Nouvelles membranes et outils pour une meilleure compréhension, modélisation et contrôle du mouillage de pores en distillation membranaire pour le dessalement des eaux – WETMEM

Deux méthodes innovantes de détection ont été proposées: une méthode ex-situ (nommée DDTI) et une méthode in-situ pour lesquelles le mouillage est détecté respectivement après ou pendant l’opération de DM. DDTI est basée sur la détection de traces de sel laissées après intrusion du liquide dans les pores. Elle a été développée et utilisée pour étudier l’influence de conditions opératoires de DM (notamment salinité) pour une membrane de référence. Pour la méthode in-situ, un premier prototype (cellule de mesure, détection, analyse des signaux) a été conçu. La preuve des 2 concepts a été réalisée en conditions de mouillabilité extrême.
Deux stratégies complémentaires ont guidé la conception de nouvelles membranes :
-réduire la mouillabilité de membranes poreuses en PVDF en contrôlant la taille des pores et l’hydrophobie en s’appuyant sur le procédé VIPS et en explorant l’influence des conditions d’élaboration.
-éviter le mouillage, avec des membranes non poreuses à très fine peau dense pour ne pas limiter la production d’eau. Les membranes les plus prometteuses ont été testées en DM, notamment avec une eau de mer, sur une longue durée et leur mouillage éventuel a été mesuré par DDTI.

La nouvelle méthode ex-situ DDTI permet de détecter un mouillage de pores avant qu’un mouillage total soit mesurable à l’échelle du module, d’identifier les mécanismes de mouillage et de quantifier le mouillage total et le mouillage partiel, grâce à deux indicateurs complémentaires. Le concept d’une méthode originale de mesure en ligne (in-situ) et non intrusive de la mouillabilité a été validé. Une nouvelle voie d’élaboration a permis d’obtenir des membranes poreuses à la fois super-hydrophobes, moins mouillables que la membrane commerciale de référence et adaptées au dessalement par DM.

DDTI est utilisable pour continuer à orienter l’élaboration de membranes, mieux comprendre les interactions membranes/eau/procédé et définir et modéliser les conditions évitant le mouillage. Elle peut aussi être utile pour concevoir les modules de DM et d’autres contacteurs. Il serait intéressant de perfectionner, d’adapter DDTI à des fibres creuses et de la standardiser. La méthode de détection in situ a un très grand potentiel, pour étudier la dynamique du mouillage et de la régénération, et aussi pour le contrôle du procédé. Il faudrait fiabiliser le dispositif et passer à son développement, avant de l’exploiter plus largement.
La nouvelle voie d’élaboration de membranes poreuses PVDF a fourni de premières membranes peu mouillables, mais ses paramètres restent à optimiser et la reproductibilité des membranes à assurer. Une étape de changement d’échelle et le passage à la géométrie fibres creuses sont prévues. Les membranes denses sont non mouillables, mais leur perméabilité encore insuffisante pour une application à la DM, ce qui constitue le verrou majeur à lever.
Une poursuite de WETMEM à la fois sur un plan fondamental et en maturation est envisagée par le LISBP et l’IEM.

WETMEM, projet de recherche fondamentale, a principalement fait avancer les connaissances via la production scientifique : une thèse de doctorat, un rapport de master, 2 publications internationales de rang A, 4 communications internationales, et une conférence à venir. Le projet était très exploratoire, la valorisation scientifique va se poursuivre et 5 publications sont en cours de rédaction ou soumises. Un à deux dépôts de brevets sont envisagés à l’issue du projet

Devant l’accroissement de la population mondiale, la dégradation de la qualité des ressources en eau douce et les changements climatiques, la capacité à produire de l’eau potable, en quantité et qualité suffisantes est un véritable enjeu du 21ème siècle. Aujourd’hui, le dessalement d’eau de mer est dans de nombreux pays, la voie majeure pour produire de l’eau potable. La capacité des installations de dessalement augmente d’environ 10% chaque année. Sur la base d’essais en laboratoire et à l’échelle semi-industrielle, la distillation membranaire (DM) se présente comme une alternative intéressante pour le dessalement d’eau de mer et d’eaux saumâtres. La DM est un procédé qui met en œuvre l’évaporation de l’eau à travers les pores d’une membrane macroporeuse hydrophobe. L’interface liquide-vapeur est supposée située à l’entrée des pores de la membrane. La membrane agit comme une barrière physique entre les deux phases et augmente la surface de contact pour la vaporisation. Le risque majeur de dysfonctionnement du procédé est le mouillage des pores, qui représente un verrou pour les fabricants de membrane et les traiteurs d’eau. Des recommandations, sur la base de résultats scientifiques, seraient donc utiles pour les guider dans leur développement d’équipements de DM.
Ce projet est un projet de recherche fondamentale qui fédère trois laboratoires universitaires avec des compétences complémentaires. Les objectifs sont a)de développer des connaissances sur le mouillage des membranes et sa caractérisation, en lien avec les propriétés de l’eau traitée, des membranes et les conditions opératoires et b)de donner des recommandations pour le développement futur de nouvelles membranes ou de nouveaux procédés, dans l’objectif de prévenir ou contrôler le mouillage des membranes lors du dessalement d’eau de mer par DM.
Ce projet permettra de développer des connaissances sur la fabrication de membranes, la caractérisation de membranes dans les opérations liquide/vapeur, la modélisation du transfert couplé de matière et de chaleur dans les membranes, la stabilité de l’interface liquide/vapeur dans une membrane poreuse en lien avec les propriétés de la membrane, les conditions opératoires du procédé et la qualité de l’eau.
Ce projet relève de challenges sociétaux qui sont mis en avant dans l’appel à projet :
Thématique 1: Gestion sobre des ressources et adaptation au changement climatique – axis 1.2 “Innovation technologique pour analyser, remédier ou réduire les risques environnementaux » : l’un des objectifs est de fournir des données pouvant servir à la mise au point de nouvelles installations de dessalement d’eau. En effet, l’introduction de la DM dans la filière de production serait une véritable rupture technologique, qui pourrait permettre à la fois d’augmenter la productivité globale des usines, de réduire drastiquement les pertes en eau et au final de concevoir des installations avec une meilleure gestion des flux d’eau et une réduction des impacts environnementaux.
Thématique 3: Stimuler le renouveau industriel – axe 3 Produits et axe 4 : Chimie durable, génie chimique et biotechnologie : aujourd’hui, sur la base des études existantes, les fabricants de membrane et les traiteurs d’eau considèrent que la DM pourrait être une véritable rupture technologique pour le dessalement d’eau de mer. Cependant, le risque de mouillage des membranes est un verrou pour les industriels, qui ont besoin de solides connaissances scientifiques sur ce sujet, ainsi que de recommandations avant de se lancer dans l’industrialisation de ces systèmes membranaires. En conséquence, la compréhension et la caractérisation du mouillage des pores, de même que la recherche de nouvelles structures de membranes dans lesquelles le mouillage serait complètement évité, sont des verrous à lever pour le futur développement et l’industrialisation de membranes et modules spécifiquement dédiés à cette application, et leur mise en œuvre dans les usines de dessalement.