Limitation des techniques de séparation membranaires : Accumulation de la matière

L’accumulation de la matière à la surface membranaire a un caractère inévitable mais peut revêtir différentes formes avec des conséquences plus ou moins importantes pour le fonctionnement et la mise en œuvre d’un procédé de séparation membranaire.

X.1.6.3.1. Polarisation de concentration

Lors de la filtration, le solvant et les molécules sont apportés à la surface de la membrane sous l’effet de la pression. Le solvant passe à travers de la membrane, alors que les molécules retenues s’accumulent à sa surface. La concentration au voisinage de la membrane devient donc supérieure à celle de la solution d’alimentation et induit la formation d’une couche appelée « couche de polarisation de concentration ». La polarisation de concentration est donc l’accumulation de la matière sous forme dispersée à la membrane.

La concentration des molécules accumulées à la surface membranaire peut être déterminée à partir d’un facteur appelé « facteur de polarisation de concentration ». Si l’on appelle Cm la

concentration du soluté arrêté de la membrane et C0 la concentration moyenne de ce même

soluté dans la solution, le facteur de polarisation de concentration γ est défini par la relation suivante :

(Equation 4)

Dans le cas de l’ultrafiltration par exemple, en général, il y a deux flux (solvant et soluté) et un gradient de transfert (pression transmembranaire). L’accumulation de matières retenues à l’interface membrane/solution provoque un gradient de transfert supplémentaire qu’est le gradient local de concentration dans une couche de diffusion (Figure 25). L’élimination du solvant suppose donc le franchissement de deux étapes de transfert : la diffusion à l’interface et la filtration à travers de la membrane, chacune étant sensible à des paramètres différents.

La polarisation de concentration est un phénomène réversible qui disparaît si le gradient de concentration est annulé. Généralement, les conséquences de ce phénomène sont les suivantes :

- Diminution du flux du perméat : Une augmentation de la concentration près de la membrane va se traduire par une augmentation de la pression osmotique de la solution et une diminution de la pression efficace. Le flux du perméat étant directement proportionnel à la pression efficace va donc diminuer. Il peut y avoir aussi diminution de ce flux à cause de la résistance supplémentaire à la filtration provenant des dépôts résultant de l’augmentation de la concentration.

- Variation de la sélectivité : Une augmentation de la concentration près de la membrane peut se traduire soit par une augmentation de la concentration dans le perméat, soit par une diminution lorsqu’il y a dépôt et que celui-ci joue le rôle d’une deuxième membrane.

- Colmatage dû à des formations de gel : Des phénomènes secondaires peuvent se produire lorsque la concentration Cm atteint certaines valeurs. En effet, la concentration des

molécules accumulées à la surface de la membrane peut atteindre une concentration en gel appelée Cg à partir de laquelle le soluté est sous forme quasi-solide. On parle de « dépôt » ou

« formation de gel ».

Ce dépôt peut entraîner une résistance hydraulique supplémentaire qui affecte considérablement le transfert de matière, et donc réduit le flux du perméat par réduction de la taille moyenne apparente des pores. Ce phénomène est réversible mais il ne pourra être réellement éliminé de la surface de la membrane que par rétrolavage (application d’une contre-pression ou de pression transmembranaire négative). Si avec le temps, le flux de perméation continue à diminuer du fait de la consolidation du gel à la surface de la membrane, le colmatage de membrane devient irréversible. L’élimination de ce type de colmatage n’est possible que par le nettoyage chimique de la membrane (Meireles et al., 2004).

Plusieurs méthodes peuvent être employées pour minimiser cet effet: nettoyage régulier de la membrane, modification du régime d’écoulement, instauration de tourbillons par backflushing (Kuberkar et Davis, 2001) et backpulsing (Mores et al., 2000 ; Sondhi et Bhave, 2001), modification de la surface de la membrane (Huimin Ma et al., 2001), création de tourbillons par jets intermittents (Maranges et Fonade, 1997), et même création de tourbillons par injection de gaz dans la solution (Cui et Wright, 1996; Cabassud et al., 2001).

Modélisation de la couche de polarisation de concentration – Théorie du film :

La concentration des molécules retenues au voisinage de la membrane va augmenter jusqu’à ce qu’un équilibre s’établisse entre le flux transféré à travers la membrane sous l’action du gradient de pression (loi de Darcy) et le flux qui diffuse en sens inverse sous l’action du gradient de concentration (loi de Fick) de la couche limite de polarisation de concentration vers la solution. Cet équilibre va permettre d’établir la « théorie du film ».

A l’état stationnaire, le bilan matière relatif à l’espèce retenue dans la portion de la couche limite comprise entre la membrane et la cote x (Figure 26) permet d’écrire l’équation ci- dessous, reliant le flux massique convectif, le flux massique diffusionnel et le flux massique transféré à travers la membrane :

(Equation 5) Où, x est la distance par rapport la membrane,

C(x) est la concentration du soluté dans la couche limite à la cote x, exprimée en (kg/m3_),

D est le coefficient de diffusion du soluté à l’interface membrane/solution, exprimée en

(m2_/s).

Figure 26 : Phénomène de la formation de la couche de polarisation de concentration – théorie du film

La théorie du film suppose qu’il existe une couche limite de polarisation d’épaisseur δ située près de la membrane.

L’intégration de l’équation précédente permet de déterminer, en régime permanent, le flux du perméat : (Equation 6) Soit, (Equation 7)

Les conditions aux limites sont : C = Cm pour x = 0 et C = C0 pour x = δ

Membrane U JC0 convection D.( dC/dx) diffusion JCp Couche limite δ Cm C0 Membrane U JC0 convection D.( dC/dx) diffusion JCp Couche limite δ Cg C0 Gel Avec dépôt de gel Sans dépôt de gel

C0, Cp, Cm désignent les concentrations de soluté respectivement dans la solution, dans le

perméat et au niveau de la membrane. D’où,

(Equation 8) est le coefficient de transfert de matière du soluté.

En ultrafiltration, si la concentration Cm de macromolécules près de la membrane atteint la

concentration de gel Cg, et si l’on suppose que la concentration de l’espèce dans le perméat est

nulle, l’équation devient :

(Equation 9)

A partir de cette relation, appelée « modèle du gel » ou « modèle du film », les conclusions suivantes peuvent être tirées, mais elles ne sont valables que lorsque le flux limite est atteint :

- Jlim est indépendant de la pression,

- Jlim est inversement proportionnel au logarithme de la teneur massique de soluté dans

la solution,

- Jlim tend vers zéro pour une concentration qui est supposée être la concentration de gel,

- Jlim étant directement proportionnel au coefficient de transfert de matière K, il peut être

modifié en augmentant la turbulence, donc la vitesse tangentielle du liquide.

X.1.6.3.2. Phénomènes de colmatage

A l’inverse de la polarisation de concentration qui ne concerne que des modifications de la phase liquide au voisinage de la membrane, les phénomènes de colmatage (Figure 27) sont définis comme l’ensemble des phénomènes qui interviennent dans la modification des propriétés filtrantes d’une membrane, barrière de séparation.

Ces phénomènes peuvent être de natures physiques, chimiques ou biologiques et ils se produisent à l’interface membrane-solution ou dans le volume poreux, dont la conséquence est une obstruction des pores entraînant à la fois des variations de perméabilité et de sélectivité.

X.1.6.3.2.1. Adsorption

L’adsorption est essentiellement un phénomène de surface, elle joue un rôle important dans le mécanisme du colmatage des membranes d’ultrafiltration ou de microfiltration qui, par nature, sont microporeuses. L’adsorption résulte de la présence d’affinité entre le matériau membranaire et les composants de la suspension à filtrer. Ce phénomène diminue le nombre de pores accessibles, sa réversibilité dépend des forces impliquées, en général, il rend nécessaire l’utilisation d’un nettoyant chimique (Meireles et al., 2004).

X.1.6.3.2.2. Obstruction des pores

Le colmatage en profondeur par obstruction des pores se rencontre principalement en ultrafiltration et en microfiltration. Il consiste en l’occlusion mécanique totale ou partielle des pores, en effet, la pression transmembranaire appliquée force le passage de molécules qui ont des tailles voisines ou supérieures à celles des pores et qui restent bloquées dans la membrane. Ce type de colmatage diminue le nombre de pores accessibles et/ou la taille moyenne des pores, son élimination nécessite un rétrolavage à une pression plus élevée que la pression transmembranaire utilisée pour la filtration.