Comment purifier l’eau par distillation solaire

Description brève

• Idée : purification de l'eau par distillation solaire
• Difficulté : moyenne

Introduction

Il y a un besoin important d'eau potable propre et pure dans de nombreux pays en développement. Souvent les sources d'eau sont saumâtres (c'est-à-dire qu’elles contiennent des sels dissous) et/ou contiennent des bactéries nocives et ne peuvent donc pas être utilisées pour la boisson. En outre, il existe de nombreux endroits où l'eau de mer est abondante, mais l'eau potable n'est pas disponible. L'eau pure est également utile pour les batteries et dans les hôpitaux ou les écoles.

La distillation est l'un des nombreux procédés qui peuvent être utilisés pour purifier l'eau. Cela nécessite un apport d'énergie, comme la chaleur, le rayonnement solaire peut être la source d'énergie. Dans ce procédé, l'eau est évaporée, séparant ainsi de la vapeur d'eau à partir de matières dissoutes, qui est condensée comme de l'eau pure.

La distillation solaire de l'eau est une technologie solaire avec une très longue histoire et les installations ont été construites il y a plus de 2000 ans, bien qu’elles étaient conçues pour produire du sel plutôt que l'eau potable. L’utilisation documentée de distillateurs solaires a commencé au XVIe siècle. Une distillation solaire à grande échelle a été construite en 1872 pour fournir une communauté minière au Chili en eau potable. La production de masse a eu lieu pour la première fois au cours de la Seconde Guerre mondiale, lorsque 200’000 alambics gonflables en plastique ont été créés pour l'US Navy.

Il y a un certain nombre d'autres approches de purification de l'eau et le dessalement, comme le photovoltaïque alimenté par osmose inversée qui est disponible à petite échelle. Elles ne sont pas mentionnées ici.

En outre, si le traitement de l'eau polluée est nécessaire plutôt que le dessalement, la filtration lente par le sable est une bonne option.

Le but de cette note technique est de fournir des informations de base et orienter le lecteur vers d'autres sources plus détaillées.

Les besoins en énergie pour la distillation de l'eau

L'énergie est nécessaire pour évaporer l'eau est la chaleur latente de vaporisation de l'eau, soit une valeur de 2,260 kilojoules par kilogramme (kJ/kg). Cela signifie que pour produire 1 litre (soit 1 kg puisque la densité de l'eau est 1kg/litre) d'eau pure par distillation de l'eau saumâtre nécessite un apport de chaleur de 2260kJ. Cela ne permet pas à l'efficacité de la méthode de chauffage, qui peut être inférieure à 100% ou pour toute récupération de la chaleur latente qui est rejetée lorsque la vapeur d'eau est condensée.

Il convient de noter que, bien que 2260kJ/kg est nécessaire pour évaporer l'eau, pour pomper un kg d'eau seulement 0.2kJ/kg est nécessaire. La distillation est donc normalement nécessaire qu’aux endroits où il n’y a pas de source locale d'eau douce qui peut être facilement pompée.

How a simple solar still operates

Fonctionnement d’un distillateur solaire

La figure 1 montre un distillateur solaire. Les principales caractéristiques de fonctionnement sont les mêmes pour tous les alambics solaires. Le rayonnement solaire est transmis à travers la vitre de protection et est absorbé sous forme de chaleur par une surface noire en contact avec l'eau devant être distillée. L'eau est ainsi chauffée et dégage de la vapeur d'eau. La vapeur se condense sur le couvercle en verre, qui a une température plus faible, car il est en contact avec l'air ambiant et s'écoule dans une gouttière d'où il est envoyé à un réservoir de stockage.

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Figure 1: distillateur solaire

Objectifs pour la conception d’un distillateur solaire efficace

Pour une grande efficacité, le distillateur solaire devrait avoir: • une température de l’eau d’alimentation élevée (non distillée) • une grande différence de température entre l'eau d'alimentation et la surface de condensation • faible fuite de vapeur.

Objectifs de conception pour un distillateur solaire efficace

Pour une grande efficacité, le distillateur solaire devrait avoir:

• une température de l’eau d’alimentation élevée (non distillée) • une grande différence de température entre l'eau d'alimentation et la surface de condensation • faible fuite de vapeur.

Une température élevée de l'eau d'alimentation peut être obtenue si:

• une proportion élevée du rayonnement est absorbée par l'eau d'alimentation sous forme de chaleur. Un vitrage d'absorption faible et donc une bonne surface absorbant le rayonnement • faibles pertes de chaleur du sol et des parois • l'eau est peu profonde et il n'y a ainsi pas de perte de chaleur.

Une grande différence de température peut être obtenue si:

• la surface de condensation absorbe peu ou pas de rayonnement incident • l'eau de condensation qui dissipe la chaleur doit être éliminée rapidement de la surface de condensation, par exemple, par un deuxième écoulement de l'eau ou de l'air ou par condensation durant la nuit.

Types de conceptions et leur performance

Les alambics à un seul bassin ont été beaucoup étudiés et leur fonctionnement est compréhensible. Une efficacité de 25 % est typique. La production journalière en fonction de l'irradiation solaire est plus grande en début de soirée lorsque l'eau d'alimentation est encore chaude, alors que les températures extérieures sont en baisse.

La sélection des matériaux est très importante. Le couvercle peut être en verre ou en plastique. Le verre est considéré comme étant le meilleur pour la plupart des applications à long terme, alors que la matière plastique(telle que du polyéthylène) peut être utilisée pour une utilisation à court terme.

Le béton de sable ou le béton imperméabilisé sont considérés comme les meilleurs matériaux pour la fabrication du bassin avec longue durée de vie, surtout s’il doit être fabriqué sur place, mais pour les distillateurs fabriqués à la chaîne, le béton armé préfabriqué est un matériau approprié.

Les distillateurs solaires à effets multiples ont deux ou plusieurs compartiments. La surface de condensation du compartiment inférieur est le plancher du compartiment supérieur. La chaleur dégagée par la vapeur de condensation fournit l'énergie pour vaporiser l'eau d'alimentation ci-dessus. L'efficacité est donc plus importante que pour un seul distillateur solaire en étant généralement de 35 % ou plus, mais le coût et la complexité sont d'autant plus élevés.

Les distillateurs à mèche - Dans un distillateur à mèche, l'eau d'alimentation s'écoule lentement à travers un tapis poreux absorbant les radiations. Ceci amène deux avantages: tout d'abord, la mèche peut être inclinée de telle sorte que l'eau d'alimentation présente un meilleur angle par rapport au soleil (réduction de la réflexion et présentant une grande surface effective). D'autre part, l'eau d'alimentation reste constamment dans le distillateur et ainsi l'eau est chauffée plus rapidement et à une température plus élevée.

Les distillateurs à mèche simples sont plus efficaces que les distillateurs et certains modèles coûtent moins qu’un seul distillateur solaire donnant le même résultat.

Distillateur d‘urgence - Pour fournir de l'eau potable d'urgence sur place, un distillateur très simple peut être fabriqué. Il se sert de l'humidité de la terre. Tout ce qui est requis est un couvercle en plastique, un bol ou un seau, et une pierre.

Conceptions hybrides - Il y a un certain nombre de façons dont les distillateurs solaires peuvent utilement être combinés avec une autre fonction de la technologie. Trois exemples sont donnés:

• Collecte des eaux de pluie. En ajoutant une gouttière externe, le couvercle peut être utilisé pour la collecte des eaux de pluie pour compléter le distillateur.
• Distillateur à serre solaire. Le toit de la serre peut être utilisé comme couvercle du distillateur.
• Chauffage supplémentaire. La chaleur perdue provenant d'un moteur ou du condenseur du réfrigérateur peut être utilisée comme un apport d'énergie supplémentaire.

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Figure 2: distillateurs solaires simples

Sortie d'un distillateur solaire

Une méthode d'estimation approximative de la sortie d'un distillateur solaire est donnée par:

où

Q = débit journalier de l'eau distillée ( litres/jour)
E = efficacité globale
G = rayonnement solaire global quotidien moyen (MJ/m²)
A = surface d'ouverture du distillateur, plan des zones pour un distillateur à bassin simple (²)

Dans un pays typique, la moyenne de l'irradiation solaire globale par jour est généralement de 18.0 MJ/m² (5 kWh/m²). Un distillateur à bassin simple fonctionne avec un rendement global d'environ 30 %. Ainsi la production par mètre carré de surface est:

La production annuelle d'un distillateur solaire est donc souvent considérée comme environ un mètre cube par mètre carré.

Expérience

Malgré la prolifération de nouveaux types, le distillateur solaire simple reste la seule conception éprouvée sur le terrain. Près de 40 distillateurs à bassin avec des zones de plus de 100m (et jusqu'à 9000m²) ont été construits entre 1957 et 1980. 27 ont des couvercles en verre et 9 des couvercles en plastique. 24 des distillateurs avec couvercle en verre sont toujours en activité dans leur forme originale, mais un seul avec couvercle en plastique est encore opérationnel. Des centaines de petits distillateurs fonctionnent, notamment en Afrique.

Le coût de l'eau pure produite dépend des coûts suivants:

• le coût de fabrication du distillateur
• le coût de la terre
• la durée de vie du distillateur
• les coûts d'exploitation
• le coût de l'eau d'alimentation
• le taux d'escompte
• la quantité d'eau produite.

Le coût d'un distillateur solaire est normalement de £ 50-70/m². Le prix des terres est normalement moins cher en zones rurales que dans les villes.

La durée de vie d'un distillateur en verre est généralement de 20 à 30 ans, mais les coûts d'exploitation peuvent être importants en particulier pour remplacer le verre cassé.

Les performances varient entre les régions tropicales, mais pas de façon significative. Une production moyenne 2.5-3.0 1/m²/jour est typique, soit environ 1m³/m²/an.

Est-ce qu’un distillateur solaire répond à vos besoins ?

Une personne a besoin de 1 ou 2 litres d'eau par jour pour vivre. L'exigence minimale pour la vie normale dans les pays en développement (comprenant la cuisson des aliments, le nettoyage et le lavage des vêtements) est de 20 litres par jour (dans le monde industrialisé de 200 à 400 litres par jour). Pourtant, certaines fonctions peuvent être exécutées avec de l'eau salée et une exigence typique pour l'eau distillée est de 5 litres par personne par jour. Par conséquent 2m² issus du distillateur sont nécessaires par personne.

Les distillateurs solaires devraient normalement être pris en considération pour l'élimination des sels dissous dans l'eau. Si vous pouvez choisir entre l'eau souterraine saumâtre ou d'eau de surface polluée, il sera généralement moins cher d'utiliser un filtre à sable lent ou un autre dispositif de traitement. S'il n'y a pas d'eau douce, les principales alternatives sont le dessalement, le transport et la collecte des eaux de pluie.

Contrairement à d'autres techniques de dessalement, les distillateurs solaires sont plus attrayants. Le coût en capital initial des distillateurs est à peu près proportionnel à la capacité, tandis que d'autres méthodes ont d'importantes échelles économiques. Par conséquent, le distillateur solaire est encore plus économique pour les ménages. Pour les sorties de 1m³/jour ou plus, l'osmose inverse ou l’électrodialyse doit être considérée comme une alternative aux distillateurs solaires. Ils dépendront de la disponibilité et du prix de l'énergie électrique. Pour les sorties de 200m³/jour ou plus, par compression de vapeur ou par évaporation le coût sera meilleur marché. Cette dernière technologie peut avoir une partie de ses besoins énergétiques couverts par des chauffe-eau solaires.

Dans de nombreuses régions du monde, l'eau douce est transportée depuis une autre région par bateau, train, camion ou par pipeline. Le coût de l'eau transportée par des véhicules est généralement du même ordre de grandeur que celle produite par les distillateurs solaires. Le pipeline peut être moins cher pour les très grandes quantités.

La collecte de l'eau de pluie est une technique encore plus simple que la distillation solaire dans les zones où la pluie n'est pas rare, mais nécessite une plus grande surface et habituellement un plus grand réservoir de stockage. Si les surfaces de collecte prêtes à l'emploi existent (comme les toits des maisons), elles peuvent fournir une source moins cher pour obtenir de l'eau propre.

Quel distillateur solaire ?

Le bassin simple est encore la seule conception éprouvée sur le terrain. Les distillateurs à multi-effets ont le potentiel d'être plus économiques, mais il est conseillé de d’abord acquérir une première expérience avec un distillateur à bassin simple.

Références et autres lectures

Cette entrée Howtopedia est dérivée de la fiche technique de Practical Action Solar Distillation.
Pour consulter le document original, suivez ce lien: http://www.practicalaction.org/?id=technical_briefs_water

• Malik A S et al - Solar Distillation - Pergamon Press - 1982, fournit un texte technique complet.

• Waterlines Journal Volume 7 No 2. Développer les technologies appropriées au Pérou 1988.

Adresses utiles

Practical Action The Schumacher Centre for Technology & Development, Bourton on Dunsmore, RUGBY, CV23 9QZ, Royaume Uni.
Tel.: +44 (0) 1926 634400, Fax: +44 (0) 1926 634401 e-mail:practicalaction@practicalaction.org.uk web:www.practicalaction.org

ISES - International Solar Energy Society
Burkhard Holder, Director, Ryan van Staden, Christopher Findlay
Villa Tannheim, Wiesentalstrasse 50, D-79115 Freiburg, Germany, Tel: +49 761 459 060, Fax:+49 761 459 0699, Website: http://www.ises.org

Indian Desalination Association (InDA)
Dr. B.M. Misra
Mumbai 400 085 India, Tel: +91 22 5513992 / 5563060 Ext. 4705, /4706, Fax: +91 22 5560750, http://www.buc.emet.in
Filiale d'IDA

International Science Services
Science Park of Abruzzo, Via Antica Arischia, 1, L'Aquila 67100, Italy, Tel: +39-0862-3475 308, Fax: +39-0862-3475 213, Web site: http://www.desline.com
Annuaire dessalement en ligne

International Desalination Association (IDA)
POB 387, 37 Main St., Topsfield, MA 01983 USA, Tel: +1 508 887 0410, 356 27 27, Fax: +1 508 887 0411, idalpabgix.netcom.com, http://www.ida.bm
Les objectifs de l'Association sont le développement et la promotion de l'utilisation appropriée de dessalement ( la méthode d'élimination des sels et autres impuretés de l'eau ) et de la technologie de dessalement dans le monde entier.

Pakistan Desalination Association (PaKDA)
42, Bhayani Centre, Block-M, North Nazimabad, Karachi, Pakistan, Tel: + 92 21 6677341-2, Fax: + 92 21 6641121,
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