De la même façon que nous l’avons fait précédemment (chapitre III, paragraphe III.1.5.1) pour différents temps de trempage statique dans un bain d’hypochlorite ([CLT] = 350 ppm, à pH 8), nous évaluons l’évolution de la masse molaire de la PES par chromatographie d’exclusion stérique (SEC), selon le protocole décrit au chapitre II, paragraphe III.6.3. Les résultats obtenus pour les membranes ayant subi les traitements présentés au paragraphe précédent sont regroupés dans la table V.2.
Table V.2 – Masses molaires moyennes de membranes neuves et vieillies
MP (g mol-1) ̅ (g mol-1) ̅ (g mol-1)
̅ ̅ Membrane neuve 38 406 ± 1 044 16 090 ± 875 41 132 ± 2 201 2.55 ± 0.08 # 1 39 501 16 506 43 244 2.62 # 2 40 230 15 439 43 092 2.79 # 3 38 787 15 211 40 695 2.67 # 4 37 646 15 497 40 830 2.63 # 5 37 514 15 534 40 254 2.59
Concernant les membranes immergées dans de l’eau ultra-pure, avec ou sans contrainte mécanique (lots #1 et #2), on observe une faible augmentation de masse molaire, comprise dans l’incertitude de la mesure initiale. On constate pour toutes les membranes ayant été en contact avec NaOCl (lots #3, #4 et
#5), un léger décalage de la distribution vers des masses molaires plus faibles, qui reste également compris dans l’incertitude de mesure initiale.
Quel que soit le traitement appliqué, Il apparaît donc difficile de conclure quant à une évolution de la masse molaire de la PES. Nous pouvons tout de même affirmer que l’application d’une contrainte mécanique longitudinale (l = 2.6 MPa), combinée ou non à la mise en contact avec une solution de
NaOCl, n’induit pas de modification suffisamment importante de la masse molaire de la PES pour que
celle-ci puisse être décelée par SEC.
I.2.2
Allongement à la rupture
Après vieillissement, les propriétés mécaniques des membranes des lots # 1 à # 5 sont évaluées par essais de traction uniaxiale. La figure V.1 présente les résultats obtenus en termes d’allongement à la rupture moyen R (calculé sur 10 fibres) pour chacun des lots.
Figure V.1 – Allongement à la rupture R de membranes ayant subi les différents traitements (présentés à la table V.1), déterminés par essais de traction uniaxiale
L’allongement à la rupture du lot #1, simplement immergé dans de l’eau ultra-pure, est identique à celui mesuré sur les membranes neuves ( R = 57.5 ± 2.6 %, cf. chapitre III, paragraphe I.3.1). L’application d’une contrainte longitudinale sur les membranes lors de leur immersion dans de l’eau ultra-pure ne semble pas affecter outre mesure R (lot #2). Le lot #3 présente une diminution importante de R, cette diminution, induite par l’action de l’hypochlorite est largement discutée au chapitre III. On observe la même diminution pour des membranes soumises, après immersion dans
NaOCl, à une contrainte longitudinale dans de l’eau ultra-pure (lot #4). La combinaison de
l’immersion dans NaOCl et de l’application de la contrainte conduit quant à elle à une perte de ductilité de la membrane beaucoup plus marquée (lot #5).
Ceci démontre l’existence d’une synergie entre l’oxydation induite par NaOCl et l’application d’une contrainte de traction longitudinale et constante durant la période d’immersion dans la solution d’hypochlorite. En effet, l’application d’une telle contrainte engendre une amplification de la perte de ductilité de la membrane due à l’action de l’hypochlorite. A partir de ce résultat, nous pouvons donc envisager que les pressions transmembranaires (PTM) auxquelles sont soumises les membranes lors de leur opération en conditions réelles, sur site de production d’eau potable, pourraient avoir un impact sur l’avancement de leur dégradation.
II Dégradation chimique et application de différentiels de pression
Bien que l’existence d’une synergie entre l’action de NaOCl et l’application d’une contrainte ait été démontrée, il convient de noter que la contrainte appliquée consiste en une mise en tension selon l’axe de la membrane. Ceci se traduit par une contrainte de traction uniquement dirigée dans la direction longitudinale de la membrane (l). Dans le cas de l’application d’une pression transmembranaire, la situation est différente. En effet, en filtration interne / externe (mode filtration), la membrane est soumise à une contrainte de traction présentant différentes composantes (t, l et r, cf. chapitre III, paragraphe I.3.2). De façon analogue, en filtration externe / interne (mode rétro-lavage), la membrane est soumise à une contrainte en compression présentant également 3 composantes.
Nous nous proposons donc, afin de nous rapprocher au maximum des sollicitations mécaniques subies par les membranes lors de leur utilisation en conditions réelles, d’étudier directement l’impact de l’application de différentiels de pressions lors de la filtration d’eau ultra-pure et de solutions de
NaOCl. Dans ce but nous utilisons un pilote nous permettant de travailler en filtration tangentielle
continue (mode filtration) avec une pression transmembranaire fixe (PTMf), ou d’alterner des phases de filtration tangentielle à PTMf et de rétro-lavage frontal à PTMrl (cycles filtration / rétro-lavage). Le paragraphe II.3.3 du chapitre II propose une description détaillée de son fonctionnement et des conditions sélectionnées.
A partir des pressions transmembranaires sélectionnées (PTMf = 1.0 bar et PTMrl = 1.1 bar) il est possible de calculer les contraintes équivalentes de Von Mises, en mode filtration et en mode rétro- lavage (eqVMf et eqVMrl). En calculant les différentes composantes de contraintes de la même façon qu’au chapitre III, paragraphe I.3.2, nous obtenons eqVMf = 0.268 MPa lors des étapes de filtration, au niveau de la surface interne de la membrane (valeur maximale de la contrainte en traction). Par un raisonnement analogue, nous pouvons obtenir eqVMrl = 0.339 MPa, lors des étapes de rétro-lavage, au niveau de la surface interne de la membrane (valeur maximale de la contrainte en compression). Nous pouvons remarquer ici que les valeurs de eqVMf et de eqVMrl sont de l’ordre de dix fois inférieures à la contrainte mécanique longitudinale appliquée précédemment (l = 2.6 MPa). En toute
rigueur, la comparaison directe de ces valeurs n’est cependant pas pertinente étant donné que nous avons démontré au chapitre III, paragraphe I.3.2, que, du fait de leur anisotropie, les membranes ne présentent pas les mêmes propriétés mécaniques selon l’orientation de la sollicitation mécanique. D’autre part, outre l’effet potentiel de l’application d’une contrainte constante en filtration tangentielle, les passages répétés d’une contrainte en traction à une contrainte en compression lors de cycles filtration / rétro-lavage peuvent induire un phénomène de fatigue du matériau membranaire. C’est pourquoi nous comparerons les modes « filtration » et « cycles filtration / rétro-lavage ».