Chimie de l’eau en osmose inverse : prévention de l’entartrage et de l’encrassement

La protection des membranes d’osmose inverse commence par une bonne connaissance de l’eau d’alimentation. Les sels dissous, les particules en suspension, les micro-organismes et les matières organiques nécessitent chacun une approche de prétraitement différente.

Ce guide explique comment la chimie de l’eau et les conditions d’exploitation influencent l’entartrage et l’encrassement, et présente les principales méthodes de prévention pour les systèmes d’osmose inverse traitant l’eau saumâtre et l’eau de mer.

Sur cette page

• Évaluer l’eau d’alimentation et le taux de récupération
• Prévenir l’entartrage minéral
• Comprendre les calculs d’entartrage
• Maîtriser les dépôts de silice
• Éliminer les particules, les colloïdes et les métaux
• Maîtriser l’encrassement biologique
• Réduire l’encrassement organique
• Comparer les options de prétraitement

1. Évaluer l’eau d’alimentation et le taux de récupération

L’évaluation du prétraitement tient compte de la source d’eau, de la température, du pH, de l’alcalinité, des sels dissous, de la silice, du fer et de l’aluminium, ainsi que des matières en suspension, des matières organiques et de l’activité microbienne. Le taux de récupération envisagé détermine dans quelle mesure les constituants retenus se concentreront.

Pour une première estimation, en supposant un passage des sels négligeable et l’absence de précipitation :

Cette estimation simplifiée ne tient pas compte de la polarisation de concentration : les concentrations à la surface de la membrane peuvent être plus élevées que dans la masse de l’eau. Une conception détaillée doit également tenir compte des interactions ioniques, des performances de la membrane et de la configuration des étages d’osmose inverse.

2. Prévenir l’entartrage minéral

L’entartrage se produit lorsque des sels peu solubles précipitent et se déposent sur la membrane. Les dépôts possibles comprennent le carbonate de calcium, le sulfate de calcium, le sulfate de baryum, le sulfate de strontium et le fluorure de calcium. La méthode de prévention appropriée dépend des sels présents et de leurs concentrations dans les conditions d’exploitation.

Dosage d’acide

L’abaissement du pH peut réduire le risque d’entartrage par le carbonate de calcium. Le dosage d’acide n’offre pas la même protection contre les dépôts de sulfates. L’acide sulfurique apporte également des sulfates, ce qui peut accroître le risque de précipitation des sulfates de calcium, de baryum ou de strontium.

Dosage d’antitartre

Les antitartres retardent la formation et la croissance des cristaux ; certaines formulations dispersent aussi les particules. Le choix du produit et son dosage dépendent de l’analyse complète de l’eau, du taux de récupération, de la température et de la compatibilité avec la membrane. La compatibilité avec les coagulants utilisés en amont est particulièrement importante : les polymères cationiques résiduels peuvent réagir avec les antitartres anioniques et former des dépôts.

Adoucissement

L’échange cationique sur résine fortement acide peut éliminer les ions responsables de la dureté et d’autres cations formant des dépôts. L’échange cationique sur résine faiblement acide permet un adoucissement partiel lié à l’alcalinité bicarbonatée. L’adoucissement à la chaux et à la chaux-soude constitue une autre solution fondée sur la précipitation. Le choix doit tenir compte de la dureté résiduelle, du pH, de la régénération ou de la gestion des boues, et de la filtration en aval.

Ajustement du taux de récupération

Réduire le taux de récupération diminue la concentration des sels retenus dans le concentrat, mais augmente le volume d’eau rejetée. Le taux de récupération doit être choisi conjointement avec le prétraitement, plutôt que considéré comme un objectif d’exploitation indépendant.

3. Comprendre les calculs d’entartrage

Le risque d’entartrage par les carbonates peut être évalué à l’aide de l’indice de saturation de Langelier (LSI) ou, pour les eaux plus salines, de l’indice de saturation de Stiff et Davis. Un indice positif indique une tendance thermodynamique à la précipitation du carbonate de calcium ; il ne décrit pas tous les types de dépôts.

Pour les autres sels peu solubles, l’évaluation du risque d’entartrage consiste à comparer le produit des activités ioniques au produit de solubilité correspondant. La température, la force ionique et la spéciation chimique influencent le résultat. Les seules concentrations ne remplacent pas entièrement une évaluation fondée sur les activités.

Évaluez le risque dans les conditions du concentrat. Les limites d’utilisation des antitartres doivent être établies à partir des projections du fournisseur retenu et des recommandations du fabricant de membranes, plutôt que d’une limite de saturation universelle.

4. Maîtriser les dépôts de silice

La silice se concentre à mesure que le taux de récupération augmente. Sa solubilité dépend de la température et du pH, tandis que le fer et l’aluminium peuvent contribuer à la formation de dépôts de silicates difficiles à éliminer.

Les options de maîtrise comprennent la réduction du taux de récupération, l’élimination de la silice par un prétraitement adapté et, le cas échéant, l’utilisation d’une formulation compatible de contrôle de la silice. Tout ajustement du pH ou de la température doit également être vérifié au regard des autres risques d’entartrage et des limites de fonctionnement de la membrane.

Évaluez séparément les formes dissoutes et colloïdales. La filtration des particules n’élimine ni la silice dissoute ni les métaux dissous.

5. Éliminer les particules, les colloïdes et les métaux

Les matières en suspension et les colloïdes peuvent se déposer sur les membranes et limiter l’écoulement. Selon la qualité de l’eau d’alimentation, le prétraitement peut comprendre la coagulation et la floculation, la clarification, la filtration sur média, la microfiltration ou l’ultrafiltration.

Le fer et le manganèse exigent une attention particulière, car l’oxydation peut transformer les espèces dissoutes en particules insolubles. Si l’oxydation fait partie du prétraitement, les solides ainsi formés doivent être éliminés avant les membranes d’osmose inverse.

La filtration sur cartouche constitue une dernière barrière contre les particules, mais ne doit pas compenser un traitement insuffisant en amont. Vérifiez l’entraînement de coagulants, de floculants et d’hydroxydes métalliques, ainsi que celui des particules présentes dans l’eau brute.

6. Maîtriser l’encrassement biologique

Les micro-organismes qui atteignent un système d’osmose inverse peuvent adhérer aux surfaces et former des biofilms. Une augmentation de la pression différentielle et une baisse du débit de perméat normalisé peuvent indiquer un encrassement, même si ces symptômes ne permettent pas, à eux seuls, d’en identifier la cause.

Une stratégie de maîtrise biologique associe un prétraitement adapté, une surveillance microbiologique et la maîtrise de la prolifération dans les réservoirs, les conduites et les filtres. Une chloration ou un traitement UV en amont peut convenir selon la qualité de l’eau et la configuration du procédé.

Lorsque du chlore est utilisé en amont de membranes en polyamide sensibles au chlore, l’oxydant résiduel doit être maîtrisé avant l’étape d’osmose inverse. Le charbon actif et le bisulfite de sodium ou le métabisulfite de sodium sont des options de déchloration. Le dosage des produits chimiques, leur mélange et leur surveillance doivent respecter les exigences de la membrane choisie.

7. Réduire l’encrassement organique

Les matières organiques naturelles, les huiles, les graisses et certains polymères peuvent s’adsorber sur les membranes et réduire le débit de perméat. Leur élimination dépend de leur forme et de leur composition : la coagulation, le charbon actif et l’ultrafiltration peuvent traiter différentes fractions organiques.

Évaluez la contamination organique en tenant également compte des produits chimiques de traitement envisagés. Un procédé qui élimine efficacement les particules peut néanmoins laisser les substances organiques dissoutes atteindre les membranes d’osmose inverse.

8. Comparer les options de prétraitement

Discutez de vos besoins en prétraitement pour l’osmose inverse

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