15 novembre 2011L. DAMMAK (SPC – ICMPE)

dammak@u-pec.fr

Journée Eau - Polluants - Procédés

Procédés membranaires pour la potabilisation

des eaux de surface, souterraines et de mer

1

Equipe SPC : Systèmes Polymères Complexes

Groupe : Matériaux Poreux et Membranes

L. Chaabane, C. Larchet, L. Dammak, D. Grande

Thématiques ICMPE :

Environnement et Développement Durable

Nanomatériaux et Matériaux Avancés

4 axes de recherche :

Caractérisation physico-chimique des MPFs tout au l ong de leur cycle de vie

Synthèse de nouveaux matériaux poreux nanorostructu rés

Développement et optimisation de nouveaux procédés membranaires

Modélisation du transport de matière à travers les m embranes 2

Sujets actuels / récents :

1 – Polymères nanoporeux et fonctionnalisés à morphologie contrôlée (R. Mejdoub)

2 – Dialyse de Neutralisation (A. Sellami ; Y. Chammem)

3 – Vieillissement des MPFs (R. Ghalloussi ; W. Garcia ; M. Moussa)

4 – Mise au point de nouvelles membranes en polycyanurate pour l’UF ( A. Raisi)

5 – Application de l’UF pour le traitement des eaux (industrie textile)

6 – Défluoruration des eaux potables par Dialyse Ionique Croisée

3

Coopération internationale• RUSSIE : Dépt. Chimie Physique de l’Université de Kouban, Académie des Sciences de Moscou

• KAZAKHSTAN : Dépt. Chimie Industrielle de l’Université d’Almaty .

• CANADA : Labo. Traitements de surfaces de l’Université d’OTAWA.

• UKRAINE : Inst. Chimie Macromoléculaire (National Academy ofSciences of Ukraine).

• TUNISIE : INSAT, FSS, FSG, GCT.

• SENEGAL : Ecole Polytechnique de Dakar.

• ESPAGNE: Université Polytechnique de Catalogne.

• AFRIQUE DU SUD : Université du Western Cape.

...

.

.

.

...

4

. .

Projets de coopération

• LIA : Laboratoire International Associé : ICMPE, IEM, ASM, Univ. Kouban

(2011-2014)

• PICS France/Ukraine : ICMPE, IMP@Lyon1, Inst. des Matériaux de Rouen,

IMC et INR de Kiev ( 2011 – 2013).

• CoTraPhen : Transport couplé dans les systèmes hétérogènes : Modélisation,

expérimentation et applications dans les énergies propres, micro-analyses et

traitement des eaux (6 partenaires : 2011-2014)

• Aquafutura : Projet en cours sur le site d’Ivry Sur Seine

5

Cycle de l’eau et origines des polluants

Impacts de certains polluants sur l’être humain et sur l’environnement

Photos et infos : http://www.atlasdedermatologieprofessionnelle.com/ Infos : Dr B. HDIJI ( Hôpital Pitié-Salpêtrière)

6

7

FLUOR

Préventiondes caries

0,5 1,5 4,0 mgF-.L-1

Fluoroseosseuse

Fluorosedentaire

Carence

Taches blanches chez les jeunesCalcification des dents chez les

personnes âgées

8

NITRATE

[NO3-]recom. = 25 mg.L-1. [NO3-]max. = 44 (USA) 50 (UE) mg.L-1. ���� (30 mg.L-1)

< 10 mg.L-1

10 – 25 mg.L-1

> 40 mg.L-1

25 – 40 mg.L-19

MINISTERE DE L’AGRICULTURE, DE L’ALIMENTATION, DE LA PECHE ET DES AFFAIRES RURALES (1997)http://www.fndae.fr/documentation/PDF/fndaehs04bis.PDF

NO3- se transforme en NO2

- (Toxiqueet Cancérigène).

Risques de méthémoglobinémie (réduction de la capacité des hémoglobines à

transporter de l'O2) ���� bébé bleuet peau bleu.

Risques de cancers: enfants et adultes(les enfants sont plus sensibles).

10

Eutrophisation : eaux riches en nitrates, nitrites, azote et

phosphore����

Développement anormal d’algues

11

ARSENICDans les systèmes aqueux, l'arsenic apparaît sous deux valences différentes : As(+III) et As(+V).

L'arsenicest la seule substance minérale classée cancérigène pour

l'hommesans l'être pour l'animal. Ces cancers sont souvent cutanés,

mais pourraient être internes (poumon, foie, vessie).

As(+III) est beaucoup plus toxique que As(+V)

Les formes inorganiques sont plus toxiquesque les formes organiques.

Teneur maximale autorisée en France: 50 µg/L.

EPA* régule la limite d'Arsenic dans les effluents liquides

à 0,1 µg/L(moyenne par jour).

•Environnemental Protection Agency (USA) 12

CHROME

Le chrome se trouve essentiellement aux 3 états d'oxydation : Cr(0), Cr(+III) et Cr(+VI).

Les composés du Cr(+VI) sont responsables

d'intoxications aiguës ou chroniques���� cancérigène

(surtout pour les embryons et fœtus),

inflammation des muqueuses et des ulcères,

maladies pulmonaires obstructives chroniques, Dermatoses, Eczémas,….

Teneur maximale autorisée en France :50 µg/L.

EPA régule la limite du Chrome dans les effluents liquides à0,1 µg/L(moyenne par jour).

13

CADMIUML'industrie du traitement de surfaceset la fumée de cigarettesont les sources les plus

importantes pour l'intoxication au cadmiumqui semble d'abord affecter les poumons, les reins,

les oset le système immunitaire.

Cette contamination peut conduire au cancerdes poumons, de la prostate, aux maladies du cœur

et causer le jaunissement des dents et l'anémie. Le cadmium contribue aux maladies auto-

immunes de la thyroïde : Thyroïdite auto-immune (Maladie de Basedow en cas

d’hyperthyroïdie).

14

CYANUREIl est absorbé par les voies respiratoires et les voies digestives. En solutions aqueuses, les

cyanures peuvent pénétrer par la peau.

Effets aigus : irritation des yeux, de la peauet des voies respiratoiressupérieures ; asphyxie

chimique (maux de tête, vertiges, nausées, vomissements, respiration rapide, sensation

d'oppression, rougeur de la peau, perte de conscience, convulsions, possibilité d'arrêt

respiratoire et de mort).

Effets chroniques :possibilité de maux de tête, de faiblesse, de modifications du goûtet de

l'odorat, d'irritation des voies respiratoires supérieures, de vomissements, de dyspnéeà l'effort,

de colique abdominale, de salivation excessive, d'instabilité nerveuseet d'augmentation du

volume de la thyroïde.

Aucune donnée concernant un effet cancérogène n'a été trouvée dans les sources

documentaires.

15

PLOMB

16

Intoxication au Plomb ���� Saturnisme

NICKEL

C’est un oligo-élément essentiel à l’organisme.

La toxicité aiguë après ingestion par voie oralese manifeste essentiellement par une irritation gastro-intestinale, alors qu’une ingestion chroniquese traduit par des dermatoses eczémateuses.

Teneur maximale autorisée en France: 50 µg/L.

EPA régule la limite de Nickel dans les effluents liquides à 1 µg/L (moyenne par jour).

17

18

Des pesticides dans la moitié des fruits et légumes

en France ! ���� Infertilité, toxicité, insuffisance

rénale, troubles neurologiques et hormonaux,…

PESTICIDES

MEDICAMENTS

Antibiotiques (humains, animaux), pilules de contraception,…

Que faire ?

19

Différentes techniques de traitement

20

Les procédés membranaires

21

Membrane / ProcédéMembrane(1 à 500 µm)

Solution a Solution b

A

B

Force de Transfert ���� Procédé

∆∆∆∆C ���� Dialyses (DD, DIC, DN)

∆∆∆∆V ���� Electrodialyses (ED, EED, EDMB)

∆∆∆∆P ���� Baromembranaires (OI, NF, UF, MF) 22

2 grandes familles :

• Membranes Échangeuses d’Ions

(MEI : MEC, MEA, MB)

• Membranes poreuses (neutres

ou chargées)

33

Membranes polymères

23

Rétentat

Perméat

Perméat

Alimentation

Membrane

∆∆∆∆P

Support

Coupe d’une membrane

Membranes céramiques

24

Observations au MEB

25

Nos membranes

26

Dp = 10 – 100 nm

100 nm1µm

canaux interconnectcanaux interconnectééss

catalyse membranaire nanoconfinée nano-/ultra-filtration sélectives

G : jonction fonctionnaliséeGGcopolymères diblocs ((PSPS--GG--PLAPLA )) réseaux interpénétrés

fonctionnalisés(RIPs PS/PLA )

PrPréécurseurs nanostructurcurseurs nanostructur éés s semisemi --hydrolysableshydrolysables

MatMatéériaux nanoporeux fonctionnalisriaux nanoporeux fonctionnalis ééss

27

- Stabilité dimensionnelle élevée

- Excellente stabilité thermique ( Тd > 400 ˚С)

- Tg élevée (Tg > 250 °C)

- Constantes diélectriques faibles ( εεεε ~2,5-3,2)

- Faible adsorption d’eau

- Résistance élevée aux solvants et corrosifs

Principalespropriétés des PCNs

RRééseaux hybrides seaux hybrides àà base de base de polycyanuratespolycyanurates ((PCNsPCNs))PolymPolym èères synthres synth éétistis éés et mis en forme par A. FAINLEIB (IMC s et mis en forme par A. FAINLEIB (IMC -- NASU)NASU)

pores

PCN

Films nanoporeux thermostables Films nanoporeux thermostables àà base de base de PCNsPCNs

Meilleures propriétés thermiques que Polyépoxydeset meilleures propriétés mécaniques que Polyimides !

nano-/ultra-filtration, perméabilité à T élevée

Avantages des procédés membranaires

Moins de consommation d’énergie (pas de changement d’états)

Conservation des éléments thermosensibles

Pas d’altération de la qualité gustatives des produits (surtout agroalimentaires)

Quelques applications

Production de l’eau potable (différentes eaux)

Production de certains acides et bases à partir de leurs sels

Traitement des effluents industriels gazeux ou liquides

Élimination d’ions et de produits toxiques des effluents industriels

Valorisation de certains éléments (métaux nobles, colorants, protéines,…)

fractionnement, purification, concentration des mélanges

Défauts des procédés à membrane

Vieillissement des membranes

Sensibilité des membranes à certains oxydants : ClO-, Cl2,…

Cinétique parfois lente28

Deux types de polluants ���� Deux catégories de procédés :

• Procédés à membranes échangeuses d’ions (polluants ion iques)

• Procédés à membranes poreuses (polluants moléculaires)

29

Procédés à MEIÉlectrodialyse

30

Principe

Principales applications

• Déminéralisation des eaux saumâtres

• Production d’eau ultra pure

• Agroalimentaire : vins, lactosérum,…

31

Unités d’ED mobiles : Almaty (Kazakhstan).Production d’eau potable à partir des eaux de surface : Villages dans les mon tagnes.

Collaboration : UPEC (LMEI), IEM, U. Kouban, U. Alm aty

Unités d’ED pour l’Arabie Saoudite (Eurodia)

Unités d’ED pour la dénitratation des eaux de

surface (Eurodia).Sélection de la MEA ( AFN) après tests réalisés par le

LMEI sur cellule de transfert.

Du concret…

Procédés à MEIDialyse Ionique Croisée

32

Principe

Principales applications

Dénitratation et/ou Défluoruration des

eaux de surface ou souterraines.

Entrée compart. 1

Na+ Cl-

Sol. polluée

Na+ , Cl- + F-

Sol. traitée

Na+ Cl- + F- Y-

Entrée Compart. 2

Na+ F-

F-

Cl-

Na+

MEA

Na+

Procédé lent mais pas couteux : Installation mobile de défluoruration réalisée au Sénégal

(Région de Diourbel).

Procédés à MEIDialyse de neutralisation

33

Principe

Principales applications

Déminéralisation des eaux de

surfaces ou des effluents peux

chargés en sels

Na+ OH-

Solution à traiter

A+ X- + MO

Solution traitée

peu de A+ X- + MO

H+

A+X-

MEC

OH-

MEA

H+ Cl-

H2O

H+ , A+ , Cl-Na+ , OH- , X-

Cl-Na+

34

Taux d’élimination de NaCl =f(t) et de la concentration CA=CB : ♦ 0,02 M ; � 0,1 M ; � 0,5 M.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 5 10 15 20 25 30 35 40

ττ ττ E(%

)

time (h)

Taux d’élimination de Na+ =f(t). Cas de l’eau de Skhira. CA=CB=0,5 M.

Procédés BaromembranairesOsmose Inverse

35

Principe

Principales applications

Production d’eau potable à partir de l’eau saumâtre ou de mer.

∆∆∆∆P ~ 60 bar

Du concret…Production d’eau potable à partir de l’eau de mer

36

Du concret…

L'usine d'Al Jubail en Arabie Saoudite combine une centrale thermoélect rique et une

usine de dessalement. C'est la plus grande au monde .

Elle produit 3 millions de mètres cubes d'eau douce par jour et développe 5 GW de

puissance électrique !

Production d’eau potable à partir de l’eau de mer

37

Du concret…Production d’eau potable à partir de l’eau de mer

Exemple de la nécessité de traitement des eaux :

Consommation totale (humaine, moteur, nettoyage,…) : ~ 1500 m3/semaine

Il faut produire et recycler à bord !

38

Procédés BaromembranairesNanofiltration

39

Principe

Principales applications

• Dessalement des eaux de surfaces et non pas de mer.

• Adoucissement des eaux.

• Déminéralisation du lactosérum.

∆∆∆∆P ~ 10 bar

Du concret…

La plus grande usine au monde de production des eaux potables par NF à partir des eaux de rivières .

Production d’eau potable à partir d’eau de surface

40

Procédés BaromembranairesUltrafiltration

41

Principe

Principales applications

• Dessalement des eaux de surfaces et non pas de mer.

• Traitement des effluents de l’industrie du textile.

∆∆∆∆P ~ 5 bar

42

∆∆∆∆P = 8 bar

Q = 12 L/H S = 17 cm²

Exemple d’une peinture par électrophorèse

�

Four pour polymérisation de la résine

Procédés Membranaires

44

Pour chaque procédé, il faut une série d’opérations in termédiaires

pour augmenter la durée de vie des membranes :

Conclusion

45

Activités du MPM :

• Synthèse de nouveaux matériaux poreux.

• Mise en forme de membranes.

• Caractérisation et utilisation de membranes industrielles.

• Développement et optimisation de procédés membranaires.

• Suivi du comportement à long terme des MPFs.

La vie ���� la pollution ���� nécessité de traiter en amont ou en aval.

De nombreux procédés membranaires peuvent être utilisés dans la

potabilisation des eaux et le traitement des effluents liquides.

Inconvénients majeurs : Investissements élevés et/ou cinétiques lentes.

Applicables uniquement sur eaux relativement « propres ».

Avantages majeurs : Peu énergétivores.

Préservent les qualités gustatives.

Pas d’ajouts de réactifs.