Étude de la perméation du Toluène et du n-Heptane dans des réseaux polaires orginaux de type polyuréthane : application à leur séparation par pervaporation
Résumé
The understanding of physicochemical interactions which can exist between chemical species such as solvents and polymers are usually the key of the implementation of the corresponding polymers in innovative processes such as elaboration of selective film polymers. Used in pervaporation, a physicochemical method of separation, suited materials could allow the separation of non polar mixtures such as aromatic/alkane which are known to be difficult to separate. This problem has been studied in this work with a model mixture : toluene/n-heptane. From literature data, physicochemical interactions which enable favourable extraction of an aromatic compound from an aliphatic one have been pointed out. Crosslinked polyurethanes have been prepared in order to use them in pervaporation. The synthesis of those polymers with evolutive structure has been performed to control to the best, the chemical architecture of those materials. The transport properties of binary and ternary systems have been investigated based on sorption, diffusion and pervaporation measurements in order to determine the respective contribution of the two major elementary phenomena involved in pervaporation. In the case of the ternary systems, materials showed high selectivities for toluene while they have no affinity towards nheptane. The study of this elementary step supported a sorption synergy phenomenon. The differential permeation in transitory regime showed that toluene diffused moderately faster than n-heptane for all binary systems studied. The pervaporative transport characterization allowed to establish that when the sorption step is predominant for permselectivity of toluene, the diffusion selectivity is inverted with regard to the observations made for binary systems. In other respects, some of the polyurethanes synthesised exhibit interesting separation properties close to those required for an industrial application.
La compréhension des interactions physico-chimiques pouvant exister entre des espèces chimiques simples comme des solvants et des polymères est le plus souvent la clé de la mise en oeuvre des matériaux correspondants dans des procédés innovants, tels que l'élaboration de films polymères dotés de propriétés de transport sélectives. Utilisés en pervaporation, méthode physico-chimique de fractionnement, des matériaux aux propriétés adaptées pourraient permettre la séparation de mélanges non polaires de type aromatique/alcane très difficiles à fractionner par ailleurs. Ce problème a été étudié dans ce mémoire à l'aide d'un mélange modèle : toluène/nheptane. A partir de données de la littérature, les interactions physico-chimiques permettant l'extraction privilégiée d'un composé aromatique vis à vis d'un composé aliphatique ont été mises en évidence, menant à la préparation de polyuréthanes réticulés chimiquement utilisables en pervaporation. La synthèse de ces polymères de structure évolutive a été menée dans le souci de contrôler au mieux l'architecture chimique des matériaux. Les propriétés de transport des systèmes binaires et ternaires ont été examinées par des mesures de sorption, diffusion et pervaporation en vue de déterminer la contribution respective des deux premiers phénomènes élémentaires au transfert pervaporatif. Dans le cas des systèmes ternaires, les matériaux ont présenté des sélectivités élevées vis à vis du toluène alors qu'ils n'ont montré aucune affinité pour le n-heptane. L'étude de ce phénomène élémentaire a mis en évidence l'existence d'une synergie de sorption. La perméation différentielle en régime transitoire a montré que le toluène diffusait sensiblement plus rapidement que le n-heptane pour tous les systèmes binaires étudiés. La caractérisation du transport pervaporatif a permis d'établir que si le phénomène de sorption est bien déterminant pour la permsélectivité du toluène, la sélectivité de diffusion est inversée par rapport à celle observée avec les systèmes binaires. Par ailleurs, certains des polyuréthanes synthétisés possèdent des propriétés de séparation très intéressantes et proches de celles requises pour une application industrielle.