Filtration par membranes céramiques pour le traitement des eaux

Sections

• Introduction
• Filtration frontale et Filtration tangente
• Caractéristiques des membranes céramiques
• Champ d’application
• Récupération des filtrats et des concentrés
• Calculs d’installation des membranes céramiques

Introduction

Les tendances actuelles dans le traitement des eaux se dirigent vers l’utilisation de membranes de filtration, que ce soit pour filtrer des particules en suspension, des colloïdes, des matières organiques, des bactéries, des macromolécules et même des sels ; de cette manière, nous couvrons le spectre de séparation en fonction de la taille et de la nature des contaminants.

Fondamentalement, les membranes se classifient en organiques et inorganiques. Les premières sont généralement utilisées pour des eaux peu contaminées, car les matériaux dont elles sont constituées (polysulfone, polyamide, cellulose, etc.) ne tolèrent pas des agents contaminant à des concentrations élevées, ni des valeurs de pH ou des températures extrêmes ; de plus, les oxydants, les huiles et la matière organique sont des agents indésirables qui doivent être évités pour empêcher leur encrassement et leur détérioration.

Si nous nous concentrons sur le traitement des effluents complexes, l’utilisation de membranes inorganiques s’impose, et parmi elles, nous observons que celles qui sont de plus en plus utilisées sur le marché sont les membranes céramiques en raison de leur haute efficacité, de leur résistance aux milieux les plus extrêmes et de leur durabilité.

Pour déterminer les membranes céramiques à utiliser dans un cas spécifique, nous devons tenir compte de la nature de l’effluent à traiter et de la taille des particules que nous souhaitons séparer. Ainsi, le cut-off est établi, ainsi que les unités dans lesquelles la taille des pores des membranes est mesurée.

Unités de mesure et relation entre elles

Les unités utilisées pour mesurer la taille des particules sont essentiellement :

• La micromètre (µm) = 10^-3 mm
• Le nanomètre (nm) = 10^-3 µm
• L’Armstrong (A⁰) = 10^-4 µm

Les plages de filtration en fonction de la taille des pores des membranes se classifient en : Microfiltration, Ultrafiltration et Nanofiltration, bien que la Nanofiltration envisage la séparation partielle des sels de plus grande taille et se situe à une limite proche de l’osmose inverse.

Lorsque nous parlons de Microfiltration, nous utilisons le µm comme unité de mesure des particules, tandis que pour l’Ultrafiltration et la Nanofiltration, nous utilisons le KD (kilodalton), qui est défini comme l’unité de masse moléculaire équivalente à 1.000 daltons. Un dalton est un dixième de la masse de l’atome de carbone et équivaut à 1,66 X 10^-24 g.

Nous voyons donc que, pour ces niveaux, une relation approximative entre la taille des particules et la masse moléculaire est établie, selon le graphique suivant :

En osmose inverse, nous parlons de séparation des sels et d’autres phénomènes électrochimiques plus complexes interviennent. La séparation correspond à des niveaux moléculaires et l’A⁰ et le type de molécules sont généralement utilisés. Dans cette étude, nous ne parlerons pas des membranes d’osmose inverse, car nous orientons l’application vers le traitement des effluents, et, à cet égard, ces membranes ont de nombreuses limitations comme indiqué au début du texte.

Les fabricants de membranes céramiques établissent le type de filtration en trois groupes, selon leur gamme de fabrication :

• Microfiltration : de 0,1 à 1,4 µm
• Ultrafiltration : de 15 à 300 KD
• Nanofiltration : de 1 à 10 KD

Dans le graphique suivant, nous voyons le spectre de filtration pour l’ultrafiltration et la microfiltration, avec certains des contaminants qui sont généralement séparés à chaque niveau.

Filtration frontale et Filtration tangente

Lorsqu’une filtration frontale ou totale est réalisée, tout le liquide qui entre en contact avec la surface de la membrane est forcé de passer à travers elle. Certains solides et composants seront retenus par la membrane tandis que le reste passera de l’autre côté. Ce processus dépend principalement de la taille des pores de la membrane, bien qu’il existe d’autres facteurs à prendre en compte. En conséquence, le liquide éprouvera progressivement une plus grande résistance à passer à travers la membrane, en raison de l’accumulation de substances. Lorsque la pression du fluide entrant est maintenue constante, le flux sera réduit jusqu’à ce qu’il ait diminué au point que la membrane devra être nettoyée, car la couche retenue (concentré) aura atteint une épaisseur trop élevée. La pression nécessaire pour faire passer le flux à travers la membrane est appelée Pression Transmembranaire (PTM).

La PTM est définie comme le gradient de pression de la membrane, ou la pression moyenne du flux d’entrée moins la pression de perméat ou de filtrat. À mesure que la surface filtrante se colmate, ce paramètre devra être augmenté si l’on souhaite continuer correctement le processus, jusqu’à atteindre un point limite où le processus de nettoyage devra être mis en marche. Cela fait que le processus de filtration est considéré comme discontinu, cherchant à ce que le cycle opérationnel soit le plus long possible et que les nettoyages soient rapides et efficaces. Ce type de filtration a donc certains inconvénients ; mais il peut être une bonne solution pour de nombreuses applications, comme le concentré de composants.

Dans les membranes céramiques, une filtration tangente est réalisée, où le retenu ou concentré est recirculé afin que, par un cycle de rétroaction, il fasse à nouveau partie du flux d’apport qui est parallèle à la membrane, ce qui permet à ce type de filtration de travailler avec des plages de pression beaucoup plus faibles que celles de la filtration totale. Seule une petite partie du flux traversera la membrane pour devenir perméat (filtré), et la plus grande partie ira au réservoir de concentré.

La vitesse du flux d’eau parallèle à la membrane est relativement élevée. Le but de ce flux est de contrôler l’épaisseur de la couche. En raison de la vitesse à laquelle l’eau s’écoule, les forces de flux sont élevées, ce qui permet aux solides en suspension d’être entraînés par la circulation du liquide.

Avec ce système de filtration, la possibilité de colmatage est réduite et la formation de la pellicule de solides est retardée et diminuée. La gestion par filtration tangente peut atteindre des flux stables. Dans tous les cas, l’encrassement se produit et le nettoyage des membranes doit être effectué, qui, dans le cas des céramiques, admet des valeurs de température, des oxydants, des solvants et des pH extrêmes.

Schéma de filtration frontale et filtration tangente

La vitesse linéaire (V_L) ou de flux tangentiel est celle à laquelle l’alimentation s’écoule à l’intérieur de la membrane. Dans le cas d’une membrane tubulaire, la vitesse linéaire peut être définie comme le rapport entre le flux d’entrée et la section intérieure de la membrane.

V_L = F_r / S_{i en} (m/s)

Où : F_r est le flux d’alimentation. [m³/s] et S_i est la section intérieure de la membrane. [m²]

Une vitesse linéaire élevée tend à éliminer le matériau déposé et, par conséquent, réduit la résistance hydraulique à travers la membrane, ce qui permet d’obtenir plus de flux de perméat. Des débits d’alimentation plus élevés réduisent également les phénomènes de polarisation de la concentration, augmentant le coefficient de transfert de masse.

Caractéristiques des membranes céramiques

Les membranes céramiques sont principalement fabriquées avec de l’alumine tabulaire (αAl ₂O₃) ainsi que du carbure de silicium (SiC), toujours à des températures de frittage élevées (1.800-2.000ºC).

Bien qu’il existe également des modèles de membranes planes pour des applications spécifiques, ces membranes ont généralement une forme tubulaire et différentes configurations selon le nombre de canaux qui les traversent ; ainsi, pour des effluents chargés ou de plus grande viscosité, des membranes à grands canaux et en nombre réduit sont généralement utilisées, tandis que pour des effluents plus fluides et moins chargés, des membranes avec plus de canaux et de plus petite taille sont utilisées. Les membranes avec plus de canaux ont une plus grande surface équivalente de filtration. Le chemin le plus fiable pour réaliser un bon design de l’installation à mettre en œuvre est de faire des essais ou des pilotes avec le liquide à traiter, et d’essayer différentes membranes de probable utilisation.

L’ensemble des membranes à installer pour réaliser le traitement est logé à l’intérieur de carter construits en acier inoxydable, avec des joints en élastomères adaptés au milieu et aux nettoyages (normalement viton ou PTFE).

Carter pour membranes céramiques

 

Membranes céramiques de différentes sections

Le liquide que l’on souhaite filtrer est préalablement conditionné dans un système de préfiltration afin d’empêcher l’obstruction des canaux des membranes. L’alimentation du liquide à traiter se fait à travers les canaux qui traversent longitudinalement la membrane. Selon le schéma annexé, le perméat est obtenu lorsque le liquide traverse les parois des canaux et est recueilli à l’extérieur de la membrane. Le concentré reste dans les canaux et passe dans le circuit de recirculation.

 

Champ d’application

Les membranes céramiques ont un large champ d’application, surtout dans l’industrie alimentaire, pharmaceutique, chimique, séparation des métaux du processus de précipitation, bains de décapage et de dégraissage, industrie pétrochimique, des boissons (surtout vins et bières) et dans l’exploitation minière.

Dans cette étude, nous les considérons dans le domaine du traitement des eaux. Pour les eaux de processus, elles sont utilisées comme prétraitement d’installations qui exigent des valeurs de turbidité très basses comme l’osmose inverse. Bien qu’elles commencent déjà à être utilisées pour filtrer des eaux destinées à la microélectronique, aux eaux potables ou à l’industrie chimique.

Dans les eaux usées, elles ont un très large éventail d’applications, car, en plus d’obtenir des perméats de haute qualité, elles présentent de multiples avantages par rapport à d’autres processus de purification classiques (flottation, décantation, filtres à sable), qui génèrent d’importantes productions de déchets, ont une consommation élevée de réactifs (coagulants, floculants, ajustements de pH, etc.), occupent de grandes surfaces et nécessitent beaucoup de main-d’œuvre pour leur entretien.

Ces dernières années, des membranes à faible coût ont été fabriquées, permettant leur utilisation dans des traitements d’eaux à des coûts compétitifs.

Dans la purification biologique, en plus de la réduction des matériaux contaminant en général, la séparation des microplastiques et des fibres est également envisagée. Pour ce type de purification et, en particulier pour l’anaérobie, des références de MBR avec des membranes céramiques sont déjà disponibles, en raison du type de boues à traiter, de leur haute résistance et de l’absence de contamination des boues, qui peuvent être vendues, minimisant ainsi le coût économique de la purification.

Les principaux secteurs dans lesquels ces membranes sont utilisées sont :

• Séparation et récupération des fluides de perçage
• Séparation et récupération des fibres et des additifs dans les circuits de l’industrie papetière.
• Récupération et purification des bains de dégraissage
• Récupération des industries de peinture
• Récupération des acides et des alcalis dans l’industrie métallurgique
• Séparation et récupération des encres.
• Séparation et récupération des solvants
• Séparation et concentration des effluents de sucre dans les sucreries.
• Séparation et concentration des produits dans l’industrie chimique.
• Séparation et récupération des métaux et des additifs dans les industries galvanoplastiques.

Ce type d’équipement a un coût d’installation initial relativement élevé, car au coût des membranes s’ajoute celui du groupe de pompage de recirculation qui doit être d’une taille importante pour l’ensemble, afin d’obtenir des vitesses tangentielles adéquates qui rendent le processus viable, et les matériaux doivent être d’une résistance élevée aux milieux dans lesquels ils travaillent (on utilise généralement des aciers inoxydables de type AISI 316L ou supérieurs). Cependant, la durée de vie attendue des membranes est très longue (> 10 ans), et une fois les cycles de filtration régulés, elles ne posent généralement pas de problèmes d’entretien, ce qui leur confère une grande fiabilité.

Récupération des filtrats et des concentrés

Il est évident qu’il est nécessaire de minimiser le rejet des effluents les plus polluants pour l’environnement, qui sont justement ceux qui sont traités avec ce type de membranes. La tendance doit donc être le prétendu “rejet zéro”, car il n’y a pas de meilleur traitement que la non-contamination.

Il existe de nombreux cas dans l’industrie, où une filtration réalisée au niveau indiqué permet d’obtenir des filtrats qui sont réutilisables dans une plus ou moins grande mesure dans les processus de production ou de services de l’entreprise émettrice ; de plus, dans de nombreux cas, le retenu pourrait être réutilisé s’il avait le degré de concentration et de qualité requis, selon les spécifications du fabricant.

Les technologies les plus appropriées pour obtenir ces effets sans produire la pollution de l’effluent seraient l’Évaporation et la Cristallisation.

Avec l’évaporation sous vide, on obtient des distillats de haute pureté qui, fréquemment, peuvent être réutilisés dans les processus de l’usine. On travaille généralement à des températures d’évaporation autour de 50ºC, et le condensat pourra apporter son énergie calorifique pour d’autres processus via des échangeurs de chaleur. Les concentrés peuvent atteindre des niveaux élevés de sécheresse, car on travaille en plusieurs étapes d’évaporation.

Dans la mesure où les concentrés acquièrent une revalorisation importante, leur concentration est justifiée, allant même jusqu’à la cristallisation par le biais d’un équipement spécifique (cristalliseur).

L’ensemble des membranes céramiques + évaporation / cristallisation offre une solution technique hautement évoluée et efficace qui, pour les cas de réutilisation, peut être considérée davantage comme une étape du processus de production qu’un traitement de déchets ou d’effluents, et le délai d’amortissement des installations devient viable dans l’étude économique globale de l’usine.

Dans tous les cas, le cadre d’application de ces solutions devient de plus en plus large, à mesure que les technologies se perfectionnent et que l’on recourt aux énergies renouvelables,

Calculs d’installation des membranes céramiques

Nous partons d’un exemple, où l’on souhaite traiter un effluent provenant du lavage des machines d’impression avec des encres flexographiques. Nous voulons traiter un rejet quotidien de 35 m³, qui se trouve à température ambiante (environ 20 ºC).

Un essai de l’échantillon est réalisé avec une densité = 1 et il est constaté que la taille des particules est d’environ 0,05 µm et une densité et viscosité similaires à celles de l’eau.

Des tests sont effectués avec des membranes céramiques et il est obtenu qu’une vitesse de 80 l/h/m² est adéquate, et une membrane céramique tubulaire de UF, de type Margarine (7 canaux) avec une surface unitaire de 0,2 m² est sélectionnée, qui selon les tableaux du fabricant nécessite un débit de circulation de 1000 l/membr/m/s. Dans ces conditions, les cycles de production entre nettoyages de l’ensemble des membranes céramiques ont dépassé les 72 heures, ce qui est considéré comme viable pour le processus. L’objectif est de récupérer l’eau du rejet pour la réutiliser dans le lavage et de concentrer le solide séparé pour pouvoir l’envoyer à la décharge comme déchet.

Tout d’abord, nous calculons la surface nécessaire pour filtrer la totalité de l’effluent :

S = (35 m³/j /24 h/j) / 80 l/h/m² = 18,6 m² de membranes type Margarita.

Nº. Membranes = 18,6 m² / 0,2 m²/membrane = 92 membranes

Le fabricant dispose de deux types de carters qui peuvent être adaptés :

• 1 de 99 membranes.
• 2 de 55 membranes.

Pour sélectionner l’option la plus appropriée, nous analysons : le coût des équipements, la consommation énergétique et la flexibilité de l’installation.

Coût de l’installation :

Bien qu’un seul carter de 99 membranes soit plus économique que deux de 55, tant le groupe de pompage de recirculation que les tuyaux, vannes et accessoires sont plus coûteux pour la version d’un seul carter, ainsi que le tableau de puissance et l’électrification, de sorte que le coût est assez similaire pour les deux options.

Consommation énergétique :

Avec un débit de 1 m³/h/membrane, et à une vitesse de circulation dans les membranes recommandée de 3,5 m/s, nous avons :

• Cas d’un carter avec 99 membranes :

QR = 1 m³/h/memb. /m/s x 99 memb. x 3,5 m/s = 346,5 m³/h

Avec ce débit et afin de réduire la perte de charge, nous prenons une vitesse de circulation dans le circuit de 1,5 – 2 m/s, donc le diamètre du circuit de recirculation devrait être de 12 “.

En disposant du minimum de vannes et d’accidents dans la tuyauterie, la perte de charge de l’ensemble est d’environ 12 m.c.a.

Si nous calculons la puissance du moteur de la pompe :

Pot. = (Q x P x 75) / 10000. = (346,5 m³/h x 12 m.c.a x75) / 10000 = 31,18 CV) => Nous prenons un moteur de 40 CV en pensant qu’il aura un variateur de fréquence.

• Cas avec deux carters de 55 membranes, disposés en série :

QR = 1 x 55 x 3,5 = 192,5 m³/h., le circuit de recirculation serait de Ø 8”, dans ces conditions la perte de charge des deux carters disposés en série serait d’environ 18 m.c.a., et la puissance du moteur de la pompe :

Pot. = (192,5 x 18 x 75) / 10000 = 25,98 CV => Nous prenons un moteur de 30 CV.

Il est donc plus rentable énergétiquement d’utiliser deux carters en série.

Flexibilité de l’installation :

Bien que les pannes soient rares dans ce type d’installations, il peut arriver que nous ayons une fuite dans une membrane (par exemple, dans un joint), ou qu’une membrane ait éclaté (beaucoup moins probable). Dans le cas où nous disposons de deux carters, nous pouvons annuler un et travailler avec l’autre à moitié débit, ce qui nous donne plus de flexibilité.

Dans ce cas, nous optons pour disposer de deux carters en série, selon le schéma suivant :

Considérations pratiques

Les installations de membranes céramiques sont très robustes et résistantes aux conditions de température, de pression, d’alcalinité, d’acidité et aux attaques chimiques, mais en même temps, elles présentent certaines faiblesses qu’il convient de prendre en compte :

• Éviter les coups de bélier et les chocs, car les membranes céramiques sont très dures, mais aussi fragiles.
• Éviter les accidents, les vannes et les instruments qui ne sont pas strictement nécessaires dans les lignes de circulation pour éviter les pertes de charge qui entraîneront une consommation énergétique élevée.
• Prendre en compte les matériaux de construction de l’équipement lors d’un nettoyage ou d’un traitement (par exemple, travailler avec de l’HF lorsqu’il y a des électrodes en verre).
• Ne pas prolonger les cycles de filtration, car cela rendra le nettoyage plus difficile par la suite.
• Les effluents de nettoyage sont souvent très contaminés, il est donc conseillé de les envoyer à un gestionnaire autorisé, ou de les concentrer par évaporation avant de les envoyer à une décharge de déchets adaptée à leurs caractéristiques.
• Il est préférable que la pompe de recirculation soit équipée d’un variateur de fréquence, de manière à consommer l’énergie strictement nécessaire à chaque moment.
• Lors du montage et du démontage des membranes dans leurs cartouches, une attention particulière doit être portée à ce que les joints soient correctement placés et ajustés.
• En raison de la nature des effluents et des réactifs manipulés, il est nécessaire de respecter strictement les normes de sécurité, en utilisant les EPI et les mesures complémentaires nécessaires.