Synthèse et caractérisation physico-chimique d'un matériau membranaire à structure contrôlée : étude expérimentale de la sélectivité

Synthesis and physico-chemical characterization of a controlled structure membrane material : experimental study of the selectivity

• Auteur / Autrice : Élodie Chevereau
• Direction : Patrick Dutournié, Lionel Limousy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'ingénieur
• Date : Soutenance en 2011
• Etablissement(s) : Lorient
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Santé, information-communication et mathématiques, matière (Brest, Finistère)
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université européenne de Bretagne (2007-2016)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Polarisabilité (électricité)

Ultrafiltration

Nanofiltration

Mordénite

Forces de Van der Waals

Membranes échangeuses d'ions

Mots clés libres

Transport préférentiel

Exclusion diélectrique

Résumé

L’objectif de ce travail était de synthétiser des membranes inorganiques type mordénite en vue d’une application en nanofiltration ou en ultrafiltration à bas-seuil de coupure. Cette étude repose sur l’interprétation des mécanismes de transport régissant la rétention d’ions monovalents et divalents au travers d’une membrane minérale à structure contrôlée. La démarche qui a été mise en place nous a conduit, dans un premier temps, à s’assurer de la nature des produits synthétisés et à identifier leurs propriétés de surface, morphologique, et électrique. Nous avons choisi de déterminer les paramètres spécifiques des mordénites synthétisées (tels que le rayon de pore, la surface spécifique, et la charge de surface) à partir des poudres utilisées pour préparer les membranes associées. Parallèlement à ces caractérisations physico-chimiques, des essais de filtration ont été réalisés sur des pilotes de laboratoire afin d’étudier la sélectivité d’une membrane mordénite vis-à-vis des sels monovalents et divalents. Pour cela, un protocole expérimental a été mis en place. Nous avons réussi à observer la rétention d’ions monovalents de petites tailles après modification des propriétés de surface de la mordénite. Le passage facilité ainsi que la rétention spécifique d’ions mono- et divalents ont également été observés dans certaines conditions opératoires. Ainsi, les résultats obtenus lors des essais de filtration en solutions pures et en mélanges nous ont conduit à formuler plusieurs hypothèses concernant les interactions membrane-solutés : la membrane se comporte comme une surface dont la polarité peut être modifiée suite à un traitement alcalin, la polarisabilité des ions hydratés diminue avec leurs enthalpies d’hydratation, les interactions entre la surface traitée et ces ions dépendent des forces de Van der Waals.

The aim of this work was to synthesize mordenite membrane for an application in nanofiltration or in low cut-off ultrafiltration and to understand the transport mechanisms governing the retention of monovalent and divalent ions through a controlled structure mineral membrane. The approach what has been implemented has led us, at first, to ascertain the nature of synthesized products and identify their surface, morphological and electrical properties. We chose to determine the specific parameters of the synthesized mordenite (such as pore radius, surface area and surface charge) from the powders used to prepare the related membrane. In addition to these physical and chemical characterizations, filtration tests were carried out on pilot unit in order to study the mordenite membrane selectivity toward monovalent and divalent salt-water solution. For this, an experimental protocol was defined. We managed to observe the retention of small monovalent ions after changing the surface properties of mordenite. The preferential transport and the specific retention of mono- and divalent ions were also observed under certain operating conditions. Thus, the results obtained during the filtration tests in single and mixed solutions led us to make several hypotheses about solute-membrane interactions: the membrane behaves as a surface whose the polarity can be changed after an alkaline treatment, the polarizability of hydrated ions decreases with their enthalpies of hydration, the interaction between the treated surface and theses ions depend on the Van der Waals forces.