Approche intégrée du dessalement d’eau de mer : Distillation membranaire sous vide pour la réduction des rejets salins et possibilités de couplage avec l’énergie solaire

par Jean-Pierre Méricq

Thèse de doctorat en Génie des procédés et de l'environnement

Sous la direction de Corinne Cabassud et de Stéphanie Laborie.

Soutenue en 2009

à Toulouse, INSA .

mots clés

• Distillation membranaire sous vide
• Dessalement de l’eau de mer
• Hautes concentrations en sels
• Rétentats d’osmose inverse
• énergie solaire
• Eau de mer -- Thèses et écrits académiques
• Eau salée -- Dessalement -- Thèses et écrits académiques
• Énergie solaire -- Thèses et écrits académiques
• Séparation par membranes -- Thèses et écrits académiques
• Osmose inverse -- Thèses et écrits académiques

Résumé

Le problème de pénurie en eau potable se pose encore de nos jours dans de nombreux pays. Du fait de l’importance de la ressource en eau présente dans les océans, la solution du dessalement de l’eau de mer est en constant progrès. Ce dessalement se fait actuellement majoritairement par osmose inverse. Cependant, ce procédé membranaire est limité en facteur de concentration en raison de la pression osmotique de l’eau de mer qui augmente avec la concentration en sels. Il en résulte des volumes importants de rejets salins dans l’eau de mer ce qui perturbe l’équilibre du milieu naturel. Une approche originale a été proposée dans le cadre du projet européen MEDINA afin de réduire ces rejets. Il s’agit de l’utilisation du procédé de distillation membranaire sous vide (DMV) au sein d’une filière intégrée d’OI. En effet, la DMV permet d’opérer à de fortes concentrations en sels et elle peut également être couplée avec l’énergie solaire dans un objectif d’économie d’énergie. La démarche adoptée dans cette étude consiste à étudier l’utilisation de la DMV pour des eaux très concentrées en sels, à la fois des eaux synthétiques mais aussi des eaux réelles (eaux de mer et rétentats d’osmose inverse). Une double approche à la fois expérimentale (à l’aide d’un pilote à échelle laboratoire) et théorique (par un outil de modélisation) a été utilisée. Les résultats ont montré l’intérêt de la DMV pour la surconcentration des rétentats d’OI. En effet, la DMV peut travailler à des fortes concentrations en sels jusqu’à 300 g. L-1 tout en maintenant des flux de perméat encore importants (7 L. H-1. M-2) et un perméat avec une très faible salinité (taux de rejet en sels de 99,96 %). Les volumes de rejets peuvent ainsi être réduits par 5 et le taux de conversion augmente jusqu’à presque 90 %. Les phénomènes de colmatage (cristallin, organique et biologique) sont également limités. Des dépôts de cristaux de sels ont pu être observés et analysés. Des mécanismes de cristallisation ont été proposés mettant en évidence le rôle majeur du calcium. Le couplage de la DMV avec des technologies solaires thermiques permet une réduction importante de la demande énergétique. Les utilisations d’étangs solaires à gradient de salinité et de collecteurs solaires thermiques ont été comparées et ont montré les potentialités intéressantes des collecteurs solaires thermiques en termes de température atteinte et donc de flux de perméat

Titre traduit

Integrated approach of seawater desalination : vacuum membrane distillation for brines reduction and possibilities of coupling with solar

Résumé

The lack of potable water is still a problem in many countries. Considering the nearly endless water resource in the oceans, seawater desalination is an increasing attractive solution. Reverse Osmosis (RO) desalination is the main technology used nowadays. However, RO is limited in recovery factor due to the osmotic pressure which increases with salinity. It results high brine volume rejected directly in seawater which induces environmental perturbations. An innovative approach was proposed in the frame of the European project MEDINA in order to reduce these brines: the use of vacuum membrane distillation (VMD) in an integrated RO desalination process. Indeed, VMD allows operating at high salt concentration and can be coupled with solar thermal energy in order to reduce energy requirement. The present work consisted in studying use of VMD for highly salty concentrated waters, both for synthetic and real waters (seawater and RO retentate). An experimental approach was used with a lab-scale pilot plant completed by a theorical approach with a modelling tool. Results show the interest of VMD for the overconcentration of RO retentates. Indeed, VMD can be operated at high salt concentration up to 300 g. L-1 maintaining still high permeate fluxes (7 L. H-1. M-2) and nearly pure permeate (salt rejection of 99. 96 %). Brine volumes can so be reduced by 5 and recovery factor increased up to nearly 90 %. Fouling (organic, scaling or bio-fouling) is limited. Salt crystal deposit has been observed and analysed. Precipitation mechanisms have been proposed, mainly with the crucial part of the calcium. VMD coupling with solar thermal technologies allow an important reduction of the energy requirement. Use of salinity gradient solar ponds and solar thermal collectors have been compared and have shown the potentialities of using solar thermal collector in order to obtain high temperatures and so high permeate fluxes