Brevet FR2879587A1 — publié le 20060623

Procédé pour éliminer l'arsenic d'une eau L'invention concerne un nouveau procédé pour éliminer l'arsenic d'une eau. L'arsenic présent dans les eaux naturelles est principalement d'origine naturelle. Il provient par exemple de la dissolution d'arsenic As (III) ou As (V) présent dans les roches qui entourent les nappes phréatiques. Dans certaines régions du monde, la concentration en arsenic présente dans les eaux naturelles peut atteindre des valeurs de quelques centaines de pg/l. Or cet arsenic présent dans l'eau peut causer notamment de nombreux problèmes pour la santé en raison de sa toxicité. L'élimination de l'arsenic présent dans l'eau est donc un objectif essentiel pour assurer la qualité des eaux potables produites à partir des eaux naturelles. En Europe la Directive Européeene 98/83 CE du 3 novembre 1998 impose pour l'eau potable un taux d'arsenic inférieur à 10 pg/I, cette limitation étant également préconisée par l'Organisation Mondiale de la Santé. Jusqu'à présent, pour éliminer l'arsenic, il était connu d'utiliser de l'alumine seule. II a été décrit également dans le brevet CA 1067627 la possibilité d'utiliser un oxyde et/ou hydroxyde de fer déposé préalablement sur un support incluant de l'alumine. Cependant, l'un des inconvénients de ce système est la nécessité de préparer au préalable un produit à base d'hydroxyde de fer sur l'alumine. De plus si la quantité d'hydroxyde de fer déposée sur l'alumine n'est pas assez importante et si il y a alors un défaut de présence d'hydroxyde de fer au contact de l'alumine, il n'est pas possible d'ajouter de l'hydroxyde de fer en cours de procédé. Le besoin existait de trouver un moyen d'éliminer l'arsenic qui ne présente pas notamment les inconvénients mentionnés ci-dessus. Un des buts de la présente invention est donc de trouver un moyen d'éliminer l'arsenic qui puisse permettre en particulier d'obtenir une rétention de l'arsenic plus grande que les moyens connus jusque là. Un autre but de la présente invention est de trouver un moyen d'éliminer l'arsenic qui soit, de manière avantageuse, plus facile à mettre en oeuvre et plus flexible que les moyens connus jusque là. Ces buts et d'autres sont atteints par la présente invention qui a donc pour objet un procédé pour éliminer l'arsenic d'une eau, ce procédé comprenant les étapes suivantes: 1 ère étape: on fait passer de l'eau chargée en arsenic dans un lit fixe de fer métallique, puis 2ème étape: on fait passer l'eau issue de la lève étape dans un lit fixe d'alumine. Par eau on entend de préférence une eau destinée à la consommation humaine. II peut s'agir d'une eau naturelle issue d'une rivière ou d'une nappe phréatique destinée à faire de l'eau potable. D'une manière générale, le pH de l'eau est voisin de 7. Il peut varier et être par exemple compris entre 6 et 8. L'arsenic présent dans les eaux naturelles est principalement d'origine naturelle. Il provient par exemple de la dissolution d'arsenic As (III) ou As (V) présent dans les roches qui entourent les nappes phréatiques. Aux taux de pH de l'eau compris entre 6 et 8, l'arsenic présent dans l'eau peut se trouver sous la forme d'arsenic (V) H3AsO4, H2AsO4" ou HAsO42" ou bien d'arsenic (III) H3AsO3. Cette forme d'arsenic (III) H3AsO3 présente la caractéristique d'être non ionique, donc de ne pas s'adsorber sur un système ionique, ce qui a pour conséquence que les résines échangeuses d'ions ne peuvent pas fixer cet arsenic. Le fer qui est utilisé dans la présente invention est du fer métallique Fe(0). II peut se présenter sous diverses formes. On peut utiliser par exemple des billes de fer, en particulier de 2 à 3 mm de diamètre, ou bien des copeaux de fer, ou des mousses de fer de différentes granulométries. Le choix de la forme de fer qui est utilisée dans le procédé dépend des conditions du procédé et en particulier de la corrosivité de l'eau, de sa charge en sels et des conditions de pH. 2879587 3 De préférence on maîtrise la dissolution du fer dans l'eau Fe(0) en Fe2+ pour obtenir une quantité suffisante de fer 2+ dissous dans l'eau accessible en permanence dans la première étape du procédé de l'invention. Le pH est important pour obtenir une quantité suffisante de fer 2+ dissous dans l'eau accessible en permanence. Le pH est maintenu à une valeur comprise préférentiellement entre 6 et 8, en particulier entre 6 et 7. Ceci peut être réalisé par ajout d'au moins un acide choisi parmi les acides forts tels que par exemple H2SO4 ou HCI, ou parmi les acides faibles tel que par exemple du CO2 (H2CO3). Lorsque l'eau à traiter est corrosive, et que le pH est de préférence maintenu entre 6 et 6,5, il est préférable d'utiliser des billes de fer, c'est-à-dire une forme de fer qui ne présente pas une très grande surface. Par eau corrosive, on entend une eau qui est acide et chargée en sels. Cette définition d'eau corrosive est bien connue des traiteurs d'eaux et on peut citer à titre de référence le document Mémento technique de l'eau Degrémont publié en 1989 ou l'ouvrage Fondements théoriques du traitement chimique des eaux de H. Roques, publié en 1990, qui définiSsent ce terme et donnent notamment des abaques qui permettent de déterminer, en fonction de paramètres tels que le pH ou la charge en sels, le degré de corrosivité de l'eau. Le caractère corrosif de l'eau augmente généralement avec la teneur en sulfates et en chlorures. Lorsque l'eau à traiter n'est pas très corrosive, il est préférable d'employer des formes de fer qui présentent de plus grandes surfaces disponibles, telles que par exemple des copeaux ou des mousses de fer. L'alumine utilisée dans la deuxième étape du procédé de l'invention peut être une alumine amorphe ou cristallisée. De préférence, on emploie une alumine activée. Par alumine activée on entend une alumine AI2O3 préparée généralement par calcination d'hydroxyde d'aluminium AI(OH)3. Les conditions dans lesquelles la calcination est effectuée influent sur la granulométrie, la surface spécifique, le volume poreux de l'alumine. De préférence on utilise dans le procédé selon l'invention une alumine activée (notamment en grains) agréée pour le traitement de l'eau potable, telle par exemple une alumine répondant aux critères de la future norme européenne EN 13753. L'alumine peut se présenter sous forme de poudre, de billes, de granulés, ou bien d'extrudés. La quantité d'alumine mise en oeuvre dans le procédé selon l'invention doit être adaptée à la quantité d'arsenic à éliminer, et donc à la teneur de l'eau en arsenic et au débit à traiter. De façon générale, dans le procédé conforme à l'invention, on utilise un ratio fer/alumine tel que la quantité de fer est comprise entre 5 et 20 % en volume fût vide et la quantité d'alumine est comprise entre 80 et 95 % en volume fût vide . De préférence, on utilise un ratio fer/alumine tel que la quantité de fer est d'environ 10 % en volume fût vide et la quantité d'alumine est d'environ 90 % en volume fût vide . L'utilisation d'une quantité de fer plus élevée a pour conséquence notamment d'augmenter de façon souvent trop importante la présence de fer en solution dans l'eau. Or ceci n'est pas avantageux car la quantité de fer présente dans l'eau potable doit être inférieure à 200 pg/l, limite réglementaire européenne indiquée dans la Directive Européenne 98/83 CE du 3 novembre 1998. Cette limitation réglementaire européenne est également préconisée par l'Organisation Mondiale de la Santé. Le temps de séjour (en fût vide ) de l'eau dans les lits de fer et d'alumine utilisés dans l'invention doit être suffisant pour que l'alumine ait le temps de retenir l'arsenic; en général, il peut être compris entre 5 et 120 minutes, en particulier entre 10 et 75 minutes; il peut notamment être compris entre 10 et 60 minutes, par exemple entre 10 et 35 minutes. II est possible de mettre en oeuvre le procédé de l'invention dans une seule colonne comprenant un lit de fer et un lit d'alumine. II est possible également de prévoir le passage de l'eau dans une colonne de fer, puis dans une colonne d'alumine. II est possible de mettre en oeuvre plusieurs fois le procédé de l'invention en faisant recirculer l'eau, traitée une première fois dans un système comprenant un lit de fer et un lit d'alumine, à nouveau dans ce même système. II est possible également d'employer plusieurs systèmes successifs comprenant un lit de fer et un lit d'alumine dans lesquels l'eau à traiter va circuler. II est possible également de combiner le procédé selon l'invention avec d'autres systèmes connus pour éliminer l'arsenic de l'eau tels qu'un traitement par coagulation au chlorure ferrique ou un traitement par coagulation au sulfate d'aluminium, ces traitements présentant l'avantage d'être réalisés à des pH compatibles avec les pH utilisés dans le procédé selon la présente invention, ou bien un traitement par une résine échangeuse d'ions spécifique pour l'élimination de l'arsenic (V). De manière avantageuse, le procédé de l'invention permet d'éliminer l'arsenic présent dans l'eau jusqu'à un taux voulu. II est possible en particulier de réduire ce taux en dessous du seuil de 10 pg/l, limite réglementaire européenne imposée pour l'eau potable par la Directive Européenne 98/83 CE du 3 novembre 1998, cette limitation étant également préconisée par l'Organisation Mondiale de la Santé. Le procédé d'élimination d'arsenic de l'invention présente, entre autres, l'avantage de pouvoir augmenter la capacité de rétention de l'arsenic sur l'alumine. Ceci est illustré notamment dans l'exemple 1 ci- dessous. Le procédé selon l'invention présente aussi l'avantage de rendre possible l'ajout de fer ou de diminuer la quantité de fer dissous dans l'eau sans avoir besoin de décharger l'alumine. Le procédé selon l'invention présente également l'avantage lorsque l'alumine se retrouve saturée en arsenic, de permettre de n'avoir à décharger que l'alumine sans avoir à enlever le fer. Les exemples suivants sont indiqués à titre illustratif mais non limitatif. La méthode d'analyse utilisée pour déterminer les concentrations en As est la méthode "NF EN ISO 11969 (1996)" (technique de spectroscopie d'absorption atomique). Exemple 1 Quatre colonnes de 22 mm de diamètre intérieur et 200 mm de hauteur, soit un volume de 75 ml, sont remplies d'un lit de billes de fer "WEEL ABRATOR 33GHF12" puis d'un lit de billes d'alumine "AXENS 1.5 - 3" en proportions variables comme indiqué dans le tableau I ci dessous. Les colonnes sont alimentées par quatre pompes CLHP à piston GILSON au débit de 5 ml/min avec une même source d'eau, EVIAN , légèrement entartrante, dopée à 120 pg/l d'arsenic sous forme d'anhydride arsénique As2O5. La capacité indiquée dans le tableau I ci-dessous correspond au rapport de la quantité d'arsenic retenu sur la colonne au moment où la concentration de l'arsenic dans l'eau en sortie dépasse le seuil de 10 pg/l sur la masse d'alumine chargée dans la colonne. Tableau I essai colonne 1 colonne 2 colonne 3 colonne 4 volume de fer (en ml) 0 5 15 30 masse de fer (en g) 0 22,5 67,5 134,8 volume d'alumine (en ml) 75 70 60 45 masse d'alumine (en g) 61 57,3 49,2 36,9 volume total (en ml) 75 75 75 75 capacité 0,07 0,13 0,18 0,29 As (en mg) / alumine (en g) Les résultats indiqués dans le tableau I et représentés sur la figure 1 montrent que la capacité d'adsorption de l'alumine seule a été multipliée par 4 et la durée de vie du système par 2. Exemple 2 En optimisant le rapport surface/volume du fer, le pH de l'eau à l'entrée pour la rendre plus corrosive et en choisissant une alumine mieux adaptée, on peut atteindre de meilleures performances. Ainsi, dans l'exemple 2, dont les conditions et les résultats sont répertoriés dans le tableau Il ci-dessous, malgré un temps de séjour plus court et seulement 10 % de fer en volume, on a pu atteindre une capacité de 0,77 mg d'As / g d'alumine avec l'alumine AXENS SAS 830. Tableau II débit (en ml /min) 2 pH de l'eau à l'entrée 6,7 teneur alimentation en As (en pg/l) 210 nature du fer "WEEL ABRATOR 33GHF12" volume de fer (en ml) 2,5 masse de fer (en g) 11 nature de l'alumine AXENS SAS 830 volume d'alumine (en ml) 21 masse d'alumine (en g) 11,5 volume total (en ml) 23 temps de séjour exprimé par rapport au volume occupé 10 par l'alumine capacité As (en mg) / alumine (en g) 0,77 REVENDICATIONS 1. Procédé pour éliminer l'arsenic d'une eau comprenant les étapes suivantes: 1èe étape: on fait passer de l'eau chargée en arsenic dans un lit fixe de fer métallique, puis 2ème étape: on fait passer l'eau issue de la 1ère étape dans un lit fixe d'alumine. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que dans l'étape 1 le pH de l'eau est maintenu à une valeur comprise entre 6 et 8. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que dans l'étape 1 le fer est sous forme de billes, de copeaux, ou de mousses. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 et 3, caractérisé en ce que dans l'étape 2 l'alumine est une alumine activée. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que dans l'étape 2 l'alumine activée est agréée pour le traitement de l'eau potable. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que dans l'étape 2 l'alumine se présente sous forme de poudre, de billes, de granulés, ou d'extrudés. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le ratio fer/alumine est tel que la quantité de fer est comprise entre 5 et 20 % et la quantité d'alumine est comprise entre 80 et 95 %. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le ratio fer/alumine est tel que la quantité de fer est d'environ 10 % et la quantité d'alumine est d'environ 90 %. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le temps de séjour de l'eau dans les lits de fer et d'alumine est compris entre 5 et 120 minutes. 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il est combiné avec un traitement par coagulation au chlorure ferrique ou au sulfate d'aluminium, ou un traitement par une résine échangeuse d'ions pour l'élimination de l'arsenic (V).