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RÉSUMÉ
Les membranes de filtration sont des membranes semi-perméables ou permsélectives qui permettent la rétention de solutés ou de particules contenus dans un solvant. Les membranes sont habituellement composées d’une couche sélective assurant la séparation, associée à un support renforçant la résistance mécanique. Leurs performances, qui correspondent à celles de la couche sélective, sont caractérisées par leur perméabilité au solvant et leur sélectivité.
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Jean-Christophe REMIGY : Maître de conférences - Ingénieur ENSIC - Laboratoire de Génie chimique (CNRS-UMR 5503) - Université Paul-Sabatier (Toulouse III)
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Sandrine DESCLAUX : Ingénieur d’études - Laboratoire de Génie chimique (CNRS – UMR 5503) - Université Paul-Sabatier (Toulouse III) pour la partie documentation (Doc. J 2 791v2)
INTRODUCTION
Les membranes de filtration (osmose inverse OI, nanofiltration NF, ultrafiltration UF, microfiltration MF) sont des membranes semi-perméables (permsélectives) qui permettent la rétention de solutés ou de particules contenus dans un solvant. Les membranes sont habituellement composées d’une couche sélective assurant la séparation, associée à un support renforçant la résistance mécanique. Leurs performances, qui correspondent à celles de la couche sélective, sont caractérisées par leur perméabilité au solvant (cf. ) et leur sélectivité.
Cette dernière caractéristique est liée à la taille des pores des membranes exprimée en termes de seuil de coupure (masse molaire du composé retenu à 90 % (cf. ) (UF, NF), de rétention de sel (NF, OI) ou de dimension micrométrique (MF). La figure 1 montre schématiquement la correspondance entre les opérations de filtration par membrane, la taille des pores et les composés retenus.
Pratiquement, une membrane doit posséder une haute perméabilité associée à une haute sélectivité et avoir des qualités de résistance thermique, chimique et mécanique, pour un coût d’installation et de renouvellement contrôlé en relation avec l’application « produit » considérée.
La perméabilité est reliée à la taille et à la densité des pores, mais aussi à l’épaisseur de la couche sélective, comme le montre la loi de Poiseuille (cf. ). Les hautes perméabilités sont donc obtenues, pour une taille de pore ou une sélectivité donnée, par la réalisation d’une couche sélective extrêmement fine. La figure 1 fournit une indication des épaisseurs des couches sélectives des membranes en fonction du procédé.
Les résistances thermiques et chimiques sont associées à la nature du/des matériaux. Elles interviennent dans les mécanismes de vieillissement et conditionnent donc la fréquence de renouvellement des membranes. La résistance mécanique est aussi liée à la structure et à la géométrie des membranes. Elle dépend des conditions opératoires : pressions d’utilisation, à-coups de pression, rétrolavage, lavages chimiques…
Les efforts poursuivis pour élaborer une membrane optimisée vis-à-vis des différentes fonctions demandées ont conduit à la sélection de différents matériaux, structures et géométries. Les membranes de filtration peuvent donc être classées selon des critères tels que leur structure, le matériau, leur procédé d’élaboration, leur géométrie ou leurs performances.
Pour de plus amples renseignements sur les considérations théoriques des procédés membranaires et sur la filtration membranaire, le lecteur pourra consulter, dans cette base documentaire des Techniques de l’Ingénieur, les dossiers suivants, références :
: Techniques séparatives à membranes. Considérations théoriques
: Filtration membranaire (OI, NF, UF). Caractérisation des membranes
: Filtration membranaire (OI, NF, UF). Mises en œuvre et performances
: Filtration membranaire (OI, NF, UF). Applications en traitement des eaux
: Filtration membranaire (OI, NF, UF). Applications diverses
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1. Membranes
1.1 Structure et matériaux
Trois types de structures sont définies : symétriques, asymétriques ou composites. Les deux premières sont élaborées à partir d’un même matériau, alors que la dernière est composée d’un assemblage de matériaux.
Les matériaux utilisés sont de nature organique (polymères) ou minérale (céramiques…).
HAUT DE PAGE
Les membranes symétriques sont composées d’un même matériau ayant une porosité sensiblement uniforme dans toute l’épaisseur. Elles peuvent être denses (absence de pores) ou poreuses (figure 2). Dans ce cas la membrane, dans toute son épaisseur, forme la couche sélective. Les membranes de microfiltration / haute ultrafiltration fabriquées par irradiation de particules chargées 1.2.2 ou par étirement 1.2.3 sont des membranes symétriques poreuses. Les membranes de microfiltration fabriquées par inversion de phase sont symétriques ou faiblement asymétriques. On peut également considérer les couches sélectives des membranes d’osmose inverse comme des membranes symétriques denses.
HAUT DE PAGE1.1.1.2 Membranes asymétriques ou anisotropes
Les membranes asymétriques ont une porosité variable dans l’épaisseur de la membrane. On distingue deux parties bien distinctes : la (ou les) peau(x) et la sous-couche poreuse (figure 3).
La peau est la...
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Membranes
ANNEXES
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Prix des membranes organiques d’osmose inverse
Les membranes d’osmose inverse avaient fin 2003 un prix de vente compris entre 12 et 26 US $/m2, soit environ 10 e/m2 pour les moins chères, généralement à base de dérivés cellulosiques, et 22 e/m2 pour les composites.
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Prix des membranes d’ultrafiltration
Les fourchettes de prix sont très étendues (tableau ), selon la nature de la membrane (minérale ou organique), le secteur d’application (pharmaceutique, médical, eau, etc.), les propriétés recherchées (résistance aux produits chimiques, facteur de concentration volumique, résistance mécanique, seuil de coupure), la taille et le type de module ainsi que la quantité commandée (échelle du laboratoire ou échelle industrielle), etc.
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Coût d’investissement et coût opératoire
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Membranes céramiques...
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