Ce travail présente une nouvelle méthode sans solvant pour la production de membranes à fibres creuses pour la séparation des gaz. La technologie repose sur une extrusion continue suivie de l’étirage de polyéthylène expansé présentant une densité cellulaire élevée et une distribution uniforme de la taille des cellules. Pour atteindre cet objectif, une optimisation expérimentale et systématique a été appliquée afin de produire une morphologie de mousse riche et uniforme pour développer une structure adaptée aux performances de la membrane pour la séparation des gaz. À partir des échantillons obtenus, un ensemble complet de caractérisations comprenant les propriétés morphologique, mécanique, physique et de transport gazeux a été réalisé. En particulier, les performances de séparation ont été étudiées pour différents gaz (CO₂, CH₄, N₂, O₂ et H₂). La première étape a consisté à combiner du polyéthylène linéaire de basse densité (LLDPE) avec un agent d'expansion chimique (azodicarbonamide, CBA) afin d'optimiser le procédé en termes de la concentration en CBA et du profil de température, ainsi que la vitesse d'étirage. Les résultats ont confirmé que des échantillons avec une densité cellulaire plus élevée peuvent améliorer les propriétés de perméation des gaz des membranes. La deuxième partie a examiné l’ajout de polyéthylène de basse densité (LPDE) afin d’améliorer la structure cellulaire grâce à une densité cellulaire plus importante et à une vitesse d’étirement plus élevée. Il a été constaté qu'un mélange LLDPE/LDPE (70/30) augmentait de 10 fois la densité cellulaire et réduisait également l'épaisseur de la mousse de 50% par rapport aux mousses de LLDPE seul. Dans la troisième partie, l’addition de nanoparticules a été étudiée et s’est révélée être une stratégie très efficace pour améliorer encore plus la structure cellulaire via un effet de nucléation hétérogène. Les résultats ont montré que l'introduction de zéolithe poreuse (5A) comme agent de nucléation cellulaire/modificateur de perméation des gaz améliorait considérablement la densité cellulaire de la mousse (1,2×10⁹ cellules/cm³) tout en réduisant les tailles moyennes de cellules (30 μm). Les propriétés membranaires de cette membrane moussée à matrice mixte optimisée (MMFM) ont également été considérablement améliorées, en particulier avec l’ajout de 15% en poids de zéolithe car la perméance de l’hydrogène ainsi que la sélectivité H₂/CH₄ et H₂/N₂ ont été augmentées d’un facteur 6,9, 3,8 et 5,9 respectivement, par rapport à la matrice seule (sans zéolithe) et non moussée. Par conséquent, une combinaison de l'addition de particules (structure cellulaire), d'étirement (surface interne) et de moussage (porosité) a conduit à la production d'une structure multi-poreuse à l'intérieur des membranes afin d'améliorer les propriétés de transport des gaz. On s'attend à ce que ces MMFM puissent être efficaces et rentables en termes de vitesse de production (méthode continue), en particulier pour l'industrie pétrolière où la séparation H₂/CH₄ et H₂/N₂ est essentielle pour la purification de l’hydrogène. / This work presents a novel solvent-free method to produce hollow fiber membranes for gas separation. The technology is based on continuous extrusion followed by stretching of foamed polyethylene having a high cell density and uniform cell size distribution. To achieve this objective, a systematic experimental optimization was applied to produce a rich and uniform foam morphology and to develop a suitable structure for gas separation membrane performance. From the samples obtained, a complete set of characterizations including morphological, mechanical, physical and gas transport was performed. In particular, the separation performances were investigated for different gases (CO₂, CH₄, N₂, O₂ and H₂). The first step was to combine linear low density polyethylene (LLDPE) with a chemical blowing agent (azodicarbonamide, CBA) to optimize the processing in terms of CBA content and temperature profile along with stretching velocity. The results confirmed that samples with a higher cell density can improve the membrane gas permeation properties.The second part investigated the addition of low density polyethylene (LPDE) to improve the cellular structure by having a higher cell density and using higher stretching speed. It was found that a LLDPE/LDPE (70/30) blend increased the cell density by a factor of 10 times and also decreased the foam thickness by 50% compared to neat LLDPE foams. In the third part, nanoparticle addition was investigated and found to be a very effective strategy to further improve the cellular structure via a heterogeneous nucleation effect. The results showed that the introduction of porous zeolite (5A) as a cell nucleation agent/gas permeation modifier, substantially improved the foam cell density (1.2×10⁹ cells/cm³) while decreasing the average cell size (30 μm). The membrane properties for this optimized mixed matrix foam membrane (MMFM) were also significantly improved, especially at 15 wt.% zeolite as the H2 permeance, as well as H₂/CH₄ and H₂/N₂ selectivity were increased by 6.9, 3.8 and 5.9 times respectively, compared to the unfoamed neat (unfilled) matrix. Hence, a combination of particle addition (cell structure), stretching (internal surface area) and foaming (porosity) led to the production of a multi-porous structure inside the membranes to improve the gas transport properties. It is expected that these MMFM can be efficient and cost-effective in terms of processing rate (continuous method), especially for the petroleum industry where H₂/CH₄ and H₂/N₂ separation are essential for H2 purification.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LAVAL/oai:corpus.ulaval.ca:20.500.11794/35837 |
| Date | 07 August 2019 |
| Creators | Razzaz, Zahir |
| Contributors | Rodrigue, Denis |
| Source Sets | Université Laval |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | thèse de doctorat, COAR1_1::Texte::Thèse::Thèse de doctorat |
| Format | 1 ressource en ligne (xxvi, 160 pages), application/pdf |
| Rights | http://purl.org/coar/access_right/c_abf2 |
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