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Adoucissement de l'eau de chaudière


Les sels de calcium et de magnésium sont responsables de la dureté de l'eau. Ils sont solubilisés principalement sous forme de bicarbonates. Les bicarbonates peuvent aisément se transformer en carbonates beaucoup moins solubles, en libérant du dioxyde de carbone (gaz carbonique).

    Ca(HCO3)2 ↔ CaCO3 + CO2 + H2O

Ce phénomène est bien connu et ses effets visibles dans la nature. L'eau de pluie, chargé en dioxyde de carbone s'infiltre dans le sous-sol ou il dissout les roches calcaires, puis retrouvant l'air libre dans une cavité souterraine, libère une partie de son gaz carbonique et dépose le carbonate qui précipite en artistiques concretions.
Sous l'effet de l'augmentation de la température de l'eau une partie du CO2 est éliminé de la solution. Les bicarbonates sont transformés en carbonates qui forment des encrassements sur les surfaces de chauffe en particulier.
Pour éviter ces encrassements, l'eau alimentant les générateurs de vapeur est débarrassée d'un maximum d'ion calcium et magnésium. Les différentes techniques employées par cela sont:
 - la décarbonatation qui constitue un traitement préalable à l'adoucissement pour plus grosses productions
 - l'adoucissement sur résine échangeuse d'ion
 - l'adoucissement par osmose inverse

Adoucissement sur résine

Les résines échangeuse d'ion se présentent sous la forme de billes de polymère capables d'absorber sélectivement des ions minéraux et de les échanger avec des solutions aqueuses. Il existe ainsi:
 - des résines cationiques capable d'échanger des cations (Ca++, Mg++, Na+, H+, ...)
 - des résines anioniques, capables d'échanger des anions (CO3--, Cl-, OH-, ...)

L'adoucissement de l'eau consiste à seulement retirer les ions Ca et Mg et les remplacer par des ions Na. Seule une résine cationique sera utilisée pour cela. En phase de traitement de l'eau on aura:

    2R,Na + Ca++/Mg++ → R2,Ca/Mg + 2Na+

Lorsque le stock d'ion Na de la résine est épuisé, elle est dite saturée, et elle est régénérée par une solution de sel (NaCl):

    R2,Ca/Mg + 2Na+ → 2R,Na + Ca++/Mg++

Pour assurer un fonctionnement continu de l'adoucisseur, deux lits au moins doivent être installés; un lit est en régénération pendant que l'autre est en phase de traitement de l'eau. Leur capacité doit permettre le fonctionnement avec une permutation des lits toutes les 8 heures environ.

L'eau alimentant l'adoucisseur doit être filtrée pour être débarrassée de contaminants solides qui pourraient colmater le lit de résine. Elle doit être froide (<35°C) .

La dureté résiduelle attendue est <0,01 mmol/l Ca (<0,1°F).

Exemple de dimensionnement

Débit d'eau traitée 5 m3/h
Volume de résine 125 litres
Consommation de sel 25 kg
Volume de saumure 300 litres

Déminéralisation sur résine

L'utilisation de deux types de résines disposées en deux lits, cationique sous forme hydrogène et anionique sous forme hydroxyde, permet de retirer la quasi totalité des ions (autres que H+ et OH-) présents dans l'eau.
2R,H + M++ → R2,M + 2H+
2R,OH + A- - → R2,A + 2OH-
Cette configuration permet de produire une eau contenant moins de 2ppm de solide dont 0,1ppm de silice et présentant une conductivité à 4 µS/cm.

Les résines fortement acides seront régénérées par une solution d'acide chlorhydrique (HCl) à 30%
Les résines fortement basiques seront régéhérées par une solution de soude à 25%.


La consommation de soude nécessaire à la régénération de la résine anionique peut être réduite en éliminant de dioxyde de carbone généré par dégazage entre les deux lits de résine.

Configuration à trois lits

Une configuration à trois lits avec dégazeur est souvent une solution économique:
Le premier lit contient une résine cationique fortement acide sous forme hydrogène, qui retient les cations.
Le deuzième lit contient une résine anionique faiblement basique sous forme hydroxyde qui retient les anions, mais pas les carbonates.
Avant le troisième lit un dégazeur élimine le dioxyde de carbone.
Le troisième lit contient une résine anionique fortement basique sous forme hydroxyde qui permet de retenir la silice.
Les traces d'hydroxydes de sodium, libéré par les résines anioniques précédentes peuvent être éliminées par un lit de résine cationique faiblement acide, qui sera facilement régénérée au moyen de l'effluent de régénération des résines fortement acides.

Lit mélangé (mixed bed)

Le mélange intime d'une résine cationique et anionique permet la déminéralisation sur un lit unique.
Le mélange d'une résine fortement acide et d'une autre faiblement basique permet la déminéralisation quand l'élimination de la silice et du dioxyde de carbone n'est pas la priorité.
Le mélange d'une résine faiblement acide et d'une autre faiblement basique si la régénération doit être complète.

Les lits mélangés sont principalement utilisés pour:
 - compléter une déminéralisation par osmose inverse
 - purifier des condensats de vapeur avant recyclage

La qualité de l'eau produite peut atteindre les valeurs suivantes:
 - solides: <10ppm
 - conductivité: <0,1µS/cm
 - silice: <0,02ppm

Adoucissement par osmose inverse

Pression osmotique

Si deux compartiments séparés par une membrane semi-perméable contiennent des solutions salines de concentrations différentes, l'eau du compartiment le plus dilué est attiré vers le compartiment de la solution la plus concentrée. La migration de l'eau cesse lorsque les concentrations sont égales, ou bien si une pression plus importante est appliquée sur le compartiment le plus concentré. Cette surpression est la pression osmotique.
A l'inverse, si on applique une différence de pression entre deux compartiments contenant des solutions salines et séparées par une membrane semi-perméable, l'eau du compartiment haute pression est refoulée vers le compartiment basse pression même si sa concentration en sel est déjà la plus basse. C'est l'opération d'osmose inverse.
La membrane est faite d'un film polymère capable de laisser passer les petites molécules (l'eau en particulier), mais de retenir les plus grosses (les sels ou les molécules organiques).

Adoucissement d'eau pour générateurs de vapeur

Lorsque la teneur en sel dissout doit être très faible, et l'adoucissement sur résine est insuffisant, l'adoucissement par osmose inverse est une alternative à la déminéralisation sur résines.
Les membranes utilisées sont sensibles à la température et au pH de l'eau. La température de l'eau doit être <30°C. Le domaine de pH acceptable dépend de la nature de la membrane:
 - 4 à 7 pour une membrane en acétate de cellulose
 - 4 à 11 pour une membrane en polyamide
La proportion d'eau adoucie récupérée est généralement de 70 à 90% de l'eau d'alimentation.
95 à 99% de la dureté de l'eau brute est éliminée. On peut attendre une conductivité <1µS/cm.

Déminéralisation par électrodésionisation (EDI)

L'électrodésionisation est un procédé qui combine l'électrodialyse et l'adsorption d'ions sur résine échangeuse.
Il fut introduit dans les années 1950 en procédé discontinu pour la concentration de sels de solutions diluées, puis dans les années 1980 en procédé continu pour, entre autres, la production d'eau déminéralisée de haute pureté.
Pour la production d'eau alimentaire pour générateurs de vapeur, elle vient en complément d'un adoucissement par osmose inverse. Elle permet en particulier d'atteindre une très faible teneur en silice (<5ppb) nécessaire pour la production de vapeur haute pression.

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