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Quelle est l’utilité d’un osmoseur

Osmose inverse :

 

I/ DÉFINITIONS


Une membrane semi-sélective est une membrane permettant certains
transferts de matière entre deux milieux qu'elle sépare, en interdisant d'autres ou
Avantages certains de notre osmoseur plus généralement en favorisant certains par rapport à d'autres.
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 (débit Q0) se divise au niveau de la membrane en deux
parties de concentrations différentes:
• une partie (débit Qp) passe à travers la membrane (perméat)
• une partie qui ne passe pas à travers la membrane (concentrat ou rétentat) et qui
contient les molécules ou particules retenues par la membrane

utilité d'un osmoseur

La fraction de débit qui traverse la membrane est le taux de conversion Y
défini par:
Y
Q
Q
p = 0
Le flux de matière intéressant est suivant les cas le perméat (cas de la
déminéralisation d'eau) ou le concentrat (concentration de produits alimentaires). Le
débit de la solution d'alimentation peut atteindre une valeur 500 fois supérieure à
celle du débit de perméat.
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. L'écoulement tangentiel permet2
au contraire de limiter l'accumulation sur la membrane des diverses espèces
(particules, molécules, ions) retenues par cette dernière.
La sélectivité d'une membrane est définie par le taux de rejet R (ou taux de
rétention) de l'espèce que la membrane est censée retenir:
R
C C
C
C
C
p p = − = − 0
0 0
1
où C0 est la concentration de l'espèce à retenir dans la solution et Cp est la
concentration de la même espèce dans le perméat.
L'osmose inverse utilise des membranes denses sans porosité qui laissent
passer le solvant et arrêtent les ions.

 


II/ PRINCIPES DE L'OSMOSE INVERSE
1/ Pression osmotique:
Avantages certains de notre osmoseur 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.
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.

pression osmotique

La pression osmotique des électrolytes est donnée par la relation suivante:
Π= ⋅ ⋅ ⋅ iCRT
où i est le nombre d'espèces d'ions constituant le soluté, C la concentration
molaire du soluté (mol.m-3), T la température (K) et R la constante des gaz parfaits
(8,31 J.mol-1.K-1). Π est exprimée en pascals. Cette relation est valable pour des
solutions diluées.
Exemple: la pression osmotique de l'eau de mer (3 % en masse de chlorure
de sodium) à 25 °C est environ de 25 bars.
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.
Le flux massique Jsolvant (kg.m-2.s-1) de solvant et le débit volumique de solvant
(m3
.s-1) traversant la membrane sont donnés par les relations:
J AP ( ) ( ) A S
solvant =⋅ − = P ⋅ ∆ ∆Π ∆ ∆Π et QP ⋅ − ρ
où A est la perméabilité de la membrane au solvant (m-1.s), S la surface de la
membrane (m2
), ρ la masse volumique du solvant (kg.m-3), ∆P la différence de
pression de part et d'autre de la membrane et ∆Π la différence de pression
osmotique de part et d'autre de la membrane. ∆Π=est la pression osmotique=du flux
d'alimentation si le perméat est une solution très diluée. Les pressions sont
exprimées en pascals.
Le flux massique Jsoluté (kg.m-2.s-1) de soluté traversant la membrane est donné
par la relation:
J BC C soluté P =⋅ − ( ) 0
où B est la perméabilité moyenne de la membrane au soluté (m.s-1), C0 et CP
sont respectivement la concentration en soluté de l'alimentation et du perméat de
part et d'autre de la membrane (kg.m-3).
On montre donc que le flux de solvant est proportionnel à la pression efficace
∆P - ∆Π tandis que le flux de soluté en est indépendant. On montre également que
le taux de rejet d'une membrane augmente lorsque la pression efficace augmente.4
La sélectivité des membranes d'osmose inverse pour les différentes espèces
chimiques dépend de leur possibilité de solvatation par l'eau. Les espèces les plus
fortement solvatées ont un taux de rejet toujours plus important. On peut en tirer les
indications suivantes:
• les ions sont mieux retenus que les molécules.
• les protéines ont une rétention plus faible pour des pH proches du point
isoélectrique.
• pour les acides faibles, le taux de rejet est élevé lorsque le pH est supérieur au
pK.
• pour des ions de valence différente, le taux de rejet croît avec la valence des ions.
• pour des ions de même valence, le taux de rejet diminue si leur masse molaire
augmente.

 


IV/ MEMBRANES


prix d'un osmoseur 1/ Constitution et assemblage en modules:
Les membranes sont le plus souvent fabriqués en acétate de cellulose ou en
polymères de synthèse (polyamides, polysulfones). Elles peuvent être planes ou
tubulaires (épaisseur de l'ordre de 200 µm) ou en fibres creuses obtenues en filant
des polymères (diamètre intérieur de 25 à 800 µm et diamètre extérieur de 50 à
1000 µm)
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 recueilli5
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.


2/ Polarisation et colmatage:
La polarisation, apparaissant en osmose inverse, est un phénomène
réversible (disparaissant quand le gradient de concentration s'annule) caractérisé
par une accumulation à la surface de la membrane des espèces retenues. La
concentration étant à la surface plus élevée que dans le volume de la solution il
s'ensuit une augmentation de la pression osmotique près de la membrane et donc
une diminution de la pression efficace ∆P - ∆Π=: le flux de perméat va donc diminuer.
Le colmatage est possible en osmose inverse. On peut atteindre la limite de
solubilité des sels au niveau des membranes et avoir une formation de tartre lors de
la déminéralisation d'eaux salines.


3/ Procédés:
Les unités d'ultrafiltration ou 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.


V/ APPLICATIONS INDUSTRIELLES


Les principales applications de l'osmose inverse et de l'ultrafiltration 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 techniques présentées présentent les avantages suivants:
• opération à température ambiante ce qui évite la dégradation de molécules
fragiles dans le domaine agro-alimentaire.
• pas d'intervention de réactifs chimiques comme des agents d'extraction qui sont
des sources de pollution.6
• consommation énergétique faible vis à vis de la distillation pour le dessalement de
l'eau.
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.
BIBLIOGRAPHIE
 Techniques de l'ingénieur: articles relatifs à l'ultrafiltration et à l'osmose inverse

 

Avantages  osmoseur

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