Brevet FR2475029A1 — publié le 19810807

DESSALINISATEUR D'EAU PAR SYSTEME HYDROSTATIQUE D'OSMOSE IWOERSE La présente invention concerne un dessalinisa- teur d'eau qui fonctionne au moyen d'un système hydrosta- tique d'osmose inverse. On connaît bien maintenant les problèmes provo- qués par la pénurie d'eau potable ou d'eau douce dans certaines régions du globe terrestre, tant pour les besoins de l'industrie que pour ceux de l'agriculture, problèmes qui deviennent vitaux lorsqu'ilsaffectent les besoins pro- prement humains. On commence à résoudre ces problèmes, surtout dans les zones géographiques o la pénurie d'eau est presque totale, grâce à divers systèmes de dessalinisation des eaux saumâtres et de l'eau de mer. Les processus les plus courants jusqu'à ce jour pour la dessalinisation sont de type thermique et leur carac- téristique essentielle est la consommation excessive d'éner- gie qu'ils requièrent. En ce qui concerne l'eau de mer, extraire un mètre cube d'eau pure, à partir d'un volume illimité d'eau de mer, exige un minimum thermodynamique théorique de 700 kilo calories, c'est à dire de 0,814 Kwh, quelle que soit la méthode utilisée. Les divers systèmes thermiques peuvent approcher de ce chiffre, théoriquement, si l'on réalise toutes les étapes du processus de façon à ce qu'ils soient réversibles à chaque instant, c'est à dire, près de l'équilibre. Mais tout ceci suppose des processus très lents et très délicats qui situent le système dans le domaine de la théorie pure. Pour que les systèmes aient une utilité pratique, les processus doivent être accélérés, ce qui entraîne un écart important par rapport à l'équilibre et à la réversibi- lité. Cet écart suppose une grande augmentation de la con- sommation d'énergie nécessaire au cours du processus. Parmi les systèmes thermiques, celui qui atteint le plus haut niveau de consommation correspond à la produc- tion d'eau par simple distillation, qui requiert 540.000 kilo calories par mètre cube d'eau pure. 2. 2475029 Une station de dessalinisation d'eau de mer, de type thermique double, c'est-à-dire capable de produire de l'eau potable ainsi que de l'énergie électrique, consomme environ 100.000 Kilo calories par mètre cube d'eau produit, uniquement pour ce qui concerne la production d'eau, consot- mation à laquelle il faut ajouter celle qui concerne la pro- duction d'énergie électrique. En face des dessalinisateurs de type thermique on trouve les systèmes de dessalinisation par osmose inverse, qui donnent d'assez bons rendements quand ils fonctionnent près de l'équilibre, avec une consommation d'énergie dans le processus infiniment plus faible, pouvant atteindre un mini- mum d'environ 4.000 kilo calories par mètre cube. Les réalisations pratiques pour l'eau de mer au niveau de l'industrieactuelle, consomment entre 9.500 kilo calories pour de petites unités et 5.000 kilo calories dans les grandes, avec récupération de l'énergie perdue dans l'eau rejetée. Ce système d'osmose inverse n'a été mis au point et.poussé jusqu'à la réalisation industrielle, surtout pour des eaux d'une grande concentration saline comme l'eau de mer, que ces toutes dernières années. Le dessalinisateur qui fait l'objet de la pré- sente invention se range parmi les systèmes d'osmose inverse, étant capable de réduire la consommation d'énergie jusqu'à environ 2.300 kilo calories au mètre cube, avec des rende- ments optimum dans une réalisation de type industriel. Si cette économie d'énergie qui approche de 50%, a en elle-même une grande importance et fait baisser de fa- çon très importante le-coût de production d'eau douce par dessalinisation, elle prend une beaucoup plus grande impor- tance à l'heure actuelle o le monde doit faire face à une pénurie aigUe et à une énorme hausse du coût de l'énergie, faits qui vont mettre dans une situation très critique les dessalinisateurs par systèmes thermiques en tant que grands consommateurs de produits dérivés du pétrole. Comme on le sait, les dessalinisatèurs à osmose inverse sont basés fondamentalement sur le phénomène physique de la pression osmotique, selon lequel si deux récipients 3. l'un contenant de l'eau pure et l'autre une solution salée, communiquent au moyen d'une membrane semi- perméable, il s'établit à travers cette membrane un flux d'eau pure vers le récipient porteur de la solution. Si l'on applique une pression croissante dans le récipient porteur de la solution, ce passage continue à se produire avec une intensité décroissante, jusqu'à ce que la différence de pression entre les deux liquides atteigne une valeur déterminée, qui est fonction de la concentration de la solution et de la température absolue du liquide, et au niveau de laquelle le flux cesse de se produire. Si la pression dépasse cette valeur déterminée, il se produit un phénomène d'osmose inverse, c'est-à-dire de passage de l'eau pure du récipient qui contient la solution au récipient qui contient l'eau pure. En supposant constante la température de l'eau pendant le processus, étant donné que la pression mini- male nécessaire est proportionnelle à la concentration saline, quand on sépare l'eau pure de la solution, celle-ci se con- centrera de plus en plus et, en conséquence, il faudra conti- nuer à accroître la pression si l'on veut conserver le flux d'eau dessalinisée. Pour obtenir un flux continu avec une cer- taine pression, il faut alimenter le récipient de la solu- tion saline et purger le système par extraction de la solution concentrée. Comme la solution saline est sous pression, pour extraire l'eau de purge ou de rejet, il suffit d'éliminer la solution concentrée située au voisinage de la membrane, à travers une valve de contrôle de débit grâce à laquelle on réussit à contrôler la concentration saline maximale et à ré- gler ainsi la conversion du processus. Cette conversion du processus de dessalinisation par osmose inverse s'exprime comme la relation du volume d'eau produit à celui de l'eau d'alimentation. Pour l'eau de mer, ce facteur se situe habi- tuellement entre 15 et 50%. La consommation réelle d'énergie dans les dessalinisateurs par osmose inverse est infiniment moindre que celle des dessalinisateurs à systèmes thermiques, comme on l'a exposé antérieurement. Même ainsi, dans ces dessalini- 4. sateurs d'osmose inverse, la principale consommation d'éner- gie se produit dans la phase d'alimentation des modules ou membranes qui compriment le débit d'eau salée à traiter pour obtenir, d'une part un volume sensiblement inférieur d'eau dessalinisée et, d'autre part, un volume sensiblement supé- rieur qui est éliminé comme eau de rejet ou saumure, gas- pillant ainsi de l'énergie. Le dessalinisateur d'eau par système hydrosta- tique d'osmose inverse, qui constitue l'objet de la présente invention, est spécialement conçu pour obtenir une considé- rable réduction de l'énergie nécessaire à l'alimentation des modules qui, comme on l'a déjà dit, constitue la consommation principale de ces systèmes d'osmose inverse. La caractéristique essentielle du dessalinisa- teur préconisé est fondée sur l'utilisation de méthodes hydrostatiques pour soumettre de grands débits d'eau salée aux hautes pressions qui sont exigées, grâce à la position souterraine du module osmotique proprement dit. L'invention consiste essentiellement à disposer trois puits ou tubes verticaux qui atteignent une profondeur de près de 500 mètres, ces trois tubes étant reliés à leur extrémité inférieure o se trouve le module ou les modules d'osmose inverse. Le tube d'entrée de l'eau de mer et le tube de sortie de la saumure sont directement en-communication dans leur partie inférieure avec les connexions correspon- dantes d'un module d'osmose inverse, l'eau se trouvant dans cette zone à une pression déterminée par la colonne d'eau, tandis que l'eau produite est recueillie à sa sortie dans le fond d'un réservoir qui est en communication directe avec la pression atmosphérique. Il découle de ce qui vient d'être exposé que l'énergie nécessaire pour obtenir une pression dans la zone du module osmotique correspondant à l'eau de mer est mini- mum, étant donné qu'il suffit d'une pompe de circulation qui déplace l'eau en séparant la saumure de la zone osmotique, mais sans qu'existe une différence de niveaux entre le conduit d'entrée et le conduit de sortie, la consommation principale d'énergie étant déterminée par une pompe d'impulsion chargée 5. d'extraire l'eau désalée du réservoir correspondant et de l'élever jusqu'à la surface. Il s'agit donc de déplacer les modules osmo- tiques jusqu'à une profondeur suffisante pour que, sous l'effet de la pression propre de la colonne d'eau qui est obtenue dans la partie la plus basse d'un tube en U, situé au-dessous du niveau de la mer et dans lequel on fait cir- culer l'eau salée, se produise le procédé traditionnel des dessalinisateurs de ce type, consistant à pomper à haute pression le volume total d'eau salée à traiter pour obtenir la pression nécessaire pour que se produise le phénomène osmotique et à libérer ensuite la saumure en perdant la majeure partie de l'énergie consonmrée dans le pompage. Bien que le dessalinisateur d'eau qu'on préconise ici exige également un pompage d'impulsion, il est évident que la consommation d'énergie nécessaire pour pomper l'eau produite est considérablement inférieure à celle tradition- nelle, du pompage d'eau salée, étant donné qu'il existe une substantielle différence entre les volumes correspondant à l'eau produite et à l'eau salée, puisque, comme on l'a déjà dit, l'eau produite obtenue est de l'ordre de 30 % de l'eau traitée. Pour compléter la présente description et dans le but d'aider à une meilleure compréhension des caracté- ristiques de l'invention, on joint au présent mémoire des- criptif, comme partie intégrante, un jeu de dessins dais le- quel, à titre d'illustration et sans caractère limitatif, on a représenté ce qui suit; La figure 1 montre une représentation schéma- tique en profit latéral d'un dessalinisateur d'eau par système hydrostatique d'osmose inverse, conforme à la présente invention, La figure 2 montre une réalisation pratique possible du schéma théorique de la figure 1, également en vue de profil latéral, La figure 3 montre une coupe transversale du puits existant dans la réalisation pratique de la figure 2, 6. 2475029 La figure 4 montre, enfin, une coupe de la galerie de processus existant dans le dessalinisateur représenté sur la figure 2 déjà citée. Au vu de ces figures et plus précisément de la - figure 1, on peut observer comment le dessalinisateur d'eau qu'on préconise est essentiellement basé sur la position du ou des modules osmotiques (1) à une profondeur (2) d'envi- ron 500 mètres, ledit module osmotique-(1) étant relié à la surface au moyen de trois tubes ou puits (3,4 et 5). L'ensemble des tubes (3 et 4) constitue un tube en forme de U, de telle façon que dans sa branche médiane, qui occupe la position la plus basse, se place le module osmotique (1), de telle manière que l'eau salée (6) des- cende par le tube (3) et atteigne le module osmotique (1), o un pourcentage de cette eau, proche de 30 % comme on l'a dit antérieurement, traverse les membranes du module parfai- tement dessalée et rejoint un réservoir auxiliaire (7), tandis que le reste de l'eau, avec une plus forte concentra- tion de sel, monte par la conduite (4) atteignant la zone (8) de déversement de la saumure. Etant donné qu'entre le réservoir d'eau salée (6) et le réservoir de déversement de la saumure (8) il n'existe pas de différence de niveau, le courant d'eau nécessaire à l'intérieur des conduites (3 et 4) pour en- traîner la saumure qui se forme en permanence dans le module osmotique (1) exige une consommation d'énergie mini- mum déterminée par une pompe de circulation (9. intercalée en un point quelconque du trajet de l'ensemble en U3-4, mais qui de préférence sera positionné dans le tube (3) o la concentration saline est moindre et o en conséquence, la corrosion de la pompe sera moindre. Malgré cette consommation minimale d'énergie dans le module osmotique (1) on obtient la pression adécua- te pour qu'il se produise le phénomène d'osmose inverse, dû à la colonne d'eau déterminée par la hauteur (2). On fait retourner l'eau produite ou eau dessalée à la surface au moyen d'une pompe d'impulsion (10) et du conduit correspondant logé à l'intérieur du troisième puits (5). 7* 2475029 Il va de soi que la consommation énergétique nécessaire pour le pompage d'eau dessalée contenue dans le réservoir (7), est fonction de la hauteur (2) et elle est considérablement inférieure à celle qui serait nécessaire pour obtenir la pression adéquate dans le module osmotique (1) s'il n'y avait cette différence de hauteur (2) entre ledit module et les réservoirs (6 et 8) d'eau salée pré- traitée et de déversement de saumure. Le schéma théorique représenté sur la figure 1 peut être réalisé dans la pratique suivant la représenta- tion des figures 2, 3 et 4 o il existe un puits unique (12) qui abrite les conduites (3,4, et 5) correspondant respecti- vement à l'eau salée, à la saumure et à l'eau produite; il existe au fond dudit puits (12) une galerie latérale (13) o se trouvent les modules osmotiques (1), tandis que le réser- voir (7) collecteur d'eau dessalée, se trouve dans le pro- longement de ce même puits (1), et il existe une conduite (14) de ramassage de l'eau produite à la sortie des modules osmotiques (1) qui l'envoie vers ledit réservoir collecteur (7). La pompe de circulation (9) est logée à l'in- térieur d'un bâtiment (15) qui couvre l'orifice du même puits (12) et o arrive la conduite provenant du réservoir (6) d'eau salée prétraitée, d'o sort la conduite (4) vers le réservoir de déversement de saumure, la conduite (11) de l'eau produite et une conduite (16) pour le déversement d'eaux résiduaires et d'éventuelles infiltrations lesquelles sont recueillies dans un puits (17) situé au fond de la galerie de processus (13) et équipé de la pompe correspondant (18) pour leur expulsion vers l'extérieur. Comme complément à la structure décrite, on a prévu dans le puits, l'existence d'un monte-charge (19), d'une conduite pour la descente de l'air de ventilation, qui s'é- tendra à la galerie de processus (13) o elle a été indiquée avec la référence (21) et de l'installation électrique correspondante (22). On a prévu de même que tous les éléments logés dans le puits (12) en occupent la périphérie de manière que dans sa zone centrale il reste un large espace creux qui permette un libre passage pour des pièces lourdes. On a prévu la disposition de la pompe (9) correspon-: dante à la circulation du circuit eau de mer-saumure au niveau de la surface, logée à l'intérieur du bâtiment (15), parce qu'on a considéré comme plus adéquate une pompe de grand débit et de moindre pression, donc très volumineuse, qui devra de plus se situer dans cette position dans la mesure o elle suppose une pression additionnelle qui s'a- joutera à la pression hydrostatique dans les modules osmo- tiques. Cette disposition de la pompe permet de réduire de quelques mètres de hauteur (2) de la pression hydrostatique et, en conséquence, la profondeur du puits et la longueur des conduites. Dans les stations de grande production les conduits de descente de l'eau de mer (3) et d'ascension de saumure (4), peuvent être des puits séparés o le puits lui - même sert de conduite. Dans ce cas, un puits central, en com- munication avec la pression atmosphérique, constituerait l'accès à l'enceinte souterraine et le passage pour tous les autres conduits et services. Dans les petites stations, on peut réaliser un puits unique, qu'on ne peut pas visiter pendant son fonction- nement, dans lequel une fois plein et alimenté d'eau de mer par son orifice, se réalise tout le processus osmotique à travers une unité immergée, qui reste liée à la surface au moyen d'un tuyau ombilical qui contient à l'intérieur les conduites de montée de la saumure et de l'eau dessalée et qui met aussi en communication avec la pression atmosphé- rique les unités osmotiques situées au fond. Ce dernier espace sert aussi pour la descente de la conduite d'énergie électrique pour l'alimentation de la pompe ou des pompes. De tout ce qu'on a exposé, on peut déduire que * l'avantage fondamental qui offre le dessalinisateur d'eau par système hydrostatique d'osmose inverse qui constitue 9. l'objet de cette invention, réside dans sa très faible con- sommation d'énergie qui est d'environ 2,5 à 2,7 KW par m3 d'eau produite. Même si la description antérieure vise essentielle- ment une application du dessalinisateur à l'eau de mer, il va de soi que son emploi est également adéquat pour des eaux d'une grande concentration saline. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée à l'exemple décrit et représenté, elle est susceptible de nom- breuses variantes accessibles à l'homme de l'art, suivant les applications envisagées et sans s'écarter pour cela du cadre de l'invention. 10. REVENDICATIONS 1. Dessalinisateur d'eau par système hydrostatique d'osmose inverse caractérisé en ce qu'à partir de deux réser- voirs placés au même niveau, ou conduits d'alimentation et de déversement, l'un destiné à contenir ou à conduire l'eau à dessaler et l'autre au déversement de la saumure, est branché un conduit de communication directe, en forme d'U, comportant deux branches verticales, l'une pour la descente de l'eau saline et l'autre pour la montée de la saumure, et à l'ex- trême zone inférieure duquel se trouvent les modules d'osmose inverse; ence qu'entre lesdits modules d'osmose inverse et le niveau des réservoirs précités, il y a une dénivellation qui détermine une pression par colonne d'eau, suffisante pour qu'il se produise le phénomène d'osmose inverse recherché; et en ce que l'eau produite obtenue dans les modules osmoti- ques coule vers un réservoir placé au fond d'un troisième conduit vertical, à travers lequel, au moyen d'une pompe adé- quate d'impulsion, s'opère l'extraction de l'eau dessalée, un pompage direct pouvant être fait à partir des connexions de sortie des modules. 2. Dessalinisateur d'eau suivant la première reven- dication, caractérisé en ce que, dans le conduit d'entrée d'eau saline et dans la zone de niveau le plus haut de celle- ci, se trouve une pompe à grand débit et à basse pression qui établit une circulation constante d'eau depuis le réservoir d'eau saline jusqu'au réservoir de saumure et qui collabore avec la colonne d'eau elle-même à la fourniture de pression aux modules osmotiques, ladite pompe pouvant être placée en série sur le conduit de saumure, en excluant ainsi ladite collaboration. 3. Dessalinisateur d'eau suivant l'une des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que le conduit de sortie de saumure et le conduit de sortie de l'eau dessalée ou eau produite sont logés dans un puits au fond duquel il y a au moins une galerie latérale de traitement o sont logés les mo- dules osmotiques et au dessous de laquelle est placé un ré- servoir collecteur d'eau produite; et en ce qu'on prévoit, 1l. à l'intérieur dudit puits, un monte-charge, une descente d'air pour la ventilation et l'installation électrique correspondante, ainsi que, dans une autre zone de la galerie de traitement, un puits de ramassage d'eaux résiduaires, équipé d'une pompe pour son impulsion vers l'extérieur.à travers une tubulure adéquate. 4. Dessalinisateur d'eau suivant l'une des reven- dications précédentes caractérisé en ce que, dans les stations de grande production, les conduites de descente d'eau saline et de montée de saumure constituent des puits indépendants o le puits sert lui-même de conduite, tandis qu'un troisième puits, en communication avec la pression at- mosphérique, constitue l'accès à l'enceinte souterraine et le passage pour le reste des conduits et services. 5. Dessalinisateur d'eau suivant l'une des revendi- dations 1 à 3 caractérisé en ce que, dans les petites sta- tions, il existe un puits unique, non accessible pendant son fonctionnement, lequel s'alimente en eau saline par son orifice, le processus osmotique se réalisant au moyen d'une unité immergée qui reste liée à la surface au moyen d'une tubulure omibilicale qui contient à l'intérieur les tubes de montée de saumure et d'eau dessalée, et qui met en commu- nication avec la pression atmosphérique, les unités osmo- tiques placées au fond du puits.