WO2003096826A1 - Method for extracting at least one compound contained in a fluid by diffusion through a porous membrane - Google Patents

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WO2003096826A1
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Manuel Dornier
Marie-Pierre Belleville
Gilbert Rios
Max Reynes
José Sanchez
Fabrice Vaillant
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Centre De Cooperation Internationale En Recherche Agronomique Pour Le Developpement (Cirad)
Centre National De La Recherche Scientifique (Cnrs)
Universite De Montpellier Ii (Umii)
Ecole Nationale Superieure De Chimie De Montpellier
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Abstract

The invention concerns a method for extracting at least one compound present in a first phase using a porous membrane whereof one first surface is contacted with said first phase and the second opposite surface is contacted with a second phase, said second phase having a lower concentration of said compound relative to that of said first phase, said compound to be extracted being transferred from said first phase to said second phase by diffusion through the pores of said porous membrane, mainly under the effect of the concentration gradient in said compound(s) to be extracted between said first and second phases. The method is characterized in that said porous membrane is a ceramic material membrane, and it consists in providing a static pressure higher by 0.1 to 1 bar relative to atmospheric pressure, preferably higher by 0.2 bar relative to atmospheric pressure, at least in said liquid first phase, the static pressure difference between the two surfaces of the membrane being less than 1 bar, preferably less than 0.6 bar, and/or in providing a static pressure difference between the two surfaces of the membrane, consisting in an excess pressure of 0.1 to 1 bar on the side of said first phase.

Description

PROCEDE D'EXTRACTION D'AU MOINS UN COMPOSE CONTENU DANS UN FLUIDE PAR DIFFUSION A TRAVERS UNE MEMBRANE METHOD FOR EXTRACTING AT LEAST ONE COMPOUND CONTAINED IN A FLUID BY DIFFUSION THROUGH A MEMBRANE
POREUSEPOROUS
La présente invention concerne un procédé d'extraction d'au moins un composé contenu dans une première phase liquide ou gazeuse par diffusion à travers des membranes inorganiques poreuses.The present invention relates to a method for extracting at least one compound contained in a first liquid or gas phase by diffusion through porous inorganic membranes.
Dans le cas où le composé extrait principalement est un composé majoritaire de ladite première phase, l'opération correspond en général à une concentration de ladite première phase. Si au contraire, le composé extrait principalement est un composé présent en faible concentration dans ladite première phase, l'opération correspond en général à une purification de ladite première phase.In the case where the compound extracted mainly is a majority compound of said first phase, the operation generally corresponds to a concentration of said first phase. If, on the contrary, the compound extracted mainly is a compound present in low concentration in said first phase, the operation generally corresponds to a purification of said first phase.
Plus particulièrement la présente invention concerne un procédé d'extraction membranaire dans lequel on utilise une membrane poreuse dont une première face est placée au contact de ladite première phase liquide ou gazeuse et dont la deuxième face opposée est placée au contact d'une deuxième phase liquide ou gazeuse, au moins une desdites première ou deuxième phase étant liquide, les deux dites première et deuxième phases circulant tangentiellement contre ladite membrane, celle-ci permettant de mettre en contact lesdites première et deuxième phases sans qu' elles ne se mélangent, et ladite deuxième phase présentant une concentration plus faible du composé à extraire, celui-ci étant transféré de ladite première phase vers ladite deuxième phase par diffusion à travers les pores de ladite membrane poreuse,More particularly the present invention relates to a membrane extraction process in which a porous membrane is used, a first face of which is placed in contact with said first liquid or gaseous phase and the second opposite face of which is placed in contact with a second liquid phase or gaseous, at least one of said first or second phase being liquid, the two said first and second phases flowing tangentially against said membrane, the latter making it possible to bring said first and second phases into contact without mixing, and said second phase having a lower concentration of the compound to be extracted, the latter being transferred from said first phase to said second phase by diffusion through the pores of said porous membrane,
Des procédés et des membranes de ce type sont connus de l'homme de l'art. Dans ces procédés, la différence de concentration du ou des composés à extraire régnant entre les dites première et deuxième phases constitue la force motrice du transfert de masse. Les composés à extraire sont transférés de la phase à forte concentration vers la phase extractante à faible concentration. La faible épaisseur de la membrane permet de générer localement un gradient de force élevée qui est favorable pour l'obtention de vitesse de transfert de masse élevée.Methods and membranes of this type are known to those of skill in the art. In these methods, the difference in concentration of the compound or compounds to be extracted prevailing between said first and second phases constitutes the driving force of the mass transfer. The compounds to be extracted are transferred from the high concentration phase to the low concentration extracting phase. The small thickness of the membrane locally generates a gradient of high force which is favorable for obtaining a high mass transfer speed.
Selon un premier mode de réalisation, on établit le contact entre les deux phases sans qu'elles ne se mélangent en ayant recours à des phases non miscibles en établissant un contact liquide/gaz ou un contact liquide/liquide mais avec deux liquides non miscibles. (14).According to a first embodiment, contact is established between the two phases without them mixing by using immiscible phases by establishing a liquid / gas contact or a liquid / liquid contact but with two immiscible liquids. (14).
Selon un autre mode de réalisation, on utilise une membrane non mouillable vis à vis des liquides qui sont à son contact de sorte que l'air ou un autre gaz à l'intérieur des pores reste enfermé et constitue une interface gazeuse entre lesdites première et deuxième phases liquides.According to another embodiment, a non-wettable membrane is used with respect to the liquids which are in contact with it so that the air or another gas inside the pores remains enclosed and constitutes a gas interface between said first and second liquid phases.
En particulier pour le traitement d'une solution liquide polaire, on utilise une membrane poreuse hydrophobe. Un procédé de ce type est bien connu de l'homme de l'art sous la dénomination de « distillation osmotique » ou « évaporation osmotique » (1-7). Ces procédés pouvant se faire à température ambiante et pression atmosphérique offrent l'avantage d'être très peu consommateurs d'énergie et donc peu coûteux.In particular for the treatment of a polar liquid solution, a hydrophobic porous membrane is used. A process of this type is well known to those skilled in the art under the name of "osmotic distillation" or "osmotic evaporation" (1-7). These processes, which can be carried out at ambient temperature and atmospheric pressure, offer the advantage of being very energy-efficient and therefore inexpensive.
On a plus particulièrement proposé l'utilisation des procédés d'évaporation osmotique ou distillation osmotique pour la concentration des jus de fruits (4-7). L'évaporation osmotique est un procédé permettant de concentrer des solutions aqueuses à température ambiante et à pression atmosphérique, la solution aqueuse circule d'un côté d'une membrane hydrophobe dont les pores sont remplis d'air tandis qu'une solution saline très concentrée circule •' de l'autre côté, la différence de concentration induisant ainsi un transfert de vapeur d'eau à travers la membrane. Ce procédé permet de concentrer des solutions aqueuses à température ambiante et à pression atmosphérique. Il est plus particulièrement utilisé pour la concentration de jus de fruits.More particularly, the use of osmotic evaporation or osmotic distillation processes has been proposed for the concentration of fruit juices (4-7). Osmotic evaporation is a process for concentrating aqueous solutions at room temperature and at atmospheric pressure, the aqueous solution circulates on one side of a hydrophobic membrane whose pores are filled with air while a highly concentrated saline solution • • circulates on the other side, the difference in concentration thus inducing a transfer of water vapor through the membrane. This process allows aqueous solutions to be concentrated at room temperature and at atmospheric pressure. It is more particularly used for the concentration of fruit juice.
Le phénomène physique gouvernant la concentration de la solution est l'évaporation naturelle de l'eau à l'interface solution à concentrer/pore de la membrane, et recondensation de la vapeur du côté de la solution saline, à l'interface pore/saumure. L'énergie restituée lors de la condensation de l'eau dans la saumure est transférée à travers la membrane, qui se comporte comme un échangeur de chaleur, pour réaliser l'évaporation de l'eau de la phase à concentrer. Le bilan énergétique est nul, le procédé fonctionnant sans apport exogène d'énergie.The physical phenomenon governing the concentration of the solution is the natural evaporation of water at the solution to concentrate / pore interface of the membrane, and recondensation of the vapor on the side of the saline solution, at the pore / brine interface. . The energy returned during the condensation of water in the brine is transferred through the membrane, which behaves like a heat exchanger, to achieve the evaporation of water from the phase to be concentrated. The energy balance is zero, the process operating without exogenous energy supply.
Ce procédé d'évaporation osmotique ou distillation osmotique consiste donc à provoquer l'évaporation de l'eau par mise en contact d'une solution aqueuse avec une membrane poreuse hydrophobe ; l'eau évaporée est alors piégée sélectivement de l'autre côté de la membrane par une solution saline très concentrée. La forte concentration de cette solution saline génère une pression osmotique particulièrement élevée, pouvant aller jusqu'à plus de l,5.10s KPa. En raison de la grande avidité de cette « saumure » pour l'eau, et sous effet de la forte différence de pression osmotique, l'eau est transportée à travers la membrane.This osmotic evaporation or osmotic distillation process therefore consists in causing the evaporation of water by bringing an aqueous solution into contact with a hydrophobic porous membrane; the evaporated water is then selectively trapped on the other side of the membrane by a very concentrated saline solution. The high concentration of this saline solution generates a particularly high osmotic pressure, which can go up to more than 5.10 s KPa. Due to the great greed of this "brine" for water, and under the effect of the large difference in osmotic pressure, water is transported through the membrane.
Dans les procédés de concentration membranaire de ' la technique antérieure, on utilise des membranes de nature organique constituée de polymères tel que PTFE (polytétrafluoroéthylène), PNDF (fluorure de polyvinylidène), PP (polypropylène), et autres dérivés et notamment des membranes constituées d'une mince couche de PTFE sur un support en polypropylène . Ces membranes organiques offrent l'avantage de présenter des caractéristiques hydrophobes.In the membrane concentration processes of the prior art, membranes of an organic nature made up of polymers such as PTFE (polytetrafluoroethylene), PNDF (polyvinylidene fluoride), PP (polypropylene), and other derivatives are used, in particular membranes made up of '' a thin layer of PTFE on a polypropylene support. These organic membranes have the advantage of having hydrophobic characteristics.
Toutefois, les inventeurs ont observé que ces membranes poreuses organiques présentent plusieurs lacunes et inconvénients en particulier lorsque l'on passe au stade d'exploitation industrielle, ces membranes se révèlent fragiles au plan mécanique et également dégradables par de nombreux produits chimiques.However, the inventors have observed that these organic porous membranes have several shortcomings and drawbacks, in particular when one passes to the stage of industrial exploitation, these membranes prove to be fragile mechanically and also degradable by numerous chemicals.
Par ailleurs, ces membranes polymères ne supportent pas une pression statique de travail élevée et surtout des pressions de travail différentes de chaque côté de la membrane, sauf à avoir recours, à des membranes épaisses ce qui entraîne dans ce cas une diminution de vitesse de transfert du composé à extraire à travers les pores de la membrane, car la vitesse de transfert est inversement proportionnelle à l'épaisseur de membrane. C'est pourquoi les procédés d'extraction membranaire de la technique antérieure mettant en œuvre des membranes organiques, sont réalisés à pression atmosphérique, sans établir de gradient de pression statique entre les deux faces de la membrane pour éviter une déformation de celle-ci.Furthermore, these polymer membranes do not withstand a high static working pressure and above all different working pressures on each side of the membrane, unless recourse is had to thick membranes, which in this case results in a reduction in transfer speed. of the compound to be extracted through the pores of the membrane, since the transfer speed is inversely proportional to the thickness of the membrane. This is why Membrane extraction methods of the prior art using organic membranes, are carried out at atmospheric pressure, without establishing a static pressure gradient between the two faces of the membrane to avoid deformation thereof.
On connaît l'utilisation de membranes poreuses céramiques dans des procédés de filtration tels que l'ultrafiltration et la microfiltration. Dans ces procédés de filtration on établit une circulation forcée d'une phase en général liquide à travers la membrane, en établissant un fort gradient de pression statique entre les deux faces de la membrane, notamment supérieur à 1 bar, ladite membrane retenant en amont les composés de taille plus grande que celle des pores (8-9). La membrane fait ici fonction de tamis sous l'effet d'un gradient de pression statique.The use of porous ceramic membranes is known in filtration processes such as ultrafiltration and microfiltration. In these filtration methods a forced circulation of a generally liquid phase is established through the membrane, by establishing a strong gradient of static pressure between the two faces of the membrane, in particular greater than 1 bar, said membrane retaining upstream the compounds larger in size than pores (8-9). The membrane acts here as a sieve under the effect of a static pressure gradient.
La fabrication des membranes poreuses en céramique est bien connue (8-13), ce matériau céramique est bien adapté pour la réalisation de membrane de géométrie plane ou tubulaire. Ces membranes céramiques présentent des pores dont les caractéristiques physiques sont particulières en ce sens qu'elles sont constituées par des empilements ou des agrégats de grains et sont préparées par frittage à haute température, les pores étant constitués par l'espace interstitiel entre les grains. La géométrie de ces pores interstitiels rend difficile la diffusion de l'espèce à extraire à travers la membrane en l'absence de gradient de pression statique, ce qui a conduit l'homme du métiers à utiliser ces membranes céramiques dans les procédés industriels de filtration et non pas dans les procédés de distillation ou évaporation osmotique.The manufacture of porous ceramic membranes is well known (8-13), this ceramic material is well suited for the production of membranes of planar or tubular geometry. These ceramic membranes have pores whose physical characteristics are particular in the sense that they consist of stacks or aggregates of grains and are prepared by sintering at high temperature, the pores being formed by the interstitial space between the grains. The geometry of these interstitial pores makes it difficult for the species to be extracted to diffuse through the membrane in the absence of a static pressure gradient, which has led those skilled in the art to use these ceramic membranes in industrial filtration processes. and not in osmotic distillation or evaporation processes.
Pour la filtration de solutions polaires, on a décrit des membranes en matériaux céramiques revêtus de composés apolaires notamment à base de réactifs comprenant des groupes polyphosphazène ou silane (10).For the filtration of polar solutions, membranes of ceramic materials coated with apolar compounds have been described, in particular based on reagents comprising polyphosphazene or silane groups (10).
On a également suggéré d'utiliser des membranes céramiques poreuses revêtues de composés hydrophobes dans d'autres procédés de transfert de gaz dans lesquels la force motrice de transfert est un important gradient de pression : il s'agit des procédés de pervaporation ou d'ozonation (11 -13). Dans le procédé de pervaporation, on utilise des membranes dites «denses» réalisées par dépôt d'un film continu de polymères organiques sur un support poreux en céramique, la porosité initiale du support céramique étant bouchée par le polymère organique et la diffusion à travers la membrane se fait par diffusion moléculaire dans le matériau solide c'est à dire diffusion entre les molécules dudit matériau solide et non pas à travers des pores.It has also been suggested to use porous ceramic membranes coated with hydrophobic compounds in other gas transfer processes in which the driving transfer force is a large pressure gradient: these are pervaporation or ozonation processes (11-13). In the pervaporation process, so-called “dense” membranes are used, produced by depositing a continuous film of organic polymers on a porous ceramic support, the initial porosity of the ceramic support being blocked by the organic polymer and diffusion through the membrane is made by molecular diffusion in the solid material, ie diffusion between the molecules of said solid material and not through pores.
Dans le procédé d'ozonation, on transfère le gaz, à savoir l'ozone, dans une phase liquide en le faisant passer à travers les pores de la membrane, sous l'effet d'un gradient de pression statique.In the ozonation process, the gas, namely ozone, is transferred to a liquid phase by passing it through the pores of the membrane, under the effect of a static pressure gradient.
Les membranes céramiques présentent une tenue mécanique beaucoup plus importante que les membranes organiques poreuses, car elles sont incompressibles et indéformables, et supportent donc sans dommage des pressions de travail élevé et une installation avec de grandes surfaces membranaires, ce qui en facilite considérablement la mise en œuvre industrielle.Ceramic membranes have a much greater mechanical resistance than porous organic membranes, because they are incompressible and non-deformable, and therefore withstand high working pressures and an installation with large membrane surfaces without damage, which considerably facilitates their implementation. industrial work.
Par ailleurs, la stabilité chimique des membranes céramiques est très largement supérieure à celle des membranes organiques, ce qui facilite le transfert de produits corrosifs comme l'ozone dans un procédé d'ozonation.Furthermore, the chemical stability of ceramic membranes is very much higher than that of organic membranes, which facilitates the transfer of corrosive products such as ozone in an ozonation process.
Dans WO 93/22036, il est décrit un procédé d'extraction d'alcool d'une solution hydro-alcoolique à travers une membrane hydrophobe organique dans lequel la force motrice du transfert à travers la membrane est un gradient de concentration en espèce à extraire, à savoir un alcool, dans les deux solutions liquides de part et d'autre de la membrane. Dans WO 93/22036, il est indiqué de façon spéculative la possibilité d'utiliser des membranes céramiques, mais WO 93/22036 ne fournit aucun enseignement quant aux caractéristiques des membranes céramiques qui doivent être mises en œuvre, notamment aucun enseignement quant aux conditions de mise en œuvre du procédé pour obtenir un procédé industriellement exploitable avec une vitesse de transfert supérieure à 1 kg. h"1. m"2, de préférence supérieure à 2 kg.h m-2. Il n'a jamais été démontré que des membranes céramiques poreuses peuvent être mises en œuvre avantageusement dans des procédés d'extraction membranaire dans lesquels la force motrice principale du transfert de matière à travers la membrane n'est pas un gradient de pression mais un gradient de concentration dudit composé à extraire dans les fluides circulant de part et d'autre de la membrane, et ce dans des conditions industriellement exploitables, c'est-à-dire avec un flux de transfert relativement élevé, notamment supérieur à 1 kg. h"1. m"2, voire supérieure à 2 kg. h" .m'2. Cette possibilité ne découlait pas de manière évidente de l'état de la technique compte tenu de la structure granulaire des membranes céramiques poreuses et de la géométrie de leurs pores interstitiels comme mentionné précédemment.In WO 93/22036, there is described a method for extracting alcohol from a hydroalcoholic solution through an organic hydrophobic membrane in which the driving force for the transfer through the membrane is a concentration gradient in the species to be extracted. , namely an alcohol, in the two liquid solutions on either side of the membrane. In WO 93/22036, it is speculatively indicated the possibility of using ceramic membranes, but WO 93/22036 does not provide any teaching as to the characteristics of the ceramic membranes which must be implemented, in particular no teaching as to the conditions of implementation of the process to obtain an industrially exploitable process with a transfer speed greater than 1 kg. h "1. m " 2 , preferably more than 2 kg.h m- 2 . It has never been shown that porous ceramic membranes can be advantageously used in membrane extraction processes in which the main driving force for the transfer of material through the membrane is not a pressure gradient but a gradient of concentration of said compound to be extracted in the fluids flowing on either side of the membrane, and this under industrially exploitable conditions, that is to say with a relatively high transfer flux, in particular greater than 1 kg. h "1. m " 2 , or even more than 2 kg. h " .m '2. This possibility was not obvious from the state of the art taking into account the granular structure of porous ceramic membranes and the geometry of their interstitial pores as mentioned previously.
L'objectif de la présente invention est de fournir un procédé d'extraction membranaire dans lequel le transfert de matière se réalise principalement par une simple différence de concentration en composé(s) à extraire entre les phases situées de part et d'autre de ladite membrane, de manière à obtenir un flux de transfert en dit(s) composé(s) à travers la membrane à un taux de transfert le plus élevé possible pour envisager l'exploitation industrielle, et notamment un taux de transfert d'au moins 1 kg. h"1. m"2, de préférence 2 kg. h"1. m"2, de préférence encore 5 kg. h"1. "2.The objective of the present invention is to provide a membrane extraction process in which the transfer of material is mainly carried out by a simple difference in concentration of compound (s) to be extracted between the phases located on either side of said membrane, so as to obtain a transfer flow in said compound (s) through the membrane at a transfer rate as high as possible for industrial exploitation, and in particular a transfer rate of at least 1 kg. h "1. m " 2 , preferably 2 kg. h "1. m " 2 , more preferably 5 kg. h "1. " 2 .
Les inventeurs ont démontré qu'il est possible et avantageux, dans certaines conditions, de mettre en œuvre des membranes poreuses céramiques dans des procédés membranaires dans lesquels la force motrice de transfert de matière se réalise par un gradient de concentration du composé à extraire contenu dans les fluides de part et autre de la membrane, en atteignant des vitesses de transfert de matière à travers la membrane supérieure à 1 kg. h" .m" 2, voire supérieures à 2 kg. h"1. "2.The inventors have demonstrated that it is possible and advantageous, under certain conditions, to use porous ceramic membranes in membrane processes in which the driving force of material transfer is achieved by a concentration gradient of the compound to be extracted contained in fluids on either side of the membrane, reaching material transfer speeds through the membrane greater than 1 kg. h " .m " 2 , or even more than 2 kg. h "1. " 2 .
Plus précisément la présente invention fournit un procédé membranaire d'extraction d'au moins un composé présent dans une première phase liquide ou gazeuse à l'aide d'une membrane poreuse dont une première face est placée au contact de la dite première phase et dont la deuxième face opposée est placée au contact d'une deuxième phase liquide ou gazeuse, au moins l'une des deux phases étant liquide, les deux dites première et deuxième phases circulant tangentiellement contre ladite membrane, celle-ci permettant de mettre en contact lesdites première et deuxième phases sans qu'elles ne se mélangent, laquelle deuxième phase présente une concentration plus faible dudit composé à extraire, ledit composé à extraire étant transféré de ladite première phase vers ladite deuxième phase par diffusion à travers les pores de ladite membrane principalement sous l'effet du gradient de concentration en dit(s) composés (s) à extraire entre lesdites première et deuxième phases.More precisely, the present invention provides a membrane process for extracting at least one compound present in a first liquid or gas phase using a porous membrane, a first face of which is placed in contact with said first phase and of which the second opposite face is placed in contact with a second liquid or gas phase, at least one of the two phases being liquid, the two said first and second phases flowing tangentially against said membrane, the latter making it possible to bring said first and second phases into contact without them mixing, which second phase has a lower concentration of said compound to be extracted, said compound to be extracted being transferred from said first phase towards said second phase by diffusion through the pores of said membrane mainly under the effect of the concentration gradient in said compound (s) to be extracted between said first and second phases.
Selon la présente invention, ladite membrane poreuse est une membrane en matériau céramique, et on établit une pression statique supérieure de 0,1 à 1 bar par rapport à la pression atmosphérique, de préférence supérieure de 0,2 bar par rapport à la pression atmosphérique, au moins dans ladite première phase liquide, la différence de pression statique entre les deux faces de la membranes étant inférieure à 1 bar, de préférence inférieure à 0,6 bar, et/ou on établit une différence de pression statique entre les deux faces de la membrane, consistant en une surpression de 0,1 à 1 bar du côté de . ladite première phase.According to the present invention, said porous membrane is a membrane made of ceramic material, and a static pressure greater than 0.1 to 1 bar relative to atmospheric pressure is established, preferably greater than 0.2 bar relative to atmospheric pressure. , at least in said first liquid phase, the difference in static pressure between the two faces of the membrane being less than 1 bar, preferably less than 0.6 bar, and / or a difference in static pressure is established between the two faces of the membrane, consisting of an overpressure of 0.1 to 1 bar on the side of. said first phase.
Dans un premier mode de réalisation, on applique une même pression statique supérieure à là pression atmosphérique de chaque côté de la membrane céramique 1.In a first embodiment, the same static pressure greater than atmospheric pressure is applied to each side of the ceramic membrane 1.
Dans un autre mode de réalisation, on applique une pression statique supérieure à la pression atmosphérique des deux côtés de la membrane céramique mais non identique des deux côtés, sous réserve que la différence de pression reste inférieure à 1 bar, de préférence inférieure à 0,6 bar pour éviter l'apparition de pont liquide dans la membrane.In another embodiment, a static pressure greater than atmospheric pressure is applied to the two sides of the ceramic membrane but not identical on the two sides, provided that the pressure difference remains less than 1 bar, preferably less than 0, 6 bar to avoid the appearance of a liquid bridge in the membrane.
Dans un autre mode de réalisation, on applique une pression statique supérieure à la pression atmosphérique uniquement de ladite première phase, cette surpression restant inférieure à 1 bar, de préférence inférieure à 0,6 bar.In another embodiment, a static pressure greater than atmospheric pressure is applied only to said first phase, this overpressure remaining less than 1 bar, preferably less than 0.6 bar.
Dans un autre mode de réalisation, on n'applique pas de pression statique supérieure à la pression atmosphérique dans ladite première phase mais on crée un vide partiel par dépression dans le compartiment de ladite deuxième phase, qui est alors une phase gazeuse, la différence de pression statique entre les deux phases situées de part et d'autre de la membrane correspondant à une surpression dans ladite première phase de 0,1 à 1 bar, de préférence de 0,2 à 0,6 bar.In another embodiment, a static pressure greater than atmospheric pressure is not applied in said first phase but a partial vacuum is created by vacuum in the compartment of said second phase, which is then a gaseous phase, the difference of pressure static between the two phases located on either side of the membrane corresponding to an overpressure in said first phase of 0.1 to 1 bar, preferably 0.2 to 0.6 bar.
On peut appliquer une pression statique supérieure à la pression atmosphérique dans lesdites première et seconde phases liquides ou créer un vide partiel par dépression dans ladite deuxième phase gazeuse en réglant le débit des fluides circulant de chaque côté de la membrane à l'aide de pompes et vannes de manière connue.It is possible to apply a static pressure greater than atmospheric pressure in said first and second liquid phases or to create a partial vacuum by vacuum in said second gas phase by regulating the flow rate of the fluids circulating on each side of the membrane using pumps and valves in a known manner.
Les inventeurs ont découvert qu'il est possible d'augmenter le flux de transfert de matière à travers la une membrane céramique par rapport à des membranes organiques de la technique antérieure, en établissant le gradient de concentration en présence d'une pression statique supérieure à la pression atmosphérique et/ou en établissant une faible différence de pression statique de part et d'autre de la membrane, tout en conservant une faible épaisseur de membrane. Les propriétés mécaniques d'une membrane céramique permettent en effet de supporter des pressions statiques supérieures à la pression atmosphérique et d'établir une différence de pression statique de part et d'autre de la membrane sur des membranes de faible épaisseur, à savoir notamment de 10 à 100 μm sans risque de déformation de la membrane, alors que les procédés d'extraction membranaire à l'aide de membranes organiques doivent être réalisés à pression atmosphérique et sans .différence de pression statique, notamment pour éviter ces déformations.The inventors have discovered that it is possible to increase the flow of material transfer through a ceramic membrane compared to organic membranes of the prior art, by establishing the concentration gradient in the presence of a static pressure greater than atmospheric pressure and / or by establishing a small difference in static pressure on either side of the membrane, while retaining a small thickness of membrane. The mechanical properties of a ceramic membrane make it possible to withstand static pressures higher than atmospheric pressure and to establish a difference in static pressure on either side of the membrane on thin membranes, namely in particular of 10 to 100 μm without risk of deformation of the membrane, while the membrane extraction processes using organic membranes must be carried out at atmospheric pressure and without .difference in static pressure, in particular to avoid these deformations.
De préférence, on établit une différence de pression statique entre les deux faces de la membrane, consistant en une surpression de 0,1 à 1 bar (10 à 100 kPa) notamment de 0.2 à 0.6 bar du côté de ladite première phase.Preferably, a static pressure difference is established between the two faces of the membrane, consisting of an overpressure of 0.1 to 1 bar (10 to 100 kPa), in particular 0.2 to 0.6 bar on the side of said first phase.
L'effet avantageux de cette différence de pression est surprenant. Les résultats observés sont vraisemblablement liés à la pénétration plus importante des liquides dans les pores dans le cas où ladite deuxième phase est liquide : lorsque la différence de pression augmente de part et d'autre de la membrane le liquide situé dans le compartiment haute pression pénètre plus dans les pores ce qui diminue l'épaisseur de la couche gazeuse contenue dans la membrane et donc augmente vraisemblablement les flux gazeux à travers la membrane. Dans le cas où ladite deuxième phase extractante est un gaz, une diminution de la pression du côté du gaz diminue la pression partielle du composé à extraire, notamment la pression partielle d'eau, et donc la concentration du composé dans la phase gazeuse ce qui contribue à augmenter davantage le gradient de concentration entre les deux compartiments.The advantageous effect of this pressure difference is surprising. The results observed are probably linked to the greater penetration of liquids into the pores in the case where said second phase is liquid: when the pressure difference increases on either side of the membrane the liquid located in the high pressure compartment penetrates more in the pores which decreases the thickness of the gaseous layer contained in the membrane and therefore likely increases gas flows through the membrane. In the case where said second extracting phase is a gas, a reduction in the pressure on the gas side decreases the partial pressure of the compound to be extracted, in particular the partial pressure of water, and therefore the concentration of the compound in the gas phase which helps to further increase the concentration gradient between the two compartments.
Selon la présente invention, le flux de transfert en dit(s) composés(s) à travers la membrane peut atteindre au moins 1 kg. h"1. m"2, de préférence au moins 2 kg. h"1. m"2, de préférence encore au moins 5 kg.h_1.m"2.According to the present invention, the transfer flow of said compound (s) through the membrane can reach at least 1 kg. h "1. m " 2 , preferably at least 2 kg. h "1. m " 2 , more preferably at least 5 kg.h _1 .m "2 .
Dans un mode préféré de réalisation ladite membrane poreuse en céramique présente les caractéristiques suivantes :In a preferred embodiment, said porous ceramic membrane has the following characteristics:
- une épaisseur de 10 à 1000 μm, de préférence de 10 à 200 μm.- a thickness of 10 to 1000 μm, preferably from 10 to 200 μm.
- un diamètre moyen de pores compris entre 0,01 et 5 μm de préférence de 0,1 à 1 μm,- an average pore diameter of between 0.01 and 5 μm, preferably 0.1 to 1 μm,
- une porosité volumique de ladite membrane est d'au moins 20%, de préférence de 30 à 80%.- A volume porosity of said membrane is at least 20%, preferably 30 to 80%.
On entend ici par « porosité volumique » la proportion du vide de la membrane.The term “volume porosity” is understood here to mean the proportion of the vacuum of the membrane.
Ces caractéristiques de membranes permettent d'obtenir des flux optimum de transfert dudit composé à extraire à travers la membrane, sans risque de pénétration de liquide dans les pores avec passage non souhaité de liquide à travers la membrane, et tout en conservant de bonnes propriétés de tenue mécanique de la membrane.These membrane characteristics make it possible to obtain optimum transfer flows of said compound to be extracted through the membrane, without risk of penetration of liquid into the pores with undesired passage of liquid through the membrane, and while retaining good properties of mechanical strength of the membrane.
Dans un mode particulier de réalisation ladite membrane comprend un support céramique macroporeux revêtu d'une couche poreuse de céramique de pores de diamètres de 0,01 à 5 μm de préférence 0,1 à 1 μm et de porosité volumique d'au moins 20% de préférence de 30 à 80%. Ledit support macroporeux a alors pour fonction d'assurer la tenue mécanique de l'ensemble.In a particular embodiment, said membrane comprises a macroporous ceramic support coated with a porous ceramic layer of pores with diameters of 0.01 to 5 μm, preferably 0.1 to 1 μm and with a volume porosity of at least 20%. preferably 30 to 80%. Said support macroporous then has the function of ensuring the mechanical strength of the assembly.
Lesdits matériaux céramiques sont constitués plus particulièrement d'un ou de plusieurs oxydes métalliques choisis notamment parmi l'alumine A1203, la zircone ZrOa , le dioxyde de titane Ti02 et la silice Si02 Said ceramic materials more particularly consist of one or more metal oxides chosen in particular from alumina A1 2 0 3 , zirconia ZrO a , titanium dioxide Ti0 2 and silica Si0 2
Selon une variante avantageuse de réalisation de l'invention, ladite membrane est revêtue sur au moins une de ses faces, de préférence sur ses deux faces, d'un revêtement qui rend ladite membrane non mouillable vis à vis des dites première et/ou respectivement deuxième phase liquide circulant à son contact. Ledit revêtement est réalisé sur la surface des grains formant la membrane et modifie peu la porosité initiale de celle-ci.According to an advantageous alternative embodiment of the invention, said membrane is coated on at least one of its faces, preferably on its two faces, with a coating which makes said membrane non-wettable with respect to said first and / or respectively second liquid phase flowing in contact with it. Said coating is produced on the surface of the grains forming the membrane and does not slightly modify the initial porosity thereof.
Ainsi, dans le cas de la mise en œuvre de deux phases liquides miscibles on peut éviter la pénétration de liquide dans le support poreux et éviter le mélange des deux phases respectivement placées au contact des deux faces de la membrane par la constitution d'un film gazeux correspondant à l'air contenu dans les pores. Et, la diffusion du composé à extraire à travers la membrane se fait par diffusion gazeuse comme mentionné précédemment. La notion de mouillabilité d'un solide comme la membrane, fait intervenir les interactions physico-chimiques du type hydrophobe— hydrophile entre la membrane et la phase liquide à son contact et dépend évidemment aussi de la taille et de la forme des pores. C'est pourquoi selon la présente invention, les pores doivent être de préférence de diamètre inférieur à 5μm pour conserver la non-mouillabilité de la membrane même avec un revêtement hydrophobe.Thus, in the case of the implementation of two miscible liquid phases, it is possible to avoid the penetration of liquid into the porous support and to avoid the mixing of the two phases respectively placed in contact with the two faces of the membrane by the constitution of a film. gaseous corresponding to the air contained in the pores. And, the diffusion of the compound to be extracted through the membrane is done by gas diffusion as mentioned previously. The notion of wettability of a solid like the membrane, involves physicochemical interactions of the hydrophobic-hydrophilic type between the membrane and the liquid phase in contact with it and obviously also depends on the size and the shape of the pores. This is why, according to the present invention, the pores must preferably be of diameter less than 5 μm to preserve the non-wettability of the membrane even with a hydrophobic coating.
Les propriétés de surface de la membrane doivent être adaptées en fonction de la polarité du (ou des) liquide(s) en contact avec la membrane de façon à ce que la membrane ne soit pas mouillée par au moins un des liquides à son contact .The surface properties of the membrane must be adapted according to the polarity of the liquid (s) in contact with the membrane so that the membrane is not wetted by at least one of the liquids in contact with it.
Pour le traitement de liquide polaire il est donc préférable que ladite membrane soit revêtue d'un revêtement hydrophobe, en particulier dans un procédé selon l'invention de type évaporation osmotique ou distillation osmotique dans lequel le composé à extraire est de l'eau, et on réalise une déshydratation de ladite première phase liquide qui est une solution aqueuse, à l'aide de ladite deuxième phase présentant une faible concentration en eauFor the treatment of polar liquid, it is therefore preferable for said membrane to be coated with a hydrophobic coating, in particular in a process according to the invention of osmotic evaporation or osmotic distillation type in which the compound to be extracted is water, and we realize a dehydration of said first liquid phase which is an aqueous solution, using said second phase having a low concentration of water
Dans un mode de réalisation de ce procédé de déshydratation par évaporation osmotique, ladite deuxième phase liquide est une saumure à saturation. On entend ici par « saumure », une solution de sel, par exemple de CaCl2 ou de MgCl2 de préférence concentration supérieure à 5 mol.l"1.In one embodiment of this dehydration process by osmotic evaporation, said second liquid phase is brine at saturation. The term “brine” is understood here to mean a solution of salt, for example of CaCl 2 or of MgCl 2 , preferably concentration greater than 5 mol.l "1 .
Comme mentionné précédemment, l'utilisation d'une membrane céramique permet également de mettre en œuvre des procédés d'extraction membranaire dans lesquels ladite deuxième phase est une phase gazeuse avec établissement d'une faible différence de pression par rapport à l'autre face de la membrane par création d'un vide partiel dans le compartiment de ladite deuxième phase gazeuse.As mentioned previously, the use of a ceramic membrane also makes it possible to implement membrane extraction processes in which said second phase is a gas phase with establishment of a small pressure difference with respect to the other face of the membrane by creating a partial vacuum in the compartment of said second gas phase.
Dans ce mode de réalisation, ladite deuxième phase peut être une phase gazeuse à faible pression partielle de vapeur d'eau. On peut utiliser comme c phase gazeuse de l'air sec ou un gaz inerte ou neutre à pression réduite, tel que CO2 ou N2..In this embodiment, said second phase can be a gaseous phase with low partial pressure of water vapor. Dry air or an inert or neutral gas at reduced pressure, such as CO 2 or N 2, can be used as the gas phase.
De même, lorsque le procédé selon l'invention s'applique à l'extraction d'un composé d'une première phase liquide vers une deuxième phase liquide par diffusion gazeuse à travers une membrane poreuse non mouillable, les pores de la membrane peuvent être remplis d'un gaz inerte ou neutre tel queSimilarly, when the method according to the invention applies to the extraction of a compound from a first liquid phase to a second liquid phase by gas diffusion through a porous non-wettable membrane, the pores of the membrane can be filled with an inert or neutral gas such as
C02 ou N2 plutôt que par de l'air.C0 2 or N 2 rather than by air.
Toutefois, dans le cas de la mise en œuvre de deux fluides non- miscibles, à savoir deux liquides non-miscibles ou un gaz et un liquide, les pores de la membrane peuvent être remplis par un des deux fluides.However, in the case of the use of two immiscible fluids, namely two immiscible liquids or a gas and a liquid, the pores of the membrane can be filled with one of the two fluids.
La présente invention s'applique plus particulièrement à la concentration de solution aqueuse comme les jus de fruits. Ladite première phase liquide est un jus de fruit et on réalise la concentration dudit jus de fruit par extraction de l'eau dudit jus de fruit. Pour la concentration ou la purification de solution en général, le procédé selon l'invention permet de traiter le produit sans chauffage dans la mesure où le transfert de matière entre les deux compartiments de part et d'autre de la membrane est lié à une différence de concentration entre la phase à traiter et la phase extractante. Ainsi ce procédé est particulièrement intéressant pour le traitement des solutions thermosensibles. Les températures mises en œuvre étant le plus souvent inférieures à 35°C le produit traité ne subit pas de dégradations thermiques.The present invention applies more particularly to the concentration of aqueous solution such as fruit juices. Said first liquid phase is a fruit juice and the concentration of said fruit juice is carried out by extracting water from said fruit juice. For the concentration or the purification of solution in general, the process according to the invention makes it possible to treat the product without heating insofar as the transfer of material between the two compartments on either side of the membrane is linked to a difference concentration between the phase to be treated and the extracting phase. Thus this process is particularly interesting for the treatment of heat-sensitive solutions. The temperatures used are most often below 35 ° C. the treated product does not undergo thermal degradation.
De façon classique afin de se placer dans des conditions favorables au transfert de matière à travers la membrane, les deux dites première et seconde phase de concentration différente en dit(s) composé(s) à extraire circulent tangentiellement de part et d'autre de la membrane soit à co-courrant soit à contre-courant.Conventionally, in order to be placed in conditions favorable to the transfer of material through the membrane, the two said first and second phases of different concentration in said compound (s) to be extracted circulate tangentially on either side of the membrane either co-current or counter-current.
De préférence, la vitesse de circulation tangentielle des dites première et deuxième phase (liquide ou gaz) comprise entre 0,1 et 10m. s"1.Preferably, the tangential circulation speed of said first and second phase (liquid or gas) between 0.1 and 10m. s "1 .
Pour augmenter le transfert de composés à travers la membrane, on peut faire réagir le composé extrait immédiatement après passage dans ladite deuxième phase de manière à maintenir le gradient de force et donc la vitesse de transfert à valeur maximum, la transformation dudit composé extrait peut se faire par réaction homogène dans ladite deuxième phase ou par réaction hétérogène si la membrane est utilisée comme support d'un catalyseur notamment.To increase the transfer of compounds across the membrane, the extracted compound can be reacted immediately after passing through said second phase so as to maintain the force gradient and therefore the transfer speed at maximum value, the transformation of said extracted compound can take place do this by homogeneous reaction in said second phase or by heterogeneous reaction if the membrane is used as a support for a catalyst in particular.
Lorsque ladite membrane est revêtue de composés hydrophobes, ceux- ci peuvent se présenter sous forme liquide ou solide et fixé à ladite membrane soit par liaison covalente soit par interactions physico-chimiques faibles.When said membrane is coated with hydrophobic compounds, these can be in liquid or solid form and fixed to said membrane either by covalent bond or by weak physicochemical interactions.
Plus particulièrement, ladite membrane céramique poreuse est revêtue d'un composé hydrophobe de type silane greffé au matériau céramique par une liaison siloxane ou le composé hydrophobe est un composé polyphosphazène. Les silanes ont plus particulièrement une structure chimique du type Y- Si(0-R)3, les groupements R étant notamment H ou alkyle, notamment CH3 ou CH2-CH3, et Y étant une chaîne hydrocarbonée. Ces composés sont greffés par liaisons covalentes siloxane S-O-Cer. (Cer.^céramique) qui s'établit entre un groupement OH du support céramique et le groupe siloxane du composé silane. Après greffage, c'est la nature de la chaîne Y et des groupes R qui détermine les propriétés de surface de la céramique greffée. Pour obtenir une surface hydrophobe Y doit être apolaire et hydrophobe notamment en ce qui concerne les substituants présents sur la chaîne hydrocarbonée Y.More particularly, said porous ceramic membrane is coated with a hydrophobic compound of silane type grafted to the ceramic material by a siloxane bond or the hydrophobic compound is a polyphosphazene compound. The silanes more particularly have a chemical structure of the Y-Si (0-R) 3 type , the groups R being in particular H or alkyl, in particular CH 3 or CH 2 -CH 3 , and Y being a hydrocarbon chain. These compounds are grafted by siloxane SO-Cer covalent bonds. (Cer. ^ Ceramic) which is established between an OH group of the ceramic support and the siloxane group of the silane compound. After grafting, it is the nature of the Y chain and of the R groups which determines the surface properties of the grafted ceramic. To obtain a hydrophobic surface Y must be apolar and hydrophobic, in particular as regards the substituents present on the hydrocarbon chain Y.
Les composés polyphosphazène ont une structure polymérique linaire ou cyclique de type — (P(Y)2=N-)n-) ces composés polyphosphazène peuvent être greffés par des liaisons covalentes par réaction avec les groupements hydroxyles OH présents à la surface du matériau céramique. La nature du groupement Y détermine également les propriétés hydrophobes de surface de la céramique greffée.Polyphosphazene compounds have a linear or cyclic polymer structure of type - (P (Y) 2 = N-) n -) these polyphosphazene compounds can be grafted by covalent bonds by reaction with the hydroxyl groups OH present on the surface of the ceramic material . The nature of the group Y also determines the hydrophobic surface properties of the grafted ceramic.
Dans un autre mode de réalisation, le revêtement hydrophobe est réalisé par dépôt d'un film lipidique sur ladite membrane.In another embodiment, the hydrophobic coating is produced by depositing a lipid film on said membrane.
A titre illustratif le film lipidique peut être obtenu à partir d'huile végétale ou toute autre matière grasse lipidique comprenant des triacylglycérols, des acides gras, des phospholipides, des glycolipides ou des stérols. L'application du film lipidique nécessite la dissolution préalable du constituant lipidique dans un solvant organique puis dépose par séchage et élimination du solvant organique tel que le dichlorométhane ou l'hexane.By way of illustration, the lipid film can be obtained from vegetable oil or any other lipid fatty material comprising triacylglycerols, fatty acids, phospholipids, glycolipids or sterols. The application of the lipid film requires the prior dissolution of the lipid component in an organic solvent and then deposited by drying and removal of the organic solvent such as dichloromethane or hexane.
De façon connue, la géométrie de la membrane peut être plane ou tubulaire.In known manner, the geometry of the membrane can be planar or tubular.
Les surfaces utiles unitaires sont le plus souvent de l'ordre de 0,1 m2 et dans les unités industrielles, plusieurs membranes sont installées en série ou en parallèle pour obtenir des surfaces totales de plusieurs m2, voire plusieurs dizaines de m2. Pour les membranes tubulaires, la longueur est voisine de 1 m dans la majorité des cas. Enfin la présente invention a pour objet une installation industrielle utile pour la mise en œuvre d'un procédé selon l'invention caractérisé en ce qu'elle comprend une membrane poreuse en céramique telle que définie ci- dessus.The unit useful surfaces are most often of the order of 0.1 m 2 and in industrial units, several membranes are installed in series or in parallel to obtain total surfaces of several m 2 , or even several tens of m 2 . For tubular membranes, the length is close to 1 m in the majority of cases. Finally, the present invention relates to an industrial installation useful for the implementation of a method according to the invention characterized in that it comprises a porous ceramic membrane as defined above.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lumière des exemples qui vont suivre.Other characteristics and advantages of the present invention will become apparent in the light of the examples which follow.
Exemple 1Example 1
Des membranes commerciales tubulaires en alumine (Membrane Exekia®, longueur 25 cm, diamètres 7/10mm, diamètre de pore 0,8 μm) ont été traitées chimiquement de façon à modifier leurs propriétés de surface et notamment leur hydrophobicité. Dans ce cas la surface libre des grains composant chaque couche céramique a été modifiée en surface par le fournisseur de membranes par greffage de silanes pour assurer l'hydrophobicité du matériau.Commercial tubular alumina membranes (Exekia® membrane, length 25 cm, diameters 7/10 mm, pore diameter 0.8 μm) have been chemically treated so as to modify their surface properties and in particular their hydrophobicity. In this case, the free surface of the grains making up each ceramic layer has been modified on the surface by the supplier of membranes by grafting silanes to ensure the hydrophobicity of the material.
Ces membranes sont ensuite placées dans un carter tubulaire adapté à la taille des membranes où l'on fait circuler en parallèle deux solutions : une saumure (CaCl2, 5 mol.l"1) et une solution aqueuse diluée à concentrer. Pour simplifier, on utilise de l'eau pure. La saumure circule à l'intérieur du tube membranaire et l'eau à l'extérieur mais la configuration inverse est possible. La membrane sert donc d'interface aux 2 solutions et définit deux compartiments respectivement à l'intérieur et à l'extérieur des tubes membranaires.These membranes are then placed in a tubular casing adapted to the size of the membranes where two solutions are circulated in parallel: a brine (CaCl 2 , 5 mol.l "1 ) and a dilute aqueous solution to be concentrated. To simplify, pure water is used. The brine circulates inside the membrane tube and the water outside but the opposite configuration is possible. The membrane therefore serves as an interface for the 2 solutions and defines two compartments respectively in the inside and outside of the membrane tubes.
Du fait de son traitement, la membrane n'est pas mouillée par les liquides et aucun des 2 fluides ne pénètre à l'intérieur des pores, cette zone est le siège d'un film de gaz à savoir de l'air. Cependant suite à la différence de concentration existant entre les 2 solutions en présence, on observe un transfert d'eau du compartiment dilué vers le compartiment concentré. Ce flux de matière résulte d'une vaporisation des molécules d'eau côté solution diluée, puis du transfert en phase gaz de ces molécules à l'intérieur des pores et enfin à leur condensation côté saμmure. Dans les conditions opératoires testées (pression voisine de la pression atmosphérique dans les deux compartiments, températures des fluides constantes et égales à 30 °C, vitesse de circulation de la saumure variable et comprise entre 0,5 et 3 m. s"1 ), les valeurs des flux d'eau mesurées sont de l'ordre de 0,8 kg.h_1m"2. Pour des vitesses de circulation élevées, les pertes de charge générées peuvent dans certains cas faire apparaître des ponts liquides dans les pores membranaires. Des solutés peuvent alors être échangés par diffusion en phase liquide entre les 2 compartiments ce qui n'est pas souhaitable.Due to its treatment, the membrane is not wetted by liquids and neither of the 2 fluids penetrates inside the pores, this area is the seat of a film of gas, namely air. However, following the difference in concentration between the 2 solutions present, a transfer of water is observed from the diluted compartment to the concentrated compartment. This material flow results from a vaporization of the water molecules on the dilute solution side, then the gas phase transfer of these molecules inside the pores and finally their condensation on the saμmure side. Under the operating conditions tested (pressure close to atmospheric pressure in the two compartments, constant fluid temperatures equal to 30 ° C, speed variable brine circulation between 0.5 and 3 m. s "1 ), the values of the measured water flows are of the order of 0.8 kg.h _1 m " 2 . For high circulation speeds, the pressure drops generated can in certain cases cause liquid bridges to appear in the membrane pores. Solutes can then be exchanged by diffusion in liquid phase between the 2 compartments which is not desirable.
Exemple 2Example 2
Des expériences similaires ont été réalisées en utilisant des membranes similaires à celles décrites dans l'exemple 1 mais avec un diamètre de pores de 0,2 μm. Les résultats obtenus sont équivalent en terme de flux d'eau. Cependant, pour des vitesses de circulation comprises entre 0,5 et 3 m. s"1, la formation de ponts liquides n'a jamais été observée.Similar experiments were carried out using membranes similar to those described in Example 1 but with a pore diameter of 0.2 μm. The results obtained are equivalent in terms of water flow. However, for circulation speeds between 0.5 and 3 m. s "1 , the formation of liquid bridges has never been observed.
Exemple 3Example 3
Des membranes identiques à celles mentionnées dans l'exemple 2 ont été utilisées pour étudier' l'incidence de la température sur les flux évaporatoires. On procède dans les mêmes conditions que dans les exemples 1 et 2 sauf en ce qui concerne la température dont la valeur maintenue constante pendant toute la durée d'un essai, est fixée successivement à 25, 30, 35 et 40 °C. Les flux d'eau augmentent de façon exponentielle avec la température et sont respectivement égaux à 0,5 ; 0,8 ; 1 et 1,7 kg.h^m"2.Membranes identical to those mentioned in Example 2 were used to study the incidence of temperature on the evaporative flows. The procedure is carried out under the same conditions as in Examples 1 and 2 except with regard to the temperature, the value of which, kept constant throughout the duration of a test, is successively fixed at 25, 30, 35 and 40 ° C. The water flows increase exponentially with temperature and are respectively equal to 0.5; 0.8; 1 and 1.7 kg.h ^ m "2 .
Exemple 4Example 4
Des membranes identiques à celles mentionnées dans l'exemple 2 ont été utilisées pour étudier l'incidence de la pression sur les flux évaporatoires. Trois types d'essais différents ont été réalisés. Le premier type (Protocole 1) est réalisé dans les conditions similaires à celles des exemples 1 et 2 (à savoir une pression voisine de la pression atmosphérique dans les deux compartiments). Pour le deuxième (Protocole 2), on impose une surpression de 0,2 et de 0,3 bar identique dans chacun des compartiments. Enfin pour le troisième (Protocole 3), on impose dans le compartiment de la solution diluée une surpression de 0,3 bar par rapport à la pression du compartiment saumure. Si l'on compare les performances des essais réalisés selon les protocoles 1 et 2, on constate que les flux opératoires sont multipliés par 4 ou 6 lorsque la pression des compartiments est respectivement égale à 0,2 ou 0,3 bar. Les conditions du protocole 3 conduisent à des résultats encore plus intéressants (flux évaporatoire multiplié par 7 par rapport au protocole 1). Mais, dans ces conditions, les risques de formation de ponts liquides sont plus élevés.Membranes identical to those mentioned in Example 2 were used to study the impact of the pressure on the evaporative flows. Three different types of tests were carried out. The first type (Protocol 1) is carried out under conditions similar to those of Examples 1 and 2 (namely a pressure close to atmospheric pressure in the two compartments). For the second (Protocol 2), an overpressure of 0.2 and 0.3 bar identical is imposed in each of the compartments. Finally for the third (Protocol 3), an overpressure of 0.3 bar relative to the pressure of the brine compartment is imposed in the diluted solution compartment. If we compare the performance of the tests carried out according to protocols 1 and 2, we see that the operating flows are multiplied by 4 or 6 when the pressure of the compartments is respectively equal to 0.2 or 0.3 bar. The conditions of protocol 3 lead to even more interesting results (evaporative flow multiplied by 7 compared to protocol 1). However, under these conditions, the risks of formation of liquid bridges are higher.
Exemple 5Example 5
L'incidence de la nature chimique du support céramique a été évaluée au travers de l'expérience suivante. Des membranes Exekia® en oxyde de zirconium de mêmes forme et dimensions qu'à l'exemple 1 mais présentant des diamètres de pores de 0,1 μm ont été rendues hydrophes grâce à un traitement identique à celui décrit dans les exemples ci-dessus. Les performances de ces membranes sont voisines de celles des membranes préparées à partir de supports céramiques à base d'alumine lorsque les pressions des 2 compartiments sont identiques. Mais si on applique une surpression coté compartiment dilué, les flux observés avec les membranes à base de zircone et d'alumine sont respectivement de l'ordre de 4 et 3 kg.h-'m'2 .The impact of the chemical nature of the ceramic support was evaluated through the following experiment. Exekia® zirconium oxide membranes of the same shape and dimensions as in Example 1 but having pore diameters of 0.1 μm were made hydrophilic by means of a treatment identical to that described in the examples above. The performance of these membranes is close to that of the membranes prepared from ceramic supports based on alumina when the pressures of the 2 compartments are identical. But if an overpressure is applied on the diluted compartment side, the flows observed with the zirconia and alumina membranes are respectively of the order of 4 and 3 kg.h-'m '2 .
Exemple 6Example 6
Une deuxième voie de traitement des membranes céramiques en vue de leur conférer un caractère hydrophobe, a été explorée. Les silanes utilisés dans la première voie ont été remplacés par des polyphosphazènes. Des membranes céramiques identiques à celles utilisées pour réaliser les expériences décrites dans les exemples 1 et 2 ont ainsi été traitées et ont permis d'obtenir dans les conditions opératoires décrites dans l'exemple 1, des résultats moins intéressants : flux évaporatoires plus faibles (< 0,5 kg.h_Im"2) et risque de formation de ponts liquides plus important.A second way of treating ceramic membranes in order to give them a hydrophobic character has been explored. The silanes used in the first route have been replaced by polyphosphazenes. Ceramic membranes identical to those used to carry out the experiments described in examples 1 and 2 were thus treated and made it possible to obtain, under the operating conditions described in example 1, less interesting results: weaker evaporative fluxes (< 0.5 kg.h _I m "2 ) and greater risk of liquid bridging.
Exemple 7 Une troisième voie de traitement pour rendre hydrophobes les membranes céramiques, a été envisagée. Des supports céramiques identiques à ceux de l'exemple 1 ont été enduits d'un mélange huile de maïs / dichlorométhane en proportions variables puis mis à sécher à l'étuve à 70 °C pendant lh. Les membranes ainsi traitées ont ensuite été caractérisées dans les conditions opératoires suivantes : température des fluides constante et égale à 30 °C, vitesse de circulation de la saumure 1 m. s"1, surpression dans le compartiment dilué comprise entre 0,2 et 0,6 bar.Example 7 A third treatment route for rendering the ceramic membranes hydrophobic was considered. Ceramic supports identical to those of Example 1 were coated with a corn oil / dichloromethane mixture in variable proportions and then put to dry in an oven at 70 ° C. for 1 h. The membranes thus treated were then characterized under the following operating conditions: constant temperature of the fluids and equal to 30 ° C., circulation speed of the brine 1 m. s "1 , overpressure in the diluted compartment between 0.2 and 0.6 bar.
Les résultats obtenus montrent que lorsque la fraction d'huile augmente dans le mélange, la surpression à appliquer pour observer un flux de matière entre les compartiments augmente. Ainsi, pour un mélange huile / dichlorométhane 25 / 75 (w / w), le flux évaporatoire est nul lorsque la surpression appliquée est de 0,3 et passe à 7 kg.hm"2 lorsqu'elle est de 0,6 bar.The results obtained show that when the oil fraction increases in the mixture, the overpressure to be applied to observe a flow of material between the compartments increases. Thus, for an oil / dichloromethane mixture 25/75 (w / w), the evaporative flux is zero when the overpressure applied is 0.3 and goes to 7 kg.h m " 2 when it is 0, 6 bar.
Exemple 8Example 8
Dans tous les exemples ci-dessus le transfert de matière résulte de l'existence d'une différence de concentration d'eau entre les 2 compartiments, cette différence étant générée par l'emploi d'une solution concentrée (saumure). On peut cependant envisager d'autres moyens pour la générer. Dans l'exemple décrit ci-dessous, on n'utilise plus de saumure, mais on crée un vide partiel dans le compartiment où circulait la saumure. Trois membranes ont été testées dans cette configuration : une membrane en alumine avec des pores de 0, 8 μm traitée avec des silanes (cf. exemple 1), une membrane en alumine 0, 2 μm préparée selon le même traitement et une membrane en alumine traitée à l'huile de l'exemple 7. Pour les 3 cas, le vide généré varie de —0,1 à —0,6 bar par rapport à la pression atmosphérique dans ladite première phase. On observe l'apparition de ponts liquides dès que la dépression est égale à —0,4 bar dans le cas des membranes préparées à partir des supports de 0,8 μm et ce, quelque soit le traitement de la membrane alors que pour la membrane préparée à partir d'un support de pores de 0,2 μm, ces ponts ne sont observés que lorsque la pression est inférieure à -0,6 bar.In all of the above examples, the transfer of material results from the existence of a difference in the concentration of water between the 2 compartments, this difference being generated by the use of a concentrated solution (brine). One can however envisage other means to generate it. In the example described below, brine is no longer used, but a partial vacuum is created in the compartment where the brine circulated. Three membranes were tested in this configuration: an alumina membrane with 0.8 μm pores treated with silanes (cf. example 1), a 0.2 μm alumina membrane prepared according to the same treatment and an alumina membrane treated with the oil of example 7. For the 3 cases, the vacuum generated varies from —0.1 to —0.6 bar relative to atmospheric pressure in said first phase. The appearance of liquid bridges is observed as soon as the depression is equal to —0.4 bar in the case of membranes prepared from 0.8 μm supports, regardless of the treatment of the membrane while for the membrane. prepared from a 0.2 μm pore support, these bridges are only observed when the pressure is less than -0.6 bar.
Dans les cas des membranes préparées à partir des supports de pores de 0,8 μm, les flux évaporatoires sont pratiquement indépendants de la dépression appliquée et sont de l'ordre de 0,7 kg. h"1. m"2 pour les membranes traitées avec des silanes et de 1,4 kg. h"1. m"2 pour les membranes traitées avec l'huile. Par contre dans les cas des membranes préparées à partir des supports de pores de 0,2 μm, les flux évaporatoires augmentent avec la dépression appliquée et la possibilité de travailler avec un vide plus poussé sans risque de ponts liquides, permet d'obtenir des flux de transfert de l'ordre 2 kg.h-'.m"2.In the case of membranes prepared from 0.8 μm pore supports, the evaporative fluxes are practically independent of the applied vacuum and are of the order of 0.7 kg. h "1. m " 2 for membranes treated with silanes and 1.4 kg. h "1. m " 2 for membranes treated with oil. On the other hand, in the case of membranes prepared from 0.2 μm pore supports, the evaporative fluxes increase with the applied vacuum and the possibility of working with a higher vacuum without risk of liquid bridges, allows fluxes to be obtained. transfer order 2 kg.h - '. m "2 .
Exemple 9Example 9
Le procédé est appliqué à la concentration de jus de fruits à des températures comprises entre 20 et 35 °C en suivant les procédures décrites dans les exemples 1 à 8. Le transfert de l'eau contenu dans le produit vers la phase extractante conduit à la concentration de l'extrait sec soluble du jus de fruits sans qu'il soit nécessaire de chauffer le produit. Sur divers jus de fruits d'extrait sec soluble initial compris entre 5 et 25 % (orange, fruit de la passion, ananas, mangue, camu-camu, banane, etc.) clarifiés ou contenant une teneur variable en pulpe, le procédé permet de concentrer le produit jusqu'à un extrait sec soluble final qui peut atteindre, selon le cas, 65 %. L'opération ne nécessitant pas de chauffer le produit traité, les qualités sensorielles (couleur, flaveur) et nutritionnelles (teneur en vitamine notamment C) du concentré élaboré sont supérieures à celles obtenues en utilisant les techniques classiques de concentration par évaporation thermique. Les flux d'eau mesurés lors de l'opération varient de 0,1 à au moins 4 kg. h"1. m"2 selon le produit traité (extrait sec soluble, viscosité,- teneur en pulpe), le type de membrane mis en œuvre (type de céramique, diamètre moyen de pores, traitement de surface utilisé) et selon les conditions opératoires choisies (vitesse de circulation, température, pressions statiques de part et d'autre de la membrane, nature et caractéristiques de la phase extractante, position de la phase extractante par rapport à la membrane).The process is applied to the concentration of fruit juice at temperatures between 20 and 35 ° C by following the procedures described in Examples 1 to 8. The transfer of the water contained in the product to the extracting phase leads to the concentration of the soluble dry extract of fruit juice without the need to heat the product. On various fruit juices with an initial soluble dry extract of between 5 and 25% (orange, passion fruit, pineapple, mango, camu-camu, banana, etc.) clarified or containing a variable pulp content, the process allows to concentrate the product until a final soluble dry extract which can reach, as the case may be, 65%. Since the operation does not require heating the treated product, the sensory (color, flavor) and nutritional (vitamin content, in particular C) qualities of the concentrate produced are superior to those obtained using conventional concentration techniques by thermal evaporation. The water flows measured during the operation vary from 0.1 to at least 4 kg. h "1. m " 2 depending on the product treated (soluble dry extract, viscosity, - pulp content), the type of membrane used (type of ceramic, average pore diameter, surface treatment used) and according to the conditions chosen operating procedures (circulation speed, temperature, static pressures on either side of the membrane, nature and characteristics of the extracting phase, position of the extracting phase relative to the membrane).
Les flux supérieurs à 1 kg. h"1. m"2 sont obtenus en présence de pression statique supérieure à la pression atmosphérique et/ou différence de pression statique entre les deux phases de la membrane comme explicité précédemment. Exemple 10Fluxes greater than 1 kg. h "1. m " 2 are obtained in the presence of static pressure greater than atmospheric pressure and / or difference in static pressure between the two phases of the membrane as explained above. Example 10
Tous les exemples ci-dessus sont relatifs à des opérations de concentration de solutions aqueuses suite au transfert de molécules d'eau à l'état gazeux à travers la membrane ; cette opération est possible grâce à l'utilisation d'une membrane rendue hydrophobe et d'une phase extractante présentant une concentration de l'eau plus faible que celle de la solution à traitée. On peut avec le même type d'installation, envisager l'extraction de solutés ou de solvants contenus dans toute autre solution, en adaptant le traitement de la membrane de façon à la rendre non mouillante par la ou les solutions qui sont à son contact et en générant de part et d'autre de la membrane une différence de potentiel de transfert liée à un gradient de concentration, en présence d'une faible différence de pression statique et/ou d'une pression statique supérieure à la pression atmosphérique au moins du côté de la première phase. All the above examples relate to operations for concentrating aqueous solutions following the transfer of water molecules in the gaseous state through the membrane; this operation is possible thanks to the use of a hydrophobic membrane and an extracting phase having a lower concentration of water than that of the solution to be treated. With the same type of installation, it is possible to envisage the extraction of solutes or solvents contained in any other solution, by adapting the treatment of the membrane so as to make it non-wetting by the solution or solutions which are in contact with it and by generating on either side of the membrane a difference in transfer potential linked to a concentration gradient, in the presence of a small difference in static pressure and / or a static pressure greater than atmospheric pressure at least side of the first phase.
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Claims

REVENDICATIONS
1 Procédé d'extraction d'au moins un composé présent dans une première phase liquide ou gazeuse à l'aide d'une membrane poreuse dont une première face est placée au contact d'une dite première phase liquide ou gazeuse et dont la deuxième face opposée est placée au contact d'une deuxième phase liquide ou gazeuse, au moins une des deux dites première et deuxième phase étant liquide, les deux dites première et deuxième phases circulant tangentiellement contre ladite membrane, celle-ci permettant de mettre en contact lesdites première et deuxième phases sans qu'elle ne se mélangent, ladite deuxième phase présentant une concentration dudit composé plus faible par rapport à celle de ladite première phase, ledit composé à extraire étant transféré de ladite première phase vers ladite deuxième phase par diffusion à travers les pores de ladite membrane poreuse, principalement sous l'effet du gradient de concentration en dit(s) composé(s) à extraire entre lesdites première et deuxième phases, procédé caractérisé en ce que ladite membrane poreuse est une membrane en matériau céramique, et on établit une pression statique supérieure de 0,1 à 1 bar par rapport à la pression atmosphérique, de préférence supérieure de 0,2 bar par rapport à la pression atmosphérique, au moins dans ladite première phase liquide, la différence de pression statique entre les deux faces de la membranes étant inférieure à 1 bar, de préférence inférieure à 0,6 bar, et/ou on établit une différence de pression statique entre les deux faces de la membrane consistant en une surpression de 0,1 à 1 bar du côté de ladite première phase.1 Method for extracting at least one compound present in a first liquid or gas phase using a porous membrane, a first face of which is placed in contact with a said first liquid or gas phase and the second face of which opposite is placed in contact with a second liquid or gaseous phase, at least one of the two said first and second phases being liquid, the two said first and second phases flowing tangentially against said membrane, the latter making it possible to bring said first into contact and second phases without mixing, said second phase having a lower concentration of said compound compared to that of said first phase, said compound to be extracted being transferred from said first phase to said second phase by diffusion through the pores of said porous membrane, mainly under the effect of the concentration gradient in said compound (s) to be extracted between these your first and second phases, process characterized in that said porous membrane is a membrane made of ceramic material, and a static pressure greater than 0.1 to 1 bar compared to atmospheric pressure is established, preferably greater than 0.2 bar relative to atmospheric pressure, at least in said first liquid phase, the difference in static pressure between the two faces of the membrane being less than 1 bar, preferably less than 0.6 bar, and / or a difference of static pressure between the two faces of the membrane consisting of an overpressure of 0.1 to 1 bar on the side of said first phase.
2 Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que ladite membrane est revêtue sur au moins une de ses faces, de préférence sur ses deux faces, d'un revêtement qui rend ladite membrane non mouillable vis à vis des dites première et/ou deuxième phase liquide circulant à son contact.2 Method according to claim 1, characterized in that said membrane is coated on at least one of its faces, preferably on its two faces, with a coating which makes said membrane non-wettable with respect to said first and / or second liquid phase flowing in contact with it.
3 Procédé selon la revendication 1 à 2, caractérisé en ce que ledit composé à extraire est l'eau, et on réalise une déshydratation de ladite première phase liquide qui est une solution aqueuse, à l'aide de ladite deuxième phase présentant une faible concentration en eau. 4 Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite deuxième phase liquide est une solution de saumure à saturation. " 3 Method according to claim 1 to 2, characterized in that said compound to be extracted is water, and dehydration of said first liquid phase which is an aqueous solution is carried out, using said second phase having a low concentration in water. 4 Method according to claim 3, characterized in that said second liquid phase is a saturated brine solution. "
5 Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite deuxième phase est une phase gazeuse à faible pression partielle de vapeur d'eau.5 Method according to claim 3, characterized in that said second phase is a gaseous phase at low partial pressure of water vapor.
6 Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'on établit une différence de pression statique entre les deux faces de la membrane, consistant en une surpression, de 0,1 à 1 bar du côté de ladite première phase.6 Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that a static pressure difference is established between the two faces of the membrane, consisting of an overpressure, from 0.1 to 1 bar on the side of said first phase .
7 Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le flux de transfert en dit(s) composé(s) à travers la membrane est d'au moins 1 kg. h"1. m"2 de préférence d'au moins 2 kg. h"1. m"2, de préférence encore d'au moins 5 kg. h"1. m"2 7 Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that the transfer flow in said compound (s) through the membrane is at least 1 kg. h "1. m " 2 preferably at least 2 kg. h "1. m " 2 , more preferably at least 5 kg. h "1. m " 2
8 Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'on réalise un traitement à température ambiante, notamment à température inférieure à 35°c • et ladite première phase liquide est une solution thermosensible comprenant des composés susceptibles d'être dégradés par chauffage.8 Method according to one of claims 1 to 7, characterized in that a treatment is carried out at ambient temperature, in particular at a temperature below 35 ° C. • and said first liquid phase is a heat-sensitive solution comprising compounds capable of being degraded by heating.
9 Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que ladite première phase liquide est un jus de fruit et on réalise la concentration dudit jus de fruit par extraction de l'eau dudit jus de fruit9 Method according to one of claims 1 to 8, characterized in that said first liquid phase is a fruit juice and the concentration of said fruit juice is carried out by extraction of water from said fruit juice
10 Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la vitesse de circulation tangentielle desdites première et deuxième phase est comprise entre 0,1 et 10m. s"1.10 Method according to one of claims 1 to 9, characterized in that the tangential circulation speed of said first and second phase is between 0.1 and 10m. s "1 .
11 Procédé selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il présente un diamètre moyen de pores compris entre 0,01 et 5 μm de préférence 0,1 à 1 μm11 Method according to one of claims 1 to 10, characterized in that it has an average pore diameter of between 0.01 and 5 μm preferably 0.1 to 1 μm
12 Procédé selon l'une des revendications 1 ou 11, caractérisé en ce qu la porosité volumique de ladite membrane est d'au moins 20%, de préférence de 50% à 80%. 13 Procédé selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que ladite membrane présente une épaisseur de 10 à 1000 μm, de préférence de 10 à 200 μm.12 Method according to one of claims 1 or 11, characterized in that the volume porosity of said membrane is at least 20%, preferably from 50% to 80%. 13 Method according to one of claims 1 to 12, characterized in that said membrane has a thickness of 10 to 1000 microns, preferably from 10 to 200 microns.
14 Procédé selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que ladite membrane comprend un support céramique macroporeux revêtu d'une couche poreuse céramique de pores de diamètres de 0,01 à 5 μm de préférence de 0,1 à 1 μm et de porosité volumique d'au moins 20% de préférence de 30% à 80%.14 Method according to one of claims 1 to 13, characterized in that said membrane comprises a macroporous ceramic support coated with a porous ceramic layer of pores with diameters from 0.01 to 5 μm preferably from 0.1 to 1 μm and of volume porosity of at least 20%, preferably from 30% to 80%.
15 Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les dit matériau céramique comprend un ou plusieurs oxyde métallique choisi parmi A1203, 2r02, TiO2 et Si02 15 Method according to one of the preceding claims, characterized in that the said ceramic material comprises one or more metal oxide chosen from A1 2 0 3 , 2r0 2 , TiO 2 and Si0 2
16 Procédé selon l'une des revendications 1 à 15, caractérisé en ce que ladite membrane est revêtue de composés hydrophobes se présentant sous forme liquide ou solide et fixéS à ladite membrane soit par liaison covalente soit par interactions physico chimiques faibles.16 Method according to one of claims 1 to 15, characterized in that said membrane is coated with hydrophobic compounds in liquid or solid form and fixed to said membrane either by covalent bond or by weak physico-chemical interactions.
17 Procédé selon la revendication 16, caractérisé en ce que ladite membrane céramique poreuse est revêtue d'un composé hydrophobe de type silane greffé au support céramique par une liaison siloxane.17 The method of claim 16, characterized in that said porous ceramic membrane is coated with a hydrophobic compound of silane type grafted to the ceramic support by a siloxane bond.
18 Procédé selon la revendication 16 ou 17, caractérisé en ce que le composé est un composé polyphosphazène.18 Method according to claim 16 or 17, characterized in that the compound is a polyphosphazene compound.
19 Procédé selon la revendication 16, caractérisé en ce que le revêtement hydrophobe est réalisé par dépôt d'un film lipidique sur ladite membrane19 The method of claim 16, characterized in that the hydrophobic coating is produced by depositing a lipid film on said membrane
20 Procédé selon l'une des revendications 1 à 19, caractérisé en ce que ladite membrane est sous forme d'une paroi plane ou tubulaire.20 Method according to one of claims 1 to 19, characterized in that said membrane is in the form of a flat or tubular wall.
21 Installation industrielle utile pour la mise en œuvre d'un procédé selon l'une des revendications de 1 à 20 caractérisée eh ce qu'elle comprend une membrane poreuse en céramique . telle que définie dans l'une des revendications 1, 2 et 11 à 20. 21 Industrial installation useful for implementing a method according to one of claims from 1 to 20 characterized in that it comprises a porous ceramic membrane. as defined in one of claims 1, 2 and 11 to 20.
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