Les procédés membranaires pour le traitement de ... - fndae

1 1 MINISTERE DE L AGRICULTURE, DEL ALIMENTATION, DE LA PECHE ETDES AFFAIRES RURALESD irection de l Espace Rural et de laFor tDOCUMENT TECHNIQUEFNDAEN 14 LLeess pprroocc dd ss mmeemmbbrraannaaiirreess ppoouurr lleettrraaiitteemmeenntt ddee ll eeaauuFONDS NATIONAL POUR LEDEVELOPPEMENT DESADDUCTIONS D EAUO ffice International de l EauSNIDEN ouvelle version r dig e par Jean-Marc BERLANDet Catherine JUERYD cembre 20022 SommairePartie I : Aspects th des techniques et pr sentation du principe g n techniques s paratives membranes utilis es dans le traitement des diff rentes fili osmose risation des finition du taux de finition de la s lectivit organiques min rales ou composites changeuses d' modules modules fibres modules modules Mat riaux utilis d riv s de polypropyl diff rents syst mes me de filtration membranaire sous me membranes immerg en uvre du proc d , maintenance et lection du proc d.

2 De conception et principes d es g n rales requises pour la gles de de produits chimiques utilis de maintenance pour conserver l int grit des vention du de nettoyage des du proc d d un suivi long ne et s curit diff rentes cha nes de traitement_____323 Sommaire (suite)Partie II : El ments de co ts et tudes de techniques utilis es et leurs co utilis ts d de l eau brute : eau de de l eau brute : eau origines d eau brute ts d de cas_____51 Cas de l usine de Magenta 2 (C tes d Armor): nanofiltration - 130 m3/h_____52 Cas de Vigneux sur Seine : ultrafiltration coupl e une filtration sur charbon proc d CRISTAL -55 000 m3/jour_____56 Cas du Syndicat du Pays de la Filli re (74) : ultrafiltration 80 m3/h_____59 Cas du syndicat intercommunal des 7 communes (70) : ultrafiltration - 470 m3/jour_____61 Cas de IFFERNET (Lot) : ultrafiltration 60 m3/h_____62 Cas de Vaujany (Is re) : microfiltration 250 m3/h_____63 Cas de Bernay-Ouest ( 27) : microfiltration 1 000m3/jour_____64 GLOSSAIRE_____65 REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES_____68Ce document technique a fait l objet d une relecture de la part.

3 De Erich WITTMANN, Vivendi Water- G n rale des Eaux du professeur Guy MATEJKA, Responsable de la sp cialit Eau et Environnementde l Ecole Nationale Sup rieure d'Ing nieurs de Limoges, directeur de recherche auLaboratoire des Sciences de l'Eau et de l'EnvironnementQu ils soient remerci s pour leurs conseils avis II :: AAssppeeccttss tthh oorriiqquueess51. Historique des techniques et pr sentation du principe g n ralLa perms lectivit des membranes a t d couverte d s le XVIIIe si cle (Abb Jean-AntoineNollet, 1735). Cependant le d veloppement industriel des techniques membrane ne dateque des ann es 1960 pour les dialyses et 1970 pour les techniques de solvo-transferts.

4 Ond signe par dialyse, l op ration consistant faire traverser des membranes par un liquide,par diffusion afin d en s parer les constituants. L op ration de solvo-transfert consiste, enrevanche faire traverser des membranes semi-perm ables par un liquide, par convectionforc e, afin d purer le solvant (PONTIE Maxime, 2002).Ce sont les techniques de dialyses qui ont permis les premi res d effectuer des s parationsde compos s dissous. Il tait alors plus judicieux de laisser passer travers la membraneune faible quantit de solut s plut t que la grosse masse du solvant. Cette approche adonn lieu au d veloppement de : l h modialyse qui d signe l limination des substances toxiques du sang l aided une membrane ; l lectrodialyse qui consiste, elle, en une s paration par membrane l aide d unesuccession de membranes alternativement changeuse d anions et de cations,souvent utilis e pour le dessalement des eaux saum s l apparition et le d veloppement des membranes asym triques, les techniques desolvo-transfert (osmose inverse, microfiltration / ultrafiltration, nanofiltration cf.)

5 Graphique 1ci-dessous) ont pu se d velopper de mani re plus rapide que les techniques de dialyse. Unemembrane asym trique est une succession de couches de mat riaux (de m me nature oudiff rents) associ s, poss dant une structure asym trique : une couche fine (d paisseurenviron 50 m) support e par une couche plus paisse (>100 m) (PONTIE Maxime, 2002).Figure 1 : Echelle de taille des particules (en m)et quelques proc d s de solvo-transfert6La principale caract ristique des techniques de s paration membranaires est de mettre en uvre des syst mes polyphas s constitu s par : le fluide traiter ; le fluide trait (une solution d polluer, une eau ) ; la syst mes en fonctionnement sont hors d tat d quilibre et vont tendre de mati respontan e vers un nouvel tat d quilibre.

6 Cette volution implique obligatoirement untransfert de mati re et d nergie au niveau de la surface de contact entre les deux phases,c est dire au niveau de l interface (cf. graphique 2), sous l effet des contraintes impos esau syst 2 : Lors du transfert de l esp ce i entre les deux phases 1 et 2,la membrane joue le r le d barri re (physique ou chimique) constitu e par la membrane va jouer le r le d interfaces lective entre les deux phases. Le transfert de mati re d une phase l autre va d pendrede l intensit de la contrainte appliqu e de part et d autre de cette interface. Cette contraintea pour but d acc l rer le processus de s paration.

7 Elle peut tre : un gradient de pression ( P) ; un gradient de potentiel lectrique ( ) ; un gradient de potentiel chimique ( i) ;Tableau 1 : Classification des techniques utilisantdes membranes (condition isothermes)Ionophores*PoreusesDensesgrad ient de potentiel chimique ( i)Dialyse IonoiqueDialyse Mol culaire(H modialyse)Osmoseun gradient de potentiel lectrique ( )ElectrodialyseElectro-UltrafiltrationEl ectro-osmoseun gradient de pression ( P)Pi zodialyseMicro-, Ultra-, Nano-filtration**Osmose inverse * Ionophores : mol cules des membranes responsables des transferts ioniques ** nanofiltration : membranes interm diaires entre poreuses et densesiiiInterfacePhase 1 Phase 2 Transfert de i7 Pour synth tiser, on peut affirmer que les techniques s paratives membranes sont desproc d s physiques de s paration qui utilisent les propri t s de tamisage mol culaire d unemembrane poreuse balay e par le liquide contenant les constituants s d une filtration classique, la suspension traiter est amen e perpendiculairement aum dia filtrant.

8 Une accumulation de mati res se produit formant une couche qui diminue laporosit et, par la m me, le d bit de filtration (MAUREL Alain 1993).Dans le cas des techniques membrane, l coulement du fluide filtrer est continu etfrontal lorsque la qualit de l eau le permet, sinon, objectif de l coulement tangentiel est d viter l accumulation continue sur la membranedes esp ces (particules, mol cules, ions) retenues par cette derni re. Le rapport entre led bit de circulation de la solution filtrer et le d bit de perm at peut tre d un plusieursfacteurs 100 dans le cas d un tube d ultrafiltration Les techniques s paratives membranes utilis es dans letraitement des Les diff rentes fili resLe tableau ci-dessous pr sente le champ d application des diff rentes techniques de filtrationclassique et des diff rentes techniques de s paration par 2 : Diff rents compos s rencontr s dans les eaux naturelles et les techniquespermettant leur limination (BOUCHARD et al.)

9 2000) L osmose inverseL osmose inverse utilise des membranes denses qui laissent passer l eau et arr tant tous technique est utilis e pour : Le dessalement des eaux de mer ; Le dessalement des eaux saum tres ; La production d eau ultra pure ; La production d eau de ph nom ne d osmose est un ph nom ne qui tend quilibrer la concentration en solut sde part et d autre d une membrane semi-perm able. Le ph nom ne d osmose est unph nom ne naturel courant, notamment travers les membranes membrane semi-perm able laissera passer le solvant (le solut ne passe pas) pour quilibrer la concentration. La diff rence de concentration cr e une pression, appel ePression osmotique.

10 Pour inverser le passage du solvant et augmenter la diff rence deconcentration, il faut appliquer une pression sup rieure la pression 3 : Principe de l osmose inverse (d apr s site Internet relatif au g nie consult en octobre 2002)La pression osmotique est d autant plus importante que la concentration est lev e et quela masse molaire est bene : la pression osmotique de l eau de mer est de l ordre de 25 bars OsmoseOsmose inversePression > 9 Photographie 1 : Installation de dessalement d'eau de mer tangentielle (source : siteinternet du club fran ais des membranes consult enoctobre 2002) La nanofiltrationCette technique se situe entre l osmose inverse et l ultrafiltration.