Brevet FR3076740A1 — publié le 20190719

Domaine technique La présente invention concerne une membrane d'ultrafiltration présentant des propriétés mécaniques élevées et son procédé de préparation. Contexte À l'heure actuelle, en raison du fait que la membrane d'ultrafiltration est pressée pendant longtemps mais présente de médiocres propriétés mécaniques, la durée de vie de la membrane d'ultrafiltration est raccourcie et la membrane d'ultrafiltration dans le module de membrane doit fréquemment être remplacée. Par conséquent, il est nécessaire de développer une membrane d'ultrafiltration capable d'améliorer les propriétés mécaniques de la membrane d'ultrafiltration. Résumé de l'invention Un objectif de la présente invention consiste à fournir une membrane d'ultrafiltration présentant des propriétés mécaniques élevées et son procédé de préparation. La présente invention concerne un procédé de préparation d'une membrane d'ultrafiltration présentant des propriétés mécaniques élevées. Selon la présente invention, étant donné que de la lignine, qui a des propriétés mécaniques élevées, est ajoutée dans la solution pour membrane coulée, le taux de rétention de la membrane d'ultrafiltration de la présente invention est amélioré. En particulier, l'invention concerne un procédé de préparation d'une membrane d'ultrafiltration, comprenant les étapes suivantes : dissoudre de la polyéther sulfone, de la lignine et de la poly(vinyl pyrrolidone) dans du N,N-diméthylacétamide à une première température pour former une solution pour membrane coulée initiale, et laisser reposer pour enlever l'écume à une seconde température et une première humidité pendant une première période pour obtenir une solution pour membrane coulée traitée ; 2 verser la solution pour membrane coulée traitée sur un substrat en verre, et obtenir une membrane à l'état liquide d'une épaisseur de 150 à 250 pm à l'aide d'un applicateur de membrane ; laisser la membrane à l'état liquide se volatiliser à une troisième 5 température et une seconde humidité pendant une seconde période, et placer le substrat de verre avec la membrane à l'état liquide formée sur celui-ci dans un bain de coagulation, pour permettre à la membrane à l'état liquide de se solidifier afin d'obtenir une membrane à l'état solide ; et sortir la membrane à l'état solide du bain de coagulation, la sécher à l'air et 10 la sécher dans une étuve pendant une troisième période, pour obtenir la membrane d'ultrafiltration. De préférence, le procédé de l'invention est réalisé de manière à ce que la première température est de 50 à 90 °C ; la deuxième température est de 15 à 25 °C ; 15 la troisième température est de 15 à 25 °C ; la première humidité est de 10 % à 30 %; la seconde humidité est de 10 % à 30 %; la première période est de 6 à 10 heures ; la deuxième période est de 10 à 120 secondes ; et 20 la troisième période est de 60 minutes. De préférence dans la solution pour membrane coulée traitée, la concentration en masse de la polyéther sulfone est de 20 % à 40 %, le rapport de masse entre la lignine et la polyéther sulfone est de 0,1 à 1:1, et le rapport de masse entre la poly(vinyl pyrrolidone) et le polyéther sulfone est de 0,01 à 25 0,1:1. Avantageusement, à la troisième étape, le bain de coagulation est de l'eau désionisée. L'invention concerne également une membrane d'ultrafiltration préparée par ledit procédé. 3 Description détaillée des modes de réalisation Exemple 1 Étape 1 : 16 g de polyether sulfone, 8 g de lignine et 0,8 g de poly(vinyl pyrrolidone) sont ajoutés dans un ballon à trois cols ; 5 Étape 2 : puis 50 g de N,N-diméthylacétamide sont ajoutés dans le ballon à trois cols afin d'obtenir un mélange, le mélange est agité à 65 °C pendant 5 h ; Étape 3: laisser reposer pour éliminer la mousse dans un environnement à une température de 20 °C et une humidité de 20 % pendant 8 h pour obtenir une solution pour membrane coulée uniforme sans mousse ; 10 Étape 4: la solution pour membrane coulée est versée sur un substrat de verre, et la solution pour membrane coulée sur le substrat de verre est appliquée par un applicateur de membrane pour obtenir une membrane à l'état liquide avec une épaisseur de 200 pm ; Étape 5: le substrat de verre avec la membrane à l'état liquide formée sur 15 celui-ci est placé dans un environnement à une température de 20 °C et une humidité de 20 % pour volatilisation pendant 15 s; Étape 6: le substrat de verre avec la membrane à l'état liquide formée sur celui-ci est placé dans de l'eau désionisée, pour solidifier la membrane à l'état liquide en une membrane à l'état solide ; et 20 Étape 7: la membrane à l'état solide est sortie de l'eau désionisée, séchée à l'air et placée dans une étuve pendant 10 min, pour obtenir la membrane d'ultrafiltration. Pour l'exemple de référence, toutes les conditions expérimentales sont identiques à celles du mode de réalisation 1, sauf que la lignine n'est pas 25 ajoutée. 4 Tableau 1 Élé ments Exemple Exemple Exemple Exemple Exemple Exemple Exemple Exemple Exemple Exemple Référence 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Concentration en masse de polyéther sulfone (%) 32 20 50 32 32 32 32 32 32 32 32 Rapport de masse de lignine et de polyéther sulfone 0,5:1 0,5:1 0,5:1 0,1:1 1:1 0,5:1 0,5:1 0,5:1 0,5:1 0,5:1 - Rapport de masse de PVP et de polyéther sulfone 0,05:1 0,05:1 0,05:1 0,05:1 0,05:1 0,01:1 0,1:1 0,05:1 0,05:1 0,05:1 0,05:1 La première température (°C) 65 65 65 65 65 65 65 65 50 90 65 La deuxième température (°C) 20 20 20 20 20 20 20 15 20 20 20 La troisième température (°C) 20 20 20 20 20 20 20 25 20 20 20 5 La première humidité (c)/0) 20 20 20 20 20 20 20 10 20 20 20 La deuxième humidité %) 20 20 20 20 20 20 20 30 20 20 20 La première période (h) 8 8 8 8 8 8 8 8 10 6 8 La deuxième période (s) 15 15 15 15 15 15 15 15 10 120 15 La troisième 10 10 10 10 10 10 10 10 5 60 10 période (min) 6 Dans les exemples 1 à 3, toutes les conditions expérimentales sont les mêmes, sauf que les concentrations en masse de polyéther sulfone sont de 32 %, 20 % et 50 %, respectivement. Dans les exemples 1, 4 et 5, toutes les conditions expérimentales sont les 5 mêmes, sauf que les rapports de masse entre la lignine et la polyéther sulfone sont de 0,5:1, 0,1:1 et 1:1, respectivement. Dans les exemples 1, 6 et 7, toutes les conditions expérimentales sont les mêmes, sauf que les rapports de masse entre le PVP et la polyéther sulfone sont de 0,05:1, 0,01:1 et 0,1:1, respectivement. 10 Dans les exemples 1 et 8, toutes les conditions expérimentales sont les mêmes sauf que : dans l'exemple 1, la deuxième et la troisième température, la première et la deuxième humidité sont de 20 °C, 20 °C, 20 % et 20 %, respectivement ; mais dans l'exemple 8, elles sont de 15°C, 25 °C, 10 % et 30 %, respectivement. Autrement dit, les environnements pour le démoussage 15 et pour la formation de la membrane à l'état solide sont différents. Dans les exemples 1, 9 et 10, toutes les conditions expérimentales sont les mêmes sauf que la première température, la première, la deuxième et la troisième période de ceux-ci sont différentes, à savoir, la température pour la préparation de la solution pour membrane coulée, la période pour la préparation 20 de la solution pour membrane coulée, la période pour la volatilisation de la membrane liquide appliquée et la période pour le séchage de l'échantillon de membrane sont différentes. Exemple de test 1 25 Les propriétés mécaniques des membranes préparées dans les exemples 1 à 10 et l'exemple comparatif sont mesurées et comparées, les résultats de mesure sont présentés dans le tableau 2. Test des propriétés mécaniques : Instrument de test : Testeur de traction pour papier et carton ZL-100A 30 Étapes de test : Premièrement, un échantillon de membrane à tester est découpé selon une forme adaptée au testeur et une distance échelle est marquée par deux lignes de marquage ; 7 Deuxièmement, l'échantillon de membrane découpé est placé dans le support du testeur, et est soigneusement ajusté à une position symétrique pour permettre à la force d'étirement d'être uniformément répartie sur la section transversale de l'échantillon de membrane ; 5 Enfin, le testeur est démarré et la force maximale (avec l'erreur de ± 1 %) à laquelle l'échantillon de membrane est rompu et la distance (avec l'erreur de ± 1,25 mm) entre les côtés internes des deux lignes de marquage sont enregistrées. Les propriétés mécaniques peuvent être calculées comme suit : 10 P (MDa) = -F- (Équation 1) A dans laquelle, P est la résistance moyenne à la traction, F est la force maximale à la rupture, et A est l'aire en coupe transversale moyenne initiale, L- L° x100 (Équation 2) Lo dans laquelle, a est l'allongement à la rupture, L est la distance échelle à 15 la rupture, et Lo est la distance échelle initiale. Exemple de test 2 Mesures des flux d'eau et des taux de rétention du bleu de méthylène Pression de test : 0,1 Mpa 20 Étapes de test : Premièrement, l'échantillon de membrane est monté dans le testeur de propriétés de membrane ; Deuxièmement, de l'eau désionisée est introduite dans le bain de membrane du testeur de propriétés de membrane ; 25 Enfin, le bain de membrane est mis sous pression pour permettre à l'eau désionisée présente dans le bain de membrane de passer à travers la membrane et de s'écouler par l'extrémité de sortie, de manière à calculer le flux d'eau de l'échantillon de membrane. 8 La formule de calcul du flux : B(LV m-2 h-1) = (Équation 3) t dans laquelle B est flux d'eau de l'échantillon de membrane ayant pour ' unité (-L - ) , V est le volume total de l'eau s'écoulant par l'extrémité de 5 sortie du testeur de propriétés de membrane, D est l'aire de l'échantillon de membrane, et t est le temps total de test. Test du taux de rétention : Instrument de test : coupelle d'ultrafiltration, spectrophotomètre ultraviolet- 10 visible Pression d'essai : 1 Mpa Étapes de test : Premièrement, l'échantillon de membrane est monté dans la coupelle d'ultrafiltration. 15 Deuxièmement, une solution aqueuse de bleu de méthylène à 1 g/I est introduite dans le bain de membrane de la coupelle d'ultrafiltration. Troisièmement, le bain de membrane est mis sous pression pour permettre à la solution aqueuse de bleu de méthylène présente dans le bain de membrane de passer à travers la membrane, au moins une partie du bleu de 20 méthylène étant retenue sur la membrane, et le reste de la solution aqueuse de bleu de méthylène s'écoulant par l'extrémité de sortie. Enfin, les concentrations en bleu de méthylène de la solution aqueuse de bleu de méthylène dans le bain de membrane et la solution aqueuse de bleu de méthylène s'écoulant par l'extrémité de sortie sont détectées par le 25 spectrophotomètre ultraviolet, pour calculer le taux de rétention du bleu de méthylène de l'échantillon de membrane. La formule de calcul du taux de rétention : R(%)- -x100 (Équation 4) 0 dans laquelle, R est le taux de rétention du bleu de méthylène de 30 l'échantillon de membrane, c est la concentration de bleu de méthylène de la 9 solution aqueuse de bleu de méthylène s'écoulant par l'extrémité de sortie, et co est la concentration de bleu de méthylène de la solution aqueuse de bleu de méthylène dans le bain de membrane. Tableau 2 Exemple 1 Résistance Allongement Flux d'eau Taux de moyenne à la à rupture ( L. m-2 . hpa-1. h-1 ) rétention du bleu de méthylène (%) traction (MPa) (% ) (23 °C) Exemple 1 150,9 100 139,2 56 Exemple 2 101,1 60 144,5 19 Exemple 3 129,3 76 100,7 47 Exemple 4 104,1 58 135,5 39 Exemple 5 136,9 90 99,7 49 Exemple 6 149,5 93 94,8 41 Exemple 7 143,2 80 112,4 38 Exemple 8 141,1 93 130,2 52 Exemple 9 132,1 86 128,9 36 Exemple 10 134,5 87 105,9 62 référence 89,7 55 103,6 34 5 On peut voir dans le tableau 2 que les exemples 1 à 10 ont une résistance moyenne à la traction et un allongement à la rupture supérieurs à ceux de l'exemple de référence, indiquant que l'ajout de lignine permet d'améliorer les propriétés mécaniques de la membrane. De plus, les résultats comparatifs obtenus en comparant les flux d'eau et 10 les taux de rétention du bleu de méthylène entre les exemples 1 à 10 et l'exemple de référence indiquent que : avec l'ajout d'une quantité appropriée de lignine dans la solution pour membrane coulée de la présente invention, le taux de rétention de la membrane d'ultrafiltration de la présente invention est amélioré dans la mesure où le flux est maintenu constant. 15 En combinaison avec les tableaux 1 et 2, la conclusion suivante est obtenue : 10 Dans les exemples 1 à 3, les concentrations en masse de la polyéther sulfone sont de 32%, 20% et 50%, respectivement, tandis que les autres conditions expérimentales sont identiques. On peut voir que l'exemple 1 a une résistance moyenne à la traction, un allongement à la rupture, un flux d'eau et 5 un taux de rétention du bleu de méthylène meilleurs que ceux des exemples 2 et 3, indiquant que la concentration en masse préférable en polyéther sulfone est de 32 %. Dans les exemples 1, 4 et 5, on peut voir que l'exemple 1 a une résistance moyenne à la traction, un allongement à la rupture, un flux d'eau et un taux de 10 rétention du bleu de méthylène meilleurs que ceux de l'exemple 4 et de l'exemple 5, indiquant que le rapport en masse préférable de la lignine et de la polyéther sulfone est de 0,5:1. Dans les exemples 1, 6 et 7, on peut voir que l'exemple 1 a une résistance moyenne à la traction, un allongement à la rupture, un flux d'eau et un taux de 15 rétention du bleu de méthylène meilleurs que ceux des exemples 6 et 7, indiquant que le rapport en masse préférable du PVP et de la polyéther sulfone est de 0,05:1. En comparant les exemples 1 et 8, on peut voir que l'exemple 1 a une résistance moyenne à la traction, un allongement à la rupture, un flux d'eau et 20 un taux de rétention du bleu de méthylène meilleurs que ceux de l'exemple 8, indiquant que la deuxième température, la troisième température, la première humidité et la deuxième humidité sont de préférence de 20 °C, 20 °C, 20 % et 20 %, respectivement. En comparant les exemples 1, 9 et 10, on peut voir que l'exemple 1 a une 25 résistance moyenne à la traction, un allongement à la rupture, un flux d'eau et un taux de rétention du bleu de méthylène meilleurs que ceux des exemples 9 à 10, indiquant que la première température, la première période, la deuxième période et la troisième période sont de préférence de 65 °C, 8 h, 15 s et 10 min, respectivement. 30 En conclusion, par rapport à l'exemple de référence, les exemples 1 à 10 sont préférables ; l'exemple 1, l'exemple 4, l'exemple 7 et l'exemple 8 sont davantage préférés; et l'exemple REVENDICATIONS1. Procédé de préparation d'une membrane d'ultrafiltration, comprenant les étapes suivantes : dissoudre de la polyether sulfone, de la lignine et de la poly(vinyl pyrrolidone) dans du N,N-diméthylacétamide à une première température pour 5 former une solution pour membrane coulée initiale, et laisser reposer pour enlever l'écume à une seconde température et une première humidité pendant une première période pour obtenir une solution pour membrane coulée traitée ; verser la solution pour membrane coulée traitée sur un substrat en verre, et obtenir une membrane à l'état liquide d'une épaisseur de 150 à 250 pm à l'aide 10 d'un applicateur de membrane ; laisser la membrane à l'état liquide se volatiliser à une troisième température et une seconde humidité pendant une seconde période, et placer le substrat de verre avec la membrane à l'état liquide formée sur celui-ci dans un bain de coagulation, pour permettre à la membrane à l'état liquide de se 15 solidifier afin d'obtenir une membrane à l'état solide ; et sortir la membrane à l'état solide du bain de coagulation, la sécher à l'air et la sécher dans une étuve pendant une troisième période, pour obtenir la membrane d'ultrafiltration. 20 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel, la première température est de 50 à 90 °C ; la deuxième température est de 15 à 25 °C ; la troisième température est de 15 à 25 °C ; la première humidité est de 10 % à 30 %; 25 la seconde humidité est de 10% à 30 % ; la première période est de 6 à 10 heures ; la deuxième période est de 10 à 120 secondes ; et la troisième période est de 60 minutes. 12 3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel, dans la solution pour membrane coulée traitée, la concentration en masse de la polyéther sulfone est de 20 % à 40 %, le rapport de masse entre la lignine et la polyéther sulfone est de 0,1 à 1:1, et le rapport de masse entre la poly(vinyl pyrrolidone) et le polyéther sulfone est de 0,01 à 0,1:1. 4. Procédé selon la revendication 1, dans lequel, à la troisième étape, le bain de coagulation est de l'eau désionisée. 5. Membrane d'ultrafiltration préparée selon l'une quelconque des revendications 1 à 4.10