Phénomènes électrocinétiques dans les membranes organiques composites microporeuses à faible densité de charge

¹ Laboratoire d'électrochimie et de chimie analytique, Ura CNRS 216, École nationale supérieure de chimie de Paris, 11, rue Pierre-et-Marie-Curie, 75231 Paris cedex 05, France.
² Centre international de recherche sur l'eau et l'environnement, 38, rue du Président-Wilson, 78230 Le Pecq, France.
³ Laboratoire de physicochimie des interfaces et des milieux réactionnels, CNRS EA 2098, université de Tours, 37200 Tours, France.

Résumé

Ces travaux apportent de nouveaux éclaircissements sur les phénomènes interfaciaux dans le domaine de l'étude du comportement des nanosurfaces au contact de solutions d'électrolytes. Des mesures de potentiels d'écoulement (PE) et de potentiel de diffusion (PM) sont mises en oeuvre.

Les mesures de potentiel d'écoulement sont étudiées en fonction du seuil de coupure pour des membranes organiques composites mésoporeuses en polyethersulfone (PES) et microporeuses en polyamides (PA) de couche support en polysulfone (PS). L'essentiel de la chute de pression dans ces membranes ayant lieu à travers leur couche active, l'information atteinte par les mesures de PE (point isoélectrique, état de charge de surface) ne caractérise que cette couche. L'effet de la force ionique est aussi étudié. Il montre que plus le seuil de coupure diminue plus les intéractions électriques entre l'électrolyte et la membrane sont grandes ce qui se traduit par une adsorption accrue des ions de l'électrolyte. Le point isoélectrique (pi) de la membrane PES est déterminé à 3,1 et ce indépendamment de la force ionique et de la nature de l'électrolyte. Dans ce cas les ions déterminant la charge sont les ions H+ et OH^-. Pour la membrane à faible seuil de coupure en PA, l'adsorption des ions de l'électrolyte se traduit par un déplacement du pi avec la force ionique. Pour KC1, les pI sont de 4,4 et 5,8 à des concentrations respectives de 0,0001 et 0,001 mol.L'1. Pour une concentration fixe en électrolyte (0,0001 mol.L^-1), les pI de la membrane PA sont respectivement de 4,4, 5,6 et 6,8 pour les différents électrolytes: KC1, NaCl et CaCl₂.

Les mesures de PM permettent de déterminer les nombres de transport des cations Na⁺, K⁺ , Ca²⁺ respectivement 0,44, 0,49 et 0,42 et de les corréler aux résultats de pi obtenus par des mesures de PE. On a également déterminé la densité de charge de surface de la membrane PA par la méthode d'Aizawa. Ces valeurs sont comprises entre 0,1 et 1 μC.cm², (60 et 550 mol.m^-3).

Abstract

This work builds on the knowledge of electrical properties of the nanosurfaces being in contact with electrolytes solutions. Streaming potential (SP) and membrane potential (MP) are considered.

The membrane electrical properties were studied with SP on a function of the MWCO and ionic strength. The membranes studied are composite and organics, the first with a mesoporous skin layer in polyethersulfon (PES) and the second with a microporous skin layer in polyamid (PA), both with a sublayer in polysulfon (PS). As the main pressure fall in the skin layer of these membranes, the SP measurements characterize this single layer in term of isoelectric point (pi) or surface charge density. The ionic strength effect on SP measurements show that the electrical attraction between solutes and membrane increase with the MWCO decrease. The isoelectric point of a PES membrane is determined equal to 3.1 independantly to the ionic strength and the kind of electrolyte solutions. In this case, the ions determining the charge are the ions of water (H⁺,OH^-).

For the microporous PA membrane, the pi is dependant on the ionic strength and on the nature of the electrolyte solutions. For exemple the pi in the presence of KCl is 4.4 at a concentration of 0.0001 mol.L^-1 and 5.8 at 0.001 mol.L^-1. For an electrolyte concentration fixed (0.0001 mol.L^-1), the pI of the PA are 4.4, 5.6 and 6.8 for the respective electrolyte solutions of KCl, NaCl et CaCl₂. Then we observed that the surface activity of such counter-ions is different for the PA material.

The transport numbers of cations Na⁺, K⁺ , Ca²⁺ determined by MP measurements through the PA membrane : 0.44, 0.49 and 0.42 can be correlated with pl measurements. On the other hand we have quantified the charge density of the mesoporous membrane by the Aizawa method. The values obtained are in the range of 0.1 - 1 μC.cm^-2 (60-550 mol.m^-3).