Membranes en céramique : les densités de remplissage élevées de la zone de filtration améliorent les performances de la membrane

De nouvelles membranes céramiques tubulaires ont été développées pour fournir une densité de remplissage élevée de la zone de filtration. Ces nouveaux éléments filtrants à membrane en céramique ont fait leurs preuves dans des études de cas dans des applications de traitement des eaux usées huileuses. Steffen Heidenreich et Winfried Michell de Pall Filtersystems GmbH décrivent les résultats.

Les éléments filtrants à membrane céramique Schumasiv fabriqués par Pall Corporation sont utilisés avec succès dans différentes applications depuis de nombreuses années. Les exemples sont la séparation huile-eau des condensats de compresseur, les bains de dégraissage, les lubrifiants de refroidissement et les eaux de lavage, la filtration des eaux de process, la récupération des catalyseurs dans les procédés chimiques, la séparation de la biomasse dans les eaux usées et diverses applications pour la clarification des boissons. Les membranes Schumasiv sont disponibles sous forme d'éléments filtrants tubulaires mono et multicanaux. Ils ont un corps de support en α-alumine pure, la phase chimiquement stable de l'alumine. Les membranes sont en alumine, zircone ou titane selon la taille des pores. Grâce à une structure multicouche finement graduée ayant un support grossier recouvert de plusieurs couches de taille de pores décroissante, des membranes avec une large gamme de tailles de pores sont fabriquées couvrant toute la gamme de micro et ultra filtration de 2 à 0,005 μm. Sur la figure 1, la structure d'une membrane d'ultrafiltration de 0,05 μm est représentée à titre d'exemple. Les membranes céramiques ont une excellente résistance à l'abrasion et aux fluides chimiquement agressifs. De plus, ils présentent une résistance mécanique élevée, une bonne résistance thermique et une efficacité de séparation élevée. Les éléments filtrants mono et multicanaux Schumasiv sont disponibles avec différents diamètres de canaux d'écoulement de 2,8 à 16 mm. Cela permet leur utilisation dans une grande variété d'applications ayant différentes concentrations de solides. Les éléments filtrants à membrane Schumasiv ont une longueur allant jusqu'à 1,5 m. Les diamètres extérieurs des éléments filtrants multicanaux sont généralement de 25,4 mm (19 canaux avec un diamètre de canal de 3,3 mm), 41 mm (19 canaux avec un diamètre de canal de 6 mm ou 37 canaux avec un diamètre de canal de 3,6 mm) et 52 mm (19 canaux avec un diamètre de canal de 8 mm). La figure 2 montre quelques exemples d'éléments filtrants avec différentes géométries. Les éléments filtrants à membrane en céramique sont installés dans des boîtiers de module (voir Figure 3). Les caissons standards peuvent avoir jusqu'à 27m2 de surface de filtration par caisson. Les éléments filtrants sont facilement installés avec des joints toriques. En raison de leur résistance dans la plage de pH de 1 à 14, les membranes céramiques peuvent être nettoyées avec des produits chimiques agressifs, des solvants organiques, de l'eau chaude ou de la vapeur. De plus, les membranes céramiques peuvent être régénérées par rinçage à haute pression et ont une longue durée de vie.

Afin de réduire la taille et le coût d'un système de filtration, de nouveaux éléments filtrants à membrane en céramique avec une densité de remplissage élevée de la zone de filtration ont été développés.

En augmentant la densité de garnissage de la zone de filtration, une plus grande surface de membrane par élément filtrant pourrait être obtenue sans modifier le diamètre extérieur et la longueur des éléments filtrants existants. Cela permet d'augmenter le taux de filtration dans les systèmes à membrane existants en remplaçant les éléments filtrants à membrane en céramique existants. Une réduction du nombre d'éléments filtrants et, par conséquent, de la taille et des coûts du système de filtrage pour les nouvelles installations sera également démontrée dans les études de cas.

La surface de la membrane par élément filtrant a été augmentée par un garnissage plus dense des canaux d'écoulement. Une géométrie hexagonale de la section transversale des canaux d'écoulement a été choisie pour permettre un garnissage très dense comme un nid d'abeilles. Le contour hexagonal des canaux d'écoulement permet d'utiliser des éléments filtrants à membrane en céramique avec une densité de remplissage très élevée de la surface de la membrane. Par rapport à la géométrie ronde habituelle des canaux d'écoulement, une augmentation de la surface de filtration par élément filtrant de 50 % a été obtenue. Par exemple, la surface de filtration d'un élément filtrant à membrane multicanaux d'un diamètre extérieur de 41 mm et d'une longueur de 1,2 m a été augmentée de 0,5 m2 à 0,75 m2. Le nombre de canaux d'écoulement a été augmenté dans ce cas de 37 (canaux ronds d'un diamètre de 3,6 mm) à 61 canaux (canaux hexagonaux d'un diamètre hydraulique de 3,1 mm) par élément (Figure 4). L'amélioration d'un garnissage plus dense de la surface de filtration se traduit par un débit de perméat plus élevé par élément filtrant.

Les éléments filtrants à membrane céramique Schumasiv sont un bon choix pour les applications de séparation huile-eau en raison de leur excellente stabilité mécanique, thermique et chimique, ainsi que de leur efficacité de filtration élevée, de leur débit de perméat élevé et de leur durabilité à long terme. Ces dernières années, ces éléments filtrants ont montré d'excellentes performances dans de nombreuses applications de séparation huile-eau. Les nouveaux éléments filtrants à membrane Schumasiv avec les canaux d'écoulement hexagonaux continuent de fournir tous les avantages des éléments filtrants à membrane Schumasiv précédents. En même temps, ils permettent d'augmenter le flux de perméat par élément et de réduire les coûts du système de filtration à membrane.

Les deux études de cas suivantes mettent en évidence et démontrent l'utilisation réussie et avantageuse des nouveaux éléments filtrants dans les applications de traitement des eaux usées huileuses. Une étude de cas est l'augmentation réussie du taux de filtration en remplaçant les éléments filtrants à membrane Schumasiv précédents par des canaux ronds avec des canaux hexagonaux et une densité de remplissage accrue de la surface de filtration. La deuxième étude de cas porte sur une nouvelle installation où la taille du système de filtration a été réduite en tirant pleinement parti de la plus grande surface des éléments filtrants à canal hexagonal Schumasiv.

En 2000, une entreprise de recyclage a construit une usine de filtration (voir Figure 5) pour le traitement des eaux usées mixtes, des eaux huileuses et des émulsions provenant de différentes sources industrielles. L'usine utilisait à l'origine des éléments filtrants à membrane céramique Schumasiv de 1,2 m de long avec un diamètre extérieur de 41 mm et 37 canaux d'écoulement ronds avec un diamètre de canal de 3,6 mm. En raison d'une forte expansion du marché local des eaux usées, le client avait besoin d'augmenter la capacité de traitement de l'usine de recyclage. Le client a pris connaissance des nouveaux éléments filtrants à membrane céramique Schumasiv avec le garnissage dense de la surface de la membrane développé par Pall Corporation. Certains essais ont été effectués avec les nouvelles membranes dans le banc d'essai de filtres existant afin d'évaluer l'augmentation du taux de filtration qui pourrait être obtenue avec la densité de remplissage plus élevée de la zone de filtration.

Les éléments filtrants Schumasiv nouvellement conçus offraient la possibilité d'une simple mise à niveau de l'installation de filtration existante et d'une augmentation de la capacité de débit en remplaçant les éléments filtrants à membrane céramique existants par ceux nouvellement développés. Les essais ont été concluants et le client a décidé de remplacer les membranes céramiques existantes de l'usine par 61 canaux d'écoulement hexagonaux (longueur de l'élément : 1,2 m ; diamètre extérieur des éléments : 41 mm).

Avec le remplacement des éléments filtrants, le client a obtenu une augmentation du débit de filtration de l'installation d'une moyenne de 2200 l/h à 3200 l/h. L'augmentation de 45 pour cent à haute qualité de filtrat constante correspond à une utilisation presque complète de la surface accrue. Les nouveaux éléments filtrants fonctionnent depuis 2008 sans aucun problème.

L'augmentation de la capacité de production de l'usine de 350 000 l à 510 000 l par semaine est un succès important pour le client. Ceci a été réalisé à des coûts raisonnablement bas et avec une très courte perte de temps de production lors du remplacement des éléments filtrants. Seuls les éléments filtrants ont dû être remplacés. Toutes les autres parties de l'usine, telles que les logements existants, les pompes, les vannes et la tuyauterie, pouvaient encore être utilisées et n'avaient pas besoin d'être remplacées. La période de récupération du coût était de trois mois. Le client a encore augmenté la capacité de l'installation en installant un boîtier supplémentaire avec des éléments filtrants Schumasiv à canal hexagonal.

Un fabricant de châssis a collecté des liquides de refroidissement usés huileux dans un atelier d'usinage et les a expédiés par camion-citerne deux fois par semaine. L'installation sur site d'un système de filtration à flux croisés afin de réduire le volume de déchets a permis de réaliser d'importantes économies. Les calculs basés sur l'utilisation d'un système de filtration compact avec les nouveaux éléments filtrants Schumasiv avec le garnissage dense de la surface de filtration ont montré un temps de retour sur investissement intéressant de moins d'un an. Ainsi, le client a décidé d'acheter un système de filtre à flux transversal Clarisep de Pall avec les nouveaux éléments Schumasiv à canal hexagonal. La qualité du filtrat est si bonne (voir Figure 6) que le client peut le rejeter dans l'égout sans autre étape de traitement. Le concentré huileux est collecté dans des conteneurs et expédié par camion-citerne seulement trois fois par an - une réduction significative par rapport à deux fois par semaine avant l'installation de l'unité de filtration Pall Clarisep. Le client est satisfait du système Clarisep avec les nouveaux éléments filtrants à membrane céramique Schumasiv et recherche maintenant des applications similaires sur d'autres sites.

Les nouveaux éléments filtrants à membrane céramique Schumasiv avec une densité de remplissage élevée de la zone de filtration permettent une mise à niveau facile des systèmes de filtration existants en remplaçant les éléments filtrants. Cela a été démontré par une étude de cas où le taux de filtration a été augmenté de 45 % en remplaçant les anciens éléments filtrants par les nouveaux éléments filtrants Schumasiv sans aucun changement supplémentaire du système de filtrage.

Pour les nouvelles installations, le nombre d'éléments filtrants et par conséquent la taille des boîtiers de filtre et les coûts du système de filtrage peuvent être réduits en utilisant les nouveaux éléments filtrants Schumasiv avec une surface de filtration plus élevée.