Electrodialyse à membranes bipolaires pour la régénération de solutions salines en acides et bases : étude des mécanismes de transfert

Contexte état de l’art

Le procédé d’Electrodialyse à Membranes Bipolaires (EDMB) met en œuvre des membranes bipolaires (MB) dans différents types d’empilements.  Ces membranes ont la capacité, dans des conditions adéquates, d’opérer la dissociation de l’eau en protons H+ et hydroxyles OH-. Elles permettent donc de modifier le pH des solutions (acidification, alcalinisation) sans recours à des intrants chimiques (acides ou bases). L’EDMB est donc une technologie particulièrement avantageuse dans le contexte de la réduction de l’impact des procédés sur l’environnement. Mise en œuvre dans des empilements 3 compartiments (MEA/MB/MEC) elle permet de régénérer des solutions salines en acides et bases. L’intérêt que suscite cette technologie s’est traduit par 3 articles de revue publiés depuis 2021 (Pârnamâe et al., 2021 ; Chen et al., 2022 ; Zhou et al., 2025). Ils ont permis de souligner les avancées, certaines limitations, les pistes d’amélioration et les perspectives d’utilisation de l’EDMB. Ainsi par exemple, les niveaux de concentration atteignables demeurent limités. Un phénomène qualifié de « fuite en co-ions » ou « co-ion leakage » est couramment évoqué pour expliquer cette limitation. Il s’agit en réalité d’un co transfert et non d’une fuite au sens strict. Il résulte en une détérioration des performances, en termes de rendement et de qualité (pureté) des produits obtenus. L’origine de ce phénomène est encore insuffisamment identifiée (migration, diffusion, localisation au niveau des MEI ou MB,…), de sorte qu’il demeure difficile d’en restreindre l’impact. Des travaux antérieurs ont montré que le transfert d’eau qui accompagne le transfert des ions peut également limiter le niveau de concentration atteignable (Bailly et al., 2000 ; Borges et al., 2008 ; Han et al., 2015). Une revue récente (Zhou et al ., 2025) souligne encore la nécessité d’améliorer la connaissance des transferts multi-ioniques dans le cas du traitement de solutions complexes, afin d’autoriser un développement plus large du procédé d’EDMB.

Objectifs de l’étude

L’objectif de ce projet est l’étude des phénomènes de transfert mis en jeu dans les systèmes d’EDMB 3 compartiments (MEA, MB, MEC), utilisés pour produire ou régénérer des solutions d’acides et de bases à partir de solutions salines complexes, contenant plusieurs ions minéraux de même signe de charge et/ou des impuretés organiques.  Une meilleure connaissance de ces phénomènes permettra d’identifier les leviers d‘action (propriétés des membranes MEI ou MB, paramètres opératoires, prétraitement des solutions salines) afin d’améliorer les performances du procédé (niveaux de concentration atteignables, pureté des produits, …). Une modélisation sera également recherchée en s’appuyant sur les grandeurs de transfert afin de prédire la composition des flux obtenus. On bénéficiera pour cela des approches développées lors de travaux précédents (Roux de Balmann et al., 2002 ; Borges et al., 2008 ; Galier et al., 2013 ; Han et al., 2017).  

Méthodologie de recherche

Une mise à jour bibliographique sera effectuée au démarrage du projet (publications et brevets). Elle permettra d’orienter la suite des travaux sur les limitations mises en évidence. Elle fera l’objet de la rédaction d’un rapport (état de l’art, mise en place de l’étude).

Une étude sera ensuite effectuée à l’échelle laboratoire. Des expériences seront réalisées avec des solutions synthétiques de différentes compositions en faisant varier les paramètres opératoires (densité de courant, concentrations, compositions). Les grandeurs de transfert seront déterminées afin d’identifier la contribution des divers phénomènes impliqués (transferts ioniques et transfert d’eau à travers les différentes membranes de l’empilement, réaction de dissociation au niveau de la MB, …). Leur impact sur les performances de l’EDMB sera caractérisé (rendement faradique, pureté des produits). Un modèle sera recherché afin de décrire l’évolution des performances en cours d’opération et en fonction des paramètres opératoires.  Cette étude pourra être réalisée pour divers empilements, constitués de MEI et MB différentes.  

La montée en échelle sera ensuite abordée grâce à des expériences à l’échelle pilote. Les grandeurs de transfert seront déterminées et comparées à celles déterminées précédemment à l’échelle laboratoire. On mettra ainsi en évidence les grandeurs extrapolables, i.e. indépendantes de la taille du système et les éventuels décalages de performances avec l’échelle laboratoire. La représentativité du modèle développé à l’échelle laboratoire sera évaluée. Selon les écarts constatés, une adaptation du modèle sera recherchée.

Les partenaires : Le Laboratoire de génie chimique, équipe de Sylvain Galier, Professeur, et Hélène Roux-de Balmann, Directrice de recherches CNRS-spécialiste des séparations mettant en œuvre des membranes échangeuses d’ions- EURODIA : un des spécialistes mondiaux de l’électrodialyse, propriétaire de nombreux brevets, et leader de son application dans plusieurs domaines industriels.

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diplôme de master ou ingénieur génie chimique, génie des procédés, avec expérience de recherche. Esprit de synthèse, autonomie, rigueur, aptitude au travail en équipe.  Capacités rédactionnelles, maitrise de l’anglais scientifique écrit et oral.