La sélection d’une membrane poreuse est basée sur le comportement et les performances de celle-ci dans des conditions d’application. La membrane peut être hydrophobe ou hydrophile. Les conditions pour cela dépendent du matériel de la membrane, des propriétés physico-chimiques du liquide absorbant, et des pressions de fonctionnement choisies. Quand une membrane est dite hydrophobe les pores de celle-ci sont remplis de gaz et la solution aqueuse ne mouille pas la membrane, que l’on nomme membrane sous mode non mouillé. Dans le cas contraire, quand une membrane est dite hydrophile les pores de celle-ci sont remplis de solution aqueuse. Ce cas correspond au mode mouillé. La Figure 1.10, schématise le mode mouillé et non-mouillé d’une membrane.
1.4.3.1 Mouillage d’une membrane
La mouillabilité de la membrane est un facteur qui aide à déterminer l’efficacité du contacteur. L’hydro- phobicité des membranes est représentée en termes de l’angle de contact entre l’eau et la membrane. La valeur d’angle est un angle de contact entre le liquide et solide. Dans le cas de l’eau, un matériau est réputé “hydrophobe” si l’angle de contact est supérieur à 90◦. En général, l’ordre d’hydrophobicité des membranes est P T F E > P P > P V DF , comme le montre le Tableau 1.10, qui indique la résistance à la mouillabilité par l’eau.
Tableau 1.10 – Angle de contact entre l’eau et les membranes
Polyfluorure de vinylidène (PVDF) Polypropylène (PP) Polytétrafluoréthylène (PTFE) Référence
100◦ - - [4] 92◦ - - [112] - 100◦ - [85] - 118◦ 127◦ [26] - 104◦ 113◦ [32] - - 133, 5◦ [36] 1.4.3.2 Pression de percée
Pour qu’une solution liquide pénètre les pores d’une membrane microporeuse, il faut, en plus des questions de tensions superficielles et d’angles de contact, que la pression côté liquide soit beaucoup plus grande que celle côté gaz. La différence entre la pression côté liquide et côté gaz doit être supérieure ou égale à la pression de percée.
∆P = 4 ∗ σL∗ cos θ dpmax
(1.21)
La pression de percée, ∆P, correspond à la pression que le liquide doit appliquer sur la membrane pour pénétrer dans ses pores. Elle est déterminée par l’équation de Laplace 1.21.
Où le σLest la tension superficielle du liquide, θ est l’angle de contact entre la phase liquide et la membrane
et le dpmax est le diamètre maximum des pores de la membrane. Comme indiqué dans l’équation 1.21,
la pression minimum peut être augmentée avec une tension superficielle du liquide plus élevée ou en changeant les propriétés de la membrane. Le solvant utilisé dans le captage doit être choisi pour empêcher le problème de mouillage.
Pour déterminer “la concentration maximale permise” du liquide en utilisant l’équation 1.21, le ∆P doit être substitué par une valeur, qui soit suffisamment plus haute que la baisse de pression maximum appli- quée sur le système. Néanmoins, le fait de diminuer la concentration de la molécule d’absorbante n’est pas une bonne manière de résoudre le problème de mouillage, car en faisant cela, l’efficacité d’absorption peut être compromise. Pour un liquide donné, il existe une alternative possible pour augmenter la pression
minimum en changeant des propriétés de la membrane. Selon l’équation de Laplace, la pression peut être augmentée :
– avec une membrane ayant une taille de pores plus petite ;
– avec un angle de contact plus élevé, qui peut être obtenu en agrandissant la différence de polarité entre le liquide et le matériau de la membrane.
Wang et al. [97] ont comparé l’impact d’une solution aqueuse de diéthanolamine (DEA) utilisée pour le captage du CO2 sur deux types de membranes creuses, l’une en P T F E et l’autre en P P . Ils ont mis en
évidence la présence d’une réaction entre la DEA et le P P qui réduit la tension superficielle de la mem- brane et par conséquent son hydrophobicité. Wang et al. [98] ont étudié l’impact de la mouillabilité des membranes sur l’efficacité de captage, utilisant une solution aqueuse de DEA. Ils ont observé que l’effi- cacité d’absorption du CO2est six fois plus élevée si la membrane fonctionne en mode non-mouillé plutôt
qu’en mode mouillé. Leurs résultats montrent également qu’un taux de mouillabilité des pores de 5 % peut diminuer le coefficient de transfert de masse global jusqu’à 20 %. Aychariyawut et al. [4] ont estimé que la diminution de l’efficacité de captage était due au mouillage partiel des pores de leur membrane. Ils ont également montré que ce mouillage partiel entraîne une augmentation de la résistance au transfert de la membrane entre 21 et 53 % de la résistance totale au transfert de masse.
Zhang et al. [106] ont étudié le captage du CO2 à travers un contacteur membranaire fabriqué en P P et
P V DF . Leur étude a montré qu’il était très difficile d’éviter le mouillage de la membrane, même après une courte période de fonctionnement comme dans le cas de l’absorption chimique. Ils ont constaté que si les pores de la membrane sont mouillés à environ 10 % par une solution de DEA, la résistance de la membrane augmente près de 70 % la résistance globale de transfert de masse. Kumar et al. [52] ont montré que des impuretés et un fonctionnement de la membrane pendant une longue période, peuvent modifier l’hydrophobicité externe de la membrane, permettant une certaine pénétration du liquide dans les pores. Ils ont développé un modèle mathématique qui prend en compte un mouillage partiel des pores. Ils dé- terminent qu’un mouillage même partiel entraînait une diminution de l’efficacité de captage du fait d’une augmentation du transfert de masse global. De manière générale, les résultats théoriques de l’absorption du CO2 à travers une membrane hydrophobe sont plus élevés (de 2 à 10 %) que les résultats obtenus
expérimentalement car le système considéré est souvent idéal. Cela est correct pour des débits de gaz et de liquide élevés. Ainsi le coefficient de transfert de masse global est sous-estimé, le modèle prévoit une meilleure efficacité de captage que l’expérience.
Franco et al. [33] ont étudié l’effet des produits de dégradation d’une solution aqueuse de M EA sur une fibre de polypropylène (P P ). Les produits de dégradation tels que l’acide oxalique, formique et acétique, transforment la surface de la membrane, probablement à cause des réactions chimiques avec le P P . Ils ont mesuré une réduction de 5◦de l’angle de contact, cela veut dire une diminution de son hydrophobicité. Une
membrane P P en contact avec une solution aqueuse de M EA, 20 % en masse et non dégradée, présente une réduction de 22 % du taux de transfert de masse au bout de 69 h de contact. Une membrane P P en contact avec une solution aqueuse de M EA dégradée avec la même concentration massique présente une réduction du taux de transfert de masse compris entre 22 et 31 % pour la même durée d’exposition.