Development of high reverse osmosis membranes incorporating artificial water channels

Développement de membranes d'osmose inverse hautement sélectives incorporant des systèmes de canaux d'eau artificiels Alors que des facteurs de stress tels que la croissance démographique, l'utilisation industrielle et le changement climatique continuent d'exacerber la demande en eau douce tout en épuisant nos ressources naturelles, le développement de technologies de dessalement efficaces et peu coûteuses est d'une importance capitale pour faire face de manière durable à la pénurie mondiale croissante d'eau. Dans ce but, cette thèse présente le développement des premières membranes biomimétiques d'osmose inverse (OI) qui intègrent des canaux artificiels d'eau (AWC) à base d’I-quartets. Ici, des couches actives bio-inspirées innovantes sont synthétisées via une approche de polymérisation interfaciale optimisée conduisant à la formation de membranes biomimétiques robustes, présentant une micro-structure et une morphologie similaires à celle du matériau composite sous forme de couche mince (TFC) traditionnel. Cependant, ces membranes présentent une rugosité et une nano-structure différentes du fait de l’existence d’assemblages cristallins de type éponge contenant des canaux d'eau artificiels (AWC) sélectifs du I-quartet. La formation cinétique des couches a été examinée minutieusement afin de démontrer la présence de nanoparticules colloïdales de CTA, en partant de l’analyse des superstructures auto-assemblées jusqu'à la formation des réseaux supramoléculaires de type éponge du matériau membranaire hybride à base de CTA. Dans la première étude de cas, les membranes obtenues ont été évaluées par filtration à flux croisés dans des conditions d'osmose inverse à haute pression pour dessaler de l'eau de mer de substitution et des solutions contenant 5 800 ppm ou 35 000 ppm de NaCl à 18 et 65 bars de pression appliquée, respectivement. Les résultats ont montré que les couches actives bio-inspirées peuvent améliorer le transport sélectif de l'eau à travers la membrane, ce qui permet d'améliorer considérablement la perméabilité à l'eau de 75 % et de 150 % pour le dessalement de l'eau de mer et de l'eau saumâtre, respectivement, tout en maintenant d'excellentes performances de séparation à l'échelle Å (rejet observé >99,4 %, élimination du bore >91 %). En outre, on estime que leur application aux procédés industriels entraînerait une réduction remarquable de 12 à 15% de la consommation d'énergie pour le dessalement. La deuxième étude de cas a porté sur l’optimisation de la composition des couches hybrides bio-inspirées, à savoir la proportion des précurseurs des AWC du I-quartet et du monomère m-phénylènediamine, conduisant à une incorporation homogène des nanoparticules colloïdales AWC et à leur auto-assemblage le plus compact possible. Dans ce cas, leurs performances en termes de sélectivité et de perméabilité ont est évaluées par filtration à flux croisés dans des conditions d'OI à faible pression (6 à 15 bars) pour dessaler de l’eau saumâtre et de l’eau du robinet. En conséquence, les couches bio-inspirées optimisées ont permis d'améliorer jusqu'à 360% la perméabilité à l'eau (jusqu'à 6,9 LMH/bar) par rapport aux membranes TFC traditionnelles, en maintenant d'excellentes performances de dessalement (rejet de NaCl observé ≥99,3%). Ces travaux démontrent en outre que les membranes biomimétiques à base de TFC possèdent le potentiel pour conduire à l’amélioration des procédés d'OI existants si leur transfert industriel est envisagé et viable.