Multicouches multifonctionnelles de polyelectrolytes pour des applications en filtration membranaire

Multifunctional weak polyelectrolyte multilayers for membrane applications

• Auteur / Autrice : Shazia Ilyas
• Direction : Pierre Aimar, Jean-François Lahitte
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés et de l'environnement
• Date : Soutenance le 16/02/2017
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie chimique (Toulouse ; 1992-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Complexes de polyélectrolytes

Parois multicouches

Mots clés libres

Membrane

Filtration

Layer by layer

Couche sacrificielle

Résistance au solvant

NF

Layer by layer

Sacrificial layer

Solvent resistant

NF

Résumé

Dans ce travail, nous démontrons que la technique de dépôt multicouche dite layer by layer (LbL) est une technique polyvalente où les propriétés des multicouches telles que l'épaisseur, la charge et la densité peuvent être facilement contrôlées par le choix des polyélectrolytes (PE), le nombre d'étapes et les conditions de dépôt (pH, force ionique, etc.). Nous démontrons que des multicouches de PE faible (PAH / PAA) peuvent être utilisées pour fournir une double fonction aux membranes (PEM) en tant que couche de séparation NF et comme revêtement sacrificiel permettant un nettoyage facile de la membrane. Ces membranes à base de PEM montrent des performances de rejet des solutés dans une gamme typique des membranes NF, c'est-à-dire rejetant peu les ions monovalents (NaCl) (<24%), tout en rejetant> 60% de l'ion divalent SO42- et la molécule organique neutre sulfaméthoxazole (SMX). Par un rinçage et un lavage à contre-courant à basse pression avec une solution stimuli appropriée, nous obtenons un nettoyage sacrificiel réussi d'une membrane colmatée, ce qui ramène la résistance d'une membrane colmatée à celle de la membrane vierge. Après un nouveau dépôt sur la membrane avec le même système PEM, la résistance de la membrane est égale à la résistance du PEM d'origine, ce qui démontre la réutilisation de cette approche. Le mécanisme de rejet des membranes étudiées s'est révélé principalement déterminé par l'exclusion stérique mais aussi par l'exclusion de Donnan. Nous avons étudié notre système PEM pour préparer des membranes pour des applications de nanofiltration résistant aux solvants (SRNF). Des membranes de SRNF avec une couche de séparation de PEM ont été préparées sur un support UF de polyacrylonitrile hydrolysé (PAN-H). Les résultats de cette étude montrent une manière simple et polyvalente d'utiliser le pH pendant le revêtement pour régler les performances de la membrane pour une application SRNF spécifique. Afin d'amener l'approche PEM et du nettoyage sacrificiel à leur maturité et de modifier des modules existants, nous avons simplifié la procédure LbL pour des membranes fibres creuses en utilisant un ''dépôt dynamique'' ou un ''dépôt actif'' qui consiste à rincer les solutions du PE à travers le canal interne de la membrane fibre creuse. Cette méthode de dépôt avec sa reproductibilité et son homogénéité permet de revêtir les modules de membrane UF existants.

In this work, we demonstrate that layer by layer (LbL) is a versatile technique where control over multilayer properties such as thickness, charge and density, can be easily achieved simply by the choice of polyelectrolytes, number of coating steps and coating conditions (pH, ionic strength etc.). We demonstrate that multilayers of weak PEs (PAH/PAA) can be used to provide a dual function to membranes (PEM) i.e., as NF separation layer and as a sacrificial coating that allows easy membrane cleaning. These PEM based membranes, shows rejection performance of solutes in a range typical for NF membranes i.e., hardly rejecting monovalent ions (NaCl) (<24%), while rejecting > 60% of the divalent ion SO42- and the neutral organic molecule sulfamethoxazole (SMX). By a rinse and a low pressure backwash with a suitable trigger solution, we obtain a successful sacrificial cleaning of a fouled membrane, bringing the resistance of a fouled membrane back to that of the pristine membrane. Recoating the clean membrane support with the same PEM system brings the resistance of the coated membrane equal to the resistance of the original PEM, demonstrating the re-usability of this approach. The rejection mechanism of the investigated membranes was found to be mainly determined by size exclusion, but influenced by Donnan exclusion. We investigated our weak PEM system to prepare membranes for solvent resistant nanofiltration (SRNF) applications. SRNF membranes with PEM separation layer were prepared on a UF hydrolyzed polyacrylonitrile (PAN-H) support by the LbL method. Results of this study show a simple and versatile way of using pH during coating to tune membrane performance for specific SRNF application. To bring PEM coating and sacrificial cleaning approach into maturity and to coat existing modules we present the simplification of the LbL procedure for hollow fibre membranes by employing ''dynamic coating'' or ''active coating'' which involves flushing the PE's solutions through the lumen of the hollow fibre membrane. This coating method with its reproducibility and homogeneity has the potential to coat existing UF membrane modules.