DOSSIER COV - Séparation par techniques membranaires

Supports de conférences biogaz et méthanisation

Descriptif technique
Dans la technique de la perméation de vapeur, on met en contact l'air chargé de COV avec l'une des faces d'une membrane réalisée en polymère dense (pas de cavité supérieure à 2 nm) tandis que la face aval est maintenue sous pression réduite. Le polymère élastomère facilite le passage des COV au détriment des molécules de plus petite taille (02, N2, H2, ... ). L'effluent s'appauvrit en composés alors que l'air en aval s'en enrichit. Le flux de transfert dépend essentiellement de la différence de pression entre les deux faces de la membrane et de la perméabilité, caractéristique du couple membrane/composé organique. La sélectivité, définie comme le rapport des perméabilités des composés présents dans l'effluent, est un paramètre essentiel de la séparation.

L'optimisation du flux passe par :
-la diminution de l'épaisseur, limitée néanmoins par d'autres contraintes, notamment mécaniques ; dans la pratique, les membranes ont une épaisseur comprise entre 1 et 20 microns et sont déposées sur des supports microporeux, l'ensemble étant renforcé par une structure non tissée ;
-l'augmentation de la perméabilité; de ce point de vue, la polydiméthylsiloxane (PDMS) est le polymère le plus souvent employé car il offre un bon compromis entre perméabilité aux COV et sélectivité et se prête bien à la réalisation de couches minces ;
-l'augmentation de la différence de pression entre les deux faces, qui peut être réalisée soit par compression amont entre 2 et 10 bar (meilleurs résultats, bonne compacité, mais risque d'inflammation et coût élevé), soit par vide partiel aval entre 0,01 et 0,2 bar (avantages et inconvénients inverses), soit encore par combinaison des deux.

La température joue également un rôle. Elle doit être la plus basse possible. On travaille généralement à température ambiante, mais il peut être intéressant de refroidir pour certaines applications (récupération de composés halogénés, par exemple). Enfin, la géométrie des modules doit allier compacité à faible perte de charge en aval. Une forme en spirale ou une membrane de type fibres creuses répond mieux au premier critère, une forme plane au second.

Performances et caractéristiques
Le procédé de perméation n'est actuellement envisageable que pour des débits à traiter faibles (inférieurs à 1 m3/sec), pour des effluents ne contenant qu'un seul COV et pour des concentrations supérieures à 1% en volume. Lorsque la concentration est de l'ordre de 10%, on peut atteindre des enrichissements importants, entre 50 et 90%, avec des rapports de pression facilement réalisables (environ 0, 1) et des facteurs de séparation accessibles (compris entre 10 et 100). Ces performances ne suffisent cependant pas à respecter les limites d'émission.
En fait, la perméation n'a pas vocation à fonctionner seule, mais couplée à un traitement par condensation (le plus souvent), par adsorption ou encore par incinération. Dans ce dernier cas, par exemple, elle peut permettre, par enrichissement en COV du gaz à incinérer, d’atteindre un fonctionnement autotherme de l'incinérateur.

Recherche et développement
Dans le cadre d'une convention de recherche avec l'ADEME, DF, la DRRT et la Région Languedoc-Roussillon, la société Techno-Membranes et deux laboratoires de l'Ecole nationale supérieure de chimie de Montpellier ont entrepris de mettre au point de nouvelles membranes mieux adaptées à la récupération des COV dans l'air. Ces membranes sont préparées à partir d'élastomères fluorés synthétisés et déposées en film mince sur des supports industriels plans en polysulfone (déjà utilisé dans l'industrie) ou en PVDF. Plusieurs types d'élastomères sont testés. Les premiers résultats d'épuration de COV tels que l'hexane, le dichloréthane, l'éthanol dans l'air à des concentrations comprises entre 5 et 20% montrent un abattement important obtenu par simple passage et des sélectivités voisines, voire supérieures à celles indiquées dans la littérature pour le traitement de COV purs.

Exemples d'application
On ne connaît aucune application industrielle en France, mais on en recense une quarantaine aux Etats-Unis, en Allemagne et au Japon. Les principales applications concernent le recyclage du chlorure de vinyle dans les unités de synthèse du PVC et la récupération d'oxyde d'éthylène solvants de peinture en sortie des fours de séchage. Les débits sont compris entre 600 et 6000 m3 avec des concentrations de COV de 2 à 50% en volume. La consommation électrique (pompe à vide et/ou compresseur) est faible : 0,2 à 0,3 kWh par m3 d'effluent traité.

Principaux fournisseurs
Ils sont allemands (GFT, GKSS, SEMPASS), américains (MTR) ou japonais (NITTO - NKK).

Article paru dans le supplément technique d'Energie Plus n°204 du 15 avril 1998

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