Osmose Inverse : Principe et Membranes

Le Procédé de l’Osmose Inverse
Principe de l’osmose et de l'osmose inverse :
- L’osmose : Ce terme est utilisé pour décrire le phénomène par
lequel l'eau pure se déplace d'une solution moins concentrée vers une solution
plus concentrée quand ces solutions sont séparées par une membrane semi –
perméable ayant la caractéristique de retenir les sels, comme l'indique la figure-
1.a.
Figure-1.a : L’osmose
- L’équilibre osmotique : le flux d'eau pure décrit plus haut
s’arrête naturellement quand l'équilibre osmotique est atteint. A ce point, il
existe à travers la membrane une pression entre les deux solutions. Elle est
appelée "pression osmotique", figure-1.b. La pression osmotique d'une solution
est définie comme la pression nécessaire pour arrêter le flux osmotique à travers
une membrane semi - perméable.
Figure-1.2 : L’équilibre osmotique

- L’osmose inverse : De façon à obtenir de l'eau potable à partir d'une eau
salée dans un processus identique, en d'autres termes renverser le flux de l'eau
pure (c.à.d. l'eau pure se déplace d'une solution plus concentrée vers une
solution moins concentrée), on doit appliquer sur la solution la plus concentrée
une pression plus grande que la différence en pression osmotique; c'est le
phénomène de l'osmose inverse, figure-1.c.
Figure-1.3 : L’osmose Inverse
La pression osmotique est fortement fonction de la concentration du
soluté (ou plus précisément de l'activité du soluté).
On peut montrer que, pour une solution aqueuse électrolyte, la pression
osmotique est donnée par la relation suivante :
Où : v: nombre d'ions par molécule de soluté
R: constante des gaz parfaits
T: température absolue
x: fraction de la molécule du sel
VW: volume molaire de l'eau
W
VxTRv

Flux à travers les membranes d'osmose inverse
Dans le phénomène de l'osmose inverse montré précédemment, on a
supposé des membranes parfaites, c'est à dire des membranes qui laissent passer
l'eau pure tout en rejetant complètement les sels. Malheureusement, ce n'est pas
le cas en pratique.
Les membranes laissent passer l'eau aussi bien que le sel, mais en très
faible quantité. Plus une membrane retient les sels et plus elle est meilleure. Le
mécanisme par lequel la membrane assure cette séparation n'est pas encore bien
connu. Cependant, pour les besoins d'engineering on peut se rapprocher du
comportement réel des membranes en faisait les deux (02) suppositions
suivantes :
a) Le flux d'eau à travers la membrane est directement proportionnel à
l'excès de pression appliquée à travers la membrane par rapport à la pression
osmotique (∆Π) existant à travers la membrane. Le flux d'eau, JW, à travers la
membrane peut être écrit comme suit :
b) Le flux de sels à travers la membrane est directement proportionnel à la
différence de concentration (ΔCs) existant entre chaque côté de la membrane. Le
flux de sels, JS, peut être écrit comme suit :
Les constantes de proportionnalité k1 et k2 sont des propriétés des
membranes elles-mêmes, elles dépendent de la température du système et de la
composition des sels de la solution.
Les unités sont habituellement les suivantes:
Pression…………………………………..atmosphère.
Flux……………………………………….grammes / cm².sec.
Concentration & densité………………….grammes / cm3.
k1…………………………………………grammes/cm .sec.atm.
k2………………………………………….cm/sec.
Coefficient de diffusion………………..cm²/sec.
 PkJW1
SS CkJ  2

La polarisation de concentration
Pour avoir une bonne performance, la membrane doit avoir une abondante
perméabilité à l’eau pure et tout en retenant le maximum de sel. Donc la surface
de la membrane doit naturellement faire à une importante concentration de sel
dans le coté saumure de la membrane, cet effet nommé polarisation.
Cette augmentation de concentration de sel au niveau de la membrane résulte à
la diffusion de sel vers la solution d’alimentation. Dans un régime permanent
c’est la situation suivante qui se développe (figure-a) :
Figure: a – Courbe de polarisation
En considérant les deux équations de flux (Jw et Js), la polarisation produit
deux effets. D’une part, on obtient une augmentation de la pression osmotique
au niveau de la surface de la membrane et ce qui résulte en la réduction de la
force potentiel ΔP – ΔΠ et par conséquent à une diminution du flux d’eau pure. Et
d’autre part, la force potentiel de la différence de concentration à travers la
membrane augmente en résultant sur un plus important passage de sel et donc à
une mauvaise qualité d’eau produite.
On peut définir une mesure adimensionnelle de la polarisation qu’on appelle
‘degré de polarisation’ comme suit :
α = ( Cw - Cb ) / Cb

Membranes d'Osmose Inverse
Une membrane est comme une feuille mince, son épaisseur est de l'ordre
de 0.1 mm, qui forme une barrière physique entre deux fluides tout en gardant
un certain degré de communication entre eux. La particularité décisive des
membranes est la tendance d'une membrane particulière d'être plus perméable à
certaines espèces qu'à d'autres. C'est cette propriété qu'on utilise dans la
technologie des traitements d'eau, dont le but des applications, est d'utiliser des
membranes qui se rapprochent le plus de la condition parfaite d'être
sélectivement perméable à une espèce et absolument imperméable à l'autre.
En plus de la propriété principale d'une membrane d'être sélectivement
perméable, cela exige au plus une force additionnelle qui permet aux espèces de
se déplacer à travers la membrane. En effet, le flux (le débit / unité de surface)
d'un composant quelconque à travers la membrane est proportionnel à la force
de poussée.
Actuellement, les mécanismes par lesquels le sel et l'eau se déplacent à
travers une membrane semi - perméable avec des perméabilités différentes ne
sont pas entièrement connus. Il y a deux types de membranes qui sont établies
pour l'osmose inverse : les membranes asymétriques et les membranes
composites.
Les membranes asymétriques
Elles sont produites à partir d'une solution d'un polymère d'acétate de
cellulose dans un bon solvant comme l'acétone, avec l'addition d'un agent qui
permet la formation de pores tel que le perchlorate de magnésium acqueux.
Cette procédure est résumée dans les étapes suivantes:
Solution : le polymère est rendu en une solution visqueuse dans un solvant
(acétone) avec l'agent formateur de pores.
Moulage : une couche fine (150-250 microns) de la solution est étalée sur
du verre plat ou sur une matière poreuse (tissu) si la membrane est directement
moulée sur son support.
Evaporation : le film obtenu précédemment est ensuite exposé à l'air pour
permettre à une partie du solvant de s'évaporer. Le temps d'évaporation peut
varier de seconde en minutes.
Gélation : la membrane avec son support est trompée dans l'eau pour un
certain temps, ce qui permet la solidification de la membrane.
Traitement thermique : la membrane subit alors un traitement dans un
bain chaud à une température variant entre 60 et 85 °C pour quelques minutes.
La membrane produite par ce processus est relativement solide (support
facilement manipulé). Beaucoup de travaux de recherche ont été effectués pour
établir les mécanismes de formation de membranes et pour trouver les