Classification et caractéristiques des membranes de filtration

Classification et caractéristique des membranes de filtration

La majeure partie de ce chapitre porte sur les différents aspects des membranes, à savoir leurs classifications, leurs caractéristiques, et les différentes configurations des modules membranaires. La détermination des caractéristiques d’une membrane a pour objectif d’aider au choix de celle-ci pour une application donnée, mais aussi d’acquérir une meilleure compréhension de l’évolution de ses performances en cours d’utilisation. De nos jours, il existe une grande variété de membrane adapté aux diverses procédés de séparation. Un nombre important de membranes sont actuellement utilisées et classées suivant leur mode de fonctionnement.

La perm sélectivité (se dit de membranes dont la perméabilité s’exerce de façon sélective vis-à-vis des ions) des membranes a été découverte dès le XVIIIe siècle par Abbé Jean-Antoine Nollet (1735). C’est à cette époque que l’Abbé observa pour la première fois le phénomène de l’osmose, soit le transfert de l’eau ou d’un solvant au-travers d’une membrane semi-perméable. En 1845, Matteucci et Cima, puis Schmidt en 1856, mirent en évidence le comportement anisotropique des membranes. Leur comportement est en effet différent selon la face de la membrane se trouvant en contact avec la solution. En 1855, Fick développa la première membrane synthétique probablement en nitrocellulose [5]. Parallèlement aux développements de la thermodynamique, ce domaine de recherche évoluera fortement durant la période 1870-1920. La première commercialisation de membranes se fait en 1927, tandis qu’en 1956, l’Agence américaine de protection de la santé publique reconnaît l’utilisation des membranes pour les processus de séparation de composés. Simultanément, les applications industrielles voient le jour et les perspectives, notamment en vue de la désalinisation de l’eau de mer sont explorées.

Une membrane peut être décrite comme une barrière permsélective de très mince couche de matière qui va permettre ou interdire le passage ou la rétention de certains espèces ou composants à l’échelle microscopique entre deux milieux qu’elle sépare sous l’action d’une force agissante peut être une différence de pression, de potentiel électrique ou de concentration de part et d’autre de la membrane. La phase retenue constitue alors le retentât (ou concentrât) alors que la phase ayant traversé la membrane s’appelle le perméat (ou filtrat). Les membranes utilisées dans le traitement des eaux sont poreuses ou denses et doivent permettre d’enlever les contaminants principalement par effet stérique, sous une pression transmembranaire ou un flux de perméat constant.

Présentation des procédés membranaires :

La technologie membranaire est devenue une véritable technologie de séparation lors de la dernière décennie. La force principale de la technologie membranaire est le fait que cela fonctionne sans ajout de produits chimiques, avec une conduction de procès facile et bien arrangée. Le procédé de séparation membranaire est basé sur la présence de membranes semiperméables. Le principe est assez simple: la membrane agit comme un filtre très spécifique qui laisse passer l’eau, tandis qu’elle retient les solides en suspension et d’autres substances. Dans la filtration sur membrane on peut distinguer d’une part la micro et l’ultra filtration, la nano filtration et l’osmose inverse [7]. Quand on utilise la filtration sur membrane pour éliminer des particules de taille relativement importante on utilise la micro filtration ou l’ultra filtration.

Dans ce cas la productivité est importante alors que les différences de pressions sont faibles. Lorsqu’on doit éliminer des sels de l’eau, on utilise la nano filtration et l’osmose inverse. Les membranes de nano filtration et d’osmose inverse ne fonctionnent pas selon le principe des pores, la séparation s’effectue par diffusion à travers la membrane. La pression requise pour réaliser la nano filtration ou l’osmose inverse est beaucoup plus élevée que la pression requise pour la micro et l’ultrafiltration, tandis que la productivité est beaucoup plus faible [7]. Les différentes techniques membranaires peuvent être classées selon la nature de la force motrice mise en jeu.

Membranes asymétriques ou anisotropes :

Les membranes asymétriques ont une porosité variable dans l’épaisseur de la membrane. Cette structure leur permet de répondre a des exigences contradictoires en matière de filtration a savoir réaliser une séparation avec une sélectivité élevée, assurer un débit de permeation important et présenter une résistance mécanique suffisante. On distingue deux parties bien distinctes : la (ou les) peau(x) et la sous-couche poreuse. La peau est la partie sélective de la membrane. Elle possède la porosité la plus faible et les pores les plus petits. Son épaisseur est très faible devant celle de la membrane : de l’ordre de 1 μ m ou moins. Cette faible épaisseur permet d’associer une haute sélectivité à une haute perméabilité. Les performances en filtration de la membrane ne dépendent donc que des performances de la peau. La peau sera donc mise directement en contact avec le fluide à filtrer [14]. La sous-couche poreuse forme la plus grande partie de la membrane. Elle possède une porosité souvent très importante (60 à 80 %), associée à des pores de grandes dimensions (à l’échelle du micromètre). Elle n’offre pas de sélectivité et n’influe pas sur la perméabilité. Son rôle est d’assurer la résistance mécanique de la membrane. Dans le cas de membranes planes, une seule peau est observée. Dans le cas de membranes de géométrie à fibres creuses une ou deux peaux peuvent être réalisée(s).

Les modules tubulaires : Un module tubulaire contient plusieurs tubes qui peuvent être en série ou en parallèle. L’eau à traiter circule à l’intérieur des tubes et le perméat est recueilli à l’extérieur des tubes. Les tubes constituent des canaux d’écoulement tangentiel. C’est le seul type de module qui peut être nettoyé mécaniquement avec un système de balles de mousse qui raclent les parois des tubes. L’écoulement à l’intérieur des tubes est turbulent. A cause de la taille des canaux tangentiels, cette configuration entraîne a priori une dépense d’énergie plus importante que dans les autres configurations [1]. Ces modules sont composés de membranes tubulaires dont le diamètre interne est de l’ordre du centimètre. Il peut s’agir de tubes uniques assemblés dans un module à l’aide de joints ou de monolithes composés de plusieurs tubes. Ces modules sont construits autour de membranes minérales (céramiques), parfois de membranes en polymères. L’alimentation est faite à un bout du module et le fluide circule à l’intérieur du ou des tubes ; le retentât ressort à l’autre bout. Le perméat traverse la membrane, circule au travers du corps du tube ou du monolithe pour ressortir à l’extérieur du tube [13]. Dans les techniques tubulaires, la membrane est enroulée sur elle-même et déposée ou directement formée à l’intérieur d’un tube support poreux d’un diamètre de 7 à 40 mm. C’est la configuration la moins compacte mais qui permet une grande vitesse de circulation et un nettoyage facile. Les modules céramiques sont rétro lavables.

Table des matières

Introduction générale
Chapitre I : Classification et caractéristiques des membranes de filtration
I.1. Introduction
I.2. Historique
I.3. Définition de la membrane
I.4. Présentation des procédés membranaires
I.4.1. Les techniques membranaires à gradient de pression
I.4.2. Techniques membranaire à gradient de potentiel électrique
I.5. Classification des membranes
I.5.1. Classification d’après le mécanisme de séparation
I.5.2. Classification d’après la morphologie
I.5.3. Classification d’après la géométrie de préparation des membranes
I.5.4. Classification d’après la nature chimique
I.6. Matériaux membranaires
I.6.1. Matériaux organiques
I.6.2. Matériaux inorganiques
I.7. Caractéristiques des membranes
I.7.1. Le taux de conversion
I.7.2. La sélectivité d’une membrane
I.7.3. La perméabilité d’une membrane
I.7.4. La résistance d’une membrane
I.7.5. Autres caractéristiques
I.8.1. Définition
I.8.2. Type de modules
I.9. Conclusion
Chapitre II : Fonctionnement, lavage et entretien des installations membranaires
II.1. Introduction
II.2. Modes de fonctionnement
II.2.1. La filtration frontale
II.2.2. La filtration tangentielle
II.3. Les différents systèmes membranaires
II.3.1. Système de filtration membranaire sous pression
II.3.2. Système à membranes immergées
II.4. Mise en oeuvre et condition de fonctionnement
II.4.1. Choix du type de procédés
II.4.2. Choix de la pression de fonctionnement
II.4.3. Choix de la température
II.4.4. Choix du taux de conversion
II.5. Phénomène de transfert
II.5.1. Loi de Darcy
II.5.2. Polarisation de concentration
II.5.3. Colmatage et nettoyage des membranes
II.6. Critères de conception des procédés membranaires
II.6.1. Bases de conception
II.6.2. Données générales requises pour la conception
II.6.3. Règles de conception
II.6.4. Redondance relative aux membranes
II.6.5. Autres éléments de conception
II.7. Dimensionnement des installations a membrane
II.8. Consommation d’énergie des procédés membranaires
II.9. Les facteurs influençant la performance des membranes
II.9.1. La concentration du concentré
II.9.2. La pression d’opération
II.9.3. La température d’opération
II.9.4. La charge microbienne
II.10. Avantages et inconvénients des procédés membranaires
II.10.1. Avantages des techniques à membranes
II.10.2. Inconvénients des techniques à membranes
II.11. Conclusion
Chapitre III : Applications des procédés membranaires
III.1. Introduction
III.2. Applications des procédés à membranes en traitement des eaux de surface
III.2.1. Caractéristiques d’une eau de surface naturelle
III.2.2.Champ d’application
III.2.3. Quels substances enlève-t-il les procédés membranaires
III.2.4. Les différentes chaines de traitement
III.2.5.Principaux applications de la NF dans le domaine de l’eau potable
III.3.Applications des procédés à membranes en traitement des eaux souterraines
III.3.1.Déferrisation et/ou démagnétisation par membrane
III.3.2.Enlèvement des chlorures
III.4. Application en dessalement d’eau de mer
III.4.1. Dessalement par osmose inverse
III.5. Application en épuration des eaux usée
III.5.1. Définition d’un bioréacteur à membrane
III.5.2. Utilisations de BRM pour l’épuration des eaux usées
III.5.3. Configurations des systèmes de BRM
III.5.4. Performances et capacités des BRM
III.6. Applications Industrielles
III.7. Conclusion
Chapitre IV : La station de dessalement de Honaïne
IV.1. Introduction
IV.2. Présentation de la station de dessalement de Honaïne
IV.2.1. Contexte
IV.2.2. Situation géographique de la station
IV.2.3. Plan de la station
IV.3. Etapes de dessalement d’eau de mer de Honaïne
IV.3.1. Phase de captation et pompage
IV.3.2. La phase de filtration
IV.3.3. Phase d’osmose inverse
IV.3.4. Phase de reminéralisation
IV.3.5. Phase de refoulement
IV.4. Résultats et interprétations
IV.4.1. Objectif
IV.4.2. Caractéristiques principales d’unité d’osmose inverse
IV.4.3. Qualité d’eau produit
IV.5. Interprétation générale
IV.6. Conclusion
Conclusion générale
Références bibliographiques
Annexe

Télécharger le rapport complet