Véritables solutions clé en main pour la purification de l'eau par membrane

La conversion d'un large éventail d'eaux de source en eau purifiée par membrane de haute qualité est essentielle pour répondre aux applications dans de multiples industries allant de la fabrication industrielle, de la production pétrolière et gazière offshore, de la production d'aliments et de boissons, des produits pharmaceutiques, de la microélectronique et de la production d'électricité.

Par Cameron W. Hipwell, Île-du-Prince-Édouard

En particulier, la production d'électricité à partir de combustibles fossiles est très gourmande en eau car elle consomme une part importante de toute l'eau traitée dans les pays développés.

Les sources d'eau allant des rivières et des lacs à l'eau potable municipale, ainsi que l'eau de mer, doivent toutes subir une série d'étapes pour produire de l'eau de produit traitée convenant à l'utilisation finale. Les centrales électriques peuvent être situées dans les régions côtières, à l'intérieur des terres près des rivières et des lacs, ou à des endroits utilisant de l'eau potable municipale, des eaux souterraines ou des eaux usées secondaires traitées biologiquement. Les impuretés dans ces diverses sources sont les solides totaux en suspension (TSS), les espèces colloïdales telles que la silice, les solides totaux dissous (TDS) et la matière organique dissoute. La nature et les niveaux respectifs de ces impuretés déterminent la pertinence de l'eau et les étapes de traitement nécessaires pour une utilisation dans une centrale électrique.

La clé de la production d'eau purifiée sur site est l'utilisation de systèmes de filtration à membrane. Les processus de filtration bien reconnus de microfiltration (MF), d'ultrafiltration (UF), de nanofiltration (NF) et d'osmose inverse (RO), illustrés à la figure 1, fournissent chacun des degrés discrets d'élimination des solides en suspension ou colloïdaux et, dans le cas de la nanofiltration et de l'osmose inverse, le rejet d'espèces ioniques dissoutes spécifiques.

Chacun de ces procédés utilise des membranes semi-perméables mais, dans le cas de la MF, peut également inclure des filtres en profondeur microporeux.

La production d'eau de haute pureté et ultra pure est essentielle pour répondre aux exigences de fonctionnement des chaudières et des turbines dans l'ensemble de l'industrie de la production d'électricité.

Les principaux services d'approvisionnement en eau d'une centrale électrique, comme le montre la figure 1, comprennent l'eau d'appoint brute pour l'ensemble de la centrale, l'eau d'appoint de la chaudière pour le circuit eau/vapeur, l'eau de refroidissement du condenseur de la turbine à vapeur et l'eau de refroidissement auxiliaire. D'autres services d'eau qui peuvent être nécessaires, selon l'usine spécifique, comprennent l'eau d'appoint pour les systèmes de désulfuration des gaz de combustion, l'eau pour la manipulation et l'élimination des cendres et, dans le cas des centrales à turbine à gaz à cycle simple et combiné, la brumisation directe de l'air d'entrée de la turbine à gaz (compression humide) pour augmenter la puissance et le contrôle des émissions (NOx).

L'eau purifiée est caractérisée par des limites spécifiques en fonction de son utilisation finale. Le paramètre général le plus largement utilisé pour la production industrielle et d'électricité est le total des solides dissous (TDS). Dans la fabrication d'aliments et de boissons, par exemple, un perméat NF ou RO ayant des niveaux de TDS de 5 à 100 mg/litre est généralement acceptable et pour l'eau d'appoint des tours de refroidissement, les niveaux de TDS peuvent être compris entre 100 et 500 mg/litre.

Cependant, pour les services d'eau pure plus sévères tels que l'eau déminéralisée pour les applications de production d'électricité ou la fabrication de dispositifs médicaux, les valeurs de résistivité/conductivité sont les plus pratiques. La capacité de l'eau à conduire l'électricité est déterminée par la concentration des espèces ionisées dissoutes. L'eau déionisée a une faible conductivité de 0,055 μsiemens par rapport à l'eau de mer ayant une conductivité > 50 000 μsiemens.

Par commodité, le paramètre de l'eau ultrapure le plus cité est l'inverse de la conductivité exprimée en mégohms (MΩ), ainsi l'eau déminéralisée avec une conductivité de 0,055 μsiemens a une résistance de 18 MΩ. L'eau ultra pure avec une résistivité de 18 MΩ est généralement spécifiée comme requis pour les applications sévères telles que la fabrication de semi-conducteurs et la production d'eau d'appoint pour les chaudières supercritiques. Pour la plupart des applications d'eau déminéralisée dans les centrales électriques, une eau avec une résistivité > 10 MΩ (0,1 microsiemens) est suffisante.

Le service d'eau de loin le plus critique pour toute centrale électrique est le maintien de l'intégrité et des performances des composants du générateur de vapeur. Pour minimiser le transport des produits de corrosion vers le générateur de vapeur, la qualité de l'appoint doit être d'une pureté suffisante. L'eau de haute pureté adaptée à l'appoint de la chaudière est généralement caractérisée par des niveaux de contaminants d'ions monovalents et multivalents dissous et par la résistivité de l'eau, comme indiqué dans le tableau 1.

Un conditionnement approprié de l'eau d'appoint de la chaudière peut réduire les problèmes de fonctionnement liés à la corrosion et les défaillances des composants. Avant l'émergence des procédés membranaires pour la production d'eau de haute pureté dans les centrales électriques, le prétraitement utilisant des technologies conventionnelles était répandu.

Les systèmes de prétraitement conventionnels prédominants impliquaient des clarificateurs de sédimentation avec des coagulants chimiques, une filtration multimédia, puis suivis par des systèmes de déminéralisation par échange d'ions (IX). Un système IX typique se compose de trois lits de résine - configurés en série avec un échangeur cationique suivi d'un échangeur anionique suivi d'un échangeur à lit mixte. Dans l'échangeur cationique, les cations monovalents chargés positivement tels que le sodium (Na+) et le potassium (K+) et les cations divalents tels que le calcium (Ca++) et le magnésium (Mg++) sont échangés avec de l'hydrogène (H+) qui est attaché à la résine cationique. Dans l'échangeur anionique, les chlorures chargés négativement (Cl-), les sulfates (SO4–) et les nitrates (NO3–) et le CO2 sont échangés avec l'hydroxyde (OH-) qui est attaché à la résine anionique. De l'eau se forme sous forme d'ions H+ et OH- résultants libérés de la résine IX.

L'échangeur d'ions à lit mixte final contient un mélange intime de résines cationiques et anioniques qui agissent comme une série complète d'étapes successives d'échange de cations et d'anions aboutissant à une eau de très haute pureté comme produit final. Le lit mixte est beaucoup plus complexe que les récipients à résine unique contenant un seul échangeur de cations ou d'anions. Il doit être prévu de séparer les deux résines dans la cuve avant régénération, et des jeux de distributeurs pour injecter et collecter deux régénérants différents. De plus, il doit y avoir des dispositions pour remélanger les résines avant la remise en service.

L'échange d'ions est un processus réversible permettant aux résines cationiques d'être régénérées en faisant passer des acides forts (typ chlorhydrique ou sulfurique) à travers le lit de résine cationique suivi d'un rinçage des billes de résine des acides en excès. De même, les résines anioniques sont régénérées à l'aide de solutions alcalines concentrées (type hydroxyde de sodium).

Les systèmes conventionnels à base de résine de déionisation (DI) fonctionnent par lots jusqu'à épuisement de la résine. Le processus non continu est par nature une approche moins durable qui utilise de grandes quantités de produits chimiques acides et caustiques dangereux.

Les processus modernes de traitement de l'eau pour les centrales électriques impliquent une technologie membranaire plus durable au lieu des équipements de prétraitement conventionnels et de la technologie IX. Les systèmes de membranes compactes MF et UF, comme le montre la figure 2, sont devenus des options de plus en plus populaires en tant qu'étapes de prétraitement pour éliminer les solides en suspension et colloïdaux avant l'osmose inverse. L'UF fournit une filtration inférieure à 0,02 micron pour un traitement à haute efficacité de la turbidité et des solides en suspension.

L'osmose inverse est devenue la technologie dominante pour produire de l'eau à faible teneur en TDS. Ceci est généralement réalisé à l'aide d'une configuration de membrane RO à double passage, comme illustré à la figure 3. Les niveaux de TDS du premier passage peuvent approcher 5 à 300 mg/litre. Le perméat pour le premier passage RO est acheminé vers un deuxième ensemble de membranes RO pour l'élimination finale du TDS jusqu'à 1-20 mg/litre. En outre, les membranes RO peuvent être utilisées pour éliminer directement le TDS de l'eau de mer et de l'eau saumâtre ayant des niveaux de TDS allant jusqu'à 40 000 mg/litre et 15 000 mg/litre, respectivement. Le perméat d'osmose inverse provenant des alimentations en eau de mer et en eau saumâtre peut généralement être réduit à moins de 10 mg/litre, dans le perméat d'osmose inverse du second passage.

Le perméat RO fournit la qualité d'eau traitée idéale pour le polissage final afin de produire une eau d'appoint déminéralisée (demin) > 10 MΩ. Pour cette dernière étape de polissage, l'électrodésionisation continue (EDI) avec dégazage par membrane (CO2) devient un choix privilégié par rapport à la technologie IX. Semblable à la technologie IX, l'EDI élimine les espèces ionisées de l'eau à l'aide de résines échangeuses d'ions et le processus intègre des membranes échangeuses d'ions et un potentiel électrique CC.

L'eau d'alimentation entrant dans un module à membrane EDI (illustré à la figure 4) s'écoule vers des compartiments à membrane qui contiennent des résines échangeuses d'ions. Les modules contiennent des membranes perméables aux cations et perméables aux anions et le potentiel électrique CC fournit la force motrice pour le passage des cations à travers la membrane perméable aux cations et des anions à travers la membrane perméable aux anions. L'eau d'alimentation EDI sort du module EDI en tant qu'eau de produit EDI de haute pureté en raison de l'élimination des ions à travers les membranes cationiques et anioniques.

Les systèmes EDI peuvent atteindre > 99 % d'élimination des TDS et fournir de l'eau ultra pure avec une résistivité allant jusqu'à 18 MΩ. L'EDI fournit une solution d'eau ultrapure durable en régénérant en continu sans les acides agressifs et les produits chimiques caustiques qui sont nécessaires pour les systèmes d'échange d'ions (IX) conventionnels.

L'utilisation des systèmes de lit de résine EDI sur IX évite le transport par camion de produits chimiques dangereux, le stockage de produits chimiques et l'élimination de produits chimiques acides et caustiques. Les solutions conçues dans le respect de l'environnement intègrent des systèmes RO à haute récupération avec EDI pour des performances optimisées et des coûts d'exploitation réduits (OPEX).

Les schémas de processus membranaires en plusieurs étapes incorporant le prétraitement, l'UF, l'osmose inverse et l'EDI sont minutieusement conçus pour assurer une production fiable et à haut rendement d'eau purifiée par membrane.

Le plus souvent, les fournisseurs de ces systèmes achètent des composants individuels, notamment des modules à membrane, des pompes, des instruments, des commandes et des tuyauteries d'interconnexion, puis les intègrent dans un système de traitement.

Plusieurs fabricants de médias filtrants à membrane fournissent des systèmes de processus complets utilisant leurs produits à membrane, mais sous-traitent la plupart des éléments périphériques. Le fabricant de membranes est rarement suffisamment intégré verticalement pour fournir tous les composants.

Une centrale électrique à turbine à gaz naturel à cycle combiné de 1200 MW illustrée à la figure 5 subissait des coûts d'exploitation élevés associés à l'usine de traitement de l'eau conventionnelle d'origine utilisant une déminéralisation à base de résine échangeuse d'ions.

L'usine a récemment pris livraison d'un système intégré d'ultrafiltration (UF) et d'osmose inverse d'eau saumâtre (BWRO) de 200 gpm pour remplacer le clarificateur conventionnel existant, le filtre média et le système de déminage cation/anion IX.

Le nouveau système à base de membrane a été entièrement testé par voie humide pour simuler les performances sur site de l'installation de purification d'eau de Parker à Los Angeles.

Les systèmes de traitement à membrane ont facilement évolué pour devenir le choix préféré par rapport aux processus de traitement de l'eau conventionnels impliquant des clarificateurs, des filtres à grand média, des lits de résine cationique et anionique IX. MF et/ou UF pour éliminer les solides en suspension avant RO et EDI sont capables d'éliminer les solides en suspension jusqu'à 0,02 micron de taille qui avaient précédemment provoqué l'encrassement des lits de résine IX en aval.

Les membranes MF, UF, RO et EDI sont entièrement intégrées dans des systèmes compacts qui sont modularisés pour une flexibilité maximale. Les procédés membranaires RO et EDI sont également plus favorables à l'environnement que IX, car la régénération de la résine à l'aide de produits chimiques dangereux est évitée.

Systèmes préfabriqués Seawater RO (SWRO), parfaitement adaptés à la production d'eau douce pour les centrales électriques en bord de mer, ou toute application industrielle nécessitant de l'eau ultra pure produite à la demande.

Avec une empreinte compacte et des commandes entièrement automatiques, une unité SWRO peut produire jusqu'à 1500 tonnes métriques d'eau osmosée par jour à la consommation d'énergie la plus faible par tonne d'eau produite. L'eau produite par RO peut ensuite être polie à l'aide de modules à membrane EDI pour fournir de l'eau ultra pure avec une résistivité allant jusqu'à 18 MΩ.

Auteur

Cameron Hipwell est un ingénieur professionnel enregistré auprès de Parker Hannifin Filtration Group