Techniques et technologies de purification de l'eau en laboratoire

Dans le processus de distillation, l'eau est chauffée pour produire de la vapeur, qui laisse derrière elle les impuretés. La vapeur d'eau monte ensuite vers un condenseur, où elle est refroidie par de l'eau en circulation. Ce refroidissement abaisse la température, permettant à la vapeur de se condenser à nouveau sous forme liquide (figure 2). Ainsi, les contaminants de l'eau restent dans le récipient d'ébullition.

La méthode de distillation élimine efficacement de nombreux contaminants, notamment les minéraux, les matières organiques, les particules et les bactéries, pour obtenir une eau distillée propre.

Cependant, le processus de distillation présente plusieurs limites :

• Contaminants inorganiques : les ions inorganiques peuvent migrer le long du mince film d'eau qui se forme sur les parois internes de l'alambic. Cela explique pourquoi on trouve des ions dans le distillat (la résistivité peut atteindre 1 MΩ.cm à 25 °C). Les contaminants sont également extraits du récipient en verre ou en métal utilisé pour chauffer l'eau (silice, sodium, étain, cuivre).
• Contaminants organiques : les molécules organiques dont le point d'ébullition est inférieur à 100 °C sont transférées dans le distillat. De plus, certaines substances organiques dont le point d'ébullition est supérieur à 100 °C peuvent se dissoudre dans la vapeur d'eau et passer dans le distillat. De plus, de nouveaux composés organochlorés peuvent se former pendant le processus de distillation. Cela se produit parce que l'énergie générée pendant la distillation permet au chlore, qui est ajouté à l'eau du robinet à des fins d'assainissement, de réagir avec les substances organiques naturelles présentes dans l'eau. En conséquence, le niveau de carbone organique total (COT) de l'eau distillée est généralement d'environ 100 ppb.
• Contamination pendant le stockage : la distillation est un processus lent qui nécessite de stocker l'eau pendant de longues périodes. Pendant ce temps, une recontamination peut se produire à partir de l'air ambiant, qui peut contenir des substances volatiles inorganiques et organiques, des bactéries, des particules et des algues. De plus, le récipient lui-même peut contribuer à la recontamination, avec des composés organiques s'échappant des réservoirs en plastique ou des ions migrant des réservoirs en verre.
• Utilisation importante de ressources : la distillation nécessite de grandes quantités d'énergie et d'eau, et son fonctionnement est donc coûteux. De plus, un alambic nécessite un nettoyage régulier de la cuve d'ébullition afin d'éliminer les contaminants accumulés pendant le processus.

Avantages et limites de la distillation :

Avantages

• Élimine un large éventail de contaminants et est donc utile comme première étape de purification.
• Réutilisable.

Limites

• Les contaminants sont dans une certaine mesure transportés dans le condensat.
• Nécessite un entretien minutieux pour garantir la pureté.
• Consomme de grandes quantités d'eau du robinet (pour le refroidissement) et d'énergie électrique (pour le chauffage).
• N'est pas respectueux de l'environnement.

L'osmose inverse (RO) est le moyen le plus économique d'éliminer plus de 95 % de tous les contaminants présents dans l'eau.

L'osmose naturelle se produit lorsque des solutions de deux concentrations différentes sont séparées par une membrane semi-perméable. La pression osmotique pousse l'eau à travers la membrane ; l'eau dilue la solution la plus concentrée et il en résulte un équilibre.

Dans l'osmose inverse, une pression hydraulique est appliquée à la solution concentrée pour contrebalancer la pression osmotique. Ce processus force les molécules d'eau à traverser la membrane semi-perméable tout en laissant derrière elles les sels dissous, les bactéries et autres impuretés (figure 3). Les membranes RO peuvent rejeter 95 à 99 % des particules, bactéries et matières organiques dont le poids moléculaire est supérieur à 200 daltons.

L'osmose inverse implique également un processus d'exclusion des ions. La membrane semi-perméable rejette les sels (ions) en fonction de leur charge : plus la charge est élevée, plus le rejet est important. En conséquence, la membrane rejette la quasi-totalité (> 99 %) des ions polyvalents fortement ionisés, tout en ne rejetant qu'environ 95 % des ions monovalents faiblement ionisés tels que le sodium. De plus, le rejet de sel augmente considérablement avec la pression appliquée (jusqu'à 5 bars).

L'osmose inverse dans les systèmes de purification de l'eau

L'osmose inverse est une méthode très efficace pour purifier l'eau du robinet, à condition que le système soit correctement conçu pour les conditions de l'eau d'alimentation et l'utilisation prévue de l'eau produite. L'osmose inverse est également le prétraitement optimal pour les systèmes de polissage de l'eau de qualité réactive.

Différentes eaux d'alimentation peuvent nécessiter différents types de membranes d'osmose inverse. Les membranes sont fabriquées à partir d'acétate de cellulose ou de composites à couche mince de polyamide sur un substrat de polysulfone. Les membranes d'osmose inverse peuvent être facilement endommagées par des niveaux élevés de contaminants, tels que des particules, du chlore et des composés organiques, qui peuvent obstruer ou dégrader le matériau de la membrane. Afin de protéger les membranes et de garantir des performances et une durée de vie optimales, une cartouche de prétraitement est utilisée pour éliminer les substances nocives avant que l'eau n'atteigne la membrane.

L'eau pure est extraite de la solution concentrée à un débit proportionnel à la pression appliquée et recueillie en aval de la membrane. Les membranes RO étant très restrictives, elles produisent des débits faibles par unité de surface. Des réservoirs de stockage sont donc nécessaires pour produire un volume adéquat dans un délai raisonnable.

Réduction de la consommation d'eau

Dans un processus d'osmose inverse classique, une partie importante de l'eau est rejetée sous forme de déchets. C'est pourquoi de nombreux systèmes Milli-Q^® ont été développés pour inclure des technologies d'osmose inverse avancées qui réduisent la consommation d'eau par rapport aux systèmes d'osmose inverse étalons. Ces technologies comprennent :

• Une boucle de récupération RO qui capture une partie de l'eau rejetée par l'osmose inverse et la recycle dans le système pour un nouveau passage à travers la membrane RO. Ce processus peut réduire considérablement le gaspillage d'eau, rendant le système plus durable et plus rentable que les systèmes RO étalons. De plus, le rinçage automatique de la membrane RO maintient ses performances élevées. Les systèmes qui bénéficient de cette technologie comprennent les séries Milli-Q^® IX et Milli-Q^® IQ 7.
• La technologie E.R.A.™ (Evolutive Reject Adjustment) optimise automatiquement la récupération de l'eau en tenant compte de la qualité de l'eau d'alimentation. Cela permet de réduire la consommation d'eau jusqu'à 50 % par rapport aux autres systèmes RO. Cette technologie élimine le besoin de réglages manuels des vannes pour maintenir le débit, augmente la durée de vie des cartouches RO et réduit les déchets consommables. Cette technologie est intégrée dans des systèmes tels que les séries Milli-Q^® HX 7. 

Avantages et limites de l'osmose inverse

Avantages

• Élimine efficacement tous les types de contaminants (particules, matières organiques, micro-organismes, colloïdes et matières inorganiques dissoutes) et est donc utile comme première étape de purification.
• Nécessite un entretien minimal.

Limites

• Nécessite un bon prétraitement pour éviter une détérioration rapide de la membrane par les contaminants présents dans l'eau : entartrage (dépôts de CaCO₃ à la surface), encrassement (dépôts de matières organiques ou de colloïdes à la surface) ou perte d'intégrité de la membrane ou altération de la taille des pores (détérioration de la membrane par des particules dures ou oxydation causée par le chlore).
• Débit limité par unité de surface. Nécessite une grande surface membranaire ou un dispositif de stockage intermédiaire pour fournir un débit élevé.

L'électrodéionisation (EDI) est une combinaison d'électrodialyse et d'échange d'ions, qui permet de déioniser efficacement l'eau, tandis que les résines échangeuses d'ions sont continuellement régénérées par le courant électrique dans l'unité. Cette régénération électrochimique remplace la régénération chimique des systèmes d'échange d'ions conventionnels.

Le module EDI Elix^® est composé de plusieurs « cellules » disposées entre deux électrodes (Figure 4). Chaque composant du système joue un rôle spécifique dans le processus de purification :

• Structure des cellules : chaque cellule est constituée d'un cadre en polypropylène auquel sont fixées deux membranes sélectives aux ions : une membrane perméable aux cations d'un côté (marquée C sur la figure 4) et une membrane perméable aux anions de l'autre côté (A). Les cellules sont séparées les unes des autres par un séparateur à tamis.
• Lit de résine : l'espace central de chaque cellule (marqué 3 sur la figure 4) est rempli d'une fine couche de résines échangeuses d'ions. Ces résines sont chargées de capturer les ions dissous dans l'eau d'alimentation.
• Débit d'eau : l'eau d'alimentation entrante (1) est divisée en trois flux (1, 3 et 5) :
  • Une petite partie s'écoule sur les électrodes
  • La majorité (65 à 75 %) passe à travers les lits de résine à l'intérieur des cellules
  • Le reste de l'eau s'écoule le long des séparateurs à tamis entre les cellules
• Processus d'élimination des ions : lorsque l'eau d'alimentation entre par le haut de la cellule, les résines échangeuses d'ions capturent les ions dissous. Un courant électrique appliqué à travers le module entraîne ces ions à travers les membranes sélectives d'ions :
  • Les cations se déplacent à travers la membrane perméable aux cations vers la cathode.
  • Les anions se déplacent à travers la membrane perméable aux anions vers l'anode.

Cependant, les ions ne peuvent pas atteindre directement les électrodes. Ils sont bloqués par la membrane sélective d'ions adjacente de charge opposée, qui empêche toute migration supplémentaire (4). En conséquence, les ions s'accumulent dans l'espace entre les cellules (3), appelé canal de concentration.

• Élimination du concentré : L'eau contenue dans ce canal (3), qui présente une forte concentration en ions, est continuellement évacuée du système et envoyée vers le drain (6).
• L'eau produite (7) provenant des canaux de purification (2) est une eau pure de type 2 de haute qualité, exempte d'ions dissous.

Regardez une vidéo expliquant comment le module EDI Elix^® fonctionne pour éliminer efficacement les ions de l'eau pure.

Avantages et limites de l'électrodéionisation

Avantages

• Élimine efficacement les substances inorganiques dissoutes, pour une résistivité supérieure à 5 MΩ·cm à 25 °C (ce qui correspond à un niveau ionique total dans l'eau d'environ 50 ppb).
• Technologie plus écologique :
  • pas de régénération chimique
  • pas d'élimination de produits chimiques
  • pas d'élimination de résine
• Fonctionnement peu coûteux.

Limites

• N'élimine qu'un nombre limité de composés organiques chargés.
• Doit être alimenté par une eau de bonne qualité (par exemple, de l'eau osmosée) pour un fonctionnement économiquement efficace.

Au cours du processus d'échange d'ions, l'eau s'écoule à travers des billes sphériques poreuses (résine échangeuse d'ions). Les ions présents dans l'eau sont échangés contre d'autres ions fixés aux billes. Les deux méthodes d'échange d'ions les plus courantes sont l'adoucissement et la déionisation.

• L'adoucissement est principalement utilisé comme méthode de prétraitement pour réduire la dureté de l'eau avant d'autres processus de purification de l'eau, tels que l'osmose inverse (RO). Les adoucisseurs contiennent des billes qui échangent deux ions sodium pour chaque ion calcium ou magnésium éliminé de l'eau « adoucie ».
• La déionisation (DI) fait appel à des billes échangeuses d'ions qui échangent des ions hydrogène contre des cations ou des ions hydroxyle contre des anions. Ces résines sont petites (< 1,2 mm) et constituées d'un matériau poreux à base de polystyrène, avec des sites de liaison échangeurs d'ions liés de manière covalente à leur surface et à l'intérieur des billes. Les résines de déionisation peuvent être conditionnées dans des échangeurs à lit séparé pour l'échange cationique et anionique, ou dans des échangeurs à lit mixte contenant les deux types de résines (voir figure 5). La configuration à lit mixte permet une élimination plus efficace des ions et se traduit par des valeurs de résistivité de l'eau plus élevées.

Le processus de déionisation dans la purification de l'eau

La déionisation s'effectue comme suit (figure 6) :

• Les résines échangeuses de cations sont constituées de chaînes de polystyrène réticulées par du divinylbenzène avec des groupes acide sulfonique liés de manière covalente. Ces résines échangent un ion hydrogène contre tous les cations qu'elles rencontrent, tels que Na⁺, Ca²⁺ ou Al³⁺.
• Les résines échangeuses d'anions sont constituées de chaînes de polymères de polystyrène avec des groupes d'ammonium quaternaire liés de manière covalente. Ces résines échangent un hydroxyle contre tout anion (par exemple, Cl^-, NO₃^-, SO₄^2-). L'ion hydrogène provenant de l'échangeur de cations s'unit à l'ion hydroxyle de l'échangeur d'anions pour former de l'eau pure.

Les résines échangeuses d'ions IQnano™ se caractérisent par leur petit diamètre par rapport aux résines échangeuses d'ions Jetpore^® (figure 7) et leurs propriétés cinétiques rapides. La combinaison de ces deux résines permet de réduire considérablement le volume total du média, d'utiliser des cartouches plus petites et des systèmes plus compacts, tout en continuant à éliminer les ions jusqu'à des niveaux infimes.

Régénération de la résine échangeuse d'ions

Lorsque les ions hydrogène et/ou hydroxyle d'une résine ont tous été échangés contre des contaminants chargés présents dans l'eau, la résine est saturée. Les résines échangeuses d'ions peuvent être régénérées à l'aide d'acides forts et de bases. Cette régénération inverse le processus de purification, remplaçant les contaminants liés aux résines par des ions hydrogène et hydroxyle. Cependant, il s'agit d'un processus chimique agressif qui peut endommager les chaînes polymères constituant les billes, entraînant une contamination de la résine par des matières organiques et des particules, et posant un problème pour la production d'eau de haute pureté.

Pour la production d'eau de haute pureté, deux solutions existent :

• Utiliser des packs de résine échangeuse d'ions à lit mixte « vierges » contenant des billes monosphériques à faible TOC une seule fois et jeter le pack après utilisation. Il s'agit d'un processus économiquement acceptable à condition que ces packs soient alimentés par de l'eau prétraitée de bonne qualité afin de limiter la fréquence de remplacement. Un bon prétraitement doit éliminer non seulement la majeure partie des ions afin de limiter la charge de contaminants ioniques atteignant le pack de résine, mais également les matières organiques, les particules et les colloïdes. 
• Régénérer les résines échangeuses d'ions à l'aide d'un procédé doux et continu tel que l'électrodéionisation, afin d'éviter d'endommager les billes de résine échangeuse d'ions et de générer par conséquent des contaminants, comme dans le procédé d'électrodéionisation (voir la section ci-dessus et la figure 4).

Avantages et limites de la déionisation

La déionisation peut être un élément important d'un système complet de purification de l'eau lorsqu'elle est utilisée en combinaison avec d'autres méthodes telles que l'osmose inverse, la filtration et l'adsorption sur charbon. Les systèmes de déionisation éliminent efficacement les ions, mais ils ne suppriment pas efficacement la plupart des matières organiques et des micro-organismes. Les micro-organismes peuvent se fixer sur les résines, fournissant un milieu de culture pour la croissance bactérienne et la génération ultérieure de pyrogènes à long terme.

Avantages

• Élimine efficacement les substances inorganiques dissoutes (ions) de l'eau, ce qui permet d'obtenir des niveaux de résistivité supérieurs à 18,0 MΩ·cm à 25 °C (ce qui correspond approximativement à une contamination ionique totale inférieure à 1 ppb dans l'eau).
• Peut être régénéré (par des acides et des bases dans le cadre d'une « déionisation de service » ou par électrodéionisation dans les systèmes de purification de l'eau).
• Investissement initial relativement faible.

Limites

• Capacité limitée : une fois que tous les sites de liaison ionique sont occupés, les ions ne sont plus retenus (sauf en cas de fonctionnement dans un processus d'électrodéionisation).
• N'élimine pas efficacement les matières organiques, les particules ou les bactéries.
• Les lits DI régénérés chimiquement peuvent générer des matières organiques et des particules, et abriter des bactéries.
• Les résines « vierges » à usage unique nécessitent une eau prétraitée de bonne qualité pour être économiquement efficaces.

Le charbon actif est constitué de particules poreuses qui contiennent un réseau complexe de petits pores (figure 8). Un gramme de charbon actif a une surface développée pouvant atteindre 1 000 m². Les molécules organiques dissoutes dans l'eau peuvent pénétrer dans les pores et se lier à leurs parois grâce aux forces de van der Waals. Le processus d'adsorption est influencé par le diamètre des pores du charbon actif et par la vitesse de diffusion des molécules organiques à travers les pores. De plus, la vitesse d'adsorption dépend du poids moléculaire et de la taille moléculaire des composés organiques.

Types de charbon actif utilisés dans la purification de l'eau

Le charbon actif est généralement utilisé en combinaison avec d'autres procédés de traitement. L'emplacement du charbon par rapport aux autres composants est un élément important à prendre en compte dans la conception d'un système de purification de l'eau.

Le charbon actif utilisé dans la purification de l'eau est disponible sous deux formes :

• Le charbon actif naturel, produit par le traitement à haute température de produits végétaux tels que les coques de noix de coco. Ce processus permet d'obtenir une poudre fine composée de grains de forme irrégulière. Le charbon actif naturel contient une forte concentration de contaminants ioniques et n'est donc utilisé que comme étape de prétraitement pour éliminer l'excès de chlore de l'eau du robinet par une réaction de réduction et, dans une certaine mesure, pour réduire la contamination organique.
• Le charbon actif synthétique est fabriqué par pyrolyse contrôlée de billes sphériques en polystyrène (figure 9). Ce matériau plus propre est utilisé pour éliminer les traces de composés organiques de faible poids moléculaire de l'eau purifiée. 

Avantages et limites du charbon actif

Avantages

• Élimine efficacement les matières organiques dissoutes et le chlore.
• Longue durée de vie grâce à une capacité de liaison élevée.

Limites

• N'élimine pas efficacement les ions et les particules. Peut générer des fines de charbon.
• Capacité limitée en raison d'un nombre restreint de sites de liaison.

Certaines radiations ultraviolettes peuvent être bactéricides ou photo-oxyder les contaminants organiques, ce qui fait des lampes UV des outils précieux pour la purification de l'eau.

Rayonnement UV bactéricide

Les rayons UV sont largement utilisés comme traitement germicide de l'eau. L'adsorption des rayons UV par l'ADN des cellules microbiennes inactive les micro-organismes affectés.

Il existe deux types différents de lampes UV bactéricides (figure 10) :

• Historiquement, des lampes à mercure à basse pression émettant une lumière d'une longueur d'onde de 254 nm ont été utilisées pour inactiver les micro-organismes et empêcher la croissance bactérienne et la contamination de l'eau pure (Figure 10a).
• Par ailleurs, les LED UVC sans mercure brevetées émettant à 265 nm (ech₂o^® bactericidal UV) sont de plus en plus utilisées pour une inactivation bactérienne hautement efficace (Figure 10b).

Les lampes UV bactéricides peuvent être situées :

• dans le système de purification de l'eau, afin de contrôler les niveaux bactériens dans l'eau pure
• dans le réservoir, afin de maintenir un faible niveau de contamination bactérienne dans l'eau pure stockée et d'empêcher le développement d'un biofilm.

Rayonnement UV photo-oxydatif

La photo-oxydation des composés organiques dissous dans l'eau permet finalement leur conversion en dioxyde de carbone. Grâce à la photo-oxydation, les niveaux de carbone total oxydable (CTO, parfois appelé « carbone organique total ») dans l'eau de haute pureté peuvent être réduits à 5 ppb ou moins.

Il existe différents types de lampes UV photo-oxydantes :

• Historiquement, on utilisait des lampes à mercure à basse pression avec un manchon en quartz très pur laissant passer la longueur d'onde UV de 185 nm.
• La technologie ech₂o^® au xénon excimère (dimère excité) sans mercure, qui émet des rayons UV d'une longueur d'onde de 172 nm, assure également la photo-oxydation des contaminants organiques.

Avantages et limites du rayonnement ultraviolet

Avantages

• Traitement désinfectant efficace (contrôle bactérien) et oxydation efficace des composés organiques pour atteindre des niveaux de COT dans l'eau inférieurs à 5 ppb.
• Il existe des alternatives efficaces et plus écologiques aux lampes UV contenant du mercure.

Limites

• La photo-oxydation des composés organiques est une étape de finition qui ne permet de réduire le niveau de COT que dans une mesure limitée.
• La lumière UV n'affecte pas les ions, les particules ou les colloïdes.
  

Les filtres microporeux peuvent être classés en deux catégories :

• Les filtres en profondeur sont constitués de fibres ou de matériaux compressés pour former une matrice qui retient les particules par adsorption aléatoire ou piégeage (figure 11a).
• Les filtres de surface sont constitués de plusieurs couches de média. Lorsque le fluide passe à travers le filtre, les particules plus grosses que les espaces à l'intérieur de la matrice du filtre sont retenues et s'accumulent principalement à la surface du filtre. Contrairement aux filtres en profondeur, ils capturent les particules à la surface du média filtrant. Les filtres à tamis (également appelés filtres à membrane) sont des structures intrinsèquement uniformes qui, comme un tamis, retiennent toutes les particules plus grosses que la taille des pores précisément contrôlée à leur surface (Figure 11b).

Il est essentiel de comprendre les différences entre les types de filtres, car chacun remplit une fonction distincte :

• Filtres en profondeur : couramment utilisés comme préfiltres, les filtres en profondeur constituent un moyen économique d'éliminer 98 % ou plus des solides en suspension. Ils protègent les composants en aval contre l'encrassement ou le colmatage en piégeant les contaminants sur toute la profondeur du matériau filtrant. Par exemple, ce filtre est présent dans les cartouches de prétraitement utilisées pour protéger les membranes d'osmose inverse.
• Filtres à tamis : ce sont les plus précis, capturant 100 % des particules plus grosses que la taille de leurs pores. Placés à la dernière étape d'un système de purification de l'eau, ils éliminent les plus petits contaminants restants, tels que les fragments de résine, les fines particules de carbone, les particules colloïdales et les micro-organismes. Par exemple, le filtre final Millipak^® 0,22 µm retient efficacement les particules et les bactéries au point de distribution d'un système Milli-Q®.

Avantages et limites de la microfiltration

Avantages

• Les filtres à tamis sont des filtres absolus qui éliminent toutes les particules et tous les micro-organismes plus gros que la taille de leurs pores.
• Ils sont efficaces tout au long de leur durée de vie, sauf s'ils sont endommagés.
• La maintenance se limite à leur remplacement.

Limites

• Ils n'éliminent pas les substances inorganiques dissoutes, les substances organiques ou les endotoxines.
• Ne peuvent pas être régénérés.

Contrairement aux filtres à membrane (microporeux) qui éliminent les particules en fonction de la taille des pores, une membrane d'ultrafiltration (UF) agit comme un tamis moléculaire. Les membranes UF séparent les molécules dissoutes en fonction de leur taille. Cette taille est souvent exprimée en poids moléculaire, bien que la relation entre la taille et le poids ne soit pas toujours directe.

Dans les ultrafiltres, cette séparation est obtenue en forçant une solution à travers une membrane extrêmement fine et sélectivement perméable (figure 12). Il s'agit d'une membrane fine et durable qui retient la plupart des macromolécules dont la taille est supérieure à un seuil spécifique, appelé limite de poids moléculaire nominal (NMWL). Cela inclut les colloïdes, les micro-organismes et les endotoxines (ou pyrogènes), ainsi que les RNases ou les DNases. Les molécules plus petites, telles que les ions inorganiques, passent dans le filtrat.

Dans le domaine de la purification de l'eau, les ultrafiltres sont couramment utilisés pour produire une eau exempte d'endotoxines, de nucléases et de protéases, ce qui est essentiel pour les applications sensibles telles que la culture cellulaire et la biologie moléculaire (par exemple, les polisseurs finaux Biopak^® ou SQPAK^™ Bio).

Avantages et limites de l'ultrafiltration

Avantages

• Efficace pour éliminer la plupart des particules, pyrogènes, enzymes, micro-organismes et colloïdes supérieurs à leur taille nominale, en les retenant à la surface de l'ultrafiltrateur.
• Fonctionnement efficace tout au long de leur durée de vie, sauf en cas de détérioration.
• Leur durée de vie peut être prolongée par un rinçage régulier à grande vitesse à l'eau.

Limites

• N'élimine pas les substances inorganiques ou organiques dissoutes.
• Peut se boucher lorsqu'il est confronté à un niveau excessif de contaminants de poids moléculaire élevé.