Effet de la pression et/ou du rétrolavage sur les propriétés mécaniques des membranes

propriétés mécaniques des membranes

Sur site industriel, les membranes ne sont pas utilisées en simple immersion. En effet, les membranes sont assemblées dans des modules et sont soumises à un flux de filtration sous une pression constante (P) lors de leur fonctionnement en filtration et à des inversions de pression lors de rétrolavages réguliers.

La question est de savoir comment la pression et la présence d’un flux à travers la structure influence la perte des propriétés mécaniques des membranes. Pour le savoir, le LGC a utilisé un pilote dans lequel ont été reproduites les conditions de pression standard utilisées dans le

cadre de l’utilisation des membranes PES/PVP, à savoir une pression constante de 1,0 +/- 0,1 bar. Un premier essai a été fait en n’utilisant que de l’eau pure pour étudier

uniquement l’influence de la pression, avant d’ajouter dans un deuxième essai l’eau de javel dans le circuit.

Les résultats ci-dessous [Figure IV-30] montrent l’évolution de la perméabilité au cours du temps dans le pilote ainsi que par immersion, en présence d’eau et d’eau de javel. Ces résultats sont des résultats préliminaires qu’il conviendra de confirmer par des travaux plus approfondis au LGC.

Figure IV-30 : Variation de la perméabilité d’une fibre creuse en immersion statique et en filtration tangentielle avec et sans javel à 400 ppm en chlore libre total et pH 8

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Dans le cas de l’eau pure, nous observons que la pression augmente initialement la perméabilité qui se stabilise rapidement ensuite.

Concernant la filtration réalisée avec de l’eau de javel à 400 ppm, nous observons une augmentation beaucoup plus rapide et importante de la perméabilité en comparaison avec l’expérience en trempage statique. Ceci démontre l’importance de la prise en compte des paramètres inhérents au procédé de filtration afin de parvenir à réaliser un vieillissement en laboratoire représentatif d’un vieillissement sur site.

Les résultats d’élongation à la rupture sur les fibres dans les mêmes conditions sont tout aussi évocateurs comme on peut le voir sur la figure IV-31 :

Figure IV-31 : Variation de l’élongation à la rupture d’une fibre creuse en immersion statique/utilisée en pilote avec ou sans javel à pH 8 et 400 ppm de chlore libre total pendant 24 heures

La filtration d’eau pure n’a pas d’effet notable sur l’élongation à la rupture qui reste inchangée par rapport à celui de membranes neuves. L’élongation à la rupture d’une fibre après immersion dans la javel est plus faible après 24 h d’immersion avec un passage de 54,5 % à moins de 40 %. A dose de chlore équivalente, le contact avec l’eau de javel en mode de filtration engendre une diminution beaucoup plus importante de l’élongation à la rupture, avec une valeur qui n’est plus que de 20 %. On remarque également que l’utilisation du pilote et l’oxydation au contact de la javel provoquent beaucoup d’incertitude sur les résultats. Nous insistons ici sur le fait que ces résultats sont préliminaires et qu’il est difficile de mettre en évidence le paramètre responsable de telles différences. En effet, l’application d’une

0 10 20 30 40 50 60 El o n gation à la r u p tu re (% ) ^{Fibre neuve} Pilote - Eau Immersion statique -Javel Pilote - Javel

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pression hydrodynamique engendre un flux de filtration de la solution d’hypochlorite sur les membranes, mais également une recirculation et donc un renouvellement constant des espèces oxydantes en contact avec les fibres. Il est donc fort probable que ces deux paramètres puissent impacter de façon plus ou moins importante la vitesse d’oxydation. De futures expériences devront être réalisées dans ce sens.

6 Conclusion

Nous avons vu au cours de ce chapitre que les fibres creuses et les membranes planes en PES/PVP ont d’une composition chimique très proche, voire identique, malgré une structure totalement différente.

Au cours du vieillissement des membranes/fibres par immersion dans l’eau de javel nous avons mis en évidence des évolutions chimiques identiques à celles observées dans le cas des films denses de PES/PVP. Ces évolutions montrent une diminution de la bande amide de la PVP à 1680 cm^-1 ainsi que la formation de bandes d’oxydation à 1700 cm^-1 et 1770 cm^-1 correspondant à la fonction succinimide de la PVP oxydée. Nous avons également observé la formation de la bande d’oxydation à 1030 cm-1 précédemment attribuée à une modification chimique du PES correspondant à l’hydroxylation d’un noyau aromatique.

Le taux de PVP est variable en fonction de la profondeur dans le matériau et la concentration de la PVP est d’environ 30 % à l’extrême surface et de 5 % en moyenne sur les 4 premiers micromètres. Ce gradient a été problématique pour caractériser d’éventuelles coupures de chaînes et/ou réactions de réticulation. Ces réactions qui peuvent accompagner les réactions d’oxydation, sont classiquement caractérisées par des analyses en SEC qui moyennent les évolutions sur toute l’épaisseur de l’échantillon. L’utilisation de méthode d’analyse de surface comme l’AFM en mode nano-Tg a permis de contourner ce problème. Nous avons pu ainsi montrer qu’intervient une forte diminution de la Tg de la PVP à l’extrême surface de la membrane après oxydation. Ceci prouve l’existence de coupures de chaînes dans le polymère, plus précisément dans la partie PVP, participant à la dégradation globale de la membrane. Enfin, l’ajout d’un inhibiteur de radicaux comme le tertiobutanol a montré l’intervention de ces espèces transitoires dans le processus d’oxydation de la membrane au contact de la javel. Le mécanisme de vieillissement chimique proposé au chapitre 3 est donc validé dans le cas des fibres creuses et des membranes.

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L’étude des propriétés mécaniques a montré encore une fois l’importance du pH dans le processus d’oxydation avec une perte d’élongation à la rupture, quasiment inexistante à pH 11,5 contrairement au pH 8 où une perte de près de 50 % a été observée.

Nous avons pu corréler les évolutions chimiques observées au sein de la matrice PES/PVP de la membrane avec la perte des propriétés mécaniques. Les importantes modifications chimiques observées à pH 8 sont responsables de la perte des propriétés mécaniques des membranes. Au contraire, à pH 11,5 toutes les modifications chimiques ainsi que les pertes de propriétés mécaniques sont très faibles (légère diminution de la bande amide de la PVP) voire nulles (pas de perte de propriétés mécaniques).

Enfin, nous avons mis en évidence, en collaboration avec le LGC, l’importance de la pression et de la recirculation des espèces en tant que paramètres à prendre en compte dans le vieillissement des membranes. La perte des propriétés mécaniques des fibres creuses est beaucoup plus importante après 24 h dans le pilote que dans les même conditions en immersion statique. L’immersion statique effectuée en laboratoire n’est donc pas représentative d’un vieillissement sur site.

En ce qui concerne le vieillissement chimique, un indicateur moléculaire de vieillissement peut être, soit la perte de PVP (dans le cas des membranes planes), soit la formation de la bande d’oxydation du PES à 1030 cm-1 (dans le cas des membranes planes et des fibres creuses), car en début de dégradation, la bande à 1700 cm-1 est convoluée avec la bande amide de la PVP à 1680 cm^-1. La question qui se pose maintenant est de savoir si ces deux évolutions sont ou non un indicateur de perte des propriétés macroscopiques dans le cas d’un vieillissement dans un pilote de filtration. Les travaux qui sont actuellement au cours au LGC pourront répondre à ces questions.

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Chapitre 5 : Comparaison