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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. Plus récemment, les nouveaux matériaux développés ont 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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4. Séparations par membrane dense
4.1 Pervaporation
La pervaporation est une opération de séparation par membrane au cours de laquelle un mélange liquide est fractionné partiellement par « évaporation » d’une fraction du mélange à travers une membrane dense (non poreuse). Il y a donc un changement de phase, et le perméat est récupéré sous une forme initiale vapeur. La force agissante est une différence d’activité que l’on obtient principalement par différence de pression, en créant la plupart du temps un vide partiel dans le compartiment « perméat » de la membrane.
Les applications industrielles de la pervaporation ne sont pas aussi nombreuses que celles de l’ultrafiltration ou de l’électrodialyse, bien que son potentiel soit élevé dans le domaine agroalimentaire (par exemple extraction d’arômes, applications en analyse (nez électronique) ou encore bioréacteurs). La pervaporation peut utilement être envisagée en couplage avec des opérations de distillation pour s’affranchir d’un azéotrope par exemple. La déshydratation d’alcools (éthanol, isopropanol), de chloroforme ou d’acétone sont des applications souvent envisagées.
HAUT DE PAGE4.1.1 Caractéristiques des membranes
Les membranes de pervaporation sont des membranes denses (pas de porosité créée) ; elles se divisent en deux catégories [7].
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Les membranes hydrophiles permettent le passage de l’eau et donc, par exemple, la déshydratation de solvant. Typiquement, ces membranes sont en matériau polymère (alcool polyvinylique) déposé sur un support poreux. Leurs caractéristiques géométriques sont identiques à celles de membranes d’ultrafiltration, par exemple. La mise en œuvre de ces membranes se fait dans des modules plans essentiellement, le compartiment « perméat » étant mis en relation avec une enceinte sous vide partiel, de manière à maintenir la force agissante et à évacuer les produits de la séparation.
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Les membranes organophiles sont essentiellement à base de silicones (PDMS polydiméthylseloxane) et, dans ce cas, c’est l’affinité du matériau silicone pour l’un ou plusieurs des composés...
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Séparations par membrane dense
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, et 22 €/m2 pour les composites (source : Bob Riley, ICOM’90 Proceedings, vol. II).
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Prix des membranes d’ultrafiltration
Les fourchettes de prix sont très étendues (tableau 1) selon le contexte...
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