Physico-chimie et transfert de solutés organiques à travers des membranes en présence de sel – PROMEMSEL

Dans le contexte de l'intensification des procédés, le champ d'utilisation de différents procédés, les séparateurs membranaires en particulier, évolue vers le traitement de fluides de plus en plus complexes contenant des espèces organiques (produits ou polluants) et des sels minéraux, parfois en concentrations élevées. C'est le cas en particulier dans le domaine de l'agroalimentaire et de l'environnement. Cette évolution pose cependant certaines questions scientifiques non encore totalement résolues. Ainsi, des travaux récents ont permis de mettre en évidence, dans des solutions concentrées, l'influence de la présence d'un soluté tiers sur le transfert d'une l'espèce cible. Une corrélation qualitative a été établie entre une échelle caractérisant l'hydratation des solutés (sels ou espèces organiques neutres) et leur transfert dans différents systèmes mettant en œuvre des membranes. L'originalité de ces résultats réside dans le caractère transversal des phénomènes mis en évidence qui semblent communs à des systèmes mettant en œuvre des espèces, des membranes et des forces agissantes de nature différente. Ces phénomènes demeurent cependant encore mal élucidés. L'objectif de ce projet est donc d'accroître la connaissance des phénomènes qui contrôlent le transfert de solutés organiques à travers des interfaces de divers types en se focalisant sur le rôle des ions. Pour cela, le projet regroupe 3 partenaires travaillant dans le domaine des membranes et ayant des compétences scientifiques complémentaires. Nous étudierons la physico chimie des solutions contenant des espèces organiques, comme les acides organiques et les polysaccharides, et des sels minéraux en relation avec le transfert de matière dans différents systèmes membranaires. Il s'agit donc d'une part d'utiliser, voire de développer, des méthodes spécifiques pour déterminer les paramètres physico chimiques pertinents pour caractériser les solutés et les membranes. Il s'agit d'autre part d'étudier la relation existant entre ces paramètres et ceux caractérisant le transfert de matière. Ainsi, des grandeurs volumétriques, comme le volume molaire partiel, seront recherchées afin de caractériser l'état d'hydratation ces solutés organiques. Certaines méthodes permettant d'obtenir les propriétés volumiques des solutés en solution sont bien validées dans le cas de solutions binaires à faible concentration. Peu de résultats ont été publiés sur les systèmes ternaires tels que les mélanges concentrés sel / sucre en milieu aqueux. Cependant, la pertinence d'une telle méthode vis à vis de nos objectifs semble prometteuse. La mesure de l'activité de l'eau sera également envisagée. Concernant les membranes, nous nous attacherons plus particulièrement aux propriétés électriques, comme la densité de charge, la conductivité électrique et la constante diélectrique dans les pores. Des méthodes spécifiques seront développées pour déterminer la constante diélectrique dans les pores. La modélisation moléculaire sera utilisée pour calculer l'énergie libre, qui caractérise l'état d'hydratation des solutés, en fonction de la constante diélectrique. Le taux d'humidité de la membrane sera également mesuré en fonction de la composition de la solution. Des travaux expérimentaux et théoriques seront conduits en parallèle afin de rechercher une corrélation quantitative entre les paramètres physico chimiques caractérisant les solutés et les membranes et les grandeurs caractérisant le transfert à travers les membranes. Les expériences seront effectuées avec des solutions de complexité croissante contenant des espèces organiques (acides et sels organiques, sucres) et des sels minéraux dans diverses configurations, avec des membranes de nanofiltration (NF) ou d'électrodialyse (ED) travaillant sous différents régimes, diffusion ou convection. Des méthodes spécifiques seront utilisées afin de déterminer les grandeurs de transfert à partir des variations expérimentales du flux ou de la rétention des solutés. Dans le cas de la nanofiltration, un modèle, prenant en compte différentes contributions au transfert de matière, sera utilisé. La comparaison valeurs expérimentales et des valeurs calculées permettra d'identifier les phénomènes gouvernant la sélectivité. Grâce aux différents systèmes étudiés, nous devrions être en mesure de comprendre l'origine de l'influence des ions sur le transfert des solutés organiques. Les mécanismes gouvernant la sélectivité du procédé devraient donc être identifiés en fonction des paramètres du système, comme la composition du fluide, les caractéristiques de la membrane et les conditions opératoires. Ces résultats doivent permettre d'améliorer la sélectivité des opérations membranaires concernées et ainsi de favoriser leur utilisation, particulièrement dans les domaines de l'agroalimentaire et de l'environnement.