Osmose inverse assistée par osmose, simulée pour atteindre des concentrations élevées de solutés, à faible consommation d'énergie

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 13741 (2022) Citer cet article

1764 Accès

1 Citation

2 Altmétrique

Détails des métriques

L'électrosynthèse microbienne (MES) est une technologie émergente pour le traitement durable des eaux usées. La solution diluée d'acétate, produite via MES, doit être récupérée, car les solutions diluées peuvent être coûteuses à stocker et à transporter. L'acétate est coûteux et dommageable pour l'environnement à récupérer par des méthodes d'évaporation à forte intensité thermique, telles que la distillation. Dans la recherche d'une meilleure économie d'énergie, un système de séparation par membrane est simulé pour augmenter la concentration de 1 à 30 % en poids, à une pression hydraulique d'environ 50 bars. Le concentré est ensuite simulé pour être séché à la chaleur. L'osmose inverse (RO) pourrait augmenter la concentration d'acétate à 8 % en poids. Une nouvelle adaptation de l'osmose inverse à assistance osmotique (OARO) est ensuite simulée pour augmenter la concentration de 8 à 30 % en poids. L'inclusion d'OARO, plutôt qu'une unité RO autonome, réduit les besoins totaux en chaleur et en électricité d'un facteur 4,3. Cela augmente la surface de membrane requise d'un facteur 6. Les simulations OARO sont réalisées par le modèle de polarisation de concentration interne (ICP). Avant d'utiliser le modèle, il est ajusté aux données expérimentales OARO, obtenues dans la littérature. Un numéro de structure membranaire de 701 µm et un coefficient de perméabilité de 2,51 L/m2/h/bar sont déterminés à partir de cet exercice d’ajustement du modèle.

L'électrosynthèse microbienne (MES) est une technologie émergente de traitement des eaux usées, où l'acide acétique (AA) est le sous-produit le plus étudié2,19,36. Gadkari et al.20 ont étudié le MES, pour la production renouvelable d'acétate, en consommant des déchets de dioxyde de carbone produits à partir d'autres processus. Le plus grand obstacle à cette adaptation du procédé MES s’est avéré être les faibles concentrations de produits, en particulier en mode de fonctionnement continu10,48. La récupération de l'acétate à des concentrations aussi faibles s'est révélée non viable. En outre, l’AA produit fait l’objet d’études en tant que substrat pour les processus MES, afin de produire du carburant et d’autres produits coûteux21. Le substrat inutilisé doit être retiré pour respecter les autorisations environnementales.

La séparation des AA de l’eau est compliquée, coûteuse et contraignante pour l’environnement42,62,64. Si une mole d’hydroxyde de sodium est ajoutée pour chaque mole d’AA dans la solution, il se forme un sel d’acétate de sodium, qui est beaucoup moins perméable que l’AA. Par conséquent, il peut être séparé par osmose inverse (RO), beaucoup plus efficacement. Le sel produit est commercialisable, il est plus cher que l’acide acétique et peut être reconverti en acide gras volatil et en alcool correspondants. Une solution d’acétate de sodium à 1 % en poids est considérée comme une concentration optimiste, mais réaliste, pour l’alimentation du système de séparation étudié ici.

La distillation et le séchage thermique font partie des techniques de séparation largement utilisées dans les industries de transformation. De tels systèmes de séparation à forte intensité thermique ont été jugés viables, en partie en raison de la disponibilité d'une chaleur non renouvelable à faible coût. Des technologies de séparation plus économes en énergie, pouvant être alimentées de manière renouvelable, sont privilégiées, pour des raisons économiques et environnementales. Pour concentrer des solutions aqueuses, un exemple de technique appropriée est un système de séparation par membrane à énergie renouvelable. De tels systèmes sont souvent plusieurs fois plus économes en énergie que les alternatives par évaporation, en raison de la chaleur latente d'évaporation inhabituellement élevée de l'eau.

Lorsqu’une membrane semi-perméable est placée entre deux solutions de concentrations molaires différentes, l’eau pénètre du côté de la membrane à faible concentration vers le côté à concentration plus élevée. Ce phénomène est appelé osmose directe (FO). Le flux d'eau à travers la membrane peut être obstrué en appliquant une pression hydraulique adéquate contre le flux osmotique de l'eau. La différence de pression hydraulique à travers la membrane entraînant un flux d’eau nul est la différence de pression osmotique entre les deux solutions. Si la pression hydraulique, à l'encontre du flux naturel, dépasse la différence de pression osmotique, l'eau s'infiltre du côté de concentration la plus élevée vers le côté de concentration inférieure de la membrane. Ce phénomène, connu sous le nom d'osmose inverse (RO), est largement utilisé pour récupérer l'eau des solutions aqueuses et concentrer le soluté.