Brevet FR3100807A1 — publié le 20210319

La présente invention concerne un procédé de dessalement d’un premier fluide (F1) au moyen d’un deuxième fluide (F2), le premier fluide (F1) ayant une salinité inférieure à celle du deuxième fluide (F2), les fluides (F1, F2) étant de préférence des eaux, le procédé comprenant une étape d’osmose retardée et une étape d’osmose inverse. Par ailleurs, dans ce procédé, on fait entrer les deux fluides (F1, F2) dans une unité d’osmose retardée (PRO), le deuxième fluide (F2) entrant alors sous pression dans l’unité d’osmose retardée (PRO) ; puis on pressurise le premier fluide (F1) au moyen d’un échange de pression avec le deuxième fluide sous pression (F2p) sortant de l’unité d’osmose retardée (PRO) et on fait entrer le premier fluide pressurisé (F1p) dans une unité d’osmose inverse (RO) pour récupérer un troisième fluide (F3), la salinité dudit troisième fluide (F3) étant inférieure à la salinité du premier fluide (F1). L’invention concerne aussi un système de dessalement est adapté à la mise en œuvre du procédé. Figure 1 à publier procédé et système de dessalement avec une étape d’osmose retardée et une étape d’osmose inverse La présente invention se rapporte au domaine de dessalement d’eau salée grâce par des phénomènes d’osmose. Elle concerne notamment un procédé et un système de dessalement permettant de rendre une eau, initialement salée, en eau potable. Il existe de nombreux endroits dans le monde où les populations locales manquent d’eau potable, que ce soit pour leurs besoins propres ou pour l’irrigation. De ce fait, le besoin en eau potable est un enjeu majeur pour un certain nombre de territoires, et notamment pour certaines îles. De plus, l’accroissement démographique des populations d’une part, et le réchauffement climatique d’autre part, tendent à rendre plus rares les ressources en eau potable. Les gouvernements et administrations locales cherchent donc des solutions afin de répondre aux besoins actuels et futurs en eau potable. Par ailleurs, certains de ces territoires, notamment les îles, disposent d’importantes ressources en eau salée, par exemple la mer, les océans ou encore des sources souterraines salées. Ainsi, le dessalement, qui est un processus permettant de rendre une eau initialement salée en eau potable, intéresse de nombreux territoires à travers le monde afin de répondre aux besoins des populations. Les techniques de dessalement actuelles sont principalement réparties en trois grandes familles : - les techniques de distillation ; - les techniques basées sur l’électrodialyse ; - les techniques basées sur l’osmose. Les techniques de dessalement par distillation consistent à chauffer l’eau salée jusqu’à son évaporation. La vapeur d’eau ainsi obtenue est ensuite refroidie et l’eau, sous forme liquide, est alors obtenue par condensation. Cette technique est très développée à travers le monde mais elle présente l’inconvénient de consommer une quantité importante d’énergie. De ce fait, le coût de l’eau produite, dépendant directement du coût de l’énergie consommée, est élevé. La deuxième grande famille de dessalement est basée sur l’électrodialyse. L’électrodialyse consiste à permettre le passage d’ions à travers de membranes, sous l’effet d’un champ électrique, créé par deux électrodes. Le sel contenu dans l’eau salée est composé d’ions Na + et Cl - . Sous l’effet du champ électrique, les ions Na + sont attirés vers l’une des électrodes et les ions Cl - sont attirés vers l’autre électrode. Sous électrodialyse, l’eau salée est donc progressivement déchargée des ions Na + et Cl - , et donc du sel qu’elle contient. Cette technique est adaptée aux eaux de faible salinité et pour des petites quantités, par exemple en laboratoire. Cette technique de dessalement par électrodialyse s’avère donc peu adaptée à la production importante d’eau fortement ou sensiblement salée. La troisième grande famille de dessalement utilise les principes d’osmose. L’osmose est un phénomène pour lequel, lorsque deux fluides de concentrations en soluté différentes (par exemple deux salinités différentes) sont séparés par une membrane semi-perméables, le solvant du fluide le moins concentré va traverser la membrane jusqu’à ce qu’une surpression stoppe le flux du solvant ou qu’un équilibre en concentration des solutés des deux fluides soit trouvé (par exemple, les fluides ont la même salinité). On parle alors de pression osmotique. Par membrane semi-perméable, on entend une membrane permettant le passage du solvant du fluide (par exemple de l’eau) et empêchant le passage des différents solutés, par exemple le sel. Ainsi, la membrane dite « semi-perméable » est perméable au solvant (par exemple l’eau) et imperméable aux solutés (par exemple le sel). Lors du transfert du solvant à travers la membrane semi-perméable, une différence de pression s’opère entre les deux fluides : la pression va augmenter du côté du fluide initialement le plus concentré. La pression osmotique dépend de la différence de concentration en soluté des deux fluides. Ainsi, plus la différence de concentration en soluté des deux fluides est élevée, plus la pression osmotique est élevée. Par exemple, pour deux eaux de salinités différentes, plus la différence de salinité des deux eaux est élevée, plus la pression osmotique générée par ces deux eaux est élevée. La figure présente différents procédés a), b) c) et d) basés sur le principe de l’osmose. Sur les quatre procédés a), b), c) et d) présentés, la colonne de gauche en gris clair représente le fluide initialement le moins concentré et la colonne de droite, le fluide initialement le plus concentré (c’est-à-dire le fluide le plus salé dans le cas de tels fluides), représenté en gris foncé (par comparaison au gris clair de la colonne de gauche). La figure de gauche a) présente le premier procédé, celui de l’osmose directe dite « Forward Osmosis », par la suite FO. Sur cette figure a), la flèche blanche représente le passage du solvant contenu dans la colonne de gauche, du fluide initialement le moins concentré, à travers la membrane semi-perméable représentée en traits pointillés, vers la colonne de droite, du fluide initialement le plus concentré. La membrane est imperméable aux solutés qui restent donc dans la colonne dans laquelle ils sont initialement présents. Ainsi, le fluide de la colonne de gauche verra sa concentration en soluté augmenter alors que le fluide de la colonne de droite verra sa concentration en soluté diminuer. En parallèle la pression de la colonne de droite va augmenter jusqu’à annuler le flux de solvant à travers la membrane et se matérialise sur le schéma a) par une différence de hauteurs des colonnes de part et d’autre de la membrane semi-perméable (les deux colonnes étant initialement à la même hauteur). Cette différence de pression ΔΠ correspond à la pression dite osmotique. Ce procédé tend à filtrer le fluide de la colonne de gauche tout en diluant le fluide de la colonne de droite. Il permet également de générer une pression. La figure b) présente un deuxième procédé, celui de l’osmose renforcée par la pression ou « Pressure Enhanced Osmosis », par la suite PEO. Ce procédé diffère de celui de la figure a) par l’ajout d’une pression P1 appliquée sur le fluide de la colonne de gauche (celui initialement le moins concentré). La flèche noire matérialise l’application de la pression P1. La pression P1 est, pour ce procédé PEO, supérieure à la pression P2 de la colonne de droite. Ainsi, le passage du solvant à travers la membrane semi-perméable est facilité par l’ajout de cette pression P1 et le volume filtré du fluide de la colonne de gauche est ainsi plus important. La figure c) présente un troisième procédé, celui de l’osmose retardée ou « Pressure Retarded Osmosis », par la suite PRO. Dans ce procédé, on applique une contre-pression P2 matérialisée par la flèche noire, sur la colonne de droite correspondant au fluide initialement le plus concentré. La pression P2 est telle que la différence entre la pression P2 et la pression P1 existant dans la colonne de gauche (contenant le fluide initialement le moins concentré) soit inférieure à la pression osmotique ΔΠ, de manière à permettre le passage du solvant à travers la membrane de la colonne de gauche à la colonne de droite. Ce procédé est notamment utile pour générer/maintenir une pression hydrostatique dans la colonne de gauche. Pour cela le volume de fluide ayant transité à travers la membrane est exploité à travers une turbine tandis que le volume initial qui a été dilué servira à maintenir la pression du fluide le plus concentré. Enfin, la figure d) présente un quatrième procédé, celui de l’osmose inverse ou « Reverse Osmosis », par la suite RO. Dans ce procédé, on applique une contre-pression P2 matérialisée par la flèche noire, sur la colonne de droite correspondant au fluide initialement le plus concentré. Cependant, contrairement au procédé c), la pression P2 est telle que la différence entre la pression P2 et la pression P1 existant dans la colonne de gauche soit supérieure à la pression osmotique ΔΠ, de manière à permettre le passage du solvant à travers la membrane de la colonne de droite à la colonne de gauche, c’est-à-dire en sens inverse du passage des procédés a) à c). De ce fait, la pression P2 est telle qu’on ne va pas générer un équilibre de concentration des solutés des deux fluides, mais au contraire, le solvant du fluide de la colonne de droite, initialement le plus concentré, va passer à travers la membrane pour rejoindre le fluide de la colonne de gauche, initialement le moins concentré. Ainsi, le fluide de la colonne de droite va voir sa concentration en soluté augmenter et le fluide de la colonne de gauche va se diluer encore davantage, réduisant encore sa concentration en soluté. Ainsi, le procédé RO tend à augmenter la différence de concentration en solutés des deux fluides. Cela est donc particulièrement intéressant pour le dessalement. En effet, à partir de deux fluides de salinités différentes, le procédé RO permet d’obtenir un dessalement d’un de ces deux fluides (celui ayant la plus faible salinité) et ainsi obtenir une eau potable. Ce procédé consomme beaucoup moins d’énergie que les techniques par distillation ou électrodialyse. Cependant, alors qu’on dilue le premier fluide qui a la salinité initialement la plus faible, on va augmenter la concentration de celui qui est initialement le plus salé. Par exemple, lorsque le fluide le plus salé est de l’eau de mer, on va produire une eau potable, objet du procédé de dessalement, mais également une eau dont la concentration en sel est supérieure à celle de l’eau de mer. Généralement, cette eau est remise dans le milieu ambiant, en l’espèce dans la mer ou l’océan. La très forte concentration en sel n’est pas sans impact sur l’environnement marin, notamment sur la faune et la flore locales. La présente invention consiste à dessaler une eau salée, en rejetant une eau de concentration inférieure ou égale à celle du milieu ambiant, de préférence, proche de celle du milieu ambiant, tout en produisant une eau potable et en consommant une faible quantité d’énergie. Elle répond ainsi aux inconvénients des techniques de l’art antérieur. Pour se faire, la présente invention concerne un procédé de dessalement d’un premier fluide au moyen d’un deuxième fluide pour produire un troisième fluide, le premier fluide ayant une salinité inférieure à celle du deuxième fluide, le procédé comprenant une étape d’osmose retardée et une étape d’osmose inverse. En outre, le procédé comprend les étapes suivantes : * on fait entrer le premier fluide et le deuxième fluide dans une unité d’osmose retardée, le deuxième fluide entrant dans l’unité d’osmose retardée à une pression supérieure à la pression à laquelle le premier fluide entre dans l’unité d’osmose retardée ; * on pressurise le premier fluide de l’unité d’osmose inverse au moyen d’un échange de pression avec le deuxième fluide sous pression sortant de l’unité d’osmose retardée, la pression de sortie du deuxième fluide de l’unité d’osmose retardée étant supérieure à la pression d’entrée du premier fluide ; * on fait entrer le premier fluide pressurisé dans une unité d’osmose inverse pour récupérer un troisième fluide, la salinité du troisième fluide étant inférieure à la salinité du premier fluide. On appelle salinité par la suite, la concentration en sel de type NaCl, et non la concentration des autres sels minéraux qui pourraient être contenus dans les fluides. De préférence, tous les fluides peuvent être des eaux et de préférence le troisième fluide peut être une eau potable. L’invention concerne également un système de dessalement d’un premier fluide au moyen d’un deuxième fluide pour produire un troisième fluide, ledit premier fluide ayant une salinité inférieure audit deuxième fluide, le système comprenant une unité d’osmose retardée et une unité d’osmose inverse, l’unité d’osmose retardée comprenant une entrée du premier fluide, une entrée du deuxième fluide, une sortie du deuxième fluide pressurisé et une sortie dudit premier fluide, l’unité d’osmose inverse comprenant une entrée d’un premier fluide, une sortie d’un troisième fluide et une sortie du premier fluide. Par ailleurs, le système comprend un premier moyen d’échange de pression et le système est adapté pour la mise en œuvre du procédé de dessalement selon l’une des caractéristiques précédentes. Procédé de dessalement d’un premier fluide au moyen d’un deuxième fluide, ledit premier fluide ayant une salinité inférieure à la salinité dudit deuxième fluide, lesdits premier et deuxième fluides étant de préférence des eaux, le procédé comprenant une étape d’osmose retardée et une étape d’osmose inverse, le procédé étant caractérisé par les étapes suivantes : * on fait entrer au moins une première portion dudit premier fluide et ledit deuxième fluide dans une unité d’osmose retardée, ledit deuxième fluide entrant dans ladite unité d’osmose retardée à une pression supérieure à la pression à laquelle ledit premier fluide entre dans ladite unité d’osmose retardée ; * on pressurise au moins une deuxième portion dudit premier fluide au moyen d’un échange avec le deuxième fluide sous pression sortant de ladite unité d’osmose retardée ; * on fait entrer ladite deuxième portion dudit premier fluide pressurisé dans une unité d’osmose inverse pour récupérer un troisième fluide, la salinité dudit troisième fluide étant inférieure à la salinité dudit premier fluide. Procédé selon la revendication 1 pour lequel ladite unité d’osmose retardée comprend un premier réservoir et un deuxième réservoir, lesdits premier et deuxième réservoirs étant séparés par au moins une première paroi semi-perméable, et pour lequel l’étape d’osmose retardée comprend les étapes suivantes : - on fait entrer au moins première portion dudit premier fluide dans ledit premier réservoir ; - on pressurise le deuxième fluide en entrée dudit deuxième réservoir, la pression appliquée étant inférieure à la pression osmotique générée par la différence de salinité entre ledit premier fluide et ledit deuxième fluide, de manière à ce qu’un solvant du premier fluide traverse ladite première paroi semi-perméable et se mélange audit deuxième fluide ; - on fait entrer ledit deuxième fluide pressurisé dans ledit deuxième réservoir ; - on fait circuler ladite première portion dudit premier fluide dans ledit premier réservoir depuis une entrée vers une sortie dudit premier fluide et on fait circuler ledit deuxième fluide dans ledit deuxième réservoir depuis une entrée vers une sortie dudit deuxième fluide. Procédé selon l’une des revendications 1 ou 2, pour lequel ladite unité d’osmose inverse un quatrième réservoir et un troisième réservoir, et pour lequel l’étape d’osmose inverse comprend les étapes suivantes : - on fait entrer ladite deuxième portion dudit premier fluide dans ledit quatrième réservoir, ; - on applique une pression sur ladite deuxième portion dudit premier fluide afin qu’un solvant dudit premier fluide traverse une deuxième paroi semi-perméable pour entrer dans ledit troisième réservoir, ledit solvant dudit premier fluide formant ainsi un troisième fluide dans ledit troisième réservoir ; et - on fait ressortir le troisième fluide par une sortie de l’unité d’osmose inverse. Procédé selon l’une des revendications précédentes, pour lequel ledit deuxième fluide est de l’eau de mer et pour lequel ledit premier fluide est de l’eau dont la salinité est comprise entre 2 et 18g/L, de préférence entre 2 et 7g/L. Procédé selon l’une des revendications précédentes pour lequel on capte ledit premier fluide au niveau d’une sortie sous-marine d’une source souterraine ou d’un aquifère côtier. Procédé selon l’une des revendications précédentes, pour lequel on prétraite au moins l’un desdits premier et deuxième fluides avant leur utilisation, de préférence, on prétraite lesdits premier et deuxièmes fluides préalablement à l’étape d’osmose retardée. Procédé selon l’une des revendications précédentes, pour lequel on pressurise ledit deuxième fluide arrivant dans l’unité d’osmose retardée par échange de pression avec ledit deuxième fluide pressurisé sortant de l’unité d’osmose retardée. Procédé selon l’une des revendications précédentes, pour lequel on pressurise ledit premier fluide arrivant dans l’unité d’osmose inverse par échange de pression avec ledit premier fluide sortant de l’unité d’osmose inverse pour augmenter la pression dudit premier fluide en entrée de l’unité d’osmose inverse. Procédé selon l’une des revendications précédentes, pour laquelle la salinité dudit troisième fluide en sortie de l’unité d’osmose inverse est inférieure à 6 g/L, de préférence inférieure à 500 mg/L, de manière encore préférée, proche de 200 mg/L. Procédé selon l’une des revendications précédentes, pour lequel on utilise une source d’énergie supplémentaire, de préférence éolien, hydrolien, houlomoteur, solaire pour pressuriser ledit premier fluide en amont de l’unité d’osmose inverse ou ledit deuxième fluide en amont de l’unité d’osmose retardée. Système de dessalement d’un premier fluide au moyen d’un deuxième fluide, ledit premier fluide ayant une salinité inférieure audit deuxième fluide, le système comprenant une unité d’osmose retardée et une unité d’osmose inverse, l’unité d’osmose retardée comprenant une entrée du premier fluide, une entrée du deuxième fluide, une sortie dudit deuxième fluide pressurisé et une sortie dudit premier fluide, l’unité d’osmose inverse comprenant une entrée dudit premier fluide, une sortie d’un troisième fluide et une sortie dudit premier fluide, caractérisé en ce que le système comprend un premier moyen d’échange de pression et en ce que le système est adapté pour la mise en œuvre du procédé de dessalement selon l’une des revendications précédentes.