Ce séminaire organisé au mois de novembre dernier par l'I.F.T.S. à Paris a réuni 70 participants, la plupart industriels constructeurs ou fournisseurs de moyens de filtration et de séparation, bureau d'études ou bien utilisateurs, actifs ou potentiels, de techniques membranaires. Différents sujets ont été abordés à commencer par le prétraitement avant membrane, une démarche quasiment obligatoire.
Le prétraitement avant membrane : une démarche quasiment obligatoire
Éliminer les débris en vue de limiter l'attaque mécanique des membranes, abattre la charge en solides et en matières solubles dans les étapes amont pour limiter leur colmatage et espacer leurs nettoyages, cette étape essentielle conditionne une bonne productivité. Plusieurs principes sont envisageables, le choix est fonction de la qualité et de la composition du liquide à traiter et de l'objectif de séparation sur membrane de la microfiltration à l'osmose inverse. C?est tout l'enjeu d'une étude de faisabilité :
- coagulation avant microfiltration, floculation, oxydation par ozonation, complexation de métaux lourds, précipitation pour la décarbonatation,
- déshuilage d'effluents pétroliers ou de travail des métaux,
- centrifugation de moûts de fermentation,
- adsorption sur charbon actif,
- filtration sur tamis, sur sable ou autres media granulaires, sur cartouches, sur membranes'.
Les échanges ont ensuite porté sur les méthodes de caractérisation des membranes.
Comment caractériser les membranes ?
La perméabilité au solvant ou au gaz permet de comparer des membranes et/ou apprécier leur usure. Le seuil de rétention à des particules, des microorganismes, à des molécules étalon ou à des sels constitue une autre approche. Mais peu de méthodes sont normalisées et celles qui le sont restent lourdes à mettre en ?uvre, certaines molécules ou sels ne permettant pas de différencier des membranes. L?IFTS propose de son côté de mesurer l'efficacité de filtration des membranes avec des particules submicroniques (billes de polystyrène ? silice polydispersée) à l'aide de compteurs de particules de 0.05 à 5 µm utilisant la diffusion de lumière.
Autre méthode, les résistances thermique, chimique, mécanique des membranes et de tous les composants des modules (joints, espaceurs') et des unités membranaires. Elles limitent les conditions de la filtration (pression, température, pH?) et aussi celles de la régénération des membranes.
L?hydrophilie : les membranes hydrophiles n?imposent pas de résistances additionnelles dues aux forces capillaires. Des membranes hydrophobes ont une plage de pH plus ouverte pour leur emploi (1 à 10), se colmatent moins à c'ur et restent peu chères pour celles en PES ou PVDF. L?hydrophilisation de ces dernières n?est pas stable dans le temps,
Le test d'intégrité est utilisable en contrôle de fabrication mais reste limité pour le contrôle de réception ou le suivi de l'usure des membranes,
La sélectivité, la productivité instantanée ou moyenne et la régénérabilité sont trois critères qui serviront à l'élaboration du cahier des charges, à la sélection de la membrane avant l'investissement et au suivi de production.
L?indice de filtrabilité ou les c'fficients de colmatage caractérisent l'aptitude du liquide à être plus ou moins facilement filtré sur membranes. A côté du très célèbre «Fouling index» ou «SDI, Slit Density Index», sont proposés de nouveaux indices mesurés dans des conditions différentes pour rendre compte de comportements plus proches de la réalité des applications : colmatage progressif des pores des membranes de microfiltration, colmatage sur membrane d'ultrafiltration ou de nanofiltration ou colmatage réversible et irréversible dans les bioréacteurs à membranes.
Membranes quelles avancées ?
Des fabricants ont ensuite détaillé l'offre en membranes : organiques planes, fibres creuses à double peau moins fragiles, minérales céramiques pour la micro, ultra, nanofiltration et l'osmose inverse. Les développements visent de meilleures résistances chimiques (chlore, solvants) ou une moindre propension au colmatage (résistance à l'adhésion du biofilm).
Les développements visent également la réduction des coûts de fonctionnement. La diminution de la consommation d'énergie liée à la circulation du mélange dans la boucle du courant tangentiel est possible par la conception d'une boucle très «ramassée» avec seulement le module et la pompe. Le volume et la longueur de parcours sont ainsi très réduits. Les systèmes à membranes à disques tournants peuvent quant à eux traiter des mélanges très visqueux (700 mPas), développer des cisaillements très forts (équivalent à une vitesse tangentielle allant jusqu'à 15 m/s, sans coût énergétique élevé (8 fois moins qu'un procédé conventionnel). Les systèmes à membranes organiques vibrants, sans développer des surfaces filtrantes importantes, sont bien adaptés pour traiter des suspensions visqueuses ou chargées.
L?espacement des nettoyages de membranes peut être obtenu grâce à l'emploi d'agents enzymatiques (protéase, amylase, lipase, cellulase) seuls ou avec d'autres agents chimiques. L?enzyme ne développe pas de réactions avec la membrane mais agit «en profondeur» dans les couches de colmatage (transformation de la matière organique en très petits résidus entraînés hors des modules). Les débits de filtrat sont mieux récupérés après nettoyage (facteur 2 voire plus), la fréquence de nettoyage est réduite d'un facteur 2 à 5, la durée de vie des membranes peut passer de 12 à 30 mois.
Des recherches existent pour aller plus loin dans la maîtrise de l'hydrodynamique (pulsations, oscillations en flux tangentiel, mode d'aération des bioréacteurs), pour maximiser la productivité ou étudier le couplage d'un champ électrique à la filtration.
Quelles unités de traitement ?
Des unités de traitement d'effluents industriels sont proposées comme éléments d'une gamme de bioréacteurs à membranes traitant de 5 à 50 m³/h. Chacun des systèmes comprend le compartiment de biomasse aérée contenant les membranes immergées ainsi que les tuyauteries, vannes, instrumentation et le poste de nettoyage des membranes. D?autres unités sont préparées pour former des plateformes complètes autonomes et livrables directement sur site.
Des gammes d'unités de clarification/désinfection par membrane d'ultrafiltration sont également proposées avec 1 à 10 modules pour traiter jusqu'à 400 m³/j d'eau.
Des unités peuvent comprendre l'ultrafiltration et l'osmose inverse pour traiter les eaux de surfaces «difficiles» et préserver cette ressource. L?osmose inverse, nécessaire pour produire l'eau à la qualité souhaitée par l'industriel, peut ainsi utiliser la ressource d'eau disponible, malgré sa qualité initiale médiocre.
L?électrodialyse est une solution technique pour la déminéralisation de liquides quand on ne recherche pas un taux de rejet à 100%. Trois étages de traitement peuvent réduire successivement de 50 ? 75 ? 87.5 % la charge initiale en espèces ionisées. Le prétraitement est moins critique que pour les filtrations membranaires en particulier pour la silice.
De plus, l'inversion de la polarité conjuguée à l'application du champ électrique continu limite le dépôt et le colmatage des membranes, c'est ainsi que des membranes peuvent travailler pendant 10 -15 ans.
Pour quelles applications ?
Les applications présentées ont largement couvert la plupart des champs du traitement des eaux : la clarification, la purification, la désinfection d'eau potable, de procédés, d'eau ultrapure, la concentration des matières solides ou solubles qu'elles soient nobles à récupérer ou polluantes à retenir avant rejet, la déminéralisation, le dessalement, le recyclage et la réutilisation.
Les applications des membranes pour le traitement de mélanges organiques en biotechnologie, en industrie alimentaire sont nombreuses, anciennes. Les nouvelles productions de molécules «fragiles» pour le marché de la pharmacie, des ingrédients diététiques, alimentaires sont largement utilisatrices des membranes.
Des publications récentes rendent compte de fractionnement des molécules de mélanges complexes, de rétention des molécules sous produits de désinfection de l'eau repoussant ainsi des limites d'autres procédés, des molécules médicamenteuses (antibiotiques, perturbateurs endocriniens, hormones, produits anti-cancer?), des molécules phytosanitaires, fongicides, insecticides, de réaction enzymatique développée dans des membranes tubulaires concentriques, de bioréacteurs à membranes de nanofiltration ou travaillant en séquence aérobie mais aussi anaérobie, de rétention de micropolluants neutres ou chargés (bore, BTEX (benzène, toluène, éthyl-benzène et xylènes), de composés perfluorés, du tichloro-éthylène?etc.
Un marché dynamique
Les plus fortes progressions du marché mondial des membranes sont attendues en nanofiltration, technique encore jeune apparue en 1970 (+26% par an entre 2007 et 2010), en osmose inverse dont 50 % du marché concerne le dessalement de l'eau de mer (+25% par an entre 2008 et 2010).
L?évolution moyenne du marché des membranes est estimée à 7-10 % par an. Elle est facilitée par la diminution des prix des modules à membranes organiques d'un facteur 2 à 5 sur les 25 dernières années, des membranes organiques d'osmose inverse d'un facteur 10 sur la même période et par les avancées techniques qui ont permis de réduire les consommations d'énergie de 25 % en 10 ans (turbine Pelton, échangeur de pression, agencement de modules).
Cette évolution dynamise aussi le marché des techniques de prétraitement des membranes chimiques, séparatives (filtration, centrifugation).
En conclusion, la démarche pour mettre en ?uvre la filtration sur membranes impose des essais tant la complexité des choix pour les prétraitements (conditionnement ou pré-séparation) et pour les conditions de la filtration membranaire, est grande. L?étude de la faisabilité du prétraitement et de la filtration membranaire peut être menée à l'échelle du laboratoire ou sur pilote sur des volumes qui restent réduits.
Cette campagne d'essais d'une durée courte (quelques semaines) produira des résultats détaillés et riches qui permettront de dégager la membrane capable d'assurer la sélectivité voulue en début de traitement et tout au long de la concentration si nécessaire, et les meilleures conditions hydrodynamiques pour préserver la productivité sans entraîner un colmatage trop fort. L?extrapolation à une unité industrielle n?entraîne pas alors de dérives.
Marie Andrée Sirvain
IFTS
