Brevet FR2565221A1 — publié le 19851206

Procédé et appareil d'osmose inverse. La présente invention se rapporte à un procé- dé et à un appareil pour la séparation des impuretés de l'eau au moyen de membranes d'osmose inverse. Le procédé d'osmose inverse est actuellement très utilisé pour le traitement de l'eau. Son intérêt tient à l'aptitude d'une membrane semiperméable à empêcher préférentiellement le passage de la plupart des sels, d'un pourcentage élevé de contaminants orga- niques et de presque toutes les matières en particu- les. Toutefois, le procédé, tel qu'il est habituelle- ment conçu et mis en oeuvre, présente des limitations en ce que le passage à la fois des sels dissous et des matières organiques est trop grand pour qu'on puisse utiliser le procédé comme traitement unique, et d'autre part les dispositifs d'étanchéité qui sépa- rent les côtés eau brute et eau traitée de la membrane ne sont pas assez fiables pour assurer une séparation élevée et régulière des particules. En outre, il est habituel et dans beaucoup de cas impératif de prétraiter l'amenée d'eau avant l'osmose inverse, pour éviter un salissement des sur- faces des membranes. Il en résulte dans beaucoup de cas une limitation des caractéristiques de fonctionne- ment de l'unité, car le pré-traitement requis peut diminuer la capacité des membranes à rejeter les contaminants. Dans la majorité des alimentations en eau bru- te, les niveaux de calcium et d'alcalinité sont assez élevés pour que le traitement direct par osmose inver- se provoque une précipitation de carbonate de calcium sur les surfaces des membranes, ce qui réduirait la productivité. Afin d'éviter cette précipitation, on procède à un pré-traitement par adoucissement ou par addition d'acide. Les deux méthodes réduisent l'effi- cacité de la membrane d'osmose inverse. Lorsqu'on em- ploie l'adoucissement, les ions divalents de calcium et de magnésium sont remplacés par l'ion sodium mono- valent. Le sodium n'est pas aussi bien arrêté par la membrane, de sorte que la salinité de l'eau traitée augmente et que le coût d'une nouvelle élimination des solides dissous, à lraval du système d'osmose in- verse, augmente. Si on ajoute de l'acide pour réduire l'alcalinité, celle-ci est transformée en acide carbo- nique qui traverse librement la membrane et augmente donc également le coût du traitement prévu à l'aval. La présente invention a pour objet un procédé et un appareil qui évitent sensiblement les inconvé- nients ci-dessus. Elle a également pour objet un procédé et un appareil de purification d'eau, dont le coût est rela- tivement réduit et dont la mise en oeuvre est simple. L'invention vise également un procédé et un appareil de purification d'eau, par osmose inverse, dont le fonctionnement est sûr et qui permettent d'obtenir une séparation élevée des particules. L'invention a encore pour objet un procédé et un appareil de purification d'eau, du type à osmose inverse, qui permettent à l'utilisateur d'effectuer des adaptations afin d'améliorer les caractéristiques de fonctionnement. Conformément à la présente invention, on ob- tient un appareil de purification d'eau par osmose in- verse qui comprend une première unité d'osmose inver- se comportant une entrée, une sortie de produit et une sortie de saumure. Des moyens de pompage sont pré- vus pour amener l'eau à purifier, sous pression, à l'entrée de la première unité d'osmose inverse. Une deuxième unité d'osmose inverse est prévue en série avec la première unité, à l'aval de celle-ci. La deu- xième unité d'osmose inverse comporte une entrée, une sortie de produit et une sortie de saumure. Une cana- lisation relie la sortie de produit de la première unité d'osmose inverse à l'entrée de la deuxième unité d'osmose inverse. Des moyens sont prévus pour traiter le produit sortant de la première unité d'osmose inverse, en un point situé à l'amont de la deuxième unité d'osmose inverse. Des moyens sont prévus pour diriger le pro- duit de la deuxième unité d'osmose inverse vers un point d'utilisation ou de stockage de l'eau traitée. Dans le mode de réalisation illustré, un adou- cisseur d'eau du type à échange d'ions est prévu à l'amont de la première unité d'osmose inverse, pour conditionner l'eau à purifier. Les moyens de traite- ment cités plus haut comprennent des moyens d'intro- duction d'une solution ayant un pH supérieur à 7, par exemple une solution-d'hydroxyde de sodium. Les moyens de pompage comprennent une pompe placée à l'amont de la première unité d'osmose inverse. Dans le mode de réalisation représenté, un filtre à charbon est placé à l'amont de l'adoucisseur d'eau et un filtre à cartouche de 5 microns est placé à l'aval de l'adoucisseur d'eau et à l'amont des moyens de pompage. La sortie de saumure ou de concen- trat de la deuxième unité d'osmose inverse est reliée à la conduite d'amenée d'eau, à l'amont de la premiè- re unité d'osmose inverse, par une conduite de recir- culation. Le procédé de purification d'eau suivant la présente invention consiste à utiliser une première unité d'osmose inverse, comportant une entree, une sor- tie de produit et une sortie de saumure; utiliser une deuxième unité d'osmose inverse comportant une entrée, une sortie de produit et une sortie de sau- mure; placer la deuxième unité d'osmose inverse à l'aval de la première, la sortie de produit de la pre- mière unité d'osmose inverse étant raccordée à l'en- trée de la deuxième unité d'osmose inverse; refouler l'eau à purifier, au moyen d'une pompe, à l'entrée de la première unité d'osmose inverse; introduire un agent de traitement dans le produit sortant de la première unité d'osmose inverse, en un point situé à l'amont de la deuxième unité d'osmose inverse; et diriger le produit de la deuxième unité d'osmose in- verse vers un point d'utilisation ou de stockage de l'eau purifiée. Dans le mode de réalisation illustré, le pro- cédé comprend l'opération de conditionnement de l'eau à purifier, à l'amont de la première unité d'osmose inverse, et de recirculation de la saumure, de la sor- tie de saumure de la deuxième unité d'osmose inverse à la canalisation d'amenée d'eau à l'amont de la pre- mière unité d'osmose inverse. D'autres objets et avantages de l'invention apparaîtront aux hommes de l'art à la lecture de la description ci-après de son mode de réalisation, non limitatif, représenté sur le dessin annexé qui est un schéma d'un appareil de purification d'eau par osmose inverse conforme à l'invention. On voit, sur ce dessin, que l'appareil com- prend une pompe 10, reliée à un commutateur manuel 12 marche/arrêt/automatique, qui est utilisée pour refou- ler à travers l'appareil de l'eau d'alimentation pro- venant d'une distribution d'eau municipale ou autre. L'eau d'alimentation traverse un clapet anti-retour 14, un filtre à charbon 16 et elle est conditionnée par un adoucisseur d'eau 18 du type à résine échan- geuse d'ions. Des manomètres 20, 22 et 24 sont prévus, respectivement, à l'amont du filtre à charbon 16, entre le filtre à charbon 16 et l'adoucisseur 18, et à l'aval de l'adoucisseur 18. Le manomètre 24 permet de vérifier qu'une pression adéquate existe à l'amont de la pompe 10, afin de fournir une charge nette posi- tive adéquate à l'aspiration. Une électrovanne 26 est montée dans la con- duite d'eau, pour interrompre la circulation lorsque l'appareil est à l'arrêt. Un indicateur de débit 28 est prévu pour vérifier le débit, afin d'obtenir un équilibre complet de l'eau dans le système. Un thermo- mètre 30 permet de vérifier la température de l'eau, afin de corriger les conditions de fonctionnement des membranes d'osmose inverse situées à l'aval, car les performances des membranes varient en fonction de la température de l'eau. On utilise un filtre à cartouche 32 de 5 mi- crons, pour réduire la quantité de solides en suspen- sion dans l'eau envoyée sur les membranes d'osmose inverse, ce qui limite le risque qu'un salissement par les solides en suspension provoque des défauts de fonctionnement. A l'aval du filtre à cartouche 32 est prévu un contact 34 de basse pression qui fonctionne si la pression descend en-dessous d'une valeur prédétermi- née. Un manomètre 36 est branché en ligne avec le contact 34 de basse pression, pour contrôler la pression dans la conduite 38 du contact 34. Un robinet à boisseau sphérique 40 permet de prélever un échan- tillon de l'eau, en vue de mesurer la qualité de cel- le-ci. L'élément suivant à l'aval est la pompe IO, re- liée au commutateur manuel 12. Celui-ci possède trois positions: marche, arrêt ou automatique. Un autre manomètre 42 est placé à l'aval de la pompe 10, pour mesurer la pression de sortie de celle-ci. Un robinet manuel 44 à boisseau sphérique, placé à l'aval du manomètre 42, permet de régler la pression de l'eau envoyée au premier étage d'osmose inverse. Un autre manomètre 46 indique la pression à l'entrée du premier étage d'osmose inverse. Le premier étage 48 d'osmose inverse comprend deux unités 50 et 52 à membranes d'osmose inverse, raccordées en parallèle. L'entrée 54 de l'unité 50 et l'entrée 56 de l'unité 52 sont raccordées l'une à l'autre. De même, la sortie de saumure ou de concen- trat 58 de l'unité 50 d'osmose inverse et la sortie de saumure ou de concentrat 60 de l'unité 52 d'osmose inverse sont raccordées l'une à l'autre. Egalement, la sortie de produit 62 de l'unité 50 et la sortie de produit 64 de l'unité 52 sont reliées l'une à l'autre. Bien que cela ne constitue pas une limitation, l'uni- té d'osmose inverse 50 comprend deux modules d'osmose inverse de type Film-Tec BW30-4040. De même, l'unité d'osmose inverse 52 comprend deux modules de type Film-Tec BW30-4040. On voit donc que, dans ce mode de réalisation, le premier étage 48 d'osmose inverse com- prend quatre modules, permettant d'obtenir un débit d'eau optimal pour le système situé à l'aval. Bien que cela ne soit pas limitatif, le débit mesuré au débitmètre 28 est de préférence de l'ordre de 44 m3/h, la pression mesurée au manomètre 42 est de prfrence de 32,8.105 Pa, e dbit d'eau de préférence de 32,8.10 Pa, le débit d'eau à l'entrée 54 est de préférence de 22 m3/h à une pres- sion de 31.105 Pa et le débit d'eau à l'entrée 56 est de préférence de 22 m3/h à une pression de 31.105 Pa. Les sorties de saumure 58 et 60 sont raccor- dées à une canalisation de rejet 66 comportant un ma- nomètre 68 ainsi au'un robinet manuel 70 à boisseau sphérique et un indicateur de débit 72, en série dans la canalisation. Les sorties 62 et 64 d'eau traitée, qui sont reliées l'une à l'autre en un point 69, sont dirigées vers une deuxième unité 74 d'osmose inverse, par l'in- termédiaire d'un clapet anti-retour 76. Au point 69, le débit de l'eau est de préférence de 12,1 m3/h et sa pression de 15,5.10 Pa. La deuxième unité 74 d'osmose inverse comprend de préférence deux modules d'osmose inverse du type Film-Tec BW30-4040. L'introduction d'un agent de trai- tement chimique est prévue à l'aval du clapet 76 mais à l'amont de l'unité 74 d'osmose inverse, par l'inter- médiaire d'une conduite 78. L'agent de traitement chi- mique est refoulé dans la conduite 78 par une pompe , à travers une vanne d'isolement 82. De préférence, l'agent de traitement chimique est une base, c'est-à-dire une solution ayant un pH supérieur à 7. Une solution d'hydroxyde de sodium à % a été trouvée la plus avantageuse. La fonction principale de la solution d'hydroxyde de sodium est la suivante. L'inventeur a découvert que le traitement de l'eau au moyen de deux unités d'osmose inverse en série ne fournit pas une eau de qualité deux fois supérieure à celle qu'on obtient au moyen d'un seul module d'osmose inverse. La raison en est que le bi- carbonate de sodium, provenant du traitement amont de l'eau envoyée à la première unité 48 d'osmose inverse, se dissocie en carbonate de sodium et anhydride carbo- nique. Bien que la dissociation soit normalement infé- rieure à 10 %, il en résulte encore une quantité ap- préciable d'anhydride carbonique qui traverse la mem- brane d'osmose inverse. Ainsi, l'anhydride carbonique qui est engendré n'est pas éliminé mais est présent dans l'eau traitée. Lorsqu'on place une deuxième uni- té d'osmose inverse en série avec la première unité d'osmose inverse, l'anhydride carbonique traversant la première unité traverse également la deuxième uni- té. Toutefois, par addition d'hydroxyde de sodium, on transforme à nouveau l'anhydride carbonique en bicar- bonate et de préférence en carbonate. Le carbonate est rejeté par la membrane d'osmose inverse plus faci- lement que le bicarbonate. Par transformation de l'anhydride carbonique en carbonate, on obtient une amélioration sensible des résultats. On peut utiliser d'autres bases pour l'élimi- nation de l'anhydride carbonique. Par exemple, on peut utiliser le carbonate de sodium, bien que cette solution ne supprime-pas autant d'anhydride carboni- que que l'hydroxyde de sodium. Le phosphate trisodi- que peut être utilisé et donner de meilleurs résultats que la solution d'hydroxyde de sodium mais le phospha- te trisodique est plus coûteux que l'hydroxyde de sodium. En plus de la transformation de l'anhydride carbonique en carbonate, l'introduction d'hydroxyde de sodium ionise également certains composés chimiques qui seraient sans cela difficiles à éliminer, princi- palement la silice et diverses matières organiques. La silice n'est normalement pas ionisée au-dessous d'un pH de l'ordre de 9,5. Puisqu'elle n'est pas ionisée, elle n'est pas aussi bien arrêtée par la mem- brane d'osmose inverse. Toutefois, au moyen de la solution d'hydroxyde de sodium élevant le pH au-dessus de 9,5, on peut ioniser la silice, ce qui accroît son rejet par la membrane d'osmose inverse et réduit la teneur en silice dans l'eau traitée. De même, les molécules organiques, dont on sait qu'elles existent dans les alimentations en eau et sont difficiles à éliminer, comprennent une grande variété d'acides carboxyliques. Les acides carboxyli- ques sont ionisés à diverses valeurs de pH, toutes supérieures à 5, mais un pourcentage croissant de ces acides est ionisé lorsque le pH augmente. Par addition de l'hydroxyde de sodium, on ionise un plus grand pour- centage des molécules organiques, par rapport à un système sans addition d'hydroxyde de sodium. On peut utiliser d'autres solutions. D'autres bases, par exemple bicarbonate de sodium, carbonate de sodium, phosphate disodique, phosphate trisodique, hydroxyde d'ammonium, hydroxyde de potassium, hydro- xyde de calcium et hydroxyde de magnésium, peuvent convenir. Un manomètre 84 est prévu à l'amont de la deu- xième unité 74 d'osmose inverse, afin de contrôler la pression de cet étage. Une conduite de purge ou d'extraction 86 en- tre étages est prévue légèrement à l'aval de la con- duite 78 de traitement chimique. La conduite de purge entre étages comporte une électrovanne 88, commandée par un commutateur manuel à deux positions (ouvert/ automatique). Un robinet manuel 90 à boisseau sphéri- que et un indicateur de débit 92 sont montés en série avec l'électrovanne 88. Un résistivimètre 94, compre- nant un élément d'analyse 96 et un indicateur 98, est prévu à l'aval du débitmètre 92. La résistance de l'eau varie en fonction de la contamination ionique et l'indicateur de résistivité 94 fournit une lecture instantanée des résultats de fonctionnement. La conduite 86 de purge entre étages permet d'assurer que la pression à l'aval du premier étage ne dépasse jamais la pression à l'amont du premier étage, de sorte qu'il y a toujours une chute de pres- sion à travers la première unité 48 d'osmose inverse. Si cette chute de pression n'était pas maintenue, les membranes d'osmose inverse pourraient être détério- rées, car elles sont construites pour supporter une différence de pression-dans un seul sens. Aucune pompe n'est nécessaire à l'aval de la première unité 48 d'osmose inverse. De cette manière, le débit et la pression de l'eau traitée par la pre- mière unité 48 d'osmose inverse et entrant dans la deuxième unité 74 d'osmose inverse sont sensiblement les mêmes que le débit et la pression au point 69. L'utilisation de la seule pompe 10 à l'amont permet de réduire le coût et la complexité du système. La deuxième unité 74 d'osmose inverse comprend une entrée 100, une sortie de saumure 102 et une sor- tie 104 d'eau traitée. Le débit d'eau à l'entrée 100 est de préférence de 12,2 m3/h, à une pression de ,5.105 Pa. L'eau traitée sortant du deuxième étage traverse un débitmètre 106, de préférence à 3,7 m3/h, et elle est dirigée par une conduite 108 à un point d'utilisation ou de stockage de l'eau purifiée. Un résistivimètre 110 est prévu sur la conduite 108, afin de mesurer la résistance de l'eau qui varie en fonction de la contamination ionique, comme décrit plus haut. Le résistivimètre 110 comprend un élément d'analyse 112 et un indicateur 114. La saumure venant de la sortie de saumure 102 de la deuxième unité 74 d'osmose inverse est recyclée. Pour cela, la sortie de saumure 102 est reliée, par l'intermédiaire d'un robinet manuel 116 à boisseau sphérique, d'un indicateur de débit 118 et d'un clapet anti-retour 120, à un point 122 situé à l'amont de la pompe 10 mais à l'aval du filtre 32, comme représenté. Le pH de la saumure est contrôlé par un pHmètre 124 comprenant un élément d'analyse 126 et un indicateur 128. L'inventeur a découvert que, si on utilise l'appareil pour éliminer les impuretés organiques de l'eau et si ces impuretés organiques sont de nature mixte contenant à la fois des types basiques et acides, il est préférable de régler le pH avant le premier étage au-dessous de 5 environ, et de préférence au- dessous de 4, et de régler le pH avant le deuxième étage au-dessus de 9. Si le système est utilisé pour la production d'eau de qualité électronique, le pré-traitement ap- proprié à l'amont du premier étage est un adoucisse- ment. De cette manière, on évite la précipitation de carbonate de calcium et le passage d'anhydride carbo- nique est le plus faible. Avant le deuxième étage, on introduit l'hydroxyde de sodium, pour transformer l'anhydride carbonique venant du premier étage en carbonate, ioniser la silice, ioniser certaines matiè- res organiques et provoquer le remplacement des chlo- rures par l'hydroxyde comme anion principal dans le produit du deuxième étage. On obtient une amélioration de la résistivité au deuxième étage, ainsi que du rejet de silice, du rejet de matières organiques et de la charge anionique sur un traitement suivant, com- parativement à un système d'osmose inverse à deux étages fonctionnant sans injection de solution basique. Bien qu'un mode de réalisation de l'invention ait été illustré et décrit à titre d'exemple, il est entendu que diverses modifications et substitutions peuvent être apportées par les hommes de l'art, sans sortir du cadre de la présente invention. Par exemple, au lieu d'utiliser l'adoucisseur 18, l'eau peut être pré-traitée par désalcalinisation. Pour cela, on 5eut utiliser une injection d'acide et un dégazeur à ven- tilation forcée, ou bien une résine échangeuse d'anions sous forme chlorure. En variante, il peut être souhaitable de supprimer l'utilisation d'un adou- cisseur comme d'un désalcalinisateur. Dans d'autres cas, de façon séparée ou avec d'autres traitements, il peut être souhaitable de traiter l'eau à l'amont de la première unité d'osmose inverse, par addition d'un agent chimique au moyen d'une conduite 130, de façon à régler le pH de l'eau. Il faut également noter que le traitement chi- mique, en n'importe quel point, peut être non pas.un traitement utilisant un seul agent chimique mais un traitement utilisant une combinaison d'agents chimi- ques prévue pour tamponner l'eau à un pH déterminé. En outre, on peut introduire un agent chimique desti- né a créer des conditions bactériostatiques au lieu d'améliorer l'élimination des contaminants. Il faut également noter que l'agent de trai- tement chimique dans la conduite 78, entre les étages d'osmose inverse, peut être un agent prévu pour éle- ver ou abaisser le pH de l'eau traitée, à partir du point 69. Des traitements supplémentaires, après la première unité 48 d'osmose inverse mais avant la deuxième unité 74 d'osmose inverse, peuvent compren- dre un échange d'ions, par exemple une désalcalinisa- * tion, une déminéralisation sur lit mélangé ou une déminéralisation sur lit double. Ces traitements peu- vent comprendre l'électrodialyse, la filtration au- dessous du micron, l'adsorption sur charbon ou le dégazage chimique. REVENDICATIONS 1. Procédé de purification d'eau, caractérisé en ce qu'il consiste à utiliser une première unité- d'osmose inverse (48) comportant une entree (54, 56), une sortie de produit (62, 64) et une sortie de sau- mure ou de concentrat (58, 60); utiliser une deuxiè- me unité d'osmose inverse (74) comportant une entrée (100), une sortie de produit (104) et une sortie de saumure (102); placer ladite deuxième unité à l'aval de ladite première unité, la sortie de produit de la première unité étant reliée à l'entrée de la deuxième unité; amener l'eau à purifier à l'entrée de la pre- mière unité d'osmose inverse; traiter le produit ve- nant de la première unité d'osmose inverse, en un point (78) situé à l'amont de la deuxième unité d'os- mose inverse, avec un agent de traitement chimique comprenant une solution de pH supérieur à 7, pour ré- duire la concentration d'anhydride carbonique dans le produit, par conversion chimique; et diriger le pro- duit de la deuxième unité d'osmose inverse vers un point d'utilisation ou de stockage de l'eau purifiée. 2. Procédé suivant la revendication 1, carac- térisé en ce qu'il consiste à conditionner l'eau à purifier, à l'amont de la première unité d'osmose inverse. 3. Procédé suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le traitement consiste à intro- duire une solution choisie dans le groupe comportant l'hydroxyde de sodium, le bicarbonate de sodium, le carbonate de sodium, le phosphate disodique, le phos- phate trisodique, l'hydroxyde d'ammonium, l'hydroxyde de potassium, l'hydroxyde de calcium et l'hydroxyde de magnésium. 4. Procédé suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend le con- ditionnement de l'eau à purifier, à l'amont de la première unité d'osmose inverse, de manière à régler son pH à une valeur-inférieure à 5 environ. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit traitement comprend le réglage du pH de l'eau produite par la première unité d'osmose inverse à une valeur supérieu- re à 9 environ. 6. Procédé de purification d'eau suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'eau à puri- fier est pompée et dirigée vers l'entrée de la premiè- re unité d'osmose inverse, le traitement de l'eau, en amont de ladite première unité d'osmose inverse con- sistant à ajuster son pH à une valeur inférieure à 5 environ, et en ce qu'il consiste à introduire un agent de traitement chimique dans le produit issu de la première unité d'osmose inverse en un point situé à l'amont de la seconde unité d'osmose inverse pour ajuster le pH de l'eau produite par la première unité d'osmose inverse à une valeur supérieure à 9 environ afin de réduire la concentration du dioxyde de car- bone du produit par une conversion chimique, et à diriger le produit de la seconde unité d'osmose inver- se vers un point d'utilisation ou de stockage d'eau purifiée. 7. Procédé suivant l'une des revendications 1 à 3 ou 6, caractérisé en ce qu'il consiste éqale- ment en une recirculation de la saumure venant de la sortie de saumure (102) de la deuxième unité d'osmose inverse et son renvoi dans la conduite d'amenée d'eau (122), à l'amont de la première unité d'osmose inverse. 8. Procédé suivant l'une des revendications 1 à 3 ou 6, caractérisé en ce qu'il consiste en une extraction (86) de produit, à l'aval dudit traitement (78 mais à l'amont de la deuxième unité d'osmose inverse. 9. Procédé de purification d'eau suivant l'une des revendications 1 ou 6, caractérisé en ce que la deuxième unité d'osmose inverse reçoit l'eau pro- duite, venant de la sortie de produit de la première unité d'osmose inverse, sensiblement au même débit et à la même pression que le débit et la pression de l'eau produite venant de la sortie de produit de la première unité d'osmose inverse. 10. Appareil pour la mise en oeuvre du procé- dé suivant l'une des revendications 1 à 8, caractéri- sé en ce qu'il comprend une première unité d'osmose inverse (48), une pompe (10) pour amener l'eau sous pression à l'entrée de cette unité, une deuxième uni- té d'osmose inverse (74) raccordée en série avec la première unité à l'aval de celle-ci, des moyens de conditionnement (16, 18, 32, 130) de l'eau à l'amont de la première unité, des moyens (80) d'injection d'un agent chimique dans l'eau sortant de la première unité, à l'amont de la deuxième unité, et des moyens (108) d'envoi de l'eau produite vers un stockage d'eau purifiée.