couplant filtration et adsorption
VI) Perspective : vers l’utilisation de polymères naturels
2) Résultats de filtration membranaire
Dans un deuxième temps, des membranes en PES ont été fonctionnalisées avec les couples décrits précédemment. Le but de cette étude est de voir si nous pouvons avoir la même performance d’élimination des ions métalliques en utilisant des polyélectrolytes naturels qu’en utilisant des polyélectrolytes synthétiques.
Couple de PE : PAH/Lignosulfonates :
Des solutions de PAH et de lignosulfonates à 5 g.L-1 sont préparées à leur pH naturel (pH (PAH) = 6,2 ; pH (lignosulfonates) = 5,3). La membrane est fonctionnalisée par la technique LBL,
décrite au chapitre 2 avec 11 couches. Puis, cette membrane est utilisée sans être nettoyée entre chaque filtration, contrairement à ce qui a été fait précédemment.
La mesure de flux à l’eau de cette membrane permet de confirmer la bonne fonctionnalisation de celle-ci puisque le flux à l’eau de la membrane fonctionnalisée est de 2,6x10-6 m.s-1 alors que son flux initial avant fonctionnalisation est de 4,0x10-5 m.s-1.
Des solutions de Cu(II) à 50 et 800 ppm et à pH 5 sont alors filtrées. Les taux de rétention sont respectivement de 93 et 70%. Ces taux de rétention sont identiques à ceux obtenus pour la filtration sur les membranes fonctionnalisées par le couple PAH/PSS aux incertitudes près : 91% et 74% (cf. Figure 8).
De même, des solutions mixtes (cuivre, nickel, zinc) de concentrations en ions totales de 50 ppm et 800 ppm sont également filtrées. Les résultats sont regroupés dans le Tableau 9.
Concentration initiale totale (ppm) Taux de rétention des Cu2+ (%) Taux de rétention des Ni2+ (%) Taux de rétention des Zn2+ (%) Taux de rétention total des ions (%) 50 93% 89% 87% 90% 800 70% 72% 63% 68%
Tableau 9 : Taux de rétentions des ions Ni(II), Cu(II) et Zn(II) à différentes concentrations initiales pour des solutions mixtes filtrées à 2 bars- membrane fonctionnalisée par
PAH/lignosulfonate.
A 50 ppm, la membrane fonctionnalisée par le couple PAH/lignosulfonate a la même efficacité que celle fonctionnalisée par le couple PAH/PSS (Tableau 10). Par contre, quand la concentration augmente fortement, l’efficacité diminue légèrement. Elle passe d’un taux de rétention total des ions de 75 % pour une membrane fonctionnalisée par le couple PAH/PSS à un taux de rétention total des ions de 68 % pour une membrane fonctionnalisée par le couple PAH/lignosulfonate. Concentration initiale totale (ppm) Taux de rétention des Cu2+ (%) Taux de rétention des Ni2+ (%) Taux de rétention des Zn2+ (%) Taux de rétention total des ions (%) 50 93% 95% 92% 93% 800 75% 77% 72% 75%
Tableau 10 : Rappel des taux de retentions des ions Ni(II), Cu(II) et Zn(II) à différentes concentrations initiales pour des solutions mixtes filtrées à 2 bars- membrane fonctionnalisée
Il semblerait donc que le remplacement du PSS par le lignosulfonate ait une d’influence sur l’efficacité de la membrane lorsque celle-ci est fortement sollicitée. Les deux polymères possèdent deux groupements sulfonates mais les deux cycles benzéniques conjugués dans le lignosulfonate semblent diminuer leur champ d’action pour fixer les ions cuivre. Néanmoins, des expériences supplémentaires de filtrations de solutions contenant uniquement des ions Ni(II) à différentes concentrations ainsi que de solutions contenant uniquement des ions Zn(II), permettraient de conclure de façon certaine.
Couple de PE : Chitosane/Lignosulfonates :
Pour aller plus loin dans cette démarche, nous avons cette fois remplacé le polycation (PAH) par un polycation naturel (le chitosane). Cependant, le chitosane est difficile à dissoudre (Pillai, 2009 ; Thevarajah, 2016). D’ailleurs, la solution initialement prévue à une concentration de 5 g.L-1 n’a pas pu être préparée pour cause d’insolubilité du chitosane. La solution finalement préparée à pH 3 a donc une concentration de 0,6 g.L-1 (contrôlée par TOC). Nous n’avons pas
pu obtenir de meilleur résultat de dissolution sans utiliser de solvants trop agressifs qui risqueraient de détériorer le second polymère ou d’empêcher le film de se faire. La solution de lignosulfonate est préparée à 5 g.L-1 et ajustée à pH 3 également. La membrane est
fonctionnalisée par 11 couches de PE par immersions successives de 30 minutes dans ces solutions.
Puis, une solution de Cu(II) à 50ppm à pH 5 est filtrée en utilisant cette nouvelle membrane. Le taux de rétention obtenu à 2 bars est seulement de 40%. Ce résultat est particulièrement faible comparativement aux 93% obtenus précédemment avec la membrane fonctionnalisée par le couple PAH/lignosulfonate. Il peut s’expliquer par la très faible quantité de chitosane adsorbée à la surface de la membrane et donc par la faible présence des groupements amines (sites de complexation).
Suite à ce résultat, une nouvelle fonctionnalisation (11 couches par immersion de 30 minutes) est effectuée avec des solutions de chitosane et de lignosulfonate à pH 3 et à 0,6 g.L-1 pour chaque PE. Puis une solution de Cu(II) à 50 ppm est filtrée. Aucune rétention n’est observée. Les PE déposés à la surface de la membrane ne sont donc pas en quantités suffisantes. La rétention des ions de 40% lors de la précédente expérience était donc due en grande partie à la présence des lignosulfonates qui a généré un rétrécissement des pores et permis de la complexation en raison de la présence de groupement sulfonates. Une quantité très faible de chitosane a néanmoins pu s’adsorber mais sans que nous puissions la quantifier, cette quantité adsorbée étant trop faible.
Afin de valider cette hypothèse, il faudrait donc refaire la manipulation avec une solution de lignosulfonate concentrée à 5 g.L-1 et une concentration de chitosane de 0,6 g.L-1 qui est la quantité maximale que nous avons pu dissoudre. Pour augmenter la quantité de chitosane adsorbée à la surface de la membrane, il faudra alors augmenter le temps d’immersion de la membrane dans la solution de chitosane.
Conclusion :
Nous avons envisagé de remplacer les PE PAH et PSS utilisés jusqu’à présent par des PE naturels comme le lignosulfonate et le chitosane. Le remplacement du PSS par le lignosulfonate semble être prometteur. Des études supplémentaires sont néanmoins nécessaires pour valider définitivement cette proposition. Par contre, l’utilisation du chitosane à la place du PAH semble être plus difficile à mettre en œuvre. En effet, sa faible dissolution en solution aqueuse présente un frein à son utilisation. Une mise en contact plus longue de la membrane avec la solution peut être envisagée, de même que l’utilisation d’autres polymères naturels.