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 dissous 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 (CO
3--,
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
++ → R
2,M
+ 2H
+
2R,OH + A
- - → R
2,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 dissous 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.