Les technologies clés

Technologies organisationnelles et d'accompagnement

Procédés de séparation membranaire

Fiche Technologie-clé n : 133

VERSION 3

• Présentation de la technologie
• Objectifs de la technologie
• Environnement technologique

Comprendre la technologie

Définition

Le choix d'une membrane et d'un module qui lui tient lieu de support est essentiel pour la mise en oeuvre des procédés de séparation membranaires.

Une membrane est une barrière de quelques centaines de nanomètres à quelques millimètres d'épaisseur, sélective, qui sous l'effet d'une force de transfert, va permettre ou interdire le passage de certains composants entre deux milieux qu'elle sépare. La sélectivité ou permsélectivité correspond à l'ensemble des taux de perméabilité aux différentes substances contenues dans une solution, la force de transfert recouvre le gradient de pression, de concentration, d'activité, de potentiel électrique ou encore de température. De ce fait les membranes incluent une grande variété de matériaux et de structure qui forment autant de possibilités de configuration et de classification.

La structure des matériaux permet de distinguer trois types de membranes : 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. Selon la nature des matériaux constitutifs des membranes on parle également de :

• membranes organiques : la plupart d'entre elles sont actuellement fabriqués à partir de polymères organiques (acétate de cellulose, polysulfones, polyamides, etc) dont les qualités leurs confèrent une grande adaptabilité aux différentes applications. La majeure partie des membranes d'ultrafiltration et de microfiltration sont constituées de membranes organiques (90%) ;
• membranes minérales ou inorganiques : de commercialisation plus tardive que les membranes organiques, ces membranes sont composés de corps entièrement minéraux, principalement les matières céramiques, le métal fritté et le 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 ;
• membranes composites : apparues de cela il y a une dizaine d'années, 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), organo-minérales ou minérales (association de carbone ou d'alumine comme support et de métaux tels le zircone, l'alumine et le titane) ;
• 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 installation de protection et de décoration des métaux.

Les modules supportent les membranes, 4 grands types de modules sont commercialisés :

• Les modules tubulaires sont basés sur une technologie simple, facile d'utilisation et de nettoyage, mais ils sont grands consommateurs d'énergie pour une très faible surface d'échange par unité de volume (compacité réduite).
• Les modules fibres creuses rassemblent un ensemble de fibres creuses de diamètre inférieur au micromètre, en un faisceau. Cette configuration leur procure la plus forte densité d'écoulement par module.
• Les modules plans sont les plus anciens et les plus simples : les membranes sont empilées en mille-feuilles séparés par des cadres intermédiaires qui assurent la circulation des fluides.
• Les 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.

La mise en oeuvre des procédés de séparation membranaires met en jeu des phénomènes dont la maîtrise influe sur la qualité du système. Rappel de quelques définitions :

• la pression osmotique est la différence de pression qui existe de part et d'autre d'une membrane permsélective séparant un liquide pur d'un autre contenant un corps dissous. Cette différence de concentration entraîne un phénomène d'osmose qui se traduit par un flux d'eau de la solution pure (ou la plus diluée) vers la solution la plus concentrée. Ce transfert à pour but de rétablir une pression d'équilibre dans les deux milieux. Si l'on applique par contre une pression supérieure à cette pression d'équilibre sur la solution la plus concentrée, le transfert d'eau va s'opérer en sens inverse du flux osmotique : c'est le phénomène d'osmose inverse.
• les mécanismes de transfert de matière à travers des membranes semi-perméables. Trois grands modèles en expliquent les principes : le modèle de solubilisation-diffusion, le modèle basé sur la notion de capillaire et celui de type phénoménologique de Kadem et Katchalsky.
• le phénomène de polarisation se traduit par une accumulation progressive des espèces (particules, molécules,...) arrêtées à la surface de la membrane. Les conséquences, réversibles, sont une diminution du flux de perméat et une variation de la sélectivité qui altèrent le rendement du système.
• le colmatage modifie les propriétés filtrante d'une membrane excepté la compaction et la modification chimique. Le stade ultime est une obstruction des pores entraînant à la fois des variations de perméabilité et de sélectivité.

Techniques mises en oeuvre

Les procédés de séparation sur membranes se rangent en plusieurs classes. La microfiltration, l'ultrafiltration, la nanofiltration et l'osmose inverse peuvent être définies comme des techniques de séparation de deux liquides par perméation à travers des membranes permsélectives. La pervaporation et la perméation en phase gazeuse utilisent des membranes denses non poreuses, elles se distinguent des précédentes par l'emploi de gaz et non de liquides lors du processus de séparation. Ce sont des solutions de rechange à la distillation et à la déshydratation de mélanges azéotropiques. En dernier lieu, les techniques électromembranaires reposent toutes sur le principe d'échange d'ions et elles utilisent le courant électrique comme force motrice de séparation.

• La microfiltration : elle consiste à éliminer les particules ayant une dimension comprise entre 0,2 et 10 micromètres lors du passage tangentiel (et non perpendiculaire) du fluide à traiter à travers la membrane, et ce, grâce à une différence de pression de part et d'autre de la membrane.

  Eléments retenus : les bactéries, les fragments de cellules biologiques, les matières colloïdales.

  Domaines d'application : la purification de l'eau et le traitement des effluents.

• L'ultrafiltration ou la filtration moléculaire utilise des membranes microporeuses dont le diamètre des pores est compris entre 1 et nanomètre (nm). Seules les petites molécules transitent par la membrane tandis que celles de poids moléculaire plus élevé en sont empêchés (pour une échelle de poids moléculaires allant de 5 000 à 500 000 daltons).

  Eléments retenus : les polymères, les protéines, les colloïdes.

  Domaines d'application : industrie agro-alimentaire, bio-industries, mécanique (automobile, traitement de surface...), pétrochimie...

• La nanofiltration offre la capacité, très intéressante de séparer des composés de faible poids moléculaire à des pressions qui sont faibles, voire moyennes. Elle arrête les sels ionisés multivalents (calcium, magnésium, ...) et les composés organiques de masse molaire inférieurs à 300 daltons et produit ainsi une eau qui n'est pas totalement déminéralisée contrairement à l'osmose inverse.

  Domaines d'application : nombreux, même si les premières application industrielles sont récentes déminéralisation sélective avec élimination d'ions multivalents, régénération de bains usés de dépôts de cuivres,...

• L'osmose inverse : son principe est explicité dans la "mise en oeuvre des procédés de séparation membranaires - pression osmotique". Le transfert ne s'effectue plus au travers de pores (certains chercheurs pensent néanmoins qu'il existerait des nanopores) mais par dissolution des composants de la solution dans la membrane puis diffusion au travers de celle-ci. Cette méthodes est la moins onéreuse pour éliminer de 90 à 99% des contaminents d'un fluide.

  Domaines d'application : le dessalement de l'eau de mer, la récupération de matières précieuses, la diminution de la pollution environnementale, ....

• La pervaporation est une alternative à la distillation pour la séparation de solvants organiques. Un composé liquide déterminé d'un mélange passe, sublimé, à travers la membrane dense par un processus de sorption-diffusion. Il est récupéré de l'autre côté à basse pression et condensé.

  Domaines d'application : encore relativement faibles ils concernent le traitement des effluents, la déshydratation de solvants et de mélanges organiques, les extraction de composés organiques, ...

• La perméation gazeuse : contrairement à la pervaporation qui travaille à pression atmosphérique, le flux d'alimentation gazeux (et non liquide) est injecté à haute pression, il se divise au niveau de la membrane en deux flux gazeux séparés de basse et moyenne pression.

  Domaines d'application : la séparation de solvants organiques dans l'air, l'enrichissement d'un solvant, le traitement des gaz de purge, ...

• Les techniques électromembranaires (électrodialyse simple, électrodialyse à membranes bipolaires, électrolyse, électrodésionisation) transfèrent de manière sélective des ions à travers une membrane échangeuse d'ions

  Domaines d'application : la production d'eau douce, d'eau potable ou d'eau ultrapure, la déminéralisation du lactosérum (petit lait), la régénération de bains usés de décapage, la production de chlore et de soude

Objectifs de la technologie

Contexte concurrentiel et économique

Les techniques de séparation sur membrane bénéficient de domaines d'application potentiels dans toutes les branches de l'industrie tant pour le traitement de milieux liquides et gazeux que pour la variétés de produits (à faible ou forte valeur ajouté : traitement de l'eau, récupération de métaux précieux,...).

Les avantages de cette technologie par rapport à d'autres procédés physico-chimiques portent principalement sur la facilité de contrôle du système et le respect de l'environnement (la séparation membranaire ne nécessite pas l'ajout des produits chimiques).

Fonctions remplies :

Les procédés de séparation membranaires reposent sur les propriétés de rétention sélectives des membranes vis à vis des molécules d'un fluide liquide ou d'un gaz. On peut considérer ces procédés comme des procédés de filtration en milieu liquide. Diverses techniques permettent de couvrir une large gamme de particules, les valeurs de coupures entre les différents procédés de séparation membranaire sont les suivantes :

• filtration conventionnelle : > à 2 pm (2.10-6m),
• micro filtration tangentielle pour les plus petits diamètres ou frontale (cross-flow) pour les plus grands : entre 2 pm et 0,05 pm (5.10-8 m),
• ultrafiltration : entre 50 nm et 1 nm (10-9m),
• nanofiltration : entre 1 nm et 0.4 nm,
• osmose inverse : < 0,4 nm.

A chaque technique correspondent divers types de membranes dont les pores vont se rétrécissant jusqu'à devenir des membranes sans porosités apparentes comme dans le cas de l'osmose inverse. Les caractéristiques des membranes influent sur le choix des éléments que l'on désire retenir ou que l'on voudrait au contraire empêcher de passer.

Environnement technologique

Technologies concurrentes :

Evolutions technologiques :

Elles concernent surtout l'électrodésionisation, la perméation et la nanofiltration qui sont des procédés nouveaux parmi les techniques de séparation membranaire et dont les évolutions sont prometteuses. La pervaporation, l'électrodialyse, l'électrolyse se positionnent en pleine phase de développement. L'ultrafiltration et la microfiltration ont atteint un stade de maturité technologique.

L'osmose inverse est en phase de déclin relatif.

Programmes de recherche :

Dans le domaine du traitement de l'eau : l'Europe et la France en particulier, les Etats-Unis et le Japon consacrent depuis quelques années plusieurs centaines de millions de dollars dans les programmes de R&D.

L'Union Européenne finance des activités de recherche sur ce sujet :

• Programme AIR (Industrie agro-alimentaire): Fractionnement des produits du lait,
• Programmes CHM (Capital Humain et Mobilité) : Aspects physico-chimique du transfert de matière dans les procédés à membranes ; Membranes fonctionnalisées.
• Certains programmes Brite Euram et Eurêka.

Au niveau français, le CNRS et l'INRA soutiennent le programme PROSETIA : procédés de séparation et de transformation en industries alimentaires, l'axe 1 intitulé "procédés de séparation par membranes" regroupe 11 laboratoires du CNRS et de l'INRA. Dans ce domaine les relations de l'industrie avec la recherche publique sont foisonnantes.