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

Qualité de l'approvisionnement en eau Ajustement

【Réglage de la température de l'eau d'alimentation】

La perméabilité de Membrane d'ultrafiltrationLe coefficient de perméation (s) est directement lié à la température. Le débit de perméation des modules de membranes d'ultrafiltration est généralement testé avec de l'eau pure à 25 °C. Ce débit est directement proportionnel à la température, avec un coefficient de température d'environ 0,02/°C. Autrement dit, pour chaque augmentation de température de 1 °C, le débit de perméation augmente d'environ 2 %. Par conséquent, lorsque la température de l'eau d'alimentation est basse (par exemple, inférieure à 5 °C), un système de chauffage peut être utilisé pour fonctionner à une température plus élevée et ainsi améliorer l'efficacité. Cependant, des températures excessivement élevées sont également néfastes pour la membrane et entraînent une modification de ses performances. Dans ce cas, un système de refroidissement peut être mis en œuvre pour abaisser la température de l'eau d'alimentation.

【Réglage du pH de l'eau d'alimentation】

Les membranes d'ultrafiltration, fabriquées à partir de différents matériaux, présentent des plages de pH différentes. Par exemple, les membranes en acétate de cellulose conviennent à un pH compris entre 4 et 6, tandis que les membranes en PAN et PVDF peuvent être utilisées dans une plage de pH allant de 2 à 12. Si le pH de l'effluent dépasse cette plage, un ajustement est nécessaire. Les solutions d'ajustement de pH couramment utilisées comprennent les acides (HCl et H₂SO₄) et les bases (NaOH). Étant donné que les sels inorganiques présents dans la solution peuvent traverser la membrane d'ultrafiltration, il n'y a pas de problème de polarisation de concentration ni d'entartrage dus à ces sels. Par conséquent, leur impact sur la membrane n'est généralement pas pris en compte lors du processus d'ajustement de la qualité de l'eau en prétraitement. L'objectif principal est de prévenir la formation de la couche colloïdale, l'encrassement et le colmatage de la membrane.

Maîtrise et exécution correctes des paramètres de fonctionnement Les paramètres de fonctionnement sont extrêmement importants pour le fonctionnement stable et à long terme de l'ultraSystème de filtrationCes paramètres comprennent généralement : le débit, la pression, la perte de charge, le débit de refoulement du concentré, le taux de récupération et la température.

UN.

Débit : Le débit correspond à la vitesse linéaire de la solution d’alimentation (eau d’alimentation) s’écoulant sur la surface de la membrane. C’est un paramètre de fonctionnement crucial dans les systèmes d’ultrafiltration. Un débit élevé entraîne non seulement un gaspillage d’énergie et une chute de pression excessive, mais accélère également la dégradation des performances de la membrane d’ultrafiltration. À l’inverse, un débit faible augmente l’épaisseur de la couche limite qui se forme à la surface de la membrane, provoquant une polarisation de concentration qui affecte à la fois le débit et la qualité du perméat. Le débit optimal est déterminé expérimentalement.

Les membranes d'ultrafiltration à fibres creuses, lorsque la pression d'eau à l'entrée est maintenue en dessous de 0,2 MPa, présentent une vitesse d'écoulement de seulement 0,1 m/s à pression interne, ce qui indique un régime d'écoulement parfaitement laminaire. Les membranes à pression externe permettent d'atteindre des vitesses d'écoulement plus élevées. Pour les membranes d'ultrafiltration capillaire, lorsque le diamètre du capillaire atteint 3 mm, la vitesse d'écoulement peut être augmentée de manière significative, ce qui contribue à réduire la couche limite de concentration.

Deux points importants sont à souligner : premièrement, la vitesse d’écoulement ne peut être déterminée arbitrairement, car elle dépend de la pression d’entrée et du débit du liquide d’alimentation. Deuxièmement, pour les membranes à fibres creuses ou capillaires, la vitesse d’écoulement est variable à l’entrée. Lorsque le débit de concentré représente 10 % du débit du liquide d’alimentation, la vitesse de sortie est approximativement égale à 10 % de la vitesse d’entrée. De plus, l’augmentation de la pression accroît le débit de perméat, mais contribue très peu à l’augmentation de la vitesse d’écoulement. Par conséquent, l’augmentation du diamètre capillaire et l’ajustement du débit de recirculation du concentré permettent d’améliorer la vitesse d’écoulement, notamment lors des procédés de concentration par ultrafiltration, tels que la récupération de peinture électrophorétique, ce qui permet d’accroître efficacement le rendement d’ultrafiltration.

Dans la plage de pression admissible, l'augmentation de l'alimentation en eau et la sélection du débit le plus élevé sont bénéfiques pour garantir les performances des membranes d'ultrafiltration à fibres creuses.

B.

Pression et perte de charge : La plage de pression de fonctionnement des membranes d’ultrafiltration à fibres creuses est de 0,1 à 0,6 MPa, ce qui correspond généralement à la pression de fonctionnement typiquement utilisée pour le traitement des solutions dans le domaine défini de l’ultrafiltration. La séparation de substances de masses moléculaires différentes nécessite le choix de membranes d’ultrafiltration avec des seuils de coupure de masse moléculaire appropriés, et donc une pression de fonctionnement différente. Généralement, pour les membranes à fibres creuses à pression interne avec enveloppe plastique, la résistance à la pression de l’enveloppe est inférieure à 0,3 MPa, et la résistance à la pression des fibres creuses est généralement également inférieure à 0,3 MPa. Par conséquent, la pression de fonctionnement doit être inférieure à 0,2 MPa et la différence de pression à travers la membrane ne doit pas dépasser 0,1 MPa. Les membranes d’ultrafiltration à fibres creuses à pression externe peuvent supporter des pressions allant jusqu’à 0,6 MPa, mais pour les modules de membranes à pression externe avec enveloppe plastique, la pression de fonctionnement est également de 0,2 MPa. Il convient de préciser que, du fait de son diamètre plus important, la membrane de pression interne s'aplatit et se déchire facilement au point de collage lorsqu'elle est utilisée comme membrane de pression externe, ce qui peut l'endommager. Par conséquent, les membranes de pression interne et externe ne sont pas interchangeables.

Lorsqu'une pression spécifique est requise pour l'ultrafiltrat destiné à l'étape suivante, il convient d'utiliser un module de membrane d'ultrafiltration à boîtier en acier inoxydable. Ce module à fibres creuses fonctionne à une pression de 0,6 MPa tout en fournissant l'ultrafiltrat à une pression de 30 m de colonne d'eau, soit 0,3 MPa. Toutefois, la différence de pression entre l'intérieur et l'extérieur de la membrane d'ultrafiltration à fibres creuses ne doit pas dépasser 0,3 MPa.

Lors du choix de la pression de fonctionnement, il convient de prendre en compte, outre la résistance à la pression de la membrane et de son enveloppe, la compressibilité et la résistance à l'encrassement de la membrane. Une pression plus élevée entraîne un débit de perméat plus important, mais aussi une plus grande accumulation de substances piégées à la surface de la membrane, ce qui accroît la résistance et diminue le débit de perméat. De plus, les particules pénétrant dans les micropores de la membrane sont plus susceptibles d'obstruer les canaux. En résumé, il est préférable, chaque fois que cela est possible, d'opter pour une pression de fonctionnement plus basse afin d'optimiser les performances de la membrane.

La perte de charge d'un module de membrane d'ultrafiltration à fibres creuses correspond à la différence de pression entre l'entrée d'alimentation et la sortie du concentré. Cette perte de charge est étroitement liée au débit d'alimentation en eau, au débit d'écoulement et au débit de concentré. En particulier pour les membranes d'ultrafiltration à fibres creuses ou capillaires à pression interne, la vitesse d'écoulement et la pression à la surface de la membrane varient progressivement le long du sens d'écoulement de l'eau. Plus le volume d'eau alimenté, la vitesse d'écoulement et le débit de concentré sont élevés, plus la perte de charge est importante, ce qui peut empêcher la pression à la surface de la membrane en aval d'atteindre la pression de fonctionnement requise. Ceci affecte la production totale d'eau du module. En pratique, il est essentiel de contrôler la perte de charge afin d'éviter les valeurs excessives. Avec le temps, l'encrassement augmente la résistance à l'écoulement, entraînant une perte de charge plus importante. Lorsque la perte de charge dépasse sa valeur initiale de 0,05 MPa, un nettoyage et un débouchage du circuit d'eau sont nécessaires.

C.

Taux de récupération et débit de concentré : Dans un système d’ultrafiltration, le taux de récupération et le débit de concentré sont des facteurs limitants. Le taux de récupération correspond au rapport entre le volume de perméat et le volume d’eau d’alimentation, tandis que le débit de concentré désigne la quantité d’eau rejetée avant perméation. Le volume d’eau d’alimentation étant égal à la somme des volumes de concentré et de perméat, un débit de concentré élevé entraîne un faible taux de récupération. Pour garantir le bon fonctionnement du système d’ultrafiltration, il convient de spécifier le débit de concentré minimal et le taux de récupération maximal du module.

Dans les projets de traitement des eaux en général, le taux de récupération des modules de membranes d'ultrafiltration à fibres creuses se situe généralement entre 50 et 90 %. Ce choix dépend de plusieurs facteurs, notamment la composition et l'état de la solution d'alimentation, la quantité de substances pouvant être retenues, l'épaisseur de la couche d'encrassement qui se forme à la surface de la membrane et son impact sur le débit de perméat. Dans de nombreux cas, un taux de récupération inférieur peut être utilisé, le concentré étant réinjecté dans le système d'alimentation. Ceci augmente le volume de circulation, réduit l'épaisseur de la couche d'encrassement et améliore ainsi le débit de perméat, parfois sans accroître la consommation d'énergie par unité de perméat produit.

D.

Température de fonctionnement : La perméabilité des membranes d’ultrafiltration augmente avec la température. En général, la viscosité des solutions aqueuses diminue avec la température, ce qui réduit la résistance à l’écoulement et augmente par conséquent le débit de perméat. La température réelle de la solution d’alimentation sur le lieu de travail doit être prise en compte lors de la conception.

En particulier lors des variations saisonnières, la régulation de la température doit être prise en compte lorsque celle-ci est trop basse ; sinon, le débit de perméat peut varier d'environ 50 % en fonction des variations de température. De plus, des températures excessivement élevées affectent également les performances de la membrane. Dans des conditions normales, la température de fonctionnement des membranes d'ultrafiltration à fibres creuses doit être de 25 ± 5 °C. Si des températures plus élevées sont nécessaires, il convient d'opter pour des matériaux de membrane et d'enveloppe résistants aux hautes températures.