Concepts avancés de traitement de l'eau de refroidissement (Partie 5)

Note de l'éditeur : Il s'agit du cinquième 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.

Lisez la partie 4 ici.

La partie précédente de cette série a fourni un aperçu des biocides oxydants, qui ont été utilisés pendant de nombreuses années pour le contrôle microbiologique de l'eau de refroidissement. Cependant, des conditions peuvent exister dans lesquelles un traitement chimique supplémentaire est nécessaire pour contrôler la croissance microbienne ou pour attaquer les colonies sessiles qui résistent aux oxydants. Dans ces situations, les biocides non oxydants peuvent être très utiles. Des non-oxydants peuvent également être nécessaires pour attaquer les organismes macro-salissures tels que les moules zébrées. Cet épisode fournit des détails fondamentaux sur cette chimie.

Comme indiqué dans la partie 3, si les bactéries forment des colonies sessiles, les micro-organismes peuvent développer une immunité substantielle contre les oxydants en produisant des biofilms protecteurs qui consomment le ou les produits chimiques. L'utilisation d'un biocide non oxydant de manière périodique, par exemple une à deux fois par semaine pendant une durée relativement courte, peut aider à contrôler la croissance microbienne. Alors que les biocides oxydants endommagent généralement les parois cellulaires et provoquent la mort par fuite des composants internes de l'organisme (lyse), de nombreux non-oxydants pénètrent dans la boue, puis dans les parois cellulaires pour réagir avec les composés cellulaires nécessaires à la vie. (1)

Les composés ont divers degrés d'efficacité et peuvent cibler certains organismes plutôt que d'autres. L'efficacité et la décomposition chimique résiduelle sont généralement influencées par les conditions de l'eau, notamment le pH et la température. Examinons plusieurs des non-oxydants les plus courants.

2,2-dibromo-3-nitrilopropionamide (DBNPA)

Le DBNPA est un amide halogéné qui est largement utilisé dans le traitement de l'eau et les applications de pâtes et papiers, et dans les champs pétrolifères sert à traiter l'eau d'appoint pour les fluides de fracturation. Le composé réagit de manière irréversible avec les acides aminés contenant du soufre dans les cellules internes et provoque la mort.

DBNPA agit très rapidement. De plus, les concentrations résiduelles s'hydrolysent rapidement en sous-produits moins toxiques. La décomposition rapide est avantageuse pour l'environnement, car si la décharge traverse un bassin de rétention, la chimie de désactivation peut ne pas être nécessaire. La plage de pH optimale pour une efficacité maximale du DBNPA est de 4 à 8. Le taux d'hydrolyse augmente avec l'augmentation du pH et le composé perd rapidement de sa puissance au-dessus du pH de 8. L'hydrolyse augmente également avec l'augmentation de la température. Le DBNPA est désactivé par les sulfures et les agents réducteurs bisulfite ou sulfite. Le DBNPA réagit également avec l'ammoniac et n'est pas stable à la lumière UV.

DBNPA est efficace pour d'autres applications. Par exemple, il y a quelques années, l'auteur, en consultation avec un fournisseur de produits chimiques expérimenté, a sélectionné le DBNPA pour réduire l'encrassement microbiologique dans les unités d'osmose inverse (OI) pour le traitement de l'eau d'appoint de haute pureté dans une centrale électrique. La plupart des membranes RO ont un matériau de base en polyamide qui contient de l'azote, qui réagit de manière irréversible avec le chlore. Ce système d'appoint avait des filtres à charbon actif pour éliminer le chlore en amont de l'unité RO.

En règle générale, cependant, certains organismes survivent à la chloration puis fleurissent une fois que le produit chimique est éliminé. (En outre, un lit de charbon actif élimine les oxydants dans les quelques centimètres supérieurs, laissant le reste du lit comme un endroit idéal pour l'incubation des microbes survivants.) Un encrassement grave de la membrane peut en résulter, ce qui s'est produit dans ce système. L'alimentation de DBNPA pendant une heure deux fois par semaine a résolu le problème.

2-Bromo-2-Nitropropane-1,3-diol (Bronopol)

Bronopol est largement utilisé dans les applications de traitement de l'eau et, comme le DBNPA, a vu certaines applications dans les champs pétrolifères. Bronopol est particulièrement efficace contre les bactéries Pseudomonas. Le composé semble fonctionner par des mécanismes différents selon que les conditions sont aérobies ou anaérobies. Bronopol n'est pas un biocide à action rapide. Le composé peut libérer du formaldéhyde lors de la décomposition, mais le formaldéhyde n'est pas responsable des propriétés biocides.

Bronopol s'hydrolysera dans des solutions aqueuses, la vitesse étant beaucoup plus rapide à pH alcalin. L'augmentation de la température augmente également le taux d'hydrolyse. La plage de pH optimale pour l'efficacité du bronopol est de 5 à 9. Bronopol réagira et sera désactivé par les sulfures et les agents réducteurs à base de sulfite.

Isothiazolones

La formulation la plus courante pour le traitement de l'eau de refroidissement contient un mélange 3:1 de CMIT et de MIT. Les concentrations de CMIT et de MIT dans les produits homologués contiennent généralement 1,5 % ou 4 % d'ingrédient actif. Les formulations industrielles peuvent contenir un ou plusieurs stabilisants, notamment du nitrate cuivrique, du nitrate de magnésium ou de l'iodate de potassium. Un produit actif à 1,5 % stabilisé avec du bronopol est également disponible. Les composés sont des bactéricides à large spectre mais à action lente qui présentent également une bonne réactivité vis-à-vis des champignons. Outre les applications d'eau de refroidissement, le MIT, à de très faibles concentrations, sert d'agent antimicrobien courant dans certains détergents.

Le CMIT et le MIT sont incompatibles avec le sulfure d'hydrogène et d'autres composés contenant du sulfure. Par conséquent, si des bactéries réductrices de soufre (SRB) sont présentes, les isothiazolones peuvent ne pas être très efficaces. Un pH élevé (> 9,5) raccourcira la demi-vie du CMIT, mais le MIT est stable même à un pH supérieur à 10. Les isothiazolones sont désactivées par le bisulfite de sodium.

Glutaraldéhyde

Le glutaraldéhyde est souvent utilisé dans les applications de traitement de l'eau industrielle, y compris les opérations pétrolières et gazières, l'industrie du papier et pour la stérilisation des instruments médicaux. Dans les cellules, le composé désactive deux acides aminés essentiels, la lysine et l'arginine, qui sont essentiels au métabolisme cellulaire. L'efficacité est maximale dans une plage de pH alcalin de 7 à 10, mais le composé est plus stable à un pH acide. Le glutaraldéhyde réagira de manière irréversible avec les amines ou les ions ammonium pour réduire l'efficacité biocide.

Amines quaternaires

Les amines quaternaires, ou "quats" comme on les appelle couramment, ont été largement utilisées dans une grande variété d'applications de refroidissement et d'eau de traitement. Les molécules sont chargées positivement, avec quatre groupes alkyle attachés à un atome d'azote central. Un ou plusieurs des groupes alkyle consistent en un groupe méthyle, benzyle, décyle (C10), coco (C14) ou soja (C18). Les quats sont généralement administrés en combinaison avec d'autres biocides. Les quats sont également utilisés comme inhibiteurs de corrosion filmogène.

Les quats ont des propriétés tensioactives et solubilisent donc les membranes cellulaires, entraînant des dommages et la mort des cellules. (2) Les composés sont particulièrement efficaces lorsqu'ils sont utilisés en combinaison avec d'autres biocides qui attaquent également les parois cellulaires.

Le moussage est un problème avec les amines quaternaires, mais des composés peu moussants sont maintenant disponibles. Les propriétés tensioactives des quats peuvent inhiber la séparation des émulsions huile/eau dans les systèmes de production des champs pétrolifères, et l'eau dure peut diminuer l'activité biocide des composés. (3) Les quats peuvent réagir avec des inhibiteurs de tartre et de corrosion chargés négativement, ce qui réduit leur efficacité.

Les biocides oxydants sont mortels pour les palourdes, les moules, etc. lorsque ces créatures sont au stade larvaire, mais si les organismes s'établissent ou si les organismes adultes ont une voie dans les systèmes de refroidissement, la situation peut être entièrement différente. Un cas classique est celui des moules zébrées, où, comme indiqué dans la partie 3 de cette série, les moules s'attachent aux surfaces, y compris les unes aux autres, avec de minces filaments appelés fils de byssal. Ils résident alors confortablement en filtrant l'eau de refroidissement qui coule. Les moules peuvent détecter les biocides oxydants, et lorsque l'alimentation est initiée pendant les deux heures par jour (ou quelle que soit la période autorisée par le permis NPDES de l'usine), elles "se taisent" (pardonnez le jeu de mots) jusqu'à ce que les conditions toxiques disparaissent, sur dont ils reprendront allègrement le filtrage de l'eau de refroidissement pour la nourriture.

Les oxydants sont létaux pour les organismes adultes si le personnel de l'usine peut obtenir une dérogation pour une alimentation chimique continue pendant peut-être deux ou trois semaines. La longue durée d'alimentation force finalement les organismes à se rouvrir ou à se réactiver, sur quoi l'oxydant cause des dommages. Cependant, les organismes de réglementation sont souvent réticents à accorder de telles dérogations.

Les non-oxydants peuvent être bénéfiques dans ces cas, car de nombreux macro-organismes ne détectent pas la présence chimique et continuent à filtrer l'eau. Les plus efficaces comprennent les amines quaternaires mentionnées ci-dessus.

Les composés non oxydants présentent des risques environnementaux et une toxicité potentielle pour d'autres organismes aquatiques. En conséquence, ils ne peuvent pas être utilisés sans l'autorisation des régulateurs environnementaux de l'usine, les spécificités de l'application étant incorporées dans le permis de rejet NPDES de l'installation. Le permis peut exiger l'alimentation d'un matériau tel que l'argile ou la bentonite dans le flux de décharge pour adsorber et désactiver les concentrations résiduelles, bien que, comme indiqué ci-dessus, certains composés, s'ils disposent d'un temps de rétention suffisant dans un bassin de rétention, se décomposeront naturellement.

Comme pour tout produit chimique, il est très important de suivre les procédures de sécurité appropriées lors de la manipulation de non-oxydants. Le personnel de l'usine doit porter tout l'équipement de protection personnel requis pour tout produit chimique particulier et doit suivre toutes les procédures de manipulation à la lettre. Les fiches de données de sécurité (FDS) doivent être disponibles sur le site d'alimentation, avec une deuxième copie située dans un emplacement central tel que la salle de contrôle de l'usine.

Parmi les divers mécanismes qui peuvent causer des difficultés dans les systèmes de refroidissement, le micro- et parfois le macro-encrassement peuvent être de loin les plus graves. Si les organismes s'établissent, la croissance peut être très rapide et dommageable. La première ligne de défense est un système d'alimentation en biocide oxydant bien conçu, entretenu et exploité, mais cela peut ne pas être suffisant dans des conditions difficiles. L'alimentation biocide non oxydante complète efficacement les oxydants, mais le stockage, la manipulation et l'alimentation de ces produits chimiques doivent être basés sur une base solide de sécurité et de respect des directives réglementaires.

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].