CLUB FRANCAIS DES MEMBRANES

Club Français des Membranes
(CFM – M2P2)
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l'ultrafiltration de l'eau par fibre creuse une aventure toulousaine

MemPro 5
Thèses    
Thèse 2015

  Thèse 2015
 

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26 Janvier 2015
FUOCO Alessio, Université Toulouse 3, Unical (Italie), Université de Twente (Pays-Bas)
COMPUTATIONAL AND EXPERIMENTAL STUDIES OF MEMBRANE-SOLUTE INTERACTIONS IN DESALINATION SYSTEMS USING ION-EXCHANGE MEMBRANES

Previous works have shown that the transfer of neutral solutes through membranes is influenced by the presence of ions in solution. In the framework of process intensification, the knowledge of the molecular mechanisms involved in these experimental evidences is of fundamental importance to increase and predict the process performances. The aim of this Thesis is to use a combined quantum/molecular computational approach and experimental methodologies to better understand how ions can affect the solute flux. In the first part of the work, some properties of ions in solution are computed and compared with sugar fluxes through the membrane for nanofiltration and electrodialysis. In the following, systems composed by Cation-exchange membrane equilibrated by different counter-ion and hydrated glucose were examined by Quantum Mechanics/Molecular Mechanics in order to investigate the sugar solubility in the polymer matrix or diffusion related interactions as the polymer chain-chain cohesion energy. In the last part, contact angle, differential scanning calorimetry and Infra-Red spectra are measured to characterize the physical properties of the membrane and possible influence of the counter-ion on cation exchange membrane. This work shows that the nature of the counter-ions modifies the cohesion energy between the membrane polymer fragments. In its turn, the cohesion energy affects the diffusion of neutral organic compounds through the membranes.

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15 Avril 2015
Minxia DING,Université de Rennes 1
MOLECULAR SIMULATIONS OF REVERSE OSMOSIS MEMBRANES

Reverse osmosis (RO) is currently the leading process used worldwide for both brackish and seawater desalination. This thesis focuses on the molecular simulation of RO membranes in order to improve the understanding of structure, dynamics and transport of water and ions inside these materials. The RO membrane studied in this work is a typical polyamide RO membrane. In the first step of this work, a methodology for building a fully atomic and three-dimensional model of a highly cross-linked polyamide membrane was developed. Both equilibrium molecular dynamics (EMD) and non-equilibrium molecular dynamics (NEMD) simulations were further performed to investigate the behavior of water and ions (Na+ and Cl-) through the membrane. EMD simulations showed that the structural characteristics of the model polyamide membrane were in good agreement with those of a typical RO membrane. The dynamics and dielectric properties of water confined in the RO membrane were also studied and have shown to be dramatically modified with respect to the bulk phase. Two types of NEMD techniques were employed to investigate pressure-driven transport through the model membrane. Pure water permeability was found to be in very good agreement with experimental data reported in the literature for similar membrane materials and both NEMD methods highlighted very high salt rejection properties, thus confirming the relevance of the model membrane developed in this work.

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3 Juin 2015
Quentin RICOUX, IEM, Montpellier
EXTRACTION SELECTIVE DE PGM PAR SORPTION SUR DES POLYMERES FONCTIONNELS A BASE DE PHOSPHINES.

L‘objectif de ces travaux de thèse consiste à étudier et mettre en oeuvre des matériaux polymères fonctionnels innovants, sous forme de poudre, pour l‘extraction sélective de métaux du groupe platine (PGM) provenant d‘effluents industriels. L‘intérêt principal de ces matériaux polymères réside d‘une part dans leur mise en forme sous forme de poudre, évitant le recours à des matériaux supports inertes, et d‘autre part dans les fonctions extractantes spécifiques, à base de phosphine (MP-101) et d‘oxyde de phosphine (MP-102). Ce travail a permis de montrer que la sorption d‘ions Pd2+ (ion métallique cible) intervient via un phénomène de chélation du palladium par les fonctions phosphines sur le MP-101 et par les fonctions oxydes de phosphine sur le MP-102. Ce mode d‘interaction induit des énergies de sorption du Pd et des sélectivités supérieures à celles généralement à l‘oeuvre lorsque le mode d‘interaction est de l‘échange ionique. Alors que les paramètres opératoires tels que le pH, la force ionique et la composition des effluents influencent la sorption du Pd sur le MP-102, la sorption sur le MP-101 est peu influencée par ces paramètres opératoires car les interactions phosphine-palladium sont très fortes. Ainsi la sorption du Pd sur le MP-102 est totalement réversible par élution en présence de thiourée ; par ailleurs la sorption sur le MP-101 permet d‘atteindre des capacités de sorption très élevées, jusqu‘à 8 mmol.g-1 dans des milieux représentatifs d‘effluents industriels réels pour lesquels la concentration en acide sulfurique peut atteindre plusieurs moles par litre. Le MP-102 a été mis en oeuvre dans un procédé couplant une étape de sorption et de microfiltration en continu. Ce système permet de confiner le polymère et d‘exploiter ses propriétés de régénérabilité dans un système de cycles successifs de sorption-désorption rappelant la mise en oeuvre des colonnes de résines échangeuses d‘ions. Plusieurs cycles successifs ont été réalisés sans perte d‘efficacité, permettant l‘extraction sélective de palladium et de platine contenus dans une solution de lixiviation de pots catalytiques. Le MP-101 a été mis en oeuvre au sein d‘un système couplant la sorption à une étape de floculation-décantation suivi d‘une incinération, pour récupérer les métaux sous forme métallique. Ce procédé a été appliqué avec succès à une solution minière permettant l‘extraction sélective de Pd et Pt.

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23 Juillet 2015
Ming ZHOU, IEM, Montpellier
NOUVELLES MEMBRANES PHOTOCATALYTIQUES POREUSES A BASE DE TIO2 PREPAREES PAR DEPOT CHIMIQUE EN PHASE VAPEUR ASSISTE PAR PLASMA (PECVD) POUR LA DEGRADATION DE POLLUANTS ORGANIQUES DANS LES TECHNOLOGIES DE TRAITEMENT D’EAU

Le dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma est appliqué pour préparer des couches minces amorphes de TiO2 à basse température. Un recuit à 300 °C pendant un temps minimum de 4,5 h permet de former la phase cristalline anatase. Les principales caractéristiques de ces couches minces comme leur structure cristalline, leur microstructure, leur largeur de bande interdite et leur hydrophilie de surface, sont déterminées. Leurs performances fonctionnelles comme photocatalyseurs sont d’abord examinées selon le test breveté par Pilkington, consistant à éliminer sous irradiation UV de l’acide stéarique préalablement adsorbé sur les couches de TiO2 ici déposées sur des plaquettes de silicium. Des membranes M100 (couche continue de TiO2) et M800 (couche de TiO2 couvrant les grains de support) sont préparées sur les couches de surface macroporeuses de supports poreux en alumine, de tailles moyennes de pores respectives, 100 nm et 800 nm. Ces membranes sont testées en condition "statique", avec la diffusion d’un soluté organique dilué dans l’eau. Pour le bleu de méthylène, on montre que la quantité de composé détruit par unité de surface de membrane et par unité de temps est égale à 2 × 10-8 mol m-2 s-1 pour la membrane M100 et 1 × 10-8 mol m-2 s- 1 pour la membrane M800. Ces membranes sont également testées dans des conditions "dynamiques", à savoir en procédé baromembranaire, avec deux configurations différentes (couche photocatalytique du côté de l’alimentation ou du côté du perméat) et trois composés organiques différents (bleu de méthylène, acide orange 7 et phénol). La modélisation du procédé (adsorption et réaction photocatalytique) est finalement réalisée à partir des données expérimentales disponibles.

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15 Décembre 2015
Mathias HAACKE, IEM, Montpellier
MEMBRANES PECVD A BASE DE A-SICXNY:H POUR LA SEPARATION DE L’HYDROGENE

Le but de ces travaux était de développer des membranes non oxydes a-SiCxNy:H par PECVD, permsélectives à H2 et avec une bonne stabilité hydrothermale jusqu’à 400°C, afin d’envisager la mise au point d’un module membranaire s’intégrant dans une chaîne de purification de l’hydrogène. Des dépôts ont été réalisés dans deux types de réacteurs PECVD basse-fréquence (BF) et micro-ondes (MO), en utilisant les précurseurs HMDSN et NH3, et l’argon en tant que gaz vecteur. Dans un premier temps, différentes conditions de synthèse ont été étudiées afin d’obtenir une riche variété de matériaux déposés en couche mince soit sur silicium monocristallin (pour les caractérisations physico-chimiques), soit sur supports mésoporeux plans (pour les caractérisations du transport de gaz). Dans le réacteur BF, les paramètres tels que la température (25 - 300°C) et la pression en NH3 (0 - 0,4 mbar) lors de la synthèse ont été étudiés. En réacteur MO, ces études ont été complétées par la variation de la puissance (100 – 200W). L’influence de ces paramètres sur la structure microporeuse des matériaux a été prouvée, et des corrélations avec les performances des membranes pour la séparation d’hydrogène ont été établies. Pour les deux types de réacteurs, un comportement de tamis moléculaire avec un bon compromis entre perméance et sélectivité pour He a été démontré. Dans un second temps, les travaux se sont tournés vers un transfert de la technologie vers l’industrie a été considéré en deux étapes. La première étape du transfert a été de remplacer les gaz purs (He, N2, CO2) par un mélange gazeux (H2/CO/CO2/CH4) sec ou sous atmosphère humide, en conservant la géométrie plane pour les supports. Les résultats prouvent que, malgré une légère diminution de la perméance pour les gaz de petites tailles, inhérente au remplacement de He par H2, les membranes restent efficaces pour la séparation de H2. De plus, la présence d’humidité à 150°C semble augmenter les performances et prouve la stabilité hydrothermale des membranes à cette température. La seconde étape du transfert concerne le passage d’une géométrie de substrat plane à tubulaire avec dépôt des membranes PECVD sur la surface externe des supports tubulaires. Les résultats montrent que la qualité de surface de ces substrats est principalement responsable de la diminution des performances des membranes, même si la stabilité hydrothermale semble être conservée