Développement de nouvelles membranes nanostructurées à base de fibres creuses par modification de leur surface

par Jeanne Casetta

Projet de thèse en Chimie et Physico-Chimie des Matériaux

Sous la direction de Philippe Miele et de Céline Pochat-bohatier.

Thèses en préparation à Montpellier , dans le cadre de Sciences Chimiques , en partenariat avec IEM - Institut Européen des Membranes (laboratoire) et de DM3 - Design des Matériaux Membranaires et systèmes Multifonctionnels (equipe de recherche) depuis le 01-10-2020 .


  • Résumé

    La fabrication de membranes pour la séparation moléculaire suscite un grand intérêt en raison de leur potentiel à augmenter considérablement l'efficacité énergétique et à réduire le coût de la production de carburant renouvelable / propre, de la production chimique biosourcée, de la capture des gaz à effet de serre et de la purification de l'eau. De nos jours, les membranes polymériques en fibres creuses sont utilisées à des fins industrielles pour la purification de l'eau et du gaz. Ces membranes sont principalement développées en utilisant la technique de filage sec / humide. La formation de la structure de la couche interne de la fibre est principalement déterminée par la composition de bain. En changeant le type de bain, il est possible de préparer des surfaces intérieures poreuses. Cependant, la majorité des fibres creuses préparées par la technique sèche / humide présentent une fine peau dense sur la couche externe. Par conséquent, il est nécessaire d'améliorer la morphologie de la surface extérieure en essayant d'éviter la formation d'une couche dense de peau externe. Un nouvel approche sera la dispersion des nanomatériaux (en particulier des matériaux 2D tels que l'oxyde de graphène et le nitrure de bore par exemple) dans une matrice polymérique correspondant à la couche externe; cela devrait combiner les propriétés uniques des matériaux 2D avec l'aptitude au traitement des membranes polymériques afin d'obtenir des performances optimales pour les séparations gaz-gaz, liquide-liquide et liquide-solide. L'objectif principal de cette étude sera de modifier donc la couche de surface externe soit par fonctionnalisation en ligne (pendant la fabrication des fibres creuses) et hors ligne (post-synthèse des fibres). Le contrôle de tous les paramètres durant le filage sera un sujet d'étude important. Concernant la modification hors ligne, l'objectif est de modifier les surfaces des fibres creuses externes et internes en utilisant le dépôt de couche atomique (ALD) ou le dépôt de couche atomique en phase liquide (LALD). L'utilisation de ces techniques permettra le revêtement de la surface de la membrane et des parois des pores avec une couche uniforme et conforme avec un film très mince de matériaux sélectionnés. Grâce au revêtement ALD, la membrane affichera une mince enveloppe extérieure, ce qui pourrait améliorer l'hydrophilicité et la résistance de la membrane aux acides et aux solvants organiques par exemple.

  • Titre traduit

    Development of novel nanostructured Hollow Fibers Membranes (HFs) by in/off-line surface modification


  • Résumé

    The fabrication of advanced molecular separation membranes is attracting great interest because of their potential to significantly increase the energy efficiency, and reduce the cost, of renewable/clean fuel production, bio-based chemical production, greenhouse gas capture, and water purification [1]. Nowadays, polymer hollow fibers membranes are used industrially for water and gas purification purposes, these membranes are mostly developed using dry/wet spinning technique. The formation of the fiber´s inner layer structure is mainly determined by the bore liquid composition. By changing the type of the bore liquid it is possible to prepare porous inner surfaces. However, the majority of the HFs prepared by the dry/wet technique present a thin dense skin on the outer layer. Therefore, it is necessary to improve the outer surface morphology trying to avoid the outer dense skin-layer formation. A new insight will be the dispersion of nanomaterials (particularly 2D materials such as Graphene oxide and Boron nitride for example) in a polymer matrix corresponding to the outer layer; this is expected to combine the unique properties of the 2D materials with the processability of polymer membranes to achieve synergistic separation performance for gas-gas, liquid-liquid, and liquid-solid separations [2]. The main objective of this study will be to modify the outer surface layer either by in-line and off-line functionalization. The control of all the parameters such as collodions compositions, collodions flow rates, air gap, coagulation bath temperature and composition and ‘spinning rate' will be an important subject of study. Regarding the off-line modification, the goal is to modify the outer and inner HFs surfaces using Atomic Layer Deposition (ALD) or Liquid Atomic Layer Deposition (LALD). Using these techniques will allow the coating of the membrane surface and the pore walls with a uniform and conformal layer with a very thin film of selected materials. Through ALD coating, the membrane will display a thin outer shell, which could improve the membrane hydrophilicity and resistance to acids and organic solvents for example.