Modification avancée de la surface résistante au (bio)salissure du creux en PTFE

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 11871 (2023) Citer cet article

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Le traitement de surface des membranes pour modifier la résistivité anti-(bio)fouling joue un rôle clé dans la technologie des membranes. Cet article rend compte de l'utilisation réussie de la polymérisation de surface stimulée par l'air de nanoparticules de ZnO incorporées au chlorhydrate de dopamine (ZnO NP) pour empêcher l'hydrophobicité intrinsèque et la faible résistivité anti-(bio)salissure des membranes à fibres creuses (HFM) en polytétrafluoroéthylène (PTFE). L’étude impliquait l’utilisation de HFM en PTFE vierges et recouverts de polydopamine (Pdopa), avec et sans la présence d’une alimentation en air et de NP de ZnO ajoutés. Des mesures du potentiel zêta ont été effectuées pour évaluer la stabilité de la dispersion des NP de ZnO avant l'immobilisation, tandis que la caractérisation morphologique et la dépendance temporelle de la couche de croissance de Pdopa ont été illustrées par microscopie électronique à balayage. La polymérisation de surface de la Pdopa et l'immobilisation des NP de ZnO ont été confirmées par spectroscopie FT-IR et EDX. La transformation des caractéristiques de surface du PTFE HFM en superhydrophiles a été démontrée par l'analyse de l'angle de contact avec l'eau et la stabilité des NP de ZnO immobilisés évaluée par analyse ICP. Les critères antisalissure et les performances de résistivité (bio)salissure des membranes à surface modifiée ont été évalués par détermination de la récupération du flux de sérumalbumine bovine dans une filtration sans issue ainsi que par évaluation microbienne en condition de contact dynamique contre Staphylococcus spp. et Escherichia coli, respectivement. Le taux de récupération par filtration et les résultats antimicrobiens suggèrent des impacts prometteurs de modification de surface sur les propriétés antisalissure du PTFE HFM. En tant que telle, la méthode représente la première utilisation réussie d’un revêtement Pdopa stimulé par l’air incorporant des NP de ZnO pour induire une modification de surface du PTFE HFM superhydrophile. Une telle méthode peut être étendue aux autres membranes associées aux procédés de traitement des eaux.

Les membranes sont couramment utilisées dans les systèmes de traitement de l'eau en raison de leur faible encombrement, de leurs coûts d'exploitation raisonnables, de leur efficacité de séparation sélective élevée et de la haute qualité du perméat final1,2,3. La filtration membranaire est une technologie polyvalente qui peut être couplée à d’autres systèmes de séparation de l’eau, notamment la micro et l’ultrafiltration en bioréacteurs, où elle représente un substitut autonome aux clarificateurs secondaires et à la nanofiltration dans le traitement de l’eau potable4,5. Toutefois, un obstacle important entravant le développement des membranes comme principale option dans les systèmes de traitement de l’eau est l’encrassement biologique4,6.

L’encrassement des membranes est le problème le plus courant réduisant la productivité des membranes pendant la filtration7. La fixation de matière inorganique, le dépôt de résidus organiques, le piégeage de substrats particulaires et l'accumulation de micro-organismes peuvent tous créer une couche de gâteau à la surface de la membrane, entraînant un blocage des pores, une augmentation de la pression transmembranaire, une augmentation de la consommation d'énergie, une réduction du flux de perméat et fonctionnalité membranaire inefficace4,7. En intégrant les résultats pratiques de l'ultrafiltration membranaire dans les systèmes de bioréacteurs avec des modèles théoriques de blocage des couches de gâteaux, Yang et al.8 ont conclu que ces couches de gâteaux étaient le principal encrassement des membranes, Wardani et al.9 notant que le taux réel d'encrassement était le résultat d'une corrélation entre les propriétés intrinsèques de la membrane et la composition des salissures.

En raison de leur grande stabilité physique et chimique, les polymères organiques synthétiques sont de plus en plus utilisés comme matières premières pour la production de membranes à fibres creuses d'ultrafiltration (HFM)9,10. Par exemple, le polytétrafluoroéthylène (PTFE) est souvent utilisé en raison de ses propriétés physicochimiques inhérentes comparativement plus élevées que les autres HFM conventionnels utilisés pour le traitement de l'eau. Le PTFE possède une résistivité chimique élevée permettant son utilisation dans divers processus de traitement de l'eau, même lorsqu'il est exposé à des substances agressives ou corrosives. Le PTFE présente également une tolérance à haute température qui permet de résister à des températures élevées sans compromettre son intégrité physique ; et une flexibilité qui permet aux membranes immergées de trembler et de se déplacer facilement dans le système de bioréacteur sans craindre de se déchirer11. Pour ces raisons, le PTFE a été choisi dans cette étude. Néanmoins, les HFM en PTFE ont des caractéristiques hydrophobes qui facilitent l’adsorption des protéines, des acides gras et de la plupart des micro-organismes filamenteux (MO) dans un processus qui contribue à l’encrassement des membranes11,12. La phase dominante de ces groupes d'encrassement est hydrophobe, ce qui signifie qu'elle est attirée vers la surface hydrophobe de la membrane organique13,14,15, augmentant ainsi le taux d'encrassement en se fixant à la surface de la membrane ou en restant piégée à l'intérieur des pores de la membrane12.