Filtration membranaire (OI, NF, UF) - Présentation des membranes et modules

Les membranes de filtration (osmose inverse OI, nanofiltration NF, ultrafiltration UF, microfiltration MF) sont des membranes semi-perméables (permsélectives) qui permettent la rétention de solutés ou de particules contenus dans un solvant. Les membranes sont habituellement composées d’une couche sélective assurant la séparation, associée à un support renforçant la résistance mécanique. Leurs performances, qui correspondent à celles de la couche sélective, sont caractérisées par leur perméabilité au solvant (cf. [J 2 790]) et leur sélectivité.

Cette dernière caractéristique est liée à la taille des pores des membranes exprimée en termes de seuil de coupure (masse molaire du composé retenu à 90 % (cf. ) (UF, NF), de rétention de sel (NF, OI) ou de dimension micrométrique (MF). La figure 1 montre schématiquement la correspondance entre les opérations de filtration par membrane, la taille des pores et les composés retenus.

Pratiquement, une membrane doit posséder une haute perméabilité associée à une haute sélectivité et avoir des qualités de résistance thermique, chimique et mécanique, pour un coût d’installation et de renouvellement contrôlé en relation avec l’application « produit » considérée.

La perméabilité est reliée à la taille et à la densité des pores, mais aussi à l’épaisseur de la couche sélective, comme le montre la loi de Poiseuille (cf. [J 2 790]). Les hautes perméabilités sont donc obtenues, pour une taille de pore ou une sélectivité donnée, par la réalisation d’une couche sélective extrêmement fine. La figure 1 fournit une indication des épaisseurs des couches sélectives des membranes en fonction du procédé.

Les résistances thermiques et chimiques sont associées à la nature du/des matériaux. Elles interviennent dans les mécanismes de vieillissement et conditionnent donc la fréquence de renouvellement des membranes. La résistance mécanique est aussi liée à la structure et à la géométrie des membranes. Elle dépend des conditions opératoires : pressions d’utilisation, à-coups de pression, rétrolavage, lavages chimiques…

Les efforts poursuivis pour élaborer une membrane optimisée vis-à-vis des différentes fonctions demandées ont conduit à la sélection de différents matériaux, structures et géométries. Les membranes de filtration peuvent donc être classées selon des critères tels que leur structure, le matériau, leur procédé d’élaboration, leur géométrie ou leurs performances.

Pour de plus amples renseignements sur les considérations théoriques des procédés membranaires et sur la filtration membranaire, le lecteur pourra consulter, dans cette base documentaire des Techniques de l’Ingénieur, les dossiers suivants, références  :

[J 2 790] : Techniques séparatives à membranes. Considérations théoriques

 : Filtration membranaire (OI, NF, UF). Caractérisation des membranes

 : Filtration membranaire (OI, NF, UF). Mises en œuvre et performances

 : Filtration membranaire (OI, NF, UF). Applications en traitement des eaux

[J 2 796] : Filtration membranaire (OI, NF, UF). Applications diverses