Tendances technologiques dans l'utilisation de la filtration membranaire

Une quantité importante de ressources est allouée à la recherche et au développement de la technologie de filtration membranaire. Cependant, on ne sait toujours pas dans quelle mesure les objectifs de recherche s'alignent sur la résolution des besoins de l'industrie. Sepideh Jankhah, Ph.D., ing. examine l'histoire, l'évolution et les tendances de la R&D dans ce domaine.

Depuis 2001, une quantité importante de ressources est allouée chaque année à la recherche et au développement (R&D) de la technologie de filtration membranaire. Cependant, on ne sait toujours pas dans quelle mesure les objectifs de recherche s'alignent sur la résolution des besoins de l'industrie. Cet article examine l'histoire et l'évolution des applications de la technologie de filtration membranaire et étudie les tendances de la R&D dans ce domaine sur la base de la littérature évaluée par des pairs. Fait intéressant, il semble que les besoins de la recherche et de l'industrie convergent à un rythme similaire, bien que le principal parti varie selon le domaine d'application.

Historique de la filtration membranaire

La technologie de filtration membranaire est largement utilisée dans diverses industries : traitement de l'eau et des eaux usées, procédés agroalimentaires, applications pharmaceutiques et médicales, traitement chimique et autres applications de séparation ou de purification industrielles. L'histoire de la séparation par membrane remonte au début des années 1700, lorsque le mot osmose a été utilisé pour la première fois pour décrire la perméation de l'eau à travers un diaphragme.

La technologie de filtration a évolué de l'osmose à l'électrodialyse, à la filtration des gaz et à la distillation membranaire, contribuant à l'invention et à l'amélioration d'innombrables produits, procédés et applications industriels. La filtration sur membrane est maintenant couramment utilisée pour concentrer les jus de fruits, éliminer les contaminants de l'eau et des eaux usées et récolter des cellules pour la production d'antibiotiques.

La technologie de filtration membranaire présente plusieurs avantages par rapport aux technologies de séparation conventionnelles (c'est-à-dire la coagulation et la sédimentation, la filtration sur sable, la flottation à l'air dissous, etc.). Ces avantages comprennent une qualité de produit améliorée, une capacité de séparation accrue, un facteur de risque plus faible, une empreinte plus petite et une utilisation de produits chimiques généralement plus faible.

La demande mondiale de membranes devrait croître de 8,5 % par an, pour atteindre 26,3 milliards de dollars en 2019.2 Le marché américain à lui seul devrait croître de 7,9 % par an, pour atteindre 6,2 milliards de dollars en 2018. La croissance pourrait s'intensifier en raison des pénuries mondiales d'eau, des directives de plus en plus strictes en matière de qualité des rejets d'eau potable et d'eaux usées, d'une baisse du coût de production et d'exploitation des membranes et des progrès récents de la technologie des membranes.

Principales applications membranaires

Le traitement de l'eau et des eaux usées représente plus de 50 % de l'utilisation industrielle des membranes, suivi par les procédés agroalimentaires (21 %) et les applications pharmaceutiques et médicales (9 %). Au cours des cinq prochaines années, les applications pharmaceutiques et médicales devraient être les marchés à la croissance la plus rapide. Cette tendance est stimulée par l'augmentation des normes de pureté et l'expansion des applications médicales de cette technologie. Le traitement de l'eau (y compris le dessalement) et la transformation des aliments et des boissons devraient maintenir une croissance stable.3

Les tendances des données de R&D ont été dérivées du nombre d'articles de revues à comité de lecture publiés entre 2001 et 2016 et triés par domaine d'application principal, extraits de la base de données Engineering Village. Au cours de la dernière décennie, les tendances observées dans les applications de la recherche correspondent étroitement aux applications industrielles. La R&D sur l'eau et les eaux usées représente 40 %, suivie à nouveau par l'alimentation et les boissons à 34 %.

Pour l'industrie, l'accent a été mis sur le développement des procédés de séparation des gaz et de dessalement. Pendant ce temps, la R&D s'est attachée à repousser les limites de la technologie. Des ressources supplémentaires ont été allouées pour mener des recherches sur des sujets tels que la distillation membranaire, l'osmose directe, la pervaporation, l'électrodialyse, les oxydes de graphène et les membranes biomimétiques pour l'eau et les eaux usées.

L'utilisation de ces technologies s'est concentrée sur le développement de nouveaux produits ou procédés membranaires, ainsi que sur l'optimisation des produits et procédés membranaires existants en termes de performances et de coûts d'exploitation/capital associés. Il y a quelques avancées dans le pipeline industriel, mais la plupart en sont encore aux stades préliminaires de développement et nécessitent des recherches supplémentaires avant de s'imposer sur le marché.

Classifications des membranes

Les membranes sont classées en quatre catégories en fonction de leur capacité de séparation : microfiltration (MF), ultrafiltration (UF), nanofiltration (NF) et osmose inverse/directe (RO/FO). Les membranes MF présentent la plus grande distribution de taille de pores (à l'échelle du micron), suivies des membranes UF dans la gamme submicronique, jusqu'à la taille théorique des pores de 0,001 micron de NF, et enfin des membranes RO et FO non poreuses.

Actuellement, les membranes MF représentent la demande majoritaire dans l'industrie (44%). RO/FO (28 %) et UF (25 %) détiennent des parts de marché similaires, laissant aux membranes NF une petite fraction. D'ici 2019, la taille du marché des systèmes d'osmose inverse devrait atteindre 8,8 milliards de dollars avec un taux de croissance annuel composé (TCAC) de 10,5 %. Cette croissance devrait être principalement tirée par les applications de dessalement de l'eau municipale, ainsi que par le traitement et la réutilisation des eaux de process.7

Des tendances similaires sont observées entre la recherche et l'industrie en ce qui concerne la classification des membranes. Cela répète le mimétisme observé entre ces deux secteurs en matière d'application. Cependant, la prévalence de la recherche RO par rapport à la recherche MF ne reflète pas la part légèrement plus importante de l'industrie pour les membranes MF.

Cet écart peut être dû à la grande quantité de travaux universitaires axés sur l'osmose inverse à faible énergie et la modification de la surface de la membrane. Le besoin croissant de dessalement, de réutilisation de l'eau, d'élimination des contaminants émergents et de flux de sortie de haute pureté contribue à l'urgence d'élargir la recherche dans les domaines RO et FO.

Pendant ce temps, MF et UF sont les technologies les plus matures de l'industrie de la filtration, avec des prix relativement bas par rapport aux autres types de membranes. MF et UF sont largement utilisés comme méthode de filtration primaire ou comme étape de prétraitement pour les membranes à pores plus fins.

Technologie future

Notre recherche indique que les objectifs de recherche (tels que représentés par le nombre de publications révisées par des pairs) ont suivi de près les demandes de l'industrie au cours de la dernière décennie. L'industrie a bénéficié des développements réalisés par les initiatives de recherche, et la corrélation positive observée entre l'industrie et les objectifs de R&D devrait se poursuivre alors que nous sommes confrontés à de nouveaux défis. Cette symbiose devrait se traduire par des processus plus efficaces et de nouveaux produits ou applications qui combleront les lacunes des solutions actuelles de l'industrie.

Cette étude a été limitée dans son analyse en raison de l'incertitude entourant les informations de recherche au sein de l'industrie, et peut être biaisée en raison de l'écart de temps entre la recherche menée et la littérature évaluée par des pairs publiée par les institutions.

La synergie entre le développement technologique et l'adoption par l'industrie est une voie intrigante pour de nouvelles recherches. Comprendre cette synergie nous permettrait de mieux prédire quand ou si le développement de technologies basées sur les modifications de surface de membrane, l'osmose artificielle, les oxydes de graphène et la membrane biomimétique sera répandu sur le marché.