TRAITEMENT D’UNE EAU DE SURFACE PAR ULTRAFILTRATION
Principe de l’ultrafiltration
Le principe de ce procédé est de fractionner, par passage au travers d’une membrane poreuse sous l’action d’un gradient de pression, les constituants d’un liquide en fonction de leurs caractéristiques de taille et/ou de charge. A partir d’un liquide donné, on obtient deux fractions : – le rétantat retenu dans le circuit d’alimentation/recyclage, – le perméat ou filtrat qui est le liquide ayant traversé la membrane.
Modes de filtration
Pour les installations d’ultrafiltration, comme pour tous les procédés membranaires impliquant un gradient de pression ΔP, il existe deux modes de filtration (la filtration frontale et la filtration tangentielle) selon la direction de l’écoulement de la solution d’alimentation par rapport à la surface de la membrane. • La filtration frontale En filtration frontale, l’écoulement se fait dans une seule direction soit perpendiculairement à la surface de la membrane (Figure 5); ainsi, toutes les matières retenues sont accumulées sur la membrane entraînant une diminution de sa capacité de filtration par colmatage. Cette technique est utilisée en traitement de l’eau pour sa potabilisation et adaptée au traitement de liquides peu chargés. Figure 5 : Présentation du fonctionnement de la filtration frontale (Source : Benjamin, 2003) Par contre, la filtration tangentielle est utilisée quasi-systématiquement lorsque les liquides ont des taux de matière en suspension élevés. • La filtration tangentielle En filtration tangentielle, l’eau circule le long de la surface de la membrane (parallèlement à celle-ci) (figure 6) ; ainsi, une partie du concentrât est recyclée en amont de la membrane afin de favoriser un écoulement turbulent à la surface de la membrane. Lors de la recirculation de l’eau, le flux est parallèle à la membrane avec une vitesse moyenne V. L’objectif de l’écoulement est d’éviter autant que possible l’accumulation sur la membrane des espèces retenues par celle-ci.
Caractéristiques des membranes
- Sélectivité d’une membrane La sélectivité d’une membrane pour une substance donnée dépend de sa nature et de sa structure, de l’environnement chimique à proximité de la membrane et des propriétés de la substance à séparer. La sélectivité d’une membrane est, en général, définie par le taux de rejet (appelé aussi taux de rétention TR) de l’espèce que la membrane est censée retenir (Anis, 2013) : TR = 1 − Co Cp Avec Co : Concentration de l’espèce à retenir dans la solution Cp : Concentration de la même espèce dans le perméat Il y a deux valeurs particulières du TR (valeurs exprimées en pourcentages) : TR : 0% signifie que le soluté n’est pas du tout retenu par la membrane; TR : 100% signifie que le soluté est entièrement retenu par la membrane. • Seuil de coupure(SC) En général, l’efficacité de la membrane est caractérisée par le seuil de coupure (cut-off en anglais). Il s’agit de la masse molaire (g/mol) correspondant à une rétention pratiquement totale (90 % le plus souvent) d’une macromolécule déterminée (Berland & Juery, 2002), ainsi, il s’exprime en Daltons (1Da = 1 g/mol). Plus le seuil de coupure est faible, plus la membrane peut retenir des petites molécules ou des substances colloïdales (Kerdjoudj, 2006) • Perméabilité d’une membrane (A) La perméabilité (A) d’une membrane est une caractéristique intrinsèque de la membrane qui dépend de sa structure. De façon pratique, elle peut être définie comme étant le rapport entre le flux de perméat (Jp) et la différence de pression transmembranaire effective (ΔPm) (Gésan-Guiziou, 1998) : A = Jp ΔPm La différence de pression entre l’amont (alimentation) et l’aval (perméat) de la membrane est appelée la pression transmembranaire (PTM). La PTM est l’indicateur du colmatage d’une membrane lorsque cette dernière est opérée à flux de perméat constant. Dans le cas de la filtration tangentielle, la pression transmembranaire est calculée de la façon suivante : ΔPm = ⎜ (P1+P2)/2 ⎟− P3 = PTM Avec ΔPm : pression transmembranaire, P1 : pression en entrée de module s’appliquant sur la membrane, P2 : pression en sortie de module (reliée à P1 par la perte de charge dans le module) P3 : pression dans le compartiment rétentat souvent égale à la pression atmosphérique. Il est possible avec ce type de fonctionnement, lorsque l’opération fonctionne à des faibles pressions d’éviter l’apparition d’un dépôt à la surface de la membrane cela correspond à des conditions de fonctionnement en dessous du flux critique. Par contre, les points faibles sont le prix de l’investissement et de l’énergie consommée par les pompes de circulation. • La densité de flux de perméat 𝑱𝒑 La densité de flux de perméat Jpest un débit de perméation unitaire, c’est-à-dire, le rapport entre le débit volumétrique de perméation (QP) et la surface effective de la membrane (S) : Jp = QP S Avec QP : débit de perméat en kg.s -1 (ou m 3 .s -1 ), S : surface de la membrane en m 2 , Jp : Densité de flux de pérmeat en kg.s -1 .m -2 (ou m 3 .s -1 . m -2 ). En remplaçant le flux de perméation (Jp), dans l’équation précédente, la perméabilité dévient : A = QP / SΔPm En pratique, la perméabilité d’une membrane, est déterminée comme la pente de la droite Jp en fonction de ΔPm . Il faut mentionner qu’il existe des différences significatives de perméabilité entre divers coupons d’une même feuille de membrane à cause des irrégularités de fabrication. Pour cette raison, c’est la perméabilité moyenne qui est utilisée pour caractériser une membrane. • Résistance hydraulique 𝑹𝒎 La résistance hydraulique 𝑅𝑚 d’une membrane peut être définie comme étant sa résistance à l’écoulement du fluide à travers cette membrane. La résistance d’une membrane est l’inverse de sa perméabilité : 𝑅𝑚 = 1 𝐴 = 𝑆𝛥𝑃𝑚 𝑄 Synthèses bibliographiques En supposant que les pores d’une membrane sont cylindrique et rectilignes, la loi de Poiseuille permet d’exprimer la résistance d’une membrane comme : 𝑅𝑚 = 8𝑒𝑚 𝑛𝑃𝜋𝑟𝑃 4 Avec em : épaisseur de la couche active de la membrane np : nombre de pores par unité de surface rp : rayon des pores. Cette équation montre que la résistance de la membrane augmente avec l’augmentation de l’épaisseur de la membrane et diminue avec sa porosité (Belfort G., 1994).
Avantages et limites de l’ultrafiltration pour la potabilisation des eaux
Les techniques membranaires sont avantageusement utilisables dans une grande variété d’opérations liées à la séparation tant liquide/solide que solide/gaz ou gaz/gaz… Pour la potabilisation des eaux, les membranes basse pression sont les plus communément utilisées, notamment les membranes d’ultrafiltration. Les avantages de l’Ultrafiltration par rapport à un procédé conventionnel de traitement reposant sur des opérations unitaires physico-chimiques sont nombreux : – quelle que soit la qualité de l’eau brute et ses fluctuations au cours du temps, l’ultrafiltration fournit un perméat de qualité constante et parfaite en terme de MES, de bactéries et de virus; – l’utilisation de produits chimiques (coagulant, floculant) est évitée ou limitée si la qualité de l’eau brute impose un prétraitement ; – l’étape de pré-désinfection que fournit la séparation membranaire permet de limiter l’utilisation de chlore en fin de traitement ; – grâce à l’utilisation de modules membranaires rassemblés en blocs, les installations sont compactes, faciles à remplacer et à automatiser. Cependant, lorsque l’eau brute à traiter contient une quantité non négligeable de matière organique dissoute, le taux de rétention d’une membrane d’ultrafiltration vis-à-vis de ces composés ne permet pas d’assurer une qualité d’eau conforme à la législation (Remize, 2006). Ces techniques posent par contre toujours certains problèmes quant à leurs choix, leur utilisation et leur durée de vie (Benjamin, 2003). Le premier problème est lié au choix du seuil de coupure d’une membrane, car en effet, le seuil de coupure est défini comme le seuil au-delà duquel les molécules de masse molaire supérieure à ce dernier seront rejetées à plus de 95 %. (Benjamin, 2003) Pour pallier cette sélectivité imparfaite, en industrie, la séparation se fait généralement pour des molécules qui ont un rapport masse moléculaire sur seuil de coupure supérieur ou égal à 10
LISTE DES ACRONYMES |
