Du Phénomène d’osmose des coques en stratifiés polyester, aux applications de désalinisation de l’osmose inverse De l’exemple vécu… à l’application industrielle Tristan GEGADEN Promotion 2005

Plan Du Phénomène d’osmose des coques en stratifiés polyester Focus sur la résine, la fibre de verre et le gel-coat Principe de l’osmose Illustration : traitement de l’osmose Aux applications de désalinisation de l’osmose inverse.

Le terme d’osmose est galvaudé Introduction En matière de nautisme : Le terme d’osmose est galvaudé Osmose Hydrolyse Osmose = + En matière de nautisme, on englobe sous le nom générique d’osmose, plusieurs phénomènes qui ne correspondent pas toujours avec exactitude à la définition scientifique de ce terme. En effet, dans certains cas, ce qu’on appelle « osmose » n’est que le résultat d’une transformation chimique (hydrolyse) due à la présence d’eau dans les composants du polyester, cette eau s’étant introduite par des fissures de vieillissement d’un gel-coat ancien et non pas par porosité (véritable phénomène d’osmose) du fait de la différence des pressions de part et d’autre d’un gel-coat, plus ou moins perméable.

Matériaux constituant le stratifié polyester : Résines et Fibres de verre Les résines polyester Liquide visqueux à 20°C : polyester insaturé comprend essentiellement deux produits bien différents: - Des chaîne polyesters comprenant des doubles liaisons. - Des doubles liaisons du styrène. Les doubles liaisons permettront des liaisons ultérieures avec le styrène (durcissement ou réticulation par polymérisation). Les chaînes polyesters sont obtenues par estérification d'un dialcool et d'un diacide suivant la réaction suivante : ALCOOL + ACIDE ~~~> ESTER + EAU (Durcisseur, accélérateur, catalyseur, inhibiteur) (La réticulation d'un matériau polymère est une réaction chimique, se produisant lors d'une polymérisation, et qui lie entre elles de manière permanente (par liaison covalente) les macromolécules qui le constituent.) Cette synthèse chimique est effectuée en usine, le produit livré en atelier est un pré-polymère.

Résine polyester B B A A B B Initiateur Accélérateur Ces résines sont obtenues en plusieurs étapes. Un monomère polyester insaturé A est synthétisé (par polycondensation entre un anhydride d’acide et un dialcool.) Ce monomère A est ensuite mélangé à un monomère B de styrène. La polymérisation finale de la résine résulte de la copolymérisation entre le monomère A et les insaturations du monomère B pour conduire à la formation d’un réseau tridimensionnel. Cette copolymérisation de la résine de polyester est réticulée à température ambiante par addition d’un catalyseur et d’un accélérateur. Sans rien ajouter dans le produit livré, il durcit au bout de quelques mois à plusieurs années. Le résultat est médiocre, ce sont les fameuses doubles chaînes qui ont fini par se trouver. En élevant la température à 80° par exemple, le temps de durcissement est de quelques jours avec un résultat très peu satisfaisant à cause, d'une évaporation du styrène donnant un sous durcissement. Le durcissement se réalise donc par addition d'un agent durcisseur qui favorise l'association des doubles liaisons du styrène et des doubles liaisons de polyester insaturé, créant ainsi un réseau tridimensionnel. B B Les accélérateurs sont principalement des sels métalliques: - Octate de cobalt. - Naphténate de cobalt. Ou des aminés. - Diméthylaniline. - Dithylanimine. Les catalyseurs sont principalement des peroxydes organiques: - Le peroxydes de benzoyle. - Le peroxydes de méthyléthylcétone. - Le peroxydes de cychlohexanone. Chaîne 1D de styrène

Résine polyester : exothermique La résine passe successivement de l’état liquide visqueux initial à l’état de gel, puis à l’état de solide infusible. La réaction est exothermique et la température de la résine augmente progressivement depuis le gel jusqu’à un maximum pour redescendre ensuite lentement à la température ambiante. (La réaction de durcissement dépend de la réactivité de la résine, de la forme de l’objet fabriqué (épaisseur, etc.), de la nature et du dosage du système catalytique.)

(pour info) Fibre de verre et Gel coats Les deux autres composants de la carène sont : La fibre de verre 1° Permet la liaison de la résine avec le verre au moment de la stratification; 2° Protéger le filament au cours de la fabrication en tissu; 3° Lier les mono filaments entre eux pour qu'ils forment un fil de base. Le gel-coat Doit être résistant chimiquement : La résistance à l’eau, aux produits chimiques, dépend fortement du type de résine et de la méthode de fabrication. Un désavantage, est la faible résistance relative à l’abrasion. Mais il est possible d’apporter une amélioration par apport d’une charge comme par exemple l’oxyde d’alumine, la terre de sienne, la poudre de carborundum, mais celle-ci influencent la couleur.

Principe de l’osmose (macro) L’eau pénètre le gel-coat et arrive à la résine provoquant un gonflement pratiquement invisible sur la coque. L'osmose est un phénomène naturel qui conduit à la dilution d'une solution saline concentrée si elle est séparée d'une solution moins saline par une membrane semi-perméable. L’eau a pénétré et se décompose chimiquement avec les composants du polyester (résine et fibre), bulles avec production de «jus acide». Le cloquage s’accentue et le stratifié est attaqué en profondeur. Les cloques se percent

Principe de l’osmose (micro)   Figure  : détérioration d’une carène de gel-coat et de stratifié par hydrolyse Propagation dans le stratifié Solution chimique d’eau et de WSM Passage de l’eau au contact du stratifié et de la résine Eau de mer Fissures dans le gel-coat

Illustration : traitement Photo  : Opération de rabotage de gel-coat sur le chantier Marinarzal (Arzal – 56)

Plan Du Phénomène d’osmose des coques en stratifiés polyester Focus sur la résine, la fibre de verre et le gel-coat Principe de l’osmose Illustration : traitement de l’osmose Aux applications de désalinisation de l’osmose inverse.

Osmose inverse : principe Principe de l’osmose inverse Principe de l’osmose

Préambule : les techniques membranaires Membrane = paroi solide qui oppose une résistance inégale au transport de différentes espèces d’un milieu fluide à un autre sous l’effet d’une différence de potentiel d’énergie (pression, potentiel électrique…) entre 2 milieux fluides. Technique séparative Taille des particules Applications Filtration conventionnelle supérieure à 2 m Toutes ! Micro filtration entre 2 m et 0,05 m la potabilisation de l'eau et le traitement des effluents. Ultrafiltration entre 50 nm et 1 nm industrie agroalimentaire, bio-industries, traitement de surface,… Nano filtration entre 1 nm et 0.4 nm élimination d'ions multivalents, régénération de bains usés de traitements de surface,… Osmose inverse inférieure à 0,4 nm production d'eau ultra-pure, dessalement d'eau de mer.

Techniques membranaires : applications Osmose Inverse Nano filtration Micro filtration Ultra filtration Membrane = paroi solide qui oppose une résistance inégale au transport de différentes espèces d’un milieu fluide à un autre sous l’effet d’une différence de potentiel d’énergie (pression, potentiel électrique…) entre 2 milieux fluides.

La membrane Fonctionnement d’une membrane Deux types de procédés membranaires Filtration frontale Filtration tangentielle

Osmose inverse : principe la pression osmotique notée π peut être calculée d'après la loi de van't Hoff :          π = i x C x R x T Où i est le nombre d'ions dissociés (dans le cas d'un électrolyte) C est la concentration en sels en mol.m-3 R est la constante des gaz parfaits R = 8,314 J.mol-1.K-1 T est la température absolue de la solution en Kelvin. La pression osmotique d'une eau à 20°C contenant 35 g de chlorure de sodium par litre vaut : π = 2 x (35*103/58,5) x 8,314 x 293 = 29,14 x 105 Pa = 29,14 bar.

Vocabulaire des membranes le diamètre de pore le seuil de coupure le taux de rétention la densité de flux de perméation de la membrane la pression transmembranaire le colmatage le diamètre de pore: il donne un équivalent de la taille de pore de la membrane, permettant ainsi d'estimer si les molécules visées vont être retenues ou non. Cette valeur est utilisée essentiellement en microfiltration. le seuil de coupure : masse moléculaire des molécules retenues à 90% par la membrane dans des conditions opératoires données ; il s'exprime en Dalton (Da, équivalent à g/mol) et est utilisé pour l'ultrafiltration et la nanofiltration. Il permet également d'estimer si les molécules visées vont être retenues ou non. le filtrat ou perméat : fraction de la solution traitée qui traverse la membrane, aussi appelé perméat. Suivant l'opération membranaire utilisée pour l'obtenir, le filtrat est également appelé microfiltrat (issu de la microfiltration), ultrafiltrat (issu de l'ultrafiltration) et nanofiltrat (issu de la nanofiltration). le rétentat : fraction de la solution traitée qui ne traverse pas la membrane le taux de rétention : il donne la proportion de molécules retenues par la membrane par rapport à la concentration de ces molécules dans la solution d’alimentation ; autrement dit il donne une idée de ce qui passera dans le filtrat et caractérise le travail de séparation d'une membrane. Une membrane d'osmose inverse est caractérisée par son taux de rétention en NaCl, dans des conditions opératoires données. la densité de flux de perméation de la membrane : donne le flux volumique ou massique (en l.h-1.m-2 ou en kg.h- 1.m-2) traversant la membrane pour 1 m² de surface membranaire ; pour connaître la surface à installer, il suffit de diviser le débit de filtrat à produire par ce flux. Il est noté J. la pression transmembranaire : différence entre la pression côté alimentation (rétentat) et côté filtrat de la membrane. le colmatage : on regroupe sous ce terme de colmatage l'ensemble des phénomènes physiques, chimiques, biologiques se produisant à l'interface membrane solution ou dans le volume poreux (formation d'un gâteau, adsorption, bouchage de pores…), dont la conséquence est une variation de perméabilité et de sélectivité. En général, la densité de flux de perméation décroît et la membrane retient des molécules plus petites. Le colmatage peut être assimilé à un encrassement par analogie avec des échangeurs : il faut nettoyer régulièrement les membranes. Ce colmatage est quasi-inévitable, mais peut être contrôlé et limité par l'utilisation de conditions opératoires adéquates. Parfois, c'est grâce au colmatage que l'on réalise la séparation désirée. On distingue le colmatage réversible, éliminé simplement en supprimant la pression transmembranaire, du colmatage irréversible qui nécessite un nettoyage des membranes.

Éléments constitutifs d'une unité d'osmose inverse

Facteurs d’efficacité des membranes Il y a deux facteurs qui déterminent l'efficacité d'un procédé de filtration sur membrane : La sélectivité : exprimée par un paramètre appelé la rétention ou le facteur de séparation (exprimé en  l/m2·h). La productivité : exprimée par un paramètre appelé le débit (ou flux) (exprimé en l/m2·h). La sélectivité et la productivité sont dépendant de la membrane.

Schéma d’une membrane d’OI Enveloppe extérieure Support d’adhérence Film membranaire Séparateur à maille Fim membranaire Séparateur à maille Film membranaire Membrane d’ultrafiltration Sortie Entrée Tube collecteur d’eau pure

Exemple de module eau ultra pure Module de production d'eau ultra-pure. L'eau du réseau urbain est : filtrée, adoucie, filtrée sur charbon actif, filtrée sur filtre micronique, osmosée (15bars), stockée et subit un "polissage" sur 2 lits mélangés en série.

Conclusion Station de désalinisation par osmose inverse Phénomènes d’osmose et d’hydrolyse des coques en stratifiés polyester