Nanofiltration Osmose Inverse

Nanofiltration
Osmose Inverse
Marion Alliet
David Rouzineau
MàJ Janvier 2016
Table des matières
1
Introduction générale ................................................................................................. 3
1.1 La microfiltration ..................................................................................................... 4
1.2 L'ultrafiltration......................................................................................................... 4
1.3 La nanofiltration ...................................................................................................... 5
1.4 L'osmose inverse ...................................................................................................... 5
2
La nanofiltration et l’osmose inverse........................................................................... 5
2.1 La nanofiltration ...................................................................................................... 5
2.2 L’osmose inverse...................................................................................................... 6
2.3 Dispositifs et modes de fonctionnement ................................................................. 7
2.3.1
2.3.2
2.3.3
2.3.4
Fonctionnement type « batch » en boucle ouverte ................................................. 7
Fonctionnement type « batch » en boucle fermée .................................................. 7
Fonctionnement continu à un étage ........................................................................ 7
Fonctionnement continu à plusieurs étages ............................................................ 8
2.4 Caractérisation des membranes ............................................................................. 8
2.4.1 Paramètres opératoires............................................................................................ 8
2.4.2 Phénomènes de polarisation et de pression osmotique.......................................... 9
2.5 Influence des conditions opératoires ..................................................................... 12
2.5.1
2.5.2
2.5.3
2.5.4
2.5.5
Vitesse d’écoulement ............................................................................................. 12
Pression transmembranaire ................................................................................... 12
Concentration ......................................................................................................... 12
Température ........................................................................................................... 12
Temps ..................................................................................................................... 12
3
Présentation du pilote .............................................................................................. 13
3.1 Schéma de principe ................................................................................................ 14
3.2 Description 15
3.3 Nomenclature Installation ..................................................................................... 17
3.4 Caractéristiques ..................................................................................................... 18
4
Utilisation du pilote .................................................................................................. 18
4.1 Préparation de la solution ..................................................................................... 18
4.2 Mise en route de l’appareil .................................................................................... 19
4.3 Autres cas de fonctionnement ............................................................................... 20
4.4 Procédure d’arrêt de l’appareil ............................................................................. 20
4.5 Utilisation de l’échangeur tubulaire ...................................................................... 20
5
Manipulations .......................................................................................................... 21
5.1 Détermination de la perméabilité de la membrane à l’eau .................................. 21
5.2 Séparation de petites molécules par nanofiltration .............................................. 21
5.3 Nettoyage (prévoir 30 minutes) ............................................................................ 21
6
Exploitation des résultats.......................................................................................... 21
6.1 Pour le fonctionnement en eau ............................................................................. 21
6.2 Pour le fonctionnement en purification................................................................. 21
2
TP Nanofiltration
1
Introduction générale
Suite aux différentes crises énergétiques et économiques, le développement des
biotechnologies a pris de l’essor. En particulier, il s’agit de recycler, transformer ou
récupérer la majeure partie de ce qui est considéré comme sous-produit de l’industrie. A ce
titre, de nombreux tableaux sont consacrés aux procédés de séparation par membrane et
plus particulièrement à l’ultrafiltration.
Son principe est de séparer un fluide contenant des macromolécules en deux
effluents (figure 1):
• un effluent enrichi en macromolécules : le rétentat,
• un effluent appauvri en celles-ci : le perméat.
Figure 1 : principe de fonctionnement de la séparation membranaire
La séparation s’effectue sous l’effet d’un gradient de pression grâce à une membrane qui
joue le rôle d’un tamis moléculaire. Ce procédé de purification (pour l'eau par exemple) ou
de concentration (caillé de fromages) utilisé depuis longtemps sur des bases empiriques, a
pris un essor nouveau grâce à la fabrication de membranes en aluminium ou synthétiques,
aux pores de plus en plus fins (figure 2), adaptables à chaque technique et même à la base
de nouvelles techniques.
Figure 2 : gamme de filtration
TP Nanofiltration
3
1.1
La microfiltration
Le diamètre des pores de la membrane est de 0,1 μm à 1 μm, taille inférieure à celle des
bactéries. Cette technique permet la dépollution de milieux liquides, en particulier les
effluents des industries agroalimentaires.
Certaines industries laitières préparent aussi du lait frais débarrassé des micro-organismes
par ultrafiltration. Le lait entier cru est d'abord écrémé, la crème obtenue est pasteurisée et
dégazée à 85-90°C. Le lait écrémé est micro filtré, toutes les bactéries sont arrêtées par le
filtre. La crème et le microfiltrat sont ensuite homogénéisés ensemble ; le mélange est
refroidi. Le rendement est de l'ordre de 95,5 %. Le lait ainsi obtenu a une DLC de 15 jours à
4°C. Commercialisé sous le nom de lait frais microfiltré, il présente les qualités
organoleptiques du lait frais. C'est une alternative positive au lait UHT traditionnel qui
présente un goût modifié par le traitement thermique.
1.2
L'ultrafiltration
L'ultrafiltration est une filtration à travers une membrane à pores plus fins. La technique
nécessite la mise en œuvre de pressions élevées. L'ultrafiltration sur membrane permet
d'améliorer le rendement des procédés classiques puisqu'elle retient des particules de 0,006
μm, et de lancer sur le marché de nouveaux ingrédients ou additifs. Les membranes sont
minérales ou organiques. L’intérêt de l’ultrafiltration réside dans le fait qu’elle ne fait pas
intervenir de changement d’état ou de réaction : elle est non destructrice. Dès lors elle
s’avère énergétiquement économique et particulièrement adéquate pour le traitement de
composés labiles comme les biomolécules.
La filière lait représente 75 % des installations d'ultrafiltration dans le monde.
L'ultrafiltration est utilisée pour la concentration des protéines du lactosérum et de la
caséine, pour la pré-concentration en fromagerie, où le rendement est augmenté de 10 %, et
pour la mise au point de produits nouveaux dans le domaine des produits frais : laits
fermentés, crèmes desserts …
L'ultrafiltration fait son entrée à la ferme ; elle permet de pré-concentrer le lait pour le
fromage et d'obtenir un jus lactosé concentré pouvant être utilisé sur place pour
l'alimentation du bétail.
La filière boisson utilise la microfiltration et l'ultrafiltration dans la fabrication des jus de
fruits ; le rendement s'élève de 10 %, les coûts de production sont abaissés de 30 %.
L'ultrafiltration sert aussi à clarifier les vins et la bière. La filtration de la bière est un énorme
marché potentiel, mais le traitement devant se faire à moins de 5°C pose problème car les
flux de perméation des membranes sont très faibles à cette température.
Se mettent en place :
− la filière des ovoproduits et la filière des produits obtenus à partir du sang animal.
Le plasma concentré par ultrafiltration permet d'obtenir des concentrés de protéines
; l'hémoglobine hydrolysée par des enzymes peut aussi être concentrée par
ultrafiltration ;
− la filière des protéines végétales permet d'obtenir des protéines spécifiques de soja.
L'industrie sucrière met au point une nouvelle génération de produits édulcorants à
partir de végétaux tels que blé, betterave, chicorée ;
− la filière des produits de la mer. La chaîne "surimi" et ses dérivés utilise
l'ultrafiltration. L'ultrafiltration permet d'obtenir des produits alimentaires utilisés en
4
TP Nanofiltration
tant que tels. Elle est aussi à l'origine de dérivés protéiques utilisés pour leurs
propriétés fonctionnelles, et que l'industrie agroalimentaire intègre de plus en plus
pour des raisons techniques et économiques ;
− elle devient aussi une technique très performante pour la purification des eaux de
distribution publique.
1.3
La nanofiltration
Les membranes utilisées ont une taille inférieure à 0,001 μm. La nanofiltration permet la
déminéralisation partielle de certaines solutions ; elle peut modifier les équilibres minéraux.
C'est une technique déjà très utilisée en industrie laitière : on peut concentrer protéines et
lactose, modifier la minéralisation du lait. Les laits fermentés obtenus sont plus doux et ont
une texture plus ferme en raison d'une forte hydratation des micelles de la caséine. La
nanofiltration remplace l'électrodialyse dans la minéralisation partielle du lactosérum.
1.4
L'osmose inverse
Cette méthode est utilisée dans le dessalage de l'eau de mer. Elle est aussi employée pour la
production d'eau très purifiée entrant dans la composition de boissons industrielles telles les
boissons rafraîchissantes sans alcool (sodas, sodas-colas…) ou dans la fabrication des crèmes
glacées.
C'est aussi une méthode de concentration.
2
2.1
La nanofiltration et l’osmose inverse
La nanofiltration
La nanofiltration est une technique qui a prospéré au cours des dernières années.
Aujourd'hui la nanofiltration est principalement utilisée dans les procédés de purification
d'eau, tels que l’adoucissement, la décolorisation, et l'élimination de micropolluant.
Dans les procédés industriels la nanofiltration est utilisé pour éliminer des composants
particuliers comme des agents colorants.
La nanofiltration est un procédé permettant de séparer des molécules en se basant sur leur
taille et utilisant la pression pour fonctionner. La séparation se fait à travers des membranes.
Cette technique est principalement utilisée pour l'élimination des substances organiques,
telles que les micropolluants, et les ions polyvalents. Les membranes de nanofiltration ont
une rétention modérée des sels monovalents.
Autres applications de la nanofiltration:
• Elimination des pesticides des eaux souterraines
• Elimination des métaux lourds des eaux usées
• Recyclage des eaux usées dans les laveries·
• Adoucissement
• Elimination des nitrates
La nanofiltration (NF) est le dernier développement des applications des membranes. Elle se
situe entre l’osmose inverse (OI) et l’ultrafiltration (UF). La nanofiltration se caractérise par
un faible taux de rejet des anions monovalents et par un fort taux de rejet des molécules
organiques d’un poids moléculaire supérieur à 200. Les applications courantes sont la
décoloration, le contrôle des THM (trihalométhanes) et l’adoucissement des eaux de surface
TP Nanofiltration
5
et souterraines. En dehors de la production d’eau potable, on utilise la nanofiltration dans
l’industrie agroalimentaire et la séparation de molécules.
2.2
L’osmose inverse
L'Osmose inverse est basée sur la recherche d'équilibre d'un système. Deux fluides
contenant des concentrations en solides dissous différentes et qui entrent en contact l'un
avec l'autre vont se mélanger jusqu'à ce que la concentration soit uniforme. Lorsque ces
deux fluides sont séparés par une membrane semi-perméable (qui laisse passer le fluide
mais pas des solides dissous), le fluide contenant la concentration la plus faible traversera la
membrane pour rejoindre le fluide avec la concentration la plus élevée.
Après un moment le niveau d'eau sera plus élevé d'un côté de la membrane. La différence
de niveau est appelé la pression osmotique.
En appliquant une pression excédant la pression osmotique sur la colonne de fluide, on
obtient l'effet inverse. Les fluides sont renvoyés dans le premier compartiment tandis que
les solides dissous ne passent pas.
En résumé les applications de l'osmose inverse sont:
• L'adoucissement
• La production d'eau potable
• La production d'eau de process
• La production d'eau ultra pure (industries électroniques)
• Concentration de solvants pour les industries alimentaires.
Le prétraitement de l'eau d'alimentation pour les installations de nanofiltration ou d'osmose
inverse influence de façon importante les performances de l'installation. La forme de
prétraitement requis dépend de la qualité de l'eau alimentant le système. Le but du
prétraitement est de réduire la concentration en matière organique et la quantité de
bactérie, et de réduire le MFI (Membrane Fooling Index).
La concentration en matière organique et la quantité de bactérie doivent être aussi bas que
possible pour éviter ce qu'on appelle le bio-encrassement des membranes. L'utilisation d'un
prétraitement a plusieurs avantages:
• Les membranes ont une durée de vie plus longue
• Le temps de production de l'installation est allongé
• Les taches de gestion deviennent plus simples
6
TP Nanofiltration
2.3
Dispositifs et modes de fonctionnement
2.3.1 Fonctionnement type « batch » en boucle ouverte
2.3.2 Fonctionnement type « batch » en boucle fermée
2.3.3 Fonctionnement continu à un étage
TP Nanofiltration
7
2.3.4 Fonctionnement continu à plusieurs étages
2.4
Caractérisation des membranes
2.4.1 Paramètres opératoires
Plusieurs paramètres permettent de caractériser le transfert de matière en ultrafiltration.
La pression transmembranaire (soit la perte de charge dans les pores de la membrane) en
filtration tangentielle est mesurée comme suit :
P + P2
PTM = 1
− P3
2
Avec P1 : pression liquide en entrée de module en bar,
P2 : pression rétentat en sortie de module en bar,
P3 : pression perméat en bar,
PTM : pression transmembranaire en bar.
La densité de flux est le débit de perméat rapporté à la surface de la membrane. Le débit de
perméat est mesuré au moyen d’un débitmètre ou encore d’un récipient gradué associé à un
chronométrage.
Q
J =
S
Avec Q : débit de perméat en kg.s-1 (ou m3.s-1),
S : surface de la membrane en m2,
J : densité de flux en kg.s-1.m-2 (ou m3.s-1. m-2).
Par application de la loi de Darcy, le flux de perméat dans le cas d'un solvant pur et pour des
pressions inférieures à 10.105 Pa s'exprime ainsi :
J = LP ⋅ PTM
avec LP : perméabilité de la membrane en m.Pa-1.s-1.
Dans le cas de transfert d'eau pure au travers d'une membrane, on pose :
1
LP =
µ eau ⋅ Rh
La relation devient :
PTM
J eau =
µ eau . Rh
3
-1
-2
avec Jeau : densité de flux (m .s .m ),
8
TP Nanofiltration
Rh :
résistance hydraulique de la membrane (m-1),
PTM : pression transmembranaire en Pa,
μeau : viscosité dynamique de l'eau (Pa.s) à la température considérée.
La mesure de la résistance hydraulique de la membrane avant l'essai d'ultrafiltration permet
de s'assurer que celle-ci est toujours dans le même état de propreté. La mesure de la
résistance hydraulique finale caractérise l'état de la membrane vis-à-vis du transfert d'eau
après ultrafiltration d'un fluide dans des conditions opératoires données. Il s'agit donc d'une
mesure indirecte des modifications irréversibles (engendrées par les substances non
éliminées par un lavage à l'eau) subies par la membrane.
Le passage d'un soluté à travers la membrane est caractérisé par le taux de rétention (ou
taux de rejet) noté TR et calculé de la façon suivante :
 C 
TRi = 1 − Pi  × 100
 C Ri 
Avec CPi : concentration du constituant i dans le perméat,
CRi : concentration du constituant i dans le rétentat,
TRi : taux de rétention en %.
Dans le cas d'une rétention idéale, TR = 100.
Le facteur de concentration volumique représente le ratio entre le débit d’alimentation et le
débit de rétentat. Il est calculé selon :
FCV =
Volume initial
Volume initial − Volume de perméat
La mesure de la perméabilité de la membrane à l’eau permet de valider si elles sont
correctement nettoyées et donc entièrement régénérées.
La perméabilité de l’eau est obtenue par la formule :
Qf ⋅ µ eau
CWF =
S ⋅ PTM
Avec Qf : débit de perméat en L.h-1,
μeau : viscosité de l’eau à la température de contrôle en cP,
S : surface membranaire en m2,
PTM : pression transmembranaire en bar,
CWF : perméabilité en L/h.m2.bar à 20°C.
2.4.2 Phénomènes de polarisation et de pression osmotique
En nanofiltration, la force qui régit la séparation est la différence de pression
transmembranaire PTM. Elle conditionne le passage de solvant à travers la membrane donc
le flux de densité J. Au-delà d’une certaine valeur de PTM, le flux est indépendant de la
pression et atteint une valeur maximale appelée flux limite JLIM.
TP Nanofiltration
9
J
JLIM
PTM
En outre, pour une PTM donnée, le flux J diminue au cours du temps.
J
t
Les phénomènes de polarisation et de pression osmotique compliquent la maîtrise du
fonctionnement et des résultats d’ultrafiltration.
En effet, les membranes sont caractérisées par leur seuil de coupure (taille de la protéine de
plus faible masse molaire rejetée par la membrane). Cette notion n’est qu’indicative vu les
variations de configuration stérique d’une même protéine en fonction de la salinité, du pH,
de la température, …Aussi, les débits unitaires annoncés pour de l’eau propre diminuent
considérablement en présence de colloïdes pour deux raisons essentielles : la polarisation de
concentration et le colmatage.
2.4.2.1 Polarisation
La polarisation est inhérente à tout système mettant en œuvre une membrane sélective. Il
correspond à une accumulation des solutés retenus par la membrane dans une couche
liquide confinée au voisinage de cette dernière.
La polarisation se caractérise par l’apparition d’un flux limite lorsque la pression
transmembranaire croît : les débits passent de quelques mètres cube à quelques litres.
Le seul moyen permettant de combattre ce phénomène est d’augmenter la vitesse de
passage sur la membrane ce qui entraîne des consommations énergétiques importantes.
Dans le cas d’une solution de macromolécules, la membrane est principalement perméable
au solvant. Elle sépare donc une solution très diluée (perméat) d’une solution dont la
concentration à la membrane est supérieure à la concentration moyenne de la solution. Il
existe ainsi une différence de pression osmotique ∆Π de part et d’autre de la membrane qui
est dirigée de la solution diluée vers la solution concentrée et par conséquent opposée au
gradient de pression PTM. Le flux d’ultrafiltration s’exprime donc ainsi :
J = LP ( PTM − ∆Π )
10
TP Nanofiltration
2.4.2.2 Rappels – Calcul de la pression osmotique
A l’équilibre liquide-vapeur d’un corps pur, on a : (µi )l
Loi de Raoult : Pi = Pi 0 ⋅ xi
Et
= (µi )
0
v
 Pi 0 
+ RT ln 0 
P 
∑ xi = 1
Pour un mélange binaire réparti comme suit :
• Compartiment a : solvant (1) de tension de vapeur Pi0
• Compartiment b : solvant + soluté (2) : Pi
Il va se produire un transfert de solvant jusqu’à l’équilibre des potentiels chimiques :
(µi )a = (µi )b
0
0
0
D’où (µi )v + RT ln(Pi ) = (µi )v + RT ln(Pi ) + Vi ⋅ π
Ce qui donne π = −
RT  Pi 
ln

Vi  Pi 0 
Pour le solvant 1, nous aurons : π = −
RT  P1 
ln
V1  P1 0 
Pour le soluté 2, sachant que P1 = P1 ⋅ (1 − x2 ) et que x 2 =
0
π =−
n2
n
≈ 2 car n1>>n2
n1 + n 2 n1
RT
ln(1 − x 2 )
V1
Or ln(1 − x2 ) ≈ − x2
π =−
D’où
n
RT n 2
×
= RT × 2 = RTC 2
V1 n1
V
Remarque :
Dans le cas d’un électrolyte : π = jRTC 2 avec j = nombre d’ions formés par la dissolution du
sel.
Définitions et unités
µi : potentiel chimique de l’espèce i
Mi : masse molaire de i (kg.mol-1)
Pi0 : tension de vapeur du corps pur i
ρi : masse volumique de i (kg.m-3)
xi : fraction molaire de i
T : température (K)
Vi : volume molaire partiel de i (Vi = Mi/Pi m3/mol-1)
TP Nanofiltration
11
π : pression osmotique (Pa)
Ci : concentration de i (mol.m-3)
ni : nombre de mol de i (mol)
P : pression appliquée (Pa)
Ui : mobilité de i
Pe : pression effective (Pa)
Ji : flux spécifique de i (mol.m-2.s-1)
Q : débit (m-3.s-1)
(µi)l : potentiel chimique de i dans le liquide
(µi)v : potentiel chimique de i en phase vapeur
2.5
Influence des conditions opératoires
Le rôle des paramètres physico-chimiques (pH, température, force ionique, composition du
lactosérum….) a une grande importance sur le colmatage des membranes. Le transfert de
soluté et de solvant est également fonction des conditions opératoires : régime hydraulique,
pression transmembranaire, température, concentration en soluté… Ces paramètres
conditionnent le transport de matière donc le flux d’ultrafiltration.
2.5.1 Vitesse d’écoulement
L’augmentation de vitesse tangentielle diminue l’épaisseur des couches de polarisation
liquides. Elle permet également de diminuer le dépôt des grosses particules en suspension
qui sont plus facilement entraînées. Elle génère enfin des forces de cisaillement au voisinage
de la membrane. Tout ceci permet d’augmenter le flux de perméat. Toutefois, si le
colmatage a lieu à l’intérieur des pores ou sous la forme de couches minces compactes,
l’effet de la vitesse sur le flux peut devenir très faible. De plus cet effet doit être corrélé à la
différence de pression appliquée.
2.5.2 Pression transmembranaire
Ce paramètre assure la filtration du solvant. Son augmentation favorise l’accumulation des
solutés et des particules en suspension au voisinage de la membrane. Cela peut accroître la
polarisation et le colmatage. En général, l’augmentation de la pression transmembranaire
accroît le flux de perméat mais il peut apparaître parfois une diminution des flux selon la
composition de la solution.
2.5.3 Concentration
La concentration de la solution affecte la polarisation et le colmatage de la membrane. Son
augmentation conduit à une élévation de la concentration à la membrane et favorise les
phénomènes intervenant dans le colmatage.
2.5.4 Température
Une élévation de température améliore les flux d’ultrafiltration par diminution de la
viscosité de la solution et augmentation du coefficient de diffusion des solutés.
La décroissance des flux en fonction du temps est plus marquée aux fortes températures en
raison de l’apparition de phosphate de calcium insoluble.
2.5.5 Temps
L’effet des paramètres opératoires sur les flux d’ultrafiltration devient moins évident si la
durée est prise en compte. Au-delà de 3 h de fonctionnement, en raison d’un colmatage en
profondeur de la membrane, les flux d’ultrafiltration dépendent peu des paramètres
12
TP Nanofiltration
opératoires. L’utilisation d’un décolmateur permet de limiter le colmatage en profondeur ou
tout du moins de ralentir l’apparition de ses effets. Un décolmateur est un système
permettant, durant la manipulation, de renvoyer, sous pression, un volume donné de
perméat en sens contraire de la membrane. Il s’agit d’un mini rétro-lavage qui intervient en
un temps très court (quelques dixièmes de secondes à quelques secondes), à un rythme
régulier, afin de décolmater en surface les pores de la membrane.
3
Présentation du pilote
Au cours de ces travaux pratiques, vous séparerez une solution contenant du sucre et du
chlorure de sodium (sel). Il s’agit d’exemple très présent dans l’industrie agro-alimentaire
(figure 4).
Figure 4 : traitement industriel en agro-alimentaire
La séance de travaux pratiques doit permettre d’appréhender la technologie liée à la mise en
œuvre de ces opérations, d’en comprendre le fonctionnement, de faire fonctionner les
installations, d’identifier les paramètres de conduite, et d’en évaluer les potentialités en tant
qu’opérations de séparation.
TP Nanofiltration
13
Photo du MP72S
3.1
14
Schéma de principe
TP Nanofiltration
3.2
Description
Un circuit desservant une cartouche d’osmose inverse ou une membrane de nanofiltration
est alimenté par une pompe centrifuge multicellulaire haute pression (16 bars à 800 L/h). Il
comprend une alimentation, un rétentat et un perméat.
Le bac contenant la solution à traiter est de capacité 30 L. le bac de récupération du perméat
à une capacité de 20 L. Ils sont tous deux en PVC transparent. Le pilote peut fonctionner de
manière autonome à partir du bac d’alimentation.
La pompe s’arrête automatiquement lorsque le niveau bas de la cuve est atteint.
Des manomètres précis 0-16 bars sont situés en amont et en aval des membranes. Différents
jeux de vannes permettent de faire varier les conditions hydrauliques autour des cartouches.
Plusieurs types de fonctionnement peuvent être étudiés :
• Un recyclage total : on recycle le perméat et le rétentat dans le bac d’alimentation.
Cette option permet de travailler en circuit fermé et d’orienter le travail pratique
vers une étude théorique de vérification des lois de l’osmose inverse et leur
application à la réalité industrielle.
• Un recyclage partiel : on recycle en partie le rétentat dans la cuve d’alimentation. Le
perméat est stocké dans le bac prévu à cet effet. Cette option permet le traitement
en continu de l’eau à traiter et se rapproche des nécessités industrielles.
• Un traitement sans recyclage : on rejette le rétentat et on stocke le perméat. Cette
option est peu intéressante économiquement compte tenu du faible taux de
conversion des membranes (débit de perméat / débit d’entrée en %). Le taux de rejet
est trop important.
Vue de face
V6 – V7
V5 – PI1– PT1
C1
Coffret électrique
C2
FI1
Variateur
agitation
FI3
S
EV
B2
FI2
V14
V4
V22 – V23
V16 – V17
E
PI3
V3
V9 – V11
V18 – V19
PT3
TT1
V12
V15 – PI2 – PT2
V1
V8 – V10
V13
TP Nanofiltration
15
Vue arrière
V18 – V19
M
LSL
Pompe P
B1
V2
Coffret électrique
Voyant de mise
sous tension
Indicateur de la
pression
du
rétentat PI2
Indicateur de la
pression
d’alimentation PI1
Régulateur de la
température du
rétentat TIC1
Indicateur de la
pression
du
perméat PI3
Réglage de la
vitesse de rotation
de la pompe
Mise
en
marche
de
l’électrovanne
Mise
service
Mise en marche
/ arrêt de la
pompe
hors
Mise en service
Arrêt
d’urgence
16
TP Nanofiltration
3.3
Nomenclature Installation
V1
V2
V3
V4
V5
V6
V7
V8
V9
V10
V11
V12
V13
V14
V15
V16
V17
V18
V19
V20
V21
V22
V23
Vanne de vidange de la cuve d’alimentation B1
Vanne de mise en ligne de la cuve d’alimentation B1
Vanne de mise en recyclage de l’alimentation
Vanne de mise en ligne du circuit en entrée des membranes
Vanne de mise en ligne du manomètre PI1 et du capteur PT1 (entrée de module)
Vanne de mise en ligne de la membrane d’osmose inverse (entrée)
Vanne de mise en ligne de la membrane de nanofiltration (entrée)
Vanne de mise en ligne de la membrane d’osmose inverse (sortie rétentat)
Vanne de mise en ligne de la membrane d’osmose inverse (sortie perméat)
Vanne de mise en ligne de la membrane de nanofiltration (sortie rétentat)
Vanne de mise en ligne de la membrane de nanofiltration (sortie perméat)
Vanne de vidange du circuit de rétentat après module
Vanne de vidange du circuit de perméat après module
Vanne d’isolement du circuit de perméat après module
Vanne de mise en ligne du manomètre PI2 et du capteur PT2 (sortie de module)
Vanne de réglage du débit de rétentat en retour vers cuve B1 ou en sortie
Vanne de réglage du débit de retour de rétentat vers cuve B1 ou en sortie
Vanne de soutirage du rétentat
Vanne d’isolement du circuit de retour du rétentat vers la cuve B1
Vanne de soutirage du rétentat
Vanne d’isolement du circuit de retour du rétentat vers la cuve B1
Vanne de retour de la cuve de perméat B2 vers la cuve d’alimentation B1
Vanne de vidange de la cuve de perméat B2
B1
B2
P
M
C1
C2
E
EV
Cuve d’alimentation de 30 L en PVC
Cuve de recueil de perméat de 20 L en PVC
Pompe centrifuge multicellulaire haute pression monophasée
Agitateur à vitesse variable
Membrane d’osmose inverse (société SNTE réf XLE-2540)
Membrane de nanofiltration (société SNTE réf NF270-2540)
Echangeur tubulaire en sortie des membranes côté rétentat
Electrovanne pilotant l’alimentation en eau de l’échangeur thermique
FI1
FI2
FI3
PI1
PI2
PI3
PT1
PT2
PT3
TT1
LSL1
S
Débitmètre à section variable100-1000 L/h – mesure du débit d’entrée
Débitmètre à flotteur 100-1000 L/h – mesure du débit de sortie rétentat
Débitmètre à flotteur 25-250 L/h – mesure du débit de sortie de perméat
Manomètres 0-16 bars en entrée des membranes
Manomètres 0-16 bars en sortie des membranes
Manomètre 0-6 bars sur le circuit perméat
Capteur de pression 0-16 bars en entrée des membranes côté rétentat
Capteur de pression 0-16 bars en sortie des membranes côté rétentat
Capteur de pression 0-6 bars sur le circuit perméat
Sonde de température en sortie des membranes
Détecteur de niveau bas (sécurité pompe)
Soupape de sécurité du circuit PVC tarée à 14 bars
TP Nanofiltration
17
3.4
Caractéristiques
Osmose Inverse
SNTE XLE-2540
Nanofiltration
SNTE NF270-2540
1016
61
1,8
2,6
1016
61
1,8
2,6
Limites de fonctionnement
Pression maximale d’utilisation
Température maximale d’utilisation
Tolérance au chlore libre
Turbidité maximale à l’entrée
Plage de pH admissible
Débit maximal d’alimentation
SDI maximum à l’entrée (Silt Density Index)
Débit de production (± 15%)
Taux moyen de rejet en sel
41 bar
45 °C
< 0,1 ppm
1 NTU
2 – 11
1,4 m3/h
5
133 L/h
99,0 %
41 bar
45 °C
< 0,1 ppm
Conditions standard d’utilisation à 25°C, pH=8
Concentration à l’alimentation NaCl (MgSO4)
Pression d’alimentation
Taux de récupération
2000 ppm
6,9 bar
15 %
2000 ppm
4,8 bar
15 %
Type de membrane
Caractéristiques physiques
Longueur (mm)
Diamètre (mm)
Poids (kg)
Surface membranaire (m2)
2 - 11
1,4 m3/h
5
396
> 97 %
Pour de plus amples informations, consulter le site web de DOW :
http://www.dow.com/liquidseps/service/lm_basics.htm
4
Utilisation du pilote
Avertissement
Avant toute séance de TP, le professeur ou la personne responsable de l’installation et
des élèves vérifiera que le coup de poing d’arrêt d’urgence est débloqué et que le coffret
électrique est fermé à clé (clé conservée par cette même personne). Lors d’un arrêt
d’urgence, seule cette personne sera habilitée à remettre en marche l’installation après
vérification de la raison de l’arrêt.
4.1
Préparation de la solution
Préparer une solution. La transvaser dans la cuve d’alimentation.
Si besoin d’homogénéiser la solution, on effectuera une recirculation grâce à la pompe et on
utilisera l’agitateur en continu lors du fonctionnement.
Pour cela, à partir d’un circuit où toutes les vannes sont fermées.
- Ouvrir V2 pour mettre en ligne la cuve B1.
- Ouvrir V3 pour permettre le retour à la cuve B1 sans passer par la membrane, lors de la
mise en route de la pompe.
- Mettre en route la pompe. La solution est en recyclage total sur B1.
18
TP Nanofiltration
ATTENTION
Les pressions mises en jeu par la pompe sont élevées. Prendre des précautions lors de la
mise en marche de la pompe.
4.2
Mise en route de l’appareil
Démarrage en recyclage total du perméat et du rétentat.
A partir d’un circuit où toutes les vannes sont fermées.
- Ouvrir V2 pour mettre en ligne la cuve B1 et ouvrir V22 afin de recycler totalement le
perméat.
- Ouvrir V3 pour permettre le retour à la cuve B1 sans passer par la membrane, lors de la
mise en route de la pompe.
- Sélectionner la membrane souhaitée et ouvrir les vannes en conséquence :
o Osmose inverse : ouvrir V6, V8 et V9
o Nanofiltration : ouvrir V7, V10 et V11
- Ouvrir V14 pour mettre en ligne la fin du circuit perméat.
- Ouvrir V16 et V19 pour mettre en ligne le retour du rétentat à la cuve B1.
- Mettre en route la pompe. La solution est en recyclage total sur B1.
- Ouvrir progressivement la vanne V4 et contrôler le débit d’alimentation sur le
débitmètre FI1. Limiter le débit à 700 L/h maximum en jouant à la fois sur l’ouverture de
V4 et sur la fermeture de V3.
- Ouvrir les vannes V5 et V15 afin de lire les pressions.
- Régler la vanne V16 en sortie afin de faire varier les pressions et le débit.
ATTENTION :
Bien vérifier que les vannes V5 et V15 isolant les manomètres sont fermées au démarrage !
Si un coup de bélier a lieu à la mise en route de la pompe, les manomètres peuvent être
endommagés !
ATTENTION :
Il est recommandé de monter lentement en pression, par palier afin d’éviter les coups de
bélier qui peuvent endommager les instruments et la tuyauterie.
Ne pas dépasser 700 L/h en entrée de module afin de ne pas endommager la membrane.
Lorsque le liquide circule dans l’installation, il s’échauffe. Un échangeur tubulaire est placé
sur le circuit du rétentat. Il est alimenté en eau froide et l’arrivée d’eau est pilotée par le
biais de la sonde de température et d’un régulateur qui provoque l’ouverture de la vanne
lorsque la température de consigne est dépassée et que le produit s’échauffe. (Voir réglage
au § 4.5)
REMARQUE
Les vannes V3 et V4 permettent de régler le débit dans la cartouche tandis que la vanne
V16 permet de régler la pression en jouant sur le débit de rétentat.
-
Lire le débit de perméat sur le débitmètre FI3 et le débit de rétentat (ou concentrat) sur
le débitmètre FI2.
Lire la pression d’entrée du module sur le manomètre PI1 et la pression de sortie sur le
manomètre PI2. Calculer la différence de pression entre les deux points.
TP Nanofiltration
19
4.3
Autres cas de fonctionnement
Afin de travailler sans recyclage du perméat, fermer V22. Tout le perméat est recueilli dans
la cuve B2.
En recyclage partiel de rétentat, entrouvrir V17, ouvrir V20 en maintenant V21 fermée. Une
partie du rétentat est donc vidangée par l’intermédiaire de V20 et le débit recyclé peut être
lu sur le débitmètre FI2 (ou inversement en passant par la ligne du débitmètre pour
connaître le débit rejeté !).
Enfin, pour un traitement sans recyclage ou rejet total, la cuve de perméat sera isolée (V22
fermée). Le rétentat sera évacué par le biais de V18 (V19 étant fermée). Le débit sera lu sur
le débitmètre FI2.
4.4
Procédure d’arrêt de l’appareil
ATTENTION :
Il est obligatoire de respecter la procédure d’arrêt de l’installation afin de ne pas
endommager les instruments et la tuyauterie.
Réduire le débit de la pompe
Ouvrir totalement V3 et fermer doucement V4 afin de court-circuiter la membrane.
Ouvrir complètement V6
Arrêter la pompe.
Fermer les vannes V4 et V10 d’isolement des manomètres.
Fermer les vannes suivantes pour garder les membranes en eau, pour éviter qu’elles ne
sèchent :
- Osmose inverse : fermer V6, V8 et V9
- Nanofiltration : fermer V7, V10 et V11
En cas d’arrêt d’urgence, avant la reprise de l’expérience, il est IMPERATIF de remettre les
vannes en position de démarrage de l’installation
-
4.5
Utilisation de l’échangeur tubulaire
L’échangeur monté sur le circuit de rétentat permet de refroidir le concentrat en sortie de
membrane. Il est nécessaire notamment lorsque l’on travaille longuement sur l’installation
avec recyclage du rétentat dans la cuve d’alimentation. L’eau y circule à contre-courant du
produit. Il est donc alimenté par le haut et sa sortie est munie d’une électrovanne pilotée
par un régulateur. Il permet de maintenir le produit à une température inférieure à la
consigne programmée.
Pour l’utiliser, basculer le commutateur « EV EAU FROIDE » sur « AUTO ». Régler alors la
consigne de la façon suivante :
- Appuyer sur la touche
pour afficher la consigne « SP »
- Régler la consigne souhaitée avec les flèches
et
.
- Appuyer sur la touche ↵ pour valider.
Lorsque la température produit passe au-dessus de la consigne, l’électrovanne EV s’ouvre
jusqu’à ce que la valeur redevienne inférieure.
REMARQUE
La pression d’eau au niveau de l’échangeur devra rester inférieure à 2 bars.
20
TP Nanofiltration
5
5.1
5.2
Manipulations
Détermination de la perméabilité de la membrane à l’eau
Régler la puissance de la pompe à un débit de 400l/hr.
Fermer la vanne de rétentat de façon à obtenir des pressions transmembranaires de 2 à
10 bars, en ajustant la puissance de la pompe pour conserver le débit d’alimentation.
Pour chacune des PTM, relever le débit de perméat après stabilisation.
Refaire la même procédure avec 2 autres débits (choisis judicieusement)
Séparation de petites molécules par nanofiltration
Préparer la solution
- Mettre 15L d’eau dans la cuve. Faire circuler l’eau afin d’éliminer l’air.
- Préparer 15L d’une solution mère contenant du sucre et du NaCl afin qu’amenée à 30L,
cette solution soit à 30g/L en sucre et 1g/L en NaCl.
- Remplir le réservoir d’alimentation avec cette solution.
- Faire circuler la solution et prélever un échantillon de la solution d’alimentation.
Suivit d’expérience
- Régler la pompe à 400 L/hr et la PTM de 3 à 6 bars.
- Pour concentrer la solution, récupérer le perméat dans le bac prévu à cet effet.
- Mesurer le temps pour recueillir chaque litre de perméat, prélever un échantillon de
perméat et de rétentat et relever les pressions et débits.
- La composition en sucre est déterminée en Degré Brix (% = g glucose/100 g de solution)
par réfractométrie, et la concentration en sel par conductivité en mS/cm (voir courbe
d’étalonnage en annexe 1).
En fin d’expérience
- Mesurer le volume total de perméat recueilli et prélever un échantillon.
5.3
Nettoyage (prévoir 30 minutes)
Rincer le circuit de filtration en alimentant le réservoir avec de l’eau de réseau tout en
rejetant le rétentat dans l’égout le rétentat, sans filtration (5 min) au départ puis ensuite en
filtrant à 5 bars (15 min). Laisser le module sous eau
6
6.1
6.2
-
Exploitation des résultats
Pour le fonctionnement en eau
Tracer l’évolution du flux en fonction de la PTM
Calculer la perméabilité de la membrane.
Pour le fonctionnement en purification
Présenter l’évolution du flux au cours du temps, et en fonction du facteur de
concentration volumique.
Estimer la pression osmotique de la solution par l’évolution de la PTM et par l’évolution
de la concentration et les comparer.
Présenter l’évolution du taux de rejet, des deux composés, au cours du temps, et en
fonction du facteur de concentration volumique.
Vérifier le bilan en sucre et en sel.
Conclure.
TP Nanofiltration
21
7
Annexe : Tableau de conversion des Degré Brix en densité
Densité
1.000
1.001
1.002
1.003
1.004
1.005
1.006
1.007
1.008
1.009
1.010
1.011
1.012
1.013
1.014
1.015
1.016
1.017
1.018
1.019
1.020
1.021
1.022
1.023
1.024
1.025
1.026
1.027
1.028
1.029
1.030
1.031
1.032
1.033
1.034
1.035
1.036
1.037
1.038
1.039
1.040
1.041
1.042
1.043
1.044
1.045
1.046
1.047
22
Brix
0.00
0.26
0.51
0.77
1.03
1.28
1.54
1.80
2.05
2.31
2.56
2.81
3.07
3.32
3.57
3.82
4.08
4.33
4.58
4.83
5.08
5.33
5.57
5.82
6.07
6.32
6.57
6.81
7.06
7.30
7.55
7.80
8.04
8.28
8.53
8.77
9.01
9.26
9.50
9.74
9.98
10.22
10.46
10.70
10.94
11.18
11.42
11.66
1.048
1.049
1.050
1.051
1.052
1.053
1.054
1.055
1.056
1.057
1.058
1.059
1.060
1.061
1.062
1.063
1.064
1.065
1.066
1.067
1.068
1.069
1.070
1.071
1.072
1.073
1.074
1.075
1.076
1.077
1.078
1.079
1.080
1.081
1.082
1.083
1.084
1.085
1.086
1.087
1.088
1.089
1.090
1.091
1.092
1.093
1.094
1.095
1.096
11.90
12.14
12.37
12.61
12.85
13.08
13.32
13.55
13.79
14.02
14.26
14.49
14.72
14.96
15.19
15.42
15.65
15.88
16.11
16.34
16.57
16.80
17.03
17.26
17.49
17.72
17.95
18.18
18.40
18.63
18.86
19.08
19.31
19.53
19.76
19.98
20.21
20.43
20.65
20.88
21.10
21.32
21.54
21.77
21.99
22.21
22.43
22.65
22.87
TP Nanofiltration
1.097
1.098
1.099
1.100
1.101
1.102
1.103
1.104
1.105
1.106
1.107
1.108
1.109
1.110
1.111
1.112
1.113
1.114
1.115
1.116
1.117
1.118
1.119
1.120
1.121
1.122
1.123
1.124
1.125
1.126
1.127
1.128
1.129
1.130
23.09
23.31
23.53
23.75
23.96
24.18
24.40
24.62
24.83
25.05
25.27
25.48
25.70
25.91
26.13
26.34
26.56
26.77
26.98
27.20
27.41
27.62
27.83
28.05
28.26
28.47
28.68
28.89
29.10
29.31
29.52
29.73
29.94
30.15