Brevet FR2973718A1 — publié le 20121012

DISPOSITIF ET PROCEDE POUR TESTER DES MODULES DE FILTRATION MEMBRANAIRES, EN PARTICULIER DES MODULES D'ULTRAFILTRATION, DE MICROFILTRATION OU D'OSMOSE INVERSE. L'invention est relative à un dispositif pour tester des modules de filtration membranaires, dispositif comprenant un bâti dans lequel les modules à tester sont disposés verticalement ou horizontalement, ces modules comportant une entrée d'alimentation en eau à filtrer, une sortie de filtrat et une sortie de rétentat, le bâti supportant une première conduite pour une alimentation commune 1 o des modules en eau à filtrer, une deuxième conduite d'évacuation de filtrats reliée aux sorties filtrat des modules, et une troisième conduite reliée aux sorties rétentat des modules. L'invention concerne le domaine de la conception et de la réalisation des systèmes de filtration membranaires d'eaux destinées à la consommation, à 15 des applications industrielles, au traitement résiduaire et à la réutilisation. Les systèmes de filtration membranaires en microfiltration, ultrafiltration et nanofiltration utilisent des modules qui se composent : - d'une enveloppe extérieure positionnée verticalement ou horizontalement, - d'une ou plusieurs membrane(s) à l'intérieur de l'enveloppe, 20 - de trois ou quatre piquages respectivement : pour l'alimentation des modules ; pour la sortie de l'eau filtrée appelée "filtrat" ; pour la sortie rétro-lavage appelée "rétentat" ; et éventuellement pour une sortie "vidange" du module. Les dispositions des différents éléments d'un module varient d'un constructeur à l'autre. L'enveloppe peut être plus ou moins longue et d'un diamètre 25 différent, les membranes peuvent être des fibres creuses de diamètres différents et de nombres différents entraînant une surface membranaire variable. Le positionnement, le type et le diamètre des piquages sont également variables suivant les constructeurs. L'alimentation peut être assurée par un piquage inférieur axial ou latéral. La sortie "filtrat" peut être axiale ou latérale en partie haute, tandis 30 que la sortie "rétentat" en partie haute est radiale lorsque la sortie du filtrat est axiale, et axiale lorsque la sortie du filtrat est radiale. En plus de la différence géométrique de l'enveloppe, les fibres constituant les modules de filtration sont très souvent différentes quant à leurs comportements pour un même flux exprimé en litres/mètres carrés/heure (L/m2/h). 35 Les comportements des fibres sont couramment caractérisés par : - l'évolution de la pression transmembranaire (PTM) correspondant à la différence de pression entre l'amont et l'aval de la membrane ; - la récupération de la perméabilité après lavage exprimée en litres/mètres carrés/heure/bars (L/m2/h/b) ; - la tenue de la fibre dans le temps. Pour faciliter le dimensionnement d'une usine de filtration d'eau, en particulier pour déterminer la surface de membrane, donc le nombre de modules, les comportements de chaque type de module à l'égard de l'eau brute à traiter doivent être connus. Des essais doivent donc être réalisés directement sur site en raison des volumes importants d'eau à mettre en oeuvre pour obtenir des résultats fiables. Les essais pilotes sont effectués avec chaque type de module. Les 1 o solutions proposées à ce jour impliquent autant d'essais que de types de modules à tester, ce qui rend les opérations compliquées et coûteuses et ne permet pas d'effectuer des comparaisons précises lorsque les essais de modules différents sont effectués à des périodes différentes. En effet, les caractéristiques de l'eau peuvent changer en fonction d'événements naturels comme la température 15 extérieure, la nature physico-chimique de l'eau due aux changements de saisons par exemple, ou d'événements particuliers comme une pollution accidentelle. L'invention a pour but, surtout, de proposer un dispositif pour tester des modules de filtration membranaires qui ne présente plus ou à un degré moindre les inconvénients mentionnés ci-dessus. En particulier, le dispositif doit permettre 20 de tester de manière précise et simple des modules de types différents. Selon l'invention, un dispositif pour tester des modules de filtration membranaires, en particulier des modules d'ultrafiltration, de microfiltration ou d'osmose inverse, du genre défini précédemment, est caractérisé en ce que : - les modules de filtration installés dans le bâti sont de types différents, en 25 particulier avec des membranes de filtration différentes, - une vanne réglable est disposée sur la canalisation de sortie de filtrat de chaque module pour permettre d'ajuster le débit du module concerné de manière indépendante, - et un débitmètre est également disposé sur la canalisation de sortie de chaque 30 module, en amont du raccordement à la conduite d'évacuation de filtrats. De préférence, un capteur de pression est installé sur chaque sortie de filtrat de module, entre la sortie et la vanne réglable, tandis qu'un capteur de pression est installé sur la première conduite pour mesurer la pression commune d'alimentation de l'eau brute. Il est ainsi possible de déterminer la pression 35 transmembranaire (PTM) pour chaque module. Avantageusement, le dispositif comporte un dispositif de rétro-lavage commun à tous les modules à tester, avec pompe de rétro-lavage dont le refoulement est relié, par une canalisation munie d'une vanne, à la conduite d'évacuation de filtrat, l'aspiration de la pompe étant reliée à une ressource en eau de rétro-lavage, la conduite d'alimentation commune étant reliée par une vanne à une évacuation du liquide de rétro-lavage vers un drain. De préférence, un dispositif de nettoyage en place, commun à tous les modules, est prévu avec pompe dont le refoulement est relié à la première conduite d'alimentation et dont l'aspiration peut être reliée, par l'intermédiaire de vannes, à une ressource en eau de nettoyage, ou à l'arrivée d'eau brute. Le dispositif comporte des raccordements pour le montage de plusieurs types de modules de filtration différents, avantageusement au moins quatre types 1 o de modules. Le dispositif de l'invention permet ainsi de tester simultanément plusieurs modules de filtration différents dans des conditions similaires de telle sorte que la comparaison des comportements de ces modules est fiable. L'invention est également relative à un procédé pour tester des 15 modules de filtration différents, caractérisé en ce que l'on effectue un test simultané des modules différents en mettant en oeuvre un dispositif tel que défini précédemment. Avantageusement, lors de la mise en service, on effectue des réglages indépendants des flux de filtration et de rétro-lavage, afin de trouver rapidement le 20 point de fonctionnement optimal de chaque module de filtration, qui correspond par exemple au point de fonctionnement permettant d'obtenir le débit net d'eau traitée maximum. De préférence, la filtration est maintenue pendant un temps suffisamment long pour apprécier le vieillissement des fibres des membranes de 25 chaque module, et, à la fin du test, des fibres sont prélevées des membranes de chaque module pour évaluer en laboratoire le degré de vieillissement de la membrane, notamment par la résistance mécanique des fibres, l'analyse de la structure chimique du polymère des fibres, l'analyse par microscopie de l'état de dégradation des peaux internes et externes des fibres et la composition de la 30 couche colmatante retenue sur la membrane. L'invention consiste, mises à part les dispositions exposées ci-dessus, en un certain nombre d'autres dispositions dont il sera plus explicitement question ci-après à propos d'exemples de réalisation décrits avec référence aux dessins annexés, mais qui ne sont nullement limitatifs. Sur ces dessins : 35 Fig. 1 est un schéma d'ensemble d'un dispositif selon l'invention pour tester quatre modules de filtration membranaires de types différents. Fig. 2 est un schéma partiel en perspective du montage d'un module d'un premier type et Fig. 3 est un schéma en perspective du montage d'un module d'un deuxième type. En se reportant à Fig. 1 des dessins, on peut voir le schéma d'un dispositif 1 pour tester des modules de filtration membranaire 2a, 2b, 2c, 2d, en particulier des modules différents d'ultrafiltration, ou de microfiltration ou d'osmose inverse. Le dispositif 1 comprend un bâti 3 schématiquement représenté dans lequel les modules 2a-2d sont disposés et maintenus verticalement avec, en partie basse, une entrée d'alimentation 4a-4d pour chaque module et, en partie haute, respectivement une sortie axiale de filtrat 5a-5d et une sortie latérale de rétentat 6a-6d. Le bâti 3 comporte une première conduite 7 fixée dans le bâti, pour une alimentation commune des modules par leurs entrées 4a-4d branchées en parallèle sur la conduite 7. Une deuxième conduite 8 d'évacuation des filtrats est fixée dans le bâti et est reliée en parallèle aux sorties filtrat 5a-5d des modules. Une troisième conduite 9 est reliée en parallèle aux sorties rétentat 6a-6d des modules. Les quatre modules 2a-2d sont différents, avec des membranes de filtration différentes. Une vanne réglable 10a-10d est disposée sur la canalisation de sortie de filtrat de chaque module pour permettre d'ajuster le débit du module concerné de manière indépendante. Un débitmètre 11 a-11 d est également disposé sur la canalisation de sortie de filtrat de chaque module, en amont de la vanne réglable selon le sens d'écoulement du filtrat. Un capteur de pression 12a-12d est installé entre chaque sortie de filtrat et la vanne réglable, et de préférence entre la sortie de filtrat et le débitmètre. Un capteur de pression 13 est également installé sur la conduite d'alimentation commune 7, en amont des branchements parallèles des modules. L'alimentation en eau brute est assurée par une canalisation 14 munie d'une vanne réglable 15. La canalisation 14 est reliée à l'aspiration d'une pompe 16, dont le refoulement est relié à la conduite 7. L'alimentation en eau brute des modules de différents types est ainsi commune, par le bas de chaque module. Ce montage assure d'avoir la même eau pour tous les modules à tester. La vanne de réglage 10a-10d, qui est une vanne modulante, permet d'ajuster le débit du module concerné de manière indépendante. Ce débit réglable rapporté à la surface du module détermine le flux sur chaque module en filtration ou en rétro-lavage (BW). Les capteurs de pression 12a-12d en combinaison avec le capteur de pression 13 permettent de déterminer la pression transmembranaire (PTM) pour chaque module et de calculer la perméabilité de chaque module en fonction du flux obtenu. Le dispositif 1 comporte un dispositif de rétro-lavage 17 commun à tous les modules à tester. Ce dispositif de rétro-lavage 17 comporte une pompe de rétro-lavage 18 dont le refoulement est relié, par une canalisation 19 munie d'une vanne 20, à la conduite 8 commune pour l'évacuation du filtrat. La connexion entre la canalisation 19 et la conduite 8 est située, selon le sens d'écoulement du filtrat, en aval du branchement sur la conduite 8 du dernier module aval 2d. L'aspiration de la pompe de rétro-lavage 18 est reliée à un bac 21 d'eau de rétro-lavage qui peut être alimenté en eau filtrée par une canalisation 22, munie d'une vanne 23. 1 o La canalisation 22 est connectée à la conduite 8 en aval de la connexion de la canalisation 19, selon le sens d'écoulement du filtrat, selon le sens d'écoulement du filtrat. La conduite 8 est munie, en aval de toutes les connexions, d'une vanne 8.1 pour raccordement à une utilisation du filtrat. L'eau de rétro-lavage, après avoir traversé les modules 2a-2d à contre- 15 courant, est évacuée vers un drain par une conduite 24, munie d'une vanne 25, connectée à la première conduite 7. Le dispositif 1 pour tester les modules de filtration comporte en outre un dispositif de nettoyage en place 26, commun à tous les modules. Ce dispositif de nettoyage 26 comporte un bac 27 de liquide de nettoyage qui alimente une 20 canalisation 28, munie d'une vanne 29, la canalisation 28 étant connectée à la canalisation 14 d'amenée d'eau brute, en amont de l'aspiration de la pompe 16. La conduite 9 recueillant les rétentats est reliée, par un prolongement 30 muni d'une vanne 31, à l'alimentation en liquide de nettoyage du bac 27. L'autre extrémité de la conduite 9 est munie d'une vanne 9.1 reliée à une 25 évacuation vers un drain. Le dispositif de rétro-lavage 17 et de nettoyage en place 26 sont communs aux modules de différents types, ce qui rend le dispositif de test très compact. Ces dispositifs 17 et 26 peuvent être fixés dans le bâti 3, et l'ensemble forme une unité facile à transporter. 3o Les fréquences des rétro-lavages et des nettoyages en place sont communes pour conserver une simultanéité dans le déroulement des séquences et garantir une comparaison parfaite des résultats entre chaque module. Fig. 2 illustre en perspective partielle le montage d'un module 4a avec en partie haute une sortie axiale 5a de filtrat et une sortie latérale 6a de rétentat 35 reliée par une tuyauterie flexible 32 à la conduite 9 recueillant les rétentats. Une tuyauterie 33 relie la sortie axiale 5a de filtrat à la conduite 8 recueillant les filtrats selon un trajet en forme de U renversé comme illustré sur Fig. 2, avec une vanne évent 34a en partie haute. Il est à noter que les positions relatives dans l'espace des conduites 7, 8, 9 restent fixes car ces conduites sont solidaires du bâti 3 du dispositif. Fig. 3 illustre en perspective partielle le branchement d'un module 4e de type différent non seulement au niveau des membranes, mais aussi au niveau des sorties en partie haute. La sortie de rétentat est axiale et est reliée par une pièce d'adaptation 35 à la conduite 9. La sortie du filtrat est latérale et reliée par une tuyauterie 36 à la conduite 8 recueillant les filtrats. La tuyauterie 36 est équipée d'une vanne évent 34e, d'un débitmètre 11 e, d'un capteur de pression 12e, et d'une vanne de régulation de débit 10e. Pour effectuer un test simultané de plusieurs modules différents, on installe ces modules dans le bâti 3 du dispositif en assurant les connexions des modules avec les conduites 7, 8 et 9. On amène le dispositif de test 1, ainsi préparé, sur le site de la ressource en eau brute. On relie la canalisation 14 d'alimentation à une arrivée d'eau brute. On relie la vanne 8.1 de la sortie d'eau filtrée à une utilisation de cette eau filtrée, réservoir de stockage ou réseau de consommation. On relie les sorties des vannes 9.1 et 25 à un drain. On met ensuite en service le dispositif de test 1 en ouvrant la vanne 15 et en mettant en marche la pompe 16. La pompe 18 reste arrêtée et la vanne 20 reste fermée, de même que les vannes 23, 29 et 31. On agit sur les vannes 10a-10d pour assurer un réglage indépendant des flux en filtration et en rétro-lavage afin de trouver facilement et rapidement le point de fonctionnement optimal de chaque module de filtration. Grâce aux ressources communes pour la pré-filtration de l'eau brute, le rétro-lavage et le nettoyage en place, les conditions de fonctionnement sont identiques pour chaque module (qualité de l'eau brute, fréquence et durée des rétro-lavages et des nettoyages en place, concentration des produits chimiques pour les nettoyages en place). Une fois le point de fonctionnement trouvé pour chaque module, les cycles restent identiques grâce à une armoire de contrôle automatisée (non représentée) qui commande les différentes vannes. Cette conduite de fonctionnement offre la possibilité d'observer le comportement des modules dans le temps. Après un temps de fonctionnement significatif, les modules membranaires sont expertisés en laboratoire. L'expertise consiste notamment à faire des mesures à l'échelle des fibres des membranes prélevées dans les modules pour évaluer le degré de vieillissement de chaque membrane : mesure de la résistance mécanique, analyse de la structure chimique du polymère de la fibre, microscopie pour analyser l'état de dégradation des peaux internes et externes de la fibre et la composition de la couche colmatante retenue sur la membrane. Ces expertises permettent de déterminer avec précision le vieillissement des fibres contenues dans chaque module testé. Grâce à ce rapport et aux conditions de fonctionnement identiques de chaque module, il est possible de valider et de comparer la tenue des fibres sur un cycle de vie complet, ou 1 o d'estimer une durée de vie de la membrane. L'ensemble de ces données, reprenant le point de fonctionnement, permet de choisir de manière sûre les membranes les mieux appropriées pour le traitement de la ressource considérée, et dans les conditions du site où aura lieu le traitement. 15 En particulier, ce dispositif de test est particulièrement adapté pour une comparaison de membranes destinées à la filtration d'eau de mer, par osmose inverse. Le dispositif de test permet de vérifier concrètement la faisabilité d'un projet, quant à la gestion des modules, et permet de comparer les résultats entre chaque module et les performances mesurées avec celles annoncées par les 20 fabricants de modules. D'une manière générale, le dispositif et le procédé de test selon l'invention peuvent être étendus à toutes applications industrielles utilisant des fluides autres que de l'eau ou à base d'eau. Le dispositif et le procédé peuvent être utilisés pour des unités industrielles autres que des pilotes d'essai. 25 REVENDICATIONS1. Dispositif pour tester des modules de filtration membranaires, en particulier des modules d'ultrafiltration, de microfiltration ou d'osmose inverse, dispositif comprenant un bâti dans lequel les modules à tester sont disposés verticalement ou horizontalement, ces modules comportant une entrée d'alimentation en eau à filtrer, une sortie de filtrat et une sortie de rétentat, le bâti supportant une première conduite (7) pour une alimentation commune des modules en eau à filtrer, une deuxième conduite (8) d'évacuation de filtrats reliée aux sorties filtrat des 1 o modules, et une troisième conduite (9) reliée aux sorties rétentat des modules, caractérisé en ce que : - les modules de filtration (2a-2d) installés dans le bâti sont de types différents, en particulier avec des membranes de filtration différentes, - une vanne réglable (10a-10d) est disposée sur la canalisation de sortie de filtrat 15 (5a-5d) de chaque module pour permettre d'ajuster le débit du module concerné de manière indépendante, - et un débitmètre (11 a-11 d) est également disposé sur la canalisation de sortie de chaque module, en amont du raccordement à la conduite (8) commune reliée aux sorties filtrat. 20 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un capteur de pression (12a-12d) est installé sur chaque sortie de filtrat (5a-5d) de module, entre la sortie et la vanne réglable (10a-10d), tandis qu'un capteur de pression (13) est installé sur la première conduite (7) pour mesurer la pression commune d'alimentation de 25 l'eau brute. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de rétro-lavage (17) commun à tous les modules à tester (2a-2d), avec pompe de rétro-lavage (18) dont le refoulement est relié, par une canalisation (19) 30 munie d'une vanne (20), à la conduite d'évacuation de filtrat (8), l'aspiration de la pompe étant reliée à une ressource (21) en eau de rétro-lavage, la conduite d'alimentation commune (7) étant reliée par une vanne (25) à une évacuation du liquide de rétro-lavage vers un drain. 35 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un dispositif de nettoyage en place (26), commun à tous les modules, est prévu avec pompe (16) dont le refoulement est relié à la première conduite d'alimentation (7) et dont l'aspiration peut être reliée, par l'intermédiaire de vannes(29, 15), à une ressource en eau de nettoyage (26), ou à l'arrivée d'eau brute (14). 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé 5 en ce qu'il comporte des raccordements pour le montage de quatre types de modules de filtration différents (2a-2d). 6. Procédé pour tester des modules de filtration membranaires différents, caractérisé en ce que l'on effectue un test simultané des modules différents en 1 o mettant en oeuvre un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que, lors de la mise en service, on effectue des réglages indépendants des flux de filtration et de rétro-lavage, afin de trouver rapidement le point de fonctionnement optimal de chaque 15 module de filtration (2a-2d). 8. Procédé selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que la filtration est maintenue pendant un temps suffisamment long pour apprécier le vieillissement des fibres des membranes de chaque module (2a-2d), et, à la fin du test, des 20 fibres sont prélevées des membranes de chaque module pour évaluer en laboratoire le degré de vieillissement de la membrane, notamment par la résistance mécanique des fibres, l'analyse de la structure chimique du polymère des fibres, l'analyse par microscopie de l'état de dégradation des peaux internes et externes des fibres et la composition de la couche colmatante retenue sur la 25 membrane.