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Chapitre 1 Revue de littérature

Table des matières

Les procédés de séparation par membranes sont des opérations unitaires, au même titre que la distillation, la cristallisation, l’extraction liquide et la filtration (Aimar, 1998). Notamment, c’est la filtration qui ressemble le plus aux techniques membranaires, qui peuvent être décrites grossièrement comme des filtrations à flux tangentiel où la taille des pores est très réduite. La taille des pores dépend de la membrane utilisée, ce qui détermine aussi le type de procédé membranaire.

Une membrane est une barrière mince et sélective entre deux phases. Le transport d’un composant à travers la membrane est accompli par l’action d’une force de passage. Les techniques membranaires peuvent être classifiées en deux grandes catégories : les opérations à membranes poreuses et les opérations à membranes denses. Dans la première catégorie on retrouve les procédés de microfiltration, ultrafiltration et nanofiltration, qui visent une discrimination de taille de particule allant, dans le même ordre, de 10µm à 0.0001µm (Aimar, 1998). La force de passage appliquée est la pression et le transfert de matière est essentiellement accompli par les phénomènes de diffusion et de convection (Aimar, 1998 ). La deuxième catégorie comprend les procédés d’osmose inverse, d’électrodialyse et de pervaporation. Les forces de passage appliquées et les principes de chaque procédé sont différents, mais une caractéristique en commun est l’utilisation d’une membrane dense, où les pores sont plutôt des interstices naturels d’un matériau. (Aimar, 1998).

L’ÉD est un procédé membranaire de séparation électrochimique par lequel des espèces ioniques (chargées électriquement) sont transportées d’une solution à une autre en traversant une ou plusieurs membranes de permsélectivité différente (Bazinet et al., 1998a). La force de passage est une différence de potentiel électrique (Gavach, 1998). L’ÉD est étroitement liée aux propriétés de l’électrolyse (Herrmann, 1985), c'est-à-dire aux réactions de dissociation, au déplacement des ions par l’attraction de leurs charges et aux réactions redox aux électrodes [3] lorsqu’un courant direct est appliqué. Le principe général de l’ÉD est donc fondé sur les possibilités qu’offrent les membranes de transférer sélectivement, sous champ électrique, certains ions (Herrmann, 1985; Gavach, 1998).

Les procédés électrodialytiques utilisent des membranes organiques denses fonctionnalisées et composées de matériaux analogues à ceux des résines échangeuses d’ions. La matrice structurelle de la membrane est fabriquée à partir d’un matériau inerte, comme du chlorure de polyvinyle (PVC), à laquelle des groupes ou sites ioniques (échangeurs d’ions) ont été fixés (Gavach, 1998). La nature des sites ioniques détermine le type de membrane, car ce sont eux qui vont échanger les ions à travers la membrane : les membranes avec des sites négatifs sont perméables aux cations (membranes échangeuses de cations, MEC) et celles avec des sites positifs sont perméables aux anions (membranes échangeuses d’anions, MEA). Les sites les plus souvent retrouvés chez les membranes cationiques sont les sulfoniques et carboxyliques alors que le triméthylammonium, pyridinium et méthylpiridinium sont les principaux sites des membranes anioniques (Gavach, 1998). Ces groupes chargés constituent les groupes ioniques fixes, qui, lorsque placés dans un milieu avec des espèces ioniques, déterminent la sélectivité de la membrane. Les ions avec une charge égale aux groupes fixés (co-ions) seront repoussés de la membrane par répulsion électrostatique, tandis que les ions de charge opposée (contre-ions) seront attirés par les groupes ioniques fixes et traverseront la membrane sous l’influence du potentiel électrique appliqué lors du procédé d’ÉD (Figure 1) (Davis et al., 2001). La permsélectivité de la membrane est une mesure de sa perméabilité sélective aux contre-ions et co-ions, déterminée par la nature et la quantité des groupes fixes (Nagarale et al., 2004). De cette façon, des membranes échangeuses de cations (groupes ioniques fixes négatifs) avec des greffes de groupes ioniques négatifs en surface auront une permsélectivité accrue pour les espèces monovalentes et moindre pour les espèces divalentes (Nagarale et al., 2004; Chapotot et al., 1995). Ces cations divalents seront repoussées avec plus de force étant donné leur charge plus élevée et leur taille ionique hydratée (volume stérique) plus volumineuse (Nagarale et al., 2004).

Dans un système d’ÉD, les membranes sont disposées l’une a coté de l’autre, en formant des compartiments où un ou plusieurs liquides vont circuler. Du point de vue électrique, un électrodialyseur est composé de plusieurs compartiments alimentés en série, alors que du point de vue hydraulique, l’alimentation est faite en parallèle (Bazinet et al., 1998b). Lorsque le procédé est démarré, le transfert d’ions donne lieu à des changements de nature ou de concentration des électrolytes qui composent les milieux traités. L’effet du procédé (i.e. reconcentration d’un électrolyte, substitution d’un ion par un ion du même signe ou la conversion d’un sel en acide et base) dépend des membranes utilisées et de la configuration des compartiments d’ÉD (Gavach, 1998). De façon générale, deux grands procédés d’ÉD existent : L’ÉD conventionnelle et l’ÉD bipolaire. La principale différence entre les deux est la dissociation d’eau aux interfaces de la membrane bipolaire, ce qui permet certaines applications particulières des membranes bipolaires, telle la production d’acides et bases à partir de leurs sels (Gavach, 1998.).

Selon la configuration des cellules élémentaires, trois types principaux d’ÉD conventionnelle existent: l’épuration-reconcentration, la substitution et la double décomposition, qui comprennent 2, 3 et 4 compartiments, respectivement. L’ÉD d’épuration-reconcentration, montrée dans la Figure 2, est la plus simple et la plus répandue. La cellule élémentaire, ou module, se compose de deux compartiments : le compartiment du diluat qui contient l’électrolyte à éliminer et le compartiment du concentrat, vers lequel l’électrolyte est transféré et concentré (Gavach, 1998). Des cellules additionnelles peuvent être montées dans le même système, ce qui fait de l’ÉD un procédé modulaire. Les deux autres types sont des variations de l’épuration–reconcentration, avec un module ayant plus de deux compartiments et des circuits différents circuits pour traiter plus de deux solutions (Gavach, 1998).

Lorsqu’un traitement d’électrodialyse est mis en place pour la déminéralisation d’une solution, plusieurs aspects doivent être pris en compte afin de contrôler le procédé, d’obtenir le produit souhaité et de prolonger ainsi la vie de l’équipement, notamment les membranes. Un des principaux aspects est le seuil de déminéralisation visé. Le degré de déminéralisation à atteindre dépend de la nature et de la composition des liquides à traiter, ainsi que du produit final désiré (Bar, 2004). Normalement, dans un système d’ÉD les liquides sont recirculés pour prolonger le temps de résidence dans les compartiments de concentrat/diluat et réduire la surface totale de membrane nécessaire pour le traitement, ce qui permet d’optimiser l’efficience du procédé. Le diluat doit faire plusieurs fois le circuit afin d’atteindre des degrés élevés de déminéralisation (Greiter et al., 2002). De façon générale, l’ÉD ne peut dépasser un niveau maximal de déminéralisation d’environ 90%. L’efficience du procédé diminue drastiquement après 65-75% de déminéralisation, lorsque les liquides s’appauvrissent d’espèces ioniques (Andrés et al., 1995; Ameridia, 2005). La conductivité (exprimée en Siemens/cm) est une mesure indirecte du degré de déminéralisation (Bard et Faulkner, 1983; Greiter et al., 2002). La contribution de chaque ion à la conductivité est proportionnelle à la concentration de l’ion, à sa mobilité et à sa charge absolue (Bard et Faulkner, 1983). Étant donné que la continuité électrique est assurée par le flux des ions porteurs du courant (Bazinet et al., 1998b), plus la solution est déminéralisée, moindre sera la conductivité de la solution, ce qui occasionne aussi une augmentation de la résistance électrique du système (Bard et Faulkner, 1983). Cette résistance exercée par les solutions et l’empilement de membranes lors du passage du courant peut entraîner une augmentation de température à l’intérieur du système d’ÉD en cours de procédé (Bazinet et al., 1998b). Un contrôle de température peut s’avérer essentiel pour les procédés ayant des espèces qui sont sensibles aux augmentations de température. Dans le cas des aliments, le contrôle permettrait aussi d’assurer la qualité microbiologique des liquides en traitement, particulièrement quand la durée s’étend sur plusieurs heures (Ameridia, 2005).

L’ÉD étant un procédé électrique, les deux paramètres les plus importants lors d’une déminéralisation sont le potentiel électrique ou le voltage (Volt), et l’intensité de courant (Ampère) appliqués au système. Le courant est exprimé normalement par unité de surface effective de membrane, et nommé densité de courant (A/m2). Lorsque le potentiel électrique entre les électrodes de l’empilement d’ÉD augmente, la densité de courant augmente aussi [4] , accélérant le passage des ions qui se trouvent plus près de l’interface solution-membrane (Bazinet et al., 1998b). L’écart de concentration en espèces ioniques entre le cœur de la solution et la couche sans turbulence (couche stationnaire [5] ) en contact avec la membrane est connu comme la polarisation de la concentration (Figure 3)(Davis, 2001). Ce phénomène constitue un paramètre clé en ÉD car ses effets vont influencer la dissociation d’eau, le rendement énergétique, la perméabilité de la membrane et la densité de courant maximale applicable au procédé (Tanaka, 2003). À une certaine valeur de densité de courant, la vitesse de déminéralisation dépasse celle d’enrichissement en ions dans la couche en contact avec la membrane (Davis, 2001).

Nonobstant la nature électrique du procédé, l’électrodialyse demeure aussi un système où les aspects hydrodynamiques déterminent certaines conditions du procédé. La vitesse linéaire de la solution, la géométrie des compartiments dans l’empilement de l’électrodialyseur, et la turbulence à l’intérieur de ce dernier comptent parmi les plus importants. Le passage du courant est limité par la diffusion a) des ions entre le cœur de la solution et la couche stationnaire et, par la suite, b) à travers les membranes. Du point de vue hydrodynamique, la diffusion des ions de la solution vers la couche stationnaire dépend de sept variables : la viscosité du fluide, la vitesse du flux, la température du fluide, les dimensions de la cellule, le coefficient de diffusion, la mobilité et la concentration des ions dans la couche stationnaire (Cowan et Brown, 1959). En général, plus le taux d’approvisionnement en ions de la couche stationnaire est élevé, moins la diffusion à travers des membranes sera ralentie. Cela se traduit par une minimisation de la polarisation de la concentration, ce qui permettrait d’augmenter la densité de courant pour accélérer le procédé. Cependant, la densité de courant ne peut augmenter indéfiniment car trois valeurs critiques la limitent : Lorsque la première est atteinte, un voltage de polarisation s’oppose au passage du courant, ce qui entraîne des coûts énergétiques supplémentaires. La deuxième, qui se présente immédiatement après la première, occasionne des changements drastiques de pH à l’interface membrane-fluide. Finalement, lorsque la troisième valeur critique est atteinte, une charge s’accumule sur la membrane (Cowan et Brown, 1959; Greiter et al., 2002). La première valeur, appelée densité de courant limite (DCL), est la seule qui présente un intérêt pratique pour les procédés industriels.

La densité de courant limite (DCL) est la première valeur à laquelle le courant est limité par la diffusion dans la couche limite (Greiter et al., 2002). Une fois atteinte, la concentration des ions à la surface des membranes en contact avec le diluat devient proche de zéro (Bazinet et al., 1998b; Greiter et al., 2002). La DCL est proportionnelle à la concentration d’ions dans le diluat et au coefficient de transport de masse (Greiter et al., 2002). Ce dernier est déterminé principalement par la vitesse du fluide et la géométrie de la cellule (Cowan et Brown, 1959). La DCL d’un système d’ÉD peut être déterminée selon la méthode de Cowan et Brown (1959), tel que décrite par Greiter et al. (2002). Cependant, la valeur de DCL n’est pas fixe pour toute la durée du traitement et varie selon la concentration d’ions dans le milieu. Lorsque la valeur de DCL est dépassée, l’efficience du procédé diminue considérablement. Cette baisse de performance est causée par une augmentation de la résistance électrique (Greiter et al., 2002), qui mène à une altération drastique du pH liée à la dissociation de molécules d’eau principalement à l’interface solution-membrane anionique (Simons, 1984; 1985). La dissociation d’eau est catalysée par les groupes aminés secondaires et tertiaires, qui se produisent lors de la dégradation des groupes tetra-acyl-ammonium, présents comme ions fixes dans les membranes anioniques (Simons, 1984; 1985). Bien que la dissociation soit considérablement plus importante dans le cas des membranes anioniques, ce phénomène a aussi été observé dans le cas de membranes cationiques, étant donné que les groupes carboxyliques présentent aussi une activité de dissociation d’eau (Simons, 1985). De plus, les groupes sulfoniques exercent un effet semblable lorsque des molécules ionisables, comme les acides aminés, sont présentes à l’intérieur de la membrane (Simons, 1985). Pour minimiser la dissociation d’eau, une densité de courant équivalente à environ 80% de la valeur de DCL est généralement utilisée (Andrés et al., 1995). Cependant, la génération des ions H+ peut avoir lieu même à des faibles densités de courant (Korngold et al., 1970).

Pour éviter une polarisation de la concentration accrue et l’éventuelle dissociation d’eau, la densité de courant est souvent fixée autour de 75-85 % et même à 60 % de la valeur de DCL lorsque l’ÉD est démarrée (Andrés et al., 1995; Bazinet et al., 1998b; Pérez et al., 1994). Par la suite, le voltage peut être maintenu constant en laissant chuter la densité de courant au cours du procédé (Greiter et al., 2002). Cette méthode, applicable aux traitements d’ÉD en lot, permet de se situer au-dessous de la valeur de densité de courant limite pendant une plus longue période. Cependant, la valeur de la DCL sera inévitablement atteinte à un certain degré de déminéralisation, lorsque le diluat sera fortement appauvri en espèces ioniques capables de transférer la charge. Pour la déminéralisation du lait écrémé, des densités de courant inférieures à 20-25 mA/cm2 ont été recommandées pour éviter le colmatage par dépôt irréversible de peptides et acides aminés, ainsi que la précipitation de sels de phosphate et calcium (Andrés et al., 1995). Par contre, d’autres études utilisant du lactosérum ont utilisé des densités de courant de 13.5 mA/cm2 (Greiter et al., 2002). Ces valeurs dépendent des conditions spécifiques mentionnées auparavant et ne constituent pas des points de comparaison lorsque les conditions du procédé ne sont pas identiques.

La polarisation de la concentration est un phénomène autocatalytique qui explique la formation de plusieurs types de colmatage, mais ce n’est pas le seul qui peut en occasionner un. L’empoisonnement des membranes par des agents tensioactifs en est un autre exemple (Gavach, 1998). Un phénomène qui peut aussi changer drastiquement les conditions du milieu et entraîner la formation d’un colmatage est la fuite de H+ à travers la MEA. Cette fuite est causée par une haute concentration des ions H+ qui sont attirés par la cathode et qui ne s’arrêtent pas au niveau de la MEA. Les ions H+, profitant d’un petit volume stérique, traversent la membrane en se servant des accepteurs de protons (e.g. eau et espèces acides) présents dans les interstices de la membrane (Roualdes et al., 2002).

Comme mentionné précédemment, un des problèmes les plus importants en ÉD est le colmatage des membranes. Le colmatage est une accumulation ou un dépôt réversible ou irréversible de matière solide indésirable, soit à la surface ou à l’intérieur de la membrane (Korngold et al., 1970). En général, cette accumulation modifie l’intégrité de la membrane. Cette modification entraîne une baisse générale de la performance du procédé. Le colmatage peut se classifier en trois types : entartrage par la précipitation de minéraux, encrassement sur la membrane par les protéines et matière colloïdale et empoisonnement par des agents tensioactifs (Gavach, 1998.).

Les principaux paramètres physiques qui influencent l’efficacité d’un procédé électromembranaire et la formation ultérieure d’un colmatage minéral chez les membranes sont la charge, l’hydrophobicité, la taille moléculaire et la solubilité des espèces présentes. De cette façon, la précipitation des espèces ioniques dépend de leur solubilité et leur adsorption est liée aux interactions électrostatiques avec la membrane (Lindstrand et al., 2000a). De façon générale, les membranes échangeuses d’anions sont colmatées par des espèces organiques chargées négativement, tandis que les membranes échangeuses de cations sont plutôt colmatées par des espèces inorganiques (Lindstrand et al., 2000a; 2000b). Le dépôt forme une couche qui fait augmenter la résistance électrique du système, causée par la passivation des membranes (Shaposhnik et al., 2002).

La charge des espèces dans les solutions à traiter par ÉD est un facteur important, car il influence le comportement du procédé. Le transport à travers les membranes des ions divalents, comme le calcium et le magnésium est moins rapide que celui des ions monovalents, comme le sodium et le potassium. (Kabay et al., 2002). Une fois les ions monovalents épuisés, le potentiel électrique force la migration des ions polyvalents (Andrés et al., 1995). Cette étape du procédé est critique, car le diluat est appauvri en ions monovalents (avec une mobilité élevée), ce qui gêne le transport de charges à travers les membranes (Pérez et al., 1994). Étant donné que les ions polyvalents ont un volume stérique plus grand que celui des ions monovalents (Kabay et al., 2002), il ont par conséquent une mobilité plus faible (Pérez et al., 1994). Cela se traduit par une augmentation de la résistance électrique. Cet effet peut être vu comme une molécule très volumineuse qui migre lentement et bloque le chemin pour les autres ions (Lindstrand et al., 2000a). La précipitation peut donc avoir lieu lorsqu’une sursaturation de certains sels se présente, notamment de calcium et magnésium. Cet effet est souvent dû à une élévation du pH à l’interface solution-membrane (e.g. causé par une polarisation de la concentration) qui provoque la précipitation et un entartrage des membranes. (Gomella, 1967). Le magnésium précipite sous forme d’hydroxyde à des conditions de pH supérieures à 10 et la précipitation de carbonate de calcium survient lorsque les conditions de pH dépassent la neutralité, autour de 7.4 (Shaposhnik et al., 2002).

Lorsqu’un colmatage se forme, trois effets ont lieu et s’intensifient de façon autocatalytique entre eux. Le premier est l’augmentation de la résistance électrique de la cellule, ce qui entraîne une chute de courant. Le deuxième est une perte de permsélectivité, ce qui réduit le taux de passage des ions à travers la membrane. Finalement, le troisième effet est une altération de la membrane, soit de façon réversible ou irréversible (Bazinet et al., 2001b). Ce dernier effet est le facteur le plus important, car un colmatage irréversible rend la membrane inutilisable et nécessite l’arrêt de l’installation, le démontage de l’empilement membranaire et le remplacement des membranes endommagées.

Plusieurs études ont été faites au sujet du colmatage des membranes échangeuses d’anions, car elles sont les plus susceptibles d’être affectées par le colmatage (Korngold et al., 1970). Bien que la recherche ait permis le développement d’AEM avec une basse tendance à se colmater et avec une permsélectivité élevée, les applications sont souvent limitées au dessalement des eaux saumâtres, où la teneur en protéine est pratiquement nulle (Bazinet et al., 2001b; Lee et al., 2002; Kim et al., 2002; Park et al., 2003). Cependant, ce progrès n’a pas été aussi fructueux pour les membranes cationiques, dont le colmatage a commencé à attirer l’attention depuis le développement de nouvelles applications pour l’industrie alimentaire incluant la production des isolats de protéine de lait, de lactosérum et de soya (Bazinet et al., 1997; 1998a; 1998b; 1999). Ainsi, des études récentes menées par Bazinet et al. (2000b; 2001b; 2003) ont démarré la caractérisation du colmatage des membranes lors de la production de ces isolats de protéine. Une grande partie de ces travaux a été consacrée à l’étude du colmatage des membranes cationiques, qui présentaient un dépôt minéral de carbonate de calcium, avec ou sans hydroxyde, lorsque le pH du concentrat était alcalin (Bazinet et al., 2003). Ce colmatage était lié à un entartrage de minéraux, dans lequel la présence de carbonate de calcium avait été vérifiée par spectroscopie de dispersion d’énergie par rayons X (Bazinet et al., 2001b). Le colmatage minéral, en effet, est souvent dû à la précipitation de sels peu solubles, comme le carbonate et le phosphate de calcium, naturellement présents dans le lait (Andrés et al., 1995), sur la surface des membranes en contact avec le concentrat (Davis, 1990; Bazinet et al., 2001b). La précipitation avait été causée par la haute concentration de ces sels dans l’interface membrane solution due à la polarisation de la concentration (Davis, 1990). Suite à ces travaux, le pH du concentrat à été acidifié afin d’éviter le colmatage minéral. Lorsque le pH du concentrat était maintenu à des conditions très acides le colmatage minéral ne se formait plus (Bazinet et al., 2003). Cependant, la présence d’un nouveau type de colmatage a été observé par des observations de microscopie électronique et identifié comme étant d’origine protéique (Bazinet et al., 2003). La fuite [6] de H+ pourrait expliquer la précipitation de protéines sur certaines membranes car une forte acidification du concentrat conduit à une augmentation importante de la teneur en H+ dans le compartiment du concentrat. Ces ions traverseraient les membranes par diffusion, occasionnant une baisse de pH indésirable des liquides déminéralisées (Gomella, 1967).

Cette série d’études sur le colmatage des membranes d’ÉD a soulevé de nouvelles questions en ce qui concerne le colmatage causé par les protéines et la possible relation avec le colmatage d’origine minérale. Deux études publiées récemment par Bazinet et Araya-Farías (2005a; 2005b) avec des solutions modèle ont montré certaines conditions auxquelles le colmatage minéral se formait, selon la composition en minéraux de la dite solution modèle. Dans la suite de ces travaux, et pour approfondir les connaissances au sujet du phénomène global du colmatage, l’ajout de protéine dans les solutions modèles et le contrôle du pH du concentrat s’avèrent les prochaines étapes à entreprendre.

Plusieurs techniques existent pour identifier et caractériser le colmatage formé sur les membranes (Labbé et al., 1990). En générale, les techniques visuelles comme la microscopie et les analyses spectroscopiques de surface s’avèrent utiles pour décrire la morphologie et la composition du colmatage. Des techniques qui évaluent la fonctionnalité des membranes existent aussi. Particulièrement dans le cas des membranes d’ÉD, des techniques comme la conductivité électrique, la résistance électrique, l’épaisseur, et la capacité d’échange ionique permettent d’évaluer l’impact d’un dépôt ou colmatage sur ses propriétés électriques et d’une éventuelle altération de leur intégrité. Parmi les techniques mentionnées ci-haut, les suivantes s’adaptent aux travaux à effectuer au cours de ce projet :

La conductivité électrique, qui englobe d’autres propriétés telles l’épaisseur et la résistance électrique de la membrane, compte parmi les paramètres les plus courants qui permettent une évaluation rapide de la fonctionnalité des membranes d’électrodialyse et l’impact du colmatage. La conductivité électrique de la membrane donne une mesure de sa capacité à laisser passer le courant. Dans le cas d’un empoisonnement, un contre-ion se fixe de façon permanente aux groupes ioniques de la membrane, ce qui implique une perte de sa fonctionnalité qui se reflète en une baisse de conductivité électrique (Gavach, 1998). Du point de vue pratique, la conductivité peut être calculée à partir de l’épaisseur de la membrane et de sa résistance électrique, par rapport à une aire effective de membrane connue (Lteif et al., 1999; Lebrun et al., 2003). Une technique spécifique est décrite dans la section de matériels et méthodes du deuxième chapitre.

En ce qui concerne les méthodes pour caractériser le colmatage, les techniques d’analyse de surfaces comme la spectroscopie de dispersion d’énergie par rayons X (energy dispersive spectroscopy, EDS) et la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier par la technique de réflexion interne totale atténuée (Fourier transform infrared by attenuated total reflectance, FTIR-ATR) s’avèrent des outils très puissants (Momose et al., 1991; Belfer et al., 2000; Bazinet et al., 2000b; Rabiller-Beaudry et al., 2002). Dans le cas de l’EDS par rayons X, la composition d’une surface peut être étudiée et quantifiée pour chaque élément, ce qui permet de détecter des différences de composition, comme dans le cas de la formation d’une couche de colmatage sur la surface de la membrane. Cette technique à été souvent utilisée pour l’étude du colmatage minéral des membranes d’ÉD (Bazinet et al., 2001b), mais aussi pour l’étude du colmatage protéique des membranes d’ultrafiltration (UF) (Rabiller-Beaudry et al., 2002). Dans le cas de l’ATR-FTIR, les utilisations sont plus vastes encore, étant donné que de l’information détaillée sur la structure chimique et structurelle des surfaces peut être obtenue (Lefèvre et Subirade, 2003). Cette technique a été utilisée pour l’étude du colmatage par NOM de membranes de microfiltration, d’ultrafiltration et d’osmose inverse (Howe et al., 2002; Belfer et al., 1999), ainsi que pour la caractérisation chimique et l’analyse de surface des membranes d’ÉD lors des études de synthèse et greffage (Belfer et al., 1999; Roualdes et al., 2002; Boccaccio et al., 2002; Nagarale et al., 2004). De plus, la spectroscopie par ATR-FTIR a été utilisée pour la détection de l’adsorption et du colmatage de protéine sur des membranes UF (Belfer et al., 2000; Rabiller-Beaudry et al., 2002), mais aucun travail de ce type n’a été trouvé pour le colmatage protéique des membranes d’ÉD. L’analyse des protéines par cette technique a été amplement utilisée, grâce à la spécificité d’absorption du spectre infrarouge des groupes fonctionnels chez les protéines, notamment les bandes amide I et II (Belfer et al., 2000; Lefèvre et Subirade, 2003). La bande amide I (1650 cm-1) provient principalement de la vibration de l’étirement du C=O des groupes peptidiques, tandis que la bande amide II (1540 cm-1) est caractéristique de la pliure des groups NH dans le plan et de l’étirement des C-N dans les chaînes polypeptidiques. (Belfer et al., 2000).

Des méthodes visuelles, comme la microscopie optique et la microscopie électronique à balayage (scanning electron microscopy, SEM) sont souvent utilisées comme analyses descriptives (Bazinet et al., 2000b; Bazinet et Araya-Farías, 2005a; Rosmaninho et Melo, 2005). Ces techniques permettent la description morphologique des dépôts sur les membranes. De plus, la SEM peut aussi être couplée à une analyse EDS par rayons X, ce qui permet de voir l’emplacement et la densité des différents éléments sur une image de la surface de la membrane (Rabiller-Beaudry et al., 2002).

Les techniques d’identification et caractérisation permettent d’étudier le colmatage directement sur la membrane et d’obtenir des informations sur sa structure et sa composition. Une meilleure compréhension de ces aspects permettrait d’éviter la formation de colmatage, ce qui pose, pour l’instant, un facteur limitant très important pour l’application des technologies d’ÉD en industrie alimentaire et nutraceutique.

Hypothèse

« La composition en minéraux et en protéines d’une solution à traiter par électrodialyse conventionnelle, ainsi que le pH du concentrat, affecte l’intégrité des membranes. »

Objectifs



[3] Dans le cas de l’ÉD, l’anode et la cathode sont isolées dans un circuit de rinçage séparé car les réactions aux électrodes ne font pas partie du procédé (Gavach, 1998).

[4] La densité de courant augmente car plus de courant passe à travers une aire effective fixe de membrane.

[5] La couche stationnaire est la zone de solution sans turbulence à l’interface solution-membrane (Cowan et Brown, 1959).

[6] La sélectivité des membranes d’ÉD n’est jamais parfaite (Gomella, 1967).

© Erik Ayala Bribiesca, 2005