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Accueil / Procédés de fabrication de A a Z / Osmose inverse - Séparation en phase liquide

Fiche complete

Définition

Principe - procédé

Avantages du procédé

Inconvénients du procédé



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Osmose inverse - Séparation en phase liquide

+ Définition :

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. Une partie de la solution à traiter se divise au niveau de la membrane en deux parties de concentrations différentes :

• une partie passe à travers la membrane (le perméat).
• une partie ne passe pas à travers la membrane (le concentrat ou le rétentat). le concentrat (ou le rétentat) contient les molécules ou les particules retenues par la membrane.

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. Cette accumulation s'appelle le gâteau.

L'écoulement tangentiel permet au contraire de limiter l'accumulation sur la membrane des diverses espèces (particules, molécules, ions) retenues par cette dernière.

L' osmose inverse utilise des membranes denses sans porosité qui laissent passer le solvant et arrêtent les ions.


+ Principe - procédé :

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. [voir photo]
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.

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.

3/ Constitution et assemblage en modules des unités d' osmose inverse :


Les membranes sont le plus souvent fabriqués en acétate de cellulose ou en polymères de synthèse. Elles peuvent être planes ou tubulaires (épaisseur de l'ordre de 200 μm) ou en fibres creuses obtenues en filant des polymères.
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 œuvre 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.

4/ Procédés :
Les unités 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.

5/ Applications:
Les principales applications de l'osmose inverse 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 jus de fruits concentrés : jus de raisins blancs concentrés, jus de pommes concentrés, jus d' oranges concentrés ...


+ Avantages du procédé :

Les techniques de filtration membranaires présentent les avantages suivants :

• opération à température ambiante ce qui évite la dégradation de molécules fragiles dans le domaine agro-alimentaire, comme la vitamine C.

• 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.

+ Inconvénients du procédé :

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.

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