Elaboration de membranes polymères auto-oscillantes autonomes

Synthesis of autonomous self-oscillating polymer membranes

• Auteur / Autrice : Johanne Pirkin-Benameur
• Direction : Damien Quémener
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Chimie et Physico-Chimie des Matériaux
• Date : Inscription en doctorat le 01/09/2021
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Chimiques (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IEM - Institut Européen des Membranes
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : IP2 - Interface, Physicochimie, Polymères IP2

Mots clés

Mots clés libres

Membrane

Polymère

Oscillateur

Membrane

Polymer

Oscillator

Résumé

Les technologies de filtration membranaire jouent un rôle clé dans l'augmentation des stocks en eau potable nécessaire pour faire face à la demande croissante mondiale actuelle. Cependant, la performance des membranes est altérée par leur encrassement progressif pendant l'opération de filtration. Il en résulte un impact environnemental (nettoyage chimique) et économique (surcoût énergétique) rédhibitoire pour la société de demain. Dans ce contexte, ce projet de thèse, partie intégrante du projet ANR OsciMEM, consiste à développer de nouvelles membranes de filtration auto-oscillantes capables de produire un changement cyclique autonome des propriétés structurales et superficielles afin de résoudre les problèmes d'encrassement et d'initier un cercle vertueux entre performance et consommation d'énergie. Le système sera composé d'une couche de chaînes polymères sensibles aux stimuli (réticulées ou non) intégrant les composants d'un oscillateur chimique. Cette couche de polymère sera greffée sur des membranes de filtration commerciales pour rendre l'innovation universelle et compatible industriellement. Un réseau de réactions chimiques produira des oscillations chimiques et les chaînes polymères «liront» ensuite ces informations chimiques et les traduiront en changements structurels macroscopiques. A titre d'illustration, un changement cyclique autonome de la taille des pores de la membrane entre 2 valeurs extrêmes induira des turbulences dans l'écoulement, ce qui limitera les phénomènes de concentration de polarisation, une étape avant le colmatage de la membrane. De plus, un changement continu de la mouillabilité superficielle (hydrophile ↔ hydrophobe) limitera fortement l'encrassement irréversible. Enfin, l'énergie supplémentaire nécessaire pour alimenter les oscillations proviendra des déchets dans l'eau à traiter (énergie chimique) de sorte que le bilan énergétique global sera très positif. Pour résumer, dans ce projet, des oscillations chimiques autorégulées seront décodées dans l'espace et dans le temps par des interfaces polymères de sorte à produire des mouvements macroscopiques autonomes à la surface de membranes de filtration et ainsi empêcher leur colmatage. L'objectif principal est la conception de nouvelles membranes disposant d'un flux pulsatile autonome alimenté chimiquement par la solution à traiter. Au cœur de ce projet figure la synthèse de nouveaux copolymères et matériaux capables d'osciller entre deux états de façon autonomes et périodiques.

Membrane filtration technologies play a key role in increasing the supply of potable water required to meet today's growing global demand. However, the performance of the membranes is impaired by their progressive fouling during the filtration operation. The result is an environmental (chemical cleaning) and economic (additional energy cost) impact that is prohibitive for the society of tomorrow. In this context, this thesis project, an integral part of the ANR OsciMEM project, consists in developing new self-oscillating filtration membranes capable of producing an autonomous cyclic change of structural and surface properties in order to solve the problems of fouling and initiate a virtuous circle between performance and energy consumption. The system will be composed of a layer of polymer chains sensitive to stimuli (crosslinked or not) integrating the components of a chemical oscillator. This polymer layer will be grafted onto commercial filtration membranes to make the innovation universal and industrially compatible. A network of chemical reactions will produce chemical oscillations and the polymer chains will then "read" this chemical information and translate it into macroscopic structural changes. By way of illustration, an autonomous cyclic change in the size of the pores of the membrane between 2 extreme values ​​will induce turbulence in the flow, which will limit the phenomena of polarization concentration, a step before the membrane clogging. In addition, a continuous change in surface wettability (hydrophilic ↔ hydrophobic) will greatly limit irreversible fouling. Finally, the additional energy needed to power the oscillations will come from the waste in the water to be treated (chemical energy) so that the overall energy balance will be very positive. To summarize, in this project, self-regulated chemical oscillations will be decoded in space and time by polymer interfaces so as to produce autonomous macroscopic movements on the surface of filtration membranes and thus prevent their clogging. The main objective is the design of new membranes with an autonomous pulsatile flow chemically fed by the solution to be treated. At the heart of this project is the synthesis of new copolymers and materials capable of oscillating between two autonomous and periodic states.