Eau de process : des résines pour doper les performances des unités d'osmose inverse

Les résines échangeuses d'ions sont bien connues et largement diffusées dans le domaine de l'eau de process et de la production d'eau déminéralisée depuis plusieurs décennies. Au cours de cette période différents développements ont porté tant sur les résines proprement dites que sur leur mode de mise en œuvre. Ainsi, les installations récentes sont des unités compactes économes en eau et en régénérants. Les résines échangeuses d'ions s'imposent en particulier pour la déminéralisation poussée de l'eau (conductivité < 0,1 µS/cm, Silice < 20 ppb) destinée à des chaudières haute pression.

Historiquement, les chaînes de déminéralisation étaient constituées exclusivement de colonnes de résines échangeuses d’ions en série (cationiques, anioniques, et le cas échéant lit mélangé). Bien que ce chaînage reste très largement majoritaire, qu’il s’agisse d’unités existantes ou nouvelles, l’osmose inverse est aujourd’hui de plus en plus présente ou considérée, notamment sur des débits importants (>100 m³/h). C’est logiquement le cas surtout sur des salinités élevées, les résines intervenant alors plutôt en finition au travers d’un lit mélangé.

Deux facteurs principaux limitent néanmoins le développement de l’osmose : la nécessité d'un prétraitement efficace pour éviter de lourds problèmes d’exploitation, et, bien sûr, les taux de conversion qui peinent souvent à dépasser 80 %, ce qui représente des pertes en eau considérables. Ces deux facteurs sont liés et soulignent l’importance des prétraitements requis, variables selon l’origine de l’eau et ses caractéristiques physico-chimiques.

Des résines qui se régénèrent plus efficacement et plus rapidement

Les performances des unités d’osmose inverse sont limitées par la nature des différents composés présents dans l'eau :

• minéraux tendant à se déposer sur les membranes : carbonates et sulfates de cal-

cium ou de barium, silice, oxydes de fer ou de manganèse,... - composés organiques et colloïdes : matières organiques dissoutes, composés de haut poids moléculaire, acides humiques, colloïdes divers et silice colloïdale,... Pour assurer un fonctionnement satisfaisant de l’osmose, le traiteur d’eau aura le plus souvent recours à un ajout de réactifs directement au niveau de l’osmose, essentiellement pour agir sur les minéraux dissous : addition d’acide pour réduire le pH et éviter ainsi la formation de carbonate de calcium, ajout d’inhibiteur de précipitation « antiscalant » (antitartre) pour éviter les dépôts minéraux. Un adoucissement préalable de l'eau sur résine cationique forte régénérée au sel est parfois également pratiqué. Les cations divalents contenus dans l'eau, principalement calcium et magnésium responsables de la dureté de l’eau ainsi que le fer, ont une grande affinité pour les résines cationiques. Ils sont échangés au contact de la résine contre des ions sodium apportés par une solution concentrée de sel (chlorure de sodium à 7 à 10 %) lors de la régénération. Cette technique éprouvée est très efficace. Elle ne nécessite d’installer qu'un faible volume de résine cationique forte (environ 1 m³ pour un débit de 30 m³/h) qui fonctionnera pendant de nombreuses années. Elle a toutefois l’inconvénient d’induire une consommation de sel pouvant être importante, ainsi que des rejets de saumure, ce qui tend à limiter son emploi. Purolite propose désormais pour cette application des résines spécifiques Purolite SST 60 qui présentent des avantages majeurs par rapport aux résines traditionnelles : elles se régénèrent plus efficacement et plus rapidement, d’où une économie importante en réactifs et eau de rinçage, et permettent de bénéficier d’une capacité utile bien supérieure et de fuites très nettement réduites quel que soit le niveau de régénération. Les économies de sel sont le plus souvent de l’ordre de 30 %. Ces résines possèdent en outre une excellente résistance à l’empoisonnement par le fer ou la matière organique. Ces propriétés peuvent de même être mises à profit sur des unités de déminéralisation existantes régénérées à co-courant où la fuite en sodium est souvent déterminante. Les économies de réactifs (acide mais aussi soude) associées sont alors substantielles. Ces performances sont rendues possibles par la présence au sein de chacune des billes de résine SST d’une zone centrale non fonctionnalisée analogue à un noyau inerte. L'essentiel du volume d’une sphère se trouvant dans sa périphérie, la présence d'un noyau réduit très peu la capacité d’échange totale de la résine. En revanche, elle permet des gains déterminants en termes de cinétique : la vitesse de diffusion à l’intérieur d’une bille étant inversement proportionnelle au carré du rayon de cette bille, il est clair qu'une diminution de l’épaisseur de la couche à traverser a un effet majeur sur les vitesses de migration des ions et leur échange à l'intérieur de la bille. Les résines Purolite SST 60 se présentent sous la forme de billes de granulométrie standard de 0,3 à 1,2 mm avec une taille moyenne d’environ 600 µm, qui correspond en fait à un diamètre équivalent de 360 µm seulement. Alors que le volume représenté par le noyau (et donc le manque de capacité totale en résultant) n’est que de 6,5 % du volume total de la bille, l’épaisseur de résine active est réduite de 40 %, ce qui résulte en une vitesse de diffusion presque trois fois plus rapide (2,78) qu’avec une bille classique de diamètre 600 µm. Les performances des résines SST sont ainsi comparables à celles qu’autorisent [Figure : Illustration du gain en cinétique apporté par la résine Purolite SST 60.]

des résines de très fine granulométrie tant en termes de capacité utile que d’efficacité de régénération, et cela sans en présenter les contraintes associées, souvent rédhibitoires : elles ne génèrent pas de pertes de charge élevées, et peuvent s'intégrer directement dans des équipements standards existants.

Les résines SST permettent des fuites très basses et se régénèrent avec des quantités réduites de sel. Si une économie importante de sel est appréciable, dans l'idéal, des résines pouvant se régénérer sans sel présenteraient un intérêt majeur tant sur le plan économique que du point de vue environnemental. C’est précisément à partir de cette idée séduisante que Purolite a développé et breveté le procédé CIX-RO, qui utilise des résines Purolite SST 65 régénérées non pas avec une solution de sel à 7 à 10 %, mais (dans les cas favorables) avec le seul concentrat de l'osmose (Cf. Schéma de principe figure 2).

La spécificité des résines Purolite SST 65 leur permet en effet contrairement à des résines classiques (1*), d’être régénérées efficacement à partir d'une solution peu concentrée : de l’ordre de 1 % (10 g/l) seulement, voire moins.

Cette concentration peut être obtenue dans le concentrat non seulement lors du traitement par osmose inverse d’eaux saumâtres, mais aussi sur le second étage de l’osmose lors du traitement d’eaux présentant des minéralisations élevées (à partir de 1000 µs/cm environ).

La régénération s'effectue ici à contre-courant de manière séquentielle et préventive : on n’utilise qu’une petite fraction de la capacité de la résine avant régénération. L'accumulation de cations divalents sur la résine étant limitée par des cycles volontairement réduits, la résine Purolite SST 65 peut se régénérer efficacement avec une solution peu concentrée.

Il est également possible de régler la fuite en TH – par exemple à moins de 0,1 °F – en ajustant la durée de cycle entre régénérations.

Dans ces conditions, et avec parallèlement un ajout modéré d’antiscalant, les taux de conversion sur l’osmose peuvent atteindre ou même dépasser 90 %, et ce bien sûr sans ajout d'acide.

Cela représente un gain très important en eau produite ainsi qu’une économie de réactifs, d'où un retour sur investissement rapide, et dans le même temps une préservation de l'environnement et des ressources en eau. (SST : Salt Saving Technology).

De même, sur des sites industriels travaillant sans rejet liquide via une évaporation du concentrat de l’osmose inverse, les gains apportés par une augmentation du taux de conversion sont très substantiels : sur l'investissement si le recours à des résines SST est pris en compte dès la conception, et bien sûr également à l’exploitation en termes de coûts énergétiques.

Fixer colloïdes et matières organiques

Comme évoqué plus haut, outre certains minéraux, divers composés organiques et colloïdaux présents dans l'eau, en particulier dans l'eau de surface, perturbent le bon fonctionnement des installations d’osmose inverse et imposent des prétraitements lourds.

Le plus souvent, ces prétraitements consistent essentiellement en une filtration fine précédée d'une étape de précipitation/décantation généralement efficace mais qui présente notamment l’inconvénient de nécessiter des réactifs et de générer des boues.

En alternative ou parfois en complément à ces prétraitements, Purolite propose des résines spé-

Les résines spécifiques référencées MPR 1000 qui permettent par leur porosité élevée de fixer colloïdes et matières organiques à l'intérieur du réseau poreux de ces résines. Cette résine est un assemblage de deux résines anioniques spécifiques, l'une acrylique de type « Scavenger » dédiée à la fixation de matières organiques, et l'autre polystyrénique à forte porosité.

La combinaison de ces deux résines offre un spectre d’adsorption très large.

Ces résines sont mises en œuvre dans des colonnes de taille relativement compacte, et régénérées en place à une fréquence modérée à partir d'une saumure alcaline. Un volume de 4 m³ de résine MPR 1000 permettra de traiter en continu un débit de l’ordre de 60 m³/h, et sera régénéré simplement (à co-courant) toutes les 48 h environ au moyen de 150 g de sel et 30 g de soude par litre de résine.

L’efficacité de ces résines a été démontrée depuis longtemps au plan industriel dans le traitement des eaux de process, et plus récemment même pour le traitement de l’eau potable.

Leur application dans le prétraitement d’eau destinée à une osmose inverse est pour le moment au stade de l’évaluation pilote, avec des résultats très prometteurs : abattements d’environ 40 à 70 % de la silice colloïdale ainsi que de la matière organique. Une réduction comparable du SDI « Silt Density Index » est obtenue dans le même temps : sur les différentes eaux testées ayant un SDI initial de 2,4 à 5,0, ce paramètre a été ramené après traitement à un chiffre inférieur à la valeur guide de 2,0.

Ces résultats incitent à considérer systématiquement le recours aux résines Purolite MPR 1000 dans les filières de prétraitement d’eau en amont d’installations d’osmose inverse (2*).

En réduisant sensiblement les colmatages et en maintenant des flux élevés plus durablement, ces résines accroissent de fait la fiabilité et la longévité de l’unité, et limitent aussi l’utilisation de réactifs de nettoyage des membranes.

Conclusion

Les résines spécifiques Purolite SST 60 et Purolite MPR 1000 sont des solutions nouvelles, assurément élégantes et efficaces pour le prétraitement de l'eau destinée à des unités d’osmose inverse. Elles trouvent en particulier leur utilisation dans le cas du traitement d’eaux de salinités élevées, ou présentant un risque de colmatage important.

Chaque cas reste à étudier en fonction de ses facteurs limitants propres (salinité, silice, colloïdes...). Ces résines permettent le plus souvent, à partir d’équipements simples et économes en réactifs, d’augmenter sensiblement les rendements et la fiabilité des unités d’osmose inverse, tout en réduisant leur impact sur l'environnement.

Références bibliographiques

(1*) W.R. Everest, I.C. Watson, D. Maclain, « Groundwater reclamation by innovative desalting in Orange County, California », Elsevier, Desalination 117 (1998) 197-202.

(2*) A. Litwinowicz, Chemistry and Diagnostics Department Energopomiar, « Performance tests of MPR 1000 Ion Exchange Resin in treatment of actual waters, as used in Power plants », Energetyka (09-2009).