Sommaire Généralités Procédés membranaires Classification des membranes Modules membranaires Conception des systèmes membranaires

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1 Dr Mehdi METAICHE Maître de Conférences TECHNOLOGIE MEMBRANAIRE Faculté des Sciences et des Sciences Appliquées, Université de Bouira Juin 2014

2 TECHNOLOGIE MEMBRANAIRE Dr Mehdi METAICHE Maître de Conférences Faculté des Sciences et des Sciences Appliquées, Université de Bouira Juin 2014

3 Sommaire Chapitre 1 : Généralités 1 Chapitre 2 : Procédés membranaires 9 Chapitre 3 : Classification des membranes 18 Chapitre 4 : Modules membranaires 23 Chapitre 5 : Conception des systèmes membranaires 34 Chapitre 6 : Systèmes énergétiques 44 Chapitre 7 : Performances des membranes 53 Chapitre 8 : Transport et transfert à travers les membranes 57 Chapitre 9 : Problèmes spéciaux 65

4 Chapitre 1 Généralités 1 Echelle de l univers, des vivants, des objets et des produits : 1

5 2 Comparaison des différents éléments à séparer de l eau : Molécules NaCl dans l eau Molécule d eau Représentation schématique d une protéine (myoglobine). Représentation schématique 3D d'une molécule de saccharose ADN -2 CaCO 3 : carbonate de Phosphates : PO 4 calcium Nitrates N NO 3-1 magnesium (Mg ++ ), calcium (Ca ++ ), strontium (Sr ++ ), carbonate (CO -- 3 ), and sulfate (SO -- 4 ) ions. Sucre (glucose) C 6 H 12 O 6 2

6 3 Comparaison des AND de certains éléments qu on peut trouver dans l eau: De gauche à droite : ADN humain, ADN de levure, ADN de Procaryote et ADN de virus 4 Les différentes techniques séparatives : Techniques à distillation Multi stages flash: MSF Distillation à multiples effets MED Distillation à compression de vapeur VC Techniques à membrane MF, UF, NF, RO (OI) Electrodialyse Techniques à congélation 5 Comparaison entre les techniques membranaires : 6 Classification des techniques membranaires (condition isothermes) : 3

7 Osmose Inverse (OI) : L Osmose Inverse est un procédé haute pression, énergétiquement performant, utilisé pour l élimination de l eau par concentration de composés à faible poids moléculaire. L Osmose Inverse peut aussi être utilisé pour le traitement des eaux usées. Ce procédé est couramment utilisé pour la pré-concentration des produits laitiers ou alimentaires avant l évaporation, le traitement des condensats des évaporateurs et la purification des eaux de process. Nanofiltration (NF) : La Nanofiltration est un procédé de filtration unique dont le domaine d application se situe entre l Ultrafiltration et l Osmose Inverse. Elle est conçue pour obtenir une séparation très spécifique de composés à faible poids moléculaire, tels que les sucres, des minéraux dissous et des sels. Ce procédé inclut la déminéralisation des produits laitiers, la récupération des protéines hydrolysées, la concentration des sucres ainsi que la purification des colorants solubles et des pigments. Ultrafiltration (UF) : L Ultrafiltration est un procédé de séparation sélective utilisé pour concentrer et purifier les composés de poids moléculaire moyen ou fort tels que les protéines de lait ou végétales, les glucides et les enzymes. Les domaines d application sont notamment la concentration des protéines sériques, la concentration et la déminéralisation des gélatines et la clarification des jus de fruit. Microfiltration (MF) : La Microfiltration est un procédé basse pression qui permet de séparer des composés à grand poids moléculaire (éléments en suspension ou éléments colloïdaux) des solides dissous. Ce procédé inclut la récupération de cellules issues de bouillons de fermentation, le fractionnement de protéines de lait, la clarification du sirop de maïs et la récupération de produits chimiques utilisés dans les phases de Nettoyage en Place (NEP). 4

8 7 Types d éléments à séparer de l eau (avec l échelle de taille (µm) et le procédé de filtration convenant) : Macro particules (en suspension) Micro particules (en suspension) Macro molécules Petites molécules Ions diatomiques Taille Classique Classique MF UF NF OI grossiere fine Sable fin >100 µm * Cheveux >50 µm * Pollens >10 µm * MES >5 µm * Globules rouges >1 µm * Parasites >0,5 µm * Bactéries >0,5 µm * * Colloïdes (argiles) >0,005µm * * Virus >0,01µm * * Protéines >0,005µm * * Pesticides >0,001µm * Sucres (glucose) <0,0008µm * Antibiotiques <0,0003µm * * Sels minéraux >0,0003µm * * (SO 4, PO 4, SiO 2, CO 3) Ions monoatomiques divalents Ions monoatomiques monovalents Métaux lourds >0,0001µm * * (Ca ++, Mg ++, Mn ++, Fe ++,) Na +, Cl, K + >0,0001µm * 5

9 [Réf: 6

10 8-Notion de Seuil de coupure [unité: Da]: 1 Da (Dalton) : 1 g/mol. Technologie Membranaire Exemples : Seuil de coupure [Da] Seuil de coupure [kda] Hydrogène 1 0,001 Carbone 12 0,012 Oxygène 16 0,0016 Eau 18 0, Dimensions des différentes particules, molécules ou ions : [Réf : BEATON (N.C.). dans COOPER (A.R.). Ultrafiltration and applications. Plenum Paris, New York, p. 373 (1980)] Espèces Masse molaire M (g/mol):[da] Taille (Nm) Eau 18 0,2 Ions minéraux 10 à 100 0,2 à 0,4 Molécules organiques 30 à 500 0,2 à 0,8 Antibiotiques courants 300 à ,6 à 1,2 Enzymes 10 4 à à 5 Protéines et polysaccharides 10 4 à à 10 Virus - 30 à 300 Colloïdes à 10 3 Émulsions d huile à 10 4 Bactéries 300 à 10 4 Levures et champignons à 10 4 Solides en suspension à

11 [Réf : Richard W. Baker, MEMBRANE TECHNOLOGY AND APPLICATIONS, SECOND EDITION, Copyright 2004 John Wiley & Sons, Ltd., 2004] Références du chapitre 1 : BEATON (N.C.). dans COOPER (A.R.). Ultrafiltration and applications. Plenum Paris, New York, p. 373 (1980) Richard W. Baker, MEMBRANE TECHNOLOGY AND APPLICATIONS, SECOND EDITION, Copyright 2004 John Wiley & Sons, Ltd.,

12 Chapitre 2 Procédés membranaires 1-Définition du procédé : Un procédé est une méthode, une technique utilisée pour la réalisation d'une tâche. En qualité totale, un procédé est une activité humaine ayant des éléments d'entrées (matières premières ou personnes) et des éléments de sorties (produits finis ou personnes). Il y a donc bien transformation d'objets ayant certaines caractéristiques en objets en possédant d'autres. un procédé de séparation est une technique ou une technologie permettant de transformer un mélange de substances en deux ou plusieurs composants distincts. Les buts de ce type de procédé peuvent être divers: Purification: des impuretés doivent être extraits du composé d'intérêt Concentration: élimination d'une partie du solvant Fractionnement: séparation d'un mélange complexe en plusieurs mélanges différents. Représentation schématique d un procédé de séparation membranaire 2-Définition solvant/soluté : Solvant : un solvant est un liquide qui a la propriété de dissoudre et de diluer d'autres substances sans les modifier chimiquement et sans lui-même se modifier. L'eau est le solvant le plus courant. Soluté : pour les solutions liquides, les espèces minoritaires sont appelées solutés. Elles sont dissoutes par le solvant. Par exemple dans une solution aqueuse de sulfate de cuivre de concentration 0,01 mol/l, l'eau est le solvant et les ions sulfate et cuivre sont les solutés. 3-Porosité des membranes : 3-1-Membrane dense : Le passage des molécules à travers les membranes denses, ne s effectue pas à partir de chemins continues (comme dans les membranes poreux), mais par sauts transitoires des molécules dans la 9

13 membrane sous l effet de l agitation thermique du réseau qui crée en un endroit et en un moment donné, un site de passage possible. Le passage à travers une membrane dense, se fait par solution-diffusion (loi de Fick) l effet tamis est négligeable. L application d un gradient de concentration (pression partielle), de pression ou de potentiel électrique, provoque les trois étapes successives : -une solution à la surface de la membrane. -une diffusion dans la matrice membranaire. -une dissolution à l autre surface de la membrane. La diffusion des solutés dépendra donc de leur diffusivité et de leur solubilité à travers la membrane (on pourra donc séparer des solutés de même taille si ces paramètres différent entre eux). 3-2-Membrane poreuse : Les membranes poreuses s apparentent aux filtres courants, les pores étant cependant plus petits. La séparation des molécules en solution se fait donc en fonction de leur taille et de distribution de taille des pores si la membrane est asymétrique. Le mécanisme de transfert de masse est donc le tamisage. Les particules plus grosses que les pores sont toutes retenues, celles de taille comprise entre les plus gros pores et les plus petits sont partiellement retenues, et les particules de plus petites tailles passent en totalité. La séparation de soluté est principalement une fonction de taille moléculaire et de distribution de taille des pores. Généralement, les membranes poreuses sont confectionnées de façon à comporter une distribution des diamètres des pores centrés autour d une seule valeur : - < 2 nm pour micropores. - 2 à 50 nm pour mésopores. - > 50 nm pour macropores. Transport poreux : Le nombre de Knudsen Kn, est un nombre adimensionnel permettant de déterminer le régime d'écoulement (en termes de continuité du milieu et non en termes de turbulence) d'un fluide. Ce nombre porte le nom de Martin Knudsen (physicien et océanographe danois). On le définit de la manière suivante :. 2 /.... : constante de Boltzmann. : température. 10

14 : diamètre de la molécule. : pression. : longueur caractéristique. On donne souvent Kn comme le rapport entre le nombre de collision molécule- molécule, et le nombre de collision molécule- paroi : : Parcours moyen des molécules. : diamètre de pores (diamètre hydraulique). * Kn << 1 (souvent Kn < 0,01) : validité des équations de Navier-Stokes : il s agit d un écoulement visqueux : type Hagen-Poiseuil. ** Kn >> 1 (souvent Kn > 0,01) : non validité des équations de Navier-Stokes ; il s agit donc d une diffusion de Knudsen. *** 1 : régime de transition. 4-Procédés membranaire : 4-1-Osmose inverse L osmose inverse utilise des membranes denses qui laissent passer le solvant (l eau) et arrêtant tous les sels. Cette technique est utilisée pour : Le dessalement des eaux de mer. Le dessalement des eaux saumâtres. La production d eau ultra pure. La concentration de solutions (concentration de jus de fruits par exemple). La production d eau de process. Le phénomène d osmose est un phénomène qui tend à équilibrer la concentration en solutés de part et d autre d une membrane semi-perméable. Le phénomène d osmose est un phénomène naturel courant, notamment à travers les membranes cellulaires. La membrane semi-perméable laissera passer le solvant (le soluté ne passe pas) pour équilibrer la concentration. La différence de concentration crée une pression, appelée Pression osmotique. Pour 11

15 inverser le passage du solvant et augmenter la différence de concentration, il faut appliquer une pression supérieure à la pression osmotique. Principe de l osmose inverse 4-2-Nanofiltration : Nanofiltration est le terme utilisé pour désigner une nouvelle technique séparative à membranes se situant entre l osmose inverse et l ultrafiltration. Elle permet la séparation de composants ayant une taille en solution voisine de celle du nanomètre (soit 10 Å) d où son nom. Les sels ionisés monovalents et les composés organiques non ionisés de masse molaire inférieure à environ 300 g /mol ne sont pas retenus par ce type de membrane. Les sels ionisés multivalents (calcium, magnésium, aluminium, sulfates...) et les composés organiques non ionisés de masse molaire supérieure à environ 300 g/mol sont, par contre, fortement retenus. Les mécanismes de transfert sont intermédiaires entre ceux de l osmose inverse et ceux de l ultrafiltration. Les applications possibles sont nombreuses : La déminéralisation sélective (adoucissement des eaux) ; La concentration de composés organiques de faible masse molaire (antibiotiques). L adoucissement des eaux. 4-3-Ultrafiltration : Cette technique utilise des membranes microporeuses dont les diamètres de pores sont compris entre 1 et 100 nm. De telles membranes laissent passer les petites molécules (eau, sels) et arrêtent les molécules de masse molaire élevée (polymères, protéines, colloïdes). Les applications sont multiples : concentration de solutions macromoléculaires (protéines, polysaccharides, polymères variés). 12

16 élimination de macrosolutés présents dans les effluents ou dans l eau à usage domestique, industriel (électronique) ou médical. Principe de l ultrafiltration 4-4-Microfiltration (Microfiltration tangentielle) : La microfiltration tangentielle peut être définie comme un procédé de séparation solide-liquide qui met en œuvre des membranes dont les diamètres de pores sont compris entre 0,1 et 10 μm. Ce procédé permet donc la rétention des particules en suspension, des bactéries et indirectement des colloïdes et de certains ions après fixation de ces derniers sur des plus grosses particules obtenues par complexation, précipitation ou floculation. Bien que, du point de vue théorique, la différence entre ultrafiltration et microfiltration tangentielle soit très nette (l ultrafiltration fonctionnant en phase liquide homogène et la microfiltration ayant pour objectif une séparation solide-liquide), du point de vue technologique, les deux techniques peuvent se recouper. Ainsi, pour minimiser les phénomènes de colmatage et éviter que des particules solides pénètrent dans les pores des membranes, on a souvent intérêt à utiliser des membranes d ultrafiltration pour effectuer une opération de microfiltration. Inversement, une membrane de microfiltration peut devenir une membrane d ultrafiltration (1 à 100 nm) ou même d osmose inverse (< 1 nm) par suite de la formation en cours de fonctionnement d une couche de gel à porosité très fine (membrane dynamique). 13

17 Comparaison entre filtration classique (ou frontale) et filtration tangentielle. Les MF, UF, NF et RO sont tangentielles. Différents composés rencontrés dans les eaux naturelles et les techniques d élimination. 14

18 Principales caractéristiques des différents procédés. MicroFiltration UltraFiltration NanoFiltration Osmose Inverse MF UF NF OI (RO) Caractéristiques poreuse poreuse poreuse dense de la membrane Mode de transfert convection convection Solution/diffusion Solution/diffusion de masse + convection Diamètre de pores 100 à nm 1 à 100 nm 1 à 10 nm - Perméation de solvant et matière solvant, sels et solvants, ions solvant dissoute. petites molécules. monovalents et petites molécules Rétention de particules, macromolécules, petites molécules, ions monovalents. colloïdes. colloïdes. ions divalents. Pression 0,2 à 2 bar. 2 à 10 bar. 7 à 40 bar. 20 à 80 bar. d opération Débit de 150 à 1500 l/h/m 2 50 à 300 l/h/m 2 50 à 100 l/h/m 2 10 à 60 l/h/m 2 perméation Application -épuration -concentration de -séparation et -concentration de bactérienne de protéines. concentration lactosérum, de l eau. -clarification et d antibiotiques. sang, de blanc -fractionnement stabilisation de -fractionnement d œuf. des globules gras mouts d acides aminés. -dé-alcoolisation du lait. alimentaires, jus, -adoucissement des vins et bières. -fractionnement vins. d eau potable. -dessalement de de protéines. -fabrication de -concentration et l eau. -traitement préfromage déminéralisation d émulsion liquide. du lactosérum. huile/eau. -traitement des effluents (saumures). 5-Choix d un procédé : La figure simplifiée suivante permet de mieux comprendre comment sélectionner le meilleur procédé à membranes selon des critères de qualité et de traitement donnés (d après Bergman et Lozier 1993). 15

19 Elimination des particules seulement Oui Microfiltration ou Ultrafiltration à grands pores Non Elimination des substances dissoutes Non Oui Masse moléculaire > D Oui Ultrafiltration à petits pores Non Masse moléculaire >200 à 250 D Oui Elimination des ions divalents Oui NanoFiltration Non Elimination des ions monovalents (sels) Oui Electrodialyse (non éfficace pour micro-organismes) Non Osmose Inverse Sélection d un procédé membranaire (particules= MES+colloïdes, substances dissoutes= chaines moléculaires parasites, levures, bactéries, virus, protéines + molécules pesticides + ions divalents, monovalent ) Le Dalton exprime la masse d'un atome d'hydrogène et est égal à 1, kg. 1 Da = 1 g/mol. Références du chapitre 2 : Alain MAUREL, Techniques séparatives à membranes: Considérations théoriques, Techniques de l ingénieurs, J2 790, p.1-23, Alain Maurel, Osmose Inverse: Technologie, Manuel du cours en tensif sur techniques à membranes et dessalement de l eau de mer et des eaux saumâtres : principes et état de l art, Tunis (Tunisia) Février

20 Mehdi Metaiche, Optimisation des Systèmes de Dessalement par Osmose Inverse : conception, paramètres de fonctionnement et simulation numérique; Thèse de Doctorat en Sciences Physiques, Ecole Nationale Polytechnique d Alger,

21 Chapitre 3 Classification des membranes 1-Performances des membranes : 1-1- Perméabilité : Elle représente le flux volumique ou massique traversant la membrane par unité de surface membranaire Resistance : Vis à vis la pression, la température et les agents chimiques. Nous notons que la sélectivité et la perméabilité dépendent directement de la pression et de la température. Une membrane, est utilisée toujours dans les limites bien définies de P, T et ph Duree de vie : Chaque membrane a une durée de vie, au delà de laquelle, la membrane ne sera pas performante (chute de rendement et de performances, dégradation de l état, usures ) Taux de conversion : Comme nous l avons déjà évoqué en conclusion du chapitre 1, dans le cas des techniques à membrane, l écoulement du fluide à filtrer peut être continu et tangentiel. La fraction de débit du liquide qui traverse la membrane est appelée taux de conversion de l opération de séparation : 1-5- Sélectivité : La sélectivité d une membrane est, en général, définie par le taux de rejet (appelé aussi taux de rétention) de l espèce (sel, macromolécule, particule) que la membrane est censée retenir : 1 18

22 Dans le cas de l ultrafiltration, l efficacité de la membrane est, en général, caractérisée par le seuil de coupure (cut-off en anglais). Il s agit de la masse molaire (g/mol) correspondant à une rétention pratiquement totale (90 % le plus souvent) d une macromolécule déterminée. Cette notion de seuil de coupure n a pas de sens dans le cas de l osmose inverse ni microfiltration. 2-Structure (morphologie) : les membranes isotropes, elles ont des propriétés structurelles constantes sur toute leur épaisseur; les membranes anisotropes, leur structure composite varie de la surface de la membrane vers l'intérieur; les membranes liquides. 3-Matériaux de fabrication : 3-1-Membranes organiques : Elles sont fabriquées, pour la plupart d entre elles, à partir de polymères organiques (acétate de cellulose, polysulfones, polyamides, etc). Les qualités de ces matériaux leur confèrent une grande adaptabilité aux différentes applications. Environ 90 % des membranes d'ultrafiltration et de microfiltration sont constituées de membranes organiques Membranes minérales ou inorganiques Ces techniques se sont diffusées plus tardivement que les membranes organiques. Ces membranes sont composées de corps entièrement minéraux (matières céramiques, métal fritté, verre). Leur arrivée a permis de travailler dans des conditions extrêmes de température et d'agression chimique, ce qui a ouvert de nouvelles voies dans la séparation par membrane. 19

23 Les membranes dites dynamiques sont fabriquées par l utilisateur à partir de tubes poreux dont le diamètre des pores est compris entre 0.5 et 5 μm. Une dispersion colloïdale de zirconium associée à des copolymères est introduite à l intérieur des tubes. Certaines de ces membranes peuvent trouver des applications en eaux usées Membranes composites (organique et anisotrope) : Apparues au début des années 1990, elles sont caractérisées par une structure asymétrique dont la peau est beaucoup plus fine que celle des membranes classiques non composites et par une superposition de plusieurs couches différenciées soit par leur nature chimique, soit par leur état physique. Elles peuvent être organiques (superposition de polymères organiques différents), organominérales ou minérales (association de carbone ou d'alumine comme support et de métaux tels le zircone, l'alumine et le titane) ; Pour des raisons bien compréhensibles de protection de leur secret de fabrication, les fabricants hésitent à dévoiler avec précision la nature chimique des constituants de leurs membranes et préfèrent en indiquer les principales propriétés en termes : de résistance mécanique (déterminant la durée de vie et l intégrité des membranes) ; d hydrophilicité (déterminant la résistance au colmatage) ; de stabilité chimique (résistance aux agents lavants) Les dérivés de cellulose Les dérivés de cellulose sont utilisés pour la fabrication des membranes asymétriques d ultrafiltration, de nanofiltration et d osmose inverse. Sous l effet de fortes pressions, ils ont tendance à se compacter entraînant une diminution irréversible de la perméabilité. Ce phénomène ne se produit pas en ultrafiltration où les pressions faibles. Ces matériaux présentent une forte hydrophilicité garantissant une faible tendance au colmatage. Leur stabilisé chimique est réduite. Les ph opératoires doivent rester dans une gamme allant de 4 à 6,5 et la température doit rester inférieure à 40 c pour éviter l hydrolyse du matériau. Les dérivés de cellulose supportent une exposition continue à de faibles concentrations de chlore. Il ne faut donc pas hésiter à pratique une chloration avant membrane qui évitera leur dégradation complète par les micro-organismes (BUISSON H., LEBEAU T., LELIEVRE C. HERREMANS L. 1998). 20

24 Structure d une membrane composite (type FilmTec) Le polypropylène Le polypropylène est utilisé pour la fabrication de membranes de microfiltration. Il s agit d un matériau élastique qui résiste bien, sur le plan mécanique, aux rétrolavages. Le caractère hydrophobe de ce matériau le rend assez sensible au colmatage. Il présente une bonne stabilité chimique dans une large gamme de ph mais peut être détruit par le chlore dont l usage est donc proscrit (BUISSON H., LEBEAU T., LELIEVRE C. HERREMANS L. 1998) Les polysulfones Les polysulfones sont utilisés pour la fabrication de membranes d ultrafiltration. Ils peuvent être utilisés tel quel ou servir de support à une couche fine de séparation au sein des membranes composites de nanofiltration ou d osmose inverse. Les propriétés mécaniques de ce matériau ainsi que sa résistance chimique son excellentes (résistance à une large gamme de ph et à une exposition continue au chlore). En revanche, le caractère hydrophobe des polysulfones les rendent sensible au colmatage par adsorption des molécules organiques (BUISSON H., LEBEAU T., LELIEVRE C. HERREMANS L. 1998) Membranes échangeuses d'ions Introduites en 1950, elles fonctionnent sur le principe du rejet d'ions grâce à leur charge. Les techniques d'électrodialyse, la dialyse et l'électro-désionisation font appel à cette technologie. Leur principal domaine d'application actuel est le dessalement de l'eau et le traitement des effluents des installations de protection et de décoration des métaux. De nouvelles générations de membranes, notamment anioniques et bipolaires, présentant une résistance chimique améliorée sont apparues sur le marché. 21

25 4- Géométrie des membranes et des modules : Les modules supportent les membranes, 4 grands types de modules sont commercialisés : Les modules tubulaires ; Les modules fibres creuses ; Les modules plans ; Les modules spirales. 22

26 23

27 5- Marques et fabricants : Références du chapitre 3 : BUISSON H., LEBEAU T., LELIEVRE C. HERREMANS L Alain MAUREL, Techniques séparatives à membranes: Considérations théoriques, Techniques de l ingénieurs, J2 790, p.1-23,

28 Chapitre 4 Modules membranaires 1- Différents types de géométrie des modules : Les modules supportent les membranes, 4 grands types de modules sont commercialisés : Les modules tubulaires ; Les modules fibres creuses ; Les modules plans ; Les modules spiralés. 2- Module tubulaire : Un module tubulaire contient plusieurs tubes qui peuvent être en série ou en parallèle. L eau à traiter circule à l intérieur des tubes et le perméat est recueilli à l extérieur des tubes. Les tubes constituent des canaux d écoulement tangentiel. C est le seul type de module qui peut être nettoyé mécaniquement avec un système de balles de mousse qui raclent les parois des tubes (Alain MAUREL, Techniques séparatives à membranes: Considérations théoriques, Techniques de l ingénieurs, J2 790, p.1-23, une dépense d énergie plus importante que dans les autres configurations. Elles peuvent être de type monocanal ou multicanaux et sont souvent de nature minérale. Dans le cas de membranes tubulaires multicanaux, les tubes sont regroupés en parallèle dans un module. Le perméat est récupéré à l extérieur des tubes, dans l enveloppe du module. Ces systèmes sont moins sensibles au colmatage mais coûtent cher et peuvent être encombrants. Module tubulaire 25

29 Détail 1 des modules tubulaires Détail 2 des modules tubulaires 26

30 3- Module plan : Les modules plans sont les plus anciens et les plus simples : les membranes sont empilées en millefeuilles séparées par des cadres intermédiaires qui assurent la circulation des fluides. La couche sélective étant déposée sur un support, la membrane n a pas de résistance mécanique lorsque la pression est appliquée en sens inverse. Le rétrolavage n est donc pas possible et la membrane finit par se détériorer. Elles sont rigides et ne peuvent être enroulées, elles ne sont donc utilisables que dans des dispositifs de type filtre presse (membranes en feuille montées de part et d autre de cadres rigides, empilés). Module plan (plaque) Détail des modules plans 27

31 4- Module fibres creuses : Les fibres creuses sont assemblées en parallèle suivant deux configurations : *Configuration Int-Ext (schéma a) : comme c est le cas pour les modules tubulaires, l eau à traiter circule à l intérieur des fibres et le perméat est récupéré à l extérieur des fibres. Il y a écoulement tangentiel canalisé à l intérieur des fibres. *Configuration Ext-Int (schéma b et c) : l eau circule à l extérieur des fibres et le perméat est récupéré à l intérieur des fibres. L écoulement entre les fibres est libre. Dans les deux cas, les membranes sont assemblées en faisceaux et leurs extrémités sont noyées dans des bouchons de colle qui isolent le perméat de l eau à traiter (BUISSON et al 1998). Un module industriel peut-être constitué de dizaines de milliers de fibres. Les fibres creuses supportent des rétrolavages. L écoulement à l intérieur des fibres creuses est, selon toutes probabilités, laminaire (APTEL et BUCKLEY 1996). Elles sont uniquement de nature organique et ne possèdent pas de support textile (autosupportées). De même, elles ne sont souvent composées que d un matériau, bien que des fibres creuses composites existent. La couche active (peau) et la sous couche poreuse sont intimement solidaires, ce qui permet de filtrer dans les deux sens. Ce système est peu coûteux mais permet de filtrer des fluides peu visqueux présentant de faibles risques de colmatage. 28

32 Diamètre intérieur du fibre Diamètre extérieur du fibre Diamètre intérieur du faisceau Diamètre extérieur du faisceau Epaisseur de la paroi du fibre Epaisseur de la couche poreuse Longueur de fibre 21x10-6 m 42x10-6 m 1,2x10-2 m 5,4x10-2 m 21x10-6 m 150x10-9 m ~1 m Fibre creuse : configuration Int-Ext. 29

33 Fibre creuse : configuration Ext-Int. 5- Modules spirales : Au sein des modules spirales, une membrane plane est enroulée sur elle-même autour d'un tube poreux qui recueille le filtrat. 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. Membranes composées d un matériau organique. Elles sont très utilisées pour la nanofiltration. Les modules sont composés d un tube sur lequel sont enroulés successivement une membrane, une grille fine, une autre membrane et une grille plus grossière. Les membranes doivent donc être suffisamment flexibles pour être enroulées. Le rétentat circule à travers la grille moins fine tandis que le filtrat va aller jusqu à la grille plus fine où il passera dans le creux central du tube. 30

34 Module spiralé Détail des modules spiralés Disposition des modules à l intérieur d un tube de pression 31

35 Quelques dimensions pour modules spiralés : d F membrane. Average filament thickness. d sp : average spacer thickness. l m : average mesh size. Réf : D. Van Gauwbergen, J. Baeyens / Desalination 110 (1997) Choix d un module : Le chois d un module se fait sur la base de : -le régime d écoulement permettant de minimiser les phénomènes de polarisation de la concentration en régime laminaire et turbulent. -la compacité (exprimée par le rapport de la surface filtrante au volume du module). -la facilité de démontage et de remplacement (en cas de nécessité). -la facilité de nettoyage. -l adaptation au produit à traiter (nécessité du prétraitement). 32

36 Comparaison entre les différents types de modules. caractéristique Tubulaires Plans Fibres Creuses Spiralés Compacité (surface 10 à à à à 1000 membranaire/unité de volume) : m 2 /m 3 Diamètre de passage du 12,5 à 20 1 à 5 0,5 à 1 0,8 à 1,2 liquide d alimentation (ou diamètre hydraulique) : mm Remplacement des Membrane à Membrane Module Cartouche spiralé membranes l intérieur de tube, ou tube par feuille complet Type de prétraitement Très simple moyen Très important moyen nécessaire [Réf : Maurel A., Osmose Inverse et Ultrafiltration: II- Technologie et Application, Techniques de l Ingénieur, Imprimerie Strasbourgeoise, 1996]. Comparaison entre modules spirale et en fibres creuses Type Modules en Fibres creuses Modules Spirales Avantages -moins chères -conversion élevée -réparation facile -remplacement facile -résistance au colmatage -maintenance facile -variété de matériaux Inconvénients Fabricant -sensible au colmatage par matières colloïdes -nombre limité de matériaux et fabricants -Tory -Dow/Filmtec -Koch/fluidosystem -NittoDenko/Hydranautics et fabricants -conversion faible -surface modérée de la membrane -Toyobo -DuPont -Violea Matériau Polyamides aromatiques Cellulose triacitates Morphologie Membranes asymetriques Membranes composites [Référence: Mehdi Metaiche, Optimisation des systemes de dessalement par osmose inverse : conception, parametres de fonctionnement et simulation numerique, Thèse de l Ecole Polytechnique d Alger, 2007]. Références du chapitre 4 : Alain MAUREL, Techniques séparatives à membranes: Considérations théoriques, Techniques de l ingénieurs, J2 790, p.1-23, BUISSON et al APTEL et BUCKLEY D. Van Gauwbergen, J. Baeyens / Desalination 110 (1997) Maurel A., Osmose Inverse et Ultrafiltration: II- Technologie et Application, Techniques de l Ingénieur, Imprimerie Strasbourgeoise, 1996 Mehdi Metaiche, Optimisation des systemes de dessalement par osmose inverse : conception, parametres de fonctionnement et simulation numerique, Thèse de l Ecole Polytechnique d Alger,

37 Chapitre 5 Conception des systèmes membranaires 1- Usine de traitement membranaire : Une usine (unité, station, centrale) de traitement membranaire des fluides (eau, autres liquides, gaz) est composée typiquement (spécialement pour les liquides) par : -une conduite d amené du flux à traiter. -une unité de prétraitement pour préparer le flux à passer à travers les membranes afin d éviter l endommagement et la contamination. -un système membranaire contenant des trains à modules membranaires montés suivant des différentes configurations. -une unité de nettoyage chimique (pour la maintenance régulière). -une unité de post-traitement afin de préparer le perméat vers l utilisation directe (consommation). -une conduite de perméat pour la conduire à la distribution (réseaux) ou au stockage (réservoirs). Exemple : dessalement de l eau). -une conduite de retentat pour acheminer le concentrât vers la décharge ou lu milieu de rejet. Remarque : Pour certain cas, les finalités de perméat et de concentrât seront inversées: dans ce contexte, le perméat sera rejeté, et le concentrât sera utilisé. Exemple: concentration des jus alimentaires. Poste de nettoyage chimique Flux à traiter Pré traitement Système membranaire Posttraitement Perméat du système Concentrat du système 34

38 2- Eléments de base d un système membranaire : 2-1- Train de module : Un train de modules membranaires est formé par un ensemble de modules montés tous en parallèle, et fonctionnant dans les mêmes conditions (même pression, même débit et concentration d alimentation, et même perte de charge ; donc même caractéristiques des perméats et des retentâts) Etage et pass : Généralement, un train de modules monté sur une sortie retentât d un autre train s appelle étage (stage), tandis qu un train monté sur une sotie perméat s appelle pass (étape) Recyclage, mélangeage et bypass : Dans certains contextes, pour économiser le flux à traiter (dessalement de l eau saumâtre par exemple), on peut envisager un recyclage du concentrât vers le circuit alimentation afin d augmenter la conversion. Toujours pour des raisons économiques, dans le cas d un petméat à très faible concentration, on peut envisager un mélange avec certain pourcentage du concentrât. Pour un système à plusieurs pass, l utilisation d un bypass du perméat d un pass vers celui du pass suivant, vise à réduire le nombre de modules sur ce dernier. Etage membranaire (train de modules) Module membranaire Conduite d alimentation Conduite de perméat Conduite de retentât Recyclage Bypass Mélange 35

39 Pompe haute pression : PHP Pompe Booster : PB Echangeur de pression : PX Pour liquides Turbine : T Compresseur Pompe à vide Pour gaz 3- Différents types de systèmes membranaires (Design, Configuration, Montage): 3-1- Système mono- étage : Un système membranaire est un système composé d une amenée de flux à traiter (solvant contenant des solutés : solution) en passant par un système de pompage pour la mise en pression, qui refoule le flux sous une pression élevée vers les modules à membranes. Les modules sont montés tous en parallèle. Chaque module comporte deux sorties: une sortie de solution moins concentrée (perméat) sous une pression très réduite, et une sortie de solution plus concentrée (retentât : concentrât) sous une pression élevée. A la sortie concentrât; l eau sorte à une pression importante dont l installation des équipements énergétiques (turbines, échangeur de pression) pour récupérer de l énergie est toujours utile Système di- étages en série rejet : Un système di- étagé en série rejet, est composé principalement par un ensemble de trains dont le concentrât de chaque train alimente le train suivant et ainsi de suite, c'est-à-dire que l alimentation de chaque train a des caractéristiques identiques aux celles du concentrât du train précédent (chaque train dans ce cas est appelé étage). Les perméats de l ensemble des étages sont collectés pour donner à la fin, le perméat total du système. Le concentrât du système c est celui du dernier étage, qui sera relie à une turbine ou à un échangeur de pression (pour le cas de récupération de l énergie) pour réaliser la détente de la pression du concentrât. Chaque étage est composé d un ensemble de modules montés en parallèle, et caractérisé par un perméat, un concentrât, une qualité de perméat, une qualité de concentrât, un débit de perméat modulaire, un débit de concentrât modulaire, une pression de perméat, une pression du concentrât, une perte de charge, une conversion, un taux de rejet, un nombre de modules etc. 36

40 Les systèmes di étages en série rejet ont comme caractéristiques : l augmentation de la conversion totale du système par traitement des débits de concentrât à travers l installation d un ensemble d étages sur la phase rejet. Cette technique permet d utiliser encore davantage de l énergie (pression) du retentât. Ces avantages permettent de diminuer les coûts de traitement. On signale aussi que les systèmes di- étages en série rejet ; peuvent conduire vers un compromis entre la qualité du perméat et les couts de traitement Système di- étages en série production: Un système membranaire di- étagé en série production, est formé par un ensemble de trains dont la production de chaque étage alimente le train suivant et ainsi de suite, de sorte que l alimentation de chaque train a des caractéristiques identiques aux celles du perméat du train précédent (le train dans ce cas est appelé pass). Les concentrâts de l ensemble de trains sont collectés pour donner à la fin, le concentrât total du système, qui sera relie à un système de récupération de l énergie. Le perméat du système est celui du dernier train. Chaque pass est composé d un ensemble de modules, et caractérisé par un perméat, un concentrât, une qualité du perméat, une qualité du concentrât, un débit de perméat modulaire, un débit de concentrât modulaire, une pression de perméat, une pression de concentrât, une perte de charge, une conversion, un taux de rejet, un nombre de modules etc. La caractéristique principale d un système membranaire di-étages en série production est ; qu il permet d atteindre la qualité (concentration en sels) voulue dans le perméat final. A chaque augmentation du nombre d étages, la qualité s améliore, la concentration diminue et le taux d élimination s élève considérablement. Ce type de système est utilisé pour le dessalement des eaux de mer (spécialement lorsqu elles sont très chargées en sels), où bien lorsque une qualité élevée est exigée. Nous notons que le champ d utilisation de ces systèmes dans le secteur de dessalement est étendu actuellement pour donner de meilleures conditions économiques afin de réduire encore les coûts, en employant les techniques de plusieurs pass et les techniques de mélange Système di- étages hybrides rejet- production : Les systèmes hybrides se montent en série rejet et en série production en même temps. D une manière globale : monter un train (ensemble de modules en parallèle) en rejet d un train précédent, vise à améliorer le rendement quantitatif (conversion), tandis que son montage en production vise à améliorer le rendement qualitatif (taux de rejet). Il existe une multitude de solutions pour ce type de systèmes, dont les objectifs à atteindre et l outil efficace d optimisation sont les seules capables de la concevoir d une manière adéquate. 37

41 Système à 1 étage (1 pass) Système à 2 pass : montage en série perméat Système à 2 étages : montage en série retentat Système à 1 étage-1 pass (2 pass) : montage hybride 38

42 4- Systèmes avec/sans récupération de l énergie : Système membranaire type : 1 seul étage avec récupération de l énergie Système membranaire type : 1 seul étage sans récupération de l énergie par turbine % Système membranaire type : 1 seul étage avec récupération de l énergie par échangeur de pression 39

43 5- Exemples d utilisation de recyclage, bypass et mélange. % % Système à 1 étage (1 pass) avec recyclage Système à 2 pass avec bypass % Système à 2 étages avec mélange 40

44 6- Exemples de systèmes membranaires utilisés pour le dessalement de l eau de mer : 41

45 7- Exemples de systèmes membranaires utilisés pour la séparation des gaz : Références du chapitre 5 : Al-Zubaidi A.A.J., Parametric Cost Analysis Study of Seawater Reverse Osmosis Systems Design in Kuwait, Desalination, 76(1989)

46 Metaiche M., Kettab A. et Bengueddach B., Modélisation de la production Quantitative et Qualitative d un Système de dessalement, Proceeding des Journées d Etudes sur la Chimie pour l Environnement à Tiaret (Algeria), November Metaiche M., Kettab A. et Bengueddache B., Effet de la Qualité Exigée sur la Consommation d Energie d un Système de Dessalement, Actes du 2 eme Séminaire National sur les ressources en eau, Mascara (Algérie), avril Metaiche M. and Kettab A., Contribution à la modélisation du facteur de correction de flux de rétention de la membrane MFRC ; cas des modules B-9, Proceeding of National Seminar about Water and Environment, Béchar (Algeria), Octobre 2003]. 43

47 Chapitre 6 Systèmes énergétiques 1- Eléments de base du système énergétique (cas de dessalement de l eau): 1-1- Equipements de mise en pression : -Mise en haute pression: Pompe haute pression HPP. -Pompe booster (faible pression): BP Equipement de récupération de l énergie : -récupération indirect par turbine: T (turbine couplé directement à la pompe HPP : l énergie produite alimente la pompe HPP). -récupération indirect par turbo pompe: TP (turbine couplée à la pompe booster : l énergie produite alimente la pompe PB). -récupération direct par échangeur de pression: PX. 2- Généralités [Réf : La pression osmotique de l eau de mer standard (35 g/l à 15 C, est de 25 bar). Pour obtenir une productivité acceptable économiquement des membranes d OI, la pression d alimentation doit être de l ordre de 65 bar (de 56 à 90 bar). La mise en pression est assurée, soit par des pompes volumétriques (à pistons à membranes), soit par des pompes centrifuges multi-étagées. Les premières étant plutôt adaptées aux faibles débits. Pour une conversion de 40% par exemple, 60% du débit d alimentation sera rejeté comme concentrât à pression élevée. Le concentrât possède donc une énergie hydraulique importante (pression disponible du concentrât = pression d alimentation perte de charge 4 bar environ ), qu il convient de récupérer afin de réduire les consommations en énergie électrique. Cette récupération s effectue par trois moyens : a- turbo-pompes placées en série avec les pompes HP. b- turbines Pelton couplées directement aux pompes HP afin de soulager les moteurs électriques. c- échangeurs de pression (système à piston): fonctionnant alternativement pour l alimentation des modules, puis pour l évacuation du concentrât.. La récupération de l énergie du concentrât par échange de pression est le système présentant le meilleur rendement. Il permet d atteindre des consommations inférieures à 3 kwh par m 3 de perméat, et ceci pour les seuls besoins de la mise en pression des éléments d OI. 44

48 [Réf : 3- Pompes de mise en pression : Le débit, la perte de pression et la pression osmotique déterminent ensemble la pression de l eau d alimentation nécessaire. On utilise alors un système de pompage (une ou plusieurs pompes) qui permet un débit élevé que celui théoriquement nécessaire pour garder la pression d alimentation continue. Il est recommandé, si convenable, d utiliser de grandes pompes qui donnent un rendement élevé à prix réduit avec opération flexible, cela va réduire le nombre de pompes à utiliser (exemple : l usine d Ashkalon où le nombre a été réduit de 16 à 4) (figure 11). L efficacité de grandes pompes est 5% plus que celle des petites pompes, avec un coût spécifique sensiblement inférieur [Réf: Liberman Boris, The importance of energy recovry devices in reverse osmosis desalination, The Future of Desalination in Texas- Volume 2: Technical Papers, Case Studies, and Desalination Technology Resources, 2004]. Ce choix est justifié aussi par le fait de mettre une pompe de réserve pour le système mieux que de mettre plusieurs petites pompes. Il faut remarquer que les pompes volumétriques à piston, ont un rendement supérieur à celui des pompes centrifuges, mais ne sont pas adaptées aux débits supérieurs à 100 m 3 /h [Réf: Corsin Pierre, Dessalement de l eau de mer par osmose inverse: les vrais besoins en énergie, l eau, l industrie, les nuisances n 262 (2005) 57-61]. Figure 11: Pompe centrifuge à haute pression 3-1- Puissance d une pompe : Par définition, le rendement d une pompe est donné par: 45

49 η P W = W th réelle W réelle W = η th P = P. Q. d η P W Avec : W réelle : puissance réelle de la pompe (W). W th : puissance théorique de la pompe (W). W p : puissance fournie par la pompe (W). : rendement de la pompe. P : pression de l eau à la sortie de la pompe (Pa). Q : débit de l eau (m 3 /s). d: densité du liquide. p = P. Q. d η P Ou bien : W p ( kw ) = 3 3 P( Pa). Q( m / s). d P( Pa). Q( m / h). d P( MPa). Q( m = = η η 3,6. η P P P 3 / h). d 3-2- Energie consommée par une pompe : E P. Q. d = η p. Avec E p : énergie consommée pendant un temps t (en J: W.s), et t: temps de fonctionnement. L énergie consommée pendant une heure sera : P t E p ( Wh) = Ou bien : P( Pa). Q( m η P 3 / s). d.3600 = P( Pa). Q( m η P 3 / h). d E p ( kwh) = 3 P( Pa). Q( m / h). d η P P( MPa). Q( m = η P 3 / h). d Point de fonctionnement d une pompe : [Réf : J.P. LABORDE, Eléments d'hydraulique générale, 2007] 3 46

50 On connaît d'une part, les caractéristiques exactes de l'installation, c'est à dire la hauteur géométrique totale de refoulement Hg et les pertes de charge Ja et Jr dans l'aspiration et le refoulement. La charge totale Ht nécessaire pour transiter un débit Q est : Ht = Hg + Ja + Jr D'autre part, on connaît la caractéristique Q - H de la pompe choisie. Le point de fonctionnement se trouve alors à l'intersection I de la caractéristique du réseau et de la caractéristique de la pompe. Dans le cas où la pompe a une caractéristique présentant un maximum, le point de fonctionnement doit se situer dans la partie descendante de la courbe et loin du maximum. En effet, dans la partie ascendante le point de fonctionnement correspondrait à un équilibre instable. Par ailleurs, chaque fois qu'il sera utile, on vérifiera que la pompe, quelles que soient les conditions de marche, ne risque pas de caviter. Pour cela, il suffit de tracer la caractéristique de la conduite d'aspiration sur la courbe de NPSH en portant les valeurs de 10-(Ha + Ja). 4- Turbines : Dés que l eau passe à travers les modules d osmose inverse, il y a intérêt de récupérer l énergie hydraulique du concentrât (rejet) qui est de l ordre de 55% de celle nécessaire à la mise en pression [Réf: Corsin Pierre, Dessalement de l eau de mer par osmose inverse: les vrais besoins en énergie, l eau, l industrie, les nuisances n 262 (2005) 57-61]. Les premiers systèmes de récupération de l énergie ont utilisé des pompes centrifuges multi étagées, fonctionnant en turbine. Les turbines les plus adaptées aux usines de dessalement vu la pression élevée- sont de type Pelton, ayant un rendement d environ 90%. La puissance nécessaire aux pompes haute pression 47

51 peut être fournie par le moteur électrique et la turbine de récupération, ou bien on utilise une pompe centrifuge alimentée par la turbine et reliéee en série avec celle de haute pression. [Réf: Migliorinii Giorgio and Luzzo Elena, Seawater reversee osmosis plant using the pressuree exchanger for energy recovery: a calculation model, Desalination 165 (2004) ]. Schéma de principe d' 'une turbine [Réf : Roue Pelton Turbine Francis Turbines Pelton et Francis pour la récupération de l énergie [Réf : Puissance d une turbine: Avec

52 : puissance en Watt. : le rendement en %. P : pression de l eau à l entrée de la turbine [Pa]. Q : le débit de la turbine en m 3 /s. d: densité du liquide. Exemple : Pour : = 85 %, P = Pa, Q = 1,0 m 3 /s, On obtient donc : W = 85% , ,0 2 MW 4-2- Energie fournie par une turbine: :... /.. L énergie fournie pendant une heure de fonctionnement sera : /. 5- Echangeurs de pression PX (systèmes à piston): L échangeur PX transfère l énergie de la pression de saumure en sortie rejet haute-pression des membranes vers l eau de mer pré-filtrée avec un rendement de près de 97%. L'échangeur de pression est avant tout un mode d'économie d'énergie intelligent, fiable et simple. En effet, ce système redistribue les pressions des conduites excédentaires dans les conduites déficitaires. Ce dispositif s'intègre au système de la sorte : Ce système tournant à la vitesse de 1200 tours par minute, le temps de contact entre le liquide d alimentation et le concentrât ne permet un mélange de ces deux dernières que minimal. Un échangeur de pression comporte 04 conduites : 02 entrées (entrée du conentrat à haute pression, et entrée d alimentation à faible pression) et 02 sorties (sortie alimentation à haute pression, et sortie concentrat à faible pression). En pratique l opération se fait en deux phases comme suit : i)-le concentrat à haute pression est injecté dans la chambre du rotor (l alimentation à base pression est déjà dans la chambre), il compresse l alimentation et la refoule vers la sortie HP (le concentrat devient à faible pression). ii)-l alimentation à faible pression entre dans la chambre (la chambre est déjà plein de concentrat à faible pression), elle le refoule à la sortie rejet. 49

53 Ce cycle se reproduit ainsi de façon continue afin de transmettre la pression du concentrat à l alimentation. Le système énergétique dans ce cas, comprend une pompe haute pression HP, un ensemble d échangeurs de pression associés à des distributeurs d alimentation et de concentrât, une pompe de surpression (booster) qui compense les pertes de charge dans le circuit concentrât et dans les échangeurs, afin d amener le liquide sortant de l échangeur de pression à la même pression que celui refoulé par la pompe haute pression. Il est à remarquer que ce système permet de réduire la taille de la pompe haute-pression, son débit étant égal à celui du perméat, tandis que le débit de la pompe de surpression est égal à celui du concentrât. Echangeurs de pression Schéma d'un système à osmose inverse employant un échangeur de pression [Réf : 6- Exemple de comparaison : 50