Influence de la modification de membranes commerciales par pulvérisation électrostatique et dépôt plasma de polymères chargés sur les performances de filtration.

Influence of the modification of commercial membranes by electrospray deposition and plasma grafting of charged polymers on filtration performances.

• Auteur / Autrice : Elizaveta Korzhova
• Direction : Sébastien Déon, Patrick Fievet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 10/09/2020
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Carnot-Pasteur (Besançon ; Dijon ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut UTINAM (Univers, transport, interfaces, nanostructures, atmosphère et environnement, molécules) (Besançon) - Univers- Transport- Interfaces- Nanostructures- Atmosphère et environnement- Molécules (UMR 6213) / UTINAM
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation : Université de Franche-Comté (1971-....)
• Jury : Président / Présidente : Lasâad Dammak
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sébastien Déon, Patrick Fievet, Lasâad Dammak, Lionel Limousy, Anthony Szymczyk, Vincent Roucoules, Aissam Airoudj
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Lionel Limousy, Anthony Szymczyk

Mots clés

Mots clés contrôlés

Polymérisation sous plasma

Mots clés libres

Membrane d'ultrafiltration

Modification de surface

Polymérisation plasma

Pulvérisation électrostatique

Potentiel zêta

Rétention d'ions

Ultrafiltration membrane

Surface modification

Plasma polymerization

Electrospray deposition

Zeta potential

Ion rejection

Résumé

Bien que les procédés membranaires apparaissent comme une technologie pertinente pour traiter des solutions contaminées, les membranes commerciales d’ultrafiltration fine sont souvent inadaptées pour certaines applications spécifiques comme le traitement de cations métalliques. Leur charge de surface est généralement négative ce qui ne permet pas d’engendrer des rétentions importantes de cations par interactions électrostatiques. Dans ce contexte, nous avons étudié, lors de cette thèse, deux approches originales de déposition de polyélectrolytes sur la surface d’une membrane commerciale d’ultrafiltration, afin d’en modifier les propriétés physico-chimiques. La polymérisation par plasma froid de poly(allylamine) a permis de modifier durablement les propriétés électriques, mais également structurales, de la surface membranaire avec une chute du flux de perméation raisonnable. Avec un temps de polymérisation adéquat, la charge de surface a pu être inversée mais la taille de pores s’en est également trouvé fortement diminuée. Il a notamment été mis en lumière qu’en adaptant le temps de polymérisation, il était possible d’augmenter fortement la rétention des cations divalents (sans impacter celle des anions divalents) et donc d’ajuster la sélectivité entre cations de différentes valences. Les dépôts obtenus par pulvérisation électrostatique de polyéthylénimine (chargé positivement) et de polystyrènesulfonate (chargé négativement) ont permis de modifier de façon significative la charge de surface (positivement ou négativement selon le polyélectrolyte en surface) sans entrainer de chute de flux de perméation. Bien que cette technique ne permette pas de modifier durablement les membranes du fait de l’absence de liaison chimique, une concentration élevée en polymère dans la solution pulvérisée a permis d’augmenter fortement la rétention des cations divalents tout en diminuant fortement celle des anions divalents, même en présence de contraintes hydrodynamiques défavorables imposées par la filtration tangentielle.

Although membrane processes appear to be a pertinent technology to treat contaminated solutions, commercial low molecular weight cut-off ultrafiltration membranes are often unsuitable for some specific applications, such as the treatment of metal cations. Their surface charge is generally negative, which doesn't allow generating a high rejection of cations by electrostatic interactions. In this context, we have studied, during this research, two original approaches to coat the surface of a commercial ultrafiltration membrane with polyelectrolytes in order to modify its physico-chemical properties.Polymerization by cold plasma of poly(allylamine) has made it possible to steadily modify the electrical and structural properties of the membrane surface with a reasonable drop in permeation flux. With an appropriate polymerization time, the surface charge could be reversed, but the pore size was also strongly reduced. It was notably highlighted that by adapting the polymerization time, it is possible to strongly increase the rejection of divalent cations (without impacting that of divalent anions) and therefore to adjust the selectivity between cations of different valences.The depositions obtained by electrospray deposition of polyethylenimine (positively charged) and polystyrenesulfonate (negatively charged) allowed a significant modification of the surface charge (positively or negatively depending on the polyelectrolyte at the surface) without causing a drop of permeation flux. Although this technique doesn't allow a sustainable modification of the membrane surface due to the absence of chemical bond, a high concentration of polymer in the sprayed solution has lead to a strong increase in the rejection of divalent cations while strongly decreasing that of divalent anions, even in the presence of unfavorable hydrodynamic constraints imposed by tangential filtration.