Les techniques de séparation membranaire ont vu leur importance
croître ces 20 dernières années du fait des nombreux
avantages qu’elles offrent par rapport aux autres procédés
de séparation conventionnels.
Cependant, la séparation membranaire a un talon d'Achille affectant tous
les dispositifs : l’encrassement ou le colmatage des membranes. Le dépôt
de particules et la formation d’une couche à la surface des membranes
qui se produit au cours du temps, réduit le débit de filtration
et donc les performances de l’opération.
En plus de la diminution du flux au travers la membrane, la couche de gel se
formant à la surface de la membrane réduit également la
sélectivité initiale de la membrane. Ce problème de colmatage
a souvent limité l’utilisation de la séparation membranaire
aux fluides peu chargés et de faibles viscosités.
A l’origine, les concepteurs de systèmes membranaires se sont attachés à réduire
le colmatage des membranes en utilisant une vitesse d’écoulement élevée
et en filtrant dans la direction perpendiculaire à l’écoulement.
Ainsi, on trouve différentes formes de modules de membrane : plan, tubulaire
ou à spirale. Le fluide traité est transféré à grande
vitesse, afin de créer des forces de cisaillement élevées à la
paroi, permettant de lutter contre les effets du colmatage. Cependant, la création
de forces de cisaillement au-delà de 10 000 à 15000 s-1 n’est
pas économiquement viable et ne peut se faire que pour des fluides peu
visqueux, proches de l’eau. De plus, ces fortes vitesses créent
des pertes de charges élevées et nécessitent des puissances
de pompages élevées.
New Logic a proposé une alternative à la gestion du phénomène
de colmatage par l’application d’intenses ondes vibratoires au niveau
de la surface membranaire (Vibratory Shear Enhanced Processing) qui créent
un cisaillement extrême repoussant les particules solides et laissant le
liquide passer au travers les pores non obstrués . Dans le VSEP, le fluide
passant au travers les membranes est pratiquement stationnaire et se déplace avec de faibles
vitesses successivement d’un disque à l’autre, décrivant
une série de méandres à l’intérieur du module.
Les ondes vibratoires générées par la vibration des membranes
repoussent de la surface de la membrane les particules qui restent dans le flux
principal et traversent le pack de membranes. Le cisaillement à la surface
des membranes permet d’augmenter le débit de filtration au travers
les membranes de 3 et 10 fois plus que pour les systèmes conventionnels
de filtration tangentielle.
Le pack de membranes du VSEP se compose de disques avec des membranes de part
et d’autre, parallèles et séparés par des joints étanches.
Le
pack de membranes est oscillé par l'intérmédiaire d'un
ressort de torsion qui lui transmet une amplitude d’oscillation d’environ
2,3 centimètres. Ce mouvement est analogue à l'agitation d'une
machine à laver mais se produit à une vitesse plus rapide que celle
qui peut être perçu par l’œil humain.
L'oscillation produit un cisaillement à la surface des membranes d'environ
150 000 s-1, soit un cisaillement dix fois plus élevé que celui
rencontré dans les filtrations tangentielles classiques. De plus, dans
la technologie VSEP, le cisaillement est localisé a la surface de membrane
où il est efficace et plus utile pour empêcher le colmatage, tandis
que le fluide passant entre les disques de membrane se déplace avec une
vitesse très faible.
Etant
donné que les performances
du VSEP ne dépendent pas
des taux de cisaillement induits
par écoulement d'alimentation,
la technologie peut traiter avec
succès des fluides extrêmement
visqueux. Le concentrat est extrudé entre
les disques et chassé hors
du module de filtration une fois
qu'il atteint le niveau de concentration
désiré. Ainsi, la
technologie VSEP permet de réaliser
des concentrations élevées
en un seul passage, réduisant
les matériels annexes coûteux
(cuves, clapets, …).
Le volume interstitiel entre les disques de membranes pour un module de
filtration de 130 m2 est inférieur à 190 litres. En conséquence,
la récupération du produit dans des traitements par lots
peut être extrêmement élevée et la perte matière
après avoir vidé le module est inférieur à 11
litres.
Exploitation du Système
VSEP:
À la mise en route, le système VSEP est alimenté avec le
fluide à traiter et la vanne de concentration en sortie est fermée.
Le perméat est produit en continu et le fluide se concentre à l’intérieur
du module de filtration. Après un intervalle programmé de temps,
la vanne de concentration en sortie s’ouvre pour expulser le concentrat
accumulé dans le VSEP. Cette vanne est ensuite fermée pour permettre
une nouvelle phase de concentration et ainsi de suite. |
La sélection
du type de membrane est le paramètre
le plus important qui affecte la qualité de
la séparation, elle doit être
choisie en fonction de sa compatibilité avec
l’effluent et du seuil de coupure
attendu. D'autres paramètres importants
qui affectent la performance de la séparation
sont la pression, la température,
l’amplitude de vibration, et le temps
de séjour. Tous ces paramètres
sont optimisés pendant les phases
préliminaires de tests et entrés
dans l’automate de contrôle
commande du système.
La pression de fonctionnement est créée par la pompe d'alimentation.
Les équipements VSEP peuvent classiquement fonctionner jusqu’à des
pressions de 69 bars. Des pressions plus élevées permettent d’augmenter
les débits de perméat mais requièrent des consommations énergétiques
plus importantes. Par conséquent, il est important de choisir la pression
de fonctionnement qui optimise les débits et la consommation d'énergie.
Dans la plupart des cas, le flux de filtration
peut être encore amélioré en augmentant la température
de fonctionnement. La limite de la température sur un système
standard de VSEP est de 80°C, des constructions spécifiques
permettre d’atteindre des températures plus élevées.
L'amplitude de vibration et le taux de cisaillement
associé affectent également directement les flux de
perméat. Le cisaillement est produit par l’oscillation
du module de filtration, générée par un ressort
de torsion. Les membranes subissent une amplitude d’oscillation
de 3/4’’ à 1’’ 1/4 (soit 1,9 à 3,2
cm). La fréquence de l’ordre de 60 Hz produit un taux
de cisaillement d’environ 150 000 s-1.
Le temps de séjour est fixé par
l’ouverture et la fermeture de la vanne de sortie. Plus le
temps de séjour long, plus la concentration du fluide sera élevée.
De temps en temps, une solution de nettoyage est injectée
dans le module de filtration et les ondes oscillatoires permettent
de faciliter le nettoyage. Ce processus peut être automatisé et
consomme seulement 190 litres de solution de nettoyage réduisant
de ce fait les volumes de solution de lavage inhérents aux
autres systèmes de filtration membranaire.
Pour en savoir plus
sur les composants de système de VSEP
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