Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
RÉSUMÉ
Quels que soient les procédés à membranes, les matériaux membranaires et les fluides filtrés, un colmatage plus ou moins important se met en place de façon systématique au cours de la filtration. Limitation du flux, modification de la sélectivité des transferts à travers la membrane, problèmes sanitaires si le colmatage est d’origine organique, le nettoyage des équipements membranes reste encore un problème difficile à résoudre. Après quelques notions de base sur le nettoyage des membranes, cet article présente les objectifs à atteindre en termes d’efficacité, ainsi que les solutions à retenir. Pour terminer, sont pris comme exemple les membranes de l’industrie laitière.
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Regardless of membrane processes; membrane materials and filtered fluids, a systematic clogging, which is more or less significant, occurs during filtration. The cleaning of membrane equipment remains an issue which is still difficult to solve in order to address the limitation of the flux, modification of transfer selectivity through the membrane and sanitary issues where the clogging is of organic origin. After having recalled several basic notions on membrane cleaning, this article presents the objectives to be achieved in terms of efficiency as well as the solutions to be adopted. It finally takes the example of membranes from the dairy industry.
Auteur(s)
-
Murielle RABILLER-BAUDRY : Professeur à l'université de Rennes-1 - Ingénieur de l'École nationale supérieure de chimie de Rennes - UMR 6226 CNRS Sciences chimiques de Rennes Équipe « Chimie et Ingénierie des procédés »
INTRODUCTION
Quels que soient les procédés à membranes, les matériaux membranaires et les fluides filtrés, force est de constater qu'un colmatage plus ou moins important se met en place de façon systématique au cours de la filtration (tangentielle comme frontale). Outre la limitation du flux et la modification de la sélectivité des transferts à travers la membrane, le colmatage, lorsqu'il est d'origine organique, constitue un apport nutritif aux micro-organismes qui, s'ils ne sont pas éradiqués, sont alors libres de se développer dans les équipements, provoquant potentiellement des problèmes de sécurité sanitaire des productions suite à l'installation quasi irréversible d'un biofilm que l'on peut définir comme des micro-organismes enchâssés dans un « ciment » d'exopolysaccharides Nettoyage et décolmatage des membranes de filtration[1]. Ce constat général peut cependant être nuancé selon les applications.
Dans le domaine de la filtration d'eau, le fluide d'intérêt est le perméat. Celui-ci, ayant passé la barrière physique de la membrane, efficace pour la rétention des bactéries (microfiltration, MF) et éventuellement des virus (ultrafiltration de l'ordre de 30 kg · mol–1, UF), présente peu de risques de contamination, d'autant plus que la législation oblige à une désinfection complémentaire, les membranes n'étant pas agréées comme procédé de désinfection. La problématique de la production (UF, MF) est alors beaucoup plus axée sur la gestion des flux qui se traduit par une mise en œuvre originale faisant appel à des rétrofiltrations régulières (inversion du flux qui circule alors du perméat vers le rétentat) avec une fréquence variable selon l'origine de l'eau à traiter. Ce décolmatage physique régulier, accompagné d'un faible taux de chlore, permet le maintien de flux de production acceptables et retarde la mise en œuvre du nettoyage chimique qui peut n'intervenir qu'une fois par semaine Nettoyage et décolmatage des membranes de filtration[2].
Les membranes spirales de nanofiltration (NF) et d'osmose inverse (OI) constituent un cas particulier dans ce paysage, car les matériaux membranaires, généralement en polyamide, sont rapidement dégradés par les désinfections en milieu oxydant : les produits de désinfection tels que le chlore hydrolysent de façon irréversible les liaisons covalentes de la matrice polymère et fragilisent la peau active. Ainsi, les membranes de NF sont peu désinfectées bien que régulièrement nettoyées Nettoyage et décolmatage des membranes de filtration[3] et vendues avec une teneur en chlore cumulatif maximale d'exposition.
Les membranes d'osmose inverse, sous forme spirales, qui sont utilisées pour le dessalement des eaux saumâtres ou de l'eau de mer, peuvent quant à elles n'être nettoyées qu'une à deux fois par an, mais sont le site de développement de biofilms très importants, visibles à l'œil nu Nettoyage et décolmatage des membranes de filtration[4].
Les applications du domaine des industries agroalimentaires (IAA) sont diverses Nettoyage et décolmatage des membranes de filtration[5] , mais environ 50 % d'entre elles intéressent l'industrie laitière à l'origine de l'implantation mondiale de ces procédés dans les IAA. Dans ce contexte, le fluide à valoriser est souvent un concentré qui constitue le rétentat et n'a donc pas passé la barrière physique de la membrane. La problématique est donc très différente de celle du traitement des eaux et la sécurité sanitaire des installations doit être irréprochable de part et d'autre de la membrane. Cela conduit en moyenne à deux nettoyages chimiques quotidiens, préliminaires indispensables à une désinfection efficace. Le coût de cette opération de nettoyage/désinfection est important en termes d'énergie (jusqu'à 30 % du temps de pompage) mais également de consommation d'eau (1 à 5 m3 d'eau par 100 m 2 de membrane et par opération), de produits détergents divers (la plupart du temps, il s'agit de nettoyage en place (NEP) avec des solutions à usage unique) et, bien sûr, de traitement ultérieur des effluents de volumes similaires à la consommation d'eau.
Pour conclure cette introduction, citons une enquête conjointe de l'ADEME et du Club Français des Membranes Nettoyage et décolmatage des membranes de filtration[6] qui souligne que le verrou scientifique et technique que constitue la maîtrise du colmatage et du nettoyage est ressenti par les industriels comme un frein au développement plus important de ces procédés, par ailleurs propres, sobres et sûrs. Le nettoyage est donc une étape incontournable pour la production durable par procédés à membranes.
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Conclusion
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2. Nettoyage et désinfection des membranes
Comme déjà évoqué, chaque production constitue un cas particulier mais certaines questions/réponses sont d'ordre général.
2.1 Comment ralentir la fréquence du nettoyage ?
Lorsque le colmatage est installé sous forme d'un dépôt, différentes techniques physiques de décolmatage sont possibles qui consistent toutes en une rétrofiltration pendant un temps court (backpulse, backflush ) Nettoyage et décolmatage des membranes de filtration[28] : l'inversion du flux est comparable à « un coup de bélier » qui décolle le dépôt. Le management de la fréquence de rétrofiltration dépend du fluide filtré mais permet de maintenir des flux de production réguliers pendant un temps assez long. Cette pratique est particulièrement développée dans le traitement d'eau, à l'exception des membranes spirales de NF qui ne supportent pas la rétrofiltration à long terme, celle-ci pouvant provoquer un décollement de la peau active de la membrane. Il est cependant illusoire d'éliminer le colmatage global par cette technique.
Une approche proposée au début des années 1990 Nettoyage et décolmatage des membranes de filtration[29] Nettoyage et décolmatage des membranes de filtration[30] consiste à filtrer au-dessous d'un flux dit « critique » qui marque la limite entre la zone de flux pour laquelle il n'y a pas de dépôt irréversible (J < Jcritique) et celle où il y a formation d'un dépôt fortement irréversible (J > Jcritique), ce qui est le cas des filtrations conduites au flux limite (flux maximal atteignable) classiquement choisi par les industriels recherchant une forte productivité....
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Nettoyage et désinfection des membranes
BIBLIOGRAPHIE
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