Analyse multi-échelle de la dégradation de membranes polymères d'ultrafiltration au contact de l'hypochlorite de sodium

Multiscale analysis of the degradation of polymeric ultrafiltration membranes in contact with sodium hypochlorite

• Auteur / Autrice : Romain Prulho
• Direction : Agnès Rivaton
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie-Physique
• Date : Soutenance le 03/04/2013
• Etablissement(s) : Clermont-Ferrand 2
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences fondamentales (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Institut de Chimie de Clermont-Ferrand (Aubière, Puy-de-Dôme ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : (ICCF) Institut de Chimie de Clermont-Ferrand
• Jury : Président / Présidente : Jean-Luc Gardette
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bruno Fayolle, Murielle Rabiller-Baudry, Christel Causserand, Sandrine Thérias
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bruno Fayolle, Murielle Rabiller-Baudry

Mots clés

Mots clés contrôlés

Polymères -- Détérioration

Hypochlorite de sodium

Mots clés libres

Hypochlorite de sodium

Eau de javel

Polyéthersulfone

Polyvinylpyrrolidone

Vieillissement

Oxydation radicalaire

Sodium hypochlorite

Bleach water

Polyethersulfone

Polyvinylpyrrolidone

Ageing

Radical oxidation

Résumé

Ce travail est consacré à l’étude de l’impact des lavages chimiques à l’hypochlorite de sodium (NaOCl) effectués sur des membranes polymères polyéthersulfone (PES)/polyvinylpyrolidonne (PVP) (95%/5%) utilisées pour la filtration de l’eau ou du lait. Sur les sites d’exploitation les lavages chimiques sont nécessaires pour maintenir les propriétés de filtration des membranes qui se colmatent au cours de leur utilisation. L’objectif de cette étude est de déterminer les mécanismes de dégradation de ces deux polymères au contact de l’agent nettoyant, puis de corréler ces évolutions aux changements de propriétés macroscopiques des membranes en réalisant une analyse multi-échelle. Dans un premier temps, l’étude de l’impact de NaOCl sur des polymères modèles, le PES d’une part et la PVP d’autre part, a montré que la PVP s’oxyde lorsqu’elle est dissoute dans NaOCl ce qui n’est pas le cas de films de PES. A partir de l’identification des produits d’oxydation, un mécanisme d’oxydation radicalaire de la PVP mettant en jeu les radicaux hydroxyles provenant de la solution de NaOCl a été proposé. Dans un deuxième temps, afin de s’affranchir de l’hétérogénéité des membranes PES/PVP, des films de mélanges modèles PES/PVP à différents pourcentages de PVP ont été préparés. Leur immersion dans une solution de NaOCl provoque non seulement l’oxydation de la PVP mais aussi celle du PES montrant sans ambiguïté l’effet pro-dégradant de la PVP sur le PES. Dans un troisième temps, il a été montré que le vieillissement des membranes PES/PVP peut être explicité à partir des résultats obtenus sur les mélanges modèles, et que l’évolution de la structure chimique de la PVP pouvait être corrélée avec la perte des propriétés mécaniques des membranes permettant de faire le lien entre l’évolution de la structure chimique et la perte des propriétés macroscopiques. Il apparait donc au final que l’additif ajouté au PES pour rendre les membranes hydrophiles est le talon d’Achille de la structure. Le suivi de l’oxydation de la PVP contenue dans les membranes exposées à NaOCl a été proposé pour servir de marqueur moléculaire de vieillissement.

This work was devoted to the study of the impact that chemical cleaning with sodium hypochlorite (NaOCl) has on polyethersulfone (PES)/polyvinylpyrrolidone (PVP) (95%/5%) membranes, commonly used for water and milk filtration processes. In onsite plants, chemical cleanings are widely used to maintain membranes filtration properties. The aim of this thesis is to determine the degradation mechanisms of these two polymers in contact with NaOCl and to correlate this information with the evolution of the macroscopic properties of the membrane through a multi scale analysis. Firstly, the study of NaOCl impact on both PVP and PES, treated separately as “model polymers”, showed us that dissolved PVP is oxidised, whereas PES film remains stable. Thanks to the identification of PVP oxidation products, a radical degradation mechanism by means of hydroxyl radicals from NaOCl solution has been proposed. Secondly, in order to overcome membrane heterogeneities, several films with different PES/PVP ratios were prepared by varying the amount of PVP. The immersion of these films in NaOCl solutions provoked the oxidation of both PVP and PES, allowing us to clearly identify the degrading effect that PVP has in PES oxidation. Thirdly, the evolution of PVP chemical structure was correlated with the loss of the membrane mechanical properties, demonstrating that PVP, used as an additive (5%), is the weak point of PES/PVP membranes. The monitoring of PVP oxidation in membranes in contact with NaOCl was proposed as a molecular marker of ageing.