Pourquoi les eaux usées de la chimie du charbon nécessitent une étape de nanofiltration
La capacité chinoise de production d'éthylène glycol à partir de charbon a atteint 30,142 millions de tonnes par an en 2024, soit 49,24 % de la production mondiale, et la voie charbon-glycol assure à elle seule 35 % de la production nationale chinoise d'éthylène glycol (d'après S4, ScienceDirect 2025). Chaque tonne de glycol produite génère un flux parallèle d'eaux usées à forte salinité et réfractaires que la filière biologique + OI standard ne peut pas traiter intégralement. L'étape d'OI récupère un perméat propre réutilisable, mais elle laisse derrière elle un concentrat chargé en NaCl, Na₂SO₄ et matières organiques dissoutes (MOD) mélangés qui résiste à toute séparation membranaire ultérieure.
Ce concentrat est le point critique de l'exploitation. La solution conventionnelle en fin de chaîne consiste en une évaporation thermique suivie d'une cristallisation, mais le gâteau de sels mélangés obtenu est classé comme déchet solide et envoyé en centre de stockage, un poste qui peut dépasser 30 % de l'OPEX total de la station pour les eaux usées, sans aucun crédit sur les coproduits. La capacité d'enfouissement pour les déchets de sels inorganiques en Mongolie-Intérieure et en Asie du Sud se réduit également sous l'effet de nouvelles réglementations sur les déchets solides, ce qui alourdit la responsabilité d'élimination.
Une étape de nanofiltration correctement conçue divise le problème en deux. En séparant le NaCl monovalent du Na₂SO₄ polyvalent en amont de la cristallisation, chaque sel sort de l'évaporateur sous forme d'un cristal monocomposant conforme aux spécifications industrielles de vente, et non comme un déchet mélangé. Le raisonnement économique n'est plus « traiter la saumure et payer le stockage » : il devient « récupérer deux produits commercialisables et éviter l'essentiel de la charge d'évaporation sur le flux de perméat NF ».
Comment la nanofiltration sépare les sels dans la saumure de la chimie du charbon
La nanofiltration se situe entre l'ultrafiltration et l'osmose inverse, tant par la taille de pores que par la sélectivité. La plage mécanique caractéristique est un diamètre de pore équivalent de 0,5–2 nm, ce qui correspond à un seuil de coupure moléculaire (MWCO) de 200–400 Da pour les éléments composites à film mince polyamide utilisés en service industriel dans la chimie du charbon (d'après S4, 2025). Les deux éléments de référence commerciaux cités dans la littérature sont le MNF-200 à 200 Da et le MNF-400 à 400 Da, tous deux chargés négativement en surface.
Deux mécanismes couplés régissent le rejet des sels sur ces membranes. Le tamisage stérique par taille de pore rejette les espèces dont le rayon hydraté est supérieur à l'ouverture effective de la membrane, ce qui exclut déjà la plupart des sels polyvalents et la majeure partie des MOD. Le second mécanisme, l'effet Donnan, provient de la charge fixe négative sur la surface polyamide : les co-ions (anions) sont repoussés électrostatiquement, tandis que les contre-ions (cations) sont partiellement retenus pour maintenir l'électroneutralité côté perméat. Un anion divalent comme SO₄²⁻ porte deux fois la charge de Cl⁻ et est donc rejeté beaucoup plus fortement.
Le fondement économique d'une filière NF de séparation des sels repose sur une donnée contre-intuitive tirée de S4 : dans les systèmes mixtes NaCl/Na₂SO₄, le rejet du sel monovalent par NF peut descendre en dessous de 0 %, car l'anion polyvalent écrante la charge de surface de la membrane et l'ion chlorure est en fait entraîné à travers la membrane avec l'eau. Ce rejet négatif est précisément la raison pour laquelle la séparation est si nette : Na₂SO₄ est concentré d'un côté de la membrane et NaCl est enrichi de l'autre. L'OI ne peut pas faire cela : elle rejette les deux sels à plus de 99 % sans distinction, ce qui laisse au cristalliseur le même problème de sels mélangés que l'évaporateur ne parvenait déjà pas à résoudre.
Choix membranaire : 200 Da ou 400 Da pour les flux de la chimie du charbon
Le point de référence à pleine échelle vient d'une usine de production d'éthylène glycol à partir de charbon située dans la province d'Anhui, en Chine, où une filière NF MNF-200 a traité environ 4 000 m³/j de concentrat d'OI en continu pendant trois mois, en maintenant un rejet de Na₂SO₄ supérieur à 98 % et un rejet de NaCl inférieur à 10 % sur toute la durée de l'essai (d'après S4, ScienceDirect 2025). C'est la performance à laquelle un acheteur doit adosser son cahier des charges.
Le MNF-400 offre un flux à l'eau pure plus élevé à pression identique parce que ses pores plus grands opposent moins de résistance hydraulique, mais l'écart de sélectivité monovalent/polyvalent se réduit. Pour une saumure charbon-glycol où le cristalliseur en aval exige une séparation nette afin de produire un cristal Na₂SO₄ monocomposant, le choix conservateur est le MNF-200. La logique de sélection se résume à trois critères que l'équipe d'Anhui a utilisés pour ramener cinq candidats à deux finalistes : charge de surface (négative, indispensable pour l'exclusion Donnan de SO₄²⁻), MWCO (200 contre 400 Da) et stabilité structurelle à salinité élevée (d'après S4, 2025). La charge de surface et la stabilité structurelle priment sur le flux : un flux élevé sur une membrane qui gonfle ou perd sa charge après 30 jours n'est pas une donnée de performance exploitable.
| Paramètre | MNF-200 (200 Da) | MNF-400 (400 Da) |
|---|---|---|
| Rejet de Na₂SO₄ (saumure mixte, pleine échelle) | >98 % | ~90–95 % (plage polyamide typique) |
| Rejet de NaCl (saumure mixte, pleine échelle) | <10 % | ~20–35 % (plage polyamide typique) |
| Flux à l'eau pure (relatif) | Référence | ~1,5–2× la référence |
| Plage de pression de service | 10–30 bar | 10–25 bar |
| Application la mieux adaptée | Séparation nette NaCl/Na₂SO₄ avant cristallisation | Polissage à flux plus élevé, séparation de sels à pureté moindre |
| Durée documentée en pleine échelle | 3 mois en continu (cas Anhui, S4) | Non documenté à pleine échelle pour ce service |
Règle de décision : si la cible de pureté de l'alimentation du cristalliseur pour l'un ou l'autre des flux salins dépasse 95 % en passage simple, spécifiez 200 Da. Si l'usine peut tolérer une boucle de recyclage côté Na₂SO₄ pour pousser la pureté, le 400 Da devient défendable et récupère son flux.
Colmatage et comportement des MOD dans le concentrat NF
Une NF prête à brancher sur un concentrat d'OI brut de chimie du charbon s'effondre en quelques semaines, car les matières organiques dissoutes ne sont pas génériques : elles sont chimiquement spécifiques. La caractérisation à l'échelle moléculaire d'une filière ZLD de chimie du charbon en pleine échelle (d'après S2, Water Research 2026) montre que le concentrat NF accumule des MOD soufrées de haut poids moléculaire ainsi que des métabolites biogènes de type tryptophane qui résistent au traitement biologique. En revanche, le concentrat d'OI à ultra-haute pression en aval de la NF accumule des N-hétérocycles halogénés de bas poids moléculaire. Les deux concentrats se colmatent différemment et exigent des mesures correctives différentes.
La fraction soufrée de haut poids moléculaire dans le concentrat NF provoque un colmatage organique et crée un risque secondaire : tout chlore libre dosé en amont attaque les centres soufrés et libère des oxydants agressifs qui endommagent la couche polyamide. La fluorescence de type tryptophane signale un traitement biologique incomplet ; si le BRM en amont est défaillant, les indices BIX et UV254 augmentent avant le flux, ce qui laisse à l'opérateur une fenêtre d'alerte de 24 à 72 heures. UV254 et BIX sont tous deux utilisables comme indicateurs en ligne de la propension au colmatage sur une installation réelle (d'après S2, 2026), et chacun coûte bien moins cher à instrumenter qu'un remplacement de membrane.
La conséquence opérationnelle est claire : la chaîne de prétraitement en amont de la NF n'est pas optionnelle, la recette de CIP n'est pas générique, et la biologie en amont doit être conforme aux spécifications avant que la NF ne voie l'eau. Traitez cela comme un seul problème de conception couplé plutôt que comme trois opérations unitaires indépendantes.
Prétraitement et intégration système autour du skid NF
La NF ne fonctionne pas seule. Une filière défendable sur concentrat d'OI de chimie du charbon exige, dans l'ordre : une unité de FAD en amont de l'UF et de la NF pour les matières en suspension, les huiles et les graisses ; un système d'ultrafiltration en PVDF comme protection de la NF à seuil nominal de 0,03 µm pour éliminer les colloïdes et la biomasse ; un skid de dosage d'antitartre et de pH piloté par automate pour maintenir le sulfate de calcium et la silice sous leurs indices de saturation dans le concentrat NF ; puis le rack NF lui-même. Sauter l'étape FAD fait chuter le flux NF en 4 à 6 semaines sur un effluent réel de chimie du charbon ; sauter l'UF expose à un colmatage colloïdal qu'aucun cycle de CIP ne permet de résorber pleinement.
La NF se positionne sur le concentrat d'OI, et non sur l'eau brute. La chaîne hydraulique complète est : traitement biologique (A/O ou BRM) → système d'OI industrielle en amont de la NF → NF → cristallisation par évaporation, avec le perméat NF (riche en NaCl) et le concentrat NF (riche en Na₂SO₄) dirigés vers deux cristalliseurs distincts. L'électrodialyse est peu répandue sur les saumures de la chimie du charbon, car la teneur en divalents colmate les membranes échangeuses d'ions, mais elle peut polir les flux de Na₂SO₄ ou NaCl récupérés pour les vendre sur des marchés de plus haute pureté si le chiffre d'affaires justifie l'étage supplémentaire. Les débits d'UF pour une alimentation NF de 4 000 m³/j se situent généralement dans la plage 2 000–40 000 L/h selon le taux de récupération et la qualité de l'alimentation ; le dimensionnement est fixé par l'IDS de l'effluent du BRM en amont et par l'objectif d'indice de densité de boues à l'entrée du rack NF.
Pour un contexte plus large de conception ZLD, les mêmes spécifications d'ingénierie de la filière hybride FAD-OI-BRM en ZLD utilisées dans le service des métaux lourds se transposent aux applications de la chimie du charbon avec un dosage chimique différent, et la méthodologie de dimensionnement ZLD pour les concentrateurs miniers fournit un cadre de bilan matière réutilisable pour dimensionner l'étage NF par rapport à la charge thermique du cristalliseur.
Paramètres de service, CIP et durée de vie des membranes
La NF polyamide sur concentrat d'OI de chimie du charbon opère confortablement dans une plage de pression d'alimentation de 10–30 bar, avec un taux de récupération de 50–75 %, une fenêtre de pH de 2–11 en service normal (2–12 pendant les CIP) et une température d'alimentation continue inférieure à 45 °C. Ce sont les plages de conception cohérentes avec la chimie polyamide standard, et non des valeurs propres à un fournisseur : un fournisseur annonçant 40 bar en alimentation continue sur un élément 200 Da sur-spécifie un composant standard.
Le plan de CIP suit l'empreinte des MOD. Déclenchez un cycle de nettoyage à 10–15 % de perte de flux normalisé à température et pression fixées, ou sur une base planifiée (hebdomadaire alcaline + mensuelle acide), selon ce qui survient en premier. Les MOD soufrées de type protéique documentées dans le concentrat NF (d'après S2, Water Research 2026) répondent mieux à un CIP alcalin avec surfactant non ionique à pH 10–11, suivi d'une étape acide à pH 2–3 pour dissoudre tout dépôt minéral codéposé avec la couche organique. Un chlore libre supérieur à environ 0,1 ppm côté alimentation endommage la réticulation polyamide ; utilisez des biocides non oxydants (DBNPA ou isothiazolone) en amont du rack NF pour le contrôle biologique.
La durée de vie membranaire attendue sur concentrat d'OI de chimie du charbon bien prétraité est de 3 à 5 ans, l'installation MNF-200 d'Anhui démontrant le plancher de trois mois en continu que tout pilote devrait être tenu d'égaler avant validation des achats. Un essai pilote de moins de 90 jours ne constitue pas une base pour une garantie de durée de vie membranaire de 5 ans.
Diagramme de procédé : de l'effluent de la chimie du charbon aux sels récupérés
La chaîne complète se déroule en quatre étapes. L'étape 1 est le traitement biologique, typiquement anoxie/oxydation (A/O) suivi d'un BRM, qui élimine la DCO biodégradable et l'ammoniaque mais, d'après la caractérisation de S2 (2026), laisse des métabolites biogènes de type tryptophane et une fraction de MOD saturées/réduites que les bactéries ne parviennent pas à minéraliser. L'étape 2 est l'OI, qui produit un perméat propre réutilisable et un concentrat contenant l'essentiel des sels dissous ainsi que les MOD réfractaires. L'étape 3 est la séparation des sels par NF à l'aide d'un élément de classe MNF-200 : le perméat NF, enrichi en NaCl parce que le chlorure monovalent traverse la membrane, alimente un cristalliseur de NaCl ; le concentrat NF, enrichi en Na₂SO₄ parce que le sulfate divalent est rejeté, alimente un cristalliseur de Na₂SO₄ distinct. L'étape 4 est la cristallisation par évaporation de chaque flux séparé, donnant deux produits salins de qualité industrielle ; le condensat du cristalliseur retourne au bac d'alimentation de l'OI pour boucler la boucle d'eau.
Le basculement économique est l'essentiel. L'usine remplace un flux de déchets de sels mélangés à mettre en décharge par deux flux de coproduits commercialisables et réduit la charge d'évaporation thermique, car le perméat NF (eau riche en NaCl) est bien moins réfractaire que la saumure mixte d'origine. Le résultat est un quasi-zéro rejet liquide au sens réglementaire, avec un revenu partiel en déduction du CAPEX : des chiffres défendables qu'un ingénieur achats peut présenter à la direction, ancrés sur la performance à pleine échelle d'Anhui plutôt que sur une brochure fournisseur.
Questions fréquentes
Pourquoi utiliser la NF plutôt que l'OI seule sur les eaux usées de la chimie du charbon ?
L'OI rejette NaCl et Na₂SO₄ à plus de 99 % et produit un concentrat de sels mélangés qui doit encore être évaporé en un gâteau de sels mélangés classé comme déchet solide. La NF exploite l'écart de sélectivité monovalent/polyvalent, avec plus de 98 % de rejet Na₂SO₄ et moins de 10 % de rejet NaCl (d'après S4, 2025), de sorte que chaque sel sort du cristalliseur comme un produit monocomposant vendable plutôt que mis en décharge.
Quel MWCO convient pour une saumure charbon-glycol ?
200 Da (classe MNF-200) est le choix documenté à pleine échelle pour le concentrat d'OI de la production d'éthylène glycol à partir de charbon, démontré à environ 4 000 m³/j sur une durée continue de trois mois dans la province d'Anhui, en Chine (d'après S4, ScienceDirect 2025). Le 400 Da n'est acceptable que si l'usine peut tolérer une sélectivité plus faible et recycler le flux Na₂SO₄ pour en augmenter la pureté.
De quel prétraitement un skid NF a-t-il besoin sur les flux de la chimie du charbon ?
Une FAD ou un décanteur lamellaire pour les huiles et les matières en suspension, une ultrafiltration PVDF de garde à 0,03 µm et un dosage chimique pour l'ajustement du pH et l'antitartre. Sans ces trois étapes, le flux NF s'effondre en quelques semaines sur un effluent réel de chimie du charbon.
Combien de temps durent les membranes NF dans ce service ?
Trois à cinq ans est réaliste pour une NF polyamide sur concentrat d'OI de chimie du charbon bien prétraité. Une démonstration pilote d'au moins 90 jours en continu de fonctionnement stable doit être une condition minimale d'achat ; le cas d'Anhui fournit ce point de référence (d'après S4, 2025).
La NF peut-elle à elle seule atteindre un véritable zéro rejet liquide ?
Non. La NF réalise la séparation des sels qui rend le ZLD économique ; une cristallisation évaporative ou mécanique des deux flux de saumure séparés reste nécessaire pour atteindre un quasi-zéro rejet liquide. La NF est l'étape habilitante, et non un remplacement de l'étape thermique.
