Préface : Dans la partie précédente de cet article, Naviguer dans le monde des filtres à membranes : Types, Uses, and Benefits (Ⅰ), nous avons abordé une vue d'ensemble des membranes de filtration et présenté les deux types de membranes de filtration les plus courants, les membranes de filtration polymériques, notamment le polyéthersulfone (PES) et le polyfluorure de vinylidène (PVDF), et les membranes de filtration céramiques, et décrit leur préparation et leurs applications. Stanford Advanced Materials (SAM ) continuera à vous présenter d'autres types de membranes : les membranes nanostructurées, les cadres métallo-organiques et les membranes filtrantes composites.
5 Membranes nanostructurées
5.1 Membranes à nanotubes de dioxyde de titane (TiO2)
5.1.1 Qu'est-ce qu'une membrane à nanotubes de dioxyde de titane (TiO2) ?
Depuis la découverte des nanotubes de carbone en 1991, les nanomatériaux à structure tubulaire ont attiré beaucoup d'attention en raison de leurs propriétés physicochimiques uniques et de leurs applications prometteuses en microélectronique, en catalyse appliquée, en conversion photovoltaïque, etc. Le TiO2, qui présente les avantages d'une bonne absorption des ultraviolets, d'une constante diélectrique élevée et de propriétés chimiques stables, est largement utilisé dans les domaines de la photocatalyse, des revêtements de cellules solaires, de l'anticorrosion, de la purification de l'air, du traitement des eaux usées et d'autres domaines. Les nanotubes de dioxyde de titane ont généralement un diamètre de quelques nanomètres à quelques dizaines de nanomètres, tandis que leur longueur peut varier de quelques centaines de nanomètres à plusieurs micromètres. Cette taille nanométrique permet aux nanotubes de dioxyde de titane d'avoir une surface spécifique élevée, une grande capacité de batterie et des propriétés photovoltaïques particulières, ce qui permet aux membranes de nanotubes de dioxyde de titane d'avoir un large éventail d'applications dans la photocatalyse, la préparation de dispositifs photovoltaïques, la préparation de capteurs et les domaines de réaction connexes qui en résultent, tels que la purification et le traitement de l'eau et de l'air.
Fig. 6 Microstructure des nanotubes de dioxyde de titane
5.1.2 Méthodes de synthèse des membranes en nanotubes de dioxyde de titane (TiO2)
Les méthodes courantes de préparation des films minces de nanotubes de TiO2 comprennent la méthode de mise en solution, la méthode de dépôt en phase vapeur et la méthode électrochimique.
La méthode de mise en solution est basée sur des précurseurs de TiO2 en solution et, dans des conditions spécifiques (température, pH, solvant, etc.), des films de nanotubes de TiO2 sont formés en contrôlant les processus de précipitation, de dissolution et de croissance cristalline. La méthode de la solution est la plus couramment utilisée en raison des avantages d'un processus simple et peu coûteux, ainsi que de la possibilité de mieux contrôler la morphologie de la taille.
Le dépôt en phase vapeur utilise des précurseurs de TiO2 en phase gazeuse pour former des couches minces en les déposant sur la surface d'un substrat dans un environnement à haute température. Cette méthode comprend à la fois le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) et le dépôt physique en phase vapeur (PVD). Dans la méthode CVD, un film de TiO2 est formé en introduisant un composé précurseur gazeux dans une chambre de réaction, puis en le décomposant et en le déposant sur la surface du substrat à des températures élevées. Dans la méthode PVD, un processus physique (par exemple, la pulvérisation, l'évaporation) est utilisé pour convertir le matériau source solide de TiO2 en un état gazeux, qui est ensuite déposé sur la surface du substrat. Les avantages de la méthode de dépôt en phase vapeur pour la préparation de films de nanotubes de TiO2 sont notamment la réduction des impuretés produites au cours du processus de préparation et une meilleure qualité des films.
Les méthodes électrochimiques utilisent des réactions électrochimiques pour déposer des films de nanotubes de TiO2 sur la surface de l'électrode. Une technique courante est l'anodisation, dans laquelle une couche d'oxyde est formée à la surface d'un substrat en appliquant une tension dans un électrolyte spécifique, et cette couche d'oxyde est ensuite utilisée comme modèle pour faire croître des nanotubes de TiO2 dans des conditions spécifiques. Les avantages de cette méthode sont la simplicité du processus de préparation, la facilité de manipulation et le fait qu'elle peut être réalisée à température ambiante.
5.1.3 Où sont utilisées les membranes à nanotubes de dioxyde de titane (TiO2) ?
1. Traitement de l'eau : Les membranes à nanotubes de dioxyde de titane peuvent être utilisées dans le traitement de l'eau pour l'élimination des micropolluants et l'amélioration de la qualité de l'eau. Sa surface spécifique élevée et ses propriétés photocatalytiques lui permettent d'adsorber et de dégrader efficacement les polluants tels que les matières organiques, les ions de métaux lourds et les micro-organismes présents dans l'eau, et de réaliser la purification et la désinfection de l'eau. Par exemple, la combinaison d'une membrane de nanotubes de dioxyde de titane et de la technologie photocatalytique peut stimuler la production d'espèces actives d'oxygène par irradiation à la lumière ultraviolette, ce qui permet d'éliminer les polluants organiques et les bactéries de l'eau.
2. Purification de l'air : Les membranes à nanotubes de TiO2 peuvent également être utilisées pour la purification de l'air, en éliminant les substances organiques en suspension dans l'air, les COV (composés organiques volatils), le formaldéhyde et d'autres gaz nocifs. Comme pour le traitement de l'eau, les propriétés photocatalytiques de ces membranes peuvent être utilisées pour irradier la membrane avec de la lumière ultraviolette, ce qui favorise la dégradation et l'élimination des gaz nocifs.
3. Filtration des particules : Bien que les membranes de nanotubes de dioxyde de titane soient principalement photocatalytiques, leur structure tubulaire à l'échelle nanométrique les rend également capables de filtrer les particules dans une certaine mesure. Bien que cette performance de filtration ne soit pas aussi efficace que d'autres matériaux de filtration, elle a tout de même un certain effet de filtration dans des scénarios d'application spécifiques et peut être utilisée comme couche de filtration supplémentaire.
5.2 Membranes d'oxyde de graphène (GO)
5.2.1 Présentation des membranes d'oxyde de graphène (GO)
L'oxyde de graphène (GO) est un oxyde de graphène. Après oxydation, le nombre de groupes fonctionnels contenant de l'oxygène sur le graphène augmente, ce qui le rend plus réactif et améliore ses propriétés grâce à diverses réactions avec les groupes fonctionnels contenant de l'oxygène. Le graphène est une couche atomique unique dont la dimension latérale peut facilement être réduite à des dizaines de micromètres. En tant que tel, sa structure s'étend sur des échelles typiques de la chimie générale et de la science des matériaux. Les paillettes d'oxyde de graphène sont le produit de l'oxydation chimique et de l'exfoliation de la poudre de graphite. Il peut être considéré comme un type non traditionnel de matériau mou possédant les propriétés des polymères, des colloïdes et des films minces, ainsi que des molécules amphiphiles.
L'oxyde de graphène contient une grande quantité d'oxygène (par exemple, des groupes hydroxyles, des groupes carboxyles, etc.), qui forme des défauts et des groupes fonctionnels entre les couches de graphène, conduisant à la formation de structures microporeuses dans les espaces intercouches. Ces structures microporeuses confèrent aux membranes filtrantes en oxyde de graphène une surface et une perméabilité élevées. Ces structures microporeuses peuvent être utilisées pour des filtrations physiques, c'est-à-dire pour bloquer ou laisser passer sélectivement des molécules dans des liquides ou des gaz en fonction de la taille des micropores, et pour éliminer les solides en suspension, les solutés, les micro-organismes, etc. Les groupes fonctionnels à la surface de la membrane filtrante en oxyde de graphène peuvent également se lier chimiquement aux molécules de soluté, de sorte que les molécules de soluté sont adsorbées ou fixées à la surface de la membrane filtrante, ce qui permet d'éliminer les matières organiques, les ions de métaux lourds et d'autres polluants présents dans le liquide ou le gaz. Parallèlement, les groupes fonctionnels à la surface de la membrane filtrante en oxyde de graphène peuvent être chargés positivement ou négativement, et ces effets de charge peuvent affecter l'adsorption et la distribution des molécules de soluté à la surface de la membrane filtrante, réalisant ainsi une filtration sélective de solutés spécifiques.
En outre, certaines membranes filtrantes en oxyde de graphène ont une activité photocatalytique, c'est-à-dire que lorsqu'il est exposé à la lumière, l'oxyde de graphène à la surface peut générer des espèces réactives de l'oxygène, telles que les radicaux hydroxyles et les ions superoxydes, qui peuvent oxyder et dégrader les matières organiques, réalisant ainsi la dégradation et l'élimination des polluants organiques dans l'eau.
Fig. 7 Structure de l'oxyde de graphène (GO)
5.2.2 Différentes méthodes de préparation des membranes d'oxyde de graphène (GO)
L'oxyde de graphène est obtenu par la réaction d'oxydation du graphène, généralement à l'aide de deux méthodes : la méthode Hummers et la méthode Brodie.
1. Méthode Hummers : Le graphène est mélangé avec de l'acide sulfurique concentré et agité pour faire un contact complet, puis l'acide nitrique est ajouté et la réaction est agitée à moins de 5℃, après quoi le peroxyde d'hydrogène refroidi est ajouté à la réaction, et une grande quantité d'eau est ajoutée pour diluer la solution de réaction à la fin de la réaction, et l'oxyde de graphène est obtenu par filtration, lavage, séchage, et d'autres étapes.
Fig. 8 Préparation de l'oxyde de graphène par la méthode Hummers
2. Méthode Brodie : poudre de graphite et acide nitrique concentré mélangés, tout en agitant et en ajoutant de l'acide sulfurique froid, l'oxydation du graphite par l'acide nitrique produit du NO2, après la fin de la réaction, on ajoute une grande quantité d'eau pour diluer la solution de réaction, après filtration, lavage, séchage et autres étapes pour obtenir de l'oxyde de graphène.
Une fois l'oxyde de graphène obtenu, il peut être transformé en films minces à l'aide de diverses techniques, chacune adaptée à des applications spécifiques et aux propriétés souhaitées du produit final.
1. Méthode d'enduction : les étapes sont relativement simples, la poudre d'oxyde de graphène est ajoutée à la quantité appropriée de solvant et agitée uniformément pour la disperser, la solution est enduite uniformément sur le substrat pour la sécher, puis les étapes ci-dessus sont répétées jusqu'à ce que l'épaisseur soit appropriée.
2. Dépôt chimique en phase vapeur (CVD) : La poudre d'oxyde de graphène est placée dans un four à haute température et chauffée à plus de 700°C. Un ou plusieurs gaz contenant des sources de carbone (comme le méthane, l'éthylène, etc.) s'écoulent dans la chambre de réaction, et les gaz sources de carbone se décomposent à haute température pour former du graphène, qui réagit avec les oxydes à la surface de l'oxyde de graphène pour générer des films d'oxyde de graphène.
3. Méthode hydrothermique : par rapport à la méthode de dépôt chimique en phase vapeur, la température de réaction requise est plus basse, la poudre d'oxyde de graphène est ajoutée à la quantité appropriée de solvant, chauffée à la température appropriée, puis l'agent réducteur (tel que l'hydrogène, l'ammoniac, etc.) est ajouté au système de réaction, et l'agent réducteur dans les conditions hydrothermales pour réduire l'oxyde de graphène et obtenir le film.
5.2.3 Divers scénarios d'application des membranes d'oxyde de graphène (GO)
1. Traitement de l'eau et purification de l'air : la membrane d'oxyde de graphène peut non seulement effectuer une filtration conventionnelle, mais sa sélectivité moléculaire permet de réaliser le dessalement, la séparation huile-eau, etc. Par ailleurs, sa structure microporeuse et ses composants oxydés peuvent également éliminer les matières organiques ainsi que les ions de métaux lourds, etc., ce qui permet d'éliminer efficacement les particules, les solutés et les polluants.
2. Séparation moléculaire : la structure microporeuse de la membrane de filtration en oxyde de graphène peut réguler la perméabilité et la séparation sélective des molécules, ce qui lui confère une valeur d'application potentielle dans la séparation des gaz, la séparation des solvants, le criblage moléculaire, etc. Par exemple, une membrane de filtration en oxyde de graphène peut être utilisée pour réaliser la capture du CO2, la séparation des gaz et la purification organique.
3. Biomédecine : La membrane filtrante en oxyde de graphène présente une bonne biocompatibilité et une bonne biosorption. Elle est donc utilisée dans les domaines de la biodétection, de la bioséparation et de la bioanalyse. Par exemple, les membranes de filtration en oxyde de graphène peuvent être utilisées pour la culture cellulaire, la séparation des protéines et la capture de l'ADN.
4. Énergie : Les membranes de filtration en oxyde de graphène sont utilisées dans des dispositifs tels que les batteries, les supercondensateurs et les piles à combustible dans le secteur de l'énergie en tant que membranes de transport d'ions et membranes d'électrolyte afin d'améliorer les performances et la stabilité des dispositifs.
5.3 Membrane en nanotubes de carbone (NTC)
5.3.1 Propriétés de la membrane en nanotubes de carbone (NTC)
Le nanotube de carbone (NTC) est un tube creux sans soudure formé par l'enroulement de flocons de graphite. Les atomes de carbone des nanotubes de carbone sont hybridés et liés en mode sp2, avec un anneau à six membres comme unité structurelle de base. Cette structure confère aux nanotubes de carbone un module d'Young élevé et en fait des matériaux très résistants à la rupture, qui ne sont pas faciles à endommager dans des situations de flexion. Les nanotubes de carbone présentent également une bonne stabilité chimique, une résistance mécanique élevée et une grande flexibilité. Ils peuvent s'adapter à la plupart des environnements et conserver leurs propriétés structurelles stables et inchangées.
La membrane de nanotubes de carbone est une structure bidimensionnelle de réseau de nanotubes de carbone formée par des nanotubes de carbone individuels remplis de réseaux de nanotubes de carbone libres par des méthodes physiques ou chimiques. Ses performances dépendent de la conformation, de l'orientation, du degré de défauts et du rapport longueur/diamètre des nanotubes de carbone. Les membranes en nanotubes de carbone ont une structure de pores à l'échelle nanométrique et une grande surface spécifique, ce qui confère à la membrane filtrante une grande surface, propice à l'adsorption et à la séparation des solutés. La structure de ses pores a des dimensions nanométriques, ce qui la rend efficace pour bloquer les solutés, tels que les particules, les molécules organiques, etc. Malgré la structure des pores à l'échelle nanométrique, la membrane de filtration à base de nanotubes de carbone présente une perméabilité élevée, ce qui facilite le passage rapide des solutés et réduit la résistance à la filtration. Il existe plusieurs méthodes pour préparer les membranes de filtration à base de nanotubes de carbone, qui peuvent être réalisées en ajustant la structure, la densité, le nombre de couches et d'autres paramètres des nanotubes de carbone pour réguler les performances des membranes de filtration afin de répondre aux besoins de différents scénarios d'application.
Fig. 9 Structure schématique des différentes formes de monomères de carbone
5.3.2 Approches de synthèse pour les membranes de filtration à nanotubes de carbone
1. Dépôt chimique en phase vapeur (CVD): Les gaz sources de carbone généralement utilisés sont des hydrocarbures tels que l'éthylène et le méthane, tandis que des catalyseurs métalliques tels que le fer, le nickel, le cobalt, etc. sont généralement choisis pour le catalyseur. Le substrat à déposer (par exemple, une plaquette de silicium, une plaquette de verre, etc.) est placé dans une chambre de réaction pour s'assurer que la surface du substrat est propre et plane. La chambre de réaction est chauffée à une température appropriée, puis aspirée à un certain niveau de vide afin de garantir la pureté et la stabilité des gaz pendant le processus de réaction. Le gaz source de carbone et le gaz catalyseur sont introduits dans la chambre de réaction par l'intermédiaire d'un système d'alimentation en gaz permettant de contrôler le débit et le volume du gaz. Le gaz source de carbone se dissocie à la surface du catalyseur pour générer des atomes de carbone, qui se déposent ensuite à la surface du substrat pour former des nanotubes de carbone. Le temps de croissance des nanotubes de carbone est contrôlé, généralement de quelques minutes à quelques heures, afin de contrôler la longueur et la densité des nanotubes. Une croissance prolongée permet d'obtenir des nanotubes de carbone plus longs et plus denses. À la fin de la croissance, l'alimentation en source de carbone et en gaz catalyseur est interrompue et la chambre de réaction est refroidie à la température ambiante. À la fin de la réaction, le gaz résiduel dans la chambre de réaction est éliminé par l'apport d'un gaz inerte tel que l'azote ou l'argon.
2. Méthode d'enrobage : La suspension de nanotubes de carbone est déposée sur la surface du substrat par spin-coating, pulvérisation, brossage ou laminage. Au cours du processus d'enduction, des paramètres tels que la vitesse d'enduction et la vitesse de rotation de la tête d'enduction peuvent être contrôlés pour maîtriser l'épaisseur et l'uniformité du film. Après l'enduction, le revêtement est placé dans une zone ventilée ou sur un banc chauffé pour induire l'évaporation du solvant. Une fois le solvant complètement évaporé, le séchage est effectué pour former un film uniforme de nanotubes de carbone. Le film de nanotubes de carbone est éventuellement soumis à un traitement thermique afin d'en améliorer la cristallinité et les propriétés mécaniques. Les conditions de traitement thermique peuvent être ajustées en fonction des besoins et sont généralement réalisées sous atmosphère de gaz inerte.
3. Filtration : Les matériaux couramment utilisés pour les membranes filtrantes sont le polycarbonate (PC), le polyester (PET) et le polyamide (Nylon). La taille des pores est généralement choisie en fonction de l'épaisseur du film et de la perméabilité souhaitées. La suspension de nanotubes de carbone est filtrée sur la membrane filtrante sous vide ou sous pression. Les opérations de filtration peuvent être effectuées à l'aide d'équipements tels que des entonnoirs de filtration sous vide ou des filtres à membrane.
4. Méthode de décapage : les méthodes de décapage courantes comprennent le décapage mécanique, où le film de nanotubes de carbone est directement décollé du substrat à l'aide d'outils de décapage (par exemple, rubans, grattoirs, etc.), ) ; le décapage chimique, qui consiste à placer le film de nanotubes de carbone cultivé dans un solvant ou une solution appropriés de manière à endommager la liaison entre le film et le substrat pour réaliser le décapage ; et le décapage thermique, qui consiste à chauffer le substrat ou le film pour le dilater ou le contracter thermiquement afin de détruire la liaison entre le substrat et le film pour réaliser le décapage ; et le décapage thermique, qui consiste à chauffer le substrat ou le film pour le dilater ou le contracter thermiquement afin de détruire la liaison entre le substrat et le film pour réaliser le décapage. Le décapage thermique consiste à chauffer le substrat ou le film pour le faire se dilater ou se contracter thermiquement, ce qui permet de rompre le lien entre le substrat et le film.
5.3.3 Étude de cas : Membranes d'osmose inverse renforcées par des nanotubes de carbone
Les membranes d'osmose inverse constituent une application unique des nanotubes de carbone, en plus d'applications fonctionnelles similaires à d'autres types de membranes de filtration. Cette technologie de séparation par membrane est capable de séparer les impuretés, les ions, les micro-organismes, etc. de l'eau, ce qui est largement utilisé dans les domaines de l'eau potable, du traitement des eaux usées industrielles et du dessalement de l'eau de mer. Cependant, la membrane d'osmose inverse présente le problème d'un faible flux et d'une faible efficacité de traitement. Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont introduit des nanotubes de carbone dans les membranes d'osmose inverse. Les nanotubes de carbone possèdent d'excellentes propriétés telles qu'une surface spécifique élevée, une grande résistance, une conductivité élevée, etc., qui peuvent former une sorte de canal conducteur de protons dans la membrane d'osmose inverse et augmenter le flux. En même temps, les nanotubes de carbone peuvent également adsorber les ions, les micro-organismes et d'autres impuretés dans l'eau, ce qui peut améliorer efficacement l'efficacité de la purification de l'eau et la durée de vie de la membrane d'osmose inverse. À l'heure actuelle, la membrane d'osmose inverse à base de nanotubes de carbone a été mise en service commercial, dans le domaine de l'eau potable, du dessalement de l'eau de mer et dans d'autres domaines, et a obtenu des résultats significatifs. À l'avenir, la recherche et la technologie de préparation des matériaux à base de nanotubes de carbone seront encore développées, et le flux et l'efficacité de traitement des membranes d'osmose inverse seront continuellement améliorés.
Tableau 2 Comparaison des propriétés des nanotubes de TiO2, du GO et des NTC
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Propriétés
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Membranes à nanotubes de dioxyde de titane (TiO2)
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Membranes en oxyde de graphène (GO)
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Membranes en nanotubes de carbone (CNT)
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Structure du matériau
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Nanotubes d'oxyde de titane
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Oxyde de graphène avec groupes fonctionnels contenant de l'oxygène
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Nanotubes de carbone
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Méthode de préparation
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Méthode de mise en solution Méthode de dépôt en phase vapeur Méthode électrochimique
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Méthode de revêtement Méthode de dépôt chimique en phase vapeur Méthode hydrothermique
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Dépôt chimique en phase vapeur Méthode de revêtement Méthode de filtration
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Domaines d'application
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Photocatalyse Dispositifs photovoltaïques Purification de l'eau et de l'air
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Traitement de l'eau Purification de l'air Séparation moléculaire Biomédecine
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Traitement de l'eau Membranes d'osmose inverse Séparation moléculaire Biomédecine
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Avantages de la photocatalyse
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Grande surface Propriétés photovoltaïques spéciales Activité photocatalytique
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Nombreux groupes fonctionnels contenant de l'oxygène Activité de surface élevée Sélectivité moléculaire
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Résistance élevée Conductivité élevée Surface spécifique élevée Performance ajustable
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Inconvénients
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Processus de préparation complexe et coût élevé
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Susceptible de présenter des défauts structurels et une mauvaise stabilité au cours du processus de préparation
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Processus de préparation complexe Exigences élevées en matière de contrôle des processus
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Applications
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Traitement photocatalytique de l'eau Purification de l'air Préparation de dispositifs photovoltaïques
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Traitement de l'eau Séparation moléculaire Applications biomédicales
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Membranes d'osmose inverse Séparation moléculaire Applications biomédicales
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6 Membranes à base de cadres métallo-organiques (MOF)
6.1 Qu'est-ce qu'une membrane MOF ?
Lastructure métallo-organique (MOF) est un polymère de coordination fabriqué par auto-assemblage de ligands organiques polydentés contenant de l'oxygène, de l'azote, etc. avec des ions de métaux de transition. Il se compose de centres métalliques inorganiques et de ligands organiques pontants reliés par auto-assemblage pour former un matériau poreux cristallin avec une structure de réseau périodique. En tant que matériau hybride organique-inorganique, le MOF possède à la fois la rigidité des matériaux inorganiques et la flexibilité des matériaux organiques.
Les structures de type dorsal dans différentes dimensions sont principalement déterminées par la coordination entre les ligands organiques et les ions métalliques ainsi que par la liaison hydrogène. Au cours du processus de synthèse, les réactifs résiduels et les petites molécules de solvants occupent les pores de la structure du squelette, tandis que l'élimination des petites molécules par traitement d'activation peut laisser une structure de pores persistante. La taille et la structure des pores peuvent être modifiées en changeant la structure des ligands organiques et le type d'ions métalliques dans la matière première synthétisée afin de contrôler la surface spécifique et la porosité en fonction des différentes applications. Actuellement, les matériaux à squelette métallo-organique utilisés avec des ligands organiques neutres hétérocycliques contenant de l'azote ou avec des ligands organiques anioniques contenant du carboxyle peuvent être synthétisés en grandes quantités, ce qui présente un grand potentiel de développement et d'application dans la recherche sur les matériaux modernes.
6.2 Comment produire des membranes MOF ?
1. Méthode de synthèse in situ : en fonction des propriétés de surface particulières du support lui-même, celui-ci est directement placé dans le système de synthèse et, dans certaines conditions, la surface du support et la nuit de formation du film entrent directement en contact et réagissent pour préparer une membrane continue. La méthode de synthèse in situ est simple et facile à mettre en œuvre, facile à produire à grande échelle, mais il est difficile de préparer une membrane MOF continue, car les propriétés chimiques entre les matériaux MOF et les supports sont plus différentes, le taux de nucléation des cristaux est réduit, ce qui entraîne une faible densité de nucléation hétérogène des cristaux MOF sur la surface du support, et une mauvaise liaison entre la membrane et le support.
2. Méthode de croissance secondaire du germe de cristal : on utilise d'abord la méthode hydrothermique pour faire croître le germe de cristal sur le substrat, puis, après le processus de nucléation des cristaux, la croissance de la couche de la membrane, la croissance secondaire du matériau pour obtenir une membrane dense. Enfin, les espèces cristallines de la surface du substrat poreux après une température élevée, la réaction de condensation entre les groupes et les grains de zéolithe se combinent pour former des liaisons covalentes. Toutefois, cette méthode est quelque peu limitée car la membrane filtrante ne résiste pas à des températures élevées.
Fig. 10 Synthèse schématique d'un film MOF : Film PSS@ZIF-8
6.3 Application spécialisée dans l'élimination des métaux lourds
Outre les applications fonctionnelles similaires à d'autres types de membranes de filtration, les membranes MOF peuvent être utilisées pour le traitement des ions de métaux lourds. Les membranes MOF ont une structure poreuse très ordonnée formée par des ions métalliques et des ligands organiques par liaison chimique. Cette structure poreuse a un diamètre et une taille de pore réglables, offrant de nombreux sites et canaux d'adsorption, qui sont favorables à l'adsorption et à l'intégration des ions de métaux lourds. Cela permet d'utiliser les films MOF dans le domaine du traitement de l'eau, notamment pour éliminer les polluants à base d'ions de métaux lourds, tels que le plomb, le cadmium et le mercure, des eaux souterraines, des eaux usées industrielles et des eaux usées municipales. La taille des pores et la fonctionnalisation de la surface des films MOF, très contrôlables, permettent une adsorption efficace et une séparation sélective des ions de métaux lourds spécifiques. Ils jouent également un rôle dans le traitement par adsorption et la récupération pour l'assainissement de l'environnement et les processus de traitement des eaux usées. Les films MOF peuvent capturer et récupérer efficacement les métaux cibles lors de l'adsorption des ions de métaux lourds. Grâce à des méthodes de post-traitement appropriées, les ions de métaux lourds adsorbés peuvent être désorbés du film MOF, ce qui permet de récupérer et de réutiliser efficacement les ressources métalliques.
7 Membrane filtrante composite
Les membranes filtrantes composites sont différentes des membranes filtrantes traditionnelles à matériau unique, car elles combinent deux matériaux ou plus pour exploiter pleinement leurs forces respectives et compenser leurs faiblesses respectives, ce qui permet d'obtenir une filtration plus efficace et plus fiable. Ces matériaux peuvent être des polymères, des céramiques, des métaux, des nanomatériaux, etc. Chaque matériau possède des propriétés physiques, chimiques et mécaniques uniques et peut être combiné de manière flexible en fonction des différentes exigences de filtration.
Dans les batteries lithium-ion, une membrane composite PVDF-MOF avec une couche continue de MOF sert de diaphragme haute performance. La structure poreuse uniforme et les canaux sub-nanométriques avec des sites métalliques ouverts connectés dans la couche MOF continue peuvent générer un flux Li+ uniformément réparti, inhiber la formation de protubérances dendritiques et améliorer les performances électrochimiques.
Fig. 11 Séparateur composite PVDF-MOF avec couche continue de MOF [5]
Dans le domaine du dessalement de l'eau de mer, la distillation membranaire (MD) est apparue comme une stratégie alternative de dessalement de l'eau de mer qui permet de réduire considérablement les coûts d'investissement et la consommation d'énergie. Dans le processus de distillation membranaire, presque 100 % des éléments non volatils sont éliminés et il n'y a pas de limite à la concentration de l'eau d'alimentation, alors que le processus d'osmose inverse (OI) sous pression a moins de potentiel pour traiter les solutions à forte salinité avec une faible récupération d'eau. Les composants volatils sont séparés du mélange d'alimentation à l'aide d'une membrane hydrophobe microporeuse, et le système fonctionne en dessous du point d'ébullition du liquide d'alimentation. Pour les applications MD, les matériaux polymères à faible énergie de surface, à haute stabilité thermique, chimique et inerte sont souvent préférés. Le polytétrafluoroéthylène (PTFE) et le fluorure de polyvinylidène (PVDF) sont considérés comme les principaux matériaux de membrane disponibles dans le commerce pour la distillation à membrane sous vide (DMV) en raison de leur grande stabilité thermique et de leur hydrophobie. Le PVDF et le PTFE sont les polymères optimaux pour les applications de distillation sur membrane sous vide en raison de leur excellente résistance chimique et de leur durabilité. Ces propriétés permettent au PVDF de résister aux environnements chimiques agressifs souvent rencontrés dans les systèmes VMD, garantissant ainsi une fiabilité opérationnelle à long terme. Le PTFE, quant à lui, joue un rôle clé grâce à ses propriétés antiadhésives et à son excellente résistance aux températures élevées. Dans les systèmes VMD, le PTFE contribue à améliorer les performances des membranes et empêche efficacement l'encrassement, garantissant ainsi un transport efficace et sans obstacle des vapeurs à travers la membrane pendant la distillation. Dans les applications VMD, l'utilisation synergique du PVDF et du PTFE améliore la durabilité, la résistance chimique et l'efficacité opérationnelle de l'ensemble du système membranaire.
Fig. 12 Organigramme de préparation de la membrane composite microporeuse PVDF-PTFE [6]
8 Conclusion
Les membranes filtrantes composées de différents matériaux sont utilisées dans différents domaines en raison de leurs différentes caractéristiques et peuvent être sélectionnées en fonction de différents besoins en plus du processus de filtration de base. Les membranes en PVDF peuvent être utilisées pour filtrer les micro-organismes tels que les bactéries, et peuvent également être utilisées pour la purification des matériaux dans la production chimique ; les membranes en céramique sont principalement utilisées dans l'industrie alimentaire pour la séparation des boissons alcoolisées ; les membranes en nanotubes de dioxyde de titane peuvent être utilisées pour des applications connexes et pour le traitement des ions de métaux lourds en raison de leurs propriétés photocatalytiques ; les membranes en oxyde de graphène peuvent être utilisées pour la séparation moléculaire, ainsi que pour le dessalement de l'eau de mer et la séparation du pétrole et de l'eau ; les nanotubes de carbone peuvent être utilisés comme membranes d'osmose inverse ; et les membranes MOF peuvent être utilisées pour séparer sélectivement les ions de métaux lourds en raison de la nature des composés de coordination. En outre, selon les besoins des différents scénarios d'application, différents types de membranes de filtration peuvent être utilisés conjointement, et le type de membrane composite peut obtenir un meilleur effet de filtration en complétant les caractéristiques de différents types de membranes de filtration matérielles. Stanford Advanced Materials (SAM) peut non seulement fournir une large gamme de membranes de filtration, mais aussi des conseils professionnels en matière de sélection, que vous pouvez consulter immédiatement.
Lire aussi :
Références :
[1] Khayet M ,Feng C ,Khulbe K , et al. Preparation and characterization of polyvinylidene fluoride hollow fiber membranes for ultrafiltration[J]. Polymer,2002,43(14).
[Li M ,Cheng S ,Zhang J , et al. Poly(vinylidene fluoride)-based composite membranes with continuous metal-organic framework layer for high-performance separators of lithium-ion batteries[J]. Chemical Engineering Journal,2024,487.
[3] Hu W ,Zhang F ,Tan X , et al. Antibacterial PVDF Coral-Like Hierarchical Structure Hierarchical Structure Fabrication Film for Self-Cleaning and Radiative Cooling Effect [J]. ACS applied materials & interfaces,2024.
[4] Wei Y ,Li K ,Li P , et al. Enhanced ceramic membranes filtration by PS pre-Oxidation with CuO assisted FeSO4 catalytic for NOM removal in drinking water treatment [J]. Separation and Purification Technology,2024,345.
[5] Membranes céramiques et leurs applications dans le traitement des aliments et des boissons [J]. Filtration and Separation,2000,37(3).
[6] Mala M M ,S. S ,S. Sea and brackish water desalination through a novel PVDF-PTFE composite hydrophobic membrane by vacuum membrane distillation [J]. Discover Chemical Engineering,2024,4(1).
