Nouveau système de traitement des eaux usées utilisant des procédés membranaires avancés

Les arguments en faveur de la conservation et de la préservation de l'eau deviennent de plus en plus sérieux. Les pénuries d'approvisionnement en eau, la baisse de la qualité de l'eau et, dans certains cas, la perte totale d'accès à l'eau sont devenues de plus en plus courantes dans le monde. Malheureusement, ces problèmes d'eau ne sont plus attribués uniquement aux pays en développement ou aux régions arides, mais peuvent désormais être vus et ressentis par tous sous la forme de lits de lacs asséchés, d'aquifères effondrés et épuisés et de rivières qui ne coulent plus vers leur destination. Selon ONU-Eau, 1,8 milliard de personnes vivront avec une pénurie absolue d'eau d'ici 2025.1 En Californie, le coût de l'approvisionnement en eau des terres agricoles a été multiplié par dix en 2022 ;2 en Colombie-Britannique, au Canada, une zone désignée comme forêt tropicale était soumise à de sévères restrictions de sécheresse à l'automne 2022 ;3 et en 2017, Cape Town en Afrique du Sud a atteint le « jour zéro » - le jour où les réservoirs d'eau étaient essentiellement à sec et le gouvernement a été contraint de couper l'approvisionnement en eau.4

Même l'Europe voit des obstacles à la fabrication, lorsqu'en 2022 Tesla a bloqué ses projets de véhicules électriques (VE) en raison de restrictions d'eau.5 Le manque d'eau constitue une menace majeure pour plusieurs secteurs, notamment la fabrication industrielle, les transports et même la sécurité alimentaire. Si la rareté de l'eau continue de s'aggraver, les gens et l'industrie commenceront-ils à se faire concurrence pour l'obtenir ou, pire, à se battre pour l'obtenir ? Si nous voulons franchir ce cap, nous devons commencer à mieux gérer notre eau mais, plus important encore, nous devons commencer à valoriser l'eau en tant que ressource. Pour les processus industriels, la capacité à réutiliser l'eau pourrait faire la différence entre avoir une exploitation économique et durable et cesser ses activités faute d'eau. L'amélioration de la conservation de l'eau a mis en évidence le mandat d'adopter de nouvelles méthodes de traitement des eaux usées, de sorte que l'eau précieuse qu'elles contiennent puisse être extraite, purifiée et réutilisée dans les processus industriels ou renvoyée dans l'environnement pour la recharge des aquifères ou le remplissage des réserves d'eau.

Il existe des solutions au problème de la rareté de l'eau. Alors que le soulagement du stress hydrique nécessitera des efforts sur plusieurs fronts, l'un de ces champs de bataille sera axé sur l'utilisation industrielle et la réutilisation de l'eau. À l'échelle mondiale, 359 milliards de mètres cubes d'eaux usées industrielles sont produites chaque année et seulement 50 % environ sont traitées.6 Récupérer l'eau de manière rentable, avec des besoins énergétiques minimaux, est réalisable aujourd'hui en utilisant des technologies plus avancées et actuellement disponibles. Pour les usines existantes, la mise à niveau ou la modification des processus de traitement des eaux usées existants pourrait essentiellement signifier que l'eau entrant dans une usine pourrait être réutilisée indéfiniment, ce qui en ferait un achat unique et une ressource de l'usine. À titre d'exemple, le Groupe L'Oréal s'est engagé à ce que, d'ici 2030, 100 % de l'eau utilisée dans ses processus industriels soit recyclée et réutilisée dans une boucle d'eau continue.7

Au cours des dernières décennies, les progrès des technologies et des méthodes de traitement des flux de déchets industriellement contaminés sont apparus plus fréquemment. La plus importante de ces avancées a été l'émergence de nouvelles technologies à base de membranes capables de transformer les usines de traitement des eaux usées conventionnelles en installations de réutilisation durable avancées. La plus mature des technologies membranaires est l'osmose inverse (RO), avec une taille de marché projetée de 13,5 milliards de dollars d'ici 2025 avec un taux de croissance annuel composé (TCAC) de 8,7 %.8 Cette croissance du marché est en partie due à la rareté de l'eau, aux nouveaux mandats de traitement des eaux usées industrielles et municipales et, plus récemment, à la gestion de la saumure en raison de la construction d'un plus grand nombre d'usines de dessalement pour répondre à la demande en eau potable.9

Le besoin et la demande de plus d'eau ont conduit au développement de nouvelles technologies membranaires et à l'évolution d'autres. Les développements récents de la technologie membranaire comprennent l'osmose inverse assistée par osmose (OARO), l'osmose inverse en circuit fermé (CCRO), la distillation membranaire (MD) et l'osmose directe (FO). FO est un bon exemple d'évolution technologique, réalisée uniquement par les progrès de la chimie et des sciences des matériaux au cours des 15 dernières années. FO a tiré parti de ces avancées grâce à l'utilisation de membranes sélectives à l'eau nouvellement commercialisées et à l'utilisation d'une nouvelle solution de tirage thermolytique (TDS), offrant des taux de récupération d'eau plus élevés à des énergies plus faibles. Le résultat net de ces progrès est que de grandes quantités d'eau propre peuvent être extraites et récupérées des eaux usées en utilisant l'énergie osmotique libre contenue dans la solution « puisée ». Historiquement, le défi de la commercialisation des technologies FO a été d'identifier des solutions de soutirage économiquement viables qui sont faciles à régénérer avec des demandes d'énergie minimales. La sélection et l'utilisation d'une solution d'étirage thermolytique répond à ce défi. Les solutions d'extraction thermolytique FO sont capables de fournir une réduction d'énergie de 40 à 50 % par rapport à l'évaporation thermique conventionnelle (TE) en ce qui concerne l'extraction et la production d'eau propre.10 Étant donné que FO utilise moins d'énergie que TE, FO a une empreinte carbone beaucoup plus faible, ce qui s'avère bénéfique pour les entreprises qui cherchent à améliorer leur note environnementale, sociale et de gouvernance (ESG). De plus, étant donné que FO utilise l'énergie osmotique pour aspirer l'eau à travers une membrane semi-perméable et non sous pression, les défis/problèmes courants associés aux opérations d'osmose inverse, tels que le compactage/compression des solides, le blocage des pores et la perte de flux irréversible, ont été éliminés ou minimisés en raison de la nature de fonctionnement robuste de FO.

Forward Water Technologies Corporation a commercialisé son procédé industriel MAX-FOTM pour les eaux usées et de traitement difficiles à traiter qui ont peu d'alternatives de traitement des eaux usées autres que l'évacuation en puits profond ou l'évaporation par ébullition en vrac à haute énergie.

Un processus FO industriel utilise généralement une approche en trois étapes. La première étape consiste à utiliser une membrane pour extraire l'eau d'un flux de déchets ou de processus. L'extraction de l'eau est fonction de la perméabilité de la membrane et du potentiel osmotique de la solution d'extraction. Le potentiel osmotique est lié au type de solution d'extraction utilisée et devrait développer une différence de potentiel osmotique très élevée entre la solution d'alimentation et la solution d'extraction. Comme le potentiel osmotique est la force provoquant le transport de l'eau à travers la membrane, plus le potentiel osmotique est élevé, plus le transport de l'eau est important. Pour maximiser le potentiel osmotique, le processus FO doit être conçu de manière à ce que la solution de soutirage soit maintenue à la concentration la plus élevée possible pendant que l'eau y est transportée. Le résultat net du transfert d'eau conduit à une concentration de la solution d'alimentation et à une dilution de la solution « d'extraction » appelée solution d'extraction diluée (DDS). Pour maintenir une concentration élevée de solution d'extraction pendant les opérations, le DDS doit être reconcentré ou régénéré en continu dans un processus en boucle fermée. Forward Water Technologies y parvient en utilisant une solution thermolytique.

Une solution de tirage thermolytique est préférentielle car elle permet aux systèmes FO de fonctionner à des niveaux de TDS nettement plus élevés, bien au-delà des limites de RO. Le caractère unique d'une solution de tirage thermolytique réside dans sa capacité à se convertir d'un sel dissous en un gaz et à laisser une solution lorsqu'une chaleur de faible qualité lui est appliquée, ce qui laisse de l'eau propre. En revanche, un évaporateur thermique est une chaudière en vrac, utilisant la pression et la haute température dans la production d'eau distillée. Comme décrit, la différence opérationnelle entre FO et TE est significative, la consommation d'énergie FO étant inférieure de 40 à 50 %. Pour régénérer le CDS, les gaz émis sont capturés et recyclés dans le CDS dans un processus d'adsorption, qui est la troisième étape du cycle FO. Ce processus FO en trois étapes entraîne une récupération d'eau plus élevée, des besoins énergétiques inférieurs et un processus de régénération en boucle continue.

Dès 2019, Forward Water a mis à l'échelle le processus de traitement des eaux usées de raffinerie et de traitement de l'eau produite par l'industrie pétrolière et gazière en Alberta. Ainsi, il a été démontré que la technologie MAX-FOTM était évolutive, capable de traiter des flux de déchets difficiles et atteignait les objectifs opérationnels de récupération d'eau propre avec un apport énergétique relativement inférieur par rapport au transport et à l'élimination ou à l'évaporation forcée.

La clé pour faire avancer la commercialisation du procédé MAX-FOTM de Forward Water est de se concentrer sur les secteurs où une adoption rapide aura lieu. En termes généraux, il s'agit de la fabrication industrielle, de l'extraction minière ou minière et des déchets de transformation des aliments et des boissons. Lorsqu'ils sont combinés, ces secteurs représentent une opportunité de 67 milliards de dollars.11a,b,c Bien que chacune de ces industries ait des sorties commerciales différentes, elles aboutissent toutes à des eaux usées compromises adaptées au traitement par un procédé FO.

Lors du développement de conceptions FO en association avec divers marchés et applications, il est devenu évident que les données de test dérivées des tests sur banc FO et du pilotage FO des processus clients et des flux d'eaux usées offraient de meilleures performances que prévu. L'augmentation des performances FO s'est traduite par des taux de récupération d'eau plus élevés et des coûts d'exploitation réduits, ce qui nous a permis d'engager de nouvelles applications telles que la gestion de la saumure. Les saumures peuvent être définies comme ayant une salinité élevée, une teneur élevée en minéraux ou les deux ; peut être trouvé comme artificiel ou dans la nature; et peuvent avoir de la valeur par le but qu'ils servent (saumure de décapage) ou par les minéraux/métaux qu'ils contiennent. Dans les deux cas (saumures artificielles ou naturelles), la capacité d'extraire l'eau et de la concentrer au niveau le plus élevé possible offre des avantages pour leur manipulation, leur gestion et leur traitement. Reconnaissant la capacité MAX-FOTM de Forward Water à concentrer ces saumures, plusieurs nouveaux marchés ont émergé pour répondre aux besoins des clients.

L'un de ces marchés où la FO apporte une valeur nouvelle et ajoutée à celle de la TE conventionnelle est la récupération du lithium à partir de sources de saumure de lithium non conventionnelles, utilisées conjointement avec l'extraction directe du lithium (DLE). Un processus DLE extrait et charge "directement" le lithium sur un matériau d'échange d'ions ou d'absorption lorsque la saumure de lithium passe dessus et à travers celui-ci. Plus la teneur en lithium de la saumure est élevée, plus il est rapide et facile de charger du lithium sur le matériau DLE. Les sources de lithium non conventionnelles, telles que les saumures géothermiques et pétrolières, contiennent généralement des concentrations de lithium comprises entre 75 et 200 ppm. Cette faible teneur en lithium signifie que des pompes plus grandes, des volumes de saumure plus importants et des coûts d'investissement plus élevés sont nécessaires pour charger le lithium sur le matériau DLE. Le procédé MAX-FOTM, dans de nombreux cas, peut concentrer jusqu'à dix fois les sources de saumure de lithium non conventionnelles, ce qui entraîne une augmentation de la concentration de lithium et la transformation des sources non conventionnelles en sites de production économiquement viables. On estime que le déverrouillage des sources non conventionnelles de saumure au lithium pourrait permettre de réaliser 25 millions de tonnes de production de LCE.12

En 2022, la demande de lithium a augmenté rapidement et l'offre n'a pas été en mesure de suivre le rythme d'une demande qui s'intensifie. Cet écart dans la chaîne d'approvisionnement devrait se poursuivre au moins jusqu'en 2040.13

De plus, l'approvisionnement en lithium de qualité batterie devrait provenir en grande partie de saumures souterraines contenues par rapport à l'extraction de roche dure. La collecte multi-étapes du lithium à partir de ces saumures présente des contraintes importantes. De nombreuses procédures DLE accompagnées des besoins de traitement en amont et en aval sont toutes de nature à traiter de la saumure aqueuse. Les coûts de traitement sont une considération importante et dans de nombreux cas, sinon tous, un flux de traitement concentré offre les meilleurs avantages en matière de cinétique d'extraction DLE et de processus post-DLE, et d'élimination des contaminants. Ces flux concentrés de saumure et de lithium entraînent une empreinte de capital plus faible, de meilleurs rendements, des coûts inférieurs et des puretés plus élevées que ce à quoi on pourrait s'attendre autrement. En outre, la récupération de l'eau provenant des opérations de lithium peut également être une considération critique car bon nombre de ces sources de lithium se trouvent dans des régions en situation de stress hydrique ou arides et le prélèvement d'eau sans la remplacer crée de grands obstacles pour les opérateurs, car les communautés locales résistent aux industries qui ne s'occupent pas directement de la conservation de l'eau. Enfin, lors de l'exécution des opérations DLE et du raffinement de la pureté du lithium, une considération critique est la demande de puissance requise dans ces processus. L'industrie des matériaux renouvelables ne peut pas être une grande consommatrice d'énergie, surtout si cette électricité est produite à partir d'une production d'énergie traditionnelle à base d'hydrocarbures ou de charbon. Ainsi, la concentration de saumure souhaitée ne peut pas dépendre des méthodes traditionnelles d'évaporation forcée utilisant, par exemple, l'évaporation thermique à effets multiples.

Le procédé de traitement Li-FOTM de Forward Water, développé spécifiquement pour faciliter la capture du lithium, permet la concentration des flux de saumure de procédé à base d'eau, ce qui réduit les coûts d'exploitation et d'investissement en raison de ses besoins en énergie nettement inférieurs qui se sont avérés bien inférieurs à ceux de l'évaporation au point où l'empreinte CO2 n'est que de 50 % de l'évaporateur multi-effet équivalent.10 De plus, le procédé Li-FOTM renvoie également l'eau propre à la source d'origine ou la rend disponible pour d'autres utilisations industrielles. D'autres études ont également révélé que la demande thermique peut être satisfaite par des installations solaires thermiques, ce qui rend la récupération et la réutilisation de l'eau encore plus efficaces en termes de coût et de réduction des émissions de CO2. Actuellement, Forward Water travaille avec plusieurs sociétés minières mondiales dans le développement et le support de leurs procédés DLE au lithium et pour assurer un impact environnemental minimal ou nul en maximisant la récupération de l'eau pour la réutilisation et en minimisant les émissions de CO2.

La combinaison de réglementations plus strictes sur l'eau, de coûts d'exploitation croissants et de la volonté d'atteindre des émissions nettes nulles a positionné les procédés MAX-FOTM et Li-FOTM comme une solution innovante pour répondre aux besoins des clients d'aujourd'hui. Le recyclage par tirage thermolytique, associé à des matériaux de membrane avancés, établit de nouvelles références énergétiques plus faibles en matière de récupération d'eau et d'émissions de CO2. À chaque succès, Forward Water contribue à la transition mondiale vers la durabilité de l'eau en remplaçant les technologies conventionnelles par des technologies plus propres et plus efficaces. FO continue de trouver de nouveaux marchés et de nouvelles applications au fur et à mesure que les clients réalisent les opportunités inhérentes qui leur sont désormais offertes par les opérations FO - une récupération d'eau plus élevée, des facteurs de concentration plus élevés, une plus grande réduction de volume et des besoins énergétiques inférieurs. Votre processus ou votre système de traitement des eaux usées peut-il être amélioré par l'un de ces avantages FO ?

2. https://www.cnn.com/2022/11/01/us/california-water-cost-profiteering-climate

3. https://globalnews.ca/news/9205042/sunshine-coast-drought-emergency/

4. https://time.com/cape-town-south-africa-water-crisis/

5. https://www.npr.org/2022/11/03/1131695382/tesla-ev-electric-vehicles-europe-germany-drought-climate-change-factory

6. https://www.aquatechtrade.com/news/wastewater/50-per-cent-of-wastewater-now-treatment-worldwide/

7. https://www.loreal.com/fr/engagements-et-responsabilites/pour-la-planete/gestion-durable-de-l-eau/

8. https://www.alliedmarketresearch.com/reverse-osmosis-membrane-market

9. https://www.marketsandmarkets.com/Market-Reports/reverse-osmosis-membrane-market-423.html?gclid=CjwKCAiA68ebBhB-EiwALVC-NiI3ThKAsmjCLnlx2JX6Zyr7VYNDmBBqdgVFN9OSgsO9IWoxPnUcVxoCEQ4QAvD_BwE

10. Des études tierces ont prévu que le MEE nécessiterait de l'énergie entraînant la libération de 197,4 kg de CO2, contre 98,6 kg pour les mêmes besoins de traitement en utilisant le procédé FO de FWTC

11a. https://www.statista.com/statistics/1099424/market-size-industrial-wastewater-treatment-global-by-region/

11b. Briefing mondial 2019 sur le marché de la fabrication de sirops et de concentrés aromatisants, The Business Research Company, juin 2019

11c. https://www.prnewswire.com/news-releases/global-mining-water–wastewater-treatment-market-report-2019-2023-focus-on-growth-opportunities-for-sustainable-solutions-300962194.html

12. https://www.fastmarkets.com/insights/unconventional-lithium-sources-can-it-fill-the-supply-gap

13. Minéraux de référence 2022

Attention, cet article paraîtra également dans la treizième édition de notre publication trimestrielle.

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