Bibliographie & annexes
Présentation
RÉSUMÉ
Les opérations de filtration membranaire (nano-, ultra-, micro- et osmose inverse) séparent un flux d’alimentation en deux, le rétentat et le perméat, avec toutefois la particularité d’une circulation du liquide tangentiellement à la membrane. Ces membranes spécifiques présentent des pores plus petits que ceux de la filtration classique, elles peuvent ainsi filtrer des suspensions contenant des composants de très petites tailles. Cet article détaille le mode de fonctionnement, l’approche théorique et les performances atteintes par les filtrations membranaires.
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Auteur(s)
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Pierre AIMAR : Laboratoire de génie chimique – UMR CNRS/INP/UPS Université Paul-Sabatier (Toulouse)
INTRODUCTION
Les opérations de filtration membranaire (nanofiltration NF, ultrafiltration UF, microfiltration NF), dans lesquelles on inclut ici l’osmose inverse (OI), bien que les membranes qui y sont utilisées ne soient pas poreuses, peuvent être présentées comme des séparateurs tripolaires qui divisent un flux d’alimentation en deux : le rétentat et le perméat (qui est constitué du liquide, solvant et une partie des solutés, qui a traversé les membranes). La particularité de la filtration membranaire, par rapport à la filtration classique, réside dans le fait que l’on fait circuler, tangentiellement à la membrane, le liquide à filtrer de manière à limiter, par effet de cisaillement hydrodynamique en paroi, l’accumulation de la matière retenue : ce dernier mécanisme, lorsqu’il se développe en solution, est appelé polarisation de concentration et, lorsqu’il se traduit par un dépôt de matière sur la membrane, devient un colmatage de cette dernière. Pour cette raison également, les membranes de filtration peuvent traiter des suspensions dont les composants sont de tailles bien inférieures à ceux des suspensions concernées par la filtration conventionnelle. Cela se traduit par des diamètres de pores bien plus petits dans les membranes que dans les media filtrants.
Dans le tableau 1, on a regroupé les principales caractéristiques des opérations de séparation concernées par ce dossier.
Le lecteur pourra trouver un exposé général concernant toutes ces techniques dans les dossiers Filtration membranaire (OI, NF, UF)- Présentation des membranes et modules, Filtration membranaire (OI, NF, UF)- Caractérisation des membranes et Filtration membranaire (OI, NF, UF)- Applications en traitement des eaux.
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Performances1. Modes de fonctionnement
1.1 Mode de régulation
Les opérations de séparation membranaires en phase liquide, pour lesquelles la force agissante est une différence de pression, peuvent se conduire essentiellement de deux manières :
-
en imposant une consigne sur le flux de filtration ;
-
en imposant une différence de pression moyenne dans l’installation.
De manière générale, on considère que fonctionner à flux contrôlé permet d’éviter qu’au début des essais, lorsque la membrane est encore propre et donc de perméabilité élevée, l’application d’une pression de consigne moyenne, choisie pour la durée du reste d’un cycle de production, ne provoque un flux très élevé et donc des phénomènes d’accumulation et de compression de matière sur le filtre, induisant un colmatage irréversible lourd, qui conditionne le rendement de l’installation pendant toute le reste de la durée du cycle. Le fonctionnement à flux constant peut être utile, pour des raisons d’intégration de l’étage de séparation dans un procédé continu.
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Les opérations menées à pression moyenne constante sont les plus courantes, car plus faciles à mettre en œuvre a priori. Ce contrôle peut s’opérer par le biais d’une vanne de laminage en sortie de module ou d’installation. Dans le cas où l’installation est alimentée par une pompe non volumétrique, une variation de contre-pression peut entraîner des variations de débits de circulation : dans ce cas, même si la pression moyenne ou la pression de sortie demeurent constantes, la répartition des pressions dans les modules peut varier au cours du temps et altérer le fonctionnement du système. Par ailleurs, dans le cas d’installations équipées de plusieurs modules en série, une régulation de pression par module devrait être préférée, car une pression moyenne constante sur l’ensemble de l’installation peut masquer des variations importantes de pression d’un étage à l’autre. Il faut noter que, sauf panne de régulation, un système mené à pression contrôlée est a priori stable, et peut...
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Modes de fonctionnement
BIBLIOGRAPHIE
-
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(2) - BACCHIN (P.), SI-HASSEN (D.), STAROV (V.), CLIFTON (M.J.), AIMAR (P.) - A unifying model for concentration polarization, gel-layer formation and particle deposition in cross-flow membrane filtration of colloidal suspensions - . Chem. Eng. Sci. 57, p. 77-91 (2002).
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(4) - VANDEZANDE (P.), GEVERS (L.E.M.), PAUL (J.S.), VANKELECOM (I.F.J.), JACOBS (P.A.), VANR REIX, al - High throughput screening for rapid development of membranes and membrane processes - . Journal of Membrane Science, 250(1-2), p. 305-310 (2005).
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(5) - COMBE (C.), GUIZARD (C.), AIMAR (P.), SANCHEZ (V.) - Experimental determination of four characteristics used to predict the retention of a ceramic nanofiltration membrane - . Journal...
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