Techniques membranaires : Différence entre versions

Version du 9 juillet 2014 à 14:46

Traitement de l’eau : techniques membranaires

L’utilisation de la technologie membranaire connait un essor important ces dernières années dans le traitement des eaux que ce soit pour l’eau potable, les eaux usées urbaines ou les eaux industrielles. L’amélioration de la qualité des eaux traitées, l’évolution de la réglementation ainsi que la prise en compte de nouvelles substances dans l’eau contribuent en partie au développement et à l’utilisation des membranes. Ce développement a permis de diversifier les différentes filières membranaires proposées par les constructeurs, et en parallèle d’améliorer les conditions d’utilisation et d’exploitation des installations. Dans cet article, l’AgroReporter présente une synthèse des techniques membranaires utilisées en traitement de l’eau, leurs avantages et leurs contraintes.

• Terminologie membranaire

Les membranes sont utilisées dans le traitement de l’eau en qualité de barrières minces semi-perméables. Un procédé physique de séparation va s’opérer, dans lequel la membrane va jouer le rôle de barrière sélective en fonction de la taille des pores choisie.

Lors de cette sélection, deux phases sont obtenues :

• le Concentrat, correspondant au fluide enrichi des substances retenues par la membrane

• le Perméat, correspondant au fluide et aux substances passées à travers la membrane.

Afin d’accélérer cette séparation de phases, une force motrice est appliquée de part et d’autre de la membrane : cela peut être la pression, un champ électrique, un gradient de température ou une différence de concentration. Les installations les plus courantes de traitement des eaux potables et d’eaux usées utilisent la pression comme force motrice.

• Champ d’application

Le tableau ci-dessous montre le champ d’application des techniques de séparation membranaire en fonction de différentes substances et de la taille des pores (exprimées généralement en microns).

• La microfiltration utilise des membranes dont les diamètres de pores sont compris entre 0.1 et 1 µm microns (µm). Cette technique permet la rétention des particules en suspension, de bactéries ainsi que des colloïdes fixés par précipitation ou coagulation sur de plus grosses molécules. Son application peut se retrouver dans différents procédés de traitement des eaux potables, eaux usées urbaines et industrielles.

• L’ultrafiltration utilise des membranes dont les pores sont compris entre 0.01 à 0.1 µm. Ces membranes retiennent les molécules dont la masse molaire est élevée (une partie des acides humiques et des colloïdes) et les virus. Les sels dissous (ions) traversent la membrane. Son application est également adaptée à l’ensemble des matrices.

• L’osmose inverse utilise des membranes denses qui arrêtent tous les sels. L’osmose est un phénomène tendant à équilibrer la concentration en solutés de part et d’autre de la membrane semi perméable. Le solvant diffuse du milieu le moins concentré en solutés vers le milieu le plus concentré sous l’effet de la pression osmotique. Pour inverser le passage du solvant comme dans cette technique, il faut alors appliquer une pression supérieure à la pression osmotique. L’osmose inverse est utilisée dans le cadre du dessalement d’eau de mer et des eaux saumâtres, de la production d’eau ultra pure, et de la production d’eau de process.

• La nanofiltration se situe entre l’osmose inverse et l’ultrafiltration. Elle permet la séparation de composants en solution dont la taille est voisine du nanomètre (0.001 µm). Ainsi les sels ionisés multivalents de masse molaire supérieure à 200-250 g/mol sont retenus par ce type de membrane (calcium, magnésium, sulfates…).

• Structure et disposition des membranes

Il existe principalement sur le marché deux types de matériaux constituant les membranes :

- Les membranes minérales à base de composés inorganiques (céramiques, verre, métal). Elles sont particulièrement adaptées aux effluents dont les pH et températures peuvent être extrêmes.

- Les membranes composées de matériaux organiques. Ce sont les plus utilisées en micro et ultrafiltration. Les principaux polymères organiques utilisés sont l’acétate de cellulose, les composés de type Polyamide et de type Polysulfone. Chaque composé organique possède une sensibilité différente aux propriétés physico-chimiques de l’eau à traiter (pH, température, chlore…), qui doivent donc être prises en compte en amont d’un projet d’utilisation de membranes.

Chaque type de membrane est caractérisé par le flux maximal d’eau qu’elle est en mesure de traiter, exprimé en litres par m2 et par heure, appelé flux de perméation.

En prenant le flux de perméation en compte, la constitution d’une unité de traitement nécessite généralement l’utilisation de grandes surfaces membranaires. On parle alors de constitution de modules où l’on va regrouper un certain nombre de membranes. En fonction des applications sur le traitement de l’eau ou les propositions techniques des constructeurs, les membranes peuvent être agencées en module fibres creuses, tubulaires, en module plans ou spiralés.

Dans l’exemple ci-dessous est représenté un module constitué de fibres creuses qui sont noyées dans une résine époxy. Il s’agit ici de membranes organiques (Polysulfone). Un module contient plusieurs milliers de fibres lui conférant plusieurs m2 de surface filtrante.

• Les contraintes de l’utilisation des membranes

Si les filières de traitements membranaires apportent une meilleure filtration que les techniques de traitement plus conventionnelles, sa principale contrainte réside dans l’accumulation de matières dans les pores ou à sa surface.

C’est le phénomène de colmatage. Le flux de filtration s’en trouve alors diminué, impactant le fonctionnement de l’installation. Le mode de colmatage et son intensité dépendront des propriétés physico-chimiques du fluide à traiter. Afin de limiter ce phénomène, on procède à des rétro-lavages réguliers avec de l’eau traitée ainsi qu’à des lavages chimiques dont la nature est fonction du type d'encrassement. Ces lavages ont lieu jusqu’au rétablissement du flux initial des membranes.

Certains indicateurs de suivi permettent de contrôler le bon fonctionnement des membranes et leur éventuel colmatage :

• la pression transmembranaire, correspondant à la perte de charge créée par le débit traité à travers la membrane et les matières déposées sur celle-ci.

• la perméabilité, qui est le rapport du flux de perméation (L/m2.h) et de la pression transmembranaire (exprimée en Bar et à une température donnée). Ainsi lorsque la perméabilité baisse en fonction du temps, c’est souvent le signe d’un colmatage entraînant une réduction de la performance de la membrane.

Les technologies membranaires utilisées dans le traitement des eaux sont sûres et performantes. Cependant, qu’elles soient utilisées en traitement principal ou en traitement complémentaire avec d’autres filières, un suivi particulier est à mettre en place, adapté aux propriétés du fluide à traiter qui peuvent varier dans le temps. Ainsi la surveillance et la gestion du colmatage des membranes sont essentielles afin de limiter les risques de disfonctionnement et les conséquences financières induites. On notera également que la prise en compte de la gestion des concentrats ne doit pas être négligée dans certaines applications (osmose inverse par exemple). Le laboratoire LCA est en mesure de réaliser toutes les analyses liées au fonctionnement de ces installations, mais propose également des audits et du conseil à l’exploitation de ce type d’unités, de traitement