Towards designing composite membranes for CO2 separation : the inclusion of hybrid TiO2-PEG structures and study of their interfaces

par Edgar Cao

Thèse de doctorat en Polymères

Sous la direction de Valérie Héroguez et de Eric Prouzet.

Soutenue le 26-10-2015

à Bordeaux en cotutelle avec Bordeaux et l'University of Waterloo (Canada) , dans le cadre de École doctorale des sciences chimiques (Talence, Gironde) , en partenariat avec Laboratoire de Chimie des Polymères Organiques (Bordeaux) (équipe de recherche) .

Le président du jury était Henri Cramail.

Le jury était composé de Bertrand Pavageau, Eric Croizet, Daniel Grande.

Les rapporteurs étaient Frédéric Vidal, Anne Jonquières.

  • Titre traduit

    Vers la conception de membranes composites pour la séparation du CO2 : Inclusion de structures hybrides TiO2-PEG et études de leurs interfaces


  • Résumé

    Ce travail de thèse vise à concevoir de nouvelles membranes performantes pour la séparation de gaz (CO2) dans le procédé de post-combustion. La stratégie proposée repose sur la préparation de membranes hybrides organiques/inorganiques, combinant des supports poreux de dioxyde de titane (TiO2) intégrés dans une couche dense de polymère à base de poly-oxyde d'éthylène. L'un des points important de cette étude est l'ancrage de la phase organique sur le support inorganique. Deux agents de couplage : le propyl phosphonique acide 2-bromo-2-méthyl propanoate et le 3--propylamino triéthoxy silan ont été sélectionnés et greffés sur trois surface de TiO2 différentes : des nanoparticules, des surfaces denses et des surfaces poreuses. Pour chacune des deux molécules d'ancrage les meilleurs résultats ont été obtenus avec les nanoparticules. Les nanoparticules de TiO2 ainsi fonctionnalisées, ont dans une seconde étape, servi de semences pour l'élaboration de particules coeur-écorce. Deux voies de polymérisation ont été explorées avec succès : la si-ATRP et la si-ROMP. Dans le premier cas des greffons de poly-poly-éthylène glycol méthyl éther méthacrylate ont été introduits sur les nanoparticules de TiO2. Pour la si-ROMP les greffons incorporés sont à base de polynorbonène. Les résultats obtenus sur les nanoparticules de TiO2 ont été exploités afin de créer des couches polymères sur des supports poreux céramiques tubulaires commerciaux. Deux modes de conception ont été développés : la voie dite "coating onto" et celle dite "Grafting from". Les membranes composites obtenues par ces deux voies ont été testées en perméabilité des gaz afin de déterminer la qualité des couches polymères. Des essais préliminaires de séparation des gaz ont été également effectués.


  • Résumé

    This thesis work aims towards designing hybrid membranes for CO2 separation in the post-combustion process. The different methods of existing technologies are compared ans assessed for their merit, and the decision of using inorganic titanium dioxide supports integrated with a grown polymeric/PEG layer is made. First, the structure of the interfacing group is determined and narrowed down to phosphonic-based anchoring groups. The modification of various titanium oxide surfaces (i.e. particle, flat and porous) is performed with each group, and particles were found to yield the highest surface modification. Secondly, the functionalized particles of titania were then studied for their potential with si-ATRP and si-ROMP. in the case of phosphonic acid functionalized titania, the particles yielded a bromine terminus that could be used for si-ATPR. In the case of the silane grafted titania particles, further fonctionalization was required to ultimately yield a norbornenyl group that can be used for Si-ROMP. Both teechniques were shown to work, and were thus applied to longer ceramic tubes. Finally the development of two pathways ("Coating onto" and "Grafting from") were assessed for their ability to modify the tubular ceramic support and preliminary gas separation tests were performed.


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