Procédés de séparation membranaire

Procédés de séparation membranaire,  approche locale in-situ par SAXS et micro PIV : relations concentrations - gradients de vitesse - contraintes, au sein de la couche de polarisation de concentration.

L’ultrafiltration tangentielle de suspensions colloïdales, bien qu’utilisée dans de nombreux domaines industriels, est limitée par l’accumulation de matière à la surface de la membrane, entrainant deux phénomènes, la polarisation de concentration et le colmatage de la membrane, qui réduisent les performances du procédé. 

Les objectifs de ce travail sont d’aboutir à une compréhension des mécanismes gouvernant les phénomènes de polarisation de concentration en lien avec les propriétés d’écoulement et de structure de suspensions de colloïdes dans les couches concentrées au voisinage de la membrane lors de l’ultrafiltration tangentielle. Différents types de colloïdes d’intérêt fondamental ou à finalité industrielle sont étudiés : argiles, nanocristaux de cellulose, nanotubes de carbone, micelles de caséines, jus de Jaca.

Une avancée décisive dans la compréhension des mécanismes impliqués dans la formation de cette accumulation de matière, a été réalisée par la mise en œuvre de méthodologies originales, utilisant des cellules de filtration instrumentées, combinées à des techniques de diffusion de  rayons x et de neutrons aux petits angles (Fig. 1,2). Ces cellules de filtration originales et les techniques de mesures développées autour, ont permis d’obtenir des informations aux échelles nanométriques à l’intérieur des couches de polarisation de concentration, sur des épaisseurs allant de 20 µm à quelques centaines de micromètres, et ceci au cours de la filtration tangentielle sous conditions de pression et d’écoulement contrôlés.

Ces mesures permettent d'établir les profils de concentration en fonction de la distance à la membrane et leurs évolutions temporelles. Par ailleurs, elles donnent aussi accès à l’organisation spatiale des colloïdes filtrés et des niveaux d’interactions inter-particules atteints dans les couches concentrées.

De nouveaux développement plus récents ont permis d’accéder par des mesures de micro-PIV locales in-situ, à la caractérisation du champ de vitesse en fonction de la distance z à la membrane  (Fig. 3). Par le calcul du gradient de vitesse et la connaissance du comportement rhéologique du milieu filtré (relation contrainte, gradient de cisaillement, concentration), il a été possible d'en déduire les contraintes locales au sein de le couche de polarisation. 

Ces données structurales et de champs de vitesse, ont permis de relier les phénomènes de polarisation de concentration à l’apparition de la transition sol-gel ou des changements de comportements rhéologiques des systèmes au cours de la filtration. Un exemple sur un système de suspensions de nanocristaux de cellulose est traité ci dessous.

Structure, comportement rhéologique et champs d'écoulements de suspensions de nanocristaux de cellulose lors de l'ultrafiltration tangentielle.

Un résultat est détaillé ici, obtenu sur des suspensions aqueuses de nanocristaux de cellulose non soniqués (bâtonnets en forme de parallélépipède d’une longueur de 150 à 200 nm et de section 4 x 60 nm). Les mesures de SAXS ont permis de caractériser localement le profil de concentration en particules en fonction de la distance z à la membrane, ainsi que l’organisation structurale des colloïdes concentrés, notamment leur orientation (Fig. 4a).

Les mesures de micro-PIV locales ont permis de caractériser finement le champ de vitesse en fonction de la distance z à la membrane (Fig. 4b). Notamment une zone d’arrêt de l’écoulement a ainsi été identifiée et une zone de transition ou la vitesse augmente progressivement en fonction de la distance à la membrane et qui correspond à la couche de polarisation de concentration.

Les comportements rhéologiques des suspensions ont été caractérisés et des lois de comportement reliant les contraintes aux gradients de vitesse en fonction de la concentration, ont été modélisés par une équation en loi puissance (Fig. 5). 

Un code Matlab a été développé pour déduire les gradients de vitesse  des mesures de vitesse V(z) de la micro PIV. C’est en combinant les données de concentration en fonction de la distance à la membrane C(z) avec les lois de comportements rhéologiques des suspensions  (contraintes de cisaillement (gradient de vitesse)) pour les différentes concentrations, que nous avons pu déduire pour la première fois, les évolutions des contraintes locales au sein des couches de polarisation de concentration, et ainsi expliquer les phénomènes gouvernant le passage de la couche de polarisation de concentration à la formation de dépôt pour ces suspensions.

La Fig. 6 met en évidence 3 zones distinctes d’écoulement : une zone A qui correspond à la formation d’un dépôt concentré sans écoulement. 

Dans la zone B, qui correspond à la couche de polarisation de concentration, le gradient de cisaillement augmente jusqu’à atteindre un maximum. Sur cette distance la vitesse passe progressivement d’une valeur quasiment nulle à une valeur maximum. Le gradient de vitesse augmente régulièrement jusqu’à des valeurs de l'ordre de 40 s-1, traduisant ainsi la mise en écoulement de la suspension sur cette zone B. La contrainte atteint également sa valeur maximum de 0.07 Pa, alors que la concentration de la suspension a rejoint celle de la valeur initiale (0.7 wt%). 

Dans une troisième zone C, une décroissance de la contrainte et du gradient de vitesse est ensuite observée. Dans cette zone, la suspension rejoint la veine fluide avec une diminution du gradient de vitesse jusqu’à atteindre la valeur de vitesse maximum entre 2000 et 2500 µm au-dessus de la membrane. 

La Fig. 7, montre la relation entre les profils de concentrations, l'organisation structurale, et les valeurs des vitesses et des niveaux de contraintes atteintes à l'intérieur des Zones A, B et C, lors de l'accumulation des particules de CNC près de la membrane.

Les résultats obtenus sur ces suspensions de nanocristaux de cellulose, ont permis d’identifier que le changement du comportement rhéologique de newtonien à rhéofluidifiant (sur des domaines de concentration dilués de 0.7 à 5 wt%) est à l’origine de l’arrêt des particules à la transition entre la couche de polarisation (Zone B) et la formation de dépôts concentrés (zone A).

L'originalité du calcul des contraintes au sein de la couche de polarisation déduits des mesures de concentration et de champs de vitesse, ainsi que les évolutions spatio-temporelles de ces contraintes en fonction des conditions de filtration (débit pression), permet d'apporter une meilleure compréhension de ces phénomènes de polarisation de concentration et de leur évolution vers le colmatage. 

Sur le plan industriel, il devrait permettre d'améliorer les méthodes pour lutter contre le colmatage ou la réduction de performance de la filtration au cours du temps, en appliquant notamment des cisaillements ou de contraintes localisées par l'intermédiaire d'ondes ultrasonores. 

Fig. 4 : a) profils de concentration en particules de nanocristaux de cellulose en fonction de la distance à la membrane, et spectres de diffusion SAXS associés in-situ ; b) champs de vitesse correspondant au voisinage de la membrane par mesures de PIV in-situ. CCNC = 0.7 wt%, Q = 0.06 L.min-1, T = 25°C, TMP  = 1.1 x 105 Pa. 

Fig. 5 : courbe d’écoulement de cisaillement et paramètre de consistance K et de rhéofluidification n du modèle rhéologique en loi puissance . Identification de la transition de comportement newtonien à rhéofluidifiant au voisinage de 5 wt%. 

Références

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