• l'osmose inverse

    I/ DÉFINITIONS
    Une membrane semi-sélective est une membrane permettant certainstransferts de matière entre deux milieux qu'elle sépare, en interdisant d'autres ou plus généralement en favorisant certains par rapport à d'autres.

    L'osmose inverse est un procédé de séparation en phase liquide par
    perméation à travers des membranes semi-sélectives sous l'effet d'un gradient de
    pression.
    L'écoulement s'effectue en continu tangentiellement à la membrane. Unepartie de la solution à traiter (débit Q0) se divise au niveau de la membrane en deux parties de concentrations différentes:
    • une partie (débit Qp) passe à travers la membrane (perméat)
    • une partie qui ne passe pas à travers la membrane (concentrat ou rétentat) et qui contient les molécules ou particules retenues par la membrane

    La fraction de débit qui traverse la membrane est le taux de conversion Y
    défini par:
    Y = Qp /Qo

    Le flux de matière intéressant est suivant les cas le perméat (cas de la déminéralisation d'eau) ou le concentrat (concentration de produits alimentaires).
     Le débit de la solution d'alimentation peut atteindre une valeur 500 fois supérieure à celle du débit de perméat.
    Lors d'une filtration classique la suspension à traiter est amenée perpendiculairement au milieu filtrant; l'accumulation de matières forme une couche
    qui diminue la porosité et ainsi le débit de filtration. L'écoulement tangentiel permet


    au contraire de limiter l'accumulation sur la membrane des diverses espèces
    (particules, molécules, ions) retenues par cette dernière.
    La sélectivité d'une membrane est définie par le taux de rejet R (ou taux de
    rétention) de l'espèce que la membrane est censée retenir:
    R = (Co - Cp) /Co

    où Co est la concentration de l'espèce à retenir dans la solution et Cp est la concentration de la même espèce dans le perméat.
    L'osmose inverse utilise des membranes denses sans porosité qui laissent
    passer le solvant et arrêtent les ions.

    II/ PRINCIPES DE L'OSMOSE INVERSE
    1/ Pression osmotique:
    L'osmose est le transfert de solvant à travers une membrane sous l'effet d'un gradient de concentration. Si on considère un système à deux compartiments séparés par une membrane semi-sélective et contenant deux solutions de concentrations différentes, l'osmose se traduit par un flux d'eau dirigée de la solution diluée vers la solution concentrée.
    Si on applique une pression sur la solution concentrée, la quantité d'eau transférée par osmose va diminuer. Avec une pression suffisamment forte, le flux d'eau va même s'annuler: cette pression est nommée la pression osmotique P (en faisant l'hypothèse que la solution diluée est de l'eau pure). Si on dépasse la valeur de la pression osmotique, on observe un flux d'eau dirigé en sens inverse du flux
    osmotique: c'est le phénomène d'osmose inverse.

    La pression osmotique des électrolytes est donnée par la relation suivante:
    Π = i ⋅ C⋅R⋅ T
    où i est le nombre d'espèces d'ions constituant le soluté, C la concentration
    molaire du soluté (mol.m-3), T la température (K) et R la constante des gaz parfaits
    (8,31 J.mol-1.K-1). Π est exprimée en pascals. Cette relation est valable pour des
    solutions diluées.
    Exemple: la pression osmotique de l'eau de mer (3 % en masse de chlorure
    de sodium) à 25 °C est environ de 25 bars.

    2/ Mécanisme diffusionnel:
    En osmose inverse les transferts de solvant et de soluté se font par solubilisation - diffusion: toutes les espèces moléculaires (soluté et solvant) se dissolvent à travers la membrane et diffusent à l'intérieur de celle-ci comme dans un liquide sous l'action d'un gradient de concentration et de pression. Le transfert ne dépend donc plus de la dimension des particules mais de leur solubilité dans le milieu membranaire. Les séparations sont donc d'origine chimique et sont liées au pouvoir solvant de la membrane.
    Le flux massique Jsolvant (kg.m-2.s-1) de solvant et le débit volumique de solvant (m3.s-1) traversant la membrane sont donnés par les relations:

    J solvant = A⋅(ΔP − ΔΠ) et QP = Aρ⋅S ⋅(ΔP − ΔΠ)

    où A est la perméabilité de la membrane au solvant (m-1.s), S la surface de la membrane (m2), ρ la masse volumique du solvant (kg.m-3), ΔP la différence de pression de part et d'autre de la membrane et ΔΠ la différence de pression osmotique de part et d'autre de la membrane. ΔΠ=est la pression osmotique=du flux  d'alimentation si le perméat est une solution très diluée. Les pressions sont
    exprimées en pascals.

    Le flux massique Jsoluté (kg.m-2.s-1) de soluté traversant la membrane est donné par la relation:

    Jsoluté = B ⋅ (C0 − CP )
    où B est la perméabilité moyenne de la membrane au soluté (m.s-1), C0 et CP sont respectivement la concentration en soluté de l'alimentation et du perméat de part et d'autre de la membrane (kg.m-3).
    On montre donc que le flux de solvant est proportionnel à la pression efficace ΔP - ΔΠ tandis que le flux de soluté en est indépendant. On montre également que le taux de rejet d'une membrane augmente lorsque la pression efficace augmente.


    La sélectivité des membranes d'osmose inverse pour les différentes espèces
    chimiques dépend de leur possibilité de solvatation par l'eau. Les espèces les plus
    fortement solvatées ont un taux de rejet toujours plus important. On peut en tirer les
    indications suivantes:

    • les ions sont mieux retenus que les molécules.
    • les protéines ont une rétention plus faible pour des pH proches du point isoélectrique.
    • pour les acides faibles, le taux de rejet est élevé lorsque le pH est supérieur au
    pK.
    • pour des ions de valence différente, le taux de rejet croît avec la valence des ions.
    • pour des ions de même valence, le taux de rejet diminue si leur masse molaire augmente.

    IV/ MEMBRANES
    1/ Constitution et assemblage en modules:
    Les membranes sont le plus souvent fabriqués en acétate de cellulose ou en polymères de synthèse (polyamides, polysulfones). Elles peuvent être planes ou tubulaires (épaisseur de l'ordre de 200 μm) ou en fibres creuses obtenues en filant des polymères (diamètre intérieur de 25 à 800 μm et diamètre extérieur de 50 à
    1000 μm)

    Les membranes sont caractérisées par leur qualités de stabilité chimique (pH, oxydants, dichlore ...), de stabilité thermique (important facteur pour les utilisations biologiques où il y a stérilisation en autoclave), de stabilité microbiologique (dégradation bactérienne pour les membranes en acétate de cellulose) et de résistance mécanique. Leur coût intervient dans 40 à 50 % de l'investissement d'une
    unité d'osmose inverse.

    Pour être mises en oeuvre les membranes doivent être montés dans des supports appelés modules. Une enceinte résistant à la pression est toujours nécessaire. On trouve trois types principaux:
    • module spirale: une membrane plane est enroulée autour d'un tube creux collecteur de perméat.
    • module tubulaire: une membrane tubulaire est fixée sur un support poreux.
    • module à fibres creuses: les fibres en U sont mises en faisceau et assemblées de façon à réaliser l'étanchéité aux deux extrémités du module. Le liquide à traiter circule perpendiculairement à l'axe des fibres tandis que le concentrat est recueilli

    dans une enceinte qui enveloppe le faisceau et permet son évacuation à une
    des extrémités du module. Le perméat s'écoule à l'intérieur de chacune des fibres
    puis dans un collecteur.

    2/ Polarisation et colmatage:
    La polarisation, apparaissant en osmose inverse, est un phénomène réversible (disparaissant quand le gradient de concentration s'annule) caractérisé par une accumulation à la surface de la membrane des espèces retenues. La concentration étant à la surface plus élevée que dans le volume de la solution il s'ensuit une augmentation de la pression osmotique près de la membrane et donc une diminution de la pression efficace ΔP - ΔΠ=: le flux de perméat va donc diminuer.

    Le colmatage est possible en osmose inverse. On peut atteindre la limite de
    solubilité des sels au niveau des membranes et avoir une formation de tartre lors de
    la déminéralisation d'eaux salines.

    3/ Procédés:
    Les unités d'ultrafiltration ou d'osmose inverse comportent principalement en
    plus des modules les éléments suivants:
    • une pompe à haute pression (40 à 80 bars) pour l'osmose inverse.
    • un échangeur de chaleur pour maintenir les liquides aux températures souhaitées.
    Les procédés existent en discontinu comme en continu avec dans les deux cas des montages permettant le recyclage des concentrats pour améliorer la séparation. Une étape d'élimination préalable des plus grosses particules est toujours nécessaire.

    V/ APPLICATIONS INDUSTRIELLES
    Les principales applications de l'osmose inverse et de l'ultrafiltration sont les
    suivantes:
    • traitement des eaux: dessalement de l'eau de mer et des eaux saumâtres,
    production de l'eau ultrapure (industries électronique, pharmaceutique ...).
    • extraction de protéines du lactosérum dans l'industrie laitière.

    Les techniques présentées présentent les avantages suivants:

    • opération à température ambiante ce qui évite la dégradation de molécules
    fragiles dans le domaine agro-alimentaire.
    • pas d'intervention de réactifs chimiques comme des agents d'extraction qui sont des sources de pollution.

    • consommation énergétique faible vis à vis de la distillation pour le dessalement de l'eau.
    Néanmoins des inconvénients existent:
    • baisse de la perméabilité et modification de la sélectivité en cas de colmatage des membranes.
    • sélectivité entre les espèces chimiques "soluté" toujours inférieure à 100 %.
    • durée de vie limitée des membranes soit par perte de résistance mécanique soit
    par suite d'une mauvaise tenue aux réactifs utilisés pour le nettoyage.

    BIBLIOGRAPHIE
    Techniques de l'ingénieur: articles relatifs à l'ultrafiltration et à l'osmose inverse
    7
    TRAVAUX PRATIQUES DE GÉNIE CHIMIQUE
    ÉTUDE DU PROCÉDÉ D'OSMOSE INVERSE
    I/ GÉNÉRALITÉS
    La première partie consiste à mesurer la perméabilité de la membrane à l'eau
    brute pour un taux de conversion fixé.
    La seconde partie consiste à montrer les paramètres principaux de fonctionnement d'un module d'osmose inverse destiné à réaliser une opération de dessalement: perméabilité de la membrane, pression appliquée, taux de conversion, taux de rejet, concentration en sel de la charge. On réalise ces manipulations en circuit fermé ce qui permet d'alimenter le module avec une concentration constante
    en sel. L'analyse de l'eau osmosée est effectuée par conductimétrie.

    Dans une troisième partie on produit de l'eau osmosée à partir d'un réservoir d'eau salée et on suit par conductimétrie l'évolution de la qualité de l'eau osmosée au cours du temps........................................................................


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