Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
27t~
~a présente invention concerne la prepara-tion de
membranes en alcool polyvinyliolue u-tilisables not~nent pour
le fractionnement de solutions salines selon la technique de
l'osmose inverse 9
On a déjà propos~ d'utiliser en osmose in~erse des
membranes d'alcool polyvinylique réticulé par traitement ther
mique (Reid et Spencer-Journal o:E applied Polymer Science -
vol. IV, n 12 pages 354-361 - 1960) ou par mise en contact
avec un isocyanate (~onsdal et coll~ "Reverse Osmosis ~or ~ater
Desalination" Re~earch and Development Progress Report - n 150 -
Octobre 1965). Dans la demande de brevet français publie 2 088 598
se trouvent plus précisément décrites des me~branes pour osmose
inverse issues d'un polymère filmogène, tel que l'alcool poly-
vinyli~ue, présentant un degré de réticulation variant progressi-
vement suivant l'épaisseur de la membrane, l'agent de réticulation
utilisé de préférence étant un diisocyanate. De telles membranes
présentent des performances remarquables, tant sur le plan du
taux de rejet du sel (NaCl) que sur celui du débit dleau. Ces
per~ormances sont obtenues gr~ce à une technique permettant de
préparer des membranes d'épai~seur extr~mement ~aible (moins de
10 ~ ).
~a présente invention se rapporte au premier type de
r~ticulation mentionné plus haut c'est ~ dire la réticulation
par traitement thermique~ ~'objet principal de l'invention est
un procédé de traitement de pellicules en alcool polyvinylique
permettant de con~érer à ces pellicules des propriétés osmoti~ues
i~téressantes, en particulier, pour les pellicules planes, un
débit rapport~ ~ un ~ilm de 1~l d'épaisseur ~ déterminé par le
produit: D~bit ~en l/j.m ) x épaisseur (en ~ ) 7 supérieur
1 000 l/j.m2 (pour ~ne solution aqueuse de NaCl ~ 35 g/l sous
une pressio~ de 100 bars ~ 30C) tout en possédant une épaisseur
rendant aisée leur manipulation et leur montage dan~ les appareils
717~:~
d~osmoseO
Un autre objet de l'invention est de fournir des
membranes utilisables non seulement pour le fractionnement de
solutions ren~ermant du chlorure de sodium mais encore pour le .
fractio~nement de solutions renfermant d'autres sels, en par-ti-
culier les sulfates.
D'autres avantages du procede con~orme à l9inYenti
et de~ membranes auxquellès il conduit appara~tront au cours de
la description qui suit~
he procédé con~orme à l'invention9 qui s~applique
des pallicules d'épai~seur comprise entre 10 et 50 ~ issues
d'alcool polyvinylique d'inaice d9ester compris entre 0 et 5
est caractérisé en ce qu'il comprend successivement:
a) un traitement thermique ~ sec de la pellicule, ~
une température comprise entre 160 et 220~ et pendant une duréQ
comprise entre 10 mn et 70 heures en~iron, la durée et la temp~-
rature étant étroitement li~es ainsi qu'il sera e2plicité ci-
apr~s;
b) un traitement thermique dans l'eau sous press.ion
atmosphérique ~ une température égale à 90C ou supérieure à
sooa~ ,
~ '~lément caractéristique de l'alcool polyvinyli~ue
utilisé est son indice d'ester qui doit être compris dans les
limites indiquées ci-avant, et de préférence entre 0 et 20 Hormis
cette réserve, on peut u~ ser les aif~érents types d'alcool
poly~inylique disponibles~ ~n particulier, la viscosit~ en
solution aqueuse ~ 4 % peut ~arier entre 5 et 100 cPo et de
préférence entre ~0 et 90 cPo à 20a. Ces alcools polyvinyliques
peuvent etre obtenus selon le~ di~ers procedés~ continus ou
discontinus actuellement connus.
~ es pelllcules susceptibles d'être traitées selon
l'invention peuvent 8tre de f`orme quelconque plane ou tubulaire;
~z~
en particulier les fibres creuses sont incluses dans ce terme
pellicule étant entendu ~ue l'épaisseur indiquee pour la pelli-
cule concerne alors la paroi de la fibre creuseO ~es fibres
creuses ont généralement un diamètre externe compris entre 30
et 1 mm, de préférence compris entre 50 et 400 ~, leur diam~tre
interne est supé.rieur à 5 ~O
~ a formation de la pellicule d'alcool polyvinylique -
qui ne constitue pas en elle-même un objet de l'invention -
s'effectue généralement par coulée d'une solution du polymare
sur un support non adhéren-t tel qulune plaque de verre puis éli-
mination de solvant. Pour les pellicules tubulaire~ e-t ~urtout
pour les ~i~res creuses on peut en outre opérer selon les procédés
connus dans le domaine de la ~ilature : on fait passer une solu-
tion d'alcool polyvinylique ~ travers une filiare ~ ori~ice
annulaire et on élimine le ~olvant par tout moyen connu par
exemple par extraction à l'aide d'un non solvant du polym~re
miscible avec le solv~nt ~ extraire~
~ e premier traitement -thermique de pellicule d1alcool
polyvinylique s'e~fectue a sec. Cette expression signi.~ie que
le traitement est appliqué à une pellicule d'alcool polyvinyli~ue
fabri~uée antérieurement et séchée.
~ es conditions du traitement thermi~ue sont critiquesO
~a température doit être comprise entre 160 et 220C; la durée
de ce traitement dépend de la ternpérature choisie et de la vis-
cosité de l'alcool polyvinylique utiliséO Cet-te relation entre
température (~), durée (h) et viscosité (~) es-t explicitée dans
l'épure de la figure 1 ~e choix des condi-tions du traitement
doit ~tre tel que le point M - qui correspond à ces conditions -9
(ce point é-tant déterminé, dans ce système a '.~xes de coordonnées
trirect~ngle par ses trois coordonnées ~ h et ~, définies ci~
a~ant - la durée exprimée en heures étant repxésentées selon une
échelle logarithmique et la viscosité, exprimée en cPo étant
mesurée ~ 20C sur une solution aqueuse ~ 4 %) so.it contenu
~ _ 3 _
~ ~zr~
l'int~rieur d'un solide A B C D A' B' C' D' défini par les pro-
jections frontale et horizontale de ses sommets dans 1'epure
de la figure ]..
Les coordonnées de ces points sont:
Point Tempé- durée viscoslte
ratureheure cPo
A 2200 ,18 5
B 2200, 75 5
C 160 34 5
D 160 20 5
A' 220 0, 5 100
B' 220 l 100
C' 160 70 100
D' 160 25 100
: Le solide A B C D A ' B ' C ' D ' est en fait la section
d'un prisme à base trapezoidale par deux parabolo~des hyper-
boliques.
Le premier de ces parabolo~des hyperboliques corres-
pond à la face A A' D D' et est engendré par le déplacement
d'une droite horizontale s'appuyant sur les droites A D et A'
D', soit par le déplacement d'une droite parallèle au plan fron-
tal de projection et s'appuyant sur les droites A A' et D D'.
Le second de ces par~boloTdes hyperboliques corres-
pond a la ~ace B B' C C' et est engendre soit par le deplace-
ment d'une droite horizontale s'appuyant sur B C et B' C', soit
par le déplacement d'une droite parallèle au plan frontal de
projection et s'appuyant sur B B' et C C'.
Les quatre faces planes du solide ~ B C D ~' B' C' D'
sont des trapezesi en outre toutes les sections du solide A B C
D A' B' C' D' par des plans horizontaux ou verticaux sont égale-
~ ment des trapèzes.
Pour les pellicules issues d'un alcool polyvinyliquede vlscosité comprise entre 20 et 90 cPo - qui sont utilises de
-4-
'~
. ~ , '.
~ 77~
préférence dans l'invention -, les conditions de temperature et
de durée du traitement thermique doivent etre telles que le
point Ml - determiné comme le point M - soit contenu à l'in-té-
rieur d'un solide Al Bl Cl Dl A 1 B 1
l'épure de la figure 2.
.~ Les coordonnees de ces points sont:
Poin-t tempe- durée viscoslte
_ rOture heure cPo
Al 220 0,22 20
Bl 220 0,8 20
Cl 160 20 20
DI 160 20 20
: A~l 220 0,46 90
B'l 220 1 90
C'l 160 65 90
160 24 90
1 Bl Cl Dl ~ 1 B'l C'l D'l comporte les
mêmes caracteris-tiques géométriques que le solide A B C D A' B'
C' D'. Il ne se distingue de ce dernier que par la position de
ses sommets.
Le second traitement thermique conforme au procede de
~ ~Z~7~
l'invention s'e~ec-tue dans lleau chaude ~ pression atmosph~rique~
~a temparature de l'eau doit être de 90C ou au-dessus, la
température maximum étc~nt lég~rement in~érieure ~ la température
d'~bullition de 1'~au. ~a durée du traitement dans l'eau est
de préférence supérieure ~ 10 ~. La durée maximum peut varier
dans de larges limites. A titre indicatif 9 on peut la ~ixer aux
alentours de 5 heures.
Il y a eu lieu de préciser que l'un et/ou l~autre des
traitcments thermiques mentionnée ci-avant peuvent s'effectuer en
une ou plusieurs fois, les traitements partiels pou~ant etre
entrecoupéa de périodes de refroidissement pouvant descendre
jusqu'a la température ambiante et la durée de ces p~riodes de
refroidissement pouvant aller de quelques minutes ~ plusieurs
heures. ~es durées mentionnées dans les figures désignent les
durées totales de traitement à une température donnée, abstrac-
tion faite des dites périodes de refroidissementO
Il doit etre entendu que les conditions définies dans
le~ diagrammes des figures 1 ou 2 représentent des condi-tions
o~timales, corresp~ndant à des pellicules associant une bonne
perméabilite (débit) ~ une sélectivit~ acceptable (taux de reje-t)~
De ce ~ait, on ne sortirait pas du cadre de l'invention en choi-
sissant des conditions opératoires ne s'écartan-t que légerement
des conditions dé~inies par les dits diagrammes.
Après le traitement dans l'eau chaude~ les membranes
sont séchées ~ pression atmospherique ou subatmosphérique et à
une température pouvant varier entre 20 et 100C. Au moment de
l'emploi, c'est ~ dire du montage dans l'appc~reil d'osmose, il
est avantageux d'humidifier les membrcmes, par exemple en les
immergec~nts dans de lleau à température c~mbiante pendant quelques
minutes ~ quelques heuresO
~ e~s membranes traitees conformément au procédé décrit
ci-avant peuvent etre utilisées telles quelles dans des
,.
~ 7~
op~r~tions de ~ractio~lement de solutions par osmoe in~erseO
On peut toutefois appliquer ~ ces membrane~ des ~raitements
complémentaires commie par exemple une réticulation en surfiace
par exposition de la membrane ~ des vapeurs d'un a~ent x~ticulant
tel qulun diisocyc~nate~ ~ette technique de réticula-tion est plus
particuli~remen-t décrite dans le brevet belge 765 463.
~ es membranes9 réticulées -thermiquement et éventuelle~
ment en surface sont utilisables dans les conditions habituelles
de l~osmose inverse. ~n particulier elles sont opérationnelles
dans une gamme de température pouvant s~étendre de 20 à 60C et
pour des concentrations en sel pouvant dépasser 100 g/l. Il n'y
a pratiquement pas de limite inférieure de concentration~ le
soluté pouvant se trouver c~ l'état de traces.` Iia pression
d'u-tilisation est généralement supérieure à 5 bars et, habituel-
lement comprise entre 10 et 1~0 bars. Pour une concentration
de NaCl de 35 g/l et sous une pression de 100 bars (température
30C), le taux de rejet se situe généralement entre 35 et 50 ~0
aes membranes sont naturellement utilisables pour le
fractionnement de solutions de NaClO Ces membranes peuvent
~galement 8tre utilisées en présence d~autres chlorures (chlorure
de caloium~ chlorure de magn~sium par exemple) ou de sels dlautres
acides, en particulier les carbonates ou les sul~ates. Il y a
lieu de noter que ces membranes présentent un taux de rejet
) particulièxement élevé vis à ~is de ces derniers.
es exemples suivants9 ~onnés à titre non limitati~
illustrent l'invention et montrent comment elle peut etre mise
en pratiqueOi
Dans les e~emples 1 ~ 10, les membranes ont éte fiabri-
quées de la mc~ni~re sui~c~nte :
On prépclre une solution d'alcool polyvinylique dans le
diméthylsul~oxyde (concentra-tion 10 %) coule cette solution s~ur
une plaque de ~erre entollrée d'un cadre métcilliqueO Ii~épaisse
~3277~'~
de la couche est de 250 ~Lenviron. On élimL~e le solvant
(pression r~duite à 200 mn de mercure - température 40C
durée de 17 h).
On découpe ensuite dans la pellicule obtenue des
disques qui sont collés sur leur pourtour ~ des bagues cylindri-
ques en verre pyrex (marque de commerce).
~ e traitement thermique es-t effectué en ~tuve. Pour
chaque essai on utilise quatre échantillons et détermine les
propri~tés sur la moyenne des résultats des quatr~ échantillons.
Sauf indication contraire, l'alcool polyvinylique
utilis~ présente un indice d'ester de O et une viscosité en
solution aqueuse à 4 ~ de 30 cPo ~ 20C. De même en l'absence
d'autres précisions,l'osmose s'effectue sous une pression de 100
bars et sur une ~olution de NaCl ~ la concentration de 35 g/l.
~ors~ue l'on indique la durée du test, celle-ci est comptée à
partie de la mise SOU9 pression de la cellule.
:EXENIPIE 1:
On prépare une pellicule d'alcool polyvinylique1 la
colle sur une bague cylindrique en verre"pyrex"(diam~tre ext~
9~5 cm~ diamètre in-t. 9 cm, hauteur 3 cm) et la place en étuve
à 210C pendant 20 mn. ~a pellicule est ensuite laiss~e ~ l'air
pendant 2 semalnes puis subit à nouveau un trai-tement thermi~ue
à 210C pendant 20 mn. ~a pellicule est ensuite immerg~e pendant
15 mn dans de l'eau à 95C puis laissée à l'air ~ 25 pendant
Z4 h.
~a pelllcule est ensuite humid~fiée, déposée sur un
filtre (marqueMILLIPORE VSWP) et l'en~emble e3t plac~ dc~ns une
cellule d'o~mose inverse.
Au fur et ~ mesure ~ue le test se déroule, on él~ve la
température de la solution de NaCl de 25~5 ~ 45,1 puis la laisse
redescendre jusqu'à 30C.
A la fin du test dont la duree est de 600 h le ~ilm
_ 7 _
7~
est séché (s6jour ~ l'air ~ 25~ pendant 24 h) et on mesure son
epais~eur: 13 ~ .
~es résultats sont consi~s da~s le tableau suivant:
Au bout de ~t-~-r~tur~ Débit ~aux de D~bit calcule
..0 heures de la solution (l/j ~m2) reaet de pour un film
de NaCl ( 4~) Naal (%) de 1
d ' ep/ S 2ur
1~5 025,5 9695 4174 1250
_ 86 48~4 1130
_ 85 50,7 1100
, . ,, _ . ,. ~ . . i .
120 3Q 96 52~7 1250
216 _- 97 52,7 126Q
240 35 112 52,7 1450
. . .
287 35,2 115 53,9 1495
. ,.. ... , . ., . _
377 40 126 53,0 1640
403 40 127 53,9 1650
. _ .
427 45,1 142 5193 1840
474 ~5 141 52~2 1830
. . . .
547 40 125 53,3 1625
600 30 89 56~7 1150
EXE~.~IE 2 :
. _
On renouvelle l'essai de l'exemple 1 en effectuant
le double traitement de 20 minutes ~ 210a ~ 1 jour d7inter~
valle. ~e traitement dans l'eau à 95C dure 15 mn. .~a tempé~
rature de la solution de NaCl est de 30C~ A l'issue du test,
l'épaisseur du ~ilm sec est de 20~.
On no-te les résultats suivants:
~ 8 -
7f'~
_ . . . ... . ~ ~ ~
~u bout de : Débit Taux ae Debit pour
(lo/~m2) rejet NaCl % (1/~.m2)
. _ _ _ __ _ ~ _ . _ . __ __
1,5 heure 65 38 1300
. . ................................... _ _ _ _ .
19 heures 65 39 1300
~__ ,~
~00 _ 64 39J7_ 1280
~ 63,5 4098 _ _
EXE~P~æ ~ :
- On renouvelle llessai de l'exemple 2 en e~ectuant un
traitemen-t dans l'eau à 95 de 30 mn au lieu de 15 mn~
Dans les conditions de l'exemple 2, on note les ré-
sulta-ts suivants (épaisseur du film sec après le test: 12J~3.
' , _ . . . . _
Au bout de : Débit ~aux deDébi-t pour
... .. ... (l,/~.m2)rejet de NaC1 ~o (l/j.m2
24. heures 132 38,6 1584
,~ , ...... , __ ~_
~0 94 . . ,. 130 39 9 ~ 1560
1~0 _ 130 40,6 ¦ 1560
_ _ ._...... . _
262 - 129 40 7 6 1548
~ n u-tilisant la membrane fabriquée selon l'exemple 3
pour l'osmose inver~e d'une solution de NaCl ~ la concentration
de 5 g/l (température de la solution: 37C), on note:
Au bout dë Débit ~au~ de reJat
(l~/jom2) NaCl %
O _...... .,.. ,._ .
5 heure~ 170 44 7 5
~ ~ ,,
7S - 169 46y8
~ . - - I ..
_ _ 163 46,B
_ g _
~3zr~r~
On utilise la membrane fabriquée selon l'exemple
pour 1'osmose in~erse ~sous pression de 80 bars- de solution~
de sels diversO ~a durée du test est de 150 h/ par soluté;
ltépaisseur du ~ilm sec a la fin du test est de 12J~.
On note:
Soluté Concentration Débit 2 ~aux de rejet '~ tu}~
g/l (lo/j ~m ) du soluté ~/o de la solu-tion
. _ _ . . ,
NaCl 4~7 140 41 35a
_ ~ _ .
Na2S4 12 138 94 _
aaC12 9,4 ~40 50 3~0~
_ _ _ ____
MgCl2 9~5 123 54_ _ _
EXE~Iæ 6 :
On.prépare une pellicule ~ partir d'une solution
7 % (en poids) dans le diméthylsul~oxyde, de l'alcool pol~-
vinylique utilis~ dans les exemples précédents. Cette pellicule
est traitée comme ~ l'exemple 3 (2 ~ois 20 mn ~ 210C; 30 mn
dans l~eau ~ 95C), et ut.ilisée en osmose inVerse (solution
aqueuse ~ 35 g/l de ~aCl -pression : 100 bars; -température
30C)~ ~'épaisseur.de la pellicule est de 16~ la ~in du testO
On ~ote: .
Au bout de: Débit Taux dé ~ Débit pour
. _ (~ 2~ _ _ _ _ (l/j.m )
5 heures 64~4 40,8 1030 .
__ , .... ..
18 heures 64~5 41,4 1032
EXE~E 7 :
_
~a pellicule d'alcool polyvinyl.ique subit ~n traitement
de 60 ou 90 ~n ~ 210C puis est immergée dans l'eau ~ 99,6C
-- 10 _
~ 277~
(30 minutes)O ~es propriét~s osmotique~ sont les ~uivan-te~:
après 60 mn à 210 ~ débit : 108 1/m2.~
taux de rejet NaCl : 42t2 ~o
débit pour film de 1~ (épaisseur réelle
14,8)~) : 1600 l/j~m
après 90 mn à 210 o débit 24,2 1/m2.~
taux de rejet NaCl : 40,3 ~o
débit poux film de 1~ (épaisseur réelle
50~ 1210 l/j.m2.
EXEMP~E 8 -
On renouvelle l'essai de l'exemple 7 en effectuant letraiteme~t de 30 mn à 99~6C sur des pellicules ayant été préala-
blement traitées à 165 pendant 30 heures.
On note : débit ~ 53 l/j~m
taux de rejet Naal : 36 %
débit pour film de 1 ~ (épaisseur réelle :
26 J~ ) 1380 l/j o
PIE~
On soumet des pellicules d'alcool polyvinylique à un
traiteme~t ~ 160. Ce~ pellicules sont ensuite immergées da~s
1'0au ~ 95 pendant 30 mn.
On note :
~. .
: . . . ........ .. .~ _ -- ~ . ........ .......... ._ _
Pour une durée Epaisseur Débit2 ~aux de Débit pour
de trai-tement de: de la (l./j.m ) re~et NaCl film de 1
pellicule % (l/j.m~)
_ ~ .,. . . . . , _ I
. 30 heures 31 ~ 66 46,5 2056
_ _ . _ r, .~ ~ _ _
33 heures 44 ~ 40 54 1760
~ titre de comparaison, après un traitement de 60heures7
le d~bit est de 7,2 l/jtla2 et le taux de rejet de 62 ~0 pour une
épai~seur de 14~.
~ ~27
EXEMP~E 10 :
On utilise un alcool pol~vinylique d'indice d~ester
égal ~ O e-t de viscosité 88 cPo (solution a~ueuse ~ 4 %~.
~ a pellicule es-t traitée pendant 30 heure~ ~ 160 puis
immergée pendant 30 mn dans 1'eau ~ 95oau
On note (pour une épaisseur de 17-18 ~ ) :
- Débit : 72 l/j.m2
- Taux de rejet : 35 ~o
- Débit pour film de 1~ : 1290 l/~Om
EXEMP~æ 11 :
On dissout ~ 120C 25 g d'alcool polyvinylique (indice
d'ester : O; viscosit~ en centipoises à 20C en solution aqueuse
à 4 ~o : 30) dan~ 75 g de diméthylsulfoxyde (DMSO)o
Cette solution est injectée ~ raison de 4,5 ~m3/mn
dans l'orifice annulaire (en forme de couronne) d~une filière
~diam~tre in~érieur de la couronne 0,6 mm; diamètre extérieur de
la couronne : 0~8 mn~O ~a partie supportant la ~ilière et la
filière sont maintenues ~ température de 90~
~ a filière est disposée selon un axe vertical, et son
extr~mité in~érieure (ori~ice) se trouve à 5 cm au-dessus dlun
bain de méthanol maintenu à 0C, qui a pour fonction de re~roidir
rapidement la fibre, en lui con~érant des propriétéæ mécani~ues
æuf~isantes pour la rendre manipulable; en outre, ce bain de
mé~hanol sert à éliminer en partie le D~SO.
Au centre de 1'orifice annulaire de la ~ilière, il y
a un deuxième ori~ice de 0~3 mm de diam~tre par lequel est in-
jecté~ dans l'~me de la fibre creuse nai~sante un courant d'azote
raison de 240 cm3/heure~
~ a fibre creuse naissante parcourt Yerticalement le
bain de méthanol sur une longueur de 1 m, à la ~itesse de 10,5 m~mnu
A 1Q sortie de ce bain~ la fibre creuse est enroulée sur deux
roulea~ immergés ~ moiti~ dans du méthanol7 ce qui permet de
_ 12 -
~77~,~
poursuivre le lavage de la fibreO Celle ci est alors s~ch~e
suCce~sivement pendant 1~5 mn ~ 80C puis 1~5 mn ~ 120Go On
proc~de alors ~ un ~tirage de la ~ibre de 400 ~og celle-ci ~tant
au contact (pendant environ u~e seconde) d lune plaque chauffee
à 150C.
~e fil est ensuite soumis à un traitement thermique
de réticulation par passage sur des rouleaux situés dans une
étuve ventilée. ~e ~il est ainsi maintenu à longueur constante
pendant 55 mn ~ une température moyenne de 210~ On effectue
alors~ sur le fil enroulé en écheveau, un traitement thermique
aqueux pendant 2 heures à 95C puis on laisse l'écheveau ainsi
traité 24 heures à 1'air libre à température ambiante D
A l'aide de ces fibres do~t le diamètre e~terne est
de 225 ~ et l'~paisseur de parois de 39 ~, on réalise un ~aisceau
formé de 250 brins parallèles ayant chacun 38 cm de longueur
utile et ou~erts à une seule extrémité. Ce faisceau possédant
une surface d'~change d~ ~35 cm (sur~ace à l'intérieur des
~ibres), est introduit dans une cellule de mesure permettant de
déterminer les caractéristiques osmotiques des fibresO
On fait circuler à l'extérieur des fibres et sou~ une
pr~ssion relative de 25 bars une solution aqueuse à 5 g/l de
NaCl et ~ une température de 23~o ~e débit d'osmosat mesuré
est de 5,2 l/j~m2 et le taux de rejet de sel est de 26 %~
- 13 -
