Brevet FR2678177A1 — publié le 19921231

MEMBRANE INORGANIQUE POUR LA FILTRATION ET, UNITE DE FILTRATION OBTENUE La présente invention concerne le domaine technique de la séparation moléculaire ou particulaire mettant en oeuvre des éléments de séparation, appelés habituellement membranes et constituées à partir de matériaux inorganiques. L'objet de L'invention vise, plus précisément, la réalisation d'une membrane inorganique permettant de concentrer, trier ou extraire des espèces moléculaires ou particulaires contenues dans un mi Lieu liquide qui exerce une pression donnée sur la membrane. L'objet de L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine de la nanofiltration, l'ultrafiltration, la microfiltration, la filtration ou l'osmose inverse. Une membrane minérale est constituée d'un support poreux réalisé sous la forme d'un tube dont la surface interne est pourvue d'au moins une couche séparatrice, dont la nature est adaptée pour assurer la séparation des molécules ou des particules contenues dans le milieu liquide circulant à l'intérieur du tube. Les membranes minérales présentent la particularité de posséder des valeurs élevées de résistance mécanique et de présenter une stabilité thermique et chimique. Les membranes minérales montrent, ainsi, une stabilité et des performances qui sont bien supérieures à celles présentées par L'autre catégorie de membranes, à savoir Les membranes organiques. Cependant, bien que la durée de vie d'une membrane minérale soit supérieure à celle d'une membrane organique, le prix de revient d'une membrane inorganique est largement supérieur à celui d'une membrane organique. En effet, la fabrication des membranes minérales s'effectue de manière discontinue et nécessite de réaliser un support poreux qui implique la mise en oeuvre d'outillages spécifiques en vue de leur donner leur forme particulière cylindrique. Par ailleurs, étant donné que pendant l'opération de filtration, la pression tend à faire éclater le support tubulaire, il convient de réaliser le support poreux avec une paroi épaisse et de mettre en oeuvre un frittage important pour maintenir l'intégrité d'une telle membrane. IL apparaît donc Le besoin de pouvoir disposer d'une membrane minérale dont te prix de revient est sensiblement identique à une membrane organique, tout en conservant ses propriétés de résistance mécanique et de stabilité thermique et chimique. L'invention vise donc à satisfaire ce besoin en proposant une membrane inorganique adaptée pour la filtration d'un milieu Liquide en vue de récupérer un filtrat, comportant : - un support poreux rigide inorganique présentant une face principale recouverte d'au moins une couche séparatrice destinée à être en contact avec le milieu liquide qui exerce sur celle-ci une pression donnée, - un élément de contre-poussée exerçant sur le support une pression antagoniste et sensiblement équivalente à celle appliquée sur la couche séparatrîce, - et au moins une cavité ménagée à distance de la couche séparatrice pour récupérer le filtrat ayant traversé le support poreux à partir de la couche séparatrice. De préférence, l'élément de contre-poussée applique la pression antagoniste par L'intermédiaire d'appuis délimitant la cavité entre le support et L'éLément de contre-poussée. Selon une forme de réalisation particulièrement avantageuse de L'invention, la membrane comporte un élément de contre-poussée qui constitue un support poreux compLémentaire présentant une face externe principale pourvue d'au moins une couche séparatrice destinée à être en contact avec le milieu liquide à filtrer qui exerce sur celle-ci la pression antagoniste, permettant de récupérer le filtrat ayant traversé Les deux supports à partir des couches séparatrices correspondantes. Une telle membrane travaille en compression dans la mesure où la pression du milieu liquide s'exerce sur Les deux couches séparatrices placées de part et d'autre du support poreux. Cette forme de réalisation permet de réaliser un support poreux présentant une épaisseur faible.D'une manière avantageuse, le support poreux compLémentaire est identique au support poreux et se trouve rapporté de manière symétrique sur le support poreux. Selon une autre forme de réalisation avantageuse, le support poreux compLémentaire peut faire partie intégrante du support poreux, de sorte que la membrane se présente sous la forme d'un élément monobloc comportant deux faces planes opposées susceptibles de recevoir chacune une couche séparatrice. Les supports poreux constitutifs de la membrane selon L'invention, présentent une forme générale pLane, de sorte qu'ils peuvent être assemblés entre eux par L'intermédiaire de moyens de montage pour constituer une unité de filtration de dimensions adaptées aux conditions de filtration à respecter. Diverses autres caractéristiques ressortent de la description faite ci-dessous en référence aux dessins annexés qui montrent, à titre d'exemples non limitatifs, des formes de réalisation de l'objet de L'invention. La fig. 1 est une vue en perspective d'un premier mode de réalisation d'une membrane minérale conforme à L'invention. La fig. 2 est une vue en perspective montrant un deuxième mode de réalisation d'une membrane minérale conforme à L'invention. La fig. 3 est une vue en coupe montrant la réalisation d'une membrane à double filtration réalisée à partir du mode de réalisation de la fig. 1. La fig. 4 est une vue en coupe d'une membrane à double filtration réalisée à partir du mode de réalisation illustré à la fig. 2. La fig. 5 est une vue en coupe montrant la réalisation d'une membrane conforme à L'invention selon une forme tubulaire, La fig. 1 illustre un premier mode de réalisation d'une membrane inorganique 1 conforme à l'invention, adaptée pour assurer la séparation ou La filtration de molécules ou de particules contenues dans un milieu liquide 2, de nature diverse, comportant une phase solide ou non. La membrane 1 comprend un support poreux ou perméable 3, à caractère rigide ou non déformable, et constitué dans une matière dont la résistance au transfert est adaptée à la séparation à effectuer. Le support 3 est réalisé à partir de matériaux inorganiques, tels que des oxydes métalliques, du carbone ou des métaux. Selon L'invention, le diamètre moyen des pores du support 3 est compris entre 0,05 et 30 micromètres et, de préférence, entre 0,1 et 10 micromètres.De préférence, L'épaisseur du support 3 est supérieure ou égale à 0,5 miLLimètre. Dans L'exempLe illustré, le support poreux 3 se présente sous la forme d'une plaque ou d'un carreau comportant une face plane principale à å caractère, de préférence, Lisse, de manière à être recouverte par au moins une couche séparatrice 4 destinée à être en contact avec le milieu liquide 2. La nature de la ou des couches séparatrices 4 est choisie en fonction du pouvoir de séparation ou de filtration à obtenir et forme avec le support 3 une liaison intime, de manière que la pression P provenant du milieu liquide 2 soit transmise au support poreux 3.Cette ou ces couches 4 peuvent être déposées à partir, par exemple, de suspensions contenant au moins un oxyde métallique et classiquement utilisées dans la production des membranes minérales. Cette ou ces couches sont soumises, après séchage, à une opération de frittage. La membrane minérale 1 comporte, également, un élément de contre-poussée 6 exerçant sur le support poreux 3, une pression P1 antagoniste et sensiblement équivalente à la pression P appLiquée sur la couche séparatrice 3. A cet effet, l'élément 6 est appliqué par tous moyens convenables non représentés sur La face principale 32 du support poreux 3, opposée à la face principale 31. L'élément 6 de contre-poussée permet au support poreux 3 de travailler en compression quelle que soit sa surface d'échange, de sorte qu'il est possible de réaliser un support poreux de faible épaisseur présentant, néanmoins, une bonne résistance mécanique. A titre d'exemple non limitatif, il peut être envisagé de réaliser un support poreux 3 présentant une largeur et une longueur égales respectivement à 300 millimètres et une épaisseur égale à 3 millimètres.De préférence, le rapport de la longueur sur la largeur du support poreux 3 est compris entre 1 et 10, tandis que le rapport de la longueur et de L'épaisseur de ce support est compris entre 10 et 400. La membrane selon L'invention comporte, également, au moins un trou, un espace vide et, d'une manière généra Le, une cavité 8 ménagée à distance de la couche séparatrice 4 et adaptée pour récupérer Le filtrat ayant traversé le support poreux 3 à partir de la couche séparatrice 4. Le filtrat qui traverse le support poreux 3, selon son épaisseur, à partir de la couche séparatrice 4, débouche dans la cavité 8, selon Les flèches f pour être ensuite collecté ou récupéré à partir du chant ou des faces principales de la membrane par tous moyens appropriés. Dans L'exempLe illustré à la fig. 1, la cavité de réception 8 est constituée par un réseau de rainures 9 ménagées dans la face principale 32 du support. De préférence, Les rainures 9 peuvent s'établir sensiblement parallèlement entre elles, selon la longueur du support poreux.Les rainures 9 délimitent des appuis 10 sur lesquels vient en contact l'élément de contre-poussée 6. Selon un deuxième mode de réalisation illustre à la fig. 2, il peut être prévu de réaliser la cavité 8 de récupération du filtrat par l'intermédiaire d'un réseau de canaux il communiquant ou non entre eux et ménagés dans la masse du support 3. Ces canaux 11 peuvent être obtenus à la suite de l'élimination de fils entrecoisés ou non, incorporés dans le support. A titre d'exemple, il peut être prévu d'utiliser un tissu à grosses mailles, de nature organique et disposé sur une préforme constituée à partir de la demi-quantité de matériaux nécessaire à l'obtention du support et disposée dans un moule pour ensuite être pressée à une pression plus faible que la valeur nominale. L'autre moitié de la quantité de matériaux est ensuite ajoutée dans le moule au-dessus du tissu et de la préforme.Le support préconstitué est alors soumis à une pression, puis démoulé, séché et soumis à un traitement thermique de frittage au cours duquel le tissu est éliminé. La cavité de récupération 8 est donc constituée par un réseau de canaux en forme de treillis débouchant sur Les quatres chants du support poreux 3. Selon une forme de réalisation particulièrement avantageuse illustrée à la fig. 3, l'élément de contre-poussée 6 est constitué par un support poreux complémentaire présentant une face plane externe principale 61 pourvue d'au moins une couche séparatrice 13 qui est destinée à être en contact avec le milieu Liquide 2 à filtrer. La membrane réalisée comporte donc deux couches séparatrices planes 4, 13 opposées s'étendant de part et d'autre des supports poreux 3 et 6. La membrane ainsi constituée des supports poreux 3 et 6, travaille en compression, car une pression de travail sensiblement équivalente s'exerce sur chacune des faces 31 61 en contact avec Le milieu liquide 2. Le filtrat traverse Les supports poreux 3 et 6, à partir des couches séparatrices 4 et 13, pour être ensuite récupéré par la cavité 8. De préférence mais non exclusivement, le support poreux complémentaire 6 est identique au support poreux 3 et se trouve adapté de manière symétrique sur le support 3, comme illustré à la fig. 3. Les appuis 10 des deux supports sont en contact mutuel, tandis que Les rainures 9 d'un support s'étendent, chacune, en regard d'une rainure de L'autre support, en vue de former une cavité 8 de capacité double par rapport à celle illustrée à la fig. 1. Le contact entre Les appuis respectifs 10 peut être assuré par l'intermédiaire d'une soudure réalisée grâce au dépôt d'une couche de verre ou d'argile sur ces appuis et soumis ensuite à un traitement thermique. La membrane ainsi réalisée offre L'avantage de comporter une double face servant pour le dépôt de couches séparatrices 4, 13 et d'être constituée à partir d'un support poreux unique 3 ou 6, à caractère plan, pouvant être facilement fabriqué en continu. De plus, la configuration de cette membrane lui assure une bonne résistance mécanique, dans la mesure où Les supports 3 et 6 travaillent en compression. Il peut être envisagé de réaliser une membrane à double couche séparatrice formée à partir d'un support poreux monobloc décrit à la fig. 2 Tel que cela ressort plus précisément de La fig. 4, il peut être considéré que L'éLément de contre-poussée est constitué, dans cette variante de réalisation, par L'intermédiaire du demi-support 6 délimité en pointillés sur la figure et sur lequel est rapportée la couche séparatrice 13. Dans cet exemple, le support poreux complémentaire 6 fait partie intégrante du support poreux 3. Il peut être considéré que Les supports 3 et 6 sont en contact mutuel par l'intermédiaire d'appuis 10 délimités par Les zones de matériaux subsistant entre Les canaux 11. Cette membrane est donc réalisée à partir d'un support poreux monobloc pourvue, sur chacune de ses faces, d'une couche séparatrice. Tel que cela apparat sur Les figures, chaque support 3 ou 6 est pourvu de moyens d'assemblage, par exemple du type à emboîtement, permettant de constituer une membrane modulaire. A cet effet, il peut être prévu de ménager une languette 16 périmétrique le long des bords supports 3 ou 6. Ces moyens d'assemblage 16 permettent de réaliser des unités de filtration de dimensions choisies en montant côte à côte le nombre désiré de membranes 1 selon L'invention. Il est à noter que la membrane selon L'invention décrite ci-dessus présente une forme générale plane. La fig. 5 illustre une autre forme de réalisation-de L'invention selon laquelle la membrane présente une forme tubulaire. Selon cette variante, la membrane est constituée, avantageusement, à partir de la forme de réalisation iLLustrée à la fig. 4. La membrane comporte deux couches séparatrices 4, 13 situées respectivement sur Les faces interne et externe du tube. De préférence, le rapport entre le diamètre extérieur de la membrane et sa longueur est compris entre 10 et 600. La membrane selon llinvention, réalisée selon L'une des configurations planes, a été placée dans Les deux contentions d'un appareil de laboratoire, par exemple du type RAYFLOW 100 commercialisé par la Société Tech-Sep, normalement destiné à fonctionner à L'aide des membranes organiques planes. Dans le cas des membranes organiques, ces dernières sont disposées sur une plaque dont le rle est d'assurer la résistante de travail. Lors de la mise en oeuvre de la membrane selon L'invention, cette plaque est supprimée, de sorte qu'il apparat une veine liquide de part et d'autre de la membrane. L'étanchéité entre La membrane et Les contentions est assurée de manière classique à L'aide de joints dont L'épaisseur est adaptée au milieu liquide traité. L'appareil est alors connecté à une pompe de circulation et le circuit est rempli avec une solution aqueuse de DEXTRAN T10 qui correspond à un polysaccharide de masse molaire 10000 DaLton. La concentration du DEXTRAN T10 est de 1 girl. Le débit de circulation est réglé sur 200 l/h par veine liquide et la pression de travail est montée graduellement jusqu'à 4 b. Le filtrat qui s'est écoulé à travers Les cavités est recueilli pour le doser par réfractomètrie. Sa teneur en DEXTRAN T10 est de 0,05 g/l. Cette valeur correspond à un taux de rétention de 95 %, qui est identique à celui des membranes minérales tubulaires connues. Cet exemple montre que l'objet de L'invention permet de résister à la pression de travail et de moduler Le débit de circulation du milieu liquide à traiter (veine liquide) par simple adaptation de L'épaisseur des joints d'étanchéité. Cette dernière propriété est un avantage de L'invention, car cette caractéristique ne peut être obtenue que très difficilement dans Les membranes tubulaires. L'invention n'est pas Limitée aux exemples décrits et représentés, car diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS : 1 - Membrane inorganique pour la filtration d'un milieu liquide en vue de récupérer un filtrat, caractérisée en ce qu'elle comporte - un support poreux rigide inorganique (3) présentant une face principale (31) recouverte d'au moins une couche séparatrice (4) destinée à être en contact avec le milieu liquide qui exerce sur celle-ci une pression donnée (P), - un éLément de contre-poussée (6) exerçant sur le support une pression (P1) antagoniste et sensiblement équivalente à celle appliquée sur la couche séparatrice (4), - et au moins une cavité (8) ménagée à distance de la couche séparatrice pour récupérer le filtrat ayant traversé le support poreux à partir de la couche séparatrice. 2 - Membrane selon la revendication 1, caractérisée ce que l'élément de contre-poussée (6) applique la pression antagoniste par l'intermédiaire d'appuis (10) délimitant la cavité (8) entre le support (3) et l'élément de contre-poussée (6). 3 - Membrane selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que l'élément de contre-poussée (6) est constitué par un support poreux complémentaire présentant une face externe principale (61) pourvue d'au moins une couche séparatrice (13) destinée à être en contact avec le milieu liquide à filtrer qui exerce sur celle-ci la pression antagoniste et sensiblement équivalente, permettant de récupérer le filtrat ayant traversé Les deux supports, à partir des couches séparatrices correspondantes (4, 13). 4 - Membrane selon la revendication 3, caractérisée en ce que le support poreux complémentaire (6) est rapporté sur le support poreux (3). 5 - Membrane selon la revendication 3, caractérisée en ce que le support poreux complémentaire (6) fait partie intégrante du support poreux (3). 6 - Membrane selon La revendication 4, caractérisée en ce que le support poreux complémentaire (6) est identique au support poreux (3) et se trouve adapté de manière symétrique sur le support poreux (3), de sorte que Les appuis (10) des deux supports soient en contact mutuel. 7 - Membrane selon la revendication 6, caractérisée en ce que Les supports poreux (3) sont soudés entre eux au niveau de Leurs appuis respectifs. 8 - Membrane seLon la revendication 1, 2 ou 6, caractérisée en ce que La cavité (8) de récupération du filtrat est formée par un réseau de rainures (9) ménagées sur la face opposée du support poreux, pourvue de la couche séparatrice (4). 9 - Membrane selon la revendication 1, caracérisée en ce que la cavité (8) de récupération du filtrat est formée par un réseau de canaux (11) communiquant ou non entre eux. 10 - Membrane selon la revendication 9, caractérisée en ce que le réseau de canaux (11) est obtenu par l'élimination d'un treillis incorporé dans le support poreux. Il - Membrane selon la revendication 1 ou 3, caractérisée en ce que Les supports poreux (3) sont de forme plane et présentent chacun un rapport de leur longueur sur leur largeur compris entre 1 et 10, tandis que le rapport de leur largeur sur Leur épaisseur est compris entre 10 et 400. 12 - Membrane selon la revendication 1 ou 3, caractérisée en ce que le ou Les supports poreux (3) présentent une forme tubulaire et possèdent chacun un rapport entre leur diamètre et leur longueur, compris ente 1 et 600. 13 - Membrane selon la revendication 1 ou 3, caractérisée en ce que le ou Les supports poreux (3) présentent des pores dont le diamètre moyen est compris entre 0,05 et 30 micromètres et, de préférence, entre 0,1 et 10. 14 - Membrane selon la revendication 1 ou 3, caractérisée en ce que le ou Les supports poreux (3) sont équipés de moyens d'assemblage (16) permettant de constituer un élément modulaire. 15 - Unité de filtration, caractérisée en ce qu'elle est constituée d'une série de membranes conformes à L'une des revendications 1 à 14, assemblées côte à côte, à L'aide des moyens de montage complémentaires (16).