CHAPITRE IV RESULTATS ET COMMENTAIRES
72
l’alimentation engendre un augmentation de la pression osmotique de flux d’alimentation
&π�' et des pressions osmotiques moyennes du côté de l’alimentation &π', et en
conséquence la pression osmotique efficace s’en trouve diminuée suivi d’une augmentation
progressive de la salinité de flux de perméat &X�' montrée dans le tableau récapitulatif et
les courbe des figures IV.16 et IV.17 respectivement. Cependant le taux de rejet diminue
proportionnellement tandi que la surface de la membrane augmente moins rapidement.
Figure IV.17 : Variation de la pression osmotique efficace en fonction de la salinité de
l’alimentation &Xf'.
IV.8. Résultats pour d’autres modèle
IV.8.1 Spécifications du fabricant
CHAPITRE IV RESULTATS ET COMMENTAIRES
73
Figure IV.18 : feuille de calcul du programme par le modèle de Spécifications du fabricant.
IV.8.2 Modèle semi-empirique
Figure IV.19 : feuille de calcul du programme par le modèle de semi-empirique.
Conclusion
Générale
CONCLUSION GENERALE
74
Conclusion générale
Du fait de l’augmentation de la population mondiale, la pénurie en eau douce est
devenue un problème majeur, en particulier dans plusieurs régions arides du monde. Le
dessalement d’eau de mer pour la production d’eau potable est donc une solution alternative
qui permet d’augmenter les ressources en eau disponible, de fournir une solution en cas de
sécheresse et de lutter contre les pénuries.
Le dessalement de l’eau de mer s’impose, dans un certain nombre de pays du pourtour
méditerranéen en situation de stress hydrique, comme une option pour sécuriser l’alimentation
en eau potable des populations des villes côtières, compte tenu de l’accroissement rapide de la
demande en eau dans les secteurs de l’agriculture et de l’industrie. Le dessalement sera un
enjeu particulièrement important pour l’avenir des régions sujettes aux pénuries d’eau. C’est
une méthode d’avenir pour pallier aux problèmes d’eau douce. Elle permet une utilisation et
d’une gestion économe des ressources en eau et la mise en œuvre de moyens appropriés pour
faciliter l’accès à l’eau potable. Cependant il ne faut pas négliger l’impact écologique des
rejets de concentrât.
Aujourd’hui, plus de 15000 unités de dessalement dans le monde produisent environ 56
millions de m3/j, alors que la capacité mondiale de production en eau potable est de l’ordre de
500 millions de m3/j. En Méditerranée, la production des usines de dessalement s’élève à 10
millions de m3/j.
En Algérie, un déficit de 1 milliards de m3 sera enregistré en 2025 [43]. Pour pallier le
manque d’eau potable dans le pays, L’Algérie a décidé de miser sur des usines de dessalement
d’eau de mer. Les autorités comptent monter à 43 stations à l’horizon 2019, dont dix usines
sont déjà opérationnelles [44].
Un travail de simulation à l’aide d’un modèle mathématique pour la description du
processus de dessalement de l’eau de mer par osmose inverse a été effectué. Une étude de
simulation de dessalement de l’eau est réalisée pour trois modèles de calcul différents : modèle
mathématique, semi-empirique et modèle du fabriquant. L’étude de simulation est validée par
la concordance des résultats de calculs montrant l’influence des conditions opératoires à savoir
la pression, le débit d’alimentation et la concentration de l’alimentation sur la performance de
CONCLUSION GENERALE
75
traitement de l’unité d’osmose inverse.
Le déroulement du processus d’osmose inverse opère plusieurs paramètres dont leurs
influences attirent de considérable attention. Les résultats trouves dans notre études peuvent
être résumés comme suit :
• L’augmentation du débit d’alimentation entraîne une diminution de la salinité de la
saumure en provoquant cependant une diminution des pressions osmotiques des
différents flux ce qui engendre une augmentation considérable de la pression
osmotique efficace ce qui diminue la surface de la membrane.
• L’augmentation du débit de perméat entraîne une diminution de la pression osmotique
efficace du système.
• L’augmentation de la pression de rejet engendre une diminution de la pression
osmotique de perméat qui est une bonne indication de la réduction du phénomène de
polarisation.
• L’augmentation de la concentration en salinité engendre une augmentation de la
pression osmotique côté rétentat, provoquant une diminution de la pression efficace ce
qui engendre une augmentation de la salinité dans le perméat.
Enfin nous pouvons dire que le modèle étudié et simulé utilise les paramètres de
pression et de débit alors qu’il néglige l’effet de la température sur le cours du processus dans
le bilan énergétique, et l’absence de la densité de flux de perméat dans le bilan de matière.
76
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