Création de nouvelles membranes intégrant des nanomatériaux novateurs dotés de fonctionnalités en mesure d’oxyder la matière organique et de rendre inactifs les agents pathogènes

Chercheur principal - Pierre Bérubé, professeur, Université de Colombie-Britannique (2009-2011)

Enjeu

Les technologies membranaires sont de plus en plus utilisées pour le traitement des eaux. Cela est dû en partie à la capacité des systèmes à membrane de retirer avec efficacité de nombreux virus et bactéries des sources d’eau brute à des coûts relativement bas. Malheureusement, étant donné leur petite taille, des virus et la matière organique naturelle ne sont pas aussi bien éliminés par les membranes d’ultrafiltration (UF). De plus, le rendement des membranes UF dépend aussi de leur capacité à soutenir un débit élevé de perméat, ce qui peut se faire en limitant l’étendue de l’encrassement qui survient sur et dans les membranes à cause de la présence de matière organique. Les nanomatériaux ont des fonctionnalités spécifiques, comme la capacité d’oxyder la matière organique et d’inhiber la croissance microbienne. L’intégration de ces matériaux directement dans les matériaux des membranes UF pourrait permettre le retrait efficace de tous les agents pathogènes et de la matière organique (MO) et aussi de réduire l’encrassement des membranes.

Ce projet vise à améliorer l’efficacité des technologies à membrane d’ultrafiltration pour retirer les agents pathogènes, les virus et la matière organique des eaux usées. En intégrant des nanomatériaux (nanoparticules et fibres) dans les membranes polymères, l’équipe du projet, sous la direction de Pierre Bérubé, souhaite élaborer la première génération de matériaux membranaires intégrés qui seront en mesure d’oxyder la matière organique et de rendre inactifs les agents pathogènes.

Projet

L’équipe du projet créera en premier lieu un matériau membranaire novateur dont la structure est stable en concevant une membrane fibreuse faite de multiples composantes qui incorpore des fonctionnalités précises, comme la capacité d’inactiver les pathogènes et d’oxyder la matière organique. Ces travaux seront réalisés au Advanced Materials and Process Engineering Laboratory de l’Université de la Colombie-Britannique. L’équipe procédera ensuite à une étude de caractérisation des fonctionnalités d’inactivation des pathogènes et d’oxydation de la MO de la membrane fibreuse multicomposantes, à l’échelle de banc d’essai.

Les résultats préliminaires indiquent que l’ajout de nanomatériaux (catalyseurs inorganiques) diminue la probabilité de bris de la membrane, ce qui augmente la vie fonctionnelle prévue de la membrane à faible coût. De plus, la présence d’un milieu oxydatif à la surface de la membrane a augmenté l’étendue de l’oxydation de la MO et diminué l’étendue d’encrassement de la membrane (comparativement à ce qui survient si l’oxydation est fournie avant la filtration membranaire. Des études numériques et expérimentales sont en cours pour évaluer et optimiser le renforcement des membranes avec des microfibres.

Produits

Ce projet permettra l’élaboration de nouvelles technologies et de nouveaux matériaux :

• Développement de matériaux membranaires améliorés qui seront adoptés pour des usages à grande échelle.
• Élaboration et prestation d’un cours de formation d’une journée sur la technologie membranaire destiné aux ingénieurs et autres praticiens en qualité de l’eau. Le cours est offert dans le cadre des séminaires de formation continue de l’Association of Professional Engineers of British Columbia ou du Réseau des Ingénieurs du Québec).
• Développement de protocoles pour fabriquer et tester différents nanomatériaux.

Les chercheurs ont cherché à diffuser les résultats du projet :

• Création en 2011 d’un site Web du groupe de recherche sur la technologie de filtration (Filtration Technology Research Group) à l’Université de la Colombie-Britannique (UBC). Le site contient les résultats de recherche de tous les projets récents et en cours (y compris le présent projet).
• Publications dans des revues scientifiques :
  • Delmont Lafond L., I. Giovanna Llamosas Chu, Z.S. Abdullah. B. Barbeau etR. Bérubé P.R. « Effect of long term exposure to oxidative environment on properties of PVDF and PVDF/TiO2 ultrafiltration membanes ». L’article sera soumis au Journal of Membrane Science.
  • Zhou W., F. Ko, A. Bahi, H. Yang, N. Konig, P.R. Bérubé et Barbeau B. « Structure and Properties of PVDF/TiO2 Nanofibre Membranes ». Le manuscrit est terminé; il est en cours de révision et sera soumis au Journal of Membrane Science.

Résultats

• Changements dans les façons de faire suite au développement de systèmes de membrane plus efficaces, autant pour le retrait des contaminants que pour le flux du perméat.
• Établissement d’un partenariat avec Sanitherm Engineering.
• GE Water and Process Technologies n’était pas un des collaborateurs du projet à ses débuts, mais l’est devenu dû au travail effectué par l’équipe du projet sur les effets à long terme d’un milieu oxydatif sur l’altération de la membrane, ce qui devrait accroître sa durée de vie fonctionnelle.
• Bien que le projet ait été centré sur l’élaboration et l’évaluation de matériaux de membrane novateurs en laboratoire, on prévoit que l’équipe du projet testera les matériaux les plus prometteurs à pleine échelle sous peu, en collaboration avec Sanitherm Engineering. SI les matériaux novateurs performent bien à pleine échelle, on s’attend à ce qu’ils soient adoptés par les praticiens en qualité de l’eau qui conçoivent les systèmes de membrane.
• Prise de décision éclairée grâce à l’élaboration des protocoles pour fabriquer et tester différents matériaux de membrane. Ces protocoles sont maintenant largement utilisés et sont essentiels à un certain nombre d’autres projets de recherche en cours à UBC et à l’École Polytechnique.