Lauran MAMA
soutiendra sa thèse
« De la biomasse à la membrane : Développement de
membranes de filtration en polyimide respectueuses de
l’environnement pour le traitement de l’eau »
le Mardi 6 Octobre 2026 à 9h
Devant le jury composé de :
– Stéphane BRUZAUD, Professeur, Université Bretagne Sud, INSIS – Rapporteur
– Catherine MARESTIN, Chargé de recherche, Université de Lyon, INSA – Rapporteure
– Christine JOLY-DUHAMEL, Professeure, ENSC de Montpellier, ICGM – Examinatrice
– Julien Bernard, Directeur de recherche, Université de Lyon, INSA – Examinateur
– Vincent LAPINTE, Maître de Conférences, Université de Montpellier, ICGM – Examinateur
– Damien QUÉMENER, Professeur, Université de Montpellier, IEM – Directeur de thèse
Résumé :
Titre : Membranes de filtration en polyimide à faible impact environnemental et contrôle du cycle de vie
Mots clés : Membranes en polyimide, Séparation de phase aqueuse, sels de poly(acide amique) (PAAS), polymères biosourcés, analyse de cycle de vie, complexes polyélectrolytes.
Résumé : la fabrication des membranes polymères repose encore largement sur l’utilisation de solvants organiques toxiques, soulevant des enjeux environnementaux et sanitaires importants. Ce travail porte sur le développement de membranes en polyimide (PI) plus durables pour le traitement de l’eau, en combinant des approches de procédés respectueux de l’environnement et de conception de matériaux. Une première stratégie consiste à remplacer les solvants organiques toxiques conventionnels par l’eau, en développant une voie de fabrication basée sur la séparation de phase aqueuse de poly(amic acid) sous forme de sels (PAAS), utilisés comme précurseurs hydrosolubles de polyimides haute performance. Des membranes ont été obtenues avec succès par séparation de phase induite par l’ajout de sels monovalents, conduisant à des structures asymétriques composées d’une fine couche dense sélective supportée par une sous- couche poreuse. Après imidization thermique, ces structures sont converties en membranes en polyimide sans altération de leur morphologie. Ces membranes présentent un réseau de pores de taille caractéristique comprise entre 20 et 60 nm avec un flux d’eau pure élevés. Une analyse de cycle de vie, comparant la voie aqueuse à un procédé conventionnel utilisant le N-methyl-2- pyrrolidone (NMP), met en évidence une réduction de l’impact environnemental associée à l’approche aqueuse. Cette amélioration est principalement liée à l’élimination du NMP, dont la production et l’utilisation sont responsables d’émissions significatives, d’une consommation de ressources fossiles et d’impacts liés à la toxicité. Parallèlement, l’intégration de monomères biosourcés a conduit à la synthèse de trois diamines de structures distinctes, utilisées pour préparer des systèmes de PAAS partiellement biosourcés. Ces matériaux, solubles dans l’eau et thermiquement stables avec une température d’imidization autour de 150°C, présentent toutefois des viscosités nettement plus faibles, indiquant un enchevêtrement limité des chaînes et une croissance macromoléculaire restreinte. En conséquence, la formation de membranes par séparation de phase aqueuse n’est pas possible dans les conditions étudiées, ce qui conduit à étudier l’auto-assemblage des PAAS (polyanions) avec la polyethylèneimine (PEI) (polycations) comme système modèle de complexes de polyélectrolytes. Le contrôle du rapport de charge permet d’obtenir des nanoparticules cœur-coquille bien définies, dont la stabilité et l’organisation dépendent fortement de la composition, révélant des comportements distincts entre systèmes commerciaux et partiellement biosourcés. Ce travail met en évidence le potentiel et les limites des approches aqueuses et partiellement biosourcées pour la fabrication de membranes en polyimide, et apporte des éléments de compréhension sur les relations entre structure des polymères, interactions intermoléculaires et conditions de mise en œuvre.
Abstract:
Title : Membranes de filtration en polyimide à faible impact environnemental et maîtrise du cycle de vie
Keywords: Polyimide membranes, aqueous phase separation, poly(amic acid) salts (PAAS), bio-based polymers, life cycle assessment, polyelectrolyte complexes.
Abstract:
Polymer membrane fabrication still largely relies on the use of toxic organic solvents, raising significant environmental and health concerns. This work investigates the development of more sustainable polyimide (PI) membranes for water treatment by combining environmentally friendly processing strategies with material design. A first approach consists in replacing conventional organic solvents with water by developing a fabrication route based on the aqueous phase separation of poly(amic acid) salts (PAAS), used as water-processable precursors to high-performance polyimides. Membranes were successfully prepared via phase separation induced by the addition of monovalent salts, leading to asymmetric structures composed of a thin dense selective layer supported by a porous sublayer. Following thermal imidization, these structures are converted into polyimide membranes without alteration of their morphology. The resulting membranes exhibit a pore network with characteristic diameters in the 20-60 nm range and high pure-water flux. A life cycle assessment comparing the aqueous route with a conventional process based on N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) demonstrates a reduced environmental impact associated with the aqueous approach. This improvement is mainly attributed to the elimination of NMP, whose production and use are responsible for significant emissions, fossil resource consumption, and toxicity-related impacts. In parallel, the integration of bio-based monomers led to the synthesis of three structurally distinct diamines, used to prepare partially bio-based PAAS systems. These materials, which are water-soluble and thermally stable with an imidization temperature around 150°C, exhibit significantly lower viscosities, indicating limited chain entanglement and restricted polymer chain growth. As a result, membrane formation via aqueous phase separation is not achievable under the
investigated conditions, leading to the study of PAAS (polyanions) self-assembly with polyethyleneimine (PEI) (polycations) as a model system for polyelectrolyte complexes. Control of the charge ratio enables the formation of well-defined core-shell nanoparticles, whose stability and organization strongly depend on composition, revealing distinct behaviors between commercial and partially bio-based systems. This work highlights both the potential and current limitations of aqueous and partially bio-based approaches for polyimide membrane fabrication, while providing insights into the relationships between polymer structure, intermolecular interactions, and processing conditions.
