La disponibilité des ressources en eau constitue un véritable défi pour le XXIe siècle. Car l’eau douce accessible ne représente qu’une infime portion de l’eau disponible sur Terre et les besoins vont croissants, notamment sous la pression démographique. En 2050, il faudra satisfaire la demande d’une population mondiale de presque 10 milliards d’habitants (dont plus de 6 milliards de citadins).
Le changement climatique devrait également accroître cette pression, et l’on assiste un peu partout dans le monde à un recours accru au dessalement de l’eau de mer pour répondre à cette demande en eau potable.
Les eaux des fleuves, lac et rivières (dites « eaux superficielles ») sont également très utilisées dans de nombreux processus industriels, comme fluide de refroidissement dans les installations de production d’énergie, par exemple. Et l’eau joue aujourd’hui un rôle crucial dans la production d’électricité thermique.
Combattre l’entartrage
Face à ces besoins accrus en eau, la lutte contre la formation de dépôts minéraux – et tout particulièrement de calcaire, c’est-à-dire de carbonate de calcium (CaCO3) – dans les installations industrielles de production d’eau potable ou d’énergie est devenue une nécessité.
Ces dépôts, qui résultent du phénomène d’« entartrage », entraînent des problèmes à la fois techniques et économiques : obstruction des canalisations, colmatage des membranes (en particulier lors du dessalement de l’eau de mer) et perte d’efficacité des échangeurs thermiques (dans les processus de production d’énergie).
L’impact économique de l’entartrage est souvent sous-estimé. En milieu industriel, les pertes de production induites par ce phénomène ont été estimées à 1,5 milliard d’euros par an en France.
Pour éviter ces pertes, il est nécessaire de comprendre les mécanismes qui conduisent à la formation de carbonate de calcium et de contrôler ce processus pour offrir les solutions antitartre les plus efficaces.
Le suivi des phénomènes d’entartrage
Deux techniques ont été utilisées ces dernières années sur les sites industriels pour mesurer l’entartrage.
Il y a d’abord la mesure thermique. Ici, l’analyse de l’entartrage consiste en une mesure de la diffusion de chaleur pour évaluer les effets de résistance liés à la présence d’un dépôt formé sur une sonde. Mais ces sondes ont souvent du mal à estimer l’apparition d’un faible dépôt minéral ; elles sont également peu réactives alors même que l’épaisseur du dépôt augmente rapidement.
La seconde méthode concerne la mesure dite « gravimétrique » des vitesses d’entartrage : celle-ci permet d’évaluer la vitesse d’entartrage grâce à la pesée de tubes témoins en titane, préalablement recouverts d’une couche de tartre. Une pesée périodique de ces tubes immergés permet de suivre au fil du temps leur prise de masse liée au dépôt minéral. Cette méthode présente cependant quelques inconvénients liés à une durée de manipulation assez longue et à un manque de sensibilité.
Le principe de cette seconde méthode a été récemment repris et mis en œuvre avec l’utilisation d’une microbalance à quartz pré-entartrée, capable de détecter in situ des changements de masse de l’ordre du nanogramme. Le fait d’utiliser une surface de capteur recouverte préalablement de tartre permet de disposer d’un capteur ultrasensible vis-à-vis du phénomène d’entartrage. En effet, cette surface voit son affinité pour le tartre augmenter énormémement, par un mécanisme de type « qui se ressemble s’assemble ». Grâce à ce dispositif, la vitesse d’entartrage peut être évaluée beaucoup plus finement, en temps réel et sans avoir à sortir la sonde de l’eau.
Ce capteur est en cours de test à l’EPF, en collaboration avec le laboratoire LISE, sur une structure mimant le fonctionnement d’une véritable installation industrielle.
Les procédés antitartres
Pour combattre la formation du tartre, aussi bien chez les particuliers que dans le secteur industriel, le procédé le plus couramment appliqué consiste en l’utilisation de produits chimiques agissant comme des agents antitartres.
Les composés les plus efficaces sont constitués de phosphore et d’azote. Mais ces produits favorisent le développement d’algues dans les cours d’eau, ce qui dégrade la qualité des eaux et asphyxie la faune aquatique.
Il est ainsi primordial de trouver des alternatives respectueuses de l’environnement, en mettant au point des inhibiteurs de la formation de tartre plus écologiques.
Dès les années 1950, une équipe américaine avait montré que le phénomène d’entartrage était fortement réduit par l’addition dans l’eau de petites quantités de molécules organiques naturelles.
Après cette première tentative, plusieurs nouveaux inhibiteurs de tartre dits « verts » ont été décrits dans la littérature scientifique.
L’émergence des antitartres « verts »
Ces antitartres « verts » se rangent dans différentes catégories.
Une première correspond à des composés issus de la pétrochimie, tel l’acide aspartique. Une seconde correspond à des molécules organiques naturelles : on y trouve certains acides humiques, des acides carboxyliques naturels ou encore des acides aminés.
Une troisième famille, très prometteuse, concerne les extraits de plantes.
Dans ce dernier cas, trois types de plantes ont été pris en considération : des extraits d’arbres, comme l’olivier, poussant sur des sols calcaires dans les régions méditerranéennes et qui ont une forte capacité à stocker le calcium ; des extraits de plantes contenant potentiellement des composés pouvant accrocher fortement le calcium, comme l’aloe vera ; enfin, des extraits de plantes utilisées en médecine traditionnelle pour traiter ou prévenir certaines pathologies (calculs rénaux, par exemple). Dans ce dernier cas, certaines plantes nord-africaines, comme Paronychia argentea, ont montré une capacité remarquable à dissoudre certains calculs minéraux qui se forment et se déposent dans les reins.
Une dernière stratégie consiste à modifier chimiquement des sous-produits naturels. Récemment, de nouvelles molécules ayant des propriétés inhibitrices intéressantes vis-à-vis de l’entartrage ont ainsi été obtenues par modification chimique de sous-produits naturels, à l’image du collagène extrait des tiges de maïs.
L’émergence de ces nouveaux traitements antitartres issus de végétaux commencent à concurrencer des produits plus classiques. Mais leur développement passe par l’amélioration de leur efficacité et la garantie des ressources nécessaires en extraits végétaux. À ce titre, l’utilisation de déchets agricoles issus de la production de certains végétaux (comme le maïs) constitue une piste intéressante à explorer.