1.2.3 Les minérau
1.3 La technologie par membrane: L’ultrafiltration
1.3.3 Les conditions opératoires 1 Le type de procédé
1.3.3.1.1 Le procédé discontinu ou par « batch »
Le procédé de filtration en mode discontinu ou « batch » est le mode opératoire le plus utilisé lors d’expérimentations à l’échelle laboratoire et pilote. Comme présenté à la figure 1.9, il consiste à incorporer une partie du rétentat dans la cuve d’alimentation alors que l’autre fraction (perméat) est continuellement retirée. Cette quantité de perméat retirée dépend du facteur de concentration (FCV) voulu (décrit à la section 1.3.3.2) (37). Le mode discontinu est majoritairement utilisé lorsque le produit final de plus grande valeur est le perméat. En effet, la recirculation constante du rétentat risque d’altérer le produit dû au pompage et au temps de résidence plus élevé. L’ajout d’une boucle de recirculation au système de filtration procure plusieurs avantages. Cet ajout au procédé a pour effet d’augmenter la vitesse tangentielle du fluide et de maintenir un flux de perméation moyen plus élevé (21). D’autant plus, la boucle de recirculation diminue la puissance requise de la pompe d’alimentation et par conséquent, diminue les coûts d’opération.
Figure 1.9 Système de filtration en mode « Batch » (37)
1.3.3.1.2 Le procédé continu
L’ultrafiltration en mode continu a pour but de maintenir le flux de perméation constant. Pour atteindre cet objectif, bien qu’il est possible avec un système de filtration simple comme à la figure 1.9, les usines de transformation du lait opèrent le mode de filtration continu grâce au design multiétages présenté à la figure 1.10. Le procédé multiétage consiste à recirculer le rétentat dans des modules membranaires subséquents afin d’atteindre un flux de perméation constant et le FCV désiré à la fin du dernier module. Ainsi, le dernier stage filtre une solution plus concentrée avec un flux de perméation inférieur comparativement aux stages antérieurs qui opèrent à des concentrations inférieures et des flux de perméation supérieurs (35). De ce fait, le FCV ne varie pas au cours du temps, mais en fonction du stage, où une quantité de perméat y est retirée. Afin d’atteindre un FCV élevé, plusieurs stages sont nécessaires ce qui entraîne l’utilisation de surfaces membranaires plus importantes (40). Ils comprennent entre trois et dix modules membranaires (stages). L’un des principaux avantages du mode multiétage est qu’il permet de répartir l’encrassement sur l’ensemble des modules, et donc d’obtenir une baisse de flux de perméation plus lente au cours du temps. En contrant les problèmes de diminution de débits dus à l’encrassement des membranes, le mode multiétage permet une filtration en mode continu.
Figure 1.10 Système de filtration en mode « multiétage » (37)
1.3.3.2 Le facteur de concentration volumique
Le facteur de concentration volumique (FCV) est défini comme étant le rapport entre le volume initial (V0) de la solution et le volume final de concentré (Vf) ou de rétentat obtenu, équation 2 (21).
éq.2 Où FCV est le facteur de concentration volumique ; V0= volume initial de la solution (m3 ou L) ; Vf=
volume final du concentré obtenu (m3 ou L).
1.3.3.3 La pression transmembranaire
La pression transmembranaire (PTM) est la force motrice de la filtration (équation 3). Elle représente une moyenne de la pression appliquée à l’entrée (Pi) et à la sortie (Po) du module, auxquelles est
soustraite la pression appliquée à la sortie du perméat (PP).
éq.3 Où PTM est la pression transmembranaire (Pa); Pi= pression à l’entrée du module (Pa); P0= pression
à la sortie du rétentat (Pa); PP= pression à la sortie côté perméat (Pa).
FCV V0 Vf
PTM Pi P0
Le choix de la PTM est très important puisqu’il influence l’encrassement de la membrane, décrit à la section suivante.
1.3.3.3.1 L’encrassement
L’encrassement de la membrane polymérique se manifeste par un déclin du flux de perméation en fonction du temps. Elle est de nature chimique (protéines, minéraux, glucides), physique (déformation des pores) et/ou biologique. L’encrassement englobe trois composantes :
Concentration de polarisation : accumulation de molécules à la surface membranaire Colmatage : obstruction physique des pores
Adsorption : interactions de nature chimique entre la molécule et la membrane
L’encrassement des membranes est observé grâce à l’évolution du flux de perméation (J) en fonction de la pression transmembranaire (PTM), figure 1.11. Pour un solvant pur (ex : eau pure), la relation entre J et PTM est linéaire puisqu’aucun encrassement de la membrane ne survient. Pour les solutions complexes, la relation est linéaire jusqu’à une valeur de PTM dite critique. À cette valeur, la droite fléchie graduellement et plafonne vers une valeur maximale (zone 1). Au-delà de la PTM critique (PTMC) ou du flux de perméation critique (Jcritique), le flux de perméation devient graduellement
indépendant de la PTM appliquée (zone 2). À partir de cette PTM, le flux de perméation est contrôlé par la concentration de polarisation (39). Cet encrassement occasionne une augmentation de la résistance du solvant à passer à travers la membrane et une augmentation de la pression osmotique près de celle-ci. Au niveau de la zone 2, le flux de perméation est contrôlé par un dépôt supplémentaire de particules, une consolidation de la couche d'encrassement et l’adsorption des molécules aux pores de la membrane (21) (41). Ceci dit, pour obtenir un taux d’encrassement moindre, une PTM inférieure à celle requise pour obtenir le flux critique est à privilégier.
Figure 1.11 L’évolution du flux de perméation due à l’encrassement de la membrane (39)
1.3.3.3.2 La caractérisation de l’encrassement
Concrètement, l’encrassement des membranes peut être quantifié grâce au modèle de résistances- en-série (RES). Ce modèle prend en compte la résistance hydraulique à travers le module de filtration. La résistance totale comprend la résistance intrinsèque de la membrane (RM) et la résistance due à
l’encrassement (RF) (réversible et irréversible), équations 4 et 5. La résistance membranaire (équation
6) est déterminée en utilisant le flux de perméation à l’eau (Jeau) avant la filtration, la viscosité de l’eau
(eau) ainsi que la pression transmembranaire correspondante (PTM). La résistance irréversible
correspond à l’adsorption des molécules dans les pores membranaires et nécessite l’application d’un cycle de lavage chimique pour les déloger. Elle est estimée en mesurant le flux de perméation à l’eau après le rinçage de la membrane (J’) (équation 7). La résistance réversible est fonction de l’épaisseur de la couche dynamique formée à la surface de la membrane et de sa perméabilité. Ce type d’encrassement est retiré par un simple rinçage, il est déterminé par soustraction grâce à l’équation 4 (42) (43).
éq.4
éq.5
RT RM RF
éq.6
éq. 7 Où RT= résistance totale (m-1); RM= résistance membranaire (m-1); RF=Résistance de l’encrassement
totale (m-1); RRev= Résistance réversible (m-1); Ri= résistance irréversible (m-1); PTM = Pression
transmembranaire (Pa); Jeau= Flux de perméation à l’eau avant la filtration (m3/m2.s); J’= Flux de
perméation à l’eau après rinçage (m3/m2.s); μeau= viscosité de l’eau (Pa.s); μp= viscosité du perméat
(Pa.s).
1.3.3.4 La température de filtration
La température de filtration est choix déterminant puisqu’elle influe directement sur les performances du système de filtration. Il est connu qu’une augmentation de la température diminue la viscosité de l’eau significativement (38). D’autant plus que le flux de perméation et la viscosité de la solution sont reliés, voir équation 9 présentée à la section 1.3.4.2, une diminution de la viscosité mène à une augmentation du flux de perméation. D’un autre côté, une élévation de la température peut occasionner une compaction de la membrane polymérique. En effet, la température modifie les propriétés du matériau membranaire, si bien qu’il y a une déformation des pores (44). Cette déformation augmente la résistance hydraulique, ce qui nuit à la perméabilité.