CHAPITRE II : Mise en place de l’étude expérimentale
III. Etude du transfert de matière en diffusion
En complément des grandeurs de transfert obtenues dans le cadre de la thèse de Virginie Boy [6], l’étude de transfert de matière en régime de diffusion du glucose en présence de différents électrolytes est réalisée au cours de ces travaux, en utilisant la même membrane de nanofiltration. Le protocole expérimental ainsi que les méthodes d’analyse mises en œuvre sont détaillés dans la thèse de Virginie Boy et rappelés sommairement par la suite.
III.1
Membrane et conditionnement
Les expériences de filtration sont réalisées avec une membrane Filmtec NF45, commercialisée par la société Dow Chemical Compagny. Les principales caractéristiques de cette membrane sont reportées dans le Tableau II-6.
Tableau II-6 : Caractéristiques de la membrane NF 45 Filmtec, données fournisseur.
Seuil de coupure 200 g.mol-1
Perméabilité hydraulique à 25 °C 2.10-11 m.Pa-1.s-1
Gamme de pH 3-10 (1-12 en nettoyage)
Le point isoélectrique de cette membrane est de 5,1. Le pH des solutions étant voisin de 6, la surface de la membrane est chargée négativement dans nos conditions.
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Afin d’obtenir un état stable de la membrane pour un électrolyte donné, la membrane est conditionnée par circulation puis par trempage dans la solution électrolytique, à 1 mol.kg-1, pendant 12 heures [34].
III.2
Expériences de diffusion
Pour les expériences de diffusion, la molalité en glucose est fixée à 1 mol.kg-1 et celle des électrolytes à une molalité en cation à 1 mol.kg-1. Les électrolytes utilisés sont LiCl, NaCl, KCl, MgCl2 et CaCl2.
La cellule de diffusion, de marque PC Cell, est constituée d’un empilement de 2 motifs élémentaires formés de deux compartiments, alimentation et éluat. La surface membranaire totale est de 128 cm2 (soit 2 membranes de 8×8 cm).
Deux pompes à transmission magnétique (pompes AB, série T-MAG-P23 PP) assurent la circulation des solutions dans chaque réservoir (alimentation et éluat). Les débits de circulation sont fixés à 15 L.h-1 dans chaque compartiment. Le schéma de principe du dispositif expérimental mis en place pour les expériences de diffusion est représenté sur la Figure II-3.
Figure II-3 : Dispositif expérimental utilisé pour les expériences de diffusion.
Dans le réservoir d’alimentation, une solution d’eau osmosée contenant le glucose (ou l’électrolyte contenant le sucre) est introduite. Le réservoir d’éluat est initialement rempli avec le même solvant que celui placé dans le réservoir d’alimentation (eau pure ou électrolyte). Les volumes des solutions dans les réservoirs alimentation et éluat sont de 1 L. Un cryostat permet de maintenir une température de 25 °C dans les réservoirs.
En raison de la différence de concentration en glucose de part et d’autre de la membrane, le sucre diffuse du compartiment le plus concentré (alimentation) vers le moins concentré (éluat). Ce flux s’accompagne d’un flux osmotique, dans le sens des concentrations croissantes. Toutefois, aucune variation de volume des compartiments n’a été observée pendant les expériences. Le flux osmotique est donc négligeable dans les conditions expérimentales.
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Des échantillons sont prélevés dans le réservoir éluat et dilués entre 20 et 40 fois afin de déterminer les concentrations en glucose suivant la méthode analytique décrite précédemment.
Les flux de sucre sont alors déterminés à partir du nombre de moles de sucre transférées au cours du temps, et ramenés à une unité de surface de la membrane.
Les expériences sont réalisées au minimum deux fois. Pour toutes les expériences, l’évolution du nombre de moles de glucose en fonction du temps est linéaire, ce qui confirme que le gradient de concentration de glucose est constant pendant tout la durée de l’expérience.
Des exemples sont donnés sur les Figures II-4-a et II-4-b, pour les systèmes glucose / eau et glucose / NaCl. Pour l’ensemble des résultats, l’écart entre le nombre de moles de glucose transférées à la droite calculée n’excède pas 10 %.
Le protocole spécifique pour dissocier et quantifier la contribution de la modification des propriétés des solutés sur le transfert des sucres est décrit dans la thèse de Virginie Boy [6].
Dans les systèmes sucre / eau, les mesures de flux de sucre, JS,W, au travers la
membrane conditionnée, permettent d’estimer l’influence de l’électrolyte sur les propriétés de la membrane. L’impact global de l’électrolyte sur le transfert de sucre est estimé par des mesures de flux de sucre dans les systèmes sucre / électrolyte, JS,EI. Ainsi,
l’impact des modifications des propriétés du sucre, provoquées par la présence d’électrolyte, est estimé à partir du flux additionel de sucre, J, selon la relation suivante :
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Figure II-4 : Evolution du nombre de moles de glucose transférées dans le réservoir éluat en fonction du temps à 298,15 K, expérience réalisée 3 fois. [Glucose alimentation]=1 mol.kg-1
(a) solvant=eau osmosée, membrane conditionnée NaCl, (b) solvant = NaCl à 1 mol.kg-1. Membrane conditionnée NaCl (a)
Solvant=eau osmosée
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Conclusion
Dans ce chapitre, les solutés (sucres et électrolytes) ainsi que les techniques analytiques utilisés au cours de cette étude ont été présentés.
Dans un premier temps, la méthode densitométrique, permettant de caractériser l’hydratation des sucres en fonction de la composition a été détaillée. Elle s’appuie sur la mesure de masses volumiques de solutions de compositions variables en sucre et en électrolyte. Au vue de la précision recherchée, une méthode a été mise en place pour préparer les solutions et connaître leur composition exacte.
L'influence de l'électrolyte sur l'hydratation du sucre, résulte d'interactions à l’échelle moléculaire entre le sucre, les ions et l’eau. Ainsi, la mécanique quantique qui permet de décrire le comportement des particules à l’échelle atomique, est utilisée dans cette étude afin de caractériser les interactions dans les systèmes sucre / ions / eau. Dans ce chapitre, quelques éléments de base de la chimie théorique ont été décrits et la méthodologie utilisée au cours de cette thèse a été détaillée.
La procédure expérimentale permettant l’étude de transfert de matière à travers des membranes de nanofiltration, en régime de diffusion a été détaillée. L’influence de l’électrolyte sur les modifications des propriétés des sucres est estimée à partir de l’augmentation du flux de sucre en présence d’électrolyte.