II. Influence des paramètres opératoires
sur les performances du système
d'osmose inverse
Une série de quatre expériences (voir tableau 3)
a été menée dans le but de mettre en évidence
l'influence des paramètres opératoires (à savoir la
pression d'attaque, la concentration, la température et le débit
de la solution d'alimentation) sur les performances du système de
dessalement par osmose inverse. Pendant chaque expérience de deux
heures, quatre prises ont été faites avec une fréquence de
30 minutes. Pour chaque prise, cinq échantillons ont été
prélevés (2 pour mesurer le volume du perméat
Vp, 1 pour la conductivité du retentât, 1 pour la
conductivité du perméat et 1 pour la conductivité de
l'alimentation). Sachant que la température de la solution
d'alimentation augmente avec le temps sous l'effet de la perte de
l'énergie des pompes sous forme de chaleur communiquée au fluide,
par effet joule, les
Mastère SAE 2010/2011
températures des prises ont été
sensiblement reproduites entre chaque expérience en contrôlant la
température de l'alimentation par un circuit de refroidissement à
l'eau de robinet.
Tableau 3: Conditions opératoires fixées
pour évaluer les performances du système d'OI
|
Expérience
|
Concentration NaCl (g/l)
|
Débit d'alimentation Qa
(L/h)
|
Pression d'attaque P (bar)
|
|
1
|
6
|
150
|
10
|
|
2
|
6
|
150
|
14
|
|
3
|
6
|
200
|
14
|
|
4
|
12
|
200
|
14
|
Les performances du système d'osmose inverse sont
déterminées grâce aux indices suivants:
Le taux (facteur) de conversion : FC= (Qp/Qa)*100
avec Qp : débit du perméat, Qa : débit
d'alimentation. Qp et Jp (L/h.m2) sont calculés de
la même façon que précédemment (Qp=Vp/t et J=
Qp/S).
Cp
Ca Cr
Le facteur de séparation (ou taux de rétention)
: FS=
*100 avec :
30
2
1
? Cp : concentration du perméat
? Ca : concentration de l'alimentation,
? Cr : concentration du retentât
La densité de flux spécifique (L/KWh) :
Jpsp= Jp/(E. FC) avec E (KWh):
l'énergie
consommée par heure.
L'indice de performance : Y = J*FS en
L/(h.m2)
L'indice de performance spécifique: Ysp =
Jpsp*FS en (L/KWh)
Pour déterminer les concentrations des échantillons
prélevés, nous avons procédé à :
Etalonnage de la conductivité
Le but de cet étalonnage est de ramener la
conductivité électrique, mesurée avec un
conductimètre, de tout échantillon de perméat ou de
rétentat prélevé à une température T,
à sa
Mastère SAE 2010/2011
valeur correspondant à la température standard
de 25°C. Les conductivités des solutions (en us/cm) ont
été ainsi étalonnées en fonction de la
température en se référant à deux solutions
commerciales de KCl (Delta OHM) 0.1 M (forte concentration) et 0.01 M (faible
concentration) où figurent sur les bouteilles les valeurs des
conductivités à différentes températures. Deux
courbes (fig 22 et 23), liant la conductivité à la
température, ont été tracées donnant chacune,
grâce à un polynôme de 4ème degré,
deux équations permettant de calculer la conductivité des
solutions à faible ou forte concentration à n'importe quelle
température. La conductivité de chaque échantillon
mesurée à une température T est ainsi ramenée
à la température standard (25 0 C) de la
manière suivante :
X25 = XT + f avec
: ÷25 conductivité (us/cm) à 25 °C, ÷T
conductivité mesurée à la
température T de prélèvement de
l'échantillon (en us/cm) et f facteur de
correction calculé de la manière suivante :
f = ÷cal - C avec ÷cal
conductivité théorique (us/cm) calculée par le
polynôme à la
température T de prélèvement de
l'échantillon et C : valeur de la conductivité
à 25 °C (1413 us/cm pour KCl 0.01 M ou 12880 us/cm pour KCl
0.1M).
0 5 10 15 20 25 30 35
Temperatures (SC)
y = -9E-05x4 + 0,004x3 - 0,000x2
+ 24,00x + 775,8
R2 = 1
1500
1000
500
0
conductivité (us/cm)
2000
Fig. 22: Courbe d'étalonnage de la
conductivité pour faible concentration
|
Conductivités (ìS/cm)
|
16000
|
y = 7E-06x4 - 0,007x3 + 1,000x2
+ 208,7x + 7150,
R2 = 1
|
|
14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000
0
|
|
|
0 5 10 15 20 25 30 35
Températures (0C) 31
|
32
Mastère SAE 2010/2011
Fig. 23: Courbe d'étalonnage de la
conductivité pour forte concentration
Calcul des concentrations
La concentration de chaque échantillon est
calculée en fonction de la conductivité grâce à une
courbe d'étalonnage (fig 24) donnant un polynôme de
4ème degré liant la concentration à la
conductivité ramenée à 25 0 C. Pour cela, une
gamme étalon de concentrations de NaCl (sel utilisé lors des
expériences) allant de 0 (eau distillée) à 14 g/l ont
été préparées et leurs conductivités ont
été mesurées à la température ambiante du
laboratoire ( 250 C).
y = 6E-05x4 - 0,002x3 +
0,031x2 + 0,483x - 0,031
R2 = 0,999
12
10
8
6
4
2
0
16
14
0 5 10 15 20 25
conductivité (us/cm)
concentration (g/L)
Fig. 24 : Courbe d'étalonnage de la
concentration à 25 0C
1. Effet de la température sur le flux de
perméat Jp et sa qualité
Les densités du flux de perméat Jp
ont pu être calculées à différentes
températures conformément aux conditions opératoires
fixées dans le tableau 2. Les résultats sont donnés par le
tableau ci-dessous (tableau 4) :
Tableau 4 : Valeurs de Jp à différentes
températures
|
Temps (h)
|
0.5
|
1
|
1.5
|
2
|
|
T (°C)
|
32
|
36
|
39
|
41
|
|
Jp1 (L/h.m2)
|
16,35
|
18,9
|
20,4
|
20,7
|
|
Jp2 (L/h.m2)
|
25,2
|
28,2
|
29,25
|
30,9
|
|
Jp3 (L/h.m2)
|
23,85
|
27,15
|
28,65
|
29,55
|
|
Jp4 (L/h.m2)
|
15,15
|
16,8
|
18
|
18,6
|
Mastère SAE 2010/2011
Ces valeurs montrent bien que le flux de perméat
augmente avec la température. Par exemple, pour la première
expérience, le flux passe de 16.35 L/(h.m2) à T =
32°C à 20.7 L/(h.m2) à T = 41°C soit une
augmentation de 0.48 L/h.m2 par °C ou bien une augmentation de
2.93% par °C. Cette valeur demeure proche de celle donnée par
Maurel (2005) qui a constaté une augmentation de la densité de
flux de perméat d'environ 3% par degré Celsius. Cette
augmentation du flux de perméat est liée à l'augmentation
de la perméabilité au solvant de la membrane avec la
température, comme déjà expliqué dans le premier
paragraphe de ce chapitre.
Quant à l'effet de la température sur la
qualité du perméat, nous avons suivi l'évolution de la
sélectivité de la membrane en fonction de la température.
Les valeurs du facteur de séparation (taux de rétention), aux
différentes températures enregistrées, sont données
par le tableau 5 :
Tableau 5 : Valeurs du FS à différentes
températures
|
Temps (h)
|
0.5
|
1
|
1.5
|
2
|
|
T (°C)
|
32
|
36
|
39
|
41
|
|
FS1 (%)
|
96,16
|
95,62
|
95,44
|
95,14
|
|
FS2(%)
|
96,83
|
96,19
|
95,82
|
95,52
|
|
FS3(%)
|
96,76
|
96,20
|
95,90
|
95,79
|
|
FS4(%)
|
94,98
|
94,72
|
94,60
|
94,38
|
Ces résultats montrent que le facteur de
séparation évolue d'une manière inversement
proportionnelle à la température, pour toutes les
expériences réalisées sur l'unité pilote d'OI. En
effet, la sélectivité de la membrane semble diminuer lorsque la
température augmente. Toutefois, cette diminution reste infime. Par
exemple, pour la dernière expérience, le facteur de
séparation a diminué de 0.6 % lorsque la température a
passé de 32 à 41°C, soit une diminution de 0.07% par
°C. La diminution de la sélectivité de la membrane traduit
une augmentation de la conductivité du perméat donc un passage de
solutés à travers la membrane. En effet, la diffusivité
aussi bien de l'eau que des solutés augmente avec la
température.
33
| 
