Purification de l’eau dans l’industrie              Enrico Riboni
Remerciements   Ce livre est issus des cours Pratiques et ´conomie de la purification de l’eau dans                        ...
Copyright   c Enrico Riboni, Ch´zard-Saint-Martin, Suisse, 1997-2003. Le manuel peut ˆtre utilis´                      e  ...
Table des mati`res              eI. Introduction et rappels                                                               ...
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Table des figures 1.1. Le traitement de l’eau, un sujet ` la fronti`re de plusieurs disciplines . . .                      ...
Table des figures  5.4. Membrane d’osmose inverse : le mod`le avec pores. Image : Osmonics . .                             ...
Table des figures  10.20. rincipe de fonctionnement d’un analyseur d’ozone utilisant la loi de       P       Henry. Dessin ...
Liste des tableaux      2.1. Facteurs de conversion pour les ions les plus courants . . . . . . . . . . .         11      ...
Premi`re partie .       eIntroduction et rappels                          1
1. Introduction1.1. L’eau : aussi omnipr´sente que m´connue                         e           e    L’eau est omnipr´sent...
´           ´                           1.1. L’EAU : AUSSI OMNIPRESENTE QUE MECONNUE    Fig. 1.1.: Le traitement de l’eau,...
CHAPITRE 1. INTRODUCTIONde l’eau. Enfin, dans la 3e partie de l’ouvrage, nous mettrons en pratique les connais-sances acqui...
1.3. TENDANCES ACTUELLESdes installations d’osmose inverse soient r´alis´e ` l’´chelle du laboratoire. Les premi`res      ...
2. Introduction ` la chimie de l’eau                a2.1. Qu’est-ce que l’eau ?   Il est usuel de croire que l’eau est H2 ...
2.2. LES CLASSES DE POLLUANTS                              Fig. 2.1.: La mol´cule d’eau                                   ...
`                              CHAPITRE 2. INTRODUCTION A LA CHIMIE DE L’EAU     •   Les ´l´ments solubles : on pourra les...
2.3. UNE CLASSIFICATION ALTERNATIVE  •   Arsenic  •   Baryum  •   Bromide  •   Cuivre  •   Plomb  •   Lithium  •   Mangan`...
`                          CHAPITRE 2. INTRODUCTION A LA CHIMIE DE L’EAU2.4. Les unit´s de mesure             e  L’eau est...
´                                                         2.4. LES UNITES DE MESUREenlever de l’eau. Hormis ces deux cas i...
`                         CHAPITRE 2. INTRODUCTION A LA CHIMIE DE L’EAUmais c’est un param`tre moins fiable pour pr´dire le...
2.5. PH, ACIDES ET BASES                            France     UK Allemagne          USA                             1.43 ...
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  1. 1. Purification de l’eau dans l’industrie Enrico Riboni
  2. 2. Remerciements Ce livre est issus des cours Pratiques et ´conomie de la purification de l’eau dans el’industrie organis´s par la Fondation Suisse pour la Recherche en Microtechnique. Ces ecours de formation continue s’adressent ` des praticiens de l’industrie. Tout comme ces acours, le pr´sent livre ne s’adresse donc pas ` des personnes ayant d´j` des connaissances e a eaapprofondies en chimie de l’eau ou en traitement de l’eau, mais ` des ing´nieurs et a etechniciens ayant des bases techniques g´n´rales mais pas de connaissances particuli`res e e econcernant l’eau : ce livre constitue une introduction ` ce domaine. a Depuis 1997, je donne ces cours en coop´ration avec Madame Uta Moerschell, Ing´nieur e eChimiste Diplˆm´ de la Haute Ecole sp´cialis´e de N¨renberg. o e e e u Mes remerciements vont donc tout naturellement ` Madame Uta Moerschell, qui a abeaucoup contribu´ au d´veloppement du cours et en particuliers ` ses chapitres relatifs e e aa` la chimie de l’eau, ` la d´min´ralisation de l’eau et les ´tudes de cas, et aussi bien sˆr ` la a e e e u aversion allemande du cours. Je tiens aussi ` remercier Monsieur Fischer, responsable des acours de formation continue ` la Fondation Suisse pour la Recherche en Microtechnique, aqui nous a permis de faire ces cours et nous a encourag´ ` les am´liorer continuellement. ea e Mes remerciements vont aussi ` tous les participants des cours de purification de l’eau ade la Fondation Suisse pour la Recherche en Microtechnique depuis 1997, qui, par leursavis et propositions d’am´lioration du cours nous ont permis d’am´liorer le cours et ont e edonc une part de m´rite significative pour ce qui est de la qualit´ du pr´sent ouvrage. e e eL’auteur Ing´nieur m´canicien diplˆm´ de l’Ecole Polytechnique F´d´rale de Lausanne, Enrico e e o e e eRiboni a acquis sont exp´rience de traitement de l’eau d’abord en travaillant comme echef de projet aupr`s d’un grand bureau d’ing´nieurs-conseils, puis comme responsable e ede la filiale Europe et Moyen-Orient d’un fabriquant de mat´riel de traitement de l’eau epour l’industrie (Osmonics). Enrico Riboni est actuellement g´rant de ozone.ch (Boudry, eSuisse). Cette soci´t´ propose des services d’ing´nieurs-conseil et des produits innovants ee epour le traitement de l’eau et l’utilisation de l’ozone.Version et disponibilit´ e Vous avez entre vos mains la version 21.2 de ce livre. Elle a ´t´ pr´par´e en d´cembre ee e e e2002 et am´lior´e en mars 2003. Des versions futures sont pr´vues. Le manuel est dis- e e eponible gratuitement en t´l´chargement en format PDF ` partir du site de ozone.ch : ee ahttp ://www.ozone.ch. La version imprim´e peut ˆtre obtenue contre une participation e eforfaitaire aux frais d’impression et d’envoi de CHF 100.00 (Suisse) EUR 70.00 (UnionEurop´enne). Format : classeur A4, noir et blanc. Conditions sp´ciales pour clients de e eozone.chet ceux qui ont particip´ ` un cours FSRM sur la purification de l’eau sur e ademande.ozone.ch S`rl a i http://www.ozone.ch
  3. 3. Copyright c Enrico Riboni, Ch´zard-Saint-Martin, Suisse, 1997-2003. Le manuel peut ˆtre utilis´ e e elibrement pour un usage en enseignement, entreprise et en cadre priv´. Il ne peut en eaucun cas ˆtre propos´ ` la vente, sauf par Enrico Riboni, ozone.chet la Fondation e e aSuisse pour la Recherche en Microtechnique.ozone.ch S`rl a ii http://www.ozone.ch
  4. 4. Table des mati`res eI. Introduction et rappels 11. Introduction 2 1.1. L’eau : aussi omnipr´sente que m´connue . . . . . . . . . . . . . . . . . . e e 2 1.2. Rappel historique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.3. Tendances actuelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52. Introduction ` la chimie de l’eau a 6 2.1. Qu’est-ce que l’eau ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.2. Les classes de polluants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.3. Une classification alternative . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.3.1. Polluants primaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.3.2. Polluants secondaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.3.3. Polluants tertiaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.3.4. Les traces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.3.5. Composants non permanents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.4. Les unit´s de mesure . . . . . . . . . . . . . . . . e . . . . . . . . . . . . . 10 2.4.1. Unit´s de mesure des substances dissoutes e . . . . . . . . . . . . . 10 2.4.2. Unit´s de mesure des solides en suspension e . . . . . . . . . . . . . 11 2.4.3. Duret´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . e . . . . . . . . . . . . . 12 2.5. pH, acides et bases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.6. Oxydo-r´duction . . . . . . . . . . . . . . . . . . e . . . . . . . . . . . . . 14 2.7. Conductivit´ de l’eau . . . . . . . . . . . . . . . . e . . . . . . . . . . . . . 14 2.8. Dissolution et pr´cipitation . . . . . . . . . . . . . e . . . . . . . . . . . . . 14 2.9. L’´quilibre calco-carbonique de l’eau . . . . . . . e . . . . . . . . . . . . . 153. Les polluants dans l’eau 21 3.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3.2. Calcium – Ca++ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3.3. Magn´sium – Mg++ . e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3.4. Bicarbonate – HCO− 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3.5. Fer – Fe++ , Fe+++ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3.6. Silice – SiO2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 iii
  5. 5. Table des mati`res e 3.7. Gaz carbonique – CO2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 3.8. Chlore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 3.9. Trihalom´thanes . . . e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.10. Que faut-il analyser ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23II. Les technologies de la purification de l’eau 264. Filtration et microfiltration 27 4.1. Quelques d´finitions . . . . . . . . . . . . e . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 4.2. Filtration particulaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 4.2.1. Pourquoi filtrer ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 4.2.2. Les m´canismes de filtration . . . . e . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 4.2.3. Types de filtres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 4.2.4. Filtres ` cartouches consommables a . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 4.3. Microfiltration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 425. Proc´d´s membranaires e e 44 5.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 5.2. Osmose inverse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 5.2.1. Principe de l’osmose inverse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 5.2.2. Equations fondamentales de l’osmose inverse . . . . . . . . . . . . 47 5.2.3. Exemples d’unit´s d’osmose inverse . . . . . e . . . . . . . . . . . . 52 5.3. Ultrafiltration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 5.4. Nanofiltration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 576. La maintenance des osmoseurs 58 6.1. Suivi des performances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 6.1.1. Param`tres ` enregistrer . . . . . . . . . . . . . . . . e a . . . . . . . 58 6.1.2. Param`tres ` calculer sur la base des enregistrements e a . . . . . . . 59 6.2. Nettoyage des membranes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 607. La d´sinfection de l’eau e 628. St´rilisation U.V. e 63 8.1. Principe et limites de la d´sinfection par ultraviolets . . . . . . . . . . . e . 63 8.1.1. Principe de fonctionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 8.1.2. Limites de la st´rilisation par ultraviolet . . . . . . . . . . . . . e . 63 8.1.3. Longueur d’onde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 8.1.4. Les lampe ultraviolet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 8.2. Dimensionnement d’un st´rilisateur UV . . . . . . . . . . . . . . . . . . e . 65 8.2.1. Dose de rayonnement UVc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 8.3. Doses de rayonnement UV pour diff´rentes classes de micro-organismes e . 67 8.3.1. Exemples d’estimations de la dose n´cessaire . . . . . . . . . . . e . 69ozone.ch S`rl a iv http://www.ozone.ch
  6. 6. Table des mati`res e 8.3.2. Biodosimetrie ou calcul ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 709. Chloration 7310.Ozonisation 74 10.1. Principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 10.1.1. D´savantages de l’ozone . . . . . . . . . . . . . e . . . . . . . . . . 74 10.1.2. Avantages de l’ozone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 10.1.3. Potentiels R´dox . . . . . . . . . . . . . . . . . e . . . . . . . . . . 75 10.1.4. Mat´riaux r´sistants ` l’ozone . . . . . . . . . . e e a . . . . . . . . . . 77 10.2. Dosage d’ozone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 10.3. Syst`mes de m´lange ozone - eau . . . . . . . . . . . . e e . . . . . . . . . . 79 10.3.1. Colonnes de contact et injecteurs Venturi . . . . . . . . . . . . . . 79 10.3.2. Transfert de masse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 10.3.3. Conclusion sur la dissolution de l’ozone . . . . . . . . . . . . . . . 87 10.3.4. Destruction de l’ozone r´siduel en phase liquide e . . . . . . . . . . 87 10.3.5. Destruction de l’ozone r´siduel en phase gazeuse e . . . . . . . . . . 88 10.3.6. Ozone : dimensionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 10.3.7. Ozone ` partir de l’oxyg`ne de l’eau . . . . . . . a e . . . . . . . . . . 89 10.4. Mesure de l’ozone dans l’air . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 10.4.1. Colorim´trie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . e . . . . . . . . . . 91 10.4.2. Sondes ´lectrochimiques . . . . . . . . . . . . . e . . . . . . . . . . 91 10.4.3. Capteurs ` semiconducteurs . . . . . . . . . . . a . . . . . . . . . . 91 10.4.4. Analyseurs d’ozone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 10.4.5. Comparaison des m´thodes . . . . . . . . . . . e . . . . . . . . . . 93 10.4.6. Etude de cas : mesure de l’ozone dans l’air . . . . . . . . . . . . . 94 10.5. Mesure de l’ozone dans l’eau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 10.5.1. M´thodes disponibles . . . . . . . . . . . . . . . e . . . . . . . . . . 95 10.5.2. Colorim´trie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . e . . . . . . . . . . 95 10.5.3. Mesure du potentiel R´dox . . . . . . . . . . . . e . . . . . . . . . . 95 10.5.4. Sondes ´lectrochimiques . . . . . . . . . . . . . e . . . . . . . . . . 95 10.5.5. Capteurs ` semiconducteurs . . . . . . . . . . . a . . . . . . . . . . 96 10.5.6. Analyseurs d’ozone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9611.S´lection d’une m´thode de d´sinfection e e e 98 11.1. Crit`res de s´lection de la m´thode de d´sinfection . . . . e e e e . . . . . . . . . 98 11.1.1. D´bit de l’installation . . . . . . . . . . . . . . . . e . . . . . . . . . 98 11.1.2. Micro-organismes ` ´liminer . . . . . . . . . . . . ae . . . . . . . . . 98 11.1.3. Caract´ristiques de l’eau en sortie . . . . . . . . . e . . . . . . . . . 98 11.1.4. Intervalle entre traitement et consommation . . . . . . . . . . . . 99 11.2. Quelques exemples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 11.2.1. Un syst`me d’ozonisation compact et performant e pour d´bits e a ` partir de 1 m3 /h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99ozone.ch S`rl a v http://www.ozone.ch
  7. 7. Table des mati`res e 11.2.2. Une unit´ de potabilisation pour e maison sans raccordement au r´seau d’eau potable . . . . . . . e . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 11.2.3. Un point d’eau potable dans un endroit qui n’est pas reli´ au e r´seau ´lectrique . . . . . . . . . e e . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 11.2.4. Installation de chloration de l’eau . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 11.2.5. Eau ultrapure, micro-´lectronique e . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10112.Les biofilms 102 12.1. Importance des biofilms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 12.2. Qu’est-ce qu’un biofilm ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 12.3. Les facteurs influen¸ant la formation et le d´veloppement des biofilm c e . . 102 12.3.1. Temps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 12.3.2. Vitesse d’´coulement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . e . . 103 12.3.3. Espaces morts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 12.3.4. Barri`res antibact´riennes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . e e . . 103 12.4. Contrˆle des biofilms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o . . 103 12.5. D´sinfection d’installations lors de l’installation d’un st´rilisateur U.V e e . . 104 12.5.1. Un cas particulier : les boucles de distribution d’eau ultrapure . . 105 12.6. Biofilms et corrosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10613.L’eau ozon´e e 108 13.1. Pourquoi l’eau ozon´e ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . e . . . . . . . . . 108 13.2. Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 13.3. S´curit´ lors de l’emploi d’eau ozon´e . . . . . . . . . . . e e e . . . . . . . . . 109 13.3.1. Probl`mes sp´cifiques ` l’utilisation d’eau ozon´e e e a e . . . . . . . . . 109 13.3.2. Effets de l’ozone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 13.3.3. Les mesures de pr´caution . . . . . . . . . . . . . e . . . . . . . . . 11014.La distillation 112 14.1. Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 14.2. Principe de fonctionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 14.3. Qualit´ de l’eau distill´e . . . . . . . . . . . . . . e e . . . . . . . . . . . . . 112 14.4. Solutions pour r´duire la consommation d’´nergie e e . . . . . . . . . . . . . 114 14.4.1. Effets multiples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 14.4.2. Thermocompression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 14.5. Limites de la distillation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11415.Proc´d´s par ´change d’ions e e e 116 15.1. Introduction ` l’´change d’ion . . . . . . . . . . . a e . . . . . . . . . . . . . 116 15.2. Adoucisseurs d’eau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 15.3. D´min´ralisation par ´change d’ions . . . . . . . . e e e . . . . . . . . . . . . . 117 15.3.1. Equations fondamentales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 15.3.2. R´g´n´ration des ´changeurs d’ions ` 2 lits e e e e a . . . . . . . . . . . . . 119 15.3.3. Echangeur d’ions ` lit m´lang´ . . . . . . . a e e . . . . . . . . . . . . . 119ozone.ch S`rl a vi http://www.ozone.ch
  8. 8. Table des mati`res e 15.3.4. Pourquoi l’eau est-elle meilleure apr`s un lit m´lang´ qu’apr`s un e e e e deux-lits ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 15.3.5. R´g´n´ration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . e e e 119 15.4. Calcul des ´changeurs d’ions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . e 120 15.4.1. Principes g´n´raux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . e e 120 15.4.2. Qualit´ de l’eau obtenue par ´change d’ions . . . . . . . . . . . . e e 12016.Les antitartres ´lectromagn´tiques e e 121 16.1. Passions et pol´mique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 e 16.2. Principe de fonctionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 16.3. Limitations d’emploi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12217.Electrod´ionisation e 124 17.1. Principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 17.2. Avantages et d´savantages . . . . . . . . . . e . . . . . . . . . . . . . . . . 125 17.2.1. Principaux avantages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 17.2.2. Principaux d´savantages . . . . . . . e . . . . . . . . . . . . . . . . 126 17.3. Probl`mes r´sultants d’aspects commerciaux e e . . . . . . . . . . . . . . . . 127 17.4. Etudes de cas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 17.4.1. L’osmoseur instable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 17.4.2. Cellule myst´rieuse . . . . . . . . . . e . . . . . . . . . . . . . . . . 128 17.5. Situation actuelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12818.D´gazage e 129 18.1. Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 18.2. La technologie traditionelle : le d´carbonateur . e . . . . . . . . . . . . . . 129 18.2.1. Principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 18.2.2. Le dimensionnement des d´carbonateurs e . . . . . . . . . . . . . . 129 18.3. Les nouvelles technologies de d´gazage . . . . . e . . . . . . . . . . . . . . 130 18.3.1. Principe de fonctionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 18.3.2. Calcul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131III. Conception et optimisation de syst`mes de purification de e l’eau 13319.Introduction 134 19.1. D´roulement du projet . . . . . . . . . . . e . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 19.2. D´lais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . e . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 19.3. Caract´ristiques de l’eau d’alimentation . . e . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 19.3.1. Informations ` obtenir . . . . . . . a . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 19.3.2. Etude de cas : chlore et membranes . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 19.4. Qualit´ d’eau n´cessaire . . . . . . . . . . e e . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 19.5. D´finition de la qualit´ de l’eau n´cessaire e e e . . . . . . . . . . . . . . . . . 137ozone.ch S`rl a vii http://www.ozone.ch
  9. 9. Table des mati`res e 19.6. Quantit´ d’eau n´cessaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 e e 19.7. Autres param`tres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 e 19.8. Conception du proc´d´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 e e20.Sp´cification des principaux ´l´ments e ee 141 20.1. Introduction aux sp´cifications . . . . . . . . . e . . . . . . . . . . . . . . . 141 20.2. Osmose inverse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 20.3. Echangeurs d’ions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 20.4. G´n´rateurs d’ozone . . . . . . . . . . . . . . e e . . . . . . . . . . . . . . . 142 20.5. Distillateurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 20.6. Electrod´ionisation . . . . . . . . . . . . . . . e . . . . . . . . . . . . . . . 143 20.7. Sp´cification des filtres et cartouches filtrantes e . . . . . . . . . . . . . . . 144 20.7.1. Cartouches de p´filtration . . . . . . . e . . . . . . . . . . . . . . . 144 20.7.2. Cartouches de microfiltration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 20.7.3. D´bits : ordres de grandeur . . . . . . e . . . . . . . . . . . . . . . 14421.Optimisation de syst`mes existants e 145 21.1. M´thode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . e . . . . . . . . . . 145 21.2. Osmoseurs : optimisation de la maintenance . . . . . . . . . . . . . . . . 145 21.3. Cartouches filtrantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 21.4. Etude de cas : cartouche de pr´filtration d’un osmoseur e . . . . . . . . . . 145 21.5. Osmoseur en pr´traitement d’´change d’ion . . . . . . . e e . . . . . . . . . . 146 21.6. Capacit´ des r´sines d’´changeurs d’ions . . . . . . . . e e e . . . . . . . . . . 147ozone.ch S`rl a viii http://www.ozone.ch
  10. 10. Table des figures 1.1. Le traitement de l’eau, un sujet ` la fronti`re de plusieurs disciplines . . . a e 3 1.2. Les domaines du traitement de l’eau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2.1. La mol´cule d’eau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . e . . . . . . . . . . . 7 2.2. Classification des impuret´s . . . . . . . . . . . . . . e . . . . . . . . . . . 7 2.3. Conductivit´ de l’eau en fonction de la concentration e de solides dissous (TDS). [12] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.4. Le gaz carbonique dans l’eau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.5. Nomogramme de Langelier et Ryznard[12] . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.6. Interpr´tation de l’indice de Ryznar[12] . . . . . . . . e . . . . . . . . . . . 20 3.1. Le CO2 dans l’eau, sous diff´rentes formes en fonction du pH . . . . . . . e 23 4.1. Interception directe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 4.2. Mouvement brownien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 4.3. Adsorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 4.4. La formation d’un gˆteau de filtration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . a 30 4.5. Principe de fonctionnement d’un filtre ` poche . . . . . . . . . . . . . . . a 32 4.6. Changement d’une poche. Ces poches peuvent se casser, causant des d´gˆts importants. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . e a 33 4.7. Filtre autonettoyant. Principe de fonctionnement. Image : Filters Srl . . 34 4.8. Filtre autonettoyant. Photo : Filters Srl . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 4.9. Montage d’un filtre autonettoyant. Photo : Filters Srl . . . . . . . . . . . 35 4.10. Filtre ` sable ` pression. Photo : Osmonics . . . . . . . . . . . . . . . . . a a 36 4.11. Corps de filtres pour filtres ` cartouche. Photo : Osmonics . . . . . . . . a 37 4.12. Cartouche ` fil bobin´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . a e 38 4.13. Cutoff, ou nettet´ du seuil de filtration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . e 40 4.14. Evolution de la perte de charge au cours de la vie d’une cartouche filtrante 41 4.15. Une cartouche de microfiltration. Photo : Osmonics . . . . . . . . . . . . 42 4.16. Vue au microscope d’une membrane d’une cartouche de microfiltration absolue. Photo : Osmonics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 5.1. Le ph´nom`ne naturel osmose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . e e 45 5.2. Un module spiral´ [9] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . e 46 5.3. Fabrication d’un module d’osmose inverse . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 ix
  11. 11. Table des figures 5.4. Membrane d’osmose inverse : le mod`le avec pores. Image : Osmonics . . e 47 5.5. Membrane d’osmose inverse : le mod`le sans pores . . . . . . . . . . . . . e 47 5.6. Repr´sentation sch´matique d’un osmoseur . . . . . . . . . . . . . . . . . e e 48 5.7. Sch´ma d’un petit osmoseur industriel. Sch´ma : Osmonics . . . . . . . . e e 52 5.8. Exemple d’unit´ d’osmose inverse pour laboratoire. Photo : Electrolux . e 53 5.9. Sch´ma de principe de l’unit´ montr´e sur la figure 5.8 . . . . . . . . . . e e e 53 5.10. Osmoseur industriel de taille moyenne, muni de membranes 4”. Photo : Osmonics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 5.11. Exemple de grand osmoseur industriel, muni de membranes 8”. Photo : Osmonics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 5.12. Exemple d’unit´ d’ultrafiltration au point d’utilisation [20] . . . . . . . . e 55 5.13. Sch´ma d’une unit´ d’ultrafiltration au point d’utilisation [20] . . . . . . e e 56 5.14. Machine d’ultrafiltration pour la potabilisation de l’eau . . . . . . . . . . 56 8.1. Absorption du rayonnement ultraviolet par l’eau et par l’ADN . . . . . . 63 8.2. Comparaison des spectres d’´mission d’une lampe basse pression et d’une e lampe moyenne pression [13] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 8.3. R´duction du rayonnement ´mis au bout de 7 jours, en fonction de la duret´ e e e 65 8.4. Dose de rayonnement U.V. n´cessaire pour r´duire de 99.99% divers micro- e e organismes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 8.5. Exemple de st´rilisateur U.V. [23] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . e 71 10.1. L’ozone : un d´sinfectant plus puissant que le chlore [2] . . . . . . . . . . e 75 10.2. Les principaux composants d’un syst`me d’ozonisation de l’eau . . . . . . e 76 10.3. G´n´ration d’ozone par d´charge Corona. Principe . . . . . . . . . . . . . e e e 77 10.4. Exemple de syst`me de g´n´ration d’ozone . . . . . . . . . . . . . . . . . e e e 78 10.5. principe de fonctionnement d’une colonne de contact . . . . . . . . . . . 79 10.6. Contacteur municipal : principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 10.7. Injecteur Venturi : principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 10.8. Syst`me Venturi-R´acteur-Cyclon : pilote de d´monstration. Photo : GDT e e e Corporation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 10.9. Ensemble injecteur – r´acteur – cyclon : principe . . . . . . . . . . . . . e 83 10.10. olubilit´ de l’ozone dans l’eau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . S e 84 10.11. fficacit´ de la dissolution de l’ozone dans l’eau . . . . . . . . . . . . . . E e 85 10.12. omparaison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C 86 10.13. oncentration de bact´ries en plusieurs points d’une chaˆ de potabili- C e ıne sation de l’eau [25] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 10.14. xemple d’installation de destructeur catalytique d’ozone. Photo : ozone.ch E 89 10.15. yst`me MembrelTM de production d’ozone ` partir de l’oxyg`ne de l’eau. S e a e Photo : Ozonia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 10.16. ´tecteur d’ozone portable [23] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . De 92 10.17. ´tecteur d’ozone fixe dans armoire de protection [23] . . . . . . . . . . . De 92 10.18. nalyseur d’ozone pour l’air ambiant. Photo : InUSA Corporation . . . . A 94 10.19. ´tecteur d’ozone dissous ` capteur ` semiconducteur. Photo : ozone.ch De a a 96ozone.ch S`rl a x http://www.ozone.ch
  12. 12. Table des figures 10.20. rincipe de fonctionnement d’un analyseur d’ozone utilisant la loi de P Henry. Dessin : InUSA Corporation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 10.21. nalyseur d’ozone ` mesure directe dans l’eau. Le capteur, ` travers lequel A a a l’eau passe, est ` droite sur la photo. Photo : InUSA Corporation . . . . a 97 11.1. Syst`me compact d’ozonisation de l’eau [23] . . . . . . . . . . . . . . . . 100 e 11.2. Syst`me de potabilisation d’eau de pluie pour maison isol´e [23] . . . . . 100 e e 12.1. Un biofilm. Le biofilm est form´ de micro-organismes, e mais aussi par un r´seau de polym`res extra-cellulaires [21] . . . . . . . e e . . . . . . . . . . . 102 12.2. Contrˆle de biofilms [21] . . . . . . . . . . . . . . . . o . . . . . . . . . . . 104 12.3. La corrosion favoris´e par les biofilms. Principe [21] . e . . . . . . . . . . . 107 13.1. Syst`me portable de production d’eau ozon´e [23] . . . . . . . . . . . . . 109 e e 13.2. Syst`me pour refroidissement ` l’eau (Hydrocooling) de viande de poulet, e a avec eau ozon´e. Image : GDT Corporation [23] . . . . . . . . . . . . . . 110 e 14.1. Sch´ma de principe d’un distillateur [9] . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 e 14.2. Principe de la thermocompression [2] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 15.1. Sch´ma de principe d’un adoucisseur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 e 16.1. Antitartre ´lectromagn´tique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 e e 17.1. Principe de l’´lectrod´ionisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 e e 17.2. Principe de l’´lectrod´ionisation(2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 e e 17.3. Exemple d’´lecrod´ionisateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 e e 18.1. Sch´ma de principe d’un d´carbonateur [8] . . . . . . . . . . . . . . . . . e e 130 18.2. Principe de fonctionnement d’une installation de d´gazage avec injecteur e Venturi [15] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 18.3. Efficacit´ d’un syst`me de d´gazage ` Venturi [15] . . . . . . . . . . . . e e e a 132 18.4. Efficacit´ d’un syst`me de d´gazage ` Venturi pour l’´limination du radon e e e a e [15] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 20.1. Petit concentrateur d’oxyg`ne. Photo : SeQual Corporation . . . . . . . . 143 e 21.1. G´n´ration d’ozone par d´charge Corona. Principe . . . . . . . . . . . . . 146 e e e 21.2. Capacit´ d’une r´sine en fonction de la quantit´ de r´g´n´rant employ´ . 147 e e e e e e eozone.ch S`rl a xi http://www.ozone.ch
  13. 13. Liste des tableaux 2.1. Facteurs de conversion pour les ions les plus courants . . . . . . . . . . . 11 2.2. Conversion des degr´s de duret´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . e e 13 4.1. Seuils de filtration usuels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 5.1. Taux de rejets de diff´rents sels, relativement au NaCl . . . . . . . . . . . e 50 6.1. D´bits et volumes de solution de nettoyage recommand´s . . . . . . . . . e e 61 8.1. Doses d’inactivation D10 pour quelques micro-organismes communs . . . 67 8.2. Doses de rayonnement UV pour l’inactivation de bact´ries . . . . . . e . . 68 8.3. Doses de rayonnement UV pour l’inactivation de moisissures et spores . . 69 8.4. Doses de rayonnement UV pour l’inactivation d’algues et protozoa . . . . 69 8.5. Doses de rayonnement UV pour l’inactivation de virus . . . . . . . . . . 69 8.6. Doses de rayonnement UV pour l’inactivation de levures . . . . . . . . . 70 10.1. Potentiels R´dox de quelques produits oxydants utilis´s dans l’industrie . e e 75 10.2. Demi-vie de l’ozone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 10.3. Les m´thodes de mesure de l’ozone dans l’air . . . . . . . . . . . . . . . . e 93 13.1. Effets de l’ozone sur la sant´ humaine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 exii
  14. 14. Premi`re partie . eIntroduction et rappels 1
  15. 15. 1. Introduction1.1. L’eau : aussi omnipr´sente que m´connue e e L’eau est omnipr´sente dans l’industrie. Il n’y a pas de produit qui n’est pas au moins erinc´ avec de l’eau au cours de sa production, et l’eau est un composant essentiel de ela production de bien des produits alimentaires et chimiques, par exemple. Les qualit´s ethermodynamiques de l’eau en font un fluide caloporteur de choix : elle a une enthalpied’´vaporation tr`s ´lev´e et une chaleur sp´cifique tr`s ´lev´e ´galement. e e e e e e e e e Pourtant, le praticien confront´ ` la conception du syst`me de traitement de l’eau pour ea el’industrie devait jusqu’` pr´sent se tourner vers des ouvrages en anglais, par ailleurs sou- a event excellents, ou se r´soudre ` utiliser des ouvrages en fran¸ais destin´s au traitement e a c ede l’eau potable. Cette situation n’´tant pas satisfaisante, j’ai entrepris l’´criture de cet e eouvrage, sur la base du cours qui existe depuis 1997 aupr`s de la FSRM et des nouveaux ecours avanc´s de la FSRM introduits en 2002. e Le traitement de l’eau est un domaine ` la fronti`re de plusieurs disciplines. La chimie a ejoue un rˆle primordial, mais aussi la m´canique et, pour les installations d’une certaine o eimportance, aussi le g´nie civil. La conception d’une nouvelle installation requiert en eprincipe la collaboration d’au moins un chimiste et un ing´nieur en m´canique. e e Lorsqu’on parle de “traitement de l’eau”, on englobe en fait une s´rie de disciplines etr`s diverses. Il y a en effet peu en commun entre une installation de potabilisation d’eau esouterraine, qui est essentiellement un ouvrage de g´nie civil, et une petite installation ede production d’eau ultrapure pour la micro´lectronique, qui, si elle ne n´cessite pas de e eg´nie civil, fait appel´ ` des technologie de pointe, des m´thodes de mesures sophistiqu´e e ea e eet exige une maintenance tr`s soign´e par ses op´rateurs. e e e Le livre ne traite pas du sujet des eux us´es. Le traitement des eaux us´es industrielles e efait appel en partie aux mˆmes technologies que la purification de l’eau, mais aussi ` de e anombreuses autres techniques, comme les bior´acteurs. Les aspects l´gaux sont souvent e ed´terminants. Il en r´sulte qu’il est pratiquement impossible de les traiter dans le cadre e ed’un ouvrage traitant de la purification de l’eau. La grande majorit´ des utilisateurs d’eau dans l’industrie disposent d’eau potable. Le esujet du livre sera donc essentiellement la purification de l’eau potable pour la rendreutilisable dans les processus industriels. Dans de rares cas, l’industrie doit utiliser de l’eau non potable, provenant de forages,de la nappe phr´atique ou de rivi`res ou de lacs. Un chapitre sera consacr´ au traitement e e eadditionnels n´cessaires si l’on emploie de l’eau encore ` potabiliser. Dans la plupart des e acas, ces traitements sont assez simples.2
  16. 16. ´ ´ 1.1. L’EAU : AUSSI OMNIPRESENTE QUE MECONNUE Fig. 1.1.: Le traitement de l’eau, un sujet ` la fronti`re de plusieurs disciplines a e Fig. 1.2.: Les domaines du traitement de l’eau Comme le cours, ce livre est organis´ selon les lignes directrices suivantes : les deux epremi`res parties sont consacr´es aux connaissances de bases n´cessaires : la partie 1 e e eest une introduction ` la chimie de l’eau. Il est en effet indispensable de comprendre le aproduits que nous allons traiter. Ensuite, une 2e partie, tr`s importante par le volume de eses pages, est consacr´e aux technologies qui sont ` notre disposition pour le traitement e aozone.ch S`rl a 3 http://www.ozone.ch
  17. 17. CHAPITRE 1. INTRODUCTIONde l’eau. Enfin, dans la 3e partie de l’ouvrage, nous mettrons en pratique les connais-sances acquises pour la conception de nouvelles installation et l’analyse et l’optimisationd’installations existantes. Comme bien des branches industrielles, la purification de l’eauutilise des technologies parfois fort anciennes. Certaines, comme l’ozone, on connu und´veloppement rapide avant de retomber dans l’oubli, pour faire ensuite un retour en eforce a une ´poque tr`s r´cente. D’autres, comme l’osmose, sont r´centes, ´taient d’une ` e e e e eutilisation assez complexe mais se se sont aujourd’hui popularis´es. e La 3e partie de l’ouvrages est consacr´e ` la conception de nouvelles installations e aet l’optimisation d’installations existantes. Ces sujets sont trait´s du point de vue de el’utilisateur d’installation.1.2. Rappel historique La s´dimentation date de l’antiquit´ classique : des documents en grec d´crivent des e e etechniques employ´es dans l’Egypte Ptol´ma¨ e e ıque d´j` au 2e si`cle avant notre ˆre. La ea e efiltration par tamisage avec un textile est encore plus ancienne : elle ´tait connue en e eGr`ce au 5 si`cle avant notre ˆre. Le filtre ` sable, qui est utilis´ aujourd’hui dans e e e a etoutes les piscines et dans bien des applications industrielles est d’origine incertaine,mais il semble qu’il ´tait d´j` connu dans l’Egypte Ptol´ma¨ e ea e ıque. En Europe, il est utilis´ ed`s le 17e si`cle. Les filtres-presse sont un produit de la r´volution industrielle : les e e epremiers brevets datent de l’an 1800. Les technologies de d´sinfection de l’eau sont toutes beaucoup plus r´centes. En effet, e eil faut attendre les d´veloppement de la biologie et l’apparition de la notion de micro- eorganisme dans les ann´es 1860 pour que la n´cessit´ de d´sinfecter l’eau apparaisse. e e e ePasteur aurait dit que nous buvons presque toutes nos maladies. Le chlore et l’ozonesont les premi`res m´thodes de d´sinfections utilis´es, ` la fin du 19e et ` l’aube du e e e e a a e20 si`cle. Les premiers brevets pour la st´rilisation UV datent aussi du d´but du e e e20e si`cles. Malheureusement, l’Europe en 1918 dispose de nombreuses grandes usines ede chlore, alors que la fin de la guerre cause un effondrement de la demande pour ce gaz.Le chlore est d´sormais bon march´, et il devient le d´sinfectant de choix pour l’eau : la e e est´rilisation par rayonnement UV et l’ozonisation resteront confin´e ` des applications e e ade niche jusqu’aux ann´es 1960. e Les techniques de d´min´ralisation par ´changes d’ions sont plus r´centes. Le premier e e e eadoucisseur est mis en service en 1905. La premi`re d´min´ralisation totale date de 1937, e e een Angleterre : l’application est la production de la bi`re. La cartouche filtrante jetable eest aussi un produit des ann´es 1930 . A l’´poque, le grand fabriquant de cartouches je- e etable est la soci´t´ Sartorius, de G¨ttingen, en Allemagne, qui existe encore aujourd’hui. ee oA la fin de la guerre plusieurs ing´nieurs de Sartorius seront amen´s aux USA o` ils e e utravailleront pour le d´partement de la d´fense, avant de participer ` la fondation de la e e asoci´t´ Millipore, qui est aujourd’hui l’un des g´ants mondiaux de la cartouche filtrante ee eindustrielle. L’osmose inverse a un d´veloppement tr`s lent. Bien que le ph´nom`ne de l’osmose e e e e esoit connu depuis la 2`me moiti´ du 19 si`cle, il faut attendre les ann´es 1950 pour que e e e eozone.ch S`rl a 4 http://www.ozone.ch
  18. 18. 1.3. TENDANCES ACTUELLESdes installations d’osmose inverse soient r´alis´e ` l’´chelle du laboratoire. Les premi`res e e a e einstallations industrielles datent des ann´es 1960, et il faut attendre les ann´es 1980 pour e ela technologie se g´n´ralise, d’abord aux USA puis en Europe. e e1.3. Tendances actuelles Les ann´es 1990 ont vu une baisse de prix des installations ` membrane (Osmose e ainverse) et des syst`mes d’ozonisation de l’eau, ce qui fait que ces technologies sont de eplus en plus fr´quemment utilis´es. Cette p´riode a aussi vu des fournisseurs proposer e e edes ´quipements standard, sur catalogue, ` des prix tr`s comp´titifs aussi pour des d´bits e a e e e 1tr`s importants . e La 2e moiti´ des ann´es 1990 a aussi vu l’apparition de membranes d’osmose inverse e ea` pression plus faible, qui ont r´duit le coˆt d’exploitation des osmoseurs de 20 ` 30%, e u afavorisant ainsi encore une fois cette technologie. Les technologies membranaires se sont impos´es contre la d´min´ralisation par ´change e e e ed’ions. Un domaine ou l’´change d’ions se maintient actuellement est l’adoucissement ede l’eau. Il existe une technologie membranaire, la nanofiltration, qui constitue unealternative potentielle ` l’adoucisseur. La technologie peine ` s’imposer au niveau des a a 2installations domestiques , mais elle s’est fortement implant´e dans l’industrie agro- ealimentaire3 . La baisse des prix des membranes d’osmose inverse s’explique principalement par : • L’augmentation du volume de production • Le fait que longtemps les membranes en polyamides ´taient l’apanage de la soci´t´ e ee Filmtec4 sur la base d’un brevet qui a ´t´ d´clar´ public en 19935 : depuis 1994 d´j`, ee e e ea la concurrence est s´v`re dans le domaine des membranes. e eEn pratique il est devenu essentiel de n´gocier les prix lors d’achats de membranes. e 1 A titre d’exemple, un fabricant am´ricain, ´galement repr´sent´ en Europe, propose sur catalogue e e e e des osmoseurs standard, construits en s´rie, pour des d´bits allant jusqu’` plus de 70 m3 /h e e a 2 La soci´t´ allemande qui avait lanc´ le premier appareil domestique de nanofiltration a cess´ sa ee e e production en 1998. A notre connaissance aucune soci´t´ n’a encore repris le flambeau, mais cela ne ee saurait tarder 3 De nombreuses usine de Coca-Cola sont munies de syst`mes d’ultrafiltration pour adoucir l’eau, et e permettre ` tous les habitant de la plan`te de boire une boisson qui a le mˆme goˆt a e e u 4 Filiale de Dow Chemical 5 La motif de la suspension de la protection accord´e ` Filmtec par son brevet ´tait le fait que les e a e membranes en polyamide avaient ´t´s d´velopp´es pendant un projet financ´ par l’arm´e US, et aux ee e e e e USA une invention r´sultant d’un d´veloppement financ´ par l’argent public ne peut ˆtre prot´g´e e e e e e e par un brevetozone.ch S`rl a 5 http://www.ozone.ch
  19. 19. 2. Introduction ` la chimie de l’eau a2.1. Qu’est-ce que l’eau ? Il est usuel de croire que l’eau est H2 O. En fait, une description plus pr´cise de ce eliquide serait : l’eau, c’est H2 O plus une s´rie d’impuret´s. Le praticien du traitement e ede l’eau doit connaˆ ces impuret´s, leurs cons´quences sur les propri´t´s de l’eau, et ıtre e e eeaussi les unit´s de mesures employ´es pour exprimer ces impuret´s afin de comprendre e e eles analyses d’eau. Cet ouvrage s’adressant ` des praticiens de l’industrie, nous ne traiterons pas ici des am´thodes d’analyse de l’eau, mais bien de l’interpr´tation des r´sultats d’analyses que e e enous pourrons obtenir de laboratoires. Les polluants de l’eau ayant des cons´quences edirectes sur les caract´ristiques de l’eau, l’on utilise pour l’eau de nombreuses mesures. eNous ne d´crirons pas ici les m´thodes d’analyse de l’eau, qui font l’objet de nombreux e eautres ouvrages, mais il est important pour pouvoir concevoir des syst`mes de traitement ede l’eau et les utiliser de mani`re optimale de bien comprendre les analyses d’eau, et la esignifications de grandeurs telles que le pH, le potentiel d’oxydo-r´duction, etc. e L’eau est un fluide qui a des caract´ristiques tout ` fait remarquables : e a • Sa densit´ est plus faible ` l’´tat solide qu’` l’´tat liquide e a e a e • La tension de surface est tr`s ´lev´e e e e • On l’appelle parfois le solvant universel, car elle dissout plus de substances que tout autre fluide connu. • Sa chaleur de vaporisation ´lev´e, ce qui en fait un fluide caloporteur de choix e e Ces caract´ristiques sont dues ` la mol´cule d’eau (voir figure 2.1). e a e La mol´cule d’eau est une mol´cule mol´cule polaris´e. Ces mol´cules tendent a rester e e e e e `ensemble ` l’´tat liquide plus que d’autres fluides, ce qui explique la chaleur de vapori- a esation ´lev´e. Elle tend aussi ` s´parer les ions : il en r´sulte que l’eau est un excellent e e a e esolvant. Le volume de l’eau augmente lorsqu’elle passe de l’´tat liquide ` l’´tat solide : e a eelle est l’une des 3 seules substances connues dans la nature dans ce cas.2.2. Les classes de polluants L’eau, de part sa nature de solvant universel, n’existe pratiquement pas sous formede H2 O pure. L’on trouve litt´ralement de tout dans l’eau. Afin de pouvoir analyser eles traitements de purification envisageables, il est indispensable dans un premier temps6
  20. 20. 2.2. LES CLASSES DE POLLUANTS Fig. 2.1.: La mol´cule d’eau ede classifier les impuret´s. Il y a plusieurs mani`res de classifier les impuret´s. L’int´rˆt e e e eed’une classification est ´videmment conditionn´ par l’utilit´ de celle-ci pour d´finir les e e e etraitements de purification. Fig. 2.2.: Classification des impuret´s e Les principales classes de polluants sont :ozone.ch S`rl a 7 http://www.ozone.ch
  21. 21. ` CHAPITRE 2. INTRODUCTION A LA CHIMIE DE L’EAU • Les ´l´ments solubles : on pourra les ´liminer par osmose inverse ou ´change d’ions1 ee e e • Les micro-organismes : on pourra les d´truire par des m´thodes de d´sinfection e e e • Les compos´s insolubles : il faudra pr´cipiter ou filtrer e e • Les composants organiques : ils constituent une nourriture pour d’´ventuelles bact´ries, e e il faudra donc les ´liminer, en g´n´ral par oxydation ou par absorption sur charbon e e e actif2.3. Une classification alternative Une autre mani`re de classifier est de parler de polluants primaires ou secondaires, en efonction de leur concentration habituelle dans l’eau.2.3.1. Polluants primaires Les polluants primaires, dont la concentration dans l’eau d´passe souvent les 5 ppm esont : • Bicarbonate HCO− 3 • Calcium Ca++ • Chloride Cl− • Magn´sium Mg++ e • Silice SiO2 • Sodium Na+ • Sulfate SO2−42.3.2. Polluants secondaires On d´finit comme polluants secondaires ceux dont la concentration d´passe souvent e e0.1 ppm : • Ammoniac NH3 • Bore B+3 • Fluor F− • Fer Fe++ • Nitrate NO− 3 • Potassium K+ • Strontium Sr++2.3.3. Polluants tertiaires Les polluants tertiaires sont ceux dont la concentration d´passe souvent 0.01 ppm : e • Aluminium 1 A noter que l’osmose inverse mais pas l’´change d’ions ´liminera aussi des composants solubles non e e ionis´s, comme par exemple le sucre et d’autres substances organiques en solution eozone.ch S`rl a 8 http://www.ozone.ch
  22. 22. 2.3. UNE CLASSIFICATION ALTERNATIVE • Arsenic • Baryum • Bromide • Cuivre • Plomb • Lithium • Mangan`se e • Phosphate • Zinc2.3.4. Les traces Les traces sont ces polluants dont la concentration est g´n´ralement inf´rieure ` 0.01 e e e appm : • Antimoine • Cadmium • Chrome • Cobalt • Mercure • Nickel • Etain Sn • Titane Ti2.3.5. Composants non permanents La concentration de nombreux composants de l’eau est soumise ` des changements adˆs au contact avec l’air, avec les mat´riaux de r´cipients et conduites, ou ` l’activit´ u e e a ebiologique. Il s’agit en particulier de :Acidit´ et alcalinit´ e eProduits de cycles biologiques Il s’agit en particulier des produits des cycles suivants : Cycle du carbone CH4 , CO, CO2 , carbone organique Cycle de l’oxyg`ne O2 , CO2 e Cycle de l’azote azote organique, NH3 , NO− , NO− 2 3R´actions r´dox En r´sultent 2 classes de produits : e e e Oxydants , parmi lesquels il faut distinguer Naturels : O2 , S R´sidus de traitement : Cl2 , CrO−2 e 4 R´ducteurs : Naturels : organiques, Fe+2 e R´sidus de traitement : organiques, Fe+2 , SO2 , SO−2 e 3Radionucl´ides : essentiellement le Radon, qui est un probl`me r´el pour la sant´ hu- e e e e maine par exemple dans certaines r´gions de l’arc jurassien, mais pose rarement e des probl`mes pour les applications industrielles de l’eau. eozone.ch S`rl a 9 http://www.ozone.ch
  23. 23. ` CHAPITRE 2. INTRODUCTION A LA CHIMIE DE L’EAU2.4. Les unit´s de mesure e L’eau est un produit complexe. il n’est donc pas ´tonnant que l’on utilise un nombre eimportant d’unit´s de mesure pour le d´crire. e e Les unit´s de mesure g´n´ralement utilis´es sont : e e e eMesure de concentrations : ppm, mg/l, grainspH : exprim´ sans dimension ePotentiel r´dox : exprim´ en mV e eDuret´ : exprim´e g´n´ralement en degr´s e e e e eS’y ajoutent diff´rents indices, tels que : eIndice de Langelier : formule qui indique si l’on va avoir des pr´cipitations.ou si l’eau e sera corrosive. Si cet indice est n´gatif, il y a tendance ` la corrosion. Si il est e a positif, il y a tendance ` la formation de calcaire aTurbidit´ : Nephtelometric turbidity units ou NTU eSDI : Indice sp´cialis´, souvent sp´cifi´ par les fabricants d’osmoseurs e e e eP´n´tration des UVc : un autre indice sp´cialis´, g´n´ralement exprim´ en % sur une e e e e e e e lame d’eau de 1 cm.2.4.1. Unit´s de mesure des substances dissoutes e Pour exprimer la concentration d’une substance dissoute dans l’eau, plusieurs unit´s esont utilis´es. L’unit´ de concentration la plus courante est le mg/l , souvent exprim´e e e epar “ppm” (partie par million). Les indications en ppm peuvent induire en erreur : enprincipe, en traitement de l’eau, l’on parle de ppm massique, qui correspondent donc ` ades mg/kg, soit mg/l pour l’eau. Il faut faire attention au fait que le monde de l’envi-ronnement exprime g´n´ralement les concentrations des polluants gazeux en ppm, mais e eil s’agit cette fois de ppm volumiques (ppmv). Quand ces deux mondes se rencontrent,comme cela est les cas par exemple dans les applications de lavage de fum´es ou l’ozoni- esation de l’eau, les erreurs dues ` l’interpr´tation du terme “ppm” sont h´las fr´quentes. a e e e Le Grain est une unit´ fr´quente dans la litt´rature anglo-saxonne : e e e • 1grain = 1/7000lb • 1grain/gal US = 17.1mg/l Les concentrations de polluants sont en g´n´ral indiqu´es comme ion. Parfois, l’on e e erencontre le terme ”Comme CaCO3 ” : utilis´ dans la litt´rature anglo-saxonne, cette e eunit´ qui comptabilise les charges ´lectriques est pratique pour les calculs d’´quilibre e e e´lectrique et d’´change d’ions, mais est la source d’innombrables erreurs.e e L’int´rˆt de l’unit´ ppm comme CaCO3 est que la somme des concentrations des anions ee edoit ˆtre ´gale ` la somme des concentrations des cations ` pH neutre. Cette unit´ est e e a a eutile aussi le calcul de syst`mes d’´change d’ions : l’on peut additionner les concentrations e edes diff´rents ions et ainsi obtenir le total de ce que une r´sine ´changeuse d’ions doit e e eozone.ch S`rl a 10 http://www.ozone.ch
  24. 24. ´ 2.4. LES UNITES DE MESUREenlever de l’eau. Hormis ces deux cas il vaut mieux ne pas utiliser les ppm comme CaCO3. Pour obtenir le facteur de conversion pour passer de la concentration comme ion ` laaconcentration comme CaCO3 , il faut diviser la masse molaire du carbonate de calciumpar la ”masse ´quivalente”, qui est la masse molaire divis´e par la valence. Cette unit´ e e eest pratique pour exprimer la duret´, c’est plus facile ensuite pour calculer la capacit´ e ede l’adoucisseur. Les chimistes utilisent aussi les unit´s mMol/l et mVal/l, qui expriment la quantit´ de e emol´cules - respectivement la quantit´ de charges ´lectriques - contenues dans l’eau. Une e e eMole d’une substance a la meme masse en grammes que sa masse mol´culaire relative. eUn V al est ainsi une Mole divise par le nombre de charges ´lectriques. e Ion mMol/l mVal/l Comme CaCO3 Ca++ 40 20 2.50 Na+ 23.5 23.5 23.5 Mg++ 24.3 12.2 4.12 Cl− 35.5 35.5 1.41 SO2− 4 96 48 1.04 HCO− 3 61 61 0.82 Tab. 2.1.: Facteurs de conversion pour les ions les plus courants2.4.2. Unit´s de mesure des solides en suspension e Les solides en suspension dans l’eau posent une s´rie de probl`mes importants ` l’uti- e e alisateur d’eau dans l’industrie. Si l’eau sert ` la production d’un produit, la qualit´ de a ecelui-ci peut ˆtre affect´e par les particules en suspension. D’autre par des ´l´ments du e e eesyst`me de purifcation d’eau lui-mˆmˆ doivent g´n´ralement ˆtre prot´g´s des solides en e e e e e e e esuspension : c’est le cas des pompes et des membranes des osmoseurs, par exemple. Pour r´duire la quantit´ de solides en suspension l’on peut utiliser la filtration 2 et la e eclarification. En purification de l’eau, on utilise deux mesures diff´rentes de la quantit´ de solides e een suspension dans l’eau ` traiter : le SDI Silt Density Index, et la turbidit´. a eSDI Le SDI (Silt Density Index) est un indice de colmatage. Il est important pour lesapplications de filtration tangentielle. Il est d´fini comme ´tant la r´duction moyenne e e esur 15 minutes, en % par minute du d´bit ` travers un filtre 0.45 µm ` une pression e a aconstante de 2.1 bar. il s’agit d’un param`tre am´ricain (ASTM Standard), cette origine e eest due au fait que les producteurs de membranes d’osmose inverse sont presque tousam´ricains ou japonais. S’il est impossible de l’obtenir, la turbidit´ peut ˆtre utilis´, e e e e 2 Voir page 27ozone.ch S`rl a 11 http://www.ozone.ch
  25. 25. ` CHAPITRE 2. INTRODUCTION A LA CHIMIE DE L’EAUmais c’est un param`tre moins fiable pour pr´dire le risque d’entartrage des membranes. e eEn cas de litige avec le fournisseur de membranes, cela peut ˆtre un probl`me. Un e elaboratoire d’analyse devrait ˆtre capable de mesurer le SDI, mais ce n’est pas toujours ele cas. Par contre, l’on trouve dans le commerce des kits pour la mesure du SDI. Le SDIdoit imp´rativement ˆtre mesur´ sur place. e e e Les valeurs du SDI peuvent ˆtres interpr´t´es comme suit : e ee • Inf´rieur ` 3 : pas ` peu d’entartrage de la membrane e a a • Entre 3 et 5 : conditions normales d’utilisation • Sup´rieur ` 5 : entartrage excessif ` pr´voir e a a e En pratique, il faut consulter le fournisseur des membranes lors de l’installation del‘osmoseur et lui demander quelle est la valeur limite acceptable du SDI pour ses mem-branes .Turbidit´ e En pratique, on peut s’attendre ` un entartrage excessif des membranes si la turbidit´ a eest sup´rieure ` 1 NTU. e aComptage de particules Le comptage des particules est cher et rarement n´cessaire. Il est utilis´ seulement e eapr`s une filtration, pour analyser ou comprendre un ph´nom`ne inexpliqu´ . e e e e2.4.3. Duret´ e La duret´ est d´finie comme la somme des concentrations des ions Calcium Ca++ et e e ++Magn´sium M g e il faut ˆtre attentif au fait que la duret´ est g´n´ralement indiqu´e en degr´s, et qu’il e e e e e ey a plusieurs degr´s de duret´ diff´rents : e e e1◦ Fran¸ais : 10 mg/l comme CaCO3 c1◦ Allemand : 10 mg/l comme CaCO1◦ Anglais : 1 mg par gallon anglais comme CaCO31◦ US : 1 mg/l comme CaCO3 Pour une fois, nos amis am´ricains sont les plus logiques dans la d´finition des unit´s. e e eLe tableau 2.4.3 donne les facteurs de conversion entre ces diff´rentes unit´s. e e2.5. pH, acides et basesEquilibre chimique de l’eau H2 O H+ + OH− (2.1)ozone.ch S`rl a 12 http://www.ozone.ch
  26. 26. 2.5. PH, ACIDES ET BASES France UK Allemagne USA 1.43 1 0.8 14.3 1 0.7 0.56 10.0 1.79 1.25 1 17.9 0.1 10.07 0.056 1 Tab. 2.2.: Conversion des degr´s de duret´ e e En fait : 2H2 O H3 O + OH− (2.2) Ke = [H3 O+ ] × [OH− ] (2.3) O` Ke est la constante de dissociation de l’eau u Ke = 10−14 mol/l ` 25◦ C aNomenclatureH+ : ion hydrog`ne eOH− : ion hydroxydeH3 O+ : ion hydronium H+ : il s’agit d’un radical, il est peu probable qu’il existe. En fait, ce que l’on trouveraitdans l’eau serait plutˆt l’ion H3 O+ , mais en pratique, on utilise toujours H+ dans les ocalculs. Ke a ´t´ nomm´ ainsi pour honorer Mr. Kohrlausch, qui la mesura. Ke varie en ee efonction de la temp´rature. eD´finitions : eUn acide est un donneur d’ions H+Une base est un accepteur d’ionsH+Un acide fort est compl`tement dissoci´ dans l’eau e eUn acide faible est partiellement dissoci´ dans l’eau e De mani`re analogue, une bases partiellement dissoci´e sera dite faible, une compl`tement e e edissoci´e forte. eAcides et bases faibles Exemples d’acides :Acides forts : HCl, HBrozone.ch S`rl a 13 http://www.ozone.ch

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