Ultrafiltration tangentielle assistée par ultrasons : caractérisation hydrodynamique des champs de vitesse et des couches concentrées par microPIV
Résumé
La séparation membranaire est utilisée à grande échelle dans le secteur de l'ingénierie de l'environnement (potabilisation ou épuration) ou dans des applications agro-alimentaires. Cependant, il existe actuellement une limitation à son développement qui réside dans la stabilité du phénomène de polarisation de concentration et de colmatage. Sous l'action des forces de pression et d'écoulement de cisaillement au voisinage des membranes, l'augmentation de la concentration en macromolécules ou en particules colloïdales peut entraîner la formation de gels concentrés et conduire à une instabilité du procédé. Un moyen de limiter l’apparition de ces phénomènes est de contrôler la formation des couches concentrées, en jouant sur les conditions hydrodynamiques ou grâce à l’apport d’une sollicitation extérieure comme les ultrasons (US) de basse fréquence. Dans ce travail, des suspensions modèles de nanocristaux de cellulose (NCC, CNCC=0,7 % massique) sont filtrées sous différentes conditions expérimentales. Une cellule de filtration originale couplant ultrafiltration et ultrasons est mise en œuvre [1]. Un transducteur 20 kHz associé à une lame vibrante permet d’imposer les ultrasons dans le compartiment d’alimentation de la cellule tangentielle (PUS de 0 à 2 W/cm²). Afin d’observer les effets hydrodynamiques des ultrasons in situ et en temps réel, des mesures de microPIV de fluorescence ont été réalisées grâce à l’optimisation de la cellule initiale en plexiglass ; il est alors possible de coupler filtration-ultrasons-mesure des champs de vitesse (Figure 1a). Les suspensions sont ensemencées avec les microbilles fluorescentes de polystyrène (5 µm) recouvertes de rhodamine, et une caméra FlowSense synchronisée avec un laser pulsé Nd-Yag (Dantec Dynamics) permet l’acquisition des images. Les mesures des propriétés de filtration des suspensions de NCC sous US montrent une augmentation des flux de perméation. Les résultats de microPIV ont permis de révéler qu’à faible débit tangentiel (Re = 44), les ultrasons induisent des champs de vitesse parallèle à leur sens de propagation (Figure 1b). De plus, ces champs de vitesse ne sont pas homogènes le long de la lame vibrante. Ces zones de recirculation à la surface de la membrane peuvent expliquer l’effet positif observé sur les flux de perméation lors de la filtration des suspensions de NCC. [1] Jin Y., Hengl N., Baup S., Pignon F., Gondrexon N., Sztucki M., Romdhane A., Guillet A., Aurousseau M., 2015, Carbohydrate Polymers, (124), 66-76.