L'eau ultrapure est une eau à partir de laquelle les ions conducteurs, les colloïdes, la matière organique et autres impuretés ont été complètement éliminés, avec une résistivité de l'eau produite supérieure à 18 MΩ·cm (à 25°C). Les systèmes d'eau ultrapure utilisent généralement des technologies de prétraitement, l'osmose inverse (OI), l'électrodéionisation (EDI) et des processus de post-traitement, souvent complétés par des traitements auxiliaires comme les lampes UV et les unités d'élimination du COT (Carbone Organique Total).
Processus de production d'eau ultrapure :
Le processus standard est le suivant : Eau du robinet → Système de prétraitement → Système d'OI haute pression multi-étapes → Système EDI → Unité d'élimination du COT → Système de lit mixte de polissage → Point d'utilisation (POU). Pendant la production, les pompes servent de source d'énergie, et les réservoirs de stockage à différents stades assurent un fonctionnement sûr et stable des pompes. L'ajout de filtres de différents grades à des points spécifiques garantit la qualité de l'eau produite.
De plus, pendant le fonctionnement des filtres, divers produits chimiques peuvent être ajoutés pour ajuster le pH de l'eau, réduire le chlore résiduel et ralentir l'entartrage des membranes d'OI, etc. Dans les régions nordiques plus froides en hiver, des échangeurs de chaleur peuvent être ajoutés à l'entrée du système de prétraitement pour augmenter la température de l'eau du robinet afin de répondre aux exigences du processus.
En outre, la purge du réservoir de stockage d'eau ultrapure avec de l'azote gazeux est cruciale pour isoler l'eau de l'atmosphère et prévenir la contamination secondaire.
Importance du prétraitement :
1. Exigences de l'eau d'alimentation de la membrane d'OI :
Le système d'OI est le composant le plus critique dans la production d'eau ultrapure. Son bon fonctionnement assure la sécurité de l'ensemble du système d'eau pure et la qualité de l'eau produite. Les systèmes d'OI ont des exigences spécifiques en matière d'eau d'alimentation :
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Indice de densité des boues (IDB) < 4,0
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Turbidité (NTU) < 1,0
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Teneur en matière organique (DCO) < 1,5 mg/L
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Teneur en chlore résiduel < 0,1 mg/L (idéalement contrôlé à 0 mg/L)
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Teneur en fer 5 mg/L
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Silice (SiO₂) dans le concentré < 100 mg/L
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Indice de saturation de Langelier (ISL) : pHb - pHs < 0
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Ions sujets à la formation de sels insolubles (par exemple, Sr, Ba) : Produit ionique (Ipb) < 0,8 Ksp
2. Rôle du système de prétraitement :
Le système de prétraitement élimine le chlore résiduel, les grosses matières en suspension, les colloïdes floculés, la matière organique, les oxydes, les composés organiques et les métaux lourds de l'eau avant qu'elle n'entre dans le système d'OI, réduisant ainsi les valeurs de DCO et d'IDB.
De plus, des ions comme le calcium, le magnésium, le baryum, les sulfates, les silicates et les carbonates peuvent être complexés en ajoutant des inhibiteurs de tartre pour former des particules plus grosses, qui sont ensuite rejetées sous forme de concentré de l'unité d'OI.
(1) Impact des dysfonctionnements du système sur les membranes d'OI :
Comme indiqué dans la section sur le prétraitement, la grande majorité des macromolécules nocives sont éliminées par le système de prétraitement avant d'atteindre les membranes d'OI. Si le système de prétraitement est déficient et que plusieurs paramètres de l'eau d'alimentation de l'OI ne sont pas conformes, des dommages physiques et chimiques irréversibles aux éléments de la membrane d'OI peuvent se produire, ce qui réduit considérablement leur durée de vie. Les facteurs affectant la durée de vie de la membrane d'OI comprennent :
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Entartrage de la membrane d'OI
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Encrassement de la membrane d'OI par les oxydes métalliques
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Blocage de la membrane d'OI par les matières en suspension
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Encrassement par les colloïdes, les matières organiques et les micro-organismes, entraînant une augmentation de la DCO de l'eau produite.
(2) Impact des dysfonctionnements du système sur le système d'eau ultrapure d'OI :
Les dysfonctionnements du système de prétraitement affectent l'ensemble du système d'eau ultrapure d'OI de trois manières principales :
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Réduit le rendement et la qualité de l'eau produite par le système.
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Augmente la consommation d'eau et d'énergie de l'équipement d'OI.
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Augmente les coûts d'exploitation, y compris les dépenses liées aux inhibiteurs de tartre et autres produits chimiques de traitement de l'eau.
Principes de fonctionnement des systèmes UF et charbon actif :
Les systèmes de prétraitement courants en pratique comprennent les systèmes d'ultrafiltration (UF) et les systèmes à charbon actif. Un système UF se compose généralement d'un filtre à disques et d'une unité UF. Un système à charbon actif comprend généralement un filtre multimédia (FMM) et un filtre à charbon actif (FCA).
1. Principe de fonctionnement du système UF :
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Filtre à disques : Fonctionne par filtration de surface et en profondeur à l'aide de disques en plastique étroitement tassés. Élimine principalement les grosses particules comme le sable et le limon.
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Ultrafiltration (UF) : Une technologie de séparation membranaire sous pression. Sous pression, les petites molécules de soluté et le solvant traversent une membrane avec des tailles de pores spécifiques, tandis que les plus grosses molécules de soluté (poids moléculaire 10 000 - 30 000 Da) sont retenues, purifiant partiellement la solution en éliminant les macromolécules. (Voir le schéma Fig 1 pour le principe de l'UF).
2. Principe de fonctionnement du système à charbon actif :
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Filtre multimédia (FMM) : Utilise un ou plusieurs médias filtrants (par exemple, sable de quartz, anthracite, sable manganésifère) sous pression. L'eau à forte turbidité traverse un lit de matériau granulaire, éliminant efficacement les matières en suspension et clarifiant l'eau. Il réduit l'IDB à moins de 3 et est utilisé pour l'élimination de la turbidité et comme prétraitement pour l'eau adoucie/pure.
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Filtre à charbon actif (FCA) : L'eau provenant du FMM entre dans le FCA, qui contient un lit de sable de quartz supportant le média de charbon actif. Le charbon actif élimine le chlore résiduel, la matière organique et les impuretés en suspension principalement par adsorption physique (forces de van der Waals) au sein de son vaste réseau de pores.
Avantages et inconvénients des systèmes UF et charbon actif :
Chaque type de système de prétraitement présente ses avantages et ses inconvénients pendant le fonctionnement.
Système d'ultrafiltration (UF) :
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Avantages :
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Facteur de concentration élevé, le taux de récupération de l'eau produite peut dépasser 90 %.
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Excellente clarté et qualité de l'eau produite.
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En tant que prétraitement d'OI, l'UF réduit considérablement les coûts d'investissement en OI et prolonge la durée de vie de la membrane d'OI (à plus de 3 ans).
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Niveau d'automatisation élevé, structure simple, faibles coûts d'exploitation/maintenance ; capable de lavage à contre-courant en ligne et de nettoyage chimique (CIP).
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Faible encombrement.
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Inconvénients :
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Les tailles de pores des membranes UF (0,002 - 0,1 μm) couvrent une large gamme de filtration (colloïdes ≥0,1 μm, latex ≥0,5 μm, bactéries ≥0,2 μm, particules ≥5 μm). Certains composants sont sujets au colmatage pendant le fonctionnement, affectant le débit et la durée de vie de la membrane.
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Coût d'investissement initial plus élevé (généralement 2 à 3 fois le coût d'un système FMM+FCA pour la même capacité).
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Exigences strictes en matière de pression de l'eau d'alimentation.
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Ne peut pas être arrêté pendant de longues périodes ; les membranes nécessitent une conservation chimique pour une inactivité à long terme.
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Système à charbon actif :
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Avantages :
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Coût d'investissement initial plus faible.
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Débit d'eau stable ; moins sensible aux variations de pression de l'eau d'alimentation.
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Inconvénients :
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Grand encombrement.
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Pendant le fonctionnement, le charbon actif et l'anthracite subissent des réactions physiques/chimiques, entraînant une consommation naturelle, l'épuisement de la capacité d'adsorption et la détérioration de la qualité de l'eau produite, ce qui a un impact négatif sur le système d'OI en aval.
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Le cycle de lavage à contre-courant pour le FCA est difficile à contrôler et souvent court. Un lavage à contre-courant insuffisant entraîne une fuite de fines de carbone, contaminant gravement la qualité de l'eau et l'équipement en aval. Un lavage à contre-courant peu fréquent provoque une forte pression différentielle à travers le filtre, ce qui pose des risques opérationnels et réduit le débit.
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Coûts d'exploitation et de maintenance à long terme élevés, charge de travail importante ; les médias filtrants ont une courte durée de vie (nécessite un remplacement annuel).
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