L’histoire de l’osmose
L’osmose, du grec ôsmos, signifiant « poussée, impulsion » fut découverte en 1748 par le physicien Jean-Antoine Nollet. De cette découverte, des chercheurs de l’Université de Californie à Los Angeles ont, en 1948, décidé d’étudier les propriétés osmotiques de la cellophane ; une pellicule transparente d’hydrate de cellulose. Ces études ont mené à la découverte de l’osmose inversée qui, à l’origine, était exposée comme étant un phénomène d’évaporation.
L’évolution des systèmes à osmose inversée s’est principalement effectuée grâce à l’avancement des technologies membranaire. Étant au centre des systèmes, les membranes ont un impact critique sur la qualité et le débit de perméat. Malgré l’accent mis sur les membranes, des améliorations connexes aux systèmes d’osmose inversée sont apparues. L’utilisation de composante de meilleure qualité telle des pompes plus puissantes et moins énergivores, une tuyauterie plus durable et des matériaux résistant à l’oxydation ont permis aux systèmes à osmose inversée de s’intégrer dans les secteurs pharmaceutiques, alimentaires, des semi-conducteurs et bien d’autres.
Au fils des années, plusieurs types de membranes ont été créer et testé. Les membranes en polyamide, un polymère asymétrique, ont vues jours dans les années 1970 et sont encore aujourd’hui utilisé. Ensuite, l’arrivée des membranes de type Filmtec, construite à l’aide d’un composite de polyamide interfacial, fut une pierre angulaire vers l’osmose inversée que l’on connait aujourd’hui. Plus récemment, nous avons vu l’avènement des membranes Thin-film.
Bref, la grande diversification des membranes a poussé les fabricants à les catégoriser en famille.
Son arrivée dans les milieux industriels
Les premiers travaux sur l’osmose inversée ont été effectués à l’Université de Californie à Los Angeles quelques années après la Deuxième Guerre mondiale. Durant ces temps de grande expansion démographique, la Californie due faire face à la diminution de ses réserves en eaux potables et c’est pourquoi ces études ont été enclenchées.
Malgré que de ces recherches, les résultats ont permis, quelques années plus tard, de développer les systèmes à osmose inversée et à la diversification de leurs utilisations. C’est dans le milieu manufacturier de la fibre de verre que le premier système à osmose inversée fut utilisé à des fins industrielles. Peu de temps après, l’entreprise Aerojet-General Corporation tenta l’expérience en installant une osmose inversée afin d’assurer l’exploitation d’une usine pilote sur des sites d’eau de mer et d’eau saumâtre. Au fil des années, les systèmes de purification d’eau à osmose inversée se sont taillé une place dans un très grand nombre d’industries tels les pharmaceutiques, l’alimentation & boisson, le secteur minier, et bien d’autres!
Fait cocasse, à l’origine, la Station spatiale internationale fournissait l’eau aux astronautes grâce à un système à osmose inversée qui traitait tous les fluides possibles, incluant ceux provenant des astronautes et des organismes vivants tels les rats expérimentaux. |
Que ce soit pour purifier de l’eau pour le secteur pharmaceutique ou des semi-conducteurs, pour la concentration des jus dans le secteur alimentaire, la désalinisation de l’eau ou pour le traitement des eaux usées, l’osmose inversée fonctionne toujours sous un même principe : l’application d’une pression supérieure à la pression osmotique sur un liquide quelconque afin de le forcer à traverser une membrane semi-perméable.
Le fonctionnement de l’osmose inversée
Malgré la « simplicité » du principe d’osmose inversée, soit le fait d’appliquer une pression pour forcer un liquide à traverser une membrane semi-perméable, le type de conceptions, les composantes et les matériaux ont un impact sur l’entièreté du système et sur la qualité du perméat. En revanche, en prenant compte seulement des composantes d’une osmose inversée et non celle de la préfiltration ou d’une désinfection postérieure, les composantes ayant le plus gros impact sur le traitement d’eau à osmose inversée sont les pompes et les membranes.
Les pompes
Les pompes et les pompes de surpressions sont responsables de créer ou d’augmenter la pression à l’intérieur du système. La puissance nécessaire des pompes varie en fonction de plusieurs éléments. Que l’on parle de pompe à piston ou de pompe centrifuge, la sélection d’une pompe passe par plusieurs critères. Lorsqu’un système de traitement d’eau à osmose inversée est fabriqué, les pompes utilisées seront choisies en fonction de plusieurs critères. Les plus importants sont le rendement, la vitesse et sa compatibilité avec le système.
L’importance de connaître le rendement de la pompe permet d’optimiser les coûts d’opération du système. La vitesse des pompes peut sembler frivole, mais une mauvaise optimisation de celles-ci peut avoir un impact négatif sur la qualité du perméat et sur la longévité du système. Par exemple, pour le traitement d’un liquide corrosif, comme l’eau de mer, une pompe à basse résolution (RPM) est conseillée puisqu’une vitesse de rotation plus élevée aura comme effet d’accélérer le processus de corrosion ou d’érosion activé par l’eau de mer.
Ensuite, afin d’éviter les problèmes et les arrêts de fonctionnement, choisir une pompe composée de matériel compatible aux différents liquides traités assure la durabilité de celle-ci puisqu’en fonction des différents liquides et de leur composition, certains contaminants peuvent affecter des types de pompe plus que d’autres. Pour reprendre l’exemple de l’eau de mer, un système à osmose inversée ayant pour objectif la désalinisation de l’eau devrait posséder des pompes résistantes à la corrosion, il faudrait donc opter pour un matériel comme de l’acier inoxydable 304.
Vers de l'eau pure
L’alimentation en liquide qui arrive dans le système commence par rentrer dans les pompes afin d’exercer une pression constante dans ledit système. Une fois cette étape terminée, l’eau est distribuée dans les différents boitiers où les membranes se retrouvent. Arrivé dans ce compartiment, le liquide circulera dans les membranes semi-perméables afin de séparer le perméat du concentré.
Fabrication de membrane
Il existe plusieurs types de membranes, mais elles sont tous très semblables les unes des autres. À titre d'exemple, les membranes de type TFC (Thin-film composite) sont fabriquées de trois feuilles qui sont superposées l’une par-dessus l’autre avant d’être roulées à l’entour d’un tube central. La première feuille est recouverte de trois couches : la couche inférieure est généralement une base en polyester, la deuxième couche est constituée de polysulfone microporeux et la dernière représente une microbarière de polyamide ayant une épaisseur approximative de 0.2micron. Ces trois feuilles sont ensuite combinées à une entretoise (spacer) qui a pour but d’empêcher les turbulences tout en assurant de l’espace pour la circulation des liquides. Finalement, un espaceur de perméat est ensuite ajouté à la feuille membranaire afin de permettre au perméat de circuler fluidement dans la membrane.
Une fois dans la membrane, le liquide voyagera de façon circulaire et tout ce qui pénètrera dans le tube central sera le perméat, soit de l’eau purifiée. Le liquide restant sera un concentré qui sera rejeté dans le cas d’une purification d’eau ou utiliser dans certains cas, comme pour la concentration de jus.
Les capacités de l’osmose inversée
Son évolution rapide, son amélioration continue et ses capacités pratiquement sans limites ont fait de l’osmose inversée une technologie extrêmement répandue dans plusieurs secteurs d’activités. Dans des secteurs comme les pharmaceutiques, les systèmes à osmose inversée sont souvent accompagnés de préfiltration et de filtration/désinfection ultérieure. C’est le cas puisque les pharmacopées ont des normes de pureté très difficile à atteindre et nécessitent d’autres types de technologie. Toutefois, l’osmose inversée seule est reconnue pour soustraire les protozoaires, les bactéries, les virus et plusieurs contaminants chimiques comme les ions de métal, le calcium, le potassium et beaucoup d’autres.
C’est grâce aux pores d’une grosseur de 0.0001micron que l’osmose inversée est apte à retirer les contaminant dans l’eau. En revanche, puisqu’il existe des contaminants moléculairement plus petit que l’eau, l’osmose inversée n’est pas infaillible et peut négliger certains types de contaminants. Par exemple, beaucoup des produits d’agriculture comme les herbicides, les pesticides ou les fongicides, certains gaz dissous comme le sulfure d’hydrogène et d’autres types de contaminants peuvent échapper au pouvoir de purification de l’osmose inversée. C’est pourquoi, les technologies comme la désinfection UV, l’ozonation ou la chloration sont souvent installées de paires aux systèmes à osmose inversée.
Le plus gros système de traitement à osmose inversée au monde est situé en Arabie Saoudite et traite jusqu’à 728 millions de litres d’eau par jour. |
L’osmose inversée
Comme vous comprenez, nous n’avons qu’effleuré le sujet dans ce court article. Pour l’élaboration de ce type de système, il existe beaucoup d’autres paramètres à prendre en compte. De plus, afin d’atteindre les objectifs visés, des études doivent être effectuées afin de définir en détail les différents besoins d’une entreprise, et ce, en fonction des normes gouvernementales et environnementales, des contaminants particuliers pouvant se retrouver dans les liquides ou de toute autre situation particulière propre à chacun.
Certes, malgré les avancements technologiques de l’osmose inversée, il ne faut pas oublier que ce n’est pas une solution magique. En revanche, cette technologie ne cesse de s’améliorer et ses utilisations sont de plus en plus variées, c’est à se demander quelle sera la prochaine avancée technologique de l’osmose inversée!
Bref, nous espérons que cet article vous aura éclairé sur les particularités de l’osmose inversée et de ses capacités. Si vous avez des recommandations ou questions, n’hésitez pas à nous écrire!
Sources
- Elsevier. (2017). Reverse osmosis membrane fabrication and modification technologies and future trends : A review. Spotted from https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S000186861930260X?via%3Dihub
- I.G. Wenten, Khoiruddin. (2016) Reverse osmosis applications: Prospect and challenges, Desalination, Department of Chemical Engineering. Volume 391, (Pages 112-125)
- Kucera, J. (2015). Reverse Osmosis : Industrial Processes and Applications, 2nd Edition. United State of America : John Wiley & Sons, Inc.
- Larson, R.E., Cadotte, J.E. and Petersen, R.J. (1981). Desalination. Netherlands : Elsevier Scientific Publishing Company