Kelvinraj NURSIAH
a soutenu sa thèse le 13 décembre 2023
Membranes à canaux d’eau artificiels pour la distillation membranaire
Devant le jury composé de :
– M. Suming LI, Directeur de recherche, CNRS, Montpellier – Président du jury
– Mme. Cristina IOJOIU, Directrice de recherche, CNRS, Grenoble – Rapporteur
– Mme. Andréa PASC, Professeur, Université de Lorraine – Rapporteur
– Mme Niculina HADADE, Maître de Conférence, Université de Cluj-Napoca – Examinateur
– M. Mihail Dumitru BARBOIU, Directeur de recherche, CNRS, Montpellier – Directeur de Thèse
– Mme Sophie CERNEAUX, Maître de Conférence, ENSCM, Montpellier – Co-encadrante de Thèse
Résumé :
Ce travail de recherche porte sur le développement de membranes en polyfluorure de vinylidène (PVDF) auto-supportées plates incorporant des canaux d’eau artificiels (AWC) amphiphiles, pour application en distillation membranaire. La stratégie envisagée a consisté à incorporer ces molécules contribuant à la stabilisation de clusters d’eau et à l’augmentation du transport de la vapeur d’eau au travers des pores hydrophobes afin d’améliorer la perméabilité des membranes tout en préservant une haute sélectivité. En ce sens, deux différentes méthodes de préparation, notamment Non-Solvent Induced Phase Separation (NIPS) et Vapor Induced Phase Separation (VIPS), ont été employées pour la fabrication des membranes PVDF-AWC. Les membranes les plus performantes ont été obtenues par la méthode NIPS. Ainsi, une membrane hybride optimisée, ayant pour composition 16 %m de PVDF (530 000 g.mol-1) et 0,05 %m d’AWCs, a été identifiée. Cette membrane a démontré une perméabilité de 75.3 L.m-2.h-1.bar-1 comparé à 30.6 L.m-2.h-1.bar-1 pour sa membrane de référence, en tests de filtration à l’eau. Une augmentation de 10,6% a été observée pour le flux en distillation membranaire, avec une rétention de 95,3 % obtenue dans le cas de la membrane hybride comparée à 85,2 % pour sa membrane de référence. En outre, l’efficacité des membranes hybrides a été mise en évidence par des tests d’ultrafiltration pour des mélanges de colorants. La membrane de référence (14 %m PVDF) et la membrane PVDF-AWC (14 %m et 0,075 %m, respectivement) identifiées ont démontré des performances de séparation améliorées pour un mélange binaire de bleu de méthylène et de méthyl orange. La perméabilité de la membrane hybride était de 84 L.m- 2.h-1.bar-1, alors que celle de la membrane de référence était de 40 L.m-2.h-1.bar-1. En se basant sur les résultats obtenus au cours de ce travail, il peut en être déduit que la méthode NIPS est la mieux adaptée pour la fabrication de membranes PVDF-AWC.
Mots-clés : PVDF, AWC, Distillation membranaire, NIPS, VIPS.
Abstract:
In this research work, innovative self-supported flat-sheet polyvinylidene fluoride (PVDF) membranes incorporating amphiphilic I-quartet Artificial Water Channels (AWCs) were developed and applied for MD desalination technology. The presence of the AWCs was aimed to increase the amount of water vapor transport within the hydrophobic PVDF pores, thus enhancing water permeability and preserving high selectivity, consequently improving the MD performance. Novel strategies were explored, in which water channels structures contribute to water cluster stabilization and the increase of water vapor within hydrophobic pore structures. As such, two different preparation methods, namely Non-Solvent Induced Phase Separation (NIPS) and Vapor Induced Phase Separation (VIPS), were employed for the fabrication of the PVDF-AWC membranes. The NIPS method yielded the highest performing membranes, with enhanced Pure water permeability (PWP) of 75.3 L.m-2.h-1.bar-1 attained for the optimized PVDF-AWC hybrid membrane prepared using 16 wt.% PVDF (530 000 g.mol-1) and 0.05 wt.% AWCs when compared with its reference membrane characterized by a PWP of 30.6 L.m-2.h-1.bar-1. A 10.6 % increase in MD flux was observed, with an enhanced salt rejection of 95.3 % obtained for the PVDF-AWC membrane compared to 85.2 % for the PVDF reference membranes. The efficacy of the hybrid membranes was further put into evidence through dyes Ultrafiltration (UF). Both the reference (14 wt.%) and PVDF-AWC (14 wt.% and 0.075 wt.%, respectively) membranes showed improved separation performance for binary dyes mixture (Methylene Blue-Methyl Orange), with filtered dye feed permeability of 40 L.m-2.h-1.bar-1 for the former
and 84 L.m-2.h-1.bar-1 for the latter. In light of the obtained results, it can be inferred that the NIPS method is better suited for the production of the PVDF-AWC membranes. These findings provide further scope into the development of the latter at a larger scale, keeping in mind that the NIPS method is a simple and
easy method.
