Filtration membranaire survol

INTRODUCTION – GÉNÉRALITÉS

La filtration membranaire est un procédé physique de traitement dans lequel l’eau à traiter est forcée (sous l’effet d’une pression d’eau) à passer à travers un matériau polymérique semi-perméable. Le matériau polymérique qui agit comme un filtre de surface est dit semi-perméable, car il permet d’effectuer une séparation en retenant totalement ou partiellement les contaminants et en laissant passer une bonne partie de l’eau. Ce matériau effectue donc une ségrégation : d’un côté de l’eau contenant la majorité des contaminants qui ne peuvent pas passer à travers le filtre (appelé concentré) et de l’eau côté l’eau débarrassée de la majorité de ses contaminants (eau purifiée appelée perméat).

Phénomène d’osmose et l’osmose inverse

L’osmose est un phénomène naturel qui peut se présenter comme illustré ci-dessous :

Lorsqu’on sépare deux compartiments étanches par un matériau dit semi-perméable, car laisse passé l’eau et retient les sels et que dans un compartiment on met de l’eau de robinet par exemple et que de l’autre on met de l’eau très salée, l’eau aura naturellement tendance à passer du compartiment moins concentré en sel vers le compartiment plus concentré en sel. Ce phénomène peut facilement s’expliquer par la thermodynamique. Entre autres, l’eau passe du compartiment moins concentré en sel vers celui plus concentré pour diminuer la pression osmotique.

Le procédé d’osmose inverse consiste à appliquer une pression du coté de compartiment contenant de l’eau salée de sorte que l’eau puisse passer de ce compartiment vers le compartiment moins salé. Il faut donc minimalement vaincre la pression osmotique et vaincre en quelque sorte la résistance de la membrane avant de pouvoir faire passer de l’eau. C’est pour cette raison que sans source de pression, difficile d’effectuer de l’osmose inverse.

La membrane est semi perméable au sel, mais pas complètement étanche, alors en même temps que l’eau une partie du sel va passer. Voila pourquoi l’eau produite par l’osmose inverse contient encore une certaine fraction de sel.

Le principe de l’osmose inverse s’applique aussi à la nanofiltration.

Matériaux membranaires

La matière polymérique qui effectue la séparation est appelée membrane. La membrane peut être mise en œuvre sous différentes formes : une surface plane, une forme de feuillets enroulés en spirale (membrane spiralée) ou des fibres en forme de tubes (membranes à fibres creuses et membranes tubulaires).

Bien que les membranes puissent être faites à partir de polymères organiques ou inorganiques, celles ici concernées sont faites à partir de polymères organiques.
Les polymères organiques fréquemment utilisés sont : le polyamide, la polypipérazine, le polyéthersulfone, le polysulfone, l’acétate de cellulose. Dans le cas présent, le polyamide et la polypipérazine sont les polymères concernés.

Les membranes sont fabriquées par un certain nombre de manufacturiers dont les plus connus: Filmtec, Hydranautics, Toray, .. . La nature exacte du polymère membranaire peut être est fournie par le manufacturier, mais les traitements de surface subséquents appliqués aux membranes sont généralement considérés comme des secrets de fabrication.

Procédés membranaires

Selon les conditions d’opération et la nature des composés à enlever, la filtration membranaire effectuée sous l’effet de la pression se subdivise en 4 parties : la microfiltration (MF), l’ultrafiltration (UF), la nanofiltration (NF) et l’osmose inverse (OI).

La microfiltration beaucoup moins utilisée est effectuée à une pression de 5 à 10 psi. Elle permet d’enlever les matières en suspension. L’ultrafiltration (UF) lui est préférée, car son impact est assez proche de ce que ferait un filtre à sédiment.

En UF, la séparation est effectuée par application d’une pression de 15 à 50 psi. Elle vise les contaminants de la taille de 0,05 à 0,1 micron. L’UF permet de retenir les colloides et particules à l’origine de la turbidité de l’eau, les bactéries et les très grosses molécules organiques. Elles sont pour la plupart sous forme de fibres creuses, c’est à dire des tubes ou des microtubes regroupés qui filtrent l’eau quand celle-ci passe à travers leurs parois (intérieur ver extérieur ou extérieur vers intérieur). L’ultrafiltration est considéré comme un procédé de traitement basé sur l’exclusion par la taille ou l’encombrement. Cela signifie que les particules ayant des dimensions plus larges que les pores ne passent pas à travers la membrane.

On utilise le masse moléculaire des particules pour définir la capacité de séparation des membranes d’ultrafiltration. On utilise le Dalton (Da) qui est la masse molaire (on va souvent parler de poids moléculaire, mais c’est bien la masse molaire) de la particule qui est retenue à 90% par la membrane. Le soluté de référence utilisé est souvent le polyéthylène glycol (d’autres composés comme le dextran sont aussi utilisés).

Une membrane d’ultrafiltration est dite de 10 000 Da lorsqu’elle retient 90% du polyéthylène glycol ayant une masse molaire de 10 000 g/mol.

Son considérées comme des membranes d’ultrafiltration, celles comprises entre 10 000 et 500 000 Da. Les membranes commerciales d’ultrafiltration utilisées en traitement de l’eau sont généralement entre 50 000 et 300 000 Da.

En NF, la séparation est effectuée par application d’une pression de 40 à 150 psi. On considère techniquement que les membranes de NF retiennent les particules de l’orde du nanomètre (0,001 micron).  La NF permet d’enlever en plus de tout ce qu’enlève l’UF, les virus, la matière organique, la couleur, les ions bivalents, certains pesticides etc. La nonofiltration est aussi appelé la membrane adoucissante, toutefois, les cations responsables de la dureté peuvent précipiter avec les carbonates en l’occurence pour entartrer les membranes. Certaines dispositions doivent être prises pour réduire ce facteur, entre autres, l’ajout d’antitartre.

En osmose inverse, les pressions sont généralement entre 120 et 1200 psi.
120 – 250 psi : les membrane faible et très faible pression (low and ultralow pressure) pour les eaux relativement adoucies, le traitement d’une eau municipale par exemple pour fournir de l’eau pure.
250 – 400 psi: les membranes pour l’eau saumâtre (BW, brackish water)
Au delà de 400 psi, les membranes de désalement d’eau de mer (SW membranes).

En osmose inverse, on peut parler d’osmose inverse basse pression (120-250 psi), moyenne pression (250 -400 psi), haute pression (400 – 800 psi), très haute pression (800 – 1200 psi).

Les développements récents de membrane d’osmsoe inverse ont permis à l’osmose inverse d’empiéter sur le domaine de la nanofiltration. Ces nouvelles membranes, tout en permettant l’enlèvement de 98% et plus de chlorure de sodium, peuvent être opérées à des pressions à pression initiale aussi basses que 70 psi.

 

Ces membranes appelées « Ultra-low Energy » ou « Ultra-low Pressure » sont promis a un interessant avenir, compte-tenu du fait que pendant longtemps la consommation énergétique importante des systèmes membranaires a été un des arguments clés pour les détracteurs de cette technologie.

Je me vois donc obligé de définir l’osmose inverse très basse pression qui est opérée à une pression entre 70 et 120 psi.

Les valeurs fournies sont à titre indicatif pour donner une idée et ne doivent pas être considérées comme des valeurs strictes.

COLMATAGE

Lors du traitement de l’eau, sous l’effet de la pression et selon la nature des membranes utilisées, la matière organique, la matière inorganique, les métaux ou les complexes métaux et matière organique s’adsorbent ou précipitent sur les membranes et dans leurs pores. Ce phénomène est appelé colmatage. On fait une petite distinction, entre colmatage et entartrage en désignant le phénomène comme un entartrage (scaling) lorsque ce qui en est à l’origine est de nature inorganique (précipitation de sels qui ont atteint leur limite de solubilité, carbonate de calcium, fluorure de calcium, sulfate de baryum, sulfate de strontium, etc.). Le colmatage serait alors principalement liée à la matière organique ou à la matière biologique.
Le colmatage biologique est lié aux microorganismes. En effet, au cours de la filtration, les microorganismes qui sont retenus par la membrane peuvent proliférer et former un film bactérien lorsque le milieu est favorable.
Le colmatage, qu’il soit organique, inorganique ou biologique entraîne une détérioration des propriétés séparatives et de la performance hydrodynamique des membranes. Les unités industrielles et municipales fonctionnant à débits constants, la baisse de performance entraîne une augmentation de la pression d’opération (augmentation de la consommation énergétique) et à la longue une détérioration des membranes (réduction de la durée de vie utile). Pour atténuer cela, il faut effectuer un bon prétraitement et laver efficacement et régulièrement les membranes.

LAVAGE DES MEMBRANES

Dans les systèmes membranaires dits petit systèmes (résidentiel, commercial et même des fois industriels), les membranes ne sont la lavées et sont remplacées lorsqu’elle sont colmatées. Ce sont souvent des membranes de moins de 4 » de diamètre.

Les membranes se lavent généralement à l’eau chaude avec une solution chimique (acides, bases ou différentes formulations de détergents).
De manière générale, les détergents acides sont utilisés pour laver les membranes colmatées par de la matière inorganique et des métaux. Les détergents basiques sont utilisés pour laver les membranes colmatées par la matière organique les huiles et graisses. Des formulations sont aussi développées pour la désinfection des membranes (lutter contre le colmatage biologique).

Le lavage des membranes spiralées de nanofiltration ou d’osmose inverse se fait par recirculation de la solution chimique de lavage à co-courant sur une durée de 15 à 30 minutes. Cette solution est par la suite neutralisée et éliminée, et en fin, la membrane est rincée.
À cause de la complexité des eaux traitées (variétés de contaminants organiques et inorganiques), il est souvent nécessaire d’alterner des lavages avec des détergents acides et des détergents basiques.

Les membranes d’ultrafiltration sont pour la plupart fabriquées à partir de polymères résistants au chlore. Le chlore entre donc souvent dans la formulation des produits de lavages et des désinfectants des membranes l’ultrafiltration.

FORMULATIONS DES DÉTERGENTS POUR LE LAVAGE DES MEMBRANES

Dans les détergents basiques, on peut généralement retrouver de l’hydroxyde de sodium, des agents complexants et des surfactants.
Les détergents acides sont faits soit à base d’acide chlorhydrique ou d’acide citrique.
Pour ce qui est des désinfectants, il en existe des formulations basées sur l’acide péracétique, le peroxyde d’hydrogène, le métabisulfite de sodium etc.

NB: Les membranes de NF et RO qui sont faites à base de polyamides et composites ne sont pas résistantes aux oxydants forts en l’occurrence le chlore et l’ozone. Ne jamais les utiliser dans les formulations de produits de désinfection ou de lavage. Les membranes d’osmose inverse fabriquées à partir d’acétate de cellulose sont résitantes au chlore.

MATÉRIAUX ENTRANT DANS LA CONSTRUCTION DES SYSTÈMES

Le tableau suivant présente les différents équipements utilisés dans la fabrication des unités de filtration membranaire et les matériaux qui ont contact avec l’eau lors du lavage.

Tableau 1 : Équipements et leurs composants ayant contact avec l’eau