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Gribouilli sur l'Osmose Inverse

Date de publication : Jeudi 26 Décembre 2002 à 00H18:39
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"Le principe de l'osmose inverse est l'inverse du principe de l'osmose." J.M.

L'osmose inverse est une des nombreuses techniques dites membranaires.
C'est à dire une technique qui consiste à utiliser un film de faible épaisseur semi-perméable : la membrane, à travers laquelle sous l'effet d'une différence de pression, de potentiel électrique (électrodialyse), passeront les molécules d'eau mais pas la plupart des corps dissous (sels, matières organiques).

Ces techniques permettent :
  • soit d'épurer un solvant de ses polluants,
  • soit de concentrer une solution en éliminant le solvant.


En ce qui concerne le solvant "eau" et son épuration les techniques membranaires sont des améliorations d'une technique ancienne : la filtration.

L'ordre de grandeur de la taille des éléments arrêtés est le suivant :
Filtration conventionnellesupérieure à 2 µm
Micro filtrationentre 2 mm et 0,05 µm
Ultrafiltrationentre 50 nm et 1 nm
Nanofiltrationentre 1 nm et 0.4 nm
Osmose inverseinférieure à 0,4 nm

Rappel : la taille de la molécule d'eau est de l'ordre de 0,3 nm.

Remarques :
  • les techniques membranaires sont aussi utilisées sur des phases gazeuses : la pervaporation,
  • le principe de tamisage : les éléments de taille supérieure aux orifices ou pores du filtre sont arrêtés, les éléments de taille plus faible peuvent passer, ne permet pas à lui seul d'expliquer le résultat obtenu en particulier en osmose inverse.


Les membranes.

L'abbé Nollet à la fin du 17ème siècle avait déjà observé le comportement d'une membrane constituée d'une vessie de porc : cette membrane laissait passer un flux d'eau douce pour diluer une solution saline séparée de la précédente par cette paroi : il avait observé le phénomène d'osmose.
Au 19ième siècle cette "curiosité de laboratoire" avait été étudiée par Van't Hoff qui donna sa loi au phénomène d'osmose : les parois semi-perméables utilisées étaient réalisées ainsi :
"On peut réaliser artificiellement une paroi semi-perméable par le procédé de Traube. Il consiste à plonger un vase poreux contenant une solution de sulfate de cuivre, dans une solution de ferrocyanure de potassium : les deux liquides, se rencontrant dans les pores du vase, donnent un précipité gélatineux de ferrocyanure de cuivre, qui forme une paroi semi-perméable." (in Traité élémentaire de Physique, Librairie Hachette, par Marcel Billard. Ed. de 1923).

L'essor des matériaux de synthèse a permis de réaliser des parois semi-perméables éminemment plus pratiques et on peut les classer suivant le critère adopté en plusieurs catégories :
"La structure des matériaux permet de distinguer trois types de membranes : les membranes isotropes, elles ont des propriétés structurelles constantes sur toute leur épaisseur ; les membranes anisotropes, leur structure composite varie de la surface de la membrane vers l'intérieur ; les membranes liquides. Selon la nature des matériaux constitutifs des membranes on parle également de :
  • membranes organiques : la plupart d'entre elles sont actuellement fabriqués à partir de polymères organiques (acétate de cellulose, polysulfones, polyamides, etc) dont les qualités leurs confèrent une grande adaptabilité aux différentes applications. La majeure partie des membranes d'ultrafiltration et de microfiltration sont constituées de membranes organiques (90%) ;
  • membranes minérales ou inorganiques : de commercialisation plus tardive que les membranes organiques, ces membranes sont composés de corps entièrement minéraux, principalement les matières céramiques, le métal fritté et le verre. Leur arrivée a permis de travailler dans des conditions extrêmes de température et d'agression chimique, ce qui a ouvert de nouvelles voies dans la séparation par membrane ;
  • membranes composites : apparues de cela il y a une dizaine d'années, elles sont caractérisées par une structure asymétrique dont la peau est beaucoup plus fine que celle des membranes classiques non composites et par une superposition de plusieurs couches différenciées soit par leur nature chimique, soit par leur état physique. Elles peuvent être organiques (superposition de polymères organiques différents), organo-minérales ou minérales (association de carbone ou d'alumine comme support et de métaux tels le zircone, l'alumine et le titane) ;
  • membranes échangeuses d'ions : introduites en 1950, elles fonctionnent sur le principe du rejet d'ions grâce à leur charge. Les techniques d'électrodialyse, la dialyse et l'électro-désionisation font appel à cette technologie. Leur principal domaine d'application actuel est le dessalement de l'eau et le traitement des effluents des installation de protection et de décoration des métaux."
.
Page originale sur le site de l'ANVAR.

Principes fondamentaux de l'osmose.

L'osmose normale a lieu quand l'eau passe d'une solution moins concentrée vers une solution plus concentrée par une membrane semi-perméable.
La loi de l'évolution naturelle d'un système chimique découle du second principe de la thermodynamique : à température et pression constante cette évolution est caractérisée par une diminution d'une fonction qui est l'enthalpie libre et joue le rôle d'un potentiel.
De même qu'une masse ne pourra évoluer naturellement que d'une altitude plus élevée vers une altitude plus basse (d'un potentiel élevé vers un potentiel faible), de même un système chimique évoluera naturellement d'une enthalpie libre plus élevée vers une enthalpie libre plus faible.
L'enthalpie libre d'un système chimique constitué d'un solvant (l'eau pour ce qui nous intéresse) et de solutés (sels minéraux et corps dissous), est fonction de la concentration de chacun de ses constituants dans le système : le potentiel d'une solution saline est plus élevé que le potentiel d'une solution moins saline : la tendance naturelle sera une diminution du potentiel le plus élevé :



  • si les deux solutions sont mises en contact direct, les solutés se répartiront de manière homogène par diffusion (qui peut être accélérée par la convection libre ou forcée : petite cuiller dans la tasse de café…),
  • si les deux solutions sont mises en contact par l'intermédiaire d'une membrane semi-perméable les solutés ne pouvant la traverser ce sera le solvant qui la traversera.


L'eau s'écoulera donc naturellement, de la solution la moins concentrée vers la solution la plus concentrée jusqu'à ce que le système soit à l'équilibre. L'équilibre sera atteint quand la différence de hauteur, D h sera équivalente à la pression osmotique (qui correspondra à une égalité des concentrations de part et d'autre de la membrane).
Cet état d'équilibre peut être exprimé comme suit :

r.g.Dh = (p 2 - p 1) avec (en pascal) :

p1 = pression osmotique absolue de solution moins concentrée,
p = pression osmotique absolue de solution plus concentrée.
Les pressions osmotiques absolues, p1 et p2 des solutions représentées sur les schémas 1 et 2 sont définis comme des différences de pressions osmotiques entre une solution et l'eau pure.

La valeur théorique de la pression osmotique d'une solution peut être déterminée à partir des lois qui régissent le comportement des solutés dans un solvant. Ces lois permettent à partir de la notion de potentiel chimique (défini comme la part jouée par les concentration en solutés dans l'expression de l'enthalpie libre) d'exprimer cette pression :


Dans laquelle Ci est la concentration du soluté noté "i", R est la constante des gaz parfaits et T la température absolue de la solution.
Ci est exprimé en moles par mètre-cube, R=8,314 J.mol-1.K-1 et T en kelvin.
Remarques :

  • la similitude (l'identité pourrait-on dire) des expressions de la loi des gaz parfaits et de celle de la pression osmotique n'est pas fortuite : pour plus de détails se reporter aux pages "approfondissement de chimie",
  • cette expression suppose une concentration Ci tendant vers zéro : solution idéale, dans la pratique les interactions entre les solutés conduisent à une pression osmotique différente.


Exemple d'application numérique : si l'on suppose pouvoir appliquer la relation à une solution qui contient 11 g.l-1 de chlorure de sodium (masse molaire de 58,5 g.mol-1) la pression osmotique correspondante sera de : = 466 kPa due aux ions chlorures et une pression osmotique identique pour les ions sodium (même concentration molaire) soit pour la solution une pression osmotique de près de 9,4 bars.

Pressions osmotiques (d'après Osmonics) :

Quelques selsConcentration en %Pression osmotique en kPa
Chlorure de sodium, NaCl0,5379
1,0861
3,52825
Sulfate de sodium, Na2S042,0758
5,02095
10,03914
Chlorure de calcium, CaCl21,0620
3,52122
Sulfate de cuivre, CuSO42,0393
5,0792
10,01592


Quelques matières organiquesConcentration en %Pression Osmotique en kPa
Sucrose
(Masse moléculaire : 342 g.mol-1)
3,3248
9,3758
Dextrose (glucose)
(Masse moléculaire : 198 g.mol-1).
3,3427
9,31309

Remarques : C(en %)x10.000 = ppm ou mg.-1


L'interpolation linéaire peut être employée pour estimer des concentrations intermédiaires.
On peut prendre pour ordre de grandeur : 7 kPa de pression osmotique pour 100 ppm de NaCl. (0,7 bar par gramme de sel dissous ; eau de mer par exemple à 36 grammes de sel : 25 bars).
Si la répartition de la salinité n'est pas connue on peut envisager une salinité uniquement en NaCl : cela conduit à majorer la pression osmotique et permet de se mettre en sécurité.
Pour d'autres produits organiques on peut utiliser la relation : Masse molaire x pression osmotique = Masse molaire sucrose x pression osmotique du sucrose.

Osmose inverse
(Reverse Osmosis : RO en anglais)

Le phénomène d'osmose est réversible à condition de fournir de l'énergie : si l'on applique une pression à une solution l'eau (et quelques solutés), traversera (traverseront) la membrane : on obtiendra une solution de faible concentration en solutés.
Le problème sera, dans ce cadre "statique", que la concentration dans le compartiment mis sous pression augmentera, la pression osmotique à vaincre aussi : pour produire de l'eau il faudra vider le compartiment salin régulièrement et la production sera discontinue.
Industriellement cette solution est invalide d'où la solution viable : l'eau mise sous pression par une pompe dans le compartiment salin s'échappera par un orifice calibré.
On obtient ainsi une esquisse du principe de l'osmoseur.

Les raccordement sont conventionnellement appelés :
1. Alimentation : Solution à épurer et qui est mise sous pression par l'intermédiaire d'une pompe.
2. Production ou perméat : Solution qui traverse la membrane.
3. Rejet ou concentrat ou retentat : Solution, qui quitte l'osmoseur et n'a pas traversé la membrane. Elle est enrichie en solutés et peut être soit rejetée vers le circuit d'effluents soit être injectée dans un autre module ou pour partie en tête de module (voir les montages possibles), soit encore lorsque l'on désire concentrer une solution : récupérée.
On ne s'intéressera par la suite qu'à la production d'eau osmosée et non à l'enrichissement d'une solution peu concentrée (domaines pharmaceutique, agro-alimentaire, du traitements des métaux,…).
On voit donc que la production d'eau osmosée conduira forcément à une consommation d'eau (rejetée) : l'amélioration de la qualité implique forcément un tribut à payer (énergie mécanique pour la pompe et une part de l'eau d'alimentation), qui peut être réduit par divers types de montage.
Même avec cette solution il y a risque d'accumulation de solutés (et de matières non dissoutes), au contact de la membrane : pour éviter ceci on essaiera de faire passer la solution tangentiellement à la membrane ce qui aura pour effet de la "balayer" et ainsi de limiter son encrassement.
Pour augmenter cet effet on peut faire recirculer une partie de la solution saline : la consommation d'eau sera la même mais par contre le débit et donc la vitesse tangentielle seront augmentées (L'économie d'eau réalisée sera compensée par une augmentation de la consommation d'énergie : le tribut à payer est changé de nature).

On doit de plus pouvoir :
  • protéger les membranes contre un excès de pression à l'amont (c'est le rôle du pressostat), contre un flux d'eau osmosée vers le "compartiment" salin à l'arrêt (rôle du clapet anti-retour),
  • protéger la pompe contre un fonctionnement à vide (rôle du pressostat en entrée d'osmoseur),
  • régler le débit et la pression de production (rôle du bipasse de pompe), régler le débit de rejet qui joue sur la qualité de l'eau obtenue (rôle du robinet en sortie rejet),
  • contrôler ces réglages (rôles des débitmètres, des manomètres et de du conductivimètre si l'on s'intéresse à la minéralisation du perméat).


Une électrovanne de "flush" permet de plus dans certains montages de fournir périodiquement un débit très élevé dans le module afin de le nettoyer. Dans ce cas une vanne 3 voies montée après le clapet anti-retour permet le rejet de la production à l'égout.

Un osmoseur, peut donc être schématisé ainsi :


Les membranes seront incluses dans un module : un osmoseur peut avoir plusieurs modules afin d'augmenter la surface d'échange.
La pression réelle (ou effective) à appliquer à la solution pour permettre la production devra être supérieure à la pression osmotique calculée ou déterminée précédemment : si la pression appliquée est égale à la pression osmotique le flux d'eau est interrompu. Il faut donc une pression au minimum supérieure à la pression osmotique de la solution en entrée de module mais ce n'est pas encore suffisant.
En effet la concentration de la solution est plus élevée en sortie qu'en entrée de module (la solution s'enrichit en solutés), la pression osmotique à vaincre est donc variable tout au long de la surface d'échange (elle peut être multipliée par 5 voire plus) : les pompes utilisées ont donc des hauteurs manométriques élevées qui peuvent monter jusqu'à 80 bars (membranes haute pression pour dessalement d'eau de mer).

Les concentrations dans l'appareil sont :
Ca = concentration de l'eau d'alimentation,
Cr = concentration de l'eau au rejet (ou rétentat),
Cp = concentration de l'eau à la production (ou perméat),

Merci à Albert (qui se reconnaîtra) et à Bernard Pironin pour ce petit pamphlet... Qui a mal au crâne ? Au piquet !

Les internautes réagissent :

 De nabila, le Mercredi 27 Février 2008 à 17H07:26

pouriez vous m'aider a mieux comprendre l'electrodialyse etulisé dans le dessalement d'eau de mer ainsi que la distillation
 De Mr Commander, le Mercredi 30 Janvier 2008 à 08H06:41

Pourriez vous me dire si la pression osmotique avec laquelle on cacule l'équivalence est celle de la solution concentrée ou celle de l'autre? et pourriez vous aussi me donner l'unité de Delta-h?
(repondre en commentaire svp)
 De florent deg, le Jeudi 10 Janvier 2008 à 19H10:24

pourriez vous m'envoyé les formule de pression osmotique et taux de rentention y e rm merci
coodialement florent

florent_degombert@hotmail;com
 De Capitaine Denis, le Jeudi 19 Avril 2007 à 23H43:04

Puis-je utiliser du métabisulfite de potassium pour nettoyer les membrannes

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