Jeanne CASETTA
a soutenu sa thèse
le 4 décembre 2023
« Développement de nouvelles membranes nano-structurées à base de fibres creuses
par modification de leur surface pour application au traitement de l’eau »
devant le jury composé de :
– M. Jean-Christophe REMIGY, Pr. des Universités – Université Paul Sabatier – Toulouse – Rapporteur
– Mme Elisabeth BLANQUET, Directrice de Recherches – CNRS – Grenoble INP · SIMAP – UGA – Rapporteur
– Mme Christelle WISNIEWSKI, Pr. des Universités – UMR QualiSud, Faculté des Sciences pharmaceutiques et biologiques -Université de Montpellier – Examinatrice
– M. Nikolaos KANELLOPOULOS, Directeur de Recherches – Demokritos NCSRD – Greece – Examinateur
– M. Philippe MIELE, Pr. des Universités – ENSCM – Université de Montpellier – Directeur de thèse
– Mme Céline POCHAT-BOHATIER, Maitre de Conférences – Polytech Montpellier – Université de Montpellier – Co-Directrice de thèse
– M. Mikhael BECHELANY, Directeur de Recherches – Institut Européen des Membranes – UMR563 – CNRS Montpellier – Invité
Résumé :
Ce travail de thèse a pour objectif l’élaboration de nouvelles membranes polysulfone fibre creuse nano-structurées par modification de leur surface pour application au traitement de l’eau. Deux approches ont été abordées : la première par dépôt d’une couche atomique après fabrication des membranes et la deuxième par ajout d’un nanomatériau dans la solution de polymère pendant leur fabrication par extrusion. Dans le premier cas, la méthode par dépôt de couches atomiques ALD a été choisie pour ses excellentes uniformité, reproductibilité et homogénéité et différents oxydes ont été étudiés en testant un nombre croissant de cycles.
Dans le second, c’est l’oxyde de graphène (GO) connu pour ses propriétés uniques, comme son hydrophilie ou ses bonnes propriétés mécaniques, apportées par ses nombreux groupes fonctionnels qui a été sélectionné pour la fabrication de membranes à matrice mixte. Les dépôts des différents oxydes, TiO2, ZnO et Al2O3, ont été prouvés par EDX et XPS. Les morphologies et propriétés mécaniques des membranes modifiées ne sont pas altérées et ces dernières présentent des performances nettement améliorées. Pour la 2e approche, les fibres polysulfone ont été préparées par extrusion en insérant 1% massique de GO dans la solution
de polymère. L’influence de cette insertion sur la nano-structuration des membranes notamment au moment de la séparation de phase induite par le non-solvant (NIPS) est étudiée. Les membranes modifiées présentent des macro-vides distribués aléatoirement, des pores plus grands, une hydrophilie accrue ainsi qu’une perméabilité quatre fois plus élevée. Leurs performances anti-colmatages sur 4 différents contaminants modèles souvent présents dans les eaux usées ainsi que les mécanismes en jeu sont également explorés.
Mots-clés : Membrane, ultrafiltration, fibre creuse, polysulfone, dépôt de couches atomiques, extrusion, séparation de phase induite par non-solvant, oxyde de graphène
Abstract:
The aim of this thesis is to develop novel nano-structured hollow fiber polysulfone membranes by modifying their surface for water treatment applications. Two completely different approaches have been investigated: the first involves the “off-line” coating modification via atomic layer deposition (ALD) and the second involves the “on-line” addition of a nano-filler to the polymer solution during the synthesis of membranes by extrusion. In the first case, the ALD method was chosen for its excellent uniformity, reproducibility and homogeneity, and different oxides were studied by testing an increasing number of cycles. In the second, graphene oxide (GO), known for its unique properties, such as hydrophilicity and good mechanical properties provided by its many functional groups, was selected for the
preparation of mixed-matrix membranes. The deposition of the various oxides, TiO2, ZnO and Al2O3, was demonstrated by EDX and XPS. The morphologies and mechanical properties of the modified membranes were not altered, and their performances were significantly improved. For the 2nd approach, polysulfone fibers were prepared by extrusion by inserting 1wt.% GO into the polymer solution. The influence of this insertion on the nano-structuration of the membranes, particularly during NIPS, was studied. The modified membranes exhibit randomly distributed macrovoids, larger pores, increased hydrophilicity and a four-fold increase in permeability. Their anti-fouling performance on 4 different model contaminants often present in wastewater and the mechanisms involved are also explored.
Key words: Membrane, ultrafiltration, hollow fiber, polysulfone, atomic layer deposition, spinning, non-solvent induced phase inversion, graphene oxide
