procédés de perméation

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perméation gazeuse

Un mélange de gaz est appauvri ou enrichi en jouant sur les différences de vitesse de diffusion de ces constituants dans la matrice dense de la membrane sous l'effet d'un gradient de pression. Exemples :

  • récupération d'hydrogène dans un mélange d'hydrocarbures (figure 63-a) industries pétrolières) ou dans les gaz de purges de la synthèse de l'ammoniac,
  • enrichissement en azote ou en oxygène de l'air.

membranes de dégazage (dé-oxygénation)

Des membranes de perméation imperméables à l’eau mais perméables à l’oxygène qui, sous l’effet d’un gradient de pression (vide) ou d’un balayage de l’aval (gradient chimique) va permettre de faire migrer l’oxygène dissous de l’eau vers le compartiment aval et ceci sans que l’eau ne soit mise en contact avec un quelconque gaz de strippage ou produit chimique (scavengers) et donc risque de se repolluer. On utilise de plus en plus ces membranes, en 1 ou plusieurs étages en série, dans les circuits d’eau ultrapure pour abaisser l’oxygène dissous jusqu’au ppb maintenant souvent requis. Les membranes utilisées sont des membranes microporeuses hydrophobes.

De même, ces membranes sont utilisées pour l’élimination du dioxyde de carbone contenu dans l’eau, afin de rendre l’eau moins agressive. Dans l’industrie, elles trouvent tout naturellement leur place en alternative au éliminateur de CO2 fonctionnant à l’air atmosphérique (ou tour de striping). Dans une chaine de déminéralisation sur résine, il est très souvent prévu une élimination du CO2 en amont de la résine anionique forte.

Dans un système d’osmose double étage, afin de produire une eau de très faible conductivité, il est obligatoire d’éliminer la quasi-totalité du CO2 entre les 2 étages d’osmose, ce qui peut être réalisé avec un dosage de soude qui transformera le CO2 en hydrogénocarbonate.

Formula: procédés de perméation - dosage de soude

Pour cette application le striping à l’air atmosphérique n’est pas adapté. En effet, cette technologie laisse un résiduel de CO2 après stripage à l’air de l’ordre de 12mg/l, ce qui correspond à une conductivité liée au seul CO2 de 4,4 µS/cm.

L’utilisation de membrane dégazante en osmose inverse, et une technique plus couteuse en Capexonéreuse en investissement, mais bien plus élégante qui peut faire disparaitre l’utilisation d’un produit chimique dangereux : la soude, qui de plus, apporte de la salinité entre les 2 étages d’osmose inverse.

pervaporation

Les membranes de pervaporation sont des membranes composites à peau dense.

Si l'on crée sur la face aval d'une telle membrane une dépression telle que l'on se trouve en-dessous de la tension de vapeur d'un des solutés de la solution en contact avec la face amont de la membrane, on observe un transfert sélectif de ce soluté sous forme gazeuse au travers de celle-ci. Une condensation de ce gaz permet la récupération éventuelle dudit soluté.

Exemples :

  • déshydratation d'alcool: on peut ainsi récupérer un alcool absolu en transférant sélectivement au travers d'une membrane hydrophile la vapeur d'eau (figure 63-b) (ex. en alcool polyvinylique).
  • élimination des T.H.M. dans une eau potable: de la même manière, on peut faire diffuser sélectivement ces composés organiques au travers d'une membrane de pervaporation hydrophobe (par exemple en silicone).
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Figure 63. Procédés de perméation

distillation par membranes (cf. figure 64)

Toujours en créant un vide partiel sur la face aval d'une membrane microporeuse, on peut créer un système qui :

  • s'oppose à la migration de la phase liquide circulant sur sa face amont, à condition que la différence de pression au travers de la membrane reste inférieure à la pression capillaire au travers de celle-ci; en pratique, une porosité inférieure à 0,8 micron sur des membranes hydrophobes permet d'appliquer des différences de pression de 1 bar sans perméation d’eau sous forme liquide,
  • permet au contraire, le passage de vapeur d'eau au travers de la membrane. Cette vapeur, en se condensant, donne une eau de grande pureté; en effet, seuls d'autres composés volatils peuvent passer en même temps que la vapeur d’eau.

Quelques systèmes industriels fonctionnent sur ce principe. Ils gardent toutefois le caractère énergivore des systèmes de distillation à un seul effet, voir chapitre dégazage, désodorisation, évaporation. Par contre, le fait d'utiliser des membranes organiques permet d'éviter les phénomènes de corrosion rencontrés dans les évaporateurs.

Application possible: concentration d'effluents industriels (toxiques...) avant incinération ou cristallisation.

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Figure 64. Distillation sur membranes
pour aller plus loin :