Simulation de l'ultrafiltration de dispersions colloïdales
Résumé
Les procédés d'ultrafiltration trouvent leur principale limitation dans l'accumulation de matière dans ou sur la membrane. Ce phénomène, appelé colmatage, est contrôlé, outre par les conditions opératoires (flux de filtration), par les propriétés spécifiques des suspensions colloïdales (attraction et répulsion) qui régissent la cinétique d'accumulation. Le verrou subsistant à l'heure actuelle pour mieux maîtriser et contrôler le colmatage – et par la même mieux gérer la conduite du procédé - réside donc dans une caractérisation pertinente du couple fluide / procédé mis en œuvre. La démarche proposée dans cette étude consiste dans un premier temps à caractériser le fluide (suspension de particules de latex) dans toute la gamme de concentration rencontrée au cours de la filtration – depuis une phase dispersée jusqu'à la formation et la croissance d'un dépôt – et ce, via une propriété d'équilibre accessible expérimentalement, la pression osmotique 0(Φ). Cette caractérisation relative à la résistance à la compression de la suspension permet dans un deuxième temps de déterminer la cinétique d'accumulation de la matière ainsi que les conséquences qui y sont associées lors d'une opération de filtration menée en mode frontal et à flux constant. Ainsi, pour simuler l'ensemble de la filtration, deux états sont à considérer : - dans une phase dispersée, le transfert se traduit par un équilibre de phénomènes de transport par convection (flux de filtration) et par diffusion, - dans une phase condensée (dépôt), les forces de traînée engendrées par la perméation s'équilibrent avec la résistance de compression du réseau de particules. Le bilan de matière couplant classiquement convection et diffusion est donc établi en régime transitoire de façon à déterminer les profils de concentration dans l'épaisseur de la couche polarisée et les conditions opératoires conduisant à la transition de phase. La simulation de la filtration frontale donne des informations sur l'influence du flux de filtration sur la cinétique d'apparition, de croissance et d'éventuelle compression d'un dépôt. La comparaison avec les résultats expérimentaux souligne une bonne description de l'opération de filtration frontale via la simulation, laissant entrevoir l'opportunité de développer un outil pour l'ingénieur pertinent.