Méthode de synthèse robuste de membranes zéolithes MFI et prediction de leurs performance pour la séparation éthanol/eau par pervaporation

Abstract

International audienceDans ce travail, un protocole robuste a été mis au point pour la synthèse à grande échelle demembranes zéolithes MFI (silicalite-1) sur des supports céramiques industriels. La méthode estbasée sur la synthèse hydrothermale de nano-germes de zéolithe par chauffage micro-ondes,leur dépôt sur le support, suivi par la croissance secondaire assistée par chauffage classique.Les performances des membranes MFI ont été validées pour l'extraction d'éthanol dans l’eaupar pervaporation.Une variété de supports commerciaux tubulaires en céramique fournis par Pall-Exekia,Inocermic, CTI, Atech, ainsi que des modules multi-capillaires produits par Hyflux CEPArationTechnologies, ont été testés afin de valider la robustesse du protocole de synthèse. Uneattention particulière a également été portée à la diminution des coûts de synthèse (quantité deproduits chimiques, nombre d'étapes de synthèse, recyclage) ainsi que des coûts du contrôlede qualité (méthodes simples de contrôle de l'homogénéité des membranes et de lareproductibilité de leurs performances).La formation de membranes homogènes (observée par FESEM) a été confirmée sur tous lestypes de supports, y compris sur les tubulaires mono ou multi-canaux et sur les assemblagesmulti-capillaires (20 cm de long). Afin d’optimiser les synthèses et de les valider sur cessupports industriels, une méthode simple et rapide a dû être développée pour prédire lesperformances des membranes pour l’extraction de l’éthanol dans l’eau. L’objectif était d’éviter,pendant cette étape de screening, la mise en oeuvre de protocoles complexes et coûteuxnécessitant une analyse de mélanges à l’échelle semi-industrielle. Dans ce cadre, unecorrélation originale a été mise en évidence entre la sélectivité des membranes en perméancedes gaz purs N2 et SF6 et le facteur de séparation éthanol/eau en pervaporation. Ainsi, les performances des membranes de silicalite-1 (S-1) pour la séparation de mélanges éthanol/eaus’avèrent être directement prévisibles à partir de valeurs de permsélectivités idéales a*(N2/SF6): par exemple un facteur de séparation éthanol/eau d’environ 60 (avec un flux d’éthanol de ~1,1kg.m-2s-1) est typiquement attendu pour une permsélectivité a*(N2/SF6) supérieure à 100. Lacourbe de corrélation empirique a ainsi permis d’optimiser à moindre coût les conditions desynthèse pour l’obtention de modules industriels intégrant des membranes organophilesperformantes pour l'extraction d’éthanol