Il est bien connu que la matière organique naturelle (MON) est l'un des principaux contributeurs à l'encrassement des membranes à basse-pression, mais peut-on vraiment identifier quelle fraction spécifique de MON en est responsable ? Sur la base de la variété des conclusions de recherche que j'ai vues, il est probable qu'il n'y ait pas de réponse « -taille-convient-à tous ».
Il existe de nombreuses façons de caractériser la MON et, généralement, la recherche n'a examiné qu'une ou deux de ces caractéristiques simultanément pour identifier quelle fraction de MON est responsable de l'encrassement des membranes.
NOM n'est pas NOM…
Les caractéristiques de la MON peuvent varier considérablement d'une source d'eau à l'autre en fonction de la matière organique présente dans le bassin versant, des conditions géologiques, du climat, etc. Les variables les plus couramment utilisées pour caractériser la matière organique sont la taille, la structure et la fonctionnalité.
Ces variables sont définies plus en détail comme suit :
Size: Size fractions can be defined as particulate (>0,45 µm), dissous (<0.45 µm) and colloidal (~1 nm to 1 µm) where the colloidal fraction crosses over the dissolved and particulate definitions. Molecular weight (MW) distribution is also used to characterize NOM size fractions.
Structure : Les fractions de MON peuvent également être décrites en termes de structure hydrophobe (aromatique) ou hydrophile (aliphatique), ce qui indique si la MON est hydrofuge (hydrophobe) ou adsorbe l'eau (hydrophile).
Fonctionnalité/Charge : La NOM peut également être caractérisée par la teneur en groupes fonctionnels (acides humiques et fulviques) qui ont un impact sur la densité de charge (négative) de la NOM.
Pour compliquer davantage la caractérisation, la MON hydrophobe à hydrophile peut avoir un poids moléculaire faible à élevé, bien qu'en règle générale, les fractions hydrophobes de MON ont généralement un poids moléculaire plus élevé.
Outre les caractéristiques de la NOM, les propriétés de la membrane basse-pression elles-mêmes sont également susceptibles de jouer un rôle quant à savoir si la NOM entraînera ou non un encrassement. Des variables telles que la taille des pores de la membrane, la charge de surface et la rugosité de la surface peuvent avoir une incidence sur le fait que l'encrassement de la MON se produise par blocage des pores, adsorption ou formation d'une couche de gel.
Alors, quelle est la cause de l'encrassement ?
Avec toutes ces connaissances sur la NOM et les membranes, nous devons être en mesure d'identifier les caractéristiques qui conduisent à l'encrassement des membranes, n'est-ce pas ? De nombreuses études ont été menées, du laboratoire jusqu'à-à grande échelle, pour étudier les impacts sur les performances des membranes de différentes fractions de MON. Voici un très bref résumé des conclusions de certains d’entre eux :
Howe et Clark (2006) ont conclu que c'est la fraction dissoute et colloïdale de la MON dans la gamme de taille de 100 kDa à 1 µm qui est responsable de la majeure partie du potentiel d'encrassement des membranes. Cette fraction de poids moléculaire plus élevé de MON est éliminée par coagulation et est supposée être plus hydrophobe et plus acide.
Yamamura et coll. (2008) et Lee et al. (2004) ont identifié que la fraction hydrophile de la MON contribue davantage à l'encrassement des membranes que les substances humiques hydrophobes. Lee et coll. a également conclu que les macromolécules à caractère hydrophile (par exemple les polysaccharides) et/ou la matière organique colloïdale dans la fraction hydrophile de MON peuvent encrasser les membranes à basse pression-. Il est intéressant de noter que pour la technique utilisée par Lee pour isoler les fractions polaires de la MON, les colloïdes organiques se retrouvent également dans la fraction hydrophile. C'est peut-être la raison pour laquelle certaines généralisations sont faites selon lesquelles la MON hydrophile est responsable de l'encrassement de la membrane lorsque cette technique d'isolement est utilisée, alors que le matériau colloïdal peut en réalité être responsable de l'encrassement.
Une baisse plus importante du flux a été observée par Lee et al. pendant la microfiltration (MF) par rapport à l'ultrafiltration (UF), où l'encrassement du MF était causé par le blocage des pores par les plus grosses macromolécules et les colloïdes organiques, tandis que pour l'UF (qui a des pores plus petits), la baisse du flux était causée par la formation d'une couche de gel qui est plus facilement inversée que le blocage des pores. Il est intéressant de noter que les propriétés hydrophobes/hydrophiles des membranes ont un impact minimal sur l’encrassement des membranes.
La preuve est dans le pilote….
Pourquoi existe-t-il tant de conclusions différentes quant aux fractions de MON responsables de l’encrassement des membranes ? Est-ce parce que l'encrassement des membranes est dû à une combinaison de MON et de caractéristiques de la membrane qui n'ont pas été examinées simultanément ou existe-t-il une autre caractéristique qui n'a pas encore été identifiée ?
La conclusion est que toutes les variables critiques ont été identifiées, mais que personne n’a encore (du moins d’après ce que j’ai pu constater) examiné toutes ces variables dans une seule étude. Les travaux menés par Lee et al. s'en rapproche le plus. Différentes fractions de MON ont des impacts différents sur les membranes ayant des propriétés différentes. Cela constitue une matrice de recherche assez complexe. Si vous envisagez un traitement membranaire pour une source d’eau particulière, vous n’avez au moins qu’un seul ensemble de variables NOM à évaluer.
Malheureusement, nous n'en sommes pas encore au point où nous pouvons identifier adéquatement la MON dans une source d'eau pour pouvoir prédire le potentiel d'encrassement d'un type de membrane spécifique. Cela ne sera déterminé que par essais et erreurs sur une usine pilote exploitée en continu. Il serait erroné de viser un objectif d'élimination totale de la MON comme objectif de traitement lors du choix d'un processus de prétraitement sans également examiner les caractéristiques d'encrassement de la MON spécifique dans l'eau d'alimentation membranaire.
Références
1. Howe, K; Clark, M; "Effet du prétraitement de coagulation sur les performances de la membrane", Journal AWWA, avril 2006.
2. Yamamura, H; Kimura, K; Okajima, T; Tokumoto, H; Watanabe, Y; "Affinité des groupes fonctionnels pour les surfaces membranaires : implications pour un encrassement physiquement irréversible", Science et technologie de l'environnement, Vol. 42, No. 14, 2008.
3. Lee, N; Amy, G ; Croué, J; Buisson, H; "Identification et compréhension de l'encrassement dans la filtration sur membrane basse-pression (MF/UF) par matière organique naturelle (NOM)", Water Research 38 (2004), 4511-4523.
