Une attention particulière est accordée à l'encrassement des membranes, un effet qui influence fortement la productivité et les coûts d'exploitation. Le colmatage de la membrane se produit lorsque des particules se déposent sur la surface de la membrane ou dans les pores de la membrane, réduisant ainsi la performance de la membrane et affectant la sélectivité de la membrane, ainsi que le flux de perméat à travers les pores de la membrane. Afin de maintenir la productivité de la membrane, un prétraitement de l'eau d'alimentation et un nettoyage chimique de la membrane sont souvent nécessaires. En cas de colmatage irréversible de la membrane ou de dégradation de la membrane après un nettoyage agressif, les membranes doivent être remplacées fréquemment, ce qui augmente encore les coûts d'exploitation. En conséquence, des recherches approfondies sont nécessaires pour la caractérisation et l'optimisation des surfaces de membrane afin de prévenir l'encrassement des membranes. L'instrument SurPASS 3 détermine des changements minimes dans le potentiel zêta de la membrane et permet donc une détection précoce du colmatage de la membrane et une analyse précise des propriétés de surface de la membrane. En plus des valeurs de potentiel zêta dans une solution aqueuse définie dans une certaine plage de pH, le point isoélectrique (IEP) est un paramètre significatif à analyser. L'IEP est la valeur de pH où le potentiel zêta est de 0 mV et un renversement de charge de la surface a lieu. Il est sensible aux modifications de surface et donne de fortes indications pour les changements de chimie de surface.
Membranes et encrassement des membranes : Analyse de la charge de surface dans la filtration
Les membranes sont utilisées pour la séparation sélective des particules dans une solution d'alimentation dans une variété de processus de filtration. Les types de membranes sont aussi divers que leurs applications : les membranes d'osmose inverse sont utilisées par exemple dans la désalinisation de l'eau de mer, les membranes de nanofiltration sont appliquées pour l'élimination de la dureté dans la purification de l'eau, les membranes d'ultrafiltration sont utilisées dans la dialyse sanguine et les membranes de microfiltration pour la stérilisation à froid des boissons.
Selon le processus de séparation, les membranes sont disponibles dans différentes géométries : sous forme de configurations tubulaires, en feuille plate, enroulées en spirale ou en fibres creuses. Les membranes à base de polymères sont appliquées dans les applications les plus courantes, tandis que les filtres en céramique sont utilisés pour des tâches de filtration spécifiques dans des conditions plus agressives.
L'objectif final de toutes les applications de membranes est d'atteindre une séparation et une productivité optimales. Le matériau du filtre et les conditions de traitement doivent être sélectionnés avec soin afin d'atteindre le meilleur rejet et le meilleur flux – tout en gardant le processus de filtration aussi économique que possible.
Importance de la charge de surface et du potentiel zêta dans la filtration
Les interactions électrostatiques entre la surface de la membrane et les composés de l'eau d'alimentation peuvent être prédites par les charges de surface de la membrane : un paramètre clé décrivant l'interface entre la membrane et son environnement.
Afin de favoriser ou de supprimer des interactions spécifiques avec les composants d'eau d'alimentation, les charges de surface de la membrane peuvent être modifiées. Pour cette raison, la détermination de la charge de surface fournit des informations importantes pour optimiser et surveiller les processus de filtration membranaire.
Puisque les charges de surface sont liées au potentiel zêta à l'interface solide/liquide, les mesures du potentiel zêta peuvent être utilisées pour analyser les surfaces des membranes.
L' instrument SurPASS 3 détermine le potentiel zêta de surface par le biais de mesures de potentiel de streaming ou de courant de streaming et permet une analyse de charge de surface entièrement automatisée sur une large plage de pH.
Il fournit une analyse de la charge de surface de l'osmose inverse aux membranes de nano-, ultra- et microfiltration fabriquées à partir de différents matériaux allant des polymères aux céramiques. Différents types de membranes, allant des membranes à feuille plate et tubulaires aux membranes à fibres creuses, peuvent être étudiés en utilisant des cellules de mesure conçues pour s'adapter à des géométries d'échantillons spécifiques. De plus, l'instrument donne accès à des informations sur les caractéristiques de surface de la membrane dans des conditions environnementales, simulant ainsi le comportement d'une membrane dans le processus technique.
Encrassement de membrane
Nettoyage de la membrane
Afin de diminuer l'encrassement des membranes, des processus de nettoyage sont établis. Surtout dans les grandes usines de filtration, il est souhaitable de réduire la fréquence des cycles de nettoyage. Pour des raisons écologiques et économiques, la consommation de produits chimiques pour le nettoyage des membranes encrassées doit être minimisée. La surveillance de l'encrassement des membranes et du nettoyage permet d'optimiser le matériau de la membrane, les procédures de nettoyage et le processus de filtration lui-même. Le vieillissement et la dégradation de la membrane dus au nettoyage seront détectés à un stade précoce.
Potentiel zêta dépendant du pH des membranes de microfiltration (MF-2) propres, encrassées et nettoyées
Pendant le processus de filtration, les membranes ont été encrassées par une couche de protéine (rouge, FGN-fibrinogène). Le déplacement de l'IEP est causé par le dépôt de la couche FGN sur la surface de la membrane. Dans l'étape suivante, la membrane a été nettoyée (bleue) et analysée à nouveau. Le potentiel zêta de la membrane nettoyée n'est pas le même que celui de la membrane pristine. Le résultat du potentiel zêta révèle des résidus de fibrinogène sur la surface de la membrane, qui n'ont pas été éliminés par le processus de nettoyage.
Encrassement de membrane par les eaux usées municipales
L'élimination efficace des contaminants traces de l'eau d'alimentation est indispensable pour les processus de filtration des eaux usées. La connaissance des charges de surface des membranes est d'une importance capitale dans le choix des membranes de nanofiltration appropriées et la prédiction de leurs performances. En même temps, la performance de filtration doit être maximisée et les interactions entre la surface de la membrane et les solutés d'alimentation doivent être minimisées pour prévenir l'encrassement de la membrane. SurPASS 3 détecte même les premiers stades de colmatage de membrane en raison des changements de potentiel zêta, permettant ainsi l'optimisation des processus de filtration des eaux usées.
Encrassement de membrane par les eaux usées
Effet des effluents de différentes stations d'épuration municipales (P1, P2) sur les propriétés de surface d'une membrane composite en polyamide à film mince pour l'osmose inverse. Dans tous les cas, le pH de l'IEP a été déplacé vers un pH plus bas, indiquant l'adsorption de composés acides, tels que l'acide humique, à partir de l'eau d'alimentation. Antony et al, J. Membr. Sci. 407-408 (2012) 8, doi.org/10.1016/j.memsci.2012.02.039
Revêtements de membrane pour prévenir l'encrassement
Modifier les propriétés de surface de la membrane modifie les interactions entre les surfaces de la membrane et les composants dans l'eau d'alimentation. Pour cette raison, les effets de colmatage de la membrane changent. Un remède pour prévenir l'encrassement, en particulier des membranes polymères, est d'équiper la surface de la membrane de groupes fonctionnels ou d'une couche de hydrogel, ce qui change la surface de la membrane de hydrophobe à hydrophile. Les surfaces de membrane hydrophile repoussent les composants d'alimentation hydrophiles ayant la même charge de surface, les composants d'alimentation adhéreront moins à la membrane et l'encrassement de la membrane sera réduit. De plus, la modification des groupes fonctionnels localisés à la surface concernant les charges de surface augmente la "boîte à outils" pour l'optimisation de la surface des membranes. Des modifications de surface définies créent des surfaces de membrane distinctes pour attirer ou retirer certains composants d'alimentation.
Les déterminations du potentiel zêta de la membrane aident à trouver le revêtement optimal afin d'adapter les propriétés de surface de la membrane aux besoins spécifiques de l'application.
Dépendance du pH du potentiel zêta pour une membrane composite revêtue de poly(éthylène glycol) diacrylate (PEGDA).
PEGDA déplace le pH de la membrane de 3,8 à 3,3. L'augmentation du potentiel zêta à un pH plus élevé est un indicateur fort de l'hydrophilicité de surface améliorée du revêtement PEGDA. Sagle et al., J. Membr. Sci. 340 (2009) 98, doi.org/10.1016/j.memsci.2009.05.013
