Le dessalement de l`eau de mer

Le dessalement de l'eau de mer
Introduction : L'eau sur la Terre
− répartition et principales utilisations de l'eau
− l'importance de l'eau dans les conflits
Le dessalement de l'eau de mer
I) La distillation
II) L'électrodialyse
III) L'osmose inverse
Conclusion
Introduction
De nos jours, la recherche dans le dessalement de l'eau est capitale du fait du
manque d'eau croissant dans les pays où les ressources en eau sont trop faibles par
rapport à la population et à l'agriculture.
En effet, tandis que la Terre est recouverte de 72% d'eau, on trouve seulement 3%
d'eau douce. Cette eau est inégalement répartie sur la planète : 10 pays se partagent
60% des réserves d'eau douce alors que 29 pays subissent de nombreuses
sécheresses.
On constate sur le planisphère (page 2) que l'Afrique, l'Inde et l'Asie Mineure sont
très touchées par le manque d'eau. Cela est dû au climat aride de l'Afrique, mais
également à l'insuffisance des nappes souterraines, par rapport à la demande pour
l'agriculture et pour la consommation. Ce manque en Afrique peut aussi être expliqué
par des installations souvent trop peu nombreuses, liées à la pauvreté de ce
continent.
Les puits creusés, s'il en existe, n'atteignent pas toujours les nappes phréatiques, du
fait de l'absence de machines perfectionnées pour creuser en profondeur. Pour l'Asie
Mineure, et l'Inde, la surpopulation et les besoins de l'agriculture intensive
nécessitent plus d'eau que les réserves disponibles peuvent fournir. En effet, les
principales sources d'eau douce sont les fleuves, car les nappes phréatiques sont
souvent polluées par les engrais, ou vides. Dans ces pays, la désalinisation s'avère
donc cruciale.
L'eau de mer représente donc une richesse quasiment inépuisable, mais uniquement
si on peut la dessaler, car elle contient 1000 fois plus de sel que la limite fixée par
l'OMS pour pouvoir être consommée, c'est-à-dire une teneur maximale de 500 mg/l.
Cela signifie qu’en fonction de la salinité de l'eau, une diminution de la teneur en sel
de 75 à 99 % doit être réalisée, l'eau étant potable si elle contient moins de 500 ppm
de sel (une ppm correspond à un rapport de 0,000001, soit, par exemple, un
milligramme par kilogramme).
C'est donc dans cette optique que les chercheurs de nombreux pays développent
des techniques de dessalement de plus en plus performantes, afin de produire une
plus grande quantité d'eau potable à un coût plus faible. Parmi ces techniques, trois
sont les plus utilisées : ce sont l'osmose inverse, la distillation et l'électrodialyse.
Laquelle de ces méthodes est la plus rentable, la moins chère et de ce fait la plus
envisageable pour subvenir aux besoins en eau potable futurs?
Le dessalement de l'eau de mer
I) La distillation
La distillation consiste à évaporer l’eau de mer, soit en utilisant la chaleur émise par
les rayons du soleil, soit en la chauffant dans une chaudière. Seules les molécules
d’eau s’échappent, laissant en dépôt les sels dissous et toutes les autres substances
contenues dans l’eau de mer. Il suffit alors de condenser la vapeur d’eau ainsi
obtenue pour obtenir une eau douce consommable. C'est une technique bien connue
puisqu'elle était déjà utilisée dans l'Antiquité, découverte par Aristote au IVe siècle av.
J.-C.. Mais à cette époque, elle était utilisée seulement à petite échelle
(consommation personnelle).
De nos jours, c'est un procédé coûteux, surtout en énergie puisqu'elle nécessite non
seulement l'utilisation d'énergie thermique, pour chauffer l'eau, mais aussi d'énergie
électrique, pour faire circuler l'eau. La production moyenne de l'usine Veolia (qui sera
achevée en 2010) sera d'environ 800 000 m³ d'eau par mois, et sa consommation
d'énergie sera réduite puisqu'elle produira elle-même une partie de l'électricité
nécessaire à son fonctionnement. De ce fait, le prix de l’eau potable sera réduit.
Eau de Mer
Besoins en
énergie
FC1
Usine de
dessalement
(Méthode de
distillation)
Aspect
financier
FC2
Consommateur
FP1
FC3
Environnement
Diagramme pieuvre de l’usine de dessalement
FP1 : Fournir de l’eau potable au consommateur à partir d’eau salée
FC1 : Limiter les besoins en énergie
FC2 : Réduire au maximum la consommation d’énergie pour réduire le coût de
production
FC3 : Respecter l’environnement en rejetant le moins de déchets possible.
Calculons maintenant la consommation d’énergie nécessaire au chauffage de l’eau à
une température de 100°C :
- Il faut 1kcal pour augmenter la température d’1L d’eau d’1°C.
- 1kcal = 1,16 Wh
On peut donc calculer la consommation d’énergie pour chauffer 1m³ (1000L) d’eau
en fonction de sa température de départ.
_______________________
Tdépart = 15°C donc une augmentation de 85°C est nécessaire.
85 (kcal) × 1000 (L) × 1 ,16 (Wh) = 98,6 kWh
Il faut donc 98,6 kWh pour une température de départ de 15°C.
_______________________
Tdépart = 20°C donc une augmentation de 80°C est nécessaire.
80 (kcal) × 1000 (L) × 1,16 (Wh) = 92,8 kWh
Il faut donc 92,8 kWh pour une température de départ de 20°C.
_______________________
Tdépart = 25°C
donc une augmentation de 75°C est nécessaire.
75 (kcal) × 1000 (L) × 1,16 (Wh) = 87,0 kWh
Il faut donc 87,0 kWh pour une température de départ de 25°C.
…Et ainsi de suite, la consommation dépend donc de la température de départ.
Pour chaque degré supplémentaire, il faut un supplément d’énergie de 1,16 kWh par
m³ d’eau.
Ces calculs s’appliquent seulement à l’énergie nécessaire à chauffer l’eau. L’énergie
nécessaire à la vaporisation totale de l’eau est donnée par le calcul suivant :
- Sachant qu’il faut 2256 × 103J pour vaporiser 1L d’eau
- Il faut donc : 2256 × 10 6 J pour vaporiser 1 m³
- Par ailleurs 1 Wh = 3600 J
- Expression de la puissance en Wh : 2256 × 106 J × Wh ÷ 3600 J ≈ 627 kWh =
62,7 €
Cependant, lors de la liquéfaction, l’énergie de la chaleur latente est récupérée. On
ne comptera donc pas le prix de l’énergie nécessaire à la vaporisation, puisque cette
énergie est récupérée.
En reprenant l’exemple de l’usine Veolia, sa capacité de production étant 29 630 m³
par jour, on peut facilement calculer sa consommation quotidienne en énergie (en se
basant sur une température moyenne de 20°C) :
29 630 m³ × 92,8 kWh = 2 749 664 kWh
Sachant que le prix du kWh est d’environ 0,10€, le prix en énergie nécessaire par
jour est :
2 749 664 kWh × 0.10 € = 274 966 € environ par jour uniquement pour chauffer
l’eau.
On peut également diminuer la température d’ébullition de l’eau en baissant la
pression selon la relation suivante :
p = ( T / 100 )4
T = température d’ébullition en °C et p = pression en bar
D’où T = 4√p × 100
En plus de ce coût, il faut compter l’électricité utilisée pour l’acheminement de l’eau,
le personnel et l’entretien des machines…etc. Toutefois, l’eau obtenue par cette
méthode est déminéralisée. Pour être consommée, elle doit donc être reminéralisée.
II) L'osmose inverse
Principe :
Le principe de l'osmose inverse est simple. Dans la nature, un phénomène se produit
: l'eau pure devient salée au contact de l'eau de mer. Le but de l'osmose inverse est
d'inverser ce phénomène. Il faut faire passer l'eau à travers une membrane semiperméable grâce à une pression très élevée. La membrane semi-perméable ne
laisse passer que les molécules d'eau.
Principe de l’osmose
Principe de l’osmose inverse
C’est cette méthode que nous avons essayé de reconstituer par l’expérience
suivante :
Après avoir emprunté un osmoseur chez Cityplantes (Dijon), nous avons utilisé un
vérin afin de faire passer de l'eau salée (Na+ et Cl-) dans l'osmoseur avec une
pression suffisante et tenter de récupérer de l'eau potable. Nous avons donc utilisé
du sérum physiologique en guise d’eau salée. Cependant cet appareil était destiné à
traiter des eaux de ville et la membrane était inefficace avec une telle utilisation, mais
nous avons toutefois fait l’expérience. Nous n’avons pas pu obtenir de l'eau tout à fait
dessalée. Après l'expérience nous avons testé la solution obtenue au nitrate
d'argent. Il repère les ions Cl- en formant un précipité blanc mis en évidence par
l’équation chimique suivante :
Ag+ (aq) + Cl- (aq) Î AgCl (s)
La molécule AgCl est le chlorure d’argent, de couleur blanche.
Nous avons donc vérifié si l’eau était ou non dessalée, mais nous avons constaté
qu’elle ne l’était pas car un précipité blanc s’est formé. Nous avons donc cherché la
concentration de la solution obtenue par mesure de la conductance (avec la courbe
d’étalonnage ci-dessous) en reportant les différentes valeurs de la conductance
trouvées en fonction de la concentration.
Montage
Fonctionnement
Nous avons mesuré une conductance G1 = 7.7 S avant l’expérience, correspondant
à une concentration en sel de C1 = 1.6 × 101 mol/ m³ d’après la courbe.
Après l’expérience, la conductance mesurée était G2 = 4.85 S ce qui correspond
donc à une concentration en sel de C2= 1.0 × 101 mol/ m³.
On peut vérifier, par le calcul, grâce à la loi de Kohlrausch, les mesures effectuées de
G:
LOI DE KOHLRAUSCH
G=
σ ×S
L
σ= λNa+ [Na+] + λCl- [Cl-]
λNa+ = 50,1 × 10-4 S.m2.mol-1
λCl- = 76,3 × 10-4 S.m2.mol-1
S et L sont constants et la valeur de leur quotient est égale à 38.5
1) [Na+] = [Cl-] = C1 = 1,6 x 101 mol/m³
Donc : σ1= 1,6 x 101 x (50,1 × 10-4 + 76,3 × 10-4)
= 2,0 × 10-1 S.m2.mol-1
D’où G1 = 2,0 x 10-1 x 38,5
= 7,7 S
2) [Na+] = [Cl-] = C2 = 1.0 x 10-2 mol/m³
Donc σ2 = 1,0 x 101 x (50,1 × 10-4 + 76,3 × 10-4)
= 1.26 × 10-1 S.m2.mol-1
D’où G2 = 1,26 x 10-1 x 38,5
= 4,85 S
Nous nous sommes donc renseignés pour tenter de savoir pourquoi l'expérience
avait échoué et sommes retournés voir le vendeur qui nous a dit qu'il fallait utiliser
l'osmoseur au moins 8 heures avant d'obtenir un résultat satisfaisant, ce qui peut
également expliquer l'échec de l'expérience.
Extrait de la procédure d’une société de dessalement par osmose inverse
(ProMinent) :
Sélection du traitement préalable approprié : en fonction de la provenance de l'eau
(par exemple puits ou mer), des mesures divergentes sont requises. Dans le cas
contraire, des substances organiques, minérales et biologiques pourraient créer des
dépôts sur les membranes et rapidement limiter le rendement de l'installation. Les
matières types posant problème sont les suivantes : huile, humines, Fe/Mn, CaCO3,
SiO2, algues/bactéries, etc.
En général, elles sont supprimées ou stabilisées en amont de l'installation à
membrane par une combinaison entre oxydation/désinfection, sédimentation,
filtration, adsorption et stabilisation.
Personnel
4%
Changement
de
membranes
5%
Maintenance
7%
charges fixes
37%
Consommables
3%
énergie
électrique
44%
Récapitulatif des dépenses d’une usine de dessalement par osmose inverse
On voit que la consommation d’électricité représente presque la moitié du budget
d’une usine. Voici un calcul théorique de la dépense en électricité d’un type
d’osmoseur fréquemment utilisé dans les usines d’osmose inverse.
Caractéristiques :
-Température de l’eau (pour un fonctionnement optimal) : 20°C
Î Il est important de respecter cette température car chaque degré en moins
représente une perte de rendement de 3%
-Facteur de conversion : 40% du débit entrant
-Débit d’eau entrant : 1042m³/h = 0.3m³/s
Î Débit sortant : 417m³/h
-Pression nécessaire : 70 bar
-Durée de vie des membranes : 3 ans
Formule pour le calcul de la puissance nécessaire au fonctionnement de l’osmoseur :
q = débit en m³ /s
p = pression en Pa
W = puissance en Watts
=q×p
Ce calcul reste théorique et impossible à appliquer comme tel. En effet, de nombreux
facteurs annexes modifient la consommation, la production. Pour réduire la
consommation, on installe par exemple des turbines qui produisent une partie de
l’énergie nécessaire.
D’après les données d’une usine par osmose inverse, on peut calculer la
consommation du dispositif de dessalement :
Consommation mesurée au moteur : 1520 kWh
Prix du kWh Ù 0.10€
Production par heure = 417m³/h
Prix du m³ = 1520 × 0.10 ÷ 417
= 0.365 €
Représente 44% des dépenses donc prix affiché au consommateur = 0.365€
× 100 ÷ 44
= 0.83 €
L’usine précise que le prix du m³ est affiché en moyenne à 1€/m³.
III) L'électrodialyse
Principe :
L'électrodialyse est un procédé chimique qui permet de séparer les ions Na+ et les
ions Cl- contenus dans une solution salée afin de ne conserver que les molécules
d'eau.
Un électrodialyseur est composé de plusieurs compartiments séparés
alternativement par des membranes anioniques ou cationiques et à chaque extrémité
du système on dispose une cathode et une anode.
Une membrane anionique ne laisse passer que les anions, c'est-à-dire les ions Cl-,
et une membrane cationique ne laisse passer que les cations, c'est-à-dire les ions
Na+.
Ces membranes sont des parois minces, denses et insolubles entre deux phases
aqueuses. Le transfert d’un ion à travers une membrane est accompli par l’action
d’un champ électrique. Les procédés électrodialytiques utilisent des membranes
organiques composées de matériaux similaires à ceux des résines échangeuses
d’ions. La structure de la membrane est fabriquée à partir d’un matériau polymère,
comme du chlorure de polyvinyle (PVC). La nature des ions détermine le type de
membrane : les membranes cationiques sont perméables aux cations (membranes
échangeuses de cations, MEC) et les membranes anioniques sont perméables aux
anions (membranes échangeuses d’anions, MEA).
Parfois un pré-traitement de la solution est nécessaire. En effet les particules en
suspension d’un diamètre supérieur à 10 nm sont susceptibles de boucher les pores
de la membrane. De plus certaines substances chimiques sont capables de
neutraliser les effets sélectifs de la membrane tels que les anions organiques de
grandes tailles, les oxydes de fer ou de manganèse.
Les cations sont attirés par la cathode et traversent donc une membrane cationique
pour se diriger vers cette électrode.
Les anions sont au contraire attirés par l'anode et traversent une membrane
anionique pour se diriger vers cette autre électrode.
Ainsi, chaque ion après avoir traversé une membrane se retrouve « pris au piège »
dans le compartiment suivant, et les compartiments qu'ils ont quittés ne sont plus que
remplis de molécules d'eau. Ces compartiments s'appellent compartiments de
dilution .On obtient ainsi de l'eau pure.
Toutefois se pose le problème des compartiments de concentration, car si certains
s'appauvrissent en sel, d'autres s'enrichissent logiquement en sel dissous.
Fonctionnement de l’électrodialyseur
Rendement :
Cette méthode est utilisée pour le dessalement des eaux saumâtres dont le taux de
salinité est inférieur à 10 g/l. En effet, au-dessus de ce taux l’énergie nécessaire aux
électrodes afin de séparer les ions de l’eau est beaucoup trop importante.
Selon les données d’une usine, la consommation en électricité est de :
- 3 à 8 kWh / m³ pour une eau d’une salinité de 1 à 10g/L
Î Dans ce cas, le prix du m³ revient entre 0.30€ et 0.80€ si en se basant sur un
prix de
0.10€ du kWh.
3 kWh ×0.10€/kWh = 0.30€
8 kWh ×0.10€/kWh = 0.80€
- 15 à 25 kWh / m³ pour une eau d’une salinité supérieure (comme l’eau de mer).
Î Dans ce dernier cas, l’osmose inverse est plus intéressante puisque le prix du
m³ produit par un électrodialyseur revient entre 1€50 et 2€50 si on se base sur un
prix de 0.10€ du kWh.
15 kWh ×0.10€/kWh = 1.50€
25 kWh ×0.10€/kWh = 2.50€
Conclusion
Distillation
Prix du m³ (théorique) Température en °C
9€ 90
15
9€ 30
20
8€ 70
25
Electrodialyse
Prix du m³ (théorique) Salinité
0€ 30 à 0€ 80
1 à 10g / L
1€ 50 à 2€ 50
10 à 35 g / L
≥ 2€ 50
≥ 35g / L
Type d'eau
Eau saumâtres
Eau de mer diluée
Eau de mer
Osmose inverse
Prix du m³ (théorique) concentration
≤ 1€
1 à 10g / L
≈ 1€
10 à 35 g / L
≥ 1€
≥ 35g / L
Pression nécessaire
Pression faible
Pression moyenne
Pression forte
Nous avons pu constater que de nombreux facteurs influent sur la rentabilité de ces
techniques tels que la concentration en sel de l’eau à traiter, le climat des régions où
les usines sont installées…
Toutefois à grande échelle, l’osmose inverse reste la méthode la plus rentable car
elle est moins coûteuse que la distillation ou que l’électrodialyse et qu’elle permet de
traiter une plus grande quantité d’eau.
En effet la méthode de distillation revient à un coût très élevé : rappelons qu’il faut
environ 275.000€ par jour à une température ambiante de 20°C rien que pour
chauffer l’eau.
C’est en grande partie pour cette raison que 60% des usines de dessalement d’eau
par distillation sont situées autour du bassin méditerranéen et en Asie occidentale. La
température ambiante dans ces régions étant de 40°C en moyenne, le coût du
dessalement de l’eau est alors déjà considérablement réduit.
La méthode d’électrodialyse, quant à elle, est très rentable pour des eaux saumâtres
mais pas pour des eaux maritimes, dont la teneur en sel est trop élevée.
C’est donc finalement la technique de l’osmose inverse, ce procédé développé par la
NASA pour recycler toute l’eau utilisée par les cosmonautes (hygiène, urines, etc.),
qui s’impose comme la référence en matière de dessalement pour l’avenir. C’est
surtout parce que cette méthode est moins gourmande en énergie, du fait de la
possibilité d’alimenter les usines par des panneaux solaires, et que son implantation
est rapide (24 mois pour construire l’usine d'El-Hamma en Egypte), qu’elle est
utilisée par plus de 1500 usines sur la planète. Cependant, face à ses atouts de
taille, c’est l’aspect écologique qui est négligé, puisque les rejets d’eaux très salées
polluent et détruisent l’écosystème marin. Le prix est également une barrière
puisqu’il reste plus élevé que pour de l’eau traitée à partir d’une rivière. Il reste donc
des progrès à faire au niveau environnemental, mais aussi pour améliorer le
rendement de ces usines. C’est malgré tout, ce type d’installation qui s’impose et qui
est privilégié par les sociétés de dessalement, afin de répondre aux problèmes de
pénurie d’eau actuels et à venir.