Généralités sur les membranes

I.1.1. Classification des membranes

Les membranes utilisées pour les différents procédés de séparation membranaires peuvent être classées en plusieurs familles différentes donnant naissance à une terminologie spécifique utilisée pour la description de ces membranes [3] :

Membranes poreuses / Membranes denses : Les membranes poreuses sont constituées

d’une matrice solide comportant des pores dont le diamètre est compris entre 2 nm et

10µm. δa séparation s’y effectue selon un principe de tamisage analogue à la filtration.

Les membranes denses sont quant à elles des membranes non poreuses. La diffusion des espèces a lieu dans les volumes libres situés entre les chaînes moléculaires du matériau

membranaire. Leur sélectivité est étroitement liée à l’affinité chimique du matériau qui

les constitue vis-à-vis des espèces qui diffusent.

Membranes symétriques / Membranes asymétriques : les membranes symétriques sont

des membranes ayant la même structure (poreuse ou dense) sur toute leurs épaisseurs

(structure isotrope) tandis que les membranes asymétriques possèdent une structure

anisotrope dont les caractéristiques varient en allant de la face amont à la face aval.

δ’avantage des membranes asymétriques est qu’elles permettent de réduire

considérablement l’épaisseur de la couche active, ce qui augmente les flux sans pour autant affecter la sélectivité.

Membranes homogènes / Membranes composites : Les membranes asymétriques

peuvent être soit homogènes avec le même matériau constituant les différentes couches,

soit composites obtenues par la déposition d’une couche fine et homogène d’un premier

matériau sur un support poreux constitué d’un deuxième matériau.

Membranes organiques / Membranes inorganiques : les membranes organiques sont

généralement des membranes polymères relativement peu coûteuses (dérivés de la

cellulose, polyamides, polyimides, polysulfones, polyéthersulfone…).Ce type de

membranes est plus commercialisé et présente l’avantage de pouvoir être produit sous

différentes formes (plate, fibre creuse, spirale). Les membranes inorganiques (ex. : ZrO₂,

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membranes polymères, mais sont en contre partie plus coûteuses à cause de leurs méthodes de préparation assez compliquées.

I.1.2. Méthode de synthèse des membranes I.1.2.1. Synthèse des membranes denses homogènes

Les membranes denses homogènes, dites auto-supportées, peuvent être obtenues via différentes techniques :

 Par la coulée de la solution polymère dans un moule puis l’évaporation du solvant.

δ’épaisseur de la membrane est contrôlée par la concentration du polymère dans la

solution et la quantité coulée ainsi que par les dimensions du moule.

 Par la méthode du « Spin-coating » qui consiste à appliquer un film uniforme mince

sur un support plat qui tourne à grande vitesse afin de répandre le fluide de manière homogène.

 Par extrusion μ c’est un procédé qui consiste à faire passer un polymère

thermoplastique à l'état fondu à travers une filière d’une forme donnée. Cette étape

est suivie d'un étirage à une température légèrement supérieure à la température de transition vitreuse du polymère extrudé, dont le but est de diminuer l'épaisseur des films.

Pour les membranes denses homogènes, une épaisseur minimale est nécessaire pour préserver la résistance mécanique. Ainsi leur utilisation ne peut être envisagée

industriellement qu’avec des solvants offrant des flux très importants.

I.1.2.2. Synthèse des membranes poreuses

Les membranes poreuses peuvent être préparées selon plusieurs méthodes [4]

 Frittage d’une poudre (de céramique, de métal, d’oxydes métalliques ou de polymère)

 Etirement d’un film polymère partiellement cristallisé.

 Irradiation d’un film polymère par des particules à haute énergie puis son immersion

dans un bain de décapage. δa densité des pores est déterminée par l’intensité de l’irradiation et le temps de l’exposition, tandis que la taille du pore est déterminée par la durée du décapage.

I.1.2.3. Synthèse des membranes asymétriques

Les techniques de séparation membranaires ont connu un grand essor avec le développement

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membranes est qu’elles permettent d’avoir des flux très élevés grâce à l’épaisseur réduite de

le couche dense active, ainsi qu’une résistance mécanique élevée assurée par le support

poreux , qu’il soit du même matériau que la couche dense ou d’un matériau différent [6].

 Membranes asymétriques homogènes

La technique la plus utilisée est l’inversion de phase qui permet de préparer des membranes

polymères asymétriques à partir du même matériau. La préparation se déroule en 3 étapes consécutives [4]

1. Le polymère est dissout dans un solvant approprié de manière à obtenir une solution avec

un pourcentage massique en polymère entre 10% et 30%

2. Des films d’une épaisseur allant de 100µm à 500µm sont préparés par coulée dans des

moules appropriés.

3. Les films sont plongés dans un non solvant du polymère : Le contact du non solvant avec

la solution de polymère provoque une séparation entre une phase riche en polymère, constituant la matrice dense continue du matériau et une phase discontinue pauvre en polymère à l’origine des pores.

 Membranes asymétriques composites

Ces membranes sont obtenues par le dépôt d’une couche polymère fine et homogène sur une

structure poreuse qui sert de support.

Plusieurs méthodes sont utilisées pour la synthèse de telles membranes

 Le revêtement du support poreux par une solution polymère (dip-coating) : après

évaporation du solvant une couche mince de polymère est obtenue, dont l’épaisseur dépend de la concentration du polymère dans la solution utilisée. δ’inconvénient majeur de cette méthode est la pénétration de la solution du polymère dans les pores du support. Une attention particulière doit aussi être portée au choix du support de manière à ce qu’il ne soit pas dissout par le solvant de synthèse.

 La polymérisation interfaciale : cette méthode développée par Cadotte et al.[7] permet

la formation « in situ » de la couche active. La réaction de polymérisation se déroule à la surface de la couche poreuse, entre deux monomères dissouts dans deux solvants non miscibles.

La couche fine obtenue dépend de plusieurs paramètres comme la concentration des réactifs et leurs coefficients de partage entre les deux solvants.

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adsorbées à la surface du support. Ces espèces adsorbées réagissent entre elles dans la phase gazeuse, donnant naissance à un film mince [8].