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

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
  • Development of improved membrane materials that will be adopted for full-scale applications. 
  • Development and delivery of a one-day membrane technology course for engineers and other water quality practitioners.  The course is offered as part of the Association of Professional Engineers of British Columbia continuing education seminars or the equivalent in Quebec (Réseau des Ingénieurs du Québec).
  • Development of protocols to make and test different membrane materials.  

Researchers have worked to disseminate the findings of the project:

  • A website for the Filtration Technology Research Group at the University of British Columbia (UBC) was developed in 2011. The website content includes research outcomes from all recent and ongoing projects (including the present project).
  • Scholarly publications:
    • Delmont Lafond L., Giovanna Llamosas Chu I., Abdullah Z.S., Barbeau B. and Bérubé P.R. Effect of long term exposure to oxidative environment on properties of PVDF and PVDF/TiO2 ultrafiltration membranes, will be submitted to the Journal of Membrane Science.
    • Zhou W., Ko F., Bahi A., Yang H., Konig N., Bérubé P.R. Barbeau B. Structure and Properties of PVDF/TiO2 Nanofibre Membranes, manuscript completed and being reviewed. Will be submitted to the Journal of Membrane Science.
Résultats
  • Changes in practice due to the development of more efficient membrane systems, both in terms of contaminant removal and permeates flow.
  • Development of a partnership with Sanitherm Engineering.
  • GE Water and Process Technologies was not originally a collaborator on this project; however, GE is now a partner due to the work conducted by this project team on the long term effect of an oxidative environment on membrane weathering which is expected to lead to increases in membrane operating life. 
  • Although the project focused on developing and assessing novel membrane materials at laboratory-scale, it is anticipated that the project team will test the most promising membrane materials at full scale in the near future in collaboration with Sanitherm Engineering.  If novel materials perform well at full-scale, it is expected that it would be adopted by water quality practitioners that design membrane systems.
  • Informed decision-making due to development of protocols to make and test different membrane materials.   These protocols are now extensively used and are critical to a number of other ongoing research projects at UBC and École Polytechnique.
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Équipe de Recherche et Partenaires:

Équipe de Recherche

Pierre Bérubé, Professor, University of British Columbia
Benoit Barbeau, Associate Professor, École Polytechnique
Frank Ko, Professor, University of British Columbia
Reza Vaziri, Professor, University of British Columbia

Partenaires

Sanitherm Engineering
GE Water and Process Technologies