Fiche de révision : Techniques membranaires et dialyse

📋 Plan du Cours

1. Principes des techniques membranaires
2. Avantages des procédés membranaires
3. Limites et contraintes opératoires
4. Principe et transport en dialyse
5. Grandeurs de performance en dialyse
6. Application à l’hémodialyse
7. Dialyse de Donnan et membranes ioniques
8. Électrodialyse et électrodialyseur
9. Caractéristiques des membranes ioniques

📖 1. Principes des techniques membranaires

🔑 Notions clés & Définitions

• Technique membranaire : Procédé permettant le transport sélectif et contrôlé d’une ou plusieurs espèces chimiques entre deux phases séparées par une membrane.
• Membrane perméselective : Interphase séparant deux milieux et contrôlant sélectivement le transfert de leurs constituants.

★ À maîtriser

• Les objectifs des techniques membranaires sont:

  • concentrer
  • purifier
  • fractionner un mélange

• Le transport membranaire s’effectue par diffusion ou convection sous l’action d’une force motrice, notamment une différence de pression transmembranaire.

Compléments

• Une membrane peut être:

  • un solide poreux ou dense
  • un liquide ou un gel
  • homogène ou composite
  • neutre ou chargée électriquement

• L’épaisseur des membranes peut varier de 100 nm à environ 1 cm.

💡 Astuce mémo

Force motrice → transport sélectif → concentration, purification ou fractionnement

📖 2. Avantages des procédés membranaires

★ À maîtriser

📌 La filtration tangentielle limite l’accumulation de particules sur le filtre et permet un fonctionnement continu, contrairement à la filtration frontale généralement discontinue.

• Les procédés membranaires ne requièrent généralement pas de changement de phase, ce qui diminue les besoins énergétiques.

• La diversité des polymères et des matériaux inorganiques permet de fabriquer des membranes présentant des sélectivités variées et parfois très élevées.

• La mise en œuvre à une température proche de la température ambiante permet de traiter des constituants thermodégradables sans altérer leur qualité biochimique ou organoleptique.

Compléments

• Les procédés membranaires possèdent un schéma de fonctionnement simple, sans élément en mouvement ni schéma de contrôle compliqué, et nécessitent peu d’équipements accessoires.

• Les membranes peuvent traiter des séparations allant des molécules aux particules visibles à l’œil nu.

📖 3. Limites et contraintes opératoires

★ À maîtriser

• Les procédés membranaires produisent rarement deux produits purs, car l’un des deux flux est presque toujours contaminé par une faible fraction du second constituant.

📌 Les solvants aromatiques ou oxygénés peuvent dissoudre ou déformer les membranes polymères, réduire leur durée de vie et les rendre incompatibles avec certaines solutions industrielles.

• La durée de vie dépend notamment de: la température, la pression, la réactivité chimique avec le mélange à séparer

• Le colmatage provoque une grande diminution du débit de perméat.

Compléments

• La température de fonctionnement des procédés membranaires est inférieure à 100 °C.

• Les flux membranaires sont relativement faibles et l’augmentation d’échelle pour traiter de très gros débits nécessite de placer des modules en parallèle, ce qui augmente l’investissement.

💡 Astuce mémo

Sélectivité élevée, mais flux faibles et colmatage

📖 4. Principe et transport en dialyse

🔑 Notions clés & Définitions

• Dialyse : Diffusion d’une impureté de faible masse moléculaire à travers une membrane perméable à cette impureté mais non perméable au solvant.

★ À maîtriser

• La force motrice de la dialyse est le gradient de concentration de l’impureté.

📐 Formule — Le flux du soluté obéit à la loi de Fick : $J_i = K \cdot \frac{C_i^I-C_i^{II}}{\rho}$.

Compléments

• Le solvant peut toutefois traverser la membrane sous l’effet d’une différence de pression osmotique, créant un contre-flux qui dilue la solution à traiter.

📐 Formule — Le débit global du soluté traversant la membrane vérifie $N = Q_e^I C_e^I-Q_s^I C_s^I = Q_s^{II} C_s^{II}-Q_e^{II} C_e^{II}$.

💡 Astuce mémo

Gradient de concentration → diffusion de l’impureté → dialysat

📖 5. Grandeurs de performance en dialyse

📝 Points essentiels

📐 Formule — La clairance est définie par $C_{\ell}=\frac{N}{C_e^I}=Q_e^I\left(1-\frac{C_s^I}{C_e^I}\right)$ et s’exprime en m·s⁻¹.

📐 Formule — La dialysance est définie par $D_{ia}=\frac{N}{C_e^I-C_e^{II}}$.

📐 Formule — Le rendement d’extraction vérifie $E=\frac{D_{ia}}{Q_e^I}=\frac{C_e^I-C_s^I}{C_e^I-C_e^{II}}$.

📖 6. Application à l’hémodialyse

🔑 Notions clés & Définitions

• Hémodialyse : Application de la dialyse destinée à suppléer les insuffisances rénales et à extraire les déchets métaboliques de l’organisme.

★ À maîtriser

• Les déchets métaboliques ciblés comprennent notamment:

  • l’urée
  • l’acide urique
  • la créatinine

• L’hémodialyse doit préserver:

  • les protéines
  • certains sels minéraux
  • la dilution du sang
  • les bilans électrolytique et aqueux

Compléments

• Les membranes utilisées en hémodialyse sont généralement en acétate de cellulose.

• L’hémodialyse associe la dialyse et l’ultrafiltration.

📖 7. Dialyse de Donnan et membranes ioniques

🔑 Notions clés & Définitions

• Dialyse de Donnan : Dialyse ionique croisée fondée sur la diffusion d’anions ou de cations à travers une membrane qui leur est perméable.
• Membrane ionique : Membrane dense sans pores contenant des groupements ionisés fixes qui sélectionnent les ions traversants.

★ À maîtriser

• Dans la dialyse de Donnan, la force motrice est une différence de concentration et le procédé peut servir à éliminer les sels d’une solution.

📌 Le signe des groupements ionisés fixes détermine le signe opposé des ions mobiles capables de traverser la membrane, tandis que les ions de même signe sont exclus par effet Donnan.

📌 Une membrane cationique est perméable aux cations et imperméable aux anions, tandis qu’une membrane anionique est perméable aux anions et imperméable aux cations.

Compléments

• Les membranes ioniques peuvent servir à extraire ou concentrer une espèce ionique, notamment des métaux valorisables ou toxiques présents dans des effluents.

• Les applications industrielles citées comprennent:

  • l’hydrométallurgie du cuivre
  • la galvanoplastie du nickel et du cadmium
  • l’industrie papetière du zinc
  • la dépollution du mercure

💡 Astuce mémo

Groupes fixes → exclusion des co-ions → passage des contre-ions

📖 8. Électrodialyse et électrodialyseur

🔑 Notions clés & Définitions

• Électrodialyse : Transfert d’ions à travers une membrane qui leur est perméable sous l’action d’un champ électrique.
• Membrane bipolaire : Une membrane bipolaire est constituée d’une face anionique, d’une face cationique et d’une interphase hydrophile de jonction, dans laquelle l’eau se dissocie en ions.

★ À maîtriser

📌 Les membranes pluripolaires amphotères contiennent les deux types de groupements répartis dans la masse et se comportent comme membranes cationiques ou anioniques selon le pH.

• Dans un électrodialyseur, deux circuits alimentent en parallèle les compartiments de dilution et de concentration, tandis qu’un circuit annexe alimente les électrodes.

• Les électrodes fournissent le courant d’alimentation de l’électrodialyse et leurs réactions se produisent dans un circuit séparé sans intervenir dans la séparation.

Compléments

• Les électrodes peuvent être:

  • des plaques ou disques de carbone
  • des plaques ou disques de platine
  • des fils de platine
  • des fils de titane platiné

• 🔄 Le lavage des électrodes permet de: entraîner les ions ayant franchi les membranes, entraîner les ions formés sur les électrodes, évacuer l’énergie thermique dégagée par effet Joule

💡 Astuce mémo

Champ électrique → membranes ioniques → compartiments dilués et concentrés

📖 9. Caractéristiques des membranes ioniques

★ À maîtriser

📐 Formule — La résistance électrique spécifique d’une membrane vérifie $r_m=\rho_m e$ et s’exprime en Ω·cm².

• Pour limiter la consommation d’énergie, la résistance électrique des membranes doit être faible et leur épaisseur est généralement inférieure à 0,5 mm, voire 1 mm.

• Le gonflement correspond à l’accroissement de volume de la membrane humide par rapport à la membrane sèche et vaut généralement 10 à 20 %, avec un maximum de 50 %.

📐 Formule — Pour une substance non chargée, le coefficient de dialyse vérifie $J=U\cdot\Delta c$.

Compléments

• La capacité d’échange des membranes est liée au nombre de groupes échangeurs d’ions et s’exprime en équivalents par gramme de matériau échangeur.

• L’équivalent par litre est égal à la molarité multipliée par la valence de l’ion.

📊 Tableaux de synthèse

Modes de transport membranaire