Les membranes de nanofiltration (NF) sont devenues de plus en plus importantes dans le traitement avancé de l'eau grâce à leur capacité à éliminer la matière organique, les ions de dureté et les traces de contaminants. Cependant, lors d'un fonctionnement à long terme-, les systèmes NF sont souvent confrontés à une baisse rapide du flux, à des besoins de nettoyage plus fréquents et à des cycles de fonctionnement raccourcis. La cause profonde réside dans la nature complexe et à développement rapide de l'encrassement des membranes. Bien que l'eau naturelle contienne un large éventail de substances susceptibles de contribuer à l'encrassement, des études techniques-à grande échelle révèlent que le véritable facteur déterminant de la progression de l'encrassement n'est pas la matière organique, la dureté ou la turbidité communément suspectée, mais plutôtaluminiumet les salissures composites qu'il forme avec le calcium, la silice et la matière organique.
La couche active des membranes NF porte généralement une charge de surface négative et contient des groupes fonctionnels tels que des groupes carboxyle. Ces caractéristiques rendent la membrane très sensible à l'adsorption d'ions métalliques chargés positivement ou formant des complexes-, l'aluminium étant l'un des plus réactifs. Même lorsque sa concentration dans l’eau d’alimentation est faible, l’aluminium peut s’accumuler rapidement à la surface de la membrane, formant une couche d’encrassement initiale qui déclenche des structures d’encrassement plus complexes et plus denses. Au fur et à mesure que l'exploitation se poursuit, l'aluminium interagit avec la matière organique, la silice et le calcium pour produire diverses réactions de pontage ou de complexation. Ces interactions transforment l'encrassement du dépôt ponctuel-à un stade précoce en une couche de gel-de grande surface qui augmente considérablement la résistance hydraulique, accélérant le déclin du flux normalisé et finalement raccourcissant le cycle de nettoyage.
Un examen plus approfondi de la composition des couches d'encrassement montre que si le carbone organique, le calcium et la silice sont des composants courants, l'aluminium occupe systématiquement un rôle central. Les matières organiques naturelles telles que les acides humiques et fulviques ont tendance à former des complexes avec les ions métalliques, et le calcium peut servir d'agent de pontage reliant les composés organiques. Une fois que l’aluminium participe à ces réactions, la couche d’encrassement résultante devient plus compacte et fortement adhésive. Au fil du temps, la résistance à l'encrassement passe d'un simple dépôt à une résistance à une couche de gel- et à un encrassement interne irréversible qui ne peut être éliminé par le seul rinçage physique. Cette évolution accélère le taux d'encrassement et conduit la membrane vers une détérioration rapide des performances.
L'importance de l'aluminium est en outre illustrée par sa forte corrélation avec la durée du cycle opérationnel NF. L'analyse statistique des données opérationnelles à long terme-montre que le taux d'encrassement, reflété dans la durée de chaque cycle de filtration, présente la plus forte corrélation avec la concentration d'aluminium dans l'eau d'alimentation-bien supérieure au COT ou à la dureté. Lorsque la concentration en aluminium d'alimentation tombe entre 100 et 150 ug/L, le cycle de fonctionnement du système NF devient très court. Cependant, lorsque l'aluminium est réduit en dessous de 50 ug/L, le cycle de fonctionnement de la membrane peut être plus que doublé. Cela démontre que l’aluminium n’est pas seulement un constituant salissant ; c'est unvéritable facteur d'encrassement-induisantqui détermine le moment où la membrane entre dans la phase d'encrassement rapide.
Étant donné que la plupart de l'aluminium provient de produits chimiques de coagulation utilisés dans le prétraitement-tels que le PAC ou l'alun-, la réduction de sa concentration résiduelle est essentielle à la stabilité de la NF. Parmi toutes les mesures de contrôle, l'ajustement du pH de l'eau d'alimentation-est la plus simple et la plus efficace. La spéciation de l'aluminium dans l'eau dépend fortement du pH-. Dans la plage de pH comprise entre 6,5 et 7,0, l’efficacité de la coagulation s’améliore considérablement et l’aluminium existe principalement sous des formes polymères beaucoup plus faciles à éliminer par sédimentation ou ultrafiltration. Cela réduit considérablement la concentration d'aluminium dissous ou à faible -polymère atteignant le système NF. Les résultats expérimentaux montrent que lorsque le pH de l'alimentation est ajusté entre 6,5 et 7,0, l'aluminium résiduel diminue à environ 25 à 48 ug/L, offrant un avantage substantiel lors de l'opération NF ultérieure.
L'amélioration apportée par la réduction de l'aluminium peut être clairement observée lors du fonctionnement réel. Dans des conditions de flux et de récupération identiques, une eau d'alimentation à haute teneur en aluminium entraîne une diminution rapide du flux, tandis qu'une eau d'alimentation à faible teneur en aluminium entraîne une décroissance du flux beaucoup plus lente. La courbe d’encrassement devient sensiblement plus plate, reflétant une performance membranaire plus stable. Cela prolonge non seulement le cycle opérationnel, mais réduit également la fréquence du nettoyage chimique, les coûts des produits chimiques et la complexité globale de l’exploitation.
En résumé, l'encrassement dans les systèmes de nanofiltration n'est pas provoqué par un seul contaminant mais par une structure composite centrée sur l'aluminium et renforcée par du calcium, de la matière organique et de la silice. L'aluminium joue plusieurs rôles : -initiant, accélérant et comblant les réactions d'encrassement-, ce qui en fait le facteur le plus critique influençant les taux d'encrassement NF. En optimisant les conditions de coagulation, en contrôlant le dosage du coagulant et en maintenant le pH de l'eau d'alimentation entre 6,5 et 7,0, les opérateurs peuvent réduire considérablement les résidus d'aluminium et atténuer l'encrassement des membranes à la source. Cette approche prolonge considérablement le cycle opérationnel des membranes NF et améliore la stabilité globale et la rentabilité des systèmes avancés de traitement de l'eau.
