Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2014-2015 / La séparation des gaz dans des contacteurs à membrane (MC) est une technologie de pointe qui offre plusieurs avantages par rapport aux contacteurs traditionnels (colonnes garnies), mais très peu d'efforts ont été consacrés pour développer de nouvelles solutions absorbantes spécialement optimisées pour les applications dans les MC. Actuellement, aucun absorbant disponible ne répond complètement aux exigences pour la mise en œuvre de la séparation industrielle des gaz acides, le CO2 en particulier, dans les contacteurs à membranes. L'objectif principal de ce travail a été de développer un absorbant à base d’alcanolamine à encombrement stérique (SHA), présentant les caractéristiques spécifiques exigées pour application dans les MC (bonnes capacité et cinétique d’absorption, régénération facile et plus économique, résistance à la dégradation, compatibilité avec les membranes et haute tension superficielle) et d’étudier son efficacité pour la capture du CO2 dans différentes configurations de contacteurs à membrane et conditions opératoires. Bien que les alcanolamine fortement encombrées stériquement sont caractérisées par une faible cinétique d’absorption du CO2, le fait qu’elles possèdent un grand potentiel pour réduire la consommation d'énergie lors de la régénération des solutions riches en CO2 a été l’un des paramètres clés dans le choix de l’AHPD (2-amino-2-hydroxyméthyle-1,3-propanediol). Pour améliorer le taux d'absorption, la pipérazine (Pz) s'est avérée un activateur très efficace; l'addition de petites quantités de Pz aux solutions aqueuses d’AHPD améliore significativement la cinétique d'absorption du CO2. Il a été aussi trouvé que le mélange AHPD-Pz a également une très bonne capacité d’absorption. L'étude de la régénération des solutions d’amines usées (contenant du CO2) a révélé que des solutions à base d’alcanolamines fortement encombrées stériquement (AHPD en particulier), sont beaucoup plus facilement régénérables par rapport à la MEA, l'amine de référence utilisée industriellement dans la séparation des gaz acides. De plus, l'ajout d'une petite quantité de Pz dans une solution aqueuse d’AHPD permet d’obtenir presque la même capacité cyclique et efficacité de régénération que les solutions non-activées par la Pz, mais pour la moitié de la durée du processus d'absorption. Outre les propriétés absorbantes des liquides, les performances des MC pour la séparation du CO2 dépendent fortement de la compatibilité entre la membrane et l’absorbant. Sur la base des propriétés liées au mouillage des membranes, comme la tension superficielle du liquide, l’angle de contact, la pression de percée et la stabilité chimique, une nouvelle méthode graphique d’estimation de la tension superficielle des solutions aqueuses d'amines, d'alcools ou d’alcanolamines a été développée pour permettre la sélection des meilleures conditions pour éviter le mouillage des membranes. Il a été trouvé que les solutions à base d’AHPD (comme AHPD + Pz) ont un fort potentiel d'utilisation dans les MC en raison de leur tension superficielle élevée. La méthode développée a aussi permis d'identifier de nouvelles amines potentielles pouvant être utilisées dans les MC. Une bonne stabilité et résistance à la dégradation est une autre caractéristique importante des solutions absorbantes. L'étude de la stabilité de différentes solutions aqueuses d’amines à la dégradation thermique et oxydative, en absence et en présence de CO2, a révélé que les SHA sont plus résistantes à la dégradation thermique que les amines conventionnelles, mais que la présence d'oxygène les dégrade plus significativement en absence de CO2. Toutefois, la présence de CO2 dans les solutions à base de SHA est bénéfique, car la formation préférentielle du bicarbonate conduit à une réduction significative du taux de dégradation oxydative. Le faible degré de dégradation de la solution aqueuse AHPD + Pz confirme son potentiel comme absorbant pour le CO2. Finalement, la performance des solutions aqueuses AHPD + Pz pour la capture du CO2 dans des MC a été étudiée dans différentes conditions opératoires et configurations des modules (fibres creuses et membranes plates, membranes en PTFE, PP et laminées PTFE/PP, différents débits du liquide, compositions de gaz et orientations des flux gazeux et liquide (co- et contre-courant)). Les solutions AHPD + Pz ont montré une excellente performance. Sur la base des données expérimentales, une étude de modélisation de la capture du CO2 dans des MC à fibres creuses PTFE a démontré l'effet positif des solutions présentant une tension superficielle élevée sur la réduction du mouillage de la membrane. En conclusion, les résultats de cette thèse ont montré que les solutions aqueuses AHPD + Pz possèdent une bonne capacité et cinétique d’absorption, régénération plus facile et moins énergivore, résistance à la dégradation, haute tension superficielle et démontre d'excellentes performances pour la capture du CO2 dans les MC, en représentant une alternative intéressante à la MEA. / Gas separation in membrane contactors (MC) is a forefront technology offering several advantages over traditional packed columns, but very few efforts have been made to develop new absorbent solutions optimized specifically for application in MC. Currently, no available absorbent meets all required characteristics for the implementation of membrane contactors for acid gas separation (CO2 in particular) in industrial units. The main objective of this work was to develop a dedicated sterically hindered alkanolamine (SHA) based absorbent with improved characteristics for application in MC (good absorption capacity and reaction kinetics, regeneration facility, resistance to degradation, compatibility with membranes and high surface tension) and to investigate its efficiency for CO2 capture in different membrane contactor configurations and operation conditions. Although low kinetics characterizes highly sterically hindered alkanolamines, their potential to reduce the energy consumption during the regeneration step brings us to focus on AHPD (2-amino-2-hydroxymethyl-1,3-propanediol). To improve the absorption rate, piperazine (Pz) was found to be a very effective activator; the addition of small amounts of Pz to aqueous AHPD solutions has significant effect on the enhancement of the CO2 absorption rate. The blend AHPD-Pz was also found to present very good absorption capacity. The investigation of the regeneration of loaded (CO2 containing) amine solutions revealed that highly hindered SHA based solutions (AHPD in particular) are much easier to regenerate compared to MEA, the benchmark amine industrially used in acid gas separations. Moreover, the addition of small amount of Pz into AHPD aqueous solution allowed to obtain almost the same cyclic capacity and regeneration efficiency as non-activated solutions, but for half of the absorption time. Besides the liquid absorbent properties, the performances of MC for CO2 separation strongly depend on the compatibility between absorbent and membrane. Based on wetting-related properties like liquid surface tension, contact angle, membrane breakthrough pressure and chemical stability, a new graphical surface tension estimation method for aqueous amine, alcohol or alkanolamine solutions was developed to select the best conditions to elude the unwanted membrane wetting phenomenon. AHPD-based solutions (like the AHPD + Pz solution) were found to have a strong potential for use in MC because of their very high surface tension. In addition, the developed method allowed to identify new potential amines for use in MC. A good stability and resistance to degradation is another important feature of CO2 absorbents. The investigation of the stability of different aqueous amine solutions to thermal and oxidative degradation, in the absence and the presence of CO2, revealed that SHA are more resistant to thermal degradation than conventional amines, but the presence of oxygen degraded them more significantly in the absence of CO2. However, the presence of CO2 is beneficial to SHA as the preferential bicarbonate formation in solutions reduces by a large extent the oxidative degradation rate. The low degradation degree of the AHPD + Pz aqueous solution reaffirms its potential as CO2 absorbent. Finally, the performance of the AHPD + Pz aqueous solution for CO2 capture in MC was investigated in different operational conditions and module configurations (hollow fibers and flat sheets membranes, PTFE, PP and laminated PTFE/PP membranes, various liquid flow rates, gas compositions and flow orientation (co- and counter-current)). Excellent performance was found for AHPD + Pz solutions. Based on experimental data, a modeling study of CO2 capture in PTFE hollow fiber MC revealed the positive effect of solutions presenting high surface tension on the reduction of membrane wetting. In summary, the results of this thesis showed that AHPD + Pz aqueous solution possess good absorption capacity, reaction kinetics, regenerative potential, and degradation resistance, as well as high surface tension and showed excellent performance for CO2 capture in MC, representing an interesting alternative to MEA.

La séparation CO2/N2 et H2/CO2 permet de limiter le rejet de CO2 dans l’atmosphère issu des gaz industriels et les membranes présentent de nombreux avantages tant sur le plan économique que pratique. Les membranes polymère sont faciles à mettre en forme mais un compromis entre perméabilité et sélectivité doit généralement être trouvé : pour améliorer les performances, des membranes à matrice mixte (MMM) incorporant des MOFs (matériaux hybrides poreux cristallisés) dispersés dans la phase polymère ont été proposées. A la différence des matériaux poreux inorganiques, les MOFs ont une meilleure compatibilité avec la matrice polymère du fait de leur caractère hybride organiqueinorganique. Dans le cadre de cette thèse, des polycarboxylates de Fe3+ et Al3+ poreux, stables à l’eau, et possédant de bonnes propriétés d’adsorption sélective du CO2 ont été synthétisés en milieu aqueux et mis à l’échelle de quelques grammes. Deux nouveaux polycarboxylates de Fe3+ poreux fonctionnalisés par des fonctions -COOH libres ont été obtenus à température ambiante. Pour l’un d’entre eux, la structure a été déterminée par diffraction des rayons X. Une deuxième partie de la thèse a été consacrée à la synthèse de nanoparticules de MOFs avec un bon rendement. Une partie importante de ce travail a porté sur le contrôle de la taille et la morphologie des nanoparticules de MIL-96(Al). Ce travail a conduit à la préparation de MMMs à base de MIL-96(Al) dont les performances sont supérieures à la membrane pure polymère pour la séparation CO2/N2. La dernière partie de ce travail de thèse a porté sur l’étude physico-chimique de la compatibilité entre le ZIF-8 et deux polymères (PVA et PIM-1). Ce travail a consisté à effectuer une caractérisation complète de solutions colloïdales MOFs/polymère en couplant plusieurs techniques (DLS, TEM, SAXS). Cette étude a montré que la compatibilité MOF/polymère est très dépendante de la chimie de surface des MOFs et des propriétés physico-chimiques du polymère (rigidité, caractère hydrophile/hydrophobe…). / CO2 capture and storage (CCS) is of high economical and societal interest. CO2/N2 andH2/CO2 separations are able to limit atmospheric CO2 emissions produced by industrial exhausts andmembranes present numerous economical and practical advantages. Polymer membranes are easy toprocess and possess interesting mechanical properties. However, there is a trade-off to make betweenpermeability and selectivity. Mixed-matrix membranes (MMM) based on MOFs (porous crystallinehybrid materials) have been proposed to boost the performances of polymer membranes for CO2capture. In comparison to other inorganic porous materials, one may expect that the compatibilitybetween MOFs and polymers is enhanced due to the hybrid character of MOFs.In this work, porous water stable polycarboxylate MOFs based on Fe3+ and Al3+ with promisingproperties for CO2 adsorption were synthesized for large-scale production using water as the mainsolvent. Two new porous polycarboxylate Fe3+ MOF bearing free -COOH groups in the frameworkwere obtained at room temperature as nanoparticles. The crystallographic structure of one of thesematerials was determined by single crystal X-ray diffraction. A second part of the thesis was devotedto the synthesis of MOFs nanoparticles with good yield. We focused our attention on the control of thediameter and morphology of MIL-96(Al) nanoparticles. This study led to the preparation of MMMsbased on MIL-96(Al) with promising properties for CO2/N2 separation. Finally, the compatibilitybetween MOF particles and polymers was studied for two systems (ZIF-8/PIM-1 and ZIF-8/PVOH),showing the influence of the surface chemistry of MOFs and the physico-chemical properties ofpolymer on the matching between MOFs and polymers.

L'objectif de cette thèse était d'évaluer quelques Metal-Organic Frameworks (MOFs), choisis en fonction de leur taille de pores, de leur volume poreux et de leur stabilité thermique, en adsorption et séparation des hydrocarbures. Pour étudier le comportement général des MOFs nous avons choisi des MOFs avec des centres métalliques insaturés, des MOFs à charpente anionique et des ZIFs neutres et avons étudié leur sélectivité en séparation de trois familles d'hydrocarbures, à savoir alcanes, alcènes, aromatiques. Les MOFs à centre métallique insaturé se comportent généralement comme des zéolithes polaires, les ZIFs comme des zéolithes apolaires et/ou comme des tamis moléculaires. Les adsorbants les plus prometteurs sont testés sur des séparations d'intérêt industriel telles que la séparation des isomères de xylène, la séparation des paraffines linéaires, monobranchées et di-branchées et l'adsorption sélective du thiophène en vu de l'évaluation de ces adsorbants en désulfuration des essences.

Différents travaux de recherche ont été décrits dans cette thèse. Les travaux de recherche peuvent être résumés comme suit. Le premier chapitre a porté sur l'identification d’inhibiteurs puissants efficaces vis-à-vis de de l'isoenzyme anhydrase carbonique humaine I (hCAI). Considérant l'importance pharmacologique de trouver des inhibiteurs (CAIs) et des activateurs (AACs) sélectifs aux isoformes de l’anhydrase carbonique ), l'anhydrase carbonique humaine I (hCAI) a été confrontée en parallèle à diverses bibliothèques dynamiques constitutionnelles (CDL). Dans le deuxième chapitre, des réseaux constitutionnels dynamiques ont été préparés sous forme de systèmes membranaires liquides et solides agissant comme un réseau pour le transport spécifique des ions lanthanides. Le transport est basé sur la capacité de complexation des lanthanides (La + 3, Lu + 3, Eu + 3) avec les groupes polyéther fonctionnels situés dans les matériaux membranaires. Dans le troisième chapitre, l'approche proposée consiste en l'utilisation de membranes liquides ioniques supportées (SILMs) comprenant deux enzymes différentes de l'anhydrase carbonique, l’enzyme thermo-résistante SspCA et l'enzyme bovine-CA, qui catalysent la réaction de conversion réversible du CO2 en bicarbonate en favorisant la force motrice vers le transport de CO2. La stabilité des membrane, leur perméabilité vis-à-vis de CO2 et de N2 ainsi que la sélectivité idéale (CO2 / N2) ont été déterminées pour les membranes développées. Le quatrième chapitre porte sur la synthèse et la caractérisation de membranes polymères denses pour une application en séparation de gaz. Les mesures de perméabilité aux gaz des membranes polymères synthétisées ont montré que la perméabilité de CO2 est supérieure à celle des autres gaz testés (CH4 et N2). Dans le dernier chapitre, des membranes de PVDF ont été fonctionnalisées avec une enzyme, la phosphotriestérase (PTE), selon deux méthodes différentes pour construire un réacteur à membrane biocatalytique (BMR) avec pour finalité la bioconversion et la séparation sélective du substrat paraoxon. La première méthode met en œuvre une dispersion réversible de nanoparticules magnétiques de PTE qui est immobilisée à la surface de la membrane de PVDF sous l’effet d'un champ magnétique externe. A l’inverse, la seconde méthode porte sur le greffage chimique de l'enzyme PTE, après modification de la surface de la membrane de PVDF native (DAMP-GA-enzymatique). Les deux techniques d'immobilisation d'enzymes ont montré une bonne efficacité et une sensibilité à l'égard de la bioconversion du paraoxon dans les différentes conditions appliquées dans un réacteur à membrane biocatalytique (BMR).De façon globale, les concepts développés dans ce travail de thèse permettront d’ouvrir de nouvelles pistes de recherche allant vers le développement d'une membrane polymère sélective au transport d’ions, de gaz mais aussi active dans les réactions catalytiques enzymatiques grâce à un contrôle bio-moléculaire au niveau des matériaux membranaires. / Different research works have been described in this thesis. The research works can be summarized as the following. The first chapter deals with the identification of effective potent inhibitors for the human carbonic anhydrase I (hCAI) isozyme. Considering the pharmacological importance to find selective CA inhibitors (CAIs) and CA activators (CAAs), human carbonic anhydrase I (hCAI) has been subjected to a parallel screening of various constitutional dynamic libraries (CDL). In the second chapter, constitutional dynamic networks have been used in liquid and solid membrane systems as a carrier network for transporting lanthanides. The transport is based on the complexing ability of lanthanides metals (La+3, Lu+3, and Eu+3) with the functional polyether groups in the membrane materials. In the third chapter, the proposed approach consists in using supported ionic liquid membranes (SILMs) comprising two different carbonic anhydrase enzymes, the thermo-resistant SspCA enzyme and the Bovine-CA enzyme, which catalyze the reaction of reversible conversion of CO2 to bicarbonate, enhancing the driving force for CO2 transport. Membrane stability, CO2 and N2 permeability and (CO2/N2) ideal selectivity were determined for the membranes developed. In the fourth chapter, the research work consists in the synthesis and characterization of dense polymeric membranes for gas separation application. The gas permeability measurements for the synthesized polymeric membranes showed that the permeability of CO2 is higher than other used gases (N2 and CH4). In the last chapter, two different methods of PVDF membrane functionalization with a phosphotriesterase (PTE) enzyme have been developed to construct biocatalytic membrane reactor (BMR) for bioconversion and selective separation of paraoxon substrate. The first method employs reversible dispersion of magnetic nanoparticle immobilized with PTE using an external magnetic field on the surface of native PVDF membrane. On the contrary, the second method comprises chemical grafting of the PTE enzyme, after surface modification of the native PVDF membrane (DAMP-GA-Enzyme). Both methods of enzyme immobilization showed good efficiency and sensitivity towards the bioconversion of paraoxon substrate at different conditions applied in a biocatalytic membrane reactor (BMR).In general, the concepts developed in this thesis research work will help bring new tracks on the way to the development of a polymeric membrane for selective ion and gas separation but also for selective catalytic reaction under bio(molecular) control.

L'objectif de cette thèse était d’évaluer quelques Metal-Organic Frameworks (MOFs), choisis en fonction de leur taille de pores, de leur volume poreux et de leur stabilité thermique, en adsorption et séparation des hydrocarbures. Pour étudier le comportement général des MOFs nous avons choisi des MOFs avec des centres métalliques insaturés, des MOFs à charpente anionique et des ZIFs neutres et avons étudié leur sélectivité en séparation de trois familles d'hydrocarbures, à savoir alcanes, alcènes, aromatiques. Les MOFs à centre métallique insaturé se comportent généralement comme des zéolithes polaires, les ZIFs comme des zéolithes apolaires et/ou comme des tamis moléculaires. Les adsorbants les plus prometteurs sont testés sur des séparations d’intérêt industriel telles que la séparation des isomères de xylène, la séparation des paraffines linéaires, monobranchées et di-branchées et l’adsorption sélective du thiophène en vu de l’évaluation de ces adsorbants en désulfuration des essences. / The aim of this thesis was to evaluate several Metal Organic Frameworks (MOFs), selected based on criteria of pore size, pore volume and thermal stability, in adsorption and separation of hydrocarbons. For studying the general behavior of MOFs in hydrocarbon adsorption, we have chosen MOFs with open metal sites, MOFs with anionic frameworks and neutral ZIFs. The MOFs with open metal sites behave similar to polar zeolites, the ZIFs behave like apolar zeolites and/or like molecular sieves. Finally we selected the most interesting MOFs and tested them in several separations with industrial interest: xylene isomers, paraffin isomers and selective adsorption of thiophene for the purpose of fuel desulfuration.

Les clathrates organiques, particulièrement ceux formés entre l’hydroquinone (HQ) et les gaz, sont des entités supramoléculaires montrant un potentiel intéressant comme matériau alternatif pour les applications de stockage et de séparation de gaz. Cette étude traite de l’évaluation du clathrate d’HQ pour la séparation du CO2 contenu dans les mélanges CO2/CH4 par réaction gaz-solide. D’un point de vue fondamental, différentes propriétés des clathrates d’HQ-CO2, -CO2/CH4 et -CH4 ont été analysées: signatures spectroscopiques, structures cristallines, morphologies, capacités de stockage de gaz, températures de relargage de gaz et températures de transition structurales. Ce travail offre aussi de nouveaux éléments de compréhension des mécanismes de formation et de dissociation des clathrates d’HQ. Il est montré que, pour capturer efficacement et sélectivement le CO2, la réaction d’enclathration doit être faite en utilisant l’intermédiaire « clathrate vide » formé à partir du clathrate d’HQ-CO2. D’un point de vue pratique, les courbes d’équilibre, les enthalpies de dissociation, et les occupations dans les conditions d’équilibre ont été déterminées pour les clathrates d’HQ-CO2 et -CH4 dans une gamme étendue de température allant de 288 à 354 K. De plus, la cinétique de la réaction d’enclathration a été étudiée expérimentalement et modélisée. Dans cette optique, un matériau composite à base d’hydroquinone a été développé, et permet de capter et stocker le gaz de manière réversible, et d’améliorer significativement la cinétique d’enclathration. Le procédé de séparation de gaz basé sur la formation du clathrate d’hydroquinone a aussi été étudié. L’influence des paramètres opératoires (i.e. temps de réaction, pression, température et composition du gaz d’alimentation) sur la cinétique de capture, la sélectivité et la capacité de stockage de gaz ont été évaluées à travers des expériences menées à l’échelle pilote. / Organic clathrate compounds, particularly those formed between hydroquinone (HQ) and gases, are supramolecular entities recently highlighted as promising alternatives for applications such as gas storage and separation processes. This study deals with an evaluation of the HQ clathrates to separate CO2 from CO2/CH4 gas mixtures through direct gas-solid reaction. On the fundamental point of view, new insights into several properties of the CO2-, CO2/CH4-, and CH4-HQ clathrates were studied: spectroscopic signatures, crystal structures, morphologies, gas storage capacities, guest release temperatures and structural transition temperatures. This work also offers new elements of understanding HQ clathrate formation and dissociation mechanisms. It is shown that, for capturing CO2 the most selectively and efficiently, the enclathration reaction has to be done with the “guest-free intermediate” derived from the CO2−HQ clathrates. On a practical point of view, the equilibrium curves, the dissociation enthalpies, and the occupancies at the equilibrium clathrate forming conditions, were determined for the CO2- and CH4-HQ clathrates in an extended range of temperature from about 288 to 354 K. Moreover, the kinetics of the gas-solid enclathration reaction were studied experimentally and modelled. In this way, HQ-based composite materials were developed and allows to reversibly capture and store gases, and to significantly improve the enclathration kinetics. The hydroquinone clathrate based gas separation (HCBGS) process was also investigated. The influence of the process operating parameters (i.e. reaction time, pressure, temperature and feed gas composition) on the CO2 capture kinetics, the selectivity toward CO2, and the storage capacity were assessed through experiments performed at pilot scale.

1. Membranes échangeuses de protons à haute température (HT-PEM) pour application dans les piles à combustible:Le succès des piles à combustible à base de HT-PEM dépend fortement du matériau membranaire. D’importants progrès ont été accomplis dans la conception de PEMs à transport facilité de protons. L'objectif de la première partie de ce travail de thèse était de fabriquer des membranes électrolytes à haute conductivité, capables de fonctionner au-dessus de 120°C dans des conditions anhydres, sans acides minéraux, et sans sacrifier la résistance mécanique. La stratégie suivie combine l’utilisation de micro-filtres (support) à base de polybenzimidazole (PBI) présentant un réseau de pores ordonnés, et de liquides ioniques (ILs)à base de polyimidazolium comme phase conductrice. Deux types de micro-filtres de PBI ont été préparés: avec un réseau de pores droits (SPBI), ou avec une structure poreuse hiérarchique (HPBI). Les ILs polymérisés (PIL) suscitent un grand intérêt comme tous les électrolytes flexibles à l'état solide en raison de leur sécurité d’utilisation et de leur bonne stabilité thermique, chimique et électrochimique. Dans ce travail, un IL monomèrique protique 1-H-3-vinylimidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide a été choisi pour sa conductivité protonique élevée, sa faible rétention d'eau et sa bonne stabilité thermique. Puisque les performances d’une PEM formée par immersion d’un support poreux dans un IL dépendent surtout de la structure poreuse du support, il est essentiel d’optimiser l’architecture des pores réservoirs. Ainsi, nos travaux visent à améliorer à la fois la conductivité ionique et la stabilité dimensionnelle des PEMs à base de PIL par une conception appropriée de l'architecture poreuse. En effet, la faible stabilité dimensionnelle et mécanique du poly[1-(3H-imidazolium)éthylène] bis(trifluorométhanesulfonyl) imide est améliorée grâce à son infiltration dans un support PBI architecturé. La configuration d'infiltration, l'addition d’agent réticulant et les conditions de polymérisation UV "in situ" ont été considérées comme paramètres d'optimisation pour les deux types de micro-tamis en PBI.2. Membranes à base de liquide ionique supporté (SILM) pour la valorisation du méthane:La valorisation du gaz naturel, intégrant l'élimination de CO2 et N2, est l’une des applications de séparation des gaz industriels où les membranes sont une alternative prometteuse à petite échelle. L'objectif de nos travaux était de développer des membranes de type SILM, sélectives au CH4. Notre stratégie combine des micro-tamis à base polybenzimidazole (PBI) comme supports présentant une bonne endurance et de bonnes propriétés thermiques, et des liquides ioniques (ILs) protiques avec des ions imidazolium et trifluorométhane sulfonylimide pour la solubilité du CH4. Bien que la faible pression de vapeur du IL protique atténue sa volatilité dans les SILMs traditionnels, son expulsion hors des pores reste une préoccupation majeure. Un design approprié du support, avec des pores submicroniques, combiné à un IL de tension superficielle élevée, devrait générer des SILMs plus stables, adaptées aux applications à pression transmembranaire modérée ou élevée. Ainsi, des supports PBI à porosité aléatoire (RPBI), obtenus par séparation de phase, ont été largement utilisés. En outre, la polymérisation des RTILs peut fournir d’autres avantages en termes de sécurité, de stabilité et de propriétés mécaniques. Dans cette étude, trois classes de SILMs à base de PBI, avec le IL protique 1-H-3-methylimidazolium bis(trifluoromethane sulfonyl)imide (IL), le monomérique 1-H-3-vinyllimidazolium bis(trifluoromethane sulfonyl)imide (MIL) et le polymérique poly[1-(3H-imidazolium)ethylene] bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (PIL) ont été fabriqués avec succès et caractérisées en perméation de gaz purs. Des membranes hautement permsélectives au méthane ont été obtenues, qui sont très prometteuses pour la séparation de mélanges de gaz tels que CH4/N2 / 1. High temperature Proton Exchange Membranes (HT-PEMs) for Fuel Cell applications:The success of the High temperature proton exchange membrane fuel cell (HT-PEMFC) direction is very much dependent on the development of the membrane material. With facilitated proton transport chemistries, great progresses in designing and fabricating facilitated PEMs have been accomplished. The objective of this first part of the PhD work was to fabricate highly conductive electrolyte membranes capable to operate above 120°C under anhydrous conditions and in the absence of mineral acids, without sacrificing the mechanical behavior. The followed rationale is based on the combination of polybenzimidazole (PBI) microsieves as structural supports and poly-imidazolium based ionic liquid (IL) moieties as conducting phase. Two types of PBI microsieves have been prepared following two different microfabrication processes: straight porous PBI and hierarchically structured PBI microsieves.Polymeric ionic liquids (PILs) have triggered great interest as all solid-state flexible electrolytes because of safety and superior thermal, chemical and electrochemical stability. In this part, the 1-H-3-vinylimidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide has been mainly selected due to its high proton conductivity, low water uptake values as well as thermal stability.The consecution of a polymeric container with optimized pore architecture is extremely essential since the performance of PEM based on immersing a porous support into ILs, mainly depends on the porous structure. Thus, our research efforts have been directed to improve both, the ion conductivity and the dimensional stability of the PIL supported PEMs by a proper design of the porous architecture. Herein, the diminished dimensional and mechanical stability of poly[1-(3H-imidazolium)ethylene]bis(trifluoromethanesulfonyl)imide has been improved thanks to its infiltration on a PBI support with specific pore architecture. The infiltration configuration, cross-linker addition and “in situ” UV polymerization conditions were taken as optimization parameters for both PBI type microsieves.2. Supported Ionic liquid membranes (SILMs) for methane upgrading:The natural gas upgrading, i.e. removal of CO2 and N2, is one of the major industrial gas separation application where membranes arise as promising alternative at small scale.The objective of this second part of the work was to develop CH4 selective Supported Ionic Liquid Membranes (SILMs). Once again, the rationale followed is based on the combination of PBI microsieves as structural supports, to take advantage of its endurance and thermal properties, and protic ILs with imidazolium and trifluoromethane sulfonyl)imide ions due to their CH4 solubility properties. Although the negligible protic IL vapor pressure alleviates one of the problems associated with traditional SILMs, namely liquid volatility; expulsion of the liquid from the membrane pores is a major concern. A proper design of the support, with sub-micron pores, combined with IL having high surface tension could lead to SILM with adequate physical stability for applications involving moderate to high trans-membrane pressures. Therefore, random porous PBI supports, obtained by phase separation method, have been extensively used. In addition, polymerization of RTILs could provide additional advantages in terms of safety, stability and mechanical properties.In this study, three classes of SILMs, based on PBI with the 1-H-3-methylimidazolium bis(trifluoromethane sulfonyl)imide, the 1-H-3-vinylimidazolium bis(trifluoromethane sulfonyl)imide and the poly[1-(3H-imidazolium)ethylene] bis(trifluoromethanesulfonyl)imide have been successfully fabricated and characterized by single gas permeation measurements. Results revealed that the prepared membranes were highly selective to CH4 and thus very promising for CH4/N2 gas mixture separation.

Des membranes supports en polymère ont été photo-greffées par des poly(liquide ionique)s (polyLIs) à base d'imidazolium. Les polyLIs permettent de séparer le CO2 d'autres gaz et de stabiliser des nanoparticules. Dans le cas du captage de CO2, les expériences montrent qu'une couche fine homogène de gel réticulé en polyLI gonflé par du liquid ionique (LI) est obtenue sur la surface de fibres creuses. Les fibres ainsi obtenues ont montré des perméances au CO2 plus élevées (600-700 GPU) que des membranes commerciales et des sélectivités de CO2/N2 comparables (13 et 17). Dans le cas de membranes catalytiques, des nanoparticules de palladium (NPPd) servant de catalyseur ont été immobilisées en forte concentration locale au sein d'une couche de polyLI greffée à la surface de membranes. La réactivité des membranes catalytiques a été testée en configuration de contacteur traversé sur différentes réactions (couplage croisé C-C, hydrogénation, etc). Une conversion totale est obtenue pour des temps de séjours de quelques secondes, sans aucun sous-produit formé. Comparée aux NPPd colloïdaux dans un réacteur en batch, la membrane catalytique accélère les réactions d'environ 2000 fois en terme de temps de réaction sans perte de NPPd; la sélectivité est aussi accrue. Le réacteur membranaire catalytique a été modélisé afin d'obtenir les profils de concentration et de température et une meilleure compréhension des performances obtenues. Les membranes catalytiques se révèlent isothermes et les constantes cinétiques sont calculées. Enfin, les capacités de production de ces membranes catalytiques à une échelle industrielle sont estimées à environ 3 t/(hm3) pour le couplage de Suzuki. / Polymeric support membranes were modified via photo-grafting by poly(ionic liquid)s (polyILs), featuring in the capability to separate CO2 from other gases and to stabilize metallic nanoparticles (MNPs). For CO2 capture, a thin polyIL-IL gel layer was homogenously coated on support hollow fibers. The composite fibers show high CO2 permeance and reasonable CO2/N2 selectivity. For the catalytic membrane, palladium NPs were generated inside a grafted polyLI layer. Compared to colloidal palladium system in a batch reactor, the catalytic membrane, as a contactor membrane reactor, is more efficient in terms of reaction time (ca. 2000 times faster), selectivity and MNP retainability. Theoretical study on reactor modeling, concentration & temperature profiles, and production capacity was done for an overall understanding of the catalytic membrane.

Les réseaux zéolithiques à base d'imidazolate (e.g. ZIF-8) sont des matériaux membranaires attractifs pour la séparation de gaz, sous réserve de pouvoir disposer de membranes de haute qualité, stables et reproductibles sur des supports industriels. Dans ce travail plusieurs stratégies ont été examinées pour développer des membranes nanocomposites à base de ZIF-8 confiné dans les macropores de supports céramiques tubulaires. Trois approches ont été comparées: i) croissance de germes, ii) croissance in situ et iii) conversion de ZnO. L'influence des paramètres de synthèse (formulation des solutions de précurseurs, température & durée de réaction, type de support & prétraitement…) sur les caractéristiques et performances des membranes a été étudiée. Le protocole optimum retenu repose sur la conversion solvothermale de couches minces de ZnO déposées par ALD sur les grains du support. Les membranes nanocomposites ZIF-8/ZnO/α-Al2O3 sont sélectives pour la séparation de gaz contenant H2. / Zeolitic Imidazolate Frameworks (e.g. ZIF-8) are attractive membrane materials for gas separation, provided that high quality, stable and reproducible membranes can be prepared on industrial supports. In this work several strategies were investigated in order to develop nanocomposite ZIF-8 based membranes confined in the macropores of tubular ceramic supports. Three approaches were compared: i) seeded growth, ii) in situ growth and iii) ZnO conversion. The influence of synthesis parameters (precursor solution formulation, reaction temperature & duration, support type & pre-treatment…) on membrane characteristics and performance were studied. The selected optimum protocol was based on the solvothermal conversion, using a 2-methylimidazole/methanol solution, of a ZnO thin layer uniformly deposited by Atomic Layer Deposition on the grains of a ceramic support. The nanocomposite ZIF-8/ZnO/α-Al2O3 membranes exhibited enhanced selectivities for the separation of H2-containing gas mixtures.

Il y a des réservoirs de gaz naturel à travers le monde qui ne sont pas exploités en raison de leur haute teneur en C0₂. Il serait donc intéressant que la technologie soit améliorée pbur la purification du gaz naturel. La grande majorité des systèmes commerciaux de séparation des gaz par membrane utilise des polymères en raison de leur compacité, leur facilité d'utilisation et de leur coût. Cependant, les membranes polymériques conçues pour des séparations de gaz sont reconnues pour avoir un compromis entre la perméabilité et la sélectivité représenté par les courbes limites supérieures de Robeson. La recherche pour les matériaux membraines qui transcendent la limite supérieure de Robeson a été une question critique dans la recherche axée sur les membranes pour la séparation de gaz durant la dernière décennie. Ainsi, de nombreux chercheurs ont exploré l'idée de membranes à matrice mixte (MMM) pour surmonter ces limitations. Ces membranes combinent une matrice polymère avec un tamis moléculaire inorganique tel que les zéolithes. Ce travail présente une étude de la synthèse et de la caractérisation de nouvelles charges pouvant être utilisées dans les membranes à matrice mixte (MMM) pour la séparation du C0₂/CH₄. En première partie de cette thèse, nous avons développé une stratégie pour surmonter les approches précédentes qui sont problématiques pour greffer les charges zéolithes. Nous avons synthétisé et caractérisé la zéolithe FAU/EMT et étudié les effets de la polarité du solvant et de la nature des aminosilanes sur les propriétés physico-chimiques des charges, ainsi que sur les propriétés d'adsorption du C0₂. Après cela, avec l'aide d'un plan expérimental de Taguchi, nous avons optimisé les paramètres de la réaction de greffage de la zéolithe FAU/EMT avec l'agent 3-aminopropylméthyldiéthoxysilane (APMDES) pour préparer de bons remplissages greffés pour une utilisation dans les MMM. Par la suit, les charges préparées dans les conditions optimisées, sont greffées et incorporées dans une matrice de polyimide pour fabriquer des MMM pour la séparation du C0₂/CH₄. Les résultats obtenus ont montré qu'à 25 % (m/m), les charges greffées et imprégnées sur le polymère augmentaient à la fois la perméabilité et la sélectivité par rapport à des membrane de polyimide seul. Lors de la deuxième partie de ma thèse, nous avons développé la préparation, la caractérisation et les propriétés de séparation des gaz de C0₂/CH₄ de MMM comportant différents MOF et le polyimide 6FDA-ODA afin d'étudier l'effet de la fonctionnalisation par le ligand (-NH₂) sur la performance de séparation du C0₂/CH₄ par les MMM. Pour la première fois, nous avons choisi de nouveaux MOF à base de Zr (UiO-66, NH₂-UIO-66, UiO-67), ainsi que MOF-199 (HKUST-1) avec un ligand mixte fonctionnalisé (NH₂-MOF-199) basés sur des calculs de simulation pour la séparation de C0₂/CH₄ à partir des résultats expérimentaux rapportés précédemment. Les résultats obtenus ont montré une augmentation de la sélectivité pour la MMM sauf pour le remplissage avec UiO-67. La présence de groupes fonctionnels d'aminés dans le NH₂-UIO-66 a augmenté à la fois la sélectivité et la perméabilité du C0₂. D'autre part, une MMM faite avec UiO-66 a augmenté de manière significative la perméabilité du C0₂ par rapport à la membrane 6FDA-polyimide seul sans aucune perte de la sélectivité idéale.