Résumé des applications de la technologie des membranes d'ultrafiltration
Applications de la technologie d'ultrafiltration (UF)
Principe de fonctionnement de l'ultrafiltration :
L'ultrafiltration (UF) est une technologie de séparation membranaire avancée développée ces dernières années, principalement grâce à la science des matériaux. Elle a été largement appliquée dans divers secteurs industriels et municipaux.
L'UF est un procédé de séparation membranaire sous pression qui utilise la capacité de filtration de matériaux poreux pour séparer les matières particulaires des fluides et des composants dissous. La taille de pore typique des membranes d'ultrafiltration varie de 0,01 à 0,1 micron, offrant des taux d'élimination élevés pour les bactéries, la plupart des virus, les colloïdes et les boues. Plus la taille nominale des pores est petite, plus le taux d'élimination est élevé. Les membranes d'ultrafiltration sont généralement fabriquées à partir de matériaux polymères de haute qualité, qui sont principalement de nature hydrophobe, bien qu'elles puissent être modifiées pour améliorer leur caractère hydrophile. Ce procédé fonctionne à température ambiante, sans changement de phase, et ne provoque pas de pollution secondaire.
Les membranes d'ultrafiltration utilisent des matériaux en fluorure de polyvinylidène (PVDF), qui sont dans une structure à fibres creuses à double couche. Les membranes d'ultrafiltration en PVDF ont généralement la plus petite taille nominale de pore, éliminant efficacement presque toutes les particules, les bactéries (taux d'élimination de 4 log), la plupart des virus et les colloïdes. Malgré la petite taille des pores, leur porosité élevée permet à l'UF d'atteindre un flux comparable à celui de la microfiltration, ce qui en fait un meilleur choix dans la plupart des cas.
L'ultrafiltration utilise une structure de pression externe, ce qui empêche le colmatage, offre une capacité d'encrassement plus élevée, une plus grande surface de filtration et un nettoyage plus facile. Le mode de filtration peut être modifié de l'écoulement transversal à l'écoulement en impasse, ce dernier offrant une consommation d'énergie plus faible, une pression de fonctionnement plus faible et, par conséquent, des coûts d'exploitation plus faibles. La filtration à flux transversal est cependant plus adaptée au traitement des fluides à forte teneur en solides en suspension. Le choix du mode de fonctionnement dépend de la teneur en solides en suspension dans l'eau d'alimentation.
L'UF fonctionne généralement en mode à débit constant, la pression transmembranaire (PTM) augmentant progressivement avec le temps. Le lavage à contre-courant ou le décapage à l'air réguliers peuvent éliminer la couche d'encrassement, tandis que les biocides ou autres agents de nettoyage peuvent contrôler la croissance microbienne et éliminer les polluants plus efficacement.
Dans le traitement de l'eau, l'UF est utilisée pour purifier l'eau en éliminant les particules fines, les colloïdes, les bactéries, les virus, les endotoxines, les protéines et les composés organiques à poids moléculaire élevé.
Avantages et inconvénients de l'ultrafiltration
Avantages et caractéristiques de l'ultrafiltration
-
Longue durée de vie :Les membranes UF fabriquées à partir de matériaux PVDF spécialement conçus, avec des modifications hydrophiles, ont d'excellentes propriétés antioxydantes, une résistance à la fatigue, une résistance à l'encrassement et une longue durée de vie.
-
Haute qualité de l'eau :La précision de filtration moyenne de l'UF est de 0,03 µm, avec une pression de point de bulle élevée. Son taux d'élimination des bactéries atteint 6 log, offrant une meilleure qualité de l'eau.
-
Large applicabilité :La structure de pression externe et la conception brevetée de la distribution de l'eau de l'UF permettent une teneur en solides en suspension plus élevée dans l'eau d'alimentation, ce qui la rend adaptée aux applications avec une mauvaise qualité de l'eau, tout en assurant des taux de récupération d'eau élevés.
-
Faibles coûts d'exploitation :Le système UF à pression externe utilise une méthode de nettoyage mixte air-eau rentable pour maintenir un flux stable à long terme, ce qui permet d'économiser sur les agents de nettoyage chimiques.
Principales applications de l'ultrafiltration
L'ultrafiltration est principalement appliquée dans trois domaines : les applications industrielles, les procédés alimentaires et biochimiques et l'eau potable. Ceux-ci seront détaillés ci-dessous.
-
Applications industrielles :L'ultrafiltration dans les procédés industriels peut être divisée en trois types :
-
(1) Concentration
-
(2) Séparation des solutés de petites molécules
-
(3) Fractionnement des solutés de grosses molécules.
La plupart des applications industrielles relèvent de la concentration. Des méthodes peuvent être utilisées pour séparer les solutés de petites molécules en combinaison avec de grosses molécules. Par exemple, la séparation du calcium libre et des protéines liées au calcium est un cas. La séparation des solutés de petites molécules, tels que le dessalement et l'échange d'ions, peut être effectuée par ultrafiltration seule ou en combinaison avec la dialyse. Le fractionnement des solutés de grosses molécules peut être réalisé en utilisant des membranes avec différentes valeurs de coupure de poids moléculaire, ou en combinant plusieurs unités d'UF avec des valeurs de coupure progressivement décroissantes.
Les applications industrielles comprennent :
-
Récupération de peinture électrophorétique
-
Récupération des eaux usées huileuses
-
Traitement des eaux usées contenant des métaux lourds
-
Autres applications industrielles
-
-
Récupération de peinture électrophorétique :Lors du revêtement électrophorétique des métaux, des objets métalliques chargés sont immergés dans une cuve contenant de la peinture chargée de manière opposée, formant un revêtement uniforme sur la surface métallique. La peinture est ensuite rincée. Pour protéger l'environnement et économiser de l'énergie, l'UF est utilisée pour retenir les résines polymères et les particules de pigment, permettant aux sels inorganiques, à l'eau et aux solvants de passer à travers. Les composants retenus sont renvoyés dans la cuve de peinture électrophorétique.
-
Récupération des eaux usées huileuses :Les émulsions huile-eau sont largement utilisées dans le travail des métaux, en particulier dans les procédés de coupe et de meulage. L'UF peut séparer efficacement l'huile des eaux usées car la tension interfaciale entre l'huile et l'eau empêche les gouttelettes d'huile de traverser la membrane. L'effluent filtré contient généralement des concentrations d'huile inférieures à 10 g/m³, ce qui est conforme aux normes de rejet. Le liquide concentré peut contenir 30 % à 60 % d'huile et peut être utilisé pour la combustion ou d'autres applications.
-
Traitement des eaux usées contenant des métaux lourds :L'ultrafiltration assistée par micelles (MEUF) est un développement récent combinant l'UF avec la technologie des tensioactifs. En ajoutant des tensioactifs au-dessus de leur concentration micellaire critique, les extrémités hydrophobes des micelles piègent les cations métalliques, et les membranes d'UF avec une coupure de poids moléculaire inférieure à celle des micelles peuvent éliminer efficacement les ions métalliques.
La MEUF peut séparer efficacement les ions tels que Cd²⁺, Zn²⁺ et Pb²⁺ avec une grande efficacité d'élimination, et est applicable au traitement des eaux usées contenant des ions métalliques. Cependant, la MEUF ne convient pas aux faibles concentrations d'ions métalliques.
-
Autres applications industrielles :
-
Production d'eau purifiée pour l'électronique :L'UF est utilisée pour éliminer les colloïdes, les particules et les bactéries afin de produire de l'eau de haute pureté, essentielle pour des industries comme la fabrication de semi-conducteurs.
-
Traitement des eaux usées dans l'industrie alimentaire :L'UF est employée pour traiter les eaux usées contenant de l'amidon et des enzymes dans l'industrie de la transformation des aliments.
-
Traitement des liquides de dégraissage de la laine :L'UF peut être utilisée pour traiter les liquides de dégraissage contenant de la graisse de laine émulsionnée.
-
Traitement des effluents des papeteries :L'UF est utilisée pour séparer et concentrer les lignosulfonates dans les effluents des papeteries.
-
-
Industrie laitière (traitement du lactosérum) :L'ultrafiltration est largement utilisée dans l'industrie laitière, en particulier dans le traitement du lactosérum. En concentrant le lactosérum, l'UF peut séparer les protéines, ce qui donne de la poudre de lactosérum qui peut être utilisée comme substitut de la poudre de lait écrémé dans les produits de boulangerie. L'ultrafiltration peut également produire des produits riches en protéines pour les aliments pour bébés, avec l'élimination du lactose.
-
Clarification des jus :L'UF est utilisée pour clarifier les jus de fruits frais, tels que le jus de pomme, qui contient souvent de la pectine et d'autres composés. Cette méthode réduit le besoin d'enzymes, d'argile et de gélatine, ce qui permet d'économiser sur les matériaux, la main-d'œuvre et le temps. La qualité du jus est également améliorée et sa durée de conservation est prolongée grâce à l'élimination des micro-organismes.
-
Extraction de l'albumine sérique :L'UF est utilisée pour séparer l'albumine sérique du plasma dans un processus en plusieurs étapes. L'albumine est filtrée à l'aide de membranes d'UF avec différentes coupures de poids moléculaire, ce qui permet de concentrer et de purifier l'albumine sérique.
Conclusion
La technologie d'ultrafiltration (UF) est une technique de séparation membranaire polyvalente et efficace, largement appliquée dans diverses industries, notamment le traitement de l'eau, l'alimentation et les boissons, les produits pharmaceutiques, et plus encore. Sa capacité à éliminer les particules fines, les bactéries, les virus et autres contaminants en fait un outil précieux pour obtenir une eau de haute qualité, purifier les eaux usées et améliorer les procédés industriels.