L'osmose inverse

L'osmose inverse

1. Principe

L'osmose inverse est un procédé de séparation en phase liquide par perméation à travers des membranes semi-sélectives sous l'effet d'un gradient de pression.

 

A: Le niveau est identique dans les deux compartiments: L'eau circule de 1 vers 2 

B: A l'équilibre, une différence de niveau s'établit, c'est la pression osmotique π.

C: Lorqu'on applique une pression P >π, l'eau circule en sens inverse, c'est-à-dire de 2 vers 1 et les sels restent bloqués dans le compartiment 2.

Π = différence de pression de part et d’autre de la membrane

Une membrane semi-sélective ou semi-perméable est une membrane imperméable aux corps dissous (ionique ou non) et perméable au solvant. 

 

 

 

Figure 1 : Principe de l'osmose inverse
               (
J-M.ROVEL, 2012)

2. Schéma général d'une installation d'osmose inverse

Les principaux constituants d'une installation d'osmose inverse sont les suivants :
- membrane proprement dite
- le module
- la pompe haute pression
- le poste de traitement

L'écoulement du fluide sur la membrane est continu et tangentiel. Cet écoulement tangentiel permet de limiter l'accumulation sur la membrane des diverses espèces (particules, molécules, ions) retenues par cette dernière. Le débit d’entrée (Q0) se divise au niveau de la membrane en deux parties de concentrations différentes. Une partie (débit Qp) passe à travers la membrane (perméat) alors que l'autre partie est retenue par la membrane ( concentrat ou rétentat).

Figure 1 :Schéma de principe d'une unité d'osmose inverse
(A.Maurel, 2006)

3. Pression osmotique

Loi de Van't Hoff

 Pour des solutions suffisamment diluées, la pression osmotique π​ peut être  assimilée à pression d'un gaz parfait dont les "molécules" seraient précisément les espèces en solution (ions Na+ et Cl-) ​ :

i : nombre d'ions
C : concentration (mol/L)
R : constante des gaz parfaits (0,081 L.atm/K/mol)
T : température en K
1atm = 1,013 bars

4. ​Caractéristiques principales d'une unité d'osmose inverse

Deux paramètres sont pris en compte:
- le taux de conversion c'est-à-dire la fraction du débit de liquide qui traverse la membrane,

- la sélectivité de la membrane définie par le taux de rejet R ( ou taux de rétention) de l'espèce que la membrane peut retenir. 

5. Membranes d'osmose inverse

Le tableau 1 résume les avantages et les inconvénients des membranes organiques suivant leur composition:

Tableau 1 : Avantages et inconvénients des membranes organiques
(A.Maurel, 2006)

  Avantages Inconvénient
Acétate de celullose Perméabilité élevée
Sélectivité élevée
Mise en oeuvre assez aisée
Adsorption des protéines faible
=> colmatage moindre
Sensible à la température
Sensible au pH
Sensible au chlore
Sensible au compactage
Sensible aux microorganismes
Type Polyamide Bonne stabilité chimique, thermique et mécanique. Grande sensibilité aux oxydants
Faible perméabilité
Phénomènes d’adsorption
Type Polysulfone

Bonne stabilité thermique

Bonne tenue au pH

Résistance au chlore
 

Sensible au compactage
Adsorptions
Matériaux acryliques Bonne stabilité thermique et chimique
Stockage à sec possible
Faible résistance mécanique
Pores de diamètres assez
élevés
Matériaux fluorés Bonne stabilité thermique et chimique Faible perméabilité
Microfiltration uniquement
Membranes composites Bonnes caractéristiques : perméabilité et sélectivité
Stabilité de pH 2 à 11
Bonne tenue en température
Mauvaise tenue au chlore

 

6. Modules d'osmose inverse

Pour être mises en oeuvres, les membranes doivent être montées dans des supports appelés modules. Actuellement, quatres types de modules sont commercialisés: modules tubulaires, modules fibres creuses, modules plans et modules spirales. Plusieurs critères sont à prendre en compte pour le choix d'un type de module tels que:

• les conditions de transfert optimale
• la surface spécifique d’échange élevée
• l'investissement minimal et le coût de fabrication
• la simplicité de mise en œuvre et la durée de vie des membranes
• l'entretien aisé (nettoyage, démontage, remplacement des membranes)
  • Modules plans

Les modules plans sont les modules les  plus simples et les plus anciens. Ils présentent sous la forme de plaques unitaires disposées parallèlement les unes aux autres et séparées par des grilles​.

Tableau 2 : Avantages et inconvénients des modules plans 
(A.Maurel, 2006)
 

Avantages Inconvénients
Système souple et modulable Système peu compact (100 à 400 m²/m3)
Changement facile des membranes Investissement relativement élevé
Visualisation du perméat   

 

  • Modules spirales

Les membranes planes sont enroulés en spirale autour d’un tube creux et perforé destiné à collecter le perméat. Entre les membranes est placé un grillage plastique de 0,8 à 1,2 mm d'épaisseur, qui a pour but de créer une turbulence dans la circulation du fluide. On obtient ainsi un cylindre multi-couches où le perméat s'écoule selon un chemin spiralé vers le tube poreux tandis que l'alimentation circule axialement dans les canaux. 

Figure 1  : Modules spirales
(
P. Danis, 2003) 

Tableau 3 : Avantages et inconvénients des modules spirales
(A.Maurel, 2006)
 
Avantages Inconvénients
Compacité élevée (300 à 1000 m²/m3) Sensible au colmatage
Faible volume mort Difficulté de nettoyage
Coût d'investissement relativement faible  

Modules tubulaires

Ce type de module est constitué de tubes métalliques ou plastiques sur lesquels est fixés la membrane semi-perméable. Le diamètre du tube est compris entre 7 et 25 mm et le plus souvent 12,5 mm. L’eau à traiter circule à l’intérieur des tubes et le perméat est recueilli à l’extérieur des tubes. Le tube est soit poreux, soit perforé de trous pour permettre l'évacuation du perméat.

Figure 1: Modules tubulaires
(Lenntech)
 

Tableau 4 : Avantages et inconvénients des modules tubulaires 
(A.Maurel, 2006)
 

Avantages Inconvénients
Technologie simple Consommation d'énergie élevée
Peu traités tous types de fluides ( chargés, visqueux) Faible compacité (10 et 300 m²/m3)
Facilité de nettoyage Coût élevé
  • Modules fibres creuses

Ces modules peuvent être considérés comme des modules tubulaires composés de tubes de petits diamètre compris entre quelques millimètres et quelques dizaines de microns. Mais à la différence des modules tubulaires qui sont constitués d'une membrane et d'un support inerte, les fibres creuses jouent à la fois le rôle de membrane et de support.

Figure 2 : Modules fibre creuses 
(J-M. Berland, 2002)

Il existent deux configurations :
Int- Ext (schéma b): L’eau à traiter circule à l’intérieur et le perméat est récupéré à l’extérieur des fibres.
Ext-Int (schéma a et c): L’eau circule à l’extérieur et le perméat est récupéré à l’intérieur des fibres

Tableau 5​ : Avantages et inconvénients des modules fibres creuses 
(A.Maurel, 2006)
 

Avantages Inconvénients
Compacité élevée (15000 m²/m3) Sensibilité de colmatage dû au faible diamètre des fibres
Faible volume mort Fragiles ( Canaux fins)
Faible consommation énergétique  
Possibilité de nettoyage à contre courant  

6. La nanofiltration

L'osmose inverse peut éventuellement être couplée à la nanofiltration. Cette technique permet la séparation en taille de composants de l'ordre du nanomètre. Ce procédé a l'avantage de laisser passer les ions monovalents  et les composés organiques non ionisés de masse molaire inférieure à environ 200 - 250 g/mol mais de retenir les ions divalents (Calcium, Magnésium, sulfates....) et les composés organiques non ionisés de masse molairesupérieure à environ 200 - 250 g/mol. Le rétentat est donc chargé en ions divalents alors que le perméat est concentré en ions monovalents. La précipitation pourra donc éventuellement être étudiée par la suite. (J-M. Berland, 2002)