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Revue des techniques de purification de l’eau

» Distillation» Ultrafiltration
» Échange d'ions» Osmose inverse
» Charbon actif» Désionisation en continu Elix
» Filtres microporeux» Rayonnement ultraviolet (U.V.)
 
Les principales techniques de purification de l’eau sont décrites ci-dessous. Chacune présente ses avantages et ses limites. Certaines peuvent éliminer une large fraction de plusieurs contaminants, d’autres excellent dans l’élimination quasi-totale d’un type spécifique d’impureté. Pour amener tous les contaminants aux niveaux requis par les applications critiques, plusieurs techniques de purification doivent être combinées.
Distillation
La distillation est probablement la méthode de purification de l’eau la plus ancienne. Dans un premier temps, l’eau est chauffée jusqu’au point d’ébullition. La vapeur d’eau s’élève alors dans un condensateur, où de l’eau froide abaisse sa température. La vapeur ainsi condensée est collectée et conservée.


Distillation


De nombreux contaminants restent dans le ballon à distiller. Cependant, le procédé comporte ses limites :

  • Des contaminants inorganiques peuvent se propager le long du film d’eau qui se forme sur les parois internes du distillateur. Cela explique la présence d’ions dans le distillat, dont la résistivité se situe donc généralement entre 0,5 et 1 MΩ•cm à 25 °C (soit une contamination ionique totale de l’eau d’environ 500 ppb). Les contaminants proviennent également du verre (silice, sodium) ou du métal (étain, cuivre) du récipient utilisé pour chauffer l’eau.
  • Les substances organiques ayant un point d’ébullition inférieur à 100 °C sont automatiquement transférées au distillat. Même celles dont le point d’ébullition est supérieur à 100 °C peuvent se dissoudre dans la vapeur d’eau, et passer dans le distillat. De plus, de nouveaux composés organochlorés peuvent être produits par le processus de distillation, qui fournit l’énergie nécessaire pour que le chlore présent dans l’eau de ville (ajouté pour la décontamination) réagisse avec les substances organiques naturelles présentes dans cette eau. Cela explique le fait que le niveau de C.O.T. de l’eau distillée soit généralement de l’ordre de 100 ppb.
  • La distillation est un processus lent qui nécessite de conserver de l’eau pendant de longues périodes. Or ces périodes favorisent une recontamination par l’air ambiant (substances organiques et inorganiques volatiles, bactéries, particules et algues) et le récipient (matières organiques issues des réservoirs en plastique, ou ions issus des réservoirs en verre).
  • La distillation nécessite de grandes quantités d’énergie et d’eau, ce qui en fait un procédé coûteux. De plus, les distillateurs doivent être nettoyés régulièrement avec de l’acide chlorhydrique (HCl), une brosse et du papier abrasif, pour éliminer les contaminants accumulés durant la distillation.

Avantages
  • Eliminant un grand nombre de contaminants, ce procédé est intéressant comme première étape de purification.
  • Procédé réutilisable.
 
Limites
  • Des contaminants sont transmis au condensat.
  • Un entretien minutieux est nécessaire pour garantir la pureté.
  • La distillation consomme de grandes quantités d’eau de ville (pour le refroidissement) et d’énergie électrique (pour le chauffage).
  • Procédé peu écologique.

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Échange d'ions
Dans le procédé d’échange d’ions, l’eau percole à travers des billes de résines poreuses (les résines échangeuses d’ions). Les ions présents dans l’eau sont alors remplacés par d’autres ions, fixés sur les billes. Les deux méthodes d’échange d’ions les plus courantes sont l’adoucissement et la désionisation. L’adoucissement est principalement utilisé comme une méthode de prétraitement visant à réduire la dureté de l’eau avant un traitement par Osmose Inverse (OI). Les adoucisseurs contiennent des billes qui remplacent chaque ion calcium ou magnésium retiré de l’eau "adoucie" par deux ions sodium.


Désionisation

Les billes de désionisation (DI) échangent soit des ions hydrogène contre des cations, soit des ions hydroxyle contre des anions. Les résines échangeuses de cations, constituées de chaînes de polystyrène réticulé au divinylbenzène porteur de groupements sulfoniques sous forme acide, peuvent échanger un ion hydrogène contre tout cation rencontré (Na+, Ca++, Al+++). De même, les résines échangeuses d’anions, formées de chaînes de polymère de polystyrène porteuses de groupements ammonium quaternaire, peuvent échanger un ion hydroxyle contre n’importe quel anion (Cl-, NO3-, SO4--). L’ion hydrogène issu de l’échangeur de cations s’associe à l’ion hydroxyle de l'échangeur d’anions pour former de l’eau pure.

Les résines peuvent être conditionnées en échangeurs à lits séparés, des unités distinctes formant les lits d’échange de cations et d’anions. Elles peuvent également se présenter comme échangeurs à lits mélangés, contenant un mélange des deux types de résine. Cette dernière configuration élimine les ions plus efficacement et augmente la résistivité de l’eau.


Billes de résine échangeuse d'ions Jetspore		   La résine peut être "régénérée" par des acides et des bases forts une fois qu’elle a échangé tous ses ions hydrogène et/ou hydroxyle contre les contaminants chargés présents dans l’eau. Cette régénération inverse le processus de purification et remplace les contaminants fixés aux résines de désionisation par des ions hydrogène et hydroxyle. Toutefois, il s’agit d’un processus chimique agressif susceptible d’endommager les chaînes de polymères qui constituent les billes, et entraînant la contamination de la résine par des matières organiques et des particules, altérant ainsi la production d’eau purifiée.

Il existe deux solutions permettant de produire une eau ultra pure :

  • Utilisation de cartouches de résine échangeuse d’ions "vierge" à lits mélangés, formée de billes monosphériques à faible teneur en C.O.T. (par exemple la résine échangeuse d’ions Jetpore de Millipore) et à usage unique. Cette option est économiquement viable à condition que les cartouches soient alimentées en eau prétraitée de bonne qualité pour limiter leur fréquence de remplacement. Un prétraitement approprié doit éliminer la majeure partie des ions pour limiter les contaminants ioniques qui atteignent la cartouche de résine, mais également les substances organiques, les particules et les colloïdes. Ce prétraitement est nécessaire pour éviter la formation d’une couche sur les billes de résine colmatant les pores et empêchant les ions d’atteindre les sites de liaison ionique principalement situés à l’intérieur de la structure poreuse des billes.
  • Régénération des résines échangeuses d’ions par un procédé délicat et continu tel que l’électrodésionisation pour éviter d’endommager les billes de résine, et de relarguer des contaminants. Ce procédé a été mis au point par Millipore dans les années 1980.

Combinée à d’autres méthodes telles que l’osmose inverse, la filtration et l’adsorption par charbon actif, la désionisation peut constituer une étape clé du système de purification de l’eau. Les systèmes de désionisation éliminent efficacement les ions mais n’affectent pas les substances organiques et les micro-organismes. Ces derniers peuvent se fixer aux résines et s’y développer, libérant ainsi au fil du temps des contaminants tels que les pyrogènes. Les avantages et les limites de cette technologie sont résumés ci-dessous.

Avantages
  • Élimine efficacement les substances inorganiques dissoutes (ions), d’où des niveaux de résistivité atteignant 18,0 MΩ•cm à 25 °C (ce qui correspond à une contamination ionique de l’eau inférieure à 1 ppb).
  • Supports régénérables (par des acides et des bases par "service DI" ou par électrodésionisation).
  • Investissement initial assez modéré.
 
Limites
  • Capacité limitée : une fois tous les sites de liaison occupés, les ions ne sont plus captés (sauf dans le cas d’un processus d’électrodésionisation).
  • Cette technique n’est pas efficace pour l’élimination des substances organiques, des particules, des pyrogènes ou des bactéries.
  • Les lits de désionisation régénérés par un procédé chimique peuvent libérer des matières organiques et des particules.
  • Les résines "vierges" à usage unique nécessitent une eau prétraitée de bonne qualité pour être économiquement efficaces.

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Charbon actif

Charbon actif synthétique		   Le charbon actif est formé de particules organiques poreuses. La multitude de pores minuscules présentée par chaque particule leur confère une surface développée très importante. Ainsi, un gramme de charbon actif présente une surface développée pouvant atteindre 1 000 m². Les molécules organiques dissoutes dans l’eau peuvent pénétrer dans les pores pour se fixer à leurs parois grâce aux forces de Van der Waals. Le processus d’adsorption est contrôlé par le diamètre des pores du filtre à charbon et par le taux de diffusion des molécules organiques à travers les pores. Le taux d’adsorption est fonction de la taille et du poids moléculaires des substances organiques.

Le charbon actif utilisé pour la purification de l'eau se présente sous deux formes :
  • Le charbon actif naturel issu du traitement à haute température de produits végétaux, tels que des coques de noix de coco. Ce traitement produit une poudre fine formée de grains irréguliers. Le charbon actif naturel contenant une forte concentration de contaminants ioniques, il est réservé aux étapes de prétraitement, pour éliminer le chlore présent en excès dans l’eau de ville, et dans une certaine mesure, pour limiter la contamination organique.
  • Le charbon actif synthétique résulte de la pyrolyse contrôlée de billes sphériques de polystyrène. Ce matériau plus propre permet d’éliminer les traces de substances organiques de faible poids moléculaire.

Le charbon actif est généralement employé en complément d’autres traitements de purification. L’emplacement du charbon par rapport aux autres composants du processus de purification est un élément important à prendre en compte dans la conception d'un système de purification d’eau.


Adsorption par le charbon

Avantages

  • Élimination efficace des matières organiques dissoutes et du chlore.
  • Longue durée de vie due à une excellente capacité de liaison.
 
Limites
  • Les ions et les particules ne sont pas éliminés efficacement.
  • La capacité est déterminée par le nombre important mais limité, de sites de liaison.
  • Génération possible de résidus de charbon.


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Filtres microporeux
Les filtres microporeux peuvent être classés en trois catégories : filtres en profondeur, filtres de surface et filtres membrane. Les filtres en profondeur sont constitués de fibres ou de matériaux agrégés et compressés pour former une matrice capable de retenir les particules par adsorption ou piégeage. Les filtres de surface comportent plusieurs couches. Lorsqu’un fluide traverse le filtre, les particules dont le diamètre est supérieur aux espaces de la matrice filtrante sont retenues et s’accumulent principalement à la surface du filtre. Les filtres membrane sont des structures uniformes qui agissent comme un tamis et retiennent toutes les particules dont le diamètre est supérieur à la taille des pores, taille contrôlée avec précision.


Filtres en profondeur


Filtre membrane		      La distinction entre les filtres est essentielle car ils ont des fonctions très différentes. Les filtres en profondeur servent généralement au pré filtrage car ils constituent un moyen économique d’éliminer ≥ 98 % des solides en suspension et d’éviter le colmatage des éléments placés en aval. Leur grande capacité s’explique par le fait que les contaminants sont piégés et retenus dans l’épaisseur du filtre en profondeur. Les filtres de surface éliminent 99,99 % des matières solides en suspension et peuvent servir de pré filtres ou de filtres clarificateurs.


Les filtres membrane quant à eux (à membrane microporeuse) retiennent 100 % des contaminants dont le diamètre est supérieur à la taille de leurs pores. Ils se placent le plus en aval possible d’un système, pour éliminer les dernières traces de fragments de résine, de résidus de charbon, de particules colloïdales et de micro-organismes. Par exemple, les filtres à membrane Millipore de 0,22 µm, qui arrêtent toutes les bactéries, sont généralement utilisés pour stériliser les solutions intraveineuses, les sérums et les antibiotiques.


Avantages

  • Les filtres membrane sont des filtres absolus qui éliminent la totalité des particules et des micro-organismes dont le diamètre est supérieur à la taille des pores de filtration.
  • Efficacité garantie tout au long de la vie des filtres, s'ils sont endommagés.
  • Le seul entretien nécessaire est le remplacement.
 
Limites
  • Risque de colmatage de la surface par les contaminants. Il est donc préférable de les réserver à la dernière étape de purification, comme une précaution supplémentaire.
  • ls n’éliminent pas les matières inorganiques ou organiques dissoutes, ni les pyrogènes.
  • Ils ne se régénèrent pas.

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Ultrafiltration

Ultrafiltre		      Un filtre à membrane microporeuse arrête les particules en fonction de la taille de ses pores. Par contre, une membrane d’ultrafiltration agit comme un tamis moléculaire. Elle sépare les molécules dissoutes selon leur taille (on parle souvent de "poids moléculaire", or si les deux paramètres sont effectivement liés, il n’y a pas toujours de relation directe) en faisant passer une solution à travers un filtre d’une finesse infinitésimale.

L’ultrafiltre est une membrane dure et fine à perméabilité sélective qui arrête la plupart des macromolécules supérieures à une certaine taille (NMWL, limite de poids moléculaire nominal), y compris les colloïdes, les micro-organismes et les pyrogènes. Les molécules plus petites comme les solvants ou les contaminants ionisés traversent le filtre. L’ultrafiltration produit donc une fraction retenue (rétentat) riche en molécules de grande taille, et un filtrat contenant peu, voire aucune de ces petites molécules.

Les ultrafiltres sont proposés dans plusieurs gammes sélectives. Dans tous les cas, les membranes arrêtent la plupart, mais pas forcément la totalité des molécules de diamètre supérieur à leur taille nominale. Dans les opérations de purification de l'eau, les ultrafiltres sont généralement utilisés pour produire une eau exempte de pyrogènes et de nucléases, nécessaire aux cultures cellulaires sensibles ou aux expériences de biologie moléculaire. La clé est le processus de validation qui garantit que l’ultrafiltre, en présence de pyrogènes, de RNases ou de DNases en quantités bien supérieures aux niveaux potentiellement rencontrés dans des opérations ordinaires, sera en mesure de produire de manière fiable une eau filtrée conforme aux spécifications.

Avantages
  • L’ultrafiltration rejette efficacement la plupart des particules, pyrogènes, enzymes, microorganismes et colloïdes de diamètre supérieur à la taille nominale du filtre, et retient ces éléments à la surface de l’ultrafiltre.
  • Efficacité garantie tout au long de la vie des filtres, sauf s'ils sont endommagés.
  • La durée de vie des ultrafiltres peut être prolongée par un rinçage régulier et à haute vitesse.
 
Limites
  • Cette technique n’élimine pas les substances inorganiques ou organiques dissoutes.
  • Risque de colmatage par de grandes quantités de contaminants de poids moléculaire élevé.

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Osmose inverse

Osmose inverse		   L’osmose Inverse (OI) constitue la méthode la plus économique pour arrêter 95 à 99 % de tous les contaminants. La structure des pores des membranes d’osmose inverse est beaucoup plus étroite que celle des membranes d’ultrafiltration. Les membranes d’osmose inverse peuvent arrêter la quasi-totalité des particules, bactéries et matières organiques dont le poids moléculaire dépasse 200 Dalton (y compris les pyrogènes) avec un taux proche de 99 %. L’osmose naturelle se produit lorsque deux solutions de concentrations différentes sont séparées par une membrane semiperméable. La pression osmotique entraîne l’eau à travers la membrane : l’eau dilue la solution la plus concentrée pour parvenir à un équilibre des deux solutions.

Dans les systèmes de purification d’eau, une pression hydraulique appliquée à la solution concentrée s’oppose à la pression osmotique. L’eau pure est extraite de la solution concentrée à un débit proportionnel à la pression appliquée, puis est collectée en aval de la membrane.

Les membranes d’osmose inverse étant particulièrement restrictives, elles induisent de faibles débits par unité de surface. Il convient de prévoir des réservoirs de stockage pour produire le volume d’eau purifiée souhaité dans un délai raisonnable.

L’osmose inverse implique également un processus d’exclusion ionique. Seuls les solvants (c’est-à-dire les molécules d’eau) peuvent traverser les membranes d’osmose inverse semi-perméables, alors que la quasitotalité des ions et des molécules dissoutes est arrêtée (y compris les sels et molécules organiques telles que les sucres). La membrane semi-perméable arrête tous les sels (ions) grâce à un phénomène de charge : l’importance du rejet est directement proportionnelle à la charge. La membrane rejette donc presque tous (> 99 %) les ions polyvalents fortement ionisés, mais seulement 95 % des ions monovalents tels que le sodium. Le rejet des sels par la membrane augmente sensiblement avec la pression appliquée, jusqu’à 5 bars.

Différentes eaux d’alimentation peuvent nécessiter différents types de membrane d’osmose inverse. Les membranes sont fabriquées en acétate de cellulose ou en TFC de polyamide sur substrat de type polysulfone. Si le système de purification est sélectionné en prenant en compte les conditions spécifiques de l’eau d’alimentation et l’utilisation de l’eau purifiée produite, l’osmose inverse constitue la méthode la plus économique et la plus efficace de purification de l’eau de ville. Il s’agit également du meilleur traitement possible pour les systèmes de polissage de l’eau de qualité réactif.

Avantages
  • Élimine efficacement tous les types de contaminants jusqu’à un certain point (particules, pyrogènes, micro-organismes, colloïdes et matières inorganiques dissoutes), ce qui en fait une technique utile en première étape de purification.
  • Maintenance requise très faible.
  • Paramètres de fonctionnement faciles à contrôler (pression, température, débit, rejet ionique).
 
Limites
  • Le débit limité par unité de surface implique soit de disposer d’une plus grande surface de membrane soit d’un dispositif de stockage intermédiaire pour satisfaire la demande des utilisateurs.
  • Cette technique nécessite un prétraitement efficace pour éviter que la membrane ne soit endommagée par les contaminants présents dans l’eau : entartrage (dépôts de CaCO3 à la surface), colmatage (accumulation de matières organiques ou colloïdes à la surface) ou rupture (perçage de la membrane par des particules dures).


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Désionisation en continu Elix
Cette technologie combine électrodialyse et échange d’ions, en un processus qui élimine efficacement les ions présents dans l’eau, les résines échangeuses d’ions étant régénérées en continu par un courant électrique qui traverse le module. Cette régénération électrochimique remplace la régénération chimique des systèmes d’échange d’ions classiques.



Module ELIX

Le module Elix comporte un certain nombre de "cellules" intercalées entre deux électrodes. Chaque cellule est formée d’un cadre en polypropylène sur lequel est fixée une membrane perméable aux cations d’un côté, et une membrane perméable aux anions de l’autre.


L’espace au centre de la cellule, entre les membranes sélectives, est rempli d'un fin lit de résines échangeuses d’ions. Les cellules sont séparées par une membrane.

L’eau d’alimentation qui pénètre dans le module est répartie en trois canaux. Une petite partie coule sur les électrodes, 65 à 75 % traverse le lit de résine et le reste de l’eau passe le long du séparateur entre les cellules.

Les résines échangeuses d’ions capturent les ions dissous dans l’eau d’alimentation dans la partie supérieure de la cellule. Le courant électrique appliqué au module entraîne ces ions à travers la membrane sélective, vers les électrodes. Les cations traversent la membrane perméable aux cations vers la cathode ; les anions traversent la membrane perméable aux anions vers l’anode. Cependant les ions ne peuvent pas progresser jusqu’à leur électrode respective puisqu'ils rencontrent la membrane sélective adjacente, de charge opposée. Cela évite la migration des ions, qui se concentrent donc dans l’espace séparant les cellules. C’est pourquoi cet espace est baptisé "canal de concentration". Les ions qui s’y accumulent sont alors évacués du système dans le rejet.
Le canal qui traverse le lit de résine au centre de la cellule est appelé "canal de dilution". L’eau qui l’emprunte est progressivement désionisée. Dans la partie inférieure du canal de dilution où l’eau ne contient plus d’ions, la dissociation des molécules de H2O se produit dans le champs électrique. Les ions H+ et OH- régénèrent les résines échangeuses d’ions, ce qui évite de recourir à la régénération chimique.

Avantages

  • Élimine efficacement les matières inorganiques dissoutes, permettant d’atteindre des niveaux de résistivité supérieurs à 5 MΩ•cm à 25 °C (ce qui correspond à une contamination ionique totale de l’eau d’environ 50 ppb).
  • Procédé écologique :
    • pas de régénération chimique ;
    • pas d’élimination chimique ;
    • pas d’élimination des résines.
  • Fonctionnement économique.
  • Sécurité : pas d’élément chauffant.
 
Limites
  • Un nombre limité de substances organiques chargées sont rejetées.
  • Pour être économiquement efficace, ce procédé nécessite une eau d’alimentation de bonne qualité (par exemple une eau traitée par osmose inverse).


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Rayonnement ultraviolet (U.V.)
Le rayonnement ultraviolet est largement utilisé comme traitement germicide de l’eau. Des lampes au mercure basse pression génèrent un rayonnement U.V. à des longueurs d'onde de 185 et 254 nm. Les lampes U.V. à cellule de quartz ordinaire permettent la diffusion de la lumière à 254 nm. Ces lampes ont une action efficace de décontamination de l'eau. L’adsorption des U.V. par l’ADN des cellules microbiennes provoque l’inactivation des micro-organismes.

Les lampes U.V. dotées d'une cellule de quartz très pur permettent la diffusion de rayonnement U.V. à 185 et 254 nm. Cette combinaison de longueurs d’ondes assure la photo-oxydation des composés organiques, qui se traduit à terme par la transformation des substances organiques dissoutes en dioxyde de carbone. Ces lampes spéciales permettent de réduire le niveau de Carbone Organique Total (C.O.T.) à moins de 5 ppb dans l’eau ultra pure.



Rayonnement ultraviolet

Avantages

  • Traitement décontaminant efficace.
  • Oxydation des composés organiques (à 185 et 254 nm) conduisant à des niveaux de C.O.T. dans l’eau inférieurs à 5 ppb.

Limites
  • La photo-oxydation des matières organiques constitue une étape de polissage qui ne réduit le niveau de C.O.T. que d’une valeur limitée.
  • Le CO2 produit par la photo-oxydation réduit la résistivité de l’eau puisqu'il réagit avec l'eau pour produire du H2CO3 qui se décompose en ions HCO3- et H+.
  • Le rayonnement U.V. n’affecte ni les ions, ni les particules, ni les colloïdes.


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