Modification et fabrication de membranes nanoporeuses de filtration par polymérisation par plasma froid.

Modification and fabrication of nanoporous filtration membranes by cold plasma polymerisation.

• Auteur / Autrice : Djamel Taleb
• Direction : Sébastien Deon, Patrick Fievet
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2023
• Etablissement(s) : Besançon, Université Marie et Louis Pasteur
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Carnot-Pasteur (Besançon ; Dijon ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Univers, Temps-fréquence, Interfaces, Nanostructures, Atmosphère et environnement, Molécules
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université de Franche-Comté (1971-....)

Mots clés

Mots clés libres

Filtration membranaire

Polymérisation Plasma

Modification de surface

Rétention d'ions

Membrane filtration

Plasma polymerization

Surface modification

Ion retention

Résumé

Bien que les procédés membranaires apparaissent comme une technologie performante et compétitive pour traiter des solutions contaminées, leur essor pour le traitement des effluents industriels contaminés par des polluants ioniques (cations métalliques) est actuellement entravé par leurs propriétés de surface telles que la charge généralement négative des membranes commerciales et leur propension à se colmater rapidement. La maîtrise des propriétés des matériaux membranaires représente donc un enjeu majeur pour développer des applications innovantes adaptées à des problématiques spécifiques auxquelles doivent faire face les industriels et les collectivités locales. Il existe différentes techniques pour modifier les propriétés de surface de membrane existantes ou synthétiser de nouvelles membranes. Parmi celles-ci, la polymérisation par plasma froid est peu utilisée bien qu'elle permette de maîtriser la structure du dépôt formé selon les paramètres opératoires de polymérisation choisis. De plus, les polymères plasma sont en général très réticulés et ils permettent d'obtenir un large éventail de polymères présentant des propriétés physico-chimiques différentes à partir d'un même précurseur. Dans ce projet, deux approches complémentaires sont envisagées : - dans un premier temps, la modification des propriétés de surface de membranes commerciales, lesquelles ne permettent pas de séparer efficacement les ions métalliques. Ce dépôt greffé par plasma froid permettra de modifier les propriétés physico-chimiques de la surface membranaire afin d'ajuster les performances en fonction de la problématique visée. Cette étude doit permettre de comprendre comment les différents paramètres de polymérisation (temps de polymérisation, fréquence, puissance, mode pulsé ou continu, échantillon dans la phase plasma ou en « post-décharge », …) régissent les propriétés membranaires et donc les performances. - La deuxième approche consistera à essayer de produire des membranes en déposant une ou plusieurs couches de polymères synthétisés par polymérisation par plasma sur des supports de préférence biosourcés (chanvre) afin de proposer une alternative aux membranes polymères commercialisées. Pour cela, l'influence des paramètres de polymérisation sera étudiée mais une attention particulière sera portée à la nature des polymères greffés. Les performances des membranes seront investiguées à partir des mesures de flux de perméation, de rétention d'ions polluants et de sélectivité de séparation pour des solutions synthétiques de complexité croissante et des solutions réelles polycontaminées. Les performances anti-colmatantes seront également étudiées par filtration de solutions contenant des protéines à fort potentiel d'encrassement telles que l'albumine de sérum bovin ou de solutions réelles. Les performances de filtration seront ensuite corrélées aux propriétés physico-chimiques des membranes telles que le potentiel zêta (relié à la charge de surface), la taille moyenne de pores, l'hydrophilie, la rugosité, … La compréhension des phénomènes physico-chimiques régissant les interactions entre la surface de membranes polymères et leur environnement s'avère être fondamental pour optimiser le choix du matériau et ajuster ses performances à l'application envisagée. Cette étude doit notamment permettre de comprendre comment les propriétés physico-chimiques des membranes modifiées ou synthétisées gouvernent les performances de filtration. Pour cela, le laboratoire pourra s'appuyer sur un modèle de connaissance développé au laboratoire. A terme, une application de traitement d'un effluent réel issu de l'industrie du traitement de surface par la membrane la plus performante est prévue afin de démontrer la faisabilité de cette approche. L'objectif final de ce projet sera de proposer une ou plusieurs nouvelles membranes capables d'être compétitives par rapport à celles actuellement disponibles sur le marché pour la suppression de polluants ioniques.

Membrane processes appear to be a high-performance and competitive technology for treating contaminated solutions, but their development for treating industrial effluents contaminated by ionic pollutants (metal cations) is currently restricted by their surface properties, such as the generally negative charge of commercial membranes and their tendency to colmate quickly. Controlling the properties of membrane materials is therefore a major challenge as it enables the development of innovative applications adapted to the specific problems faced by industry and local authorities. There are various techniques for modifying the surface properties of existing membranes or synthesising new ones. Among these, cold plasma polymerisation is not widely used, even though it allows the structure of the deposit formed to be controlled according to the polymerisation operating parameters chosen. In addition, plasma polymers are generally highly reticulated, making it possible to obtain a wide range of polymers with different physico-chemical properties from the same precursor. Two approaches are being envisaged to complement each other in this project: - In the first phase, modification of the surface properties of commercial membranes, which do not allow metal ions to be separated efficiently. This cold plasma grafted deposit will make possible to modify the physico-chemical properties of the membrane surface in order to adjust performance according to the problem in question. The research should enable us to understand how the various polymerisation parameters (polymerisation time, frequency, power, pulsed or continuous mode, sample in the plasma phase or in the 'post-discharge' phase, etc.) affect membrane properties and so performance. - The second step will be to try to produce membranes by depositing one or more layers of polymers synthesised by plasma polymerisation on supports, preferably bio-based (hemp), in order to offer an alternative to the polymer membranes currently on the market. The influence of polymerisation parameters will be studied, but particular attention will be given to the nature of the grafted polymers. Membrane performance will be investigated by measuring permeation flux, the retention of pollutant ions and separation selectivity for synthetic solutions of increasing complexity and real polycontaminated solutions. Anti-clogging performance will also be studied by filtering solutions containing proteins with a high clogging potential, such as bovine serum albumin, or real solutions. Filtration performance will then be correlated with the physico-chemical properties of the membranes, such as zeta potential (linked to surface charge), average pore size, hydrophilicity, roughness, etc. Understanding the physico-chemical processes affecting interactions between the surface of polymer membranes and their environment is fundamental to optimising the choice of material and adjusting its performance to the envisaged application. This study should enable us to understand how the physico-chemical properties of modified or synthesised membranes dictate filtration performance. To achieve this, the laboratory will be able to use a knowledge model developed internally. Finally, an application to treat a real effluent from the surface treatment industry using the best-performing membrane is planned in order to demonstrate the feasibility of this approach. The final objective of this project will be to propose one or several new membranes able to compete with those currently available on the market for the removal of ionic pollutants.