Concepts avancés de traitement de l'eau de refroidissement (Partie 4)

Note de l'éditeur : Il s'agit du quatrième volet d'une série en plusieurs parties par Brad Buecker, président de Buecker & Associates, LLC.

Lisez la partie 1 ici.

Lisez la partie 2 ici.

Lisez la partie 3 ici.

Pendant des décennies, les biocides oxydants ont servi de traitement de base pour le contrôle microbiologique des systèmes de refroidissement. Le chlore est le biocide le plus connu, mais l'évolution des programmes de contrôle du tartre/de la corrosion et le passage connexe d'un pH légèrement acide à un pH modérément basique ont influencé ce choix dans de nombreux cas. (1) Des oxydants alternatifs ou modifiés peuvent être plus efficaces ; et pour des conditions difficiles, des biocides supplémentaires non oxydants peuvent également être bénéfiques. Les deux prochaines parties de cette série examinent bon nombre des développements les plus importants pour le contrôle micro- et macro-biologique.

De nombreuses références suggèrent que 1893 est l'année où le chlore a été appliqué pour la première fois comme biocide dans l'eau potable, avec un développement rapide de la technologie au début des années 1900. Le chlore gazeux, généralement fourni dans des bouteilles d'une tonne, est devenu la méthode de stockage dans de nombreuses installations, pour l'eau potable et autres. Lorsque du chlore est ajouté à l'eau, la réaction suivante se produit :

Cl2 + H2O ⇌ HOCl + HCl Éq. 1

HOCl, l'acide hypochloreux, est l'agent tueur, et il fonctionne en pénétrant les parois cellulaires, puis en oxydant les composants internes des cellules. En raison de problèmes de sécurité liés au chlore gazeux, de nombreuses installations industrielles sont passées à l'hypochlorite de sodium liquide (NaOCl, alias eau de javel), avec une concentration de chlore actif commune de 12,5 %. Une autre alternative populaire, dont le nom MIOX® est le plus connu, est la génération d'hypochlorite de sodium sur site par électrolyse de l'eau salée. Ce processus élimine le besoin de stockage de l'eau de Javel.

Une plage de contrôle courante pour la concentration en chlore de l'eau de refroidissement est de 0,2 à 0,5 ppm, sous réserve de la demande en chlore, que nous examinerons bientôt. L'efficacité et le pouvoir destructeur du chlore sont considérablement affectés par le pH en raison de la nature d'équilibre de HOCl dans l'eau, comme indiqué ci-dessous.

HOCl ⇌ H+ + OCl– Éq. 2

OCl– est un biocide plus faible que HOCl, peut-être parce que la charge de l'ion OCl– ne lui permet pas de pénétrer efficacement les parois cellulaires. La dissociation de l'acide hypochloreux augmente considérablement en fonction du pH.

Étant donné que de nombreux programmes de traitement du tartre/de la corrosion des tours de refroidissement fonctionnent désormais à un pH alcalin proche ou légèrement supérieur à 8,0, la chimie oxydante modifiée peut être un meilleur choix que le chlore basique, comme nous le verrons. De plus, l'acide hypochloreux peut réagir avec d'autres composés qui sont souvent présents dans les eaux de refroidissement et de traitement en recirculation. Les plus importants sont l'ammoniac et les matières organiques. La somme de ces réactions non antimicrobiennes est appelée « demande en chlore ». Les réactions consomment du chlore et réduisent la concentration disponible pour attaquer les microbes. Certaines réactions peuvent produire des composés organiques halogénés, dont la concentration de rejet peut être régulée.

Une réponse plutôt populaire à ces problèmes a été la chimie du brome, où un oxydant au chlore (l'eau de Javel est à nouveau le choix courant) et du bromure de sodium (NaBr) sont mélangés dans un flux d'eau d'appoint et injectés dans l'eau de refroidissement. La réaction produit de l'acide hypobromeux (HOBr), qui a des pouvoirs de destruction similaires à HOCl, mais fonctionne plus efficacement à pH alcalin.

HOCl + NaBr ⇌ HOBr + NaCl Éq. 3

La figure 2 compare la dissociation de HOCl et HOBr en fonction du pH.

Comme cela est clairement évident, à un pH de 8,0, 80 % du HOBr reste non dissocié.

Comme l'acide hypochloreux, l'acide hypobromeux est un oxydant puissant qui a également une demande en halogène. Cependant, contrairement au chlore qui réagit de manière irréversible avec l'ammoniac, la réaction brome-ammoniac est réversible, ce qui laisse le brome libre d'activité vis-à-vis des microbes. Le brome peut également former des composés organiques halogénés.

Un autre problème qui peut être problématique est la durée d'alimentation en oxydant autorisée (heures par jour), qui, sur la base de l'expérience de cet auteur, a été influencée par les réglementations relatives aux systèmes de refroidissement à passage unique. Les autorisations du système national d'élimination des rejets de polluants (NPDES) des systèmes à passage unique sont communes à l'alimentation en comburant pendant un maximum de deux heures par jour et par unité. Cette restriction a été mise en place pour minimiser l'exposition des organismes aquatiques au biocide résiduel à la sortie de l'eau de refroidissement. Au-delà de ce problème, dans certains permis NPDES, la limite de concentration d'oxydant résiduel total (TRO) dans les effluents a été réduite d'une valeur standard unique de 0,2 ppm à des niveaux beaucoup plus bas. La conformité nécessite l'alimentation d'un agent réducteur tel que le bisulfite de sodium (NaHSO3) ou peut-être même du dioxyde de soufre gazeux (SO2) pour réduire la concentration de TRO dans l'effluent. Un délai similaire de deux heures est apparu dans les permis pour les systèmes avec tours de refroidissement, même si la purge est beaucoup plus petite et plus facile à traiter qu'une décharge à passage unique. Le résultat est qu'une limite de temps de deux heures pour l'alimentation biocide permet aux micro-organismes les 22 heures restantes chaque jour de s'établir. Il est donc encore plus impératif d'entretenir et d'exploiter correctement les systèmes d'alimentation en produits chimiques. Lorsque les "bogues" s'installent, les problèmes peuvent rapidement dégénérer.

L'auteur, qui a suivi les performances des condenseurs de vapeur pendant des années dans deux centrales électriques, (2) a déjà participé à un projet de chloration choc d'un condenseur qui s'était encrassé en raison d'un dysfonctionnement du système d'alimentation en biocide. Les facteurs de propreté du condenseur avaient chuté à des niveaux très bas. Même si la chloration choc a tué les microbes, seule une partie de la couche de boue tenace s'est détachée et la propreté du condenseur n'a récupéré que d'environ 50 %. Un grattage mécanique lors de l'arrêt de tranche suivant a été nécessaire pour enlever le matériau restant.

L'alimentation conjointe de biodispersants/tensioactifs peut souvent contribuer à l'efficacité du biocide en ouvrant des voies permettant au biocide de pénétrer dans la couche visqueuse. Plusieurs types de tensioactifs sont disponibles, y compris les sulfonates d'alkylbenzène anioniques, les polyglycosides d'alkyle et les polymères non ioniques de type oxyde d'éthylène/oxyde de propylène (EO/OP). (3)

Les plus courants sont les composés anioniques qui empêchent l'agglomération de particules plus petites en absorbant sur les surfaces, augmentant ainsi la charge de surface négative pour induire la répulsion des particules. Du fait que ces biodispersants ont une charge négative, ils peuvent interagir avec les espèces cationiques présentes dans l'eau (notamment le calcium dans les tours aéroréfrigérantes fortement cyclées), et perdre en efficacité. Les biodétergents sont généralement des molécules non ioniques qui ne réagissent pas avec d'autres composés dans le programme de traitement de l'eau. Ils présentent une bonne efficacité dans les eaux dures. Leur stabilité est un facteur important dans l'élimination des biofilms.

Il est important de noter que le rôle du dispersant n'est pas de tuer les microbes mais d'aider l'oxydant. L'alimentation en dispersant avant l'injection de biocide est souvent la procédure la plus efficace, car le produit chimique "conditionne" le biofilm, augmentant l'efficacité du ou des agents destructeurs.

Plusieurs composés chimiques sont disponibles qui peuvent stabiliser le chlore et le brome, puis libérer les oxydants progressivement, et là où ils sont le plus nécessaires. Un halogène stabilisé présente généralement un pouvoir oxydant inférieur par rapport à l'halogène parent, mais ce pouvoir oxydant réduit offre en fait plusieurs avantages en ce qui concerne le contrôle microbien en ce qu'il minimise les réactions indésirables telles que celles avec la boue protectrice.

Trois classes de stabilisants dominent le marché : le sulfamate, la diméthylhydantoïne et les isocyanurates. Ces composés sont disponibles sous forme solide sous forme de comprimés, de granulés et de poudres. Chaque produit a des caractéristiques de dissolution individuelles, ce qui nécessite une évaluation minutieuse lors de la conception du système d'alimentation. Une conception courante pour l'alimentation en produits solides est un petit récipient dans lequel les comprimés/palettes peuvent être chargés, et qui se dissolvent ensuite progressivement dans un sillage d'eau de refroidissement qui retourne au système principal. Sont également possibles des systèmes d'alimentation liquide, dont un exemple est l'hydantoïne stabilisée qui peut être introduite dans un sillage simultanément avec de l'hypochlorite de sodium pour générer le produit stabilisé.

Oxydants alternatifs

Un problème qui peut être problématique avec les halogènes est que si des colonies sessiles se sont formées, le produit chimique est principalement consommé par la boue protectrice générée par les microbes. Peu de biocide peut rester pour attaquer les organismes en dessous. Les sections suivantes examinent deux oxydants alternatifs.

Dioxyde de chlore

Le dioxyde de chlore (ClO2) est un gaz à température ambiante stable et soluble dans l'eau. Le composé ne peut pas être stocké et doit être préparé sur place. Il y a des années, lorsque l'auteur travaillait avec ce biocide, la technique de génération consistait à mélanger séparément du chlore gazeux et du chlorite de sodium (NaClO2, qui peut être stocké sur place) dans un sillage d'eau qui était réintroduit dans l'eau de refroidissement principale. Des systèmes plus modernes et plus fiables sont maintenant disponibles qui font réagir le NaClO2 ou le chlorate de sodium (NaClO3) avec un agent oxydant dans des conditions acides. Comme pour tous les produits chimiques, le respect des procédures de sécurité appropriées est indispensable lors du chargement des réactifs dans le système d'alimentation et de son fonctionnement.

Le dioxyde de chlore est plus cher que les halogènes, mais le composé présente un degré élevé de sélectivité de réaction et il peut pénétrer les biofilms pour attaquer les microbes. La sélectivité est avantageuse pour d'autres applications non réfrigérantes, y compris la destruction du phénol et le contrôle des odeurs des eaux usées. Étant donné que le dioxyde de chlore existe sous forme de gaz en solution, il est facilement éliminé par aération, y compris lorsque l'eau traverse une tour de refroidissement. Les points d'injection doivent être soigneusement évalués lors de la conception du projet afin de minimiser l'échappement de vapeur du biocide.

Chloramines

Les chloramines ont servi au contrôle microbien dans les systèmes d'eau potable pendant plus d'un siècle. Les avantages sont maintenant reconnus pour le traitement de l'eau de refroidissement. Au cours de l'alimentation en chlore conventionnelle d'une alimentation en eau, à mesure que la concentration de chlore augmente, une série de chloramines apparaîtra, en commençant par la monochloramine (NH2Cl) à la dichloramine (NHCl2) puis au trichlorure d'azote (NCl3). La monochloramine est le composé d'intérêt pour le contrôle moderne de l'encrassement biologique, et des technologies sont maintenant disponibles pour produire un flux vierge de NH2Cl à cette fin. La monochloramine est moins réactive que les halogènes mais cela peut être un avantage contre les colonies sessiles. La réactivité réduite permet au composé de pénétrer les biofilms et d'attaquer les organismes sous-jacents. Cependant, la monochloramine nécessite généralement un temps de contact plus long que l'hypochlorite pour obtenir la destruction microbienne souhaitée.

D'autres composés oxydants sont disponibles, notamment le peroxyde d'hydrogène, l'acide peracétique et l'ozone (généré sur place). Cependant, ces produits chimiques réagissent très rapidement avec une grande variété de composés et ne sont donc généralement pas utilisés pour les grandes applications d'eau de refroidissement. Ils peuvent être très efficaces pour le nettoyage hors ligne du remplissage des tours de refroidissement. (4)

La lumière ultraviolette (UV) s'est avérée efficace pour tuer les micro-organismes dans de nombreuses applications, mais pour les grands débits où l'eau présente une turbidité importante, la lumière peut ne pas pénétrer suffisamment pour être efficace. Et, bien sûr, la lumière UV n'offre aucun effet résiduel. Peut-être étudierons-nous cette technologie dans un futur article sur Power Engineering.

Cet article a examiné bon nombre des principales propriétés des biocides oxydants pour le contrôle microbiologique. Le principal point à retenir est que les systèmes d'alimentation doivent être en bon état de fonctionnement à tout moment. Si des colonies sessiles se développent, il peut être extrêmement difficile d'enlever la couche visqueuse qui est générée. Les résultats ultérieurs incluent une perte substantielle de transfert de chaleur dans les condenseurs et autres échangeurs de chaleur, le potentiel de corrosion sous les dépôts généré directement ou indirectement par les colonies et l'encrassement du remplissage de la tour de refroidissement. Dans la prochaine partie de cette série, nous examinerons les biocides non oxydants comme traitement complémentaire pour le contrôle microbiologique et macrobiologique.

Cette discussion représente les bonnes pratiques d'ingénierie développées au fil du temps. Cependant, il est de la responsabilité des propriétaires d'usines, des exploitants et du personnel technique de mettre en œuvre des programmes fiables basés sur la consultation d'experts de l'industrie. De nombreux détails supplémentaires entrent dans la conception et l'utilisation ultérieure de ces technologies qui peuvent être décrites dans un seul article.

Les références

À propos de l'auteur : Brad Buecker est président de Buecker & Associates, LLC, conseil et rédaction technique/marketing. Plus récemment, il a occupé le poste de publiciste technique principal chez ChemTreat, Inc. Il a plus de quatre décennies d'expérience dans les secteurs de l'énergie et du traitement de l'eau industrielle, dont une grande partie dans la chimie de la production de vapeur, le traitement de l'eau, le contrôle de la qualité de l'air et les postes d'ingénierie des résultats avec City Water, Light & Power (Springfield, Illinois) et Kansas City Power & Light Company (maintenant Evergy) La Cygne, Kansas station. Buecker est titulaire d'un BS en chimie de l'Iowa State University avec des cours supplémentaires en mécanique des fluides, en bilans d'énergie et de matériaux et en chimie inorganique avancée. Il est auteur ou co-auteur de plus de 250 articles pour diverses revues spécialisées techniques et a écrit trois livres sur la chimie des centrales électriques et le contrôle de la pollution de l'air. Il peut être contacté à [email protected].