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

May 04, 2023

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, la production pétrolière et gazière offshore, la production d’aliments et de boissons, les produits pharmaceutiques, la microélectronique et la production d’énergie.

Par Cameron W. Hipwell, P.E.

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, la production pétrolière et gazière offshore, la production d’aliments et de boissons, les produits pharmaceutiques, la microélectronique et la production d’énergie.

En particulier, la production d’électricité à partir de combustibles fossiles consomme beaucoup d’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 qu’à l’eau de mer, doivent toutes subir une série d’étapes pour produire de l’eau de produit traitée adaptée à l’utilisation finale. Les centrales électriques peuvent être situées dans des régions côtières, à l’intérieur des terres près de rivières et de lacs, ou à des endroits utilisant de l’eau potable municipale, des eaux souterraines ou des eaux usées d’effluents 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 dissous totaux (TDS) et les matières organiques dissoutes. La nature et les niveaux respectifs de ces impuretés déterminent l’adéquation 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 processus de filtration membranaire. Les procédés de filtration bien connus de microfiltration (MF), d’ultrafiltration (UF), de nanofiltration (NF) et d’osmose inverse (OI), 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 MF, il peut également inclure des filtres de profondeur microporeux.

La production d’eau de haute pureté et ultrapure est essentielle pour répondre aux exigences du fonctionnement des chaudières et des turbines dans l’ensemble de l’industrie de la production d’énergie.

Les principaux services d’approvisionnement en eau au sein d’une centrale électrique, comme le montre la figure 1, comprennent l’eau d’appoint brute pour l’ensemble de l’usine, l’eau d’appoint de la chaudière pour le circuit eau/vapeur, l’eau de refroidissement du condenseur de turbine à vapeur et l’eau de refroidissement auxiliaire. D’autres services d’approvisionnement en 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 turbines à gaz à cycle simple et combiné, la nébulisation 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 se caractérise 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, le perméat NF ou RO ayant des niveaux de TDS de 5 à 100 mg / litre est généralement acceptable et pour l’eau d’appoint de tour 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’énergie 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 d’espèces ionisées dissoutes. L’eau désionisée a une faible conductivité de 0,055 Î1/4siemens par rapport à l’eau de mer ayant une conductivité de >50 000 Î1/4siemens.

Pour plus de commodité, le paramètre de l’eau ultrapure le plus cité est l’inverse de la conductivité exprimée en mégohms (MÎ), ainsi l’eau désionisée avec une conductivité de 0,055 Î1/4siemens a une résistance de 18 MΩ.© L’eau ultrapure avec une résistivité de 18 MΩ est généralement spécifiée comme requise pour les applications sévères telles que la fabrication de semi-conducteurs et la production d’eau d’appoint pour les chaudières de puissance supercritique. Pour la plupart des applications d’eau déminéralisée dans les centrales électriques, une eau avec une résistivité de >10 MΩ (0,1 microsiemens) est suffisante.

De loin, le service d’eau 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 du maquillage doit être d’une pureté suffisante. L’eau de haute pureté adaptée à l’appoint des chaudières est généralement caractérisée par des niveaux de contaminants d’ions monovalents et multivalents dissous et une résistivité à 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 principaux systèmes de prétraitement conventionnels impliquaient des clarificateurs de sédimentation avec des coagulants chimiques, une filtration multimédia, puis 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. L’eau est formée sous forme d’ions H+ et OH- résultants libérés par la résine IX.

L’échangeur d’ions final à lit mixte contient un mélange intime de résines cationiques et anioniques qui agissent comme toute une série d’étapes successives d’échange cationique et anionique résultant en une eau de très haute pureté comme produit final. Le lit mixte est beaucoup plus complexe que les récipients en résine simple contenant un seul échangeur cationique ou anionique. Il doit être prévu de séparer les deux résines dans le récipient avant la régénération et de prévoir des ensembles de distributeurs pour l’injection et la collecte de deux régénérants différents. En outre, il doit être prévu de remélanger les résines avant leur remise en service.

L’échange d’ions est un procédé réversible permettant aux résines cationiques d’être régénérées en faisant passer des acides forts (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 (hydroxyde de sodium de type).

Les systèmes conventionnels à base de résine de désionisation (DI) sont exploités par lots jusqu’à épuisement de la résine. Le processus non continu est intrinsèquement une approche moins durable qui utilise de grandes quantités d’acides dangereux et de produits chimiques caustiques.

Les procédés modernes de traitement de l’eau pour les centrales électriques impliquent une technologie membranaire plus durable au lieu de l’équipement de prétraitement conventionnel et de la technologie IX. Les systèmes membranaires compacts MF et UF, comme le montre la figure 2, sont devenus une option de plus en plus populaire comme étapes de prétraitement pour éliminer les solides en suspension et colloïdaux avant l’OI. 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 la production d’eau à faible TDS. Ceci est généralement réalisé à l’aide d’une configuration de membrane OI à double passage, comme illustré à la figure 3. Les niveaux de TDS dès le premier passage peuvent approcher 5-300 mg / litre. Le perméat pour le premier passage d’OI est introduit dans un deuxième ensemble de membranes d’OI pour l’élimination finale du TDS jusqu’à 1-20 mg / litre. En outre, les membranes d’OI peuvent être utilisées pour éliminer directement les MDT de l’eau de mer et de l’eau saumâtre ayant des niveaux de MDT allant jusqu’à 40 000 mg / litre et 15 000 mg / litre, respectivement. Le perméat d’osmose inverse provenant de l’eau de mer et de l’eau saumâtre peut généralement être réduit à moins de 10 mg/litre dans le deuxième passage de perméat d’osmose inverse.

Le perméat d’osmose inverse fournit la qualité d’eau traitée idéale pour le polissage final afin de produire de l’eau d’appoint déminéralisée (déminage) de >10 MΩ. Pour cette dernière étape de polissage, l’électrodéionisation 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 (illustrée à la figure 4) s’écoule vers les compartiments membranaires qui contiennent des résines échangeuses d’ions. Les modules contiennent des membranes perméables aux cations et 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 sous forme d’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 éliminer >99 % des TDS et fournir de l’eau ultrapure avec une résistivité allant jusqu’à 18 MΩ. EDI fournit une solution d’eau ultrapure durable en se régénérant continuellement sans acide agressif ni produits chimiques caustiques nécessaires aux systèmes d’échange d’ions (IX) conventionnels.

L’utilisation de 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 des produits chimiques acides et caustiques. Les solutions d’ingénierie environnementale intègrent des systèmes d’OI à récupération élevée avec EDI pour des performances optimisées et des coûts d’exploitation réduits (OPEX).

Les schémas de processus membranaires en plusieurs étapes intégrant le prétraitement, l’UF, l’OI et l’EDI sont soigneusement conçus pour assurer une production fiable et efficace 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 traitement complets en utilisant leurs produits membranaires, mais externalisent la plupart des articles périphériques. Le fabricant de membranes est rarement suffisamment intégré verticalement pour fournir tous les composants.

Une centrale 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 d’ultrafiltration (UF) et d’osmose inverse à l’eau saumâtre (BWRO) de 200 gpm pour remplacer le clarificateur conventionnel, le filtre à média et le système de démon cation/anion IX existant.

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

Les systèmes de traitement membranaire ont facilement évolué pour devenir le choix préféré par rapport aux procédés conventionnels de traitement de l’eau impliquant des clarificateurs, de grands filtres à média, des lits de cations et de résine d’anions IX. Le MF et/ou l’UF pour éliminer les solides en suspension avant l’OI et l’EDI sont capables d’éliminer les solides en suspension jusqu’à 0,02 micron de taille qui avaient auparavant causé 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 modulaires pour une flexibilité maximale. Les procédés membranaires OI et EDI sont également plus favorables à l’environnement que l’IX, car la régénération de la résine à l’aide de produits chimiques dangereux est évitée.

Systèmes d’OI d’eau de mer préfabriqués (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 ultrapure produite à la demande.

Avec un encombrement compact 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 osmose inverse peut ensuite être polie à l’aide de modules à membrane EDI pour fournir une eau ultrapure avec une résistivité allant jusqu’à 18 MΩ.

Auteur

Cameron Hipwell est un ingénieur professionnel agréé chez Parker Hannifin Filtration Group