L’osmose est un phénomène naturel qui se produit spontanément dans tout organisme vivant, animal ou végétal. Il permet des échanges à travers les membranes cellulaires, dans le but d’équilibrer la concentration en éléments dissous entre l’intérieur et l’extérieur des cellules.
Quand deux solutions aqueuses de concentration différente sont mises en contact de part et d’autre d’une membrane qui laisse passer les molécules d’eau tout en retenant les substances dissoutes, l’eau va diffuser de la solution hypotonique, c’est-à-dire la moins concentrée, vers la solution hypertonique, c’est à dire la plus concentrée.
Le phénomène s’arrête spontanément lorsque la pression de la solution hypotonique atteint sa valeur limite, dite pression osmotique. Le résultat final est une dilution du milieu le plus concentré.
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L’osmoseur
Cet appareil devrait en réalité s’appeler osmoseur inverse, puisqu’il débarrasse une eau de quasiment tous les éléments étrangers qu’elle contient.
Son principe de fonctionnement est assez simple. L’eau de conduite est amenée sous pression contre la membrane qui laisse passer les molécules d’eau mais retient les substances dissoutes ou en suspension. En aval de cette membrane le liquide est pur alors que les déchets s’amoncellent en amont.
Le déroulement des opérations s’effectue en continu. L’eau est en effet constamment compressée contre la membrane, que la pression du liquide fortement chargé en diverses substances dissoutes risque alors d’endommager. Il est donc impératif d’éliminer en permanence ce liquide très minéralisé.
L’évacuation s’effectue par vidange automatique de la zone hypertonique. Une valve empêche toutefois la pression de chuter en deçà d’une valeur prédéfinie au-dessous de laquelle l’osmoseur ne fonctionnerait plus. L’eau chargée en minéraux étant éliminée, elle est immédiatement remplacée par un nouveau volume de liquide qui sera à son tour traité.
L’osmoseur ne fonctionne donc pas en circuit fermé. Puisqu’il est physiquement impossible de forcer toute l’eau à traverser la membrane, le circuit est ouvert pour permettre au liquide en excédent d’être rejeté.
Cette évacuation doit cependant être volontairement contrariée, afin d’augmenter la pression au niveau de la membrane pour obliger une partie de l’eau à la traverser. Le principal inconvénient est donc une grande consommation d’eau, puisqu’une partie est rejetée directement dans les conduites d’évacuation. En réalité le rendement global d’un osmoseur est d’environ 25 %, ce qui signifie que pour un quart d’eau osmosée obtenue, trois quarts sont gaspillés.
Il est cependant possible de limiter la gabegie en recueillant l’eau non traitée dans une citerne pour un usage autre qu’alimentaire, comme l’arrosage des jardins par exemple.
Les performances d’un osmoseur sont intrinsèquement liées à la qualité de l’eau de distribution. Plus elle est minéralisée et plus le rendement est faible, car les déchets qui s’accumulent en amont de la membrane la colmatent plus rapidement.
L’entretien d’un osmoseur
La prévention constituant le meilleur des remèdes, la préfiltration de l’eau de conduite permet de réduire au maximum les dégâts causés à la membrane. Pour ce faire un système de filtration composé de deux modules doit être installé en amont de l’osmoseur. Le premier compartiment abrite du charbon actif ayant pour fonction la neutralisation du chlore et de l’ozone.
Le second compartiment plus traditionnel est composé de nouilles de céramique, de ouate de perlon, ou de mousse de polyester, et vise à retenir les grosses impuretés ainsi que les
particules de charbon s’étant échappées du module précédent.
Pour limiter les phénomènes d’encrassement, il faut nettoyer le dispositif au moins une fois par mois en coupant l’arrivée d’eau afin de supprimer la pression. Le phénomène naturel de l’osmose reprend alors ses droits, l’eau qui s’écoule d’aval en amont entraînant avec elle particules et bactéries, éliminées ensuite par le reflux. La vanne de vidange doit à ce moment être totalement ouverte.
Un nettoyage de la membrane devient obligatoire quand l’efficacité du système diminue de 10 %. Cela se traduit dans les faits par une baisse du débit de 10 % pour une pression constante ou par la nécessité d’augmenter la pression de 10 % pour maintenir un débit constant.
La membrane de l’osmoseur
C’est le cœur du dispositif. De sa qualité vont dépendre rendement et performance. Son efficacité est déterminée par la dimension de ses pores et par les matériaux dont elle est composée.
Le taille d’un pore de membrane ne dépasse jamais 0,0001 µm (ou micromètre). A titre de comparaison, un virus mesure entre 0,02 et 0,4 µm et une bactérie entre 4,4 et 1 µm.
La petitesse des pores permet donc de retenir les molécules organiques, qui sont habituellement assez grosses, tout comme les molécules minérales, y compris les éléments radioactifs nettement plus petits.
A l’inverse, les gaz dissous ne sont pas bien arrêtés et certains comme le gaz carbonique traversent la membrane sans difficulté. Le pouvoir de rétention d’une membrane d’osmoseur varie de 90 à 95 %, ce qui est fort honorable. L’analyse de l’eau traitée permet de déceler la présence de traces de sels qui ont réussi à franchir la barrière.
La membrane d’un osmoseur est très fragile et son efficacité tout comme sa durée de vie dépendent de nombreux paramètres. Le chlore, l’azote, les bactéries, une température élevée, de grosses particules provoquant des chocs ou des colmatages, ou encore un assèchement dû à l’arrêt du système sont autant de facteurs qui peuvent la détériorer irrémédiablement.
Les membranes sont aujourd’hui largement conçues à partir de polymères. Celles des dispositifs à usage aquariophile sont généralement constituées d’un film enroulé en spirale autour d’un tube central.
Les composites polyamide/polysulfone supportent une concentration en chlore de 0,1 mg/l, un domaine de pH assez large (de 3,0 à 10,0) et se comportent bien en présence de bactéries. Elles sont souvent répertoriées sous le sigle TFC, acronyme de l’expression anglaise » Thin Film Composite » qui signifie » composite en couches minces « .
Ce type de membranes prend de nos jours le pas sur celles fabriquées à partir d’acétate de cellulose. Ces dernières supportent en effet une concentration en chlore plus élevée mais ne tolèrent qu’une fourchette de pH assez étroite (de 4,0 à 6,0) et réagissent mal face à de fortes colonies bactériennes. De surcroît, elles laissent passer beaucoup trop de nitrates.
Des matériaux comme les composites à base de polyvinyle ou les copolymères de poly(amide-sulfonamide) ont également fait leur apparition dans ce domaine d’application.
Les ennemis d’une membrane
Comme l’efficacité et la durée de vie d’un osmoseur sont étroitement liées aux performances de sa membrane, l’entretien régulier de cette dernière est capital.
En premier lieu les substances qui s’accumulent en aval colmatent peu à peu les pores. Si dans un premier temps ce phénomène réduit la capacité de traitement de la membrane, il finit par provoquer des dommages irréparables. Les causes en sont multiples, comme une abrasion de surface due aux contaminants ou encore le développement de cristaux qui obstruent les pores, et finissent par entraîner une mauvaise résistance à la pression.
Les membranes sont soumises à différents types d’agression. Les éléments colmatants ne forment pas seule masse hétérogène mais se positionnent en des endroits différents de la membrane. Par exemple, les solides dissous se fixent sur des zones adaptées à leur nature chimique alors que les bactéries optent pour les sites riches en nourriture.
De natures diverses, ces impuretés sont classées en fonction de leur état physique et leur zone de fixation : – les solides dissous formés d’anions ou de cations. Ils peuvent précipiter lorsque leur concentration dépasse une certaine valeur appelée limite de solubilité. Le carbonate de calcium (calcaire), qui s’avère être le composé le plus fréquemment observé sur les membranes encrassées, appartient à cette catégorie, tout comme les sulfates de calcium, baryum ou strontium.
- les solides en suspension. Ils sont stabilisés dans la solution grâce à une interaction électrostatique qui trouve son origine dans une double couche de charges électriques. Cet état de charge peut attirer aussi d’autres particules. Ils s’agglomèrent sous forme de colloïdes qui finissent par se fixer sur la membrane quand leur taille ne les autorise plus à rester suspendus dans le liquide.
- les espèces vivantes aérobies ou anaérobies. Il s’agit des bactéries, champignons ou algues, ainsi que des déchets produits par leur métabolisme.
- les espèces organiques non biologiques à base de carbone. Ces hydrocarbures ou agents de surface sont présents dans l’eau sous forme de traces.
L’utilité d’un osmoseur
L’osmoseur devient utile voire indispensable lorsque les conditions de salubrité de l’eau ne sont plus assurées, très souvent par la faute d’un excès de nitrates ou de phosphates. Il devient aussi incontournable pour réussir l’élevage et la reproduction d’animaux évoluant dans des eaux douces, comme les discus par exemple.
L’aquariophilie marine et plus particulièrement récifale est un domaine réclamant également de l’eau osmosée pour prémunir les habitants de l’aquarium des méfaits des nitrates. Ainsi, les sels marins sont mélangés à une eau pure.
L’emploi d’une eau osmosée pure peut toutefois se révéler dangereux pour l’équilibre du milieu. En effet, l’absence de carbonates et par conséquent de leur pouvoir tampon peut entraîner de brusques variations du pH. Il faut alors minéraliser légèrement l’eau avec des sels artificiels ou filtrer avec des matériaux contenant du carbonate de calcium pour faire remonter le taux de dureté et stabiliser le pH.
Le plus simple est de couper l’eau osmosée avec de l’eau de distribution, jusqu’à obtention de la dureté voulue, avec le risque paradoxal de réintroduire les éléments qui ont été éliminés, en concentration toutefois moindre. Les puristes pourront utiliser à cet effet une eau minérale, ce qui augmentera bien sûr le coût de revient.
Si les besoins en eau osmosée ne dépassent pas une trentaine de litres par semaine, l’achat d’un osmoseur est peu rentable. Il est dans ce cas préférable de se procurer de l’eau osmosée au prix d’un franc le litre environ, chez un vendeur de produits aquariophiles. L’investissement devient par contre incontournable et vite rentabilisé lorsque la consommation hebdomadaire atteint cent litres.
Quelques conseils pour l’utilisation d’un osmoseur
Pour limiter les déperditions d’eau, certains seraient tentés de réduire la quantité de liquide non utilisé et rejeté dans les égouts en agissant sur la vanne. Ce comportement peut s’avérer dangereux pour la membrane qui s’obture alors plus rapidement. De nombreux osmoseurs sont équipés d’un restricteur automatique, système éliminant automatiquement l’eau usée dans une proportion de 3 pour 1 et empêchant toute intervention humaine.
Une membrane ne doit jamais être exposée à l’air libre très longtemps. Durant une absence prolongée, lorsque l’arrêt de l’osmoseur s’impose, celui-ci ne doit jamais être vidé et asséché mais simplement arrêté, la membrane restant toujours plongée dans l’eau. Un nettoyage permettant d’éliminer les bactéries s’impose lors de la remise en route.
Si l’osmoseur est doté de préfiltres mécaniques, ceux-ci doivent être régulièrement vérifiés et nettoyés, voire changés simultanément quand leur colmatage devient trop important.
La température de l’eau peut provoquer des erreurs d’appréciation lors de la détermination du débit. Plus l’eau est chaude, plus sa vitesse d’écoulement sera rapide, sa fluidité étant alors plus importante. Une baisse de température de 1 °C fait ainsi chuter le flux de 3 %, à pression constante. Ce phénomène peut à tort être attribué à un encrassement de la membrane. Sous une pression de 4 bars, valeur habituelle des réseaux de distribution, un osmoseur à usage aquariophile délivre en moyenne 90 litres d’eau par jour.
Une membrane bien entretenue possède une durée de vie de cinq ans environ. Cet élément n’est pas seulement le plus précieux sur un plan fonctionnel, mais également au niveau économique puisqu’elle représente parfois à elle seule 80 % du prix de l’appareil. Gare aux détériorations dues à un mauvais entretien !
Le stockage de l’eau osmosée doit toujours se faire dans des récipients en matériaux neutres et de type alimentaire, comme les jerricans. L’eau doit être laissée au contact de l’air, pour lui éviter de croupir.
