Choix de la membrane et des conditions opératoires

Choix de la membrane et des conditions opératoires

1. Choix de la membrane 

Dans le cas de la distillation membranaire, la membrane utilisée est généralement une membrane hydrophobe. Elle doit avoir une faible résistance au transfert de matière, une faible conductivité thermique (0,22 à 0,45 W.M-1.K-1 pour le PVDF et le PTFE) , une pression d’intrusion (Liquid Entry Pressure LEP) élevée, une bonne stabilité thermique et une résistance chimique excellente. Ces caractéristiques ont une influence très importante sur le flux de perméat obtenu.

Matériaux

​Quatre types de matériaux peuvent être utilisés et sont répertoriés dans le tableau 1.

Tableau 1 : Types de matériaux composant les membranes utilisée en distillation membranaire
 

Dénomination PTFE PVDF PP PE
Nom complet  PolyTétraFluoroEthylène ou téflon Fluorure de PolyVinyliDiène PolyPropylène PolyEthylène
Structure chimique 

Mouillage :

Le phénomène de mouillage doit être évité. Pour cela la pression d’entrée du liquide doit être supérieure à la pression hydrostatique transmembranaire (Laplace-Cantor). Elle dépend de plusieurs facteurs : le matériau membranaire (nature, hydrophobicité), la structure de la membrane (taille des pores, distribution de tailles des pores, épaisseur, porosité), les conditions opératoires (température, pression de vide en DMV), la nature du liquide à traiter (tension superficielle).

Epaisseur de la membrane :

Une augmentation de l'épaisseur de la membrane a pour conséquence une augmentation du flux de perméat, la diminution des pertes par conduction thermique (négligeables pour la DMV) et la diminution du risque de mouillage. L’épaisseur optimale trouvée pour la Distillation Membranaire par Contact Direct se situe entre 30 et 60 µm.

Porosité de la membrane :

L'augmentation de la taille des pores entraîne une augmentation du flux de perméat et une augmentation du risque de mouillage. il faut donc trouver un compromis. La taille des pores pour la DMV reste peu étudiée mais on estime qu'elle doit être de l'ordre de 0,45 µm.

Totuosité de la membrane :

Le flux de perméat diminue avec l’augmentation de la tortuosité de la membrane. Généralement, le facteur de tortuosité est pris égal à 2.

Propriété de la surface de la membrane :

Les membranes utilisées sont généralement hydrophobe.

Géométrie et configuration de la membrane :

Les membranes distillation membranaires peuvent avoir différentes géométries : planes ou fibres creuses. Dans tous les cas, elles doivent répondre à plusieurs exigences : permettre une alimentation avec une grande turbulence, entraîner une faible perte de charge le long du module, faciliter une éventuelle récupération de chaleur et avoir une stabilité et une bonne isolation thermique.

Retour à la page Dimensionnement

 

2. Conditions opératoires

Les paramètres à prendre en compte sont les suivants :

Différence de pression transmembranaire :

En DMV, le flux de Perméat augmente avec la diminution de la pression de vide néanmoins celle-ci entraîne aussi une augmentation de la mouillabilité de la membrane par augmentation de la pression hydrostatique transmembranaire. Il faut donc travailler à pression de vide faible mais pas trop pour éviter le mouillage de la membrane.

Température côté alimentation :

L’augmentation de la température entraîne une augmentation exponentielle du flux de Perméat du fait de l’augmentation de la pression partielle de vapeur (loi d’Antoine). Néanmoins, une température trop importante peut entraîner une augmentation de l’effet de polarisation en température.

Les températures généralement utilisées en DMV se situent entre 20 et 80°C.

Température côté perméat :

Elle n’est pas prise en compte.

Différence de température transmembranaire :

Elle est considérée comme nulle dans le cas de la DMV. Ainsi, la température côté perméat est égale à la température côté alimentation.

Vitesse de circulation côté alimentation :

Des vitesses de circulation élevées (régime turbulent) sont nécessaires ce qui permet d’accroître l’agitation et ainsi d’augmenter les coefficients de transfert de chaleur et de matière diminuant, de ce fait, les phénomènes de polarisation de température et de concentration. Cependant, les pertes de charges augmentent avec le carré de la vitesse. Il faut donc éviter une surconsommation d’énergie. De plus, l’augmentation du débit peut entraîner une pression hydrostatique supérieure à la LEP entraînant ainsi le mouillage des pores.

Débit de fluide côté perméat :

Son influence n’est pas prise en compte.

Concentration en solutés dans l’alimentation :

Le flux de perméat décroit avec la hausse de concentration pour deux raisons. Premièrement, elle entraîne une baisse de la pression partielle de vapeur dans l’alimentation (modification du coefficient d’activité). La seconde est une augmentation des phénomènes de polarisation de concentration.

 

Afin de dimensionner un procédé de distillation membranaire sous vide, il faut donc parvenir à faire des simulations de l'influence de ces paramètre pour parvenir au meilleur résultat.

Retour à la page Dimensionnement