Une vue 3D des paramètres structurels clés affectant la perméabilité et la sélectivité des membranes

Les procédés de microfiltration et d'ultrafiltration sont largement utilisés dans l'industrie du traitement des eaux usées ainsi que pour la séparation de biomolécules valorisables pour de nombreuses applications industrielles. Les nouveaux modèles de membranes de filtration présentent des structures de pores complexes en 3D, une couche sélective de quelques dizaines ou centaines de nanomètres et, dans de nombreux cas, un certain nombre de pores borgnes (dead-end), ce qui représente un défi majeur en matière de caractérisation. Une visualisation directe des détails à l'échelle nanométrique de la structure poreuse 3D des membranes de filtration a été réalisée par une équipe de chercheurs de l'Institut des Matériaux de Nantes Jean Rouxel (IMN) et du Laboratoire de Génie des Procédés pour l'Environnement et l'Alimentation (GEPEA) en utilisant la microscopie électronique à balayage (MEB) et à faisceau d'ions focalisé (FIB) 3D. L'article, publié dans le Journal of Membrane Science, a été sélectionné comme Editor’s Choice Article for March, 2022.

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Récemment, les procédés de microfiltration (MF) et d'ultrafiltration (UF) ont été adaptés à la valorisation des microalgues, où la séparation et la récupération des lipides, des protéines et d'autres biomolécules sont réalisées au moyen d'une filtration utilisant des membranes polymères nanoporeuses. Généralement, l'analyse par microscopie électronique à balayage (MEB) est utilisée pour visualiser la structure des pores de ces membranes, mais elle présente des limites lorsqu'il s'agit de déterminer la couche sélective ou de quantifier le nombre de pores qui participent réellement au processus de filtration, car l’identification des pores borgnes et fermés nécessite une visualisation de l'intérieur des matériaux en fonction de la profondeur.
Dans ce manuscrit, des méthodes pour identifier les paramètres structurels clés de la couche sélective des membranes (épaisseur, porosité et diamètre des pores) et pour estimer le pourcentage de pores borgnes (dead-end) communiquant avec la surface de la membrane mais ne la traversant pas sont présentées. Deux membranes commerciales et largement utilisées, une d’UF en polyacrylonitrile (PAN) UF et une de MF en polyéthersulfone (PES) sont étudiées et, ce travail met en évidence les caractéristiques structurelles déterminant leurs performances de filtration en utilisant le MEB couplé à un FIB à faibles doses d'électrons pour produire des reconstructions 3D avec une résolution allant jusqu'à 5 nm. En outre, les données obtenues indiquent que les modèles largement utilisés tels que l'équation de Hagen-Poiseuille sont insuffisants pour décrire pleinement les membranes asymétriques définies par la présence d'une fine couche sélective. Ce travail ouvre la possibilité de fournir des informations détaillées, utiles non seulement pour décrire de nouvelles membranes de filtration, mais aussi comme données d'entrée pour des modèles prédictifs plus complets basés sur l'échelle nanométrique.

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Référence : Determination of the key structural factors affecting permeability and selectivity of PAN and PES polymeric filtration membranes using 3D FIB/SEM
Helene Roberge, Philippe Moreau, Estelle Couallier, Patricia Abellan
Journal of Membrane Science 653, 120530, 2022
Disponible en ligne depuis le 1er avril 2022

Figure ( TOC figure de l'article ; son utilisation non commerciale ne nécessite pas l'autorisation d'Elsevier) :