Low fouling membranes for water and bio tech applications

Lucia Benavente

Résumé

Water scarcity has become one of the key issues to solve, and efficient water treatment is paramount to treat water sources. In recent decades membrane technology has become one of the promising solutions for water treatment. Nevertheless, membranes are prone to fouling phenomena - the deposition, adsorption, and absorption of particles in the membrane structure -, which hinders their life-span and productivity, and raise operative costs. One approach to minimize this issue is to modify the already mechanically and chemically stable hydrophobic membranes with amphiphilic materials. The main aim of this work is to characterise the anti-fouling properties of PVDF (Polyvinylidene fluoride) membranes modified with different types of PS-PEGMA (Polystyrene - Poly(ethylene glycol) methacrylate) copolymers, firstly by using classical techniques, and then, by developing and/or adapting new ones: microfluidic devices coupled with fluorescence microscopy, and the use of Fourier Transform Infrared microspectroscopy (FTIR mapping). FTIR mapping allowed the local detection of the coating layer and showed its heterogeneous distribution on the surface of the membrane. These maps, that represent the importance of the coating on the membrane, were correlated with the deposit of proteins on the surface. Microfluidic systems were also developed to characterise the adsorption of fluorescent proteins on the membrane under a fluorescent microscope in the presence of a flow. This study allowed the in-situ and dynamic follow-up of the adsorption - during filtration cycles - and of the desorption - during rinsing cycles - of the proteins on the membrane. These local measurements were compared against permeability measurements during the filtration/rinsing cycles evidencing the anti-fouling role of the copolymers used for the modification of the membranes, particularly for the triblock and random copolymers.

La pénurie d'eau est devenue un des problèmes clés à résoudre, et pour y faire face, il est nécessaire de disposer d'unités de traitement de l'eau efficaces. Au cours des dernières décennies la technologie des membranes est devenue l'une des techniques les plus prometteuses pour le traitement de l'eau. Néanmoins, les membranes ont une durée de vie limitée et sont, par ailleurs, sujettes à des phénomènes de colmatage - le dépôt, l'adsorption et l'absorption de particules dans la structure de la membrane -, ce qui réduit leur productivité, et augmente les coûts opérationnels. Une approche pour minimiser ce problème consiste à modifier des membranes hydrophobes, mécaniquement et chimiquement stables, en y greffant des matériaux amphiphiles afin de réduire le colmatage. L'objectif principal de ce travail est de caractériser les propriétés anti-colmatage des membranes de PVDF (Polyvinylidene fluoride) modifiées avec différents types de copolymères PS-PEGMA (Polystyrene - Poly(ethylene glycol) methacrylate), tout d'abord par l'utilisation de techniques classiques, puis, par le développement et / ou l'adaptation de techniques microfluidiques couplés à la microscopie à fluorescence et l'utilisation de la cartographie par microspectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (IRTF). La cartographie IRTF a permis de quantifier localement le greffage et de mettre en évidence l'hétérogénéité du greffage sur la membrane. Ces cartes, représentant l'importance du greffage sur la membrane, ont par ailleurs été corrélées au dépôt de protéines sur la surface. Des systèmes microfluidiques ont également été développés pour caractériser sous microscope à fluorescence l'adsorption de protéines fluorescentes sur une membrane en présence d'un débit. Cette étude permet de suivre in situ et en dynamique l'adsorption (lors de cycles de filtration) et la désorption (lors de cycles de rinçage) de protéines sur la membrane. Ces mesures locales ont été mises en regard avec des mesures de permeabilité lors de cycles filtrations/rinçage mettant en évidence un rôle anti-fouling en particulier pour les copolymères tri-blocs ou pour les copolymères à enchaînement aléatoire.