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Est appelé membrane tout matériau qui mis sous la forme de films minces (0,05 mm à 2 mm) a la propriété d'opposer une résistance sélective au transfert des différents constituants d'un fluide liquide ou gazeuxet donc de permettre la séparation de certains des éléments (particules, solutés ou solvants) composant ce fluide.

structure des membranes

Depuis l'introduction des premières membranes d'osmose inverse en acétate de cellulose, un grand nombre de membranes organiques (polymères) ou même minérales (obtenues par exemple par frittage de grains céramiques tel que A203, carbone, carbure de silicium, zircone) sont venues peu à peu s'ajouter à la liste. Elles peuvent être caractérisées par leur structure (figures 47 et 48).

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Figure 47. Schéma de principe de la structure des membranes homogènes et asymétriques
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Figure 48. Schéma de principe de la structure des membranes composites

membranes homogènes

Ces membranes sont caractérisées par une microstructure homogène dans toute l’épaisseur. Elles peuvent être poreuses ou denses.

membranes asymétriques (ex. photo 4)

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Photo 4. Coupe d'une membrane asymétrique

Préparées à partir d’un même matériau , elles sont constituées de deux couches superposées : une « peau » de très fine épaisseur (0,1 à 1 micron) et une sous-couche poreuse beaucoup plus épaisse (100 à 300 microns) souvent elle-même renforcée par un support textile. Les propriétés de séparation de ces membranes sont liées essentiellement à celle de la « peau », la sous-couche poreuse assure la tenue mécanique sans opposer de résistance au transfert de matière.

Quand les membranes prennent la forme de fibres creuses, on parle de peau interne si celle-ci tapisse le lumen de la fibre, ou de peau externe si elle est située sur la face externe de ladite fibre.

membranes composites (voir figure 48)

Apparues plus récemment, des techniques permettent de former une peau extrêmement fine sur un support poreux préexistant, lui-même souvent asymétrique. Les deux matériaux associés étant normalement de nature différente, ceci permet d'utiliser au mieux leurs propriétés, mécaniques pour l'un, sélectives pour l'autre. Ainsi les membranes d’osmose dites TFC (Thin Film Composite) possèdent une couche semi-perméable très inférieure à 1 µm en polyamide déposée sur un support, qui est souvent une membrane d’ultrafiltration en polysulfone.

mécanismes de transfert au travers des membranes

Ils peuvent être classés en quatre familles (figure 49).

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Figure 49. Mécanismes de transfert au travers des membranes

filtration

La solution ou la suspension est concentrée par passage sélectif de l'eau (transfert convectif du solvant dans le milieu poreux), alors que les autres composants du fluide sont arrêtés en surface du milieu poreux et ceci en fonction de leur taille.

solubilisation - diffusion

Solvants et solutés se lient chimiquement à la membrane et diffusent (migrent) à des vitesses très différentes sous l'effet du gradient de pression et de potentiel chimique. La séparation résulte des différences de vitesses observées.

perméation (gazeuse)

Il est possible de fractionner un mélange par transfert sélectif d'un des constituants en phase gazeuse au travers de la membrane.

dialyse

En dialyse se sont les solutés qui passent, plus ou moins sélectivement, à travers la membrane, l'eau ne traverse pas ces membranes. Elles peuvent être neutres ou chargées. Si elles sont chargées (matériau identique à celui des résines échangeuses d'ions, mis sous forme de feuille), elles deviennent sélectives adu transport des ions de signes opposés et l'on peut ainsi constituer des membranes, cationiques ne transférant que les cations ou anioniques ne transférant que les anions.

membranes de dessalement et de clarification

Pour ces membranes, l'eau est la phase transférée préférentiellement par filtration, sous l'effet d'un gradient de pression. Elles ont été souvent décrites comme membranes de filtration ou membrane permsélective (à permeation sélective) et classées en fonction de leur taille de pores ou de celle des solutés et particules qu’elles arrêtent (figure 50). En fait :

  • Les membranes d’osmose inverse sont des membranes asymétriques ou composites à peau dense qui laissent passer l’eau et idéalement arrêtent tous les sels.
  • Les membranes de nanofiltration sont des membranes d’osmose inverse qui n’arrêtent bien que les ions multivalents et les solutés organiques de taille supérieure à celle du nanomètre soit environ 300 g/mole d’où leur nom.
  • Les membranes d’ultrafiltration sont des membranes asymétriques ou composites dont la taille des pores est comprise entre 1 et 50 nm : elles laissent passer les sels minéraux et les molécules organiques et n’arrêtent que les macromolécules et quelques virus.
  • Les membranes de microfiltration sont des membranes poreuses le plus souvent homogènes ou faiblement asymétriques. La taille des pores est comprise entre 100 nm (0,1 micron) et 10 micron. Elles laissent passer presque toutes les espèces dissoutes et n’arrêtent que les particules solides.

Cette classification très habituelle est toutefois prise en défaut :

  • dès que l'on atteint le domaine de l'ultrafiltration et a fortiori de l'osmose, il est difficile de caractériser correctement la taille de pores par les méthodes habituelles (points de bulle, porosimétrie au mercure, microscopie électronique),
  • Les mécanismes de transfert classiques de la filtration (transfert convectif de l'eau en milieu poreux et filtration/tamisage des particules d'une taille supérieure à celle des pores), qui s'appliquent bien à la microfiltration et à l'ultrafiltration « lâche », sont inadéquats dès que l'on aborde les membranes de nanofiltration et d’osmose inverse où il s'agit d'un mécanisme de diffusion.
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Figure 50. Types de filtration membrane

Aussi proposons-nous plutôt, dans le cas du traitement des eaux de distinguer parmi les membranes celles qui assurent une élimination totale ou partielle des sels, appelées membranes de dessalement et les membranes de clarification qui assurent, elles, l’élimination totale des matières en suspension responsables de la turbidité sans modifier la composition saline de l’eau.

On remarquera que cette classification conduit à classer les membranes d’ultrafiltration les plus « serrées » dont le rejet des sels est nul mais qui rejettent de nombreuses macromolécules dissoutes parmi les membranes de dessalement et on classera que les plus lâches parmi les membranes de clarification …

Les premières sont très peu utilisées en traitement des eaux (flux trop faible) au contraire des UF lâches de plus en plus utilisées, ce sera donc ces dernières que l’on décrira sous le nom de membranes d’ultrafiltration dans le paragraphe membrane « clarification » (voir membranes de clarification).