Procédés d'élaboration de membranes par séparation de phases

La majorité des membranes polymères poreuses commercialisées sont élaborées via un procédé de séparation de phases. La séparation de phases (également appelée inversion de phase ou démixtion) résulte d'un changement d'état thermodynamique d'une solution de polymère initialement homogène. Le changement d'état thermodynamique peut être induit par différentes méthodes :

• variation de la température ;

• évaporation différentielle du solvant d'une solution ternaire polymère/ solvant/non-solvant ;

• intrusion d'un non-solvant dans une solution binaire polymère/solvant.

L'inversion de phase induit la création de deux phases : une phase pauvre et une phase riche en polymère qui croissent suivant des mécanismes de nucléation-croissance ou de décomposition spinodale pour former l'architecture membranaire. Après démixtion liquide-liquide, la phase riche en polymère se solidifie et constitue alors la matrice membranaire. La phase pauvre est éliminée par des lavages successifs et laisse place aux pores de la membrane.

Les propriétés et les performances d'une membrane dépendent étroitement de sa morphologie. L'objectif majeur d'un fabriquant de membranes consiste donc à contrôler les processus de texturation pour leur conférer des propriétés d'ultra-, de micro-, ou de nanofiltration tout en leur assurant de bonnes propriétés de résistance mécanique, thermique et chimique, voire d'élaborer des membranes avec une couche de surface présentant des propriétés adaptées à l'osmose inverse, la séparation gazeuse ou la pervaporation . Dans ce contexte, la maîtrise des processus à l'origine de la séparation de phases et notamment des phénomènes de transfert est cruciale. Elle passe par une appréhension fine des mécanismes de transport dans une matrice polymère. À ce stade, une approche de modélisation peut être utile car elle permet dans un premier temps de formaliser les différents phénomènes couplés impliqués (thermodynamique, transfert, transport) puis dans un second temps de prédire les chemins de composition en fonction des conditions opératoires choisies. Par ailleurs, la connaissance des paramètres procédés qui vont influencer significativement la structuration de la membrane lors de l'élaboration industrielle vient compléter cette approche cognitive.

Ce dossier présente donc :

• les principes inhérents à chaque procédé de séparation de phases (aspects thermodynamiques, mise en œuvre) ;

• les applications industrielles ;

• l'approche de modélisation.