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ADEME/DABEE/Département Industrie et Agriculture - 1 - 16/06/2006 DABEE Départe

ADEME/DABEE/Département Industrie et Agriculture - 1 - 16/06/2006 DABEE Département Industrie et Agriculture LES TECHNIQUES MEMBRANAIRES A GRADIENT DE PRESSION Sommaire INTRODUCTION PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT ET TECHNOLOGIES DISPONIBLES MISE EN OEUVRE APPLICATIONS INDUSTRIELLES LIENS / BIBLIOGRAPHIE DEFINITIONS ADEME/DABEE/Département Industrie et Agriculture - 2 - 16/06/2006 INTRODUCTION Les procédés à membranes sont des procédés physiques de séparation. Par définition, une membrane est une barrière de quelques centaines de nanomètres à quelques millimètres d'épaisseur, sélective, qui sous l'effet d'une force de transfert, va permettre ou interdire le passage de certains composants entre deux milieux qu'elle sépare. La force de transfert recouvre le gradient de pression, de concentration, d'activité ou de potentiel électrique. De ce fait les membranes incluent une grande variété de matériaux et de structure qui forment autant de possibilités de configuration et de classification. Ainsi, il existe différents procédés de séparation sur membranes qui peuvent être regroupés en fonction des forces de transfert mises en œuvre. Nous ne nous intéresserons ici qu'aux techniques membranaires à gradient de pression. La pervaporation, fonctionnant grâce à un gradient d'activité (différence de pression partielle), fait l'objet d'un autre document. Il existe 4 procédés membranaires à gradient de pression : la microfiltration (MF), l'ultrafiltration (UF), la nanofiltration (NF) et l'osmose inverse (OI). Ces procédés se distinguent par la taille et le type des espèces qu'ils peuvent séparer. Ces procédés membranaires sont utilisés pour séparer et/ou concentrer des molécules ou des espèces ioniques en solution et/ou séparer des particules ou microorganismes en suspension dans un liquide. Domaines de séparation des techniques membranaires à gradient de pression ADEME/DABEE/Département Industrie et Agriculture - 3 - 16/06/2006 Ces procédés membranaires sont des techniques de séparation peu consommatrices d’énergie : de 1 à quelques dizaines de kWh/m³ de produit traité, suivant la taille des composés qui doivent être séparés. Leur consommation énergétique est faible (quelques kWh/m³ de perméat) par rapport à des procédés thermiques (de 100 à 900 kWh/m³ de produit traité pour un évaporateur, avec ou sans effets multiples). Consommation d'énergie relative des procédés de séparation ADEME/DABEE/Département Industrie et Agriculture - 4 - 16/06/2006 SACHEZ PARLER MEMBRANES • le diamètre de pore: il donne un équivalent de la taille de pore de la membrane, permettant ainsi d'estimer si les molécules visées vont être retenues ou non. Cette valeur est utilisée essentiellement en microfiltration. • le seuil de coupure : masse moléculaire des molécules retenues à 90 % par la membrane dans des conditions opératoires données ; il s'exprime en Dalton (Da, équivalent à g/mol) et est utilisé pour l'ultrafiltration et la nanofiltration. Il permet également d'estimer si les molécules visées vont être retenues ou non. • le filtrat ou perméat : fraction de la solution traitée qui traverse la membrane, aussi appelé perméat. Suivant l'opération membranaire utilisée pour l'obtenir, le filtrat est également appelé microfiltrat (issu de la microfiltration), ultrafiltrat (issu de l'ultrafiltration) et nanofiltrat (issu de la nanofiltration). • le rétentat : fraction de la solution traitée qui ne traverse pas la membrane • le taux de rétention : il donne la proportion de molécules retenues par la membrane par rapport à la concentration de ces molécules dans la solution d’alimentation ; autrement dit il donne une idée de ce qui passera dans le filtrat et caractérise le travail de séparation d'une membrane. Une membrane d'osmose inverse est caractérisée par son taux de rétention en NaCl, dans des conditions opératoires données. • la densité de flux de perméation de la membrane : donne le flux volumique ou massique (en l.h-1.m-2 ou en kg.h-1.m-2) traversant la membrane pour 1 m² de surface membranaire ; pour connaître la surface à installer, il suffit de diviser le débit de filtrat à produire par ce flux. Il est noté J. • la pression transmembranaire : différence entre la pression côté alimentation (rétentat) et côté filtrat de la membrane. • le colmatage : on regroupe sous ce terme de colmatage l'ensemble des phénomènes physiques, chimiques, biologiques se produisant à l'interface membrane solution ou dans le volume poreux (formation d'un gâteau, adsorption, bouchage de pores…), dont la conséquence est une variation de perméabilité et de sélectivité. En général, la densité de flux de perméation décroît et la membrane retient des molécules plus petites. Le colmatage peut être assimilé à un encrassement par analogie avec des échangeurs : il faut nettoyer régulièrement les membranes. Ce colmatage est quasi-inévitable, mais peut être contrôlé et limité par l'utilisation de conditions opératoires adéquates. Parfois, c'est grâce au colmatage que l'on réalise la séparation désirée. On distingue le colmatage réversible, éliminé simplement en supprimant la pression transmembranaire, du colmatage irréversible qui nécessite un nettoyage des membranes. 1- PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT ET TECHNOLOGIES DISPONIBLES Le liquide traverse la membrane sous l'effet d'une différence de pression. Sous l'action de cette différence, les entités capables de traverser la membrane se retrouvent dans le filtrat, appelé aussi perméat. Le fluide qui reste en deçà de la membrane est appelé rétentat, il circule généralement tangentiellement à la membrane. En effet, en filtration frontale, l'accumulation de matière à la surface de la membrane gêne la filtration. Le procédé est de plus discontinu. En filtration tangentielle, la circulation du rétentat tangentiellement à la membrane permet de limiter cette accumulation et ainsi de diminuer le colmatage. Le procédé peut de plus être continu (soutirage du rétentat). ADEME/DABEE/Département Industrie et Agriculture - 5 - 16/06/2006 Filtration frontale Filtration tangentielle Les conditions opératoires sont donc, outre la température, la pression transmembranaire et la vitesse de circulation tangentielle du fluide. Schématiquement, la microfiltration retient les particules, l'ultrafiltration les macromolécules, la nanofiltration les ions divalents, l'osmose inverse ne laisse passer que le solvant (eau généralement). Plus le procédé retient des entités de petite taille, plus la pression à appliquer est forte (moins d'un bar pour la microfiltration, jusqu'à plusieurs dizaines de bar pour l'osmose inverse) et plus la consommation énergétique est élevée. La consommation énergétique dépend également de la vitesse tangentielle de circulation du fluide. Les mécanismes de filtration sont différents suivant les procédés : en MF, UF et NF, les membranes sont poreuses et les mécanismes sont la convection et la diffusion dans les pores de la membrane ; la convection domine en MF, la diffusion est prépondérante en NF. Pour l'OI, la membrane est dense et le mécanisme est une solubilisation puis une diffusion dans le matériau membranaire. Le tableau suivant illustre les caractéristiques de chaque technique : Procédé Origine de la sélectivité Force motrice Diamètre des pores Seuil de coupure Consommation énergétique Procédés concurrents Microfiltration MF Différence de taille entre les particules ou molécules à séparer pression 0,1 à 3 bar 0,1 à 10 µm - 1-10 kWh/m³ Filtration Centrifugation Ultrafiltration UF Différence de taille et de charge entre les particules ou molécules à séparer pression 3 à 10 bar 0,01 à 0,1 µm 1 – 300 kDa 1-10 kWh/m³ Evaporation Distillation Echange d'ions Nanofiltration NF Différence de taille et de charge entre les particules ou molécules à séparer pression 10 à 50 bar ~ 1 nm 200 - 1 000 Da 5-50 kWh/m³ Evaporation OI Echange d'ions Osmose inverse OI Différence de solubilité et de diffusion dans la membrane des molécules à séparer pression 30 à 100 bar membrane dense < 200 Da 10-200 kWh/m³ Evaporation Distillation Echange d'ions ADEME/DABEE/Département Industrie et Agriculture - 6 - 16/06/2006 Il existe une grande diversité de membranes que l'on classe selon leur matériau et leur forme (liée à leur mode de fabrication). On distingue les membranes de nature organique (polymères de synthèse) de celles de nature minérale (de type céramique). Les membranes minérales sont plus robustes à l'utilisation (résistance mécanique, chimique et thermique) que les membranes organiques, mais plus coûteuses. Le choix entre ces deux types de membranes s'effectue en fonction de la nature des milieux à traiter et des conditions de fonctionnement. Les équipements membranaires que l'on trouve sur le marché se présentent sous quatre formes prépondérantes ou modules : tubulaire / multi-canal, spirale, plan et fibres creuses. Module Description Caractéristiques Matériau Tubulaire Membranes sous forme de tube (jusqu’à 13 mm de diamètre) - Technologie simple - Faible compacité - Le fluide à traiter peut circuler à l'intérieur ou à l'extérieur des tubes - Peut traiter tous types de produits (fluides visqueux, chargés), supporte 80 bars - Coûts d'installation relativement importants - organique (rare) - minéral Multi-canal Barreau percé de plusieurs canaux (3 à 30) - Meilleure compacité que la tubulaire - Technologie simple - Peut traiter tous types de produits (fluides visqueux, chargés), supporte 80 bars - Coûts d'installation relativement importants - minéral Spirale Membranes planes roulées en spirale - Capacité de filtration élevée - Coût moindre - Bonne compacité - Sensibilité au colmatage (pré-traitement nécessaire) - Difficultés possibles au nettoyage - Réservé aux produits peu concentrés et au traitement d'eau - organique Plans Membranes planes - Système plus souple et plus modulable - Visualisation du perméat produit par chaque élément - Système peu compact - Très bien adapté à certaines applications ne nécessitant pas de pression de fonctionnement trop élevées - organique - minéral (rare) Fibres creuses uploads/Litterature/ techniques-membranaires-a-gradient-de-pression.pdf