Différents types de modules

Les membranes sont incorporées dans un dispositif appelé « module ». Celui-ci se répète à un certain nombre d’exemplaires disposés selon divers arrangements dans une « unité ».

Le rôle principal d’un module de filtration membranaire est de : - Permettre une circulation étanche des fluides,

- Minimiser les pertes de charges lors de la circulation des fluides, - Maximiser le rapport surface filtrante/volume occupé,

- Eviter les zones mortes et de faciliter le nettoyage (Belfort et al., 1994).

Différents types de modules ont été développés : module filtre presse, module plan, module spirale, module plan-spiralé, module tubulaire et module à fibres creuses. Leur conception est adaptée aux différents types de membranes et à l’effluent à traiter pour permettre une circulation maximale du fluide sans le dénaturer (Brun, 1988).

X.1.4.1. Le module filtre presse

Le module filtre presse constitue en la répétition, à un certain nombre d’exemplaires, d’une cellule comprenant, dans une épaisseur de 2 à 5 mm, les parties suivantes : un séparateur- joint, la membrane et un support (Brun, 1988).

Les membranes sont disposées parallèlement les unes aux autres et sont séparées par des séparateurs-joints et des supports, qui font l’office de compartiments amont et aval. La structure cannelée ou grillagée des séparateurs-joints autorise un maximum de turbulence au plan de l’écoulement ; les supports, indispensables dans les procédés utilisant la pression, sont généralement poreux et de surface unie, pour éviter le cisaillement de la membrane. La cohésion de l’ensemble est assurée par pressage grâce au vérin central ou à des écrous- guides ; l’étanchéité est obtenue par les membranes elles-mêmes et par un revêtement en plastique ou en élastomère disposé sur le pourtour de chaque séparateur-joint de chaque support.

Le mélange à traiter balaye en série l’ensemble des membranes ; le perméat est collecté par des capillaires, placés au niveau de chacun des supports poreux dans les procédés utilisant la pression. Il peut cependant passer du compartiment n au compartiment n+2 (disposition en série), et circuler ainsi d’un bout à l’autre du module, lorsque la différence de pression amont- aval n’est pas trop forte.

Ce type de module convient à la micro et l’ultrafiltration, il possède de bonnes performances au plan hydrodynamique et à l’accessibilité des membranes.

X.1.4.2. Le module plan

Les modules plans sont basés sur le principe des filtres presses (Brun, 1988). Des feuilles de membranes sont empilées dans le module et serrées entre deux blocs support. L’empilement des membranes crée une superposition de canaux d’alimentation et de perméat, dont la hauteur est très faible (1 mm) afin de limiter le volume occupé par unité de surface filtrante. La circulation des fluides dans ces canaux est donc difficile, et la perte de charge est élevée. Un grillage, appelé espaceur (spacer), est introduit dans chaque canal afin de créer des tourbillons, qui ne sont pas liés à un écoulement turbulent. Ces modules sont principalement utilisés pour le traitement de molécules sensibles au cisaillement, comme par exemple les

l’encrassement, il n’est pas possible de filtrer directement des suspensions contenant des molécules trop grosses. Le faible rapport surface filtrante/volume occupé ne permet l’utilisation de grande surface filtrante. Ces modules sont donc principalement réservés à des applications de l’industrie pharmaceutique.

X.1.4.3. Le module spirale

Le module spiral est constitué d’une ou plusieurs feuilles membranaires enroulées plusieurs fois autour d’un tube poreux (axe) (Brun, 1988). Cette conception est une bonne solution pour traiter des membranes efficaces à faible débit, dont il est nécessaire d’augmenter la surface filtrante, sans trop augmenter le volume de l’installation. L’alimentation se fait dans le sens de l’axe ou perpendiculairement. Le rétentat sort de l’autre côté alors que le perméat est collecté dans l’axe. Les membranes sont souvent insérées dans un carter en PVC afin de limiter le coût de fabrication, car ces membranes présentent souvent de faibles résistances chimiques et thermiques. Comme dans les cas des modules plans, l’empilement réduit la dimension des canaux, ce qui nécessite l’introduction d’espaceur. Ce système est principalement utilisé en osmose inverse, mais aussi en nanofiltration et ultrafiltration.

X.1.4.4. Le module plan-spiralé

Ce type de module se présente comme une cellule unique de grande longueur constituée des mêmes éléments que le module filtre-presse et enroulée en spirale autour d’un axe . Celui-ci est creux, perforé et en contact direct avec l’un des compartiments (généralement l’aval), servant ainsi à la collecte du perméat (Brun, 1988). L’ensemble est introduit dans une enveloppe cylindrique pressurisée, dont les sections donnent accès à l’entrée de la charge et à la sortie du rétentat. Il supporte de fortes différences de pression transmembranaires. Les conditions d’écoulement sont bonnes au niveau de la charge ; elles le sont moins au niveau du perméat, qui doit parcourir le support poreux dans toute sa longueur avant de sortir par le tube central.

X.1.4.5. Module tubulaire

Dans le module tubulaire, les membranes ont la forme de tubes percés d’un ou plusieurs canaux pour faire circuler le fluide à filtrer (Brun, 1988). Elles sont obtenues par dépôt à la surface de tubes poreux de petit diamètre (de l’ordre de cm), ou sont directement incorporées au support au cours de la fabrication. Les tubes sont rassemblés en petit nombre (quelques dizaines) dans un module ; ils y sont disposés parallèlement les uns sur les autres avec un espacement régulier. La solution d’alimentation circule dans la lumière des tubes, le rétentat sort à l’autre extrémité des tubes alors que le perméat traverse la membrane et sort latéralement et est recueilli à la périphérie près de l’une des extrémités. Dans certains systèmes, un grand nombre de tubes sont combinés en série. Le perméat sort de chaque tube, puis il est rassemblé dans un collecteur. Les membranes sont introduites dans un carter, généralement en inox, qui permet la mise sous pression et la séparation de l’alimentation, du perméat et du rétentat. La taille des canaux, comprise entre 0.5 mm et 3 cm, permet la

circuler à grande vitesse, ce qui permet d’augmenter le cisaillement, et donc améliorer les performances et limiter les polarisations de concentration. Comme ce type d’installation supporte également le rétrolavage, et la stérilisation dans le cas des membranes céramiques, il est très utilisé dans l’industrie alimentaire.

X.1.4.6. Module à fibres creuses

Ce module est constitué d’une quantité de fibres cylindriques creuses en polymère organique de la taille d’un cheveu, assemblées en faisceau (Brun, 1988). Le module à fibres creuses se présente en quelque sorte comme une extrapolation du module tubulaire vers des diamètres fins ou ultrafins (0,5 à 2 mm). Le faisceau de fibres est disposé en forme de U à l’intérieur d’une enveloppe, et les extrémités ouvertes des fibres sont d’abord noyées sur une longueur de quelques centimètres dans une résine époxy ; la plaque de résine est ensuite sectionnée, ce qui donne accès à la lumière des fibres. Celles-ci peuvent avoir une structure symétrique ou asymétrique, et avoir leur couche dense à l’intérieur ou à l’extérieur ; dans ce dernier cas, l’enveloppe doit être pressurisée ; le module est généralement muni d’une distribution radiale pour la solution d’alimentation (tube perforé central), et d’une sortie latérale pour le rétentat. L’alimentation de la membrane se fait par l’intérieur de la membrane qui est percé d’un canal et circule sous pression. Le perméat est éliminé à l’extérieur de la membrane et recueilli à l’interface opposé. La surface filtrante des membranes dans ce module est élevée. La couche filtrante est placée à l’intérieur de la fibre, la filtration est alors réalisée de l’intérieur vers l’extérieur de la fibre. Parfois la surface filtrante est placée à l’extérieur de la fibre, la filtration est alors menée de l’extérieur vers l’intérieur. Le premier cas est surtout utilisé en ultrafiltration et pervaporation alors que le second est utilisé en osmose inverse. Les membranes fibres creuses sont peu coûteuses, et peuvent être utilisées avec de très grandes surfaces. La fragilité des matériaux utilisés limite souvent les applications.

X.1.5. Caractérisation des membranes et paramètres techniques de la filtration membranaire sous