Les membranes peuvent être utilisées pour : Ultrafiltration, purification de l’eau, ou séparation de gaz. Pour toutes ses applications les membranes doivent être les plus fines possibles et simultanément les plus robustes possibles mécaniquement et chimiquement. Le graphène perforés présente un taux de filtrage sans précédent. Aussi les nouvelles technologies basées sur des composites de graphène présentent une avancée considérable comparées à celles utilisant des matériaux conventionnels.
Les principaux objectifs de cette proposition sont les suivants : Nous envisageons de développer la fabrication de composites extrêmement robustes constitués de graphene et d’un film de polymère, ce qui permettra ensuite de produire des membranes d’ultrafiltration (UF) ou de nanofiltration (NF) pertinentes pour les techniques de séparation où l’élément sélectif est une seule et unique couche de graphene perforé artificiellement. La performance de ces membranes UF ou NF sera évaluée et les mécanismes de fabrication ainsi que les processus de séparation seront résolus.
La perforation du composite sera assurée par irradiation avec des ions lourds et rapides, permettant de contrôler la taille et la densité des pores dans le graphene. Par gravure, la limite sélective des pores sera connectée aux plus grands pores sur le support qui n’est autre que le film de polymère. Des concepts appropriés pour l'intégration de ces membranes à haut flux dans des modules sont également absolument nécessaires et, par conséquent, dans ce projet, les systèmes de séparation de micro-nanofluidiques basés sur le graphène seront conçus et étudiés.
Les pores auront une distribution de tailles très étroites et leur taille peut être sélectionnée de 5 à 50 nm² offrant ainsi un haut degré de sélectivité. Comme le transport à travers la couche de barrière 2D n'est pas gêné par les interactions de la paroi, des pressions très faibles sont nécessaires. On s'attend donc à ce que les prototypes de membranes ciblés pour UF ou NF dépassent les matériaux actuels d'un facteur 100 (en termes de flux supérieurs à la même sélectivité), ce qui permettrait des économies d'énergie substantielles.
L'action proposée vise à produire une membrane pour l'ultrafiltration avec des propriétés spécifiques. En cas de succès, nous obtiendrons une membrane prototype innovante avec une performance nettement améliorée qui dépassera les outils actuels. Les prototypes vont surpasser les dispositifs actuels d'un facteur 100, ce qui permet des techniques de filtration à économie d'énergie (flux de plus en plus élevé à basse pression). Le concept pour la production de membranes pour l'ultrafiltration (taille de pore visée ~ 5 à 50 nm) que nous développerons est polyvalent, fiable et rentable et a un potentiel élevé pour une commercialisation. Cependant, le concept présenté ici est beaucoup plus vaste. L'exploitation de conditions d'irradiation optimisées en combinaison avec la fonctionnalisation rendra les autres types de membranes accessibles: les membranes avec des pores de barrière ne dépassant pas 20 nm (la taille des virus les plus petits) comme ciblées ici, en combinaison avec la perméabilité ultra-élevée associée au graphène seront parfaites pour l'élimination de virus ultra-efficace de l'eau potable. En exploitant des conditions d'irradiation optimisées ainsi que des stratégies de fonctionnalisation avancées, d'autres types de membranes hautement sélectives seront accessibles: un diamètre de pores de 5 nm est la limite d'exclusion de taille du rein (artificiel). Ainsi, les membranes isoporées à haut flux avec cette taille de pores ont le potentiel d'améliorations radicales dans l'hémodialyse, en particulier pour pouvoir établir des modules miniaturisés pour un rein artificiel capable d'usure. Même des pores plus petits d'environ 1 nm ou des pores chargés en surface permettraient l'élimination à basse pression des sels bivalents (dureté de l'eau) ou des micropolluants provenant de l'eau par la nanofiltration ou l'électrodialyse, et fourniraient des voies possibles vers une récolte d'énergie durable comme l'électrodialyse inverse.
H. Vazquez, E.H. Ahlgren, O. Ochedowski, A.A. Leino, R. Mirzayev, R. Kozubek, H. Lebius, M. Karlusic, M. Jaksic, A.V. Krasheninnikov, M. Schleberger, K. Nordlund, F. Djurabekova, Carbon 114 (2016) 51
L. Madauß, J. Schumacher, M. Ghosh, O. Ochedowski, J. Meyer, H. Lebius, B. Ban-d’Etat, M.E. Toimil-Molares, C. Trautmann, R. Lammertink, M. Ulbricht, M. Schleberger , Nanoscale, soumis
Monsieur Henning Lebius (Ecole nationale supérieure d'ingénieurs de Caen & Centre de recherche)
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Universitat Duisburg-Essen, Lehrstuhl fur Technische Chemie II
Ruder Boskovic Institute
University of Twente Science and Technology
ENSICAEN-CIMAP Ecole nationale supérieure d'ingénieurs de Caen & Centre de recherche
Aide de l'ANR 36 400 euros
Début et durée du projet scientifique :
janvier 2016
- 36 Mois
