La technologie d'osmose inverse (OI) a suscité un vif intérêt en raison de sa large applicabilité au dessalement des eaux saumâtres et de mer. Les membranes d'osmose inverse composites à film mince (TFC) en polyamide (PA), constituées d'une couche de séparation dense et d'une couche support poreuse, ont longtemps été les produits phares dans ce domaine. Cependant, la faible perméabilité des membranes d'OI en PA et l'encrassement des membranes d'osmose inverse TFC limitent leur utilisation à grande échelle.
La synthèse de membranes nanocomposites s'est avérée une excellente méthode pour combiner les avantages des nanomatériaux polymères et inorganiques. Les propriétés intrinsèques des membranes d'osmose inverse peuvent être améliorées par un ajustement précis de leur composition et de leur structure. Par exemple, l'hydrotalcite (HT) a été dispersée dans une solution aqueuse puis incorporée dans la matrice de polyamide (PA) lors de la polymérisation interfaciale afin de créer des canaux de transport d'eau.
Les membranes obtenues présentent une sélectivité de perméabilité élevée et un débit d'eau accru sans compromettre leur résistance au sel. De plus, la modification des membranes, notamment par incorporation de nanoparticules, revêtement de surface et greffage, s'est avérée une approche efficace pour prévenir l'encrassement biologique. Parmi ces techniques, le greffage d'agents anti-encrassement sur des nanoparticules incorporées dans la matrice de polyamide (PA) constitue une excellente stratégie pour conférer des propriétés anti-encrassement aux membranes d'osmose inverse sans endommager la matrice de PA.
Les nanoparticules HT sont riches en groupes hydroxyle, qui peuvent réagir avec les groupes siloxy des agents de couplage silane pour réaliser une greffe anti-encrassement. Par conséquent, une nouvelle membrane d'osmose inverse TFC, présentant une sélectivité élevée et des propriétés anti-encrassement, peut être obtenue en utilisant des nanoparticules HT comme dopants dans la couche PA et en greffant des agents de couplage silane contenant des groupes fonctionnels anti-encrassement à la surface de la membrane.
Le professeur Wang Jian de l'Institut de dessalement et d'utilisation intégrée de l'eau de mer, le professeur Ma Zhong de l'Université des sciences et technologies du Shandong, le docteur Tian Xinxia de l'Académie chinoise des sciences, s'inspirant des caractéristiques des nanoparticules HT et des agents de couplage silane contenant des sels d'ammonium quaternaire, et leurs équipes respectives, ont développé un nouveau type de membrane d'osmose inverse à hautes performances stables sur le long terme, en améliorant simultanément sa perméabilité, sa sélectivité et ses propriétés anti-encrassement.
Leurs travaux ont permis d'améliorer significativement les performances des membranes d'osmose inverse TFC PA et ont fourni de précieux conseils techniques pour l'avenir du dessalement de l'eau de mer. L'étude a été publiée dans la revue Frontiers of Environmental Science & Engineering.
Dans cette étude, des nanoparticules de Mg-Al-CO₃ HT ont été incorporées dans une couche de PA par dispersion dans une solution organique lors d'une polymérisation interfaciale. L'incorporation de HT joue un double rôle : elle améliore le flux d'eau et sert de site de greffage. Elle augmente le flux d'eau sans compromettre le rejet de sel, compensant ainsi les pertes dues à la réaction de greffage ultérieure. La surface exposée de HT sert de site de greffage pour l'agent anti-salissure, le chlorure de diméthyloctadécyl[3-(triméthoxysilyl)propyl]ammonium (DMOT-PAC).
L'incorporation combinée de HT et le greffage de DMOTPAC confèrent aux membranes d'osmose inverse une sélectivité de perméabilité élevée et des propriétés anti-encrassement. Le débit d'eau de PA-NT-0,06 était de 49,8 l/m²·h, soit 16,4 % supérieur à celui de la membrane d'origine. Le taux de rejet du sel de PA-HT-0,06 était de 99,1 %, comparable à celui de la membrane d'origine. Concernant la contamination par le lysozyme chargé négativement, la récupération du flux aqueux de la membrane modifiée était supérieure à celle de la membrane d'origine (par exemple, 86,8 % pour PA-HT-0,06 contre 78,2 % pour PA-originale). L'activité bactéricide de PA-HT-0,06 contre Escherichia coli et Bacillus subtilis était respectivement de 97,3 % et 98,7 %.
Cette étude est la première à décrire la formation de liaisons covalentes entre des nanoparticules de DMOTPAC et de HT incorporées dans des matrices de PA, permettant la fabrication de membranes d'osmose inverse à haute sélectivité de perméabilité et aux propriétés anti-encrassement. L'incorporation de nanoparticules intégrées et la greffe de groupes fonctionnels confèrent à ces membranes des propriétés exceptionnelles.
Informations complémentaires : Xinxia Tian et al., Préparation d’une membrane d’osmose inverse à haute sélectivité et aux propriétés anti-encrassement pour le dessalement de l’eau de mer, Frontiers in Environmental Science and Engineering (2021). DOI : 10.1007/s11783-021-1497-0
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Date de publication : 4 janvier 2023