1.2.3 Les minérau
1.3 La technologie par membrane: L’ultrafiltration
1.3.4 Les performances du système d’ultrafiltration
Les variables opératoires présentées à la section précédente ont une influence directe sur les performances du système de filtration. Ces choix technologiques peuvent être analysés par rapport à la sélectivité de la membrane, le flux de perméation et la consommation énergétique dans le but de se prononcer sur l’efficience du procédé d’ultrafiltration.
1.3.4.1 La sélectivité de la membrane
La perméabilité sélective de la membrane d’UF consiste à laisser passer que certaines molécules. La sélectivité de la membrane dépend de plusieurs facteurs. Parmi ceux-ci, on retrouve les paramètres
RM PTM
eauJeau
RiPTM
opératoires (temps de filtration, pression transmembranaire, température), le type de fluide (pH, concentration, composition) ainsi que la taille, la forme, et la charge électrique des molécules (38) (45). La sélectivité dépend également du seuil de coupure ainsi que du coefficient de rejet (σi). Le seuil de
coupure correspond à la masse moléculaire, en Dalton (Da), des espèces retenues à 90% par la membrane. Le coefficient de rejet quantifie la proportion d’une espèce retenue par la membrane (équation 8). Par exemple, une valeur de 0 signifie que la membrane est parfaitement perméable au composé alors qu’une valeur de 1 signifie que le composé est totalement retenu par la membrane (21).
éq.8
Où CP= concentration de l’espèce i dans le perméat ; CR : concentration de l’espèce dans le rétentat.
1.3.4.2 Le flux de perméation
Également, la performance d’un système de filtration est quantifiée par le flux de perméation (J). Le flux de perméation, présenté à l’équation 9, est directement lié à la pression transmembranaire, la viscosité du fluide et à la résistance hydraulique. Pratiquement, le flux de perméation est déterminé en divisant le débit de perméation (Fp) par la surface membranaire (S):
éq.9
Où J est le flux de perméation (L/h.m2); FP= débit de perméation (L/h); S= surface membranaire (m2);
PTM=pression transmembranaire (Pa); = viscosité (Pa.s); RT= résistance total (m-1).
i 1CP CR J FP S PTM RT
1.3.4.3 La consommation énergétique
1.3.4.3.1 État des travaux antérieurs
La consommation énergétique est considérée comme un élément clé dans la gestion des ressources au niveau industriel. La norme ISO s’est déjà prononcée sur la question énergétique. En 2011, la norme ISO 50001 « Système de Management de l’énergie » fait son apparition. Elle consiste à évaluer l’énergie utilisée tout au long de la chaîne de production d’une entreprise dans le but d’utiliser plus judicieusement les ressources en place consommatrice d’énergie. De ce fait, la méthode d’analyse pour caractériser la consommation énergétique peut prendre deux formes : une estimation théorique de la consommation énergétique ou une mesure in situ de la consommation énergie électrique par procédé unitaire.
Au niveau des systèmes baromembranaires, beaucoup de travaux ont été effectués afin de quantifier la consommation énergétique plus particulièrement dans le secteur des eaux usées (46) (47) et le dessalement de l’eau de mer (48) (49). L’utilisation de l’OI pour le dessalement de l’eau de mer est une pratique maintenant implantée dans plusieurs régions du monde. En fait, une fraction importante des coûts d’opération d’un tel système baromembranaire est la dépense liée à l’énergie. La consommation de l’énergie peut atteindre 45% du coût total de production d’eau due aux hautes pressions transmembranaires qui peuvent atteindre 1000 psi (49). Plusieurs auteurs, notamment Noronha et al. (50), et Zhu et al. (49), ont quantifié la consommation énergétique selon une approche théorique. À l’inverse, l’étude de Farooque et al. (48) compare la performance de plusieurs systèmes d’osmose inverse quant à leur efficacité en matière de conditions d’exploitation et de consommation d’énergie selon une méthode pratique- in situ. De ce fait, avec cette méthode, il est possible de comparer des consommations énergétiques réelles et d’avoir le coût juste en fonction des conditions opératoires. Dans ce mémoire, la méthode de quantification énergétique théorique est présentée à la section 1.3.4.3.4 tandis que la méthode de quantification in situ est présentée à la section 3.5.5.4. Le tableau 1.4 rapporte les principales publications traitant sur l’estimation de consommation énergétique dans le secteur baromembranaire et la méthode d’analyse utilisée (théorique ou mesurée
Tableau 1.4 Publications sur la consommation énergétique des systèmes baromembranaires en fonction de la méthode d’analyse
Auteur Échelle Méthode1
Laborie et al. (46) Pilote (UF) Théorique
Bimbenet et al. (51) Industriel (UF) Théorique
Cheryan & Kuo (52) Pilote (UF) Théorique
Noronha et al. (50) Pilot (NF/OI) Théorique
Farooque et al. (48) Industriel (SWRO) Mesuré
Aihua et al. (49) Pilote (OI) Théorique
Massé et al. (47) Pilote (UF/MF) Théorique
Akhondi et al. (53) Pilote (Hollow fiber MF/UF) Théorique
Rinaldoni et al. (54) Pilote (UF) Théorique
1. Théorique : méthode d’estimation basée uniquement sur des calculs ; Mesuré : déterminé in situ
1.3.4.3.2 Énergie totale d’un système UF
Considérons un système de filtration, tel que présenté à la figure 1.12 comprenant un réservoir 3, un module membranaire 1, trois valves de restriction 4,5, une pompe d’alimentation 2, une pompe de recirculation 9, deux manomètres 6,7 et un échangeur de chaleur 8.
Figure 1.12 Système de filtration (39)
L’énergie requise pour le fonctionnement d’un système de filtration provient de différentes sources d’énergie. L’énergie totale du système de filtration est définie selon l’équation suivante (37) :
éq.10
Où ET= énergie totale (joule); EF= Énergie thermique (joule); EQ= Énergie mécanique pompe de
d’alimentation (joule); EP= Énergie mécanique pompe de recirculation (joule).
L’énergie pour maintenir la pression transmembranaire (EQ) et pour maintenir la turbulence (EP)
provient du pompage. Lorsqu’une seule pompe est utilisée pour maintenir la pression transmembranaire et la turbulence, alors le calcul se simplifie et seule l’énergie de la pompe d’alimentation (EQ) est considérée (52). Dans ce mémoire, l’énergie de la pompe de recirculation ne
sera pas prise en compte puisque le système de filtration à l’échelle pilote contenait seulement une pompe d’alimentation.
1.3.4.3.3 Énergie thermique
L’énergie requise pour maintenir la température (EF) provient d’un échangeur de chaleur et de la
chaleur générée par le pompage. L’énergie thermique au niveau de l’échangeur de chaleur contribue à maintenir le fluide à la température désirée par chauffage ou refroidissement. L’énergie thermique transmise au fluide est présentée à l’équation 11 (54). Cette équation ne prend pas en compte l’efficacité de l’échangeur de chaleur à transmettre l’énergie thermique. L’énergie thermique dépend de la différence de température, de la masse du liquide (m, kg) et de la chaleur massique du lait (Cm).
La chaleur massique est la quantité d’énergie à apporter pour élever d’une unité de température (C) une unité de masse (1 kg) d’un produit, par chauffage, sans changement d’état. La chaleur massique varie en fonction de la matière, la température, la teneur en eau, et la pression.
éq.11
Où EF= énergie thermique (joule); Cm= chaleur massique (J/kg. C); m= masse du produit (kg), T :
différence de température (C).
1.3.4.3.4 L’énergie mécanique
Dans un système de filtration, l’énergie des pompes d’alimentation (EQ) peut être quantifiée
théoriquement à l’aide de l’équation 12. La puissance absorbée par la pompe varie en fonction du débit (Q), de la pression à l’entrée de la membrane (Pi) et du rendement énergétique du couple moteur- pompe (ηmoteur-pompe). Ainsi, l’énergie de la pompe d’alimentation représente la puissance du moteur
requise pour effectuer le travail multiplié par le temps d’utilisation. Le débit du fluide à la sortie de la EF = Cmm T
pompe est constant, il correspond à la somme du débit du perméat et rétentat au cours de la filtration (37).
éq.12 Où EQ= Énergie de la pompe (kWh); Pi= Pression à l’entrée de la membrane (Pa ou J/m3); Q= Débit
du fluide (m3/s); ηmoteur-pompe = Efficacité du couple moteur-pompe; t = temps d’utilisation (h) (38).
Généralement, le rendement du moteur varie entre 35% et 97%. Obligatoirement, le rendement de la pompe ou du moteur (efficiency) est indiqué sur la plaque signalétique. Au niveau du moteur de la pompe, l’énergie électrique crée un champ magnétique qui fait tourner le rotor du moteur (énergie mécanique). L’énergie mécanique du moteur est transmise en énergie mécanique à la pompe avec une certaine efficacité. La pompe a pour fonction de convertir le travail mécanique à un fluide en vue de le mettre en mouvement. La différence entre la puissance électrique utilisée et la puissance mécanique produite est la chaleur dissipée (55). Ainsi, le rendement du couple moteur-pompe (η moteur-pompe) est le rapport entre l’énergie fluide à la sortie de la pompe et la puissance électrique utilisée (équation 13).
éq.13
Finalement, la capacité du système d’UF à fournir de bonnes performances (sélectivité, flux de perméation et consommation énergétique) dépend d’une part des conditions opératoires (type de procédé, FCV, PTM, température) mais également du type de fluide à filtrer. Le lait est un fluide complexe qui nécessite une connaissance approfondie sur sa composition, sa structure et ses propriétés physiques et chimiques afin de faire de bons choix technologiques. Ainsi, l’effet des conditions opératoires (PTM et température) lors d’UF du lait sur les performances du système sera traité à la section suivante.