Analyse des procédés des membranes d'ultrafiltration dans les applications de traitement de l'eau (I)

La perméabilité des membranes d'ultrafiltration augmente avec la température. Généralement, la viscosité des solutions aqueuses diminue avec la température, réduisant ainsi la résistance à l'écoulement et augmentant par conséquent le taux de perméabilité. La température réelle de la solution d'alimentation sur le lieu de travail doit être prise en compte lors de la conception. Auparavant, l'ultrafiltration était utilisée dans le traitement de l'eau et d'autres procédés industriels de purification, de concentration et de séparation, comme prétraitement ou traitement avancé. Elle est aujourd'hui largement utilisée. Procédé de traitement de l'eauEn effet, elle est souvent utilisée comme méthode de purification avancée. Compte tenu des caractéristiques des membranes d'ultrafiltration à fibres creuses, un prétraitement de l'eau est nécessaire. Les matières en suspension, les colloïdes, les micro-organismes et autres impuretés présents dans l'eau peuvent se fixer à la surface de la membrane et l'encrasser.

Du fait du flux d'eau relativement élevé des membranes d'ultrafiltration, la concentration des impuretés retenues à leur surface augmente rapidement, entraînant une polarisation de concentration. Plus grave encore, certaines particules très fines peuvent pénétrer dans les pores de la membrane et obstruer les canaux d'eau. De plus, les substances visqueuses produites par les micro-organismes et leurs métabolites présents dans l'eau adhèrent également à la surface de la membrane. Tous ces facteurs contribuent à une diminution de la perméabilité de la membrane d'ultrafiltration et à une modification de ses performances de séparation. Par ailleurs, la température, le pH et la concentration de l'eau ultrafiltrée sont soumis à certaines limitations.Eau filtrée fournir.

Par conséquent, un prétraitement approprié et un ajustement de la qualité de l'eau sont nécessaires pour que l'approvisionnement en eau par ultrafiltration réponde aux besoins, prolonge la durée de vie de la membrane d'ultrafiltration et réduise les coûts de traitement de l'eau.

Élimination microbienne (bactéries, algues)

Lorsque l'eau contient des micro-organismes, certains d'entre eux peuvent se fixer au système de prétraitement, notamment à la surface des filtres multimédias, après y avoir pénétré. Une fois fixés à la membrane d'ultrafiltration, ces micro-organismes croissent et se multiplient, risquant d'obstruer complètement les micropores, voire la lumière des fibres creuses.

La présence de micro-organismes est extrêmement néfaste pour les membranes d'ultrafiltration à fibres creuses. Il est donc crucial d'éliminer les bactéries et les algues de l'eau brute. Dans les projets de traitement de l'eau, des oxydants tels que le NaClO et l'O₃ sont généralement ajoutés à des concentrations de 1 à 5 mg/L. La stérilisation aux ultraviolets peut également être utilisée. En laboratoire, les modules de membranes d'ultrafiltration à fibres creuses peuvent être stérilisés par circulation d'une solution aqueuse de peroxyde d'hydrogène (H₂O₂) ou de permanganate de potassium pendant 30 à 60 minutes.

Le traitement microbiologique ne peut que tuer les micro-organismes, mais il ne peut pas les éliminer de l'eau ; il empêche seulement leur prolifération.

Réduction de la turbidité de l'influent

Lorsque l'eau contient des matières en suspension, des colloïdes, des micro-organismes et d'autres impuretés, elle devient plus ou moins turbide. Cette turbidité entrave la transmission de la lumière, et cet effet optique est lié à la quantité, à la taille et à la forme des impuretés. La turbidité est généralement mesurée en degrés ; 1 mg/L de SiO₂ correspond à un degré de turbidité. Un degré plus élevé indique une concentration en impuretés plus importante.

Les exigences en matière de turbidité de l'eau potable varient selon les secteurs. Par exemple, pour l'eau potable courante, la turbidité ne doit pas dépasser 5 degrés. La mesure de la turbidité consiste à faire passer un faisceau lumineux à travers l'eau brute et à mesurer la quantité, la couleur et l'opacité de la lumière réfléchie par les particules en suspension. La taille, le nombre et la forme de ces particules influent donc sur la mesure. La relation entre la turbidité et les matières en suspension est aléatoire. La turbidité ne reflète pas les particules inférieures à quelques micromètres.

Dans le traitement membranaire, la microstructure précise des filtres à eau retient les particules à l'échelle moléculaire, voire ionique, ce qui rend la turbidité peu fiable pour évaluer la qualité de l'eau. Afin de prédire l'évolution de la pollution de l'eau brute, le test SDI (Self-Containing Dissolved Intake) a été mis au point.

L'indice SDI est principalement utilisé pour détecter la quantité de colloïdes et de matières en suspension dans l'eau et constitue un indicateur important de la qualité de l'eau à l'entrée du système. Il est généralement déterminé à l'aide d'une membrane microporeuse de 0,45 μm sous une pression d'écoulement d'eau constante de 0,21 MPa. On enregistre d'abord le temps t0 nécessaire à la filtration de 500 ml d'échantillon d'eau. Ensuite, dans les mêmes conditions, on fait circuler l'eau pendant 15 minutes supplémentaires et on enregistre le temps t15 nécessaire à la filtration de 500 ml d'eau supplémentaires. L'indice est ensuite calculé à l'aide de la formule suivante : SDI = (1 - t0/t15) × 100/15. La valeur de l'indice SDI reflète approximativement le degré de pollution colloïdale de l'eau. L'eau de puits a un indice SDI inférieur à 3, l'eau de surface a un indice SDI supérieur à 5 et la limite supérieure est de 6,66…, ce qui indique qu'un prétraitement est nécessaire.

L'ultrafiltration est particulièrement efficace pour réduire l'indice de densité des solides (IDS). L'eau traitée par des membranes d'ultrafiltration à fibres creuses atteint un IDS de 0. Cependant, lorsque l'IDS est trop élevé, notamment en cas d'encrassement important de la membrane par des particules de grande taille, un prétraitement est nécessaire. Ce prétraitement peut être réalisé à l'aide de sable de quartz, de charbon actif ou de filtres contenant plusieurs matériaux filtrants. Il n'existe pas de formule unique pour le prétraitement, car chaque source d'eau requiert une approche différente.

Par exemple, pour l'eau du robinet ou les eaux souterraines faiblement turbides, l'utilisation d'un filtre de précision de 5 à 10 μm (tel qu'un filtre en nid d'abeille, en polypropylène soufflé ou en polyéthylène fritté) permet généralement de réduire la turbidité à environ 5. En amont du filtre de précision, il est nécessaire d'ajouter des floculants et d'utiliser des filtres à double ou multicouches. En général, le débit de filtration ne doit pas dépasser 10 m³/h, l'idéal étant de 7 à 8 m³/h. Plus le débit de filtration est faible, meilleure est la qualité de l'eau filtrée.

Élimination des matières en suspension et des matières colloïdales

Pour les impuretés dont la taille des particules est supérieure à 5 μm, on peut utiliser des filtres d'une précision de filtration de 5 μm. Cependant, pour les particules fines et les colloïdes de 0,3 à 5 μm, les techniques de filtration conventionnelles sont difficiles à mettre en œuvre. Bien que l'ultrafiltration permette une élimination complète de ces particules et colloïdes, elle est extrêmement dommageable pour les membranes d'ultrafiltration à fibres creuses. En particulier, les particules colloïdales sont chargées électriquement et sont des agrégats de molécules et d'ions. La stabilité des colloïdes dans l'eau est principalement due à la répulsion mutuelle entre les particules colloïdales de même charge.

L'ajout d'une substance chargée (floculant) de charge opposée à celle des particules colloïdales à l'eau brute perturbe la stabilité de ces particules, les neutralisant et provoquant leur agrégation en gros amas, facilement éliminables par filtration ou sédimentation. Parmi les floculants couramment utilisés figurent des électrolytes inorganiques tels que le sulfate d'aluminium, le chlorure de polyaluminium, le sulfate ferreux et le chlorure ferrique. Les floculants organiques comprennent le polyacrylamide, le polyacrylate de sodium et le polyimide. Grâce à leur capacité à neutraliser la charge superficielle des particules colloïdales par la formation de liaisons hydrogène et de ponts, ces polymères de haut poids moléculaire accélèrent la coagulation et la sédimentation, améliorant ainsi significativement la qualité de l'eau. C'est pourquoi, ces dernières années, les floculants polymères tendent à remplacer les floculants inorganiques.

Lors de l'ajout de floculants, des adjuvants de coagulation peuvent être ajoutés, tels que des correcteurs de pH (chaux et carbonate de sodium), des oxydants (chlore et poudre de blanchiment), des agents stabilisants (fibres solubles dans l'eau) et des adsorbants (polyacrylamide), afin d'améliorer l'effet de coagulation.

Les floculants sont souvent préparés sous forme de solutions aqueuses et ajoutés à l'aide de pompes doseuses, ou ils peuvent être introduits directement dans le système de traitement de l'eau à l'aide d'injecteurs installés sur la conduite d'alimentation en eau.

Élimination de la matière organique soluble

La matière organique soluble ne peut être totalement éliminée par floculation-sédimentation, filtration multimédia ou ultrafiltration. Actuellement, on utilise couramment des méthodes d'oxydation ou d'adsorption.

(1) Méthode d'oxydation : L'oxydation par le chlore ou l'hypochlorite de sodium (NaClO) est efficace pour éliminer la matière organique soluble. L'ozone (O3) et le permanganate de potassium (KMnO4) sont également de bons oxydants, mais leur coût est légèrement plus élevé.

(2) Méthode d'adsorption : Le charbon actif ou les résines d'adsorption macroporeuses permettent d'éliminer efficacement la matière organique soluble. Cependant, pour les alcools et les phénols difficiles à adsorber, l'oxydation reste nécessaire.