Développement de membranes d'osmose inverse incorporant des systèmes de canaux d'eau artificiels

par Maria Di Vincenzo

Projet de thèse en Chimie et Physico-Chimie des Matériaux

Sous la direction de Mihai Barboiu, Stéphanie Roualdes et de Sophie Cerneaux.

Thèses en préparation à Montpellier , dans le cadre de Sciences Chimiques Balard , en partenariat avec IEM - Institut Européen des Membranes (laboratoire) et de DM3 - Design des Matériaux Membranaires et systèmes Multifonctionnels (equipe de recherche) depuis le 01-09-2017 .


  • Résumé

    Actuellement, le marché des membranes à haut rejet pour le traitement de l'eau et des eaux usées est dominé par des membranes composites à couche mince (TFC) comprenant une couche active de polyamide (PA) réalisée par polymérisation interfaciale (IP). En particulier, la réaction IP de la m-phénylènediamine avec du chlorure de trimesoyle donne lieu à des films entièrement aromatiques, utilisés principalement pour des applications à membrane à haute pression. Cette procédure permet la production de membranes avec un rejet élevé de sel qui sont actuellement utilisés dans des procédés nécessitant une séparation de l'eau et des contaminants, comme le dessalement de l'eau de mer. Cependant, les membranes de polyamide traditionnelles souffrent de défauts inhérents, ce qui réduit leur performance pendant l'opération. Les faiblesses de ces membranes comprennent la rugosité de surface et la présence d'une quantité importante de résidus de groupes carboxyle terminaux n'ayant pas réagi. Ces caractéristiques ont été liées à l'encrassement, causé par la fixation de molécules, de solides en suspension et de microorganismes à l'interface membrane / liquide. Dans ce contexte, de nouvelles membranes avec de meilleures performances globales sont nécessaires. L'Institut Européen des Membranes (IEM) a l'expérience de la mise à l'échelle des systèmes de canaux ioniques moléculaires / supramoléculaires aux matériaux microscopiques de la membrane. La production de membranes à canaux d'eau artificiels (AWC) exempte de défauts sur une grande surface reste le défi le plus critique. Un avantage évident serait que les AWC peuvent être plus facilement et à moindre cout incorporés que les Aquaporins-AQP dans les structures de la membrane plane. En d'autres termes, on pourrait s'attendre à ce que l'utilisation des AWC conduise à la formation de couches hautement perméables avec un excellent rejet de sel. Deux étapes successives seront mises en place pour la préparation des membranes: 1. Préparation des polymères orientés directionnellement: des techniques de polymérisation (sol-gel, photo-réticulation, polymérisation interfaciale, etc.) seront utilisées pour générer des polymères auto-organisés intégrant la haute densité de canaux artificiels. 2. Préparation de la membrane: les polymères directionnels seront associés à un support de membrane microporeux pour obtenir des membranes composites actives. À titre d'approche classique, les dépôts par spin coating ou par immersion seront utilisé pour déposer un polymère orienté directionnel sur la surface de la membrane sous la forme d'une couche supérieure mince ou / et l'insérer dans les μ-pores de la membrane. Comme approche plus originale, les composites à couche mince seront préparés par la méthode de polymérisation interfaciale (IP) ou par méthode de greffe directe sur un support de membrane. Dans le cas de la méthode IP, un substrat de polysulfone microporeux sera trempé avec une solution m-phénylènediamine (MPD) et aqueuse qui contient un précurseur de canal d'eau artificiel-AWC; Ensuite, le substrat sera ensuite exposé au chlorure de trimesoyle (TMC) pour former une couche de polyamide réticulé à trois dimensions avec l'AWC incorporé. Pour la méthode de greffage direct, on va monter des monomères de quartet hydrophobes polymérisés par greffage sur une membrane de nanofiltration de polyéthersulfone sensible à la lumière. La polymérisation par greffe induite par plasma sous pression atmosphérique (APP) sur les membranes de surface active en utilisant le système plasma Atomflo sera aussi développée.

  • Titre traduit

    Development of reverse osmosis membranes incorporating artificial water channel systems


  • Résumé

    Currently, the market of high rejection membranes for water and wastewater treatment is dominated by thin-film composite (TFC) membranes comprising an active layer of polyamide (PA) made by interfacial polymerization (IP). In particular, IP reaction of m-phenylenediamine with trimesoyl chloride gives rise to fully aromatic films, used predominantly for high pressure membrane applications. This procedure allows production of membranes with high salt rejection that are currently employed in processes requiring robust water/contaminant separation, such as seawater desalination. However, traditional polyamide membranes suffer from inherent flaws, which reduce their performance during operation. Weaknesses of these membranes include surface roughness and the presence of a significant residue amount of terminal unreacted carboxyl groups. These characteristics have been related to fouling, caused by attachment of molecules, suspended solids, and microorganisms at the membrane/liquid interface. In this context, new membranes with better overall performances are needed. The Institut Européen des Membranes (IEM) has the experience for upscaling the molecular/supramolecular ion channel systems to microscopic membrane materials. Two reviews have been published very recently. Producing defect-free Artificial Water Channels (AWCs) membranes with large area remains the most critical challenge. One clear advantage is that the AWCs may be more readily incorporated than Aquaporins-AQPs into the planar membrane structures. In other words, one might expect the use of AWCs to lead to the formation of highly permeable layers with excellent salt rejection. Two successive steps will be implemented for the preparation of membranes: 1.Preparation of directional oriented polymers: polymerization techniques (sol-gel, photo-cross-linking, interfacial polymerization, etc.) will be used in order to generate self-organized polymers embedding high density of artificial water channels previously prepared. 2.Membrane preparation: the directional oriented polymers will be associated with a microporous membrane support to get active composite membranes. As a classical approach, slip or dip-coating deposition will be used to deposit a directional oriented polymer on the membrane surface as a thin upper-layer or/and to insert it in the membrane µ-pores. As a more original approach, thin-film composites will be prepared by the interfacial polymerization (IP) method or by direct grafting method on a membrane support. In the case of the IP method, a microporous polysulfone substrate will be soaked with an m-phenylenediamine (MPD) and aqueous solution that contains artificial water channel-AWC precursor; then the substrate will be subsequently exposed to trimesoyl chloride (TMC) to form a three-dimensionally cross-linked polyamide layer with the AWC embedded. For the direct grafting method, we will graft-polymerized hydrophobic I-quartet monomers onto a light-sensitive polyethersulfone nanofiltration membrane. Atmospheric pressure plasma induced graft polymerization (APP) on active surface membranes by using Atomflo plasma system will be developed.