Approche analytique intégrée du colmatage de membranes MF–UF par les matières organiques naturelles (MON). Partie 1 : Caractérisations in situ et modèles de colmatage

RésuméL'utilisation des technologies à membranes est en plein essor ; toutefois, les problèmes de colmatage limitent cette expansion. Les acides humiques, les polysaccharides, les protéines ou autres composés présents dans les eaux naturelles induisent des chutes de production des membranes et sont à l'origine de fortes diminutions des durées de vie des membranes. L'objectif principal de ce travail a été de développer une approche originale du colmatage de membranes basses pression de microfiltration (MF) et d'ultrafiltration (UF) sous forme de fibres creuses soumises à une eau naturelle (l'eau de la Marne) et à deux solutions synthétiques, une d'acides humiques et une autre de résidus d'algues. Cet article s'intéresse à la caractérisation des membranes avec un large éventail d'outils analytiques, incluant de nouvelles technologies comme l'ESCA (Electron Spectroscopy for Chemical Analysis) la pyrolyse couplée à la spectrométrie de masse, l'analyse au microscope électronique à balayage à basse tension FESEM (Field Emission Gun Scanning Electronic Microscopy), la microscopie à force atomique AFM (Atomic Force Microscopy), la mesure d'angle de contact et la mesure de potentiel d'écoulement pour la détermination du potentiel zêta. Des informations complémentaires de celles obtenues avec les outils cités précédemment sur la surface des membranes ont également été obtenues par des analyses en solution des paramètres suivants : COD, UV254, HP-SEC, acides aminés totaux (AA), sucres aminés (AS), alcalinité et dureté, déterminés pour l'alimentation, le perméat et les solutions de backflushing. Par ailleurs, une étude préliminaire est présentée : elle concerne la détermination d'un nouvel indicateur du pouvoir colmatant d'une solution filtrée, le MFI (pour Modified Fouling Index ou indice de colmatage modifié), déterminé en MF et en UF pour une eau naturelle de la Marne (France), et les deux solutions synthétiques étudiées (une solution d'acides humiques et une solution d'exsudat de culture algale). Les résultats montrent que la membrane MF colmate plus que la membrane UF et que, parmi les espèces les plus colmatantes, les résidus d'algues fortement chargés en composés de types polysucres forment rapidement un gel sur la membrane, induisant une chute drastique de ses performance et des valeurs de MFI–UF les plus élevées (> 2000 s/l2) ont été obtenues pour ce type de composés en solution. Pour citer cet article : K. Kecili et al., C. R. Chimie 9 (2006).

Interest in coupling membranes autopsies and permeates analysis for a better management of fouling phenomena occuring in low-pressure MF/UF membranes. Successful utilization of membrane technology has been greatly limited by membrane fouling. Fouling increases operation and maintenance costs by deteriorating membrane performance (flux decline vs time) and ultimately shortening membrane life. Natural organic matter (NOM) plays an important role in membrane fouling. Humic substances as well as polysaccharides and proteins have been shown to exert fouling properties towards low- and high-pressure membranes. The overall objective of our work is to better characterize the nature of the fouling material, which is responsible for the reduction of permeability observed during low-pressure membrane filtration (MF and UF) of raw and chemically treated surface waters using hollow fiber modules. Our paper focused on the membrane caracterizations conducted on hollow fibers operated with a raw surface water and two synthetic solutions containing models foulants (humic acids and algal culture) using a large panel of analytical tools including novel technologies such as ESCA (Electron Spectroscopy for Chemical Analysis) and pyrolysis gaz chromatography/mass spectrometry in addition to FESEM (Field Emission Gun Scanning Electronic Microscopy), AFM (Atomic Force Microscopy), contact angle and zeta potential measurements. Complementary informations obtained from the analyses of the feed water, the permeate and the backwash water solution (DOC, UV254, High-pressure SEC, Total Amino Acids (AA) and Amino Sugar (AS), hardness, alkalinity) are also discussed. Furthermore, the cake layer model of fouling is developped to determine the modified fouling index parameters denoted MFI-UF and MFI-MF for a raw water from the Marne River (France) and two synthetics solutions (humics and algae), in order to predict fouling. To cite this article: K. Kecili et al., C. R. Chimie 9 (2006).