Principes de Base Des Technologies A Membranes
Principes de Base Des Technologies A Membranes
Principes de Base Des Technologies A Membranes
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Patrice Bacchin
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Force agissante
Microfiltration
Ultrafiltration Force contraire Force agissante
Nanofiltration
Osmose inverse
Pervaporation
Dialyse Force agissante Force contraire
concentrat concentrat
Dessalement
A C A C
Electrodialyse - + Résine échangeuse
+ Valorisation d ’ions
de produits
- alimentaires
diluat
faci Tr
Membrane dense lité ansfert
de
hyd l’eau (
Matériau hydrophile roph e
ile) ffet
P. BACCHIN – LGC Toulouse 22/09/2005 5
PRINCIPES DE BASES DE LA FILTRATION MEMBRANAIRE
Généralités Les membranes Notions théoriques Mise en oeuvre Conduite des essais
www.orelis.com
www.exekia.fr www.tami-industries.com
Disque vibrant
Fibre creuse
http://www.dow.com/liquidseps
Φint 0,1-1 mm
www.vsep.com
www.aquasource.fr
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PRINCIPES DE BASES DE LA FILTRATION MEMBRANAIRE
Généralités Les membranes Notions théoriques Mise en oeuvre Conduite des essais
Membrane (surface S)
Efficacité de la séparation
QP PP
Flux de perméation J= « Productivité »
S
CP
Taux de rejet R= 1- « Efficacité »
C0
QP C0
Taux de conversion Y= « Rendement »
Q0 PE Q0
Colloïdes
Un fluide avec différentes particules,
échelles de taille et macromolécules, protéines
d'interaction ... Electrolytes + +
(ions,
- -
poly-électrolytes) -
+
Solvant
adsorption
… avec différentes localisations ... Blocage des
perméation pores
Interne blocage de pore, adsorption
Polarisation
Dépôt
de concentration
Externe polarisation, dépôt, adsorption
Pression
… et différents degrés de réversibilité. osmotique
Réversible :
par baisse de pression polarisation, pression osmotique
Degré
après lavage tangentiel dépôt d'irréversibilité
après contre pression blocage de pore, dépôt
après lavage chimique adsorption
Perméation
Perméation
Hydrodynamique
Cinétique Pression appliquée
Diffusion Flux Le colmatage Loi deLoi de
de dépôt
de matière filtration
filtration Membrane
Interaction
Accumulation
Accumulation
dematière
de matière
Diminution du transfert
de solvant
(productivité du procédé)
Diminution du transfert
des solutés
(efficacité du procédé)
V (ou t) ΔP
μ(20°C)=1 cp et μ (10°C)=1,3 cp
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PRINCIPES DE BASES DE LA FILTRATION MEMBRANAIRE
Généralités Les membranes Notions théoriques Mise en oeuvre Conduite des essais
V (ou t) ΔP
J
ΔP − Δπ Résistance
perméation
J= de dépôt
μRm + μRc
c0
Flux critique
V (ou t) ΔP
réversibilité irréversibilité réversibilité irréversibilité
Volume critique : volume filtré au delà Flux limite : flux maximum accessible
duquel le colmatage est irréversible Flux critique : premier flux provoquant
un colmatage irréversible
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PRINCIPES DE BASES DE LA FILTRATION MEMBRANAIRE
Généralités Les membranes Notions théoriques Mise en oeuvre Conduite des essais
Rappels : La diffusion …
dc
Loi de Fick : N =− D
dx Membrane perméable au solvant
et imperméable au soluté
… et la pression osmotique
Transfert du solvant vers les zones concentrées : Transfert
l’osmose osmotique
ΔP − Δπ
J=
μ ( Rm + Rads + Rbl + Rdep )
Perméation
Perméation
Hydrodynamique
Cinétique Pression appliquée
Diffusion Flux Le colmatage Loi deLoi de
de dépôt
de matière filtration
filtration Membrane
Interaction
Accumulation
Accumulation
dematière
de matière
dc
N = −D + Jc J
dz cm
diffusion perméation
c0 cp
u z
0 δ
c( z ) − c p J
z
=e D
c0 − c p
J perméation
Pe = =
Dδ diffusion
cm − c p
= e Pe
c0 − c p
D cm − c p
Flux stationnaire J stat = ln Modèle du film
δ c0 − c p
D cg − c p Modèle du gel
Flux limite J lim = ln
δ c0 − c p cg concentration de gélification
D cg − c p
J lim = ln
δ c0 − c p
Flux à l ’eau
Jstat Jlimite
Flux limite
k
Vitesse tangentielle
ln(cg)
croissante
ΔP ln(c0)
Membrane :
diamètre 6 mm Longueur 1,2 m Re=
Coefficient de
vitesse 0,05-0,1 m/s 360-720
transfert de matière
Jus de fruit : k=D/δ=
c (% massique)= 0.2 ρ = 1200 kg/m3 1.06−1.33.10−6 m/s
μ = 0,001 Po Sc=4900
133,75c *
π (bar ) = D= 7.10-10 m2.s-1
100 − c
Evolution du flux de perméation, J, et de l’accumulation, cm, en fonction de ΔP
4.E-06 5
4
3.E-06
3 0.1 m/s
J (m /s)
c (%)
2.E-06 0.05 m/s
eau
2
0.1 m/s
1.E-06 0.05 m/s
1
0.E+00
J
0
0 2 4 6 8 10 0 2 4 6 8 10
DP (bar) DP (bar)
La filtration frontale
Volume filtré
t/V
t μα c0 μ Rm α
=V +
V 2 S ΔP S ΔP
2
Rm V
Colloïdes
Un fluide avec différentes particules,
échelles de taille et macromolécules, protéines
d'interaction ... Electrolytes + +
(ions,
- -
poly-électrolytes) -
+
Solvant
cp 2 2 cm cp
R = 1− = (1 − (1 − λ ) ) (loi de Ferry)
cm
r rayon du soluté
avec λ = s
rp rayon du pore
1
R
0.8 Le transfert d’un soluté 2 fois
plus petit que le pore
0.6 est réduit de 40 %
0.4
R R
0,8
R0 Rint
0,6 à faible flux à flux important
R (-) J↑ R↑ J↑ R↓
0,4
Robs Taux de rejet
0,2
intrinsèque
cp
0
0,01 0,1 1 10 100 Rint = 1 −
Pe (m/s) J cm
OI NF UF MF
Le développement du procédé
Filtration tangentielle/frontale
Flux/pression constante
Concentration / diafiltration
Dimensionnement
Choix de la membrane
Les contraintes extérieures (pH, turbidité, stérilisation, agrément …)
Le fluide
taille des espèces à filtrer ? présence de macromolécules ?
choix du seuil de coupure choix du matériau
au plus taille espèces les plus petites à retenir et pour limiter affinité entre molécules
si possible des plus petites particules / 2 et macromolécules et membrane
pour éviter blocage de pores pour limiter adsorption
* Prix moyens d’après Cahier du CFM n°2
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PRINCIPES DE BASES DE LA FILTRATION MEMBRANAIRE
Généralités Les membranes Notions théoriques Mise en oeuvre Conduite des essais
Disque
Choix selon Critère Plan Spiralé Tubulaire Fibres rotatif
Surface disponible Compacité + ++ - +++ -
Caractère colmatant Rétrolavage - - -/++ ++ -
Valeur du produit Coût + +++ - +++ -
Viscosité Pertes de charges - ++ +++ ++ +++
Turbidité Prétraitement nécessaire + - +++ + +++
- Désavantage
+++ Avantage important
* A quelques exceptions près
D’après Ph. Aptel et C.A. Buckley dans Water treatment : Membrane processes, AWWA, McGraw-Hill, 1996
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PRINCIPES DE BASES DE LA FILTRATION MEMBRANAIRE
Généralités Les membranes Notions théoriques Mise en oeuvre Conduite des essais
mais :
J
P=Cste
Pression constante ?
Choix t
J=Cste
Flux constant ? P
Choix de la configuration
Vitesse tangentielle
- de type chimique
nettoyage chimique (alcalins, acides, tensio-actifs) ou enzymatique*
- vérifier la compatibilité avec le matériau membranaire (diapo 21)
- déterminer le critère pour sa réalisation (lorsque les conditions de filtration ne sont
plus acceptables : perméabilité après un rétrolavage inférieure à une valeur seuil)
Filtration 12
4 10
UF module sans rinçage
12
2 10
Filtration
UF module
12
1 10
Rinçage (tout les 25 L/m2)
UF module
Rétrolavage (tout les 100 L/m2) 0
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000
UF module
-2
Volume produit (L.m )
Volume pompé
6.9
J = 50 l h-1 m-2 eau UF
6.3 rétrolavage
Energie consommée
rinçage 0,1
1.4%
8,9 Wh / m3
100%
Filière conventionnelle
pour la potabilisation
Filtration membranaire :
1) Traitement direct
2 et 3) Intégration
dans la filière
conventionnelle
Conclusions :
Connaissance Application
fondamentale technologique
Références
Encyclopédie : Techniques de l'ingénieur
Techniques séparatives à membranes - Considérations théoriques, J 2790, A.Maurel
Osmose inverse et ultrafiltration - II Technologie et applications, J 2796, A. Maurel
Livres :
Aptel P., P. Moulin, F. Quemeneur, Les Cahiers du CFM n°2, Micro et Ultrafiltration : conduite des essais pilotes –
Traitement des eaux et effluents, CFM, 2002
Bergel A. et J. Bertrand, Méthodes de Génie des procédés : études de cas, Lavoisier, 2004
Bessiere Y., Filtration frontale sur membrane : mise en évidence du volume filtré critique pour l’anticipation et le contrôle
du colmatage, Thèse de l’Université Paul Sabatier, Toulouse, 2005
Daufin G., F. Rene et P. Aimar, Séparations par membranes dans les procédés de l’industrie alimentaire, Techniques et
Documentation, 1998
Howell J.A., V. Sanchez et R.W. Field, Membranes in bioprocessing – Theory and applications, Chapman & Hall, 1993
Humphrey J.L. et G.E. Keller, Procédés de séparation :techniques, sélection dimensionnement, Dunod, Paris, 2001
Mallevaille J., P.E. Odendaal et M.R. Wiesner, Water treatment : Membrane processes, AWWA, McGraw-Hill, 1996
Maurel A., Dessalement de l'eau de mer et des eaux saumâtres - Et autres procédés non conventionnels
d'approvisionnement en eau douce, Tec et Doc, 2001
Mémento technique de l’eau, Degrémont, Lavoisier, Techniques et Documentation, 1995
URL :
site du Club Français des Membranes
http://www.cfm-membrane.com/
Procédés électromembranaires
http://culturesciences.chimie.ens.fr/dossiers-chimie-societe-article-TechMembranaires.html
Généralités Les membranes Notions théoriques Mise en oeuvre Conduite des essais
Annexes
+ Notions théoriques
+ Détails sur le colmatage
+ Détails sur la sélectivité
+ Dimensionnement