Les usines de dessalement sont devenues une source de vie pour les régions de la planète où l'eau est éparse, transformant l'eau de mer ou les eaux saumâtres en eau potable douce. Pourtant, pour chaque litre d'eau douce produit, un flux concentré de sels, de minéraux et de résidus chimiques, connu sous le nom de saumure, est généré. Historiquement, la saumure a été considérée comme un flux de déchets inévitable à rejeter dans l'océan ou dans les étangs d'évaporation. Avec la capacité de dessalement mondiale qui dépasse maintenant 100 millions de mètres cubes par jour, le volume de saumure a fait de sa gestion un défi environnemental et économique pressant.

Comprendre la composition saumâtre et les défis environnementaux

Pendant la dessalement, les membranes d'osmose inverse (RO) ou les procédés de distillation thermique rejettent les solides dissous, les concentrant jusqu'à deux à trois fois la salinité de l'eau de source. La salinité typique de l'eau de mer a une concentration totale de solides dissous (TDS) de 60 000 à 80 000 mg/L, comparativement aux 35 000 mg/L de l'eau de mer d'alimentation. Au-delà du sodium et du chlorure, la salinité contient des niveaux élevés de calcium, de magnésium, de potassium, de sulfate et de traces d'éléments tels que le lithium, le brome et le strontium.

L'immersion de saumure dans les eaux de mer peut avoir de graves répercussions sur les écosystèmes marins. Lorsqu'elle est rejetée directement dans l'océan, le panache dense s'enfonce dans le fond marin, réduisant les niveaux d'oxygène et augmentant la salinité des habitats benthiques, ce qui peut tuer les herbiers marins, endommager les récifs coralliens et modifier le comportement des organismes marins. Dans les régions intérieures arides, l'injection de saumure dans les puits profonds peut contaminer les aquifères souterraines, tandis que les bassins d'évaporation peuvent s'écouler et causer la salinisation du sol.

Stratégies novatrices de gestion des saumures

Le passage de ′′disposal′′ à ′′recovery′′ refine la gestion de la saumure. Ci-dessous sont les approches les plus prometteuses, des techniques établies aux technologies émergentes.

1. Dilution et décharge améliorées

Bien que la dilution simple avant le rejet océanique demeure courante, les modèles modernes utilisent des diffuseurs conçus pour obtenir un mélange rapide et réduire la zone d'impact. Les diffuseurs multiports installés sur le fond marin peuvent accélérer la dispersion de la saumure, limitant les pics de salinité à quelques mètres de l'exutoire. Les modèles de dynamique des fluides calculateurs (CFD) optimisent maintenant le positionnement du diffuseur et les angles de buse. Cependant, cette méthode seule ne réduit pas la charge totale de sel; elle n'atténue que les effets locaux aigus.

2. Extraction minérale précieuse

Le magnésium, largement utilisé dans les alliages et les produits pharmaceutiques, peut être précipité sous forme d'hydroxyde de magnésium (Mg(OH)2) en ajoutant du chaux ou de l'hydroxyde de sodium. Le brome, évalué en retardateurs de flamme et en produits pharmaceutiques, est extrait par chloration et décapage d'air. La cible la plus intéressante est le lithium, déterminé par la demande croissante de carbonate de lithium de qualité batterie. Plusieurs entreprises ont mis à l'essai des technologies d'extraction directe du lithium (DLE) utilisant des adsorbants sélectifs ou des résines échangeuses d'ions qui captent le lithium à partir de brinces de haute salinité, laissant d'autres ions intacts. Des taux de récupération de plus de 90 % ont été rapportés dans des études pilotes.

3. Production de sel par évaporation solaire

Dans les régions où le soleil est abondant et où les terres sont disponibles, la saumure peut être dirigée vers une série d'étangs d'évaporation peu profonds. L'eau s'évapore, les sels se cristallisent en étapes : le carbonate de calcium d'abord, puis le gypse, et enfin le chlorure de sodium. La liqueur restante, connue sous le nom d'amer, est riche en magnésium, potassium et brome et peut être transformée plus loin. Cette méthode est déjà utilisée dans les usines de sel d'eau de mer, mais l'adopter pour la saumure de dessalement nécessite un contrôle soigneux des impuretés des anti-calcaires.

4. Aquaculture et culture des halophytes

Une nouvelle approche de l'économie circulaire utilise la saline diluée pour cultiver des organismes tolérants au sel.Les halophytes (plantes tolérant le sel) comme Salicorne[ et Suadea[ peuvent être irrigués avec la saline diluée et récoltés pour l'alimentation, l'alimentation animale ou les biocarburants.De même, les souches de microalgues comme Dunaliella salina prospèrent dans l'eau de haute salinité et produisent du β-carotène, un pigment précieux.

5. Décharge à l ' aide de l ' oxyde de carbone (ZLD) et de l ' oxyde de carbone (LMD)

Les systèmes ZLD visent à récupérer presque toutes les eaux de saumure, ne laissant qu'un déchet solide sec. Ces systèmes combinent généralement des procédés membranaires (par exemple osmose inverse, électrodialyse inverse) avec des évaporateurs thermiques et des cristallisateurs. Bien que les progrès récents en matière de distillation membranaire (MD) et en osmose avant (FO) promettent une réduction de la consommation d'énergie. Par exemple, un système pilote utilisant un distillat-cristallin à membrane a permis de récupérer 99 % de l'eau de saumure tout en produisant des cristaux de sel vendables.

Les technologies émergentes dans l'horizon

Plusieurs technologies de pointe passent du laboratoire à l'échelle pilote, offrant ainsi le potentiel de réduire simultanément le volume de saumure et la consommation d'énergie.

Distillation de la membrane (MD)

MD est un procédé thermiquement conduit par la saumure chaude qui transfère de la vapeur à travers une membrane hydrophobe, qui est ensuite condensée comme eau douce. MD peut utiliser de la chaleur de déchets de faible qualité provenant de procédés industriels ou de capteurs thermiques solaires, ce qui la rend attrayante pour les usines de dessalement co-implantées. Il fonctionne à la pression atmosphérique et est moins sujet à salissure que les RO classiques, mais les membranes actuelles souffrent de suintements et de faibles flux.

Osmose vers l'avant (O)

FO utilise une solution de tirage à haute pression osmotique pour tirer de l'eau de saumure sur une membrane semi-perméable. La solution de tirage diluée est ensuite séparée pour produire de l'eau douce et une solution de tirage concentrée. FO peut atteindre une concentration élevée de saumure sans pression hydraulique, réduisant ainsi la salissure de membrane et la demande d'énergie.

Électrodialyse (ED) et électrodialyse inverse (RED)

La DE utilise un champ électrique pour transporter des ions à travers des membranes sélectives, se concentrant sur la saumure d'un côté et diluant un autre courant. Elle est bien adaptée aux brines de salinité modérée et peut être intégrée avec la RO pour augmenter la récupération globale. La RED, par contre, génère de l'électricité en mélangeant la saumure avec l'eau de salinité inférieure à l'intérieur des membranes échangeuses d'ions.

Déionisation capacitive (DCI)

Le CDI élimine les ions dissous en appliquant un champ électrique à basse tension, attirant les ions vers les électrodes poreuses de carbone. Il est principalement utilisé pour l'eau saumâtre, mais des recherches récentes ont exploré son potentiel de polissage de saumure. Le CDI (FCDI) utilise le lisier de carbone qui coule pour obtenir un fonctionnement continu et un enlèvement plus élevé de sel.

Facteurs économiques et cadres politiques

La transition vers la valorisation de la saumure est accélérée par des facteurs économiques et réglementaires.Les coûts d'élimination varient considérablement : les permis de transport de déchets d'eau douce sont assortis de droits, l'injection de puits profonds exige des permis complexes et les étangs d'évaporation exigent de vastes superficies. Entre-temps, le marché du magnésium (2 700 $/tonne), du carbonate de lithium ( 13 000 $/tonne à compter de 2023) et du brome (4 000 $/tonne) offre de véritables possibilités de revenus.

Le Plan d'action de l'Union européenne pour l'économie circulaire encourage la récupération de matières premières critiques provenant des flux de déchets, y compris la saumure de dessalement. Certaines nations du Moyen-Orient imposent désormais des taux de récupération d'eau minimum et des objectifs de réutilisation de la saumure pour les nouvelles installations de dessalement.

Les coûts en capital élevés des systèmes avancés comme les cristallisateurs, la variabilité de la composition de la saumure et l'absence de protocoles de conception normalisés entravent l'adoption généralisée.De nombreuses approches prometteuses ne fonctionnent que pour des chimies saumâtres spécifiques. Par exemple, des concentrations élevées de silice ou de calcium peuvent échafauder les membranes et les échangeurs de chaleur, nécessitant un prétraitement supplémentaire.

Systèmes intégrés : une approche circulaire

Au lieu de traiter chaque technologie de façon isolée, les conceptions les plus prospectives combinent plusieurs processus pour maximiser la récupération des ressources.

  1. Dessalement RO produisant de l'eau douce et de la saumure.
  2. Une première phase de récupération utilisant le NF ou le FO pour extraire la majeure partie de l'eau et produire un concentré riche en ions divalents.
  3. Réacteurs de précipitation minérale pour récupérer le magnésium, le calcium et le strontium sous forme de carbonate ou d'hydroxyde.
  4. Un deuxième stade de membrane (p. ex., MD ou ED) pour concentrer davantage le cours d'eau tout en produisant de l'eau douce supplémentaire.
  5. Un évaporateur-crystallisant pour produire du chlorure de sodium solide et d'autres sels, laissant un résidu minime.
  6. Le polissage final avec échange d'ions est optionnel pour capturer le lithium, le brome ou le rubidium.

Un tel système peut permettre de récupérer plus de 98 % de l'eau, de produire de multiples produits vendus et de réduire le volume de saumure nécessitant une élimination inférieure à 2 % du débit initial. L'énergie pour les étapes thermiques peut être fournie par la chaleur solaire ou la chaleur résiduelle de l'usine de dessalement elle-même, ce qui réduit l'empreinte carbone.

Conclusion

La gestion de la saumure des usines de dessalement n'est plus une question de savoir comment la débarrasser, mais comment en exploiter le potentiel. Des conceptions de diffuseurs améliorées qui réduisent les impacts écologiques aux membranes de pointe qui extrait chaque goutte d'eau et chaque gramme de minéral, la boîte à outils pour la gestion de la saumure s'étend rapidement. Bien qu'aucune solution ne fonctionne pour toutes les usines, la combinaison de dilution, de récupération minérale, de production de sel et de décharge zéro liquide offre une voie vers une industrie de dessalement vraiment circulaire.