Préparation des membranes à base de poly(étherimide) fonctionnalisées et à taille de pores contrôlée : application à la séparation sélective des ions et des acides aminés

Preparation of functionalized poly(etherimide) membranes with controlled pore size : applications to water softening and amino acids separation

• Auteur / Autrice : Sana Gassara
• Direction : André Deratani, Raja Ben Amar
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie séparative matériaux et procédés
• Date : Soutenance le 12/09/2013
• Etablissement(s) : Montpellier 2 en cotutelle avec Université de Sfax (Tunisie)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Chimiques Balard (Montpellier ; 2003-2014)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Européen des membranes (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : John Palmeri
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : André Deratani, Raja Ben Amar, John Palmeri, Murielle Rabiller-Baudry, Hatem Majdoub, Alya Kamoun
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Murielle Rabiller-Baudry, Hatem Majdoub

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ultrafiltration

Nanofiltration

Séparation par membranes

Fonctionnalisation des surfaces (chimie)

Membranes (technologie)

Mots clés libres

Membrane

Fonctionnalisation

Contrôle de la taille des pores

Nanofiltration

Ultrafiltration

Membrane

Fonctionalization

Control of pore size

Nanofiltration

Ultrafiltration

Résumé

Des gammes de membranes en poly(étherimide) (PEI) fonctionnalisées avec des tailles de pores contrôlées ont été préparées en se basant sur deux étapes successives : élaboration des membranes UF de seuil de coupure (MWCO) de 120 ± 10 kDa par la technique inversion de phase induite par la coagulation dans l'eau suivie d'un traitement de surface par une solution aqueuse contenant des oligomères aminés. Une modification avec un dérivé monoaminé commercial, le Jeffamine M-2070, a donné des membrane recouvertes de brosses de courtes chaines de poly(éthylèneglycol) (PEG-PEI) qui ont rendu la membrane plus hydrophile et plus résistante au colmatage par le BSA avec un taux de récupération de flux de l'ordre de 80 à 93 % (traitement de 1 à 3 h). Le MWCO des membranes PEG-PEI traitées plus que 3 h augmente progressivement pour atteindre 500 kDa après 5 h de traitement. D'autre part, une réaction avec des oligomères de poly(éthylèneimine) a donné des membranes chargées positivement (Cat-PEI) en rétrécissant la taille des pores pour atteindre des gammes de membranes d'UF serrée et de NF. Des membranes Cat-PEI de NF de MWCO de l'ordre de 300-500 Da sont adaptées au dessalement avec par un ordre de rétention décroissant de sels simples de CaCl2 > NaCl > MgSO4 > Na2SO4. La forte rétention des ions Ca2+ (plus que 90 %) rend ces membranes très efficaces pour l'adoucissement d'eau (diminution de la dureté d'une eau du robinet de 37 à 7°F). Les membranes Cat-PEI ont montré aussi, une bonne rétention des acides aminés basiques (plus que 80 % pour l'Arginine et la Lysine) à un pH entre 3 et 6. Ainsi une sélectivité expérimentale de l'ordre de 20 a été obtenue pour des mélanges d'acide glutamique et d'arginine avec des membranes de MWCO entre 500 et 750 Da.

Functionalized poly(etherimide) (PEI) membranes with controlled pore size were prepared based on two steps : preparation of UF membranes with a molecular weight cut-Off (MWCO) of 120 ± 10 kDa by phase inversion induced by coagulation in water followed by a surface treatment with an aqueous solution containing amino oligomers. Modification with a commercial monoamine derivative, Jeffamine M-2070, gave membranes (PEG-PEI) coated with brushes of poly (ethylene glycol) short chains that made the membrane more hydrophilic and more resistant to fouling by BSA with a recovery flow rate of of 80 to 93 % (treatment of 1 to 3 h). The MWCO of PEG-PEI membranes treated more than 3 h became progressively larger and reached 500 kDa after 5 h of treatment. On the other hand, reaction with oligomers of poly (ethyleneimine) gave positively charged membranes (Cat-PEI) by narrowing the pore size yielding tight UF and NF membranes. Cat-PEI NF membranes with MWCO of about 300-500 Da are suitable for desalination with a retention order of decreasing simple salts CaCl2> NaCl> MgSO4> Na2SO4. The high retention of Ca2+ ions (more than 90%) make Cat-PEI effective membranes for softening water (reducing the hardness of tap water from 37 to 7 °F). In addition, Cat-PEI membranes showed a good retention of basic amino acids (more than 80% for arginine and lysine) at pH between 3 and 6. Thus, an experimental selectivity of about 20 was obtained for a glutamic acid and arginine mixture using Cat-PEI membranes with a MWCO between 500 and 750 Da.