Les géométries des membranes

3.2.3

Caractéristiques de l’ultrafiltration

L’ultrafiltration permet de retenir des espèces dont la taille est comprise entre 2 et 100 nm (peptides, protéines, virus, etc.) Les procédés d’ultrafiltration utilisent des pressions de fonctionnement transmembranaires entre 1 et 5 bar ce qui correspond à la force nécessaire pour permettre au fluide de traverser la membrane avec un débit jugé acceptable selon les spécifications de l’utilisateur.

3.2.4

Les géométries des membranes

Les membranes peuvent se présenter sous plusieurs formes : plane, tubulaire, spirale, fibre creuse. Elles peuvent être des composites (plusieurs couches de matériaux différents) ou bien des membranes dites asymétriques (même matériaux). Ces dernières sont composées d’une sous-couche poreuse formant le « support » rigide, qui confère à la membrane ses propriétés mécaniques, d’un polymère poreux et d’une « peau active » très fine à la surface du polymère. Cette peau active forme la zone sélective de la membrane car elle est directement en contact avec le fluide à filtrer.

Dans le cadre de ce projet nous nous intéresserons plus particulièrement aux fibres creuses (filtration de l’eau) et aux géométries spirales (filtration du lait) qui sont des membranes planes enroulées.

Les fibres creuses sont des membranes tubulaires particulières dont le diamètre interne du tube est inférieur à 1 mm. Elles ne possèdent pas de support mécanique à proprement parler et sont assez fragiles d’un point de vue mécanique. Elles sont constituées d’un polymère très majoritaire (> 95 %) ainsi que d’une peau active très fine mélangeant le polymère de base et un autre polymère [Figure I-9]. C’est cette peau active de quelques microns qui crée la sélectivité de la fibre creuse.

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Figure I-9 : Images d’une fibre creuse x 50 (a) et x 250 (b) prises au microscope électronique à balayage

Les fibres creuses ont été développées à partir du travail de Loeb et Sourirajan sur les membranes asymétriques [17] au début des années 1960 en utilisant la méthode de précipitation par immersion. Cette méthode, aussi appelée inversion de phase, nécessite la préparation d’une solution constituée d’un ou plusieurs polymères ainsi que d’un ou plusieurs solvants miscibles. Cette solution est entrainée dans un bac contenant un non-solvant du ou des polymères utilisés ce qui va permettre la précipitation et la formation de la membrane. Un échange s’effectue entre le solvant et le non-solvant qui diffusent à contre sens l’un de l’autre et conduit à la formation de deux phases dans le polymère. La diffusion du non-solvant dans la solution de polymère va permettre la formation d’une zone du matériau dont la taille de pores est très faible et qui sera appelée « peau active ». Au fur et à mesure que le non-solvant va diffuser, il mettra de plus en plus de temps pour faire précipiter ce qui reste de polymère ce qui va conduire à la formation de zones de plus en plus poreuses. Ce type de membrane est utilisé pour filtrer aussi bien du gaz [18, 19] que de l’eau [20, 21] mais les porosités sont différentes en fonction du fluide filtré.

Les fibres étudiées dans le cadre de ce travail font environ 1,3 mm d’épaisseur et servent à filtrer de l’eau dans le sens interne-externe. Elles sont placées dans des « modules », aussi appelés « cartouches », qui sont conçus pour former un milieu très compact de fibres afin d’avoir un maximum d’échange par unité de volume et ainsi diminuer l’espace nécessaire à la mise en œuvre de ces modules [Figure I-10].

Peau active

(a) (b)

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Figure I-10 : Module contenant plusieurs milliers de fibres creuses

Ces modules sont placés par dizaines dans les installations de filtration de manière à filtrer d’importants volumes d’eau quotidiennement [Figure I-11].

Figure I-11 : Image d’une installation de filtration d’eau utilisant des modules fibres creuses

Module Fibres creuses Empotage Perméat Perméat Flux entrant Rétentat

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A titre d’exemple, à Clay Lane (USA), la plus grande usine de traitement d’eau par ultrafiltration au monde en 2001 était capable de fournir 160 millions de litres d’eau potable par jour, ce qui représente la consommation journalière d’environ 750 000 personnes.

Les membranes planes sont quant à elles des membranes composites (avec support mécanique) [Figure I-12] utilisées dans des configurations dites spirales.

Figure I-12 : Image MEB (x 2000) d’une membrane plane composite utilisée dans les modules type spirales

Les modules spirales sont composés de membranes planes enroulées autour d’un axe collecteur. Les membranes sont placées dos à dos et collées entre elles sur les côté pour former ce qu’on appelle une feuille. Chaque feuille est séparée d’une autre par un espaceur de perméat. Ce dernier assure l’écoulement du perméat dans le tube collecteur qui se situe au centre du module. Les espaceurs sont en fait des promoteurs de turbulences enroulés autour du tube central (collecteur de perméat) et permettent l’écoulement du rétentat [Figure I-13].

Support memabr en Peau active memabren Couche intermédiaire poreuse

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Figure I-13 : Schéma d’un module spiral

Le nombre de membranes enroulées est variable suivant les tailles de modules, les fabricants et les spécifications des installations. Ce type de membrane, très utilisé dans l’industrie laitière représentait en 1995 une surface de 150 000 m² dans le monde pour la seule application d’ultrafiltration de lait écrémé [13].

Chaque type de géométrie a son avantage comme on peut le voir dans le tableau ci-dessous [Tableau I-2] [22] :

Tableau I-2 : Avantages et inconvénients des différentes géométries de membranes

Géométrie Avantage Inconvénient

Plane

Possibilité de récupérer le perméat produit par chaque

élément membranaire

Nettoyage in situ difficile Peu compact

Spirale ^{Compacité élevée, faible coût}

d’investissement

Prétraitement nécessaire, nettoyage in situ délicat Tubulaire

Très peu d’exigences de prétraitement, nettoyage

in-situ facilité

Consommation énergétique élevée, compacité limitée Fibre creuse

Compacité élevée, faible consommation énergétique, faible coût d’investissement

Prétraitement nécessaire en mode interne-externe. Membrane Espaceur Membrane Perméat Espaceur

Flux perméat ^Rétentat

Rétentat Flux entrant