💧 Dessalement

Le flux de perméat (Jw) suit le modèle de solution-diffusion : Jw = Am × (ΔP − Δpi), où Am est le coefficient de perméabilité à l'eau de la membrane (L/m²/h/bar), ΔP est la pression appliquée, et Δpi est la différence de pression osmotique moyenne tenant compte de la polarisation de concentration. Le passage du sel est modélisé avec un coefficient de perméabilité au sel B (fixé à 0,05 L/m²/h), un facteur de polarisation de concentration de 1,2, donnant Cp = B × Cf × CP / (Jw + B). Le rejet de sel R = (1 − Cp/Cf) × 100 %. À mesure que le flux augmente avec une pression plus élevée, le rejet de sel s'améliore car le flux d'eau plus rapide dilue le sel diffusant à travers la membrane.

La CES (kWh par mètre cube de perméat) est l'indicateur économique clé du dessalement. Elle est calculée comme CES = ΔP × Qf / (eta × Qp), où Qf est le débit d'alimentation, Qp est le débit de perméat, et eta est le rendement de la pompe (75 % dans ce modèle). Une pression de fonctionnement plus élevée augmente la CES car plus d'énergie est consommée par unité d'alimentation ; cependant, une pression très basse proche de la pression osmotique augmente aussi la CES car le flux s'effondre et la récupération chute. La pression optimale pour l'osmose inverse d'eau de mer est généralement d'environ 55 à 65 bars. La CES minimale thermodynamique = pi_alimentation × ln(1/(1−r)) et représente le coût énergétique irréductible de la séparation de la solution saline à un taux de récupération donné, fixé par le second principe de la thermodynamique.

La polarisation de concentration se produit lorsque les sels rejetés s'accumulent dans une fine couche limite du côté haute pression de la surface de la membrane, augmentant la pression osmotique locale au-dessus de la valeur d'alimentation globale. Cela réduit effectivement la pression motrice nette et peut causer de l'entartrage ou de l'encrassement de la membrane avec le temps. Dans cette simulation, un facteur de polarisation de concentration de 1,2 est appliqué — ce qui signifie que la surface de la membrane voit une concentration en sel 20 % plus élevée que l'alimentation globale. Dans les systèmes réels, des promoteurs de turbulence, des espaceurs et la vitesse d'écoulement croisé sont conçus pour minimiser cet effet. Une polarisation de concentration sévère est un défi majeur dans les systèmes d'eau saumâtre à haute récupération.

L'effet de membrane semi-perméable était compris depuis le 18e siècle, mais les membranes d'osmose inverse pratiques ont été démontrées pour la première fois par Sidney Loeb et Srinivasa Sourirajan à l'UCLA en 1959–1960, qui ont développé la première membrane asymétrique en acétate de cellulose capable de rejeter le sel à des débits de flux utiles. La première usine commerciale d'osmose inverse d'eau de mer a ouvert à Djeddah, en Arabie saoudite, en 1978. Les membranes composites à couche mince (TFC) en polyamide, introduites dans les années 1980 et toujours dominantes aujourd'hui, ont considérablement amélioré la perméabilité et le rejet de sel par rapport à l'acétate de cellulose. Les usines modernes comme l'installation Sorek B en Israël (2023) produisent plus de 200 millions de m³ par an à une CES approchant 3 kWh/m³.

Le dessalement par osmose inverse se rattache à plusieurs domaines modélisés ailleurs sur ce site. La dynamique des fluides régit le comportement de l'écoulement croisé et la perte de charge le long du module de membrane. Le transfert de chaleur est pertinent pour les alternatives de dessalement thermique comme le flash multi-étages (MSF) et la distillation à effets multiples (MED), qui dominaient avant que l'osmose inverse ne devienne compétitive en coût. La filtration membranaire (ultrafiltration, nanofiltration) fonctionne sur le même principe de solution-diffusion à des pressions plus basses et est largement utilisée comme prétraitement de l'osmose inverse. Les points de bascule climatiques sont liés au dessalement car la pénurie d'eau douce, entraînée par des précipitations changeantes et le retrait des glaciers, est l'une des pressions les plus fortes poussant l'expansion de la capacité de dessalement à l'échelle mondiale.

Le dessalement par osmose inverse a produit environ 65 % de toute l'eau dessalée dans le monde en 2024, avec une capacité mondiale installée dépassant 100 millions de m³/jour. Au-delà de l'approvisionnement en eau municipal, l'osmose inverse est utilisée dans la fabrication de semi-conducteurs (eau ultrapure), la fabrication pharmaceutique, la transformation alimentaire et des boissons, le traitement de l'eau d'alimentation des chaudières, et les plateformes pétrolières offshore. Les dispositifs de récupération d'énergie (ERD) tels que les échangeurs de pression récupèrent l'énergie cinétique du flux de rejet à haute pression, réduisant la CES nette d'environ 8–10 kWh/m³ dans les usines des années 1990 à 2,5–3,5 kWh/m³ dans les installations modernes. Les systèmes d'osmose inverse d'eau saumâtre traitant les eaux souterraines peuvent atteindre une CES inférieure à 1 kWh/m³.

Le dessalement peut considérablement augmenter l'approvisionnement en eau douce dans les régions côtières et arides, mais ce n'est pas une solution universelle. Ses principales limites sont le coût énergétique (encore plusieurs fois supérieur au traitement conventionnel de l'eau), l'élimination de la saumure (le flux de rejet concentré doit être géré pour éviter de nuire aux écosystèmes marins), et la géographie — les régions enclavées ou les zones de haute altitude ne peuvent pas facilement bénéficier de l'osmose inverse d'eau de mer. La technologie fonctionne mieux comme une composante d'un portefeuille d'eau diversifié aux côtés de la conservation, du recyclage des eaux usées et de la gestion de la demande. L'osmose inverse alimentée par l'énergie solaire, actuellement en développement actif, pourrait répondre au défi énergétique dans les régions ensoleillées et potentiellement réduire considérablement l'empreinte carbone du dessalement.

Les domaines de recherche actifs incluent les membranes biomimétiques à base d'aquaporines qui imitent la perméabilité à l'eau ultra-élevée des canaux cellulaires biologiques, les membranes en oxyde de graphène et nanotubes de carbone avec une précision de pore inférieure au nanomètre, et les membranes TFC avancées avec additifs nanoparticulaires (zéolites, MOF) pour améliorer simultanément le flux et le rejet. Les chercheurs travaillent aussi sur des configurations d'osmose inverse en circuit fermé et par lots qui fonctionnent plus près de la réversibilité thermodynamique, réduisant potentiellement la CES presque jusqu'au minimum théorique. La chimie de surface anti-encrassement pour prolonger la durée de vie des membranes et réduire la consommation de produits chimiques de nettoyage est une autre priorité majeure, car le remplacement des membranes représente une fraction significative des coûts d'exploitation des usines.