CLUB FRANCAIS DES MEMBRANES

Club Français des Membranes
(CFM – M2P2)
Europole de l’Arbois,
Bat. Laennec, Hall C, BP 80
13545 AIX en PROVENCE cedex
Tél : 04 42 90 85 01
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l'ultrafiltration de l'eau par fibre creuse une aventure toulousaine

MemPro 5
Thèses    
Thèses 2011

  Thèse soutenue en 2011
 

12 janvier 2011
Marieke, VAN AUDENHAEGE, UMR1253 Science et Technologie du Lait et de l’Oeuf, STLO INRA, Rennes

MODIFICATIONS STRUCTURALES ET FONCTIONNELLES DE PROTEINES GLOBULAIRES DU LAIT LORS DE LA FILTRATION FRONTALE

Parmi les constituants du lait, les protéines globulaires de la phase aqueuse sont des ingrédients fonctionnels privilégiés dotés de nombreuses propriétés nutritionnelles, biologiques et technologiques. Leurs propriétés exceptionnelles ne peuvent toutefois être exploitées qu’à partir de fractions purifiées. Actuellement, la chromatographie reste la principale technique utilisée pour le fractionnement des protéines globulaires du lait à l’échelle industrielle mais elle conduit à des coûts d’exploitation et à une charge polluante jugés inacceptables pour certaines applications agro-alimentaires. Les opérations de séparation à membranes constituent une alternative intéressante. Toutefois, il reste nécessaire de mieux connaître la qualité des fractions recueillies et des phénomènes qui contrôlent la structure et la fonctionnalité des protéines lors des opérations à membrane. Cette problématique fait l’objet de ce travail dans le cas particulier de la filtration frontale de protéines solubles du lait.
Des outils analytiques pertinents ont été choisis pour suivre la composition, la structure et la fonctionnalité de solutions simples de protéines individuelles. Leurs potentialités et leur sensibilité ont été déterminées dans les conditions rencontrées en filtration. Dès lors, ce bagage analytique a pu être mis en œuvre en filtration frontale, notamment pour déterminer les modifications qui surviennent lors de la perméation de l’α-lactalbumine et de la β-lactoglobuline au travers de membranes d’ultrafitlration.
Pour l’α-lactalbumine, aucun effet physique délétère de la perméation n’a été observé avec un seuil de coupure supérieur à la taille de la protéine d’après les analyses structurales et fonctionnelles. Par contre, la perméation affecte l’équilibre entre les conformations « apo » (sans calcium) et « holo » (avec calcium) sous certaines conditions. Les modifications qui surviennent suite à la perméation d’un mélange apo-/holo-α-lactalbumine reflètent l’enrichissement en holo-α-lactalbumine : gain de structure tertiaire, meilleure stabilité thermique, solubilité accrue. L’ampleur de ce phénomène est modulée par le seuil de coupure de la membrane. La présence de calcium libre (conformation « holo » prédominante) dans la solution initiale rend le changement de conformation impossible et dans ces conditions, aucune modification significative des propriétés de l’α-lactalbumine n’intervient suite au passage de la membrane. Toutefois, les performances de la filtration sont fortement affectées par la présence de calcium libre. Avec un seuil de coupure inférieur à la taille de la protéine, un changement de conformation est toujours mis en évidence dans le perméat à partir des données de composition. Néanmoins, les propriétés décrites pour les protéines transmises ne reflètent pas l’enrichissement en holo-α-lactalbumine : les contraintes de cisaillement dans les pores de la membrane semblent altérer en partie les propriétés de l’α-lactalbumine pendant la perméation.
Pour la β-lactoglobuline, la perméation induit une dissociation partielle de la protéine mais les résultats acquis ne permettent pas d’incriminer le rôle des contraintes de cisaillement pour expliquer ce phénomène. En outre, les analyses structurales et fonctionnelles mettent en évidence une altération des propriétés suite au passage de la membrane, notamment à cause d’une forte propension des protéines à s’agréger. Les forts changements de composition survenant suite au passage de la membrane ne semblent pas suffire à expliquer les toutes les modifications observées, ce qui tendrait à démontrer la plus grande sensibilité de la β-lactoglobuline dans les conditions de filtration testées.
Mots-clés : protéine globulaire du lait, filtration frontale, structure, fonctionnalité ***********************************************************
24 janvier 2011
Sawsen BEN AMEUR, IEM

CONCEPTION ET ETUDE D’UN REACTEUR ENZYMATIQUE FONCTIONNANT EN MILIEU SUPERCRITIQUE ***********************************************************
30 janvier 2011
Olivier MAJOULET, IEM

ELABORATION DE CERAMIQUES POREUSES ORDONNEES A BASE DE CARBURE DE SILICIUM ***********************************************************
11 Mars 2011
Phuc Tien NGUYEN, LRGP - INPL, Nancy

ETUDE DE LA CAPTURE DU CO2 PAR DES CONTACTEURS MEMBRANAIRES INNOVANTS

Etude de la capture du CO2 par des contacteurs membranaires innovants Dans le cadre de la recherche de procédés d’absorption gaz-liquide intensifiés, cette étude vise au développement des contacteurs membranaires pour la capture du CO2 en post combustion, comparativement aux colonnes garnies. Les contacteurs à membranes fibres creuses microporeuses permettent un transfert de matière élevé mais sont confrontés à des problèmes de mouillage entraînant une dégradation importante des performances dans le temps. Notre but est de concevoir des fibres composites constituées d’une structure microporeuse et d’une peau dense fine et fortement perméable au CO2 afin d’établir une barrière au passage du liquide et de limiter la résistance au transfert de matière. Pour cela, nous avons sélectionné des polymères super vitreux comme le PTMSP et le Téflon AF2400 qui se caractérisent par une très forte perméabilité au CO2 et une bonne compatibilité chimique avec la MEA (liquide d’absorption de référence). Les fibres composites ont été réalisées par un procédé de recouvrement conduisant à une faible épaisseur de peau dense (1 à 2 µm). Des modules à fibres composites ont été testés pour séparer un mélange CO2/N2 avec une solution aqueuse de MEA. Les fibres composites présentent des efficacités de capture similaires à celles des fibres microporeuses mais assurent en plus le maintien des conditions de non mouillage. Des simulations, reposant sur une modélisation 2D du transfert de matière, ont permis de prédire les performances des contacteurs membranaires à fibres composites dans des conditions plus proches de la réalité industrielle et ont mis en évidence une intensification conséquente

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2 avril 2011
Alina Valentina STOIAN, IEM

MODELISATION ET SIMULATION DE L’ATMOSPHERE D’UNE ENCEINTE MEMBRANAIRE POUR DES TESTS DE TOXICITE

Un problème fondamental pendant l’évaluation in vitro de la toxicité de composés organiques volatils (COV) est le manque de connaissance de l’évolution de la concentration des COV à laquelle les systèmes vivants sont exposés au cours des études expérimentales. Ce travail présente un nouveau dispositif expérimental conçu pour étudier l’exposition des systèmes vivants aux COVs. Le dispositif est formé de deux compartiments séparés par une membrane hydrophobe poreuse et permet des durées relativement longues de manipulations sans restreindre la respiration cellulaire. Une modélisation théorique qui couple la conservation de masse et du moment entre les différentes phases et la respiration des cellules hybridomes (ATCC CRL-1606) au sein du dispositif a été développée. Le modèle permet de prédire l’évolution de la concentration des COVs, de l’oxygène et du dioxyde de carbone dans le dispositif. Les résultats simulés pour le transfert des COVs ont révélé une bonne concordance avec les résultats expérimentaux et ont montré que le type de membrane et son diamètre, le coefficient de partage des COVs et la hauteur de la phase liquide ont une influence significative sur l’évolution de la concentration de ceux-ci dans la phase liquide. Néanmoins la disponibilité de l’oxygène au niveau des cellules dépend principalement de la densité cellulaire initiale, de la vitesse spécifique de consommation de ce gaz et de la hauteur du liquide alors que les paramètres liés à membrane ont une influence sur le contrôle du pH.

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19 avril 2011
Johan LORICOURT, IEM

ELABORATION ET ASSEMBLAGE D’ELECTROLYTE CERAMIQUE DE TYPE PEROVSKITE POUR L’ELECTROLYSE DE LA VAPEUR A HAUTE TEMPERATURE

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19 avril 2011
Matthieu JACOB, LISBP, INSA-Toulouse

PROCEDE MEMBRANAIRE POUR LA REUTILISATION DES EAUX PAR MEMBRANES

Ce projet avait pour principal objectif de répondre aux trois questions suivantes :(i) Est-ce que les conditions conventionnellement appliquées aux procédés secondaires (dénitrification, déphosphatation, régulation pH, âge de boue, temps de séjour hydraulique) sont optimales pour le bon fonctionnement du couplage avec le procédé tertiaire, (ii) Comment mettre en œuvre une opération d’osmose inverse et/ou de nanofiltration pour traiter des effluents de traitements secondaires et quels critères de qualité d’eau finale peut on atteindre ? (iii) Quel est le devenir des micropolluants et microorganismes tout au long de la chaine de traitement ?

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12 Mai 2011
Véronique DURAND, IEM

DEVELOPPEMENT D’UN NOUVEAU PROCEDE DE SYNTHESE DE MEMBRANES INORGANIQUES OU COMPOSITES PAR VOIE CO2 SUPERCRITIQUE POUR LA SEPARATION DE GAZ

L’utilisation de membranes pour la séparation/purification de mélanges de gaz permet d’envisager la mise en œuvre de procédés continus et faiblement énergivores. Les performances des membranes étant directement reliées à la méthode utilisée pour leur synthèse/modification, une nouvelle génération de membranes est attendue à partir de la méthode originale de dépôt « dynamique » développée et mise au point dans ce travail, en milieu CO2 supercritique (CO2SC). Les propriétés des fluides supercritiques, intermédiaires entre celles d’un liquide et d’un gaz (densité et diffusivité élevées, viscosité faible), laissent en effet présager la formation de microstructures originales. Les précurseurs sont solubilisés dans le CO2 sous pression puis transportés jusqu’au support membranaire. Cette méthode a été explorée pour : i) la synthèse directe de membranes à base de silice sur des supports macroporeux et ii) la modification de membranes zéolithiques MFI par des alcoxydes (MDES, TEOS) ou par des oligomères fluorés. Dans le premier cas, l’étude des paramètres de dépôt montre que la maîtrise des phénomènes chimiques de la transition sol-gel (contrôlés principalement par la température) dicte la microstructure du matériau final, au travers du degré de condensation/réticulation des clusters déposés. La modification des membranes zéolithiques MFI par un alcoxyde permet de doubler la permsélectivité He/SF6 initiale, sans forte baisse de perméance (Π(He) 10-6 mol.Pa-1.s-1.m-2). Dans ce cas, la force, la nature et la disponibilité des sites acides de la charpente MFI sont des critères clés pour la fixation de l’alcoxyde. Les membranes MFI modifiées par un oligomère fluoré sont imperméables au SF6 et la permsélectivé He/N2 peut atteindre une valeur de 136 à 25°C (Π (He) 10-8 mol. Pa-1.s-1.m-2). La nouvelle méthode dynamique de dépôt/modification développée dans ce travail apparaît comme une approche très versatile qui permet de contrôler la structure du matériau déposé en ajustant les paramètres du procédé.

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31 Mai 2011
Thanh Son LE, IEM

CONTRIBUTION AU DEVELOPPEMENT D’UN MICROSYSTEME D’ANALYSE, INTEGRANT PRE-CONCENTRATION IONIQUE PAR MICRO-ELECTRODIALYSE ET DETECTION ELECTROCHIMIQUE SUR DIAMANT DOPE AU BORE

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1 Juin 2011
Emna SOUFI-KECHAOU, Laboratoire GEPEA, Nantes-Saint-Nazaire

BIOREACTEUR ENZYMATIQUE COUPLE A L’ULTRAFILTRATION POUR LA VALORISATION DES CO-PRODUITS DES INDUSTRIES DE LA PECHE. APPLICATION A LA SEICHE : SEPIA OFFICINALIS

Ce travail s’inscrit dans le cadre de la valorisation des co-produits des industries de transformation de la seiche Sepia officinalis. Il porte sur la mise en œuvre de l’hydrolyse enzymatique et des procédés de séparation membranaires en vue d’obtenir des composés d’intérêt. Les techniques utilisées font partie des " technologies propres", visant une dépense énergétique et un investissement modérés. Les hydrolyses ont été menées en deux étapes, une première pour identifier l’efficacité des enzymes sur les matrices et cibler le domaine d’étude. La seconde étape a porté sur la détermination des conditions optimales d’hydrolyse par plan d’expériences avec pour objectif l’enrichissement de la phase soluble en peptides de petite taille et l’obtention d’une activité antimicrobienne. Le fractionnement par la charge nous a permis de déterminer la nature ionique des peptides antimicrobiens. Le fractionnement par la taille par ultrafiltration a été utilisé comme deuxième levier pour agir (i) sur la distribution de la taille des peptides et (ii) sur le niveau d’activité des hydrolysats. Un fractionnement à petite échelle a été réalisé de manière à déterminer les meilleures conditions séparatives. Ensuite, une méthodologie de "scaling-up" par ultrafiltration sur un pilote pré-industriel a été proposée. L’originalité de ce travail réside dans (i) l’enrichissement de l’hydrolysat des viscères de seiche en composés valorisables comme les acides aminés essentiels ainsi que la mise en évidence d’une activité antimicrobienne et (ii) en la possibilité de transposer les essais à d’hydrolyse enzymatique et d’ultrafiltration à grande échelle en les intégrant dans un procédé industriel complet.

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6 juillet 2011
Charlotte PICARD, Laboratoire de Génie Chimique, Université de Toulouse
TRANSFERT DE MATIERE DANS UN BIOFILM AERE SUR MEMBRANE

Les réacteurs à biofilm aéré sur membrane sont des procédés innovants de traitement de l’eau. Les substrats nécessaires à la croissance bactérienne sont en contre-diffusion dans le biofilm. Ainsi, pour maitriser la capacité de traitement de ces réacteurs, il est nécessaire de comprendre le transfert de matière dans ces biofilms. Ce travail présente les résultats expérimentaux du transfert de matière mesuré par un traceur non réactif dans des biofilms mixtes hétérotrophes aérobies. Plusieurs conditions hydrodynamiques ont été appliquées pour la croissance des biofilms. La présence de convection dans les canaux de celui-ci a été mise en évidence au-delà d’un Nombre de Peclet de transition. Ensuite, la prise en compte de la convection via le coefficient de diffusivité relative vient compléter le transfert de matière dans les modèles de croissance de biofilm. Les résultats expérimentaux ont montré que la vitesse de consommation de la matière organique augmente avec le Nombre de Reynolds liée à une augmentation de la capacité de transfert des biofilms.

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18 Juillet 2011
Fabrice TESTA, LM2P2 - UMR 6181, Université Paul Cézanne Aix Marseille

DEVELOPPEMENT D’UN PROCEDE INNOVANT DE RETRAITEMENT DES SLURRIES DE L’INDUSTRIE MICROELECTRONIQUE

L’objectif de cette étude est de recycler du slurry, suspension silicatée, utilisé dans le domaine de l’électronique lors du polissage. Deux applications de polissage sont étudiées : le polissage silicium et le polissage tungstène. Pour ces deux applications, une caractérisation physico-chimique des slurries en amont et en aval du procédé de polissage a mis en exergue une importante dilution du slurry par de l’eau déionisée destinée au rinçage des wafers : une collecte ségrégée a ainsi été mise en place. Le procédé d’ultrafiltration permet une reconcentration de la silice. Toutefois ce procédé ne permet pas la récupération des composés dissous du slurry, qui restent pourtant essentiels au polissage et d’autant plus pour l’application tungstène : un ajustement chimique est donc développée avant réutilisation du slurry ainsi retraité. Pour le slurry tungstène, la matrice chimique étant plus complexe, deux types d’ajustement ont été testés dont les proportions ont été optimisées par une méthode de plans d’expériences.Concernant le slurry silicium, un prototype industriel a été installé et les résultats de polissage sont similaires au slurry POU sur un nombre significatif de plaques. La qualification industrielle a été réalisée. Ce prototype permet d’atteindre les objectifs de diminution de 30% de la consommation de slurry et de 40% des volumes d’effluents rejetés vers station d’épuration.
Mots-clés : Traitement d’effluent, réutilisation, slurry, procédés membranaires, polissage mécano-chimique, prototype industriel

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19 Juillet 2011
Rahma TAMINE, LM2P2 - UMR 6181, Université Paul Cézanne Aix Marseille

CARACTERISATIONS OPTIQUES ET MICROSCOPIQUES DE LA STRUCTURE DE MEMBRANES ORGANIQUES D’ULTRAFILTRATION : APPLICATION A LA PRODUCTION D’EAU POTABLE

Afin d’améliorer la compréhension des effets des coagulants sur les performances des membranes organiques d’ultrafiltration employées dans la production d’eau potable, une caractérisation structurale complète (surface et volume) de l’échelle microscopique à l’échelle macroscopique des membranes (neuves, après filtration de coagulant et après lavage chimique) est utilisée. En premier lieu, les propriétés structurales des membranes planes neuves PES ont été déterminées en fonction du seuil de coupure. Les caractéristiques de surface (taille de pore et taux de remplissage) déterminées par le MEB et les caractéristiques en volume déterminées par l’ellipsométrie de speckle ont montré une évolution croissante avec le seuil de coupure. L’utilisation du LB et de l’AFM avec différentes fenêtres d’observation a montré que la détermination de la rugosité d’une membrane est bien fonction de l’échelle d’observation. L’AFM a permis de différencier les membranes selon leur seuil de coupure mais aussi selon les méthodes de fabrication. En second lieu, l’impact de la nature des coagulants en polychlorosulfate d’aluminium (PAX-XL 7A et Aqualenc F1) sur les propriétés structurales des membranes en PES 100 kDa a été abordé. L’utilisation du modèle d’Hermia et les analyses multi-échelle de la rugosité de surface ont montré que la filtration de suspensions de cogulants de PAX-XL 7A ou Aqualenc F1 produit un dépôt à la surface dû à l’adsorption et/ou la précipitation des produits d’hydrolyse de coagulants, provoquant une modification importante de la morphologie de surface de la membrane. Cette modification structurale est aussi révélée par des mesures du speckle de l’onde diffusée. Des analyses MEB et AFM ont révélé un changement de l’état de surface de la membrane lavées après colmatage. L’extension des techniques de caractérisation structurale, en particulier l’AFM, à l’étude des fibres creuses (en AC et PVDF) et leur vieillissement a montré une voie d’exploitation très intéressante.
Mots clés : Ultrafiltration, membrane, coagulant, colmatage, surface, volume, pore, rugosité.

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20 juillet 2011
Axel ETTORI, Laboratoire de Génie Chimique, Toulouse

VIEILLISSEMENT CHIMIQUES DE MEMBRANES D’OSMOSE INVERSE

Ce travail porte sur l’étude du vieillissement chimique de membranes d’osmose inverse (OI) en présence de chlore, oxydant couramment utilisé en traitement d’eau. Une analyse multi-échelle d’une couche nanométrique de polyamide aromatique (PA) présente en surface d’une membrane OI commercialisée (SW30HRLE-400 de Dow FilmTecTM) a été réalisée. Des analyses par XPS et FTIR en ATR ont montré que les compositions élémentaire et chimique en surface et en profondeur du PA sont rapidement modifiées par chloration, une réaction de substitution électrophile réalisée en 2 temps, à des doses d’exposition au chlore actif variant de 40 à 4000 ppm.h, auxquelles les membranes OI sont susceptibles d’être exposées en exploitation. L’incorporation du chlore au sein du PA s’accompagne d’une augmentation monotone continue de la fraction de fonctions carbonyle non associées traduisant une mobilité accrue au sein du PA, mécanisme de vieillissement principal identifié dans ce travail. Ces transformations chimiques couplées à des variations de propriétés de transfert en osmose inverse déterminées à l’échelle du laboratoire mettent en évidence trois domaines d’influence de la chloration. Pour une exposition inférieure à 400 ppm.h HOCl, espèce active dans la chloration pour un pH en solution supérieur à 5,0, soit pour un ratio de 1 atome chlore incorporé pour 2 atomes d’azote (élément constitutif de la couche active), la sélectivité eau/soluté de la membrane OI est améliorée. Elle pourrait résulter d’un accroissement de la fraction et/ou de la dimension de volumes libres au sein du PA. L’amélioration des performances en osmose inverse est en revanche réalisée aux dépens de la tolérance de la membrane OI à une exposition consécutive à HOCl, comme mis en évidence par des essais de chloration séquentielle à l’échelle pilote. Au-delà de la dose d’exposition seuil, de 400 ppm.h HOCl, les performances en sélectivité en OI se détériorent et la structure du PA est irréversiblement fragilisée mécaniquement, vraisemblablement par la transition d’un état ductile à un état fragile. Enfin, le vieillissement chimique du PA semble se stabiliser pour une dose supérieure à 2000 ppm.h HOCl, soit pour un ratio de 1 atome de chlore incorporé pour 1 atome d’azote. A ces doses d’exposition, la mobilité des chaines du PA est décrite par des modifications de la perméabilité à l’eau, conditionnées par la pression appliquée et par le flux de transfert initial d’un anion.

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27 juillet 2011
Anthony GRUNEWALD, IEM

DEPOT ET CARACTERISATION DE COUCHES MINCES DIELECTRIQUES POREUSES A POROSITE ORDONNEE OBTENUES PAR VOIES SOL-GEL ET PLASMA

Ce travail de thèse s’inscrit dans la problématique de la préparation et l’intégration des matériaux diélectriques poreux à très faible permittivité (ULK) dans les interconnexions des puces microélectroniques. Cette étude porte sur le développement de couches minces hydrophobes ULK à porosité organisée et isolée, préparées par voies sol-gel et PECVD. Elle vise une amélioration des propriétés mécaniques et une diminution de la diffusion de polluants au coeur des films. Des matériaux hydrophobes mésostructurés et ULK (k < 2,2) ont ainsi été obtenus par voie sol-gel, après retrait d’un porogène par traitement thermique, ou pour la première fois, par traitement thermique sous UV. Les caractéristiques mésostructurales et microstructurales des couches ont été reliées aux caractéristiques de porosité et aux propriétés mécaniques. Les mesures électriques et de perméation de gaz de ces matériaux sont également discutées en vue de leurs applications en tant que matériaux ULK ou comme membranes de séparation de gaz. En PECVD, des matériaux polymère plasma à base de styrène ont été synthétisés et également caractérisés en termes de propriétés mécaniques et de séparation de gaz.

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28 juillet 2011
Fatma ELLOUZE, IEM

PREPARATION DE MEMBRANES DE NANOFILTRATION A SEUIL DE COUPURE DETERMINE ET ETUDE DE LEURS PERFORMANCES DANS LA SEPARATION DE MOLECULES NEUTRES DANS UN MELANGE COMPLEXE

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26 septembre 2011
Haochen ZHU, Institut des Sciences Chimiques de Rennes

MULTISCALE MODELLING OF TRANSFER MECHANISMS THROUGH NANOFILTRATION MEMBRANES

Malgré l’intérêt croissant porté ces dernières années à la nanofiltration (NF), ses applications industrielles restent limitées par rapport aux potentialités de ce procédé propre. La principale raison est que les phénomènes physiques impliqués dans des séparations à l’échelle nanométriques restent mal compris et le succès relatif des modèles actuels de NF tient en grande partie au fait que des grandeurs essentielles des membranes (comme leur densité de charge de surface) et des fluides confinés (comme la constante diélectrique de la solution à l’intérieur des pores de la membrane) sont le plus souvent des paramètres d’ajustement ne correspondant que très approximativement à la réalité. Cette thèse a eu pour objectif d’améliorer la compréhension des mécanismes de transfert d’ions à travers des membranes de NF. Pour cela, une modélisation couplant l’hydrodynamique du système et les interactions fluide / matériau a été développée. Il a été montré que la distribution hétérogène des charges de surface dans la couche active d’une membrane affecte profondément le transport des ions et les capacités de rétention matériau membranaire. Afin d’étudier l’effet du confinement sur les propriétés physiques de solutions aqueuses, des simulations de dynamique moléculaire de solutions d’électrolytes confinés dans un nanopore modèle de silice ont également été réalisées. Celles-ci ont montré une structuration du fluide au voisinage de la surface du pore, une diminution significative des coefficients de diffusion et une modification importante des propriétés diélectriques des solutions ioniques pouvant entraîner des effets de Born répulsifs ou attractifs selon la nature des ions.

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29 septembre 2011
Aurélie ESCODA, Institut UTNAM, Besançon

PHYSICO-CHIMIE ET TRANSFERT DE SOLUTES NEUTRES ET CHARGES A TRAVERS DES MEMBRANES DE NANOFILTRATION

La complexité des mécanismes de transport en nanofiltration (NF) nécessite le développement d’outils de modélisation fiables permettant de comprendre et d’optimiser les opérations de séparation en NF. La présente étude comprend deux volets. Le premier porte sur la rétention d’un soluté neutre – le polyéthylèneglycol à 600 g mol-1 (PEG) – seul et en présence d’ions, par une membrane organique de NF (polyamide). Les résultats obtenus montrent que la rétention du soluté neutre chute en présence d’ions et ce, d’autant plus que la concentration du sel est élevée. Ce phénomène ne peut être expliqué par le seul phénomène de déshydratation du soluté neutre par les ions environnants. Un phénomène supplémentaire de gonflement de pore a été mis en évidence et corrélé à la densité de charge membranaire. La contribution des deux phénomènes à la chute du taux de rejet du PEG a été évaluée pour différents sels à plusieurs concentrations. Le deuxième volet du travail est consacré à (i) l’évaluation de la constante diélectrique de solutions à l’intérieur de nanopores (p) d’une membrane organique de NF (polyamide) à partir de mesures de potentiel de membrane et (ii) la validation de cette méthode. Les valeurs obtenues s’avèrent être inférieures à celle de la solution externe (effet du confinement) et diminuer avec l’augmentation de la proportion en ions calcium du mélange (effet structurant des ions). L’accord entre les constantes diélectriques p déterminées à partir de mesures de potentiel de membrane et de taux de rejet ionique (mélanges ternaires) valide la cohérence du modèle de transport utilisé (exclusion stérique, électrique et diélectrique aux interfaces) et montre que les mesures de potentiel de membrane peuvent être envisagées pour l’évaluation correcte de la constante diélectrique à l’intérieur de nanopores.

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29 septembre 2011
Jean-Baptiste CASTAING, Laboratoire GEPEA, Nantes-Saint-Nazaire

PROCEDES DE TRAITEMENT DE L’EAU DE MER EN CONCHYLICULTURE POUR LA SAUVEGARDE ET LE MAINTIEN DE LA QUALITE DES MOLLUSQUES BIVALVES

L’objectif de ce travail est l’étude de procédés de filtration de l’eau de mer pour la sauvegarde et le maintien de la qualité des mollusques bivalves lors d’efflorescences de microalgues toxiques. Son originalité repose sur la recherche de procédés rustiques permettant l’élimination des dinoflagellés toxiques. Deux procédés ont été étudiés, les membranes immergées et le filtre à sable. L’origine et la nature des mécanismes de colmatage ont été identifiées en lien avec la sélectivité et la consommation énergétique. Des suspensions de dinoflagellés toxiques et non toxiques ont été reconstituées puis filtrées sur membranes 10 kDa, 300 kDa et 0,2 µm, et sur un filtre à sable (diamètre de grain moyen « dg » compris entre 250 et 520 µm). La microfiltration sur membrane 0,2 µm est apparue comme la plus adaptée : plus de 99 % des microalgues retenues et une consommation énergétique spécifique inférieure à 0,5 kWh/m3. Les mécanismes de colmatage ont été étudiés par la mise en œuvre d’autopsies membranaires et l’utilisation de modèles de filtration. La filtration sur sable n’a pas permis de retenir la totalité des microalgues, mais une diminution de la taille moyenne des grains de sable permet d’augmenter significativement leur rétention (Rétention de 90 % en 6 h avec dg = 256 µm). Ne permettant pas l’élimination totale des microalgues toxiques, la filtration sur sable ne peut être proposée que comme une solution de prétraitement de l’eau de mer en complément de la filtration par membranes immergées fibres creuses. En dépit d’un coût plus élevé, seule la filtration par membranes peut être envisagée dans le cadre de la protection des bassins conchylicoles.

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17 octobre 2011
Lahcène DJAFER, IEM

ETUDE D’UN SYSTEME AUTONOME POUR LE TRAITEMENT DES EAUX USEES PAR LES TECHNIQUES MEMBRANAIRES - MEMBRANES A EFFETS PHOTOCATALYTIQUES A BASE DE TIO2

L’étude présentée concerne la conception et la mise en œuvre d’une membrane photocatalytique performante et son intégration dans un système de séparation membranaire utilisable en fin de traitement d’eaux usées d’origine domestique ou industrielle. Une opération membranaire d’ultrafiltration basse est susceptible de retenir différentes macromolécules et particules résiduelles et un traitement héliophotocatalytique de photooxyder de petites molécules organiques toxiques et non retenues. Une méthode simple et robuste a été développée pour préparer une membrane d’ultrafiltration photocatalytique à partir d’un hydrosol commercial de dioxyde de titane et différents supports inorganiques poreux commerciaux. Les performances de cette membrane ont été mesurées en termes de séparation et de photocatalyse. L’efficacité photocatalytique a été évaluée pour la photodégradation du bleu de méthylène, colorant organique de référence, et du phénol, choisi comme exemple de polluant organique de l’eau. Des mesures de photodégradation réalisées en conditions statiques ont permis de déterminer la quantité  de molécule organique détruite par unité de temps et d’aire de membrane. Les premiers essais effectués en conditions dynamiques ont permis de vérifier la pertinence des valeurs de  et leur intérêt pour le dimensionnement de dispositifs. Un pilote de filtration spécifique permettant le couplage filtration-héliophotocatalyse a été conçu et des expériences ont été menées, tant sous irradiation UV artificielle que sous irradiation solaire.

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27 octobre 2011
Youssef EL RAYESS, Laboratoire de Génie Chimique, Toulouse

MICROFILTRATION TANGENETIELLE APPLIQUEE A L’OENOLOGIE : COMPREHENSION ET MAITRISE DES PHENOMENES DE COLMATAGE

La clarification des vins par procédés membranaires en particulier la microfiltration tangentielle a toujours été limitée par le colmatage, générant des flux de perméation faibles incompatibles avec la rentabilité économique. La compréhension, la maîtrise, ainsi que l’anticipation des phénomènes de colmatage font l’objet de ce travail. Dans un premier temps, la contribution individuelle puis en mélange des composés du vin (tannins, pectines, mannoprotéines et levures) au colmatage d’une membrane céramique multicanaux a été évaluée. Une approche fondamentale a permis de proposer des mécanismes de colmatage : la présence des pectines induit les flux de perméation les plus faibles en formant un gel à la surface de la membrane tandis que les levures semblent au contraire avoir un effet protecteur dans le cas d’un vin brut. Parce qu’il représente le flux au-delà duquel un colmatage irréversible apparaît à la surface de la membrane, le flux critique pour l’irréversibilité est un paramètre clef pour contrôler le colmatage. Dans le cas de la filtration de vin, aucun flux critique n’a pu être déterminé ce qui a conduit à définir un critère identifiant une zone de travail où le degré de colmatage reste acceptable. La dernière partie de cette thèse est consacrée à l’étude de la filtration dynamique (RVF) pour une éventuelle application dans le secteur vinicole. Cette technique est testée en présence de deux membranes organiques différentes : PES (hydrophile) et PTFE (hydrophobe). Les observations ont permis de mettre en évidence l’efficacité du système contre le colmatage des membranes PES induite par l’action de l’agitateur. Le colmatage des membranes PTFE est énormément affecté par les interactions molécules/membrane rendant la filtration dynamique inefficace pour lutter contre le colmatage de ces membranes.

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28 octobre 2011
Clément, BAUDEQUIN, ECP, Paris

CONCEPTION D’UNE UNITE MOBILE POUR LE POST-TRAITEMENT D’EAU UTILISEE PENDANT L’EXTINCTION D’INCENDIE

L’extinction de feux de liquides inflammables sur des installations industrielles telles que les dépôts de carburant ou les raffineries entraîne l’utilisation de milliers de mètres cubes d’eau, composé majeur des mousses anti-incendie. Ces dernières contiennent généralement des tensioactifs hydrocarbonés ainsi que des tensioactifs fluorés qui se retrouvent dans les eaux d’extinction, ainsi que les suies et les restes de solvants. Les tensioactifs fluorés jouent un rôle clé dans l’efficacité des mousses anti-incendie en raison de leur nature chimique particulière. En raison de la présence des tensioactifs fluorés, le traitement actuel de l’eau d’extinction d’incendie est l’incinération dans des incinérateurs haute température et résistant aux halogènes. Les tensioactifs sont des composés amphiphiles qui ont comme propriétés d’abaisser la tension superficielle de l’eau et de former des agrégats en solution : les micelles. Les tensioactifs peuvent également s’adsorber aux interfaces ainsi qu’aux surfaces solides, et éventuellement y former des agrégats de surface, analogues aux micelles en solution. L’objectif industriel de la présente thèse est de proposer une unité mobile de traitement de ces eaux afin de concentrer les composés fluorés et limiter les volumes à incinérer. Les critères de sélection des procédés que nous avons retenus sont les suivants : compacité, peu ou pas de produits chimiques ou solides nécessaires. L’objectif scientifique de ce travail est de mieux comprendre le comportement de ces composés au cours des procédés d’électrocoagulation/filtration et d’osmose inverse. Des essais préliminaires ont été réalisés et ont permis de choisir les procédés suivant : l’électrocoagulation couplée à la filtration comme prétraitement pour séparer les particules en suspension et les traces d’émulsions éventuelles de la phase aqueuse et l’osmose inverse comme traitement pour concentrer les tensioactifs fluorés. A l’échelle du laboratoire, l’électrocoagulation, permettant le retrait de la matière en suspension, a été optimisée pour des eaux d’extinction d’incendie pilotes et un mécanisme a été proposé. L’efficacité de ce procédé a ensuite été vérifiée sur un pilote industriel. L’osmose inverse d’eaux d’extinction d’incendie pilotes pré-traitées par électrocoagulation/filtration a montré de forts taux de rétention du tensioactif fluoré. Une comparaison de différents matériaux membranaires a été réalisée sur un module d’osmose inverse plan avec des solutions modèles. Des essais de filtration de longue durée, à l’échelle pilote, ont permis de suivre l’évolution de la rétention des tensioactifs et du flux de perméat. Ces données ont été utilisées pour réaliser le dimensionnement d’une unité mobile de post traitement d’eau d’extinction d’incendie. Les perspectives de ce travail sont les suivantes : La prise en charge de la réalisation d’une unité mobile devrait être menée par un partenaire de DuPont de Nemours qu’il reste à identifier. L’étude sur la modification de l’état de surface des membranes est poursuivie dans le cadre d’une nouvelle thèse et permettra à terme de mieux choisir les conditions opératoires de filtration et de nettoyage au cours des procédés membranaires et ainsi d’améliorer les performances du procédé

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15 décembre 2011
Elodie CHABANON, Mines de Paris

ETUDE D’UN CONTACTEUR MEMRBANAIRE POUR LA CAPTURE DU CO2 EN POSTCOMBUSTION

La réduction des émissions de CO2 anthropique est un des enjeux majeurs du 21ème siècle pour de nombreux pays. De nombreux procédés sont développés pour le captage du CO2, parmi lesquels l’absorption gaz-liquide par contacteur membranaire. L’utilisation d’une membrane permet d’intensifier le transfert grâce à une aire interfaciale développée 2 à 10 fois plus élevée (1000 à 5000 m2.m-3) que celle d’une colonne d’absorption (procédé de référence). Deux types de fibres sont étudiées : microporeuses et composites. Dans une partie expérimentale, l’influence de la nature des matériaux, des paramètres géométriques et opératoires sur les propriétés de transfert de matière et sur la stabilité des performances de captage des contacteurs membranaires est étudiée. Les résultats obtenus pour des durées d’expérimentation courte (dizaine d’heures de temps de contact), sont en adéquation avec les résultats présents dans la littérature. Bien que l’ajout d’une peau dense à un support poreux constitue une résistance supplémentaire au transfert de matière, une étude dédiée, effectuée sur des temps de contact importants (plusieurs centaines d’heures), a permis pour la première fois de valider le concept de résistance au mouillage des fibres à peau dense, comparativement aux fibres microporeuses (PP et PTFE). Dans une partie modélisation, une étude comparative d’approches mathématiques de complexité croissante a été menée. Un seul paramètre ajustable a été délibérément retenu : le coefficient de transfert de matière dans la membrane (km). Cette étude a estimé des valeurs de km obtenues par ajustement des données expérimentales dans la plage de données rapportées dans la littérature (10-2 à 10-5 m.s-1). Cependant, l’hypothèse d’une valeur caractéristique du km qui dépend du régime de fonctionnement est posée et commentée. Cette approche diffère singulièrement des travaux rapportés dans la littérature, qui postulent le plus souvent une valeur unique pour un matériau membranaire donné. Dans ces conditions, l’intérêt des fibres composites, qui présentent une valeur constante et vraisemblablement prédictible du coefficient de transfert membranaire de par leur résistance aux phénomènes de mouillage, apparaît comme particulièrement prometteur pour intensifier les procédés de captage du CO2 en post-combustion par absorption gaz-liquide.
Mots clés : Intensification, Captage post-combustion du CO2, Absorption gaz-liquide, Contacteurs membranaires, Fibres composites, Modélisation.

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16 décembre 2011
Vorleak CHEA, IEM

CONCEPTION ET ETUDE D’UN REACTEUR ENZYMATIQUE A MEMBRANE POUR LE TRAITEMENT D’EFFLUENTS RENFERMANT DES COMPOSES PHENOLIQUES

Ce travail a pour objectif la conception et l’étude d’un réacteur enzymatique à membrane (REM) en vue de la dégradation de composés phénoliques. Pour cela, des membranes actives ont été préparées par greffage covalent de la laccase de Trametes versicolor à la surface d’une membrane céramique . Après avoir mis en évidence les potentialités du réacteur vis-à-vis de la dégradation du 2,6 –diméthoxyphénol (DMP) choisi comme substrat modèle, l’impact de paramètres opératoires (débit d’alimentation, concentration en substrats) sur les performances du REM a été étudié. Pour résoudre des problèmes d’instabilité, différentes étapes du protocole de fabrication des membranes actives ont été revues. Puis les paramètres opératoires (pH et température) ont été étudiés afind’optimiser les conditions de mise en œuvre du REM. Il a été établi que les performances épuratoires étaient maximales à pH acide (pH 4) mais restaient stables sur une large plage de températures (15 à 40°C). Enfin la dernière partie de la thèse a été consacrée à l’étude du colmatage et à la recherche de différentes stratégies visant à limiter l’impact de ce dernier sur les performances et la stabilité du REM.