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FILIERE DES METIERS DU BOIS, DE L’EAU ET DE L’ENVIRONNEMENT SCHOOL OF WOOD, WAT

FILIERE DES METIERS DU BOIS, DE L’EAU ET DE L’ENVIRONNEMENT SCHOOL OF WOOD, WATER AND NATURAL RESOURCES PEA 462 : INGENIERIE DES PROCEDES MEMBRANAIRES DEVOIR N◦2 PAR FOTOUO DZOUSSE Michée Matricule : 16ASA0050 UNIVERSITE DE DSCHANG ************ FACULTE D’AGRONOMIE ET DES SCIENCES AGRICOLES ************ ANTENNE D’EBOLOWA ************ UNIVERSITY OF DSCHANG ************ FACULTY OF AGRONOMY AND AGRICULTURAL SCIENCES ************ EBOLOWA BRANCH ************ ANNEE ACADEMIQUE 2019-2020 I. QUELQUES SIMILITUDES ET DIFFERENCES DES METHODES DE FILTRATIONS MEMBRANAIRES 1. Similitudes Les méthodes de filtration membranaires ont en commun le fait qu’elles soient des procédés baro- membranaires car le transfert à lieu sous l’effet de la pression. 2. Différences Opérations Molécules retenues Taille des pores (ordre de grandeu r (nm)) Pression s de services moyenne s (Kpa) Tailles des particules retenues Microorganism es retenus Flux moyens (L/h/m2 ) Osmose inverse ions métaux, petits composés organiques (20 à 100g/mole) pas de pore 3000 à 7000 Bactéries; Escherichia coli; colloïdes; virus; protéines; antibiotiques; ions minéraux 10 à 50 Nanofiltration Ions divalents, composés organiques, sucres (100 à 1000g/mole) 1 à 5 300 à 3000 1 nm Bactéries; Escherichia coli; colloïdes; virus; protéines; antibiotiques 10 à 50 Ultrafiltration Macromolécul es (1000 à 500 000 g/mole); virus 5 à 50 100 à 500 1 à 100 nm Bactéries; Escherichia coli; colloïdes; virus; 30 à 150 Microfiltration particules (0,05 à 10 µm) 50 à 1000 50 à 300 0,1 à 10 µm Bactéries; Escherichia coli 30 à 150 II. APPLICATIONS DE LA FILTRATION MEMBRANAIRE 1. Microfiltration La microfiltration est une technique membranaire qui trouve ses applications dans l’industrie laitière et dans la potabilisation de l’eau. 1.1. Application dans l’industrie laitière Le traitement de microfiltration demande une séparation préalable du lait et de la crème, le lait entier ne pouvant être microfiltré dans de bonnes conditions. La microfiltration proprement dite utilise une membrane poreuse1. Les pores, qui ont un diamètre d'environ 0,5 micron, retiennent les bactéries. La crème est traitée séparément (elle peut être pasteurisée ou stérilisée) puis réincorporée au lait microfiltré. La microfiltration réduit de manière significative (à peu près comme la pasteurisation, soit au minimum d'un facteur 100 000) le nombre de micro-organismes dans le produit. Ainsi, le lait microfiltré peut se conserver au réfrigérateur jusqu'à la date limite de consommation (DLC), soit environ 14 jours après le conditionnement, et plus selon le procédé exact employé. 1.2. Application dans le traitement de l’eau Dans le cadre du traitement de l’eau potable, la microfiltration sert principalement de pré-traitement à un processus plus fin, par exemple, l’osmose inverse. Elle peut également être utilisée pour la potabilisation des eaux de surface. Dans le cadre du traitement des eaux usées, la microfiltration peut remplacer un décanteur secondaire comme dans les bioréacteurs à membranes. Elle peut avoir la même fonction dans le traitement des eaux savonneuses pour séparer les solides en suspension de l’eau ant la suite du processus. 1.3. Autres applications  Prétraitement pour la stérilisation par ultraviolets ;  Séparation des émulsions d’eau et d’huile ;  Stérilisation à froid des boissons et produits pharmaceutiques ;  Clarification des jus de fruits, vins et bières ;  Traitement des effluents ;  Séparation solide-liquide pour les industries pharmaceutiques et alimentaires. 2. Ultrafiltration L’ultrafiltration (UF) est une sorte de filtration sur membrane où le liquide traverse une membrane semi- perméable grâce à une différence de pression (pression transmembranaire ou TMP). Elle est appliquée dans différents domaines : 2.1. Usage en médecine L'ultrafiltration est une méthode de filtration du sang par convection à travers la membrane d'un hémofiltre. C'est un principe utilisé en hémofiltration mais qui ne constitue pas à lui seul un moyen d'épuration. Elle peut cependant être utilisée en urgence pour évacuer une surcharge hydrique. 2.2. Usage en industrie Ce processus de séparation est utilisé dans l’industrie pour purifier et/ou concentrer des solutions de macromolécules (103 - 106 Da), notamment les protéines. Elle est égalemenent utilisée pour le fractionnement des protéines et pour la clarification des jus de fruits. 2.3. Usage dans le traitement de l’eau En eau potable, l'ultrafiltration est caractérisée par un seuil de coupure de l'ordre de 0,01 μm. Toutes les molécules de taille supérieure sont stoppées (pollens, algues, parasites, bactéries, virus, germes et grosses molécules organiques), laissant filtrer à l’arrivée une eau parfaitement clarifiée et désinfectée sans utilisation de produits chimiques. En assainissement, l'ultrafiltration est utilisée comme clarificateur et sert donc à séparer les boues biologiques de l'effluent épuré. C’est un procédé universel qui peut être installé seul ou intégré dans une chaîne de traitement plus complexe, l’ultrafiltration clarifie et désinfecte l’eau en une seule étape. 3. Osmose inverse L’osmose inverse est un système de purification de l'eau contenant des matières en solution par un système de filtrage très fin qui ne laisse passer que les molécules d'eau. Elle a également de nombreux usages notamment : 3.1. Dessalement de l’eau de mer L'osmose inverse est un procédé industriel efficace de dessalement. Avec une pression de 50 à 80 bars − la pression osmotique de l'eau de mer étant d'environ 29 bars1 −, environ 50 % de l'eau d'une eau de mer peut être extraite[réf. souhaitée], le sel se retrouve concentré dans les 50 % restants. L'eau "osmosée" convient pour tous les usages de l'eau potable (par exemple la fabrication de soda. 3.2. Filtration pour ménages L'osmose inverse est également facilement accessible au particulier. Le but en est essentiellement la diminution de la dureté de l'eau, ce qui en rend l'utilisation plus agréable et protège les équipements en aval, mais aussi de supprimer les polluants (nitrates, résidus de pesticides, ...) et d'en améliorer le goût par l'élimination des composés chlorés. 3.3.Utilisations industrielles L'osmose inverse est utilisée pour produire de l'eau déminéralisée pour l'appoint d'eau de batteries d'accumulateurs électriques (traction ou marine). Dans l'industrie agro-alimentaire, elle est utilisée pour :  concentrer le sucre de la sève de canne, du jus de betterave ou de l'eau d'érable ; on limite ainsi la consommation d'énergie pour évaporer l'eau dans la production du sirop ou de cristaux de sucre ;  concentrer le lait et les produits laitiers afin de réduire les coûts de transport ;  extraire les protéines du lactosérum ;  concentrer les moûts en vue d'augmenter le degré alcoolique final des vins ; cette technique se répand en œnologie comme alternative à la chaptalisation. 4. Nanofiltration La nanofiltration, tout comme l'osmose inverse, l'ultrafiltration et la microfiltration est un procédé de séparation effectué par l'application d'une pression qui en est la force motrice d'une vitesse de circulation et donc d'un angle d'attaque de la membrane Elle est surtout utilisée dans l'adoucissement de l'eau (enlèvement des ions bivalents, en l'occurrence le calcium et le magnésium responsables de la dureté). Actuellement, c'est un procédé de choix pour le traitement des eaux de surface (eaux de lacs et rivières) et des eaux saumâtres (eaux de qualité intermédiaire entre une eau de surface et l'eau de mer du point de vue de la salinité).Elle peut être utilisée pour enlever les microorganismes. III. COLMATAGE DES MEMBRANES FILTRANTES 1. Définition Le colmatage membranaire correspond à l’accumulation de particules le long de la membrane ou dans ses pores et cause une augmentation de la résistance à la filtration. Le colmatage d’une membrane correspond à une diminution de la perméabilité de la membrane due au dépôt de matières lors de la filtration. L’Unified Membrane Fouling Index (UMFI) a été développé en 2008 par Huang et al. (2008) dans le but de standardiser les tests de colmatage de membranes à basse pressions. Ainsi on distingue :  UMFIT correspond à l’indice du colmatage de la membrane durant le cycle de filtration, soit le colmatage total ;  UMFIR correspond à l’indice du colmatage qui ne peut être enlevé physiquement (par rétrolavage), soit le colmatage physiquement irréversible ;  UMFIC correspond à l’indice du colmatage qui reste malgré un lavage chimique, soit le colmatage chimiquement irréversible. 2. Causes  D’après les études réalisées par Zularisam, Ismail, & Salim, 2006, La matière organique naturelle (MON), omniprésente dans les eaux de surface, est reconnue comme l’un des acteurs les plus importants du colmatage. La nature de la MON (allotigène, autochtone ou microbienne) joue un rôle sur son potentiel colmatant.  De nombreuses études pointent les substances humiques (Sutzkover-Gutman, Hasson, & Semiat, 2010), les polysaccharides et les protéines (Amy, 2008) et la matière colloïdale organique (Howe & Clark, 2002; N.-H. Lee et al, 2006) comme étant les agents les plus importants du colmatage. Il n’existe pas de corrélation entre le colmatage et les paramètres physico-chimiques de l’eau utilisée (Huang, Young, & Jacangelo, 2009; A. H. Nguyen et al, 2011). Dans le cas des substances humiques, trois paramètres ont été identifiés comme étant importants (Sutzkover Gutmann et al, 2010): le pH, la force ionique et la présence d’ions divalents. Ainsi :  Un pH faible peut aggraver le colmatage des substances humiques en améliorant leur adsorption par attraction hydrophobique (Yuan & Zydney, 1999).  Une force ionique élevée entraîne quant à elle une coagulation de la matière colloïdale et ainsi augmente le phénomène de uploads/Industriel/ devoir-n2-procedes-membranaires.pdf