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  • Chebli SEPARATION MEMBRANAIRE CHAPITRE II GENIE CHIMIQUE

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    NANOFILTRATION

    1. Généralités sur les membranes

    1.1. Définition de la membrane

    Une membrane est une couche mince de matière, permettant sous l’action d’une force

    motrice de transfert, blocage ou le passage sélectif de substances dissoutes ou non. La

    séparation des ions, des particules, des molécules est fonction de :

    • La dimension et la forme ;

    • La nature chimique ;

    • L’état physique ;

    • La charge électrique, etc

    Schéma 1 : Principe de la filtration

    Les membranes de NF sont fabriquées habituellement à partir de polymères. Ces

    membranes ont des seuils de coupure entre 300 et 1000 Da. Les membranes de NF sont utilisées

    pour enlever des ions multivalents (Ca+2, Mg+2, Mn+2, Fe+2). Une conséquence de la rétention

    des ions multivalents est une augmentation de la pression osmotique qui peut être significative

    par rapport à la pression d’opération. La NF permet aussi un enlèvement poussé de la MON et

    donc une forte réduction de la concentration en carbone organique total (COT). La couleur, en

    relation avec le Fe et MON est aussi très bien éliminée par ce procédé. Les ions monovalents

    sont retenus partiellement par les membranes de NF, phénomène qui limite l’augmentation de

    la pression osmotique. La pression utilisée en NF varie de 500 à 1500 kPa. Le tableau suivant

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    donne le domaine d’application de la nanofiltration par rapport aux autres techniques

    membranaires :

    Tableau 1 : Différents composés rencontrés dans les eaux naturelles et les techniques permettant leur

    élimination (BOUCHARD et al. – 2000)

    1.2 utilisation de la nanofiltration :

    La nanofiltration est utilisée pour séparer un fluide contenant des macromolécules en

    deux effluents :

    - un effluent enrichi en macromolécules : le rétentat,

    - un effluent appauvri en celles-ci : le perméat

    Ainsi, la séparation des macromolécules (ou ions) s’effectue sous l’effet d’un gradient

    de pression entre l’amont et l’aval d’une membrane. Cette membrane joue le rôle d’un tamis

    moléculaire. Ce procédé est utilisé dans la purification des eaux (l’adoucissement, la

    décolorisation, déminéralisation partielle de certaines solutions, élimination des nitrates et des

    métaux lourds des eaux usées par exemple) ou bien la concentration de certains systèmes

    (protéines, lactose et l'élimination de micropolluant). La nano filtration est donc un procédé qui

    permet de séparer des molécules en se basant sur leur taille. Les membranes utilisées ont une

    taille inférieure à 0,001 μm.

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    La nanofiltration se caractérise par un faible taux de rejet des anions monovalents et par

    un fort taux de rejet des molécules organiques d’un poids moléculaire supérieur à 200 g/mol.

    2. Ecoulement des flux

    La nanofiltration peut être réalisée :

    - Mode frontal (Filtration frontale)

    - Mode tangentielle (Filtration tangentielle)

    Schéma 2 ; Modes de filtrations,

    En contact avec la membrane, le débit liquide d’alimentation Qo se divise en deux

    parties de concentrations différentes: le débit Qp qui passe à travers la membrane est appelé

    perméat. Le débit Qc qui ne traverse pas la membrane est appelée concentrat ou rétentat

    (contient les molécules ou particules retenues par la membrane). Le bilan des flux est donné par

    l’equation suivante,

    𝑄𝑂 = 𝑄𝑃 + 𝑄𝐶 (1)

    Le rapport entre le débit du liquide qui traverse la membrane et le débit d’alimentation

    est appelée taux de conversion de l’opération de séparation :

    𝜏 = 𝑄𝑃

    𝑄0 (2)

    2.1. Types de modules

    2.1.1 Les modules fibres creuses

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    Schéma 3 : (a) Supports tubulaires en α- alumine (b) coupe transversale d’un support tubulaire. 1 : couche no 1 de diamètre de pore ≈ 5 μm ; 2 : couche no 2 de diamètre de pore ≈ 0,8 μm ; couche no 3 de

    diamètre de pore ≈ 0,2 μm

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    Schéma 4 : Fibres creuses

    2.1.2. Les modules plans

    Les membranes sous formes de plaque plate sont assemblées dans une unité a l'intérieur

    du module, les membranes sont placées avec une certaine distance entre aux, qui dépend du la

    quantité de solide dissout dans l'eau. Lorsque le traitement est fait le perméat est collecté dans

    l'espace entre les membranes d'où il est emporté par des drains.

    Schema 5: module plan Ray-Flow X 1OO

    2.1.3 Les modules spirales

    Les modules spirales sont des membranes planes (collées dos à dos), enroulées autour d’un axe creux

    (collecteur de perméat). L’ensemble est introduit dans une enveloppe cylindrique qui a une entrée

    pour l’alimentation et une sortie pour le rétentat. Les espaceurs entre les membranes jouent le rôle

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    de promoteur de turbulence et sont enroulées autour du tube collecteur de rétentat. Cette

    architecture donne un module beaucoup plus compact qu’un module plan. Un grillage extérieur du

    module, maintient l’ensemble enroulé. Le nombre de membranes collées dos à dos varie suivant les

    tailles des modules et des fabricants.

    Schema 6: module spirale

    2.1.4 Modules tubulaires.

    Les modules tubulaires sont constitués de membranes organiques ou inorganiques ou de forme

    tubulaire dont les de diamètres intérieurs sont compris entre 4 et 25 mm. Les membranes sont

    regroupées en parallèles dans un module. Le perméat est récupéré dans l’enveloppe du module,

    a l’extérieur des tubes à l’extérieur des tubes. Les modules fonctionnent en régime

    d’écoulement turbulent. Ce type de modules est utilisé pour les membranes minérales.

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    Schéma 7 : module tubulaire

    3. Les types de membranes utilisés

    3.1 Les matériaux organique

    membrane composite polyamide / polysulfone

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    Nom Formule chimique

    Polyvinylpyrolidone

    Polysufone

    Polyethersulfone

    Polystyrène

    Polyethyleneglycol

    Polyamide aromatique

    Tableau 2 : nom des membranes organiques

    3.2 Matériaux inorganiques

    C’est des membranes (essentiellement sous forme tubulaire) composées d’un support

    macroporeux qui assure la résistance mécanique (base d’alumine ou de carbone) sur lequel sont

    déposées un nombre variable de couches d’oxydes minéraux (aluminium, ZrO2, TiO2…) de faible

    épaisseur. Ces membranes peuvent travailler dans des conditions plus sévères que les membranes

    organiques grâce à leur résistance mécanique, (P=40 bar), chimique (pH=1- 14) et thermique

    (T=120°C). Leurs principales avantages c’est d’avoir une bonne résistance chimique, mais

    l’inconvénient majeur c’est leur faible surface filtrante par rapport au volume occupé.

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    membrane minérale,

    en rouge a alumine, vert modernite sodique ,

    bleu polymer

    Membrane a base de zéolite et alpha alumine

    Coupe transversale d’une bicouches zéolitiques

    TiO2 membrane commerciale

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    ZrO2 sur attapulgite

    TiO2 sur attapulgite

    Figures 2 : coupe de membranes minérale

    4 Caractérisation des membranes

    4.1 Paramètres opératoires

    La pression transmembranaire PTM (bar), perte de pression dans les pores de la

    membrane est donnée par l’équation suivante dans le cas d’une filtration tangentielle est :

    𝑃𝑇𝑀 = 𝑃1+𝑃2

    2 − 𝑃3 (3)

    Avec

    PTM : pression transmembranaire (bar).

    P1 : pression liquide en entrée de module (bar),

    P2 : pression rétentat en sortie de module (bar),

    P3 : pression perméat (bar),

    La densité de flux J, ou débit de perméat, kg.s-1.m-2 (ou m3.s-1. m-2) est donné par

    l’équation suivante.

    𝐽 = 𝑄

    𝑆 (4)

    Avec

    Q : débit de perméat en kg.s-1 (ou m3.s-1),

    S : surface de la membrane en m2,

    4.1.1 Flux de perméat dans du solvant pur

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    La loi de Darcy, permet de déterminer le flux de perméat dans le cas d'un solvant pur et

    pour des pressions inférie