Membrane (physique)

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Cet article court présente un sujet plus développé dans : Méthode de séparation membranaire et Filtration sur membrane.
schéma de filtrage membranaire basé sur la taille des pores

Une membrane est une structure de faible épaisseur, relativement à sa taille, séparant deux milieux en empêchant toute la matière dans le cas de certaines membranes biologiques, ou seulement une partie de la matière de passer de l'un à l'autre des milieux en fonction de la largeur de ses pores et de son épaisseur.

Histoire[modifier | modifier le code]

Le concept de membrane date du XVIIIe siècle, mais n’a été utilisé, pour les membranes synthétiques, massivement en dehors des laboratoires qu'à partir de la seconde guerre mondiale. Une première application à cette époque a été l'utilisation d'un type de membrane permettant des tests sur la potabilité de l’eau. À l’époque cependant le procédé était trop lent, pas assez fiable et trop cher, et a été relativement peu été exploité. Les premiers usage pérenne ont été la microfiltration et l'ultrafiltration. Depuis les années 1980, ces procédé sont utilisés avec l'électrodialyse dans de grandes centrales. L'industrie autour de ces technologies est très active[1]. Les membranes biologiques quant-à-elle existent depuis beaucoup plus longtemps, probablement depuis l'apparition de la vie.

Définition et typologie[modifier | modifier le code]

Une membrane est une couche de matériau servant de filtre entre deux phases, imperméable à certaines particules, molécules ou substances dans certaines conditions. Certains composant peuvent traverser la membrane par le flux d'imprégnation, tandis que d'autres ne passent pas et s'accumulent dans le flux de retenue[2].

Il existe des membranes de différentes épaisseurs, de structure homogène ou au contraire hétérogène. Elles peuvent aussi être classée en fonction de la taille de leurs pores. L’IUPAC distingue ainsi les membranes microporeuses (diamètre < 2 nm), mésoporeuses (entre 2 nm et 50 nm) et macroporeuses (diamètre > 50 nm)[3]. Elles peuvent aussi être chargées électriquement ou neutre, et transporter de manière active ou passive. Ce dernier mode peut être accéléré en fonction de la pression, la concentration, les gradients chimique ou électrique. Les membranes sont généralement synthétiques ou biologiques[4].

Applications[modifier | modifier le code]

Ces caractéristiques des membranes déterminent leur intérêt et leur domaine d'application et les rendent intéressantes pour l’exploitation industrielles. Elles sont ainsi utilisées pour l’étape de séparation dans les procédés de séparation des fluides. En particulier[1]:

  • Elles sont économes en énergie car elles ne nécessitent par de changer l’état de la matière, contrairement à la distillation par exemple
  • Ne nécessitent pas d'absorbants ou de solvants qui peuvent être cher ou difficile à manipuler
  • Sont simples à mettre en œuvre, modulaires et faciles à obtenir, ce qui facilite leur remplacement par des nouvelles membranes plus efficaces

Pour la filtration par membrane et l'osmose inverse, elles sont utilisées en combinaison avec des liquides sous pression, qui permettent de passer la membrane. En dialyse et pervaporation, c'est le potentiel chimique et le gradient de concentration qui permettent de traverser la membrane. en pertraction, c'est le gradient de potentiel chimique qui permet l’extraction.

Les applications industrielles ne sont cependant pas à la hauteur de leur abondance dans les systèmes biologiques[5], pour plusieurs raisons :

  • Elles s'entartrent et deviennent moins efficaces avec le temps.
  • Les membranes ayant une grande surface ont un coût prohibitif.
  • Elles résistent mal aux solvants.
  • Elles ne passent pas toutes forcément des études de recherches et développement aux applications industrielles.

En microbiologie, les membranes permettent par exemple de séparer par filtration un liquide des micro-organismes qu'il contient pour pouvoir les dénombrer par filtration sur membrane. Cette méthode s'applique à des liquides sans particules solides.

Références[modifier | modifier le code]

  1. a et b « Membranes on Polyolefins Plants Vent Recovery, Improvement Economics Program », by Intratec, ISBN 978-0615678917, Q3 2012
  2. (en) Zydney, Andrew L.; Zeman, Leos J., Microfiltration and ultrafiltration: principles and applications, New York, CRC,‎ 1996 (ISBN 0-8247-9735-3)
  3. Macroporous Materials Containing Three Dimensional Periodic Structures
  4. (en) Mulder, Marcel, Basic principles of membrane technology, 2,‎ 1996 (ISBN 0-7923-4248-8)
  5. (de) Horst Chmiel, Bioprozesstechnik : Einführung in die Bioverfahrenstechnik, Elsevier, Spektrum Akad. Verl. (ISBN 3827416078), p. 279