13. La pression osmotique

Benjamin Espinasse et Bernard Planchon

p. 72-73


Texte intégral

1Les Égyptiens sont les premiers à avoir maîtrisé les phénomènes osmotiques pour la momification des corps, ainsi que pour la conservation des viandes par salaisons. Le principe de ces deux procédés est de déshydrater les cellules, par l’ajout de sel en surface, qui fait migrer l’eau vers l’extérieur des cellules.

2La pression osmotique, qui signifie « poussée » en grec (osmos), fut décrite pour la première fois au milieu du XVIIIe siècle par un physicien français, l’abbé Nollé et mesurée en 1828 grâce à l’invention de l’osmomètre par le médecin botaniste Henri Dutrochet. Ainsi, la physique et la médecine se partagent la découverte et la mesure de la pression osmotique. En médecine, les phénomènes osmotiques expliquent l’équilibre hydrique du corps, et sont, entre autre, à la base des échanges transmembranaires entre le secteur intravasculaire et le secteur interstitiel tissulaire. Au niveau industriel, les phénomènes osmotiques utilisés depuis les années 1970 pour le dessalement d’eau de mer par osmose inverse permettent aujourd’hui de produire dans le monde 40 millions de m3 d’eau douce par jour.

3La pression osmotique naît de la séparation par une membrane* semi-perméable de deux compartiments de concentrations différente. L’eau migre du compartiment le moins concentré vers le plus concentré afin d’« équilibrer » le système pour avoir la même force ionique dans les deux compartiments. La pression osmotique est la pression qu’il faudrait appliquer, dans le compartiment le plus concentré, pour stopper cette migration d’eau. Le monde médical utilise les terminologies « pression oncotique » et « pression osmotique colloïdale », qui correspondent à la part de pression osmotique exercée par les protéines (i.e. l’albumine dans le corps humain), dont la taille est suffisamment élevée pour ne pas franchir la membrane.

Osmose inverse

4L’osmose inverse (OI) est une technologie industrielle d’environ 50 ans bien connue et bien maîtrisée aujourd’hui. Elle consiste à pressuriser une solution pour faire uniquement passer les molécules d’eau à travers une membrane polymère (par un système de pompes haute pression). À titre d’exemple, afin de contrer la pression osmotique de l’eau de mer, la pression minimale à appliquer pour faire passer une goutte d’eau pure à travers la membrane est d’environ 30 atm et de l’ordre de 50-70 atm pour pouvoir produire en quantité industrielle. Cette technologie a largement détrôné dans les années 2000 les autres systèmes de dessalement d’eau de mer. Bien qu’elle soit aujourd’hui proche de son optimisation maximale avec un prix de production autour de 0,5 – 0,80 $/m3, l’OI reste très énergivore par nature. Une autre faiblesse du procédé est le colmatage* des membranes, qui réduit sa capacité de production et oblige à nettoyer les membranes régulièrement.

5Un parallèle avec l’OI peut être fait ici avec la pathologie des œdèmes par insuffisance veineuse. Une veine saine comporte des valves anti-reflux à intervalles réguliers pour éviter que toute la « colonne » sanguine repose uniquement sur le bas des membres en position debout. La destruction de ces valves entraîne l’augmentation de la pression hydrostatique dans les membres inférieurs, qui dépasse alors la pression osmotique. Cette surpression, de l’ordre de 0,1 atm, fait migrer une partie de l’eau contenue dans le sang des vaisseaux vers l’interstitium (via les capillaires), entraînant des œdèmes. L’utilisation de bas de compression permet d’équilibrer la pression entre l’extérieur et l’intérieur de la veine, évitant l’apparition d’œdèmes. Un phénomène similaire apparaît aussi couramment chez la femme enceinte, lorsque le fœtus comprime la veine cave. Cela a pour effet d’augmenter la pression dans ces mêmes veines et entraîne l’apparition d’œdèmes sur les membres inférieurs.

Osmose directe

6Contrairement aux techniques d’OI qui sont bien maîtrisées et ne présentent plus de développement technologique majeur, il existe un fort potentiel de recherche et de développement dans l’osmose directe (OD). Les poches de réhydratation d’urgence sont un bon exemple du principe de fonctionnement de l’OD. Lorsque l’accès à l’eau potable n’est plus possible, le sac de réhydratation, composé d’une solution de sucre et de sels minéraux, est plongé dans une eau non potable. Seulement l’eau « pure » passe à travers la paroi semi-perméable du sac et le rempli grâce au gradient de pression osmotique. Une fois le sac rempli, l’eau potabilisée, qui est sucrée, peut être consommée directement. À l’échelle industrielle, ce phénomène peut être appliqué à un grand nombre de situations, depuis le traitement de l’eau à la production d’énergie.

7En simplifiant à l’extrême, le principe de la production d’énergie par « osmose à pression retardée » consiste à mettre en contact une eau douce et une eau salée via une membrane. La différence de potentiel fait migrer l’eau à travers la membrane, du compartiment d’eau douce vers le compartiment d’eau salée, entraînant une augmentation de pression de ce dernier. Cette surpression, due aux phénomènes d’osmose, permet de générer de l’énergie par l’intermédiaire d’une turbine. En théorie, 10 % de la production mondiale d’électricité pourrait être générée par le mélange de l’eau des rivières et l’eau de mer (environ 2000 TWh/an). La faisabilité du procédé a été démontrée sur des pilotes semi-industriels, mais elle se heurte pour l’instant à un coût de production trop élevé.

Image

Illustration simplifiée du phénomène de pression osmotique (le facteur de dilution n’est pas pris en compte) dans un tube en U, avec une membrane seulement perméable aux molécules d’eau. À l’état d’équilibre, la pression osmotique correspond à la pression générée par la différence de hauteur entre les compartiments (ρgΔh)

8Un autre domaine en expansion rapide est l’intégration de l’osmose directe en amont d’une étape d’OI, afin de diminuer le colmatage des membranes d’OI. Le concentrat* de l’étape d’OI est remis en circulation sur les membranes d’osmose directe, où il est dilué par l’eau de mer, évitant ainsi le contact direct de l’eau de mer avec les membranes d’OI. L’ajout de ce procédé permet de ne pas avoir un contact direct entre l’eau de mer et les membranes d’OI. Il existe de nombreuses autres utilisations possibles, comme la concentration des effluents industriels dilués complexes, ou des lixiviats de décharges, qui ont un fort potentiel colmatant et peuvent ainsi être traités plus simplement en basse pression.

9En médecine, l’osmose directe peut être illustrée avec la problématique du patient diabétique. La carence en insuline entraîne une élévation de la concentration en glucose dans le sang, qui a pour effet d’augmenter la pression osmotique dans les vaisseaux. Ce déséquilibre crée un déplacement d’eau du secteur intra et extracellulaire vers les vaisseaux sanguins, entraînant un état de déshydratation. L’excès de glucose est filtré par les reins (cf. II.22) et majore l’état de déshydratation du patient par l’augmentation du volume des urines (polyurie osmotique). La production excessive d’urine entraîne une soif excessive (polydypsie) provoquant un syndrome « polyurie polydypsie ». En l’absence de traitement rapide, cet état peut conduire à un état de coma dit « hyperosmolaire ».

Bibliographie

Références bibliographiques

• W. F. BORON et E. L. BOULPAEP – Medical Physiology, 2e édition, Saunders Elsevier, 2008.

• A. BASILE, A. CASSANO et N. RASTOGI – Advances in Membrane Technologies for Water Treatment : Materials, Processes and applications, Woodhead publishing, 2015.


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