Étude de la formation de colmatages minéraux sur les membranes échangeuses d'ions en cours d'électrodialyse de solutions salines modèles : mécanismes de formation et contrôle par des ratios de champs électriques pulsés optimisés

Authors: Cifuentes-Araya, Nicolás
Advisor: Bazinet, LaurentPourcelly, Gérald
Abstract: L'Électrodialyse (ED) est un procédé en plein essor qui trouve actuellement de nombreuses applications dans plusieurs secteurs de l'agroalimentaire. Cependant, le colmatage des membranes et la consommation énergétique (CE) élevée associée, doivent encore être minimisés pour permettre une intensification des procédés d'ED en termes de taux de déminéralisation (TD) et de dépenses d'opération. Un des problèmes les plus communs des procédés électromembranaires est le colmatage des membranes par des sels minéraux présents dans des solutions physiologiques complexes telles que les effluents laitiers et l'eau de mer. Les tentatives récentes d'induire la formation de colmatage, et ainsi de pouvoir étudier ce problème, ont été centrées sur les traitements d'électrodialyse de solutions modèles ayant des ratios Mg /Ca élevés, sous densités de courant élevées et en utilisant des solutions de concentrât alcalinisées. De plus, une étude récente a montré que l'application de champs électriques puisés (CEPs) de basse fréquence, avec l'utilisation d'une solution de concentrât acidifiée, avait un impact positif sur l'optimisation des procédés et sur la réduction du colmatage des membranes échangeuses de cations (MEC). Néanmoins, la durée excessive du procédé, due à la longue période de pause appliquée, n'a pas permis de réduire la consommation d'énergie et de contrôler complètement le colmatage de la MEC. Cette étude a cependant montré que la fréquence de CEP utilisé peut être optimisée en ajustant les ratios pulse/pause (Ton/Toff) appliqués en cours de traitements d'électrodialyse effectués sous des conditions colmatantes. Par conséquent, les objectifs de ce travail de recherche ont été : 1) d'évaluer deux ratios de courant en CEP (ratio 1 (Ton/Toff = 10 s/10 s) et 0.3 (Ton/Toff = 10 s/33.3 s)) sur la performance du procédé et sur l'évolution du colmatage minéral sur les membranes échangeuses d'ions, au cours de traitements consécutifs d'ED et leur comparaison avec des traitements en courant continu, 2) d'identifier la nature et l'évolution des couches de colmatage sur les MECs et sur les membranes échangeuses d'anions (MEAs) 3) d'étudier et expliquer les mécanismes de précipitation et leurs évolutions au cours de traitements d'ED consécutifs, et 4) d'ajuster les régimes de CEPs appliqués pour optimiser le contrôle du colmatage et pour améliorer Ta performance du procédé. Cet ajustement sera fait en considérant les résultats et les phénomènes observés durant la réalisation du premier objectif. Les résultats obtenus ont montré qu'un régime en courant continu conduit à une formation importante de colmatage sur la MEC alors que les traitements effectués sous CEPs (ratio 1 (Ton/Toff = 10 s/10 s) et 0.3 (Ton/Toff = 10 s/33.3 s)) ont intensifié les taux de déminéralisation (TD) tout en réduisant la formation du colmatage et la consommation énergétique. Le CEP ratio 1 a conduit à l'atteinte de taux de déminéralisation plus rapides de la solution traitée et à une consommation énergétique réduite durant les trois traitements consécutifs; cette efficacité serait liée à la pulsation de courant plus répétitive effectuée sur les interfaces des membranes. De plus, l'inspection des surfaces des membranes par le biais des analyses de diffraction à rayons X et microanalyse X a révélé l'existence de colmatages cristallins multicouches survenant sur les deux cotés de la MEC et son retardement par l'application de CEPs. En parallèle, le colmatage observé sur la MEA a été relié à la performance globale du système; ce dernier était supprimé par l'application d'un régime en courant continu grâce au maintien d'un phénomène de barrières de protons produit par la dissociation de molécules d'eau aux interfaces des membranes. Ainsi, lors de l'application d'une longue période de pause (33.3 secondes) une couche de bruche est apparue sur le coté diluât de la MEA à cause de l'absence à la surface de la membrane d'une barrière de protons constante. Selon les premiers résultats observés et les phénomènes liés, une gamme de ratios de CEP a été appliquée à fin d'optimiser les conditions de CEP. Cela a permis d'observer que les ratios de CEP les plus élevés (Ton/Toff = 10 s/5 s et Ton/Toff = 5 s/5 s) permettaient les plus importantes optimisations en relation avec leurs plus hautes fréquences de puise. Ces traitements ont augmenté considérablement les TDs (58.48 et 59.64 %, respectivement, pour Ton/Toff = 10 s/5 s et pour Ton/Toff = 5 s/5 s) en contrôlant complètement la croissance du colmatage minéral sur le coté diluât de la MEC. Les périodes de pause plus courtes ont ainsi permis de conférer une pulsation de courant plus répétitive à l'interface des MECs. Ces périodes de pauses courtes ont permis une génération de protons plus constante ce qui a facilité la neutralisation du pH sur le coté concentrât de la MEC. Ces résultats ont montré en détail les mécanismes de formation du colmatage minéral sur les membranes échangeuses d'ions au cours d'électrodialyse d'une solution modèle ayant un ratio Mg +/Ca2+ élevé (2/5). Le contrôle du colmatage a été efficace grâce à l'action constante des barrières de protons établies par l'utilisation de ratios de CEP optimisés.
Document Type: Thèse de doctorat
Issue Date: 2012
Open Access Date: 18 April 2018
Permalink: http://hdl.handle.net/20.500.11794/23460
Grantor: Université Laval
Collection:Thèses et mémoires

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