Nouvelles membranes à base de matériaux 2D et procédés innovants pour la séparation sélective des ions et des gaz

Novel membranes based on 2D materials and innovative processes for selective separation of ions and gases

• Auteur / Autrice : Sarah Chevrier
• Direction : Jean-Christophe Gabriel, Guy Deniau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 03/04/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences chimiques : molécules, matériaux, instrumentation et biosystèmes
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Nanosciences et innovation pour les matériaux, la biomédecine et l'énergie (Gif-Sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Chimie (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Maxime Pontié
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurence Muhr, Dominique Trebouet, Carine Livage, Alexandre Chagnes
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurence Muhr, Dominique Trebouet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Membranes

Argent

Membranes de séparation des gaz

Eau -- Épuration

Recyclage (déchets, etc.)

Matériaux 2D

Mots clés libres

Membrane

Matériaux 2D

Recyclage

Traitement de l'eau

Séparation des gaz

Métaux critiques

Membrane

2D materials

Recycling

Water treatment

Gas separation

Critical metals

Résumé

Au cours des dernières décennies, les matériaux bidimensionnels (2D) ont fait l'objet de recherches approfondies dans le domaine des technologies membranaires. Leurs propriétés uniques de transport d'espèces chimiques confèrent aux membranes constituées de ces nanomatériaux des capacités exceptionnelles de séparation des constituants d'un mélange, liquide ou gazeux. De surcroît, ces membranes se révèlent être une solution de séparation à la fois durable et rentable, notamment pour divers enjeux environnementaux, tels que le traitement de l'eau, le recyclage des métaux des déchets électroniques et la séparation des gaz. Par conséquent, ces travaux de thèse présentent le développement et la caractérisation de nouvelles membranes composées de matériaux 2D pour la séparation de gaz et d'ions. D'une part, les membranes constituées de pentoxyde de vanadium, V₂O₅, ont montré un fort potentiel dans la séparation de mélanges binaires He/CO₂ et He/N₂, surpassant l'état de l'art de certaines membranes polymères et inorganiques. D'autre part, les membranes à base de nanomatériaux 2D chargés, tels que la Na-bentonite ou l'acide phosphatoantimonique H₃Sb₃P₂O₁₄ (H3), ont été appliquées à la séparation d'ions par osmose directe. Le matériau H3 a démontré une sélectivité exceptionnelle pour l'argent, qui s'avère très utile notamment pour le recyclage des panneaux photovoltaïques. De plus, des performances comparables ont été obtenues avec des phases modifiées de H3 par échange cationique. Enfin, ces membranes ont également été étudiées dans un dispositif microfluidique adapté à de l'osmose directe en flux tangentiels.

Over the past decades, two-dimensional (2D) materials have triggered much research interest in membrane science and technology. Nanomaterial based membranes exhibit exceptional separation abilities for constituents of liquid or gas mixtures, owing to their unique chemical species transport properties. In addition, these membranes are a sustainable and cost-effective solution for various environmental challenges, including water treatment, metal recycling from electronic waste, and gas separation. Therefore, this PhD work presents the development and characterization of new membranes made of 2D materials for separating gases and ions. Firstly, vanadium pentoxide V₂O₅ based membranes have shown great potential in the separation of binary He/CO₂ and He/N₂ mixtures, surpassing the state of the art of some polymer and inorganic membranes. Secondly, membranes made of charged nanomaterials, such as Na-bentonite or phosphatoantimonic acid H₃Sb₃P₂O₁₄ (H3), have been used for ion separation through forward osmosis. H3 material exhibited exceptional silver selectivity, which could be particularly useful in the context of solar panel recycling. Furthermore, similar results were achieved using H3 modified phases by cation exchange. Finally, these membranes were also studied in an adapted forward osmosis microfluidic device with tangential flow.