Brevet FR2860297A1 — publié le 20050401

DISPOSITIF DE MESURE DE CARACTERISTIQUES LIEES A LA POROSITE DES MEDIA POREUX La présente invention concerne un dispositif de mesure de caractéristiques liées à la porosité de média poreux tels que membranes poreuses. De nombreuses membranes poreuses sont constituées par des polymères organiques ou des grains minéraux formant un réseau non-tissé poreux. Ces membranes sont utilisées dans divers domaines comme par exemple en filtration pour les réseaux d'eau potable ou la production d'eau dessalée. Du fait de la complexité des procédés de fabrication de ces membranes, et du fait que leurs pores sont une distribution de capillaires de diamètre hydraulique variable, les caractéristiques de porosité de ces membranes ne sont pas totalement maîtrisées et il est cependant nécessaire de pouvoir mesurer précisément la distribution dimensionnelle des pores. Des dispositifs de mesure de porosité de média poreux existent pour des diamètres de pores supérieurs à 0,1 micromètre. Selon ces dispositifs, une membrane mouillée par un liquide est placée dans une chambre de mesure, un gaz est ensuite injecté d'un côté de la membrane pour atteindre le point de bulle, point pour lequel la pression dépasse la résistance de capillarité du plus gros pore de la membrane, la pression est ensuite augmentée et le débit est mesuré jusqu'à ce que tous les pores soient débarrassés du liquide et la membrane considérée comme sèche. La mesure de pression et de débit donne les caractéristiques de porosité de la membrane. Un dispositif tel que décrit ci dessus est limité en types de mesure possibles et ne permet notamment pas de mesure de caractéristiques sur de 5 faibles tailles de pores. La présente invention a pour objet un dispositif permettant d'effectuer plusieurs types de mesures sur des média poreux et notamment des membranes: gaz-liquide, liquide-liquide, point de bulle avec membrane mouillée, point de goutte avec membrane sèche, perméabilité au gaz avec membrane sèche, perméabilité au solvant, tension interfaciale entre deux fluides, angle de contact entre un solvant et une membrane. Pour ce faire la présente invention concerne principalement un dispositif de mesure de caractéristiques liées à la porosité d'un média tel qu'une membrane, comprenant un premier circuit d'amenée d'un premier fluide sous pression, une cellule de mesure recevant une membrane, des premiers moyens de mise en et hors communication du premier circuit avec une première chambre de la cellule, le dispositif comportant en outre un réservoir de réception d'un deuxième fluide, un deuxième circuit de liaison entre le réservoir et la première chambre et des deuxièmes moyens de mise en et hors communication du premier circuit avec le réservoir de telle sorte que le deuxième fluide puisse être injecté sous pression dans ladite première chambre sous l'action du premier fluide. Le deuxième circuit peut avantageusement comporter des troisièmes moyens de mise en et hors communication du deuxième circuit avec la 25 première chambre. Un problème supplémentaire des mesures de pression est la présence d'une chute de pression au moment du premier passage d'air dans le pore le plus gros. Cette chute de pression cause une imprécision de la mesure. Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, le premier circuit comporte un dispositif de fuite pilotée permettant de réguler la pression dans le premier circuit. La cellule peut être de type comportant une seconde chambre pourvue d'une sortie dite sortie filtrat, la première chambre peut par ailleurs comporter une sortie, dite sortie de vidange, les premier et deuxième circuits pouvant être reliés à la première chambre au travers d'une branche commune dite entrée de la cellule. Selon un mode de réalisation préféré, la cellule est orientable selon un axe horizontal. Dans ce cadre, l'entrée de la cellule, la sortie filtrat et la sortie de vidange sont angulairement espacées par rapport à l'axe horizontal de telle sorte qu'une rotation de la cellule selon cet axe permette de modifier leur hauteur relative. Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, la sortie de vidange est pourvue d'un circuit de vidange comportant une vanne pilotée. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation particulier et non limitatif de l'invention en référence aux figures qui représentent: En figure 1 une vue schématique d'un exemple de réalisation du dispositif de mesure selon l'invention, En figures 2A, 2B, 2C, 2D une vue schématique de la cellule du 20 dispositif selon plusieurs orientations. Le dispositif de mesure de caractéristiques liées à la porosité de média tels que des membranes selon l'invention permet de réaliser des mesures de porométrie sur des membranes et est adapté à la réalisation de mesures utilisant un ou plusieurs liquides ainsi qu'un gaz. Ce dispositif est construit autour d'une cellule de mesure 2 et comprend un premier circuit 1 d'amenée d'un premier fluide F1 sous pression, ce fluide étant généralement un gaz comprimé à une pression de plus de 20 bar. La cellule 2 de mesure comporte une première chambre 2a et une seconde chambre 2b entre lesquelles est disposé un média poreux 3. Le premier circuit 1 comprend une branche 1 a pourvue de premiers moyens 6 de mise en et hors communication du premier circuit 1 avec la première chambre 2a de la cellule. Selon l'invention, le dispositif comporte un réservoir 5 de réception d'un deuxième fluide F2, ce deuxième fluide peut être un liquide et pour certaines mesures, qui seront expliquées plus loin, un premier puis un second liquide sont utilisés. Des deuxièmes moyens 7 de mise en et hors communication du premier circuit 1 avec le réservoir permettent, une fois le réservoir 5 rempli et fermé, au premier fluide de comprimer et/ou pousser le deuxième fluide de telle sorte que le deuxième fluide puisse être injecté sous pression dans la première chambre 2a, le réservoir 5 étant mis en communication avec cette première chambre par un deuxième circuit 4 dit circuit de liaison entre le réservoir 5 et la première chambre 2a. Ce circuit selon l'exemple comporte une branche principale et deux branches parallèles 4a et 4b, chacune pourvue d'un débitmètre 20a, 20b et des troisièmes moyens 8, 9 de mise en et hors communication du deuxième circuit 4 avec la première chambre 2a. Les troisièmes moyens sont ici dédoublés pour permettre la réalisation de deux branches 4a et 4b sur lesquelles des débitmètres 20a, 20b pourvus de plages de mesures différentes peuvent être utilisés en fonction des débits à mesurer afin d'obtenir une précision de mesure importante. En fonction du débit attendu la branche 4a ou la branche 4b est utilisée par ouverture du moyen correspondant à cette branche et fermeture du moyen de l'autre branche. Ainsi, plusieurs modes de fonctionnement principaux sont possibles. Soit le premier fluide est injecté directement dans la chambre et le réservoir 5 est isolé par ouverture des premiers moyens 6 de mise en et hors communication du premier circuit 1 avec la chambre 2a, fermeture des deuxièmes moyens 7 de mise en et hors communication du premier circuit 1 avec le réservoir et fermeture des troisièmes moyens 8, 9 de mise en et hors communication du deuxième circuit 4 avec la première chambre 4; Soit le premier fluide F1 est utilisé pour pousser le deuxième fluide F2 dans la première chambre 2a par fermeture des premiers moyens 6, ouverture des deuxièmes moyens 7 et ouverture de l'un des troisièmes moyens 8, 9; Soit isolement de la chambre par fermeture des premiers 6 et troisièmes moyens 8, 9. Le dispositif selon l'invention est complété au niveau de la cellule par une sortie de vidange de la première chambre reliée à un circuit 10 de vidange comportant une vanne 11 pilotée et par une sortie 14 dite sortie filtrat au niveau de la seconde chambre 2b de la cellule. Cette sortie 14 filtrat est la sortie par laquelle s'évacuent les fluides traversant le média 3 sous l'action de la pression exercée par le fluide F1. Lors de mesures de type point de bulle, c'est à dire mesure de la pression nécessaire pour ouvrir un premier pore du média 3, puis de mesure de perméabilité, le dispositif de compression du premier fluide F1, par exemple de l'air doit faire monter en pression la cellule de manière continue. Tant que le point de bulle n'est pas atteint, cette montée en pression se fait sans qu'il n'y ait consommation d'air au niveau de la cellule. Une fois le point de bulle atteint, de l'air traverse le média ce qui cause une consommation d'air. Afin de ne minimiser l'erreur de mesure par chute de la pression due à cette transition entre un mode sans consommation et un mode avec consommation, le premier circuit 1 comporte un dispositif 12 de fuite pilotée. Cette fuite, d'un ordre de grandeur supérieur à la consommation due à la membrane, lisse la montée en pression. Ceci est particulièrement sensible pour des mesures de type gaz-liquide où le média est préalablement mouillée puis mise sous pression par un fluide F1 gazeux pour mesurer la pression nécessaire pour dépasser la pression capillaire du plus gros pore de la membrane. Selon l'exemple le raccordement des premier et deuxième circuits 1, 4 à la première chambre 2a se fait au travers d'une branche commune 13a dite entrée de la cellule 2. Ainsi la cellule comporte une entrée de fluides et une sortie munie de moyens de fermeture par la vanne pilotée au niveau de la chambre 2a et 30 comporte une sortie 14 pour les filtrats au niveau de la seconde chambre. Selon un aspect avantageux de l'invention, la cellule est orientable selon un axe 15 horizontal, l'entrée de la cellule, la sortie filtrat et la sortie de vidange étant angulairement espacées par rapport audit axe horizontal de telle sorte qu'une rotation de la cellule selon ledit axe permette de modifier leur hauteur relative. Cette configuration est décrite figures 2A, 2B, 2C, 2D pour différentes positions de la cellule en rotation. Cette configuration permet de réaliser aisément des mesures nécessitant des changements de fluides et permet d'accroître la précision des mesures. En particulier, le dispositif selon l'invention permet aussi bien de réaliser des mesures de porométrie gaz-liquide comme vu précédemment que des mesures de porométrie liquide-liquide. Pour les mesures, plusieurs capteurs sont présents et, afin de permettre des mesures précises, des capteurs ayant des gammes de mesure adaptées sont disposés dans des circuits parallèles sélectionnables. Par exemple, trois circuits parallèles pourvus de débitmètres 21a, 21 b, 21c à gammes de mesure différentes sont prévus dans le premier circuit 1. Ces circuits parallèles sont commandés par des vannes pilotées 22a, 22b, 22c permettant de sélectionner le circuit pourvu du débitmètre dont la précision convient le plus au débit présent ou prévu dans le circuit. De même, en amont des débitmètres 21a, 21b, 21c, deux circuits pourvus de régulateurs de pression 23a, 23b pilotés et adaptés à des gammes de pression différentes sont présents et sélectionnables par des vannes pilotées 24a, 24b, ce en aval d'un branchement 25 vers une source de gaz comprimé. En aval des débitmètres 21a, 21b, 21c, sur le premier circuit 1, se trouvent deux capteurs de pression 26a, 26b, l'un étant mis en et hors service 25 par une vanne pilotée 27. L'ensemble des vannes pilotées, des moyens de mise en et hors communication et capteurs est éventuellement relié à un dispositif de commande tel qu'un ordinateur muni d'une carte d'entrées-sorties de commande afin de permettre une automatisation des séquences de mesures. Une mesure de porométrie gaz-liquide sera réalisée en plaçant le média mouillé d'un solvant de tension superficielle connue dans la cellule, en incrémentant la pression par le premier circuit à l'aide de l'un des régulateur de pression 23a, 23b piloté tout en maintenant un débit de fuite par le dispositif 12 de fuite pilotée jusqu'à détecter un débit dit débit de filtrat correspondant à l'ouverture du plus gros pore lorsque la pression atteint et dépasse la pression capillaire de ce pore. Une fois le débit de filtrat amorcé, le dispositif de fuite pilotée est progressivement refermé alors que la pression continue d'être incrémentée jusqu'à la dernière pression de consigne. Une fois la mesure terminée, le circuit est remis à la pression atmosphérique en ouvrant une vanne de mise à l'air libre 28. Dans le cas d'une mesure liquide-liquide, la membrane sèche est disposée dans la cellule 2 qui est éventuellement positionnée dans la position de la figure 2A pour que la sortie de vidange de la première chambre 2a soit en point haut. Le réservoir 5, comportant un orifice de remplissage 16 indépendant du premier circuit 1, est rempli par le premier liquide, par exemple une phase mouillante alors que le deuxième circuit 4 est ouvert pour remplir la première chambre 2a de la cellule 2, que le premier circuit est fermé par la vanne 6 et que la liaison entre le réservoir et le premier circuit est fermé par la vanne 7. Une fois le remplissage terminé, le réservoir est fermé et la liaison entre le réservoir et le premier circuit est ouverte par la vanne 7 de façon à permettre la mise en pression du réservoir par le premier fluide F1, ceci dans le cas de cette mesure, sans ouvrir le dispositif de fuite calibrée 12. La pression est alors incrémentée et le débit de liquide est mesuré à l'aide de l'un des débitmètres 20a, 20b jusqu'à la dernière pression de consigne. Une fois cette pression atteinte, le dispositif est remis à pression atmosphérique en ouvrant la vanne 28, le réservoir est vidangé par exemple en positionnant la cellule de telle sorte que sa sortie de vidange soit en point bas. La deuxième phase liquide ou phase poussante est alors injectée dans le réservoir avec, dans le cas où le liquide poussant est plus lourd que le liquide mouillant, la sortie de vidange de la première chambre positionnée en point haut pour terminer d'évacuer le liquide mouillant non emprisonné dans la membrane. Une fois le circuit rempli, comme représenté en figure 2B, la cellule est positionnée telle que la membrane est dans un plan vertical pour éliminer les effets de la pesanteur puis la pression est incrémentée, sans débit de fuite, jusqu'à la dernière pression de consigne pendant que le débit de filtrat est mesuré à l'aide de l'un des débitmètres 20a, 20b. Dans le cas où la deuxième phase liquide est plus légère que la première, la mesure se fait cellule en position inclinée, chambre 2a sous la chambre 2b comme représenté en figure 2D de façon à ce que les reliquats de phase lourde tombent verticalement loin de la membrane et ne puissent fausser la mesure. Le dispositif selon l'invention permet ainsi de nombreuses mesures gazliquide telles que point de bulle, point de goutte et de nombreuses mesures liquide-liquide. Le dispositif permet en outre de réaliser des mesures telles que tension interfaciale entre deux fluides en utilisant un média poreux dont la répartition est connue et qui est mouillable par le couple de liquides à tester et en réalisant une mesure de porométrie liquide-liquide avec ce média, la différence de répartition des caractéristiques de pores obtenue sera liée avec la différence des tensions interfaciales. De même le dispositif permet de réaliser une mesure d'angle de contact en effectuant, sur un média à tester, une mesure de porométrie gaz-liquide avec un liquide d'angle de contact connu et de tension superficielle connue puis en effectuant une mesure gaz-liquide avec le liquide à tester. La différence des deux répartitions obtenues sera liée à la différence des deux angles de contact. Le dispositif selon l'invention combinant un circuit gaz et un circuit liquide et comportant des branches de mesure parallèles sélectionnables permet ainsi de couvrir une vaste étendue de mesures. En outre, la cellule orientable permet de s'affranchir de la gravité et de supprimer les erreurs de mesures dues à la présence de reliquats de phases liquides entre deux mesures avec des liquides différents. 9 REVENDICATIONS 1 - Dispositif de mesure de caractéristiques liées à la porosité d'un média tel qu'une membrane, comprenant un premier circuit (1) d'amenée d'un premier fluide (F1) sous pression, une cellule (2) de mesure recevant ledit média (3), des premiers moyens (6) de mise en et hors communication du premier circuit (1) avec une première chambre (2a) de la cellule, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un réservoir (5) de réception d'un deuxième fluide (F2), un deuxième circuit (4) de liaison entre le réservoir (5) et la première chambre (2a) et des deuxièmes moyens (7) de mise en et hors communication du premier circuit (1) avec le réservoir de telle sorte que le deuxième fluide puisse être injecté sous pression dans ladite première chambre sous l'action du premier fluide. 2 - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le deuxième circuit (4) comporte des troisièmes moyens (8, 9) de mise en et hors communication du deuxième circuit (4) avec la première chambre (2a). 3 - Dispositif selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que le premier circuit (1) comporte un dispositif (12) de fuite pilotée. 4 - Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la première chambre (2a) comporte une sortie, dite sortie de vidange. 5 - Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la cellule (2) comporte une seconde chambre (2b) pourvue d'une sortie (14) dite sortie filtrat. 6 - Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que les premier et deuxième circuits (1, 4) sont reliés à la première chambre (2a) au travers d'une branche commune (13a) dite entrée de la cellule (2). 7 - Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la cellule est orientable selon un axe (15) horizontal. 8 - Dispositif selon les revendications 4, 5, 6 et 7 caractérisé en ce que l'entrée de la cellule, la sortie filtrat et la sortie de vidange sont angulairement espacées par rapport audit axe horizontal de telle sorte qu'une rotation de la cellule selon ledit axe permette de modifier leur hauteur relative. 9 - Dispositif selon la revendication 4 caractérisé en ce que la sortie de vidange est pourvue d'un circuit (10) de vidange comportant une vanne (Il) pilotée. - Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le réservoir (5) comporte un orifice de remplissage (16) indépendant 10 du premier circuit (1).