L’application & les avantages d’un adoucisseur d’eau équipé de la résine cationique Purolite® SSTC60ᴹᴰ Technologie enveloppe mince (Shallow Shell) Présenté au Salon 36 heures des pros de l‘eau du Québec, le 21 mars 2014 Par Don Downey, Directeur des ventes pour le Canada, Purolite Canada

Pourquoi adoucir l’eau? Réduction de la dureté pour: Prévenir l'entartrage par le CaSO4. Réduire les résidus de savons Prévenir les taches par le Fe

Pourquoi adoucir l’eau? Bicarbonate de calcium Ca (HCO3 )2 CHALEUR Carbonate de calcium Dépôts de Ca CO3

Comment adoucir l’eau? Mesure de la dureté de l’eau: en parties par million (ppm) en CaCO3 en milligrammes par litre (mg/L) en milliéquivalents par litre (meq/L) ─ pour le chimiste en grains par gallon US (gr/gal US) en industrie exprimée en ions ou en équivalent CaCO3

Procédé d’échange de dureté Comment adoucir l’eau? Procédé d’échange de dureté HCO3 Cl SO4 NO3 Ca Mg Na Na HCO3 Cl SO4 NO3

Comment adoucir l’eau? Ca Mg Na SAC Résine Les perles ou grains de résine sont placées dans une cave pressurisée En moyenne, un adoucisseur d’eau est conçu pour opérer pendant 20 heures avant d’être régénéré La résine de l’adoucisseur est régénérée avec une solution de sel (NaCl) à 15% afin que la résine puisse être remise en service en peu de temps

Étapes de la régénération Rétrolavage Expansion du lit 50 - 80 % -pour séparer les perles -pour enlever les matières colloïdales -pour assurer un bon contact avec la saumure Volume de l’eau de lavage : 1.5 à 4 fois le volume du lit Durée : -10-20 minutes Débit: -dépend de la température de l’eau normalement 7 - 12 m/h (3-5 gal US/pi2.) Effluent à drainer SAC Résine Eau de lavage

Étapes de la régénération Saumure et eau de dilution Injection de sel Quantité de sel: 64-320g g/L─r (4 ─ 20 lb./pi³-R) Concentration de saumure: 10% en poids (8-15%) Durée de contact: 30 (min) - 60 minutes Débit (incluant eau de dilution): 2 – 7 BV/h (0.25 to 0.9 USGPM/pi3 SAC Résine Eau de dilution Volume de l’eau: 2- 4 fois le volume de résine (15- 30 USG/pi3.) Débit: 2 - 7 BV/h (0.25 - 0.90 USGPM/pi3) Chlorure de drainer Ca, Mg, Na

Étapes de régénération SAC Résine Chlorure de Na vers le drain Eau de rinçage Rinçage rapide Volume de l’eau: 3- 6 fois le Volume du lit de résine (25- 50 USG/pi3) Débit: 8 - 40 BV/h (1.0 - 5.0 USGPM/pi3)

Coûts de régénération Description Montant $ Sel (min) pour régénérer 1pi³ de résine 8 0,10/Ib. Eau (min) pour régénérer 1pi3 de résine 75 4.00/1000 gal Coût total annuel pour utiliser un adoucisseur domestique 400.00$ Nombre total d’adoucisseurs domestiques au Canada 2.5 millions Ajoutez les adoucisseurs commerciaux et industriels et quel grand total croyez-vous atteindre dans ce tableau? Description Montant $ Sel (min) pour régénérer 1pi3 de résine 12 0.10/lb. Eau (min) pour régénérer 1pi3 de résine 100 4.00/1000 gal Coût total pour exploiter 1pi3 de résine commercial ou industriel/année 560.00$ Quantité totale de résine utiliser dans le commercial et l’industriel au Canada 13 millions pi3

Faire les choses différemment Et si nous pouvions fabriquer une résine qui nécessiterait moins de sel et continuerait de respecter les normes de qualité de l’effluent? Et si nous pouvions utiliser une résine qui nécessiterait moins d’eau et qui continuerait de respecter les normes de qualité de l’effluent? Et si nous pouvions fabriquer une résine que l’on pourrait régénérer avec de l’eau de mer?

Faire les choses différemment Et si nous pouvions fabriquer une résine et ensuite la régénérer avec les rejets d’un procédé d’osmose inverse? Et si nous pouvions fabriquer une résine et utiliser du bicarbonate de soude pour la régénérer? Et si nous pouvions fabriquer une résine et utiliser de la vapeur pour la régénérer?

Pour améliorer la perle de résine 99% des sites disponibles pour l’échange d’ions sont à l’intérieur de la perle de résine. La cinétique est la vitesse à laquelle les ions sont échangés sur les sites en surface et à l’intérieur de la perle de résine. À mesure que la perle de résine augmente de grosseur, la cinétique ralentit à cause des difficultés de diffusion. Si la dimension des perles double la cinétique est 4 fois plus lente.

Pour améliorer la perle de résine Na Ca Fe NOTE: Contamination du “coeur” de la perle et contamination par le Fe

Pour améliorer la perle de résine À mesure que le produit régénérant est utilisé dans le processus de régénération de la résine, la capacité pour compléter la réaction s’épuise. Le centre de la perle ne peut être régénéré, ce qui résulte en une fuite lorsque le régénérant pénètre jusqu’au centre de la perle. À cause de ce centre non-régénéré ─des métaux lourds─ Fe, Br et Sr s’accumulent, ce qui rouille la résine. Des quantités excessives de produit chimique son requises afin de surmonter les problèmes associés aux résines standards.

Améliorations à la perle Na Na+ Fe+ Technologie enveloppe mince (Shallow Shell) SST60 and SST80 Ajouter un noyau

Améliorations à la perle La résine SST60 permet une cinétique plus rapide vs. Les catégories de résine standard et PUROFINE en opération à co-courant Résine standard du plus grand diamètre Résine SST60 à enveloppe mince et noyau central Résine Purofine C100 de plus grand diamètre Diamètre de 1 à 2 mm Diamètre de 1,87 mm Diamètre de 0,71 mm 10 X plus rapide 3.5 X plus rapide 0,375 mm de diamètre La résine SST60 est 10 X plus rapide que la résine standard La résine SST60 est 3.5 X plus rapide que la résine Purofine Diamètre équivalent de 0,375 mm pour la résine SST60 Le taux de diffusion est proportionnelle à 1/r² où «r» est le rayon de la perle

Applications sur le terrain 1: Une étude (2007) sur le terrain illustrant la régénération de la résine SST SAC avec l’eau de mer, aux installations de BP (EOR) à Prudhoe Bay Alaska. 2: Une étude sur le terrain (2010) démontrant la régénération de la résine SST SAC avec le rejet d’une unité d’osmose inverse (CIX-RO) à l’usine ZLD en banlieue de Chicago, Illinois. 3:Une étude (2011) sur papier de l’illustration de l’eau évacuée d’une chaudière à vapeur pour régénérer la résine SST SAC/WAC. 4:Une étude (2011) sur le terrain démontrant la régénération d’une résine SST WAC en utilisant la NaHCO³ comme régénérant, sur un projet CBM à Sheridan, Wyoming.

Applications sur le terrain Des travaux préliminaires avec des adoucisseurs régénérés à l’eau de mer ont montré que plus de 20 volumes de lit ont été nécessaires pour obtenir 22kg d’OC et 2mg/L de pertes (fuites). L’adoucissement conventionnel utilise 6 BV (volumes de lit de résine) pour obtenir des résultats identiques. (Kunin, Amber-Hi-Lights No. 147) À l’installation de BP à Prudhoe Bay (Alaska) on utilise un polymère pour opérer un EOR. Pour optimiser on doit utiliser de l’Eau douce. La température moyenne en hiver est de -480C et le sel gèle à -280C.

Applications sur le terrain Affluent non traité Rejet après régénération Adoucisseur avec une résine à enveloppe mince (SST) SAC Effluent traité Entrée du régénérant SII BPCC BPI ROI FC SOI RII BPC ─ Régulateur du débit de contournement BPI ─ Isolateur de la dérivation SII ─ Isolateur d’entrée de service SOI ─ Isolateur de sortie de service RII ─ Isolateur du débit de régénérant ROI ─ Isolateur du rejet de régénérant Jauge de pression et indicateur de débit Valve d'échantillonnage Contrôleur de débit Valve manuelle

Applications sur le terrain   Identification (numéro) des cycles de fonctionnement 1 2 3 4 5 6 Durée (min) de fonctionnement par cycle de service 360 Salinité moyenne (%) du régénérant 16 18 9 17 % calculé de chlorure de sodium 3.1 3.6 1.9 3.4 Quantité calculée de NaCl utilisé (lb) 88 99 50 94 Quantité de NaCl utilisé (lb/pi3) 17.6 19.8 10 18.8 Fuites (en CaCO3) – l’objectif était de 20 10.1 2.1 2.7 3.8 2.8 Les résultats globaux montrent que le pilote aurait pu fonctionner pendant 12 heures pour chaque 2 heures de régénération, soit 1BV de régénération pour chaque BV de service.

Applications sur le terrain En se basant sur l’étude de 2007 avec l’eau de mer─ nous avons posé les questions suivantes: Quelle est la quantité minimale d’eau de mer requise pour régénérer efficacement la résice SST? En excluant le NaCL commercial quelles autres sources de NaCL en concentration suffisante pouvons-nous utiliser gratuitement comme régénérant? Perméat (eau pure) , 75% Alimentation Rejet concentré de l’OI, 25%

Applications sur le terrain Dessalement d’eau saumâtre – utilisant la saumure rejetée par l’OI > 0.5 (1)% CIX-RO Échange d‘ions cyclique – récupération par OI 90 - 95% de récupération SST65 Cuve de récupération des rejets Pompe à rejets

Applications sur le terrain CIX-BBD SST65 Vapeur Économiseur Chaudière à vapeur à passage unique Purge de la chaudière SST65 Échangeur de chaleur

Applications sur le terrain Boucle de Higginsᴹᴰ Inventée par Irwin Higgins en 1951 à EAC pour la séparation d’ions radioactifs à l’aide de résines I-X Commercialisée en 1955. Acquise par Severn Trent Services -1991 Première technologie développée par le Gouvernement américain commercialisée par l’industrie privée. Conçue pour la séparation d’ions sélective et en continue Applique à l’échange d’ions la mise en contact à contre-courant des liquides et de la résine Utilisée dans les applications commerciales d’adoucissement de l’eau qui deviendra vapeur (SPE 1958)

Applications sur le terrain Système Boucle de Higginsᴹᴰ pour échange d’ions Configuration de la boucle Boucle cylindrique de la résine 4 sections séparées par les robinets sur la boucle Adsorption – Ions chargés sur la résine Régénération – Ions résorbés de la résine Rétrolavage – Fines particules et matières solides enlevées Pulsation – Régularise le mouvement de la résine dans la boucle Débits à contre-courant La résine se déplace dans le sens des aiguilles d’une montre L’alimentation et la régénération se déplace dans le sens contraire des aiguilles d’une montre Robinets papillon sur la boucle Régénération Pulsation Rétrolavage Adsorption Résine liquides

Applications sur le terrain Le projet CBM de Sheridan Wyoming Une boucle de Higgins Modèle 3012 (30” de diamètre pour la section adsorption et 12 de diamètre pour la section régénération) à été installée sur un site de traitement d’eau CBM-EWMS en opération dans le Wyoming. Environ 50 pi³ de résine de Purolite SST104 (à ions hydrogène) a d’abord été épuisée à un volume maximum sous la forme de sodium, puis introduite dans la boucle de Higgins. Environ 5pi³ de résine additionnelle fut ajoutée par incréments pendant l’opération initiale à mesure que le volume de résine dans le système CCIX s’approchait des conditions d’état stable pour l’expansion/contraction.

Applications sur le terrain Résultats d’essais sur le terrain de la résine Purolite SST 104H Paramètre Unités Résultats Débit d’eau entrant USPGM 150 MST entrant PPM 2000 à 10000 Dureté entrant PPM en CaCO3 50 à 110 Sodium entrant 800 – 3900 Alcalinité entrant 1800 - 1900 Dureté dans l’effluent < 0.5 Volume total traité par le pilote m3 14200 Dosage de HCI g/L 104 Conversion NaOH nécessaire M3 0 (1) (1)À cause de la forte alcalinité en bicarbonate de sodium dans l’eau entrant dans le système la neutralisation de la résine WAC IX par l’hydroxyde de sodium ne fut pas requise.

Autres applications Enlèvement du fer du manganèse par la résine Purolite SST60 (avec ions Na) Enlèvement des fluorures ─ Purolite SST60 (avec inos Al or Ca) Désalcanisation – Purolite SST104H Déminéralisation de petit lait de fromage– Purolite SST80H Déminéralisation d’acide lactique – Purolite SST80H Adoucissement d’eau de forte teneur en matière solides dissoutes – Purolite SST104Na

Documents de référence IWC 11-06 Régénération par l’eau de mer de la résine Purolite SST80 SAC à l’enveloppe mince – D. Downey IWC 10-56 Récupération accrue en osmose inverse par Cyclic IX – F. Boodoo IWC 11-37 Régénération de résine d’adoucissement à l’aide d’eau de vidange d’une chaudière – S. Moylan 2013 PWS – 20 cas d’eau produite par adoucissement dans un système à boucle de Higgins– D Beagle