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Méthode de séparation membranaire

Les méthodes de séparation membranaire sont un procédé de séparation de fluides utilisant comme agent séparant une membrane synthétique qui est une couche mince de matière. L’épaisseur d’une membrane peut varier de 100 nm à un peu plus de cm. Elle permet l’arrêt ou le passage sélectif de certaines substances dissoutes ou non dans un mélange, entre les deux milieux qu’elle sépare. La partie du mélange retenue par la membrane est appelée rétentat (ou concentrat) alors que celle qui traverse cette dernière est appelée perméat. La séparation se fait sous l’action d’une force motrice de transfert selon un mécanisme de séparation défini. Les caractéristiques des membranes sont déterminées par deux paramètres : la perméabilité et la sélectivité.

Composés séparés par les membranes

Les mélanges à séparer peuvent être :

  • homogènes : liquides miscibles ou gaz-gaz (perméation gazeuse...) ;
  • hétérogènes : liquides non miscibles, liquide-solide, liquide-gaz.

Selon leur taille :

Taille des composés à séparerType de composés à séparerExemples de méthodes de séparation membranaireExemples d'utilisation
> 104 nmParticules fines ou grossières : sable, levure, pollen, cheveux, poilFiltration et tamisage
104 - 102 nmMicroparticules, macromolécules (polymères), micro-organismes, quelques virus, colloïdesMicrofiltrationÉpuration des eaux, clarification
102 - 100 nmNanoparticules, macromolécules, la plupart des virusUltrafiltrationSéparation des protéines
100 - 10-0.5 nmMoléculesNanofiltration, osmose inverseDéminéralisation
< 10-0.5 nmMolécules, sels dissousPervaporation, osmose inverseConcentration

Modes de passage du fluide

Le mode d’opération d’une séparation membranaire peut être en continu, semi-continu ou en discontinu.

Selon le mode de passage du fluide à travers la membrane, les procédés de séparation membranaires sont classés en :

  • frontales (dead-end filtration) : le flux du produit alimenté est perpendiculaire au filtre ;
  • tangentielles : le flux du produit alimenté est parallèle au filtre, trois possibilités se présentent :
    • co-courant,
    • contre-courant,
    • courants croisés.
Types de flux tangentiel
Types de flux tangentiel

Forces motrices de transfert

Le transfert peut avoir lieu sous l’effet de différentes forces motrices qui peuvent être :

Mécanismes de séparation

Les mécanismes qui jouent un rôle dans la séparation membranaire peuvent être :

MécanismeMembraneSources du transfertMéthodesMatières séparées[2]
Tamisage moléculairePoreuseLa différence de la taille des composants par rapport à celle des pores de la membraneMF, UF, NF, FP, FCMacromolécules, colloïdes, particules
Sorption / diffusionDenseL’affinité de la membrane pour les molécules à séparer (sorption) et la facilité de ces molécules à diffuser à travers la membrane (diffusion)PV, OI, PdVGaz, sels
Transfert d’ionsDense échangeuse d’ionsD’une part l’interaction ionique entre les ions de la membrane et ceux des mélanges à séparer et, d’autre part, l’action d’un champ électriqueTechniques électromembranairesIons

Le transfert peut aussi résulter d’une combinaison de ces différents mécanismes.

Membranes

Selon leur origine, les membranes peuvent être issues de matériaux naturels (géologiques ou biologiques), artificiels (naturels modifiés chimiquement) ou synthétiques.

Selon leur composition, les membranes peuvent être :

  • solides, liquides (un solvant ou une émulsion non miscible sépare deux solutions d'un même solvant) ou mixtes (liquides supportées par un solide poreux) ;
  • inorganiques (céramique, verre ou métal), organiques (polymère réticulé ou non réticulé) ou mixtes (inorganiques et organiques) ;
  • homogènes (un seul matériau) ou hétérogènes (composites…). Les membranes composites sont généralement composées de deux matériaux, le premier poreux (épaisseur de 50 à 100 μm) garantissant la résistance mécanique de la membrane et le second dense (épaisseur de 10 à 100 nm) assurant la perméabilité de cette dernière ;
  • neutres ou ionophores (dialyse ionique, PD, ED...). Les membranes ionophores comportent des charges électriques et sont capables d'échanger des ions de signe opposé à leurs charges fixes. On distingue les membranes perméables aux anions, aux cations ou aux deux (membranes amphotères) ;
  • hydrophiles ou hydrophobes. Les membranes organiques sont hydrophobes par nature. Le caractère hydrophile dépend essentiellement des groupes ionisés ou polaires des polymères utilisés. La liste suivante présente des polymères utilisés dans les membranes, du plus hydrophobe au plus hydrophile : polysulfone, PVDF, cellulose, polyamide aromatique, polyéther sulfone, cellulose régénérée[3].

Selon leur géométrie, les membranes peuvent être planes, tubulaires, spiralées ou en fibres creuses.

Selon leur morphologie, les membranes peuvent être :

  • symétriques (isotropes) ou asymétriques (anisotropes). Les membranes anisotropes ont une épaisseur d'environ 0,2 mm et sont formées par une très fine couche de film sélectif dont l’épaisseur est de l’ordre de 0,2 μm (la vraie membrane), supportée par une structure poreuse rigide, résistant à des pressions élevées d’environ 30 bars[4] ;
  • amorphes ou semi-cristallines ;
  • denses, poreuses ou granulaires (filtration de l'eau sur du sable, de l'anthracite ou du charbon actif) :
Morphologie des membranesSous-classeDimension des poresExemples de méthodes de séparation membranaire
(Nano)Poreuses[5], selon l'IUPAC :Macropores> 50 nmMF
Mésopores2 - 50 nmUF
Micropores< 2 nmNF
Denses (non-poreuses)< 100.5 nmPV, EO, OI, O, ED, PdV

Avantages

Les méthodes de séparation membranaire permettent de travailler dans les conditions favorables suivantes :

  • une température modérée favorable à la séparation de composés thermosensibles ;
  • un caractère compact et modulaire des installations et donc une construction sur mesure par ajout d’éléments standards et une maintenance relativement souple ;
  • une extraction de produits en continu de milieux entièrement isolés de l’extérieur par le film séparateur et donc l’élimination de toute contamination croisée entre l’amont et l’aval ;
  • une sélectivité élevée ;
  • un coût d’exploitation modéré ;
  • un temps de séparation relativement court ;
  • un grand respect de l’environnement :
    • l'absence d’ajout de produits chimiques,
    • un très faible rejet de polluant,
    • un besoin énergétique moindre.

Limitations et freins au développement

Malgré les nombreux avantages déjà cités, les méthodes membranaires souffrent encore de certaines limitations voire inconvénients :

  • un coût d’investissement relativement élevé ;
  • un traitement spécifique à certains types d’effluents ;
  • le colmatage, par des particules ou des microorganismes et donc la diminution des flux transmembranaires et la nécessité de mettre en œuvre des opérations de lavage ;
  • la durée de vie limitée des membranes ;
  • le coût énergétique résultant des fortes pressions à appliquer.

Cependant, toutes les possibilités des procédés à membranes n’ont pas encore été explorées. En particulier, leur couplage avec d’autres procédés de séparations (distillation par exemple) ou procédés hybrides est un domaine encore relativement peu étudié.

Exemples d'application

Voir aussi

Références

  1. Membranes polymères en milieu aqueux. Procédés membranaires : état de l'art et perspectives, Gérald Pourcelly, Actualités G.F.P, Bulletin N°99, Octobre 2004
  2. Jimmy L. Humphrey, George E. Keller, Procédés de séparation, Techniques, sélection, dimensionnement, Collection: Technique et Ingénierie, Dunod/Industries et Technologies, 2001
  3. Gilles Trystram, Albert Duquenoy, Jean-Jacques Bimbenet, Génie des procédés alimentaires, Des bases aux applications, Collection : Technique et Ingénierie, Dunod, 2e édition, 2017
  4. Aide-mémoire de génie chimique, 3e édition, Emilian Koller, Dunod, 2009
  5. (en) J. Rouquerol et al., « Recommendations for the characterization of porous solids (Technical Report) », Pure & Appl. Chem, vol. 66, , p. 1739–1758 (DOI 10.1351/pac199466081739, lire en ligne [free download pdf])
  6. Michel Rumeau, « Membranes, transferts », Encyclopædia Universalis (consulté le 29 novembre 2015)
  7. Serge Ètienne, Laurent David, Émilie Gaudry, Philippe Lagrange, Julian Ledieu et Jean Steinmetz, « Les matériaux de A à Z - 400 entrées et des exemples pour comprendre », Dunod, 2008
  8. René Moletta et al., La méthanisation, Paris, Tec&Doc, Lavoisier, , 528 p., 16 × 25, relié (ISBN 978-2-7430-1991-4, présentation en ligne), p. 474, « Techniques de séparation membranaire ».
  9. Définition Larousse : http://www.larousse.fr/dictionnaires/francais/osmom%C3%A9trie/56701

Voir aussi

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