Régénération du solvant par filtration tangentielle

Les solutés entraînés lors du nettoyage sont généralement très polluants, et les effluents générés sont souvent traités en tant que déchets, alors qu’il serait plus intéressant de les recycler.

Le recyclage des esters d’huile végétale est généralement réalisé soit par distillation sous vide soit par ultra/nano filtration tangentielle.

La distillation est souvent utilisée pour les solvants organiques conventionnels, mais peut être appliquée également pour les esters d’acide gras. Par exemple, en imprimerie, les

esters contaminés par les encres, l’eau et la poussière de papier peuvent être ainsi régénérés. Le principal inconvénient de la distillation est lié aux coûts énergétiques.

Dans le cas de la filtration tangentielle, la sélectivité est basée sur la différence de taille des particules à séparer (séparation mécanique) et sur les interactions entre membrane et molécules. Comme cette technologie ne nécessite pas d’apport thermique, la dépense énergétique est beaucoup plus faible. Ce système a prouvé son efficacité pour recycler les agents nettoyants à haut point d’ébullition tels que les esters d’acide gras. Néanmoins des essais pilotes doivent être réalisés pour chaque application, du fait de la spécificité des mécanismes impliqués dans la séparation.

4.2.1 Les procédés de filtration

4.2.1.1 Principe de fonctionnement de la filtration tangentielle

Lors de la filtration classique, ou filtration frontale, les particules retenues s’accumulent pour former un dépôt, appelé gâteau. Ce gâteau oppose une résistance à la filtration qui augmente avec son épaisseur. La taille, la forme et la compressibilité des molécules modifient également la résistance du gâteau. Ainsi des petites molécules compressibles forment un gâteau pratiquement imperméable. La filtration de petites molécules ne peut donc pas être menée en mode frontal mais en mode tangentiel.

Lors de la filtration tangentielle, l’alimentation est amenée tangentiellement à la membrane. Sous l’action de la pression, une partie du fluide traverse la membrane, et constitue le perméat. La partie qui ne traverse pas constitue le rétentat. La circulation du rétentat tangentiellement à la membrane permet de limiter l’accumulation de particules retenues à la surface de la membrane, et ainsi de diminuer le colmatage (figure 4.1) [6].

Filtration frontale Filtration tangentielle

Figure 4.1 Principe de fonctionnement de la filtration frontale et de la filtration tangentielle.

Les conditions opératoires sont donc, outre la température, la pression transmembranaire et la vitesse de circulation tangentielle du fluide.

4.2.1.2 La filtration à membrane

Les procédés de séparation à membranes sont des procédés physiques de séparation où la membrane est utilisée pour ses propriétés sélectives. Par définition, une membrane est une barrière de quelques centaines de nanomètres à quelques millimètres d'épaisseur, sélective, qui sous l'effet d'une force de transfert, va permettre ou interdire le passage de certains composants entre deux milieux qu'elle sépare. La force de transfert peut être un gradient de pression, de concentration, ou de potentiel électrique.

Les membranes sont constituées d’une couche support, qui apporte la résistance mécanique, et d’une couche filtrante de très faible épaisseur, qui permet la sélectivité. Il existe une grande diversité de membranes que l'on classe selon leur matériau et leur forme (liée à leur mode de fabrication). On distingue les membranes de natures organique et minérale. Les membranes organiques sont élaborées à partir de polymères organiques de synthèse : polysulfone, polyéther sulfone, polyamide,… Les membranes minérales sont constituées à base de couches poreuses de céramique, de carbone aggloméré, d’oxyde d’alumine, d’oxydes de titane ou de zircone. Les membranes minérales sont plus robustes (résistance mécanique, chimique et thermique) que les membranes organiques, mais plus coûteuses. Le choix entre ces deux types de membranes s'effectue en fonction de la nature des milieux à traiter et des

conditions de fonctionnement. Les membranes sont caractérisées par leur porosité (ou pourcentage de vide), leur perméabilité, leur diamètre moyen des pores et la répartition des diamètres autour de cette moyenne [7].

Figure 4.2 Les techniques membranaires de séparation.

Il existe 4 procédés membranaires à gradient de pression : la microfiltration (MF), l'ultrafiltration (UF), la nanofiltration (NF) et l'osmose inverse (OI). Ces procédés se distinguent par la taille et la nature des espèces qu'ils peuvent séparer. Ces procédés membranaires sont utilisés pour séparer et/ou concentrer des molécules ou des espèces ioniques en solution et/ou séparer des particules ou microorganismes en suspension dans un liquide. Comme on peut le voir dans la figure 4.2, la séparation des molécules relativement petites, peut se faire avec des membranes de nanofiltration et d’osmose inverse [8].

Le tableau suivant illustre les caractéristiques de chaque technique : Procédé Origine de la sélectivité Force motrice Diamètre des pores Seuil de coupure Consommation énergétique Procédés concurrents Microfiltration MF Différence de taille entre les particules ou molécules à séparer pression 0,1 à 3 bar 0,1 à 10 µm - 1-10 kWh/m³ Filtration Centrifugation Ultrafiltration UF Différence de taille et de charge entre les particules ou molécules à séparer pression 3 à 10 bar 0,01 à 0,1 µm 1 – 300 kDa 1-10 kWh/m³ Evaporation Distillation Echange d'ions Nanofiltration NF Différence de taille et de charge entre les particules ou molécules à séparer pression 10 à 50 bar ~ 1 nm 200 - 1 000 Da 5-50 kWh/m³ Evaporation OI Echange d'ions Osmose inverse OI Différence de solubilité et de diffusion dans la membrane des molécules à séparer pression 30 à 100 bar membrane dense < 200 Da 10-200 kWh/m³ Evaporation Distillation Echange d'ions

Tableau 4.9 Comparaison des procédés de filtration : microfiltration, ultrafiltration, nanofiltration et osmose inverse.

Plus le procédé retient des entités de petite taille, plus la pression à appliquer est forte (moins d'un bar pour la microfiltration, jusqu'à plusieurs dizaines de bars pour l'osmose inverse) et plus la consommation énergétique est élevée. La consommation énergétique dépend également de la vitesse tangentielle de la circulation du fluide. Néanmoins, les procédés membranaires sont des techniques de séparation peu consommatrices d’énergie : de 1 à quelques dizaines de kWh/m³ de produit traité, suivant la taille des composés qui doivent être séparés (tableau 4.9). Leur consommation énergétique est faible (quelques kWh/m³ de perméat) par rapport à des procédés thermiques (de 100 à 900 kWh/m³ de produit traité pour un évaporateur, avec ou sans effets multiples).

Les mécanismes de transport et de sélectivité lors de la filtration sont différents suivant les procédés : en MF et UF, le transport est convectif dans les pores. La sélectivité est alors donnée par effet tamis, c'est-à-dire que les molécules de taille supérieure au diamètre des pores sont retenues, celles de tailles inférieures traversent librement. Dans le cas des membranes de NF, un transport diffusif dans le matériau membranaire est associé au transport convectif. La sélectivité est liée à la taille des molécules, mais également aux interactions membrane/solvant/soluté. Pour l'OI, la membrane est dense, sans pore, et le mécanisme de