Développement de nouvelles membranes nanostructurées à base de fibres creuses par modification de leur surface pour application au traitement de l’eau

Development of novel nanostructured Hollow Fibers Membranes (HFs) by in/off-line surface modification for water treatment application

• Auteur / Autrice : Jeanne Casetta
• Direction : Philippe Miele, Céline Pochat-Bohatier
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Chimie et Physico-Chimie des Matériaux
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 04/12/2023
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Chimiques Balard (Montpellier ; 2003-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IEM - Institut Européen des Membranes
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : DM3 - Design des Matériaux Membranaires et systèmes Multifonctionnels
• Jury : Président / Présidente : Christelle Wisniewski
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Miele, Jean-Christophe Remigy, Céline Pochat-bohatier, Elisabeth Blanquet, Nikolaos Kanellopoulos
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jean-Christophe Remigy, Elisabeth Blanquet

Mots clés

Mots clés libres

Membrane fibre creuse

Traitement de l'eau

Dépôt de couche atomique

Water treatment

Atomic layer deposition

Hollow fibers membranes

Résumé

Ce travail de thèse a pour objectif l’élaboration de nouvelles membranes polysulfone fibre creuse nano-structurées par modification de leur surface pour application au traitement de l’eau. Deux approches ont été abordées : la première par dépôt d’une couche atomique après fabrication des membranes et la deuxième par ajout d’un nanomatériau dans la solution de polymère pendant leur fabrication par extrusion. Dans le premier cas, la méthode par dépôt de couches atomiques ALD a été choisie pour ses excellentes uniformité, reproductibilité et homogénéité et différents oxydes en testant un nombre croissant de cycles ont été étudiés. Dans le second, c’est l’oxyde de graphène (GO) connu pour ses propriétés uniques, comme son hydrophilie ou ses bonnes propriétés mécaniques, apportées par ses nombreux groupes fonctionnels qui a été sélectionné pour la fabrication de membranes à matrice mixte. Les dépôts des différents oxydes, TiO2, ZnO et Al2O3, ont été prouvés par EDX et XPS. Les morphologies et propriétés mécaniques des membranes modifiées ne sont pas altérées et ces dernières présentent des performances nettement améliorées. Pour la 2e approche, les fibres polysulfone ont été préparées par extrusion en insérant 1% massique de GO dans la solution de polymère. L’influence de cette insertion sur la nano-structuration des membranes notamment au moment de la séparation de phase induite par le non-solvant (NIPS) est étudiée. Les membranes modifiées présentent des macro-vides distribués aléatoirement, des pores plus grands, une hydrophilie accrue ainsi qu’une perméabilité quatre fois plus élevée. Leurs performances anti-colmatage sur 4 différents contaminants modèles souvent présents dans les eaux usées ainsi que les mécanismes en jeu sont également explorés.

The aim of this thesis is to develop novel nano-structured hollow fiber polysulfone membranes by modifying their surface for water treatment applications. Two completely different approaches have been investigated: the first involves the “off-line” coating modification via atomic layer deposition (ALD) and the second involves the “on-line” addition of a nano-filler to the polymer solution during the synthesis of membranes by extrusion. In the first case, the ALD method was chosen for its excellent uniformity, reproducibility and homogeneity, and different oxides were studied by testing an increasing number of cycles. In the second, graphene oxide (GO), known for its unique properties, such as hydrophilicity and good mechanical properties provided by its many functional groups, was selected for the preparation of mixed-matrix membranes. The deposition of the various oxides, TiO2, ZnO and Al2O3, was demonstrated by EDX and XPS. The morphologies and mechanical properties of the modified membranes were not altered, and their performances were significantly improved. For the 2nd approach, polysulfone fibers were prepared by extrusion by inserting 1wt.% GO into the polymer solution. The influence of this insertion on the nano-structuration of the membranes, particularly during NIPS, was studied. The modified membranes exhibit randomly distributed macrovoids, larger pores, increased hydrophilicity and a four-fold increase in permeability. Their anti-fouling performance on 4 different model contaminants often present in wastewater and the mechanisms involved are also explored.