Bibliographie & annexes
Présentation
RÉSUMÉ
Quels que soient les procédés à membranes, les matériaux membranaires et les fluides filtrés, un colmatage plus ou moins important se met en place de façon systématique au cours de la filtration. Limitation du flux, modification de la sélectivité des transferts à travers la membrane, problèmes sanitaires si le colmatage est d’origine organique, le nettoyage des équipements membranes reste encore un problème difficile à résoudre. Après quelques notions de base sur le nettoyage des membranes, cet article présente les objectifs à atteindre en termes d’efficacité, ainsi que les solutions à retenir. Pour terminer, sont pris comme exemple les membranes de l’industrie laitière.
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Regardless of membrane processes; membrane materials and filtered fluids, a systematic clogging, which is more or less significant, occurs during filtration. The cleaning of membrane equipment remains an issue which is still difficult to solve in order to address the limitation of the flux, modification of transfer selectivity through the membrane and sanitary issues where the clogging is of organic origin. After having recalled several basic notions on membrane cleaning, this article presents the objectives to be achieved in terms of efficiency as well as the solutions to be adopted. It finally takes the example of membranes from the dairy industry.
Auteur(s)
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Murielle RABILLER-BAUDRY : Professeur à l'université de Rennes-1 - Ingénieur de l'École nationale supérieure de chimie de Rennes - UMR 6226 CNRS Sciences chimiques de Rennes Équipe « Chimie et Ingénierie des procédés »
INTRODUCTION
Quels que soient les procédés à membranes, les matériaux membranaires et les fluides filtrés, force est de constater qu'un colmatage plus ou moins important se met en place de façon systématique au cours de la filtration (tangentielle comme frontale). Outre la limitation du flux et la modification de la sélectivité des transferts à travers la membrane, le colmatage, lorsqu'il est d'origine organique, constitue un apport nutritif aux micro-organismes qui, s'ils ne sont pas éradiqués, sont alors libres de se développer dans les équipements, provoquant potentiellement des problèmes de sécurité sanitaire des productions suite à l'installation quasi irréversible d'un biofilm que l'on peut définir comme des micro-organismes enchâssés dans un « ciment » d'exopolysaccharides Nettoyage et décolmatage des membranes de filtration[1]. Ce constat général peut cependant être nuancé selon les applications.
Dans le domaine de la filtration d'eau, le fluide d'intérêt est le perméat. Celui-ci, ayant passé la barrière physique de la membrane, efficace pour la rétention des bactéries (microfiltration, MF) et éventuellement des virus (ultrafiltration de l'ordre de 30 kg · mol–1, UF), présente peu de risques de contamination, d'autant plus que la législation oblige à une désinfection complémentaire, les membranes n'étant pas agréées comme procédé de désinfection. La problématique de la production (UF, MF) est alors beaucoup plus axée sur la gestion des flux qui se traduit par une mise en œuvre originale faisant appel à des rétrofiltrations régulières (inversion du flux qui circule alors du perméat vers le rétentat) avec une fréquence variable selon l'origine de l'eau à traiter. Ce décolmatage physique régulier, accompagné d'un faible taux de chlore, permet le maintien de flux de production acceptables et retarde la mise en œuvre du nettoyage chimique qui peut n'intervenir qu'une fois par semaine Nettoyage et décolmatage des membranes de filtration[2].
Les membranes spirales de nanofiltration (NF) et d'osmose inverse (OI) constituent un cas particulier dans ce paysage, car les matériaux membranaires, généralement en polyamide, sont rapidement dégradés par les désinfections en milieu oxydant : les produits de désinfection tels que le chlore hydrolysent de façon irréversible les liaisons covalentes de la matrice polymère et fragilisent la peau active. Ainsi, les membranes de NF sont peu désinfectées bien que régulièrement nettoyées Nettoyage et décolmatage des membranes de filtration[3] et vendues avec une teneur en chlore cumulatif maximale d'exposition.
Les membranes d'osmose inverse, sous forme spirales, qui sont utilisées pour le dessalement des eaux saumâtres ou de l'eau de mer, peuvent quant à elles n'être nettoyées qu'une à deux fois par an, mais sont le site de développement de biofilms très importants, visibles à l'œil nu Nettoyage et décolmatage des membranes de filtration[4].
Les applications du domaine des industries agroalimentaires (IAA) sont diverses Nettoyage et décolmatage des membranes de filtration[5] , mais environ 50 % d'entre elles intéressent l'industrie laitière à l'origine de l'implantation mondiale de ces procédés dans les IAA. Dans ce contexte, le fluide à valoriser est souvent un concentré qui constitue le rétentat et n'a donc pas passé la barrière physique de la membrane. La problématique est donc très différente de celle du traitement des eaux et la sécurité sanitaire des installations doit être irréprochable de part et d'autre de la membrane. Cela conduit en moyenne à deux nettoyages chimiques quotidiens, préliminaires indispensables à une désinfection efficace. Le coût de cette opération de nettoyage/désinfection est important en termes d'énergie (jusqu'à 30 % du temps de pompage) mais également de consommation d'eau (1 à 5 m3 d'eau par 100 m 2 de membrane et par opération), de produits détergents divers (la plupart du temps, il s'agit de nettoyage en place (NEP) avec des solutions à usage unique) et, bien sûr, de traitement ultérieur des effluents de volumes similaires à la consommation d'eau.
Pour conclure cette introduction, citons une enquête conjointe de l'ADEME et du Club Français des Membranes Nettoyage et décolmatage des membranes de filtration[6] qui souligne que le verrou scientifique et technique que constitue la maîtrise du colmatage et du nettoyage est ressenti par les industriels comme un frein au développement plus important de ces procédés, par ailleurs propres, sobres et sûrs. Le nettoyage est donc une étape incontournable pour la production durable par procédés à membranes.
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Présentation
Quelques notions indispensables pour comprendre le nettoyage3. Conclusion
Jusqu'à maintenant, l'étape de nettoyage des équipements à membranes était considérée comme l'un des verrous techniques des procédés à membrane et ressentie comme une difficulté, voire un frein, au développement de ces procédés par ailleurs propres, sobres et sûrs. La situation évolue lentement par manque de recherches fondamentales publiées, les chercheurs n'ayant généralement pas une image « noble » des études qui pouvaient être faites dans ce domaine. Il est vrai que les travaux antérieurs se sont surtout intéressés à des répétitions d'opération de nettoyage et à des bilans/constats d'évolution plus ou moins satisfaisants des flux. Confrontés aux nécessités d'évoluer vers des procédés encore plus productifs mais aussi plus respectueux de l'environnement, les axes de recherche évoluent.
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L'amélioration de l'existant est possible, même sans changement de produits de nettoyage. Une meilleure gestion de l'eau grâce à des capteurs en ligne, même aussi simples que des conductimètres, est possible et démontrée dans l'industrie laitière. Le retraitement des solutions alcalines de NEP par des procédés à membranes est également possible et un gain sur l'efficacité des nettoyages par rapport à la soude neuve est prouvé dans certains cas déjà. Le frein actuel est souvent lié aux « faibles » volumes à réutiliser, d'où une balance économique parfois difficile à atteindre dans le contexte actuel.
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Les voies classiques de nettoyage, même si elles sont relativement bien éprouvées au plan industriel, doivent être revisitées à la lumière des connaissances modernes : mises au point à une époque où seules les mesures de flux permettaient de conclure à l'efficacité ou non, certaines sont déjà mises en défaut et l'analyse des surfaces des membranes et surtout l'analyse quantitative des colmatants résiduels permettent déjà de comprendre l'inutilité de certaines étapes dans une cascade de produits de nettoyage. Il faut continuer dans ce sens ; les outils sont disponibles tant pour le traitement d'eau que pour les fluides agroalimentaires. La limitation du nombre d'étapes génère une diminution du temps de nettoyage (énergie, nombre de produits chimiques différents), de l'eau consommée dans les inter-rinçages et, par suite,...
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Conclusion
BIBLIOGRAPHIE
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(3) - CAUSSERAND (C.) - Filtration membranaire (OI, NF, UF). Caractérisation des membranes. - [J 2 792] [W 4 100] Bases documentaires «Opérations unitaires. Génie de la réaction chimique» et « Technologies de l'eau » (2006).
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