Brevet FR2816851A1 — publié le 20020524

La présente invention est relative à un procédé de réparation des membranes d'ultra-, nano-et hyper- filtration, en particulier en configuration de fibres creuses, ces membranes étant utilisées notamment dans les opérations de séparation mises en oeuvre en particulier dans les installations de traitement de liquides, par exemple d'effluents aqueux. Ces réparations peuvent être effectuées sur des fibres neuves, ou sur des fibres usagées, l'objectif étant de restaurer l'intégrité des fibres, c'est-à-dire leur imperméabilité totale aux composés et particules de taille supérieure à leurs seuils de coupure. L'invention s'applique également à la réparation des fibres de microfiltration, de perméation de gaz, de pervaporation etc... On sait que les membranes de microfiltration et d'ultrafiltration permettent, au cours de la perméation, d'effectuer la clarification et la désinfection des eaux qui les traverse afin d'éliminer les bactéries, virus et autres parasites. On sait également que les fibres creuses de telles membranes possèdent une géométrie particulièrement adaptée en vue d'assurer une bonne rétention des espèces dissoutes et particulaires. Les fibres creuses sont auto-supportées, les collages faits aux deux extrémités d'un module à fibres creuses assurent, d'une part une étanchéité parfaite des fibres les unes par rapport aux autres et d'autre part une étanchéité entre l'ensemble du faisceau de fibres moulées dans une résine (constituant la plaque de tête d'un module, formé lors de l'opération d'empotage) et l'enveloppe externe du module (carter ou tube de pression). En ce qui concerne la réalisation de tels modules à fibres creuses, on peut se reporter par exemple au Memento Technique de l'Eau, 1989, Tome 2, Chapitre 15, édité par DEGREMONT. Une technique parfois utilisée consiste, après l'empotage, à renforcer la protection externe des fibres creuses, en badigeonnant les fibres avec une résine suffisamment fluide, cette opération étant parfois appelée vernissage . Ce vernissage assure par la suite un bouchage parfait de la section poreuse des fibres, sections qui pourraient permettre la migration des virus, bactéries, microorganismes, macromolécules et autres produits et solutés de faible masse se trouvant dans l'eau. Normalement, lorsqu'elles sont fabriquées selon les règles de l'art, les fibres creuses des modules de séparation par membranes assurent une bonne désinfection des eaux, voire d'autres liquides ou fluides. Cependant, malgré tous les soins apportés à leur fabrication, il peut survenir des ruptures de fibres, notamment lors des opérations de mise en faisceau, d'empotage ou de mise en carter. Ces ruptures, plus ou moins nombreuses, sont liées aux défauts de fabrication ou au vieillissement naturel ou forcé du matériau membranaire. Lorsque de telles ruptures sont constatées, il devient nécessaire de réparer les fibres cassées, faute de quoi le module équipé de fibres creuses ne serait plus en mesure d'assurer pleinement la désinfection virale ou bactériologique. Il existe dans l'état actuel de la technique de nombreux procédés pouvant être utilisés pour détecter la présence des fibres cassées ou qui fuient. On peut par exemple se référer à FR-A-2 775 440. Une fois identifiée, une fibre endommagée doit être réparée le plus rapidement possible afin de ne pas endommager les fibres auxquelles elle est intégrée, ces dommages pouvant résulter notamment d'une pollution du compartiment perméat. Il existe divers procédés permettant de réparer les fibres endommagées. A titre d'exemples, on en décrira ciaprès deux qui sont les plus particulièrement représentatifs et les plus largement utilisés à l'heure actuelle. Le premier procédé consiste à pousser dans la fibre endommagée un obturateur cylindrique, encore appelé clou présentant une dimension appropriée au diamètre interne de la fibre. Certains fabricants de modules proposent à cet effet des clous de forme conique, de manière à faciliter leur mise en place. De plus, on peut encore améliorer la qualité de cette réparation en badigeonnant la fibre avec un adhésif mono ou bi-composant, afin de parfaire et de consolider l'étanchéité de la réparation ainsi effectuée. L'inconvénient de cette technique réside dans la fréquence des adhérences défectueuses entre les deux matériaux (clou et fibre) résultant de la faible surface de contact et/ou d'éventuels défauts de réticulation/polymérisation dudit adhésif. Le deuxième procédé consiste à injecter un adhésif bicomposant dans la fibre identifiée comme rompue ou fuyarde . Après injection de l'adhésif à l'aide d'une aiguille, on retire cette dernière et on attend la réticulation de l'adhésif. L'inconvénient majeur de cette technique réside dans le fait que, lors de l'injection de petites quantités d'adhésif, la réticulation du produit exige beaucoup de temps. De ce fait, avant remise en route du module réparé, il existe un délai d'attente qui peut se révéler pénalisant étant donné qu'il peut atteindre 24 heures avant réticulation complète. Il convient également de mentionner que la cinétique de réticulation est liée à la température ambiante régnant sur le site. De ce fait, par temps froid, la réticulation de l'adhésif exige une durée plus longue et elle est même parfois impossible. Ainsi, il est courant de devoir attendre le lendemain de la réparation avant de pouvoir remonter le module, comportant la fibre défectueuse réparée, sur l'ensemble de filtration. Les autres procédés actuellement disponibles sont dans l'ensemble plus adaptés aux réparations effectuées en usine par les fabricants de modules eux-mêmes et ils sont trop difficiles à mettre en oeuvre sur un module équipé de fibres, éventuellement humides, par des opérateurs peu expérimentés. Afin de pallier les inconvénients des procédés de réparation mentionnés ci-dessus, la présente invention s'est fixé pour objectif d'apporter un procédé simple, facile à mettre en oeuvre et aux résultats immédiats, c'est- à-dire un procédé selon lequel notamment la durée de réparation ne constitue plus une limite à l'exploitation des membranes et grâce auquel la durée et la qualité de la réparation ne dépendent plus de la température ambiante, ni de la qualité ou de l'historique des fibres devant être réparées. En outre, grâce à l'invention, les performances de séparation et de perméabilité des membranes sont immédiatement et intégralement restaurées. En conséquence, cette invention concerne un procédé de réparation de membranes d'ultra-, nano-et hyperfiltration, en particulier en configuration de fibres creuses tubulaires qui consiste, après détection et localisation d'une fuite dans une fibre endommagée, à y injecter un adhésif réticulable, ce procédé étant caractérisé en ce que l'on injecte dans la fibre endommagée un bouchon d'une quantité précisément dosée d'un adhésif synthétique mono-composant et on effectue le durcissement dudit bouchon d'adhésif par réticulation/polymérisation sous rayonnement ultra-violet avec une focalisation de ce rayonnement sur la section de la fibre à réparer, sous une forte densité de flux sous forme de faisceau parallèle, par l'intermédiaire d'un guide d'onde. Selon un mode de mise en oeuvre de la présente invention, on utilise un adhésif qui est une résine synthétique et la hauteur du bouchon d'adhésif injecté est de l'ordre de 6 +/-1 mm. Pour la mise au point de cette nouvelle technique, il a fallu vaincre deux préjugés résultant des phénomènes décrits ci-dessus dont les conséquences pouvaient être cumulatives : - tout d'abord, l'Homme de l'art sait, notamment par la littérature disponible que la réticulation sous rayonnement ultra-violet des polymères et monomères ne peut se faire que sous des épaisseurs assez faibles. Il est donc généralement admis que, pour réaliser un bouchon d'adhésif, par exemple pour réparer une fibre creuse, il n'est pas possible d'obtenir une réticulation complète sur une épaisseur supérieure à 1 mm, ce qui n'est ni suffisant, ni sécurisant pour l'Homme de l'art ; - ensuite, le fait d'injecter un adhésif dans une fibre creuse sur une hauteur inférieure à 1 mm est techniquement très difficile et la question reste posée du devenir de l'excès d'adhésif non polymérisé/réticulé, donc instable. Ces considérations démontrent que l'Homme de l'art était détourné par ses connaissances de l'état de la technique d'envisager une réparation des fibres creuses par injection d'un bouchon d'adhésif d'épaisseur relativement importante. Dans le cadre de la présente invention, on a pu vérifier : - qu'il était possible de mettre en place, par un geste simple, un bouchon d'adhésif présentant la hauteur mentionnée ci-dessus voisine de 5 à 7 mm, par injection soit manuellement, soit à l'aide des appareils classiques d'injection d'adhésif équipés de doseurs précis et de pistons mus par une pression contrôlée d'air comprimé ; - que l'adhésif ainsi injecté ne coulait pas après sa mise en place ; - que l'adhésif injecté pouvait être réticulé sur toute sa hauteur ; - que le temps de réticulation/polymérisation de l'adhésif était d'environ 30 secondes sous un rayonnement ultraviolet intense dont le faisceau parallèle était focalisé sur la section de la fibre à réparer en utilisant un guide d'onde. Pour la mise en oeuvre de la présente invention, on peut utiliser plusieurs adhésifs réticulables sous rayonnement ultra-violet et présentant une gamme de viscosité assez large. Il est alors possible de réparer des fibres creuses présentant des diamètres internes compris par exemple entre 0,3 et 2,0 mm. A titre d'exemples d'adhésifs utilisables selon l'invention, on peut citer notamment des colles vendues dans le commerce par les sociétés PERMABOND (adhésif UV 9110) et HERAEUS (adhésif FLOWLINE). En ce qui concerne le dispositif permettant d'assurer la réticulation de l'adhésif, on peut utiliser tout système permettant de focaliser le rayonnement UV sur la section de la fibre à réparer, par exemple le dispositif Translux C. L. commercialisé par la firme HERAEUS. Afin de vérifier la tenue des réparations effectuées selon l'invention, sur des fibres à base d'acétate de cellulose, on a effectué sur ces dernières divers prétraitements : les fibres sont neuves, propres et exemptes de tous résidus de fabrication ; les fibres neuves sont plongées dans une solution contenant de l'acide chlorhydrique à pH 1 et ce durant deux jours consécutifs ; - les fibres neuves sont plongées dans une solution aqueuse de soude à pH 10, durant 24 heures ; les fibres neuves sont plongées dans une solution contenant de l'acide citrique à pH voisin de 3, durant 24 heures ; les fibres neuves sont plongées dans une solution de chlore à 500 ppm de chlore actif, durant 24 heures. On a effectué d'autres trempages qui concernaient des fibres neuves et des fibres usagées prélevées sur un module expertisé ayant cinq années de service, les trempages étant effectués dans des lessives potentiellement utilisables au contact des fibres en acétate de cellulose. Il s'agissait de lessives de la gamme Ultrasil de la Sté ECOLAB et de la gamme Permaclean commercialisée par la Sté AQUAZUR. Dans tous les cas mentionnés ci-dessus, toutes les réparations ont tenu et il ne s'est produit aucun incident. Sur toutes les fibres ainsi réparées, il est arrivé que certaines finissent par éclater, par mise sous pression croissante, mais loin de la zone réparée et sans que la réparation soit endommagée. On notera que dans le cas des fibres à base d'acétate de cellulose, de tels éclatements se produisent lorsqu'on atteint des pressions appliquées comprises entre 15 et 24. 105 Pa., suivant que les fibres aient été vieillies, attaquées par des acides, des bases, des oxydants ou qu'elles étaient neuves. Il a également été possible de vérifier que le procédé de l'invention s'appliquait à des fibres à base d'autres matériaux que l'acétate de cellulose. Ainsi, on a pu faire des essais sur des fibres creuses à base de polysulfone naturel, de polyéthersulfone, d'éthylcellulose, ainsi que de polysulfone modifié par addition d'un polymère hydrophile que l'on a pris le soin de réticuler. Dans tous les cas, les fibres avaient des diamètres internes différents, sensiblement proches de 0,5 à 1,2 mm. Toutes les réparations ont été réussies et elles ont tenu. Enfin, on a effectué des tests afin de vérifier la tenue dans le temps des réparations effectuées selon l'invention. En effet, il aurait pu se produire des endommagements probablement en raison d'un interface pouvant se trouver sur le pourtour interne des fibres qui n'aurait pas suffisamment réticulé. Dans ce but, on a procédé à la réparation, selon le procédé objet de l'invention, des fibres neuves et des fibres colmatées en y implantant des bouchons d'adhésif. Après réticulation, tous les échantillons ont été testés sur un banc de vieillissement mécanique dans les conditions suivantes : durée de filtration égale à 30 secondes = durée de rétrolavage ; pression de filtration interne égale à X ; pression de rétrolavage externe égale à Y. Durant ce test, on a appliqué les valeurs suivantes pour X et Y : X = Y = 3. 105 Pa. puis 4. 105 Pa. X = 3. 105 Pa. et Y = 4. 105 Pa. X = 4. 105 Pa. et Y = 3. 105 Pa. Les essais ont été poursuivis jusqu'à l'obtention d'un nombre de cycles supérieur à 100.000 sans qu'il soit constaté d'endommagement des bouchons d'adhésif. Il se confirme donc que ces bouchons ont une excellente tenue dans le temps et qu'ils n'altèrent pas la durée de vie potentielle des fibres objet des tests, laquelle est supérieure à douze années hors vieillissement chimique. Il ressort donc des résultats des tests effectués sur des fibres réparées en mettant en oeuvre le procédé de l'invention, que celles-ci retrouvent immédiatement leurs performances mécaniques et séparatives d'origine. En effet, quel que soit le type de fatigue que les fibres aient subi (attaque acide, basique, bactériologique ou par des détergents) les bouchons d'adhésif formés selon l'invention adhèrent, de façon irréversible, à la membrane et ne se décollent plus de la fibre réparée. Par ailleurs, le fait que l'on ait observé, après réparation, que les fibres soumises à une pression interne croissante éclatent toujours en dehors des emplacements comportant des bouchons d'adhésif, démontre bien la très grande fiabilité des réparations effectuées par la mise en oeuvre du procédé objet de l'invention. Il demeure bien entendu que la présente invention n'est pas limitée aux exemples de mise en oeuvre décrits ci-dessus, mais qu'elle en englobe toutes les variantes, en particulier, ainsi qu'on l'a déjà mentionné, l'invention n'est pas limitée à la réparation des seules fibres d'ultra-, nano et hyper-filtration, mais elle peut également s'appliquer à la réparation notamment de fibres de microfiltration de perméation de gaz, de pervaporation etc.... REVENDICATIONS 1-Procédé de réparation de membranes, notamment d'ultra-, nano-et hyper-filtration, en particulier en configuration de fibres creuses tubulaires qui consiste, après détection et localisation d'une fuite dans une fibre endommagée, à y injecter un adhésif réticulable, ce procédé étant caractérisé en ce que l'on injecte dans la fibre endommagée un bouchon d'une quantité précisément dosée d'un adhésif synthétique mono-composant et on effectue le durcissement dudit bouchon d'adhésif par réticulation/polymérisation sous rayonnement ultra-violet avec une focalisation de ce rayonnement sur la section de la fibre à réparer, sous une forte densité de flux sous forme de faisceau parallèle, par l'intermédiaire d'un guide d'onde. 2-Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on utilise un adhésif qui est une résine synthétique. 3-Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la hauteur du bouchon d'adhésif injecté est de l'ordre de 6 +/-1 mm.