Brevet FR2736843A1 — publié le 19970124

La présente invention concerne de nouveaux tubes de filtration, et plus particulièrement de nouveaux tubes poreux à paroi non colmatante destinés à être utilisés dans la technique de filtration tangentielle de fluides, ainsi qu'un procédé de fabrication de tels tubes et un appareillage spécialement adapté à cette fabrication. Diverses techniques de filtration tangentielle de liquides et de suspensions sont couramment utilisées par exemple pour séparer l'une des phases, miscible ou non, dans les domaines de la microfiltration, de l'ultrafiltration et de la nanofiltration. Dans ces techniques, on utilise généralement des supports tubulaires portant une membrane de filtration, et le mélange à filtrer est introduit sous pression dans le tube tandis que l'une des phases, enrichie en l'un des composants à séparer, est recueillie à l'extérieur du tube. Le diamètre des pores de la membrane est choisi en fonction des caractéristiques des produits à filtrer. Suivant une variante, le mélange sous pression est introduit dans un conteneur renfermant des tubes de filtration et le mélange enrichi en l'un des composants est recueilli dans les tubes. L'une des difficultés limitant l'utilisation de ces techniques résulte de la formation d'une couche de polarisation à la surface de la membrane de filtration. Cette couche est due à une accumulation de particules retenues par la membrane de filtration, et dans certains cas on observe même la formation d'un gel. Cette couche de polarisation est instable, et elle entraîne une importante diminution de la perméabilité et une variation de la sélectivité, la couche de polarisation se superposant à la membrane de filtration et modifiant l'effet de tamis de cette dernière. Des phénomènes analogues se produisent dans le cas de la filtration de mélanges gazeux, où une couche limite se forme sur la membrane de filtration. Pour limiter ces effets défavorables, on a proposé d'introduire dans les tubes des dispositifs destinés à créer des turbulences. Ces dispositifs permettent d'améliorer le flux de perméat, et par conséquent l'efficacité de la filtration, en limitant le colmatage du filtre. Cependant, la mise en place et la fixation de ces dispositifs dans les tubes de filtration sont difficiles et complexes. De plus, ils provoquent des vibrations gênantes qui nuisent à la fiabilité du matériel. Les tubes de filtration sont classiquement constitués par un support poreux à texture grossière, assurant la résistance mécanique de l'ensemble, revêtu par la membrane de filtration. Ces tubes peuvent être fabriqués en co-extrudant des poudres distinctes servant à former le support et la couche de filtration, ou en appliquant la membrane sur le support poreux préalablement formé, et en effectuant ensuite un traitement thermique par frittage, suivant la technique décrite par exemple dans le brevet FR-A-2.327.090. Le brevet FR-A-2.503.615 décrit des tubes cylindriques de filtration de mélanges gazeux introduits sous pression à l'intérieur des tubes, sur la paroi desquels sont formées des empreintes destinées à créer des turbulences qui évitent l'accumulation d'une des phases gazeuses sur la paroi du tube et améliorent la séparation par diffusion gazeuse. Ces empreintes sont formées en faisant passer les tubes sortant de la filière d'extrusion, entre des rouleaux et des outils qui déforment localement les tubes à travers toute leur paroi. Le brevet FR-A-2.503.616 décrit un procédé relevant du même principe, consistant à déformer la paroi du tube à la sortie de la filière d'extrusion par application de molettes disposées face à face, de part et d'autre du tube, ou en positions alternées. Cependant, seules des empreintes de faibles dimensions peuvent être obtenues, et ces déformations réalisées dans la paroi des tubes entraînent des contraintes importantes dans le matériau ainsi que des risques de fissuration. Il en résulte que les tubes fabriqués par ce procédé ne peuvent être utilisés que pour la filtration gazeuse. De plus, ces dispositifs améliorent le coefficient de séparation des gaz, mais ne modifient pas la perméabilité du tube de filtration. La présente invention a pour objet des tubes poreux de filtration utilisables dans la technique de filtration tangentielle, qui peuvent être utilisés comme supports pour la filtration de gaz ou de liquides, ou de suspensions, en évitant tout colmatage du filtre. L'invention a aussi pour objet des tubes cylindriques poreux à empreintes évitant ou limitant la formation d'une couche de polarisation ou d'une couche limite, augmentant le coefficient de séparation, et procurant une perméabilité plus élevée que les tubes de filtration de type connu. La présente invention a encore pour objet un procédé de fabrication de tels tubes poreux à empreintes, ainsi qu'un dispositif spécialement adapté à leur fabrication. Les tubes poreux à empreintes suivant la présente invention sont destinés à la filtration tangentielle et se distinguent en ce qu'ils comportent des empreintes sur une seule de leurs parois, et de préférence sur la paroi interne, tandis que l'autre paroi est lisse. Les empreintes formées sur l'une des parois du tube, et de préférence sur la paroi interne, peuvent avoir des formes diverses, continues ou discontinues. Par exemple, l'empreinte peut avoir la forme d'une nervure hélicoïdale simple ou multiple, par exemple double ou triple, de pas variable. La hauteur des empreintes par rapport à la surface de base du tube peut être comprise entre 0,1 mm et 2 mm, et de préférence entre 0,2 mm et 1,5 mm, pour une paroi d'épaisseur généralement comprise entre 1,5 mm et 5 mm, et un diamètre intérieur des tubes compris entre 5 et 25 mm. Le tube poreux de l'invention peut être réalisé en tous matériaux usuels pour les tubes de filtration, par exemple en alumine, alumino-silicate, oxyde de titane, carbure de silicium, zircone ou tout autre matériau céramique à l'état pur, ces matériaux étant utilisés isolément ou en combinaison. Il peut comporter au moins une membrane de filtration de type classique, par exemple du type zircone sur support en alumine. Le procédé conforme à la présente invention, pour la fabrication de tubes poreux à empreintes sur une seule paroi, du type décrit ci-dessus, consiste à mettre en forme le tube, par exemple par extrusion, à partir d'une composition adaptée en fonction de la porosité recherchée, en faisant varier son épaisseur longitudinalement, puis à réaliser un frittage et à appliquer ensuite, si nécessaire la membrane de filtration sur la paroi portant l'empreinte. La composition de la pâte est adaptée en fonction des propriétés recherchées. Elle comprend une partie liquide, généralement constituée d'eau, et une partie solide comprenant une poudre de granulométrie appropriée et des additifs usuels tels que liants, plastifiants et rétenteurs d'eau, tels que des dérivés cellulosiques (par exemple la méthylcellulose ou l'éthylcellulose), des polysaccharides, des alcools polyvinyliques, un polyéthyléne glycol. Le rapport en poids de la partie liquide à la partie solide peut être compris de préférence entre 1/20 et 2/3, mais des valeurs en dehors de ce domaine peuvent être envisagées dans certains cas. La poudre utilisée dans la composition peut être choisie parmi l'alumine, un alumino-silicate, notamment la cordiérite, une zircone, l'oxyde de titane, ou une argile naturelle, dont la dimension des grains peut être comprise entre 5 et 200 Um environ. Le frittage se fait suivant les techniques classiques, par traitement thermique à une température comprise entre 900"C et 1.800 C environ, selon la nature du matériau utilise. La membrane de filtration, constituée par exemple de zircone (oxyde de zirconium), d'alumine, de hafnium, de spinelle, de silico-aluminate, ou de dioxyde de titane, peut être appliquée sur la paroi par imprégnation, enduction, coulage ou trempage. Les membranes céramiques sont aussi bien adaptées à la filtration à température élevée (supérieure à 100c). Le dispositif de la présente invention pour la mise en oeuvre du procédé ci-dessus est du type comprenant une filière d'extrusion, et se distingue en ce que la filière comporte une broche cylindrique disposée suivant son axe, la broche ou la matrice de sortie de la filière étant montée rotative et de section non circulaire, pour former à sa sortie une paroi d'épaisseur irrégulière. Dans une première forme de réalisation, la broche est montée rotative dans la filière fixe, et présente une section non circulaire. On obtient ainsi des tubes présentant des empreintes sur la paroi interne. La broche possède de préférence une forme tronconique, dont la grande base est disposée du côté de la sortie de la filière, et présente un ou plusieurs retraits destinés à la formation des empreintes. Suivant une variante conforme à l'invention, la broche présente une section cylindrique circulaire et est montée fixe dans l'axe de la filière, tandis que la matrice est à section non circulaire et est montée tournante sur la tête de filière, pour former ainsi des empreintes sur la paroi externe du tube. La technique de filage utilisée s'adapte parfaitement à toute poudre céramique pouvant être traitée par extrusion (extrudeuse à piston ou étireuse). Les tubes peuvent être extrudés à des diamètres et à des vitesses différentes. Le diamètre intérieur des tubes obtenus par cette technique de filage peut aller de 5 à 25 mm et la vitesse d'extrusion peut varier de 2 à 10 cm/s. La longueur des pas des empreintes peut varier de 10 à 100 mm et plus. Le pas peut être inversé lors de l'extrusion des tubes. La vitesse de rotation de la broche (ou de la matrice tournante) est généralement comprise entre 4 et 100 trs/min., et de préférence entre 20 et 60 trs/min. Les tubes de filtration tangentielle de l'invention peuvent être utilisés dans les procédés de microfiltration, d'ultrafiltration et de nanofiltration, en fonction de la nature de la membrane filtrante utilisée le cas échéant et des milieux à filtrer ou à enrichir en certains composants, tels que des milieux liquides ou colloidaux. Ils peuvent être utilisés directement sans membrane de filtration dans des procédés de filtration pour la purification ou la dépollution. Ils peuvent aussi être utilisés dans les procédés de pervaporation liquide, par exemple pour la filtration d'un mélange azéotropique eau / alcool, ou encore dans les procédés de perméation gazeuse, par exemple pour la séparation d'un mélange de dioxyde de carbone et de méthane. Les tubes de l'invention procurent de nombreux avantages par rapport aux tubes connus de la technique et, en supprimant ou en atténuant considérablement la couche limite ou la couche de polarisation, ils améliorent nettement le coefficient de séparation et la perméabilité. Il est ainsi possible de réduire considérablement la surface de membrane nécessaire pour la filtration, de l'ordre de 3 à 5 fois par rapport aux surfaces usuelles des tubes classiques. Ces avantages des tubes de filtration de l'invention peuvent être mis à profit dans diverses applications, comme par exemple pour la filtration de liquides dans l'industrie agro-alimentaire tels que du lait ou des huiles, pour la régénération d'huiles moteurs usées ou d'huiles de vidange, ou encore pour l'épuration d'effluents fortement pollués dans l'industrie chimique, ainsi que pour le traitement des eaux. Les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus en détail dans la description suivante en référence aux dessins annexés, qui représentent Figure 1 : une vue schématique d'une filière d'extrusion conforme à l'invention, comportant une broche rotative. Figure 2 : une vue agrandie d'un détail de la Figure 1 montrant la position de la broche dans la filière. Figure 3a : une vue de dessous d'une broche rotative conforme à l'invention. Figure 3b : une vue de dessous d'une variante de réalisation de la broche de l'invention. Comme le montre la Figure 1, la filière conforme à l'invention se présente sous la forme d'une filière classique, modifiée par l'incorporation d'une broche rotative montée suivant son axe. La pâte, après malaxage, est placée dans le réservoir (1) et est repoussée par le piston (2) hors de la filière par l'interstice séparant la broche (3) et la paroi interne de la tête de la filière formant la matrice (5). La broche (3), de forme sensiblement tronconique, est entraînée en rotation sur son axe par le moteur (4) qui peut être muni d'un inverseur permettant d'assurer une rotation dans l'un ou l'autre sens. Comme le montre la Figure 3a qui est une vue de dessous de la broche (3), celle-ci présente une section non circulaire au niveau de sa grande base. Cette irrégularité est obtenue en ménageant des retraits (6) sur la périphérie. Dans le cas de l'exemple représenté sur la Figure 3a, la broche présente trois retraits et permet alors de former un tube portant une empreinte en forme de triple hélice. La broche (7) représentée sur la Figure 3b présente quatre retraits (8) disposés symétriquement par rapport à l'axe, sur sa périphérie. Cette broche permet de former sur la paroi interne du tube une quadruple hélice qui peut, si on le souhaite, présenter une discontinuité en inversant la rotation de la broche en cours d'extrusion. A titre d'exemple d'applications des tubes de filtration de la présente invention, les résultats obtenus dans la filtration de plusieurs milieux liquides sont donnés ci-après. EXEMPLE 1 Fabrication d'un tube poreux à base d'alumine On prépare une pâte ayant la composition suivante (composition donnée pour 3 kg de pâte). partie solide - poudre A1203 (diamètre des grains 23 ssm) : 82% - produits organiques (liants, plastifiants et rétenteurs d'eau) : 18%. Partie liquide - H20 : 18% par rapport à la masse solide. Après un mélange à sec de la poudre minérale et des produits organiques pendant environ 15 min., le solvant H20 est ajouté dans sa totalité. Le malaxage après ajout de l'eau dure en moyenne 15 minutes. On procède ensuite à une extrusion dans une filière équipée d'une broche comme décrit ci-dessus, ayant une section identique à celle représentée sur la Figure 3a, et tournant à la vitesse de 40 trs/min. pour un pas de 10 mm. Des tubes de 20 mm de diamètre externe et de 16 mm de diamètre interne sont extrudés. L'extrusion se fait sous vide pour éviter la formation de défauts sur les parois. Le filage s'effectue à une vitesse de 2 cm/s. Les tubes extrudés ainsi obtenus sont séchés et frittés suivant une technique classique. Le séchage se fait sur rouleaux à 25"C. Le frittage de ce matériau s'effectue à partir de 1600 C. On obtient ainsi des tubes présentant une empreinte en forme d'aspérité en surface. La profondeur des aspérités dans ce cas est de 1 mm et le pas de 10 mm. Un deuxième type de tube a été filé avec une vitesse de rotation différente de la broche (20 trs/min) pour obtenir une longueur de pas de 20 mm. EXEMPLE 2 Fabrication d'un tube poreux à base de cordiérite On prépare une pâte ayant la composition suivante partie solide - poudre de cordiérite (diamètre des grains - produits organiques (liants, plastifiants et réten teurs d'eau) :20% partie liquide - H20 : 30% par rapport à la masse solide Le mélange des composants, le malaxage de la pâte et l'extrusion se font comme indiqué dans l'Exemple 1. Le séchage se fait sur rouleaux à 25"C comme dans l'Exemple 1, tandis que le frittage de ce matériau s'effectue en appliquant un gradient de température de 2"/min. jusqu'à la température de 300 C, maintien à cette température pendant une heure, élévation de température avec un gradient de 4"/min. jusqu'à 1250"C puis frittage 10 h. à cette température. Les valeurs relevées pour l'extrusion, les aspérités et le pas sont identiques à celles du support à base d'alumine de l'Exemple 1. EXEMPLE 3 Fabrication d'un tube poreux à base d'argile naturelle On prépare une pâte d'argile naturelle ayant la composition suivante - sio2: 51,7% - CaO: 15,5% - A1203: 18,2% - MgO: 4% - Fe203: 7,2% - Na2O: 1%. partie solide - poudre argile : 82% - produits organiques (liants, plastifiants et rétenteurs d'eau): 18%. partie liquide - H20: 15% par rapport à la masse solide Le mélange des composants et le malaxage de la pâte se font comme décrit dans exemple 1. On procède à l'extrusion au moyen d'une filière identique à celle de l'Exemple 1 à l'exception des dimensions de la tête. Des tubes de 10 mm de diamètre externe et de 6 mm de diamètre interne sont extrudés. L'extrusion se fait sous vide pour éviter la formation de défauts dans la céramique. Le filage s'effectue à une vitesse de 3 cm/s. La vitesse de rotation de la broche est de 60 trs/min. Le séchage se fait sur rouleaux à 25"C. Le frittage de ce matériau se situe entre 900 et 1100 C. La profondeur des aspérités dans ce cas est de 0,5 mm. La longueur du pas est de 10 mm. EXEMPLE 4 Application à l'ultrafiltration du lait. I1 s'agit de lait écrémé reconstitué. La filtration est effectuée sur une membrane de diamètre de pores de 50 nm. La vitesse de circulation est de 4m/s. Le diamètre intérieur du tube est de 16 mm. Aspérités de la broche : pas de l'hélice = 12 mm, hauteur = 1,5 mm. Pression (Pa) 4.105 6.105 Débit M. T. (l/m2.h)* 95 95 Débit M. L. (l/m2.h)** 40 45 Gain &num; 2 &num; 2 * M.T. = membrane torsadée ** M.L. = membrane lisse Cet exemple montre que le filtre à membrane torsadée suivant l'invention permet de doubler le débit de perméat. EXEMPLE 5 Application à l'ultrafiltration de l'huile d'olive Diamètre des pores : 50 mm Vitesse de filtration : 5 m/s Température, env. 100"C Viscosité : 6.10 3 Pa.s Les empreintes sur le tube sont identiques à celles de l'exemple 4. Pression (Pa) 5.105 6.105 Débit M. T. (l/m2.h)* 65 50 Débit M. L. (l/m2.h)** 15 12 Gain &num; 4 &num; 4 * M.T. = membrane torsadée ** M.L. = membrane lisse On constate ainsi que, dans le cas de l'huile d'olive, le débit de perméat est multiplié par 4 avec le filtre à membrane torsadée de l'invention. EXEMPLE 6 Application à la régénération des huiles usées Les huiles moteurs usées se présentent sous forme d'une suspension colloïdale fine et noire, constituée d'une huile de base et d'additifs dégradés au cours du fonctionnement. L'huile usée utilisée dans cet exemple contient environ 12-15% d'impuretés totales (colloïdes charbonneux, boues, traces d'eau et d'essence, etc ...). L'ultrafiltration, qui constitue la première étape d'un procédé de régénération, est effectuée au moyen d'une membrane céramique sur tube poreux en alumine conforme à l'invention (diamètre des pores de la membrane = 25 nm ; hauteur des empreintes = 1 mm ; pas : 12 mm). La même expérimentation est faite à titre de comparaison sur un filtre lisse suivant la technique usuelle, comportant une membrane de même structure. L'huile usée est préalablement traitée à 190"C pendant 1 heure pour éliminer l'eau et les composants volatils, puis elle est maintenue à 150"C pendant les essais ; la viscosité est égale à environ 4,5.10 3 Pa.s. La mesure du débit du perméat est faite sur la membrane de chacun des deux filtres en utilisant successivement les conditions opératoires suivantes pendant 1 heure Pression 2 bars ; 4 bars ; 6 bars. Vitesse tangentielle 2 m/s ; 3,5 m/s ; 5 m/s. Dans le cas du filtre lisse suivant la technique connue, on constate que le débit de perméat est pratiquement constant dès que la pression atteint 2 bars, quelle que soit la vitesse tangentielle. Ceci est dû à la formation d'une couche de polarisation qui entraîne un colmatage du filtre. Le débit maximum à 6 bars et 5 m/s est de 15,4 l/h.m2. Dans le cas du filtre à empreinte suivant l'invention, on constate que le débit de perméat croît de manière continue avec la pression, et d'autant plus nettement que la vitesse est élevée. En aval des empreintes se forme un tourbillon qui, en se détachant de la paroi, brasse la couche de colmatage et l'entraîne dans l'axe du tube, provoquant ainsi une action de décolmatage permanent. Le débit atteint alors 49 l/h.m2 pour une vitesse de 5 m/s et une pression de 6 bars. La qualité de l'huile ultrafiltrée est équivalente à la sortie des deux filtres. REVENDICATIONS 1. Tube poreux à empreintes destiné à être utilisé comme support de filtration dans la technique de filtration tangentielle, caractérisé en ce qu'il comporte des empreintes sur une seule de ses parois, tandis que l'autre paroi est lisse. 2. Tube poreux selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des empreintes sur sa paroi interne, tandis que sa paroi externe est lisse. 3. Tube poreux selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce l'empreinte a une forme de nervure hélicoidale simple ou multiple. 4. Tube poreux selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce la hauteur de l'empreinte est comprise entre 0,1 et 2 mm, l'épaisseur de la paroi entre 1,5 et 5 mm, et le diamètre intérieur du tube entre 5 et 25 mm. 5. Procédé de fabrication d'un tube poreux à empreintes comportant des empreintes sur une seule de ses parois tandis que l'autre paroi est lisse, caractérisé en ce que l'on met en forme un tube à partir d'une composition de matière adaptée, en faisant varier son épaisseur longitudinalement, puis on effectue un frittage et on applique ensuite une membrane de filtration sur la paroi portant l'empreinte. 6 Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le tube est mis en forme par extrusion. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que la composition de matière contient au moins une poudre et un liquide préalablement malaxés pour former une pâte. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la poudre est choisie parmi l'alumine, un alumino-silicate de silicium, l'oxyde de titane, la zircone ou le carbure de silicium. 9. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la membrane est appliquée par imprégnation ou enduction sur la paroi portant l'empreinte. 10. Dispositif pour la fabrication d'un tube poreux, comprenant une filière d'extrusion, caractérisé en ce que la filière comporte une broche cylindrique disposée suivant son axe, la broche ou la matrice de sortie de la filière étant montée rotative et de section non circulaire. 11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que la broche est montée rotative et la matrice est fixe. 12. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que la matrice est montée rotative et la broche est fixe. 13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 10 à 12, caractérisé en ce que la broche est de forme tronconique, sa grande base étant dirigée du côté de la sortie de la filière.