TP 3ème Année Chimie CAP, Septembre 2015

Nanofiltration

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1. Introduction générale

Suite aux différentes crises énergétiques et économiques, le développement des biotechnologies a pris de l’essor. En particulier, il s’agit de recycler, transformer ou récupérer la majeure partie de ce qui est considéré comme sous-produit de l’industrie. A ce titre, de nombreux tableaux sont consacrés aux procédés de séparation par membrane et plus particulièrement à l’ultrafiltration. Son principe est de séparer un fluide contenant des macromolécules en deux effluents (figure 1):

un effluent enrichi en macromolécules : le rétentat,

un effluent appauvri en celles-ci : le perméat.

Figure 1 : principe de fonctionnement de la séparation membranaire

La séparation s’effectue sous l’effet d’un gradient de pression grâce à une membrane qui joue le rôle d’un tamis moléculaire. Ce procédé de purification (pour l'eau par exemple) ou de concentration (caillé de fromages) utilisé depuis longtemps sur des bases empiriques, a pris un essor nouveau grâce à la fabrication de membranes en aluminium ou synthétiques, aux pores de plus en plus fins (figure 2), adaptables à chaque technique et même à la base de nouvelles techniques.

Figure 2 : gamme de filtration

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1.1 La microfiltration

Le diamètre des pores de la membrane est de 0,1 μm à 1 μm, taille inférieure à celle des bactéries. Cette technique permet la dépollution de milieux liquides, en particulier les effluents des industries agroalimentaires. Certaines industries laitières préparent aussi du lait frais débarrassé des micro-organismes par ultrafiltration. Le lait entier cru est d'abord écrémé, la crème obtenue est pasteurisée et dégazée à 85-90°C. Le lait écrémé est micro filtré, toutes les bactéries sont arrêtées par le filtre. La crème et le microfiltrat sont ensuite homogénéisés ensemble ; le mélange est refroidi. Le rendement est de l'ordre de 95,5 %. Le lait ainsi obtenu a une DLC de 15 jours à 4°C. Commercialisé sous le nom de lait frais microfiltré, il présente les qualités organoleptiques du lait frais. C'est une alternative positive au lait UHT traditionnel qui présente un goût modifié par le traitement thermique. 1.2 L'ultrafiltration L'ultrafiltration est une filtration à travers une membrane à pores plus fins. La technique nécessite la mise en œuvre de pressions élevées. L'ultrafiltration sur membrane permet d'améliorer le rendement des procédés classiques puisqu'elle retient des particules de 0,006 μm, et de lancer sur le marché de nouveaux ingrédients ou additifs. Les membranes sont minérales ou organiques. L’intérêt de l’ultrafiltration réside dans le fait qu’elle ne fait pas intervenir de changement d’état ou de réaction : elle est non destructrice. Dès lors elle s’avère énergétiquement économique et particulièrement adéquate pour le traitement de composés labiles comme les biomolécules. La filière lait représente 75 % des installations d'ultrafiltration dans le monde. L'ultrafiltration est utilisée pour la concentration des protéines du lactosérum et de la caséine, pour la pré-concentration en fromagerie, où le rendement est augmenté de 10 %, et pour la mise au point de produits nouveaux dans le domaine des produits frais : laits fermentés, crèmes desserts … L'ultrafiltration fait son entrée à la ferme ; elle permet de pré-concentrer le lait pour le fromage et d'obtenir un jus lactosé concentré pouvant être utilisé sur place pour l'alimentation du bétail. La filière boisson utilise la microfiltration et l'ultrafiltration dans la fabrication des jus de fruits ; le rendement s'élève de 10 %, les coûts de production sont abaissés de 30 %. L'ultrafiltration sert aussi à clarifier les vins et la bière. La filtration de la bière est un énorme marché potentiel, mais le traitement devant se faire à moins de 5°C pose problème car les flux de perméation des membranes sont très faibles à cette température. Se mettent en place : - la filière des ovoproduits et la filière des produits obtenus à partir du sang animal. Le plasma concentré par ultrafiltration permet d'obtenir des concentrés de protéines ; l'hémoglobine hydrolysée par des enzymes peut aussi être concentrée par ultrafiltration ; - la filière des protéines végétales permet d'obtenir des protéines spécifiques de soja. L'industrie sucrière met au point une nouvelle génération de produits édulcorants à partir de végétaux tels que blé, betterave, chicorée ; - la filière des produits de la mer. La chaîne "surimi" et ses dérivés utilise l'ultrafiltration. L'ultrafiltration permet d'obtenir des produits alimentaires utilisés en tant que tels. Elle est aussi à l'origine de dérivés protéiques utilisés pour leurs propriétés fonctionnelles, et que l'industrie agroalimentaire intègre de plus en plus pour des raisons techniques et économiques ;

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- elle devient aussi une technique très performante pour la purification des eaux de distribution publique. 1.3 La nanofiltration Les membranes utilisées ont une taille inférieure à 0,001 μm. La nanofiltration permet la déminéralisation partielle de certaines solutions ; elle peut modifier les équilibres minéraux. C'est une technique déjà très utilisée en industrie laitière : on peut concentrer protéines et lactose, modifier la minéralisation du lait. Les laits fermentés obtenus sont plus doux et ont une texture plus ferme en raison d'une forte hydratation des micelles de la caséine. La nanofiltration remplace l'électrodialyse dans la minéralisation partielle du lactosérum. 1.4 L'osmose inverse Cette méthode est utilisée dans le dessalage de l'eau de mer. Elle est aussi employée pour la production d'eau très purifiée entrant dans la composition de boissons industrielles telles les boissons rafraîchissantes sans alcool (sodas, sodas-colas…) ou dans la fabrication des crèmes glacées. C'est aussi une méthode de concentration.

2 La nanofiltration et l’osmose inverse

La nanofiltration La nanofiltration est une technique qui a prospéré au cours des dernières années. Aujourd'hui la nanofiltration est principalement utilisée dans les procédés de purification d'eau, tels que l’adoucissement, la décolorisation, et l'élimination de micropolluant. Dans les procédés industriels la nanofiltration est utilisé pour éliminer des composants particuliers comme des agents colorants. La nanofiltration est un procédé permettant de séparer des molécules en se basant sur leur taille et utilisant la pression pour fonctionner. La séparation se fait à travers des membranes. Cette technique est principalement utilisée pour l'élimination des substances organiques, telles que les micropolluants, et les ions polyvalents. Les membranes de nanofiltration ont une rétention modérée des sels monovalents. Autres applications de la nanofiltration:

Elimination des pesticides des eaux souterraines

Elimination des métaux lourds des eaux usées

Recyclage des eaux usées dans les laveries·

Adoucissement

Elimination des nitrates La nanofiltration (NF) est le dernier développement des applications des membranes. Elle se situe entre l’osmose inverse (OI) et l’ultrafiltration (UF). La nanofiltration se caractérise par un faible taux de rejet des anions monovalents et par un fort taux de rejet des molécules organiques d’un poids moléculaire supérieur à 200. Les applications courantes sont la décoloration, le contrôle des THM (trihalométhanes) et l’adoucissement des eaux de surface et souterraines. En dehors de la production d’eau potable, on utilise la nanofiltration dans l’industrie agroalimentaire et la séparation de molécules.

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L’osmose inverse L'Osmose inverse est basée sur la recherche d'équilibre d'un système. Deux fluides contenant des concentrations en solides dissous différentes et qui entrent en contact l'un avec l'autre vont se mélanger jusqu'à ce que la concentration soit uniforme. Lorsque ces deux fluides sont séparés par une membrane semi-perméable (qui laisse passer le fluide mais pas des solides dissous), le fluide contenant la concentration la plus faible traversera la membrane pour rejoindre le fluide avec la concentration la plus élevée. Après un moment le niveau d'eau sera plus élevé d'un côté de la membrane. La différence de niveau est appelé la pression osmotique. En appliquant une pression excédant la pression osmotique sur la colonne de fluide, on obtient l'effet inverse. Les fluides sont renvoyés dans le premier compartiment tandis que les solides dissous ne passent pas. En résumé les applications de l'osmose inverse sont:

L'adoucissement

La production d'eau potable

La production d'eau de process

La production d'eau ultra pure (industries électroniques)

Concentration de solvants pour les industries alimentaires. Le prétraitement de l'eau d'alimentation pour les installations de nanofiltration ou d'osmose inverse influence de façon importante les performances de l'installation. La forme de prétraitement requis dépend de la qualité de l'eau alimentant le système. Le but du prétraitement est de réduire la concentration en matière organique et la quantité de bactérie, et de réduire le MFI (Membrane Fooling Index). La concentration en matière organique et la quantité de bactérie doivent être aussi bas que possible pour éviter ce qu'on appelle le bio-encrassement des membranes. L'utilisation d'un prétraitement a plusieurs avantages:

Les membranes ont une durée de vie plus longue

Le temps de production de l'installation est allongé

Les taches de gestion deviennent plus simples 2.1 Dispositifs et modes de fonctionnement Fonctionnement type « batch » en boucle ouverte

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Fonctionnement type « batch » en boucle fermée

Fonctionnement continu à un étage

Fonctionnement continu à plusieurs étages

2.2 Caractérisation des membranes 2.2.1 Paramètres opératoires Plusieurs paramètres permettent de caractériser le transfert de matière en ultrafiltration.

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La pression transmembranaire (soit la perte de charge dans les pores de la membrane) en filtration tangentielle est mesurée comme suit :

321

2P

PPPTM

Avec P1 : pression liquide en entrée de module en bar, P2 : pression rétentat en sortie de module en bar, P3 : pression perméat en bar, PTM : pression transmembranaire en bar. La densité de flux est le débit de perméat rapporté à la surface de la membrane. Le débit de perméat est mesuré au moyen d’un débitmètre ou encore d’un récipient gradué associé à un chronométrage.

S

QJ

Avec Q : débit de perméat en kg.s-1 (ou m3.s-1),

S : surface de la membrane en m2, J : densité de flux en kg.s-1.m-2 (ou m3.s-1. m-2).

Par application de la loi de Darcy, le flux de perméat dans le cas d'un solvant pur et pour des pressions inférieures à 10.105 Pa s'exprime ainsi :

PTMLJ P

avec LP : perméabilité de la membrane en m.Pa-1.s-1. Dans le cas de transfert d'eau pure au travers d'une membrane, on pose :

RhL

eau

P

1

La relation devient :

heau

eauR

PTMJ

.

Avec Jeau : densité de flux (m3.s-1.m-2), Rh : résistance hydraulique de la membrane (m-1), PTM : pression transmembranaire en Pa, μeau : viscosité dynamique de l'eau (Pa.s) à la température considérée. La mesure de la résistance hydraulique de la membrane avant l'essai d'ultrafiltration permet de s'assurer que celle-ci est toujours dans le même état de propreté. La mesure de la résistance hydraulique finale caractérise l'état de la membrane vis-à-vis du transfert d'eau après ultrafiltration d'un fluide dans des conditions opératoires données. Il s'agit donc d'une mesure indirecte des modifications irréversibles (engendrées par les substances non éliminées par un lavage à l'eau) subies par la membrane. Le passage d'un soluté à travers la membrane est caractérisé par le taux de rétention (ou taux de rejet) noté TR et calculé de la façon suivante :

1001

Ri

Pii

C

CTR

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Avec CPi : concentration du constituant i dans le perméat, CRi : concentration du constituant i dans le rétentat, TRi : taux de rétention en %. Dans le cas d'une rétention idéale, TR = 100. Le facteur de concentration volumique représente le ratio entre le débit d’alimentation et le débit de rétentat. Il est calculé selon :

perméatdeVolumeinitialVolume

initialVolumeFCV

La mesure de la perméabilité de la membrane à l’eau permet de valider si elles sont correctement nettoyées et donc entièrement régénérées. La perméabilité de l’eau est obtenue par la formule :

PTMS

QfCWF eau

Avec Qf : débit de perméat en L.h-1, μeau : viscosité de l’eau à la température de contrôle en cP, S : surface membranaire en m2, PTM : pression transmembranaire en bar, CWF : perméabilité en L/h.m2.bar à 20°C. 2.2.2 Phénomènes de polarisation et de pression osmotique En nanofiltration, la force qui régit la séparation est la différence de pression transmembranaire PTM. Elle conditionne le passage de solvant à travers la membrane donc le flux de densité J. Au-delà d’une certaine valeur de PTM, le flux est indépendant de la pression et atteint une valeur maximale appelée flux limite JLIM. En outre, pour une PTM donnée, le flux J diminue au cours du temps.

PTM

J

JLIM

J

t

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Les phénomènes de polarisation et de pression osmotique compliquent la maîtrise du fonctionnement et des résultats d’ultrafiltration. En effet, les membranes sont caractérisées par leur seuil de coupure (taille de la protéine de plus faible masse molaire rejetée par la membrane). Cette notion n’est qu’indicative vu les variations de configuration stérique d’une même protéine en fonction de la salinité, du pH, de la température, …Aussi, les débits unitaires annoncés pour de l’eau propre diminuent considérablement en présence de colloïdes pour deux raisons essentielles : la polarisation de concentration et le colmatage. Polarisation La polarisation est inhérente à tout système mettant en œuvre une membrane sélective. Il correspond à une accumulation des solutés retenus par la membrane dans une couche liquide confinée au voisinage de cette dernière. La polarisation se caractérise par l’apparition d’un flux limite lorsque la pression transmembranaire croît : les débits passent de quelques mètres cube à quelques litres. Le seul moyen permettant de combattre ce phénomène est d’augmenter la vitesse de passage sur la membrane ce qui entraîne des consommations énergétiques importantes. Dans le cas d’une solution de macromolécules, la membrane est principalement perméable au solvant. Elle sépare donc une solution très diluée (perméat) d’une solution dont la concentration à la membrane est supérieure à la concentration moyenne de la solution. Il

existe ainsi une différence de pression osmotique de part et d’autre de la membrane qui est dirigée de la solution diluée vers la solution concentrée et par conséquent opposée au gradient de pression PTM. Le flux d’ultrafiltration s’exprime donc ainsi :

)( PTMLJ P

Rappels – Calcul de la pression osmotique

A l’équilibre liquide-vapeur d’un corps pur, on a :

0

00 ln

P

PiRTii vl

Loi de Raoult : xiPiPi 0

Et 1xi

Pour un mélange binaire réparti comme suit :

Compartiment a : solvant (1) de tension de vapeur Pi0

Compartiment b : solvant + soluté (2) : Pi Il va se produire un transfert de solvant jusqu’à l’équilibre des potentiels chimiques :

ba

ii

D’où ViPiRTiPiRTivv

lnln 000

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Ce qui donne

0ln

Pi

Pi

Vi

RT

Pour le solvant 1, nous aurons :

0

1

1

1

lnP

P

V

RT

Pour le soluté 2, sachant que 2

0

11 1 xPP et que 1

2

21

22

n

n

nn

nx

car n1>>n2

2

1

1ln xV

RT

Or 22)1ln( xx

D’où 2

2

1

2

1

RTCV

nRT

n

n

V

RT

Remarque :

Dans le cas d’un électrolyte : 2jRTC avec j = nombre d’ions formés par la dissolution du

sel. Définitions et unités

i : potentiel chimique de l’espèce i Mi : masse molaire de i (kg.mol-1) Pi0 : tension de vapeur du corps pur i

i : masse volumique de i (kg.m-3) xi : fraction molaire de i T : température (K) Vi : volume molaire partiel de i (Vi = Mi/Pi m3/mol-1)

: pression osmotique (Pa) Ci : concentration de i (mol.m-3) ni : nombre de mol de i (mol) P : pression appliquée (Pa) Ui : mobilité de i Pe : pression effective (Pa) Ji : flux spécifique de i (mol.m-2.s-1) Q : débit (m-3.s-1)

(i)l : potentiel chimique de i dans le liquide

(i)v : potentiel chimique de i en phase vapeur

2.3 Influence des conditions opératoires Le rôle des paramètres physico-chimiques (pH, température, force ionique, composition du lactosérum….) a une grande importance sur le colmatage des membranes. Le transfert de soluté et de solvant est également fonction des conditions opératoires : régime hydraulique, pression transmembranaire, température, concentration en soluté… Ces paramètres conditionnent le transport de matière donc le flux d’ultrafiltration. Vitesse d’écoulement L’augmentation de vitesse tangentielle diminue l’épaisseur des couches de polarisation liquides. Elle permet également de diminuer le dépôt des grosses particules en suspension

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qui sont plus facilement entraînées. Elle génère enfin des forces de cisaillement au voisinage de la membrane. Tout ceci permet d’augmenter le flux de perméat. Toutefois, si le colmatage a lieu à l’intérieur des pores ou sous la forme de couches minces compactes, l’effet de la vitesse sur le flux peut devenir très faible. De plus cet effet doit être corrélé à la différence de pression appliquée. Pression transmembranaire Ce paramètre assure la filtration du solvant. Son augmentation favorise l’accumulation des solutés et des particules en suspension au voisinage de la membrane. Cela peut accroître la polarisation et le colmatage. En général, l’augmentation de la pression transmembranaire accroît le flux de perméat mais il peut apparaître parfois une diminution des flux selon la composition de la solution. Concentration La concentration de la solution affecte la polarisation et le colmatage de la membrane. Son augmentation conduit à une élévation de la concentration à la membrane et favorise les phénomènes intervenant dans le colmatage. Température Une élévation de température améliore les flux d’ultrafiltration par diminution de la viscosité de la solution et augmentation du coefficient de diffusion des solutés. La décroissance des flux en fonction du temps est plus marquée aux fortes températures en raison de l’apparition de phosphate de calcium insoluble. Temps L’effet des paramètres opératoires sur les flux d’ultrafiltration devient moins évident si la durée est prise en compte. Au delà de 3 h de fonctionnement, en raison d’un colmatage en profondeur de la membrane, les flux d’ultrafiltration dépendent peu des paramètres opératoires. L’utilisation d’un décolmateur permet de limiter le colmatage en profondeur ou tout du moins de ralentir l’apparition de ses effets. Un décolmateur est un système permettant, durant la manipulation, de renvoyer, sous pression, un volume donné de perméat en sens contraire de la membrane. Il s’agit d’un mini rétro-lavage qui intervient en un temps très court (quelques dixièmes de secondes à quelques secondes), à un rythme régulier, afin de décolmater en surface les pores de la membrane. 3. Objectifs du TP Au cours de ces travaux pratiques, vous séparerez une solution contenant du sucre et du chlorure de sodium (sel). Il s’agit d’exemple très présent dans l’industrie agro alimentaire (figure 4).

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Figure 4 : traitement industriel en agro alimentaire

La séance de travaux pratiques doit permettre d’appréhender la technologie liée à la mise en œuvre de ces opérations, d’en comprendre le fonctionnement, de faire fonctionner les installations, d’identifier les paramètres de conduite, et d’en évaluer les potentialités en tant qu’opérations de séparation. 3.1 Présentation du pilote

Photo du MP72S

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Schéma de principe

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Description

Vue de face

Coffret électrique

V8 – V10

PT3

V1

V9 – V11

PI3

B2

FI3

C2

V6 – V7

FI1

FI2

V4

V16 – V17

S

V15 – PI2 – PT2

V22 – V23

V14

V12

V13

V4

TT1

C1

V5 – PI – PT

EV

E

V18 – V19

Variateur agitation

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Vue arrière

Pompe P

LSL

B1

V2

V18 – V19

M

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Coffret électrique

Voyant de mise sous

tension

Mise en marche / arrêt de

la pompe

Mise en service

Arrêt d’urgence

Mise hors service

Réglage de la vitesse de

rotation de la pompe

Indicateur de la pression d’alimentation

PI1

Régulateur de la température du rétentat

TIC1

Indicateur de la pression du rétentat

PI2

Indicateur de la pression du perméat

PI3

Mise en marche de

l’électrovanne

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Nomenclature

V1 Vanne de vidange de la cuve d’alimentation B1 V2 Vanne de mise en ligne de la cuve d’alimentation B1 V3 Vanne de mise en recyclage de l’alimentation V4 Vanne de mise en ligne du circuit en entrée des membranes V5 Vanne de mise en ligne du manomètre PI1 et du capteur PT1 (entrée de module) V6 Vanne de mise en ligne de la membrane d’osmose inverse (entrée) V7 Vanne de mise en ligne de la membrane de nanofiltration (entrée) V8 Vanne de mise en ligne de la membrane d’osmose inverse (sortie rétentat) V9 Vanne de mise en ligne de la membrane d’osmose inverse (sortie perméat) V10 Vanne de mise en ligne de la membrane de nanofiltration (sortie rétentat) V11 Vanne de mise en ligne de la membrane de nanofiltration (sortie perméat) V12 Vanne de vidange du circuit de rétentat après module V13 Vanne de vidange du circuit de perméat après module V14 Vanne d’isolement du circuit de perméat après module V15 Vanne de mise en ligne du manomètre PI2 et du capteur PT2 (sortie de module) V16 Vanne de réglage du débit de rétentat en retour vers cuve B1 ou en sortie V17 Vanne de réglage du débit de retour de rétentat vers cuve B1 ou en sortie V18 Vanne de soutirage du rétentat V19 Vanne d’isolement du circuit de retour du rétentat vers la cuve B1 V20 Vanne de soutirage du rétentat V21 Vanne d’isolement du circuit de retour du rétentat vers la cuve B1 V22 Vanne de retour de la cuve de perméat B2 vers la cuve d’alimentation B1 V23 Vanne de vidange de la cuve de perméat B2 B1 Cuve d’alimentation de 30 L en PVC B2 Cuve de recueil de perméat de 20 L en PVC P Pompe centrifuge multicellulaire haute pression monophasée M Agitateur à vitesse variable C1 Membrane d’osmose inverse (société SNTE réf XLE-2540) C2 Membrane de nanofiltration (société SNTE réf NF270-2540) E Echangeur tubulaire en sortie des membranes côté rétentat EV Electrovanne pilotant l’alimentation en eau de l’échangeur thermique FI1 Débitmètre à section variable100-1000 L/h – mesure du débit d’entrée FI2 Débitmètre à flotteur 100-1000 L/h – mesure du débit de sortie rétentat FI3 Débitmètre à flotteur 25-250 L/h – mesure du débit de sortie de perméat PI1 Manomètres 0-16 bars en entrée des membranes PI2 Manomètres 0-16 bars en sortie des membranes PI3 Manomètre 0-6 bars sur le circuit perméat PT1 Capteur de pression 0-16 bars en entrée des membranes côté rétentat PT2 Capteur de pression 0-16 bars en sortie des membranes côté rétentat PT3 Capteur de pression 0-6 bars sur le circuit perméat TT1 Sonde de température en sortie des membranes LSL1 Détecteur de niveau bas (sécurité pompe) S Soupape de sécurité du circuit PVC tarée à 14 bars

Caractéristiques OSMOSE INVERSE

Membrane SNTE XLE-2540 NANOFILTRATION

Membrane SNTE NF270-2540

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Osmose Inverse XLE-2540

Nanofiltration NF270-2540

Caractéristiques physiques

Longueur (mm) 1016 1016

Diamètre (mm) 61 61

Poids (kg) 1,8 1,8

Limites de fonctionnement

Pression maximale d’utilisation 41 bar 41 bar

Température maximale d’utilisation 45 °C 45 °C

Tolérance au chlore libre < 0,1 ppm < 0,1 ppm

Turbidité maximale à l’entrée 1 NTU

Plage de pH admissible 2 – 11 2 - 11

Débit maximal d’alimentation 1,4 m3/h 1,4 m3/h

SDI maximum à l’entrée (Silt Density Index)

5 5

Débit de production ( 15%) 133 L/h 396

Taux moyen de rejet en sel 99,0 % > 97 %

Conditions standard d’utilisation à 25°C, pH=8

Concentration à l’alimentation NaCl (MgSO4)

2000 ppm 2000 ppm

Pression d’alimentation 6,9 bar 4,8 bar

Taux de récupération 15 % 15 %

Pour de plus amples informations, consulter le site web de DOW : http://www.dow.com/liquidseps/service/lm_basics.htm

3.2 Utilisation du pilote 3.2.1 Fonctionnement général

Une pompe centrifuge multicellulaire haute pression (16 bars à 800 L/h) alimente un circuit comprenant une cartouche d’osmose inverse ou une membrane de nanofiltration. Ce circuit se compose d’une alimentation, d’un rejet et d’un perméat. Le bac contenant la solution à traiter est de capacité 30 L, le bac de récupération à une capacité de 20 L. Ils sont tous deux en PVC transparent. La cuve d’alimentation doit être remplie avec de l’eau adoucie. Le pilote peut ainsi fonctionner de manière autonome à partir du bac d’alimentation. La pompe s’arrête automatiquement lorsque le niveau bas de la cuve est atteint. Le résultat du traitement par osmose inverse ou nanofiltration est apprécié par une mesure de conductivité sur le perméat Des manomètres précis 0-16 bars sont situés en amont et en aval des membranes. Différents jeux de vannes permettent de faire varier les conditions hydrauliques autour des cartouches. Plusieurs types de fonctionnement peuvent être étudiés :

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Un recyclage total : on recycle le perméat et le rétentat dans le bac d’alimentation. Cette option permet de travailler en circuit fermé et d’orienter le travail pratique vers une étude théorique de vérification des lois de l’osmose inverse et leur application à la réalité industrielle.

Un recyclage partiel : on recycle en partie le rétentat dans la cuve d’alimentation. Le perméat est stocké dans le bac prévu à cet effet. Cette option permet le traitement en continu de l’eau à traiter et se rapproche des nécessités industrielles.

Un traitement sans recyclage : on rejette le rétentat et on stocke le perméat. Cette option est peu intéressante économiquement compte tenu du faible taux de conversion des membranes (débit de perméat / débit d’entrée en %). Le taux de rejet est trop important.

3.2.3 Utilisation AVERTISSEMENT

Avant toute séance de TP, le professeur ou la personne responsable de l’installation et des élèves vérifiera que le coup de poing d’arrêt d’urgence est débloqué et que le coffret électrique est fermé à clé (clé conservée par cette même personne). Lors d’un arrêt d’urgence, seule cette personne sera habilitée à remettre en marche l’installation après vérification de la raison de l’arrêt.

Préparation de la solution Préparer une solution (concentration à prévoir pour le volume total de la cuve après dilution :

conductivité maximum de 2000 S/cm). La transvaser dans la cuve d’alimentation. Afin d’homogénéiser la solution, on effectuera une recirculation grâce à la pompe et on utilisera l’agitateur en continu lors du fonctionnement. Toutes les vannes du circuit produit sont fermées. - Ouvrir V2 pour mettre en ligne la cuve B1. - Ouvrir V3 pour permettre le retour à la cuve B1 sans passer par la membrane, lors de la

mise en route de la pompe. - Mettre en route la pompe. La solution est en recyclage total sur B1. ATTENTION

Les pressions mises en jeu par la pompe sont élevées. Prendre des précautions lors de la mise en marche de la pompe.

Mise en route de l’appareil Toutes les vannes du circuit produit sont fermées. - Ouvrir V2 pour mettre en ligne la cuve B1 et ouvrir V22 afin de recycler totalement le

perméat. - Ouvrir V3 pour permettre le retour à la cuve B1 sans passer par la membrane, lors de la

mise en route de la pompe. - Sélectionner la membrane souhaitée et ouvrir les vannes en conséquence :

o Osmose inverse : ouvrir V6, V8 et V9 o Nanofiltration : ouvrir V7, V10 et V11

- Ouvrir V14 pour mettre en ligne la fin du circuit perméat. - Ouvrir V16 et V19 pour mettre en ligne le retour du rétentat à la cuve B1. - Mettre en route la pompe. La solution est en recyclage total sur B1.

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- Ouvrir progressivement la vanne V4 et contrôler le débit d’alimentation sur le débitmètre FI1. Limiter le débit à 700 L/h maximum en jouant à la fois sur l’ouverture de V4 et sur la fermeture de V3.

- Ouvrir les vannes V5 et V15 afin de lire les pressions. - Régler la vanne V16 en sortie afin de faire varier les pressions et le débit. ATTENTION :

Bien vérifier que les vannes V5 et V15 isolant les manomètres sont fermées au démarrage ! Si un coup de bélier a lieu à la mise en route de la pompe, les manomètres peuvent être endommagés !

ATTENTION :

Il est recommandé de monter lentement en pression, par palier afin d’éviter les coups de bélier qui peuvent endommager les instruments et la tuyauterie. Ne pas dépasser 700 L/h en entrée de module afin de ne pas endommager la membrane.

Lorsque le liquide circule dans l’installation, il s’échauffe. Un échangeur tubulaire est placé sur le circuit du rétentat. Il est alimenté en eau froide et l’arrivée d’eau est pilotée par le biais de la sonde de température et d’un régulateur qui provoque l’ouverture de la vanne lorsque la température de consigne est dépassée et que le produit s’échauffe. (Voir réglage au § 0) REMARQUE

Les vannes V3 et V4 permettent de régler le débit dans la cartouche tandis que la vanne V16 permet de régler la pression en jouant sur le débit de rétentat.

- Lire le débit de perméat sur le débitmètre FI3 et le débit de rétentat (ou concentrat) sur le

débitmètre FI2. - Lire la pression d’entrée du module sur le manomètre PI1 et la pression de sortie sur le

manomètre PI2. Calculer la différence de pression entre les deux points. Cette procédure est la procédure de base afin d’étudier le phénomène d’osmose inverse. On travaille alors en recyclage total du perméat et du rétentat. Afin de travailler sans recyclage du perméat, fermer V22. Tout le perméat est recueilli dans la cuve B2. En recyclage partiel de rétentat, entrouvrir V17, ouvrir V20 en maintenant V21 fermée. Une partie du rétentat est donc vidangée par l’intermédiaire de V20 et le débit recyclé peut être lu sur le débitmètre FI2 (ou inversement en passant par la ligne du débitmètre pour connaître le débit rejeté !). Enfin, pour un traitement sans recyclage ou rejet total, la cuve de perméat sera isolée (V22 fermée). Le rétentat sera évacué par le biais de V18 (V19 étant fermée). Le débit sera lu sur le débitmètre FI2. Durant ces phases de fonctionnement, la concentration dans B1 évolue (sauf en rejet total). Procédure d’arrêt de l’appareil ATTENTION :

Il est obligatoire de respecter la procédure d’arrêt de l’installation afin de ne pas endommager les instruments et la tuyauterie.

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En cas d’arrêt d’urgence, avant la reprise du process, il est IMPERATIF de remettre les vannes en position de démarrage de l’installation

- Réduire le débit de la pompe - Ouvrir totalement V3 et fermer doucement V4 afin de court-circuiter la membrane. - Ouvrir complètement V6 - Arrêter la pompe. - Fermer les vannes V4 et V10 d’isolement des manomètres. - Fermer les vannes suivantes pour garder les membranes en eau, pour éviter qu’elles ne

sèchent : - Osmose inverse : fermer V6, V8 et V9 - Nanofiltration : fermer V7, V10 et V11

Utilisation de l’échangeur tubulaire L’échangeur monté sur le circuit de rétentat permet de refroidir le concentrat en sortie de membrane. Il est nécessaire notamment lorsque l’on travaille longuement sur l’installation avec recyclage du rétentat dans la cuve d’alimentation. L’eau y circule à contre courant du produit. Il est donc alimenté par le haut et sa sortie est munie d’une électrovanne pilotée par un régulateur. Il permet de maintenir le produit à une température inférieure à la consigne programmée. Pour l’utiliser, basculer le commutateur « EV EAU FROIDE » sur « AUTO ». Régler alors la consigne de la façon suivante :

- Appuyer sur la touche pour afficher la consigne « SP »

- Régler la consigne souhaitée avec les flèches et .

- Appuyer sur la touche pour valider. Lorsque la température produit passe au dessus de la consigne, l’électrovanne EV s’ouvre jusqu’à ce que la valeur redevienne inférieure. REMARQUE

La pression d’eau au niveau de l’échangeur devra rester inférieure à 2 bars. 3.3 Manipulations

Détermination de la perméabilité de la membrane à l’eau Régler la pompe à un débit de 400l/hr. Fixer des pressions transmembranaires de 2 à 10 bars. Pour chacune des pressions, relever le débit de perméat après stabilisation. Calculer la perméabilité de la membrane. Séparation de petites molécules par nanofiltration Mettre 5L d’eau dans la cuve. Faire circuler l’eau afin d’éliminer l’air. Préparer 10 d’une solution mère contenant du sucre et du NaCl afin qu’amenée à 15L, cette solution soit à 30g/L en sucre et 1g/L en NaCl. Remplir le réservoir d’alimentation avec cette solution. Faire circuler la solution et prélever un échantillon de la solution d’alimentation. Régler la pompe à 400 l/hr et la pression aux conditions opératoires permettant un temps d’expérience de 1h.

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Pour concentrer la solution, récupérer le perméat dans une éprouvette graduée. Mesurer le temps pour recueillir chaque litre de perméat, et prélever un échantillon de perméat et de solution d’alimentation. Mesurer le volume total de perméat recueilli et prélever un échantillon. La composition en sucre est déterminée en Degré Brix (%) par réfractométrie, et la concentration en sel par conductivité en mS/cm (voir courbe d’étalonnage en annexe 1). Nettoyage (prévoir 30 minutes) Rincer le circuit de filtration en alimentant le réservoir avec de l’eau de réseau tout en rejetant le rétentat dans l’égout le rétentat, sans filtration (5 min) au départ puis ensuite en filtrant à 5 bars (15 min). Laisser le module sous eau Exploitation des résultats Présenter l’évolution du flux au cours du temps, et en fonction du facteur de concentration volumique. Estimer la pression osmotique de la solution. Présenter l’évolution du taux de rejet, des deux composés, au cours du temps, et en fonction du facteur de concentration volumique. Vérifier le bilan en sucre et en sel. Conclure.