Qu'est-ce que la nanofiltration ?

Développement relativement récent des procédés membranaires, Ken Sutherland se penche sur le domaine en pleine expansion de la nanofiltration, ses caractéristiques et ses applications.

Le contexte de la nanofiltration

L'essor de la filtration et de l'activité liée à la filtration qui a suivi le développement du procédé d'inversion de phase pour la fabrication de membranes polymériques, au début des années 1960, a conduit à la mise en place de trois procédés de séparation membranaire : l'osmose inverse, l'ultrafiltration et, plus récemment, la microfiltration. Ces processus ont pris le spectre de séparation de la limite de point de coupure traditionnelle de la filtration standard d'environ 0,01 mm (10 μm) aux solides distincts les plus fins, de quelques nanomètres de taille, et ont permis la séparation de grosses molécules de la solution. Les plages de tailles réelles varient quelque peu d'une source à l'autre, mais il est généralement admis que la microfiltration couvre la plage de 10 μm à 0,1 μm, tandis que l'ultrafiltration couvre de 0,1 μm à 0,005 μm (5 nm) en termes de particules discrètes ou de seuil de poids moléculaire (MWCO) chiffres de 300 000 à environ 300 Daltons pour les matières dissoutes. L'osmose inverse, bien sûr, a été conçue pour retenir la très petite molécule de chlorure de sodium, ce qui signifiait ne laisser passer que de l'eau.

Ces gammes de tailles prévues laissaient en fait encore un vide dans leur couverture à l'extrémité inférieure de celle de l'ultrafiltration (environ 100 à 300 Daltons). Le développement des membranes a été assez rapide au cours des années 1970 et 1980, conduisant à un procédé membranaire « loose RO », qui a reçu le nom de « nanofiltration » à la fin des années 1980.

En ce sens, la nanofiltration est donc un développement assez récent dans la gamme des procédés de séparation membranaire, qui comprend l'extrémité supérieure (en termes de taille de séparation) de l'osmose inverse, et l'extrémité inférieure de l'ultrafiltration, couvrant des valeurs de MWCO de 100 à 1000 Daltons. Il traite des matériaux qui sont dissous dans un liquide, et non des particules distinctes en suspension dans le liquide. La séparation entre le soluté et le solvant se produit par diffusion des molécules du solvant à travers la masse du matériau de la membrane, entraînée principalement par une pression transmembranaire élevée, et non à travers un trou physique (pore) dans la membrane. Certaines des molécules de soluté peuvent également diffuser à travers la membrane, soit par l'intention du concepteur du procédé, soit parce que le soluté a un coefficient de diffusion fini (bien que très faible) dans le matériau de la membrane.

La principale différence entre la nanofiltration et l'osmose inverse est que cette dernière retient les sels monovalents (comme le chlorure de sodium), alors que la nanofiltration les laisse passer, puis retient les sels divalents comme le sulfate de sodium. Robert Peterson, dans son avant-propos à la nanofiltration d'Elsevier - principes et applications, décrit l'osmose inverse (en particulier dans le secteur du traitement de l'eau) comme le plat principal, le steak peut-être, d'un repas, alors que la nanofiltration "est comme la carte des vins... une opportunité de créativité et d'exploration".

Les paragraphes précédents ont décrit les origines et la nature du procédé communément admis appelé nanofiltration, qui est une séparation en phase liquide éliminant les solides dissous, réalisée au moyen de membranes, avec une pression transmembranaire relativement élevée. Cependant, les progrès d'une grande partie de l'activité de filtration sont motivés par la demande de points de coupe de plus en plus fins, à la fois pour la filtration des liquides et des gaz, et ces demandes sont désormais satisfaites par l'utilisation de fibres plus fines pour fabriquer le média filtrant. De plus en plus, ces fibres ont des diamètres nettement inférieurs au micromètre, et sont donc mesurées en nanomètres, et sont communément appelées nanofibres. Ceux-ci sont utilisés pour fabriquer des médias filtrants composites, avec une toile de nanofibres supportée sur un substrat plus grossier.

La filtration très fine qui peut être obtenue avec ces supports nanoweb amène le processus de séparation qui est effectivement une microfiltration à des points de coupure beaucoup plus bas. Les matériaux sont également appelés membranes, même s'ils sont de format très différent de la feuille de plastique semi-perméable à laquelle on pense encore le plus souvent lorsque les membranes sont mentionnées. Il convient de noter qu'au 10e Congrès mondial de la filtration (en 2007), sur un total de près de 250 articles et 85 présentations par affiches, 12 présentaient la nanofiltration et 14 concernaient les nanofibres comme média filtrant.

Si l'on espère que les deux systèmes - nanofiltration et filtration avec nanofibres - sont suffisamment différents pour éviter leur confusion, les deux sont abordés dans la suite de cet article.

Il convient de noter que le terme « nanotechnologie » est désormais très largement utilisé, faisant référence à toute une gamme d'activités scientifiques, d'ingénierie et de fabrication impliquant de très petites choses. Malheureusement, le terme est entré dans la conscience publique avec une composante de "peur de l'inconnu" qui s'y rattache. Cela ne concerne pas la nanofiltration, puisque les médias qui y participent sont pour la plupart continus et indiscernables des membranes RO ou UF. Cela concerne cependant la production et l'utilisation des nanofibres, et les fabricants et utilisateurs de nanofibres devront veiller à ne pas amplifier la préoccupation.

Le processus de séparation par membrane connu sous le nom de nanofiltration est essentiellement un processus en phase liquide, car il sépare une gamme de substances inorganiques et organiques de la solution dans un liquide - principalement, mais pas entièrement, de l'eau. Cela se fait par diffusion à travers une membrane, sous des différentiels de pression considérablement inférieurs à ceux de l'osmose inverse, mais toujours nettement supérieurs à ceux de l'ultrafiltration. C'est le développement d'une membrane composite à couche mince qui a donné le véritable élan à la nanofiltration en tant que processus reconnu, et sa croissance remarquable depuis lors est en grande partie due à sa capacité unique à séparer et à fractionner les espèces organiques ioniques et de poids moléculaire relativement faible.

Les membranes sont essentielles à la performance des systèmes de nanofiltration. Ils sont produits sous forme de plaques et de cadres, de formats spiralés, tubulaires, capillaires et de fibres creuses, à partir d'une gamme de matériaux, y compris des dérivés de cellulose et des polymères synthétiques, à partir de matériaux inorganiques, notamment de céramiques, et d'hybrides organiques/inorganiques.

Les développements récents des membranes pour NF ont considérablement étendu leurs capacités dans des environnements à pH très élevé ou faible, et dans leur application aux liquides non aqueux. Les supports en plastique sont hautement réticulés, pour donner une stabilité à long terme et une durée de vie pratique dans des environnements plus agressifs. Les membranes NF ont tendance à avoir une surface légèrement chargée, avec une charge négative à pH neutre. Cette charge de surface joue un rôle important dans le mécanisme de transport et les propriétés de séparation de la membrane.

Comme pour tout autre processus membranaire, la nanofiltration est susceptible de s'encrasser, et les systèmes de nanofiltration doivent donc être conçus pour minimiser sa probabilité - avec un prétraitement approprié, avec le bon matériau de membrane, avec des vitesses d'écoulement transversales adéquates pour nettoyer la surface de la membrane de la boue accumulée, et en utilisant des porte-membranes rotatifs ou vibrants.

Les applications industrielles de la nanofiltration sont assez courantes dans le secteur alimentaire et laitier, dans la transformation chimique, dans l'industrie de la pâte à papier et du papier et dans le textile, bien que l'application principale continue d'être dans le traitement des eaux douces, de traitement et usées.

Dans le traitement de l'eau, le NF trouve son application dans le polissage en fin de procédés conventionnels. Il ne peut pas être utilisé pour le dessalement de l'eau, mais c'est un moyen efficace d'adoucissement de l'eau, car les principaux produits chimiques de dureté sont divalents. À première vue, le NF ne semble pas avoir beaucoup de place dans les processus MBR, car les différentiels de pression transmembranaires plus élevés nécessaires au NF ne sont pas disponibles dans la plupart des systèmes de bioréacteurs, mais il existe des utilisations spécialisées pour les MBR dans lesquelles le NF trouve une place. L'examen de Smith couvre bien l'ensemble du domaine de la nanotechnologie, y compris la référence aux fibres NanoCeram d'Argonide d'alumine de 2 nm, utilisées pour la filtration de 99,9999 % des bactéries, virus et kystes de protozoaires (maintenant disponibles sous le nom de technologie Disruptor d'Ahlstrom).

Les membranes NF sont également utilisées pour l'élimination des matières organiques naturelles de l'eau, en particulier les goûts, les odeurs et les couleurs, et pour l'élimination des traces d'herbicides dans les grands débits d'eau. Ils peuvent également être utilisés pour l'élimination des quantités résiduelles de désinfectants dans l'eau potable.

Les applications dans l'industrie alimentaire sont assez nombreuses. Dans le secteur laitier, le NF est utilisé pour concentrer le lactosérum et les perméats d'autres traitements du lactosérum, ainsi que dans le recyclage des solutions de nettoyage en place. Dans le traitement du sucre, le sirop de dextrose et le jus de sucre clair sont concentrés par NF, tandis que les saumures échangeuses d'ions sont déminéralisées. Le NF est utilisé pour le dégommage de solutions dans le secteur de la transformation des huiles alimentaires, pour la production continue de fromage et dans la production d'édulcorants alternatifs.

Il existe probablement autant d'applications différentes dans l'ensemble du secteur chimique (y compris la pétrochimie et la pharmacie) que dans le reste de l'industrie réunie. Beaucoup d'autres en sont encore au stade de la conception que ne le sont en usine, mais la NF est un contributeur précieux à l'ensemble de l'industrie chimique. La production de sel à partir de saumures naturelles utilise le NF comme processus de purification, tandis que la plupart des processus chimiques produisent des déchets assez vicieux, à partir desquels des produits chimiques précieux peuvent généralement être récupérés par des processus incluant le NF. La grande valeur de nombreux produits des secteurs pharmaceutiques et biotechniques permet l'utilisation de NF dans leurs procédés de purification.

L'industrie de la pâte à papier utilise une très grande quantité d'eau dans ses procédés de production, quantité que l'industrie s'efforce de réduire, notamment en « bouclant le cycle de l'eau », système dans lequel les propriétés épuratoires des NF jouent un rôle majeur.

Toutes ces applications spécifiquement mentionnées ont été à base d'eau, mais la nanofiltration ne se limite pas au traitement de suspensions aqueuses. En effet, l'une des plus grandes usines NF a été installée dans une raffinerie de pétrole pour le déparaffinage des huiles. Boam et Nozari, dans leur examen de la nanofiltration de solvants organiques, soulignent que de nombreux processus de séparation de systèmes organiques sont très énergivores et que, en revanche, l'OSN peut être une alternative assez économe en énergie (par exemple, par rapport à la distillation).

Dans les systèmes aqueux, la nanofiltration utilise des matériaux polymères hydrophiles, tels que le polyéther-sulfone, les polyamides et les dérivés de cellulose. Ces matériaux, au contact des solvants organiques, perdent rapidement leur stabilité. Des membranes spéciales ont donc été développées pour fournir le même type de performances que dans les systèmes aqueux, et elles sont maintenant utilisées pour l'échange de solvants, la récupération et la séparation de solvants, pour la récupération de catalyseurs et pour l'élimination des métaux lourds.

Les matériaux synthétiques, organiques et inorganiques, qui sont aujourd'hui filés à partir de l'état fondu en fibres de plus en plus fines, ne sont pas différents des matériaux qui ont été utilisés pendant des décennies à cette fin (à l'exception de la gamme toujours plus large de polymères thermoplastiques qui sont disponibles). Ce qui a changé, c'est l'équipement en aval de la filière qui permet de produire une large gamme de diamètres de fibres. Commençant il y a plus de 40 ans avec des supports filés, dont le diamètre de fibre était de 10 μm ou plus, la liste passe par le filage éclair et le soufflage par fusion (à un peu plus de 1 μm), jusqu'aux matériaux électrofilés, qui approchent les 100 nm de capacité de diamètre de fibre.

Chacun de ces matériaux peut être produit sous la forme d'un réseau aléatoire de fibres sous forme de toile, ce qui, en soi, constitue un très bon média filtrant, à condition qu'il soit correctement supporté sur un substrat plus solide. Tucker donne un bon aperçu de ces matériaux en présentant le nouveau média HMT de du Pont pour la filtration des liquides ou des gaz. United Air Specialists a développé des nanofibres pour le dépoussiérage, tout comme Donaldson avec son média Ultra-Web.

Les techniques de filage fin se sont avérées adaptées à la production de fibres de carbone et de céramique, et vont évidemment se traduire par un segment majeur de l'activité des médias filtrants, en particulier pour la filtration de l'air. Parce que ces milieux sont capables d'éliminer les contaminants en dessous de 0,1 μm, ils seront comptés comme des membranes - et certainement connus sous le nom de nanomembranes.

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