Septembre 2001 n°60
Les techniques de purification
VIVENDI WATER STI - ELGA
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1/ La distillation
La distillation est un processus bien connu par lequel l'eau est chauffée jusqu'à évaporation ; la vapeur est ensuite condensée, puis collectée.
En milieu industriel, les distillations à multiples effets ou par thermocompression sont des techniques de haute fiabilité destinées à produire des eaux apyrogènes pour la partie des process pharmaceutiques qui fabrique des préparations pour injectables (PPI).
Selon la conception du distillateur, l'eau produite a une résistivité proche d'1 MW cm. Elle est stérile si elle est utilisée immédiatement. Mais la distillation n'est pas une méthode de production "à la demande" ; de ce fait, une partie de l'eau distillée doit être stockée pour un usage ultérieur.
Les stockages doivent être spécifiquement conçus afin de protéger l'eau distillée de toute recontamination par les impuretés véhiculées dans l'air ambiant (bactéries, composés volatiles : CO2, ammoniac…). En outre, les matériaux utilisés lors du stockage doivent être inertes afin d'éviter toute contamination ionique et organique par les parois du contenant.
Le problème de la prolifération bactérienne, favorisé par la stagnation de l'eau, demeure cependant et ne peut être écarté, pas même par l'utilisation de stockages stériles autoclavables qui seront exposés dès leur ouverture.
Enfin, l'utilisation d'un distillateur exige souvent l'installation d'un prétraitement pour éviter la précipitation des minéraux, l'entartrage et donc les maintenances répétitives qui ne font qu'accroître un coût de production déjà élevé.
2/ La déminéralisation
La déminéralisation est une technique couramment utilisée en laboratoire pour produire de l'eau purifiée à la demande.
Elle résulte d'un passage de l'eau brute sur un lit de petites particules sphériques (les grains de résine) qui entraînent l'échange de cations par des ions hydrogènes (H+) et des anions par des ions hydroxyles (OH-).
- Les déminéralisateurs à lits mélangés se composent d'une cartouche de résines échangeuses d'ions, rechargeable en station de régénération pour les gros volumes ou jetable pour les petits.
- Plus fréquemment utilisée en milieu industriel, la déminéralisation à lits séparés met en œuvre des résines cationiques dans une première colonne, et anionique dans une seconde colonne. Lorsque les résines sont saturées, elles sont régénérées à l'acide chlorhydrique dilué (pour les cations) et à l'hydroxyde de sodium (pour les anions).
Contrairement à la distillation, la déminéralisation permet une production à la demande et l'obtention d'une résistivité élevée jusqu'à 18,2 M½ cm à 25°C après l'élimination de toute la fraction ionique sur des résines hautement régénérées.
Les résines échangeuses d'ions sont parfois couplées à une post-filtration, afin d'éliminer les particules issues de la résine. De même, une circulation rapide de l'eau et des régénérations fréquentes permettent d'éviter la contamination des résines par un développement bactérien.
Notons que les composés organiques polaires (piégés par la déminéralisation) et parfois les organiques dissous colmatent la résine échangeuse et en diminuent la capacité. Quand les applications réclament une eau pure en fraction organique et inorganique, une combinaison des technologies d'osmose inverse et de déminéralisation est particulièrement efficace.
3/ L'osmose inverse
Pour comprendre l'osmose inverse, expliquons tout d'abord le phénomène d'osmose.
C'est un phénomène naturel qui se produit lorsque l'on sépare une solution diluée d'une solution concentrée par une membrane semi-perméable.
L'eau, sous l'action d'une force générée par le gradient de concentration, passe à travers la membrane, de la solution la moins concentrée vers la solution la plus concentrée. Ce passage se fait jusqu'à ce que la solution concentrée soit diluée. La pression empêche alors tout passage ultérieur (c'est l'équilibre osmotique).
Si une pression supérieure à la pression osmotique est appliquée du côté de la solution concentrée, le sens normal du flux osmotique est inversé ; l'eau pure passe à travers la membrane, de la solution la plus concentrée vers la solution la moins concentrée. Elle est ainsi séparée de ses contaminants ; principe de base de l'osmose inverse.
En pratique, l'eau brute est poussée dans un tube sous pression, qui contient une membrane spiralée ou un ensemble de fibres creuses semi-perméables. L'eau est purifiée en passant à travers la membrane et forme le "perméat". Les contaminants s'accumulent dans l'eau résiduelle, appelée le "concentrat", évacué en continu à l'égout.
Les dernières générations de membranes d'osmose inverse, en composite à base de polyamide, éliminent 90 à 98% des inorganiques, des éléments non ioniques et des molécules organiques dont le poids moléculaire est supérieur à 100 Da. Les gaz dissous ne sont pas éliminés. Le tableau ci-contre compare les performances de membranes polyamides, asymétriques ou composites, et des membranes cellulosiques.
Les deux types de membranes en polyamide ont une efficacité supérieure à la membrane cellulosique. On note également que la membrane en composite élimine mieux les organiques que l'asymétrique, et que son action sur les ions inorganiques et la silice est meilleure.
Pour toutes ces raisons, l'usage des membranes composites en couche mince a été généralisé depuis de nombreuses années sur les appareils d'osmose inverse.
L'osmose inverse est une technologie très performante dans un système de purification d'eau, puisqu'elle le protège également des bactéries et des pyrogènes. On la combine souvent avec l'échange d'ions pour en augmenter la durée de cycle et pour produire une eau comportant peu d'organiques. Le passage sur membrane permet d'obtenir une eau de haute qualité microbiologique.
4/ L'adsorption sur charbon actif
Le charbon actif, issu notamment de la noix de coco ou du charbon, élimine le chlore par un procédé catalytique, et les organiques dissous par adsorption. Il peut être placé à deux endroits distincts.
En amont de l'osmoseur, un charbon actif de type granulaire protège les membranes du chlore et du colmatage par les organiques dissous. Placé dans un système de polissage avant l'échange d'ions final, il permet d'éliminer les organiques dissous…
5/ La microfiltration
Les membranes de filtration microporeuses opposent une barrière physique au passage des particules et des micro-organismes, avec un seuil de filtration absolu de 1,0 à 0,1 micron ; certains systèmes incorporent aujourd'hui des "ultramicrofiltres" avec un seuil de filtration à 0,05 micron.
La plupart des eaux brutes contient des colloïdes qui présentent un léger potentiel négatif (mesuré par le potentiel Zeta). L'efficacité des filtres peut être améliorée en utilisant des microfiltres incorporant une surface modifiée qui va attirer et retenir ces colloïdes, généralement plus petits que les pores de la membrane.
Les microfiltres avec un seuil de filtration absolu de 0,2 micron sont couramment utilisés dans les systèmes de traitement d'eau. Ils piègent les contaminants particulaires tels que les bactéries et les "fines" de carbone des cartouches d'adsorption organique et des résines échangeuses d'ions.
Il est très important de prendre en considération le positionnement du microfiltre au sein du système. Dans bien des systèmes classiques, le filtre submicronique est placé au point de puisage, avec l'idée que le dernier filtre à travers lequel passe l'eau avant son utilisation doit être le plus fin possible.
Cette approche semble logique, jusqu'à ce que l'on prenne en considération le fait que les bactéries prolifèrent dans l'eau stagnante et les surfaces humides. Si un filtre submicronique est placé dans un "bras mort", en dehors d'une boucle de recirculation, les bactéries peuvent se développer et relarguer des endotoxines au-delà du point de puisage.
La solution à ce problème est d'inclure le microfiltre dans une boucle de recirculation afin d'éliminer les bactéries de façon continue. Des microfiltres doivent également être placés aux points sensibles d'utilisation pour avoir une protection absolue, et pour éviter une recontamination du système.
6/ L'ultrafiltration
Cette technique utilise une membrane de nature assez proche des membranes d'osmose, mais qui est rendue poreuse. La gamme de diamètres des pores peut être de 0,0001 à 0,02 micron.
Les ultrafiltres peuvent être utilisés de la même manière que les membranes microporeuses. Leur efficacité est améliorée si une partie de l'eau d'alimentation est utilisée pour rincer de façon tangentielle la membrane, afin d'éviter l'accumulation de contaminants et le développement de bactéries.
Sur la base de ce concept, l'ultrafiltration est une technologie idéale pour assurer la production en continu d'une eau ultra pure au niveau particulaire, bactérien et endotoxine.
7/ La photo-oxydation
La photo-oxydation utilise une radiation ultraviolette de haute intensité pour détruire les bactéries et les autres micro-organismes, mais également pour couper et ioniser les composés organiques afin de faciliter leur élimination ultérieure par échange d'ions. La radiation de 254 nm a la plus grande action bactéricide, alors que les radiations à plus courtes longueurs d'onde sont plus efficaces pour l'oxydation des organiques (185nm).
8/ L'électrodésionisation
L'électrodésionisation (EDI) est un procédé de purification électrique mettant en jeu une combinaison de résines échangeuses d'ions avec des membranes sélectives d'ions.
Le principe de l'EDI utilise une cellule électrolytique dans laquelle deux types de membranes sélectives d'ions - membrane perméable cationique et membrane perméable anionique - ont été placées entre les électrodes.
L'intérieur de la cellule comprend une solution contenant des ions et lorsqu'un potentiel électrique de source continue est appliqué à ses bornes, les cations sont attirés vers la cathode chargée négativement et les anions sont attirés vers l'anode chargée positivement. Cependant, les cations peuvent passer à travers la membrane perméable cationique, mais pas dans la membrane perméable anionique. Inversement, les anions peuvent traverser la membrane anionique, mais pas la membrane cationique. Ainsi l'eau obtenue dans la partie centrale est efficacement désionisée, puisque les ions ont migré de manière irréversible en direction des électrodes sous l'influence d'un champ électrique et se sont concentrés sur les parties adjacentes.
En pratique, les systèmes d'électrodialyse commercialisés se composent de plusieurs chambres de dilution et de concentration, séparées en alternance de membranes perméables anioniques et cationiques, maintenues entre deux électrodes de charges opposées.
Cependant, les électrodialyses ne peuvent être utilisées que pour produire de l'eau désionisée de basse qualité avec une conductivité de 200 µS/cm au plus ; une puissance électrique plus importante serait bien entendue nécessaire pour diriger les ions à travers une eau ayant un niveau de pureté de plus en plus haut.
Ce problème est résolu en remplissant l'espace entre les deux membranes avec de la résine échangeuse d'ions. Les résines fournissent un flux conductif pour la migration des ions, permettant à la désionisation d'être maximale, donnant comme résultat la production d'une eau de haute pureté. L'électrolyse de l'eau en continu, agissant dans le module, produit des ions H+ et OH-. Ces ions maintiennent les résines à un haut niveau de régénération supprimant le besoin d'une régénération chimique.
Les résines utilisées dans les systèmes EDI peuvent être soit un mélange de billes anioniques et cationiques (lits mélangés), soit des lits séparés de deux types de résine.
La qualité d'eau produite par ce type de procédé est augmentée par des passages multiples dans lesquels l'eau "pré-purifiée" est dirigée à travers deux séries de modules. En général, l'eau produite atteint une résistivité de 10 à 15 MW cm (à 25°C) avec une teneur en carbone organique totale inférieure à 20 ppb.
Le niveau de bactéries est minimisé par les conditions électrique et chimique de fonctionnement du système qui inhibent la pousse de micro-organismes. L'EDI, particulièrement lorsqu'elle intègre des lits mélangés anioniques et cationiques (tels le procédé CDI‘ de VIVEDI WATER ELGA), complète à la fois les systèmes d'échange d'ions conventionnels et les systèmes à membrane d'osmose inverse. Elle domine le traitement d'échange d'ions conventionnel par sa régénération continue de résine supprimant la nécessité de stocker, de manipuler et d'utiliser des produits chimiques de régénération agressifs.
L'EDI fonctionne normalement en binôme avec l'osmose inverse et fournit une alternative intéressante par rapport aux autres méthodes de purification. Ce procédé peut être utilisé pour des réactifs de laboratoire et pour des procédés industriels ; il est de plus en plus employé pour des applications pharmaceutiques et de biotechnologies…