Notions Générales sur les Membranes (PDF)

# Chap 1: Notions générales sur les membranes ## I) Définitions * **Membrane:** Une membrane permi-sélective est une barrière matérielle (film polymère), céramique, composite, rarement métallique qui permet certains transferts de matière entre deux milieux qu’elle sépare et qui en interdit d’autr...

# Chap 1: Notions générales sur les membranes ## I) Définitions * **Membrane:** Une membrane permi-sélective est une barrière matérielle (film polymère), céramique, composite, rarement métallique qui permet certains transferts de matière entre deux milieux qu’elle sépare et qui en interdit d’autres, de façon moins restrictive et qui favorise certains par rapport à d’autres sous l’action d’une force agissante. * **Permi-sélective** est souvent utilisé pour désigner, en générale, les techniques d’électrodialyse et pervaporation. * Le résultat d’une opération membranaire est la séparation du fluide à traiter en deux parties de concentrations différentes: * **Rétentat:** qui contient les molécules et les particules retenues par la membrane. * **Permeat:** qui contient les particules et les molécules traversant la membrane. **Force motrice**: SP, DC, DT, DE **Figure**: Principe de séparation par membrane * **Alimentation**: Fluide à traiter * **Membrane**: Filtre * **Flux**: Direction du flux * **Rétentat**: Fluide qui ne passe pas à travers la membrane * **Permeat**: Fluide qui passe à travers la membrane ## **Procédé de séparation membranaire tangentielle** ## **Membrane Perm selective** ### Perméabilité C’est l’aptitude d’une membrane à se laisser traverser par un fluide liée à la porosité dans le matériau. Les molécules ou les particules à travers ces pores: ### Sélectivité C’est l’aptitude d’une membrane à séparer les constituants d’un mélange. Liée à la porosité, elle laisse passer des molécules et les particules de taille à celle des pores: * Liée à la nature du matériau: Selon les interactions entre les molécules et les matériaux de la membrane. ## Sous l’action d’une force agissante (pression, DC, DT, DE) le passage d’une substance s’effectue d’après la possibilité de traversée par: * **Migration** * **Convection** * **Diffusion** ## La sélectivité d’une membrane dépend de son aptitude à distinguer les substances par: * **Effet stérique** * **Exclusion ionique** * **Solubulisation préférentielle** ## Les critères de séparation des particules (molécules, ions): 1. Dimension, forme des entités à séparer. 2. Nature chimique 3. L’état physique 4. La charge électrique ## II- Mécanisme de séparation membranaire Les mécanismes de séparation par membrane sont complexes d’une manière simple, les mécanismes principaux qui couvrent la séparation: * **Mécanisme physique**: * **Tamisage (la rétention complète d’une substance donnée si sa taille est plus grande que la taille des pores de la membrane, ou une rétention partielle dans le cas contraire).** * **Mécanisme chimique**: basée sur les différentes interactions et affinités entre substance et la membrane, le taux de séparation d’une substance dépend des caractéristiques de la membrane (porosité, charge, hydrophobicité) des caractéristiques de la substance (Masse molaire, masse volumique, charge, hydrophobicité) et des conditions d’opération (pH, pression, température, force ionique…). ## Les Techniques de séparation membranaire Les techniques séparatives à membrane utilisées dans le traitement des eaux sont souvent et peuvent être placées selon la force de transfert: * **Un gradient de pression**: * **Microfiltration (MF)** * **Ultrafiltration (HF)** * **Nanofiltration (NF)** * **Osmose inverse (OI)** * **Un gradient de concentration**: * **Dialyse** * **Membrane liquide** * **Un gradient d’activité, combinant la pression et la concentration:** * **Pervaporation (PV)** * **Un gradient de potentiel électrique**: * **Electrodialyse** ## Classification des membranes ### A- Classification selon la porosité 1. **Membrane poreuse:** * Ce type de membrane est similaire par sa structure au filtre conventionnel (de 0,01 à 100 microm), mais elle diffère par la taille de porosité de pores généralement ont vues d’une meilleur sélectivité * Une membrane poreuse est fictionnée de façon à comporter une distribution de diamètre de pores centrée autour d’une seule valeur. * Selon la taille de pores, on distingue: * **Membrane microporeuse:** taille de porosité ≤ 1 mm. * **Membrane mésoporousse:** taille de porosité 2-50 mm * **Membrane macroporeuse:** taille de porosité > 50 mm * **Membrane mixte:** on trouve différents types de pores qui coexistent * **Membrane à porosité hiérarchique:** avec une porosité croissante * **Membrane à porosité régulière (Zéolites):** 3Coli: des cristaux d’aluminosilicate * **Formée d’une squelette microporeuse dont les vides forment des Interstitielles sont occupés des molécules. Des cations et des molécules sont mobiles dans la structure. Ce qui permet d’une part des échanges ionique, d’autre part. Une déshydratation partielle, reversible, et la possibilité de remplacer l’eau par une autre face, sorbée, adsorbée.** ## B- Classification selon la morphologie 1. **Membrane isotropes (symétriques):** * Les membranes symétriques sont composées d’un même matériau ayant une porosité sensiblement uniforme dans toute l’épaisseur. Elle peuvent être dense (absence de pores) ou poreuses. 2. **Membrane anisotropes (asymetriques):** * Ont une porosité variable dans l’épaisseur de la membrane. * **Microporeuse:** ≤ 1 mm * **Mesoporousse:** 2-50 mm * **Macroporeuse:** > 50 mm 3. **Membranes composites:** * Sont constituées d’un assemblage de deux ou plusieurs couches de matériaux de diff composé porosités, et de diff composition chimiques. Elles ont été développées afin de diminuer l’épaisseur et d’augmenter la perméabilité des membranes en diminuant l’épaisseur de la membrane. 4.**Membrane liquide:** * Une membrane liquide est constituée d’un matériau non rigide qui sépare deux milieux. Il y a deux type de membrane liquide: * **Membrane à émulsion (ELH)** * **Membrane à liquide immobilisé (ILM)** ## C- Classification selon la nature du matériau 1. **Membrane organiques (polymériques):** * Il s’agit de polymère synthétique ou naturelles artificielles ou non, membranaire polymérique représente plus de 80% du marché. * **Cellulose** * **Acétate de cellulose** * **PA: polyamide** * **Polyacrytmitrale** 2. **Membrane inorganiques (céramiques)** * Les céramiques composent la majorité des membranes minérales en trouve également des carbones métaux, des verres. Bien souvent, il s’agit d’un membrane composite, si les matériaux composent le support et les différents de la couche actif. 3. **Membrane hybrides (organiques, inorganiques)** 4. **La contient organique, inorganique** ## D- Classification selon la géométrie 1. **Membranes planes:** * Minerale sont entièrement fabriquées avec des composés minéraux mais avec des couches différentes. 2. **Membranes tubulaires:** * I sont une géométrie cylindrique, avec un diamètre interne supérieur au centimètre * Les membranes dont le diamètre compris entre 3 et 10 * Il s’agit généralement des membranes minérales bien que des membranes organiques existent. 3. **Membrane en fibres creuses**: * Sont uniquement fabriquées en matériaux organiques. * Les membranes fibreux sont des membranes avec un diamètre inférieur à 0,5 µm. ## E- Classification selon le mécanisme de séparation 1. **Membranes microfiltration:** * Utilisé pour la rétention de particules entre 1 µm et 10 µm, avec des pressions comprises entre 0,1 bar et 3 bar. 2. **Membranes ultrafiltration:** * Utilisé par la rétention de particules entre 1 mm et 0,1 mm, sous des pressions de 1 à 5 bar. 3. **Membrane nanofiltration:** * Utilisée pour la rétention des molécules 0,01 µm -1 µm, sous des pressions de 3 à 10 bar. 4. **Membrane d’osmose inverse:** * Utilisée pour la rétention des molécules 0,01µm – 0,0001 µm, sous des pressions de 100 à 1000 bar. ## III. Caractéristiques des membranes * **Pression transmembranaire (PTM)**: * Pression à l’entrée : CA * Pression sortie (Rétentat) : Pau * Pression Perméat : ep * Perte de charge : Pa = PA –PR * La pression transmembranaire est la force agissante (motrice) définie par la moyenne de pression d’entrée et la pression de sortie à la quelle on soustraye la pression de compartiment Lp. * **Flux de perméation**: Flux de Diffusion * Op : m.s-1 * J : Flux de perméation (m3.s-1) * Qp : Débit de Rétentat (m3.s-1) * S : Section (m2) Le flux de perméation est défini par le débit de perméation Op divisé par la surface, représentée aussi par la vitesse de fluide perpendiculairement à la surface. * **Loi de Fick**: * J=-D. (dC/dx) Le flux de solvant qui traverse la membrane est proportionnelle à la PTM selon la loi de Darcy: * Jv= Lp x PTHM (m.s-1) * **Perméabilité de la membrane (Lp, m3.s-1.Pa-1)** * La perméabilité hydraulique est valable pour toutes les membranes. * La perméabilité n’est pas une caractéristique intrinsèque de la membrane. Elle dépend du solvant vis-à-vis de la viscosité du perméat. * La perméabilité membranaire est liée à la viscosité du solvant et la résistance membranaire. * Lp = 1/ (η x Rm) * η: viscosité (Pa.s) * Rm : Résistance membranaire (m2) * La résistance Rm membranaire est définie comme étant sa résistance au décollement du fluide à filtrer à travers cette même membrane. * Rm= (η x ν)/(Qp/S.PTM) * Cette relation nous permet de calculer de façon pratique de la résistance membranaire si partir des mesures de flux de perméation et de PTM. * **Taux de rétention : Taux de rejet** * La membrane est caractérisée, par le taux de rétention. * La rétention est dite observée, qui est calculée à partir de la concentration de l’élution et est calculée par la formule : * Ret = 1 – (Cp/Ca) * **Sélectivité de procédés:** * **Ret = 1:** signifie que le soluté est parfaitement retenu par la membrane. * **Ret = 0:** correspond à un soluté non retenu. * **Colmatage et résistance membranaire:** * Est définie par l’accumulation de la matière à la surface de la membrane ou à l’intérieure des pores de la membrane. * **Rtotale = Rm + Rrev + Rirr** * **Rm:** Résistance neuf ( résistance due au colmatage réversible, éliminer par rinçage de l’eau) * **Rrev:** Résistance réversible ( résistance due au colmatage réversible persiste après rinçage) * **Rirr:** Résistance irréversible ( résistance due au colmatage, irreversible. * **Taux de conversion (Y):** * Y = (QP/QA) * **Seuil de coupure:** * Correspond à la masse molaire retenue à 90%. * **Seuil de coupure** * **Microfiltration:** 0,1 à 5 µm. * **Ultrafiltration:** 0,01 à 0,1 µm * **Nanofiltration:** 150 à 1000 Daltons * **Osmose inverse:** 30 à 150 Daltons * **1 Dalton = 1 g/mol.** * **Taux de rétention de substances de référence:** * **NaCl en osmose inverse** * **My SOU** * **Cacle** * **Sucre en nanofiltration** Il est important de connaître les conditions dans lesquelles les taux de rétention sont mesurés (PTM, débit, T°, concentration).