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1 - EFFICACITÉ DU PROCÉDÉ

2 - PERMÉABILITÉ : POLARISATION DE CONCENTRATION ET COLMATAGE

3 - TRANSFERT MEMBRANAIRE ET SÉLECTIVITÉ

4 - CONCLUSIONS. COMPARAISON AVEC LES TECHNIQUES CONCURRENTES

Article de référence | Réf : J2790 v3

Efficacité du procédé
Filtration membranaire (OI, NF, UF, MFT) - Aspects théoriques : perméabilité et sélectivité

Auteur(s) : Pierre AIMAR, Patrice BACCHIN, Alain maurel

Relu et validé le 20 mars 2024

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RÉSUMÉ

L’utilisateur d’un procédé de filtration membranaire d’osmose inverse, de nanofiltration, d’ultrafiltration et de microfiltration recherche une productivité (perméation) maximale avec une efficacité (sélectivité) répondant aux contraintes fixées. Cet article est une approche théorique des phénomènes de perméabilité et de sélectivité intervenant dans ces procédés. Sont présentées les conséquences de ces phénomènes sur l'efficacité du procédé avec notamment les conséquences des phénomènes de polarisation et de colmatage sur la perméabilité du procédé et le rôle des transferts membranaires sur la sélectivité du procédé.

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Auteur(s)

  • Pierre AIMAR : Laboratoire de génie chimique UMR CNRS/INP/UPS Université Paul Sabatier (Toulouse)

  • Patrice BACCHIN : Laboratoire de génie chimique UMR CNRS/INP/UPS Université Paul Sabatier (Toulouse)

  • Alain maurel : Consultant

INTRODUCTION

L'objectif de ce dossier est d'analyser théoriquement l'efficacité des procédés de filtration membranaire d'osmose inverse OI, de nanofiltration NF, d'ultrafiltration UF et de microfiltration MFT à travers leur perméabilité et leur sélectivité. L'effet des conditions opératoires sur ces conditions de fonctionnement est détaillé et des ordres de grandeur des phénomènes mis en jeu sont donnés. Quelques éléments concernant le couplage de procédés ainsi que des comparaisons qualitatives entre procédés membranaires et autres opérations unitaires sont apportés.

Ce dossier doit permettre de trouver des explications et donc des solutions à des problèmes de fonctionnement et de prendre possession des outils et du savoir-faire nécessaires pour concevoir et optimiser les installations de filtration membranaire. Il s'appuie sur le dossier [J 2 789] pour les considérations théoriques et les mécanismes de transfert à partir desquels est développée l'analyse théorique des procédés. De façon simplifiée, le dossier [J 2 789] présente la cause des phénomènes (les mécanismes de transfert mis en jeu) alors que ce dossier présente les conséquences de ces phénomènes sur l'efficacité du procédé avec notamment les conséquences des phénomènes de polarisation et de colmatage sur la perméabilité du procédé et le rôle des transferts membranaires sur la sélectivité du procédé.

Le système d'unité est le système international SI, exception faite pour des unités hors système encore employées couramment dans la profession, telles que L · h–1 · m–2 pour les débits spécifiques des membranes.

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VERSIONS

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v3-j2790


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1. Efficacité du procédé

L'objectif de l'utilisateur d'un procédé membranaire est double : assurer une productivité (perméation) maximale pour minimiser les coûts de fonctionnement tout en ayant une efficacité (sélectivité) répondant aux contraintes fixées. La perméation et la sélectivité du procédé sont donc à la base de l'optimisation des procédés membranaires.

1.1 Perméation : densité de flux volumique

Le débit-volume par unité de surface (ou densité de flux volumique ou par abus de langage flux de perméation) est le rapport du débit de perméation par la surface membranaire :

( 1 )

Pour une sélectivité donnée le flux de perméation doit être le plus élevé possible de manière à minimiser la surface de filtration à mettre en œuvre et, par là même, l'investissement.

La densité de flux s'exprime le plus souvent en L · h–1 · m–2. L'unité du système international est le m3 · m–2 · s–1. Le tableau 1 donne quelques constantes permettant de changer d'unité de manière simple.

Exemple

Pour passer des cm3 · cm–2 · h–1 aux m3 · m–2 · s–1, il suffit de multiplier la valeur par 2,8 10–6.

La densité de flux en cours d'opération est la plupart du temps bien inférieure à celle que l'on peut mesurer avec du solvant pur, ou calculer par le biais de la perméabilité. Cette densité de flux dépend :

  • de la perméabilité de la membrane (voir définition dans le paragraphe 2.1 de ...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - MERTEN (U.) -   Desalination by reverse osmosis.  -  MIT Press Cambridge (1966).

  • (2) - VILKER (V.L.), COLTON (C.K.), SMITH (K.A.), GREEN (D.L.) -   The osmotic pressure of concentrated protein and lipoprotein solutions and its significance to ultrafiltration.  -  Journal of membrane science, 20, p. 63-77 (1984).

  • (3) - BONNET-GONNET (C.), BELLONI (L.), CABANE (B.) -   Osmotic pressure of latex dispersions.  -  Langmuir, 10, p. 4012-4021 (1994).

  • (4) - ESPINASSE (B.) -   Approche théorique et expérimentale de la filtration tangentielle de colloïdes : flux critique et colmatage.  -  Thèse de l'Université Paul Sabatier (2003).

  • (5) - THIJSSEN (H.A.C.) -   Concentration processes for liquid foods containing volatile flavors and aromas.  -  J. Food Technol., 5, p. 211-229 (1970).

  • (6) - RAUTENBACH (R.), ALBRECHT (R.) -   Membrane...

1 Outils numériques

Ansys http://www.ansys.com

Fluent http://www.fluent.fr

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2 Normes

NF X 45-103 - 12-97 - Filtration des liquides. Membranes poreuses. Taux de rétention des membranes d'ultrafiltration et de nanofiltration - -

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