L’Electrodialyse

L’électrodialyse est un procédé électrochimique qui permet d’extraire les ions (atomes chargés positivement ou négativement) d’une une solution en les déplaçant. Par exemple, par électrodialyse, on peut extraire les ions Na+ et Clde l’eau de mer. Ce procédé fonctionne avec un appareil nommé électrodialyseur dont nous allons vous expliquer le fonctionnement.

1 – Fonctionnement

Un électrodialyseur est constitué d’un grand nombre de compartiments alimentés électriquement en série, et hydrauliquement en série ou en parallèle.

Ces compartiments sont séparés par des membranes. L’extraction des ions se fait par migration de ces derniers à travers les membranes dites « sélectives » (qui sont soit anioniques, soit cationiques) sous l’action d’un champ électrique. Ainsi, seuls les anions (chargés négativement) peuvent traverser les membranes anioniques et seuls les cations (chargés positivement) peuvent traverser les membranes cationiques. En plaçant alternativement une membrane cationique et une membrane catiodique, puis en créant une charge positive à une extrêmitée de l’électrodialyseur et une charge négative de l’autre, on va attirer les anions vers la charge négative et les anions vers la charge positive, piègeant ainsi dans certains compartiments les ions qui sont alors retirés de la solution dans les autres compartiments.

C1 et C2 : membranes cationiques // A1 et A2 : membranes anioniques.

Ainsi, le compartiment où il y a l’eau douce à la fin est appelé « compartiment de dilution » et le compartiment où l’on récupère la saumure (solution aqueuse très concentrée en sel) est appelé « compartiment de concentration ».

2 – Pré-Traitement

Souvent, il est nécessaire d’effectuer un pré-traitement avant l’électrodialyse car les solides en suspension avec un diamètre supérieur à 10 mm doivent être éliminés pour ne pas risquer de boucher les pores de la membrane. Seuls les ions sont éliminés dans l’électrodialyse ; les matières en suspension (MES) ne sont pas arrêtées par le procédé, et ne font qu’encrasser les membranes, d’où la necessité d’un prétraitement de l’eau pour la débarasser des MES qui sont capables de neutraliser la membrane comme par exemple les anions organiques de grande taille, les oxides de fer et de manganèse. Ils perturbent l’effet sélectif de la membrane. En principe une filtration préalable, bien exploitée, est sufisante. Elle peut être précédée d’une floculation, ceci étant fonction des caractéristiques physico-chimiques de l’eau à traiter. Il est donc nécessaire, pour obtenir une électrodialyse fiable, de procéder à une étude approfondie de l’eau utilisée pour en connaître précisemment la composition. De plus, et comme c’est le cas pour tous les traitements d’eaux, une analyse ponctuelle est insufisante, et il est nécessaire de procéder a une campagne d’échantillonnage dont la durée et la fréquence des prélèvement sont à fixer au cas par cas.

Les traitements préalables de l’eau d’alimentation (cela est aussi valable pour les pré-traitement de l’osmose inverse) doivent permettre d’éviter les dégradations dues :

  • Au colmatage des membranes.

  • Aux fortes pressionaux produits oxydants.

  • Aux micro-organismes.

  • A la précipitation des sels minéraux.

Les substances non ionisées (qui n’ont pas de charge électrique) qui sont dissoutes dans la solution ont leur teneur qui reste la même durant l’électrodialyse, car le courant électrique n’a aucune influence.

L’électrodialyse ne doit être appliquée qu’aux composants ioniques entre les deux seuils de concentration minimum et maximum, pour éviter la cristallisation ou une trop grande résistance ohmique. Il ne faut pas essayer de dépasser la valeur des courants limites : des phénomènes secondaires comme le colmatage (obstruction des pores) peuvent créer des évolution irréversibles sur les membranes et sur la solution.

3 – Les Membranes

La technologie requise pour ce procédé réside essentiellement dans l’emploi de membranes. Les membranes sont constituées de résines échangeuses d’ions. Voici les deux membranes qui nous intéressent :

 

  • Les membranes anioniques : elles contiennent des résines à groupes cationiques fixes. Ces groupes sont neutralisés par des anions situés dans les interstices de la résine. Quand cette membrane est mise dans une solution d’électrolyte, les anions en solution peuvent pénétrer dans la membrane et remplacer les anions présents initialement, alors que les cations sont repoussés par les cations fixés sur la résine.

     

  • Les membranes cationiques : le principe est identique; elles contiennent des groupes anioniques fixes qui permettent la pénétration des cations et repoussent les anions.

     

Ces membranes doivent être résistantes mécaniquement, imperméables à l’eau, chimiquement inattaquables, ne présenter qu’une faible résistance ohmique et posséder une haute sélectivité (rôle de clapet ionique). Les membranes sont généralement constituées de fibres de polyamides et d’acétate de cellulose.

L’essor des matériaux de synthèse a permis de réaliser des parois semi-perméables beaucoup plus pratiques et on peut les classer suivant le critère adopté en plusieurs catégories. La structure des matériaux permet de distinguer trois types de membranes :

  • Les membranes isotropes qui ont des propriétés structurelles constantes sur toute leur épaisseur.

  • Les membranes anisotropes, leur structure composite varie entre la surface de la et l’intérieur.

  • Les membranes liquides.

4 – Consommation

Comme la quantité de courant électrique nécessaire est proportionnelle à la teneur en sel de l’eau, il est possible de quantifier l’énergie électrique spécifique requise. Pour cette raison, cette méthode est beaucoup plus favorable dans le cas d’eaux à faible teneur en sel, telles les eaux saumâtres par exemple, avec une consommation d’énergie de 3-8 kWh/m3 (pour des teneurs en sel plus élevées, la consommation grimpe de 15-25 kWh/m3) . Dans le cas des eaux à faible concentration saline, l’électrodialyse est très compétitive par rapport à l’osmose inverse.

5 –Utilisation dans le monde

En fait, l’électrodialyse est surtout utilisé jusqu’ici pour le dessalement d’eaux saumâtres puisque le procédé n’est plus rentable pour des teneurs en sels supérieures. L’électrodialyse n’est pas non plus pratiquée pour traiter les eaux à moins de 0.04% de sels. Malgré ces limitations, plusieurs petites usines de dessalement par électrodialyse sont exploitées dans le monde sur des bases commerciales dessalant ainsi plusieurs centaines de mètres cube par jour. La plus grande installation de traitement par électrodialyse traite actuellement 10000 m3 par jour.

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