Effet du liquide ionique sur la formation de membranes d'ultrafiltration en copolyimide avec un meilleur rejet de La3+

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 8200 (2022) Citer cet article

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L'ultrafiltration (UF) en tant que méthode de séparation industrielle largement utilisée avec une sélection optimale des matériaux de membrane peut être appliquée pour extraire les métaux des terres rares des solutions diluées formées lors du traitement des déchets électroniques par des méthodes hydrométallurgiques. Dans le présent travail, des membranes de copolyimide UF prometteuses ont été préparées à l'aide d'un co-solvant liquide ionique (IL) [hmim] [TCB] qui peut être considéré comme une alternative écologique aux solvants conventionnels. Les membranes ont été caractérisées par ATR-FTIR, TGA, SEM et calculs de chimie quantique. Une différence significative dans la morphologie de ces membranes a été révélée par MEB des sections transversales de membranes ; la membrane P84 a une structure en forme de doigt de substrat poreux contrairement à la structure spongieuse du substrat pour la membrane P84/IL en raison d'une viscosité dynamique plus élevée de la solution de moulage. Les paramètres de transport ont été déterminés dans des tests d'ultrafiltration avec de l'eau pure et une solution aqueuse d'albumine de sérum bovin. L'ajout de liquide ionique à la solution de coulée P84 augmente les performances de la membrane. La capacité de rejet a été évaluée par rapport au La3+ sous forme d'un complexe lanthane alizarine (LAC) en solution aqueuse d'acétone. La membrane P84 préparée à l'aide d'IL a montré un rejet élevé (98,5 %) par rapport au LAC, ainsi qu'une productivité importante.

Les techniques membranaires avec leurs grands avantages par rapport aux méthodes de séparation conventionnelles sont efficacement utilisées pour résoudre les tâches environnementales et industrielles urgentes de purification des solutions aqueuses et de séparation des composants des milieux liquides1,2,3,4,5. Les techniques membranaires nécessitent un minimum d'énergie et de coûts économiques, elles sont faciles à utiliser, à mettre en œuvre et à entretenir. L'ultrafiltration (UF) moderne est constamment développée et trouve son application dans les industries alimentaires, pharmaceutiques, textiles, papetières et autres6,7,8. Les procédés à grande échelle, tels que la filtration à haute température des huiles visqueuses, la purification de l'eau dans les réacteurs nucléaires, la catalyse chimique, les réactions en phase gazeuse et autres, nécessitent des membranes UF qui présentent non seulement une perméabilité élevée, une sélectivité et de bonnes propriétés mécaniques, mais également une stabilité thermique et chimique9,10,11,12. Parmi les matériaux disponibles dans le commerce, les polymères à motifs imide dans le squelette possèdent dans une large mesure les propriétés ci-dessus, ce qui est dû à la présence de cycles hétérocycliques et aromatiques rigides dans leurs chaînes13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23. Le copolyimide P84 (BTDA-TDI/MDI) est un produit de polycondensation entre le benzophénone-3,3',4,4'-tetracarboxylic dianhydride (BTDA) et le 2,4-tolylène diisocyanate/1,1′-méthylènebis(4-isocyanatobenzène) (80/20%) ; ce polyhétéroarylène disponible dans le commerce présente de bonnes propriétés mécaniques, une résistance chimique et une faible hydrophilie. Le copolyimide P84 a été étudié comme matériau de membrane pour la nanofiltration24, la séparation des gaz25,26 et la pervaporation14,27,28,29,30.

L'étude sur les membranes P84 dans les procédés UF a été réalisée en31,32,33,34. Dans l'ouvrage34, les auteurs ont comparé la structure et les propriétés des membranes préparées à partir de trois polyimides commerciaux : P84, Matrimid et Torlon selon le solvant utilisé, la N-méthylpyrrolidone (NMP) ou le diméthylsulfoxyde (DMSO). Les membranes ont été formées par la technique d'inversion de phase en utilisant de l'eau comme coagulant. La membrane P84 obtenue à partir d'une solution de DMSO avait une structure poreuse spongieuse, contrairement à la structure en forme de doigt de la membrane obtenue à partir d'une solution de NMP. La différence dans les structures se reflétait dans les propriétés de transport des membranes UF. Il a été trouvé que la membrane P84 obtenue à partir d'une solution dans la NMP possédait les meilleures propriétés de transport.

Les membranes polymères sont couramment préparées à partir de solutions à base de solvants aprotiques polaires, tels que le NMP, le DMSO, le diméthylacétamide et le diméthylformamide en raison de leur affinité chimique pour un polymère ; les solvants polaires répertoriés sont hautement toxiques pour la santé humaine et les écosystèmes. Les liquides ioniques (IL) offrent une alternative écologique aux solvants conventionnels35 ; Les IL sont des sels organiques qui restent liquides à température ambiante, ont de bonnes propriétés thermiques et chimiques, une faible volatilité et peuvent être recyclés et réutilisés. L'utilisation de ces solvants "verts" minimiserait les déchets et les pertes dans les procédés chimiques36. Il a été montré dans37 que l'utilisation du tétrafluoroborate de 1-éthyl-3-méthylimidazolium comme additif (jusqu'à 17% IL) dans la solution de polyéthersulfone dans le DMF pour la formation de membranes UF conduit à une augmentation significative du flux pour une solution aqueuse d'albumine de sérum bovin et du taux de récupération du flux.

La comparaison des membranes d'acétate de cellulose (CA) obtenues à partir d'une solution CA à 10 % en poids de thiocyanate de 1-butyl-3-méthylimidazolium (IL) ou de NMP par précipitation dans l'eau a montré que la membrane CA/IL avait une très faible porosité ~ 6 % et des performances réduites par rapport à la membrane CA/NMP avec une porosité ~ 84 %38. Selon les données SEM, la membrane CA/NMP avait des pores plus ouverts que la membrane CA/IL. L'effet de l'IL dépend également du type de polymères, même similaires comme la cellulose et le CA39. L'ajout d'IL (acétate de 1-éthyl-3-méthylimidazolium) en une quantité de 0 à ~ 50 % en poids à la solution de moulage de 8 % en poids de cellulose dans du DMSO n'a eu pratiquement aucun effet sur la structure et les propriétés de la membrane. Cependant, un ajout similaire d'IL à la solution de coulée de CA dans du DMSO a entraîné une modification de la morphologie de la membrane, une augmentation du flux, mais une diminution du rejet du bleu de dextran.

Le but de ce travail était d'étudier l'effet des additifs 1-hexyl-3-méthylimidazolium tétracyanoborate-[hmim][TCB] (IL) sur la structure et les propriétés de transport des membranes UF préparées à partir de copolyimide P84 (Fig. 1). Une autre tâche importante était d'évaluer la possibilité d'utiliser ces membranes pour le rejet de La3+. Il est connu que la méthode d'ultrafiltration réactive peut être appliquée pour extraire les métaux de terres rares des solutions diluées formées lors du traitement des déchets électroniques par des méthodes hydrométallurgiques40,41,42. Le plus grand intérêt réside dans la mise en oeuvre de cette méthode par la formation d'ions complexes plus gros que les ions initiaux du métal isolé en introduisant un agent complexant spécialement choisi. Dans ce travail, afin d'évaluer la capacité de rejet des membranes P84 et P84/IL vis-à-vis de La3+, nous avons utilisé un chélateur d'alizarine qui forme un composé complexe avec La3+, c'est-à-dire un complexe lanthane-alizarine (LAC) en solution aqueuse d'acétone43,44.

Formules structurelles de (a) copolyimide P84 et (b) tétracyanoborate de 1-hexyl-3-méthylimidazolium (IL).

La N-méthylpyrrolidone (NMP) de qualité analytique et le phosphate de potassium de qualité haute pureté ont été achetés auprès de Spectr-Chem (Saint-Pétersbourg, Russie). Le tétracyanoborate de 1-hexyl-3-méthylimidazolium de qualité HPLC (≥ 97%) ([hmim][TCB]) a été acheté chez Merck (Darmstadt, Allemagne). La poudre P84 commerciale a été achetée auprès de HP Polymer GmbH (Lenzing, Autriche). Le nitrate de lanthane hexahydraté de qualité chimiquement pure a été acheté auprès de ChemExpress (Saint-Pétersbourg, Russie). Le chlorure de sodium et le phosphate de sodium 2-substitué de haute pureté ont été achetés auprès de Vekton (Saint-Pétersbourg, Russie). L'albumine de sérum bovin de qualité HPLC (≥ 99%) a été achetée auprès de Dia-M (Moscou, Russie); La γ-globuline bovine et l'ovalbumine de qualité HPLC (≥ 97 %) ont été achetées auprès de Sigma-Aldrich Chemie GmbH. (Sigma-Aldrich, Schnelldorf, Allemagne); la vitamine B12 de qualité HPLC (≥ 98 %) a été achetée chez J&K Sientific Ltd. (San Jose, États-Unis).

Des membranes asymétriques ont été obtenues à partir de solutions de coulage de P84 dans la NMP ou à partir d'une solution de P84/IL/NMP dans le rapport 15/15/70 (wt%). La solution de coulée a été coulée sur une plaque de verre à l'aide d'un couteau de coulée d'une épaisseur nominale de 300 μm, et la plaque de verre a été immergée immédiatement dans un bain coagulant avec un mélange eau/éthanol dans le rapport 60/40 (% en poids) à température ambiante. La membrane poreuse asymétrique s'est formée à la suite du processus d'inversion de phase ; il a été maintenu dans le bain de coagulation pendant ~ 3 h. Ensuite, la membrane a été lavée trois fois avec une solution aqueuse d'éthanol, d'hexane et séchée.

La viscosité dynamique des solutions de moulage P84 et P84/IL dans la NMP a été mesurée à l'aide d'un viscosimètre à vibration SV-10A, A&D (Japon) avec une plage de mesure de 0,3 à 10 000 mPa s. La mesure a été effectuée à 25°C.

L'optimisation complète de la géométrie de toutes les structures du modèle a été réalisée au niveau de la théorie DFT en utilisant la fonctionnelle hybride corrigée en dispersion ωB97XD45 à l'aide du progiciel Gaussian-0946. Les ensembles de base standard 6-31G* ont été utilisés pour tous les atomes. Aucune restriction de symétrie n'a été appliquée lors de la procédure d'optimisation de la géométrie. Les matrices hessiennes ont été calculées analytiquement pour des structures de modèle optimisées afin de prouver l'emplacement des minima corrects sur les surfaces d'énergie potentielle (aucune fréquence imaginaire n'a été trouvée dans tous les cas). Les paramètres thermodynamiques ont été calculés à 298,15 K et 1,00 atm. Les enthalpies, les entropies et les énergies libres de Gibbs des structures du modèle d'équilibre optimisé sont présentées dans les tableaux S1. Une description détaillée des enthalpies, des entropies et de la procédure de calcul des énergies libres de Gibbs est donnée dans22.

Des tests d'ultrafiltration ont été réalisés dans la cellule cul-de-sac avec un diamètre de membrane de 25 mm équipé d'un agitateur avec une vitesse de 200 à 600 tr/min, une pression transmembranaire a été maintenue à ~ 1 bar par un flux d'azote47. La quantité de filtrat (perméat) a été déterminée à l'aide d'une balance électronique.

L'étalonnage de la membrane a été réalisé selon la technique décrite dans48. Le test UF a été réalisé en utilisant un mélange à 1% en poids de protéines de poids moléculaire différent (tableau 1) dans une solution tampon phosphate, pH 7. La concentration des protéines dans l'alimentation et le perméat a été analysée à l'aide d'un spectrophotomètre PE-5400UF (Ekroschem, Saint-Pétersbourg, Russie). Les mesures ont été réalisées à une longueur d'onde de 280 nm car c'est l'absorption maximale des protéines sélectionnées.

Pour estimer l'efficacité de séparation des membranes vers La3+, une solution de complexe lanthane-alizarine (LAC) a été préparée à partir des composants suivants : 2 cm3 d'une solution tampon acétate, 10 cm3 d'une solution de nitrate de lanthane à une concentration de 5 mmol/dm3, 10 cm3 d'une solution de complexone alizarine (5 mmol/dm3) et 25 cm3 d'acétone. Bien mélangés, 20 cm3 de la solution préparée ont été prélevés avec une pipette calibrée et transférés dans une fiole jaugée de 100 cm3.

La concentration de LAC dans le perméat et l'alimentation a été déterminée à l'aide d'un colorimètre à concentration photoélectrique KFK-ZKM (Unico-Sis, Saint-Pétersbourg, Russie) (un filtre de lumière avec une transmission maximale de 590 ± 10 nm et une bande passante de 25 ± 10 nm).

Les données des expériences UF ont été utilisées pour calculer les propriétés de transport des membranes.

Le flux à travers les membranes, J (L m−2 h−1 bar−1), a été calculé comme suit :

où V est le volume du perméat, L; t est le temps de filtration, h ; S est la surface de la membrane, m2 ; et P est la pression transmembranaire, bar.

Le rejet (R) a été calculé comme suit :

où Cp et C0 sont les concentrations de protéines (ou d'autres composants rejetés) dans le perméat et l'aliment, respectivement, en g/L.

Le taux de récupération du flux (FRR) a été calculé à l'aide de l'équation suivante :

où J0 est le flux d'eau pure à travers la membrane, J0t est le flux d'eau pure après ultrafiltration de la solution protéique à la même pression.

La dispersion du rejet (σ) a été calculée comme suit :

où M0.9 et M0.1 sont les poids moléculaires des protéines qui ont été rejetées par la membrane à 90 % et 10 %, respectivement.

Pour déterminer la porosité de la membrane, une membrane a été immergée dans de l'eau distillée pendant 12 h, puis pesée après avoir éliminé l'excès d'humidité de la surface à l'aide de papier filtre. De plus, la membrane a été placée dans une étuve à vide, séchée pendant 12 h à 60 ° C et pesée. Toutes les mesures de poids ont été effectuées à l'aide d'une balance analytique Mettler Toledo (avec une erreur ± 0,0001 g). La porosité de la membrane a été calculée en utilisant l'Eq. (5)49 :

où Ww et Wd sont les poids de la membrane humide et sèche, respectivement, g ; ρw est la masse volumique de l'eau (0,998 g/cm3) ; S est la surface de la membrane, cm2 ; d est l'épaisseur moyenne de la membrane, cm.

La morphologie de la membrane a été étudiée au microscope électronique à balayage SEM Zeiss SUPRA 55VP (Carl Zeiss AG, Allemagne). Pour obtenir des micrographies en coupe transversale, les échantillons de membrane ont été prétraités avec de l'azote liquide. Avant le test, la couche de platine de 20 nm d'épaisseur a été déposée sur la surface de l'échantillon par pulvérisation cathodique à l'aide de l'installation Quorum 150 (Grande-Bretagne).

L'analyse thermogravimétrique (TGA) a été réalisée sur un analyseur TG 209 F1 (Netzsch, Allemagne) en utilisant des échantillons pesant ~ 8–15 mg dans des conditions d'augmentation dynamique de la température de 40 à 420 ° C dans une atmosphère d'azote.

Les spectres ATR-FTIR des membranes ont été enregistrés sur le spectromètre IR-Fourier Bruker Tensor 27 (Bruker Daltonics, Billerica, Massachusetts, Allemagne) avec une résolution de 1 cm-1 dans la plage de 4000 à 500 cm-1 à température ambiante (25 ° C).

Le paramètre de solubilité de Hildebrand (δ) a été calculé comme50 :

où ∆Ew/Vw est la densité d'énergie de cohésion nécessaire pour surmonter toutes les forces intermoléculaires à moins de 1 cm3 d'une substance.

La sélection des conditions de formation des membranes de structure asymétrique à base de P84 a été réalisée en faisant varier la concentration en polymère dans la solution de NMP. La figure 2 montre les données sur le flux d'eau pure (J0), le rejet (R) de l'albumine de sérum bovin (BSA), ainsi que le taux de récupération du flux (FRR) en fonction de la concentration en P84 dans la solution de coulée. Lorsque la concentration en polymère augmente, le flux diminue, mais le FRR et le rejet augmentent. Cela est dû au fait qu'une augmentation de la concentration en polymère entraîne une augmentation de la viscosité de la solution de coulée, ce qui ralentit la diffusion du coagulant et, ainsi, la vitesse d'inversion de phase diminue. En conséquence, des membranes avec une couche sélective plus dense et des tailles de pores plus petites sont formées51. Une taille de pores plus petite détermine une diminution du flux, mais également une diminution de l'adsorption des molécules protéiques à leur surface, ce qui contribue à une augmentation de la FRR.

Dépendance du flux d'eau pure (J0), du rejet (R) et du taux de récupération du flux (FRR) des membranes P84 sur la concentration en P84 dans la solution de coulée.

La combinaison optimale des propriétés de transport (J, R, FRR) a été obtenue pour la membrane préparée à partir d'une solution de P84 à 15 % en poids. Pour évaluer l'efficacité de séparation de la membrane préparée à partir de 15% en poids de P84, des tests d'étalonnage UF ont été effectués à l'aide d'une solution aqueuse à 1% en poids d'un mélange de quatre protéines de poids moléculaire différent (tableau 1). La figure 3 montre la dépendance du rejet sur le poids moléculaire de la protéine. Cette courbe a été utilisée pour déterminer la valeur du seuil de poids moléculaire (MWCO) qui correspond au poids de la protéine rejetée à 90%48,52.

Dépendance du rejet de protéine sur le poids moléculaire pour la membrane P84 préparée à partir d'une solution à 15 % en poids.

Le MWCO de cette membrane P84 est de 65 000 g/mol. La figure 3 a également été utilisée pour évaluer la dispersion (σ) de la courbe de rétention qui a été calculée par Eq. (4). Pour la membrane asymétrique développée, ce paramètre était égal à ~ 1,4. En règle générale, la dispersion des membranes polymères conventionnelles est comprise entre 0,7 et 1,5. Ce dernier peut séparer complètement les composants dont le poids moléculaire diffère de dizaines à de centaines de fois.

La porosité de la membrane P84 préparée à partir d'une solution à 15% en poids a été déterminée à l'aide de l'Eq. (5). Cette valeur est d'environ 65% ce qui est en corrélation avec les paramètres des membranes industrielles49.

Pour évaluer l'effet des additifs IL sur la structure et les propriétés des membranes asymétriques, les membranes P84/IL ont été préparées à partir d'une solution de coulée contenant P84/IL/NMP dans le rapport 15/15/70 (% en poids). Le tétracyanoborate de 1-hexyl-3-méthylimidazolium IL a été utilisé comme co-solvant pour la NMP. En raison de la présence du cation imidazolyle dans la structure de l'IL, une bonne compatibilité de l'IL se produit à la fois avec le copolyimide P84 et le solvant NMP.

Le tableau 2 répertorie les propriétés des liquides utilisés comme solvant. Les paramètres de solubilité d'Hildebrand pour l'IL et la NMP sont proches, ce qui contribue à leur affinité et à leur bonne compatibilité avec le polymère membranaire, puisque le paramètre de solubilité d'Hildebrand pour le P84 est de 26,4 (J/cm3)1/2.

Les hypothèses de bonne compatibilité de l'IL avec la NMP et le P84 ont été confirmées par des calculs de chimie quantique. Les interactions du solvant amide, de l'IL et du copolyimide ont été considérées comme des processus hypothétiques d'association supramoléculaire. Les réactions modèles sont présentées dans le tableau 3.

Les résultats des calculs de chimie quantique (tableau 3 et tableau S1) révèlent que tous les processus d'association supramoléculaire hypothétiques étudiés sont exothermiques. En termes d'énergies libres de Gibbs, les réactions modèles les plus favorables sur le plan thermodynamique sont les associations du cation IL avec la NMP ainsi que du cation et de l'anion IL avec le copolyimide P84 (Fig. 4). Ainsi, on peut conclure que NMP et IL sont thermodynamiquement stables et IL peut être utilisé comme cosolvant pertinent pour P84.

Schéma de coordination de (a) cation IL avec NMP, (b) cation IL avec P84 et (c) anion IL avec P84.

L'ajout d'IL favorise la formation de solutions polymères plus visqueuses. La viscosité dynamique de la solution de moulage P84/IL à 15 % en poids est égale à 6,33 P s alors que ce paramètre pour la solution de moulage P84 à 15 % en poids n'est que de 1,89 P s. Ainsi, l'ajout d'IL augmente la viscosité de la solution de moulage de polymère de plus de trois fois. Une augmentation de la viscosité de la solution de moulage de polymère affecte de manière significative le processus de formation de la membrane P84/IL en utilisant la technique d'inversion de phase.

La stabilité thermique des membranes a été étudiée par analyse thermogravimétrique en atmosphère inerte. La figure 5 montre les courbes TG pour les membranes P84 et P84/IL. Le schéma de perte de poids est identique pour les deux membranes. La première plage de perte de poids d'environ 2,5 % en poids dans la plage allant jusqu'à 120 °C est due à l'évaporation de l'humidité et des impuretés de faible poids moléculaire. Dans la plage de 130 à 350 °C, une perte de poids plus visible de ~ 5,5 % en poids est observée, qui est associée à la libération du solvant résiduel NMP qui forme des liaisons donneur-accepteur avec des polymères de structure hétéroaromatique, ce qui complique son élimination totale des membranes54. Dans la plage de 370 à 400 ° C, la perte de poids associée à la dégradation thermique des chaînes polymères commence.

Courbes TG des membranes P84 et P84/IL.

Pour étudier la composition chimique des membranes, la spectroscopie ATR-FTIR a été utilisée. La figure 6 montre les spectres IR du liquide ionique (IL), des membranes P84 et P84/IL. Les bandes d'imide typiques pour P84 sont situées à 1782 cm-1 pour l'étirement symétrique du CO, à 1716 cm-1 pour l'étirement asymétrique du CO et à 1359 cm-1 pour l'étirement du CN. Les bandes caractéristiques IL à 3158 cm-1 correspondent à la vibration d'étirement CH au sein du cycle imidazole. Pour le spectre IL, il convient de noter le pic à 2224 cm-1 attribué à l'interaction des ions au sein de la molécule, ainsi que les bandes comprises entre 1000 et 750 cm-1 correspondant à l'anion, et 936 cm-1 attribuées à l'étirement BC55. Ainsi, les bandes caractéristiques IL ne sont pas présentes dans le spectre de la membrane P84/IL. Par conséquent, on peut conclure que la membrane P84/IL ne contient pas de liquide ionique.

Spectres ATR-FTIR des membranes IL, P84 et P84/IL.

La microscopie électronique à balayage (SEM) a été utilisée pour étudier la morphologie de la membrane. La figure 7 montre des micrographies de coupe transversale et de surface supérieure pour les membranes P84 et P84/IL. Les sections transversales des deux membranes ont une structure anisotrope constituée d'une fine couche supérieure et d'un substrat poreux typique des membranes UF. La figure 7a montre une coupe transversale de la membrane P84, où le substrat présente une structure poreuse en forme de doigt. Pour la membrane P84/IL, la structure de la section change de manière significative. La figure 7c montre une structure spongieuse du substrat poreux pour la membrane P84/IL. Une telle structure est formée pendant le processus d'inversion de phase qui se produit plus lentement après l'addition d'IL en vue d'une augmentation significative de la viscosité dynamique de la solution de coulée de polymère. La figure 7d montre que l'ajout d'IL en tant que co-solvant conduit à une augmentation du nombre de pores dans la couche supérieure, ainsi qu'à la formation de cavités dans la structure membranaire P84/IL.

Micrographies SEM de la section transversale de la membrane et de la surface supérieure pour (a, b) les membranes P84 et (c, d) P84/IL.

Des tests UF avec de l'eau pure et une solution aqueuse d'albumine de sérum bovin (BSA) ont été effectués pour évaluer les propriétés de transport des membranes P84 et P84/IL préparées à partir de solutions de polymère à 15 % en poids. La figure 8 montre les données sur le flux et le rejet qui ont été déterminés en filtrant une solution aqueuse de BSA à travers les membranes P84 et P84/IL. L'utilisation d'IL comme co-solvant conduit à une augmentation des performances de la membrane ; le rejet de BSA pour les membranes étudiées est très élevé (93–99 %).

Le flux de solution aqueuse de BSA (JBSA) et le rejet de BSA (R) pour les membranes P84 et P84/IL.

La figure 9 montre les données sur le flux d'eau pure et le taux de récupération du flux (FRR) pour les membranes P84 et P84/IL. L'ajout d'IL à la solution de coulée augmente les performances hydrauliques des membranes. Le FRR des membranes à base de P84 est suffisamment élevé ; cependant, dans le cas de la membrane P84/IL, sa valeur diminue légèrement.

Le flux d'eau pure (J0) et le taux de récupération du flux (FRR) pour les membranes P84 et P84/IL.

La capacité de rejet des membranes P84 et P84/IL préparées à partir de solutions de polymères à 15 % en poids a été évaluée par rapport au La3+ sous la forme d'un complexe lanthane-alizarine (LAC). La figure 10 montre les résultats de la filtration du LAC dans une solution aqueuse d'acétone sous la forme du flux de LAC (JLAC) et du rejet de LAC (R) pour les membranes P84 et P84/IL. Les deux membranes se caractérisent par un rejet élevé de 96 à 98 %, ainsi qu'un flux élevé. Dans le même temps, la membrane P84/IL présente un rejet légèrement plus élevé par rapport à la membrane P84. Le succès de cette expérience résulte de la performance stable (opérabilité) des membranes UF à base de P84, qui sont stables pour filtrer non seulement les solutions aqueuses, mais également les milieux aqueux à base d'acétone.

Le flux de LAC dans une solution eau-acétone (JLAC) et le rejet de LAC (R) pour les membranes P84 et P84/IL.

Ainsi, les résultats obtenus démontrent la possibilité d'une extraction efficace du métal de terre rare à partir de solutions diluées en utilisant les membranes UF à base de copolyimide P84, y compris celles avec des additifs IL.

L'effet des additifs de tétracyanoborate de 1-hexyl-3-méthylimidazolium ([hmim][TCB]) sur la structure et les propriétés de transport a été étudié pour la membrane asymétrique P84/IL préparée à partir d'une solution de coulée P84/IL/NMP dans le rapport de 15/15/70 (% en poids). La membrane asymétrique P84/IL a été comparée à la membrane P84 préparée à partir d'une solution de coulée P84/NMP dans le rapport de 15/85 (% en poids). Une différence significative dans les structures des substrats poreux a été révélée par MEB sur les sections transversales des membranes. La membrane P84 a une structure en forme de doigt du substrat poreux, contrairement à la structure spongieuse du substrat pour la membrane P84/IL. Un tel changement significatif de morphologie est dû à une augmentation de la viscosité dynamique de la solution de coulée contenant de l'IL, ce qui diminue la vitesse du processus d'inversion de phase ; de plus, l'IL fuit lorsqu'elle est contenue dans le bain de coagulation. Selon FTIR, la membrane P84/IL ne contient pas de liquide ionique.

Les paramètres de transport des membranes ont été déterminés dans les tests UF avec de l'eau pure et une solution aqueuse d'albumine de sérum bovin (BSA). Il a été montré que l'ajout d'IL à la solution de coulée P84 augmente les performances des membranes. Le FRR des membranes à base de P84 est assez élevé ; cependant, sa valeur diminue légèrement pour la membrane P84/IL.

La capacité de rejet des membranes P84 et P84/IL a été évaluée vis-à-vis du La3+ sous forme d'un complexe lanthane-alizarine (LAC) en solution aqueuse d'acétone. La membrane P84/IL a montré un rejet élevé (98,5%) par rapport au LAC, ainsi qu'un flux élevé. Ainsi, les résultats obtenus nous permettent de conclure qu'il est possible d'extraire efficacement le métal de terre rare des solutions diluées en utilisant les membranes d'ultrafiltration à base de copolyimide P84, y compris celles avec des additifs IL.

Toutes les données générées et analysées au cours de cette étude sont incluses dans cet article publié et ses fichiers d'informations supplémentaires.

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Cette recherche a été soutenue par la Fondation scientifique russe (RSF), numéro de subvention 18-79-10116. L'équipement des centres de ressources de l'Université d'État de Saint-Pétersbourg, à savoir le Centre de ressources interdisciplinaire "Nanotechnologies", "Méthodes d'investigation thermogravimétriques et calorimétriques", "Centre d'études sur la diffraction des rayons X", "Nanophotonique", "Département cryogénique", "Centre de calcul", "Centre de recherche sur l'analyse chimique et les matériaux" a été utilisé pour les investigations sur les membranes.

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Galina Polotskaïa

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La formation des membranes, l'étude physicochimique, l'analyse des propriétés de transport et la rédaction d'articles ont été réalisées par AP, GP et l'IFVT, AS et KG ont également effectué des recherches sur les propriétés de transport des membranes. AN a effectué des calculs de chimie quantique.

Correspondance à Alexandra Pulyalina.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Pulyalina, A., Grekov, K., Tataurova, V. et al. Effet du liquide ionique sur la formation de membranes d'ultrafiltration en copolyimide avec un meilleur rejet de La3+. Sci Rep 12, 8200 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-12377-0

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Reçu : 07 février 2022

Accepté : 20 avril 2022

Publié: 17 mai 2022

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-022-12377-0

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