La membrane de filtration fait référence à un milieu qui sépare deux phases différentes de substances sous certaines forces motrices. Sous l'action d'une force motrice, les ions, les molécules et certaines particules de la solution mixte peuvent être séparés par la perméabilité de la membrane.
Selon le type de matériau, les membranes sont classées en membranes organiques et membranes inorganiques. Les membranes organiques ont été introduites pour la première fois et largement utilisées dans le traitement de l’eau en raison de leur efficacité de séparation élevée, de leur équipement simple et de leur processus de formage facile. Cependant, ils présentent encore des inconvénients inhérents tels qu’une courte durée de vie, une mauvaise stabilité chimique, une faible résistance aux micro-organismes et une mauvaise stabilité thermique.
Les membranes inorganiques, notamment les membranes céramiques, ont progressivement attiré l'attention. Depuis les années 1990, le taux de croissance annuel des membranes inorganiques a atteint 30 à 35 %, les membranes céramiques représentant environ 80 % de cette croissance.
Caractéristiques de performance des membranes céramiques inorganiques
Les membranes céramiques sont une sorte de membrane à l'état solide, avec leur support constitué de matériaux céramiques poreux et la couche filtrante composée de membranes céramiques microporeuses. Ils peuvent être de forme tubulaire, plate ou multicanal. La surface des membranes céramiques présente des micropores uniformément disposés avec des tailles de pores allant généralement de 0,004 à 15 μm. Préparées à partir de matériaux tels que Al2O3, TiO2, ZrO2 et SiO2, les membranes céramiques sont bien connues pour leur excellente stabilité chimique, leur résistance aux températures élevées et leur longue durée de vie.
1. Résistance aux hautes températures
Les membranes céramiques inorganiques ont une excellente résistance à la chaleur, la plupart des membranes céramiques étant capables de fonctionner à des températures allant de 1 000 à 1 300 ℃. Ils conviennent à la séparation de fluides à haute température et à haute viscosité. Dans certains scénarios, ce nettoyage chimique n'est pas réalisable, comme dans les industries alimentaires, laitières et pharmaceutiques, ou lorsqu'il est nécessaire de réduire la viscosité du matériau en augmentant la température.
2. Bonne stabilité chimique
Les membranes céramiques inorganiques résistent à la corrosion acide, alcaline et biologique, surpassant le métal et les autres matériaux de membrane organique en termes de résistance à la corrosion. Ils peuvent être utilisés pour manipuler des matériaux présentant des valeurs de pH extrêmes, en particulier des matériaux alcalins, et possèdent également d'excellentes propriétés antibactériennes et une résistance à la biodégradation.
3. Sélectivité de perméation élevée
En raison de la petite taille des pores des membranes céramiques poreuses, elles ont une sélectivité de perméation élevée et peuvent être utilisées pour l'ultrafiltration et la microfiltration. De plus, les membranes de nanofiltration en céramique ont des caractéristiques de séparation différentes pour les ions, de sorte que le matériau céramique peut être sélectionné en fonction des ions ciblés à séparer.
4. Aucune contamination, facile à nettoyer, longue durée de vie
Les membranes céramiques ont une excellente stabilité chimique, sans changement de phase ni réaction chimique pendant le processus de séparation, il n'y a donc aucune contamination du liquide.
Le nettoyage de la membrane en céramique est assez simple. Des nettoyants acides, alcalins et enzymatiques peuvent être utilisés pour éliminer les précipités insolubles, les substances huileuses et les protéines à la surface de la membrane, de la vapeur et de l'eau bouillante peuvent être utilisées pour la stérilisation, et une méthode de lavage à contre-courant peut être appliquée pour éliminer les contaminants de la membrane. pores de la membrane, car les membranes céramiques ont une structure asymétrique.
Les membranes céramiques ont une excellente durabilité, la durée de vie typique est de 3 à 5 ans, et certaines peuvent même atteindre jusqu'à 8 à 10 ans avec un entretien approprié.
5. Photocatalyse
Certains types de membranes céramiques, telles que les membranes TiO2, possèdent de fortes propriétés photocatalytiques. Sous la lumière ultraviolette, ils peuvent tuer les bactéries et autres micro-organismes présents dans la matière première, ce qui les rend adaptés aux applications de traitement de l’eau, de purification de l’air et de stérilisation.
Application de membranes céramiques dans le traitement des eaux usées
1. Les membranes céramiques pour eaux usées de l'industrie alimentaire
ont une résistance aux températures élevées, une stabilité chimique et une résistance à la corrosion acide, alcaline et biologique. Elles ont donc une large gamme d'applications dans le traitement par filtration des eaux usées de l'industrie alimentaire, principalement pour les usines de fabrication de jus de fruits, la bière, la sauce soja, le vinaigre, l'eau de ginkgo, le thé, etc. pourraient également être utilisés pour la filtration des plantes médicinales.
2. Eaux usées des industries textiles et papetières
Les eaux usées de la fabrication du textile et du papier se caractérisent par leur grand volume, leur coloration élevée et leur composition complexe, contenant des colorants, de la pâte à papier, des impuretés de fibres, des métaux lourds et d'autres substances, elles ont une toxicité biologique élevée et provoqueront une grave pollution. Les membranes céramiques sont particulièrement efficaces pour traiter les colorants insolubles, et pour les colorants solubles, le taux d'élimination peut être considérablement amélioré en ajoutant un tensioactif.
3. Eaux usées biochimiques
L'application de membranes céramiques dans le domaine du génie biochimique a récemment attiré beaucoup d'attention, impliquant les domaines de l'élimination des cellules, de la production d'eau stérile, de la clarification des composés organiques de faible poids moléculaire et des membranes de bioréacteur. L'utilisation de membranes céramiques pour séparer les bactéries du bouillon de fermentation a donné lieu à de multiples installations à l'échelle industrielle, améliorant uniquement la productivité des produits, réduisant la charge des équipements, mais réduisant également considérablement les rejets d'eaux usées.
4. Eaux usées contenant du pétrole
Les eaux usées contenant du pétrole proviennent de diverses sources, notamment des produits pétrochimiques, de l'extraction pétrolière, des transports, de l'usinage, du cuir, des textiles, de l'alimentation et des produits pharmaceutiques. Il est chimiquement très exigeant en oxygène et contient de grandes quantités de pétrole, provoquant une grave pollution de l’environnement. Une séparation efficace des eaux usées contenant du pétrole est cruciale pour l’assainissement de l’environnement, la récupération du pétrole et la réutilisation de l’eau. La technologie de filtration sur membrane céramique est devenue un point chaud de la recherche en raison de son excellent effet de séparation et de l’absence de pollution secondaire.
5. Eaux usées domestiques et urbaines
Les membranes d'alumine peuvent être utilisées pour traiter les eaux usées domestiques et urbaines, les micropores ne sont pas faciles à bloquer, faciles à nettoyer, les polluants piégés restent simplement à la surface de la couche de contrôle. Après nettoyage, le taux de rétention et le débit disponible peuvent être récupérés à près de 100 %. Les tubes à membrane d'alumine avec une taille de pores de couche de contrôle allant de 0,1 à 0,35 μm ont un taux d'élimination de 83 % pour la DBO5, de 67 % pour la DCOcr et de 100 % pour les matières solides en suspension supérieures à 0,1 μm.
Application des bioréacteurs à membrane céramique dans le traitement de l'eau
L'application des membranes céramiques dans le traitement de l'eau est particulièrement répandue dans le traitement des eaux usées, principalement des eaux usées industrielles, la recherche et l'application des membranes céramiques dans le traitement des eaux usées domestiques sont encore relativement rares. Les principales applications des membranes céramiques dans le traitement des eaux usées domestiques peuvent être classées en deux types : la séparation par membrane et les bioréacteurs à membrane céramique (CMBR) qui combinent la séparation par membrane avec la technologie des bioréacteurs. Actuellement, la séparation par membrane est moins courante dans la recherche appliquée, la majorité des efforts se concentrant sur les bioréacteurs à membrane céramique, principalement des processus anaérobies.
Le bioréacteur à membrane (MBR) est une technologie innovante de traitement de l’eau qui combine des unités de séparation membranaire avec des unités de traitement biologique. Le réservoir de sédimentation secondaire utilisé dans la méthode traditionnelle des boues activées est remplacé par un module à membrane, qui offre une séparation à haute efficacité, une séparation boue-eau et des effets de concentration des boues sans précédent sont obtenus. De plus, la membrane retient efficacement les matières en suspension, les matières organiques, les agents pathogènes et les virus des eaux usées, améliorant ainsi considérablement la qualité de l'eau traitée.
Par rapport aux techniques de traitement biochimique traditionnelles, le MBR présente des avantages significatifs : efficacité de traitement élevée, excellente qualité de l'eau, équipement compact, faible encombrement, automatisation facile et fonctionnement et gestion simplifiés. Depuis les années 1980, cette technologie suscite une attention croissante et est devenue un sujet brûlant dans la recherche sur le traitement de l’eau. Actuellement, les bioréacteurs à membrane ont été utilisés dans plus de dix pays, dont les États-Unis, l'Allemagne, la France, le Japon et l'Égypte.
Pour le traitement centralisé des eaux usées municipales, le grand volume d’eau à traiter et la concentration relativement faible de polluants rendent la filtration sur membrane gourmande en énergie et économiquement moins réalisable. Cependant, les bioréacteurs à membrane céramique peuvent être utilisés pour le traitement distribué des eaux usées domestiques, comme la réutilisation des eaux usées dans un complexe résidentiel. Les bioréacteurs à membrane céramique offrent un fonctionnement stable, des exigences de maintenance minimales, une résistance mécanique élevée, une longue durée de vie et une résistance à la corrosion chimique, ce qui les rend très compétitifs par rapport aux membranes organiques.
En résumé, les bioréacteurs à membrane céramique ont gagné de nombreux éloges dans le traitement des eaux industrielles en raison de leur longue durée de vie, de leur haute fiabilité, de leur effet de traitement constant, de leurs moindres exigences opérationnelles et de maintenance, et ont de grandes perspectives d'application dans le traitement distribué des eaux usées domestiques.
