La dessalement est devenue une technologie indispensable pour augmenter l'approvisionnement en eau douce dans les régions de la nappe phréatique du monde entier. Avec une capacité mondiale de dessalement supérieure à 100 millions de mètres cubes par jour, le processus joue un rôle crucial dans la lutte contre les pénuries d'eau. Cependant, un défi environnemental persistant est la gestion du flux de sous-produits appelé saumure, qui est généralement rejeté dans les océans ou les plans d'eau intérieurs. La saumure contient non seulement des concentrations élevées de sel, mais aussi des concentrations élevées de métaux lourds tels que le plomb, le mercure, le cadmium, l'arsenic et le nickel.

Les défis des métaux lourds dans le dessalement de la saumure

Les métaux lourds posent particulièrement des problèmes dans la saumure de dessalement, car les mécanismes de rejet de l'osmose inverse (RO) et les procédés de distillation thermique concentrent ces contaminants dans un volume relativement faible d'eau de rejet. Par exemple, la concentration de métaux dissous dans la saumure peut être 2 à 5 fois plus élevée que dans l'eau de mer d'alimentation, selon les taux de récupération.Les métaux communs trouvés dans la saumure comprennent le plomb (Pb), le mercure (Hg), le cadmium (Cd), l'arsenic (As) et le chrome (Cr).Ces éléments sont non biodégradables, toxiques même à des niveaux de traces et peuvent causer de graves dommages aux organismes marins - ce qui nuit à la reproduction, à la croissance et à la fonction neurologique.

Les méthodes traditionnelles d'élimination des métaux lourds, telles que les précipitations chimiques, l'échange d'ions et l'adsorption au charbon actif, ont été appliquées au traitement de la saumure, mais sont confrontées à des limites importantes. Les précipitations chimiques génèrent de grands volumes de boues toxiques qui nécessitent une élimination, souvent en augmentant les coûts d'exploitation et la pollution secondaire.

Techniques innovantes pour l'enlèvement des métaux lourds

Méthodes électrochimiques

Les technologies électrochimiques ont fait l'objet d'une attention considérable pour l'élimination des métaux lourds de la saumure en raison de leur contrôle précis, de leur efficacité d'élimination élevée et de leur empreinte chimique réduite.

L'électrocoagulation utilise des électrodes métalliques sacrificielles, généralement de l'aluminium ou du fer, qui libèrent des ions coagulants dans la saumure lorsqu'un courant électrique est appliqué. Ces ions déstabilisent les particules colloïdales et favorisent la floculation d'hydroxydes de métaux lourds, qui peuvent ensuite être séparés par sédimentation ou flottation. EC a été démontré pour enlever plus de 90% du plomb et du cadmium des solutions de saumure simulées, avec l'avantage supplémentaire d'enlever simultanément les solides en suspension et la matière organique.

L'électrodéposition repose sur la réduction des ions métalliques sur une surface de cathode, où ils forment une couche métallique solide qui peut être récoltée et recyclée.Cette méthode est particulièrement adaptée aux métaux précieux comme le cuivre et le nickel, offrant le double avantage de la lutte contre la pollution et de la récupération des ressources. Par exemple, des chercheurs de l'Université King Abdullah de Science et Technologie (KAUST) ont développé un système d'électrodéposition à flux continu qui récupère 95 % du cuivre de la saumure de dessalement à un coût énergétique inférieur à 1 kWh par mètre cube.

La désionisation capacitive consiste à passer la saumure entre des électrodes poreuses de carbone qui adsorbent électrostatiquement les ions de métaux lourds sous une basse tension (1,2–1,5 V). Lors de l'inversion de tension, les ions sont rejetés dans un flux concentré pour élimination ou récupération. Le CDI est économe en énergie, fonctionne à la pression ambiante et ne nécessite pas d'additifs chimiques.

Filtration par nanotechnologie

L'avènement des nanomatériaux a révolutionné la filtration des membranes pour le traitement de la saumure. Les membranes nanostructurées et les nano-adsorbants offrent des rapports surface-volume extraordinairement élevés, des pores thoneux et une chimie de surface qui peuvent être adaptés pour lier sélectivement les ions métalliques lourds même en présence de fortes concentrations de sel.

Les membranes d'oxyde de graphine (GO) par exemple peuvent être stratifiées pour créer des nanocanaux qui permettent aux molécules d'eau de passer tout en rejetant les ions de métaux lourds par exclusion de taille et interactions électrostatiques. La recherche a démontré que les membranes GO fonctionnelles avec des groupes amines ou carboxyl permettent de rejeter >99% des ions plomb et mercure de la saumure synthétique.

Une étude de 2022 publiée dans La recherche sur l'eau a indiqué qu'un MOF UiO-66-NH2 incorporé dans une membrane de polyéthersulfone a enlevé 87 % de l'arsenic de saumure avec une réduction du flux de seulement 15 % par rapport aux membranes vierges.

Au-delà des membranes, on a étudié des adsorbants nanométriques tels que des nanoparticules de fer zéro-valent, des nanotubes de carbone et de la silice mésoporeuse pour le traitement par lots et en colonne de la saumure. Les principaux avantages comprennent la cinétique rapide, la grande capacité et le potentiel de séparation magnétique.

Remise en état biologique

Les méthodes biologiques offrent une solution de rechange durable et peu coûteuse pour éliminer les métaux lourds de la saumure, en particulier dans les régions où le climat est doux et les terres disponibles. La biorestauration peut être effectuée à l'aide de microorganismes halophiles (bactéries et archéas qui aiment le sel) qui prospèrent dans des environnements à haute salinité, ou par phytorestauration avec des plantes tolérantes au sel (halophytes) telles que Salicorne[ et Suaeda.

Par exemple, des chercheurs ont modifié Deinococcus radiodurans pour exprimer les protéines métallothionéines qui lient le mercure et le cadmium avec une affinité élevée. Dans les bioréacteurs à l'échelle pilote traitant la saumure de dessalement réelle, ces microbes artificiels ont enlevé 80% du plomb et 70% du cadmium en 24 heures, tout en tolérant des salinités supérieures à 5% NaCl.

La biorestauration des algues est également prometteuse.Microalgae tel que Chlorella vulgaris[ et Dunaliella salina peuvent accumuler des métaux lourds par adsorption sur les parois cellulaires et par absorption intracellulaire.Une étude menée à l'Université de Sharjah a démontré qu'un consortium d'algues halophiles a retiré 92 % de l'arsenic et 88 % du nickel de la saumure pendant une période de traitement de 7 jours.

Bien que la restauration biologique soit respectueuse de l'environnement, les défis comprennent des taux de réaction plus lents que les processus chimiques ou physiques, la sensibilité aux fluctuations de la composition de la saumure et la nécessité d'éliminer la biomasse contaminée après le traitement.

Approches hybrides et intégrées émergentes

Adsorption avec des biochars nouveaux et des sous-produits industriels

Au-delà des technologies classiques, les innovations récentes mettent l'accent sur l'utilisation d'adsorbants à faible coût dérivés des déchets pour l'élimination des métaux lourds dans la saumure. Biochar produits à partir de résidus agricoles (p. ex. coquilles de noix de coco, coques de riz, déchets de palmiers à date) a été modifié chimiquement pour accroître sa capacité de sorption des ions métalliques. Par exemple, le biochar activé avec de l'hydroxyde de potassium peut développer une surface spécifique élevée (jusqu'à 2000 m2/g) et présenter jusqu'à 150 mg/g de cadmium provenant de solutions salines.

Distillation et cristallisation de la membrane

La distillation de membrane (MD) est un procédé thermique qui utilise une membrane hydrophobe pour permettre le transport de vapeur tout en conservant des solutés non volatils, y compris des métaux lourds. Combiné à la cristallisation, MD peut concentrer la saumure en supersaturation, induisant des précipitations de sels métalliques qui peuvent être récupérés.Cette approche hybride produit de l'eau de haute pureté et un flux solide riche en métaux, produisant un débit liquide proche de zéro (ZLD). Une usine pilote en Australie utilisant MD avec distillation de membranes à contact direct a obtenu 99,8 % de rejet d'arsenic et 99,5 % de rejet de plomb pendant son fonctionnement à des températures d'alimentation de 60 à 70 °C, alimentées par l'énergie thermique solaire.

Osmose de l'avant associée à l'électrodialyse

L'osmose avant (FO) utilise une solution de tirage pour extraire l'eau douce de saumure à travers une membrane semi-perméable, tout en conservant les métaux lourds. La solution de tirage dilué est ensuite régénérée à l'aide de procédés à faible énergie comme l'électrodialyse (ED). Cet hybride FO-ED peut atteindre des taux de récupération élevés (jusqu'à 90%) et concentrer efficacement les métaux lourds pour la récupération ou l'élimination ultérieure.

Perspectives et considérations économiques

Le pipeline d'innovation pour l'élimination des métaux lourds de la saumure de dessalement est riche, mais la traduction des succès à l'échelle du laboratoire en un déploiement commercial nécessite de surmonter des obstacles importants.L'intégration du système, la durabilité à long terme et la rentabilité sont essentielles.De nombreuses technologies de pointe, comme les membranes MOF ou les microbes de génie, sont encore au stade du laboratoire ou du pilote.

Cependant, les facteurs économiques sont en train de changer en faveur de l'innovation. Des réglementations environnementales plus strictes imposent des amendes et des coûts de nettoyage qui justifient des investissements dans un traitement plus efficace. De plus, le potentiel de récupération des métaux — en particulier des métaux précieux comme le cuivre, le nickel et les éléments de terres rares — peut compenser les dépenses de traitement.

Les recherches futures porteront probablement sur l'intégration intelligente [ de plusieurs technologies dans un même train de traitement, par exemple, l'utilisation de l'électrocoagulation comme prétraitement pour protéger les membranes de nanofiltration en aval, suivie du polissage biologique. L'intelligence artificielle et l'apprentissage des machines sont également appliqués pour optimiser les paramètres de fonctionnement en temps réel, réduire la consommation d'énergie et la consommation de produits chimiques.

L'électrocoagulation à énergie solaire et la déionisation capacitive à l'énergie éolienne peuvent rendre le traitement saumâtre neutre en carbone, en adéquation avec les objectifs de durabilité mondiaux. Plusieurs projets au Moyen-Orient et en Afrique du Nord testent déjà ces configurations à l'échelle pilote.

Conclusion

Les techniques électrochimiques, la filtration à base de nanotechnologie et l'assainissement biologique offrent des avantages distincts et sont améliorées grâce à la science des matériaux et à l'ingénierie des procédés. Les systèmes hybrides qui combinent plusieurs méthodes semblent particulièrement prometteurs pour atteindre une efficacité élevée et la récupération des ressources. Il sera essentiel de poursuivre les investissements dans la recherche, les démonstrations pilotes et les partenariats public-privé pour transformer ces innovations du laboratoire en solutions réelles. L'industrie des dessalement se trouve à la croisée des chemins : en adoptant un traitement avancé de la saumure, elle peut évoluer d'une source potentielle de pollution à un modèle d'économie circulaire dans la gestion de l'eau.

Références externes et lectures complémentaires