Mise au point de méthodes de caractérisation non destructives du colmatage de membranes : application à la caractérisation in situ d’un dépôt particulaire en ultrafiltration frontale en lien avec les performances du procédé

The development of methods for the characterisation of membrane fouling : in situ monitoring of the deposition of particles during dead-end ultrafiltration under different operating conditions

• Auteur / Autrice : Julie Mendret
• Direction : Corinne Cabassud, Philippe Schmitz
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés et de l'environnement
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rendements

Membranes (technologie)

Ultrafiltration

Mots clés libres

Ultrafiltration

Colmatage particulaire

Méthodes de mesure non-destructives

Structure de dépôt

Performances du procédé

Résumé

Ce travail s’inscrit dans le cadre de l’amélioration de la compréhension des phénomènes impliqués dans le colmatage. L’objectif général est l’étude du lien entre les performances du procédé et la structure locale d’un dépôt particulaire formé lors de l’ultrafiltration frontale dans un milieu confiné. Pour cela, deux méthodes de caractérisation non destructives du colmatage de membranes ont été développées et mises au point pour une application dans un canal confiné qui reproduit les effets de confinement rencontrés dans une fibre creuse interne/externe. La première méthode est une méthode optique originale basée sur l’utilisation d’une nappe laser en incidence rasante. La deuxième méthode est basée sur l’utilisation d’ondes acoustiques. Ces méthodes permettent de suivre la croissance d’un dépôt in situ et en temps réel. L’utilisation de la méthode optique lors de l’ultrafiltration frontale de suspensions de bentonite a permis de montrer que la structure de ce type de dépôt est non homogène dans son épaisseur. Une limite de compressibilité, en terme de quantité de matière déposée par unité de surface filtrante, a été mise en évidence : en dessous de cette limite, la structure du dépôt est peu dépendante de la pression. Au dessus, la structure du dépôt dépend de la pression transmembranaire appliquée. Cette étude a également permis de mieux comprendre les mécanismes d’élimination du dépôt. Deux phénomènes ont été observés : une expansion du dépôt puis une élimination progressive des particules. Il a été mis en évidence que la durée et l’amplitude de ces deux phénomènes dépend de la structure du dépôt formé lors de la phase de filtration. Un modèle de filtration intégrant les variations de structure du dépôt, obtenues expérimentalement au cours de la filtration, a été proposé. Les résultats obtenus lors de l’utilisation de ce modèle pour l’étude des hétérogénéités spatiales du dépôt sont en accord avec les résultats obtenus expérimentalement qui montrent qu’une augmentation de la pression conduit à une uniformisation plus rapide du profil d’épaisseur du dépôt.

This work is directed towards a better understanding of the fouling mechanisms. The aim is to investigate the link between process performance and local structure of a particle cake formed during dead-end ultrafiltration in a confined channel. To do so, two non-destructive characterisation methods have been developed and applied to a confined geometry which reproduces phenomena occurring inside a hollow-fiber which is operated in the dead-end inside/out mode. The first method is an innovative optical method which uses a planar laser beam which intersects the cake at an acute angle. The second method is based on acoustic waves. These methods enable the real-time cake thickness to be followed in situ. The optical method showed that the structure of a cake formed from a bentonite suspension is not homogeneous along its thickness. There is a limiting cake mass per unit area, below which the structure of the cake is independent of the applied pressure ; above this limiting mass, the cake structure is a function of the applied pressure. The cake was removed by a hydraulic back flush. The back-wash water exited from the lower end of the module. The optical method showed a two-stages cake removal process. The first stage is the expansion of the cake and the second stage is the progressive scourning of particles from the expanded cake. The amplitude and the kinetics of those phenomena depend on the structure of the cake. A model of the filtration step has been proposed. It takes into account the change in porosity with cake thickness. This model was used to study the variation of cake thickness along the length of the membrane