Progrès dans la lutte contre l'escalade des revêtements pour les usines de dessalement et de traitement de l'eau

Progrès dans la lutte contre l'escalade des revêtements pour les usines de dessalement et de traitement de l'eau

Les installations de dessalement et de traitement de l'eau constituent une infrastructure essentielle pour l'approvisionnement en eau douce dans les régions arides et côtières du monde entier. Pourtant, ces installations font face à un obstacle opérationnel persistant : l'accumulation rapide d'échelles minérales sur les tubes échangeurs de chaleur, les surfaces membranaires et les canalisations.

La science de la formation à l'échelle

La formation d'échelles est un processus physicochimique complexe qui commence lorsque les sels dissous dépassent leurs limites de solubilité. Dans le cas de la dessalement inverse de l'osmose (RO), la concentration d'ions calcium, magnésium, bicarbonate et sulfate augmente de façon spectaculaire à la surface de la membrane en raison de la perméation de l'eau.

La cristallisation commence par la nucléation, la formation de groupements stables d'ions minéraux, suivie d'une croissance cristalline qui se lie fortement aux surfaces métalliques ou polymériques. L'adhésion est exacerbée par la topographie de surface rugueuse et l'énergie de surface élevée, qui fournissent des sites abondants pour la nucléation hétérogène. Une fois qu'une mince couche d'échelle se forme, elle agit comme un isolant (conductivité thermique du CaCO3 est environ 1% de celle de l'acier), ce qui aggrave le problème en augmentant les températures locales et en accélérant les précipitations.

Il est essentiel de comprendre l'interaction entre la chimie de l'eau, les propriétés de surface et les paramètres opérationnels pour concevoir des revêtements qui interrompent ces étapes. Les revêtements anti-écaillage modernes ciblent les premières étapes de la nucléation et de l'adhérence plutôt que de simplement tenter d'éliminer les dépôts après leur formation.

Pourquoi les méthodes traditionnelles anti-calcalisation sont-elles courtes

Pendant des décennies, les usines de traitement de l'eau ont compté sur des anticalcinistes chimiques, des polymères organiques ou des phosphonates qui séquestrent les ions ou faussent la morphologie cristalline. Bien qu'efficaces à de faibles doses, ces produits chimiques présentent plusieurs inconvénients : ils nécessitent un dosage et une surveillance continus, peuvent contribuer à l'encrassement biologique, et leur rejet peut nuire aux écosystèmes aquatiques.

Ces limitations ont conduit à la recherche de traitements de surface passifs qui empêchent l'échelle de coller en premier lieu. Les revêtements anti-écaillage, appliqués comme des films minces sur les surfaces critiques mouillées, offrent une approche -set et oubli-stop-stop qui réduit la consommation chimique, réduit la demande d'énergie et minimise l'intervention humaine.

Progrès dans la lutte contre l'échelle des revêtements

Les innovations scientifiques des matériaux au cours de la dernière décennie ont produit des revêtements aux propriétés antiadhésives sans précédent. Le principe directeur est la création de surfaces hydrophobes, hydrophobes ou superhydrophobes à faible énergie de surface qui empêchent l'humidification et la propagation des solutions de graduation.

Revêtements hydrophobes et à faible surface énergétique

Les revêtements à base de silicone, en particulier le polydiméthylsiloxane (PDMS) et les siloxanes fluorés, présentent des angles de contact avec l'eau supérieurs à 110°, ce qui rend difficile l'adhésion des gouttelettes chargées de minéraux. Ces revêtements sont appliqués par pulvérisation, trempe ou dépôt de vapeur chimique et de guérir pour former des films flexibles et durables. Leur faible énergie de surface réduit le processus thermodynamique de nucléation hétérogène, ce qui entraîne moins de cristaux à échelle et ceux qui se forment sont facilement délogés par cisaillement fluide.

Revêtements nanostructurés et composites

Par exemple, les nanofeuilles d'oxyde de graphine (GO) dispersées dans une matrice de polymères créent un revêtement à haute surface qui inhibe physiquement l'agrégation des ions. Les groupes hydrophiles contenant de l'oxygène sur GO peuvent aussi lier les ions calcium, les forçant à précipiter en solution plutôt qu'à la surface, mécanisme sacrinal qui maintient la membrane propre. Les revêtements hybrides de polymère de céramique, tels que les nanocomposites silico-époxy, combinent la dureté et la stabilité thermique des céramiques avec la flexibilité des polymères. Ces revêtements ont démontré une résistance à l'abrasion des solides suspendus dans l'eau saumâtre et peuvent résister au cycle thermique des plantes de MSF.

Une autre voie prometteuse est l'utilisation de couches par couches (LbL) pour créer des films polyélectrolytiques ultrafins avec charge et hydrophilie thoneuses. En alternant les couches de polymères chargés positivement et négativement, les chercheurs peuvent concevoir des surfaces qui attirent une couche d'eau stable, empêchant ainsi les cristaux d'échelle de toucher le substrat solide.

Revêtements intelligents et stimulants

Les revêtements émergents -smart -comprennent des matériaux qui changent leurs propriétés en réponse à la température, au pH ou à la résistance ionique. Par exemple, les brosses poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) passent de l'hydrophile à l'hydrophobe au-dessus d'une température critique inférieure de 32°C (LCST) – une transition qui peut être utilisée pour déclencher le décollement de l'échelle pendant le lavage thermique.

Les revêtements auto-guérison représentent le tranchant : les microcapsules remplies de précurseurs hydrophobes de polymères sont intégrées dans une matrice porteuse. Lorsque le revêtement est éraflé ou érodé, les capsules se rompent et scellent le défaut, rétablissant ainsi les performances anti-écaillage sans intervention manuelle.

Principales caractéristiques de performance des revêtements modernes

Pour réussir dans une usine de dessalement, il doit répondre à plusieurs critères exigeants au-delà de l'hydrophobicité simple. La stabilité thermique est primordiale dans les usines de MSF et de distillation multi-effets (MED), où la température de surface peut dépasser 100°C. De nombreux revêtements organiques se dégradent au-dessus de 80°C, tandis que les revêtements inorganiques et riches en céramique peuvent supporter 200°C ou plus. La dureté et la résistance à l'abrasion sont également critiques; les solides de sable, de limon et de saumure prétraités en suspension agissent comme un lisier abrasif.

La résistance chimique aux agents de saumure, de chlore et de nettoyage détermine la longévité du revêtement. Les fluoropolymères et les hybrides époxy-siloxane réticulés offrent une excellente stabilité à un large pH (2-12). La résistance à l'adhérence au substrat sous-jacent doit résister aux erreurs d'expansion thermique et au cisaillement hydraulique à partir des flux de saumure à haute vitesse.

Enfin, le revêtement doit être applicable sur le terrain sur les équipements existants avec un temps d'arrêt minimal. Les revêtements appliqués par pulvérisation qui guérissent à température ambiante ou avec un chauffage infrarouge modeste sont préférés, car ils permettent le renouvellement in situ sans enlever les grands récipients ou les sections de tuyauterie.

Méthodes d'application et défis d'intégration

Pour les nouvelles installations, les revêtements peuvent être appliqués pendant la fabrication dans une usine, assurant une épaisseur uniforme et un durcissement contrôlé. Pour les projets de modernisation, l'application in situ à l'aide de pulvérisateurs à haute capacité ou de systèmes de buse tournante est typique. La préparation de surface — le dynamitage, le nettoyage chimique ou l'ablation laser — est essentielle pour éliminer l'échelle existante et rugir le substrat pour l'interlockage mécanique.

Les systèmes à base de membrane présentent une difficulté unique : les membranes RO enrobées doivent maintenir une grande perméabilité à l'eau (flux) tout en rejetant les sels. De nombreux revêtements hydrophobes, tout en étant efficaces à l'échelle de prévention, réduisent le flux parce que le transport de l'eau à travers la membrane est entravé par la couche supplémentaire. Pour y remédier, les chercheurs ont développé des revêtements hydrophiles ultra-minces (<100 nm) qui conservent le flux original de la membrane.

Un autre obstacle d'intégration est la compatibilité des revêtements avec les instruments et capteurs existants. Les revêtements épais peuvent isoler les sondes de conductivité ou interférer avec les lectures des débitmètres.

Avantages économiques et opérationnels

L'adoption de revêtements anti-calcaires modernes permet de réaliser des rendements économiques quantifiables. Une usine typique de MSF consacre 15 à 25 % de son budget d'exploitation à la lutte contre les écailles, à la chimie, au nettoyage des temps d'arrêt et aux pénalités énergétiques des échangeurs de chaleur salissés.

L'amélioration de l'efficacité énergétique est un autre avantage majeur. Le nombre de couches d'échelle réduit le coefficient de transfert de chaleur (valeur en U) de 30 % sur un an. Les revêtements qui maintiennent des surfaces propres maintiennent les valeurs en U à proximité des spécifications de conception, réduisant la consommation de carburant dans les procédés thermiques ou la demande d'électricité dans les pompes à haute pression RO.

Les gains environnementaux sont tout aussi importants. Une utilisation moins efficace des antiscalaires réduit la charge chimique dans les rejets de saumure, ce qui réduit les dommages écologiques aux organismes marins. La réduction des cycles de nettoyage réduit également le volume des eaux usées et le besoin de biocides ou d'acides sévères.

Études de cas et performance sur le terrain

Plusieurs installations de démonstration de concepts démontrent la viabilité réelle des revêtements anti-écaillage.En 2022, une usine de RO de 50 000 m3/jour au Qatar a revêtu ses récipients à pression membranenelle de premier étage d'un spray fluoré au siloxane. Pendant 18 mois, les récipients enduits ont connu des événements de 50 % moins propres en place que les récipients non enduits, et la baisse moyenne des flux a été de 8 % par rapport à 22 % pour les témoins.

Un autre essai réalisé dans une installation de dessalement géothermique en Islande a appliqué un revêtement nanostructuré en alumine-silica à des échangeurs de chaleur en plaques de titane. Le revêtement a résisté à des températures de saumure de 120°C et de pH 5,5 sans délamination. La formation d'échelles a été pratiquement éliminée sur les plaques enrobées, tandis que les plaques non enrobées ont nécessité un lavage acide toutes les 72 heures. Le revêtement est resté efficace pendant plus de 3 500 heures de fonctionnement continu avant toute nouvelle application mineure.

Dans le traitement municipal de l'eau, une usine traitant les eaux souterraines dures (400 mg/L de CaCO3) a appliqué un revêtement composite de polymère-silane sur les surfaces internes de son clarificateur adoucissant la chaux. Le revêtement a réduit le nettoyage manuel de deux fois par mois à une fois par année, et la boue précipitée de carbonate de calcium a été plus facile à éliminer parce qu'elle ne s'est pas fortement collée aux parois enrobées.

Orientations futures

La recherche s'accélère vers des revêtements à la fois performants et économiques, suffisamment pour être largement adoptés. L'une des directions prometteuses est l'incorporation de matériaux bidimensionnels tels que le disulfure de molybdène (MoS2) ou le nitride de bore hexagonal (hBN) dans des matrices de polymères.

Un autre domaine d'activité est le développement de revêtements respectueux de l'environnement utilisant des polymères d'inspiration bio-inspirée, tels que le chitosan ou les nanocristaux de cellulose, qui sont biodégradables et dérivés de sources renouvelables.

Enfin, des outils de modélisation prédictive sont en train de se former pour aider les ingénieurs à choisir le revêtement optimal pour une chimie de l'eau et un état de procédé donné. En combinant la surveillance in situ de la cinétique de l'échelle avec l'apprentissage de la machine, les opérateurs de l'usine pourraient planifier de façon préventive le renouvellement du revêtement ou ajuster les paramètres de procédé pour rester dans l'enveloppe de performance du revêtement.

Conclusion

La formation d'échelles demeure un obstacle tenace au dessalement et au traitement de l'eau, mais la dernière génération de revêtements anti-écaillage offre une contre-mesure puissante. En tirant parti des principes de chimie de surface, de nanotechnologie et de matériaux stimulants, ces revêtements réduisent l'adhérence aux minéraux, améliorent le transfert de chaleur et de masse et réduisent l'empreinte chimique des opérations des usines.

Références et lectures supplémentaires

• Zhang, X., et al. (2021). « Mécanismes anti-scalidation des surfaces superhydrophobes pour dessalement. » ACS Matériaux appliqués & Interfaces;, 13(45), 53912–53924. Lire l'article complet
• Bonn, D., et al. (2020). «Formation d'échelle dans le dessalement thermique: un examen». Désalination, 478, 114286. Étude d'accès
• Wang, S., & Shao, J. (2022). « Revêtements nanostructurés pour l'anti-écaillage dans les systèmes RO d'eau saumâtre. » Journal of Membrane Science, 647, 120310. Voir l'article de la revue
• « Des revêtements intelligents pour le traitement de l'eau » (2023). Livre blanc de l'Association internationale de dessalement. Télécharger PDF