L’idée première pour filtrer l’eau est une filtration mécanique : c’est le principe du tamis. Plus le maillage est fin et moins il y a d’impuretés qui passent. Cependant, avec un maillage très fin les pertes de charge seront importantes, il faudra ainsi mettre l’eau sous une pression importante pour franchir le filtre. Ce principe est utilisé par les filtres à café (qui retiennent les particules solides et laissent passer le liquide), ou l’osmose inverse (dont le maillage est tellement fin que seules les molécules d’eau traversent la membrane).
Un deuxième mode opératoire existe pour retenir les contaminants dans l’eau, celui de l’adsorption : les impuretés sont attirées sur les parois du filtre et vont venir s’y coller d’elles-mêmes. Ce principe est par exemple utilisé par le charbon actif ou la zéolite.
Si l’eau contient des micro-organismes, alors des colonies microbiennes vont se retrouver dans le filtre, et un développement bactérien va se produire sous forme de biofilm. Il est préconisé soit de changer régulièrement les filtres, soit d’inclure dans le système de filtration des éléments antibactériens.
Ainsi, les systèmes classiques de filtration sont composés de 3 éléments : un filtre à sédiment, un filtre à charbon, et une lampe UV.
Charbon actif, zéolite, adsorption et ions argent
L’absorption fonctionne à la manière d’une éponge : c’est le remplissage d’un corps par un autre, lorsque des molécules sont retenues à l’intérieur d’un autre volume. Il ne faut pas la confondre avec l’adsorption, qui désigne un accrochage en surface, sans pénétration. Cette technologie de filtration permet de laisser de grands volumes vides entre les fibres pour stocker les particules retenues ; la capacité du filtre est importante, les pertes de charge sont faibles. 
À niveau de filtration égal un filtre mécanique (sans adsorption) aura des fibres très serrées, ne laissant que très peu de volume libre. Il va se colmater très vite.
La surface des éléments adsorbants peut être électriquement neutre, ou électriquement chargée. Dans ce dernier cas sont alors mises en œuvre des interactions de Van der Walls, c’est-à-dire l’attraction naturelle d’une charge positive avec une charge négative, à la manière d’un aimant pôle Nord/ pôle Sud. Certaines fibres minérales, lorsqu’elles sont baignées dans l’eau, développent naturellement une charge électrique à leur surface, qui va ainsi attirer et piéger les agents nocifs : c’est l’électro-adsorption.
Les charbons actifs sont composés de microcristallites élémentaires de graphite qui sont assemblées avec une orientation aléatoire. Les espaces entre ces cristallites forment les pores dont la distribution des tailles va de 0,002 à 0,05 µm – micromètres. La surface des charbons actifs est en général neutre électriquement ; en conséquence ils adsorbent de préférence les composés organiques non polaires ou faiblement polaires. Ils sont fréquemment utilisés pour la récupération des vapeurs de solvants et d’hydrocarbures, la décoloration de sucres, la purification d’eau, l’élimination d’odeur, etc. Le charbon actif est généralement considéré comme le meilleur adsorbant disponible pour améliorer le goût et l’esthétique de l’eau.
La zéolite, une pierre d’origine volcanique, possède également des propriétés d’adsorption exceptionnelles. Elle est capable de retenir de nombreux types de molécules, que ce soit des gaz, des dérivés pétrochimiques, des métaux lourds et même des éléments radioactifs (la zéolite présente une affinité naturelle pour adsorber les nucléides radioactifs comme le césium et le strontium). La composition chimique des différentes zéolites est proche de celle des argiles.
Le charbon actif et la zéolite sont de très bons supports pour l’adhésion de micro-organismes, le revers de la médaille étant la formation probable de biofilm à la surface de ces filtres. Ajouter une étape « antimicrobienne » dans le processus de filtration empêchera la formation de biofilm. Depuis des milliers d’années l’argent est utilisé en médecine, et les scientifiques connaissent bien ses propriétés d’antibactérien puissant. Les ions d’argent (Ag+) agissent en perçant les membranes des bactéries puis pénètrent à l’intérieur pour les détruire. Ils se lient à des composants cellulaires essentiels comme l’ADN, empêchant ainsi les bactéries de fonctionner.
La technologie NC-D NanoCéram-Disruptor®
Maillage mécanique, charbon actif, zéolite, électro-adsorption et ions argent ont été regroupés pour créer, en partenariat avec la NASA, un filtre haut de gamme. Filtrer l’eau est en effet une difficulté qui s’est aussi posée à bord de la Station Spatiale Internationale (ISS), où chaque goutte d’humidité, transpiration, fluide corporel et échantillon d’eau doit être filtré afin de le recycler et le transformer en eau potable sans qu’il y ait de développement bactérien.
La solution mise au point est un média filtrant composé d’un maillage de fibres de verre, dont les pores sont suffisamment larges afin que les pertes de charges soient faibles, et dans lequel sont incorporés de la zéolite, des ions antibactériens ainsi que de la poudre de charbon actif. Ce média filtrant, appelé NanoCéram-Disruptor® (NC-D), associe le principe du tamis et celui d’une adsorption « hautes performances », permettant d’avoir tous les avantages d’un filtre très fin (une filtration équivalente à 0,1 µm) mais sans les inconvénients liés à la perte de charge. (Cette innovation a notamment valu à ce filtre le prix Hall of Fame de la Space Foundation en 2005).
L’ingrédient électro adsorbant de ce filtre NC-D, cœur de ce média filtrant, est une fibre de céramique technique dont chaque gramme a une superficie supérieure à 500 mètres carrés. Des surfaces aussi élevées ne peuvent être obtenues ni dans une membrane classique, ni dans un filtre fibreux. La clé est une nouvelle méthode pour greffer des fibres submicroniques de manière permanente sur une structure. Cela permet de séparer ces fibres les unes des autres afin que chacune d’entre elles puisse plus aisément attirer et capturer les particules submicroniques.
Ces fibres sont donc fixées sur un enchevêtrement plus large de microfibres de verre, dont la taille des pores est d’environ 2 à 3 µm. Le filtre retient ainsi les particules de plus de 2 µm par tamisage mécanique, et les particules plus petites sont attirées dans la matrice où elles sont adsorbées.
Une épaisseur de filtre de 1 mm est capable d’adsorber plus de 99,999 % des bactéries, même les plus petites comme Klebsiella Terrigena (0,5 µm). Des études d’adsorption avec des sphères de latex de 0,2 µm montrent qu’une cartouche NC-D peut être considérée comme un filtre absolu de 0,2 µm. Au final, la membrane filtrante sera ensuite plissée pour augmenter encore la surface d’échange.
| Rappelons quelques ordres de grandeur : La taille d’une bactérie est d’environ 2 µm, c’est-à-dire 0,002 millimètre ; un cheveu est à 70 µm de diamètre, un virus entre 0,02 et 0,3 µm. Le sable très fin est à 50 µm, et l’argile 1 µm. Une filtration mécanique peut ainsi être suffisante pour les sables, les sédiments et microparticules solides dont les microplastiques, mais pas pour les virus (hormis par des systèmes d’osmose inverse). |
Poussière et turbidité
Les particules submicroniques sont responsables d’une grande partie de l’encrassement des membranes d’osmose inverse, et dégradent l’efficacité des systèmes de désinfection aux ultraviolets et à l’ozone. 
Le test le plus simple pour comparer l’efficacité de différents filtres consiste à mesurer les masses d’impuretés retenues, après que les filtres aient fonctionné dans des conditions identiques et pendant la même période.
Les résultats par type de filtre sont les suivants (test A2 poussières fines ISO121030-1 A2) :
Les membranes de préfiltration standard ont une faible capacité à retenir les impuretés, entraînant des cycles de nettoyage fréquents et une augmentation des coûts d’exploitation.
Les filtres de technologie NC-D retiennent entre 20 et 400 fois plus de poussières que les filtres classiques.
Les particules en suspension (minérales, végétales, micro-organismes, précipités, …) vont rendre l’eau trouble. Le test de turbidité est ici réalisé avec l’acide humique, d’une taille souvent plus petite qu’un virus (l’acide humique est formé par la dégradation microbienne de matières végétales).
- NTU < 5 : eau claire.
- 5 < NTU < 30 : eau légèrement trouble.
- NTU > 50 : eau trouble.
- Le NTU mesure la lumière diffusée dans l’échantillon, sur le principe que chaque particule éclairée se comporte comme un point source de lumière.
Après filtration par des membranes classiques (0,2 et 0,5 µm), la turbidité n’est que légèrement améliorée (la mesure passe de 20 à 15 NTU). Noter que le filtre très fin (0,025 µm) se colmate très vite. Le principe du tamis seul n’est pas suffisant pour rendre l’eau parfaitement claire.
Filtrée avec la technologie NC-D, l’eau ressort transparente (turbidité de 0 NTU).
Ce qui est filtré par la technologie NC-D NanoCéram-Disruptor®
- 99,99999 % de bactéries (E. coli, B. diminuta, pseudomonas, legionella, klebsiella terrigena…)
- 99,99 % de virus (polio, rotavirus, norovirus, hépatite A…)
- 99,9999 % du virus MS2 (d’une taille de 0,027 µm)
- 99,95 % de l’endotoxine (concentration 235 EU/ml). Les endotoxines constituent un contaminant particulaire dans les produits pharmaceutiques, elles peuvent être aussi petites qu’un virus et sont habituellement difficiles à filtrer.
- 99,9999 % de dextrose dosé à 5 %
- 99,9 % d’efficacité à 0,2 µm (sphères en latex)
- 99,95 % de kystes (giardia, cryptosporidium, etc.)
- 95 % de plomb
- 80 % de fer ferreux
- 95 % d’arsenic
- 95 % de cadmium
- 85 % de chrome
- 75 % de sélénium
- 60 % de mercure
Sont aussi filtrés : le cuivre ; l’aluminium ; les minéraux colloïdaux tels que la poussière de carbone et la silice ; les parasites (ténia, fasciola hépatique, ascariose…) ; la pénicilline G ; fluméquine, polysaccharides ; BPA (bisphénol A) ; PCBs ; micro-plastiques (polytéréphtalate d’éthylène PET) ; acide humique ; brome ; bromine ; ADN / ARN ; iode ; ortho-phosphate ; trihalométhanes (THM) ; COV (Composés Organiques Volatiles) ; benzène ; chlore ; chloramine ; antimoine ; produits pharmaceutiques et médicaments résiduels ; perturbateurs endocriniens ; hormones ; précurseurs du biofouling (biofilms) : acides organiques, protéines, polysaccharides ; goût, odeur, couleur ; manganèse ; ions ammonium ; une grande partie du calcaire et des nitrates ; algues ; protozoaires ; kystes et autres micro-organismes.
Des applications industrielles
Les membranes d’osmose inverse étant extrêmement fines, elles doivent être protégées en amont par un système de préfiltration. Plus ce système de préfiltration est efficace et plus la durée de vie de ces membranes d’osmose inverse sera prolongée.
Les principales problématiques pouvant altérer la durée de vie des membranes sont le colmatage par des particules sédimentaires submicroniques, la détérioration par le chlore, et la création de biofilm par une accumulation de bactéries, virus, débris cellulaires, colloïdes et autres matières organiques.
Avec l’utilisation de la technologie NanoCéram-Disruptor®, tous ces éléments sont retenus. Ainsi une préfiltration NC-D va fournir en entrée d’osmose inverse une eau très faiblement colmatante : les périodes d’entretien, de nettoyage, de maintenance, de remplacement de ces membranes seront espacées.
Les applications industrielles sont multiples : filtration des eaux de process pour les tours de refroidissement, les boucles d’eau glacée, les systèmes de désinfection à l’ozone ou aux UV, les buses de pulvérisation à petite ouverture, les pompes, les systèmes de découpe au jet d’eau, l’alimentation des chaudières, la filtration de la gélatine, des encres, de l’amidon, du carbone, des pigments de peinture et de nombreux autres procédés industriels et pharmaceutiques.
Le système NC-D peut aussi être utilisé pour la filtration des eaux usées : COV, sous-produits de désinfection, traces de substances organiques toxiques, perturbateurs endocriniens, colorants solubles et particulaires, turbidité, particules, suspensions colloïdales, métaux.
NanoCéram-Disruptor® fonctionne efficacement dans les applications liquides de salinité faible ou élevée, jusqu’à 200 °C et entre pH4 et pH9.
L’exemple de Toyota
Pour purifier l’eau recyclée, Toyota utilise des membranes d’osmose inverse, qui avaient tendance à s’encrasser facilement même avec l’utilisation de préfiltres. Ces préfiltres standards
laissaient passer trop de particules et les membranes d’osmose inverse étaient à remplacer tous les 2 à 3 mois. En 2007, ces préfiltres sont remplacés par des cartouches NanoCéram-Disruptor®, et depuis les membranes d’osmose inverse durent 14 mois (c’est-à-dire 5 à 7 fois plus longtemps), sans modification du flux d’eau.
L’exemple dans une cave à vin
Le processus de production intègre un système de membrane à fibres creuses, avec une préfiltration via une cartouche de polypropylène de 5 µm et une autre de 1 µm. Cependant, la source d’eau d’alimentation contient de forts niveaux de fer sous forme de fer colloïdal ; avec un grand pourcentage de particules de taille inférieure à 1 µm, ce système de préfiltration n’était pas capable d’éliminer la majorité du fer colloïdal, entraînant un encrassement prématuré des membranes et des coûts de maintenance élevés.
La cartouche de 1 µm a simplement été remplacée par une cartouche filtrante NanoCéram-Disruptor® (le porte filtre est resté inchangé, les dimensions étant standards), la cartouche de 5 µm est laissée en place. La durée de vie effective des membranes filtrantes a augmenté de 3 à 4 fois, et les coûts de filtration ont été réduits de 30 %.
Ils utilisent la technologie NC-D
La NASA ; US Air Force ; Institut Pasteur ; US Environmental Protection Agency ; JPL – Jet Propulsion Laboratory ; California Institute of Technology ; Toyota…
Des applications domestiques
La consommation moyenne en France de l’eau en bouteille est de 130 litres par an et par personne, ce qui représente 9 milliards de litres d’eau achetés chaque année. Filtrer l’eau de son réseau permet de remplacer les packs d’eau.
Plusieurs industriels ont intégré la technologie NC-D pour des applications domestiques.
La société Argonide (le concepteur de ce média filtrant) propose ces filtres sous forme de cartouche 10 et 20’’ ; ces cartouches NC-D s’intègrent dans des porte-filtres standard, pouvant ainsi remplacer les habituels filtres à charbon actif ou filtres à membrane de 1 µm par des filtres beaucoup plus performants.
Une version camping-car est également disponible.
Il est recommandé de placer un filtre à sédiments de 5 µm devant les cartouches filtrantes NanoCéram-Disruptor®, pour éviter un colmatage prématuré et augmenter ainsi leur durée de vie.
La société ÖKO a intégré ces filtres dans une gourde, idéale pour les randonnées puisqu’il devient possible de directement prendre l’eau des lacs et des rivières pour la boire (virus, parasites, sédiments et bactéries étant retenus dans le filtre).
La société Quell a décliné ces filtres en carafes filtrantes et en petites fontaines, pour la cuisine au quotidien.
Quell propose également un autre design de gourde, plus légère que ÖKO.
Les filtres NanoCéram-Disruptor® sont fabriqués avec des matériaux qui répondent aux exigences de la FDA 21CFR177.1520 pour les applications en contact direct avec les aliments ; ils sont conformes aux normes internationales NSF/ANSI 42 et 61.
Mention légale : ne pas utiliser avec de l’eau microbiologiquement dangereuse ou de qualité inconnue sans une désinfection adéquate avant ou après le système.
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Grégoire CAUTRU Ingénieur, directeur de CEM-Vivant www.cem-vivant.com |
