Micro/ultrafiltration assistée par ultrasons

Les ultrasons de basse fréquence (20 kHz) sont utilisés dans les procédés de micro/ ultrafiltration pour contrôler le colmatage des membranes et intensifier les performances de la filtration.

Objectifs

L’objectif de ce projet est de répondre aux limitations actuelles des procédés conventionnels de micro et ultrafiltration. En effet, les ultrasons de basse fréquence produisent au sein d’un liquide des effets physiques permettant d’interagir avec les couches concentrées à la surface des membranes. Différentes suspensions colloïdales ont pu être filtrées en présence d’ultrasons, et l’évaluation des performances de filtration a mis en évidence un impact différent en fonction du système filtré. À chaque fois, une augmentation du flux de perméation a pu être révélé. Un projet de scale up a été mené pour développer un nouveau module semi-industriel fonctionnant sous ultrasons équipé de 7 membranes céramiques industrielles d’1,2 m de long et de 25 mm de diamètre sur la base d’un brevet déposé.

Résultats 

Approche multi-échelle du colmatage en présence d’ultrasons

Nous avons mené des travaux de l’échelle d’une cellule de filtration de laboratoire par la mesure des performances de filtration et de taux de rétention, et à l’échelle nanométrique/micrométrique des particules accumulées à la surface des membranes avec et sans ultrasons. Des caractérisations in situ par diffusion de rayons X aux petits angles et des mesures de vélocimétrie par image de particules, nous ont permis de comprendre l'effet des ultrasons sur les couches de particules accumulées à la surface de la membrane et sur les performances du procédé. Différentes suspensions colloïdales ont été filtrées : des argiles (Laponite, Wyoming), des macromolécules (Micelles de caséines), des particules nanométriques naturelles (Nanocristaux de cellulose, nanocristaux d’amidon), suspensions de jus de fruits. Les résultats des mesures de diffusion de RX ont permis de révéler les profils de concentration de soluté à la surface des membranes sous différentes conditions expérimentales, in situ et en temps réel pendant la filtration. 

Ces couches concentrées ont été irradiées par des ultrasons de basse fréquence (20 kHz) afin de réduire le colmatage. Il a été montré que les propriétés rhéologiques des suspensions contrôlaient l’effet des ultrasons sur les couches accumulées, conduisant soit à la disparition de la couche, soit à une légère réduction. La maîtrise de ces effets observés au laboratoire, nous a permis de transposer ces améliorations du procédé à l’échelle industrielle par le développement d’un module membranaire sous ultrasons opérationnel utilisant des membranes céramiques commerciales.

Scale-up

MEMUS vise à répondre au problème majeur rencontré dans tout procédé industriel de filtration : le colmatage des membranes et la réduction des performances de filtration. Ce projet a été financé par la SATT Linksium. Aujourd'hui l'industrie n'a d'autre choix que de réaliser des nettoyages réguliers des membranes, souvent par rétrolavage, opération qui engendre des arrêts de fonctionnement, des coûts importants et présente un certain impact environnemental.

Le procédé MEMUS couple la filtration membranaire sur céramique à l'utilisation d'ultrasons qui permettent non seulement d'améliorer les flux de perméation de 20 à 30% pendant le fonctionnement, mais également d'éviter le colmatage des pores grâce aux vibrations transmises au module de filtration.

Ce procédé mis au point à l'échelle du laboratoire est aujourd'hui en phase de développement à l'échelle pilote afin d'en démontrer l'intérêt industriel dans les secteurs du traitement des effluents, de l'agroalimentaire ou de la chimie. Des travaux de preuve de concept avec des industriels de ces domaines, des intégrateurs de technologie membranaire, français ou étranger, sont en cours dans le but de trouver de futurs licenciés de cette innovation.

Références

1. Jin Yao, Hengl Nicolas, Baup Stéphane, Pignon Frédéric, Gondrexon Nicolas, Sztucki Michael, Romdhane Ahlem., Guillet Agnés, Aurousseau Marc, "Ultrasonic assisted cross-flow ultrafiltration of starch and cellulose nanocrystals suspensions: Characterization at multi-scales", Carbohydrate Polymers, 124, 66-76 (2015). https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2015.01.073

2. Semeraro Enrico F., Hengl Nicolas, Karrouch Mohamed, Michot Laurent J., Paineau Erwan, Jean Bruno, Putaux Jean-Luc, Lancelon-Pin Christine, Sharpnack Lewis, Pignon Frédéric, "Layered organization of anisometric cellulose nanocrystals and beidellite clay particles accumulated near the membrane surface during cross-flow ultrafiltration: In situ SAXS and ex situ SEM/WAXD characterization", Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 584, 124030 (2020). http://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2019.124030

3. Brevet d’invention : Notice n° WO2021105609 ’’Dispositif De Filtration De Liquide Comprenant Un Module D'émission D'ultrasons’’, Nicolas Hengl, Frédéric Pignon, Nicolas Gondrexon, Stephane Baup, Yao Jin  https://data.inpi.fr/brevets/WO2021105609?q=Hengl%20Nicolas#WO2021105609jnknklnn