Electrodialyse par Métathèse

Comme en EDR, l’EDM utilise un champ électrique comme force motrice pour séparer les ions de l'eau grâce à des membranes perméables aux ions. Chaque unité se répétant comprend quatre membranes et quatre compartiments, deux s’appauvrissant en ions alors que les deux autres se concentrent. Le schéma de principe du procédé est présenté en Figure 19.

Figure 19 : Principe de fonctionnement de l’électrodialyse par métathèse [71]

R & D / Brevet

Pilote Industriel

Unité

Industrielle Mature

Le procédé comprend les éléments suivants :

- une membrane échangeuse d'anions classique (A), - une membrane échangeuse de cations classique (C), - une membrane monovalente échangeuse d'anions (SA) - une membrane monovalente échangeuse de cations (SC).

Le procédé nécessite l’introduction de NaCl dans un compartiment pour modifier des sels faiblement solubles (CaSO4)en sels fortement solubles (CaCl2 et Na2SO4). A 25°C, le Na2SO4 est 100 fois plus soluble que le CaSO4. Ce fonctionnement permet d’empêcher la précipitation des sels divalents tout en produisant de l'eau purifiée.

Cette configuration permet de générer deux flux de sels concentrés et solubles, l'un contenant du sodium et des anions (Na2SO4, NaCl) et l’autre des chlorures et des cations (CaCl2, MgCl2, NaCl).

En conséquence, le procédé peut atteindre des niveaux de récupération d'eau nettement supérieurs à ceux d'un procédé classique d'osmose inverse ou d'électrodialyse [72].

Lorsque les flux fortement concentrés sont mélangés dans un réacteur agité, le CaSO4 précipite et un surnageant riche en NaCl est produit. Le surnageant peut être ensuite retraité pour produire du NaCl purifié réutilisable dans le procédé EDM [73]. L'EDM est applicable au traitement de concentrats d’OI avec un potentiel d’entartrage élevé lié au CaSO4 et au CaCO3 [51].

3.2.4.2. Domaines d’application et mise en œuvre

Cette technologie est encore en cours de développement par Veolia sous le nom de ZDD^TM (Zero Discharge Desalination). Il s'agit d'un procédé breveté par l'Université de la Californie du Sud [74]. La technologie ZDD a été testée aux Etats-Unis (dessalement d'eau souterraine à Alamogordo, au Nouveau-Mexique, deux sites dans le Colorado et deux sites en Californie). Des taux de conversion jusqu'à 98% ont été obtenus [73].

Aujourd’hui, aucune unité industrielle n’a été installée. Des essais pilote sont aujourd’hui réalisés dans le cadre du projet européen ZELDA (Zero Liquid Discharge Desalination).

Projet européen ZELDA [75]

Démarré en juillet 2013, le projet se termine en juillet 2017. Un pilote de 1 m³/h est développé et opéré sur deux sites espagnols pour tester le dessalement d’eau de mer et d’eaux saumâtres [71]. Une préfiltration à 5 µm est prévue en amont du pilote.

Le pilote est composé de quatre procédés correspondant aux quatre étapes de traitement (Figure 20).

Figure 20 : Diagramme de l'installation du projet ZELDA [75]

Tout d’abord, le concentrat obtenu par osmose inverse passe par le procédé EDM où il est concentré sans précipitation de sels. Les concentrats sont mélangés formant ainsi une saumure concentrée qui est dirigée dans l’étage de purification. Dans ce procédé, des réactifs (chaux, dolomite, soude caustique, etc) sont ajoutés à la saumure pour une floculation sous agitation. La boue est séparée de la saumure et purifiée dans un clarificateur.

La troisième étape consiste à concentrer la saumure dans un évaporateur d’une capacité de 50 L/h. Le taux de concentration obtenu dépend de la composition de la saumure.

La dernière étape consiste à sécher le sel dans deux bassins d’évaporation naturelle et intensive en parallèle. Ces bassins ont été conçus de manière à contrôler la température, l’humidité, la profondeur de saumure, l’isolation thermique du bassin, la condensation et le flux d’air. Tous ces paramètres sont gérés par informatique pour optimiser le séchage en fonction des conditions extérieures.

Les caractéristiques de ces différentes étapes de traitement sont présentées dans le Tableau 14.

Tableau 14 : Caractéristiques de l'installation du projet ZELDA [75]

EDM Purification Concentration par

évaporation Séchage

La finalité de ce projet est de définir une filière permettant d’obtenir des sels commercialisables et une eau réutilisable ou pouvant être rejetée dans le milieu naturel.

Certains résultats sont aujourd’hui disponibles [76]. De septembre 2015 à décembre 2016, les performances de la filière ont été évaluées pour traiter le concentrat généré par le dessalement d'eau saumâtre. Au cours de cette période, les conditions optimales pour l'EDM (densité de courant et tension appliquée) ont été définies pour atteindre un facteur de concentration supérieur à 4 pour les ions multivalents dans les deux flux de concentré et une conductivité de 5 mS/cm pour les flux dilués permettant leur rejet. Une fois optimisé, l’EDM a permis de récupérer 80% de l'eau avec un facteur de concentration global de 4,6. La filière complète a permis de récupérer 90% de l'eau. Par m³ de saumure traitée, plusieurs sels ont été produits: environ 1,7 kg de Na2SO4 (pureté 95%), 2,7 kg de sels mélangés (Na2SO4 et NaCl), 6,3 kg de Mg(OH)2 (95% de pureté) et 17 kg de NaCl (93% de pureté).

Une analyse du cycle de vie et des coûts est également lancée pour évaluer les aspects économiques et environnementaux du procédé. Les résultats devraient être disponibles sur le site du projet à l’adresse http://life-zelda.eu/en.

3.2.4.3. Performances

Pour les systèmes EDM, le taux de conversion n'est limité que par le sulfate de sodium. Puisque la silice n'est pas chargée dans des conditions de pH neutre, la silice ne pose pas de restrictions sur le taux de récupération d’eau. Elle passe à travers le système sans être concentrée [77].

Le taux de conversion diminue avec la concentration en sels à traiter [78] :

- 95 à 99% lorsque l’effluent présente une concentration en sels inférieure à 1,5 g/L, - 76% lorsque pour une concentration en sels de 27,7 g/L.

3.2.4.4. Données économiques

La consommation d'énergie augmente avec la concentration en sels à traiter. Une concentration en TDS de 1 g/L dans l’effluent nécessite 1,9 kWh/m³ perméat alors qu’avec une salinité de 17,5 g/L la consommation sera de 21 kWh/m³ perméat [79]. Ces chiffres sont confirmés par (Subramani et Jacangelo, 2014) qui indiquent une consommation de 11,9 kWh/m³ (TDS 10 g/L) [49]. L’EDM concurrence les procédés thermiques en terme de consommation d’énergie pour les salinités <6 g/L, entre 6 et 15 g/L de procédés thermiques et l’EDM sont comparables alors que les procédés thermiques sont plus économiques (coût de traitement) au-delà [79].

L'achat de NaCl représente 40% du coût d'exploitation de l'EDM. Une réduction des coûts de 25-30%

est possible si le NaCl est récupéré et purifié dans les concentrats [80].

La technologie nécessite une évaluation indépendante pour établir ou prouver ce qui suit [81]:

- Coûts du traitement, y compris l'élimination des matières solides,

- Robustesse du procédé sous différentes conditions d'alimentation et de fonctionnement, - Paramètres de conception et d'exploitation pour optimiser la performance du process.

3.2.4.5. Synthèse

Electrodialyse par Métathèse Points clés

Technologie en cours de développement

TDS < 6 g/L (plus économique qu’un traitement thermique) et au maximum 15 g/L [79]

Maturité TRL : 4-5

Prétraitement Dépendant de l’effluent à traiter, en présence de silice à des concentrations significatives, un traitement peut être mis en œuvre [72]

Produits chimiques NaCl Impact

environnemental Possibilité de valoriser des sels et de l’eau

Avantages

Efficace avec un concentrat avec une saturation élevée en sulfate de calcium

Moins cher que les procédés thermiques lorsque la salinité en entrée est < 5 g/L (TDS) Le potentiel d'encrassement de la membrane dû à la silice n'augmente pas au cours du processus

Inconvénients et facteurs limitants

Plus onéreux que les procédés thermiques pour une concentration en TDS en entrée >

15 g/L [79]

Procédé en développement Fournisseurs Technologie non commercialisée

3.2.5. Osmose Directe