Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

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. / 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.

L'utilisation de membranes pour la séparation/purification de mélanges de gaz permet d'envisager la mise en œuvre de procédés continus et faiblement énergivores. Les performances des membranes étant directement reliées à la méthode utilisée pour leur synthèse/modification, une nouvelle génération de membranes est attendue à partir de la méthode originale de dépôt « dynamique » développée et mise au point dans ce travail, en milieu CO2 supercritique (CO2SC). Les propriétés des fluides supercritiques, intermédiaires entre celles d'un liquide et d'un gaz (densité et diffusivité élevées, viscosité faible), laissent en effet présager la formation de microstructures originales. Les précurseurs sont solubilisés dans le CO2 sous pression puis transportés jusqu'au support membranaire. Cette méthode a été explorée pour : i) la synthèse directe de membranes à base de silice sur des supports macroporeux et ii) la modification de membranes zéolithiques MFI par des alcoxydes (MDES, TEOS) ou par des oligomères fluorés. Dans le premier cas, l'étude des paramètres de dépôt montre que la maîtrise des phénomènes chimiques de la transition sol-gel (contrôlés principalement par la température) dicte la microstructure du matériau final, au travers du degré de condensation/réticulation des clusters déposés. La modification des membranes zéolithiques MFI par un alcoxyde permet de doubler la permsélectivité He/SF6 initiale, sans forte baisse de perméance (Π(He)~10-6 mol.Pa-1.s-1.m-2). Dans ce cas, la force, la nature et la disponibilité des sites acides de la charpente MFI sont des critères clés pour la fixation de l'alcoxyde. Les membranes MFI modifiées par un oligomère fluoré sont imperméables au SF6 et la permsélectivé He/N2 peut atteindre une valeur de 136 à 25°C (Π(He)~10-8 mol.Pa-1.s-1.m-2). Cette nouvelle méthode dynamique de dépôt/modification développée dans ce travail apparaît comme une approche très versatile qui permet de contrôler la structure du matériau déposé en ajustant les paramètres du procédé. / Using membranes for the separation/purification of gas mixtures makes possible the implementation of continuous processes with low energy consumption. Membrane performance being directly related to their synthesis/modification method, a new membrane generation is expected from the original "dynamic" deposition method which has been designed and developed in this work, in supercritical CO2 (scCO2) media. Indeed, the properties of supercritical fluids are intermediate between those of liquids and gases (high density and diffusivity, low viscosity), original membrane microstructures are expected to be derived from this process. The selected precursors are solubilized in compressed CO2 and then transported to the membrane support. This method has been explored for both: i) the synthesis of silica-based membranes on macroporous supports and ii) the modification of MFI zeolite membranes by either alkoxides (MDES, TEOS) or fluorinated oligomers. In the first case, an investigation of the deposition parameters demonstates that the sol-gel chemistry (controlled mainly by temperature) masters the final material microstructure, through the degree of condensation/crosslinking of the deposited clusters. Modification of MFI zeolite membranes with alkoxides can double their initial He/SF6 permselectivity without lowering too much their permeance (Π(He)~10-6 mol.Pa-1.s-1.m-2). In this case, the alkoxide fixation is monitored by the strength, nature and availability of acid sites in the MFI network. MFI membranes modified with fluorinated oligomers are SF6-tight and their He/N2 permselectivity can reach 136 at 25°C (Π(He)~10-8 mol.Pa-1.s-1.m-2). This new dynamic deposition/modification method developed in this work appears as a versatile approach in which the final material structure can be controlled by adjusting the process parameters.