Traitement des eaux usées industrielles par évaporation sous vide

Définition

La distillation thermique consiste à séparer deux liquides mélangés ou un soluté et son solvant, en appliquant suffisamment d’énergie pour provoquer l’ébullition.

Avec cette ébullition, les composants les plus volatils de ce mélange passent à l’état gazeux et peuvent ensuite être condensés séparément du mélange initial.

L’objectif habituel de la séparation thermique est l’élimination des impuretés dissoutes dans l’eau, qui empêchent son réutilisation ou son retour à un milieu naturel.

La séparation par évaporation a été largement utilisée au fil du temps et a évolué en différentes techniques ayant des caractéristiques particulières et des applications variées, telles que le traitement des eaux, le traitement des eaux usées, la récupération de solutés ou la purification de liquides, entre autres.

Dans cet article, nous nous concentrerons sur l’analyse de l’évaporation sous vide comme processus pour le traitement des eaux usées industrielles.

Principes de fonctionnement de l’évaporation sous vide

Pour réaliser le changement d’état permettant la séparation du soluté et du solvant, il est nécessaire d’apporter de la chaleur au mélange afin que la partie liquide s’évapore et se sépare de la partie solide. Cette chaleur peut être générée de plusieurs manières :

• Directement en chauffant un récipient contenant l’échantillon.
• Indirectement en utilisant de la vapeur d’eau comme agent de transfert de chaleur : évaporation sous vide

Dans le cas de l’évaporation sous vide, une chaudière est utilisée pour chauffer l’eau jusqu’à ce qu’elle s’évapore. Cette vapeur est ensuite dirigée vers une chambre où elle transmettra cette chaleur au mélange que l’on souhaite séparer.

D’autre part, pour faciliter l’évaporation du solvant, des systèmes générateurs de vide peuvent être utilisés, de sorte que le mélange à séparer soit soumis à des pressions inférieures à la pression atmosphérique. Cela permet de réduire la température d’ébullition des liquides et d’augmenter également l’efficacité du phénomène de transfert de chaleur dans le système.

Lors de l’utilisation d’un processus thermique de séparation pour une application sur un mélange liquide spécifique, les points suivants doivent être pris en compte :

• La thermosensibilité de la solution.
• La corrosion potentielle des matériaux.
• La concentration et d’autres caractéristiques physiques.
• La possibilité d’apparition d’incrustations.

Concernant la thermosensibilité de la solution, il est important de travailler à basse température dans les cas où les propriétés de cette solution pourraient être altérées par la température.

Cela est très fréquent dans les éléments protéiques, qui peuvent se dénaturer avec l’augmentation de la température. La séparation par volatilisation du solvant pour concentrer le soluté permet d’appliquer le vide afin de réduire la température de volatilisation du solvant et d’éliminer le risque d’altération des propriétés de la solution alimentaire.

La corrosion des matériaux constituant l’évaporateur peut survenir si le liquide alimentaire est considérablement agressif par rapport aux matériaux dont l’évaporateur est construit. Actuellement, tous les évaporateurs sont construits en acier inoxydable, en graphite, en nickel, en cuivre et en certaines alliages de résistance particulière à la corrosion, ce qui élargit considérablement le spectre des solutions potentiellement traitables par séparation thermique.

Avantages de l’évaporation sous vide

La séparation par évaporation sous vide a pour fonction de séparer l’eau entrante en deux parties : une partie avec une eau à faible concentration de contaminants en solution et une autre partie avec un condensat liquide contenant une forte concentration des mêmes contaminants.

Pour cela, l’eau est transformée en vapeur, la séparant à ce moment des matériaux contaminants qui y sont dissous, et cette vapeur est transportée vers une chambre où elle est refroidie pour reconcentrer l’eau déjà débarrassée de contaminants.

Ainsi, ce procédé est l’un des plus efficaces pour le traitement des effluents industriels, car il permet de séparer très efficacement les contaminants présents dans l’eau en se basant sur la volatilité relativement faible des sels par rapport à l’eau. Grâce à l’évaporation, il est possible d’éliminer des substances telles que les solides dissous, bien que les composés ayant un point d’ébullition similaire ou proche de celui de l’eau, comme l’alcool, ne puissent pas être séparés.

C’est une technologie indispensable pour les entreprises souhaitant implanter un système de rejet zéro.

Après un processus d’évaporation, on obtient des pourcentages très élevés d’eau distillée (95 %) et une très petite quantité de rejet (5 %) à gérer. Ce rejet est si faible en raison de la forte concentration de résidus obtenue dans le processus. Grâce à cela, les industries devant traiter des débits moyens et importants peuvent bénéficier d’économies significatives, car le volume de déchets à envoyer pour traitement est considérablement réduit.

C’est également une technologie très adaptée à la production d’eau de haute qualité dont de nombreuses industries ont besoin pour intégrer dans leurs processus de production.

Avantages des évaporateurs sous vide :

• Haute qualité du distillat.
• Il est possible de récupérer jusqu’à 97 % d’eau propre.
• Permet la réutilisation des eaux traitées.
• Peut traiter les effluents les plus complexes.
• Faible consommation d’électricité.
• Conception flexible et compacte des machines.
• C’est une technologie facile à utiliser et nécessitant peu d’entretien.
• Haute réduction et concentration des déchets liquides.

Un autre aspect remarquable des évaporateurs sous vide est leur polyvalence et le grand nombre d’occasions où ils peuvent être appliqués (tant que les résultats justifient l’investissement nécessaire pour leur installation, car ce ne sont pas la technologie la plus économique). Les évaporateurs sous vide sont particulièrement adaptés à la séparation et au traitement de :

• Hydrocarbures dissous dans des eaux contaminées.
• Émulsions huileuses.
• Traitement des lixiviats.
• Eaux de rinçage de métallisation galvanique.
• Eaux de dégraissage.
• Eaux avec une forte teneur en substances huileuses.
• Eaux avec une forte teneur en métaux lourds.
• Eaux avec une forte teneur en sels dissous.

Il est courant de compléter un processus d’évaporation sous vide avec d’autres technologies de traitement des eaux usées, qui peuvent être appliquées auparavant (membranes, processus physico-chimiques, etc.), soumettant l’effluent à un prétraitement facilitant le processus d’évaporation, ou ensuite si l’on souhaite obtenir un concentré encore plus important. Dans ce second cas, la technologie la plus appropriée est celle des cristallisateurs, qui peuvent être utilisés de deux manières :

1. Cristallisateur utilisé comme étape finale après un processus d’évaporation classique.
2. Évaporateur et cristallisateur intégrés en une seule unité combinant les deux processus. Cette solution est adaptée aux débits petits et difficiles à traiter.

Selon la composition des eaux usées à traiter, un processus d’évapo-cristallisation permet de séparer ses composants et de récupérer des produits secondaires, qui peuvent être réutilisés ou vendus. C’est le cas de l’huile des eaux huileuses, qui peut être vendue comme un produit secondaire avec une teneur en eau inférieure à 5 %, ou de la récupération d’hydroxyde d’aluminium, qui peut être utilisé ultérieurement comme produit chimique, pour citer quelques exemples.

Types de processus d’évaporation sous vide

Les différents types d’évaporation sous vide que l’on peut trouver sont :

Évaporation Multistade

Elle est très utilisée dans le domaine industriel et consiste à chauffer le liquide alimentaire dans un récipient, puis à conduire l’eau à travers un système de tuyauterie de chauffage dans lequel une partie de l’eau se transforme en vapeur. Ensuite, elle passe dans un autre récipient où la pression et la température sont telles qu’une partie de l’eau chaude se transforme soudainement en vapeur, laissant sous forme liquide un résidu concentré qui alimente l’étape suivante.

Après cela, la vapeur est refroidie jusqu’à ce qu’elle redevienne liquide et est ensuite collectée, exempte d’impuretés. Le processus est ensuite répété à une autre étape. Après un certain nombre d’étapes, on obtient de l’eau qui a été distillée plusieurs fois très rapidement et qui, de ce fait, contient très peu de contaminants dissous.

Ce type d’évaporation fonctionne à des températures comprises entre 90º et 120º.

Évaporation par effets multiples

Elle consiste à chauffer l’eau alimentaire en utilisant la chaleur résiduelle d’eaux déjà traitées et à la conduire vers une série de réservoirs où elle arrive chaude mais encore à l’état liquide. Dans ces réservoirs, l’eau est répartie en films fins afin de faciliter l’évaporation en réduisant la pression. Le phénomène de réduction progressive de la pression permet à l’eau alimentaire de subir des processus de liquéfaction et d’évaporation en continu sans avoir besoin d’ajouter de chaleur au système.

Ces processus fonctionnent à des températures autour de 70º.

Évaporation par compression de vapeur

Elle consiste à évaporer l’eau en lui fournissant de la chaleur provenant de la compression de vapeur, au lieu de transmettre la chaleur par contact direct avec un corps solide chaud. Ce type d’installations est conçu pour fonctionner en réduisant le point d’ébullition de l’eau par diminution de la pression.

Le compresseur crée un vide à une extrémité d’un récipient d’où il extrait la vapeur d’eau formée, mais à l’autre extrémité, il comprime cette vapeur formée et la condense à l’intérieur de tubes. L’eau tombe sur ces tubes chauds et s’évapore. Ensuite, par compression de la vapeur et mise en contact de celle-ci avec l’eau alimentaire, on parvient à l’évaporation de l’eau et à l’élimination des sels dans une saumure très concentrée.