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Rémy AUDINOS : Professeur des universités - Ingénieur du Génie chimique de Toulouse
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Lire l’articleINTRODUCTION
Une membrane de perméabilité gazeuse (perméation gazeuse) est une membrane artificielle non poreuse, organique, de type anisotrope (asymétrique) ou composite.
Dans tous les cas, la couche active est une couche dense, de moins de 0,1 µm d’épaisseur, constituée par un polymère à l’état vitreux ou par un élastomère. Dans le cas des membranes composites, cette couche active est supportée par une ou plusieurs couches plus poreuses et plus solides du point de vue mécanique, le tout ayant une épaisseur d’environ 100 µm.
Une membrane de perméabilité gazeuse s’apparente donc à une membrane de pervaporation, mais est différente d’une membrane poreuse de diffusion gazeuse (effusion gazeuse) qui, elle aussi, permet de séparer les constituants d’un mélange gazeux, mais en se basant sur les valeurs relatives du diamètre des pores et du libre parcours moyen des molécules.
Le lecteur pourra se reporter à l’article K 360 de ce traité pour les définitions générales relatives aux membranes semi-perméables ainsi qu’à l’article K 366 pour plus de détails sur les membranes de pervaporation.
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1. Mode d’action des membranes de perméabilité gazeuse
C’est la couche mince qui contrôle le passage sélectif des molécules de gaz ou de vapeur. Il est couramment admis que la sélectivité et la perméabilité des membranes de perméabilité gazeuse résultent des effets de la solubilité et de la diffusion des molécules dans le matériau de la membrane. La perméabilité d’une même molécule dans divers polymères peut varier de 1 à 106, tout comme la perméabilité de diverses molécules dans un même polymère. Par suite, un grand nombre de polymères peuvent être utilisés. En général, les élastomères ont des perméabilités plus élevées que les polymères vitreux mais, par contre, leur sélectivité est plus faible. Toutefois, les exceptions sont nombreuses. Dans le cas de la séparation de molécules très différentes, par exemple des vapeurs et un gaz, les élastomères sont donc préférables aux polymères vitreux, car les perméabilités sont très différentes. Par contre, les polymères vitreux sont à utiliser lorsqu’une grande sélectivité est recherchée, par exemple, pour séparer des gaz.
Le coefficient de perméabilité est égal au produit des coefficients de solubilité et de diffusion. Le coefficient de solubilité est d’autant plus élevé que la molécule peut se condenser facilement. En général, une molécule se condense d’autant plus facilement dans un polymère qu’elle est grosse. Pour un polymère donné, le coefficient de diffusion d’une molécule est d’autant plus élevé que la molécule est petite. Le tableau 1 indique le diamètre cinétique de quelques molécules de gaz.
Deux cas extrêmes peuvent se rencontrer selon que les coefficients de solubilité et de diffusion sont indépendants ou non de la concentration de la substance qui pénètre dans la membrane. De plus, dans le cas de certains polymères...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - SCOTT (K.) - Handbook of industrial membranes. - Elsevier Advanced Technologies, Oxford (1995).
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(2) - KONDO (T.) - New developments in gas separation technology. - Toray Research Center Inc., Shiga (1992).
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(3) - MULDER (M.) - Basic principles of membrane technology. - Kluwer Academic Publishers, Dordrecht (1991).
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(4) - AUDINOS (R.) - Membranes semi-perméables. Membranes d’ultrafiltration. - Membranes semi-perméables- Membranes d’ultrafiltration. Traité Constantes physico-chimiques, vol. K2 (5-2000).
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(5) - AUDINOS (R.) - Membranes semi-perméables de microfiltration tangentielle. - Membranes semi-perméables- Membranes de microfiltration tangentielle. Traité Constantes physico-chimiques, vol K2 (11-2000).
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