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RÉSUMÉ
Les opérations de séparation par membrane mettent en œuvre des technologies performantes, fiables et économiques, à condition que le procédé soit adapté. Cet article se veut une présentation complète des connaissances nécessaires à l’ingénieur pour effectuer le bon choix parmi toutes les technologies existantes. Sont détaillés entre autres les principes et fonctionnements des procédés de séparation par membrane dense, par membrane poreuse et les bioréacteurs à membrane.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Pierre AIMAR : Laboratoire de génie chimique - UMR CNRS/INP/UPS - Université Paul-Sabatier (Toulouse)
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Georges DAUFIN : Institut national de recherche agronomique - Science et technologie du lait et de l’œuf, UMR INRA - ENSA Rennes pour le paragraphe « Applications » (§ 7)
INTRODUCTION
Les opérations de séparation par membrane forment une classe assez large de techniques s’appliquant aux séparations liquide/liquide, gaz/liquide, solide/liquide ou encore gaz/gaz. Pendant longtemps, l’essentiel des opérations basées sur des membranes ont été des séparations. Les nouveaux matériaux développés ont ensuite été exploités comme contacteurs. Dans ce cas, ce n’est plus la sélectivité de la membrane qui est recherchée, mais sa capacité à matérialiser une interface entre des phases qui doivent échanger de la matière ou de l’énergie.
Ces séparations sont en général appréciées pour leur faible consommation énergétique et leur relativement bonne sélectivité. C’est pour cette raison que les secteurs de l’environnement et du traitement de l’eau ont adopté ces dernières années de telles technologies. Une autre caractéristique importante concerne les conditions particulièrement douces de fonctionnement, en matière de contraintes de cisaillement, de température et d’absence de changement d’état.
Les opérations de séparation par membrane doivent aujourd’hui être considérées comme des technologies avancées, performantes et avantageuses à l’usage. Leur installation et leur mise en œuvre nécessitent une attention et une expertise particulière. Moyennant cela, on obtient des procédés industriels extrêmement performants, fiables et économiques, et dont dépendent aujourd’hui plusieurs secteurs : industrie de l’eau, pharmacie, santé, alimentaire.
Cet article a pour but de fournir des informations de base aux techniciens, ingénieurs ou étudiants du domaine de l’industrie alimentaire, qui souhaitent, avant d’approfondir l’une ou l’autre de ces technologies, disposer d’un ensemble de connaissances leur permettant de comprendre des procédés existants, de dialoguer avec des fournisseurs ou encore de préparer des dossiers techniques. En cas de nécessité, des cahiers techniques plus spécifiques leur permettront d’approfondir chacun des procédés et de commencer un travail précis de dimensionnement ou d’analyser une campagne d’essais.
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Séparations par membrane poreuse
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2. Notions et mécanismes de base
Nous rappelons dans ce paragraphe quelques définitions et lois de comportement concernant les membranes. Pour une revue théorique plus approfondie, consulter les ouvrages généraux en .
2.1 Définitions
Perméat : fluide qui s’écoule en aval de la membrane.
Rétentat : fluide qui est retenu par la membrane.
Membranes asymétriques : membranes composées d’une couche fine (peau) qui assure la sélectivité et d’un support (plus épais) qui assure la résistance mécanique (membranes composites, membranes hétérogènes). Les membranes symétriques n’ont pas cette caractéristique.
Membrane composite : membrane composée de plusieurs couches de matériaux différents.
Membrane dense : membrane non poreuse (osmose inverse, électrodialyse, pervaporation, etc.).
HAUT DE PAGE2.2 Lois de comportement
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Loi de Darcy
On assimile en général les membranes de filtration à des milieux poreux incompressibles, c’est-à-dire que le flux de solvant pur J est proportionnel à la différence de pression appliquée de part et d’autre de ce milieu poreux. On utilise alors la loi de Darcy (relation [1]) pour décrire cette caractéristique :
![]()
( 1 )
avec :
- L p :
- coefficient de perméabilité (m)
- µ p :
- viscosité du perméat (Pa · s).
Dans la pratique, on parle souvent de perméabilité (et non plus de coefficient de perméabilité), pour caractériser le débit de perméat qui traverse la membrane par unité de temps, de pression et d’aire.
Cette perméabilité est très souvent exprimée en L · h–1 ·...
( 1 )
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Notions et mécanismes de base
ANNEXES
Données fournies par Mme Sandrine Desclaux (Laboratoire de Génie chimique - Université Paul-Sabatier de Toulouse), extraits parus dans l’article Doc. J 2791 du traité Génie des procédés des Techniques de l’Ingénieur.
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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 €/m2 pour les moins chères, généralement à base de dérivés cellulosiques,...
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