Méthode de séparation membranaire

Les méthodes de séparation membranaire sont un procédé de séparation utilisant comme agent séparant une membrane qui est une couche mince de matière. Elle permet l’arrêt ou le passage sélectif de certaines substances dissoutes ou non dans un mélange, entre les deux milieux qu’elle sépare. La partie du mélange retenue par la membrane est appelée rétentat alors que celle qui traverse cette dernière est appelée perméat. La séparation se fait sous l’action d’une force motrice de transfert selon un mécanisme de séparation défini. Les caractéristiques des membranes sont déterminées par deux paramètres : la perméabilité et la sélectivité.

Les composés séparés par les membranes

Les mélanges à séparer peuvent être :

• Homogènes : liquides miscibles ou gaz-gaz (perméation gazeuse...).
• Hétérogènes : liquides non miscibles, liquide-solide, liquide-gaz.

Selon leur taille :

Taille des composés à séparer	Type de composés à séparer	Exemples de méthodes de séparation membranaire
> 104 nm	Particules fines ou grossières : sable, levure, pollen, cheveux, poil	Filtration et tamisage
104 - 102 nm	Microparticules, macromolécules (polymères), micro-organismes, quelques virus, colloïdes	Microfiltration
102 - 100 nm	Nanoparticules, macromolécules, la plupart des virus	Ultrafiltration
100 - 10-0.5 nm	Molécules	Nanofiltration, osmose inverse
< 10-0.5 nm	Molécules, sels dissouts	Pervaporation, osmose inverse

Les modes de passage du fluide

Selon le mode de passage du fluide à travers la membrane, les procédés de séparation membranaires sont classés en :

• frontales (dead-end filtration) : le flux du produit alimenté est perpendiculaire au filtre ;
• tangentielles : le flux du produit alimenté est parallèle au filtre, trois possibilités se présentent :

Les forces motrices de transfert

Le transfert peut avoir lieu sous l’effet de différentes forces motrices qui peuvent être :

• La pression : microfiltration (MF) (< 2 bars), ultrafiltration (UF) (1 – 10 bars), nanofiltration (NF) (3 – 20 bars), osmose inverse (OI) (10 - 80 bars), piezodialyse (PD).
• La force gravitationnelle : filtration particulaire (FP).
• La force centrifuge : filtration par centrifugation (FC).
• La température : distillation sur membrane (DM), thermoosmose (TO), thermodialyse (TD).
• Le potentiel chimique (gradient de concentration) : dialyse (D) comme l'hémodialyse (HD), osmose (O), pervaporation (PV), perstraction (PS), perméation de vapeur (PdV), perméation gazeuse (PG).
• Le potentiel électrique : les techniques électromembranaires (techniques de séparation électrochimique) : électrolyse à membrane (EM), électroosmose (EO), électrodialyse conventionnelle (ED), électrodialyse à membrane bipolaire (EDMB), électro-ultrafiltration (EUF).

Les mécanismes de séparation

Les mécanismes qui jouent un rôle dans la séparation membranaire peuvent être :

• Le tamisage : le transfert a lieu dans une membrane poreuse et résulte de la différence de la taille des composants par rapport à celle des pores de la membrane (MF, UF, NF, FP, FC, PD).
• La sorption et la diffusion : le transfert a lieu dans une membrane dense et résulte de l’affinité de la membrane pour les molécules à séparer (sorption) et de la facilité de ces molécules à diffuser à travers la membrane (diffusion) (PV, OI, PdV).
• Le transfert d’ions : le transfert a lieu au travers des membranes denses échangeuses d’ions (techniques électromembranaires). Il résulte d’une part de l’interaction ionique entre les ions de la membrane et ceux des mélanges à séparer et, d’autre part, de l’action d’un champ électrique.

Le transfert peut aussi résulter d’une combinaison de ces différents mécanismes.

Les membranes

Selon leur origine, les membranes peuvent être issues de matériaux naturels (géologiques ou biologiques), artificiels (naturels modifiés chimiquement) ou synthétiques.

Selon leur composition, les membranes peuvent être :

• Solides, liquides (un solvant ou une émulsion non-miscible sépare deux solutions d'un même solvant) ou mixtes (liquides supportées par un solide poreux).
• Inorganiques (céramique, verre ou métal), organiques (polymère réticulé ou non réticulé) ou mixtes (inorganiques et organiques).
• Homogènes (un seul matériau) ou hétérogènes (composites…). Les membranes composites sont généralement composées de deux matériaux, le premier garantissant la résistance mécanique de la membrane et le second assurant la perméabilité de cette dernière.
• Neutres ou ionophores (dialyse ionique, PD, ED...). Les membranes ionophores comportent des charges électriques et sont capables d'échanger des ions de signe opposé à leurs charges fixes. On distingue les membranes perméables aux anions, aux cations ou aux deux (membranes amphotères).

Selon leur géométrie, les membranes peuvent être planes, tubulaires, spiralées ou en fibres creuses.

Selon leur morphologie, les membranes peuvent être :

• Symétriques (isotropes) ou asymétriques (anisotropes).
• Amorphes ou semi-cristallines.
• Denses, poreuses ou granulaires (filtration de l'eau sur du sable, de l'anthracite ou du charbon actif) :

Morphologie des membranes	Sous-classe	Dimension des pores	Exemples de méthodes de séparation membranaire
(Nano)Poreuses[1], selon l'IUPAC :	Macropores	> 50 nm	MF
	Mésopores	2 - 50 nm	UF
	Micropores	< 2 nm	NF
Denses (non-poreuses)		< 100.5 nm	PV, EO, OI, O

Les avantages des méthodes de séparation membranaire

Les méthodes de séparation membranaire permettent de travailler dans les conditions favorables suivantes :

• Une température modérée favorable à la séparation de composés thermosensibles.
• Un caractère compact et modulaire des installations et donc une construction sur mesure par ajout d’éléments standards et une maintenance relativement souple.
• Une extraction de produits en continu de milieux entièrement isolés de l’extérieur par le film séparateur et donc l’élimination de toute contamination croisée entre l’amont et l’aval.
• Une sélectivité élevée.
• Un coût d’exploitation modéré.
• Un temps de séparation relativement court.
• Un grand respect de l’environnement :
  • L’absence d’ajout de produits chimiques.
  • Un très faible rejet de polluant.
  • Un besoin énergétique moindre.

Les limitations et freins au développement des méthodes de séparation membranaire

Malgré les nombreux avantages déjà cités, les méthodes membranaires souffrent encore de certaines limitations voire inconvénients :

• Un coût d’investissement relativement élevé.
• Un traitement spécifique à certains types d’effluents.
• Le colmatage, par des particules ou des microorganismes et donc la diminution des flux transmembranaires et la nécessité de mettre en œuvre des opérations de lavage.
• La durée de vie limitée des membranes.

Cependant, toutes les possibilités des procédés à membranes n’ont pas encore été explorées. En particulier, leur couplage avec d’autres procédés de séparations (distillation par exemple) ou procédés hybrides est un domaine encore relativement peu étudié.

Références

1. ↑ J. Rouquerol et al., « Recommendations for the characterization of porous solids (Technical Report) », dans Pure & Appl. Chem, vol. 66, 1994, p. 1739–1758 [texte intégral [free download pdf], lien DOI] 

Voir aussi

• La terminologie des membranes et des procédés membranaires selon l'IUPAC : http://iupac.org/publications/pac/pdf/1996/pdf/6807x1479.pdf
• Le site internet du Club Français des Membranes : http://cfm-mb.fr/index.htm