Study of the separation by organic solvent nanofiltration of diluted solutes using commercial, dense and porous membranes and their derivatives by deposition of polyelectrolyte nanolayers

par Mahbub Morshed

Thèse de doctorat en Génie des procédés, des produits et des molécules

Sous la direction de Denis Roizard et de Halima Alem-Marchand.

Le président du jury était Éric Favre.

Le jury était composé de Bart Van der Bruggen, Boris Lakard, Murielle Rabiller-Baudry.

Les rapporteurs étaient Bart Van der Bruggen, Boris Lakard.

  • Titre traduit

    Fractionnement par nanofiltration organique de mélanges liquides modèles de milieux de métathèse. Étude de membranes commerciales, denses et poreuses, et de leurs dérivés obtenues par dépôt de nanocouches de polyélectrolytes


  • Résumé

    L’objectif de cette étude était d’améliorer les performances de séparation OSN de membranes commerciales en vue d’applications en métathèse dans laquelle des catalyseurs hautement dilués sont utilisés. Dans ce travail, des membranes polymères commerciales ont d'abord été étudiée pour caractériser leurs performances dans des milieux organiques en utilisant des mélanges binaires très dilués solute-solvant. Sur la base d'une revue de la littérature, il a été montré que la membrane PERVAP4060, dont le PDMS est la couche active dense était un candidat prometteur pour la nanofiltration milieu organique (OSN). En tant que membrane poreuse, les supports commerciaux AMS et PAN ont également été pris en compte. Dans cette étude, nous avons considéré la modification sur la surface pour conserver les propriétés de matrice polymère. Les multicouches de plasma Ar/O2 et/ou de polyélectrolytes ont été utilisées pour la préparation de membranes prototypes. Les membranes non modifiées et modifiées ont été testées dans des conditions OSN en utilisant des mélanges d'alimentation biniares. Plusieurs solutés très dilués, le ligand organophosphoré R-BINAP, un catalyseur de transfert de phase (ToABR) et des alcanes linéaires ont été étudiés. Le R-BINAP et le ToABR ont tous deux été utilisés dans la plage de 0,0001 à 0,5% en masse et la plupart des expériences ont été réalisées ensuite avec des concentrations de 0,05% en masse de soluté dans le toluène. Il a été montré que le PDMS était capable de retenir 80% de R-BINAP et environ 93% de ToABr dans du toluène. Après modification par les dépôt LBL, le taux de rejet est amélioré avec les membranes modifiées PERVAP4060, conduisant à une rétention de 88% du R-BINAP avec un dépôt de 10 bicouches de polyélectrolytes PAH / PSS en surface, ce taux de rejet pouvant atteindre 95% lorsque le nombre de bicouches est de 20. Le taux de rejet de ToABr augmente à 97%. Les performances de la membrane ont été étudiées sous différentes pressions comprises entre 1 et 40 bars; le haut rejet, encore observé dans ces conditions OSN, plaide résolument en faveur d'un mécanisme de transfert de type solution-diffusion à travers le PDMS. On a également étudié le traitement des mélanges ternaires mimant le mélange catalyseur / solutés / solvant, correspondant à l'hydroformylation ; aucun signe de couplage n’a été détectée et le taux rejet du soluté de masse molaire la plus forte est resté inchangé. D'autre part, l'amélioration du taux de rejet a également observée à partir des membranes poreuses après modification. Le taux de rétention du C44 dans l'AMS a été atteint 75% après modification par 10 bicouches de PDDA / PSS, alors qu’il n'était que de 25% avant modification. Dans le PAN modifié, le taux de rejet des solutés obtenus est dans la plage de 37 à 50%, alors qu’il n'était que de 3 à 7% en masse avant modification. L'inconvénient de la membrane poreuse est toutefois la forte diminution du flux après le dépôt des couches multiples.


  • Résumé

    The objective of this study was to improve the OSN separation performance of commercial membranes for metathesis applications in which highly diluted catalysts are used. In this work, commercial polymeric membranes were first studied to characterize their performance in organic media using very dilute solute-solvent binary mixtures. Based on a literature review, it was shown that the PERVAP4060 membrane, of which PDMS is the dense active layer, was a promising candidate for organic solvent nanofiltration (OSN). As a porous membrane, the AMS and PAN commercial supports have also been taken into account. In this study, we considered the modification on the surface to improve the separation properties of polymeric OSN membranes. Ar/O2 plasma and/or polyelectrolytes multilayers were used for the preparation of new prototype membranes. Unmodified and modified membranes were tested under OSN conditions using binary feed mixtures. Several highly dilute solutes, organophosphorus ligand R-BINAP, phase transfer catalyst ToABR, and linear alkanes have been studied. Both R-BINAP and ToABR were used in the range of 0.0001 to 0.5% by weight, and most experiments were subsequently performed with 0.05% solute concentrations in toluene. It has been shown that PDMS can retain 80% R-BINAP and about 93% ToABr in toluene. After modification by the LBL deposition, the rejection is improved with the modified PERVAP4060 membranes, leading to an 88% rejection of R-BINAP with a deposit of 10 PAH / PSS polyelectrolyte bilayers at the surface and this rejection being able to reach 95% when the number of bilayers is 20. ToABr rejection increases to 97% with the ten bilayered membranes. The performance of the membrane was studied under different pressures of between 1 and 40 bar; the high rejection, still observed in these OSN conditions, strongly supports a solution-diffusion transfer mechanism through the PDMS. The treatment of ternary mixtures mimicking the catalyst/solute/ solvent mixture corresponding to the hydroformylation has also been studied; no evidence of coupling was detected, and the highest retention remained unchanged. On the other hand, the improvement of the rejection also observed from the porous membranes after modification. The rejection of C44 in the AMS was reached 75% after modification by tention10 bilayers of PDDA / PSS, whereas it was only 25% before modification. In the modified PAN, the rejection of the solutes obtained is in the range of 37 to 50%, whereas it was only 3 to 7% by weight before modification. The disadvantage of the porous membrane, however, is the sharp decrease in flux after the deposition of the multiple layers.


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