Filtration par membranes pour le traitement des eaux usées

Avantages et inconvénients

Parmi les processus qui ont le plus évolué au cours des dernières décennies, on trouve la filtration à travers membrane. De manière générale, ceux-ci consistent à forcer le passage du liquide à filtrer à travers une membrane placée sur un support solide.

Ils fonctionnent parce que certaines classes de membranes permettent le passage de particules ayant des caractéristiques particulières, tout en empêchant le passage de celles qui ne possèdent pas ces mêmes caractéristiques.

Le fait de nécessiter des flux de perméat de plus en plus élevés, produits à des pressions de fonctionnement plus faibles, a conduit à un progrès constant dans la conception et la fabrication des membranes.

Les opérations de séparation par membrane sont largement utilisées et leur utilisation est supérieure à celle des méthodes conventionnelles en raison de leur capacité à produire des séparations de manière très efficace à température ambiante et par rapport au rapport coût/efficacité. Ci-dessous, les principaux avantages et inconvénients de celles-ci par rapport à d’autres technologies sont décrits :

Avantages

• Ils offrent une efficacité de séparation élevée où le facteur clé est le cut off de la membrane.
• Ce sont des processus qui peuvent être réalisés à température ambiante et de manière continue.
• La consommation d’énergie n’est pas élevée et l’utilisation de réactifs chimiques n’est pas nécessaire (sauf pour les anti-incrustants pour nettoyer les membranes).
• La facilité de combinaison de cette technique avec d’autres processus.
• Des installations très compactes qui nécessitent peu d’espace physique.

Inconvénients

• Ce n’est pas une technique qui élimine le contaminant, mais qui le concentre.
• Une courant de rejet/résidu est généré et doit être correctement traité.
• Il faut également tenir compte du coût des membranes et de leur durabilité. Il est important de prétraiter l’effluent pour prolonger la durée de vie des membranes.
• En fonction de l’application concrète, des problèmes de dégradation, de salissure ou de polarisation de la membrane peuvent survenir. Des problèmes qui, bien qu’ils puissent être résolus, compliquent et augmentent les coûts d’exploitation.

Classification des Membranes

Actuellement, il existe de nombreuses classes et types de membranes, qui permettent le passage de certains solutés ou d’autres en fonction de leur nature, de leur charge ionique ou de leur taille.

Dans cet article, nous nous concentrerons sur la classification des processus de membrane selon le facteur de séparation.

Source : Caractérisation structurale et superficielle de membranes microporeuses, Laura Palacio Martínez, 1999 – Université de Valladolid

Par taille des particules

En fonction de la taille des particules que l’on souhaite séparer du liquide, le type de membrane à utiliser variera, étant possible de choisir entre la filtration, microfiltration, ultrafiltration, nanofiltration et osmose inverse.

Dans tous ces processus, la force impulsive est la pression. Ci-dessous, les différences entre elles sont détaillées :

Filtration

La filtration conventionnelle utilise comme milieu filtrant un milieu poreux formé par un matériau granulaire (gravier, sable, anthracite, etc.).

Le liquide à filtrer passe à travers le lit poreux, par gravité ou par pression, les solides étant piégés dans les espaces interstitiels entre les particules qui composent le lit filtrant.

L’alternative à la filtration par lits poreux est l’utilisation de filtres formés par des agglomérats de fibres synthétiques de polycarbonate ou de cellulose. En fonction du matériau utilisé et de sa disposition, le diamètre moyen du pore du filtre varie, étant ce paramètre qui détermine la taille minimale des particules qui resteront retenues (cut off ou valeur de coupure du filtre).

Ces filtres sont repliés à l’intérieur d’un cartouche et sont capables de retenir des particules de taille supérieure à 10 mm (particules de sable, de poussière fine, etc.). Ils permettent de travailler à des densités de flux de 4 à 8 m³/(m²·h), qui, bien que les densités de flux des filtres granulaires soient similaires, ces derniers nécessitent beaucoup plus d’espace physique pour offrir la même surface de filtration.

Cependant, les filtres granulaires peuvent être soumis à des lavages à contre-courant, qui sont très efficaces. Ainsi, pour filtrer un effluent avec un contenu élevé en solides, l’option la plus appropriée est les filtres granulaires. Et lorsque le contenu en solides est faible ou modéré, les cartouches de filtration sont plus compétitives et nécessitent moins d’espace.

Microfiltration

Les membranes de microfiltration séparent des particules ayant une taille comprise entre 0,1 mm et 10 mm (batteries, poussière de charbon très fine, amiante, etc.). Ces membranes peuvent être en nylon, polyéthylène, polypropylène, etc.

Ultrafiltration

Les membranes d’ultrafiltration retiennent le passage de particules ayant une taille comprise entre 1 nm et 100 nm (0,1 mm), qui est la taille des virus, des colloïdes, des macromolécules, des endotoxines, etc.

Le mode de fonctionnement est équivalent à celui de la microfiltration, l’ensemble des membranes étant placé sur un support et une pompe augmentant la pression du liquide pour qu’il passe à travers la membrane.

Nanofiltration

Alors qu’avec la microfiltration et l’ultrafiltration, on sépare des particules en suspension du liquide, grâce à la nanofiltration, on peut séparer des molécules dissoutes dans le liquide (sucres, protéines, molécules de colorant, etc.).

Les membranes de nanofiltration ont une valeur de coupure comprise entre 0,1 nm et 1 nm, taille typique de la plupart des molécules qui n’ont pas un poids moléculaire élevé.

Même des ions comme le Ca²⁺ et le Mg²⁺ sont retenus, ce qui permet d’utiliser ces membranes pour éliminer la dureté de l’eau, sans avoir à doser des réactifs chimiques.

Osmose inverse

L’osmose inverse est un phénomène basé sur l’équilibre qui s’établit des deux côtés d’une membrane semi-perméable séparant deux volumes de liquide avec des concentrations salines différentes. Le solvant diffuse à travers la membrane et la traverse, tandis que les ions dissous ne peuvent pas le faire.

Naturellement, le solvant passerait de la solution la plus diluée en sels à la plus concentrée, pour égaliser la pression osmotique (osmose). Cependant, si l’on applique une pression du côté de la solution la plus concentrée, le flux à travers la membrane s’inverse et un flux net de solvant traverse la membrane de la solution la plus concentrée vers la moins concentrée. La pression à appliquer dépend de la concentration de sels dans la solution concentrée.

Dans la microfiltration, ultrafiltration et nanofiltration, tout le fluide passe à travers la membrane tandis que les solides restent retenus à la surface de la membrane.

Dans le cas de l’osmose inverse, comme à mesure que la solution augmente sa concentration en sels, la pression appliquée doit également être plus élevée, le flux est tangent par rapport à la membrane. De cette manière, une partie du solvant traverse la membrane et l’autre partie entraîne vers l’extérieur tous les sels.

Ainsi, il existe un débit d’alimentation et deux effluents, celui de perméat et celui de rejet, où se concentrent tous les sels dissous, molécules et particules que contenait l’aliment.

En fonction du type de membrane utilisée, de la pression de fonctionnement et des caractéristiques de l’effluent à traiter, la proportion entre le débit de perméat et le débit d’alimentation varie, allant de 50 à 75 %.

Pour prolonger la vie des membranes d’osmose inverse et de nanofiltration, il est conseillé de prétraiter l’effluent, généralement par une ultrafiltration.

De nombreux secteurs industriels utilisent l’osmose inverse pour produire de l’eau de haute pureté, comme c’est le cas de l’industrie pharmaceutique, de l’industrie alimentaire, des centrales nucléaires, de l’industrie électronique, de l’industrie biotechnologique, etc.

Dans les applications environnementales, l’osmose inverse est également utilisée pour réduire et/ou concentrer au maximum les effluents résiduels, processus généralement suivi d’une étape d’évaporation-concentration sous vide pour finir de concentrer pleinement le résidu. L’osmose inverse est également utilisée pour affiner l’eau condensée dans les processus d’évaporation où des résidus sont concentrés.

En résultat standard, l’osmose inverse restitue 80 % d’eau purifiée et un rejet de 20 %.

Par charge des particules

Électrodialyse

Elle consiste en l’élimination des ions chargés électriquement et qui se trouvent dissous dans l’eau. Pour réaliser cette élimination, on introduit dans l’eau aliment un couple d’électrodes de charge électrique différente de manière à ce que les ions dissous soient attirés par les électrodes de signe opposé au leur.

Par ce procédé, on parvient à déplacer les ions d’un endroit à un autre de la solution.

Il est fondamental d’utiliser alternativement des membranes sélectives anioniques et cationiques pour que l’eau aliment perde des ions négatifs et positifs après son passage par la zone de séparation.

Ce qui est intéressant, c’est de placer les membranes alternativement de telle sorte que dans certains canaux se concentrent les solutés, dans une eau appelée concentré, et dans d’autres canaux circule l’eau aliment qui perd peu à peu ses contaminants jusqu’à sortir du processus avec une concentration de sels très faible.

Électrodialyse Réversible

Dans ce cas, les polarités des électrodes sont périodiquement inversées de manière à ce que les flux d’eau changent temporairement de sens, recevant de l’eau purifiée ceux qui transportaient le concentré et vice versa.

Cette méthode élimine le risque de formation de précipités, d’incrustations et d’obstruction des membranes, car le changement périodique du sens du flux d’eau contribue à nettoyer les conduits et les membranes, en plus d’éviter l’apparition de boues et d’autres dépôts dans l’installation.

Configuration des Membranes

Il existe des équipements commerciaux avec différentes dispositions des membranes, pour s’adapter à des conditions différentes.

Ainsi, nous pouvons trouver les configurations suivantes :

Cartouche de membranes

Les membranes sont pliées autour du collecteur de perméat. Ce sont des systèmes compacts, idéaux pour traiter des solutions avec une faible concentration de solides en suspension et sont généralement utilisés avec des membranes de filtration et de microfiltration.

Membranes en spirale

Un ensemble de feuilles de membrane, séparées par un support poreux, est enroulé autour d’un tube qui agit comme collecteur de perméat. C’est un design très compact, présentant un bon rapport coût-efficacité et approprié pour des applications de grand volume.

Il est généralement utilisé avec des membranes de nanofiltration et d’osmose inverse.

Membrane tubulaire

Les membranes, de forme tubulaire, sont placées à l’intérieur d’un boîtier rigide. L’alimentation entre par l’intérieur des membranes et le flux est dirigé vers l’extérieur. En raison du diamètre du tube de la membrane, de 5 à 10 mm, il est peu probable qu’il y ait des problèmes de colmatage. Elle est appropriée pour des effluents avec une concentration élevée de solides en suspension. Elle est généralement utilisée pour des applications d’ultrafiltration.

Filtre à plaque et cadre

Il ressemble physiquement à un filtre presse. Les membranes sont placées sur les cadres séparées par des plaques et l’alimentation circule dans l’espace entre les plaques et les membranes. D’un côté de la membrane, les solides se concentrent et de l’autre, le perméat est évacué.

Cette disposition n’est utilisée que lorsque l’aliment a une viscosité élevée, généralement dans les applications des industries pharmaceutique et alimentaire.

Fibre creuse

Elle se compose d’un grand nombre de membranes avec un diamètre inférieur à 0,1 mm qui constituent un faisceau à l’intérieur d’un boîtier.

Elle est pratiquement utilisée uniquement pour des applications de nanofiltration et d’osmose inverse pour traiter des effluents avec une faible concentration de solides.