Au cours des dernières décennies, la technologie membranaire a montré de grandes performances dans les séparations en phase liquide telles que la production d’eau potable à partir d’eau de mer. Beaucoup d’efforts ont été faits pour étendre son application aux séparations de gaz. La séparation des composants de l’air, des gaz industriels de raffineries, la séparation et la récupération du CO2 du biogaz et du gaz naturel sont des exemples dans lesquels la technologie membranaire est appliquée au niveau industriel. La séparation par membranes a été substituée ou interfacée avec les méthodes conventionnelles telles que la distillation cryogénique pour produire de l’air enrichi en oxygène (fraction molaire >- 30%) qui est injecté dans les brûleurs industriels pour obtenir une température plus élevée, avec moins de consommation de gaz. Il est également possible d’utiliser la technologie membranaire pour capturer et recycler le CO2 émis par les gaz de combustion des centrales électriques et les aciéries pour résoudre le problème des gaz à effet de serre. Les membranes pour la séparation des gaz peuvent être classées en deux catégories principales, basées sur le matériau, polymère et inorganique, dans lesquelles les membranes polymériques sont plus populaires. Par rapport aux matériaux inorganiques, les membranes polymères présentent une meilleure facilité de traitement, une résistance mécanique et une densité de remplissage plus élevée, ce qui les rend appropriées pour des applications à grande échelle. Elles ne peuvent cependant pas supporter des températures élevées ou des agents chimiques agressifs. Leurs propriétés de séparation (perméabilité et sélectivité) peuvent être sévèrement compromises par les hydrocarbures condensables (C2+) lorsqu’elles sont appliquées dans les usines pétrochimiques, les raffineries et le traitement du gaz naturel. Pour améliorer les performances des membranes polymères, le nouveau concept, de membrane à matrice mixte (MMM), a été réalisé en dispersant des particules nanométriques ou microscopiques de matériaux inorganiques dans une matrice polymère. Dans ce travail, nous avons préparé de nouvelles MMMs en utilisant des polymères et des matériaux organo-métalliques (MOF) en tant que phases continue et dispersée, respectivement. Nous avons développé plusieurs techniques pour surmonter la faible adhérence interfaciale entre les deux phases qui diminue typiquement l’efficacité de séparation des MMM. Pour ce faire, dans la première partie de cette thèse (Chapitre 3), nous avons synthétisé des particules de MOF comportant des fonctions -NH2 et une série de polymères décorés de -OH pour la préparation de MMMs. La liaison physique entre les deux groupes fonctionnels s’est avérée améliorer nettement l’adhérence polymère/charge des MMMs obtenues ainsi que leur performance de séparation des gaz. Dans la partie suivante (Chapitre 4), nous avons introduit une modification post-synthétique pour former une liaison chimique entre le polymère et la charge dans les MMMs. Dans des conditions optimisées, un MOF fonctionnalisé portant des groupes réticulables a été amené à réagir avec un polymère déjà synthétisé contenant des extrémités de chaînes réactives pour produire, pour la première fois, des MMMs réticulées. Dans la dernière partie (Chapitre 5), nous avons décrit une nouvelle technique pour obtenir in-situ la liaison chimique polymère-charge pendant la synthèse du polymère. Dans cette technique, les particules de MOF ont été directement introduites dans le milieu de polymérisation. L’importance des liens polymère-charge a été étudiée en fonction du temps de polymérisation. Cette étude a montré une forte relation entre la qualité de l’interaction polymère-charge et les propriétés de séparation des gaz des MMMs. / Au cours des dernières décennies, la technologie membranaire a montré de grandes performances dans les séparations en phase liquide telles que la production d’eau potable à partir d’eau de mer. Beaucoup d’efforts ont été faits pour étendre son application aux séparations de gaz. La séparation des composants de l’air, des gaz industriels de raffineries, la séparation et la récupération du CO2 du biogaz et du gaz naturel sont des exemples dans lesquels la technologie membranaire est appliquée au niveau industriel. La séparation par membranes a été substituée ou interfacée avec les méthodes conventionnelles telles que la distillation cryogénique pour produire de l’air enrichi en oxygène (fraction molaire >- 30%) qui est injecté dans les brûleurs industriels pour obtenir une température plus élevée, avec moins de consommation de gaz. Il est également possible d’utiliser la technologie membranaire pour capturer et recycler le CO2 émis par les gaz de combustion des centrales électriques et les aciéries pour résoudre le problème des gaz à effet de serre. Les membranes pour la séparation des gaz peuvent être classées en deux catégories principales, basées sur le matériau, polymère et inorganique, dans lesquelles les membranes polymériques sont plus populaires. Par rapport aux matériaux inorganiques, les membranes polymères présentent une meilleure facilité de traitement, une résistance mécanique et une densité de remplissage plus élevée, ce qui les rend appropriées pour des applications à grande échelle. Elles ne peuvent cependant pas supporter des températures élevées ou des agents chimiques agressifs. Leurs propriétés de séparation (perméabilité et sélectivité) peuvent être sévèrement compromises par les hydrocarbures condensables (C2+) lorsqu’elles sont appliquées dans les usines pétrochimiques, les raffineries et le traitement du gaz naturel. Pour améliorer les performances des membranes polymères, le nouveau concept, de membrane à matrice mixte (MMM), a été réalisé en dispersant des particules nanométriques ou microscopiques de matériaux inorganiques dans une matrice polymère. Dans ce travail, nous avons préparé de nouvelles MMMs en utilisant des polymères et des matériaux organo-métalliques (MOF) en tant que phases continue et dispersée, respectivement. Nous avons développé plusieurs techniques pour surmonter la faible adhérence interfaciale entre les deux phases qui diminue typiquement l’efficacité de séparation des MMM. Pour ce faire, dans la première partie de cette thèse (Chapitre 3), nous avons synthétisé des particules de MOF comportant des fonctions -NH2 et une série de polymères décorés de -OH pour la préparation de MMMs. La liaison physique entre les deux groupes fonctionnels s’est avérée améliorer nettement l’adhérence polymère/charge des MMMs obtenues ainsi que leur performance de séparation des gaz. Dans la partie suivante (Chapitre 4), nous avons introduit une modification post-synthétique pour former une liaison chimique entre le polymère et la charge dans les MMMs. Dans des conditions optimisées, un MOF fonctionnalisé portant des groupes réticulables a été amené à réagir avec un polymère déjà synthétisé contenant des extrémités de chaînes réactives pour produire, pour la première fois, des MMMs réticulées. Dans la dernière partie (Chapitre 5), nous avons décrit une nouvelle technique pour obtenir in-situ la liaison chimique polymère-charge pendant la synthèse du polymère. Dans cette technique, les particules de MOF ont été directement introduites dans le milieu de polymérisation. L’importance des liens polymère-charge a été étudiée en fonction du temps de polymérisation. Cette étude a montré une forte relation entre la qualité de l’interaction polymère-charge et les propriétés de séparation des gaz des MMMs. / In recent decades, membrane technology has shown its great performance in liquid phase separations such as production of drinking water from seawater. It has now attracted much scientific attention to expand its application to gas separations. Separation of air components, H2 from refinery industrial gases, separation and recovery of CO2 from biogas and natural gas are some examples in which the membrane technology is potentially applied at industrial level. The membrane based separation was either partially substituted or integrated with conventional methods like cryogenic distillation to product oxygen-enriched air (mole fraction 30% ) that is injected into industrial burners to obtain higher temperature with less gas consumption. It is also possible to use membrane technology to capture and recycle CO2 emitted from flue gas streams of power plants and steel mills in solving the greenhouse effect. The membranes for gas separation can be classified in two main categories, based on material, polymeric and inorganic, in which polymeric membranes are more popular. Compared to the inorganic, the polymer membranes show better processability, mechanical strength and higher packing density, hence, being suitable for large-scale applications. They cannot, however, withstand high temperatures or aggressive chemical agents. Their separation properties (permeability and selectivity) may be severely affected by condensable hydrocarbons (C2+) when they are applied in petrochemical plants, refineries and natural gas treatment. To enhance the performance of polymer membranes, a new concept, mixed matrix membrane (MMM), has been proposed by dispersing nano- or micro-sized particles of inorganic materials into a polymer matrix. In this work, we have prepared novel MMMs using polymers and metal organic framework (MOF) as the continuous and dispersed phases, respectively. We have developed several techniques to overcome the weak interfacial adhesion between the two phases that typically decreases the separation efficiency of MMMs. To do so, in the first part of this thesis (Chapter 3), we have synthesized a -NH2 included MOF particle and a series of -OH decorated polymers for MMM preparation. The physical bonding between the two functional groups was found to clearly improve the polymer/filler adhesion of the obtained MMMs as well as their gas separation performance. Then, in the following part (Chapter 4), we have introduced a post-synthetic modification to form chemical bonding between the polymer and filler within MMMs. Under optimized conditions, a functionalized MOF bearing crosslinkable groups was reacted with an as-synthesized polymer containing reactive chain-ends to produce, for the first time, crosslinked MMMs. In the final part (Chapter 5), we have described a novel technique to obtain in-situ the polymer-filler chemical bonding during the polymer synthesis. In this technique, the MOF particles were directly introduced into the polymerization medium. The extent of the polymer-filler link was studied as a function of polymerization time. This study has shown a strong relationship between the quality of polymer-filler interaction and the gas separation properties of the MMMs. / In recent decades, membrane technology has shown its great performance in liquid phase separations such as production of drinking water from seawater. It has now attracted much scientific attention to expand its application to gas separations. Separation of air components, H2 from refinery industrial gases, separation and recovery of CO2 from biogas and natural gas are some examples in which the membrane technology is potentially applied at industrial level. The membrane based separation was either partially substituted or integrated with conventional methods like cryogenic distillation to product oxygen-enriched air (mole fraction 30% ) that is injected into industrial burners to obtain higher temperature with less gas consumption. It is also possible to use membrane technology to capture and recycle CO2 emitted from flue gas streams of power plants and steel mills in solving the greenhouse effect. The membranes for gas separation can be classified in two main categories, based on material, polymeric and inorganic, in which polymeric membranes are more popular. Compared to the inorganic, the polymer membranes show better processability, mechanical strength and higher packing density, hence, being suitable for large-scale applications. They cannot, however, withstand high temperatures or aggressive chemical agents. Their separation properties (permeability and selectivity) may be severely affected by condensable hydrocarbons (C2+) when they are applied in petrochemical plants, refineries and natural gas treatment. To enhance the performance of polymer membranes, a new concept, mixed matrix membrane (MMM), has been proposed by dispersing nano- or micro-sized particles of inorganic materials into a polymer matrix. In this work, we have prepared novel MMMs using polymers and metal organic framework (MOF) as the continuous and dispersed phases, respectively. We have developed several techniques to overcome the weak interfacial adhesion between the two phases that typically decreases the separation efficiency of MMMs. To do so, in the first part of this thesis (Chapter 3), we have synthesized a -NH2 included MOF particle and a series of -OH decorated polymers for MMM preparation. The physical bonding between the two functional groups was found to clearly improve the polymer/filler adhesion of the obtained MMMs as well as their gas separation performance. Then, in the following part (Chapter 4), we have introduced a post-synthetic modification to form chemical bonding between the polymer and filler within MMMs. Under optimized conditions, a functionalized MOF bearing crosslinkable groups was reacted with an as-synthesized polymer containing reactive chain-ends to produce, for the first time, crosslinked MMMs. In the final part (Chapter 5), we have described a novel technique to obtain in-situ the polymer-filler chemical bonding during the polymer synthesis. In this technique, the MOF particles were directly introduced into the polymerization medium. The extent of the polymer-filler link was studied as a function of polymerization time. This study has shown a strong relationship between the quality of polymer-filler interaction and the gas separation properties of the MMMs.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LAVAL/oai:corpus.ulaval.ca:20.500.11794/31251 |
| Date | January 2018 |
| Creators | Nguyen, Tien Binh, Nguyen, Tien Binh |
| Contributors | Kaliaguine, S., Kaliaguine, S., Rodrigue, Denis, Rodrigue, Denis |
| Publisher | Université Laval, Université Laval |
| Source Sets | Université Laval |
| Language | English, English |
| Detected Language | French |
| Type | info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis |
| Format | 1 ressource en ligne (xv, 119 pages), 1 ressource en ligne (xv, 119 pages), application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess, https://corpus.ulaval.ca/jspui/conditions.jsp |
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