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Home > Research topics > Nanoparticles, Contaminants and Membranes Team > Thématique "Membranes" > Study of the mass transfert

Etude des propriétés électriques, électrocinétiques et électrochimiques de membranes

Les données fournies par les méthodes présentées préalablement sont essentiellement qualitatives (signe de la charge par exemple). Afin de pouvoir relier les différentes grandeurs expérimentales au potentiel zêta (ou au potentiel au plan d’Helmholtz externe de la double couche électrique), une modélisation de l’interface membrane-solution et des différents phénomènes mis en jeu - électrocinétiques (potentiel d’écoulement, potentiel de filtrration, débit électro-osmotique, coefficient électro-visqueux), électrochimiques (potentiel de membrane) et électriques (conductivité de pores) - s’avère nécessaire. C’est pourquoi, l’équipe s’attache à développer ces outils de modélisation. Elle dispose aujourd’hui de modèles performants tels que le modèle de charge d’espace et le modèle SEDE.

Grandeurs transmembranaires :

Elles présentent l’avantage de renseigner sur l’état de charge des parois de pore.

- Modèle de charge d’espace :

L’équipe a développé, en collaboration avec le Laboratoire de Calcul Scientifique de Besançon, un modèle de charge d’espace reposant sur la thermodynamique des processus irréversibles. Celui-ci est basé sur l’équation étendue de Nernst-Planck pour la description des flux ioniques, l’équation de Naviers-Stokes pour le flux volumique et l’équation non linéaire de Poisson-Boltzmann pour le calcul du profil radial du potentiel électrostatique à l’intérieur des pores.

Le modèle de charge d’espace présente l’avantage de pouvoir aborder de manière unique l’ensemble des phénomènes électrocinétiques, électrochimiques et électriques mis en jeu à travers une membrane chargée.

Cet outil permet de calculer le potentiel zêta à partir de mesures électrocinétiques, électrochimiques et électriques. Par ailleurs, il nous a permis :

* d’apporter de nouveaux éclaircissements sur ces différents phénomènes

* d’étudier l’influence de nombreux facteurs tels que le rayon de pore, le type d’électrolyte, la force ionique… sur les différentes grandeurs expérimentales

* de déterminer le domaine d’application optimale des différentes méthodes

* d’étudier l’influence des caractéristiques électriques (potentiel zêta) et structurales (porosité, taille de pore, épaisseur de couche) des différentes couches d’une membrane composite sur son comportement électrochimique (potentiel de membrane), électrocinétique (potentiel d’écoulement) et électrique (conductivité)

Le modèle peut être utilisé lorsque la grandeur expérimentale mesurée résulte d’une seule force motrice.

- Modèle SEDE :

Dans le cas des membranes sélectives vis-à-vis des ions (cas des membranes de nanofiltration et d’ultrafiltration fine), le signal généré à travers la couche active par l’application d’une force motrice peut résulter du couplage de plusieurs forces motrices : celle appliquée et celles induites. Par exemple, lorsqu’une différence de pression est appliquée de part et d’autre d’une membrane de nanofiltration, le gradient de pression à travers la couche active induit des gradients de concentration à travers cette même couche, qui à leur tour génèrent un potentiel de membrane. La différence de potentiel électrique ainsi mesurée de part et d’autre de la couche active, appelée potentiel de filtration, résulte donc de deux types de forces motrices : différences de pression et de concentration.

Les modèles SEDE ou DSPM (voir description des modèles) développés au laboratoire permettent d’analyser le potentiel de filtration s’établissant à travers des membranes de nanofiltration. Le caractère sélectif d’une telle membrane entraîne une variation non linéaire de la différence de potentiel transmembranaire en fonction de la différence de pression appliquée. Ceci provient du fait que les différences de concentration de part et d’autre de la membrane varient avec la différence de pression sauf lorsque le régime limite est atteint (c’est-à-dire pour des flux de perméat élevés). Dans ce dernier cas, les concentrations aux interfaces deviennent indépendantes de la différence de pression et la variation du potentiel de filtration avec la différence de pression retrouve une allure linéaire. Nous avons montré qu’il était judicieux d’exprimer le potentiel de filtration à travers la couche active comme la somme de deux contributions dépendant des deux forces motrices impliqués dans le processus : un pseudo potentiel d’écoulement et un pseudo potentiel de membrane. L’extrapolation de la partie linéaire de la courbe à différence de pression nulle donne directement la valeur du potentiel de membrane correspondant au régime de rétention limite. Les nombres de transport des ions dans la couche active peuvent alors être déterminés à partir de cette valeur.

Grandeurs tangentielles :

Elles renseignent directement sur les propriétés de charge de la face externe de la couche active.

* Membranes planes :

Il a été montré expérimentalement que la conduction par le corps poreux des membranes est à l’origine de la variation du potentiel d’écoulement avec la hauteur du canal. En d’autres termes, la porosité des substrats fait que les courants d’écoulement et de conduction ne circulent pas à travers des chemins identiques. Jusqu’à présent, la variation du signal avec la hauteur du canal avait été attribuée au phénomène de conductance de surface et la méthode de calcul du potentiel zêta consistait à corriger la valeur du potentiel zêta obtenue par la relation d’Helmholtz-Smoluchowski en appliquant la procédure de Fairbrother-Mastin (Fairbrother, F. and Mastin, H., J. Chem. Soc., 125, 2319 (1924)). Or, cette procédure ne permet en aucun cas de prendre en compte le phénomène de conduction à travers les pores des membranes. L’utilisation de la procédure de Fairbrother-Mastin peut conduire à des valeurs erronées du potentiel zêta.

Il a été montré que les méthodes d’extrapolation et de couplage, lesquelles prennent en compte la conduction par le corps poreux des membranes, conduisent à des valeurs de potentiel zêta très proches.


Publications :

- P. Fievet, M. Sbaï, A. Szymczyk, Analysis of the pressure-induced potential arising across selective multilyer membranes, Journal of Membrane Science, 264 (2005) 1-12.

- A. Szymczyk, M. Sbaï, P. Fievet, Analysis of the pressure-induced potential arising through composite membranes with selective surface layers, Langmuir 21 (2005) 1818-1826.

- M. Sbaï, A. Szymczyk, P. Fievet, A. Sorin, A. Vidonne, S. Pellet-Rostaing, A. Favre-Reguillon, M. Lemaire, Influence of the membrane pore conductance on tangential streaming potential, Langmuir, 19 (21) (2003) 8867-8871.

- P. Fievet, M. Sbaï, A. Szymczyk, A. Vidonne, Determining the zêta-potential of plane membranes from tangential streaming potential measurements: effect of the membrane body conductance, Journal of Membrane Science, 226 (2003) 227-236.

- M. Sbaï, P. Fievet, A. Szymczyk, B. Aoubiza, A. Vidonne, A. Foissy, Streaming potential, electroviscous effect, pore conductivity and membrane potential for the determination of the surface potential of a ceramic ultrafiltration membrane, Journal of Membrane Science, 215 (2003) 1-9.

- M. Sbaï, P. Fievet, A. Szymczyk, B. Aoubiza, A. Vidonne, A. Foissy, Streaming potential, electroviscous effect, pore conductivity and membrane potential for the determination of the surface potential of a ceramic ultrafiltration membrane, Journal of Membrane Science, 215 (2003) 1-9.