Characterisation and ageing of a water ultrafiltration membrane
Caractérisation et vieillissement d'une membrane d'ultrafiltration d'eau
Résumé
During disinfections, water ultrafiltration membranes are mechanically and chemically stressed. These stresses lead to an early membrane ageing implying a drop of the quality of ultrafiltrated water. The aim of this study is to examine the long term behaviour of an ultrafiltration polysulfone hollow fibre in contact with bleach. After the initial characterisation of the fibre and its main component (polysulfone), we broached watermembrane physical interaction. The sorption behaviour of this asymmetric membrane could be interpreted within a dual mechanism constituted of two simultaneous phenomena: pore filling and water absorptiondiffusion in the pore walls. As chemical ageing could induce large modifications on membranes interaction and transport properties, we studied these phenomena via structure-properties relationships. The bleach-membrane chemical interaction shows a degradation of the polysulfone, in spite its well-known chemical stability. The degradation, which generates an embrittlement of the fibre, occurs by chains scission (determined by Size Exclusion Chromatography) with the hydroxyl radical - OH formed in the bleach solution. These chain scissions take place on the isopropylidene and sulfone groups to form final vinylidene and sulfonate groups respectively. Analytic investigations (IR and proton NMR) show that the degradation of additives happens separately without interfering on the ageing of the PSU but alters the behaviour of the fibre. The lifetime of the fibre depends on the total chlorine concentration of the ageing solution but also on its pH which drives the formation of hypochlorous acid and hypochlorite ion in great proportion, essential condition for the formation of hydroxyl radicals.
Sur site, les membranes d'ultrafiltration d'eau sont soumises à des sollicitations mécaniques et chimiques lors de leur désinfection. Ces sollicitations conduisent à un vieillissement précoce de la membrane pouvant aller jusqu'à la rupture mécanique et générer une baisse de la qualité de l'eau ultrafiltrée. Le but de cette étude est d'examiner le comportement à long terme d'une fibre creuse d'ultrafiltration au contact d'une solution d'eau de Javel. Après une caractérisation initiale de la fibre et de son constituant majoritaire, le polysulfone, nous avons étudié les interactions physiques de cette membrane avec l'eau. Le comportement en sorption de cette fibre asymétrique doit être considéré comme un mécanisme dual constitué de deux phénomènes simultanés : remplissage des pores et absorption-diffusion de l'eau dans les parois des pores. Le vieillissement chimique, engendré par la désinfection des fibres, est susceptible de modifier les propriétés d'interaction et de transport de l'eau dans les parois et ainsi affecter les propriétés d'utilisation des membranes. Il nous a donc paru nécessaire de bien comprendre ces phénomènes, et ce par le biais des relations structure-propriétés. L'étude de l'interaction chimique membrane-eau de Javel, a permis, quant à elle, de mettre en évidence une dégradation du PSU en immersion, réfutant sa stabilité chimique reconnue. Cette dégradation, à l'origine de la fragilisation de la membrane, se produit par coupure de la chaîne principale du PSU (mise en évidence par chromatographie d'exclusion stérique) sous l'action du radical - OH formé au sein de la solution de Javel. Ces ruptures se produisent au niveau des groupements isopropylidènes et sulfones et forment respectivement des groupements vinylidènes et sulfonates terminaux. Les investigations analytiques (IR et RMN 1H) montrent que la dégradation des additifs contenus dans la fibre (agents hydrophile et porogène) se produit indépendamment sans interférer avec le vieillissement du PSU, mais altère néanmoins le comportement de la fibre. La durée de vie de la fibre dépend non seulement de la concentration en chlore total de la solution de lavage mais également de son pH qui conditionne la formation en proportion significative des espèces HClO (acide hypochloreux) et ClO- (ion hypochlorite), indispensables pour la formation des radicaux hydroxyles.
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