Fractionnement par pervaporation de mélanges liquides hydro-organiques partiellement miscibles : mise en évidence du rôle de la structure cristalline des membranes denses sur leurs propriétés de transport

Pervaporation of liquid mixtures presenting a miscibility gap : study of the influence of the crystallinity of the membrane on its transport properties

• Auteur / Autrice : Ruxandra Gref
• Direction : Jean Néel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance en 1991
• Etablissement(s) : Vandoeuvre-les-Nancy, INPL
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Chimie Physique Macromoléculaire

Mots clés

Mots clés contrôlés

Pervaporation

Génie chimique

Mots clés libres

Pervaporation

Demixtion

Acétate de cellulose

Membranes semicristallines

Séparation de phase

Pervaporation

Demixing

Cellulose acetate

Semi-crystalline membranes

Phase separation

Résumé

Nous avons étudié les particularités que manifestent, en pervaporation, les mélanges binaires dont les deux constituants ne sont pas miscibles en toute proportion. Selon la nature des interactions qui s'exercent à l'intérieur du système examiné, nous avons distingué un comportement idéal auquel s'opposent quelques cas particuliers. Nous approfondissons l'étude en choisissant une membrane idéale (acétate de cellulose) et une membrane au comportement particulier (alcool polyvinylique), parmi celles qui se rapprochent le plus des matériaux utilisés à l'échelle industrielle en pervaporation. Nous montrons que l'acétate de cellulose gonfle de manière identique dans deux phases liquides en équilibre thermodynamique. La polarisation de concentration en phase liquide est l'unique raison pour laquelle les flux partiels pourraient être différents en pervaporation. L'alcool polyvinylique est, lui, un exemple typique de matériau semicristallin. Nous avons distingué trois états différents du liquide absorbe, dont les proportions respectives dépendent de la cristallinité du polymère. Apres avoir identifié l'influence de la structure fine (cristalline) sur plusieurs autres de ses propriétés, nous avons étudié la conséquence de l'absorption d'eau sur la mobilité de ses chaines. Le modèle qualitatif élaboré à partir de l'ensemble des données permet de mieux comprendre les propriétés de perméation et de gonflement dans deux phases en équilibre thermodynamique. Finalement, nous établissons un modèle quantitatif pour la pervaporation à travers des membranes semicristallines en alcool polyvinylique. Il résulte de cette étude que l'état de l'eau une fois absorbée par un polymère hydrophile détermine le comportement de ce dernier lorsqu'il est utilisé sous forme de membrane pour traiter, par pervaporation, un mélange hydro-organique à miscibilité limitée. Nous avons souligné le rôle primordial de la cristallinité des membranes en alcool polyvinylique sur leur perméabilité en pervaporation vis-à-vis de l’eau, ainsi que des alcools étudiés (éthanol, 1-butanol et 1-octanol). Les cristallites peuvent être assimilées à des centres de réticulation multichaîne ; elles réduisent la possibilité de gonflement

We have studied the pervaporation properties of different liquid mixtures presenting a miscibility gap. Depending on inner polymer interactions, we defined an “ideal” and a particular bahaviour, and we chose to focus on one membrane of each category : Cellulose Acetate (AC) and Poly(vinyl Alcohol) (PVA), among those widely used in industry. We show that AC swells the same way in both phases in thermodynamic equilibrium, whereas PVA does not. Concentration polarization is the only mean to specifically modify one of the partial fluxes. PVA is a typical semicrystalline polymer, whose structure governs the proportions of the three possible states of soaked water. After a review of the properties ruled by the amount of crystallites in the polymer, we have build a qualitative model devoted to the permeation and swelling properties in two phases in a steady thermodynamic state. We then came to a quantitative model of the pervaporation process using PVA membranes. The result of this study is the fact that soacked water of an absorbent polymer defines its behavior when used as a membrane to pervaporate a hydro-organic mixture