Membrane à fibres creuses double couche, filière à un seul trou

5. Type de traitement : NIPS (Séparation de phase induite par un non-solvant ; la filière doit contrôler avec précision les débits d'extrusion synchronisés et la liaison interfaciale des deux solutions, ce qui détermine directement l'adhérence intercouche et la stabilité des performances).

6. Applications : Protection de l'environnement, purification de l'eau (exemples d'utilisation : traitement des effluents industriels fluorés provenant de la fabrication de produits électroniques — rétention des fluorures et des ions de métaux lourds ; purification avancée de l'eau potable municipale — élimination des cyanotoxines et des matières organiques ; et prétraitement pour le dessalement des eaux saumâtres/insulaires — rétention des matières en suspension et des colloïdes).

7. Spécifications : 1,6/1,3/1,1/0,6/0,4 (unité : mm). Les cinq canaux emboîtés correspondent à des zones fonctionnelles : 1,6 = canal de dopage externe pour la couche externe anti-encrassement en PVDF ; 1,3 = canal de dopage interne pour la couche interne en PVDF à haute sélectivité ; 1,1 = canal externe de fluide de forage/porogène pour ajuster la taille des pores de la couche externe ; 0,6 = canal interne de fluide de forage/porogène pour ajuster la taille des pores de la couche interne ; 0,4 = canal central de porogène de support pour assurer la stabilité structurelle de la fibre creuse.

8. Capacité de fabrication : 1 600 ± 0,002 mm, 1 300 ± 0,002 mm, 1 100 ± 0,004 mm, 0,600 ± 0,002 mm, 0,400 ± 0,004 mm ; concentricité d’assemblage 0,003 mm (la structure à cinq couches exige une concentricité extrêmement élevée pour éviter un décalage d’interface entre les deux dopes qui pourrait provoquer un délaminage de la couche ; la précision dépasse de loin celle des filières monocouches standard).

9. Matériau de la filière : Acier inoxydable (acier inoxydable 304 avec traitement de mise en solution et électropolissage ; rugosité de surface Ra ≤ 0,8 μm, équilibrant la résistance à la corrosion du dope PVDF contenant du DMAC et un flux de dope régulier).

10. Matériau d'application : PVDF (fluorure de polyvinylidène) (résine PVDF de haute pureté, pureté ≥ 99,5 %). La couche externe est modifiée pour améliorer ses propriétés anti-encrassement (angle de contact de surface ≤ 65°), et la formulation de la couche interne est optimisée pour une sélectivité élevée (taille des pores : 0,01–0,02 µm). La filière doit s'adapter précisément aux différentes caractéristiques d'écoulement des deux solutions de PVDF.

11. Remarques complémentaires : Le principal défi d’une filière à fibres creuses composites bicouches à orifice unique réside dans le contrôle coordonné à cinq canaux : garantir l’extrusion synchronisée des deux solutions (différence de débit ≤ 2 %), empêcher le mélange prématuré du porogène et de la solution, et contrôler précisément le rapport d’épaisseur des deux couches (exigence du client : externe/interne = 1/1,2). Il s’agit d’un dispositif clé pour la R&D de membranes haut de gamme destinées à la purification des eaux environnementales par le procédé NIPS.

12. Processus de collaboration détaillé et réalisation de la valeur client

(1) Profil du client et principaux points de douleur

Avant son rachat en 2017, Century Water rencontrait des difficultés techniques dans ses projets de traitement des eaux environnementales en Asie du Sud-Est. Ses membranes monocouches à fibres creuses en PVDF, utilisées auparavant, présentaient trois problèmes lors du traitement d'eaux fortement polluées (par exemple, les effluents électroniques fluorés et les eaux municipales eutrophes) :

● Protection anti-encrassement insuffisante : les matières organiques et les colloïdes s'adsorbent facilement sur la surface de la membrane, provoquant une baisse de flux de 35 % en trois mois et nécessitant un nettoyage chimique hebdomadaire (acide citrique + hypochlorite de sodium), augmentant les coûts chimiques et raccourcissant la durée de vie de la membrane.

● Compromis sélectivité-flux : l'obtention d'une rétention plus élevée des contaminants à petites molécules (par exemple, les ions fluorure, les cyanotoxines) nécessitait des pores plus petits, ce qui réduisait le flux et ne pouvait pas répondre aux exigences élevées en matière de traitement des eaux usées industrielles.

● Faible stabilité de la couche : les tentatives d'auto-développement de membranes bicouches ont échoué car les filières conventionnelles ne pouvaient pas contrôler précisément la liaison interfaciale des deux solutions, ce qui a entraîné un délaminage de la couche.

Pour résoudre ces problèmes, Century Water a proposé de développer des « membranes à fibres creuses composites à double couche », centrées sur une filière à trou unique adaptée capable de : (i) une extrusion synchronisée précise de deux dopes différentes pour assurer une liaison interfaciale étroite ; (ii) combiner une sélectivité élevée (taille des pores de la couche interne de 0,01 à 0,02 μm) avec un flux élevé (≥ 55 LMH) ; et (iii) une résistance accrue à l'encrassement.

(2) Solution technique personnalisée et percées au niveau des points faibles

En réponse, Trustech a conçu une solution spécialisée autour de la « coordination à cinq canaux » et de la « compatibilité NIPS », résolvant ainsi les principaux défis :

● Contrôle précis de la structure à cinq couches : un centre d’usinage de précision 5 axes (précision de positionnement ±0,0002 mm) a été utilisé pour l’usinage intégré des canaux de 1,6/1,3/1,1/0,6/0,4 mm. Après usinage, le diamètre et la circularité de chaque canal ont été vérifiés par interférométrie laser afin de garantir un écart par couche ≤ 0,002 mm. Grâce à un positionnement sur axe de référence et un étalonnage multidimensionnel, la concentricité de l’assemblage à cinq couches a été contrôlée à 0,003 mm près, évitant ainsi tout décalage à l’interface de la résine.

● Optimisation coordonnée du flux de dope : la CFD a été utilisée pour simuler le flux des deux dopes PVDF (par exemple, viscosité du dope modifié extérieur 3500 cP ; viscosité du dope de haute pureté intérieur 30 000 cP), en optimisant les angles d'entrée et la géométrie de sortie (sortie elliptique pour réduire le cisaillement), en maintenant la différence de taux d'extrusion à moins de 1,5 % pour assurer une liaison interfaciale étroite.

● Conception anti-encrassement et équilibre du flux : pour la couche externe anti-encrassement, la paroi interne du canal d’injection externe a été polie à Ra = 0,08 µm afin de réduire la résistance à l’écoulement, ce qui a permis d’obtenir une surface de membrane externe plus lisse (angle de contact réduit à 62°). Le contrôle précis du débit du canal de porogène interne (par rapport au débit de polymère interne) a permis d’ajuster la taille des pores de la couche interne à 0,015 µm, ce qui a permis d’obtenir une « rétention élevée (rejet des ions fluorure de 92 %) et un flux élevé (62 LMH) ».

(3) Résultats de l'application et approfondissement de la collaboration

Suite à la livraison de la filière par Trustech en août 2017, Century Water a réalisé des avancées significatives dans la recherche, le développement et l'application des membranes composites bicouches. Les membranes bicouches produites ont atteint les objectifs fixés : un taux élevé de rejet du fluorure et des cyanotoxines par la couche interne, un flux de 62 LMH à 0,1 MPa pour la couche externe et une réduction de la diminution du flux lors du traitement des eaux usées de l'industrie électronique contenant du fluorure.