Brevet FR2878452A1 — publié le 20060602

La présente invention concerne le domaine technique de la séparation tangentielle mettant en oeuvre des éléments de séparation appelés généralement membranes, réalisés à partir de matériaux inorganiques et constitués d'un support poreux dans lequel est aménagée une série de canaux de circulation pour un milieu fluide sur la surface desquels est déposée au moins une couche séparatrice dont la nature et la morphologie sont adaptées pour assurer la séparation des molécules ou des particules contenues dans le milieu fluide à traiter. L'objet de l'invention vise plus précisément la réalisation d'un tel support poreux. 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. D'une manière classique, une membrane ou un élément de séparation se définit par l'association d'un support poreux en matière inorganique telle qu'en céramique et d'une ou plusieurs couches séparatrices en matière inorganique déposées sur la surface de chaque canal de circulation et liées entre elles et au support par frittage. Le rôle du support est de permettre par sa résistance mécanique la réalisation de couches séparatrices de faible épaisseur. Dans le domaine des membranes tubulaires, le support poreux rigide est de forme allongée en présentant une section droite transversale polygonale ou circulaire. Le support poreux est aménagé pour comporter une série de canaux parallèles entre eux et à l'axe longitudinal du support poreux, en présentant chacun une forme cylindrique. Les canaux communiquent d'un côté avec une chambre d'entrée pour le milieu fluide à traiter et de l'autre côté avec une chambre de sortie. La surface des canaux est recouverte par au moins une couche séparatrice assurant la séparation des molécules ou des particules contenues dans le milieu fluide circulant à l'intérieur des canaux selon un sens donné d'une extrémité des canaux dite d'entrée à l'autre extrémité dite de sortie. Une telle membrane réalise par effet tamis, une séparation des espèces moléculaires ou particulaires du produit à traiter dans la mesure oli toutes les particules ou molécules supérieures au diamètre des pores de la membrane sont arrêtées. Durant la séparation, le transfert du fluide s'effectue à travers la couche séparatrice, puis le fluide se répand dans la perméabilité du support pour se diriger vers la surface extérieure du support poreux. La partie du fluide à traiter ayant traversée la couche de séparation et le support poreux est appelée perméiit et se trouve récupérée par une chambre de collecte entourant la membrane. Le paramètre principal de la qualité d'un support de filtration est sa surface filtrante qui correspond à la surface interne d'un canal multiplié par le nombre de canaux. La caractéristique qui définit le mieux l'efficacité d'un support de filtration est le rapport S/V de la surface filtrante S au volume V du support car il est évident que le débit sortant du support de filtration est d'autant plus important que sa surface filtrante est élevée. Ainsi, pour favoriser l'accroissement du rapport S/V, il peut être envisagé d'augmenter le nombre des canaux du support de filtration. Dans le même but, en vue d'augmenter la surface filtrante du support de filtration, il peut être prévu de choisir pour chaque canal, une section de forme non circulaire. Cependant, un autre paramètre important de la qualité d'un support de filtration est sa résistance mécanique. Or, si la surface filtrante augmente, la résistance mécanique du support de filtration diminue. L'objet de l'invention vise donc à définir les caractéristiques d'un support poreux de manière à optimiser sa surface filtrante tout en permettant qu'il présente une résistance mécanique performante. Pour atteindre un tel objectif, l'invention concerne un support poreux pour élément inorganique de séparation d'un milieu fluide en vue de récupérer un filtrat, le support poreux se présentant sous la forme d'un élément rigide allongé de volume et de section déterminés, possédant un axe central longitudinal, au moins deux canaux présentant chacun un diamètre hydraulique et une section de passage déterminés, en étant aménagés dans le support parallèlement à son axe central, les canaux présentant ensemble une surface filtrante destinée à être recouverte par au moins une couche séparatrice pour le milieu fluide. Conformément à l'invention, - le produit du diamètre hydraulique par la surface filtrante divisée par le volume du support est supérieur ou égal à 2 000, - et pour un support dont le rapport de la surface filtrante sur le volume est supérieur ou égal à 340, le rapport de la somme des sections de passage des canaux sur la section du support, par le diamètre hydraulique est supérieur ou égal à 8 (m2/m2.mm). L'objet de l'invention vise donc à définir un support poreux comportant un nombre de canaux le plus élevé possible. Il est considéré qu'un support poreux présente un volume V correspondant à sa section totale multipliée par sa longueur et une surface filtrante St correspondant à la somme des surfaces internes des canaux ou à la surface interne d'un canal multiplié par le nombre de canaux si tous les canaux possèdent la même section. Ainsi, il a été constaté que si le rapport St/V augmente quand le diamètre hydraulique des canaux diminue, le rapport de ce; deux caractéristiques permet de définir une valeur à partir de laquelle les supports de filtration sont performants. Ainsi, il est constaté que les supports de filtration ne devenaient réellement efficaces que si le produit du rapport St/V avec le diamètre hydraulique des canaux était supérieur ou égal à 2 000. Les unités utilisées;ont les unités usuelles pour l'homme du métier, c'est-à-dire le rapport St/V est exprimé en m2 sur m3 et que le diamètre hydraulique des canaux est en millimètre. Dan:; le cas où les canaux possèdent des valeurs différentes pour le diamètre hydraulique, le diamètre hydraulique des canaux pris en considération correspond au diamètre hydraulique moyen desdits canaux. Selon une autre caractéristique de l'invention, la résistance mécanique d'un support de filtration conforme à l'invention est choisie pour être optimale avec un nombre de canaux le plus élevé possible. Il convient de considérer que la notion de résistance mécanique est liée à la masse du support de filtration. Pour caractériser cette masse du support de filtration, il peut être utilisé la notion de transparence qui se définit par le rapport pour chaque support de filtration, de la section totale de passage du fluide sur la section totale du support poreux. Par exemple, pour un support de filtration de diamètre externe de 25 mm et comportant 19 canaux de filtration présentant chacun 3,5 mm de diamètre, la transparence est égale à la section d'un canal multiplié par le nombre de canaux et divisée par la section du support correspondant au diamètre de 25 mm. La transparence est donc un indics de la quantité de matière dans le support de filtration car elle représente la proportion de la surface de vide dans la section totale du support. Cette proportion de surface de matière multipliée par la longueur correspond au volume de matière du support de filtration et donc à la masse. Ainsi, une forte transparence correspond à des supports de filtration de faible masse tandis qu'une faible transparence correspond à des supports de filtration de forte masse. Il a ainsi pu être démontré que la résistance mécanique des supports de filtration ne devenait réellement efficace que si le rapport de la transparence (c'est-à-dire la somme des sections de passage des canaux sur la section du support) sur le diamètre hydraulique est égale ou supérieure à 8 mm -1 (m2/m2.mm). Il est à noter qu'un tel rapport intéresse uniquement un support de filtration dont le rapport de la surface filtrante St sur le volume V est supérieur ou égal à 340. Conformément à l'invention, le support poreux comporte au moins deux canaux dont l'un au moins possède une section circulaire tandis qu'au moins un canal possède une section non circulaire. Bien entendu, il peut être prévu que le support poreux comporte au moins deux canaux possédant chacun une section non circulaire. Dans le même sens, il peut être prévu un support poreux comportant un canal de section circulaire centré sur l'axe du support et autour duquel sont répartis sur une ou plusieurs circonférences, des canaux de section non circulaire. Un autre aspect de l'invention est d'optimiser la forme des canaux de section non circulaire du support poreux afin d'optimiser la qualité de l'élément de filtration. En d'autres termes, la qualité d'un élément de filtration dépend également de la maîtrise de l'épaisseur de la couche ou des couches de séparation déposées sur la surface des canaux, à partir d'une suspension ou d'un sol-gel. Ainsi, selon une caractéristique de l'invention, il est prévu que chaque canal de section non circulaire comporte des congés de raccordement dont le rayon de courbure est toujours supérieur à 2 mm. En effet, il a été constaté pour des congés de raccordement présentant de faibles valeurs, la formation de ménisques liquides durant la vidange de la suspension ou du sol-gel utilisé pour réaliser le dépôt de la couche de séparation. Pour des congés de raccordement des parois dont le rayon est supérieur à 2 mm, le ménisque réalisé durant l'écoulement de la suspension ou du sol- gel est minime et n'occasionne pas de défauts. Selon une autre caractéristique de l'invention, le support poreux présente pour chaque canal de section non circulaire, une forme contribuant à la maîtrise de l'épaisseur de la couche de filtration. Il doit être considéré qu'un canal de section non circulaire comporte des parties planes et des parties circulaires. Par convention, une surface est considérée plane si son rayon de courbure est supérieur ou égal à 20 mm, et par suite, une surface est considérée circulaire si elle possède un rayon de courbure inférieure à 20 mm. Il doit être considéré que les parties circulaires ne doivent pas être prépondérantes dans la forme du canal car ces surfaces génèrent le plus d'hétérogénéité de volume poreux. Inversement, entre les surfaces planes de deux canaux adjacents, l'épaisseur du support poreux peut être constante et dans ces conditions, le volume poreux ne varie pas. Aussi, conformément à l'invention, la proportion de surface circulaire dans le périmètre d'un canal non circulaire doit être inférieure ou égal à 85 % et de préférence supérieure à 30 %. Dans ces conditions, la qualité du dépôt de la couche de filtration est homogène. Le tableau de la Figure unique permet de montrer l'avantage d'une telle caractéristique. Cette Figure unique montre en fonction du pourcentage de surface circulaire sur un canal, la variation de la masse déposée de la couche de filtration et du taux de rétention de la molécule Dextran 180 KD, appliqué à des couches de type 300 KD. Ainsi, plus la surface est circulaire, plus la masse déposée est importante en raison du réservoir poreux élevé associé à chaque surface courbe. Cette masse devient trop importante dans le cas d'une surface totalement circulaire (100 %), ce qui fait apparaître des fissurations. Plus la surface est plane, plus l'épaisseur du dépôt de la couche de filtration est faible dans les parties non circulaires, ce qui explique la décroissance de la rétention avec le pourcentage de la surface circulaire. 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 - Support poreux pour élément inorganique de séparation d'un milieu fluide en vue de récupérer un filtrat, le support poreux se présentant sous la forme d'un élément rigide allongé de volume (V) et de section (S), possédant un axe central longitudinal, au moins deux canaux présentant chacun un diamètre hydraulique et une section de passage (si) déterminés, en étant aménagés dans le support parallèlement à son axe central, les canaux présentant ensemble une surface filtrante (St) destinée à être recouverte par au moins une couche séparatrice pour le milieu fluide, caractérisé en ce que: - le produit du diamètre hydraulique par la surface filtrante (St) divisée par le volume (V) du support est supérieur ou égal à 2 000, - et pour un support dont le rapport de la surface filtrante (St) sur le volume (V) est supérieur ou égal à 340, le rapport de la somme des sections de passage (s;) des canaux sur la section (S) du support, par le diamètre hydraulique est supérieur ou égal à 8 m2/m2.mm. 2 - Support poreux selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'un au moins des canaux possède une section circulaire tandis qu'au moins un canal possède une section non circulaire. 3 - Support poreux selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins deux 20 canaux possèdent chacun une section non circulaire. 4 - Support poreux selon la revendication 3, caractérisé en ce que les canaux de section non circulaire sont répartis autour d'un canal de section circulaire centré sur l'axe de support. - Support poreux selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que chaque canal de section non circulaire comporte d'une part des congés de raccordement dont le rayon de courbure est toujours supérieur à 2 mm et d'autre part une proportion de surfaces dont le rayon de courbure est inférieur à 20 mm dans le périmètre du canal, qui est inférieure ou égale à 85 %. 6 - Support poreux selon la revendication 5, caractérisé en ce que pour chaque 30 canal de section non circulaire la proportion dans le périmètre du canal de surfaces dont le rayon de courbure est inférieure à 20 mm est supérieure à 30 %. 7 - Elément inorganique de séparation caractérisé en ce qu'il compDrte un support poreux conforme à l'une des revendications 1 à 6 présentant des canaux dont la surface est recouverte par au moins une couche séparatrice.