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RÉSUMÉ
Les membranes de filtration peuvent être en osmose inverse OI, en nanofiltration NF, en ultrafiltration UF et en microfiltration MF. Semi-perméables, de structure symétrique, asymétrique ou composite, elles permettent la rétention de solutés ou de particules contenus dans un solvant. Les nombreux procédés d’élaboration sont directement adaptés à la fabrication de membranes à partir d'une classe de matériaux (organique ou minérale). Ces membranes sont ensuite assemblées sous forme de modules, plan, spiralé, tubulaire, ou en fibre creuses, qui sont étroitement reliés à la géométrie des membranes, donc au matériau.
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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. [J 2 790]) 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. [J 2 790]). 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 :
[J 2 790] : 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
[J 2 796] : Filtration membranaire (OI, NF, UF). Applications diverses
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Membranes
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2. Modules
Pratiquement, les membranes sont assemblées sous forme de modules regroupant généralement plusieurs membranes. Actuellement, quatre principaux types de module sont commercialisés : il s’agit des modules plans, spiralés, tubulaires et en fibres creuses. À partir de ces configurations de base, des modules dérivés sont mis sur le marché, comme les modules vibrants ou les modules en fibres creuses immergées. Les différents modules sont étroitement reliés à la géométrie des membranes et donc au matériau.
2.1 Module plan
Les modules plans sont constitués de membranes planes assemblées dans un agencement de type filtre-presse tel que représenté figure 27 a . L’assemblage élémentaire est constitué d’un espaceur côté alimentation, d’une première membrane, d’un espaceur côté perméat et d’une deuxième membrane.
L’alimentation en fluide à traiter se fait au niveau de l’espaceur de l’alimentation. Le perméat traverse la membrane et est récolté dans l’espaceur perméat, tandis que le rétentat ressort au niveau de l’espaceur d’alimentation (figure 27 b ).
Les membranes utilisées sont généralement des membranes organiques supportées. Des joints assurent l’étanchéité entre les différents compartiments. L’assemblage de ces systèmes élémentaires permet d’ajuster facilement la surface membranaire.
L’épaisseur de l’espaceur d’alimentation constitue un paramètre important de ce type de système. La largeur de l’espace séparant les deux membranes côté alimentation est choisie en considérant différents critères :
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présence de particules dans l’alimentation / nécessité d’une préfiltration ;
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volume mort du module / compacité ;
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coût de fonctionnement / coût énergétique du pompage.
Un espaceur d’alimentation épais, impliquant un espace important entre les membranes, est utilisé lors de la filtration de fluide chargé en particules en l’absence de préfiltration, tandis qu’un espaceur fin nécessite l’utilisation d’une préfiltration. D’une manière générale, l’espace...
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Modules
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - * - http://www.osmolabstore.com/documents/ spec2.pdf (30/08/2006).
-
(2) - TEMSCAN - * - Laboratoire de génie chimique http://lgc.inp-toulouse.fr/ Université Paul-Sabatier (Toulouse III).
-
(3) - * - http://www.ibmem.fr/france/ membranes_ceramiques.htm (30/08/2006).
-
(4) - * - http://www.cfm-mb.fr/techniques/ nanofiltration.htm (30/08/2006).
-
(5) - YUJUN (S.), FUAN (L.), BENHUI (S.) - Preparation, characterization and application of thin film composite nanofiltration membranes - . Journal of Applied Polymer Science 95, p. 1251-1261 (2005).
-
(6) - ROUAIX (S.), CAUSSERAND (C.), AIMAR (P.) - Experimental study of the effects of hypochlorite on polysulfone membrane properties - . Journal of Membrane Science, 277, 1-2, p. 137-147 (2004).
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...
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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