Purification de l'eau : ultrafiltration pour la purification de l'eau portable

L'armée américaine a déployé une nouvelle génération de technologie de purification d'eau lors de ses opérations militaires : un prétraitement par ultrafiltration pour unité portable de purification d'eau. Dans cet article, nous examinons la technologie et son fonctionnement.

L'armée américaine utilise une technologie de pointe de purification de l'eau par membrane pour soutenir des opérations militaires et des missions humanitaires hautement mobiles. The Mechanical Equipment Company Inc. (MECO), de Sugar Land, Texas, a conçu un purificateur d'eau léger (LWP) qui peut être facilement transporté vers des endroits éloignés pour produire de l'eau potable à partir de presque toutes les eaux brutes disponibles, y compris les eaux de surface très troubles, les eaux saumâtres et l'eau de mer. De plus, le LWP est également capable de purifier l'eau contaminée par des agents de guerre nucléaires, biologiques et chimiques.

Le nouveau LWP est suffisamment léger pour être transporté par quatre soldats et suffisamment simple pour que deux opérateurs puissent l'assembler et commencer à produire de l'eau en seulement 45 minutes à partir d'une source d'eau telle qu'une rivière, un lac, un étang ou un océan. L'ensemble du système peut être transporté dans l'espace de chargement d'un HMMWV et par un seul transport d'un hélicoptère de transport moyen ou d'assaut tel que l'UH-60 Black Hawk. Dans le passé, les systèmes de dessalement étaient conçus pour des concentrations conventionnelles en sel de l'eau de mer de 35 000 ppm, mais au Moyen-Orient, la salinité est beaucoup plus élevée. Elle est de 45 000 ppm dans le golfe Persique et dans les "points d'eau" du désert, elle peut atteindre 60 000 ppm. MECO teste spécifiquement chaque LWP pour vérifier qu'il répond à cette exigence de 60 000 ppm, permettant aux systèmes de traiter n'importe quelle eau, partout dans le monde.

L'unité LWP compacte produira 125 gallons par heure (gph) à partir d'eau douce ou saumâtre et 75 gph à partir d'eau de mer, des niveaux de production suffisants pour soutenir des unités de la taille d'une compagnie/bataillon sur le terrain. Le nombre exact de personnes que l'unité LWP peut supporter sur le terrain est proportionnel au scénario de consommation d'eau. Par exemple, si l'unité est utilisée uniquement pour l'eau potable, elle pourra supporter beaucoup plus de soldats que si elle est utilisée à des fins générales telles que la cuisine, le nettoyage, les douches ou la lessive.

Evolution du traitement portable de l'eau

La technologie de filtration de l'eau a considérablement évolué depuis que MECO a commencé à concevoir et à fabriquer des systèmes de traitement de l'eau transportables pour l'armée américaine il y a plus de soixante ans. En fait, les systèmes de dessalement thermique originaux utilisés par le Corps des Marines lors de l'invasion d'Iwo Jima utilisaient la technologie de compression de vapeur brevetée de MECO.

Le nouveau LWP combine deux types de filtration membranaire : les membranes d'ultrafiltration (UF) prétraitent l'eau avant son traitement par les membranes d'osmose inverse (RO). Cette conception remplace la génération précédente d'équipements portables de traitement de l'eau de l'armée, qui prétraitaient l'eau d'alimentation OI avec des filtres multimédias (MMF) et des filtres à cartouche jetables.

Les filtres MMF et à cartouche posaient plusieurs problèmes. Fondamentalement, ils n'étaient capables d'éliminer les solides en suspension qu'entre environ 1 et 5 microns, permettant une certaine percée de particules et provoquant un encrassement rapide des membranes d'osmose inverse.

L'autre problème était que les filtres à cartouche devaient être remplacés fréquemment, jusqu'à toutes les demi-heures dans certains cas. Ce problème s'est étendu au-delà de la main-d'œuvre impliquée dans le remplacement des filtres. Plus important encore, le réapprovisionnement continu en consommables peut être un défi logistique - et assez dangereux - dans des endroits éloignés et dans des conditions de combat.

Prétraitement UF de l'eau d'alimentation RO

Le processus de membrane UF dans les nouveaux LWP élimine le besoin de remplacer et de réapprovisionner les filtres jetables. Chaque système utilise trois cartouches d'ultrafiltration ROMICON® ROMIPURE® de Koch Membrane Systems, Inc. (KMS), de Wilmington, Massachusetts, USA.

Les cartouches de 5 pouces de diamètre contiennent des membranes à fibres creuses d'un diamètre interne de 35 mil. Les membranes et le boîtier de la cartouche sont tous deux composés de polysulfone, un thermoplastique polymère à haute résistance réputé pour son excellente stabilité chimique dans une large plage de températures.

Les membranes ROMIPURE UF ont une coupure de poids moléculaire nominal (MWCO) de 100 000 Daltons qui produit constamment de l'eau de filtrat avec une turbidité inférieure à 0,1 NTU, une amélioration de plus de dix fois par rapport aux MMF et aux filtres à cartouche. Les membranes UF éliminent la turbidité, les solides en suspension, les bactéries et autres micro-organismes de l'eau d'alimentation qui peuvent encrasser les membranes RO en aval. L'eau de filtrat de meilleure qualité prolonge la durée de vie de la membrane RO et prolonge le temps entre les nettoyages RO, quelles que soient les conditions de l'eau d'alimentation.

Le prétraitement UF sert non seulement à limiter l'encrassement des membranes RO, mais les cartouches ROMIPURE ont également des caractéristiques importantes qui limitent et neutralisent leur propre encrassement. Les cartouches à fibres creuses fonctionnent de l'intérieur vers l'extérieur lors de la filtration (voir Figure 1). L'eau d'alimentation (rétentat) s'écoule au centre de la fibre creuse et l'eau filtrée (perméat) passe à travers la paroi de la fibre vers l'extérieur de la fibre membranaire. L'écoulement tangentiel du rétentat balaie la surface de la membrane et agit continuellement pour limiter l'encrassement de la membrane.

De plus, l'intégrité structurelle et la construction des cartouches à fibres creuses ROMIPURE leur permettent de résister au rinçage du perméat et à l'inversion du flux de rétentat. Ces processus de nettoyage sont très efficaces pour rétablir les taux de flux.

La géométrie des fibres creuses ROMIPURE permet une grande surface de membrane dans un module compact. Cette densité de remplissage élevée signifie que de grands volumes d'eau peuvent être filtrés tout en utilisant un minimum d'espace et d'énergie, deux avantages essentiels pour l'application LWP.

Une pompe haute pression entraînée par un moteur diesel aspire l'eau d'un réservoir de filtrat de 40 gallons sur le module UF et alimente le module RO sous des pressions allant jusqu'à 1 200 psi. Le but de ce réservoir de filtrat est de fournir des capacités de lavage à contre-courant et de rinçage rapide pour la membrane UF, tout en permettant un fonctionnement continu de la pompe haute pression.

RO produit de l'eau pure

Le module RO se compose de sept éléments RO en spirale FLUID SYSTEMS® TFC® fabriqués par KMS. Les éléments de la membrane comportent un polyamide composite à couche mince exclusif conçu pour augmenter l'efficacité et réduire les coûts. Les récipients sous pression sont construits en titane.

General Atomics (GA) a développé et breveté l'élément d'osmose inverse enroulé en spirale en 1968. GA a vendu sa division Fluid Systems en 1974 et elle est finalement devenue une partie de KMS. KMS continue d'être l'un des principaux fournisseurs mondiaux d'éléments de dessalement d'eau de mer RO, avec des installations à grande échelle sur la mer Rouge, le golfe Persique, les Caraïbes, la Méditerranée et tous les océans du globe. Les éléments Compact FLUID SYSTEMS TFC RO sont également largement utilisés à bord des navires et sur les plates-formes de forage.

Les membranes KMS RO éliminent les matières dissoutes et en suspension, y compris les matières organiques et les sels. Seules les molécules de l'ordre de 5 Angströms (0,0005 micron) ou 100 MWCO passeront à travers la membrane. Environ 30 % de l'eau d'alimentation de l'osmose inverse est récupérée pour être utilisée comme eau potable, et le reste du concentré (ou de la saumure) est rejeté comme rejet. Le perméat du module RO passe à travers un module chimique, où il est dosé et reçoit une injection de chlore pour la désinfection résiduelle.

Filtration fiable sans nettoyage chimique

Avant le déploiement sur le terrain, MECO et KMS ont construit sept systèmes prototypes qui ont été soumis à des tests rigoureux et exhaustifs par l'armée américaine, y compris 5 000 heures de temps de fonctionnement et 1 600 miles de tests de transport à travers le pays à l'arrière d'un HMMWV. Le processus de conception et de test a conduit à d'importants raffinements et améliorations du système. Par exemple, MECO a travaillé avec KMS pour relever le défi de concevoir un système capable de supporter plusieurs cycles de gel-dégel, des conditions qui vont bien au-delà des exigences environnementales de la plupart des systèmes de purification d'eau.

"Les membranes KMS ont été remarquablement résistantes à l'encrassement", a déclaré John Klie, responsable du développement des affaires gouvernementales pour MECO. "Nous avons travaillé en étroite collaboration avec les ingénieurs de KMS pour développer et optimiser une méthode de rétrolavage automatisée qui a pratiquement éliminé le besoin d'opérations de nettoyage chimique. Parmi les différents fournisseurs que nous avons recherchés et testés, KMS a fourni les seules solutions qui ne nécessitaient pas l'utilisation d'un équipement auxiliaire de récurage à l'air pour nettoyer les membranes."

En plus de simplifier le processus, moins de produits chimiques permettent d'obtenir une eau au meilleur goût. "L'eau produite par le LWP est très agréable au goût", a déclaré Klie. "Nous avons constaté que le défi avec les systèmes conventionnels plus anciens était la surchloration, qui donne finalement à l'eau un goût de" piscine ". Le système de dosage automatisé du chlore du LWP empêche que cela ne se produise et produit donc un goût d'eau potable très similaire à l'eau en bouteille disponible dans le commerce. "

Une solution économique

Le LWP s'est avéré être une solution très économique en Irak, où le coût de la fourniture d'eau en bouteille aux troupes peut atteindre 5 dollars le gallon. L'eau produite par les systèmes de purification conventionnels de première génération coûte environ 1 $ par gallon, y compris le coût des filtres jetables, des produits chimiques et du carburant. Le LWP peut produire de l'eau à 7 cents par gallon, ce qui correspond principalement au coût du carburant diesel pour faire fonctionner le système et des produits chimiques pour un nettoyage périodique minimal.

Le MECO LWP, avec les membranes UF et RO de KMS, fournit une méthode de purification d'eau autonome pour les forces spéciales et d'autres missions militaires et humanitaires éloignées qui éliminent le besoin d'un réapprovisionnement en eau difficile, coûteux et dangereux.

Contact:

John McArdle, directeur du développement commercial, Koch Membrane Systems Téléphone : 1-978-694-7000 Fax : +1-978-657-5208 E-mail : [email protected]