Les membranes sont caractérisées par leur nature physico-chimiques c'est-à-dire leur composition chimique, leur stabilité physique, thermique et chimique. On distingue trois classes principales de membranes :
les membranes organiques (naturelles ou synthétiques) ,
minérales (inorganiques ou céramiques) ,
les membranes composites.
Ces trois types de membranes peuvent être regroupés dans deux catégories: les membranes micro poreuses et celles dites asymétriques.
Les membranes organiques sont essentiellement à base de polymère de cellulose (acétate, ester…). Elles ont l'avantage d'être très hydrophobe, avec une large gamme de seuil de coupure et une perméabilité importante ainsi que des coûts de fabrication faible. Cependant elles possèdent beaucoup d'inconvénients parmi lesquels une température maximum de service qui ne doit pas excéder 40°C, une plage de tolérance à l'acidité très étroite (restriction de travailler à pH compris entre 3 et 6) et aussi une très forte biodégradabilité, ce qui les rend fragiles aux attaques microbiennes, un inconvénient majeur dans le domaine de la biotechnologie.
Les membranes organiques à base de polymères synthétiques tels que le nylon et le polysulfone présentent beaucoup d'avantages par rapport aux précédentes.
Les membranes minérales ont quant à elles une très bonne résistance chimique, mécanique et thermique et de ce fait présentent de nombreux avantages par rapport aux membranes organiques. Elles sont le plus souvent disponibles sous forme tubulaire et donc associées dans des modules, à des éléments (joints par exemple) qui eux ne peuvent pas dans certains cas supporter les conditions de service extrêmes.
Les membranes composites sont elles composées de deux parties, une partie formée d'une peau dense en polymère déposée sur une autre partie micro poreuse. A l'origine ces membranes ont été développées pour la nanofiltration et l'osmose inverse.
Un certain nombre de facteurs tels que la taille et la forme des molécules, la nature de la membrane, les conditions opératoires peuvent avoir un effet non négligeable sur les performances d'une opération de filtration.
La taille des mol é cules
C'est de loin le facteur le plus important en MF et en UF . Il est cependant plus facile de choisir une membrane de MF qu'une membrane de UF , en tenant compte seulement des données techniques des fabricants; parce qu'en UF , on a tendance à raisonner en seuil de coupure moléculaire qu'en taille réelle des pores. Or les techniques de caractérisation de la tailles des pores des membranes en MF sont plus communes, qu'en UF . En effet en UF il existe une multitude de molécules (Protéines: SAB, Dextran, PEG: Polyethylèneglycol, etc.) utilisées comme standards dans la caractérisation du seuil de coupure et aussi une diversité de protocoles opératoires qui ne sont pas standardisés.
La forme des molécules
La forme et la conformation d'une macromolécules est dépendante de la force ionique, du pH, de la température du milieu dans lequel elle se trouve et aussi des interactions qui existent entre elle et les autres composés du milieu. Et selon le cisaillement subit au niveau des membranes, ces macromolécules se comportent plus ou moins différemment d'où une distribution des seuils de coupure différentes pour un même type de membrane. Pour minimiser donc cet effet de forme, certains auteurs suggèrent d'utiliser à la place du poids moléculaire, le rayon de STOKES ou le volume hydrodynamique par exemple.
La nature de la membrane
Le type de matériau dont est constituée la membrane influence beaucoup le taux de rejet. Des membranes faites de matériaux différents ayant un même seuil de coupure peuvent avoir un taux de rejet différent vis-à-vis de la même macromolécule. Comparativement aux membranes en polysulfone, les membranes en acétate de cellulose ou de cellulose régénérée par exemple ont une distribution des pores plus large et un taux de rejet plus important.
De manière générale, on a pu observer des flux plus importants et des phénomènes d'absorption plus faibles avec des membranes hydrophiles qu'avec des membranes hydrophobes [ CHERYAN & al. ].
Les conditions opératoires
Les paramètres clefs d'une opération de MF , UF , NF sont la pression transmembranaire, la température, la contrainte de cisaillement et la concentration. Cependant comme on a dû le souligner, le pH et la force ionique ainsi que d'autres facteurs peuvent influencer la conformation des molécules. D'autres phénomènes comme la concentration de polarisation peuvent affecter le taux de rejet. cette concentration de polarisation devient prépondérante lorsque la pression transmembranaire augmente et lorsque la vitesse de circulation devient faible. Tout autre phénomène faisant migrer plus rapidement les particules vers la membrane est de nature à augmenter le taux de rejet. Etant donné que la concentration à la surface de la membrane est plus élevée que celle dans la veine liquide.
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Il convient de distinguer le taux de rejet vrai (TRt : Equation 3.1a) du taux de rejet apparent (TRa: Equation 3.1b): TRt>TRa |
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car la concentration à la membrane Cm est plus grande que la concentration Cr dans le r é tentat ; et dans la majorité des cas on utilise la relation ( 3.1b ) plutôt que la relation ( 3.1a ) parce que la concentration C r est facilement mesurable comparée à Cm . Cependant on peut calculer TRt connaissant TRa à partir de la relation suivante:
(3.2)
où kt est le coefficient de transfert de matière et J le flux de perméat.
2/10 
(3.1a)
(3.1b)