Brevet FR3025193A1 — publié le 20160304

PROCEDE DE DESSALEMENT D'EAUX CHAUDES SURSATUREES La présente invention a pour objet un procédé de dessalement d'eaux chaudes sursaturées par osmose inverse. L'osmose inverse est un des procédés les plus utilisés pour la 5 préparation d'eau potable à partir d'eau souterraine ou de surface, notamment à partir d'eau de mer salée. Ainsi plusieurs installations existent pour traiter de telles eaux chaudes sursaturées sur osmose inverse, notamment en Arabie Saoudite. Elles sont jusqu'à présent toutes conçues suivant la succession des étapes 10 ci-dessous : 1. pompage dans la nappe phréatique, 2. refroidissement par des aéro-réfrigérants en vue d'abaisser la température de l'eau à un niveau acceptable par les membranes d'osmose inverse, 15 3. éventuellement une étape complémentaire combinant décarbonatation et/ou adoucissement et/ou désiliciage et/ou déferrisation, afin d'améliorer le rendement de l'osmose inverse, 4. ensuite une étape de filtration en un ou deux étages, afin de 20 retenir les particules les plus fines qui risqueraient de colmater les membranes d'osmose inverse, 5. une injection de réactif chimique dit « séquestrant » qui permet d'améliorer le rendement de l'osmose inverse, 6. une étape de filtre à cartouche, avec un seuil de coupure 25 nominal en général de 5 à 10 micromètres (mais pouvant, suivant les choix de conception, être au-dessus ou en-dessous de cette fourchette), cette étape agissant en protection contre des arrivées accidentelles de matières en suspension, 7. enfin l'étape d'osmose inverse, qui permet de dessaler l'eau 30 jusqu'au niveau requis pour l'usage qui en sera fait. 3025193 2 Il est bien sûr concevable d'utiliser des échangeurs de chaleur sans perte de CO2, mais ils se révèlent beaucoup plus coûteux que des aéroréfrigérants ouverts qui prélèvent une partie de l'eau à traiter pour obtenir le refroidissement souhaité et sont donc économiquement disqualifiés dès que le débit à traiter est supérieur à quelques m3/h. Pour limiter ou éviter la précipitation de carbonate, il est parfois procédé à l'injection d'un acide et/ou d'un séquestrant en amont des tours de refroidissement et parfois aussi, en complément, ces mêmes acides et séquestrant sont injectés en amont de la filtration. Dans les deux cas ces ajouts de réactifs ont pour objectif de diminuer le potentiel de précipitation lors du passage dans les tours de refroidissement et les filtres, et ainsi de protéger ces équipements contre l'accumulation dommageable de matières. Toutefois ces solutions présentent de gros inconvénients liés à la précipitation de certains ions présents dans ces eaux chaudes. En effet les eaux chaudes (>40-45°C) arrivant sur les tours de refroidissement sont issues de nappes phréatiques profondes et présentent donc le plus souvent un pH faible (généralement inférieur à 7,5) donc une teneur variable mais élevée en CO2, comparativement à des eaux naturelles de surface. Ces eaux contiennent de plus des teneurs variables mais significatives en ion calcium (Ca2±) et bicarbonate (HCO3-). Elles répondent donc, comme toutes les eaux naturelles, à l'équilibre dit calco-carbonique qui régit les équilibres entre les ions Ca2+, HCO3-, C032-, 1-1±, OH-, ainsi que des espèces CO2 et CaCO3, suivant des lois d'équilibre connues, chacune régie par une constante et qui peuvent être représentées par les équations simplifiées ci-après : [1] CO2 + OH- HCO3- [2] HCO3- H+ + C032- [3] Ca2+ + C032- CaCO3 De ce fait, lors du passage dans l'aéro-réfrigérant la perte de CO2 provoque une montée du pH, qui dépasse alors le pH d'équilibre. Afin de retrouver une situation d'équilibre dans ces nouvelles conditions, l'eau aura tendance à produire des ions carbonate C032- à partir des ions bicarbonates HCO3- suivant [2]. Mais ce carbonate supplémentaire provoque alors le 3025193 3 déplacement de l'équilibre [3] vers l'apparition de carbonate de calcium CaCO3, qui est insoluble et donc précipite. Par ailleurs l'apport d'oxygène dans cette eau qui en est dépourvue provoque l'oxydation et la précipitation rapide du fer, généralement présent 5 en quantité variable, pouvant aller jusqu'à quelques mg/I. Si le fer précipitait seul il serait en grande partie lessivé par l'eau de la tour, mais quand le carbonate de calcium précipite, le précipité de fer tend à s'y joindre, ce qui augmente plus encore la charge de colmatage dans la tour de refroidissement. La précipitation et l'accumulation de précipités dans la structure d'échange de la tour de refroidissement présentent deux inconvénients majeurs : 1. l'alourdissement de la structure, conséquence la plus grave ; la structure peut même casser si elle n'est pas nettoyée à temps. 15 Ce nettoyage périodique réduit la disponibilité du système. 2. une perte de rendement de refroidissement qui peut obliger à réduire le débit de l'installation. La précipitation et l'accumulation de précipités dans le filtre provoquent : 20 1. le blocage des équipements mobiles (vannes, pompes), 2. la prise en masse du matériau filtrant, ce qui compromet son action filtrante et son lavage journalier automatisé et 3. l'accumulation de matières colmatantes, ce qui réduit la durée des cycles et dégrade la qualité de l'eau dirigée vers l'unité 25 d'osmose inverse. Une acidification en amont de la tour est parfois utilisée pour réduire le bicarbonate initialement présent et donc le potentiel de formation du carbonate. Mais avec des eaux contenant typiquement 3 milliéquivalent de bicarbonate cela représente une consommation d'acide chlorhydrique 30 pouvant atteindre jusqu'à 110 mg/I d'HCI, soit près de 300 mg/I en acide commercial à 38%, ce qui représente un coût d'exploitation significatif ainsi que des difficultés de stockage. Par ailleurs la conversion (récupération) du système d'osmose inverse en aval profite très peu de cette élimination car la teneur en calcium n'est pas réduite et le risque de précipitation par sulfate 3025193 4 de calcium demeure alors le facteur limitant pour la récupération par l'osmose inverse. Il est parfois aussi utilisé un produit séquestrant qui va limiter ou retarder la précipitation dans la tour de refroidissement. Mais ce produit est 5 assez coûteux, son application à cet endroit est encore empirique et il peut présenter des effets secondaires néfastes au niveau de la filtration en détériorant l'efficacité d'élimination des matières en suspension du filtre. Il est possible aussi que le produit séquestrant perde son efficacité au contact de la masse d'échange dans la tour de refroidissement ou de la masse filtrante dans le filtre, ce qui peut occasionner des post-précipitations préjudiciables à ces systèmes. Ainsi les principaux inconvénients des procédés appliqués jusqu'à présent sont donc : 1. un risque important de précipitation de carbonate de calcium et 15 de fer dans la tour de refroidissement et dans l'étape de filtration qui la suit, 2. une perte de rendement de refroidissement de la tour dû aux précipités accumulés, 3. une forte augmentation de la fréquence de maintenance de la 20 tour de refroidissement, ce qui entraîne son usure accélérée et une perte de disponibilité, 4. un risque de dommages mécaniques à la tour de refroidissement si la maintenance n'est pas effectuée à temps, 5. une perte de performance de l'étape de filtration due aux 25 précipités accumulés au cours d'un cycle, 6. un risque de prise en masse du média filtrant, de blocage des vannes du filtre et de bouchage et d'inactivation des capteurs du filtre, 7. des risques accrus de contamination de la membrane d'osmose 30 inverse et 8. un coût élevé dû aux réactifs utilisés pour limiter ou éliminer la précipitation. 3025193 5 Il y a donc un besoin de disposer d'un procédé qui permette de diminuer voire d'éviter la précipitation et l'accumulation de précipités dans la structure d'échange de la tour de refroidissement et dans le filtre. Or les inventeurs ont découvert qu'en supprimant l'étape de 5 refroidissement avant l'osmose inverse, les risques de précipitation sont fortement diminués, voire éliminés. Ainsi la présente invention a pour objet un procédé de dessalement d'eaux chaudes sursaturées ayant une température comprise entre 40 °C et 80 °C, avantageusement entre 40 et 60 °C, comprenant la mise en contact 10 de ladite eau chaude avec une membrane d'osmose inverse résistant à des températures comprises entre 40 et 80 °C sans étape de refroidissement préalable. Au sens de la présente invention, on entend par eaux chaudes sursaturées, des eaux chargées en carbonates, en calcium, en bicarbonates, 15 mais aussi en fer, manganèse, sulfates ou silice. La mise en contact des eaux chaudes avec la membrane d'osmose inverse peut se faire par toute technique connue de l'homme du métier. Elles peuvent par exemple être pompées et amenées par des canalisations jusqu'à la membrane. 20 Conformément à l'invention, les membranes d'osmose inverse mises en oeuvre dans le procédé, peuvent être toute membrane d'osmose inverse résistant à des températures comprises entre 40 et 80 °C, notamment des membranes à base de polyamides et de polysulfone. Dans un mode de réalisation avantageux de l'invention, l'eau brute 25 extraite du puits est dirigée sur la membrane d'osmose inverse sans perte de charge afin d'éviter la perte de CO2. Dans un mode de réalisation avantageux de l'invention, le procédé comprend une étape de refroidissement sur le perméat dessalé de l'osmose inverse. Il n'y a alors aucun risque de précipitation, quelle que soit la 30 technologie de refroidissement. Dans un autre mode de réalisation avantageux de l'invention, le procédé peut comprendre, avant la mise en contact des eaux chaudes avec la membrane d'osmose inverse, une étape d'élimination des matières en 3025193 6 suspension ou une étape d'addition d'un séquestrant ou les deux. L'étape d'élimination des matières en suspension sera requise dans le cas où l'eau brute comporte ou risque de comporter des matières en suspension issues du forage alors que l'ajout d'un séquestrant permet d'améliorer le 5 rendement de l'étape de filtration par osmose inverse. L'homme du métier saura choisir à la lumière de ses connaissances générales et en fonction des types d'eau à traiter la ou les étapes supplémentaires qui seront nécessaires. Dans un autre mode de réalisation avantageux de l'invention, si la 10 pression des eaux brutes est insuffisante pour assurer les performances souhaitées par les membranes, les eaux chaudes peuvent être mises en pression avant leur mise en contact avec la membrane d'osmose inverse par tout moyen connu de l'homme du métier, notamment en utilisant une pompe. 15 Avec le procédé selon l'invention, pour une eau de forage ayant les caractéristiques suivantes : - pH 6,7 - bicarbonate 190 mg/I 1-1CO3- - calcium 130 mg/I Ca2+ 20 - CO2 60 mg/I - température 50°C alors, l'osmose inverse pourra travailler à une conversion de 75% identique à celle obtenue avec le procédé actuel décrit précédemment mais pour un même débit d'eau produite en sortie de station, la tour de refroidissement 25 n'aura que 75% de la taille de celle du procédé actuel pour une même température de restitution. Afin de mieux faire comprendre le procédé objet de la présente invention, on en décrit ci-après un mode de mise en oeuvre. Il demeure bien entendu qu'il ne s'agit là que d'un exemple n'ayant aucun caractère limitatif. 30 Au cours de cette description, on se réfère à la figure 1 des dessins annexés qui est un schéma illustrant les différentes étapes du procédé selon l'invention. L'eau brute extraite du puits (1) est immédiatement dirigée vers le système d'osmose inverse (2), à l'aide d'une pompe (non représentée sur la 3025193 7 figure), sans rupture de charge afin d'éviter la perte de CO2. Ce dernier passe presque totalement à travers la membrane vers le perméat (côté eau produite). En amont du système d'osmose inverse un manomètre (M) mesure la pression de sortie de l'eau brute en sortie du puits. Le perméat 5 est ensuite refroidi à la température souhaitée et amené vers une cuve de stockage (3) puis acheminé vers le lieu d'utilisation. Le procédé selon l'invention trouve son application principale dans le traitement des eaux naturelles profondes, chaudes et présentant un potentiel de sur-saturation du carbonate de calcium. 10 Toutefois ce procédé peut également s'appliquer pour des productions : - d'eaux destinées à la consommation humaine, - d'eaux destinées à l'alimentation de procédés industriels, comme des eaux de lavage, des eaux entrant dans la 15 fabrication du produit manufacturé, des eaux destinées à l'alimentation de chaudières, etc. ainsi que - d'eaux destinées à l'irrigation. Enfin ce procédé peut aussi s'appliquer au traitement d'eau résultant d'un procédé de fabrication industrielle qui apporterait un potentiel de 20 sursaturation en carbonate de calcium dans une eau supérieure à 40-45°C, si on souhaite la recycler, en récupérer des composants ou la traiter avant rejet. Par rapport au procédé jusqu'à présent utilisé tel que décrit ci-dessus, le procédé selon l'invention cumule plusieurs avantages : 25 - élimination du risque de précipitation dans toutes les étapes, - tour de refroidissement de plus faible dimension pour un débit de production égal puisque ne traitant que le seul perméat de production (le rejet de saumure peut très bien être évacué chaud), 30 - tour de refroidissement de plus faible dimension puisque le refroidissement demandé, lié seulement à la température requise en sortie de l'usine, est moindre, 3025193 8 - aucun risque de colmatage de la tour de refroidissement, donc une disponibilité maximale et une limitation des coûts de maintenance, - étape de filtration en amont de l'osmose inverse est 5 inutile puisqu'il n'y a plus de matières en suspension à éliminer, donc une nette réduction des coûts d'investissement et d'exploitation. Elle pourra simplement être conservée si des matières en suspension sont suspectée dans l'eau brute directement issue du forage, - pas d'élimination par voie chimique des bicarbonates (par 10 dosage d'acide) ni de nécessité de réduire le risque de précipitation dans la tour de refroidissement et pendant l'étape de filtration (par l'application d'un séquestrant), donc une nette économie d'exploitation. 15 REVENDICATIONS1. Procédé de dessalement d'eaux chaudes sursaturées ayant une température comprise entre 40 °C et 80 °C, comprenant la mise en contact de ladite eau chaude avec une membrane d'osmose inverse résistant à des températures comprises entre 40 et 80 °C sans étape de refroidissement préalable. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comprend en outre une étape de refroidissement sur le perméat dessalé de l'osmose inverse. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comprend avant la mise en contact des eaux chaudes et de la membrane d'osmose inverse une étape d'élimination des matières en suspension ou une étape d'addition d'un séquestrant ou les deux. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les eaux chaudes sont mises en pression avant leur mise en contact avec la membrane d'osmose inverse.