Comment fonctionne la filtration de l'eau : notions de base, charbon actif et membranes (Partie 1/3)

1. Filtration, purification, désinfection et traitement de l’eau : quelles différences ?

Dans le langage courant, les mots « filtre », « purificateur », « désinfectant » et « adoucisseur » sont souvent utilisés comme s’ils désignaient la même chose. Ils correspondent pourtant à des actions différentes.

Un filtre n’est pas nécessairement un purificateur universel

Le mot « purification » est souvent utilisé dans le commerce pour désigner une amélioration globale de la qualité de l’eau. Ce terme ne précise cependant ni les substances traitées ni le niveau de performance obtenu.

Deux appareils présentés comme des purificateurs peuvent donc utiliser des technologies complètement différentes. L’un peut principalement améliorer le goût grâce au charbon actif, tandis qu’un autre peut combiner plusieurs étapes afin de réduire des particules, des micro-organismes et certaines substances dissoutes.

Retirer un contaminant ou simplement l’inactiver ?

Cette distinction est fondamentale. Une membrane peut retenir physiquement certaines particules et certains micro-organismes dans le filtre. Une lampe ultraviolette agit différemment : elle expose les micro-organismes à un rayonnement qui perturbe leur capacité à se reproduire, mais elle ne retire pas nécessairement leurs composants de l’eau.

De la même manière, l’ébullition peut inactiver de nombreux germes, mais elle ne constitue pas une méthode générale d’élimination des substances chimiques dissoutes. Certaines substances non volatiles peuvent rester dans l’eau après chauffage.

Un traitement unique ou plusieurs technologies combinées ?

Les systèmes les plus polyvalents associent souvent plusieurs étapes. Une installation peut, par exemple, comprendre :

1. un préfiltre destiné à retenir les particules et les sédiments les plus visibles ;
2. du charbon actif pour agir sur certains goûts, certaines odeurs et certains composés organiques ;
3. une membrane pour séparer des éléments selon leur taille ou leurs propriétés ;
4. une étape de désinfection afin de maîtriser le risque microbiologique ;
5. éventuellement une reminéralisation ou une correction finale de l’eau.

Combiner plusieurs procédés ne signifie toutefois pas automatiquement que le dispositif sera plus performant. L’ordre des étapes, le débit, la pression, la quantité de média filtrant, le temps de contact, la qualité de fabrication et la fréquence de remplacement des consommables ont également une influence déterminante.

Les principales fonctions des traitements de l’eau

2. Que peut réellement contenir l’eau ?

Une eau parfaitement transparente peut contenir des substances invisibles à l’œil nu. À l’inverse, une eau légèrement trouble n’est pas nécessairement dangereuse, même si sa turbidité peut compliquer certains traitements et signaler la présence de particules en suspension.

Avant de choisir une technologie de filtration, il faut donc comprendre que les éléments présents dans l’eau n’ont ni la même taille, ni la même origine, ni les mêmes propriétés. Certains sont des particules solides, d’autres sont des organismes vivants, des molécules organiques ou des ions totalement dissous dans l’eau.

Les grandes catégories d’éléments présents dans l’eau

Les particules et les matières en suspension

Les matières en suspension sont des éléments solides qui ne sont pas complètement dissous dans l’eau. Il peut s’agir de sable, de terre, de limon, de fragments de rouille, de matières végétales ou de particules issues des canalisations.

Elles peuvent modifier l’aspect de l’eau, provoquer un dépôt au fond d’un récipient ou lui donner une apparence trouble. La mesure de cette apparence est notamment associée à la notion de turbidité.

Une turbidité élevée peut également réduire l’efficacité de certaines technologies. Les particules peuvent protéger des micro-organismes contre les rayonnements ultraviolets, obstruer une membrane ou saturer plus rapidement un média filtrant.

Quelles technologies peuvent retenir les particules ?

• Les crépines et tamis retiennent principalement les débris relativement grossiers.
• Les cartouches à sédiments retiennent des particules plus fines selon leur seuil de filtration.
• La microfiltration et l’ultrafiltration utilisent des membranes possédant des pores beaucoup plus fins.
• L’osmose inverse constitue une séparation membranaire encore plus poussée, mais nécessite généralement une préfiltration afin de préserver la membrane.

Les bactéries

Les bactéries sont des micro-organismes unicellulaires. Certaines sont naturellement présentes dans l’environnement et ne sont pas nécessairement dangereuses. D’autres peuvent provoquer des maladies lorsqu’elles sont présentes dans l’eau destinée à la consommation.

Parmi les bactéries régulièrement citées dans le contexte de la sécurité de l’eau figurent notamment Escherichia coli, certaines espèces de Salmonella, Shigella, Campylobacter ou encore les bactéries responsables du choléra.

La présence d’E. coli est notamment utilisée comme indicateur d’une contamination fécale récente. Cette contamination peut provenir d’eaux usées, d’excréments animaux, d’un puits insuffisamment protégé ou d’un défaut affectant un réseau d’eau.

Comment les bactéries peuvent-elles être traitées ?

• par une membrane dont les caractéristiques permettent leur rétention ;
• par une désinfection ultraviolette correctement dimensionnée ;
• par l’ébullition dans un contexte d’urgence ;
• par certains désinfectants chimiques comme le chlore ;
• par plusieurs barrières successives dans une installation collective.

L’efficacité réelle dépend toutefois du dispositif, de son intégrité, du débit, de la dose de désinfection, de la turbidité de l’eau et du respect des conditions d’utilisation.

Les protozoaires et les parasites

Les protozoaires sont généralement plus grands que les bactéries. Parmi les organismes fréquemment évoqués dans les eaux contaminées figurent Giardia et Cryptosporidium.

Ils peuvent être présents sous forme de kystes ou d’oocystes capables de survivre dans l’environnement. Certaines de ces formes sont particulièrement résistantes à des méthodes de désinfection chimique utilisées seules.

Leur taille rend néanmoins possible leur rétention par différents systèmes de filtration mécanique ou membranaire, à condition que le seuil de filtration soit adapté et que le dispositif soit correctement entretenu.

Les virus

Les virus sont nettement plus petits que les bactéries et les protozoaires. Leur taille rend leur rétention plus exigeante. Une membrane qui bloque les bactéries ne doit donc pas être considérée automatiquement comme une barrière absolue contre tous les virus.

La nanofiltration et l’osmose inverse sont généralement plus adaptées à une séparation membranaire poussée. D’autres procédés, comme les ultraviolets, le chlore ou l’ébullition, visent plutôt à inactiver les virus qu’à les retirer physiquement de l’eau.

Les microplastiques

Les microplastiques sont généralement définis comme des particules de matière plastique dont la taille est inférieure à cinq millimètres. Cette catégorie couvre donc une plage extrêmement large, allant de fragments encore visibles à des particules microscopiques.

Ils peuvent provenir de la dégradation d’emballages, de textiles synthétiques, de peintures, de pneumatiques ou de nombreuses autres sources. Leur présence est étudiée dans les eaux de surface, l’eau potable et différentes boissons.

La capacité d’un filtre à les retenir dépend directement de la taille réelle des particules et des caractéristiques de la membrane ou du média. Dire qu’un système « filtre les microplastiques » reste donc incomplet si aucun seuil de filtration ni protocole d’essai n’est précisé.

Microplastiques et nanoplastiques : quelle différence ?

Le terme nanoplastiques désigne des particules encore plus petites, mais les seuils exacts employés peuvent varier selon les publications et les méthodes d’analyse. Leur détection et leur quantification sont plus complexes que celles des particules de plus grande taille.

Une technologie capable de retenir certains microplastiques ne peut donc pas nécessairement prétendre retenir l’ensemble des particules plastiques, notamment les fractions les plus petites.

Le chlore et les chloramines

Le chlore est utilisé pour désinfecter l’eau et limiter la prolifération microbienne durant son transport dans le réseau. La présence d’un résiduel de désinfectant contribue ainsi à protéger l’eau jusqu’au robinet.

Il peut cependant donner à l’eau une odeur ou un goût que certaines personnes trouvent désagréable. Selon les réseaux et les pratiques de traitement, des chloramines peuvent également être utilisées.

Le charbon actif est couramment employé pour réduire le chlore libre et améliorer les qualités organoleptiques de l’eau. La réduction des chloramines peut demander un média adapté et un temps de contact plus important.

Les sous-produits de désinfection

Lorsque des désinfectants réagissent avec de la matière organique présente dans l’eau, ils peuvent former des sous-produits de désinfection. Parmi les familles fréquemment surveillées figurent notamment les trihalométhanes et certains acides haloacétiques.

Leur présence et leur concentration dépendent notamment de la qualité de l’eau brute, du procédé de traitement, de la dose de désinfectant, de la température et du temps de séjour dans le réseau.

Certains charbons actifs peuvent réduire une partie de ces composés, mais les performances varient selon les molécules, la quantité de charbon, sa forme, son état de saturation et le temps de contact avec l’eau.

Le calcaire, le calcium et le magnésium

Ce que l’on appelle couramment le « calcaire » correspond principalement aux conséquences d’une eau riche en calcium et en magnésium. Ces minéraux sont naturellement dissous lors du passage de l’eau dans les sols et les roches.

Une eau riche en calcium et en magnésium est dite dure. Lors du chauffage ou de l’évaporation, elle peut favoriser la formation de dépôts de tartre sur les résistances, les robinets, les parois de douche et certains appareils électroménagers.

Une eau dure n’est pas synonyme d’eau polluée. Le sujet relève principalement du confort d’usage, de l’entretien des équipements et de la composition minérale de l’eau.

Quels procédés réduisent réellement la dureté ?

• L’adoucisseur à échange d’ions remplace généralement les ions calcium et magnésium par des ions sodium.
• La nanofiltration peut retenir une partie importante des ions responsables de la dureté.
• L’osmose inverse réduit fortement une grande variété de sels dissous.

En revanche, une cartouche classique à sédiments, une membrane d’ultrafiltration seule ou un charbon actif standard ne constituent pas des procédés classiques d’adoucissement.

Les nitrates et les nitrites

Les nitrates sont des ions dissous qui peuvent être naturellement présents dans l’environnement, mais dont les concentrations peuvent également être influencées par les activités agricoles, l’utilisation d’engrais, les effluents d’élevage et les eaux usées.

Parce qu’ils sont dissous à l’échelle ionique, ils ne sont pas retenus par une simple filtration mécanique ou par une membrane conçue principalement pour les particules et les bactéries.

Leur réduction peut notamment faire appel à :

• des résines échangeuses d’anions adaptées ;
• l’osmose inverse ;
• certains traitements biologiques ou industriels spécialisés.

Les pesticides

Le terme « pesticides » regroupe de nombreuses substances actives ainsi que leurs produits de dégradation, parfois appelés métabolites. Leurs propriétés peuvent varier fortement : taille moléculaire, solubilité, charge électrique, persistance et affinité avec le carbone.

Il est donc imprécis d’affirmer qu’une seule technologie traite tous les pesticides de manière uniforme.

Le charbon actif est fréquemment utilisé pour adsorber certains pesticides et composés organiques. L’osmose inverse et la nanofiltration peuvent également contribuer à la réduction de différentes molécules. Les résultats dépendent toutefois du composé concerné et du dimensionnement du système.

Les PFAS

Les substances per- et polyfluoroalkylées, plus couramment appelées PFAS, forment une famille très vaste de substances chimiques. Elles ont été utilisées dans de nombreuses applications pour leurs propriétés antiadhésives, imperméabilisantes ou résistantes à la chaleur.

Leur forte persistance dans l’environnement leur vaut parfois le surnom de « polluants éternels ». Tous les PFAS ne possèdent cependant pas exactement les mêmes caractéristiques. Leur comportement lors d’un traitement dépend notamment de la longueur de leur chaîne, de leur charge et de la composition de l’eau.

Quelles technologies sont utilisées contre les PFAS ?

• Le charbon actif en grains, particulièrement étudié pour différents PFAS à chaîne longue.
• Les résines échangeuses d’ions spécifiquement conçues pour retenir certaines molécules chargées.
• La nanofiltration et l’osmose inverse, qui peuvent fournir des taux de rejet élevés pour de nombreux PFAS dans des conditions adaptées.

Les PFAS à chaîne courte peuvent être plus difficiles à retenir par certains médias adsorbants. La saturation du média, la fréquence de remplacement et la gestion des déchets filtrants sont également des enjeux importants : retenir une substance ne signifie pas la détruire.

Les métaux et métalloïdes

Plusieurs éléments métalliques ou métalloïdes peuvent être surveillés dans l’eau, notamment le plomb, l’arsenic, le cadmium, le mercure, le chrome, le cuivre ou le nickel.

Leur origine peut être naturelle, industrielle ou liée aux matériaux en contact avec l’eau. Le plomb, par exemple, peut provenir d’anciennes canalisations ou de certains éléments de plomberie.

Ces éléments peuvent se présenter sous différentes formes chimiques : dissous, complexés ou associés à des particules. Cette différence influence directement la méthode de traitement.

Quels traitements peuvent être employés ?

• résines échangeuses d’ions ou adsorbants sélectifs ;
• osmose inverse ;
• nanofiltration selon l’élément concerné ;
• filtration mécanique lorsque le métal est principalement associé à des particules ;
• traitements collectifs de coagulation, précipitation ou ajustement du pH.

Un charbon actif classique n’est pas automatiquement efficace contre tous les métaux lourds. Certaines cartouches associent donc le charbon à des médias spécifiques.

Les résidus médicamenteux et autres micropolluants

Des traces de substances pharmaceutiques, de produits cosmétiques, de détergents ou d’autres produits chimiques peuvent atteindre les eaux de surface ou souterraines après leur utilisation et leur rejet.

Ces substances sont souvent présentes à de très faibles concentrations, ce qui rend leur analyse et leur traitement complexes. Le comportement d’un médicament ne permet pas de prévoir celui d’un autre : leurs propriétés chimiques diffèrent considérablement.

Parmi les procédés pouvant être mobilisés figurent le charbon actif, l’ozonation, l’oxydation avancée, les résines spécifiques, la nanofiltration et l’osmose inverse. Aucun de ces procédés ne doit toutefois être considéré comme universel sans données portant sur la molécule étudiée.

Le fluorure et les autres sels dissous

Les fluorures, chlorures, sulfates et autres sels se trouvent sous forme dissoute. Leur présence dépend principalement de la géologie, de l’origine de l’eau et, dans certaines régions du monde, de traitements volontaires.

Une membrane de microfiltration ou d’ultrafiltration destinée aux particules et aux micro-organismes laisse généralement passer ces ions dissous.

Leur réduction nécessite plutôt des procédés tels que l’osmose inverse, certaines résines, des médias adsorbants spécifiques ou la distillation.

Les radionucléides

Certains éléments radioactifs peuvent être naturellement présents dans les sols et les roches, puis se retrouver dans les eaux souterraines. D’autres peuvent avoir une origine liée aux activités humaines.

Leur traitement dépend du radionucléide, de sa forme chimique et de sa concentration. Des procédés comme l’échange d’ions, l’osmose inverse, l’adsorption sélective ou la précipitation peuvent être utilisés dans des installations spécifiquement conçues.

Une eau suspectée d’être contaminée par des matières radioactives ne doit pas être traitée avec un simple filtre domestique sans avis des autorités compétentes.

Les goûts, les odeurs et la couleur

Le goût, l’odeur ou la couleur de l’eau peuvent avoir de nombreuses causes : chlore, matières organiques naturelles, fer, manganèse, corrosion, algues, stagnation dans les canalisations ou contamination accidentelle.

Ces signes ne permettent pas à eux seuls de déterminer si l’eau est potable. Une eau peut avoir un goût désagréable tout en respectant les critères sanitaires. Inversement, une eau claire, sans goût et sans odeur peut contenir des substances invisibles.

Une eau potable est-elle une eau totalement pure ?

Non. Une eau potable n’est pas une eau composée exclusivement de molécules d’eau. Elle contient naturellement des minéraux et peut également contenir certaines substances à des concentrations inférieures aux limites ou références fixées par la réglementation.

La potabilité correspond à une eau considérée comme propre à la consommation humaine dans les conditions prévues. Elle repose sur des critères microbiologiques, chimiques, physiques et radiologiques ainsi que sur un système de surveillance.

Filtrer une eau déjà potable vise donc souvent à répondre à un objectif complémentaire : goût, confort, réduction ciblée de certaines substances, diminution des déchets liés aux bouteilles ou adaptation à un usage particulier.

Pourquoi une analyse de l’eau est-elle importante ?

La technologie pertinente dépend toujours de l’eau à traiter. Une eau du réseau public, une eau de pluie, une eau de rivière et une eau de puits ne présentent ni les mêmes risques ni les mêmes obligations.

Pour l’eau du robinet, les résultats officiels permettent de connaître de nombreux paramètres contrôlés dans sa commune. Pour une ressource privée, une analyse en laboratoire peut être indispensable avant de choisir un traitement.

3. La filtration mécanique : tamis, préfiltres et cartouches à sédiments

La filtration mécanique est l’une des méthodes les plus anciennes et les plus simples pour traiter l’eau. Son principe consiste à faire passer l’eau à travers un matériau possédant des ouvertures suffisamment petites pour retenir certaines particules.

Elle fonctionne donc principalement comme une barrière physique. Les particules plus grandes que les ouvertures du filtre sont retenues, tandis que l’eau et les éléments plus petits peuvent continuer leur passage.

Selon la finesse recherchée, cette filtration peut prendre la forme d’une grille grossière, d’un tamis, d’une cartouche à sédiments, d’une membrane ou d’un média filtrant composé de plusieurs couches.

À quoi sert un préfiltre ?

Un préfiltre est installé en amont d’un autre traitement afin de retenir les éléments les plus grossiers avant qu’ils n’atteignent une cartouche plus fine, du charbon actif, une membrane ou un appareil sensible.

Il peut notamment contribuer à retenir :

• le sable ;
• le limon ;
• les particules de terre ou d’argile ;
• les fragments de rouille ;
• certains débris végétaux ;
• des particules provenant des canalisations ;
• une partie des matières en suspension.

Cette première étape permet de protéger les traitements placés après le préfiltre. Sans elle, une eau chargée en sédiments peut colmater rapidement une membrane, réduire le débit, augmenter la fréquence de remplacement des consommables et diminuer l’efficacité globale du système.

Qu’est-ce qu’un micron ?

La finesse d’un filtre est souvent exprimée en micromètres, également appelés microns et symbolisés par « µm ».

Un micromètre correspond à un millième de millimètre :

Plus la valeur annoncée est petite, plus le filtre est théoriquement capable de retenir des particules fines. Une filtration à 5 microns est donc plus fine qu’une filtration à 50 microns.

Cette comparaison reste néanmoins incomplète. Deux filtres affichant la même valeur en microns ne présentent pas nécessairement la même efficacité. Il faut également connaître la manière dont cette valeur a été déterminée, la régularité des pores, la structure du média et le niveau réel de rétention.

Quelques ordres de grandeur

Seuil nominal, seuil moyen et seuil absolu : quelle différence ?

La valeur en microns indiquée sur un filtre peut correspondre à plusieurs méthodes de classification. Cette distinction est particulièrement importante lorsqu’un dispositif est destiné à traiter des particules très fines ou des micro-organismes.

Le seuil nominal

Un seuil nominal indique généralement qu’un filtre retient une proportion donnée des particules correspondant à la taille annoncée. Cette proportion n’est pas nécessairement de 100 % et peut varier selon le fabricant, le protocole et la conception du filtre.

Un filtre annoncé à « 5 microns nominal » peut donc laisser passer une partie des particules de 5 microns, ainsi que des particules plus petites.

Le seuil moyen

Une taille moyenne des pores signifie que les ouvertures du filtre mesurent en moyenne la valeur indiquée. Certaines peuvent être plus petites, tandis que d’autres peuvent être plus grandes.

Un filtre possédant une taille moyenne de pores de 1 micron ne garantit donc pas nécessairement que toutes ses ouvertures mesurent au maximum 1 micron.

Le seuil absolu

Le terme « absolu » est utilisé pour désigner une limite maximale de passage définie dans des conditions d’essai précises. Il apporte généralement une information plus exigeante qu’une simple valeur nominale ou moyenne.

Un filtre présentant une taille absolue de pores de 1 micron est conçu pour empêcher le passage d’éléments mesurant 1 micron ou davantage, dans les conditions correspondant à sa spécification.

Filtration de surface et filtration en profondeur

Les cartouches mécaniques ne retiennent pas toutes les particules de la même manière. Deux grandes structures peuvent être distinguées : la filtration de surface et la filtration en profondeur.

La filtration de surface

Dans une filtration de surface, les particules sont principalement retenues sur la face extérieure ou sur une interface relativement définie du média filtrant.

C’est notamment le cas de certaines membranes plissées. Les particules s’accumulent progressivement sur la surface et peuvent former une couche appelée « gâteau de filtration ».

Cette structure peut offrir :

• une finesse de filtration plus régulière ;
• une surface importante lorsque le média est plissé ;
• un contrôle plus précis du seuil de filtration ;
• dans certains cas, la possibilité d’un rinçage ou d’un nettoyage.

La filtration en profondeur

Dans une filtration en profondeur, les particules pénètrent dans l’épaisseur du média et sont retenues à différents niveaux de sa structure.

Les cartouches en polypropylène bobiné, extrudé ou soufflé sont fréquemment utilisées pour cette fonction. Leur densité peut être progressive : les particules les plus grossières sont captées dans les couches extérieures, tandis que les particules plus fines pénètrent davantage dans le matériau.

Cette structure permet souvent de stocker une quantité importante de sédiments avant colmatage complet.

Les principales cartouches à sédiments

Les cartouches en polypropylène soufflé ou extrudé

Elles sont constituées de fibres de polypropylène assemblées pour former un média filtrant plus ou moins dense. Elles sont généralement utilisées comme consommables et remplacées lorsqu’elles sont saturées.

Leur structure en profondeur peut permettre de retenir des particules de tailles variées. Elles sont couramment utilisées en préfiltration dans les installations domestiques.

Les cartouches bobinées

Ces cartouches sont fabriquées à partir d’un fil enroulé autour d’un noyau. Les espaces entre les fibres forment un réseau capable de retenir les sédiments dans l’épaisseur du média.

Elles peuvent convenir à des eaux contenant une quantité importante de particules, mais leurs performances dépendent de la qualité de l’enroulement, du matériau utilisé et de la régularité de fabrication.

Les cartouches plissées

Leur média est plié en accordéon afin d’augmenter la surface disponible dans un volume réduit. Elles fonctionnent principalement comme des filtres de surface.

Certains modèles peuvent être rincés et réutilisés, mais cette possibilité dépend du matériau, de la nature des contaminants et des consignes du fabricant. Un simple rinçage ne garantit pas une désinfection du filtre.

Les filtres lavables à tamis

Ils utilisent généralement une grille en acier inoxydable ou en matériau synthétique. Ils sont particulièrement adaptés à la rétention des particules grossières et peuvent être nettoyés périodiquement.

Ils constituent souvent une première barrière installée à l’arrivée d’eau, avant une filtration plus fine.

Faut-il choisir 100, 50, 20, 5 ou 1 micron ?

Il n’existe pas une valeur universellement meilleure. Le choix dépend de la quantité de sédiments, de leur taille, du débit souhaité et du traitement situé après le préfiltre.

Une filtration en plusieurs étapes est souvent plus pertinente qu’une cartouche unique extrêmement fine. Une première cartouche grossière peut retenir la majorité des sédiments avant une seconde filtration plus fine.

Cette organisation peut préserver le débit et prolonger la durée de vie du dernier filtre.

Plus le filtre est fin, plus il est performant : vrai ou faux ?

Cette affirmation est incomplète. Un filtre plus fin peut retenir des particules plus petites, mais il peut également :

• réduire davantage le débit ;
• nécessiter une pression plus élevée ;
• se colmater plus rapidement ;
• demander un remplacement ou un nettoyage plus fréquent ;
• être inutilement contraignant si l’eau contient peu de particules.

La meilleure finesse est donc celle qui répond au besoin réel tout en restant compatible avec l’installation et le traitement placé en aval.

Pourquoi le débit diminue-t-il avec le temps ?

Au fur et à mesure de son utilisation, un filtre mécanique accumule les éléments qu’il a retenus. Les passages disponibles pour l’eau deviennent progressivement plus étroits.

Cette accumulation entraîne généralement une augmentation de la perte de charge, c’est-à-dire une diminution de la pression ou du débit disponible après le filtre.

Une baisse inhabituelle du débit peut donc signaler :

• une cartouche saturée en sédiments ;
• une membrane colmatée ;
• un filtre mal monté ;
• une pression d’alimentation insuffisante ;
• la présence d’air dans le système ;
• un préfiltre devenu trop encrassé.

Qu’est-ce que la perte de charge ?

La perte de charge représente la diminution de pression provoquée par le passage de l’eau à travers un filtre, une canalisation ou un équipement.

Plus le média est fin, dense ou colmaté, plus il oppose une résistance au passage de l’eau. Cette résistance peut réduire le débit disponible au robinet ou augmenter l’effort nécessaire pour aspirer à travers un filtre portable.

La perte de charge dépend notamment :

• de la finesse du filtre ;
• de sa surface disponible ;
• de son niveau d’encrassement ;
• de la viscosité et de la température de l’eau ;
• du débit demandé ;
• de la pression en amont ;
• de la conception du boîtier et des raccordements.

Un filtre mécanique peut-il retenir les bactéries ?

Cela dépend de son seuil de filtration réel. Un tamis ou une cartouche à sédiments de plusieurs microns ne doit pas être considéré comme une barrière fiable contre les bactéries.

Une membrane possédant des pores suffisamment fins et contrôlés peut en revanche retenir des bactéries. Dans ce cas, on entre généralement dans le domaine de la microfiltration fine ou de l’ultrafiltration.

Pour une utilisation microbiologique, une simple mention en microns ne suffit pas. Il faut examiner :

• le caractère nominal ou absolu du seuil ;
• l’intégrité de la membrane ;
• les essais réalisés sur le dispositif complet ;
• le taux de réduction obtenu ;
• les conditions de pression et de débit ;
• la durée d’utilisation avant remplacement.

Un filtre mécanique peut-il retenir les virus ?

Les virus sont généralement beaucoup plus petits que les pores des cartouches à sédiments et de nombreux filtres de microfiltration.

Une filtration mécanique classique ne doit donc pas être considérée comme une protection fiable contre les virus. Leur traitement peut nécessiter des membranes plus poussées, telles que certaines nanofiltrations ou l’osmose inverse, ou une méthode de désinfection adaptée.

Un filtre à sédiments peut-il retirer le calcaire ?

Non, pas lorsque le calcium et le magnésium sont dissous dans l’eau. Les ions responsables de la dureté sont beaucoup plus petits que les ouvertures d’une cartouche à sédiments et la traversent avec l’eau.

Un préfiltre peut éventuellement retenir certains dépôts solides ou fragments de tartre déjà formés, mais il ne réduit pas réellement la dureté de l’eau.

Pour agir sur la dureté, il faut utiliser un procédé tel que l’échange d’ions, la nanofiltration ou l’osmose inverse, selon le résultat recherché.

Un filtre à sédiments peut-il retirer les métaux lourds ?

Cela dépend de la forme sous laquelle le métal est présent.

Si le métal est fixé à une particule suffisamment grande, une filtration mécanique peut retenir cette particule. En revanche, si le métal est dissous sous forme ionique, il traversera généralement une cartouche à sédiments.

Cette différence explique pourquoi la filtration mécanique peut parfois réduire une fraction particulaire du plomb ou du fer, sans constituer un traitement général des métaux dissous.

Peut-on laver et réutiliser une cartouche ?

Certains filtres à tamis ou certaines cartouches plissées sont conçus pour être rincés. D’autres cartouches, notamment celles à usage unique, doivent être remplacées.

Il est important de respecter les indications du fabricant. Le rinçage d’une cartouche non prévue pour être réutilisée peut :

• endommager sa structure ;
• modifier son seuil de filtration ;
• libérer des particules précédemment retenues ;
• favoriser une contamination microbiologique ;
• donner une fausse impression de sécurité.

Quand faut-il remplacer un préfiltre ?

La durée de vie d’une cartouche ne dépend pas uniquement du nombre de mois écoulés. Elle varie selon :

• le volume d’eau filtré ;
• la quantité de sédiments présents ;
• la finesse du média ;
• le débit utilisé ;
• la pression du réseau ;
• la fréquence d’utilisation ;
• les conditions d’hygiène et de stockage.

Plusieurs signes peuvent indiquer qu’un remplacement est nécessaire :

• une diminution sensible du débit ;
• une baisse de pression après le filtre ;
• une coloration importante de la cartouche ;
• la réapparition de particules dans l’eau ;
• l’atteinte de la durée ou de la capacité prévue par le fabricant.

Les limites de la filtration mécanique

La filtration mécanique est particulièrement utile contre les particules et pour protéger les autres éléments d’un système. Elle ne doit cependant pas être confondue avec un traitement complet de l’eau.

Utilisée seule, elle ne réduit généralement pas de manière fiable :

• le chlore dissous ;
• les goûts et les odeurs liés à des molécules dissoutes ;
• les nitrates ;
• les sels minéraux ;
• le calcium et le magnésium dissous ;
• la majorité des pesticides dissous ;
• les PFAS dissous ;
• les métaux sous forme ionique ;
• les virus, sauf membrane spécifiquement conçue et testée.

C’est pourquoi elle est fréquemment associée à d’autres procédés, tels que le charbon actif, l’échange d’ions, l’ultrafiltration, les ultraviolets ou l’osmose inverse.

Dans quelles situations la filtration mécanique est-elle utile ?

Ce qu’il faut retenir sur la filtration mécanique

4. Le charbon actif : adsorption, chlore, goûts, odeurs et composés organiques

Le charbon actif est l’un des médias les plus utilisés dans le traitement de l’eau. On le retrouve dans les carafes filtrantes, les filtres de réfrigérateur, les cartouches sous évier, les dispositifs fixés au robinet, les gourdes filtrantes et certaines installations collectives.

Sa fonction principale n’est pas de retenir les contaminants uniquement en fonction de leur taille. Le charbon actif agit principalement grâce à un phénomène appelé adsorption : certaines molécules présentes dans l’eau viennent se fixer à la surface du charbon et dans son réseau de pores.

Cette technologie est particulièrement connue pour améliorer le goût et l’odeur de l’eau, notamment en réduisant le chlore. Selon sa conception, la quantité de charbon utilisée et les substances testées, elle peut également contribuer à réduire certains composés organiques, certains pesticides, certains sous-produits de désinfection et certains PFAS.

Comment fabrique-t-on du charbon actif ?

Le charbon actif peut être produit à partir de différentes matières riches en carbone, notamment :

• les coques de noix de coco ;
• le bois ;
• la tourbe ;
• le charbon bitumineux ;
• le lignite ;
• d’autres matières végétales carbonées.

La matière première est d’abord transformée en un matériau carboné, puis soumise à une étape d’activation. Cette activation permet de créer ou d’agrandir un vaste réseau de pores à l’intérieur du matériau.

Le résultat est un média extrêmement poreux possédant une surface interne considérable par rapport à son volume apparent. C’est sur cette surface que peuvent se fixer différentes molécules présentes dans l’eau.

L’activation physique

L’activation physique repose généralement sur un traitement à haute température en présence de vapeur d’eau ou de gaz contrôlés. Elle développe progressivement la porosité du matériau carboné.

L’activation chimique

L’activation chimique utilise des agents permettant de favoriser la création de pores pendant le traitement thermique. Le procédé employé dépend de la matière première et des caractéristiques recherchées pour le charbon final.

La méthode d’activation influence notamment :

• la répartition de la taille des pores ;
• la surface disponible ;
• la structure chimique de la surface ;
• l’affinité du charbon pour certaines familles de molécules ;
• sa résistance mécanique ;
• sa capacité d’adsorption.

Pourquoi le charbon actif possède-t-il autant de pores ?

Le charbon actif contient un réseau complexe de cavités de tailles différentes. Ces pores permettent aux molécules présentes dans l’eau de pénétrer dans le média et d’entrer en contact avec une surface beaucoup plus importante que la seule surface extérieure du grain.

On distingue généralement plusieurs catégories de pores :

• les micropores, particulièrement étroits et importants pour l’adsorption de petites molécules ;
• les mésopores, de taille intermédiaire ;
• les macropores, plus larges, qui facilitent notamment la circulation vers les pores plus petits.

La répartition de ces pores influence les contaminants pour lesquels le charbon sera le plus adapté. Un charbon possédant de nombreux micropores peut être performant pour certaines petites molécules, tandis qu’un autre charbon présentant davantage de pores intermédiaires pourra mieux convenir à des composés plus volumineux.

Adsorption et absorption : quelle différence ?

Les deux termes se ressemblent, mais ils ne décrivent pas le même phénomène.

Dans un filtre à charbon, certaines molécules quittent donc l’eau pour se fixer sur les surfaces disponibles à l’intérieur du média. Elles ne sont pas nécessairement détruites : elles sont transférées de l’eau vers le charbon.

Quelles forces permettent l’adsorption ?

L’adsorption résulte de plusieurs interactions physiques et chimiques entre les molécules présentes dans l’eau et la surface du charbon.

La performance dépend notamment :

• de la structure moléculaire du contaminant ;
• de sa charge électrique ;
• de sa solubilité dans l’eau ;
• de son affinité pour la surface carbonée ;
• de la taille et de la répartition des pores ;
• du pH de l’eau ;
• de la température ;
• de la présence d’autres substances concurrentes.

Certaines molécules sont donc très bien adsorbées, tandis que d’autres présentent peu d’affinité avec un charbon donné et traversent plus facilement le filtre.

Le charbon actif en grains

Le charbon actif en grains, souvent désigné par l’abréviation CAG ou par le terme anglais GAC, est composé de petits grains libres placés dans une cartouche ou dans une cuve.

L’eau circule entre les grains et entre en contact avec leur réseau poreux. Ce format est largement employé dans les systèmes domestiques et dans les installations de traitement à plus grande échelle.

Avantages possibles du charbon en grains

• grande surface d’adsorption ;
• utilisation possible dans des volumes de média importants ;
• bonne adaptation à de nombreux systèmes de traitement ;
• possibilité de sélectionner différents types de charbon ;
• perte de charge potentiellement modérée selon la cartouche.

Limites possibles du charbon en grains

• l’eau peut emprunter des chemins préférentiels entre les grains si la cartouche est mal conçue ;
• le temps de contact peut être insuffisant lorsque le débit est trop élevé ;
• de fines particules noires peuvent apparaître lors des premiers usages ;
• le charbon ne constitue pas automatiquement une barrière mécanique fine ;
• le média finit par se saturer.

Le charbon actif en bloc

Le charbon actif en bloc, parfois appelé carbon block, est fabriqué en compactant de fines particules de charbon avec un liant compatible avec l’utilisation prévue.

L’eau doit traverser une structure plus dense et plus homogène que dans une cartouche composée uniquement de grains libres.

Avantages possibles du charbon en bloc

• circulation de l’eau généralement mieux contrôlée ;
• réduction des passages préférentiels ;
• temps de contact potentiellement amélioré ;
• capacité de filtration mécanique complémentaire selon sa porosité ;
• quantité importante de fines particules de charbon exposées à l’eau.

Limites possibles du charbon en bloc

• perte de charge plus importante ;
• débit parfois plus faible ;
• risque de colmatage en présence de nombreux sédiments ;
• nécessité fréquente d’une préfiltration ;
• performances très variables selon la densité et la formulation du bloc.

Le charbon actif en poudre

Le charbon actif en poudre est constitué de particules très fines. Il peut être ajouté directement à l’eau pendant certaines étapes de traitement, notamment pour faire face à des épisodes ponctuels de goûts, d’odeurs ou de pollution organique.

Après avoir adsorbé les substances ciblées, le charbon doit être séparé de l’eau par décantation, coagulation ou filtration.

Ce format est principalement utilisé dans les installations collectives ou industrielles plutôt que dans les petits appareils domestiques.

Le charbon issu de coques de noix de coco est-il meilleur ?

Les charbons issus de coques de noix de coco sont très répandus dans les filtres domestiques. Ils sont généralement durs, résistants et riches en pores fins.

Cela peut les rendre particulièrement adaptés à l’adsorption de certaines petites molécules. Toutefois, il serait incorrect d’affirmer qu’ils sont systématiquement supérieurs à tous les charbons issus du bois ou du charbon minéral.

Le meilleur média dépend :

• des substances que l’on souhaite traiter ;
• de la taille des molécules ciblées ;
• de la qualité de l’activation ;
• de la quantité de charbon utilisée ;
• du temps de contact ;
• de la composition de l’eau.

Le charbon actif retire-t-il le chlore ?

La réduction du chlore libre est l’une des utilisations les plus courantes du charbon actif. Le chlore réagit au contact de la surface carbonée et peut être transformé en formes moins perceptibles.

Cette action contribue à améliorer :

• le goût de l’eau ;
• son odeur ;
• le confort de consommation ;
• l’utilisation de l’eau pour certaines boissons et préparations.

L’efficacité dépend toutefois de la quantité de charbon, du débit, de la température, du niveau initial de chlore et de l’état du filtre.

Un petit volume de charbon traversé très rapidement ne présente pas nécessairement la même performance qu’une cartouche contenant davantage de média et offrant un temps de contact plus long.

Le charbon actif retire-t-il les chloramines ?

Les chloramines sont généralement plus difficiles à réduire que le chlore libre. Leur traitement peut nécessiter :

• un temps de contact plus important ;
• une quantité supérieure de média ;
• un charbon spécifiquement adapté ;
• un charbon catalytique ;
• un débit plus faible.

Un filtre efficace contre le goût du chlore ne doit donc pas être considéré automatiquement comme performant contre les chloramines.

Qu’est-ce que le charbon catalytique ?

Le charbon catalytique est un charbon actif dont la surface a été modifiée ou sélectionnée afin d’améliorer certaines réactions chimiques.

Il est notamment employé dans certains systèmes pour traiter plus efficacement les chloramines, le sulfure d’hydrogène ou d’autres substances difficiles à réduire avec un charbon standard.

Son efficacité dépend, là encore, du type précis de média, du volume utilisé, du temps de contact et des caractéristiques de l’eau.

Pourquoi le charbon améliore-t-il le goût et l’odeur ?

De nombreux goûts et odeurs sont provoqués par des molécules organiques ou par des produits de désinfection. Lorsque ces substances possèdent une affinité suffisante avec le charbon, elles peuvent se fixer dans ses pores.

Le charbon actif peut ainsi contribuer à réduire :

• le goût et l’odeur du chlore ;
• certaines odeurs de terre ou de moisi ;
• certaines molécules produites par des algues ;
• certaines odeurs liées aux composés organiques ;
• certains goûts issus de la stagnation ou du réseau.

Cependant, un meilleur goût ne permet pas de conclure que l’eau a été débarrassée de tous ses contaminants potentiels.

Le charbon actif peut-il réduire les pesticides ?

Le terme « pesticide » regroupe un très grand nombre de substances possédant des propriétés chimiques différentes. Certaines sont bien adsorbées par le charbon actif, tandis que d’autres le sont plus difficilement.

La réduction dépend notamment :

• de la molécule concernée ;
• de sa concentration ;
• de sa solubilité ;
• de la taille des pores du charbon ;
• du temps de contact ;
• du pH et de la température de l’eau ;
• de la présence de matière organique concurrente ;
• de l’état de saturation du filtre.

Il est donc plus rigoureux de parler d’une réduction de pesticides précisément testés plutôt que d’affirmer qu’un filtre supprime tous les pesticides.

Le charbon actif peut-il réduire les PFAS ?

Le charbon actif en grains fait partie des technologies les plus étudiées pour réduire certains PFAS présents dans l’eau.

Toutefois, les milliers de substances regroupées sous le terme PFAS ne se comportent pas toutes de la même manière. Les composés à chaîne longue sont généralement plus faciles à adsorber que différents PFAS à chaîne courte.

La performance dépend également :

• du type de PFAS ;
• de sa concentration ;
• de la qualité et de la quantité du charbon ;
• du temps de contact ;
• de la présence d’autres matières organiques ;
• de la durée d’utilisation du filtre ;
• du seuil auquel la cartouche est remplacée.

Un filtre peut ainsi présenter de bonnes performances au début de son utilisation, puis voir sa capacité diminuer progressivement à mesure que les sites d’adsorption se remplissent.

Le charbon actif peut-il réduire les sous-produits de désinfection ?

Certains sous-produits formés lors de la désinfection de l’eau peuvent être adsorbés par le charbon actif.

Cela peut concerner notamment certains trihalométhanes et différents composés organiques. Les performances dépendent toutefois de la nature précise de la molécule et des conditions de filtration.

Les molécules très volatiles peuvent également nécessiter une conception adaptée afin d’éviter qu’elles ne soient simplement transférées dans l’air pendant l’utilisation.

Le charbon actif peut-il réduire les résidus médicamenteux ?

Certains principes actifs pharmaceutiques présentent une affinité avec le charbon actif et peuvent être partiellement adsorbés.

Il n’existe toutefois pas une seule catégorie homogène appelée « médicaments ». Une molécule peut être bien retenue tandis qu’une autre traverse davantage le média.

Une affirmation générale concernant tous les résidus médicamenteux doit donc être considérée avec prudence en l’absence d’essais portant sur les molécules concernées.

Le charbon actif retire-t-il le calcaire ?

Un charbon actif standard ne constitue pas un procédé d’adoucissement. Les ions calcium et magnésium responsables de la dureté de l’eau sont dissous et traversent généralement le média.

Un appareil contenant du charbon peut réduire le calcaire uniquement s’il associe une autre technologie, par exemple :

• une résine échangeuse d’ions ;
• un média spécifique de réduction de la dureté ;
• une membrane de nanofiltration ;
• une membrane d’osmose inverse.

Le charbon peut éventuellement retenir des fragments de tartre déjà formés si la cartouche possède également une structure mécanique suffisamment fine, mais cela ne réduit pas la dureté dissoute.

Le charbon actif retire-t-il les nitrates ?

Le charbon actif standard n’est généralement pas considéré comme un procédé efficace pour réduire les nitrates dissous.

Leur traitement fait plutôt appel à :

• des résines échangeuses d’anions ;
• l’osmose inverse ;
• des procédés biologiques spécialisés ;
• certaines installations industrielles dédiées.

Le charbon actif retire-t-il le fluorure ?

Le fluorure est présent sous forme ionique dissoute. Un charbon actif standard ne le retient généralement pas de manière significative.

Des médias spécifiques, tels que certaines alumines activées, des résines adaptées ou l’osmose inverse, peuvent être employés lorsque la réduction du fluorure est recherchée.

Le charbon actif retire-t-il les minéraux ?

Le charbon actif laisse généralement passer une grande partie des minéraux dissous naturellement présents dans l’eau, notamment le calcium et le magnésium.

Cette caractéristique le distingue de technologies comme l’osmose inverse ou la distillation, qui modifient beaucoup plus fortement la teneur en sels dissous.

Le charbon actif peut-il réduire les métaux lourds ?

Un charbon actif standard n’est pas automatiquement efficace contre tous les métaux dissous. Les performances varient selon :

• le métal concerné ;
• sa forme chimique ;
• le pH de l’eau ;
• les propriétés de surface du charbon ;
• la présence d’un traitement complémentaire.

Certains filtres associent le charbon à des médias spécifiques capables de fixer davantage certains métaux, par exemple des résines échangeuses d’ions ou des matériaux adsorbants dédiés.

Une certification ou un essai portant spécifiquement sur le plomb, le mercure ou un autre métal est donc plus pertinent que la seule présence de charbon actif dans la cartouche.

Le charbon actif retient-il les microplastiques ?

L’adsorption par le charbon actif n’est pas, à elle seule, une garantie de filtration de tous les microplastiques.

Une cartouche en bloc peut toutefois présenter une finesse mécanique complémentaire permettant de retenir certaines particules plastiques plus grandes que ses passages.

Dans un système combiné, la rétention des microplastiques peut également être assurée par :

• un préfiltre ;
• une membrane de microfiltration ;
• une membrane d’ultrafiltration ;
• une membrane de nanofiltration ;
• une membrane d’osmose inverse.

La performance doit être reliée à la taille des particules testées et au protocole utilisé.

Le charbon actif élimine-t-il les bactéries et les virus ?

Le charbon actif standard ne doit pas être considéré comme une technologie de désinfection microbiologique.

Il peut capturer certaines particules ou certains organismes dans sa structure, mais il ne les détruit pas nécessairement et ne constitue pas une barrière garantie contre les bactéries ou les virus.

Un milieu carboné humide peut même devenir un support de développement microbien lorsque :

• le filtre reste longtemps inutilisé ;
• l’eau stagne à température ambiante ;
• le chlore résiduel a été retiré ;
• le filtre est utilisé au-delà de sa durée prévue ;
• les consignes d’entretien ne sont pas respectées.

Pourquoi certains filtres associent-ils charbon actif et argent ?

Certains médias carbonés contiennent de l’argent ou un composé à base d’argent afin de limiter la prolifération bactérienne à l’intérieur de la cartouche.

Cette fonction vise principalement à protéger le média filtrant. Elle ne signifie pas nécessairement que le dispositif rend potable une eau microbiologiquement contaminée.

La présence d’argent ne remplace donc pas :

• une membrane microbiologique ;
• un traitement ultraviolet ;
• une désinfection chimique adaptée ;
• des essais sur le dispositif complet.

Qu’est-ce que le temps de contact ?

Pour qu’une substance soit adsorbée, elle doit avoir le temps d’entrer en contact avec la surface du charbon et de se diffuser dans ses pores.

Le temps de contact dépend notamment :

• du volume de charbon présent ;
• de la taille de la cartouche ;
• du débit de l’eau ;
• de la structure du média ;
• de la longueur du chemin parcouru ;
• de la présence de chemins préférentiels.

Lorsque le débit augmente fortement, l’eau passe plus rapidement dans le filtre. Le temps disponible pour l’adsorption diminue, ce qui peut réduire la performance pour certaines substances.

La quantité de charbon est-elle importante ?

Oui. À qualité de charbon comparable, une quantité plus importante offre généralement davantage de surface et de sites d’adsorption disponibles.

La quantité de média peut influencer :

• la capacité totale du filtre ;
• sa durée d’utilisation ;
• le temps de contact ;
• le nombre de substances pouvant être retenues ;
• la stabilité de la performance dans le temps.

Cela ne signifie pas qu’un filtre plus lourd sera systématiquement meilleur. La conception de la cartouche, la qualité du charbon et la circulation de l’eau restent déterminantes.

Qu’est-ce que la saturation du charbon actif ?

Le charbon actif possède une quantité limitée de sites disponibles pour fixer les molécules. Au fur et à mesure de l’utilisation, ces sites se remplissent.

Lorsque le média approche de sa capacité maximale, sa performance diminue. Les substances présentes dans l’eau peuvent alors traverser plus facilement la cartouche.

La saturation dépend :

• du volume total d’eau filtré ;
• de la concentration des substances ;
• du nombre de contaminants concurrents ;
• de la quantité et de la qualité du charbon ;
• du débit et du temps de contact ;
• de la matière organique naturellement présente ;
• des conditions de stockage et d’utilisation.

Peut-on voir qu’un charbon actif est saturé ?

Pas toujours. Un filtre peut paraître propre extérieurement alors que ses sites d’adsorption sont déjà occupés.

Certains signes peuvent néanmoins alerter :

• le retour du goût ou de l’odeur du chlore ;
• une modification inhabituelle du goût de l’eau ;
• l’atteinte du volume maximal annoncé ;
• l’atteinte de la durée maximale d’utilisation ;
• une réduction du débit si la cartouche est également colmatée.

L’absence de goût ou d’odeur ne garantit cependant pas que le filtre conserve toute son efficacité contre une substance invisible.

Un filtre saturé peut-il relâcher les substances retenues ?

Lorsqu’un filtre est saturé, sa capacité à adsorber de nouvelles molécules diminue fortement. Des phénomènes de désorption ou de déplacement peuvent également se produire dans certaines conditions.

Une molécule possédant une forte affinité avec le charbon peut prendre la place d’une substance plus faiblement retenue. Une modification du pH, de la température ou de la composition de l’eau peut également affecter les équilibres d’adsorption.

C’est pourquoi il est déconseillé de prolonger arbitrairement l’utilisation d’une cartouche au-delà de la capacité prévue.

Pourquoi faut-il amorcer ou rincer un filtre neuf ?

Un filtre neuf peut contenir de fines poussières de charbon produites pendant sa fabrication, son transport ou son installation.

Le rinçage initial permet notamment :

• d’évacuer les particules de charbon libres ;
• de remplir progressivement les pores avec de l’eau ;
• de chasser une partie de l’air présent dans la cartouche ;
• de stabiliser le débit ;
• d’améliorer le goût des premiers volumes filtrés.

Une eau légèrement grise ou contenant de petits points noirs lors du premier rinçage peut provenir de poussières de charbon. Il convient de suivre les instructions du fabricant avant de consommer l’eau.

Pourquoi des bulles d’air peuvent-elles apparaître ?

Les nombreux pores du charbon contiennent de l’air avant leur mise en eau. Lorsque le filtre est immergé ou amorcé, cet air est progressivement remplacé par l’eau.

Cela peut provoquer temporairement :

• des petites bulles dans l’eau ;
• un débit irrégulier ;
• une légère résistance au passage de l’eau ;
• un bruit d’air dans la cartouche.

Un amorçage correct permet généralement de réduire ce phénomène.

Peut-on laisser un filtre à charbon inutilisé ?

Un filtre humide laissé longtemps sans circulation peut présenter un risque de développement microbiologique ou d’altération du goût.

Après une longue période d’inutilisation, il peut être nécessaire de :

• rincer abondamment le filtre ;
• nettoyer les parties démontables du dispositif ;
• remplacer la cartouche selon la durée d’arrêt ;
• respecter les recommandations de stockage du fabricant.

Les règles peuvent différer selon qu’il s’agit d’une carafe, d’une gourde, d’un filtre fixé au robinet ou d’une installation sous évier.

Peut-on faire passer de l’eau chaude dans du charbon actif ?

La majorité des petits filtres domestiques sont conçus pour de l’eau froide ou tempérée. Une eau trop chaude peut :

• endommager la cartouche ou ses joints ;
• modifier le comportement du média ;
• favoriser la libération de substances adsorbées ;
• réduire la durée de vie du filtre ;
• augmenter le développement microbien pendant le refroidissement.

Sauf indication contraire, il est préférable de filtrer l’eau froide puis de la chauffer après filtration.

Le charbon actif modifie-t-il le pH de l’eau ?

Un charbon neuf peut modifier temporairement le pH de l’eau en fonction de sa matière première, de son procédé d’activation, de son rinçage et des minéraux présents à sa surface.

Cette variation est généralement limitée, mais elle peut être plus visible pendant les premiers usages. Un rinçage conforme aux instructions permet souvent de stabiliser le comportement du filtre.

Pourquoi un filtre à charbon peut-il réduire son débit ?

Le charbon actif peut accumuler des particules en plus des substances adsorbées. Lorsque les passages se bouchent progressivement, la résistance au passage de l’eau augmente.

Une baisse de débit peut être liée :

• à une eau très chargée en sédiments ;
• à l’absence de préfiltre ;
• à un bloc de charbon très dense ;
• à des poussières compactées ;
• à une pression insuffisante ;
• à une bulle d’air ;
• à une cartouche arrivée en fin de vie.

Charbon actif seul ou système combiné ?

Le charbon actif est souvent plus pertinent lorsqu’il est associé à d’autres technologies complémentaires.

Comment évaluer un filtre à charbon actif ?

La simple mention « contient du charbon actif » ne suffit pas à connaître les performances d’un filtre.

Pour comparer deux systèmes, il est utile d’examiner :

1. Les substances précisément annoncées : chlore, plomb, pesticides, PFAS, composés organiques ou autres contaminants.
2. Les essais réalisés : laboratoire interne, laboratoire indépendant ou certification reconnue.
3. La capacité : volume d’eau pour lequel les performances restent documentées.
4. Le débit : un débit supérieur peut diminuer le temps de contact.
5. La quantité de média : quelques grammes et plusieurs centaines de grammes n’offrent pas la même capacité potentielle.
6. Le format : grains libres, bloc compact ou système combiné.
7. Les conditions d’entretien : remplacement, rinçage, température et durée d’utilisation.
8. Les technologies complémentaires : membrane, résine, préfiltre ou désinfection.

Que signifient les normes NSF/ANSI 42 et 53 ?

Les références à des normes reconnues peuvent aider à vérifier les performances d’un dispositif, mais il faut lire précisément ce qui est certifié.

NSF/ANSI 42

Cette norme concerne principalement des effets esthétiques ou organoleptiques, par exemple :

• la réduction du goût et de l’odeur du chlore ;
• certaines particules ;
• certains paramètres influençant l’apparence ou le confort.

NSF/ANSI 53

Cette norme concerne des allégations de réduction de contaminants présentant un effet sanitaire, par exemple certains métaux ou composés chimiques.

Un filtre certifié selon une norme ne réduit pas automatiquement tous les contaminants couverts par cette norme. La certification porte sur les performances précisément inscrites dans la fiche du produit.

Les principales limites du charbon actif

Le charbon actif est polyvalent, mais il ne constitue pas une technologie universelle.

Utilisé seul, un charbon standard ne traite généralement pas de manière fiable :

• le calcium et le magnésium responsables de la dureté ;
• les nitrates ;
• le sodium et la majorité des sels dissous ;
• le fluorure ;
• tous les métaux dissous ;
• tous les pesticides ;
• tous les PFAS ;
• les bactéries et les virus ;
• les radionucléides sans média adapté ;
• les particules très fines si aucune barrière mécanique n’est associée.

Les avantages et limites du charbon actif en un coup d’œil

Dans quelles situations le charbon actif est-il pertinent ?

Le charbon actif est particulièrement intéressant lorsque l’objectif principal consiste à :

• améliorer le goût de l’eau du robinet ;
• réduire son odeur de chlore ;
• réduire certains composés organiques documentés ;
• compléter une membrane qui agit principalement par séparation physique ;
• protéger une membrane d’osmose inverse contre le chlore ;
• traiter certains goûts ou odeurs ponctuels ;
• limiter l’utilisation de bouteilles lorsque l’eau est déjà potable.

En revanche, il ne doit pas être choisi seul lorsque le principal problème concerne une contamination microbiologique, les nitrates, le sel, le fluorure ou la dureté de l’eau.

Ce qu’il faut retenir sur le charbon actif

5. La microfiltration : une véritable barrière physique contre les particules et les micro- organismes

La microfiltration constitue aujourd'hui l'une des technologies les plus utilisées dans les systèmes modernes de traitement de l'eau. On la retrouve aussi bien dans certaines installations industrielles que dans des filtres domestiques, des équipements médicaux, des laboratoires, des systèmes de filtration portables ou encore des gourdes filtrantes destinées aux activités de plein air.

Contrairement au charbon actif, qui agit principalement grâce à des phénomènes d'adsorption chimique, la microfiltration repose sur un principe beaucoup plus simple à comprendre : elle crée une barrière physique. Les éléments plus gros que les pores de la membrane restent bloqués, tandis que l'eau traverse le filtre.

Pourquoi parle-t-on de membrane ?

Une membrane est un matériau spécialement conçu pour laisser passer certaines substances tout en retenant d'autres.

Dans le domaine du traitement de l'eau, une membrane comporte des millions, voire des milliards de pores microscopiques répartis sur toute sa surface. Ces pores sont suffisamment petits pour bloquer différentes particules, certains micro-organismes et d'autres contaminants selon leur taille.

Contrairement à une simple grille métallique, les membranes modernes sont fabriquées avec des matériaux polymères très précis capables d'obtenir une taille de pores relativement uniforme.

Comment fonctionne exactement une membrane ?

Lorsque l'eau arrive contre la membrane, elle est poussée à travers les pores par la pression du réseau, par une pompe ou, dans certains dispositifs portables, simplement par l'aspiration de l'utilisateur.

Les molécules d'eau étant extrêmement petites, elles traversent facilement la membrane. Les particules plus volumineuses restent quant à elles bloquées à la surface ou dans les premiers micromètres de la structure filtrante.

Quelle est la taille des pores d'une membrane de microfiltration ?

Les membranes de microfiltration présentent généralement une taille de pores comprise entre 0,1 et 1 micromètre (µm).

Cette plage peut varier selon le fabricant, les matériaux employés, le domaine d'utilisation et les performances recherchées.

Pourquoi une différence de seulement quelques dixièmes de micron change-t-elle tout ?

À l'échelle microscopique, quelques dixièmes de micron représentent une différence considérable.

Une bactérie mesure généralement entre 0,5 et plusieurs microns. Un virus, lui, est souvent dix à cent fois plus petit.

Ainsi, une membrane capable d'arrêter des bactéries ne sera pas forcément capable de retenir des virus. C'est précisément ce qui distingue la microfiltration de l'ultrafiltration.

Comment fabrique-t-on une membrane de microfiltration ?

Les membranes modernes sont fabriquées à partir de polymères techniques sélectionnés pour leur résistance mécanique, leur stabilité chimique et leur capacité à former une structure poreuse très régulière.

Parmi les matériaux les plus courants figurent notamment :

• le polyéthersulfone (PES) ;
• le polysulfone (PS) ;
• le PVDF (polyfluorure de vinylidène) ;
• le polypropylène (PP) ;
• certaines céramiques pour les applications industrielles.

Chaque matériau possède ses propres caractéristiques : résistance au colmatage, compatibilité chimique, facilité de nettoyage ou encore durée de vie.

Les fibres creuses : la technologie la plus répandue

La majorité des systèmes portables utilisent aujourd'hui des membranes à fibres creuses (hollow fiber).

Ces fibres ressemblent à de minuscules pailles dont les parois sont entièrement constituées de membranes microporeuses.

L'eau traverse la paroi de chaque fibre tandis que les contaminants restent bloqués à l'extérieur ou à l'intérieur selon la conception retenue.

Pourquoi utiliser des milliers de fibres plutôt qu'une seule membrane ?

Une seule membrane plate offrirait une surface relativement limitée. En regroupant des centaines ou des milliers de fibres creuses dans une même cartouche, il est possible de multiplier considérablement la surface disponible sans augmenter fortement l'encombrement du filtre.

Cette architecture permet notamment :

• d'améliorer le débit ;
• de réduire la vitesse de passage de l'eau dans chaque fibre ;
• de limiter localement le colmatage ;
• d'augmenter la capacité de filtration.

5.2 Que retient réellement une membrane de microfiltration ?

Lorsque l'on découvre la microfiltration, une question revient presque systématiquement :

« Que peut réellement arrêter une membrane de microfiltration ? »

La réponse dépend principalement de deux paramètres :

• la taille réelle des pores de la membrane ;
• la taille, la forme et parfois la souplesse des contaminants.

Dans la majorité des cas, une membrane de microfiltration constitue une excellente barrière contre les particules solides et contre de nombreux micro-organismes relativement volumineux.

En revanche, elle ne doit pas être considérée comme une technologie universelle. Certaines substances sont beaucoup trop petites pour être retenues uniquement par ce procédé.

Les particules en suspension

Les particules en suspension représentent l'application historique de la microfiltration.

Elles regroupent notamment :

• les grains de sable ;
• les particules de terre ;
• l'argile ;
• les fragments de rouille ;
• les débris végétaux ;
• les matières organiques en suspension ;
• certaines particules issues des canalisations.

Ces éléments sont généralement beaucoup plus grands que les pores d'une membrane de microfiltration et sont donc retenus très efficacement.

Cette rétention améliore non seulement l'aspect visuel de l'eau mais protège également les traitements situés en aval, comme le charbon actif ou une membrane plus fine.

Le cas particulier des matières colloïdales

Certaines particules sont si petites qu'elles restent durablement en suspension sans se déposer naturellement. On parle alors de colloïdes.

Ces particules peuvent provenir :

• d'argiles très fines ;
• de matières organiques naturelles ;
• d'oxydes métalliques ;
• de certaines protéines ;
• de micro-organismes fragmentés.

Selon leur taille exacte et selon la membrane utilisée, une partie de ces colloïdes peut être retenue tandis que les plus petits traverseront encore le filtre.

Les algues

Les algues sont des organismes photosynthétiques dont les dimensions sont généralement largement supérieures aux pores d'une membrane de microfiltration.

Elles sont donc, dans la plupart des cas, retenues efficacement.

Cette propriété explique pourquoi les membranes sont largement utilisées dans différentes installations destinées au traitement des eaux de surface, particulièrement lorsque des proliférations algales apparaissent.

Les levures

Les levures sont des champignons microscopiques unicellulaires.

Leur taille est généralement comprise entre trois et quinze microns, ce qui les rend largement plus grandes que les pores d'une membrane de microfiltration classique.

Elles sont donc normalement retenues.

Les moisissures

Les spores de certaines moisissures peuvent présenter des dimensions variables.

Beaucoup d'entre elles sont suffisamment grandes pour être arrêtées par une membrane de microfiltration correctement fabriquée.

En revanche, toutes les spores ne possèdent pas exactement la même taille, d'où l'importance de considérer les performances documentées du système complet plutôt que de se limiter à une valeur en microns.

Les protozoaires

Les protozoaires constituent l'une des familles de micro-organismes contre lesquelles la microfiltration est particulièrement efficace.

Ils regroupent notamment plusieurs parasites responsables de maladies d'origine hydrique.

Leur taille est généralement largement supérieure à celle des pores des membranes de microfiltration.

Giardia

Giardia est un parasite intestinal présent dans certaines eaux contaminées par des matières fécales humaines ou animales.

Ses kystes présentent des dimensions de plusieurs microns.

Une membrane de microfiltration suffisamment fine constitue donc une barrière physique très efficace contre ces kystes lorsqu'elle est intacte et correctement utilisée.

Cryptosporidium

Cryptosporidium produit des oocystes particulièrement résistants aux traitements chimiques comme le chlore aux concentrations habituellement utilisées dans les réseaux d'eau potable.

En revanche, leur taille est largement supérieure à celle des pores de la plupart des membranes de microfiltration.

Une membrane correctement conçue peut donc constituer une excellente barrière physique contre ces parasites.

Les œufs de parasites

Les œufs de nombreux parasites intestinaux présentent des dimensions encore plus importantes que celles des protozoaires.

Ils sont donc généralement retenus sans difficulté par une membrane de microfiltration.

Les larves microscopiques

Certaines eaux naturelles peuvent contenir de minuscules larves ou organismes aquatiques.

Leurs dimensions dépassent très largement celles des pores de microfiltration, ce qui permet leur rétention.

Pourquoi la taille ne suffit-elle pas toujours ?

On pourrait penser qu'il suffit de comparer la taille d'un contaminant à celle des pores pour connaître le résultat.

En réalité, plusieurs paramètres interviennent simultanément :

• la forme du contaminant ;
• sa capacité éventuelle à se déformer ;
• la pression exercée sur la membrane ;
• l'état d'usure de celle-ci ;
• la régularité des pores ;
• l'intégrité de la cartouche ;
• la qualité du procédé de fabrication.

Résumé des performances observées

5.2B Bactéries, spores, biofilms et microplastiques

Après les particules solides et les protozoaires, les bactéries constituent l'une des principales cibles de la microfiltration.

Contrairement aux protozoaires, qui mesurent généralement plusieurs microns, les bactéries sont beaucoup plus petites. Malgré cela, la majorité d'entre elles restent suffisamment grandes pour être retenues par une membrane de microfiltration correctement conçue.

Quelle est la taille d'une bactérie ?

Les bactéries présentent des dimensions extrêmement variables selon les espèces.

Ces dimensions restent largement supérieures aux pores de nombreuses membranes de microfiltration.

Pourquoi parle-t-on souvent de réduction logarithmique ?

Les performances microbiologiques sont rarement exprimées uniquement en pourcentage.

Les laboratoires utilisent généralement la notion de réduction logarithmique (Log Reduction Value ou LRV).

Une membrane neuve est-elle toujours efficace ?

Oui, à condition qu'elle soit parfaitement intacte.

Une membrane fonctionne uniquement parce que chacun de ses pores respecte une taille maximale très précise.

Une simple fissure, une coupure ou une rupture d'une fibre creuse peut créer un passage beaucoup plus grand que tous les pores réunis.

Les spores bactériennes

Certaines bactéries produisent des spores extrêmement résistantes lorsque leur environnement devient défavorable.

Ces spores sont généralement plus petites que les cellules actives mais restent souvent suffisamment grandes pour être retenues par certaines membranes de microfiltration.

Les performances exactes dépendent toutefois :

• de l'espèce concernée ;
• de la taille réelle des spores ;
• de la membrane utilisée ;
• du protocole d'essai.

Les biofilms

Dans les réseaux d'eau, certaines bactéries vivent regroupées au sein d'une matrice protectrice appelée biofilm.

Ce biofilm peut contenir :

• des bactéries ;
• des levures ;
• des champignons ;
• des protéines ;
• des polysaccharides ;
• des débris cellulaires.

Lorsqu'un fragment de biofilm se détache, sa taille est généralement bien supérieure aux pores d'une membrane de microfiltration, ce qui favorise sa rétention.

Les amibes libres

Certaines amibes présentes dans les eaux naturelles possèdent des dimensions largement supérieures à celles des bactéries.

Elles sont donc généralement retenues par une membrane de microfiltration.

Certaines d'entre elles peuvent héberger des bactéries pathogènes à l'intérieur de leurs cellules, ce qui renforce l'intérêt de leur rétention.

Les microplastiques

Les microplastiques regroupent toutes les particules plastiques de moins de cinq millimètres.

Cette définition couvre en réalité une immense variété de tailles.

Certaines particules sont visibles à l'œil nu tandis que d'autres sont proches du micron.

Quels microplastiques peuvent être retenus ?

Une membrane de microfiltration peut retenir efficacement les particules plastiques plus grandes que ses pores.

En revanche, les particules plus petites traverseront la membrane.

Les fibres textiles

Une grande partie des microplastiques retrouvés dans l'environnement provient des fibres synthétiques libérées lors du lavage des vêtements.

Ces fibres présentent souvent une longueur importante et sont généralement retenues par les membranes de microfiltration lorsqu'elles sont plus larges que les pores.

Les pollens

Les grains de pollen mesurent généralement plusieurs dizaines de microns.

Ils sont donc très facilement arrêtés par une membrane de microfiltration.

Les poussières minérales

Les poussières provenant des sols, des canalisations ou de l'environnement sont elles aussi efficacement retenues lorsqu'elles dépassent la taille des pores.

Les fragments de rouille

Les vieux réseaux de distribution peuvent parfois libérer des particules de corrosion.

Ces fragments solides constituent l'une des applications les plus classiques de la microfiltration.

Les limites de la microfiltration

Malgré son efficacité remarquable contre les contaminants particulaires, cette technologie présente plusieurs limites importantes.

Une membrane de microfiltration ne retire généralement pas :

• les nitrates ;
• les chlorures ;
• le sodium ;
• le calcium dissous ;
• le magnésium dissous ;
• la majorité des métaux sous forme ionique ;
• les PFAS dissous ;
• les pesticides dissous ;
• la majorité des médicaments dissous ;
• la plupart des virus.

5.2C Pourquoi les virus traversent-ils généralement une membrane de microfiltration ?

La microfiltration peut constituer une barrière très efficace contre les particules, les protozoaires et de nombreuses bactéries. En revanche, elle ne permet généralement pas de garantir à elle seule une rétention suffisante des virus.

Cette différence s'explique principalement par leur taille. Les virus sont beaucoup plus petits que les bactéries et peuvent donc traverser les pores d'une membrane de microfiltration classique.

Un virus est-il un micro-organisme comme une bactérie ?

Les bactéries sont des cellules vivantes capables, dans des conditions favorables, de se multiplier de manière autonome.

Les virus sont beaucoup plus simples. Ils sont essentiellement constitués d'un matériel génétique entouré d'une enveloppe protéique, parfois complétée par une enveloppe lipidique.

Pour se multiplier, un virus doit pénétrer dans une cellule hôte et détourner son fonctionnement. Il ne possède pas, à lui seul, l'ensemble des mécanismes nécessaires à sa reproduction.

Cette structure extrêmement compacte explique en partie ses dimensions bien inférieures à celles des bactéries.

Quelle est la taille d'un virus présent dans l'eau ?

De nombreux virus susceptibles d'être transmis par l'eau présentent une taille comprise approximativement entre 0,02 et 0,1 micromètre, soit entre 20 et 100 nanomètres.

Certains peuvent être légèrement plus grands, mais une grande partie reste suffisamment petite pour traverser les pores d'une membrane de microfiltration classique.

Une comparaison simple pour comprendre la différence

Imaginons qu'un pore de membrane soit représenté par une porte.

Un protozoaire serait comparable à un véhicule beaucoup trop large pour franchir cette porte. Une bactérie pourrait être comparée à une personne portant un sac volumineux : selon la largeur de l'ouverture, elle serait également bloquée.

Un virus, en revanche, serait comparable à un petit objet capable de passer sous la porte.

Même si la membrane semble extrêmement fine à l'échelle humaine, ses pores peuvent rester relativement grands lorsqu'ils sont comparés aux dimensions d'un virus.

Quelques exemples de virus pouvant être transmis par l'eau

Une eau contaminée par des matières fécales peut contenir différents virus entériques susceptibles de provoquer des troubles digestifs ou d'autres infections.

Parmi les familles régulièrement étudiées dans le domaine de l'eau figurent notamment :

• les norovirus ;
• les rotavirus ;
• les adénovirus ;
• les entérovirus ;
• les virus des hépatites A et E.

Leur présence éventuelle ne peut généralement pas être détectée à l'œil nu. Une eau claire, sans goût particulier et sans mauvaise odeur peut donc être contaminée.

Une membrane de microfiltration ne retient-elle absolument aucun virus ?

La situation est plus nuancée.

Une membrane de microfiltration peut parfois réduire indirectement une partie des virus présents dans l'eau. Cela peut notamment se produire lorsque les particules virales :

• sont fixées sur des matières en suspension plus volumineuses ;
• sont associées à des débris organiques ;
• forment des agrégats ;
• adhèrent temporairement à la surface de la membrane ;
• sont piégées dans la couche de contaminants accumulée sur le filtre.

Toutefois, ces phénomènes sont variables et ne doivent pas être assimilés à une barrière virale fiable.

Le colmatage peut-il rendre une membrane plus efficace contre les virus ?

Lorsqu'une membrane se charge progressivement en particules, une couche de dépôt peut se former à sa surface. Cette couche est parfois appelée gâteau de filtration.

Elle peut créer une barrière supplémentaire et améliorer temporairement la rétention de certaines particules plus petites que les pores initiaux.

Il ne s'agit toutefois pas d'un mécanisme suffisamment stable pour garantir une protection sanitaire contre les virus.

L'épaisseur, la composition et la répartition de cette couche évoluent constamment. Elle peut aussi se fissurer, se décoller ou provoquer une forte diminution du débit.

La charge électrique des virus peut-elle favoriser leur rétention ?

Les particules virales et les matériaux constituant les membranes peuvent porter des charges électriques. Selon le pH de l'eau, sa composition minérale et les propriétés de la membrane, des interactions électrostatiques peuvent apparaître.

Certains virus peuvent ainsi adhérer temporairement au matériau filtrant, même lorsqu'ils sont théoriquement assez petits pour traverser ses pores.

Cependant, cette adsorption peut être réversible. Une modification du débit, du pH, de la salinité ou de la composition de l'eau peut entraîner le détachement des particules précédemment retenues.

Ce phénomène ne remplace donc pas une séparation fondée sur une taille de pores suffisamment petite.

Pourquoi la valeur en microns doit-elle être interprétée avec prudence ?

Deux filtres affichant la même valeur en microns ne présentent pas nécessairement les mêmes performances.

Il faut notamment distinguer :

• une finesse nominale ;
• une finesse absolue ;
• la taille moyenne des pores ;
• la taille maximale des pores ;
• le seuil de coupure annoncé par le fabricant.

Une membrane annoncée à 0,1 µm peut comporter une distribution de pores autour de cette valeur. Selon la méthode de caractérisation utilisée, certains pores peuvent être légèrement plus grands.

De plus, une valeur exprimée en microns ne renseigne pas à elle seule sur :

• la résistance mécanique de la membrane ;
• son intégrité après utilisation ;
• la qualité de son assemblage ;
• le niveau réel de réduction microbiologique ;
• les conditions dans lesquelles les essais ont été effectués.

Une bactérie très petite peut-elle également traverser la microfiltration ?

Oui, selon la membrane utilisée.

La plupart des bactéries couramment rencontrées sont plus grandes que les pores d'une membrane de microfiltration fine. Il existe toutefois des bactéries particulièrement petites ainsi que des cellules capables de présenter des formes allongées, souples ou déformables.

Une membrane dont les pores se situent vers la partie haute de la plage de microfiltration ne garantit donc pas nécessairement la même rétention qu'une membrane beaucoup plus fine.

La pression exercée sur le filtre et l'état de la membrane peuvent également influencer le passage des micro-organismes.

Pourquoi les performances changent-elles avec la pression ?

Une pression plus élevée augmente généralement le débit d'eau à travers la membrane. Elle peut toutefois aussi :

• déformer certains matériaux ;
• favoriser le passage de particules souples ;
• accentuer une faiblesse déjà présente ;
• endommager une fibre si la pression dépasse les limites prévues.

Un filtre doit donc être utilisé dans les conditions de pression définies pour sa conception.

Une membrane endommagée peut-elle laisser passer des bactéries et des virus ?

Oui. La filtration membranaire repose entièrement sur l'intégrité physique de la barrière.

Si une fibre creuse se rompt, si un joint n'est plus étanche ou si une fissure apparaît, l'eau peut emprunter ce passage sans traverser les pores prévus.

Ce phénomène est parfois qualifié de contournement ou de passage préférentiel.

Le gel peut-il détériorer les fibres creuses ?

Oui. Lorsqu'une membrane humide gèle, l'eau présente à l'intérieur de ses fibres se dilate.

Cette expansion peut provoquer des microfissures invisibles à l'œil nu. Le filtre peut alors sembler fonctionner normalement tout en ayant perdu une partie de son efficacité microbiologique.

C'est pourquoi de nombreux filtres portables à fibres creuses doivent être protégés du gel après leur première utilisation.

La microfiltration désinfecte-t-elle l'eau ?

Au sens strict, la microfiltration ne détruit pas les micro-organismes. Elle cherche à les séparer physiquement de l'eau.

Les bactéries et les protozoaires retenus peuvent rester présents et parfois encore vivants sur la membrane.

Cela distingue la filtration d'un procédé de désinfection tel que :

• l'ébullition ;
• la chloration ;
• certains traitements aux ultraviolets ;
• l'ozonation ;
• certains désinfectants chimiques.

Une membrane agit comme une barrière. Un désinfectant vise plutôt à inactiver les micro-organismes.

Peut-on associer microfiltration et désinfection ?

Oui. L'association de plusieurs traitements est souvent plus pertinente qu'une technologie utilisée seule.

Une microfiltration peut d'abord réduire :

• la turbidité ;
• les particules ;
• les protozoaires ;
• une grande partie des bactéries selon la membrane.

Un traitement complémentaire peut ensuite cibler les micro-organismes plus petits, notamment les virus.

Cette combinaison peut également améliorer l'efficacité de certains procédés de désinfection, car les particules en suspension peuvent protéger les micro-organismes de la lumière ultraviolette ou de certains produits chimiques.

La microfiltration suffit-elle pour une eau du robinet ?

Dans un réseau public correctement traité, l'objectif d'un filtre domestique n'est pas nécessairement le même que pour une eau de rivière, de lac ou de puits.

Une microfiltration peut être utile pour retenir :

• certaines particules provenant des canalisations ;
• des fragments de rouille ;
• des matières en suspension ;
• certains microplastiques suffisamment grands ;
• des contaminants microbiologiques selon la finesse et les performances du filtre.

Elle ne retire toutefois pas automatiquement les substances dissoutes comme les nitrates, les sels minéraux, certains métaux dissous, les pesticides ou les PFAS.

Pour améliorer le goût et réduire certains composés organiques, elle est souvent associée à du charbon actif.

La microfiltration suffit-elle pour une eau de rivière ou de lac ?

Cela dépend du contexte et du niveau de risque.

Une microfiltration fine peut apporter une protection importante contre les protozoaires et de nombreuses bactéries. Elle ne doit cependant pas être considérée comme une garantie universelle contre les virus.

Le risque viral peut être plus important lorsque l'eau est susceptible d'avoir été contaminée par :

• des eaux usées ;
• des rejets humains ;
• une forte concentration de personnes en amont ;
• un système d'assainissement défaillant ;
• des inondations ;
• des installations sanitaires proches du point d'eau.

Tableau récapitulatif : que retient la microfiltration ?

Microfiltration et ultrafiltration : où se situe la frontière ?

La frontière entre microfiltration et ultrafiltration n'est pas toujours présentée exactement de la même manière selon les secteurs industriels et les méthodes de classification.

De façon simplifiée :

• la microfiltration utilise généralement des pores de l'ordre de 0,1 à 1 µm ;
• l'ultrafiltration descend généralement vers des tailles de pores ou des seuils de coupure de l'ordre de 0,01 µm.

Cette réduction d'un facteur dix peut sembler modeste. À l'échelle des micro-organismes, elle représente pourtant une différence considérable.

Une membrane annoncée à 0,01 µm peut constituer une barrière bien plus fine contre les bactéries et certains virus qu'une membrane de microfiltration à 0,1 ou 0,2 µm.

La mention « 0,01 µm » garantit-elle la rétention de tous les virus ?

Non. Une taille de pores annoncée ne suffit pas, à elle seule, pour conclure qu'un dispositif élimine tous les virus.

Certains virus présentent des dimensions proches ou inférieures à 0,01 µm selon leur structure et la méthode de mesure utilisée. Les performances dépendent également :

• de la distribution réelle des pores ;
• du caractère nominal ou absolu du seuil annoncé ;
• de l'intégrité de toutes les fibres ;
• de l'étanchéité des joints ;
• de la pression de fonctionnement ;
• du protocole de test ;
• du virus utilisé pendant les essais.

Il est donc plus rigoureux de parler de la réduction obtenue lors d'essais documentés que d'affirmer qu'une taille de pores donnée bloque automatiquement tous les virus.

Questions fréquentes sur les virus et la microfiltration

Ce qu'il faut retenir sur la microfiltration et les virus

La microfiltration reste donc une technologie particulièrement utile pour clarifier l'eau et réduire de nombreux contaminants particulaires, protozoaires et bactériens.

Ses limites face aux virus et aux substances dissoutes rappellent toutefois un principe fondamental du traitement de l'eau : aucune technologie ne cible à elle seule toutes les familles de contaminants.

Pour comprendre comment utiliser correctement cette technologie, il faut maintenant examiner ce qu'elle ne peut pas retirer, les erreurs d'interprétation les plus courantes et les situations dans lesquelles un traitement complémentaire devient nécessaire.

5.3 Ce que la microfiltration ne retire pas

Après avoir découvert les nombreux contaminants que la microfiltration est capable de retenir, il est tout aussi important de comprendre ses limites.

C'est une erreur fréquente de penser qu'un filtre capable d'éliminer des bactéries ou des particules microscopiques est automatiquement capable de purifier complètement une eau.

En réalité, chaque technologie possède son domaine d'efficacité.

Pourquoi certaines substances traversent-elles la membrane ?

Une membrane fonctionne uniquement grâce à la taille de ses pores.

Les molécules d'eau sont extrêmement petites. Les substances dissoutes (sels minéraux, nitrates, métaux sous forme ionique, etc.) possèdent des dimensions comparables ou encore plus faibles.

Elles circulent donc naturellement avec l'eau au travers de la membrane.

Les nitrates

Les nitrates sont parmi les contaminants les plus connus dans certaines nappes phréatiques, notamment dans les zones agricoles.

Ils sont totalement dissous dans l'eau sous forme d'ions.

Leur taille est très largement inférieure aux pores d'une membrane de microfiltration.

Une microfiltration seule ne permet donc pas de réduire leur concentration.

Les nitrites

Les nitrites présentent les mêmes caractéristiques que les nitrates : ils sont dissous dans l'eau et traversent la membrane.

Les sels minéraux

Les minéraux naturellement présents dans l'eau sont également dissous.

Parmi eux figurent notamment :

• le calcium ;
• le magnésium ;
• le sodium ;
• le potassium ;
• les bicarbonates ;
• les chlorures.

Tous ces éléments traversent normalement une membrane de microfiltration.

Le calcaire

Beaucoup de consommateurs pensent qu'un filtre élimine forcément le calcaire.

En réalité, cela dépend entièrement de la technologie utilisée.

Le calcaire responsable de la dureté de l'eau est constitué principalement d'ions calcium et magnésium dissous.

Une membrane de microfiltration ne retire donc pas le calcaire dissous.

Les métaux lourds dissous

Le plomb, le cuivre, le cadmium, le nickel ou encore l'arsenic peuvent être présents sous différentes formes.

Lorsqu'ils sont présents sous forme de particules solides, certaines peuvent être retenues.

En revanche, lorsqu'ils sont dissous sous forme ionique, ils traversent généralement la membrane.

Les pesticides dissous

Les molécules de pesticides sont très petites.

Elles ne sont généralement pas arrêtées par une membrane de microfiltration.

Leur réduction repose davantage sur des technologies comme le charbon actif ou, selon les molécules concernées, des procédés membranaires beaucoup plus fins.

Les PFAS

Les PFAS (substances per- et polyfluoroalkylées) sont aujourd'hui au cœur de nombreuses préoccupations sanitaires.

Ces molécules sont dissoutes dans l'eau.

Une membrane de microfiltration classique ne constitue donc pas une solution adaptée pour les éliminer.

Les médicaments

Les résidus médicamenteux sont présents sous forme de molécules dissoutes.

Ils traversent généralement les membranes de microfiltration.

Certaines molécules peuvent en revanche être partiellement adsorbées par du charbon actif.

Les hormones

Les hormones naturelles ou de synthèse présentes à l'état de traces dans certaines eaux possèdent elles aussi des dimensions moléculaires.

Elles ne sont donc généralement pas retenues par la microfiltration.

Le chlore

Le chlore est entièrement dissous dans l'eau.

Une membrane seule ne le retire pratiquement pas.

C'est précisément le rôle du charbon actif qui est souvent associé à une membrane dans les systèmes de filtration domestiques.

Les goûts et les odeurs

Les goûts désagréables ne proviennent pas toujours de particules.

Ils sont souvent liés à des molécules dissoutes :

• chlore ;
• géosmine ;
• MIB ;
• composés organiques volatils ;
• certains sous-produits naturels.

Une membrane de microfiltration n'est généralement pas conçue pour agir sur ces composés.

Les virus libres

Comme expliqué dans la partie précédente, de nombreux virus restent suffisamment petits pour traverser les pores d'une membrane de microfiltration.

C'est l'une des principales limites de cette technologie.

Résumé des principales limites

Cette complémentarité entre plusieurs technologies explique pourquoi les systèmes de filtration les plus performants associent souvent plusieurs médias filtrants dans une même cartouche. Chaque étape cible une famille de contaminants différente afin d'obtenir un traitement plus complet de l'eau.

5.4 Les différents types de membranes de microfiltration

Toutes les membranes de microfiltration ne se ressemblent pas. Derrière un même principe de séparation physique peuvent se cacher des architectures, des matériaux et des modes de fonctionnement très différents.

Ces différences influencent directement :

• la finesse réelle de filtration ;
• le débit disponible ;
• la résistance au colmatage ;
• la facilité de nettoyage ;
• la durée de vie ;
• la résistance à la pression ;
• le coût du système ;
• les usages auxquels le filtre est adapté.

Les grandes familles de membranes

Les membranes de microfiltration peuvent être classées selon plusieurs critères :

• leur forme ;
• leur matériau ;
• leur structure interne ;
• le sens de circulation de l'eau ;
• leur mode d'utilisation ;
• leur capacité à être nettoyées ou remplacées.

Les principales architectures rencontrées sont :

• les membranes à fibres creuses ;
• les membranes plissées ;
• les membranes tubulaires ;
• les membranes planes ;
• les membranes céramiques ;
• les membranes polymères.

Les membranes à fibres creuses

Les fibres creuses représentent l'une des architectures les plus répandues dans les systèmes compacts et portables.

Chaque fibre ressemble à un tube extrêmement fin dont la paroi est poreuse. L'eau traverse cette paroi tandis que les contaminants trop volumineux restent bloqués.

Des centaines ou des milliers de fibres peuvent être regroupées dans une seule cartouche.

Pourquoi les fibres creuses sont-elles si efficaces dans un petit volume ?

Une fibre creuse offre une surface de filtration sur toute sa longueur. Lorsqu'un grand nombre de fibres sont assemblées, la surface disponible devient considérable.

À volume équivalent, cette configuration peut offrir davantage de surface qu'une membrane plate.

Une surface plus importante permet généralement :

• de répartir le passage de l'eau ;
• de maintenir un meilleur débit ;
• de réduire la charge appliquée localement à chaque pore ;
• de retarder certains phénomènes de colmatage ;
• d'augmenter la capacité totale du filtre.

Les avantages des fibres creuses

• grande surface membranaire dans un format compact ;
• bonne efficacité contre les contaminants particulaires ;
• adaptation aux systèmes portables ;
• faible consommation d'énergie dans certains dispositifs ;
• possibilité de fonctionnement par aspiration ou faible pression ;
• fabrication en différentes tailles de pores.

Les limites des fibres creuses

• sensibilité possible au gel lorsqu'elles sont humides ;
• risque de rupture d'une fibre en cas de choc ou de surpression ;
• colmatage progressif avec les eaux très turbides ;
• nettoyage parfois délicat selon la conception ;
• impossibilité pour l'utilisateur de détecter visuellement une microfissure.

Flux externe vers interne

Dans une configuration dite outside-in, l'eau arrive autour des fibres puis traverse leur paroi pour rejoindre leur canal intérieur.

Les contaminants sont donc retenus sur la surface externe des fibres.

Cette configuration est courante dans de nombreux systèmes, car l'extérieur des fibres offre une surface de filtration importante.

Avantages du flux externe vers interne

• grande surface directement exposée à l'eau brute ;
• bonne capacité de rétention des particules ;
• possibilité de rinçage externe selon le système ;
• assemblage compact.

Limites du flux externe vers interne

• accumulation des dépôts autour des fibres ;
• agglomération possible des fibres entre elles ;
• nettoyage incomplet si les dépôts pénètrent profondément dans le faisceau.

Flux interne vers externe

Dans une configuration dite inside-out, l'eau brute pénètre dans le canal intérieur de la fibre puis traverse la paroi vers l'extérieur.

Les contaminants s'accumulent alors sur la face interne de la fibre.

Avantages du flux interne vers externe

• canalisation précise du flux ;
• possibilité de rinçage en sens inverse dans certains systèmes ;
• bonne maîtrise de l'hydrodynamique interne.

Limites du flux interne vers externe

• diamètre interne limité ;
• risque de bouchage plus rapide avec une eau très chargée ;
• pression locale potentiellement plus élevée ;
• nettoyage parfois plus difficile si des particules s'accumulent dans le canal.

Les membranes plissées

Une membrane plissée est constituée d'un matériau filtrant replié en accordéon autour d'un support central.

Le plissage augmente fortement la surface de filtration sans augmenter autant le diamètre de la cartouche.

Cette architecture est courante dans :

• les porte-filtres domestiques ;
• les prétraitements ;
• certaines applications alimentaires ;
• les laboratoires ;
• les procédés industriels.

Les avantages des membranes plissées

• surface supérieure à celle d'une membrane plane simple ;
• débit généralement confortable ;
• faible perte de charge lorsqu'elles sont propres ;
• grande variété de tailles de pores ;
• remplacement simple dans les cartouches standardisées ;
• certaines versions peuvent être rincées et réutilisées.

Les limites des membranes plissées

• colmatage progressif dans les plis ;
• nettoyage parfois incomplet ;
• risque de déformation sous forte pression ;
• surface réelle dépendant de la profondeur et de l'espacement des plis ;
• performances variables selon le matériau utilisé.

Les membranes planes

Les membranes planes sont utilisées sous forme de feuilles disposées sur un support.

Elles sont particulièrement adaptées aux modules dans lesquels plusieurs couches sont empilées ou organisées en plaques.

On les retrouve notamment dans certains équipements de laboratoire, dans l'industrie et dans les installations de traitement nécessitant un accès relativement simple à la surface membranaire.

Avantages des membranes planes

• structure simple à comprendre et à inspecter ;
• surface accessible dans certains modules ;
• possibilité de remplacer des plaques individuellement ;
• adaptation à différents matériaux membranaires.

Limites des membranes planes

• surface moins compacte que les fibres creuses ;
• encombrement potentiellement plus important ;
• besoin d'entretoises et de supports ;
• zones mortes possibles dans les modules mal conçus.

Les membranes tubulaires

Les membranes tubulaires sont constituées de tubes d'un diamètre supérieur à celui des fibres creuses.

Leur canal plus large permet le traitement d'eaux davantage chargées en matières en suspension.

Elles sont surtout utilisées dans l'industrie, l'agroalimentaire et le traitement d'effluents complexes.

Avantages des membranes tubulaires

• meilleure tolérance aux eaux fortement chargées ;
• nettoyage mécanique ou hydraulique plus facile ;
• canaux larges limitant certains bouchages ;
• bonne robustesse selon le matériau.

Limites des membranes tubulaires

• surface de filtration plus faible à volume équivalent ;
• systèmes plus encombrants ;
• coût souvent supérieur ;
• consommation énergétique plus importante dans certaines installations.

Les membranes polymères

La plupart des membranes compactes sont fabriquées à partir de polymères techniques.

Ces matériaux peuvent être transformés en fibres, en feuilles ou en cartouches plissées.

Leur succès s'explique notamment par :

• leur légèreté ;
• leur coût de fabrication relativement maîtrisé ;
• la possibilité de contrôler leur porosité ;
• leur adaptation à une production à grande échelle ;
• la diversité de leurs propriétés chimiques.

Le polyéthersulfone (PES)

Le polyéthersulfone est un polymère largement utilisé pour les membranes de filtration.

Il est apprécié pour :

• sa résistance mécanique ;
• sa stabilité thermique ;
• sa capacité à former des pores réguliers ;
• sa compatibilité avec de nombreuses applications alimentaires et médicales selon sa qualité.

Il peut néanmoins être sensible à certains agents chimiques agressifs ou à certains protocoles de nettoyage lorsqu'ils ne sont pas adaptés.

Le polysulfone (PS)

Le polysulfone appartient à la même grande famille de polymères techniques.

Il offre une bonne résistance mécanique et thermique, mais ses propriétés de surface peuvent favoriser l'adsorption de certaines matières organiques.

Cela peut accroître le risque de colmatage selon la composition de l'eau.

Le PVDF

Le polyfluorure de vinylidène, ou PVDF, est apprécié pour sa résistance chimique et sa robustesse.

Il est fréquemment utilisé dans les installations industrielles ou les traitements nécessitant des nettoyages répétés.

Parmi ses avantages figurent :

• une bonne résistance à de nombreux produits chimiques ;
• une résistance mécanique élevée ;
• une bonne tenue dans le temps ;
• une compatibilité avec certains nettoyages intensifs.

Le PVDF est naturellement plutôt hydrophobe. Des traitements de surface peuvent donc être utilisés pour améliorer son mouillage et son comportement au contact de l'eau.

Le polypropylène

Le polypropylène est un matériau léger, économique et résistant à de nombreux produits chimiques.

Il est très courant dans les pré-filtres, les cartouches plissées et les structures de support.

Il peut être utilisé sous forme :

• de fibres thermoliées ;
• de feutres ;
• de membranes poreuses ;
• de composants de cartouche.

Le nylon

Certaines membranes de laboratoire ou de filtration spécialisée utilisent du nylon.

Ce matériau présente une bonne résistance mécanique et une affinité particulière avec certaines molécules.

Cette affinité peut être utile dans certaines applications, mais elle peut aussi entraîner une adsorption indésirable lorsque l'on souhaite analyser précisément la composition d'un liquide.

Le PTFE

Le polytétrafluoroéthylène, plus connu sous le sigle PTFE, offre une excellente résistance chimique.

Il est surtout utilisé pour les solvants, les gaz ou les applications chimiques exigeantes.

Comme il est fortement hydrophobe, son utilisation avec de l'eau peut nécessiter un traitement préalable ou une modification de surface.

Les membranes céramiques

Les membranes céramiques sont fabriquées à partir de matériaux minéraux comme :

• l'alumine ;
• la zircone ;
• la titane ;
• le carbure de silicium.

Elles sont généralement constituées d'un support poreux robuste recouvert d'une ou de plusieurs couches filtrantes plus fines.

Les avantages des membranes céramiques

• excellente résistance mécanique ;
• forte résistance thermique ;
• très bonne résistance chimique ;
• possibilité de nettoyages intensifs ;
• longue durée de vie dans des conditions adaptées ;
• bonne stabilité de la taille des pores.

Les limites des membranes céramiques

• coût d'achat élevé ;
• poids supérieur ;
• fragilité possible aux chocs brutaux malgré leur rigidité ;
• encombrement plus important ;
• usage rarement adapté aux gourdes filtrantes légères.

Membrane hydrophile ou hydrophobe

Une membrane hydrophile présente une bonne affinité avec l'eau. Elle se mouille facilement et permet généralement un démarrage plus rapide de la filtration.

Une membrane hydrophobe repousse davantage l'eau. Elle peut nécessiter une pression supérieure ou un traitement préalable pour être correctement mouillée.

Le caractère hydrophile ou hydrophobe influence :

• le débit initial ;
• la pression nécessaire ;
• la formation de bulles d'air ;
• l'adhésion de certaines matières organiques ;
• la facilité de nettoyage.

Membrane symétrique et membrane asymétrique

Une membrane symétrique présente une structure relativement homogène sur toute son épaisseur.

Une membrane asymétrique possède au contraire :

• une couche superficielle très fine assurant la séparation ;
• une structure interne plus ouverte servant de support.

Cette architecture permet d'associer une bonne finesse de filtration à une résistance mécanique suffisante.

Filtration frontale et filtration tangentielle

Le fonctionnement d'une membrane dépend également de la manière dont l'eau circule par rapport à sa surface.

La filtration frontale

En filtration frontale, toute l'eau est dirigée perpendiculairement vers la membrane.

Les contaminants restent à sa surface tandis que l'eau filtrée la traverse.

Ce fonctionnement est simple et fréquent dans les cartouches domestiques ou les petits filtres.

Avantages de la filtration frontale

• conception simple ;
• faible encombrement ;
• pas de circuit de recirculation nécessaire ;
• bonne adaptation aux petits volumes.

Limites de la filtration frontale

• accumulation rapide des contaminants sur la membrane ;
• formation d'un gâteau de filtration ;
• baisse progressive du débit ;
• besoin de remplacement ou de rinçage régulier.

La filtration tangentielle

En filtration tangentielle, l'eau circule parallèlement à la surface de la membrane.

Une partie de l'eau traverse la membrane tandis que le reste poursuit sa circulation et entraîne une partie des contaminants.

Ce fonctionnement limite l'accumulation des dépôts et permet de maintenir plus longtemps le débit.

Avantages de la filtration tangentielle

• réduction de l'accumulation en surface ;
• débit plus stable ;
• adaptation aux installations continues ;
• nettoyage facilité dans certains systèmes.

Limites de la filtration tangentielle

• installation plus complexe ;
• besoin d'une pompe ou d'une circulation continue ;
• consommation énergétique supérieure ;
• production d'un flux concentré à gérer.

Membranes lavables et membranes jetables

Certaines membranes sont conçues pour être rincées ou nettoyées plusieurs fois. D'autres sont destinées à être remplacées une fois leur capacité atteinte.

La possibilité de nettoyage dépend :

• du matériau ;
• de l'architecture ;
• du type de contaminants ;
• de la résistance chimique ;
• de l'accessibilité de la membrane ;
• des recommandations du fabricant.

Un rinçage peut retirer une partie des particules déposées, mais il ne restaure pas toujours totalement les performances d'origine.

Le rétrolavage

Le rétrolavage consiste à faire circuler de l'eau propre dans le sens inverse du flux habituel.

Son objectif est de décoller les particules accumulées à la surface ou dans les premiers pores de la membrane.

Il peut être réalisé :

• manuellement ;
• à l'aide d'une seringue ;
• avec une pompe ;
• automatiquement dans les installations industrielles.

Le nettoyage chimique

Dans les installations professionnelles, certains dépôts ne peuvent pas être retirés uniquement par rinçage.

Des solutions de nettoyage peuvent alors être utilisées pour cibler :

• les matières organiques ;
• les dépôts minéraux ;
• les graisses ;
• les biofilms ;
• certaines contaminations microbiologiques.

Le produit, sa concentration, la température et le temps de contact doivent être compatibles avec le matériau de la membrane.

Quelle membrane résiste le mieux au colmatage ?

Il n'existe pas de réponse universelle. La résistance au colmatage dépend autant de l'eau traitée que de la membrane.

Les facteurs principaux sont :

• la concentration en particules ;
• la taille des particules ;
• la présence de matières organiques ;
• la dureté de l'eau ;
• la pression ;
• la vitesse de filtration ;
• la nature hydrophile ou hydrophobe de la surface ;
• la fréquence des rinçages.

Une membrane très fine peut se colmater plus rapidement si l'eau n'est pas préfiltrée.

C'est pourquoi un préfiltre plus grossier est souvent installé en amont dans les systèmes permanents.

Quelle membrane offre le meilleur débit ?

Le débit dépend de plusieurs paramètres :

• la surface totale ;
• la taille et le nombre de pores ;
• l'épaisseur de la membrane ;
• la pression appliquée ;
• la température de l'eau ;
• le niveau d'encrassement ;
• la viscosité du liquide.

Une membrane très fine peut conserver un débit satisfaisant si sa surface totale est importante.

À l'inverse, une membrane plus grossière mais de petite surface peut offrir un débit limité.

Quelle est la durée de vie d'une membrane ?

La durée de vie ne peut pas être déterminée uniquement par le matériau.

Elle dépend notamment :

• du volume filtré ;
• de la turbidité de l'eau ;
• de la fréquence d'utilisation ;
• du stockage ;
• des nettoyages ;
• des chocs ;
• du gel ;
• de la pression ;
• du développement éventuel de biofilms.

Une membrane utilisée avec une eau relativement claire peut fonctionner beaucoup plus longtemps que la même membrane utilisée quotidiennement avec une eau très chargée en argile ou en matières organiques.

Tableau comparatif des principales membranes

Comment choisir une membrane adaptée ?

Le choix ne doit jamais reposer uniquement sur la valeur en microns.

Il faut également examiner :

• la nature de l'eau à traiter ;
• les contaminants recherchés ;
• le débit nécessaire ;
• la pression disponible ;
• la fréquence d'utilisation ;
• la facilité d'entretien ;
• les conditions de stockage ;
• les essais réalisés sur le dispositif complet.

La diversité des membranes explique pourquoi deux dispositifs reposant tous deux sur la microfiltration peuvent offrir des débits, une résistance et une durée de vie très différents.

Le matériau et l'architecture ne suffisent toutefois pas à garantir des performances durables. Avec le temps, toutes les membranes subissent un phénomène inévitable : l'accumulation progressive de contaminants à leur surface ou à l'intérieur de leurs pores.

5.5 Colmatage, entretien et durée de vie d'une membrane de microfiltration

Une membrane de microfiltration ne conserve pas indéfiniment son débit d'origine. À mesure que l'eau traverse le filtre, les contaminants retenus s'accumulent progressivement à sa surface, entre ses fibres ou à l'intérieur de ses pores.

Ce phénomène naturel est appelé colmatage.

Il constitue l'une des principales causes de diminution des performances hydrauliques d'un système membranaire.

Qu'est-ce que le colmatage d'une membrane ?

Le colmatage correspond à l'accumulation de matières sur ou dans la membrane. Il peut se produire de plusieurs manières :

• les particules se déposent à la surface ;
• certaines particules pénètrent dans les pores ;
• des matières organiques adhèrent au matériau ;
• des dépôts minéraux se forment ;
• des micro-organismes développent un biofilm ;
• les fibres s'agglomèrent entre elles sous l'effet des dépôts.

Dans la pratique, plusieurs formes de colmatage peuvent apparaître simultanément.

Le blocage des pores

Certaines particules possèdent une taille proche de celle des pores de la membrane.

Elles peuvent alors :

• obstruer directement l'entrée d'un pore ;
• pénétrer partiellement dans celui-ci ;
• se coincer à l'intérieur de la structure ;
• réduire progressivement le diamètre utile du passage.

Ce type de colmatage peut être difficile à éliminer, car les particules ne restent pas uniquement déposées à la surface.

La formation d'un gâteau de filtration

Lorsque les contaminants retenus s'accumulent à la surface de la membrane, ils forment progressivement une couche appelée gâteau de filtration.

Cette couche agit comme un filtre supplémentaire. Elle peut parfois améliorer temporairement la rétention de particules plus fines.

En contrepartie, elle augmente la résistance au passage de l'eau et réduit le débit.

Plus cette couche devient épaisse, plus l'utilisateur doit exercer une pression importante, aspirer plus fortement ou attendre plus longtemps pour obtenir le même volume d'eau.

Le colmatage organique

Les eaux naturelles contiennent souvent des matières organiques provenant :

• de la décomposition des végétaux ;
• des algues ;
• des micro-organismes ;
• des sols ;
• des rejets agricoles ou urbains.

Ces matières peuvent adhérer à la membrane et former une couche visqueuse difficile à retirer par un simple rinçage.

Elles peuvent également servir de support nutritif à certains micro-organismes.

Le colmatage minéral

Certaines substances dissoutes peuvent précipiter sous forme solide et former des dépôts sur la membrane.

Ce phénomène peut notamment concerner :

• le carbonate de calcium ;
• le fer ;
• le manganèse ;
• la silice ;
• d'autres sels minéraux selon la composition de l'eau.

Une eau très dure ou riche en fer peut donc entraîner un encrassement particulier, différent d'une simple accumulation de sable ou d'argile.

Le colmatage biologique

Lorsqu'une membrane reste humide, des micro-organismes retenus peuvent adhérer à sa surface et produire une matrice protectrice.

Cette accumulation forme progressivement un biofilm.

Le biofilm peut :

• réduire le débit ;
• provoquer des goûts ou des odeurs ;
• rendre le nettoyage plus difficile ;
• favoriser la croissance microbienne pendant le stockage ;
• augmenter la résistance au passage de l'eau.

La présence d'un biofilm ne signifie pas nécessairement que tous les micro-organismes traversent la membrane. Elle indique cependant que le dispositif doit être entretenu et stocké correctement.

Quels facteurs accélèrent le colmatage ?

La vitesse d'encrassement dépend principalement de la qualité de l'eau filtrée et des conditions d'utilisation.

Comment reconnaître une membrane colmatée ?

Le signe le plus fréquent est une diminution progressive du débit.

Selon le type de dispositif, l'utilisateur peut constater :

• une aspiration plus difficile ;
• un débit plus lent au robinet ;
• une pression plus faible en sortie ;
• un temps de remplissage plus long ;
• une augmentation de la pression en amont ;
• une différence de pression plus importante entre l'entrée et la sortie.

Une modification du goût ou de l'odeur peut également apparaître lorsque le système contient du charbon actif ou lorsqu'un biofilm s'est développé.

Un débit faible signifie-t-il que l'eau est mieux filtrée ?

Pas nécessairement.

Un débit plus faible peut signifier que la membrane est davantage chargée en particules. La couche de dépôt peut alors améliorer temporairement la rétention de certains éléments.

Toutefois, cette situation présente plusieurs inconvénients :

• l'utilisation devient plus difficile ;
• la pression sur la membrane augmente ;
• le dépôt peut se fissurer ou se détacher ;
• le risque de biofilm peut augmenter ;
• la membrane peut finir par devenir inutilisable.

Un débit extrêmement faible ne doit donc pas être interprété comme une preuve de meilleure filtration.

Peut-on prévenir le colmatage ?

Il est impossible de l'empêcher totalement, puisque retenir des contaminants signifie nécessairement les accumuler quelque part.

Il est cependant possible de le ralentir.

Choisir l'eau la plus claire possible

Dans un environnement naturel, il est préférable de prélever l'eau dans une zone où elle est relativement claire et peu chargée en sédiments.

Il convient d'éviter, lorsque cela est possible :

• le fond vaseux ;
• les zones remuées ;
• les berges très boueuses ;
• les eaux stagnantes riches en matières organiques ;
• les zones situées immédiatement après de fortes pluies.

Laisser décanter l'eau

Lorsque l'eau est trouble, une décantation préalable peut permettre aux particules les plus lourdes de se déposer au fond d'un récipient.

L'eau située dans la partie supérieure peut ensuite être prélevée avec précaution avant filtration.

Cette méthode ne rend pas l'eau potable à elle seule. Elle réduit uniquement la charge particulaire envoyée vers le filtre.

Utiliser un préfiltre

Un tissu propre, une grille, une mousse ou une cartouche grossière peut retenir une partie des débris les plus volumineux avant leur arrivée sur la membrane principale.

Dans les installations domestiques ou industrielles, un préfiltre à sédiments est souvent placé en amont.

Réduire la pression excessive

Une pression trop élevée peut compacter les dépôts contre la membrane.

Elle peut également favoriser leur pénétration dans les pores et solliciter excessivement les fibres, les joints ou le support.

Le dispositif doit être utilisé dans la plage de pression prévue par son fabricant.

Rincer régulièrement la membrane

Un rinçage réalisé avant que le débit ne soit fortement réduit permet généralement de retirer plus facilement les dépôts superficiels.

Attendre que la membrane soit presque totalement bouchée peut rendre le nettoyage plus difficile et moins efficace.

Le rinçage dans le sens normal

Le rinçage direct consiste à faire circuler de l'eau propre dans le même sens que pendant l'utilisation habituelle.

Il permet surtout d'évacuer :

• les particules libres ;
• les débris présents dans les conduits ;
• une partie des dépôts faiblement adhérents.

Son efficacité reste généralement inférieure à celle d'un rétrolavage lorsqu'un gâteau de filtration s'est formé.

Le rétrolavage

Le rétrolavage consiste à injecter de l'eau propre dans le sens inverse de la filtration habituelle.

L'eau exerce alors une force sur les dépôts depuis l'autre côté de la membrane, ce qui peut aider à les décoller.

Cette opération est particulièrement courante avec les membranes à fibres creuses.

Ce que le rétrolavage peut retirer

• une partie du gâteau de filtration ;
• les particules faiblement fixées ;
• certains dépôts logés à l'entrée des pores ;
• des matières accumulées entre les fibres.

Ce que le rétrolavage ne peut pas toujours retirer

• les dépôts minéraux fortement adhérents ;
• les matières organiques profondément adsorbées ;
• les particules coincées au cœur de la structure ;
• un biofilm mature ;
• les dommages physiques de la membrane.

Quelle eau utiliser pour le nettoyage ?

L'eau utilisée pour rincer le côté propre d'une membrane doit présenter une qualité adaptée à cet usage.

Il est préférable d'utiliser :

• une eau potable ;
• une eau préalablement filtrée par le système lorsque cela est prévu ;
• une solution spécifiquement recommandée par le fabricant.

Une eau douteuse peut contaminer la sortie, les conduits internes ou le côté propre de la membrane.

Le nettoyage chimique est-il toujours possible ?

Non. Tous les filtres ne sont pas conçus pour recevoir des produits de nettoyage.

Un agent chimique inadapté peut :

• fragiliser les fibres ;
• modifier la taille des pores ;
• endommager les joints ;
• altérer les colles ou résines d'assemblage ;
• laisser des résidus indésirables ;
• détériorer un média complémentaire comme le charbon actif.

Pourquoi le vinaigre n'est-il pas une solution universelle ?

Le vinaigre est souvent utilisé pour dissoudre certains dépôts calcaires.

Il n'est cependant pas compatible avec tous les matériaux, tous les joints, toutes les colles ni toutes les cartouches combinées.

Il peut également modifier le goût de l'eau si le rinçage est insuffisant.

Son utilisation doit donc dépendre des instructions précises du fabricant.

Pourquoi l'eau de Javel doit-elle être utilisée avec prudence ?

Le chlore peut être utilisé dans certaines installations professionnelles pour désinfecter les membranes compatibles.

Toutefois, une concentration excessive ou un temps de contact trop long peut dégrader certains polymères.

Dans une cartouche combinant membrane et charbon actif, le charbon peut également consommer une partie du chlore et rendre le protocole difficile à maîtriser.

L'utilisation domestique improvisée de produits chlorés peut donc être inadaptée.

Comment entretenir une membrane portable ?

Les besoins d'entretien varient selon le dispositif, mais plusieurs règles générales permettent de limiter l'encrassement et les contaminations.

1. Filtrer de préférence une eau aussi claire que possible.
2. Rincer ou rétrolaver le filtre à la fréquence prévue.
3. Éviter de toucher les embouts propres avec des mains sales.
4. Ne pas laisser de boue ou de matière organique sécher dans la cartouche.
5. Laisser égoutter le dispositif avant un stockage court lorsqu'il est conçu pour cela.
6. Respecter la procédure de stockage prolongé du fabricant.
7. Protéger la membrane humide du gel.
8. Ne pas dépasser la pression maximale recommandée.
9. Remplacer le filtre lorsqu'il ne retrouve plus un débit acceptable après entretien.

Faut-il laisser sécher une membrane ?

Cela dépend de sa conception.

Certaines membranes peuvent sécher puis être réhumidifiées. D'autres sont plus difficiles à réamorcer lorsqu'elles ont complètement séché.

Des dépôts minéraux ou organiques peuvent également durcir pendant le séchage et devenir plus difficiles à éliminer.

À l'inverse, conserver une membrane humide sans protocole adapté peut favoriser le développement microbien.

Le stockage de courte durée

Entre deux utilisations rapprochées, le filtre doit généralement être :

• vidé de l'eau stagnante ;
• protégé de la poussière ;
• conservé dans un environnement propre ;
• maintenu à l'écart d'une forte chaleur ;
• protégé du gel s'il reste humide.

Les embouts propres et sales doivent être séparés afin d'éviter une contamination croisée.

Le stockage de longue durée

Pour une période prolongée, certains fabricants prévoient :

• un nettoyage préalable ;
• une désinfection avec une solution précise ;
• un rinçage ;
• un séchage partiel ou complet ;
• un stockage dans une solution conservatrice ;
• un réamorçage avant la prochaine utilisation.

Ces protocoles ne sont pas interchangeables. Une solution adaptée à une membrane industrielle peut être totalement inappropriée pour une gourde ou une cartouche domestique.

Pourquoi faut-il éviter la contamination croisée ?

Une membrane sépare un côté contenant l'eau brute d'un côté destiné à l'eau filtrée.

Si les deux parties entrent en contact, des contaminants peuvent contourner totalement la membrane.

Cela peut se produire lorsque :

• l'embout de sortie touche une eau non filtrée ;
• un bouchon sale est placé sur la sortie propre ;
• les tuyaux d'entrée et de sortie sont mélangés ;
• les mains contaminées touchent l'embout de consommation ;
• une seringue de rétrolavage sale est utilisée.

Pourquoi une membrane humide doit-elle être protégée du gel ?

L'eau augmente de volume lorsqu'elle gèle.

Si elle reste emprisonnée dans les pores ou les fibres, cette expansion peut exercer une pression suffisante pour créer des microfissures.

Ces dommages peuvent être invisibles et ne pas empêcher l'eau de circuler. Le filtre semble alors fonctionner normalement, mais sa fonction de barrière microbiologique peut être compromise.

Après une exposition probable au gel, il est souvent impossible pour l'utilisateur de confirmer l'intégrité de la membrane sans équipement spécialisé.

La chaleur peut-elle également endommager une membrane ?

Oui. Une température excessive peut :

• déformer les polymères ;
• altérer les joints ;
• fragiliser les colles ;
• modifier les propriétés de surface ;
• accélérer le développement microbien dans une cartouche humide.

Un filtre ne doit pas être laissé dans un véhicule en plein soleil ou exposé à une eau plus chaude que la température prévue.

Peut-on filtrer de l'eau chaude ?

La plupart des membranes portables et domestiques sont conçues pour de l'eau froide ou tempérée.

Une eau chaude peut :

• ramollir certains matériaux ;
• augmenter le risque de déformation ;
• endommager les joints ;
• modifier le débit ;
• libérer des substances provenant de composants non prévus pour cet usage.

Les limites de température du dispositif doivent donc être respectées.

Peut-on filtrer de l'eau salée avec une membrane de microfiltration ?

La membrane peut laisser passer l'eau de mer, mais elle laisse également passer les sels dissous.

L'eau obtenue reste donc salée et impropre à la consommation en raison de sa forte concentration en sels.

La désalinisation nécessite une technologie adaptée, comme l'osmose inverse conçue pour cet usage.

Peut-on filtrer des boissons sucrées ou aromatisées ?

Cela est généralement déconseillé, sauf si le dispositif a été spécifiquement conçu pour cet usage.

Les sucres, protéines, graisses, arômes et colorants peuvent :

• encrasser rapidement la membrane ;
• alimenter un biofilm ;
• laisser des odeurs persistantes ;
• altérer un éventuel charbon actif ;
• rendre le nettoyage très difficile.

La capacité annoncée en litres correspond-elle toujours à la réalité ?

Une capacité annoncée est généralement obtenue dans des conditions d'utilisation définies.

La durée de vie réelle peut être inférieure ou supérieure selon :

• la qualité de l'eau ;
• la quantité de sédiments ;
• la fréquence des nettoyages ;
• la pression ;
• les conditions de stockage ;
• la présence d'un préfiltre ;
• le débit minimal considéré comme acceptable.

Comment mesure-t-on la fin de vie d'une membrane ?

Selon les systèmes, la fin de vie peut être définie par :

• un volume maximal recommandé ;
• une durée maximale après la première utilisation ;
• un débit devenu insuffisant ;
• une perte de pression trop importante ;
• un nombre maximal de cycles de nettoyage ;
• une perte d'intégrité ;
• une impossibilité de rétablir le débit après entretien.

Une membrane peut donc atteindre sa fin de vie avant le volume théorique si elle est très colmatée ou endommagée.

À l'inverse, une membrane correctement entretenue peut parfois conserver un débit satisfaisant pendant une longue période, sous réserve des limites définies pour le produit.

Une baisse de débit signifie-t-elle que les pores se sont agrandis ?

Non. Le colmatage tend généralement à réduire les passages disponibles, pas à les agrandir.

Une baisse de débit indique donc le plus souvent une obstruction ou une accumulation de dépôts.

En revanche, une membrane endommagée peut présenter une fissure ou une fibre rompue sans provoquer de baisse de débit. Elle peut même laisser passer l'eau plus facilement.

Comment contrôle-t-on l'intégrité d'une membrane ?

Dans les installations professionnelles, plusieurs méthodes peuvent être utilisées :

• test de maintien en pression ;
• test de diffusion d'air ;
• mesure du point de bulle ;
• détection acoustique ;
• suivi de la turbidité en sortie ;
• tests microbiologiques ;
• utilisation de particules ou de traceurs adaptés.

Ces tests cherchent à détecter la présence de pores anormalement grands, d'une fissure, d'une fibre rompue ou d'un défaut d'étanchéité.

Qu'est-ce que le test du point de bulle ?

Lorsqu'une membrane est mouillée, ses pores contiennent de l'eau.

Une certaine pression d'air est nécessaire pour chasser cette eau du plus grand pore et créer un flux de bulles continu.

La pression mesurée permet d'obtenir une indication sur la taille du plus grand passage présent dans la membrane.

Une pression anormalement faible peut révéler :

• un pore trop grand ;
• une fissure ;
• une fibre rompue ;
• un défaut d'assemblage.

L'utilisateur peut-il vérifier lui-même l'intégrité ?

Pour de nombreux petits filtres, l'utilisateur ne dispose pas d'un test fiable lui permettant de détecter une microfissure.

Il doit donc éviter les situations susceptibles d'endommager la membrane :

• le gel ;
• les chocs violents ;
• la surpression ;
• l'utilisation de produits chimiques incompatibles ;
• le démontage non prévu ;
• l'utilisation au-delà des limites recommandées.

Quand faut-il remplacer une membrane ?

Le remplacement est généralement nécessaire lorsque :

• le débit reste très faible malgré le nettoyage ;
• la capacité maximale recommandée est atteinte ;
• la durée d'utilisation maximale est dépassée ;
• le filtre a probablement gelé alors qu'il était humide ;
• la cartouche a subi un choc important ;
• un défaut d'intégrité est suspecté ;
• les joints ou le boîtier sont endommagés ;
• une odeur persistante subsiste malgré l'entretien autorisé ;
• le fabricant recommande son remplacement.

Durée de vie physique et durée de vie sanitaire

Une membrane peut encore laisser passer de l'eau tout en n'étant plus dans les conditions recommandées d'utilisation.

Il convient donc de distinguer :

• la durée de vie hydraulique, jusqu'au moment où le débit devient insuffisant ;
• la durée de vie mécanique, liée à l'intégrité des fibres, des joints et du boîtier ;
• la durée de vie hygiénique, liée au stockage, à l'entretien et au risque de développement microbien ;
• la durée de vie d'un média complémentaire, comme le charbon actif, qui peut être saturé avant la membrane.

Dans une cartouche combinée, la durée de vie globale est généralement déterminée par le composant qui atteint le premier sa limite.

Le cas des cartouches associant membrane et charbon actif

De nombreux systèmes combinent une membrane avec du charbon actif.

Cette association permet de cibler plusieurs familles de contaminants :

• la membrane retient les particules et certains micro-organismes ;
• le charbon actif agit sur le chlore, les goûts, les odeurs et certaines molécules organiques.

Toutefois, les deux technologies ne vieillissent pas de la même manière.

La membrane peut conserver un débit acceptable alors que le charbon actif a perdu une partie de sa capacité d'adsorption.

Inversement, une eau très trouble peut colmater la membrane avant que le charbon n'ait atteint sa capacité théorique.

Entretien et hygiène des gourdes filtrantes

Dans une gourde filtrante, la membrane ne constitue qu'un élément du système. Le récipient, le bouchon, la paille et l'embout doivent également être nettoyés.

Les zones en contact avec la bouche ou avec de l'eau stagnante peuvent développer des dépôts indépendamment de la membrane.

Il est donc important de :

• laver régulièrement la gourde ;
• nettoyer l'embout de consommation ;
• laisser sécher les parties lavables lorsque cela est possible ;
• éviter de stocker longtemps de l'eau dans le récipient ;
• ne pas laver la cartouche avec un produit non autorisé ;
• respecter les indications propres au filtre.

Peut-on mettre une cartouche filtrante au lave-vaisselle ?

Généralement non, sauf indication explicite contraire.

La chaleur, les détergents et la pression des jets peuvent :

• endommager la membrane ;
• altérer le charbon actif ;
• déformer le boîtier ;
• fragiliser les joints ;
• laisser des résidus de détergent.

Le corps de la gourde peut parfois être compatible avec le lave-vaisselle, alors que la cartouche filtrante ne l'est pas.

Peut-on laisser de l'eau dans une gourde filtrante pendant plusieurs jours ?

Cela est déconseillé.

L'eau stagnante peut favoriser :

• la formation d'un biofilm dans le récipient ;
• l'apparition de goûts ou d'odeurs ;
• la multiplication de micro-organismes introduits par la bouche ou les mains ;
• l'encrassement de l'embout.

Il est préférable de vider la gourde, de la nettoyer et de renouveler l'eau régulièrement.

Faut-il amorcer une membrane avant la première utilisation ?

Certaines membranes doivent être entièrement mouillées avant d'offrir leur débit normal.

De l'air peut rester emprisonné dans les fibres ou dans les pores, ce qui augmente temporairement la résistance au passage de l'eau.

L'amorçage peut consister, selon le dispositif, à :

• immerger la cartouche ;
• faire circuler plusieurs volumes d'eau ;
• aspirer progressivement ;
• rincer le système ;
• évacuer une bulle d'air en suivant une procédure précise.

Pourquoi une bulle d'air peut-elle bloquer le débit ?

Certaines membranes sont difficiles à traverser par l'eau tant que leurs pores ne sont pas correctement mouillés.

Une poche d'air présente dans la cartouche ou dans une fibre peut interrompre la continuité du flux et donner l'impression que le filtre est bouché.

Une purge, un retournement ou un rinçage adapté peut permettre de rétablir le débit lorsque le système est conçu pour cette manipulation.

Tableau de diagnostic d'une baisse de débit

Questions fréquentes sur l'entretien des membranes

Résumé : prolonger la durée de vie d'une membrane

Une membrane bien entretenue peut conserver ses performances hydrauliques beaucoup plus longtemps qu'une membrane utilisée sans précaution.

L'entretien ne permet cependant pas de rendre une cartouche éternelle. Les dépôts irréversibles, le vieillissement des matériaux et les risques de détérioration imposent toujours une limite à sa durée d'utilisation.

Maintenant que son fonctionnement, ses capacités et son entretien sont clairement établis, il est possible d'évaluer la microfiltration dans son ensemble : ses véritables avantages, ses limites et les situations dans lesquelles elle constitue le choix le plus pertinent.

5.6 Avantages, limites et usages de la microfiltration

La microfiltration occupe une place importante dans le traitement de l'eau, car elle permet d'obtenir une séparation physique efficace sans modifier profondément sa composition minérale.

Elle peut être utilisée seule lorsqu'un objectif de clarification est recherché, ou intégrée dans un système combinant plusieurs technologies afin de cibler différentes familles de contaminants.

Pour déterminer si cette technologie est adaptée à un usage précis, il faut toutefois considérer à la fois ses avantages, ses limites, les caractéristiques de l'eau à traiter et le niveau de protection attendu.

Les principaux avantages de la microfiltration

Une séparation physique sans ajout de produit chimique

La membrane agit comme une barrière mécanique. Elle ne nécessite pas nécessairement l'ajout d'un désinfectant ou d'un réactif pour retenir les particules plus grandes que ses pores.

Cette caractéristique peut être intéressante lorsque l'on souhaite limiter l'utilisation de produits chimiques ou préserver les propriétés générales de l'eau.

Une excellente rétention des matières en suspension

Les sédiments, les débris végétaux, les fragments de rouille, les algues et de nombreuses particules visibles ou microscopiques peuvent être retenus efficacement.

L'eau obtenue peut ainsi paraître plus claire et contenir beaucoup moins de matières en suspension.

Une protection efficace contre les protozoaires

Les protozoaires comme Giardia et Cryptosporidium présentent généralement des dimensions largement supérieures aux pores d'une membrane de microfiltration fine.

Une membrane intacte et correctement dimensionnée peut donc constituer une barrière physique très efficace contre ces organismes.

Une réduction importante de nombreuses bactéries

De nombreuses bactéries sont suffisamment grandes pour être retenues par une membrane fine.

Le niveau réel de réduction dépend cependant :

• de la taille maximale des pores ;
• de l'espèce bactérienne ;
• de l'intégrité de la membrane ;
• du débit et de la pression ;
• de la conception du dispositif complet.

Le maintien des minéraux dissous

La microfiltration laisse généralement passer le calcium, le magnésium, le sodium, les bicarbonates et les autres ions dissous.

Elle ne déminéralise donc pas l'eau comme peuvent le faire des procédés membranaires beaucoup plus fins.

Une pression de fonctionnement relativement faible

Comparée à la nanofiltration ou à l'osmose inverse, la microfiltration peut généralement fonctionner avec une pression plus faible.

Certains dispositifs portables utilisent simplement :

• la gravité ;
• une pression manuelle ;
• une pompe légère ;
• l'aspiration de l'utilisateur ;
• la pression normale d'un réseau domestique.

Une faible production d'eau de rejet

Dans un système domestique fonctionnant en filtration frontale, la majorité de l'eau traverse la membrane et devient disponible en sortie.

Contrairement à certains systèmes d'osmose inverse, la microfiltration ne produit pas nécessairement un flux continu d'eau concentrée à évacuer.

De l'eau peut néanmoins être utilisée pour le rinçage ou le rétrolavage.

Une technologie compacte

Les fibres creuses permettent d'intégrer une grande surface de filtration dans un petit volume.

Cette compacité rend la technologie adaptée à :

• des gourdes filtrantes ;
• des filtres de randonnée ;
• des systèmes à gravité ;
• des équipements de secours ;
• des cartouches sous évier ;
• des unités mobiles.

Une utilisation possible sans électricité

De nombreux dispositifs portables ou gravitaires fonctionnent sans alimentation électrique.

Cet avantage est particulièrement utile :

• en randonnée ;
• en voyage ;
• dans les situations d'urgence ;
• dans les zones dépourvues d'électricité ;
• lors d'une interruption temporaire des services.

Une technologie complémentaire du charbon actif

La microfiltration et le charbon actif ne ciblent pas les mêmes contaminants.

La membrane agit principalement sur les éléments particulaires tandis que le charbon actif peut réduire le chlore, certains goûts, certaines odeurs et certaines molécules organiques.

Leur association permet donc d'obtenir un traitement plus complet qu'avec chacune de ces technologies utilisée seule.

Les principales limites de la microfiltration

Une efficacité insuffisante contre de nombreux virus

Les virus sont généralement beaucoup plus petits que les bactéries.

Une membrane de microfiltration classique ne permet donc pas toujours de garantir leur rétention.

Dans un contexte où le risque viral est important, un traitement complémentaire ou une membrane plus fine peut être nécessaire.

Une absence d'action sur les ions dissous

Les nitrates, les nitrites, le sodium, les chlorures et les minéraux dissous traversent généralement la membrane.

La microfiltration n'est donc pas adaptée à la désalinisation ni à la réduction des nitrates.

Une action limitée sur les contaminants chimiques dissous

La plupart des pesticides, des médicaments, des hormones, des solvants et des PFAS dissous sont trop petits pour être retenus mécaniquement.

D'autres technologies doivent être utilisées selon les molécules ciblées.

Une absence d'action directe sur le chlore

Le chlore dissous traverse la membrane.

Pour améliorer le goût et réduire le chlore, l'ajout d'un média adsorbant comme le charbon actif est généralement nécessaire.

Une sensibilité au colmatage

Plus une membrane retient de contaminants, plus ceux-ci s'accumulent à sa surface.

Une eau très chargée en argile, en sédiments ou en matières organiques peut donc réduire rapidement le débit.

Une dépendance totale à l'intégrité de la membrane

Une fibre rompue, une fissure, un joint mal positionné ou un défaut d'assemblage peut créer un passage permettant à l'eau de contourner les pores.

Le filtre peut continuer à produire de l'eau tout en ayant perdu une partie de sa fonction de barrière microbiologique.

Une absence d'effet rémanent

La microfiltration retient les micro-organismes au moment du passage dans la membrane, mais elle ne protège pas l'eau après la filtration.

Si l'eau filtrée est ensuite stockée dans un récipient contaminé, exposée à des mains sales ou mélangée à une eau non traitée, elle peut être recontaminée.

Une performance dépendante de l'entretien

Un dispositif mal rincé, mal stocké ou exposé au gel peut perdre une partie de ses performances.

La microfiltration demande donc une utilisation rigoureuse, notamment dans les applications microbiologiques.

Tableau synthétique des avantages et des limites

Dans quels cas la microfiltration est-elle particulièrement adaptée ?

La clarification d'une eau contenant des particules

La microfiltration est pertinente lorsqu'il faut retenir :

• des sédiments ;
• des poussières ;
• des fragments de rouille ;
• des fibres ;
• des algues ;
• des matières en suspension.

La protection d'un traitement situé en aval

Une membrane de microfiltration peut être utilisée comme prétraitement avant une technologie plus sensible.

Elle peut notamment protéger :

• une membrane d'ultrafiltration ;
• une membrane de nanofiltration ;
• un système d'osmose inverse ;
• une lampe ultraviolette ;
• un média de charbon actif ;
• une installation industrielle.

En réduisant la turbidité et la charge particulaire, elle peut prolonger la durée de vie des étapes suivantes.

La filtration portable

Les membranes à fibres creuses sont particulièrement adaptées aux systèmes mobiles.

Elles offrent un compromis intéressant entre :

• poids ;
• volume ;
• débit ;
• finesse ;
• autonomie ;
• absence d'électricité.

La filtration de l'eau du robinet

Sur une eau déjà traitée par le réseau public, la microfiltration peut servir à retenir certaines particules présentes dans les canalisations.

Associée au charbon actif, elle peut également contribuer à améliorer l'expérience de consommation en agissant à la fois sur les particules, le chlore, certains goûts et certaines odeurs.

Les procédés alimentaires et industriels

La microfiltration est utilisée dans de nombreux secteurs pour clarifier des liquides ou séparer des cellules et des particules.

Elle peut notamment intervenir dans :

• la production de boissons ;
• l'industrie laitière ;
• la fermentation ;
• la pharmacie ;
• les laboratoires ;
• le traitement des eaux de procédé ;
• le recyclage de certaines eaux industrielles.

Dans quels cas la microfiltration seule est-elle insuffisante ?

Une eau contenant des nitrates

Les nitrates étant dissous, une membrane de microfiltration ne réduit pas leur concentration.

Un procédé spécifiquement adapté aux ions dissous est nécessaire.

Une eau salée ou saumâtre

Les sels traversent la membrane. La microfiltration ne permet donc pas de rendre potable une eau de mer.

Une eau contaminée par des substances chimiques

En présence de solvants, d'hydrocarbures, de pesticides, de métaux dissous ou d'autres contaminants chimiques, une simple membrane ne suffit généralement pas.

La technologie doit être choisie à partir de la nature et de la concentration des substances présentes.

Une eau présentant un risque viral important

Lorsque la contamination humaine ou fécale est possible, les virus peuvent représenter un risque supplémentaire.

Une désinfection ou une membrane plus fine peut alors être nécessaire.

Une eau contenant des toxines dissoutes

Certaines proliférations d'algues peuvent libérer des toxines dissoutes.

La membrane peut retenir une partie des cellules algales, mais les toxines déjà libérées dans l'eau peuvent traverser.

Microfiltration ou filtre à sédiments ?

Les deux technologies reposent sur une séparation mécanique, mais leur finesse et leur structure peuvent être très différentes.

Un filtre à sédiments classique est généralement destiné à retenir des particules relativement grossières.

Une membrane de microfiltration présente une structure plus contrôlée et peut descendre vers des tailles permettant de retenir certains micro-organismes.

Microfiltration ou charbon actif ?

Ces deux technologies ne sont pas concurrentes : elles sont complémentaires.

La microfiltration retient les contaminants selon leur taille. Le charbon actif retient certaines molécules par adsorption.

Microfiltration ou ultrafiltration ?

L'ultrafiltration utilise une barrière plus fine que la microfiltration.

Cette différence permet généralement d'améliorer la rétention des micro-organismes les plus petits.

Microfiltration ou nanofiltration ?

La nanofiltration agit à une échelle beaucoup plus fine.

Elle peut réduire certaines molécules dissoutes, certains ions multivalents et une partie de la dureté de l'eau.

Elle nécessite généralement davantage de pression et produit souvent un flux concentré.

Microfiltration ou osmose inverse ?

L'osmose inverse utilise une membrane extrêmement dense capable de réduire une grande partie des sels et des molécules dissoutes.

La microfiltration conserve au contraire la majorité des minéraux et cible principalement les contaminants particulaires.

Microfiltration ou traitement ultraviolet ?

Une membrane retient physiquement les micro-organismes. Une lampe ultraviolette cherche à les inactiver.

Les deux approches peuvent être complémentaires.

Une microfiltration placée avant une lampe UV peut réduire la turbidité et faciliter l'exposition des micro-organismes au rayonnement.

Microfiltration ou ébullition ?

L'ébullition vise à inactiver les micro-organismes par la chaleur.

Elle ne retire toutefois pas les particules, les sels ni la majorité des contaminants chimiques.

Microfiltration ou désinfection chimique ?

Les désinfectants chimiques peuvent inactiver certains micro-organismes, mais leur efficacité dépend notamment :

• du produit utilisé ;
• du dosage ;
• du temps de contact ;
• de la température ;
• du pH ;
• de la turbidité ;
• du micro-organisme ciblé.

La microfiltration peut retirer les particules qui protègent parfois les micro-organismes contre le désinfectant.

Dans certaines situations, filtrer puis désinfecter constitue donc une approche plus robuste que l'utilisation d'une seule méthode.

Comment choisir entre plusieurs technologies ?

Le choix doit commencer par une question simple : quels contaminants cherche-t-on réellement à réduire ?

Il faut ensuite prendre en compte :

• l'origine de l'eau ;
• les résultats d'analyse disponibles ;
• le niveau de risque microbiologique ;
• la présence éventuelle de contaminants chimiques ;
• le volume quotidien nécessaire ;
• la pression disponible ;
• l'accès à l'électricité ;
• la capacité d'entretien ;
• le budget ;
• la mobilité recherchée.

Guide de choix rapide

Les erreurs fréquentes à éviter

Choisir un filtre uniquement selon la taille en microns

La valeur en microns ne renseigne pas à elle seule sur la qualité globale du filtre.

Il faut également examiner :

• le caractère nominal ou absolu du seuil ;
• les essais microbiologiques ;
• la résistance mécanique ;
• l'étanchéité du système ;
• la durée de vie ;
• les conditions de test ;
• les contaminants réellement ciblés.

Confondre filtration et purification complète

Une eau filtrée n'est pas automatiquement débarrassée de toutes les substances potentiellement indésirables.

Une membrane peut retirer les bactéries tout en laissant passer les nitrates, les pesticides ou certains virus.

Se fier uniquement à l'apparence de l'eau

Une eau claire peut contenir des micro-organismes et des contaminants chimiques invisibles.

À l'inverse, une eau colorée peut l'être en raison de particules sans que celles-ci constituent nécessairement le seul risque.

Oublier la contamination après filtration

Une eau traitée peut être recontaminée par :

• un récipient sale ;
• un bouchon contaminé ;
• un tuyau mal entretenu ;
• les mains ;
• un stockage trop long ;
• le mélange avec une eau non filtrée.

Utiliser le filtre au-delà de ses conditions prévues

Un dispositif conçu pour l'eau douce ne doit pas être considéré comme adapté à l'eau de mer, aux liquides chimiques, aux boissons, à l'eau très chaude ou aux effluents industriels.

Négliger l'entretien

Une membrane non rincée peut se colmater rapidement.

Un dispositif mal stocké peut développer des goûts, des odeurs ou un biofilm.

Continuer à utiliser une membrane potentiellement gelée

Une microfissure provoquée par le gel peut être invisible. L'absence de signe extérieur ne garantit donc pas l'intégrité du filtre.

Penser qu'un débit élevé prouve l'efficacité

Un bon débit peut être obtenu grâce à une grande surface de membrane, mais il peut aussi révéler un passage préférentiel ou un défaut si le débit devient soudainement anormal.

Le débit ne doit jamais être interprété seul.

FAQ complète sur la microfiltration

Résumé général de la microfiltration

La microfiltration constitue donc une technologie robuste, polyvalente et particulièrement pertinente lorsqu'il faut séparer les particules et certains micro-organismes sans déminéraliser l'eau.

Son efficacité dépend cependant de la taille réelle des pores, de la surface de la membrane, de son intégrité, de la qualité de l'eau et de la manière dont le dispositif est entretenu.

Lorsque l'objectif est de retenir des contaminants plus petits, notamment certains virus et certaines macromolécules, il faut descendre à une échelle de filtration encore plus fine.

C'est précisément le rôle de l'ultrafiltration, une technologie membranaire qui prolonge le principe de séparation physique de la microfiltration avec des pores généralement plus petits.

6. L’ultrafiltration : une barrière membranaire encore plus fine

L’ultrafiltration prolonge le principe de séparation physique utilisé par la microfiltration, mais à une échelle encore plus fine.

L’eau traverse une membrane comportant des pores extrêmement petits, tandis que les particules, les matières colloïdales, les micro-organismes et certaines macromolécules sont retenus.

Cette technologie occupe une position intermédiaire entre la microfiltration et la nanofiltration.

6.1 Qu’est-ce que l’ultrafiltration ?

L’ultrafiltration est un procédé de filtration membranaire utilisant une barrière dont les pores sont généralement de l’ordre de quelques nanomètres à quelques dizaines de nanomètres.

Selon les classifications, les matériaux et les fabricants, elle peut être caractérisée :

• par une taille de pores exprimée en micromètres ou en nanomètres ;
• par un seuil de coupure moléculaire ;
• par un niveau de réduction microbiologique ;
• par la taille des particules retenues ;
• par les performances obtenues lors d’essais normalisés.

Les membranes d’ultrafiltration utilisées pour l’eau présentent souvent une finesse annoncée autour de 0,01 µm, soit environ 10 nanomètres.

Cette valeur constitue un ordre de grandeur fréquemment rencontré, mais elle ne représente pas une frontière universelle applicable à tous les dispositifs.

Quelle différence existe-t-il entre un micromètre et un nanomètre ?

Un micromètre correspond à un millionième de mètre.

Un nanomètre correspond à un milliardième de mètre.

Autrement dit :

• 1 millimètre correspond à 1 000 micromètres ;
• 1 micromètre correspond à 1 000 nanomètres ;
• 0,1 µm correspond à 100 nanomètres ;
• 0,01 µm correspond à 10 nanomètres ;
• 0,001 µm correspond à 1 nanomètre.

Comment fonctionne une membrane d’ultrafiltration ?

L’eau est poussée ou aspirée à travers une membrane poreuse.

Les molécules d’eau et les substances dissoutes suffisamment petites traversent la barrière. Les éléments plus grands que les passages disponibles restent du côté de l’eau brute.

La séparation repose principalement sur plusieurs mécanismes :

• l’exclusion selon la taille ;
• l’interception des particules ;
• l’adsorption temporaire sur le matériau ;
• les interactions électrostatiques ;
• la formation progressive d’une couche de dépôt.

Le mécanisme dominant reste toutefois la séparation physique liée à la dimension des pores ou au seuil de coupure de la membrane.

L’ultrafiltration fonctionne-t-elle comme un tamis ?

L’image du tamis permet de comprendre le principe général, mais elle reste simplifiée.

Une membrane n’est pas nécessairement constituée de trous parfaitement cylindriques, réguliers et identiques.

Elle peut présenter :

• des pores de formes différentes ;
• une distribution de tailles ;
• des chemins tortueux ;
• une couche superficielle très fine ;
• un support interne plus ouvert ;
• des propriétés électriques influençant certains contaminants.

La taille annoncée ne doit donc pas être interprétée comme le diamètre parfaitement identique de chaque pore.

Pourquoi l’ultrafiltration est-elle plus fine que la microfiltration ?

Une membrane de microfiltration utilisée pour l’eau peut présenter une finesse de l’ordre de 0,1 ou 0,2 µm.

Une membrane d’ultrafiltration peut descendre autour de 0,01 µm.

Le passage de 0,1 à 0,01 µm correspond à une division par dix de la taille caractéristique des pores.

Cette différence permet de mieux retenir :

• les bactéries les plus petites ;
• certaines structures bactériennes ;
• des colloïdes très fins ;
• certaines protéines ;
• certaines particules virales ;
• des agrégats de virus ;
• des nanoplastiques suffisamment volumineux.

Comparaison visuelle des échelles de filtration

L’ultrafiltration est-elle une filtration de surface ou de profondeur ?

Dans de nombreuses membranes d’ultrafiltration, l’essentiel de la séparation s’effectue au niveau d’une couche superficielle très fine.

Cette couche repose sur une structure plus épaisse et plus ouverte qui assure le soutien mécanique.

La membrane peut donc être considérée comme une barrière principalement superficielle, même si certains contaminants peuvent pénétrer dans ses premiers pores et provoquer un colmatage interne.

Qu’est-ce qu’une membrane asymétrique ?

Une membrane asymétrique ne présente pas la même structure sur toute son épaisseur.

Elle comporte généralement :

• une peau sélective très fine ;
• une zone intermédiaire plus poreuse ;
• un support mécanique assurant la résistance de l’ensemble.

Cette architecture permet de limiter la résistance au passage de l’eau tout en maintenant une séparation très fine.

Qu’est-ce que le seuil de coupure moléculaire ?

Les membranes d’ultrafiltration sont parfois décrites non pas par une taille de pores, mais par un seuil de coupure moléculaire, souvent exprimé en daltons.

Cette valeur est également appelée :

• MWCO ;
• Molecular Weight Cut-Off ;
• seuil de coupure en masse moléculaire ;
• seuil de rétention moléculaire.

Elle indique la masse moléculaire approximative à partir de laquelle une proportion déterminée de molécules est retenue dans des conditions d’essai définies.

Selon la convention utilisée, un fabricant peut par exemple indiquer qu’une membrane retient environ 90 % d’une molécule de référence correspondant au seuil annoncé.

Qu’est-ce qu’un dalton ?

Le dalton est une unité utilisée pour exprimer la masse des atomes, des molécules et des macromolécules.

Dans le domaine de l’ultrafiltration, les seuils peuvent notamment être exprimés en :

• kilodaltons, notés kDa ;
• dizaines de kilodaltons ;
• centaines de kilodaltons.

Une membrane annoncée à 100 kDa n’est pas nécessairement équivalente à une taille de pores unique et parfaitement définie.

Le comportement dépend notamment :

• de la forme de la molécule ;
• de sa flexibilité ;
• de sa charge électrique ;
• de son interaction avec la membrane ;
• du protocole d’essai ;
• de la pression et de la composition du liquide.

Peut-on convertir précisément un seuil en daltons en taille de pores ?

Il n’existe pas de conversion universelle et exacte.

La masse moléculaire ne décrit pas directement :

• le diamètre de la molécule ;
• sa forme dans l’eau ;
• son degré d’hydratation ;
• sa souplesse ;
• son interaction avec le matériau membranaire.

Une molécule allongée peut se comporter différemment d’une molécule compacte de même masse.

Les valeurs en kDa et les tailles de pores doivent donc être considérées comme deux manières complémentaires de caractériser une membrane, et non comme des mesures parfaitement interchangeables.

Quelle pression faut-il pour faire fonctionner une ultrafiltration ?

L’ultrafiltration fonctionne généralement à une pression plus élevée que la microfiltration la plus grossière, mais beaucoup plus faible que l’osmose inverse.

Selon la surface de membrane, sa finesse et la conception du système, la pression peut être fournie par :

• la gravité ;
• l’aspiration ;
• une pression manuelle ;
• une pompe ;
• le réseau d’eau domestique ;
• une installation industrielle sous pression contrôlée.

Une membrane très fine peut fonctionner à faible pression si elle offre une surface suffisante et si l’eau n’est pas trop chargée.

Qu’est-ce que la pression transmembranaire ?

La pression transmembranaire correspond à la différence de pression qui pousse l’eau à travers la membrane.

Elle est souvent désignée par les termes :

• PTM ;
• TMP ;
• Transmembrane Pressure.

Plus cette différence augmente, plus le débit peut initialement augmenter.

Toutefois, au-delà d’un certain niveau, une pression excessive peut :

• compacter les dépôts ;
• accentuer le colmatage ;
• déformer la membrane ;
• fragiliser les fibres ;
• augmenter les contraintes sur les joints ;
• réduire l’efficacité des nettoyages.

Qu’est-ce que le flux membranaire ?

Le flux membranaire correspond au volume d’eau traversant une surface donnée de membrane pendant une durée déterminée.

Il est souvent exprimé en litres par mètre carré et par heure.

Il dépend notamment :

• de la pression transmembranaire ;
• de la surface de la membrane ;
• de la température de l’eau ;
• de sa viscosité ;
• de la taille des pores ;
• du niveau de colmatage ;
• de la concentration en particules ;
• du mode de fonctionnement.

Pourquoi l’eau froide traverse-t-elle moins facilement la membrane ?

Lorsque la température diminue, la viscosité de l’eau augmente.

Une eau plus visqueuse traverse plus difficilement les pores de la membrane.

À pression égale, le débit peut donc être inférieur en hiver ou lorsque l’eau est particulièrement froide.

Cette baisse ne signifie pas nécessairement que la membrane est colmatée.

Une ultrafiltration nécessite-t-elle de l’électricité ?

Pas toujours.

Certains systèmes fonctionnent uniquement grâce :

• à la gravité ;
• à l’aspiration de l’utilisateur ;
• à la pression d’un robinet ;
• à une pompe manuelle.

Les installations de grande capacité utilisent en revanche souvent des pompes, des vannes automatiques et des systèmes de contrôle.

L’ultrafiltration modifie-t-elle la composition minérale de l’eau ?

La majorité des minéraux dissous sont bien plus petits que les pores ou les seuils de coupure des membranes d’ultrafiltration utilisées pour l’eau.

Le calcium, le magnésium, le sodium, les bicarbonates et les chlorures traversent donc généralement la membrane.

L’ultrafiltration ne constitue pas un procédé de déminéralisation.

L’ultrafiltration adoucit-elle l’eau ?

Non. L’adoucissement consiste principalement à réduire la concentration en calcium et en magnésium dissous.

Ces ions traversent généralement une membrane d’ultrafiltration.

Une eau dure reste donc globalement dure après ultrafiltration.

L’ultrafiltration dessale-t-elle l’eau ?

Non. Les sels dissous sont trop petits pour être retenus.

Une eau de mer ou une eau saumâtre reste salée après ultrafiltration.

La désalinisation nécessite un procédé comme l’osmose inverse ou une technologie spécifiquement conçue pour séparer les ions dissous.

L’ultrafiltration est-elle une désinfection ?

Elle n’inactive pas nécessairement les micro-organismes.

Elle cherche principalement à les séparer physiquement de l’eau.

Les bactéries, protozoaires et virus retenus peuvent donc rester présents sur la membrane.

Cette différence distingue l’ultrafiltration :

• de l’ébullition ;
• de la chloration ;
• des traitements ultraviolets ;
• de l’ozonation ;
• d’autres procédés d’inactivation microbiologique.

Que deviennent les contaminants retenus ?

Les contaminants ne disparaissent pas. Ils s’accumulent :

• à la surface de la membrane ;
• dans les premiers pores ;
• entre les fibres ;
• dans un flux concentré lorsqu’il existe ;
• dans l’eau évacuée pendant le rétrolavage.

C’est pourquoi les membranes doivent être rincées, nettoyées ou remplacées selon leur conception.

Filtration frontale ou filtration tangentielle

Comme la microfiltration, l’ultrafiltration peut fonctionner selon deux grandes configurations hydrauliques.

Ultrafiltration frontale

Toute l’eau est dirigée vers la membrane et cherche à la traverser.

Les contaminants s’accumulent progressivement sur sa surface.

Ce fonctionnement est fréquent dans :

• les gourdes filtrantes ;
• les cartouches domestiques ;
• les petits systèmes à gravité ;
• les dispositifs portables.

Ultrafiltration tangentielle

L’eau circule parallèlement à la membrane.

Une partie traverse la barrière tandis que le reste poursuit son chemin et entraîne une partie des contaminants.

Cette configuration est davantage utilisée dans :

• les installations industrielles ;
• les unités municipales ;
• les procédés alimentaires ;
• les systèmes fonctionnant en continu.

Les principales formes de membranes d’ultrafiltration

Les membranes d’ultrafiltration peuvent prendre plusieurs formes :

• fibres creuses ;
• membranes planes ;
• modules spiralés ;
• membranes tubulaires ;
• membranes céramiques ;
• cartouches compactes.

Les fibres creuses sont particulièrement répandues pour le traitement de l’eau en raison de leur très grande surface par rapport à leur volume.

Pourquoi les fibres creuses sont-elles fréquentes en ultrafiltration ?

Une fibre creuse est un tube très fin comportant une paroi poreuse.

Des centaines ou des milliers de fibres peuvent être regroupées dans un même module.

Cette architecture offre :

• une grande surface membranaire ;
• un encombrement limité ;
• un bon rapport entre débit et finesse ;
• une adaptation aux systèmes portables ;
• une possibilité de rétrolavage sur certains modèles.

Quels matériaux sont utilisés ?

Les membranes peuvent être fabriquées avec différents matériaux polymères ou minéraux.

Parmi les matériaux fréquemment rencontrés figurent :

• le polyéthersulfone ;
• le polysulfone ;
• le PVDF ;
• le polyacrylonitrile ;
• la cellulose régénérée ;
• certains polyéthylènes ou polypropylènes ;
• des matériaux céramiques.

Chaque matériau possède ses propres caractéristiques de résistance, de mouillage, de compatibilité chimique et de sensibilité au colmatage.

Membrane hydrophile et hydrophobe

Une membrane hydrophile se mouille facilement au contact de l’eau.

Cela facilite généralement :

• l’amorçage ;
• le passage initial de l’eau ;
• la réduction de certaines poches d’air ;
• le fonctionnement à faible pression.

Une membrane hydrophobe repousse davantage l’eau. Elle peut nécessiter une modification de surface ou une pression plus importante pour être mouillée.

Les performances dépendent-elles uniquement de la membrane ?

Non. Le dispositif complet doit être pris en compte.

Les performances peuvent être affectées par :

• les joints ;
• le boîtier ;
• les colles d’assemblage ;
• les connexions ;
• les tuyaux ;
• la pression ;
• le sens de montage ;
• les éventuels médias complémentaires ;
• les conditions d’essai.

Une membrane très performante peut être rendue inefficace si l’eau peut la contourner par un joint mal positionné ou une fissure dans le boîtier.

Finesse nominale ou finesse absolue

Comme pour les autres technologies mécaniques, il faut distinguer une valeur nominale d’une valeur absolue.

Une finesse nominale indique généralement qu’une proportion importante des contaminants de la taille annoncée est retenue.

Une finesse absolue correspond à une définition plus stricte de la taille maximale des passages, selon une méthode de test précise.

Toutefois, même une valeur présentée comme absolue doit être accompagnée :

• du protocole de mesure ;
• du contaminant utilisé ;
• du niveau de rétention ;
• de la pression appliquée ;
• des conditions d’intégrité du module.

Taille des pores ou résultats microbiologiques : que faut-il regarder ?

La taille des pores permet d’anticiper le comportement général de la membrane.

Cependant, lorsque l’objectif concerne les bactéries ou les virus, des résultats de réduction obtenus sur le dispositif complet sont plus directement informatifs.

Ces résultats peuvent être exprimés :

• en pourcentage de réduction ;
• en réduction logarithmique ;
• en nombre de micro-organismes avant et après traitement ;
• en conformité à un protocole ou à une norme.

L’ultrafiltration peut-elle fonctionner seule ?

Oui, lorsque les contaminants ciblés correspondent à ses capacités.

Elle peut par exemple être utilisée seule pour :

• clarifier une eau ;
• retenir les sédiments ;
• réduire fortement les protozoaires ;
• réduire fortement de nombreuses bactéries ;
• retenir des colloïdes ;
• protéger un équipement situé en aval.

Elle est toutefois souvent associée à d’autres technologies pour obtenir une action plus complète.

Avec quelles technologies peut-elle être associée ?

L’ultrafiltration peut être combinée avec :

• un préfiltre à sédiments ;
• du charbon actif ;
• un traitement ultraviolet ;
• une désinfection chimique ;
• une résine échangeuse d’ions ;
• une nanofiltration ;
• une osmose inverse ;
• une reminéralisation ;
• un traitement antitartre.

Chaque étape répond à un objectif différent.

Quels sont les principaux avantages de l’ultrafiltration ?

• finesse supérieure à la microfiltration classique ;
• très bonne rétention des particules ;
• très bonne rétention des protozoaires ;
• forte réduction de nombreuses bactéries ;
• réduction possible de certains virus selon la membrane ;
• conservation de la majorité des minéraux dissous ;
• pression généralement modérée ;
• faible encombrement avec les fibres creuses ;
• faible production de rejet dans certains systèmes ;
• fonctionnement possible sans électricité dans certaines configurations.

Quelles sont ses principales limites ?

• les sels dissous traversent généralement ;
• les nitrates ne sont pas retirés ;
• le calcaire dissous reste présent ;
• la majorité des pesticides dissous peut traverser ;
• les PFAS dissous ne sont pas nécessairement retenus ;
• le chlore traverse sans média complémentaire ;
• la rétention des virus dépend du système ;
• le colmatage réduit progressivement le débit ;
• l’intégrité de la membrane est essentielle ;
• les contaminants retenus doivent être évacués ou gérés.

Tableau récapitulatif du fonctionnement

Une technologie intermédiaire essentielle

L’ultrafiltration occupe une position particulière dans le traitement de l’eau.

Elle est suffisamment fine pour constituer une barrière microbiologique importante, mais reste suffisamment ouverte pour laisser passer la majorité des minéraux dissous.

Elle offre ainsi un compromis entre :

• protection microbiologique ;
• préservation de la minéralisation ;
• débit ;
• pression de fonctionnement ;
• encombrement ;
• consommation d’énergie.

Le principe général de l’ultrafiltration est désormais établi. Pour mesurer précisément son intérêt, il faut examiner chaque famille de contaminants et déterminer lesquels sont retenus, lesquels sont seulement réduits et lesquels traversent encore la membrane.

6.2 Que retient réellement l’ultrafiltration ?

L’ultrafiltration est souvent présentée comme une technologie capable de retenir les bactéries, les virus, les microplastiques et de nombreuses autres impuretés.

Cette présentation générale doit toutefois être nuancée.

Les performances réelles dépendent notamment :

• de la taille effective des pores ;
• du seuil de coupure moléculaire ;
• de la distribution des pores ;
• de la structure de la membrane ;
• du contaminant concerné ;
• de son état libre ou associé à une particule ;
• de la pression et du débit ;
• du niveau de colmatage ;
• de l’intégrité du dispositif ;
• des conditions dans lesquelles les essais ont été réalisés.

Le principe fondamental : retenir ce qui est plus grand que les passages disponibles

Lorsqu’un contaminant possède une taille nettement supérieure aux passages de la membrane, sa rétention est généralement élevée.

Lorsqu’il possède une taille proche de celle des pores, son comportement peut devenir plus variable.

Lorsqu’il est beaucoup plus petit, il traverse généralement la membrane, sauf s’il est associé à une particule plus grande ou temporairement adsorbé sur le matériau.

On peut donc distinguer trois grandes situations :

• les contaminants nettement plus grands que les pores, généralement très bien retenus ;
• les contaminants proches du seuil de coupure, dont la rétention dépend fortement de la membrane et des conditions ;
• les substances beaucoup plus petites, qui traversent généralement.

Les matières en suspension

Les matières en suspension regroupent les particules solides présentes dans l’eau sans y être totalement dissoutes.

Elles peuvent provenir :

• des sols ;
• de l’érosion ;
• des canalisations ;
• des travaux sur le réseau ;
• de la corrosion ;
• des végétaux ;
• des micro-organismes ;
• de certaines activités agricoles ou industrielles.

La plupart de ces particules présentent des dimensions largement supérieures aux pores d’une membrane d’ultrafiltration.

Elles sont donc généralement très fortement retenues.

Exemples de matières en suspension retenues

• sable fin ;
• limon ;
• fragments de rouille ;
• débris végétaux ;
• résidus organiques ;
• algues ;
• fibres visibles ;
• particules de corrosion.

La turbidité

La turbidité correspond au caractère trouble d’une eau.

Elle est provoquée par la présence de particules qui diffusent la lumière, notamment :

• argiles ;
• limons ;
• matières organiques ;
• micro-organismes ;
• précipités minéraux ;
• débris microscopiques.

L’ultrafiltration permet généralement une forte réduction de la turbidité, car elle retient une grande partie des particules qui en sont responsables.

L’eau obtenue peut paraître visuellement très claire, même lorsque l’eau brute était sensiblement trouble.

Les colloïdes

Les colloïdes sont des particules extrêmement fines qui restent longtemps en suspension dans l’eau.

Elles sont trop petites pour se déposer rapidement par simple décantation, mais restent plus grandes que de nombreuses molécules dissoutes.

Les colloïdes peuvent être :

• minéraux ;
• organiques ;
• métalliques ;
• biologiques ;
• issus de l’argile ;
• issus de la décomposition de végétaux.

Une membrane d’ultrafiltration est particulièrement adaptée à leur rétention.

Cette capacité constitue l’une des différences majeures avec les filtres à sédiments plus grossiers.

Les argiles très fines

Les particules d’argile peuvent être extrêmement petites.

Une partie peut présenter une taille colloïdale et rester en suspension pendant une longue durée.

L’ultrafiltration peut retenir ces particules, mais elles constituent une cause importante de colmatage.

Elles peuvent :

• se déposer à la surface ;
• former une couche compacte ;
• pénétrer dans les premiers pores ;
• réduire fortement le débit ;
• rendre le rétrolavage moins efficace.

Une décantation ou une préfiltration est donc particulièrement utile lorsque l’eau contient beaucoup d’argile.

Les algues

Les cellules algales possèdent généralement des dimensions largement supérieures à celles des pores d’une membrane d’ultrafiltration.

Elles sont donc très fortement retenues.

Cette rétention peut contribuer à :

• clarifier l’eau ;
• réduire la couleur liée aux cellules ;
• diminuer la charge biologique ;
• protéger certains traitements situés en aval.

Les toxines d’algues sont-elles également retenues ?

Pas nécessairement.

Une membrane peut retenir les cellules d’algues intactes, mais certaines espèces sont capables de produire des toxines dissoutes dans l’eau.

Lorsque ces toxines ont déjà été libérées, elles peuvent être suffisamment petites pour traverser une membrane d’ultrafiltration.

Les cyanobactéries

Les cyanobactéries, parfois appelées à tort algues bleues, sont des micro-organismes photosynthétiques.

Leurs cellules ou colonies sont généralement beaucoup plus grandes que les pores d’une membrane d’ultrafiltration.

Elles peuvent donc être retenues avec une efficacité élevée lorsque la membrane est intacte.

Comme pour les autres proliférations algales, le problème des toxines dissoutes reste distinct de celui des cellules.

Les levures

Les levures sont des micro-organismes unicellulaires généralement plus grands que les bactéries.

Leur taille se situe fréquemment autour de plusieurs micromètres.

Elles sont donc largement plus grandes que les pores habituels d’une membrane d’ultrafiltration.

Leur rétention est généralement très élevée.

Les moisissures et leurs spores

Les filaments de moisissures sont nettement plus grands que les pores de la membrane.

Les spores fongiques présentent également des dimensions généralement supérieures à plusieurs micromètres.

Elles sont donc très efficacement retenues par une membrane intacte.

L’ultrafiltration n’empêche toutefois pas un développement fongique dans un boîtier ou un récipient mal entretenu après la filtration.

Les protozoaires

Les protozoaires figurent parmi les micro-organismes les plus facilement retenus par une membrane d’ultrafiltration.

Leurs kystes, oocystes ou formes actives présentent généralement des dimensions largement supérieures aux pores.

Une membrane intacte constitue donc une barrière physique très importante contre ces organismes.

Giardia

Giardia est un parasite intestinal capable de provoquer une giardiase.

Ses kystes présentent généralement une taille de plusieurs micromètres.

Ils sont donc plusieurs centaines de fois plus grands qu’un pore annoncé à 0,01 µm.

Leur rétention par une ultrafiltration intacte est généralement très élevée.

Cryptosporidium

Cryptosporidium est un protozoaire dont les oocystes présentent également une taille de plusieurs micromètres.

Ils sont nettement plus grands que les pores de l’ultrafiltration.

Cette technologie constitue donc une barrière physique particulièrement adaptée à leur rétention.

Les œufs et les larves de parasites

Les œufs d’helminthes et les larves de nombreux parasites sont nettement plus grands que les pores d’une membrane d’ultrafiltration.

Leur rétention physique est donc généralement très élevée.

La difficulté peut davantage venir de leur présence dans des matières organiques susceptibles de colmater la membrane que de leur taille propre.

Les bactéries

L’ultrafiltration est particulièrement intéressante pour la réduction des bactéries.

La majorité des bactéries présentes dans l’eau possède une taille comprise entre quelques dixièmes de micromètre et plusieurs micromètres.

Une membrane annoncée autour de 0,01 µm présente donc des passages nettement plus petits que la plupart des cellules bactériennes.

Lorsque la membrane et le système sont intacts, une forte réduction bactérienne peut être obtenue.

Exemples de bactéries pouvant être concernées

• Escherichia coli ;
• Salmonella ;
• Shigella ;
• Campylobacter ;
• Vibrio cholerae ;
• Legionella ;
• Pseudomonas ;
• certaines bactéries coliformes ;
• certaines bactéries environnementales.

Cette liste ne signifie pas que tous les dispositifs offrent exactement le même niveau de réduction contre toutes ces espèces.

Les résultats doivent être vérifiés à partir d’essais microbiologiques réalisés sur le système concerné.

Pourquoi une bactérie ne traverse-t-elle pas simplement en se déformant ?

Certaines cellules biologiques peuvent se déformer.

Cependant, une bactérie ne peut généralement pas traverser un passage plusieurs dizaines de fois plus petit que son diamètre sans être fortement endommagée.

La structure cellulaire, la paroi et la membrane biologique imposent des limites physiques.

Lorsqu’une bactérie est nettement plus grande que le plus grand passage disponible, sa rétention est donc généralement élevée.

Les bactéries les plus petites

Certaines bactéries présentent des dimensions plus faibles que la moyenne.

Elles peuvent notamment appartenir à des groupes possédant :

• des cellules naturellement petites ;
• des formes très fines ;
• une grande souplesse ;
• des états physiologiques particuliers ;
• des cellules ayant subi un stress environnemental.

Une membrane autour de 0,01 µm reste néanmoins généralement bien plus fine que les dimensions cellulaires de la plupart des bactéries.

Les principaux risques de passage sont donc souvent davantage liés :

• à un défaut d’intégrité ;
• à une fissure ;
• à une fibre rompue ;
• à un joint défectueux ;
• à un contournement de la membrane ;
• à une contamination après filtration.

Les spores bactériennes

Certaines bactéries peuvent former des spores très résistantes aux conditions environnementales.

Ces structures restent généralement bien plus grandes que les pores d’une membrane d’ultrafiltration.

Elles peuvent donc être retenues physiquement.

Leur grande résistance aux traitements chimiques ou thermiques ne leur permet pas de traverser une barrière plus petite que leurs dimensions.

Les fragments de bactéries

Une cellule bactérienne entière peut être retenue tandis que certains de ses fragments plus petits peuvent traverser.

Cela peut notamment concerner :

• des composants de membrane cellulaire ;
• des protéines ;
• des molécules organiques ;
• des fragments d’acides nucléiques ;
• des toxines libérées.

L’ultrafiltration sépare donc efficacement les cellules entières sans nécessairement retirer toutes les molécules qu’elles ont produites ou libérées.

Les endotoxines

Les endotoxines sont des composants provenant notamment de la membrane externe de certaines bactéries.

Elles peuvent être présentes :

• sous forme d’agrégats ;
• associées à des fragments cellulaires ;
• liées à des particules ;
• sous des formes plus dispersées.

Les formes les plus grandes peuvent être retenues par certaines membranes d’ultrafiltration.

Les formes plus petites ou désagrégées peuvent traverser selon le seuil de coupure.

Les biofilms

Un biofilm est une communauté de micro-organismes fixés sur une surface et enveloppés dans une matrice protectrice.

Les fragments de biofilm peuvent présenter des tailles très variables.

Les agrégats importants sont retenus par l’ultrafiltration.

Des cellules détachées peuvent également être retenues lorsqu’elles sont plus grandes que les pores.

En revanche, certaines substances dissoutes produites par le biofilm peuvent traverser.

Par ailleurs, un biofilm peut se développer directement sur la membrane si le système est mal entretenu.

Les amibes

Les amibes sont généralement beaucoup plus grandes que les bactéries.

Leurs formes actives et leurs kystes présentent des dimensions largement supérieures aux pores d’une membrane d’ultrafiltration.

Elles sont donc généralement très fortement retenues.

Certaines amibes peuvent cependant héberger des bactéries ou des virus.

La rétention de l’amibe entière peut alors entraîner la rétention indirecte des micro-organismes qu’elle contient.

Les virus

Les virus représentent l’une des questions les plus complexes en ultrafiltration.

Ils sont beaucoup plus petits que les bactéries et présentent une très grande diversité de tailles, de formes et de propriétés.

Certains virus sont sensiblement plus grands que les pores annoncés d’une membrane d’ultrafiltration fine.

D’autres possèdent des dimensions proches du seuil de séparation.

Certains peuvent être suffisamment petits pour traverser une partie de la distribution des pores.

Quelle taille possèdent les virus présents dans l’eau ?

Les dimensions varient selon les familles.

Certains petits virus entériques peuvent présenter une taille proche de quelques dizaines de nanomètres.

D’autres peuvent atteindre ou dépasser une centaine de nanomètres.

Ces dimensions sont des ordres de grandeur et ne suffisent pas à prédire exactement le comportement d’un virus.

La forme, la charge électrique, les agrégats et les interactions avec la membrane peuvent modifier la rétention.

Pourquoi certains virus sont-ils retenus alors qu’ils semblent plus petits que les pores ?

Plusieurs mécanismes peuvent expliquer une réduction supérieure à celle attendue à partir de la taille seule.

L’association à des particules

Un virus peut se fixer sur :

• de l’argile ;
• des matières organiques ;
• des fragments cellulaires ;
• des colloïdes ;
• des microplastiques ;
• d’autres micro-organismes.

L’ensemble devient alors plus grand que le virus libre et peut être plus facilement retenu.

L’agrégation virale

Plusieurs particules virales peuvent s’agréger.

L’amas formé possède alors une taille supérieure à celle d’un virus isolé.

L’adsorption sur la membrane

Certaines particules virales peuvent adhérer temporairement au matériau membranaire.

Cette adsorption dépend notamment :

• de la charge électrique du virus ;
• de la charge de la membrane ;
• du pH ;
• de la salinité ;
• des matières organiques présentes ;
• de la composition du matériau.

La couche de colmatage

Les dépôts accumulés à la surface peuvent former une barrière secondaire plus fine que la membrane propre.

Cette couche peut augmenter temporairement la rétention de certains virus.

Elle réduit toutefois également le débit et peut évoluer au cours du temps.

Pourquoi certains virus peuvent-ils traverser ?

Plusieurs raisons peuvent expliquer un passage viral.

• le virus est plus petit que certains pores ;
• la membrane possède une distribution de tailles ;
• un pore anormalement grand est présent ;
• une fibre est fissurée ;
• un joint laisse passer de l’eau non filtrée ;
• le virus ne s’adsorbe pas sur le matériau ;
• la pression favorise le passage de particules proches du seuil ;
• la membrane a été endommagée par le gel ou un produit chimique.

Les virus enveloppés et non enveloppés

Certains virus possèdent une enveloppe lipidique, tandis que d’autres n’en possèdent pas.

Cette différence influence :

• leur stabilité dans l’environnement ;
• leur sensibilité à certains désinfectants ;
• leurs interactions avec les surfaces ;
• leur tendance à s’agréger ;
• leur comportement face à une membrane.

Toutefois, la présence d’une enveloppe ne permet pas à elle seule de prédire précisément la rétention par ultrafiltration.

Comment exprime-t-on la réduction virale ?

Les résultats sont souvent exprimés en réduction logarithmique.

Une réduction de :

• 1 log correspond à une réduction de 90 % ;
• 2 log correspondent à une réduction de 99 % ;
• 3 log correspondent à une réduction de 99,9 % ;
• 4 log correspondent à une réduction de 99,99 % ;
• 5 log correspondent à une réduction de 99,999 % ;
• 6 log correspondent à une réduction de 99,9999 %.

Une réduction très élevée ne signifie pas nécessairement une absence totale de virus.

Le résultat dépend également de la concentration initiale dans l’eau brute.

Les bactériophages utilisés lors des essais

Certains tests utilisent des bactériophages comme organismes modèles.

Les bactériophages sont des virus qui infectent les bactéries.

Ils peuvent être choisis en raison :

• de leur petite taille ;
• de leur stabilité ;
• de leur facilité de culture ;
• de leur utilisation plus pratique en laboratoire ;
• de leur capacité à représenter un défi pour la membrane.

La performance obtenue contre un phage donné ne doit toutefois pas être automatiquement appliquée à tous les virus sans examiner le protocole.

Les microplastiques

Les microplastiques sont généralement définis comme des particules plastiques mesurant moins de quelques millimètres.

Ils couvrent donc une plage de tailles extrêmement large.

Une membrane d’ultrafiltration peut retenir efficacement :

• les fragments plastiques visibles au microscope ;
• les fibres synthétiques ;
• les microbilles ;
• les particules nettement supérieures au seuil de la membrane ;
• certains agrégats de particules plus fines.

Les nanoplastiques

Les nanoplastiques correspondent aux particules plastiques les plus petites.

Leur définition exacte peut varier selon les sources et les méthodes d’analyse.

Certains nanoplastiques peuvent être plus grands que les pores d’une membrane d’ultrafiltration et être retenus.

D’autres peuvent être proches du seuil ou suffisamment petits pour traverser.

Leur comportement dépend également :

• de leur forme ;
• de leur charge électrique ;
• de leur tendance à s’agréger ;
• de leur association à des matières organiques ;
• du matériau de la membrane ;
• des conditions hydrauliques.

Les fibres textiles

Les fibres issues de textiles synthétiques peuvent être longues et fines.

Même lorsque leur diamètre est réduit, leur longueur facilite généralement leur interception par la membrane.

Elles peuvent toutefois s’enchevêtrer à la surface et participer au colmatage.

Le pollen

Les grains de pollen sont très grands par rapport aux pores d’une membrane d’ultrafiltration.

Ils sont donc très facilement retenus.

Les fragments de pollen peuvent également être retenus lorsqu’ils restent suffisamment volumineux.

La rouille

La rouille présente dans l’eau se trouve souvent sous forme de particules ou de flocons.

Ces éléments sont généralement retenus par l’ultrafiltration.

En revanche, le fer totalement dissous sous forme ionique traverse la membrane.

Il peut ensuite s’oxyder et former de nouvelles particules après la filtration si les conditions s’y prêtent.

Le manganèse

Le manganèse peut lui aussi être présent sous forme dissoute ou particulaire.

Sous forme de particules ou de précipités, il peut être retenu.

Sous forme dissoute, il traverse généralement la membrane.

Le plomb et les autres métaux

Les métaux peuvent être présents dans l’eau sous plusieurs formes :

• ions dissous ;
• particules de corrosion ;
• précipités minéraux ;
• complexes organiques ;
• métaux adsorbés sur des particules.

L’ultrafiltration peut retenir les formes particulaires ou liées à des colloïdes.

Elle ne retient généralement pas les ions métalliques dissous.

Les matières organiques naturelles

Les matières organiques naturelles regroupent une grande diversité de composés issus des sols, des végétaux et de l’activité biologique.

Elles peuvent être présentes sous forme :

• de grosses particules ;
• de colloïdes ;
• de macromolécules ;
• de petites molécules dissoutes.

L’ultrafiltration retient généralement mieux :

• les particules organiques ;
• les agrégats ;
• les colloïdes ;
• certaines macromolécules.

Les molécules organiques les plus petites peuvent traverser.

Les protéines

Les protéines sont des macromolécules dont la taille et la masse varient fortement.

Certaines peuvent être retenues par une membrane d’ultrafiltration, notamment lorsque leur masse moléculaire dépasse le seuil de coupure.

Leur comportement dépend également :

• de leur forme ;
• de leur degré d’agrégation ;
• de leur charge ;
• du pH ;
• de leur interaction avec la membrane.

Cette propriété explique l’utilisation de l’ultrafiltration dans certaines industries alimentaires, pharmaceutiques et biotechnologiques.

Les enzymes

De nombreuses enzymes sont des protéines.

Elles peuvent donc être retenues selon leur taille et le seuil de coupure de la membrane.

Certaines applications industrielles utilisent précisément l’ultrafiltration pour concentrer ou séparer des enzymes.

Les polysaccharides

Les polysaccharides sont de grandes molécules constituées de chaînes de sucres.

Certains peuvent être retenus par ultrafiltration, notamment lorsqu’ils sont volumineux, ramifiés ou agrégés.

D’autres, de plus faible masse moléculaire, peuvent traverser.

L’ADN et l’ARN

Les acides nucléiques peuvent présenter des tailles très variables.

Les longues chaînes, les fragments associés à des cellules ou les agrégats peuvent être retenus.

Des fragments très courts peuvent traverser selon le seuil de coupure.

Retenir une bactérie ou un virus entier ne garantit donc pas nécessairement l’élimination de tous les fragments de matériel génétique présents dans l’eau.

Les prions

Les prions sont des protéines anormalement conformées.

Leur rétention dépend :

• de leur état d’agrégation ;
• de leur association à des particules ;
• du seuil de coupure ;
• du matériau membranaire ;
• des conditions du procédé.

L’ultrafiltration seule ne doit pas être considérée comme une solution universelle contre ce type d’agent sans protocole spécialisé.

Les huiles et les graisses

Les huiles peuvent être présentes sous forme de gouttelettes dispersées dans l’eau.

Les gouttelettes suffisamment grandes peuvent être retenues par ultrafiltration.

Cette application est utilisée dans certains traitements industriels.

Les huiles et graisses peuvent toutefois colmater fortement la membrane et nécessiter un nettoyage adapté.

Les émulsions

Une émulsion est un mélange dans lequel de fines gouttelettes d’un liquide sont dispersées dans un autre.

L’ultrafiltration peut séparer certaines émulsions lorsque les gouttelettes sont plus grandes que les passages de la membrane.

Cette capacité est utilisée dans certains procédés agroalimentaires, métallurgiques ou industriels.

Les colorants

Le comportement des colorants dépend de leur forme.

Un pigment particulaire ou un colorant associé à une grosse molécule peut être retenu.

Une petite molécule colorée totalement dissoute peut traverser.

Une eau peut donc rester colorée après ultrafiltration si la couleur provient de molécules dissoutes.

Les odeurs et les goûts

Les goûts et les odeurs proviennent souvent de molécules dissoutes beaucoup plus petites que les pores de l’ultrafiltration.

La membrane peut améliorer indirectement l’eau en retirant :

• des algues ;
• des matières organiques particulaires ;
• des micro-organismes ;
• certains colloïdes.

Elle agit cependant peu sur :

• le chlore dissous ;
• les petites molécules odorantes ;
• certains composés organiques volatils ;
• les goûts minéraux ;
• la majorité des substances totalement dissoutes.

Le charbon actif reste généralement plus adapté pour cibler ces composés.

Le chlore

Le chlore utilisé pour désinfecter l’eau du réseau est présent sous forme dissoute.

Ses espèces chimiques sont beaucoup trop petites pour être retenues par une membrane d’ultrafiltration.

L’ultrafiltration seule ne réduit donc généralement pas de manière significative le chlore.

Les nitrates et les nitrites

Les nitrates et les nitrites sont des ions dissous.

Ils traversent les membranes d’ultrafiltration.

Cette technologie ne permet donc pas de traiter une contamination en nitrates.

Les pesticides

La plupart des pesticides présents sous forme dissoute possèdent des dimensions moléculaires bien inférieures au seuil de l’ultrafiltration.

Ils traversent généralement la membrane.

Une partie peut être retenue indirectement lorsque les molécules sont :

• adsorbées sur des particules ;
• liées à des colloïdes ;
• associées à des matières organiques de grande taille.

Cette rétention indirecte reste variable et ne constitue pas une garantie générale contre les pesticides.

Les médicaments et les résidus pharmaceutiques

La majorité des molécules pharmaceutiques sont trop petites pour être retenues efficacement par ultrafiltration.

Elles peuvent traverser la membrane sous forme dissoute.

Certaines peuvent néanmoins être partiellement retenues :

• si elles s’adsorbent sur la membrane ;
• si elles sont liées à des matières organiques ;
• si elles forment des agrégats ;
• si elles sont associées à des particules.

Cette rétention dépend fortement de la molécule et des conditions.

Les hormones

Les hormones naturelles ou synthétiques sont généralement présentes sous forme de petites molécules dissoutes.

Elles peuvent traverser une membrane d’ultrafiltration.

Des procédés complémentaires sont nécessaires lorsqu’un objectif spécifique de réduction de ces molécules est recherché.

Les PFAS

Les PFAS regroupent une famille très vaste de substances fluorées.

La plupart sont présentes dans l’eau sous forme dissoute et possèdent des dimensions bien inférieures au seuil de l’ultrafiltration.

Elles traversent donc généralement la membrane.

L’ultrafiltration peut éventuellement retenir une fraction associée à des particules ou à des matières organiques, mais elle n’est pas considérée comme une solution principale de réduction des PFAS dissous.

Les solvants et les composés organiques volatils

Les solvants et les composés organiques volatils sont de petites molécules.

Ils traversent généralement une membrane d’ultrafiltration.

Certains peuvent également endommager les matériaux de la membrane, les joints ou les colles.

Les hydrocarbures

Les hydrocarbures peuvent être présents :

• sous forme de film ;
• sous forme de gouttelettes ;
• adsorbés sur des particules ;
• sous forme dissoute.

Les gouttelettes et les fractions associées à des particules peuvent être partiellement retenues.

Les molécules dissoutes traversent généralement.

La présence d’hydrocarbures peut également dégrader ou colmater le système.

Les sels minéraux

Le calcium, le magnésium, le sodium, le potassium, les bicarbonates et les chlorures traversent généralement l’ultrafiltration.

La minéralisation globale de l’eau reste donc largement conservée.

Le calcaire

Le calcaire dissous correspond principalement à la présence d’ions calcium et magnésium.

Ces ions sont trop petits pour être retenus.

L’ultrafiltration n’adoucit donc pas l’eau.

Elle peut toutefois retenir certaines particules de carbonate de calcium déjà formées.

La salinité

Le sodium et les chlorures dissous traversent la membrane.

L’ultrafiltration ne réduit donc pas significativement la salinité.

Elle ne permet pas de transformer une eau de mer en eau potable.

La conductivité

La conductivité électrique de l’eau dépend principalement de la quantité d’ions dissous.

Puisque ces ions traversent l’ultrafiltration, la conductivité varie généralement peu.

Une forte baisse de turbidité peut donc s’accompagner d’une conductivité presque inchangée.

Le pH

L’ultrafiltration ne constitue pas un procédé destiné à corriger le pH.

Les ions responsables de l’acidité ou de l’alcalinité traversent généralement la membrane.

Le pH de l’eau reste donc habituellement proche de sa valeur initiale.

Tableau complet de rétention par ultrafiltration

Rétention théorique et rétention réelle

La comparaison entre la taille d’un contaminant et la taille annoncée des pores permet d’établir une première estimation.

Elle ne suffit cependant pas à prévoir exactement la performance réelle.

La rétention peut être influencée par :

• la distribution des pores ;
• la présence d’un pore anormalement grand ;
• la forme du contaminant ;
• sa flexibilité ;
• sa charge électrique ;
• les matières organiques présentes ;
• le pH ;
• la salinité ;
• la pression ;
• le colmatage ;
• l’âge de la membrane.

La pression peut-elle forcer un contaminant à traverser ?

Une pression plus élevée augmente la force appliquée au liquide.

Pour un contaminant beaucoup plus grand que les pores, elle ne suffit généralement pas à le faire traverser une membrane intacte.

En revanche, elle peut :

• déformer certaines particules proches du seuil ;
• accentuer la pénétration dans les pores ;
• compacter la couche de dépôt ;
• endommager une membrane fragilisée ;
• déplacer un joint ;
• aggraver une fissure existante.

Le respect de la pression maximale est donc essentiel.

Le colmatage améliore-t-il la filtration ?

La couche accumulée à la surface peut réduire la taille effective des passages.

Elle peut donc augmenter temporairement la rétention de certains contaminants proches du seuil.

Cette amélioration apparente s’accompagne cependant :

• d’une baisse du débit ;
• d’une hausse de pression ;
• d’un risque de biofilm ;
• d’une instabilité des performances ;
• d’une difficulté de nettoyage.

Le colmatage ne doit donc pas être recherché comme une méthode normale d’amélioration de la filtration.

Que se passe-t-il si une fibre est rompue ?

Une fibre creuse endommagée peut créer un passage direct entre le côté de l’eau brute et celui de l’eau filtrée.

L’eau peut alors contourner la couche sélective.

Une rupture peut être provoquée par :

• le gel ;
• un choc ;
• une surpression ;
• un défaut de fabrication ;
• un nettoyage chimique incompatible ;
• le vieillissement ;
• une mauvaise manipulation.

L’importance des tests d’intégrité

Dans les installations professionnelles, l’intégrité de la membrane peut être vérifiée par différentes méthodes.

Ces tests cherchent à détecter :

• les fibres rompues ;
• les fissures ;
• les pores anormalement grands ;
• les défauts de joints ;
• les problèmes d’assemblage.

Parmi les méthodes utilisées figurent :

• le test de maintien en pression ;
• le test du point de bulle ;
• la mesure de diffusion d’air ;
• la détection de particules en sortie ;
• le suivi de la turbidité ;
• les essais microbiologiques.

Pourquoi les essais sur le dispositif complet sont-ils essentiels ?

Une membrane peut posséder d’excellentes propriétés en laboratoire, mais le produit final comprend également :

• un boîtier ;
• des joints ;
• des embouts ;
• des colles ;
• des connexions ;
• des tuyaux ;
• des éléments de maintien ;
• éventuellement d’autres médias filtrants.

Un défaut sur l’un de ces éléments peut permettre un contournement de la membrane.

Les résultats obtenus avec le système complet sont donc plus représentatifs de l’usage réel.

FAQ sur la rétention par ultrafiltration

Résumé : ce que l’ultrafiltration retient réellement

L’ultrafiltration constitue ainsi une barrière très performante contre les contaminants particulaires et de nombreux micro-organismes.

Sa finesse permet d’obtenir une protection généralement supérieure à celle de la microfiltration classique, notamment contre les bactéries et certaines particules très fines.

Elle ne transforme toutefois pas une membrane physique en solution universelle contre les contaminants dissous.

Pour comprendre précisément cette frontière, il faut maintenant examiner en détail ce que l’ultrafiltration ne retire pas, les raisons de ces limites et les technologies qui peuvent la compléter.

6.3 Ce que l’ultrafiltration ne retire pas

L’ultrafiltration constitue une excellente barrière contre les particules, les colloïdes et de nombreux micro-organismes.

En revanche, comme toutes les technologies de filtration membranaire, elle possède également des limites physiques qu'il est important de comprendre.

Ces limites ne traduisent pas un défaut de la technologie. Elles sont simplement la conséquence directe du principe même de l’ultrafiltration.

Pourquoi certaines molécules traversent-elles la membrane ?

Lorsque l'on parle d'une membrane de 0,01 µm, cela correspond à environ 10 nanomètres.

Or, la majorité des molécules dissoutes présentes naturellement dans l'eau possèdent des dimensions de quelques dixièmes de nanomètre seulement.

Elles sont donc plusieurs dizaines, voire plusieurs centaines de fois plus petites que les passages disponibles.

Elles circulent donc avec les molécules d'eau sans être arrêtées.

Les sels minéraux

Les principaux sels minéraux naturellement présents dans l'eau traversent généralement une membrane d’ultrafiltration.

Cela concerne notamment :

• le calcium ;
• le magnésium ;
• le sodium ;
• le potassium ;
• les chlorures ;
• les bicarbonates ;
• les sulfates.

Ces éléments sont présents sous forme d'ions dissous extrêmement petits.

Ils ne peuvent donc pas être séparés par une membrane d’ultrafiltration classique.

Pourquoi est-ce plutôt une bonne nouvelle ?

Contrairement à une idée reçue, tous les minéraux présents dans l'eau ne sont pas des contaminants.

Une eau naturellement minéralisée conserve notamment :

• son goût ;
• sa composition naturelle ;
• ses ions calcium ;
• ses ions magnésium ;
• une conductivité proche de celle d'origine.

L’ultrafiltration permet donc généralement de préserver la minéralisation naturelle de l'eau.

Le calcaire

Le calcaire est probablement l'une des questions les plus fréquentes.

Pourtant, le terme "calcaire" désigne plusieurs réalités différentes.

Le calcaire dissous

Dans l'eau potable, le calcaire correspond principalement à la présence d'ions calcium et magnésium.

Ces ions sont totalement dissous.

Ils traversent donc la membrane.

Le tartre déjà précipité

Lorsque le carbonate de calcium a déjà précipité sous forme de petites particules solides, celles-ci peuvent être retenues.

Il faut donc distinguer :

• les ions dissous ;
• les particules solides.

Les nitrates

Les nitrates constituent une pollution agricole importante dans certaines régions.

Ils sont présents sous forme d'ions dissous extrêmement petits.

Ils traversent donc les membranes d’ultrafiltration.

Une ultrafiltration ne permet donc pas de traiter une eau dépassant les limites réglementaires en nitrates.

Les nitrites

Les nitrites possèdent un comportement très proche de celui des nitrates.

Là encore, leur très faible taille leur permet de traverser la membrane.

Le sodium

Le sodium est présent sous forme ionique.

Son diamètre hydraté reste très inférieur au seuil d'une membrane d’ultrafiltration.

Il traverse donc librement.

Les chlorures

Les chlorures responsables de la salinité sont eux aussi des ions dissous.

Ils traversent donc l’ultrafiltration.

L'eau de mer peut-elle être dessalée ?

Non.

Même si l’ultrafiltration élimine efficacement les particules et les micro-organismes présents dans l'eau de mer, les sels dissous restent pratiquement inchangés.

Le dessalement nécessite des procédés beaucoup plus fins comme l'osmose inverse.

Les sections suivantes examineront en détail les autres familles de contaminants dissous : métaux, pesticides, PFAS, résidus pharmaceutiques, hormones et composés organiques.

6.3B Les contaminants chimiques dissous que l’ultrafiltration ne retire pas efficacement

L’une des principales limites de l’ultrafiltration concerne les contaminants chimiques présents sous forme dissoute.

Contrairement aux particules, aux bactéries ou aux protozoaires, ces substances ne forment pas nécessairement des éléments solides visibles ou suffisamment volumineux pour être arrêtés mécaniquement.

Elles sont dispersées dans l’eau à l’échelle moléculaire ou ionique.

Leur taille est généralement très inférieure aux pores d’une membrane d’ultrafiltration.

La forme chimique du contaminant est déterminante

Un même contaminant peut être présent dans l’eau sous plusieurs formes.

Il peut notamment être :

• dissous sous forme ionique ;
• dissous sous forme moléculaire ;
• lié à une matière organique ;
• adsorbé sur une particule d’argile ;
• fixé sur un fragment de rouille ;
• intégré à un colloïde ;
• présent sous forme de précipité solide ;
• contenu dans un micro-organisme ou une cellule.

Ces différentes formes ne se comportent pas de la même manière face à une membrane.

La fraction particulaire peut être retenue tandis que la fraction dissoute traverse.

Les métaux lourds et les éléments traces métalliques

L’expression « métaux lourds » est couramment utilisée pour désigner plusieurs éléments métalliques susceptibles de présenter un risque à certaines concentrations.

Parmi les substances fréquemment recherchées dans l’eau figurent notamment :

• le plomb ;
• le mercure ;
• le cadmium ;
• l’arsenic, bien qu’il s’agisse chimiquement d’un métalloïde ;
• le chrome ;
• le nickel ;
• le cuivre ;
• le manganèse ;
• le fer ;
• l’aluminium.

L’efficacité de l’ultrafiltration dépend essentiellement de la forme sous laquelle chacun de ces éléments est présent.

Les métaux sous forme dissoute

Lorsqu’un métal est présent sous forme d’ion dissous, il est beaucoup trop petit pour être retenu mécaniquement par une membrane d’ultrafiltration.

Il traverse donc généralement avec l’eau.

Cela concerne notamment :

• les ions plomb dissous ;
• les ions cuivre dissous ;
• les ions nickel dissous ;
• certaines formes dissoutes du chrome ;
• certaines formes dissoutes de l’arsenic ;
• les ions cadmium ;
• les ions mercure sous certaines formes.

Les métaux sous forme particulaire

Un métal peut également être présent dans une particule de corrosion, un précipité minéral ou un colloïde.

Dans ce cas, la taille apparente de l’ensemble peut devenir suffisamment importante pour être retenue par la membrane.

Une ultrafiltration peut donc réduire :

• des fragments de canalisation contenant du plomb ;
• des particules de rouille contenant du fer ;
• des précipités de manganèse ;
• des oxydes métalliques ;
• des métaux adsorbés sur de l’argile ;
• des métaux liés à des colloïdes organiques.

Le plomb

Le plomb peut pénétrer dans l’eau principalement au contact de certains éléments de plomberie, de canalisations anciennes, de raccords ou de matériaux contenant ce métal.

Il peut être présent :

• sous forme d’ions dissous ;
• sous forme de particules de corrosion ;
• fixé sur des dépôts ;
• associé à des matières en suspension.

La membrane peut retenir les particules contenant du plomb.

En revanche, les ions dissous traversent généralement.

Le taux réel de réduction peut donc varier selon :

• le pH de l’eau ;
• sa minéralisation ;
• le temps de contact avec les canalisations ;
• la corrosion du réseau intérieur ;
• la proportion de plomb dissous et particulaire ;
• la présence éventuelle d’un média complémentaire.

Pourquoi une eau claire peut-elle contenir du plomb ?

Le plomb dissous est invisible.

Une eau peut donc être parfaitement transparente tout en contenant des ions de plomb.

L’apparence de l’eau ne permet pas de détecter ce type de contamination.

L’arsenic

L’arsenic peut être naturellement présent dans certaines ressources souterraines ou provenir de certaines activités humaines.

Dans l’eau, il est généralement présent sous forme dissoute.

Ses espèces chimiques sont largement plus petites que les pores d’une membrane d’ultrafiltration.

L’ultrafiltration seule ne permet donc généralement pas une réduction suffisante de l’arsenic dissous.

Une rétention peut être améliorée si l’arsenic est préalablement :

• oxydé ;
• adsorbé sur un média ;
• coagulé ;
• précipité avec du fer ;
• transformé en particules plus grandes.

Dans ce type de système, l’ultrafiltration sert alors surtout à retenir les particules formées lors du prétraitement.

Le mercure

Le mercure peut exister sous plusieurs formes chimiques.

Certaines formes sont dissoutes, tandis que d’autres peuvent être liées à des particules ou à des matières organiques.

La fraction dissoute traverse généralement une membrane d’ultrafiltration.

Les formes particulaires peuvent être retenues, mais cette rétention ne permet pas de garantir l’élimination globale du mercure présent dans l’eau.

Le cadmium

Le cadmium dissous se trouve sous forme ionique.

Ses ions sont beaucoup trop petits pour être retenus par ultrafiltration.

Une éventuelle réduction concerne principalement le cadmium lié à des particules, des précipités ou des colloïdes.

Le chrome

Le chrome peut être présent sous différentes formes d’oxydation, qui ne possèdent pas les mêmes propriétés chimiques.

Les formes dissoutes traversent généralement la membrane.

Les particules contenant du chrome peuvent être retenues si elles sont plus grandes que les pores.

Le traitement du chrome dissous nécessite donc une technologie ou un prétraitement adapté à la forme chimique présente.

Le nickel

Le nickel peut provenir de certaines installations métalliques, de rejets industriels ou de formations géologiques.

Sous forme ionique dissoute, il traverse l’ultrafiltration.

Les formes fixées sur des particules peuvent en revanche être partiellement retenues.

Le cuivre

Le cuivre peut provenir de la corrosion des tuyauteries ou de certaines installations domestiques.

Il peut être présent sous forme :

• d’ions dissous ;
• de particules de corrosion ;
• de précipités ;
• de complexes organiques.

Les ions dissous traversent.

Les particules solides peuvent être retenues.

Le fer

Le fer est souvent visible lorsqu’il s’oxyde et forme des particules orangées ou brunes.

L’ultrafiltration retient efficacement :

• les particules de rouille ;
• les oxydes de fer ;
• certains précipités ;
• les flocs contenant du fer.

En revanche, le fer encore dissous traverse généralement.

Il peut s’oxyder après la filtration et former de nouvelles particules au contact de l’air.

Le manganèse

Comme le fer, le manganèse peut exister sous forme dissoute ou oxydée.

Les précipités et les particules peuvent être retenus.

Le manganèse dissous traverse généralement la membrane.

L’aluminium

L’aluminium peut être présent naturellement ou provenir de certains traitements de l’eau.

Il peut exister sous forme :

• d’ions dissous ;
• de précipités ;
• de flocs ;
• de colloïdes.

Les formes particulaires peuvent être retenues.

Les formes totalement dissoutes traversent généralement.

Tableau des métaux face à l’ultrafiltration

Les pesticides

Le terme pesticide regroupe de très nombreuses substances utilisées pour lutter contre des organismes considérés comme indésirables.

Il peut s’agir notamment :

• d’herbicides ;
• d’insecticides ;
• de fongicides ;
• de régulateurs de croissance ;
• de produits de traitement des cultures ;
• de leurs produits de dégradation.

La majorité de ces substances est présente dans l’eau sous forme moléculaire dissoute.

Leurs dimensions sont très inférieures à celles des pores d’une membrane d’ultrafiltration.

Elles traversent donc généralement.

Pourquoi une réduction partielle peut-elle parfois être observée ?

Une partie d’un pesticide peut être retenue lorsqu’elle est :

• adsorbée sur des particules de sol ;
• fixée sur de l’argile ;
• liée à des matières organiques naturelles ;
• associée à des colloïdes ;
• présente dans des gouttelettes ou des agrégats.

La membrane retient alors le support particulaire, et non nécessairement la molécule elle-même.

Cette fraction varie selon :

• le pesticide concerné ;
• sa solubilité ;
• son affinité pour les matières organiques ;
• le pH ;
• la composition de l’eau ;
• la quantité de particules présentes.

Les herbicides

Les herbicides sont destinés à contrôler les végétaux indésirables.

Leurs molécules dissoutes traversent généralement l’ultrafiltration.

Il en va de même pour de nombreux produits de transformation issus de leur dégradation dans les sols ou dans l’eau.

Certains métabolites peuvent être encore plus petits et plus mobiles que la molécule d’origine.

Les insecticides

Les insecticides couvrent une grande diversité chimique.

La majorité des molécules dissoutes est trop petite pour être retenue par exclusion de taille.

Une adsorption temporaire sur la membrane peut parfois se produire, mais elle ne constitue pas une garantie durable.

Les fongicides

Les fongicides dissous traversent généralement la membrane.

Une fraction associée à des matières en suspension peut être retenue, mais cette réduction reste dépendante de la composition de l’eau.

Les métabolites de pesticides

Lorsqu’un pesticide se dégrade, il peut produire de nouvelles molécules appelées métabolites ou produits de transformation.

Ces substances peuvent être :

• plus petites que la molécule initiale ;
• plus solubles ;
• plus mobiles dans les sols ;
• plus persistantes dans l’eau ;
• plus difficiles à adsorber.

Elles traversent généralement une membrane d’ultrafiltration.

Les PFAS

Les PFAS regroupent plusieurs milliers de substances perfluorées et polyfluorées.

Elles sont utilisées ou ont été utilisées dans de nombreuses applications en raison de leurs propriétés particulières.

Elles peuvent notamment être associées :

• aux revêtements antiadhésifs ;
• aux textiles déperlants ;
• à certaines mousses anti-incendie ;
• aux emballages ;
• à certaines applications industrielles ;
• à des traitements de surface.

Dans l’eau, les PFAS sont généralement présents sous forme dissoute.

Leurs molécules sont bien plus petites que les pores de l’ultrafiltration.

Elles traversent donc généralement la membrane.

Les PFAS à chaîne longue et à chaîne courte

Les PFAS ne se comportent pas tous de la même manière.

Certains possèdent des chaînes plus longues et présentent une plus grande affinité pour certaines surfaces ou matières organiques.

D’autres, à chaîne plus courte, restent plus mobiles dans l’eau et peuvent être plus difficiles à adsorber.

Cette différence influence surtout leur comportement face au charbon actif, aux résines ou à d’autres médias.

Elle ne rend pas l’ultrafiltration seule suffisamment fine pour les retenir mécaniquement.

Une partie des PFAS peut-elle être retenue indirectement ?

Une petite fraction peut être associée :

• à des particules ;
• à des colloïdes ;
• à des matières organiques ;
• à des boues ;
• à des microplastiques.

Cette fraction peut être retenue avec son support.

La majorité des PFAS dissous traverse néanmoins.

Les résidus de médicaments

Les résidus pharmaceutiques peuvent provenir :

• de l’excrétion humaine ou animale ;
• de médicaments jetés de manière inappropriée ;
• de rejets hospitaliers ;
• de certaines activités industrielles ;
• de traitements vétérinaires ;
• de l’épandage de matières organiques.

Ces résidus regroupent de nombreuses molécules différentes :

• antalgiques ;
• anti-inflammatoires ;
• antibiotiques ;
• antidépresseurs ;
• antiépileptiques ;
• régulateurs cardiovasculaires ;
• produits de contraste ;
• métabolites pharmaceutiques.

La majorité de ces molécules est trop petite pour être retenue par ultrafiltration.

Elles traversent donc généralement.

Pourquoi certaines molécules semblent-elles partiellement retenues ?

Une réduction partielle peut être observée lorsque la molécule :

• s’adsorbe sur le matériau de la membrane ;
• se fixe sur la couche de colmatage ;
• se lie à une matière organique de grande taille ;
• se trouve intégrée à un agrégat ;
• est portée par une particule.

Cette rétention peut être temporaire.

Lorsque les sites d’adsorption sont saturés ou que les conditions chimiques changent, la molécule peut être relarguée.

Les antibiotiques

Les antibiotiques présents sous forme dissoute traversent généralement les membranes d’ultrafiltration.

Certains peuvent s’adsorber partiellement sur des matières organiques ou sur la membrane.

Cette adsorption varie selon :

• la molécule ;
• son état de charge ;
• le pH ;
• la salinité ;
• le matériau membranaire ;
• la présence de matières organiques.

L’ultrafiltration seule n’est donc pas considérée comme une solution universelle contre les antibiotiques dissous.

Les hormones

Les hormones naturelles et synthétiques sont de petites molécules organiques.

Elles peuvent provenir :

• des rejets humains et animaux ;
• de certains médicaments ;
• de traitements hormonaux ;
• de certaines activités d’élevage ;
• des eaux usées insuffisamment traitées.

Leur taille est largement inférieure au seuil de l’ultrafiltration.

Elles traversent donc généralement la membrane.

Les perturbateurs endocriniens

L’expression « perturbateurs endocriniens » ne correspond pas à une seule famille chimique.

Elle désigne des substances capables d’interagir avec le système hormonal selon leur nature et le niveau d’exposition.

Parmi les substances pouvant être concernées figurent :

• certaines hormones ;
• certains plastifiants ;
• certains pesticides ;
• certains composés industriels ;
• certains résidus pharmaceutiques ;
• certains produits de dégradation.

La plupart sont de petites molécules dissoutes.

Elles traversent donc généralement l’ultrafiltration.

Le bisphénol A et les bisphénols apparentés

Les bisphénols sont de petites molécules organiques.

Lorsqu’ils sont dissous dans l’eau, ils traversent généralement une membrane d’ultrafiltration.

Une adsorption partielle peut parfois se produire, mais elle dépend du matériau et ne constitue pas une barrière fiable à long terme.

Les phtalates

Les phtalates peuvent être présents sous forme dissoute ou associés à des particules et des matières organiques.

La fraction particulaire peut être retenue.

La fraction moléculaire dissoute traverse généralement.

Les solvants

Les solvants sont des composés capables de dissoudre d’autres substances.

Ils peuvent provenir :

• d’activités industrielles ;
• de produits de nettoyage ;
• de peintures ;
• de dégraissants ;
• de carburants ;
• de décharges ou de sols contaminés.

La majorité des solvants sont constitués de petites molécules.

Ils traversent donc l’ultrafiltration.

Un solvant peut-il endommager la membrane ?

Oui.

Certains solvants peuvent :

• faire gonfler un polymère ;
• dissoudre certaines colles ;
• fragiliser les fibres ;
• déformer les joints ;
• modifier la taille des pores ;
• créer un passage préférentiel.

Une cartouche conçue pour l’eau potable ne doit pas être utilisée sur une eau contenant des solvants sans validation explicite de compatibilité.

Les composés organiques volatils

Les composés organiques volatils, souvent appelés COV, regroupent de petites molécules capables de s’évaporer facilement.

Ils peuvent comprendre :

• certains solvants chlorés ;
• des composés issus des carburants ;
• certains produits industriels ;
• des substances provenant de sols contaminés ;
• des composés de nettoyage ou de dégraissage.

Ces molécules traversent généralement l’ultrafiltration.

Le charbon actif ou des procédés spécialisés sont généralement plus adaptés, selon le composé concerné.

Les hydrocarbures

Les hydrocarbures peuvent être présents dans l’eau sous différentes formes.

Les hydrocarbures sous forme de gouttelettes

Les gouttelettes d’huile ou de carburant peuvent être plus grandes que les pores et être partiellement retenues.

Elles peuvent cependant colmater très rapidement la membrane.

Les hydrocarbures dissous

Les fractions réellement dissoutes sont beaucoup plus petites.

Elles traversent généralement l’ultrafiltration.

Certains hydrocarbures peuvent également altérer les matériaux de la cartouche.

Les sous-produits de désinfection

La désinfection de l’eau peut entraîner la formation de sous-produits lorsque le désinfectant réagit avec des matières organiques ou d’autres composés.

Ces substances sont généralement présentes sous forme dissoute.

Elles traversent donc largement une membrane d’ultrafiltration.

Leur réduction nécessite généralement :

• une optimisation du traitement en amont ;
• une adsorption sur charbon actif ;
• un procédé d’oxydation adapté ;
• une membrane plus dense selon les molécules ciblées.

Le chlore et la chloramine

Le chlore libre et la chloramine sont utilisés pour limiter le développement microbien dans certains réseaux.

Ces substances sont dissoutes et traversent l’ultrafiltration.

Une membrane seule ne permet donc généralement pas :

• de supprimer le goût de chlore ;
• de réduire significativement le chlore libre ;
• de réduire efficacement la chloramine ;
• d’éliminer les petites molécules chlorées.

Un média complémentaire comme le charbon actif est généralement nécessaire.

Les goûts et les odeurs d’origine chimique

Une odeur ou un goût peut provenir :

• du chlore ;
• de molécules organiques ;
• de composés soufrés ;
• de solvants ;
• d’algues ;
• de bactéries ;
• de métaux ;
• de canalisations.

Lorsque l’origine est particulaire ou biologique, l’ultrafiltration peut améliorer indirectement le goût ou l’odeur.

Lorsque l’origine est une petite molécule dissoute, l’amélioration reste généralement limitée.

Les composés soufrés

Certaines molécules soufrées peuvent produire une odeur forte, parfois comparée à celle d’un œuf pourri.

Lorsqu’elles sont dissoutes, elles traversent généralement une membrane d’ultrafiltration.

La membrane peut retenir certains micro-organismes ou dépôts associés à leur production, mais elle ne supprime pas nécessairement les molécules déjà présentes.

Les toxines bactériennes

Retenir une bactérie entière ne signifie pas retenir toutes les substances qu’elle peut produire.

Certaines toxines sont des protéines relativement grandes et peuvent être partiellement ou fortement retenues selon le seuil de coupure.

D’autres toxines sont beaucoup plus petites et peuvent traverser.

Leur comportement dépend :

• de leur masse moléculaire ;
• de leur forme ;
• de leur état d’agrégation ;
• de leur interaction avec la membrane ;
• du seuil de coupure ;
• des conditions de filtration.

Les toxines algales

Les cellules de cyanobactéries peuvent être très efficacement retenues.

Cependant, lorsque les cellules ont déjà libéré leurs toxines dans l’eau, certaines de ces molécules peuvent traverser l’ultrafiltration.

Le risque de libération peut également augmenter si les cellules sont endommagées avant ou pendant certains traitements.

Les nanomatériaux et les particules extrêmement fines

L’ultrafiltration peut retenir une partie des nanoparticules lorsque leur taille apparente dépasse les pores.

Toutefois, les plus petites particules peuvent :

• traverser certains pores ;
• se déformer ;
• se désagréger ;
• changer de taille selon le pH ;
• s’associer ou se dissocier de matières organiques ;
• interagir avec la membrane.

Une affirmation de rétention globale nécessite donc des essais adaptés à la taille et au matériau considérés.

Pourquoi l’adsorption sur la membrane n’est-elle pas une garantie durable ?

Certaines molécules peuvent adhérer temporairement à la membrane.

Ce phénomène peut donner l’impression d’une réduction initiale.

Toutefois, les sites disponibles sont limités.

Lorsque la surface se sature :

• la rétention peut diminuer ;
• les molécules peuvent traverser davantage ;
• certaines substances précédemment adsorbées peuvent être relarguées ;
• les performances peuvent devenir instables.

Une membrane d’ultrafiltration ne doit donc pas être assimilée à un média adsorbant à forte capacité.

Le rôle du charbon actif

Le charbon actif complète l’ultrafiltration en ciblant certaines molécules dissoutes par adsorption.

Selon sa qualité, sa quantité, son temps de contact et le contaminant concerné, il peut contribuer à réduire :

• le chlore ;
• certains goûts ;
• certaines odeurs ;
• certains pesticides ;
• certaines molécules organiques ;
• certains résidus pharmaceutiques ;
• certains PFAS ;
• certains composés volatils.

Le niveau de réduction varie toutefois selon la substance et la conception du filtre.

Le rôle des résines échangeuses d’ions

Les résines échangeuses d’ions peuvent cibler certains ions dissous que l’ultrafiltration laisse passer.

Elles peuvent notamment être utilisées, selon leur nature, pour :

• adoucir l’eau ;
• réduire certains métaux ;
• réduire les nitrates ;
• capter certains anions ou cations ;
• réduire certaines familles de contaminants ioniques.

Leur capacité est limitée et elles doivent être régénérées ou remplacées.

Le rôle de la nanofiltration

La nanofiltration utilise une membrane plus dense que l’ultrafiltration.

Elle peut réduire :

• certains ions multivalents ;
• une partie de la dureté ;
• certaines molécules organiques ;
• certains pesticides ;
• certains métaux ;
• certaines substances dissoutes de taille intermédiaire.

Elle nécessite généralement une pression plus importante et produit un flux concentré.

Le rôle de l’osmose inverse

L’osmose inverse est beaucoup plus fine que l’ultrafiltration.

Elle peut réduire une grande partie :

• des sels dissous ;
• des nitrates ;
• des métaux dissous ;
• de nombreuses molécules organiques ;
• de certains PFAS ;
• de nombreux contaminants chimiques.

Elle présente également plusieurs contraintes :

• pression plus élevée ;
• production d’une eau concentrée ;
• débit souvent inférieur ;
• entretien plus complexe ;
• réduction importante de la minéralisation ;
• besoin fréquent de plusieurs préfiltres.

Le rôle des traitements d’oxydation avancée

Certains contaminants organiques peuvent être transformés par des procédés d’oxydation.

Ces technologies cherchent à dégrader les molécules plutôt qu’à les retenir physiquement.

Elles peuvent utiliser, selon les installations :

• l’ozone ;
• le peroxyde d’hydrogène ;
• les ultraviolets associés à un oxydant ;
• des procédés photocatalytiques ;
• d’autres réactions radicalaires.

Ces traitements doivent être correctement dimensionnés afin d’éviter une transformation incomplète ou la formation de sous-produits indésirables.

Le rôle de la coagulation et de la précipitation

Certaines substances dissoutes peuvent être transformées en particules plus grandes grâce à un traitement préalable.

La coagulation, la floculation, l’oxydation ou la précipitation peuvent permettre de former des agrégats.

L’ultrafiltration peut ensuite retenir ces particules.

Cette combinaison peut être utilisée pour améliorer la réduction :

• du fer ;
• du manganèse ;
• de l’arsenic ;
• de certaines matières organiques ;
• de certains métaux ;
• de certains colloïdes très fins.

Tableau général des contaminants chimiques dissous

Comment savoir si une technologie est adaptée à un contaminant chimique ?

Il faut d’abord identifier précisément :

• la substance concernée ;
• sa concentration ;
• sa forme chimique ;
• son origine ;
• la composition générale de l’eau ;
• le débit nécessaire ;
• le niveau de réduction recherché.

Une analyse de l’eau permet d’éviter de choisir une technologie uniquement à partir d’une inquiétude générale.

Les performances doivent ensuite être vérifiées à partir :

• d’essais réalisés sur le contaminant ciblé ;
• de la capacité du média ;
• du volume traité ;
• du temps de contact ;
• des conditions de l’essai ;
• de la fréquence de remplacement ;
• de la qualité de l’eau d’entrée.

Pourquoi un pourcentage de réduction doit-il être interprété avec prudence ?

Une affirmation de réduction peut dépendre fortement :

• de la concentration initiale ;
• du nombre de litres filtrés ;
• du débit ;
• du pH ;
• de la température ;
• de la présence d’autres contaminants ;
• du moment auquel la mesure a été réalisée.

Un filtre peut présenter une forte réduction au début de son utilisation, puis une performance plus faible lorsque son média adsorbant se sature.

La présence d’une membrane et de charbon actif change-t-elle l’analyse ?

Oui.

Une cartouche combinant ultrafiltration et charbon actif ne possède pas les mêmes capacités qu’une membrane utilisée seule.

Dans ce type de système :

• la membrane retient les particules et de nombreux micro-organismes ;
• le charbon agit sur certaines molécules dissoutes ;
• les deux médias peuvent se protéger partiellement l’un l’autre ;
• leur durée de vie respective peut être différente.

Il faut donc examiner les essais du produit complet, et non attribuer toutes les performances à la membrane seule.

Une filtration combinée retire-t-elle tout ?

Non.

Même l’association d’une membrane et de charbon actif conserve des limites.

Elle ne garantit pas nécessairement une réduction suffisante :

• des nitrates ;
• du sodium ;
• de la salinité ;
• de tous les PFAS ;
• de tous les pesticides ;
• de tous les médicaments ;
• de tous les métaux dissous ;
• de tous les solvants.

La quantité et la qualité du charbon, le temps de contact et la vitesse de filtration restent déterminants.

Questions fréquentes sur les contaminants chimiques

Résumé : ce que l’ultrafiltration ne retire pas efficacement

L’ultrafiltration excelle donc dans la séparation physique des particules, des colloïdes et de nombreux micro-organismes, mais elle reste volontairement perméable à la majorité des petites substances dissoutes.

Cette caractéristique lui permet de conserver les minéraux de l’eau, mais explique également pourquoi elle doit être associée à d’autres technologies lorsqu’un risque chimique spécifique est identifié.

Les performances d’une ultrafiltration ne dépendent toutefois pas uniquement de la taille de ses pores. Le matériau, la structure du module, la configuration des fibres et le mode de circulation de l’eau jouent également un rôle essentiel.

6.4 Les différents types de membranes d’ultrafiltration

Toutes les membranes d’ultrafiltration ne sont pas identiques.

Deux systèmes peuvent afficher une finesse comparable tout en présentant des performances, une résistance, un débit, un entretien et une durée de vie très différents.

Ces différences dépendent notamment :

• du matériau utilisé ;
• de la structure interne de la membrane ;
• de son caractère hydrophile ou hydrophobe ;
• de la forme du module ;
• du sens de circulation de l’eau ;
• du mode de filtration ;
• de la pression appliquée ;
• des possibilités de nettoyage ;
• de la qualité de fabrication du dispositif complet.

6.4A Les grandes familles de matériaux membranaires

Les membranes d’ultrafiltration peuvent être fabriquées à partir de matériaux polymères ou de matériaux minéraux.

Les membranes polymères sont les plus courantes dans les systèmes domestiques, portables, industriels et municipaux.

Les membranes minérales, notamment céramiques, sont davantage utilisées lorsque les contraintes de température, de nettoyage ou de résistance chimique sont particulièrement élevées.

Chaque matériau présente un compromis spécifique entre :

• perméabilité à l’eau ;
• finesse de séparation ;
• résistance mécanique ;
• résistance chimique ;
• résistance thermique ;
• sensibilité au colmatage ;
• facilité de mouillage ;
• coût de production ;
• durée de vie.

Les membranes polymères

Les polymères permettent de fabriquer des membranes fines, légères et relativement économiques.

Ils peuvent être transformés en :

• fibres creuses ;
• films plans ;
• tubes ;
• membranes spiralées ;
• cartouches compactes.

Leur composition et leur procédé de fabrication influencent directement :

• la taille et la distribution des pores ;
• l’épaisseur de la couche sélective ;
• la porosité globale ;
• la solidité des fibres ;
• la capacité à résister au rétrolavage ;
• l’affinité de la surface avec l’eau et les contaminants.

Le polyéthersulfone

Le polyéthersulfone, souvent abrégé en PES, est l’un des matériaux les plus fréquemment utilisés pour fabriquer des membranes d’ultrafiltration.

Il appartient à la famille des polymères sulfonés et présente un bon équilibre entre résistance, stabilité et capacité de mise en forme.

Les principaux avantages du PES

• bonne résistance mécanique ;
• bonne stabilité dimensionnelle ;
• fabrication possible de pores très fins ;
• adaptation aux fibres creuses ;
• bonne résistance à de nombreux agents de nettoyage ;
• utilisation possible dans une large plage de pH selon la membrane ;
• bon compromis entre débit et rétention ;
• coût généralement compatible avec des applications domestiques.

Les principales limites du PES

• surface naturellement plutôt hydrophobe ;
• sensibilité possible au colmatage organique ;
• compatibilité limitée avec certains solvants ;
• vieillissement possible en présence d’oxydants très concentrés ;
• performances dépendantes des additifs et traitements de surface.

Pour améliorer son comportement au contact de l’eau, le PES peut être modifié ou mélangé avec des agents hydrophiles.

Cette modification peut faciliter :

• l’amorçage initial ;
• le passage de l’eau à faible pression ;
• la diminution de certaines interactions avec les matières organiques ;
• le rinçage de la membrane.

Le polysulfone

Le polysulfone, souvent abrégé en PS ou PSU, appartient à une famille proche du polyéthersulfone.

Il est utilisé depuis longtemps dans le domaine des membranes en raison de sa facilité de transformation et de sa stabilité.

Les avantages du polysulfone

• bonne résistance mécanique ;
• bonne tenue thermique ;
• structure poreuse facilement contrôlable ;
• compatibilité avec la fabrication de fibres creuses ;
• coût relativement maîtrisé ;
• bonne stabilité dans de nombreuses conditions aqueuses.

Les limites du polysulfone

• caractère naturellement hydrophobe ;
• adsorption possible de certaines protéines et matières organiques ;
• sensibilité à certains solvants ;
• besoin fréquent d’une modification hydrophile ;
• risque de colmatage biologique ou organique si l’entretien est insuffisant.

Le polysulfone reste proche du PES dans son comportement général, mais le PES est souvent choisi lorsqu’une meilleure stabilité ou une plus grande facilité de modification est recherchée.

Le PVDF

Le polyfluorure de vinylidène, ou PVDF, est un polymère fluoré utilisé dans de nombreuses applications membranaires.

Il est particulièrement apprécié lorsque la résistance chimique et mécanique est importante.

Les avantages du PVDF

• très bonne résistance mécanique ;
• bonne résistance aux agents oxydants selon les conditions ;
• bonne résistance à de nombreux produits chimiques ;
• bonne tenue au vieillissement ;
• adaptation aux rétrolavages répétés ;
• utilisation fréquente dans les installations municipales et industrielles ;
• fabrication possible sous forme de fibres creuses robustes.

Les limites du PVDF

• surface naturellement hydrophobe ;
• amorçage parfois plus difficile sans traitement de surface ;
• adsorption possible de composés organiques hydrophobes ;
• coût parfois supérieur à celui de certains polymères ;
• performances fortement dépendantes de sa modification hydrophile.

Les membranes en PVDF sont souvent modifiées afin de devenir plus hydrophiles.

Une membrane en PVDF correctement formulée peut offrir un bon compromis entre robustesse, nettoyage et durée de vie.

Le polyacrylonitrile

Le polyacrylonitrile, ou PAN, peut être utilisé pour fabriquer des membranes d’ultrafiltration, notamment dans certaines applications industrielles et alimentaires.

Les avantages du PAN

• caractère relativement hydrophile par rapport à certains polymères ;
• bonne perméabilité à l’eau ;
• faible adsorption de certaines protéines ;
• bonne adaptation à certaines séparations de macromolécules ;
• possibilité de fabriquer des membranes asymétriques.

Les limites du PAN

• résistance chimique plus limitée dans certaines conditions ;
• sensibilité possible à certains pH extrêmes ;
• résistance mécanique variable selon la formulation ;
• utilisation moins fréquente dans certains dispositifs portables.

Le PAN est notamment intéressant lorsque le comportement face aux protéines ou aux matières organiques constitue un critère important.

La cellulose et ses dérivés

La cellulose est un polymère naturel pouvant être transformé en membranes.

Ses dérivés incluent notamment :

• l’acétate de cellulose ;
• la cellulose régénérée ;
• certains mélanges cellulosiques ;
• des membranes modifiées chimiquement.

Les avantages des membranes cellulosiques

• bonne hydrophilie naturelle ;
• amorçage généralement facile ;
• adsorption relativement faible de certaines protéines ;
• bonne compatibilité avec certaines applications biologiques ;
• origine renouvelable pour la matière première cellulosique.

Les limites des membranes cellulosiques

• résistance chimique plus limitée ;
• sensibilité à certains micro-organismes ;
• plage de pH parfois plus restreinte ;
• résistance thermique inférieure à celle de certains polymères techniques ;
• vieillissement possible en présence de certains agents oxydants.

Elles peuvent convenir à des applications spécifiques, mais sont moins universelles que les membranes en PES ou en PVDF.

Le polypropylène

Le polypropylène, ou PP, est largement utilisé dans la fabrication de filtres et de supports.

Il est surtout fréquent dans :

• les préfiltres à sédiments ;
• les supports de membrane ;
• les boîtiers ;
• les fibres de microfiltration ;
• certaines membranes hydrophobes.

Il peut être utilisé dans certaines applications d’ultrafiltration, mais son caractère très hydrophobe nécessite souvent un traitement ou une modification.

Les avantages du polypropylène

• faible coût ;
• faible densité ;
• bonne résistance à de nombreux produits chimiques ;
• bonne résistance mécanique ;
• facilité de fabrication.

Les limites du polypropylène

• fort caractère hydrophobe ;
• mouillage difficile sans traitement ;
• usage plus fréquent comme support que comme couche sélective très fine ;
• sensibilité possible à certains oxydants et aux températures élevées.

Le polyéthylène

Le polyéthylène peut également être utilisé dans des composants filtrants, des supports poreux ou certaines membranes.

Comme le polypropylène, il est naturellement hydrophobe.

Ses principales qualités sont :

• sa légèreté ;
• sa résistance chimique ;
• son faible coût ;
• sa facilité de transformation ;
• sa résistance aux chocs.

Il est toutefois moins fréquent comme matériau principal d’une membrane d’ultrafiltration hydrophile destinée à l’eau potable.

Le nylon et les polyamides

Le nylon appartient à la famille des polyamides.

Il est utilisé dans certaines membranes de laboratoire ou de filtration spécialisée.

Les avantages des polyamides

• bonne résistance mécanique ;
• bonne précision de fabrication ;
• affinité intéressante avec certaines molécules ;
• utilisation possible dans des membranes très fines.

Les limites des polyamides

• sensibilité à certains oxydants ;
• adsorption possible de protéines ou de molécules organiques ;
• compatibilité chimique variable ;
• gonflement possible dans certains environnements.

Les polyamides sont surtout connus pour leur utilisation dans certaines membranes de nanofiltration et d’osmose inverse, mais ils peuvent également intervenir dans des applications d’ultrafiltration spécialisées.

Le PTFE

Le polytétrafluoroéthylène, ou PTFE, est un polymère fluoré connu pour sa très grande résistance chimique.

Les avantages du PTFE

• excellente résistance chimique ;
• bonne résistance thermique ;
• faible adhérence de nombreux produits ;
• bonne stabilité à long terme ;
• compatibilité avec des environnements agressifs.

Les limites du PTFE

• très forte hydrophobicité ;
• mouillage difficile avec de l’eau pure ;
• coût généralement élevé ;
• fabrication plus complexe ;
• usage moins fréquent dans les systèmes domestiques à faible pression.

Le PTFE est davantage utilisé pour les gaz, les solvants ou les liquides chimiques que pour l’ultrafiltration domestique de l’eau.

Les membranes composites

Une membrane composite associe plusieurs matériaux ou plusieurs couches.

Elle peut comprendre :

• un support mécanique poreux ;
• une couche intermédiaire ;
• une couche sélective très fine ;
• un traitement de surface hydrophile ;
• des nanoparticules ou additifs fonctionnels ;
• un revêtement destiné à limiter le colmatage.

Cette architecture permet de combiner plusieurs propriétés.

Le support peut fournir la résistance mécanique tandis que la couche superficielle assure la séparation.

Une modification de surface peut ensuite améliorer le mouillage ou réduire l’adhérence de certaines matières organiques.

Les membranes minérales

Les membranes minérales sont fabriquées à partir de matériaux inorganiques.

Elles peuvent notamment utiliser :

• l’alumine ;
• la zircone ;
• la titane ;
• la silice ;
• le carbure de silicium ;
• des mélanges céramiques.

Elles sont généralement plus coûteuses que les membranes polymères, mais offrent une résistance supérieure dans les environnements exigeants.

Les membranes céramiques

Les membranes céramiques sont constituées d’un support poreux rigide recouvert d’une ou plusieurs couches de séparation plus fines.

Elles sont souvent fabriquées sous forme :

• de tubes ;
• de canaux multiples ;
• de disques ;
• de plaques ;
• de monolithes poreux.

Les avantages des membranes céramiques

• excellente résistance thermique ;
• très bonne résistance chimique ;
• nettoyage possible avec des produits plus agressifs ;
• bonne résistance à l’abrasion ;
• durée de vie potentiellement longue ;
• stérilisation possible dans certaines installations ;
• bonne stabilité des pores ;
• adaptation aux liquides difficiles.

Les limites des membranes céramiques

• coût d’achat élevé ;
• poids supérieur ;
• fragilité possible face aux chocs ;
• encombrement souvent plus important ;
• surface membranaire par volume parfois inférieure à celle des fibres creuses ;
• moins adaptées aux gourdes et petits dispositifs portables.

Les membranes céramiques sont particulièrement utilisées dans :

• l’industrie alimentaire ;
• les procédés pharmaceutiques ;
• le traitement d’effluents industriels ;
• les liquides chauds ;
• les eaux fortement chargées ;
• les applications nécessitant des nettoyages intensifs.

Le carbure de silicium

Le carbure de silicium est un matériau céramique particulièrement résistant.

Il peut offrir :

• une très bonne résistance mécanique ;
• une excellente résistance thermique ;
• une bonne résistance chimique ;
• une surface pouvant présenter une bonne hydrophilie ;
• une bonne résistance à l’abrasion.

Son coût et la complexité de fabrication limitent toutefois son usage dans les systèmes domestiques de petite taille.

L’alumine

L’alumine est l’un des matériaux céramiques les plus répandus.

Elle est utilisée comme :

• support poreux ;
• couche intermédiaire ;
• couche de filtration ;
• matériau de modules tubulaires.

Elle offre une bonne résistance générale, mais sa compatibilité dépend du pH et des conditions chimiques.

La zircone et l’oxyde de titane

La zircone et l’oxyde de titane peuvent être utilisés pour former des couches sélectives très fines.

Ces matériaux peuvent présenter :

• une bonne résistance chimique ;
• une bonne stabilité thermique ;
• des propriétés de surface intéressantes ;
• une adaptation aux milieux agressifs ;
• une facilité de nettoyage supérieure à celle de nombreux polymères.

Membrane hydrophile ou hydrophobe

Le comportement d’une membrane face à l’eau dépend fortement de son état de surface.

Une surface hydrophile possède une affinité élevée pour l’eau.

Une surface hydrophobe tend au contraire à la repousser.

Les avantages d’une membrane hydrophile

• amorçage plus facile ;
• passage de l’eau à plus faible pression ;
• réduction des poches d’air ;
• meilleure récupération du débit après séchage dans certains cas ;
• adhérence parfois plus faible des composés hydrophobes ;
• confort d’utilisation supérieur dans un dispositif portable.

Les limites d’une membrane hydrophobe

• amorçage initial plus difficile ;
• besoin possible d’une pression plus forte ;
• présence possible de bulles bloquant certains pores ;
• risque d’adsorption de composés organiques hydrophobes ;
• nécessité possible d’un agent de mouillage.

Une membrane hydrophobe peut être rendue temporairement ou durablement plus hydrophile grâce à :

• un traitement plasma ;
• un revêtement de surface ;
• un mélange de polymères ;
• l’ajout d’agents hydrophiles ;
• une modification chimique ;
• un agent de conservation ou de mouillage.

Comment mesure-t-on l’hydrophilie d’une membrane ?

L’une des méthodes courantes consiste à mesurer l’angle de contact d’une goutte d’eau sur la surface.

Plus l’angle est faible, plus l’eau s’étale et plus la surface est généralement considérée comme hydrophile.

Un angle élevé traduit une surface plus hydrophobe.

Cette mesure ne suffit cependant pas à décrire l’ensemble du comportement d’une membrane poreuse en fonctionnement.

Il faut également prendre en compte :

• la porosité ;
• la rugosité ;
• la composition chimique ;
• le diamètre des pores ;
• la présence d’additifs ;
• le vieillissement de la surface.

Membrane chargée positivement ou négativement

La surface d’une membrane peut porter des charges électriques.

Ces charges dépendent notamment :

• du matériau ;
• du pH ;
• des groupes chimiques présents ;
• du traitement de surface ;
• des ions contenus dans l’eau.

Une membrane chargée peut attirer ou repousser certaines particules, bactéries, virus ou macromolécules.

Ce phénomène peut influencer la rétention, mais il reste moins stable que la séparation purement physique.

Les interactions électrostatiques

Deux surfaces portant des charges de même signe ont tendance à se repousser.

Deux surfaces portant des charges opposées ont tendance à s’attirer.

Ainsi, un virus plus petit que les pores peut parfois être retenu temporairement par attraction électrostatique.

Inversement, une répulsion peut limiter son adsorption sur la membrane.

Ces interactions varient avec :

• le pH ;
• la conductivité ;
• la concentration en sels ;
• la présence de matières organiques ;
• la température ;
• l’état de colmatage.

Les membranes à faible adsorption

Dans certaines applications, il est souhaitable de limiter l’adsorption des protéines, des médicaments ou des matières organiques sur la membrane.

Une faible adsorption peut :

• réduire le colmatage ;
• faciliter le nettoyage ;
• préserver le rendement d’un procédé industriel ;
• limiter les pertes de produit ;
• stabiliser le débit.

Les membranes hydrophiles sont souvent privilégiées dans ce contexte.

Les membranes modifiées contre le colmatage

Les fabricants peuvent modifier les membranes afin de réduire l’adhérence des contaminants.

Les stratégies peuvent inclure :

• l’augmentation de l’hydrophilie ;
• l’ajout de groupes chargés ;
• le dépôt d’un revêtement antiadhérent ;
• l’incorporation de nanoparticules ;
• la modification de la rugosité ;
• la création d’une surface plus lisse ;
• l’ajout de propriétés antibactériennes.

Ces modifications peuvent améliorer les performances, mais elles doivent être stables dans le temps et compatibles avec l’usage prévu.

Les membranes à propriétés antibactériennes

Certaines membranes expérimentales ou spécialisées intègrent des matériaux destinés à limiter le développement bactérien.

Elles peuvent utiliser :

• des ions métalliques ;
• des nanoparticules ;
• des revêtements antimicrobiens ;
• des groupes chimiques actifs ;
• des surfaces photocatalytiques.

Leur objectif peut être de ralentir la formation d’un biofilm.

Elles ne remplacent toutefois pas :

• le rinçage ;
• le nettoyage ;
• le remplacement du filtre ;
• le respect des conditions de stockage ;
• une conception hygiénique du dispositif.

Les membranes renforcées

Une membrane en fibre creuse peut être renforcée pour améliorer sa résistance aux contraintes mécaniques.

Le renforcement peut prendre la forme :

• d’un support textile ;
• d’une âme interne ;
• d’une paroi plus épaisse ;
• d’une structure composite ;
• d’un réseau de polymères plus résistant.

Une fibre renforcée peut mieux résister :

• aux rétrolavages répétés ;
• aux variations de pression ;
• aux vibrations ;
• aux manipulations ;
• à certains nettoyages mécaniques.

Ce renforcement peut toutefois augmenter le coût ou réduire légèrement la surface utile.

Les membranes biodégradables ou biosourcées

La recherche développe également des membranes utilisant :

• des polymères biosourcés ;
• de la cellulose ;
• du chitosane ;
• des biopolymères ;
• des matériaux composites issus de ressources renouvelables.

Ces solutions cherchent à réduire l’impact environnemental de la fabrication et de la fin de vie des membranes.

Elles doivent néanmoins répondre aux mêmes exigences de :

• résistance mécanique ;
• stabilité dans l’eau ;
• sécurité sanitaire ;
• durée de vie ;
• contrôle de la taille des pores ;
• compatibilité avec le nettoyage.

Comparaison des principaux matériaux

Quel matériau est le meilleur ?

Il n’existe pas de matériau universellement supérieur dans toutes les situations.

Le meilleur choix dépend :

• du type d’eau ;
• des contaminants ciblés ;
• de la pression disponible ;
• du débit recherché ;
• de la température ;
• des produits de nettoyage ;
• de la fréquence d’entretien ;
• du niveau de mobilité ;
• du budget ;
• de la durée de vie souhaitée.

Pour une gourde ou un dispositif portable, les priorités peuvent être :

• la légèreté ;
• la compacité ;
• le faible besoin de pression ;
• la facilité d’amorçage ;
• la résistance aux manipulations ;
• la sécurité sanitaire des matériaux.

Pour une installation industrielle, les priorités peuvent être :

• la résistance chimique ;
• la compatibilité avec des nettoyages intensifs ;
• la stabilité à haute température ;
• la durée de vie ;
• le coût par mètre cube traité ;
• la récupération du débit après nettoyage.

Le matériau influence-t-il la taille des pores ?

Le matériau influence la manière dont la membrane peut être fabriquée, mais il ne détermine pas à lui seul la taille finale des pores.

Une même famille de polymères peut être utilisée pour produire :

• une microfiltration relativement ouverte ;
• une ultrafiltration fine ;
• plusieurs seuils de coupure moléculaire ;
• différentes distributions de pores.

La finesse dépend notamment :

• de la composition de la solution polymère ;
• du solvant utilisé ;
• du procédé de précipitation ;
• de la température ;
• de la vitesse de fabrication ;
• des additifs ;
• du traitement après formation.

Comment fabrique-t-on une membrane polymère ?

De nombreuses membranes sont fabriquées par un procédé de séparation de phases.

De manière simplifiée :

1. le polymère est dissous dans un solvant ;
2. des additifs peuvent être ajoutés ;
3. la solution est mise en forme ;
4. elle entre en contact avec un liquide provoquant sa précipitation ;
5. le polymère se solidifie en formant une structure poreuse ;
6. la membrane est rincée, traitée et conditionnée.

Dans le cas d’une fibre creuse, la solution polymère est extrudée autour d’un liquide central permettant de former le canal intérieur.

De petites variations du procédé peuvent modifier fortement :

• l’épaisseur de la peau sélective ;
• la taille des pores ;
• la forme des cavités internes ;
• la résistance de la fibre ;
• le débit d’eau ;
• la sensibilité à la rupture.

Les membranes symétriques

Une membrane symétrique présente une structure relativement uniforme sur son épaisseur.

Les pores conservent un ordre de grandeur proche entre les différentes zones.

Les avantages d’une structure symétrique

• structure simple ;
• bonne résistance dans certaines configurations ;
• filtration possible dans l’épaisseur ;
• fabrication adaptée à certains matériaux.

Les limites d’une structure symétrique

• résistance hydraulique plus élevée ;
• débit inférieur à finesse comparable ;
• risque de colmatage en profondeur ;
• nettoyage parfois plus difficile.

Les membranes asymétriques

Une membrane asymétrique présente plusieurs zones ayant des structures différentes.

Elle comprend généralement :

• une peau sélective très fine ;
• une zone poreuse intermédiaire ;
• un support plus ouvert assurant la résistance mécanique.

Les avantages d’une structure asymétrique

• débit plus élevé ;
• faible résistance hydraulique ;
• séparation concentrée sur une couche très fine ;
• bonne combinaison entre finesse et résistance ;
• adaptation aux fibres creuses compactes.

Les limites d’une structure asymétrique

• peau sélective potentiellement fragile ;
• sensibilité aux rayures ou fissures ;
• performance dépendante de l’orientation ;
• fabrication plus complexe ;
• risque de perte de rétention si la couche superficielle est endommagée.

Les membranes intégralement asymétriques

Une membrane intégralement asymétrique est formée à partir d’un seul matériau, mais présente différentes structures sur son épaisseur.

Sa peau sélective et son support sont créés simultanément lors de la fabrication.

Cette architecture est fréquente dans les membranes polymères en fibres creuses.

Les membranes composites à couche mince

Dans une membrane composite à couche mince, la couche sélective est fabriquée séparément ou déposée sur un support poreux.

Cela permet d’utiliser :

• un matériau résistant pour le support ;
• un matériau très sélectif pour la surface ;
• un revêtement spécifique contre le colmatage ;
• une couche fonctionnelle très mince.

Cette conception est très répandue dans les membranes plus denses, mais peut également être utilisée pour certaines ultrafiltrations spécialisées.

La porosité globale

La porosité correspond à la proportion de vide présente dans la membrane.

Une porosité élevée peut favoriser :

• un débit d’eau important ;
• une résistance hydraulique plus faible ;
• une plus grande surface de passage.

Cependant, une porosité excessive peut réduire la résistance mécanique.

La membrane doit donc trouver un équilibre entre :

• le nombre de pores ;
• leur taille ;
• l’épaisseur de la paroi ;
• la solidité du matériau ;
• le débit recherché.

La distribution des pores

Les pores d’une membrane ne possèdent pas tous exactement la même taille.

Ils suivent généralement une distribution.

Une membrane de qualité cherche à limiter :

• les pores anormalement grands ;
• les défauts de surface ;
• les fissures ;
• les passages préférentiels ;
• les irrégularités entre différentes zones.

La présence de quelques pores trop grands peut influencer fortement la rétention microbiologique, même si la taille moyenne reste faible.

La rugosité de surface

Une surface très rugueuse offre davantage de zones où les particules et les micro-organismes peuvent s’accrocher.

Elle peut donc favoriser :

• le dépôt de colloïdes ;
• l’adsorption de matières organiques ;
• la fixation bactérienne ;
• la formation d’un biofilm ;
• un colmatage plus difficile à éliminer.

Une surface plus lisse peut faciliter le nettoyage, mais elle ne supprime pas totalement le colmatage.

L’épaisseur de la membrane

Une membrane plus épaisse peut être plus résistante, mais elle oppose généralement une résistance plus importante au passage de l’eau.

Une membrane très fine peut offrir un meilleur débit, mais nécessiter un support mécanique.

L’architecture asymétrique permet précisément de combiner :

• une couche sélective très fine ;
• un support plus épais et plus poreux ;
• une bonne résistance globale ;
• un débit acceptable.

La résistance à la rupture

La résistance mécanique est essentielle pour les fibres creuses.

Une fibre doit résister :

• à la pression de filtration ;
• au rétrolavage ;
• aux vibrations ;
• aux variations de température ;
• aux manipulations ;
• à la fatigue mécanique ;
• aux dépôts accumulés.

Une fibre rompue peut créer un passage direct pour les contaminants.

Une bonne résistance à la rupture contribue donc directement à la sécurité de la filtration.

La résistance au chlore

Le chlore peut être utilisé pour désinfecter ou nettoyer certains systèmes.

Les matériaux ne possèdent pas tous la même résistance à une exposition prolongée.

Une concentration excessive ou un temps de contact trop long peut :

• fragiliser le polymère ;
• modifier la surface ;
• augmenter la taille des pores ;
• affaiblir les joints ;
• réduire la durée de vie.

Les protocoles de désinfection doivent donc respecter :

• le matériau ;
• la concentration maximale ;
• la température ;
• le pH ;
• le temps de contact ;
• la fréquence d’utilisation.

La résistance au pH

Certains nettoyages utilisent des solutions acides ou alcalines.

Une membrane industrielle peut être conçue pour supporter une plage de pH relativement large.

Une membrane domestique ou portable peut posséder des limites plus strictes.

Une exposition hors de la plage autorisée peut :

• hydrolyser le polymère ;
• modifier les pores ;
• endommager les colles ;
• déformer les joints ;
• altérer le traitement hydrophile.

La résistance thermique

La température influence la membrane et les composants du filtre.

Une eau trop chaude peut :

• ramollir certains polymères ;
• déformer les fibres ;
• affaiblir les colles ;
• modifier les joints ;
• augmenter la taille des pores ;
• accélérer le vieillissement.

Les membranes céramiques résistent généralement mieux aux températures élevées que les membranes polymères.

Dans un dispositif portable destiné à l’eau froide, l’utilisation d’eau très chaude doit être évitée sauf indication contraire.

La compatibilité alimentaire et sanitaire

Une membrane destinée à l’eau de consommation doit utiliser des matériaux compatibles avec cet usage.

Il faut notamment limiter :

• la migration de substances indésirables ;
• les résidus de solvants de fabrication ;
• les monomères non réagis ;
• les additifs non adaptés au contact alimentaire ;
• les goûts ou odeurs persistants ;
• les contaminants issus de la fabrication.

Le rinçage ou l’amorçage initial peut servir à évacuer :

• l’eau de conservation ;
• les poussières de fabrication ;
• les bulles d’air ;
• les traces de produits de conditionnement ;
• les premiers goûts liés au média.

FAQ sur les matériaux des membranes d’ultrafiltration

Résumé des matériaux d’ultrafiltration

Le matériau constitue donc la base de la membrane, mais il ne décrit pas encore sa forme ni la manière dont l’eau circule à travers elle.

Une membrane en PES, en PVDF ou en céramique peut être intégrée dans des architectures très différentes, dont les performances hydrauliques et les contraintes d’entretien ne sont pas comparables.

Il faut maintenant examiner les principales architectures utilisées en ultrafiltration : fibres creuses, membranes planes, modules spiralés, membranes tubulaires et systèmes céramiques multicanaux.

6.4B Les principales architectures des membranes d’ultrafiltration

Le matériau d’une membrane influence sa résistance, son hydrophilie et sa compatibilité chimique, mais son architecture détermine la manière dont elle est intégrée dans le système.

Cette architecture joue un rôle essentiel dans :

• la surface de filtration disponible ;
• le débit obtenu ;
• la pression nécessaire ;
• la résistance au colmatage ;
• la facilité de nettoyage ;
• la compacité du dispositif ;
• le risque de rupture ou de fuite ;
• le coût de fabrication ;
• les applications possibles.

Les principales architectures utilisées en ultrafiltration sont :

• les fibres creuses ;
• les membranes capillaires ;
• les membranes planes ;
• les modules à plaques ;
• les modules spiralés ;
• les membranes tubulaires ;
• les modules céramiques multicanaux.

Les membranes en fibres creuses

Les fibres creuses sont parmi les architectures les plus utilisées en ultrafiltration de l’eau.

Elles se présentent sous la forme de très petits tubes souples dont la paroi constitue la membrane filtrante.

Chaque fibre possède :

• un diamètre extérieur ;
• un diamètre intérieur ;
• une paroi poreuse ;
• une couche sélective ;
• un canal central appelé lumière ou lumen.

L’eau traverse la paroi de la fibre tandis que les contaminants retenus restent d’un côté de la membrane.

À quoi ressemble une fibre creuse ?

Une fibre creuse peut être comparée à un cheveu tubulaire extrêmement fin.

Elle est cependant beaucoup plus complexe qu’un simple tube.

Sa paroi contient une structure poreuse dont seule une partie assure la séparation.

Pourquoi les fibres creuses sont-elles si répandues ?

Leur principal avantage est leur capacité à offrir une très grande surface de filtration dans un faible volume.

Des centaines ou des milliers de fibres peuvent être regroupées dans une cartouche compacte.

Cette densité permet d’obtenir :

• une surface membranaire importante ;
• un bon débit ;
• un encombrement réduit ;
• un poids limité ;
• une intégration facile dans une cartouche ;
• une utilisation possible à faible pression.

La surface membranaire des fibres creuses

La surface totale dépend :

• du nombre de fibres ;
• de leur longueur ;
• de leur diamètre ;
• du côté de la fibre utilisé pour filtrer ;
• de la portion réellement active ;
• du degré de compactage dans le module.

Une grande surface peut contribuer à augmenter le débit ou à réduire la charge appliquée à chaque portion de membrane.

Elle peut également ralentir l’augmentation de la pression à débit constant.

Le faisceau de fibres

Les fibres sont regroupées en faisceau puis fixées à une ou aux deux extrémités par une résine d’empotage.

Cette résine assure plusieurs fonctions :

• maintenir les fibres ;
• séparer l’eau brute de l’eau filtrée ;
• éviter les fuites autour des fibres ;
• diriger le flux vers le bon compartiment ;
• résister à la pression.

Après durcissement, l’extrémité peut être coupée afin d’ouvrir la lumière des fibres.

L’eau filtrée peut alors être collectée dans un compartiment commun.

L’empotage des fibres

L’empotage est une zone critique du module.

Un défaut à ce niveau peut créer :

• une fuite entre l’eau brute et l’eau filtrée ;
• un contournement de la membrane ;
• une fissure autour d’une fibre ;
• un décollement de la résine ;
• une perte d’intégrité du module.

La qualité de la résine, sa compatibilité avec le polymère et le contrôle de la fabrication sont donc essentiels.

Les fibres ouvertes à une extrémité

Dans certains modules, les fibres sont ouvertes à une seule extrémité.

L’autre extrémité est fermée ou laissée libre dans le boîtier.

Cette configuration peut simplifier :

• la collecte du filtrat ;
• la fabrication du module ;
• l’intégration dans une petite cartouche ;
• le mouvement des fibres pendant le nettoyage.

Elle peut toutefois entraîner des différences de pression le long de la fibre si celle-ci est très longue.

Les fibres ouvertes aux deux extrémités

Dans d’autres modules, les deux extrémités sont ouvertes et intégrées dans des collecteurs.

Cette architecture permet :

• une meilleure répartition du filtrat ;
• une diminution de certaines pertes de charge ;
• une circulation adaptée à des modules plus longs ;
• des opérations de nettoyage plus complexes.

Le diamètre intérieur des fibres

Le diamètre du canal intérieur influence la circulation de l’eau.

Un canal très étroit permet d’augmenter la densité de fibres, mais il peut aussi :

• augmenter la perte de charge ;
• se boucher plus facilement ;
• être plus difficile à nettoyer ;
• limiter le débit dans une configuration inside-out.

Un canal plus large facilite la circulation et le nettoyage, mais réduit le nombre de fibres pouvant être installées dans un même volume.

L’épaisseur de la paroi des fibres

Une paroi plus épaisse peut renforcer la fibre.

Elle peut cependant augmenter la résistance hydraulique.

Une paroi très fine peut améliorer le débit, mais accroître :

• le risque d’écrasement ;
• le risque de rupture ;
• la sensibilité aux variations de pression ;
• la fatigue mécanique.

Les fibres asymétriques permettent de limiter ce compromis en utilisant une peau sélective fine sur une structure poreuse plus épaisse.

Les fibres renforcées

Certaines fibres disposent d’un renfort interne ou externe.

Ce renfort peut être constitué :

• d’une tresse textile ;
• d’un filament central ;
• d’un support poreux ;
• d’un matériau composite ;
• d’une structure à plusieurs couches.

Il améliore généralement :

• la résistance à la traction ;
• la résistance à l’éclatement ;
• la tenue au rétrolavage ;
• la stabilité pendant les variations de pression ;
• la durée de vie mécanique.

Le renfort ne garantit pas pour autant l’intégrité de la couche sélective.

Une fibre peut rester entière tout en présentant une fissure microscopique dans sa peau filtrante.

Les avantages des fibres creuses

• très grande surface dans un faible volume ;
• bonne compacité ;
• faible poids ;
• fabrication possible en grande série ;
• utilisation à faible pression ;
• bonne adaptation aux cartouches domestiques ;
• intégration possible dans des gourdes et filtres portables ;
• rétrolavage possible sur certains systèmes ;
• coût généralement inférieur à celui des membranes céramiques.

Les limites des fibres creuses

• risque de rupture d’une ou plusieurs fibres ;
• risque de fissure au niveau de l’empotage ;
• sensibilité à l’écrasement selon la pression ;
• nettoyage difficile lorsque le faisceau est trop compact ;
• accumulation possible de dépôts entre les fibres ;
• formation possible d’un biofilm ;
• fragilité face à certains produits chimiques ;
• contrôle d’intégrité nécessaire dans les applications critiques.

Que se passe-t-il lorsqu’une fibre se rompt ?

Une fibre rompue peut créer un passage direct entre l’eau brute et l’eau filtrée.

Selon la taille du module, une seule rupture peut avoir un impact limité sur la turbidité globale, mais elle peut compromettre la barrière microbiologique.

Le risque dépend :

• du nombre total de fibres ;
• du diamètre de la rupture ;
• de la pression ;
• de la concentration en contaminants ;
• de la présence d’un traitement complémentaire ;
• de la fréquence des contrôles d’intégrité.

Dans les grandes installations, des tests permettent de détecter les défauts.

Dans les petits dispositifs, la sécurité repose davantage sur :

• la qualité de fabrication ;
• la protection mécanique de la cartouche ;
• le respect des limites de pression ;
• le remplacement en cas de choc ou de détérioration ;
• les essais réalisés sur le produit complet.

Les fibres creuses dans les gourdes filtrantes

Les fibres creuses sont particulièrement adaptées aux gourdes filtrantes.

Elles permettent de regrouper une surface importante dans une cartouche étroite et légère.

Dans ce type de dispositif, la pression est généralement créée :

• par l’aspiration de l’utilisateur ;
• par la compression d’une bouteille souple ;
• par une petite pompe manuelle ;
• par la gravité dans certains systèmes.

La membrane doit donc offrir :

• une faible résistance au passage de l’eau ;
• une bonne hydrophilie ;
• une surface suffisante ;
• une structure compacte ;
• une résistance aux manipulations ;
• un amorçage accessible.

Pourquoi faut-il parfois aspirer fortement au début ?

Lors de la première utilisation, une partie des pores peut contenir de l’air.

Cet air peut opposer une résistance au passage de l’eau.

L’aspiration initiale sert alors à :

• mouiller progressivement la membrane ;
• chasser l’air ;
• remplir les fibres ;
• stabiliser le débit ;
• évacuer l’eau de conservation éventuelle.

Une fibre hydrophile s’amorce généralement plus facilement qu’une fibre hydrophobe.

Pourquoi le débit peut-il diminuer ?

Dans une gourde filtrante, une baisse de débit peut être liée :

• à une bulle d’air ;
• à un mauvais amorçage ;
• à un colmatage par des sédiments ;
• à une accumulation de matières organiques ;
• au séchage partiel de la membrane ;
• à une température d’eau très basse ;
• à un filtre en fin de vie ;
• à un mauvais positionnement de la cartouche.

Les fibres creuses dans les systèmes gravitaires

Les filtres gravitaires utilisent la différence de hauteur entre l’eau brute et la sortie pour créer une pression.

Cette pression reste faible.

La membrane doit donc être :

• très perméable ;
• bien mouillée ;
• suffisamment grande ;
• protégée contre le colmatage ;
• installée avec une perte de charge limitée.

Le débit dépend fortement :

• de la hauteur d’eau ;
• de la longueur du tuyau ;
• de la propreté de la membrane ;
• de la température ;
• de la viscosité de l’eau ;
• de la surface membranaire.

Les fibres creuses dans les installations domestiques

Dans une installation sous évier ou sur réseau, la pression disponible est généralement plus élevée que dans une gourde.

Le module peut alors offrir :

• un débit supérieur ;
• une plus grande surface ;
• un rétrolavage automatisé ;
• une vidange des concentrats ;
• une surveillance de pression ;
• une durée d’utilisation plus longue.

Une pression excessive reste toutefois susceptible d’endommager les fibres ou l’empotage.

Les fibres creuses dans les stations de traitement

Les installations municipales peuvent utiliser de très grands modules contenant des milliers de fibres.

Ces systèmes sont souvent équipés :

• de pompes ;
• de capteurs de pression ;
• de systèmes d’injection d’air ;
• de rétrolavages automatiques ;
• de nettoyages chimiques ;
• de tests d’intégrité ;
• de systèmes de surveillance du filtrat.

La membrane devient alors un élément d’un procédé complet et non un filtre isolé.

Les membranes capillaires

Les termes « fibre creuse » et « membrane capillaire » sont parfois utilisés de manière interchangeable.

Il existe toutefois une différence d’échelle généralement admise.

Une membrane capillaire possède souvent un diamètre interne supérieur à celui d’une fibre creuse très fine.

Elle reste néanmoins beaucoup plus petite qu’un tube industriel classique.

Caractéristiques générales d’une membrane capillaire

• forme tubulaire fine ;
• canal intérieur clairement identifiable ;
• diamètre supérieur à celui de nombreuses fibres creuses ;
• circulation intérieure facilitée ;
• densité de compactage inférieure à celle des fibres très fines ;
• nettoyage hydraulique parfois plus facile.

Avantages des membranes capillaires

• canaux moins sensibles au bouchage ;
• meilleure circulation des eaux chargées ;
• perte de charge interne plus faible ;
• nettoyage plus accessible ;
• bonne résistance mécanique selon l’épaisseur de paroi ;
• adaptation aux systèmes industriels compacts.

Limites des membranes capillaires

• surface de filtration par volume plus faible ;
• module potentiellement plus volumineux ;
• coût supérieur pour une même surface ;
• moins adaptées aux très petites cartouches ;
• débit total dépendant du nombre de canaux.

Fibre creuse et capillaire : où se situe la frontière ?

Il n’existe pas toujours une frontière universelle entre les deux termes.

Les fabricants peuvent utiliser des définitions différentes selon :

• le diamètre intérieur ;
• le diamètre extérieur ;
• l’application ;
• le secteur industriel ;
• les habitudes commerciales.

Il est donc préférable d’examiner les dimensions réelles plutôt que le nom utilisé.

Les membranes planes

Une membrane plane se présente sous la forme d’une feuille ou d’un film.

Elle peut être utilisée seule ou intégrée dans :

• un module à plaques ;
• une cassette ;
• un cadre ;
• un module spiralé ;
• une cellule de laboratoire ;
• un système immergé.

La couche sélective est généralement disposée sur un support poreux.

L’eau traverse la membrane perpendiculairement à sa surface tandis que le filtrat est recueilli de l’autre côté.

Comment est construite une membrane plane ?

Une feuille membranaire peut comprendre :

• une couche sélective ;
• une structure poreuse intermédiaire ;
• un support textile ou non tissé ;
• un canal de collecte du filtrat ;
• un cadre ou une plaque de maintien.

Le support empêche la membrane de se déformer sous l’effet de la pression.

Les modules à plaques et cadres

Dans un module à plaques, plusieurs feuilles membranaires sont montées autour de plaques de support.

L’eau brute circule entre les plaques.

Le filtrat traverse la membrane puis rejoint des canaux internes.

Avantages des modules à plaques

• architecture facile à comprendre ;
• surface relativement accessible ;
• nettoyage mécanique possible dans certains systèmes ;
• remplacement individuel de certaines plaques ;
• bonne adaptation aux liquides visqueux ;
• espacement réglable entre les membranes.

Limites des modules à plaques

• surface par volume inférieure à celle des fibres creuses ;
• encombrement plus important ;
• coût de structure plus élevé ;
• nombreux joints potentiels ;
• risque de fuite entre compartiments ;
• montage plus complexe.

Les cassettes de membranes planes

Les cassettes regroupent plusieurs couches de membranes planes séparées par des canaux.

Elles sont souvent utilisées dans :

• les bioprocédés ;
• les industries pharmaceutiques ;
• la concentration de protéines ;
• les installations pilotes ;
• certaines applications alimentaires.

Leur conception facilite un écoulement tangentiel contrôlé.

Elles peuvent être nettoyées et remplacées sans démonter l’ensemble d’une installation.

Les membranes planes immergées

Certaines membranes planes sont installées directement dans un bassin.

Une légère dépression aspire l’eau à travers la membrane.

De l’air peut être injecté sous les modules pour :

• créer un mouvement de circulation ;
• décoller une partie des dépôts ;
• limiter la formation d’un gâteau ;
• oxygéner le bassin dans certaines applications ;
• nettoyer la surface de manière continue.

Cette architecture est notamment utilisée dans certains bioréacteurs à membranes.

Les avantages des membranes planes

• surface visible et accessible ;
• bonne résistance aux solides lorsque l’espacement est suffisant ;
• nettoyage mécanique possible ;
• faible risque de rupture de milliers de petites fibres ;
• inspection plus simple ;
• adaptation aux applications biologiques et industrielles.

Les limites des membranes planes

• faible densité de surface par volume ;
• encombrement supérieur ;
• besoin de plaques ou de supports ;
• poids plus élevé ;
• coût structurel important ;
• intégration difficile dans une gourde ou une petite cartouche.

Membrane plane ou fibre creuse : quelles différences ?

La densité de compactage

La densité de compactage correspond à la surface membranaire pouvant être intégrée dans un volume donné.

Elle est généralement très élevée pour les fibres creuses.

Une forte densité permet :

• de réduire la taille du module ;
• d’augmenter le débit potentiel ;
• de diminuer le coût du boîtier ;
• de créer des dispositifs portables.

Elle peut aussi avoir des inconvénients.

Un module trop compact peut :

• limiter la circulation entre les fibres ;
• favoriser des zones mortes ;
• emprisonner des particules ;
• rendre le rétrolavage moins uniforme ;
• favoriser le biofilm ;
• compliquer la désinfection.

Les zones mortes dans un module

Une zone morte est une portion du module dans laquelle l’eau circule peu.

Ces zones peuvent favoriser :

• l’accumulation de dépôts ;
• le développement bactérien ;
• la dégradation de la qualité de l’eau ;
• un nettoyage incomplet ;
• des différences de performance au sein du module.

La conception hydraulique doit donc assurer une alimentation aussi homogène que possible.

La répartition du flux

Toutes les fibres ou toutes les zones d’une membrane ne reçoivent pas nécessairement le même débit.

Une mauvaise répartition peut provoquer :

• une surcharge locale ;
• un colmatage accéléré ;
• une usure inégale ;
• une diminution de la surface réellement utilisée ;
• une perte de performance globale.

La forme du boîtier, les collecteurs et la disposition des fibres sont donc essentiels.

La perte de charge

La perte de charge représente la diminution de pression entre l’entrée et la sortie du système.

Elle peut provenir :

• des tuyaux ;
• des raccords ;
• du canal intérieur des fibres ;
• du passage à travers la membrane ;
• du colmatage ;
• de la viscosité de l’eau ;
• de la géométrie du module.

Dans une gourde filtrante, une perte de charge élevée se traduit par une aspiration plus difficile.

Dans une installation industrielle, elle augmente la consommation d’énergie.

La résistance à l’écrasement

Une fibre creuse peut être soumise à une pression extérieure supérieure à la pression intérieure.

Si sa paroi est trop souple, elle peut s’écraser.

L’écrasement peut :

• réduire le débit ;
• bloquer le canal intérieur ;
• déformer la couche sélective ;
• endommager la fibre ;
• créer une rupture à long terme.

Ce risque dépend :

• du diamètre de la fibre ;
• de l’épaisseur de sa paroi ;
• du matériau ;
• de la pression transmembranaire ;
• de la présence d’un renfort ;
• de la température.

La résistance à l’éclatement

Lorsque la pression intérieure dépasse trop fortement la pression extérieure, une fibre peut se dilater puis éclater.

La résistance à l’éclatement est particulièrement importante dans les configurations où l’eau circule à l’intérieur des fibres.

La fatigue mécanique

Même si la pression reste inférieure à la limite de rupture, des cycles répétés peuvent fragiliser la membrane.

La fatigue peut être provoquée par :

• les démarrages et arrêts ;
• les variations de pression ;
• les rétrolavages ;
• les vibrations ;
• les mouvements du faisceau ;
• les variations thermiques.

Une fibre peut donc se détériorer progressivement sans avoir subi un choc unique important.

Les architectures les plus adaptées aux petits filtres

Les petits dispositifs privilégient généralement les fibres creuses en raison de leur compacité.

Elles conviennent particulièrement :

• aux gourdes filtrantes ;
• aux pailles filtrantes ;
• aux filtres de randonnée ;
• aux systèmes gravitaires portables ;
• aux petites pompes manuelles ;
• aux cartouches sous évier compactes.

Les membranes planes sont rarement utilisées dans ces formats, car leur surface nécessite davantage d’espace.

Les architectures les plus adaptées aux eaux chargées

Une eau très chargée en solides peut rapidement colmater un faisceau de fibres très compact.

Des architectures plus ouvertes peuvent être préférées :

• membranes capillaires de plus grand diamètre ;
• membranes planes espacées ;
• modules tubulaires ;
• modules céramiques multicanaux.

Ces architectures sont plus volumineuses, mais offrent :

• une meilleure circulation ;
• une diminution du risque de bouchage ;
• un nettoyage plus intensif ;
• une meilleure tolérance aux particules.

FAQ sur les fibres creuses, capillaires et membranes planes

Résumé des premières architectures membranaires

Les fibres creuses offrent donc la meilleure compacité, tandis que les membranes planes et capillaires privilégient davantage l’accessibilité, la circulation et la facilité de nettoyage.

D’autres architectures sont utilisées lorsque les liquides sont plus visqueux, plus chargés ou lorsque le nettoyage doit être particulièrement intensif.

C’est notamment le cas des membranes tubulaires, des modules spiralés et des membranes céramiques multicanaux.

6.4B-2 Les membranes tubulaires, les modules spiralés et les membranes céramiques multicanaux

Si les fibres creuses dominent largement les systèmes portables et de nombreux équipements de traitement de l'eau, d'autres architectures ont été développées afin de répondre à des contraintes très différentes.

Certaines installations doivent filtrer des eaux extrêmement chargées en particules, des liquides visqueux, des effluents industriels ou encore des produits alimentaires difficiles à traiter.

Dans ces situations, la priorité n'est plus uniquement d'obtenir la plus grande surface de membrane possible dans un faible volume.

Il devient également nécessaire de :

• limiter le risque de colmatage ;
• faciliter les nettoyages intensifs ;
• supporter des pressions importantes ;
• résister aux produits chimiques ;
• fonctionner avec des liquides très chargés ;
• garantir une longue durée de vie.

Les membranes tubulaires

Les membranes tubulaires sont constituées de tubes dont le diamètre est nettement supérieur à celui des fibres creuses ou des membranes capillaires.

Elles peuvent mesurer plusieurs millimètres, voire plusieurs centimètres de diamètre selon les applications.

La membrane est déposée sur la paroi interne ou externe du tube.

L'eau circule ensuite à l'intérieur ou autour de celui-ci selon la conception retenue.

Pourquoi utiliser un tube plus gros ?

Un diamètre plus important permet de laisser circuler des liquides contenant davantage de particules sans provoquer un bouchage rapide.

Cette architecture est particulièrement adaptée lorsque le fluide contient :

• des boues ;
• des matières organiques ;
• des fibres végétales ;
• des protéines ;
• des levures ;
• des bactéries ;
• des particules minérales ;
• des liquides visqueux.

Avantages des membranes tubulaires

• très bonne résistance au colmatage ;
• circulation facile des liquides chargés ;
• nettoyage intensif possible ;
• compatibilité avec des vitesses d'écoulement élevées ;
• bonne résistance mécanique ;
• maintenance relativement simple.

Limites des membranes tubulaires

• surface membranaire plus faible ;
• encombrement important ;
• consommation énergétique supérieure ;
• coût plus élevé ;
• faible intérêt pour les petits dispositifs domestiques.

Les modules spiralés

Les modules spiralés utilisent une membrane plane enroulée autour d'un tube collecteur central.

Cette architecture permet d'obtenir une surface importante dans un volume relativement réduit.

Plusieurs couches sont superposées :

• la membrane ;
• un espaceur d'alimentation ;
• un espaceur de collecte ;
• un support mécanique.

L'ensemble est ensuite roulé en spirale afin de former un cylindre compact.

Principe de fonctionnement

L'eau brute circule entre les feuilles membranaires.

Le filtrat traverse la membrane puis rejoint progressivement le tube central collecteur.

Les contaminants retenus poursuivent leur chemin jusqu'à la sortie du module.

Pourquoi les modules spiralés sont-ils populaires ?

• surface élevée ;
• bonne compacité ;
• fabrication industrialisée ;
• coût relativement maîtrisé ;
• bon rendement hydraulique.

Leur principal inconvénient

Les espaceurs sont relativement étroits.

Une eau très chargée peut rapidement provoquer :

• des dépôts ;
• des colmatages ;
• une augmentation des pertes de charge ;
• une diminution du débit.

Les modules spiralés sont donc généralement utilisés sur une eau déjà prétraitée.

Les membranes céramiques multicanaux

Les membranes céramiques modernes sont souvent construites sous forme de monolithes.

Un seul élément contient plusieurs dizaines de canaux parallèles.

Chacun de ces canaux est recouvert d'une couche filtrante.

L'ensemble constitue un bloc extrêmement robuste.

Pourquoi utiliser plusieurs canaux ?

Cette architecture permet :

• d'augmenter la surface disponible ;
• de répartir les débits ;
• de conserver une bonne résistance mécanique ;
• de faciliter le nettoyage.

Applications typiques

• industrie laitière ;
• industrie brassicole ;
• pharmacie ;
• traitement d'effluents ;
• stations industrielles ;
• procédés à haute température.

Le principal avantage des membranes céramiques

Elles peuvent supporter des procédures de nettoyage particulièrement agressives.

Selon leur conception, elles résistent beaucoup mieux que les membranes polymères :

• aux hautes températures ;
• aux nettoyages alcalins ;
• aux nettoyages acides ;
• à l'abrasion ;
• aux variations de pression.

Pourquoi toutes les architectures n'utilisent-elles pas la même membrane ?

Chaque architecture répond à un cahier des charges différent.

Quelle architecture retrouve-t-on dans une gourde filtrante ?

Les gourdes filtrantes modernes utilisent presque exclusivement des membranes en fibres creuses.

Cette solution offre aujourd'hui le meilleur compromis entre :

• poids ;
• encombrement ;
• surface de filtration ;
• débit ;
• coût ;
• autonomie.

Les architectures tubulaires ou planes seraient beaucoup trop volumineuses pour une utilisation nomade.

6.4C Les configurations hydrauliques en ultrafiltration

Le matériau et la forme d’une membrane ne suffisent pas à expliquer son fonctionnement.

Il faut également comprendre la manière dont l’eau circule à travers le module.

Cette circulation influence directement :

• le débit de filtration ;
• la pression nécessaire ;
• la vitesse de colmatage ;
• la facilité de nettoyage ;
• la consommation d’énergie ;
• la quantité d’eau rejetée ;
• la durée de vie de la membrane ;
• la qualité du filtrat obtenu.

Les principales configurations hydrauliques sont :

• la filtration frontale, aussi appelée dead-end ;
• la filtration tangentielle, aussi appelée crossflow ;
• la filtration de l’intérieur vers l’extérieur, appelée inside-out ;
• la filtration de l’extérieur vers l’intérieur, appelée outside-in.

La filtration frontale ou dead-end

En filtration frontale, toute l’eau alimentant le dispositif est dirigée vers la membrane.

L’eau traverse la membrane tandis que les contaminants retenus s’accumulent à sa surface ou dans ses pores.

Il n’existe pas de courant continu balayant la surface pour emporter les matières retenues.

Où utilise-t-on la filtration dead-end ?

Cette configuration est très fréquente dans :

• les gourdes filtrantes ;
• les pailles filtrantes ;
• les cartouches domestiques ;
• les filtres gravitaires ;
• les préfiltres ;
• certaines installations municipales avec rétrolavage périodique.

Les avantages de la filtration dead-end

• conception simple ;
• absence de boucle de recirculation ;
• faible consommation énergétique ;
• bon rendement en eau ;
• peu ou pas de rejet continu ;
• adaptation aux petits dispositifs ;
• fonctionnement possible à faible pression.

Les limites de la filtration dead-end

• accumulation rapide des contaminants ;
• formation progressive d’un gâteau de filtration ;
• diminution du débit ;
• augmentation de la pression nécessaire ;
• besoin de rinçages ou de rétrolavages ;
• moins adaptée aux eaux très chargées.

La formation du gâteau de filtration

Au cours de la filtration, les particules retenues s’accumulent à la surface de la membrane.

Elles forment progressivement une couche appelée :

• gâteau de filtration ;
• couche de dépôt ;
• cake layer dans la littérature technique.

Cette couche ajoute une résistance supplémentaire au passage de l’eau.

Plus elle devient épaisse ou compacte, plus le débit diminue à pression constante.

À débit constant, la pression doit au contraire augmenter pour maintenir la production d’eau filtrée.

Le gâteau améliore-t-il parfois la filtration ?

Une fine couche de dépôt peut retenir des particules plus petites que les pores de la membrane.

Elle agit alors comme une seconde barrière.

Cet effet peut améliorer temporairement la rétention de certains colloïdes.

Il présente toutefois plusieurs limites :

• le débit diminue ;
• la pression augmente ;
• la couche peut se détacher brutalement ;
• des micro-organismes peuvent s’y développer ;
• la qualité de filtration devient plus difficile à contrôler.