Analyse multi-échelle de la dégradation de membranes d'ultrafiltration en polyethersulfone - poly(N-vinyl pyrrolidone) en conditions d'usage

par Bastien Pellegrin

Thèse de doctorat en Génie des procédés et de l'environnement

Sous la direction de Christel Causserand.

Soutenue en 2013

à Toulouse 3 .


  • Résumé

    Ces travaux portent sur l'étude du vieillissement de membranes d'ultrafiltration en PES / PVP. Ils sont motivés par le constat industriel de l'endommagement des membranes au cours de leur utilisation. Il est démontré que l'hypochlorite de sodium utilisé lors des procédures de lavages sur site de production d'eau potable est le principal responsable du vieillissement des membranes. Cette dégradation chimique conduit à une oxydation radicalaire de la PVP (avec et sans rupture de chaînes), entraînant son élimination partielle de la structure de la membrane. Ce phénomène provoque une augmentation de la perméabilité à l'eau pure, une diminution de la sélectivité et une altération des propriétés mécaniques de la membrane. Une relation directe entre l'évolution de l'allongement à la rupture (déterminé par essais de traction) et la quantité de PVP contenue dans les 40 premiers microns en dessous de la surface de la membrane est notamment établie. Nous mettons également en évidence la relative stabilité de la PES. L'exposition de la PES à l'hypochlorite provoque la formation de phénols ortho-substitués (sans rupture de chaînes), uniquement en présence de PVP. En plus de l'altération de la sélectivité et des propriétés mécaniques, d'un point de vue applicatif, ces modifications chimiques donnent lieu à une augmentation de la sensibilité au colmatage. Les résultats de cette étude de vieillissement accéléré en laboratoire sont supportés par l'analyse de membranes issues de modules ayant opéré durant plusieurs années sur site de production d'eau potable. En effet, les marqueurs macroscopiques et moléculaires de la dégradation présentent, dans les deux cas, les mêmes évolutions. Cependant, l'accent est mis sur l'invalidité du concept de dose, très largement utilisé pour quantifier l'avancement de la dégradation. En effet, nous démontrons que, dans la gamme de concentrations et de temps que nous avons étudié, il existe un effet prépondérant de la concentration par rapport au temps.

  • Titre traduit

    Multi-scale analysis of hypochlorite induced PES-PVP ultrafiltration membranes degradation


  • Résumé

    Motivated by drinking water production plants reporting membrane failure issues, this study investigates the ageing of a commercially available PES / PVP UF hollow fiber. Proof is given that membrane degradation is mainly induced by sodium hypochlorite exposure. The effects on the PES chemical structure are limited, very low extend of chain scission occurs and the formation of an ortho-substituted phenol is observed as the main modification. Experiments show that the presence of PVP and/or PVP degradation products is a required condition for the PES oxidation to occur. On the other hand, PVP appears to be very sensitive to hypochlorite exposure. PVP radical oxidation mechanisms are identified presenting a maximal reaction rate for neutral to slightly basic pH and leading to the partial removal of the PVP degradation products from the membrane structure. Correlation of macroscopic and molecular characterizations demonstrates that PVP degradation is responsible for the membrane integrity loss (impairing selectivity and mechanical performance), while hypochlorite exposure also induces enhanced membrane / solutes interactions, leading to an accentuated fouling. The representativeness of static continuous hypochlorite exposure regarding the actual on-site membrane ageing is confirmed by the analysis of membranes extracted from an industrially operated module. Nevertheless, the hypochlorite dose parameter, widely used in the literature, is demonstrated to be inappropriate to describe the degradation rate: the hypochlorite concentration impact is shown to be dominating the exposure time impact on the degradation rate.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (191 p.)
  • Annexes : Références bibliogr. en fin de chapitres. Annexes

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  • Bibliothèque : Université Paul Sabatier. Bibliothèque universitaire de sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 2013 TOU3 0156
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