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WO2004078327A1 - Procede de fabrication de membranes pour modules de filtration, notamment pour le traitement des eaux - Google Patents

Procede de fabrication de membranes pour modules de filtration, notamment pour le traitement des eaux Download PDF

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WO2004078327A1
WO2004078327A1 PCT/FR2004/000174 FR2004000174W WO2004078327A1 WO 2004078327 A1 WO2004078327 A1 WO 2004078327A1 FR 2004000174 W FR2004000174 W FR 2004000174W WO 2004078327 A1 WO2004078327 A1 WO 2004078327A1
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WO
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membranes
crosslinking
membrane
water
hydrophilic
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PCT/FR2004/000174
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English (en)
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Nouhad Abidine
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Aquasource SAS
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Aquasource SAS
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Publication date
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Priority to DE04705103T priority patent/DE04705103T1/de
Priority to JP2006505661A priority patent/JP2006517469A/ja
Priority to CA002514468A priority patent/CA2514468A1/fr
Priority to AU2004217583A priority patent/AU2004217583A1/en
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    • B01D71/44Polymers obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds, not provided for in a single one of groups B01D71/26-B01D71/42
    • B01D71/441Polyvinylpyrrolidone

Definitions

  • the present invention relates to the manufacture of membranes for nanofiltration, ultrafiltration or microfiltration modules, in particular for water treatment, said membranes being made up of two polymers, on the one hand a hydrophobic polymeric material and, on the other hand a hydrophilic polymeric material , these two polymers being “allied” to one another.
  • the membranes based on hydrophobic materials used in the field of water treatment, have the advantage of being chemically, thermally and bacteriologically stable; on the other hand, they are subject to rapid and irreversible clogging by suspended matter and / or organic matter present, in particular, in surface water.
  • the use of this type of membrane is possible, but requires frequent chemical washing which complicates the operation of the installations, increases the cost of operation and decreases the productivity of the filtration system.
  • the membranes based on hydrophilic polymer are less prone to clogging and are therefore of major interest from the point of view of "factory production management".
  • Such membranes are characterized by a productivity much higher than that of hydrophobic membranes, productivity which results from their chemical nature, which itself conditions the potential clogging rate of these membranes.
  • Their main drawback lies in the fact that they are subject to faster chemical aging and that they present a potential risk of bacteriological degradation, in particular for membranes based on cellulose derivatives. This last parameter does not constitute a technological barrier, because it is possible to take precautions for use to properly protect the membranes from the risk of damage due to bacteria.
  • EP-A-0 568 045 describes a process for the production of hollow fibers intended for the hemodialysis process and produced from polysulfone (PSF). To do this, a formulation based on PSF and hydrophilic and pore-forming agents is used. However, this publication does not teach any chemical treatment capable of fixing or stabilizing the hydrophilic agent in the membrane: experience shows that in this case as in many others, the hydrophilizing agent is gradually eluted from the membrane ( F. Ivaldi, thesis, UPS Jardin, December 15, 1982). US-A-5,543,465 aims to stabilize polyvinylpyrrolidone (PVP), as a hydrophilizing agent, within the porous structure of the membrane.
  • PVP polyvinylpyrrolidone
  • the present invention has set itself the objective of manufacturing a membrane made up of an “alloy” of two polymers: a simple chemistry, allowing, subject to the implementation of controls and processes appropriate to ensure the cohesion of these two polymer materials so that, for said membrane, an advantageous combination of the properties of the two constituent polymers results.
  • the invention relates to a process for manufacturing membranes for filtration modules, in particular for the treatment of water comprising a hydrophobic polymeric material into which a hydrophilic polymeric material is incorporated, or on which it is deposited, characterized in that it comprises the following stages: a) the membrane is conditioned, cold, after incorporation or deposition of the hydrophilic polymer material, in a solution containing potassium, sodium or ammonium persulfate and b) crosslinking is carried out hot, at a temperature above 60 ° C and preferably of the order of 70 to 80 ° C, hydrophilic and hydrophobic polymeric materials constituting the membrane, by dipping the latter in a crosslinking agent acting by radical mechanism, in particular an aqueous solution of persulfate.
  • one of the two polymers can be a simple molecule capable of splitting by the action of a crosslinking agent acting by radical mechanism.
  • the crosslinking between the hydrophobic and hydrophilic polymer materials is ensured when hot by the action of a sodium persulfate solution having a concentration of between 2 and 7 g / l.
  • the raw membrane prior to the crosslinking step, is subjected to cold quenching, in an aqueous solution of sodium persulfate having a mass concentration of between 2 and 7 g / 1, for 2 to 24 hours , preferably 4 to 12 hours.
  • the present licensee first took two actions to better understand the role of the persulfate radical on PSF and PVP molecules. It therefore attempted to verify whether or not potassium persulfate acts on polysulfone alone. To do this, we immersed hollow fibers, previously rinsed, in a mixture containing 0.5 and 5.0% of persulfate at high temperature (90 ° C) and for one hour. It was then demonstrated that the mechanical performance of these fibers decreases, in relation to the concentration of persulfate (see Table 2 below). We are therefore certain that the persulfate radicals attack polymer chains, such as polysulfone, well.
  • the persulfate ion remains stable (the ions present in the solution are assayed for around thirty hours, without observing any change) while from 40 ° C. the persulfate ion begins to transform as a persulfate radical after only 3 hours, but very few ions are concerned, only 0.6%.
  • hydrophilic polymer material it is preferable for this agent to be in as close contact as possible with the hydrophobic polymer. It is therefore generally introduced into the basic formulation used for fabricate the membranes, so as to ensure an intimate and homogeneous distribution.
  • the membranes are thoroughly rinsed before crosslinking with the persulfate, in order to remove as completely as possible the hydrophilic products which are included in the pore volumes of the membrane.
  • the membranes for example by soaking with hot water. This soaking can be carried out at a temperature between 60 and 90 ° C, for 1 to 24 hours, preferably for 2 to 12 hours.
  • the rinsing liquid may consist of a mixture of water and ethanol, in order to reinforce the extraction power of the rinsing water.
  • the process which is the subject of the invention makes it possible to manufacture membranes in the range of porosity going from nanofiltration (or low limit of ullrafiltration) to the high limit of microfiltration.
  • a hydrophilic material of higher molecular mass in order to minimize the amount necessary to give the membrane filtration performance. discounted.
  • the more the hydrophilic material is compatible with the hydrophobic support polymer the greater the stabilization of this hydrophilic material in the matrix of the support polymer, in particular in the dense matrix in which the various polymers coexist.
  • the collodion used consists of:
  • PSFgrade S 6010 18% PEG 1500 extrusion additive about 15 -25%
  • N-methylpyrrolidone qs 100%.
  • a hollow fiber is produced whose outside / inside diameters are: 1.8 / 1.0 mm.
  • a identical internal liquid and external liquid comprising from 5 to 50% by mass ratio of N-methyl-pyrrolidone, preferably 25 to 40% for fibers with internal skin; to produce fibers with external skin, the percentage of solvent must be between 40 and 100%, preferably between 50 and 90%.
  • the collodion, the internal liquid and the external liquid are maintained at a temperature between 20 and 60 ° C, preferably 25 to 45 ° C, during the precipitation of the fiber.
  • the fiber obtained has, originally, a water permeability equal to 8.6 10 "10 m / s. Pa, a breaking force of 9.5 Newton and an elongation at break of 50%. soaking with water added with chlorine at 1000 ppm, the water permeability of the fibers is measured, it is equal to 9.7 10 ⁇ 10 m / s. Pa.
  • the "raw extrusion" fibers without soaking in chlorine, are rinsed in water for 24 hours, then soaked in an aqueous solution containing 3 g / 1 of potassium persulfate, for a period of between 2 and 24 hours, preferably 4 to 12 hours. They are then treated in an aqueous solution containing 3 g / l of the same persulfate, brought to 70 ° C. for approximately 30 minutes. These fibers are rinsed by static soaking in hot water (80 ° C, for 5 hours) and are then conditioned with an aqueous solution of glycerin (60% by mass). Before conditioning in the mixture containing glycerin, the mechanical tensile properties of the fibers were characterized.
  • the force and the elongation at break of the fibers are measured here. They are found to be 9.6 N and 35% respectively.
  • the fibers are then air dried for two days.
  • a radical agent it has been possible to retain a large part of the mechanical performance of the fibers and only the elongation at break of the fiber has been lowered.
  • the lowering of the elongation is due, on the one hand to the better elimination of pore-forming agent and of hydrophilic agent which has not been fixed on or in the fibers and, on the other hand to the creation new chemical bonds between the different polymer chains forming the fibers.
  • the fiber contained 10% PVP, compared to the dry matter originally present in the collodion. This ensures that the process keeps PVP macromolecules fixed in the polysulfone matrix.
  • the filtration mode has always been in frontal mode.
  • the filtration cycles lasted 30 minutes.
  • the fibers were washed by backwashing with permeate supplemented with 5 ppm of chlorine and lasting 1 to 2 minutes.
  • Backwashing provided reverse filtration of 8.3 to 9.7 10 "5 m / s of permeate under a maximum pressure set at 2.5 10 5 .
  • Figure 1 of the accompanying drawings shows the evolution of the permeability of the membranes during filtration of Seine water having the characteristics specified in Table 4. It is noted that after 2 days of use, the permeability with water drops to 60 l / hm 2 .bar and it becomes necessary to do a chemical wash to restore the fibers to their permeability to the starting water.
  • Crosslinking is carried out by soaking the fibers in a solution containing 5 g / l of potassium persulfate, first cold for 24 h, then at 80 ° C. for 30 minutes. After rinsing, conditioning with glycerin and rewetting with water, the performance of the fibers is measured; these have evolved as follows: Breaking force 7.8 N. Elongation at break 37% Water permeability 9.4-11, 4 10 - " 1 ⁇ 0 ⁇ m / s. Pa
  • FIG. 2 of the accompanying drawings shows the evolution of the permeability of the membranes during filtration of Seine water having the characteristics specified in Table 4.
  • a module equipped with 1 m 2 was produced filtration surface, its permeability at the end of manufacture was equal to 9.7 10 "10 m / s. Pa.
  • This module was then put this module in continuous filtration of Seine water and started by applying an equal production flow at 1.9 10 "5 m / s.
  • FIGS. 3a to 5b are photographs which have been obtained using a scanning electron microscopy and they make it possible to illustrate the porous structure of the fibers of the membranes produced in accordance with the process which is the subject of the invention.
  • the fibers may or may not contain vacuoles (see the detail of the fibers section in these photographs), they may also be in the form of a homogeneous structure. The important thing is that the vacuoles which may be present do not come into contact with the skin of the membrane which must remain supported by a homogeneous structure.
  • Figure 3a shows a section of the fiber: it is a conventional structure of PSF-based fibers.
  • Figure 3b illustrates a detail of the fiber section: we see an internal skin, a spongy porous structure containing vacuoles then an external skin.
  • Figures 4a to 5b are sections which illustrate the section of fibers without vacuoles.

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Abstract

Procédé de fabrication de membranes pour modules de nanofiltration, ultrafiltration ou microfiltration notamment pour le traitement des eaux, comportant un matériau polymère hydrophobe auquel on incorpore, ou sur lequel on dépose, un matériau polymère hydrophile, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : a) on conditionne, à froid, la membrane, après incorporation ou dépôt du matériau polymère hydrophile, dans une solution contenant du persulfate de potassium, de sodium ou d'ammonium et b) on effectue une réticulation à chaud, à une température supérieure à 60°C, des matériaux polymères hydrophiles et hydrophobes constituant la membrane, en trempant cette dernière dans un agent de réticulation agissant par mécanisme radicalaire.

Description

Procédé de fabrication de membranes pour modules de filtration, notamment pour le traitement des eaux.
La présente invention concerne la fabrication de membranes pour modules de nanofiltration, ultrafiltration ou microfiltration, notamment pour le traitement des eaux, lesdites membranes étant constituées de deux polymères, d'une part un matériau polymère hydrophobe et, d'autre part un matériau polymère hydrophile, ces deux polymères étant « alliés » l'un à l'autre.
Les membranes à base de matériaux hydrophobes, utilisées dans le domaine du traitement des eaux, présentent l'avantage d'être stables aux plans chimique, thermique et bactériologique ; par contre, elles sont sujettes à un colmatage rapide et irréversible par les matières en suspension et/ou les matières organiques présentes, en particulier, dans les eaux de surface. L'utilisation de ce type de membranes est possible, mais nécessite des lavages chimiques fréquents qui compliquent l'exploitation des installations, augmentent le coût de l'exploitation et diminuent la productivité du système de filtration.
Les membranes à base de polymère hydrophile sont moins sujettes au colmatage et présentent donc un intérêt majeur du point de vue « gestion de la production d'usine ». Généralement, de telles membranes se caractérisent par une productivité très supérieure à celle des membranes hydrophobes, productivité qui résulte de leur nature chimique, qui elle-même conditionne le taux de colmatage potentiel de ces membranes. Leur principal inconvénient réside dans le fait qu'elles sont sujettes à un vieillissement chimique plus rapide et qu'elles présentent un risque potentiel de dégradation bactériologique, en particulier pour les membranes à base de dérivés cellulosiques. Ce dernier paramètre ne constitue pas une barrière technologique, car il est possible de prendre des précautions d'emploi pour bien protéger les membranes face au risque d'altérations dues aux bactéries. De nombreux travaux de modification des membranes ont déjà été publiés qui visent à réaliser une membrane à base d'un matériau hydrophobe auquel on incorpore (ou sur lequel on dépose) un matériau hydrophile. En général, on a cherché à conférer à la nouvelle membrane un meilleur comportement vis-à-vis du colmatage sans fragiliser les propriétés mécaniques ni affecter l'intégrité des membranes ainsi modifiées (P. Rouzies, thèse, UPS Toulouse, 11 mars 1992, K. Asfardjanie et thèse, UPS Toulouse, 12 juillet 1991 ). Cependant, tous les avantages des caractères hydrophiles ainsi apportés aux membranes se sont avérés éphémères et se sont estompés en fonction du temps de filtration et de l'effet cumulatif des lavages appliqués.
EP-A-0 568 045 décrit un procédé pour la fabrication de fibres creuses destinées au procédé d'hémodialyse et élaborées à partir de polysulfone (PSF). Pour ce faire, on utilise une formulation à base de PSF et d'agents hydrophiles et porogènes. Cependant, cette publication n'enseigne aucun traitement chimique susceptible de fixer ou de stabiliser l'agent hydrophile dans la membrane : l'expérience montre que dans ce cas comme dans bien d'autres, l'agent hydrophilisant est progressivement élue de la membrane (F. Ivaldi, thèse, UPS Toulouse, 15 décembre 1982). US-A-5 543 465 vise à stabiliser la polyvinylpyrrolidone (PVP), en tant qu'agent hydrophilisant, au sein de la structure poreuse de la membrane. Afin de fixer en permanence le caractère hydrophile de la membrane résultant de l'introduction de ladite PVP, cette publication se réfère à divers exemples où on fixe de la PVP dans une matrice de PSF, en conditionnant d'abord la membrane vierge dans un liquide de rinçage qui contient de la PVP, puis en la réticulant ensuite par traitement chimique à l'aide d'un agent de réticulation radicalaire, le persulfate de potassium . Cependant, en raison du fort taux de PVP préconisé (entre 0,5 et 10% en poids), le procédé décrit entraîne une réduction importante de la perméabilité à l'eau de la membrane. Le tableau 1 , récapitulatif d'essais à concentration croissante, figuré ci-après, montre bien l'influence de la concentration de PVP dans l'eau de rinçage sur ladite perméabilité à l'eau (Lp). TABLEAU 1
Influence de la concentration de la PVP K30 sur la perméabilité finale à l'eau, des fibres type A.
Figure imgf000004_0001
Il faut de toutes façons limiter l'addition de PVP ou d'agent hydrophile au substrat PSF ou polymère hydrophobe, sous peine de réduire notablement la perméabilité en cas de trop forte proportion dudit agent hydrophile dans le mélange de polymères.
Pour illustrer l'état de la technique dans ce domaine, on peut également citer US-A-4 798 847, EP-A-0 261 734 et US-A-5 076 925 qui décrivent des procédés de fabrication de membranes dans lesquels est décrite une réticulation par voie thermique de la PVP. Cependant, ainsi qu'il est décrit dans le brevet US-A-2 658 045 et, dans la publication d'Anderson (Journal of Applied Polymer Sciences, 23, 2453-2462, 1979), la méthode de fixation de la PVP indiquée dans ces publications ne permet pas de garantir la stabilité des performances des fibres dans le temps. En effet, ces publications mettent en œuvre des procédés de rinçage intensifs (allant jusqu'à utiliser des solvants organiques d'extraction), de tels procédés visant à éliminer la fraction « porogène » de la PVP, tout en laissant en place uniquement la PVP proche des molécules du polymère support ; la réticulation de ces molécules n'engendrera pas alors de baisse de la perméabilité à l'eau des membranes ainsi traitées. Ce procédé de traitement thermique pour réticuler la PVP est donc insuffisant, car il donne naissance à un gel fragile et instable.
Partant de cet état de la technique, la présente invention s'est fixé pour objectif la fabrication d'une membrane constituée d'un « alliage » de deux polymères : une chimie simple, permettant, sous réserve de mettre en œuvre des contrôles et processus appropriés d'assurer la cohésion de ces deux matériaux polymères de manière qu'il en résulte, pour ladite membrane, une combinaison avantageuse des propriétés des deux polymères constitutifs.
En conséquence, l'invention concerne un procédé de fabrication de membranes pour modules de filtration, notamment pour le traitement des eaux comportant un matériau polymère hydrophobe auquel on incorpore, ou sur lequel on dépose, un matériau polymère hydrophile, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : a) on conditionne, à froid, la membrane, après incorporation ou dépôt du matériau polymère hydrophile, dans une solution contenant du persulfate de potassium, de sodium ou d'ammonium et b) on effectue une réticulation à chaud, à une température supérieure à 60 °C et de préférence de l'ordre de 70 à 80 °C, des matériaux polymères hydrophiles et hydrophobes constituant la membrane, en trempant cette dernière dans un agent de réticulation agissant par mécanisme radicalaire, notamment une solution aqueuse de persulfate.
Selon la présente invention, l'un des deux polymères peut être une simple molécule capable de se scinder par l'action d'un agent de réticulation agissant par mécanisme radicalaire. Selon un mode de mise en œuvre du procédé de l'invention, la réticulation entre les matériaux polymères hydrophobe et hydrophile est assurée à chaud par action d'une solution de persulfate de sodium présentant une concentration comprise entre 2 et 7 g/1. Selon l'invention, préalablement à l'étape de réticulation, la membrane brute est soumise à une trempe à froid, dans une solution aqueuse de persulfate de sodium présentant une concentration massique comprise entre 2 et 7 g/1, pendant 2 à 24 heures, de préférence 4 à 12 heures.
Afin de bien faire comprendre l'objet de la présente invention, on décrira tout d'abord les travaux qui en ont permis la mise au point.
La présente titulaire a tout d'abord entrepris deux actions, afin de mieux comprendre le rôle du radical persulfate sur les molécules de PSF et de PVP. Elle a donc tenté de vérifier si le persulfate de potassium agit ou non sur le polysulfone seul. Pour ce faire, on a plongé des fibres creuses, préalablement rincées, dans un mélange contenant 0,5 et 5,0% de persulfate à température élevée (90 °C) et durant une heure. On a alors mis en évidence que les performances mécaniques de ces fibres s'amenuisent, en relation avec la concentration en persulfate (voir tableau 2 ci-après). On a donc la certitude que les radicaux de persulfate attaquent bien les chaînes de polymères, telles que la polysulfone.
TABLEAU 2
Figure imgf000006_0001
On a également réussi à élucider le mode d'action du persulfate sur la réticulation de la PVP, confirmant ainsi les résultats publiés par Anderson, dans la publication Journal of Applied Polymer Sciences, et par US-A-2 658 045 cités ci-dessus, à savoir que la réticulation de la PVP requiert une forte concentration de ladite PVP, en présence d'une forte concentration (quelques % en masse) de persulfate. Toutefois, afin de sauvegarder la perméabilité de la membrane « finie », il y aura lieu de limiter à la fois la concentration de PVP dans la PSF ainsi que la concentration de persulfate.
Enfin, on a vérifié la validité du cycle thermique proposé par Anderson, à savoir que l'activité des radicaux du persulfate survient à partir d'une température supérieure à 60 °C et augmente progressivement jusqu'à 90 °C. On a alors découvert un phénomène important : la réactivité du persulfate de potassium est progressive à partir de 60°C et devient de plus en plus rapide en augmentant la température. On a vu aussi que cette activité existe déjà à plus faible température 40°C, et qu'elle est inexistante à température ambiante. Le tableau 3 ci-après illustre ces observations. Tableau 3
Evolution de la concentration en ion persulfate, exprimée en % de moles transformées en radical en fonction de la température et de la durée de test
(CO = 1 % massique, solvant : eau ultrapure)
Figure imgf000007_0001
A ce stade, deux remarques majeures s'imposent :
- à température ambiante, l'ion persulfate reste stable (on a dosé les ions présents dans la solution pendant une trentaine d'heures, sans observer de changement) alors qu'à partir de 40 °C l'ion persulfate commence à se transformer en radical persulfate après 3 heures seulement, mais très peu d'ions sont concernés, seulement 0,6 %.
- l'augmentation de la température accélère la transformation du persulfate.
Le procédé objet de l'invention permet de conserver le contrôle des proportions relatives des deux polymères, d'un côté de la membrane (« peau externe ») ou de l'autre (« peau interne »), voire des deux côtés, en effet une baisse rapide de température permet de bloquer le processus de réticulation en cas de besoin.
On a donné ci-après un mode de mise en œuvre du procédé objet de l'invention. Ce mode de mise en œuvre, donné uniquement à titre d'exemple non limitatif, comporte les étapes suivantes :
A) Introduction du matériau polymère hydrophile : il est préférable que cet agent soit au contact aussi étroit que possible du polymère hydrophobe. Il est donc introduit généralement dans la formulation de base utilisée pour fabriquer les membranes, de façon à assurer une répartition intime et homogène.
B) Dans le cas où le matériau hydrophile est introduit dans la formulation de base, les membranes sont soigneusement rincées avant la réticulation par le persulfate, afin d'éliminer aussi complètement que possible les produits hydrophiles qui se trouvent inclus dans les volumes poreux de la membrane.
C) Conditionnement à froid de la membrane dans une solution contenant du persulfate de potassium, de sodium ou d'ammonium. De cette façon, ces ions vont se propager, par diffusion naturelle, au sein de toute la structure poreuse. Cette étape est nécessaire en vue d'assurer l'homogénéité du traitement selon l'étape suivante.
D) Réticulation par trempage à chaud, à une température supérieure à 60 °C et de préférence de l'ordre de 70 à 80 °C environ, des membranes dans une solution aqueuse de persulfate. Le persulfate doit être ajouté à l'eau chaude, immédiatement avant le trempage des fibres, de manière à ne pas provoquer, préférentiellement, la formation de radicaux qui pourraient alors réagir prématurément avec les ions hydroxyle de l'eau. En conjonction avec la concentration des ions persulfate, la durée et la température de ce traitement conditionneront la puissance de l'action radicalaire de ces ions. E) Vidange du réservoir contenant les membranes, ce qui permet de bloquer rapidement la réaction de réticulation grâce à la baisse rapide de la température des membranes résultant de cette vidange.
F) Rinçage des membranes, par exemple par trempage à l'eau chaude. Ce trempage peut être effectué à une température comprise entre 60 et 90 °C, pendant 1 à 24 heures, de préférence pendant 2 à 12 heures. Ces conditions, ainsi que la composition du liquide de rinçage peuvent être modifiées, notamment afin d'obtenir des membranes dites « purifiées » à usage hospitalier ou médical. Dans ce cas, le liquide de rinçage pourra être constitué d'un mélange d'eau et d'éthanol, afin de renforcer le pouvoir d'extraction de l'eau de rinçage.
G) Conditionnement final des membranes dans un mélange contenant de l'eau et de la glycérine, uniquement dans le cas où il est nécessaire de sécher les membranes pour les coller (cas de « empotage » des fibres creuses par exemple).
Le procédé objet de l'invention permet de fabriquer des membranes dans la gamme de porosité allant de la nanofiltration (ou limite basse de l'ullrafiltration) jusqu'à la limite haute de la microfiltration. Afin d'augmenter le taux de matériau hydrophile, en partant d'un pourcentage donné de ce dernier, il est préférable d'utiliser un matériau hydrophile de masse moléculaire plus élevée afin de minimiser la quantité nécessaire pour conférer à la membrane les performances de filtration escomptées. De même, plus le matériau hydrophile est compatible avec le polymère hydrophobe support, plus la stabilisation de ce matériau hydrophile dans la matrice du polymère support est grande, en particulier dans la matrice dense dans laquelle coexistent les différents polymères.
On a donné ci-après des exemples pratiques de mise en œuvre du procédé explicité ci-dessus, ces exemples permettant de comprendre les avantages apportés par la présente invention.
Dans ces exemples, on a seulement évoqué les cas des membranes à base de PSF dans lesquelles on a incorporé de la PVP, en tant d'agent hydrophile. Dans tous ces exemples, les valeurs de perméabilités sont ramenées à 20 °C.
Exemple 1 :
Le collodion utilisé est constitué de :
PSFgrade S 6010 = 18 % Additif d'extrusion PEG 1500 environ 15 -25 %
PVP K30 = 2%
N-méthylpyrrolidone qsp 100 %.
Après dissolution par agitation mécanique à 80 °C et durant 24 heures, ce collodion est filtré sur toile inox assurant un seuil de filtration proche de 10 μm, puis dégazé sous vide. On produit une fibre creuse dont les diamètres extérieure / intérieur sont : 1.8 / 1.0 mm. Pour précipiter la fibre, on utilise un liquide interne et un liquide externe identiques, comportant de 5 à 50 % en rapport massique de N-méthyl-pyrrolidone, de préférence 25 à 40 % pour les fibres à peau interne ; pour produire des fibres à peau externe, le pourcentage de solvant doit être compris entre 40 et 100 %, de préférence entre 50 et 90 %. Le collodion, le liquide interne et le liquide externe sont maintenus à une température comprise entre 20 et 60°C, de préférence 25 à 45 °C, lors de la précipitation de la fibre. La fibre obtenue possède, à l'origine, une perméabilité à l'eau égale à 8,6 10"10 m/s. Pa, une force de rupture de 9,5 Newton et un allongement à la rupture de 50 %. Après un trempage à l'eau additionnée de chlore à 1000 ppm, la perméabilité à l'eau des fibres est mesurée, elle est égale à 9,7 10"10 m/s. Pa.
Les fibres « brutes d'extrusion », sans trempage au chlore, sont rincées dans l'eau durant 24 heures, puis trempées dans une solution aqueuse contenant 3 g/1 de persulfate de potassium, pendant une période comprise entre 2 et 24 heures, de préférence 4 à 12 heures. Elles sont ensuite traitées dans une solution aqueuse contenant 3 g/l du même persulfate, portée à 70 °C durant environ 30 minutes. Ces fibres sont rincées par trempage statique dans l'eau chaude (80 °C, durant 5 heures) et sont ensuite conditionnées avec une solution aqueuse de glycérine (60 % en masse). Avant conditionnement dans le mélange contenant la glycérine, on a caractérisé les propriétés mécaniques de traction des fibres. On mesure ici la force et l'allongement à la rupture des fibres. On les trouve respectivement égales à 9.6 N et 35 %. Les fibres sont alors séchées à l'air durant deux jours. Malgré ce traitement à l'aide d'un agent radicalaire, on a su garder une grande partie des performances mécaniques des fibres et seul l'allongement à la rupture de la fibre a été abaissé. Cependant, l'abaissement de l'allongement est dû, d'une part à la meilleure élimination d'agent porogène et d'agent hydrophile qui n'a pas été fixé sur ou dans les fibres et, d'autre part à la création des nouvelles liaisons chimiques entre les différentes chaînes de polymères formant les fibres. Un contrôle effectué sur micro-module, après rinçage abondant des fibres, montre que la teneur en PVP fixée résiduelle de la fibre polymérisee est égale à 4.5 %. La fibre contenait 10 % de PVP, par rapport à la matière sèche présente, à l'origine, dans le collodion. On s'assure ainsi que le procédé maintient bien des macromolécules de PVP fixées dans la matrice de polysulfone.
Exemple 2 :
Dans cet exemple, on a reproduit exactement la même fibre « brute d'extrusion » que celle de l'exemple 1 , à laquelle a été ensuite appliqué un rinçage par de l'eau contenant 0.1 % de PVP K30. La perméabilité à l'eau de la fibre a été mesurée égale à 6,9 10"10 m/s. Pa (au lieu de 9,7-10. 10"10 m/s. Pa obtenue précédemment). L'utilisation de cette fibre, dans un module équipé de 1 m2 de surface filtrante, en filtration de l'eau de Seine ne permet pas d'obtenir une perméabilité de fonctionnement stable même pour un flux de fonctionnement égale à 1 ,7 10"10 m/s. Pa.
Durant tous les tests de filtration qui ont été effectués, les caractéristiques majeures de l'eau de Seine étaient proches des valeurs indiquées dans le tableau 4 ci-après :
Tableau 4
Figure imgf000011_0001
Le mode de filtration a toujours été en régime frontal. Les cycles de filtration duraient 30 minutes. Le lavage des fibres était fait par rétrolavage au perméat additionné de 5 ppm de chlore et durait de 1 à 2 minutes. Le rétrolavage assurait la filtration inverse de 8,3 à 9,7 10"5 m/s de perméat sous une pression maximale fixée à 2,5 105.
La figure 1 des dessins annexés montre l'évolution de la perméabilité des membranes lors d'une filtration d'une eau de Seine présentant les caractéristiques précisées dans le tableau 4. On remarque qu'au bout de 2 jours d'utilisation, la perméabilité à l'eau tombe à 60 l/h.m2 .bar et il devient nécessaire de faire un lavage chimique pour restaurer aux fibres leur perméabilité à l'eau de départ.
Exemple 3 :
Par rapport aux conditions de l'exemple 1 , on modifie seulement la qualité de la PVP présente dans le collodion. Pour cet exemple, on utilise une PVP « grade » K 25 de masse moléculaire moins élevée que dans l'exemple précédent (soit environ 30 000 au lieu de 60 000 daltons). On conduit la même série de tests. Au final, on mesure les performances globales suivantes :
Dimension de la fibre Dexterne/ D|ntβme = 1.78/1.02 mm Perméabilité initiale 5,3 10"10 m/s. Pa Force à la rupture 7.7 N.
Allongement à la rupture 62 %.
On réalise une réticulation en trempant les fibres dans une solution contenant 5 g/l de persulfate de potassium, d'abord à froid durant 24 h, puis à 80 °C durant 30 minutes. Après rinçage, conditionnement à la glycérine et remouillage à l'eau, on mesure les performances des fibres ; ces dernières ont évolué de la façon suivante : Force à la rupture 7.8 N. Allongement à la rupture 37 % Perméabilité à l'eau 9,4-11 ,4 10 -"1 ι0υ m/s. Pa
Ici, on voit que ce traitement modifie seulement l'allongement à la rupture de la fibre. L'augmentation de la perméabilité à l'eau est obtenue grâce à la meilleure élimination de PVP de la matrice PSF. La force à la rupture de la fibre a très peu évolué.
L'analyse élémentaire démontre un pourcentage de PVP proche de 2,5 %. La quantité de PVP fixée dans la fibre est donc moindre et la perméabilité à l'eau de la fibre est plus élevée que dans l'exemple 2.
La figure 2 des dessins annexés montre l'évolution de la perméabilité des membranes lors d'une filtration d'une eau de Seine présentant les caractéristiques précisées dans le tableau 4. Lors de ces essais, on a produit un module équipé de 1 m2 de surface de filtration, sa perméabilité en fin de fabrication était égale à 9,7 10"10 m/s. Pa. On a ensuite mis ce module en filtration continue de l'eau de Seine et commencé par appliquer un flux de production égal à 1 ,9 10"5 m/s.
L'examen de cette figure 2 montre qu'assez rapidement la perméabilité à l'eau des fibres a baissé de 11 ,1 à 5,0-5,55. 10"10 m/s. Pa, mais on a constaté, avec surprise qu'elle baissait très lentement avec le temps. Au I2eme jour de filtration, la perméabilité stabilisée restait proche de 4-5 10"10 m/s. Pa. On a alors augmenté le flux à 2,2 10"5 m/s et vérifier durant 5 jours consécutifs que ce changement n'affectait pas la stabilité de la perméabilité des fibres.
Ainsi, le procédé objet de la présente invention permet de fabriquer des membranes qui conservent leur caractère hydrophile et qui acquièrent de nouvelles performances, complémentaires, optimisant leur utilisation ou élargissant leurs domaines d'application. En particulier, grâce au procédé objet de l'invention, il est possible de maintenir dans le temps les caractéristiques acquises par les membranes durant les diverses étapes du procédé explicitées ci-dessus. Les figures 3a à 5b sont des photographies qui ont été obtenues à l'aide d'un microscopie électronique à balayage et elles permettent d'illustrer la structure poreuse des fibres des membranes réalisées conformément au procédé objet de l'invention. Selon les conditions opératoires, les fibres comportent ou non des vacuoles (voir le détail de la section des fibres sur ces photographies), elles peuvent également se présenter sous la forme d'une structure homogène. L'important est que les vacuoles éventuellement présentes ne viennent pas au contact de la peau de la membrane qui doit restée supportée par une structure homogène.
La Figure 3a représente une coupe de la fibre : il s'agit d'une structure classique de fibres à base de PSF.
La Figure 3b illustre un détail de la section de la fibre : on y voit une peau interne, une structure poreuse spongieuse contenant des vacuoles puis une peau externe.
Les Figures 4a à 5b sont des coupes qui illustrent la section de fibres dépourvues de vacuoles.
Il demeure bien entendu que la présente invention n'est pas limitée aux exemples de mise en œuvre décrits et représentés ci-dessus, mais qu'elle en englobe toutes les variantes.

Claims

REVENDICATIONS
1 - Procédé de fabrication de membranes pour modules de nanofiltration, ultrafiltration ou microfiltration notamment pour le traitement des eaux, comportant un matériau polymère hydrophobe auquel on incorpore, ou sur lequel on dépose, un matériau polymère hydrophile, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : a) on conditionne, à froid, la membrane, après incorporation ou dépôt du matériau polymère hydrophile, dans une solution contenant du persulfate de potassium, de sodium ou d'ammonium et b) on effectue une réticulation à chaud, à une température supérieure à 60 °C, des matériaux polymères hydrophiles et hydrophobes constituant la membrane, en trempant cette dernière dans un agent de réticulation agissant par mécanisme radicalaire. 2 - Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que l'un desdits polymères est une simple molécule capable de se scinder par l'action dudit agent de réticulation agissant par mécanisme radicalaire.
3 - Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'agent de réticulation agissant par mécanisme radicalaire est une solution aqueuse de persulfate.
4 - Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la réticulation entre les matériaux polymères hydrophobe et hydrophile est assurée à chaud par action d'une solution de persulfate de sodium présentant une concentration comprise entre 2 et 7 g/l. 5 - Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, préalablement à l'étape de réticulation, la membrane brute est soumise à une trempe à froid, dans une solution aqueuse de persulfate de sodium présentant une concentration massique comprise entre 2 et 7 g/l, pendant 2 à 24 heures, de préférence 4 à 12 heures. 6 - Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la réticulation à chaud est effectuée à une température de l'ordre de 70 à 80 °C pendant environ 30 minutes. 7 - Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que préalablement à l'étape de conditionnement et de réticulation, on effectue un rinçage à l'eau des membranes brutes.
8 - Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on bloque la réaction de réticulation par une baisse rapide de la température des membranes, après l'étape de réticulation.
9 - Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, après l'étape de réticulation, on effectue un rinçage des membranes. 10 - Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que le rinçage des membranes est effectué à l'eau chaude, à une température comprise entre 60 et 90 °C et pendant 1 à 24 heures, de préférence pendant 2 à 12 heures.
11 - Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'eau de rinçage est additionnée d'éthanol.
12 - Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de conditionnement final des membranes dans une solution aqueuse de glycérine, lorsque les membranes nécessitent un séchage, puis un collage. 13 - Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau polymère hydrophobe est du polysulfone.
14 - Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau polymère hydrophile est de la polyvinylpyrrolidone.
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