Nanofiltration / Osmose Inverse

 

Les traitements secondaires

 


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Le but du traitement secondaire est d'éliminer les fines particules et les grosses molécules qui seront rejetées par le bioréacteur à membrane. Pour ce faire, nous avons ciblé nos recherches sur deux techniques de séparation : la nanofiltration et l'osmose inverse.

 

-1- La nanofiltration (NF)

a) Généralités sur la filtration tangentielle

La filtration tangentielle permet de séparer les particules en suspension d'un liquide. Contrairement à la filtration frontale où l'unique force motrice est la différence de pression entre le liquide à clarifier et le perméat, la filtration tangentielle peut être entraînée par plusieurs facteurs:

- Le gradient de pression

- Le gradient de concentration

- Le gradient de potentiel électrique

On peut schématiser la filtration tangentielle de la manière suivante (voir figure 1) ; on retrouve Q le débit, P la pression et C la concentration en particules à éliminer.

Figure 1 : schéma de principe d'un procédé de séparation membranaire (Aimar et al., 2010)

 

b) Particularités de la nanofiltration

La nanofiltration est un procédé de séparation dont la force motrice est la pression exercée sur le liquide, qui l'oblige à traverser une membrane semi-perméable. La taille des particules ciblées est de l'ordre du nanomètre, c'est donc la taille de pore approximative des membranes utilisées. De manière générale, les polluants retenus par ce système de séparation sont les sels ionisés multivalents (calcium, magnésium, sulfates...) et les composés organiques non ionisés de masse molaire supérieure à environ 300 g/mol (Aimar et al., 2010).

La pression nécessaire au procédé de filtration est généralement assez réduite (3 à 15 bars) et on utilise une circulation tangentielle du fluide afin de limiter les phénomènes de colmatage.

Afin d'optimiser le procédé en terme d'espace occupé, on utilise des modules membranaires cylindriques en spirale où la membrane est en fait enroulée autour d'un tube destiné à recueillir le perméat. La filtration se fait ainsi dans toutes les directions et son efficacité est renforcée.

Toutefois, il faudra faire attention à ne pas injecter un liquide qui comprend des particules trop grosses et qui colmateraient l'entrée du procédé. Dans notre cas, les membranes utilisées dans le bioréacteur à membranes devront avoir un seuil de coupure assez bas.

Figure 2 :  schéma d'un module de filtration tangentielle (source : pravarini.free.fr) 

 

c) Le phénomène de colmatage

Il existe un phénomène de colmatage des membranes de filtration qui diminue leur efficacité (diminution du débit de perméat à pression constante). On peut noter 3 types de colmatage :

  • par adsorption : les molécules, suivant leur affinité avec le matériau poreux, s'adsorbent sur ce dernier et diminuent la taille des pores en pénétrant ces derniers.
  • par blocage des pores : les grosses particules bloquent les pores en obstruant leur entrée.
  • par polarisation de concentration : l'augmentation de la concentration des particules aux abords de la membrane crée un gradient de concentration qui conduit à la diffusion de ces dernières en amont de la membrane.

Afin de lutter contre le blocage des pores, un rétrolavage sera nécessaire, en utilisant de l'eau propre réinjectée en sens inverse dans le module. Le flux engendré détache les particules qui obstruent les pores et les éliminent du filtre, lui rendant tout ou partie de sa performance initiale.

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-2- L'osmose inverse (OI)

Le potentiel chimique d'une espèce est défini comme étant la dérivée de l'enthalpie libre du système par rapport à la quantité du constituant considéré, les autres grandeurs demeurant constantes par ailleurs. Dans le cas d'un fluide, on peut l'exprimer en fonction de l'activité de l'espèce ai (souvent prise égale à la concentration, ce qui est correct pour une solution suffisament diluée) :

µi(T,P) = µi°(T) + RT ln(ai)

Le phénomène naturel d'osmose fait que l'eau circule à travers une membrane du milieu le plus dilué vers le plus concentré, afin d'équilibrer les potentiels chimiques de part et d'autre de la membrane. Ceci se traduit par l'équilibre des concentrations en soluté dans chaque compartiment.

Cependant, si l'on exerce sur la solution concentrée une pression suffisante (supérieure à la pression osmotique), l'eau s'écoule dans l'autre sens, entraînant une augmentation de la concentration d'une part, et une dilution de l'autre côté.

NB : La pression osmotique est la pression minimale à exercer sur le compartiment le plus concentré pour empêcher l'eau de s'écouler normalement. Elle s'oppose donc à la différence de concentration, motrice de l'écoulement. On peut l'exprimer par la formule de Van't Hoff : Posmo = - RT/V * ln(1-as), as étant l'activité du soluté (souvent assimilée à la fraction molaire xs).

C'est ce principe qui est utilisé dans un système d'osmose inverse, afin de purifier l'eau et d'éliminer des espèces dissoutes indésirables.

Figure 3 :  schéma de principe de l'OI (source : tpe-osmose.franceserv.com)

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