Sharath JAYAKUMAR
a soutenu sa thèse
vendredi 13 décembre 2024
« Hydrophobic ceramic capillary membranes applied to desalination and oil removal »
Devant le jury composé de :
– M. Wojciech KUJAWSKI, Professeur, Université Nicolas Copernicus de Torun, Pologne – Rapporteur
– Mme. Alice MIJA, Professeur, Université Côte d’Azur, Nice – Rapporteur
– M. Philippe TRENS, Professeur des Universités, ENSCM, Montpellier – Examinateur
– Mme. Marie-Alix PIZZOCCARO-ZILAMY, Maître de Conférences, Université de Twente, Pays-Bas – Examinateur
– M. Mihail BARBOIU, Directeur de recherche, CNRS, Montpellier – Directeur de thèse
– Mme. Sophie CERNEAUX, Maître de Conférences, ENSCM, Montpellier – Co-encadrante de thèse
Résumé :
L’une des méthodes potentielles de traitement de l’eau salée est la distillation membranaire (DM). La DM est un procédé de séparation membranaire où la force motrice est la différence de pression partielle à travers la membrane, qui est induite par la différence de température générée de part et d’autre de la membrane. La solution d’alimentation chauffée est vaporisée à l’interface de la membrane et les vapeurs traversent les pores de la membrane pour se condenser sur le côté froid de la membrane sous forme de perméat. Seules des membranes hydrophobes poreuses peuvent être utilisées dans le procédé de DM, car la surface doit être non mouillante et ne doit permettre que le transport de vapeurs à travers les pores de la membrane. Bien que les membranes polymères soient largement étudiées dans les applications de DM, les membranes céramiques peuvent être plus avantageuses en raison de leur grande résistance mécanique, de leur stabilité chimique et thermique élevée.
Dans ce travail, nous avons fabriqué un support capillaire en cordiérite par extrusion d’une pâte. Les supports ont été préparés avec différents agents porogènes comme l’amidon de maïs, la farine
de maïs et la balle de riz. La surface des supports capillaires a été recouverte de trois couches de filtration, chaque couche contenant de la zircone (8 m2/g), de la zircone (43 m2/g) et de la γ- alumine. La membrane devant être hydrophobe, la surface de la membrane a été modifiée en greffant des groupes alkoxysilane contenant 6, 8 et 12 atomes de carbone dans la chaîne alkyle.
Les couches de filtration et la morphologie des membranes ont été observées par MEB ; la structure des poudres brutes a été analysée par DRX et la résistance mécanique de la membrane a été
déterminée par la méthode de flexion 3 points. La taille des pores du support a été déterminée par porosimétrie au mercure. La perméabilité des membranes hydrophiles est comprise entre 1000 et 1500 L m-2 h-1 bar-1, et la pression d’entrée de l’eau (LEP) dans les membranes hydrophobes modifiées est comprise entre 2 et 6 bar. Par la suite, une distillation membranaire en configuration Air Gap a été réalisée en utilisant une solution de NaCl comme alimentation à une concentration de 0,5 M pour obtenir une efficacité de rejet de sel de 95 % pour un gradient de température de 80
°C. Les membranes ont également été testées en microfiltration d’émulsion huile-eau et ont conduit à un rejet d’huile de plus de 85 %. De plus, les membranes capillaires hydrophiles ont également été revêtues de PVDF pour induire des propriétés hydrophobes et testées en filtration d’émulsion huile-eau.
Abstract:
One of the potential methods for the treatment of saline water is Membrane Distillation (MD). MD is a thermally driven separation process where the driving force is the difference of partial pressure across the membrane, which is induced by the temperature difference applied on both sides of the membrane. The feed solution is vaporized at the membrane interface, and the vapors pass through the membrane pores to condense on the cold side of the membrane as permeate. Only porous hydrophobic membranes can be used in the MD process, as the surface should be non-wetting and allow only vapors to pass through the membrane pores. Although polymeric membranes are widely studied in MD applications, ceramic membranes can be more advantageous due to their great mechanical strength, high chemical and thermal stability.
In this work, we fabricated capillary cordierite support by extrusion process. The supports were prepared with different pore-forming agents such as corn starch, maize flour, and rice husk to evidence their influence on the membrane support characteristics. The capillary support was coated with three filtration layers, each layer containing zirconia (8 m2/g), zirconia (43 m2/g) and γ-
alumina. Since the membrane had to be hydrophobic, the membrane surface was modified by grafting alkoxysilane groups containing 6, 8, and 12 carbon atoms in the alkyl chain. The filtration layers and the membrane morphology were observed by SEM; the structure of the raw powders was analyzed by XRD, and the mechanical strength of the membrane was determined using the 3-point bending method. The pore size of the support was determined by Mercury Porosimetry. The permeability of the hydrophilic membranes was between 100 and 1500 L m-2 h-1 bar-1, and the liquid entry pressure of water (LEPw) of the modified hydrophobic membranes was between 2 and 6 bar. Later, MD in Air Gap configuration was performed using NaCl solution as the feed at a concentration of 0.5 M to yield a salt rejection efficiency of 95 % for a temperature gradient of 80 °C. The membranes were also tested for oil-water emulsion separation and projected over 85 % rejection of oil. Additionally, hydrophilic tubular membranes were also coated with PVDF to induce hydrophobic properties and tested for oil-water emulsion filtration.
