Ultrafiltration tangentielle de suspensions de nanocristaux de cellulose assistée par ultrasons : Approche multi-échelle (SAXS, MicroPIV)
Résumé
Dans le domaine de la bioraffinerie, les techniques d'ultra- et de microfiltration peuvent s'avérer indispensables pour la valorisation des produits à base de bois à haute valeur ajoutée. En ce qui concerne les nanocristaux de cellulose (NCC), les différentes méthodes de production conduisent à l'obtention de mélanges hétérogènes en taille, contenant à la fois des NCC et des particules micrométriques. Dans ce contexte, la séparation membranaire permettrait de résoudre ce problème en isolant les NCC des particules plus grosses. Toutefois, ce processus est limité par l'accumulation de particules à la surface de la membrane (phénomènes de colmatage et de polarisation de concentration) [1]. La stratégie choisie dans cette étude consiste à contrôler le colmatage et à améliorer le transfert de masse, par un couplage de champs ultrasonores et des champs d'écoulement de cisaillement et de pressions agissant lors de l'ultrafiltration tangentielle [2]. Les objectifs de ce travail sont d'apporter une compréhension des mécanismes impliqués dans la formation des couches de polarisation de concentration avec/sans ultrasons en utilisant une approche multi-échelle combinant, i) la diffusion de rayons X aux petits angles (SAXS) et ii) les mesures de vélocimétrie par image de particules "in situ" (micro-PIV) au cours de l'ultrafiltration tangentielle. Les mesures de SAXS permettent de déterminer des profils de concentration à l'échelle nanométrique [3] tandis que la micro-PIV, donne des informations sur les champs de vitesse au voisinage de la surface de la membrane et lors de la filtration sur des échelles de quelques centaines de micromètres [4]. Une cellule de filtration tangentielle couplée aux ultrasons a été développée pour, d'une part, appliquer les ondes ultrasonores près de la membrane plane, et d'autre part, pour accéder à une caractérisation "in-situ" de l'organisation colloïdale et des profils de concentration dans la couche de polarisation. Grâce à cette cellule, les profils de concentration et l'organisation structurelle (orientation, agrégation/désagrégation) des suspensions de NCC ont été mesurés simultanément en fonction de la distance z à la surface de la membrane avec une précision de 20 µm et à une température contrôlée de T= 25°C. Les résultats présentés dans la Figure 1 montrent que les ultrasons induisent une diminution de l'épaisseur de la couche de polarisation, associée à une réduction de la concentration dans la couche ainsi qu'une modification de l'organisation anisotrope au plus proche voisinage de la membrane. L'ensemble de ces modifications de la couche de polarisation de concentration induit une augmentation du flux de perméation et donc une amélioration des performances de filtration. Ils révèlent un équilibre entre le comportement rhéologique de la suspension à la surface de la membrane et différentes forces externes telles que la pression, le flux de cisaillement et l'agitation locale induite par les ondes ultrasonores. [1] Romdhane A., Aurousseau M., Guillet A., Mauret E., « Cross flow microfiltration of starch nanocrystal suspensions », The Canadian Journal of Chemical Engineering, 93 (2015) 412-418. [2] Hengl N., Jin, Y., Pignon, F., Baup, S., Mollard, S., Gondrexon, N., Magnin, A., Michot, L., Paineau, E., « A new way to apply ultrasound in cross-flow ultrafiltration: application to colloidal suspensions», Ultrasonics Sonochemistry, 21 (2014) 1018-1025. [3] Jin Y., Hengl N., Baup S., Pignon F., Gondrexon N., Sztucki M., RomdhaneA., Guillet A., Aurousseau M., « Ultrasonic assisted cross-flow ultrafiltration of starch and cellulose nanocrystals suspensions: Characterization at multi-scales », Carbohydrate Polymers, 124 (2015) 66-76. [4] Rey C., Hengl N., Baup S., Karrouch M., Gicquel E., Dufresne A., Djeridi H., Dattani R., Jin Y., Pignon F., "Structure, Rheological Behavior and in-situ Local Flow Fields of Cellulose Nanocrystal Dispersions During Cross-flow Ultrafiltration", ACS Sustainable Chem. Eng. 7 (2019) 10679.
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