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Projet ANR Méduse

  • Titre du projet : Approche Multi-Echelles de la Dégradation en conditions d’USagE de membranes polymères de filtration
  • Financement :
  • Durée :
  • Partenariat public et semi-public :
    — LGC Laboratoire de Génie Chimique, Toulouse, UMR 5503
    — SCR Sciences Chimiques de Rennes, Rennes, UMR 6226
    — LPMM Laboratoire de Photochimie Moléculaire et Macromoléculaire, Clermont Ferrand, UMR 6505
  • Partenariat industriel : Véolia Environnement

- Résumé du Projet Méduse :

L’ultrafiltration est un procédé de séparation physique qui a pour objet de concentrer ou fractionner des espèces dissoutes ou en suspension dans un solvant par passage au travers d’une membrane sous l’action d’une pression. L’usage de ce procédé comme élément clé de la production d’eau potable à partir d’eaux de surface a démarré au milieu des années 80. Aujourd’hui, plus d’un millier d’unités à membranes fonctionnent et la capacité mondiale est déjà supérieure à 3 millions de m3/j d’eau potable ce qui représente environ 1,5 millions de m2 de membranes installées. L’ultrafiltration est également fortement implantée dans l’industrie laitière avec pour principales applications la standardisation du lait en protéines précédant la fabrication fromagère (Maubois et al. 1969) ou encore la concentration des protéines du lactosérum. Si l’on considère les membranes spirales d’ultrafiltration utilisées pour la concentration de fluides laitiers (lait écrémé, lactosérum), ce sont 350 000 m² de surface membranaire totale qui sont installés pour cette seule application dans le monde.
Au cours de leur utilisation sur site, quelle que soit l’application, les membranes doivent fréquemment subir des traitements physiques et chimiques afin d’éviter le développement bactérien dans les installations et d’éliminer le colmatage qui découle de la filtration. Les solutions de nettoyage/désinfection employées sont alors choisies pour leurs propriétés oxydante, acido-basique ou encore bactéricide comme cela est le cas pour l’hypochlorite de sodium largement employé dans l’industrie de l’eau ou l’industrie laitière. Ces nettoyages chimiques sont responsables d’une accélération du vieillissement des matériaux qui peut conduire à la rupture d’une ou plusieurs membranes dans un module. Si l’on sait traiter ce problème a posteriori (réparation de membranes, remplacement de module), on ne sait malheureusement toujours pas le prévenir. La particularité d’une membrane de filtration par rapport à un polymère dense est sa structure asymétrique (partie superficielle constituant la peau sélective et support macroporeux) et sa porosité (pores de 1 à 10 nm de diamètre dans la peau). Ainsi les caractérisations macroscopiques classiquement réalisées se traduisent par la variation d’un paramètre global qui ne renseigne pas a priori sur la localisation (peau ou support) ni la nature de la dégradation. On rencontre alors de grandes difficultés d’analyse et de compréhension des liens entre évolution des propriétés observables à l’échelle macroscopique et à l’échelle à laquelle se déroule la dégradation du matériau.

- Positionnement du projet par rapport au contexte

Parmi les divers aspects qui conduisent au vieillissement des matériaux, nous faisons le choix dans le présent projet de nous focaliser sur l’analyse du vieillissement chimique. L’étude proposée a donc pour objectif de comprendre les mécanismes à l’échelle moléculaire responsables de la dégradation en cours d’usage des propriétés fonctionnelles du matériau membranaire (essentiellement perméabilité, sélectivité, résistance au colmatage, résistance mécanique) liée à l’usage répété de solutions de nettoyage/désinfection.
Les partenaires LGC (Laboratoire de Génie Chimique, UMR 5503) et SCR (Sciences Chimiques de Rennes, UMR 6226) ont précédemment amorcé des travaux dans ce sens à l’occasion des thèses de Bégoin (2004), Rouaix (2005) et Delaunay (2007). Dans le cadre de ces études la démarche adoptée était une observation expérimentale de l’évolution des propriétés fonctionnelles des membranes à la suite d’un contact prolongé avec des solutions d’hypochlorite de sodium. Ces travaux ont conduit à formuler l’hypothèse d’un mécanisme de dégradation par oxydation radicalaire des chaînes macromoléculaires (Rouaix et al. 2006). Le LPMM (Laboratoire de Photochimie Moléculaire et Macromoléculaire, UMR 6505) est intervenu plus récemment pour mettre en œuvre une analyse à l’échelle moléculaire avec l’objectif de confirmer ou d’infirmer cette hypothèse.
Dans le cadre du projet présenté, nous proposons d’adopter une démarche fondamentale pluridisciplinaire sensiblement différente qui vise à 1) comprendre le mécanisme de dégradation à l’échelle macromoléculaire des membranes en conditions d’usage, 2) définir en laboratoire des protocoles de vieillissement accéléré pertinents reproduisant les dommages causés au polymère au niveau moléculaire sur site, 3) identifier le ou les paramètres macroscopiques les plus pertinents pour suivre et révéler cette dégradation, ce qui ne sera rendu possible que par une analyse multi-échelle permettant de relier les modifications de la structure chimique des polymères à celles des propriétés macroscopiques du matériau, 4) proposer une stratégie afin d’augmenter la durée de vie des membranes et de savoir anticiper leur vieillissement et leur durée de vie opérationnelle.