Le dessalinisateur

De l’eau de mer au verre

Quelques principes fondamentaux

Une membrane osmotique… une invention de génie ou l’un des principes fondamentaux de la vie sur Terre ?

Tout le monde ne sait pas que chaque cellule vivante possède une membrane semi-perméable et que l’osmose est un phénomène physique omniprésent dans la nature. Alors, pourquoi ne fabriquons-nous des dessalinisateurs que depuis relativement peu de temps ?

Un peu de physique pour commencer !

L’osmose

Une membrane osmotique peut être comparée, de manière très simplifiée, à une passoire extrêmement fine qui laisserait passer certaines molécules, mais en arrêterait d’autres.

Imaginons deux compartiments, un à gauche et un à droite, remplis de liquide et séparés par cette membrane. Le compartiment de gauche contient de l’eau pure. Celui de droite contient également de l’eau, mais avec une substance dissoute, par exemple du sel.

Les molécules d’eau peuvent traverser la membrane dans les deux sens, contrairement aux ions provenant du sel, qui sont en grande partie retenus. Cependant, les mouvements ne s’équilibrent pas immédiatement : davantage d’eau passe progressivement du côté de l’eau pure vers le côté de l’eau salée.

On peut donc dire, pour simplifier, que l’eau salée « attire » l’eau douce.

Le niveau du liquide va alors monter du côté de l’eau salée. Mais ce phénomène ne se poursuivra pas jusqu’au débordement : en montant, la colonne d’eau exerce une pression qui s’oppose progressivement au passage de nouvelles molécules d’eau.

Les deux compartiments finissent par atteindre un équilibre. La différence de pression nécessaire pour empêcher l’eau de continuer à traverser la membrane s’appelle la pression osmotique. Elle dépend principalement de la concentration en sels dissous et de la température.

Vous vous posez probablement deux questions :

• Pourquoi parler d’un phénomène qui dilue l’eau salée alors que nous voulons fabriquer de l’eau douce ?
• Pourquoi la membrane laisse-t-elle passer l’eau, mais pas les ions sodium et chlorure ?

Pourquoi l’eau passe-t-elle et pas le sel ?

La comparaison avec une passoire est pratique, mais elle a ses limites.

Une membrane d’osmose inverse moderne n’est pas simplement percée de petits trous calibrés. L’eau se dissout dans la matière constituant la membrane, puis diffuse à travers celle-ci. Les sels, eux, y pénètrent beaucoup plus difficilement.

Lorsque le chlorure de sodium, NaCl, se dissout dans l’eau, il se sépare en deux ions :

• l’ion sodium Na⁺ ;
• l’ion chlorure Cl⁻.

L’atome de sodium a cédé un électron au chlore. Il porte donc une charge positive, tandis que le chlore porte une charge négative.

Ces charges électriques attirent les molécules d’eau, qui sont polaires. Chaque ion se retrouve ainsi entouré d’un ensemble de molécules d’eau appelé couche d’hydratation.

On pourrait dire, avec un peu d’imagination, que les ions sodium et chlorure sont particulièrement séduisants aux yeux des molécules d’eau : celles-ci viennent immédiatement s’agglutiner autour d’eux !

Ces ions hydratés traversent très difficilement la membrane. Leur charge électrique, leur enveloppe d’hydratation et leur faible affinité avec le matériau de la membrane expliquent pourquoi ils sont retenus beaucoup plus efficacement que l’eau.

Notre comparaison entre de l’eau contenant ou non de grosses billes reste donc utile pour comprendre le principe général, même si le fonctionnement réel de la membrane est plus complexe qu’un simple tamisage mécanique.

Inversons maintenant l’osmose

Prenons le compartiment contenant l’eau salée et appliquons-lui une forte pression, à l’aide d’un piston imaginaire.

Lorsque la pression appliquée dépasse la pression osmotique naturelle, nous forçons une partie de l’eau à traverser la membrane dans le sens inverse du phénomène naturel.

Les molécules d’eau traversent la membrane, tandis que l’immense majorité des sels reste du côté sous pression.

Nous récoltons ainsi de l’eau douce de l’autre côté de la membrane.

C’est ce que l’on appelle l’osmose inverse.

La quantité d’eau douce produite dépend notamment :

• de la pression appliquée ;
• de la salinité de l’eau de mer ;
• de la température ;
• de la surface et du type de membrane ;
• du débit d’eau circulant devant la membrane.

Je vous l’avais dit : le principe est simple !

Un dessalinisateur de base

Les éléments et le principe de fonctionnement

Le dessalinisateur théorique est très simple. Ce qui rend les installations réelles plus complexes — et souvent mystérieuses pour leurs utilisateurs —, ce sont les contraintes techniques qui nous éloignent du dessalinisateur « idéal ».

Prenons une pompe qui envoie de l’eau de mer sous pression dans une membrane osmotique.

Une partie de l’eau traverse la membrane et devient l’eau produite, appelée perméat. Les sels restent principalement du côté de l’eau de mer.

L’eau qui ne traverse pas la membrane devient donc de plus en plus concentrée en sel. Cette eau concentrée, appelée saumure ou concentrat, doit être évacuée et remplacée continuellement par de l’eau de mer neuve.

Pour obtenir ce renouvellement permanent, il suffit, en théorie, de prévoir une sortie calibrée permettant à la saumure de s’écouler.

Notre dessalinisateur théorique comporte donc trois tuyaux :

1. l’entrée d’eau de mer ;
2. la sortie de saumure ;
3. la sortie d’eau douce.

Et seulement trois éléments essentiels :

1. une pompe à eau de mer capable de produire une pression suffisante ;
2. une membrane d’osmose inverse ;
3. une évacuation régulée de la saumure.

Le dessalinisateur « simple »

Ce qui change dans la réalité

Les filtres

Puisque nous faisons entrer de l’eau de mer dans le système, il paraît évident qu’il faut en retirer les impuretés afin de ne pas endommager les pompes et les membranes.

Pour nettoyer cette eau, nous utilisons généralement :

1. une crépine ou un filtre à tamis, destiné à arrêter les plus gros éléments : algues, débris et petits organismes ;
2. un filtre d’environ 20 micromètres ;
3. éventuellement un second filtre de 5 micromètres.

Cette filtration fine est particulièrement importante pour protéger les pompes haute pression à pistons ainsi que les membranes.

Est-ce la seule complication ?

Hélas, non !

Les pompes

Les pompes haute pression utilisées sur les dessalinisateurs classiques sont souvent des pompes à pistons ou à plongeurs, parfois équipées de composants en céramique. Leur principe est comparable à celui des pompes utilisées dans certains nettoyeurs haute pression.

La plupart de ces pompes ont besoin d’être alimentées en eau sous une légère pression. Elles ne sont généralement pas conçues pour aspirer seules l’eau de mer à travers toute l’installation.

Il leur faut donc une première pompe : la pompe de gavage.

Les pompes de gavage centrifuges sont couramment utilisées, car elles sont relativement simples, silencieuses et économes en électricité. En revanche, elles ne sont généralement pas autoamorçantes. Elles doivent donc être installées sous la ligne de flottaison afin de rester constamment remplies d’eau.

Il est également possible d’utiliser une pompe à membrane autoamorçante, installée au-dessus de la flottaison. Cette solution facilite parfois l’installation, mais elle entraîne généralement une consommation électrique plus élevée, davantage de pulsations et un niveau sonore supérieur.

La régulation de la pression

Il faut également organiser l’évacuation de la saumure.

Nous n’allons évidemment pas percer un simple trou dans le corps de la membrane ! Nous installons une vanne permettant de régler précisément le débit de saumure et, par conséquent, la pression à l’intérieur de la membrane.

Cette vanne de régulation haute pression doit permettre un réglage très fin tout en supportant la pression produite par la pompe.

La fermeture partielle de cette vanne augmente la pression dans la membrane. Son ouverture diminue la pression, mais augmente le débit de saumure rejetée.

Le rinçage à l’eau douce

Dernier problème : le rinçage.

Sur nos bateaux, le dessalinisateur ne fonctionne pas en permanence, contrairement à de nombreuses installations industrielles. Il est donc recommandé de rincer le circuit à l’eau douce après son utilisation afin d’en évacuer le sel et de limiter le développement biologique.

Mais les membranes d’osmose inverse supportent très mal le chlore. Vraiment très mal !

Si l’eau contenue dans les réservoirs du bateau peut provenir d’un quai et contenir du chlore, elle doit passer à travers un filtre à charbon actif avant d’être utilisée pour le rinçage.

On pourrait théoriquement se passer de ce filtre si l’on était absolument certain de ne jamais introduire d’eau chlorée dans les réservoirs.

Mais comme cette certitude est difficile à garantir : mettez le filtre !

Composition d’un dessalinisateur classique

Nous avons maintenant les principaux éléments de notre installation :

1. une prise d’eau de mer ;
2. une crépine ou un filtre à tamis ;
3. une pompe de gavage, par exemple une pompe centrifuge installée sous la flottaison ;
4. un préfiltre de 20 micromètres ;
5. un préfiltre de 5 micromètres ;
6. une pompe haute pression ;
7. une ou plusieurs membranes d’osmose inverse ;
8. une vanne de régulation haute pression ;
9. une sortie de saumure raccordée à un passe-coque ;
10. une sortie d’eau produite, raccordée au réservoir après contrôle de sa qualité ;
11. un circuit de rinçage à l’eau douce ;
12. un filtre à charbon actif sur ce circuit de rinçage.

Le circuit de rinçage peut être raccordé par un té à l’entrée du système afin de rincer les préfiltres, les pompes, les conduites et les membranes.

Quelques valeurs

Pressions et débits

Avant d’aller plus loin, examinons quelques valeurs indicatives permettant de comprendre le fonctionnement de notre dessalinisateur.

Les pressions

Les pressions exactes dépendent du modèle de membrane, de la salinité et de la température de l’eau. Les caractéristiques détaillées sont disponibles auprès des fabricants.

Pour produire de l’eau douce à partir d’eau de mer, une membrane classique fonctionne généralement avec une pression d’environ 55 à 65 bars, soit approximativement 800 à 950 PSI.

Cette pression doit être nettement supérieure à la pression osmotique naturelle de l’eau de mer, qui se situe généralement autour de 25 à 30 bars selon sa salinité et sa température.

La pompe de gavage, elle, alimente la pompe haute pression avec une pression beaucoup plus faible, souvent voisine de 1 bar, soit environ 15 PSI.

Dans ce type d’installation classique, augmenter fortement la pression de gavage n’apporte généralement aucun avantage, tant que la pompe haute pression reçoit suffisamment d’eau et ne risque pas de caviter.

Nous avons donc, à titre indicatif :

• pression à l’entrée de la pompe de gavage : légèrement positive pour une pompe non autoamorçante ;
• pression de gavage : environ 1 bar, soit 15 PSI ;
• pression de fonctionnement de la membrane : environ 55 à 65 bars, soit 800 à 950 PSI.

Les débits

Le débit d’eau douce produit dépend notamment :

• de la surface de la membrane ;
• de la pression ;
• de la salinité ;
• de la température de l’eau ;
• du débit d’eau de mer ;
• du taux de récupération choisi.

Le taux de récupération, ou taux de conversion, correspond à la proportion d’eau douce produite par rapport à la quantité d’eau de mer entrant dans le système.

Sur un dessalinisateur marin classique sans dispositif de récupération d’énergie, ce taux reste souvent relativement faible afin de maintenir une circulation suffisante devant la membrane et d’éviter une concentration excessive en sel.

Prenons, pour simplifier, un taux de récupération de 10 %.

Pour un dessalinisateur produisant 100 litres d’eau douce par heure, nous aurons approximativement :

• débit d’eau douce : 100 l/h, soit 1,7 l/min ;
• débit d’eau de mer entrant : 1 000 l/h, soit 16,7 l/min ;
• débit de saumure rejetée : 900 l/h, soit 15 l/min.

On constate immédiatement que les débits des pompes sont conséquents !

Il ne faut pas seulement produire 100 litres d’eau douce par heure : il faut également faire circuler près d’une tonne d’eau de mer par heure dans le système.

Plusieurs membranes en série

Dans les installations industrielles, plusieurs éléments de membrane sont placés dans des tubes sous pression. L’eau devient progressivement plus concentrée à mesure qu’elle circule d’un élément à l’autre.

Cette disposition permet d’augmenter le taux global de récupération. Selon la conception de l’installation et la qualité de l’eau, les grandes unités de dessalement de l’eau de mer peuvent atteindre des taux de récupération de l’ordre de 35 à 50 %.

Cependant, plus l’eau avance dans la chaîne, plus elle devient salée. Les dernières membranes travaillent donc dans des conditions plus difficiles, avec une pression osmotique plus élevée et un risque accru de dépôts ou d’entartrage.

Sur les installations relativement simples de nos bateaux, on trouve généralement une ou deux membranes.

Une installation à deux membranes correctement dimensionnée peut présenter un taux de récupération supérieur à celui d’une installation à une seule membrane. Selon sa conception, il peut se situer, par exemple, autour de 15 à 20 %.

L’idée d’intervertir périodiquement les membranes peut parfois être discutée afin d’équilibrer leur vieillissement. Cependant, cette opération doit respecter les recommandations du fabricant et l’état réel de chaque membrane.

Les conséquences

Les fabricants de dessalinisateurs « simples » mettent volontiers en avant la simplicité et la fiabilité de leurs installations, par opposition à certains systèmes plus complexes, parfois qualifiés de « fancy ».

Nous étudierons ces systèmes plus sophistiqués dans le chapitre suivant.

Mais penchons-nous d’abord sur les implications réelles de notre système prétendument « simple » et donc, en principe, fiable.

Est-il vraiment aussi simple qu’il en a l’air ?

Lorsque l’on examine les pressions et les débits nécessaires, on constate déjà que la pompe de gavage doit fournir un débit important, que les filtres doivent créer le moins de perte de charge possible et que la pompe haute pression doit fonctionner dans des conditions très exigeantes…