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SOCIÉTÉ HYDROTECHNIQUE DE FRANCE SOCIÉTÉ FRANÇAISE DE FILTRATION Colloque d'hyd

SOCIÉTÉ HYDROTECHNIQUE DE FRANCE SOCIÉTÉ FRANÇAISE DE FILTRATION Colloque d'hydrotechnique - 20 et 21 novembre 1985 Transfert de matière et hydrodynamique dans les procédés de séparation par membranes Microfiltration tangentielle Tangential microfiltration R. Ben Aim Institut de la filtration (lITS) Agen Après avoir rappelé les connaissances de base sur les mécanismes de filtration et les caractérisations des suspensions à filtrer, les géométries permettant de satisfaire au flux élevé de filtrat sont discutées. After reviewing the basic knowledge relating to filtration mechanisms and the characterizations offilter suspensions, the geometries enabling the high flux of the filtered matter to be satisfied are discussed. LA HOUILLE BLANCHE/N° 7/8-1986 547 Article published by SHF and available at http://www.shf-lhb.org or http://dx.doi.org/10.1051/lhb/1986052 548 LA HOUILLE BLANCHE/N° 7/8-1986 B- LES MEMBRANES limite et du transfert d'une partie de l'éner' gie cinétique-au filtrat. Le flux de filtrat est néanmoins influencé par d'autres facteurs tel que: membrane pol~mérisée. Photo A L'élimination des contaminants particulaires de taiJle inférieure au micron présents dans les liquides, est devenue possible par la mise ao point de membranes microporeuses, qui peu- vent être regroupées suivant leur nature et leur structure en quatre grandes familles: par son principe même, la microfiltration dépend dans une large mesure du milieu filtrant utilisé. 1.1. ~~~_~~~~~~~~~_e~~~~~~~~~~~ Ces membranes sont principalement constituées de nitrate ou d'acétate de cellulose et d'es- ters mixtes de cellulose ( 1 ). D'autres maté- riaux, de meilleure résistance chimique, peu- vent ainsi être réutilisés tels que les copo- lymères ,acryliques ou le polypropylène. Toutefois, ces considératinns qui ont conduit dans le cas de l'ultrafiltration ou de l'osmose inverse au développement de modules fibres creuses ou de modules spirales ne peuvent conduire à un transfe~direct vers la microfiltration tangentielle qui présente des caractéristiques particulières, ~ suspension à traiter chargée en matières en suspension donc risques de colmatage, ~ flux de filtrat relativement élevé. Ces membranes se présentent souvent sous la forme de films fins d'une centaine de microns et nécessitent de ce fait un support mécanique associé: feutre ou non tissé lui conférant alors une structure asymétrique (2 , 3 ) ou trame en monofilament de polyamide noyé dans le copoly- mère (4,5,6). Leur pouvoir d'arrêt peut descendre à 0,2 microns. • la nature des particules en suspension (cristalline, pateuse, etc •.. ), la dimension des particules, . la viscosité du liquide. La microfiltration tangentielle peut être définie comme une technique consistant à créer, au voisinage du média filtrant et parallèlement à lui, une contrainte de ci- saillement telle que le dépôt des particu- les à séparer soit empêché ou au moins con- trolé: ceci est obtenu par un mouvement relatif de la suspension et du milieu fil- trant obtenu par écoulement du liquide à filtrer ou par déplacement (le plus sou- vent rotation) du média filtrant (fig. 1). . la dégradation d'énergie soit essentielle- ment le fait du frottement dans la couche La microfiltration tangentielle est une technique apparentée aux techniques à mem- brane (osmose inverse, ultrafiltration). Elle peut constituer une réponse dans les nombreux cas où le problème posé se situe à la limite des appareils existants de séparation liquide/solide. C'est en par- ticulier le cas lorsque le seuil de coupure souhaité descend en dessous du micron, ce qui est généralement atteint au prix de prouesses techniques (centrifugeuses à assiette à grande vitesse) ou en admettant une limi tation importante du fllJx de fil trat compensée par un changement fréquent du média filtrant (cartouches). L'amélioration technique recherchée par la filtration tangentielle ne peut-être évaluée indépendamment de cette dépense énergétique supplémentaire. La création de la contrainte de cisaille- ment implique une dépense énergétique. De ce fait, la mise en oeuvre du matériau filtrant et la conception des modules doivent être telles que: • Le rapport de l'aire de la surface filtran- te au volume du filtre soit aussi grand que possible, A) PROBLEMATIQUE DE LA MICROFILTRATION TANGENTIELLE La définition mérite d'être complétée en indiquant que la microfiltration tangen- tielle doit être considérée comme une tech- nique de séparation de phases: contrairement à l'ultrafiltration ou à l'osmose inverse, son objectif n'est pas la séparation de cons- tituants (molécule ou ions) d'une phase unique. Pour donner toute sa cohérence à l'approche de cette technique il est d'ailleurs préfé- rable d'ajouter que son champ d'application concerne les particules microniques (de quel- 'ques dizièmes à quelques microns) c'est à dire le domaine de transition où le mouvement brownien commence à devenir significatif et où les forces de surface deviennent prépon- dérantes par rapport aux forces de volume. R. BEN AIM 549 1.2. Les ~e~branes en ther~oplastiques (photo-S-)---------------------------- Les membranes sont constitu~es de poudres plus ou moins calibr~es dont les grains sont coll~s par chauffage ou li~s par des agents porogènes (1, 7). Les principaux mat~riaux entrant dans la fabrication de ces parois Doreuses sont: le PVC, le poly~thylène, le propylène, le polystyrène et les polyamides. Ce proc~d~ de fabrication permet d'obtenir la mise en forme d~sir~e (plaques, tubes ... ) et un contrôlp. précis des caract~ristiques de la membrane: porosité, épaisseur, distribu- tion de la taille des pores. Leur r~sistancp. m~canique permet de les mettre en oeuvre seule sans ~ilieu support. Leur pouvoir d'arrêt peut aller jusqu'à 0.1fm. Le ~at~riau de base peut être fibreux ou granulaire: Seul le frittage de grains perme' cependant a l'heure actuelle d'atteindre des seuils de filtration inf~rieurs au micron. Les membra~~s en c~ramique fritt~e ont une structure asym~tciqul'!(10): ~lles sont for~~e par la juxtaposition d~ couch~s d'autant plus ~inc~s que le dia~ètre d~ porl'!s est faible. La matrice, d'une ~paissl'!ur dl'! quelques centa nl'!8 de microns est constitu~e dl'! grains d'une dizaine de microns. On d~posera ensuite à la surface de cette matrice une couche de quel- ques dizaines de microns de grains plus fins pour atteindre des pouvoirs d'arrêt de 0.1 micron. L'emploi de c~ramique confère à la membrane, g~néralement fabriquée sous forme tubulaire, d'excellentes propriétés chimiques thermiques et mécaniques. Photo C . Membranes tamis 1.3. Les membranes tamis (photo C ------------------------------ Photo D: Membrane en céramique frittée Le PTFE peut se fritter comme un métal pour obtenir des membranes hydrophobes de pouvoir d'arrêt descendant à 0.1 micron.(7) II) METHODES DE CARACTERISATION Le choix des membranes est fonction de nom- breux paramètres, le premier d'entre eux étant la dimension des pores: quelque soient ses autres caractéristiques, la membrane devra d'abord arrêter les particules indésirables tels que les microorganismes lors de la stéri lisation froide de liquides pharmaceutiques ou alimentaires ou microparticules lors de la production d'eau ultrapure pour l'industrie des composants électroniques. . la microscopie élp.ctronique ne permet pas l'analyse d'un échantillon assez significatif 2.1. Distribution des diamètres de pores par e~~~~~Ë~~~=~~=~~~~~!~----------------------- Diverses méthodes permettent d'accéder à la distribution de la taille des pores d'un volu- me poreux (11),elles sont cependan~ peu uti- lisées pour caractériser les milieux filtrants: Membranes thermoplastiques Photo B Ces membranes en polycarbonate ont une ~pais' seur de 10 microns environ et possèdent des pores de diamètre parfaitement contrôl~. Elles sont obtenues par dissolution des zone~ de polycarbonate fragilisées par un rayonne- ment nucl~aire; chaque faisceau de rayonnemer donnant naissance à un pore cylindrique rec- tiligne ( 1 , 8 , 9 ). La finesse du film du polycarbonate confère à ces membranes une tr~~ faible r~sistance m~canique. 550 LA HOUILLE BLANCHE/N° 7/8-1986 2.1.2. Interprétation des résultats: quelque~ E.récautions • la diffusion de rayonnement X ne permet pas l'étude de trés petits pores « 200 A) et est d'une mise en oeuvre complexe. Fioure 1 Effet de l'angle de contact (9) et ae la tension superficielle (8) sur le diamètre des pores. Les valeurs obtenues sur différentes membranes de microfiltration sont reportées dans le tableau I. De nombreuses valeurs d'angle de c.ontact entre le mercure et des matériaux pulvérulents sont disoonibles (11, 16, 17). Il en es t rarement de même pour les matériaux constituant les mem- branes de filtration. Ce paramètre peut être déterminé de façon simple à condition de dis- poser d'un microscope à objectif goniométri- que et d'une enceinte thermostatée. Une goutte oe mercure de 20}JI est déposée sur te milieu filtrant et l'on mesure l'angle formé par le plan de la membrane et la tangente à la goutte au point de contact mercure/membrane. b) cylindricité des pores: Hormis les membranes tamis, les pores ne sont pas des cylindres mais des cavités plus ou moins régulières et interconnectées. L'hypo- thèse de cylindricité conduit à une légère translation de la courbe vers les petits diamstres (14). MARQUE NATURE ANGLE DE CONTACT 8 à 19°C CERAVER Alumine 140 GORE PFTS laminé 134 NUCLEPORE Polycarbonate 136 SARTORIUS Nitrate de 130.5 cellulose U.G.B. Polyamide 140 Tableau I: Angle de contact du mercure avp.c différentes membranes de microfil- tra tion. ( 1) P =----- d est la tension superficielle l'angle de contact du mercure avec le solide. où r et e • la thermoporométrie est une technique déli- cate à mettre en oeuvre qui reste de ce fait d'un usage rare. Ses résultats s'accordent cependant bien avec ceux des méthodes préce- demment citées (13'). 2.1.1. Rappels de principe La porométrie uploads/Geographie/ microfiltration-tangentielle.pdf