Développement de membranes d'osmose inverse hautement sélectives incorporant des systèmes de canaux d'eau artificiels

Development of high reverse osmosis membranes incorporating artificial water channels

• Auteur / Autrice : Maria Di vincenzo
• Direction : Mihai Barboiu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie et physico-chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 15/12/2020
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Chimiques (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Européen des membranes (Montpellier) - Institut Européen des membranes (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Marc Héran
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mihai Barboiu, Marc Héran, Pierre Aimar, Lidietta Giorno, Alberto Tiraferri, Suzana Nunes
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pierre Aimar, Lidietta Giorno

Mots clés

Mots clés contrôlés

Eau -- Épuration

Osmose inverse

Eau salée -- Dessalement

Mots clés libres

Dessalement

Couche mince

Osmose inverse

Membrane biomimétique

Nanocanaux

Purification de l'eau

Desalination

Thin film

Reverse osmosis

Biomimetic membrane

Nanochannels

Water purification

Résumé

Alors que des facteurs de stress tels que la croissance démographique, l'utilisation industrielle et le changement climatique continuent d'exacerber la demande en eau douce tout en épuisant nos ressources naturelles, le développement de technologies de dessalement efficaces et peu coûteuses est d'une importance capitale pour faire face de manière durable à la pénurie mondiale croissante d'eau. Dans ce but, cette thèse présente le développement des premières membranes biomimétiques d'osmose inverse (OI) qui intègrent des canaux artificiels d'eau (AWC) à base d’I-quartets. Ici, des couches actives bio-inspirées innovantes sont synthétisées via une approche de polymérisation interfaciale optimisée conduisant à la formation de membranes biomimétiques robustes, présentant une micro-structure et une morphologie similaires à celle du matériau composite sous forme de couche mince (TFC) traditionnel. Cependant, ces membranes présentent une rugosité et une nano-structure différentes du fait de l’existence d’assemblages cristallins de type éponge contenant des canaux d'eau artificiels (AWC) sélectifs du I-quartet. La formation cinétique des couches a été examinée minutieusement afin de démontrer la présence de nanoparticules colloïdales de CTA, en partant de l’analyse des superstructures auto-assemblées jusqu'à la formation des réseaux supramoléculaires de type éponge du matériau membranaire hybride à base de CTA. Dans la première étude de cas, les membranes obtenues ont été évaluées par filtration à flux croisés dans des conditions d'osmose inverse à haute pression pour dessaler de l'eau de mer de substitution et des solutions contenant 5 800 ppm ou 35 000 ppm de NaCl à 18 et 65 bars de pression appliquée, respectivement. Les résultats ont montré que les couches actives bio-inspirées peuvent améliorer le transport sélectif de l'eau à travers la membrane, ce qui permet d'améliorer considérablement la perméabilité à l'eau de 75 % et de 150 % pour le dessalement de l'eau de mer et de l'eau saumâtre, respectivement, tout en maintenant d'excellentes performances de séparation à l'échelle Å (rejet observé >99,4 %, élimination du bore >91 %). En outre, on estime que leur application aux procédés industriels entraînerait une réduction remarquable de 12 à 15% de la consommation d'énergie pour le dessalement. La deuxième étude de cas a porté sur l’optimisation de la composition des couches hybrides bio-inspirées, à savoir la proportion des précurseurs des AWC du I-quartet et du monomère m-phénylènediamine, conduisant à une incorporation homogène des nanoparticules colloïdales AWC et à leur auto-assemblage le plus compact possible. Dans ce cas, leurs performances en termes de sélectivité et de perméabilité ont est évaluées par filtration à flux croisés dans des conditions d'OI à faible pression (6 à 15 bars) pour dessaler de l’eau saumâtre et de l’eau du robinet. En conséquence, les couches bio-inspirées optimisées ont permis d'améliorer jusqu'à 360% la perméabilité à l'eau (jusqu'à 6,9 LMH/bar) par rapport aux membranes TFC traditionnelles, en maintenant d'excellentes performances de dessalement (rejet de NaCl observé ≥99,3%). Ces travaux démontrent en outre que les membranes biomimétiques à base de TFC possèdent le potentiel pour conduire à l’amélioration des procédés d'OI existants si leur transfert industriel est envisagé et viable.

As stressors like population growth, industrial usage, and climate change keep on exacerbating the freshwater demand while depleting our traditional resources, the development of efficacious and low-cost desalination technologies is of paramount importance to address the growing global water shortage in a sustainable way. Within this goal, this thesis presents the rational development of the first biomimetic reverse osmosis (RO) membranes that seamlessly incorporate I-quartet artificial water channels (AWC). Here, innovative bioinspired active layers are synthesized via a streamlined interfacial polymerization approach leading to the formation of robust biomimetic membranes, whose structure presents the same microscale morphology of traditional thin-film composite (TFC) but with a different roughness and nano-structure that seamlessly incorporates sponge-like crystalline assemblies containing selective I-quartet AWCs. The kinetic formation of the layers is thoroughly examined to demonstrate the presence of AWC colloidal nanoparticles, from a close inspection of self-assembled superstructures to the formation of supramolecular sponge-like networks of the hybrid AWC-based membrane material. In the first case study, the resulting membranes are evaluated by cross-flow filtration under high-pressure RO conditions to desalinate substitute ocean water and solutions containing 5.800 ppm or 35.000 ppm NaCl at 18 and 65 bar of applied pressure, respectively. Results demonstrate that bioinspired active layers can enhance the selective water transport through the membrane, achieving a large improvement of 75% and 150% up in water permeance for seawater and brackish water desalination, respectively, while maintaining excellent Å-scale separation performance (observed rejection >99.4%, boron removal >91%). Furthermore, it is estimated that their application to industrial processes would results in a remarkable 12-15% reduction in the energy consumption for desalination. The second case study investigates the best combination between I-quartet AWCs precursors and m-phenylenediamine monomer to fabricate bioinspired hybrid layers that seamlessly incorporate self-aggregated AWC colloidal nanoparticles at the highest density possible. In this case, the perm-selectivity performance is evaluated by cross-flow filtration under low-energy RO conditions (6 to 15 bar) to desalinate brackish and tap water feed streams. As a result, optimized bioinspired layers achieve improvement up to 360% in water permeance (up to 6.9 LMH/bar) with respect to traditional TFC membranes, while maintaining excellent desalination performance (observed NaCl rejection ≥99.3%). This work further demonstrates that AWC-based biomimetic membranes own the potential for improving existing RO processes if their industrial transfer is envisaged and viable.