Développement de membranes microporeuses pour la séparation de gaz et la purification de l'hydrogène

Development of microporous membranes for gas separation and hydrogen purification

• Auteur / Autrice : Pierre Plaza-joly
• Direction : Martin Drobek, Umit B. Demirci, Anne Julbe
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Chimie et Physico-Chimie des Matériaux
• Date : Inscription en doctorat le 30/09/2023
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Chimiques (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IEM - Institut Européen des Membranes
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : DM3 - Design des Matériaux Membranaires et systèmes Multifonctionnels

Mots clés

Mots clés libres

Élimination des COVs et du CO2 notamment

Membranes multifonctionnelles

Hydrogène

Membranes céramiques/composites/hybrides

Séparation de gaz

Gas separation

Ceramic/composite/hybrid membranes

Elimination of VOCs and CO2 etc.

Multifunctional membranes

Hydrogen

Résumé

L'objectif de la thèse s'inscrit dans cette thématique de recherche autour de la séparation de gaz et de la purification de l'hydrogène qui constituent une étape clé de la chaine de sa production. Afin d'obtenir de l'hydrogène exempt d'impuretés, le développement des membranes microporeuses inorganiques ou hybrides s'avère une option particulièrement pertinente offrant de grandes opportunités pour son traitement. En effet, ces membranes permettent d'envisager la séparation d'espèces sur la base de différences de vitesses de diffusion, de compétition d'adsorption et/ou de tamisage moléculaire. Le développement des tels systèmes du traitement de H2 avec une bonne efficacité nécessitera une sélection/étude des matériaux les plus pertinents. Dans cette optique, nous viserons une sélection et la mise en forme de matériaux membranaires microporeux céramiques, composites et hybrides, capables d'éliminer de façon sélective les contaminants tels que les COVs, NH3, CO, CO2 pour ne citer que les principaux. Une attention particulière sera accordée aux zéolithes, MOFs ou aux matériaux à base de bore permettant de moduler la séparation/purification en fonction du diamètre cinétique et/ou de l'affinité des espèces à séparer/traiter avec la couche membranaire. La maîtrise des mécanismes de transport de gaz dans le réseau de ces matériaux sera ainsi un prérequis pour une optimisation de leur design et de leurs performances. La synthèse et la caractérisation structurale et microstructurale de ces matériaux seront effectuées en amont, avant de tester leurs performances sur un pilote de séparation de gaz à l'échelle laboratoire. Il sera spécifiquement adapté et sécurisé pour les tests avec H2 et permettra notamment d'étudier la séparation de mélanges de gaz modèles contenant les impuretés définies. L'architecture et les modalités de synthèse de membranes seront in fine optimisées pour répondre au cahier des charges de l'application, afin de maximiser leur stabilité thermochimique ainsi que leurs performances pour obtenir des sélectivités et perméabilités compétitives.

The objective of the thesis targets the separation of gases and the purification of hydrogen (H2) which constitute a key step in the chain of its production. In order to obtain hydrogen without impurities, the development of inorganic or hybrid microporous membranes is a particularly relevant option offering great opportunities for its treatment. Indeed, these membranes make it possible to consider the separation of species on the basis of differences in diffusion rates, adsorption competition and/or molecular sieving. The development of such systems for H2 treatment with good efficiency requires a selection/study of the most relevant materials. With this in mind, a selection and shaping of ceramic, composite and hybrid microporous membrane materials, capable to selectively eliminate contaminants such as VOCs, NH3, CO, CO2 etc. will have to be adressed. Particular attention will be paid to zeolites, MOFs or boron-based materials to modulate the separation/purification according to the kinetic diameter and/or the affinity of the species to be separated/treated with the membrane layer. Mastering the gas transport mechanisms in the network of these materials will thus be a principal condition for optimizing their design and performance. The synthesis and structural/microstructural characterization will be carried out first, before testing their performance on a laboratory-scale gas separation pilots. It will be specifically adapted and secured for tests with H2 to study the separation of model gas mixtures containing the defined impurities. The architecture and the membrane synthesis methods will be optimized in order to maximize their thermochemical stability and separation/purification performance to obtain competitive selectivities and permeabilities.