Polarization phenomena play a key role in membrane separation processes but remain largely unexplored for gas separations, where the mass transfer resistance is most often limited to the membrane. This assumption, which is commonly used today for the simulation of membrane gas separations, has to be reconsidered when high-performance materials, showing a very high permeance and/or selectivity, are used. In this study, a series of steady-state separation performances experimentally obtained on CO₂/CH₄ mixtures with a zeolite membrane are compared to the predictions of a dedicated 1D approach, recently derived and validated through CFD simulations. Polarization effects are shown to generate a significant negative impact on the separation performances, both in terms of the productivity and separation efficiency. The 1D model predictions, based on pure gas permeance data and without any adjustable parameters, are in very good agreement with the experimental data. This fast and efficient modeling approach can easily be implemented in simulation or process synthesis programs for the rigorous evaluation of membrane gas separation processes, when high-performance materials are used.

Natural gas is currently increasingly used in an energy transition framework and systematically requires upgrading processes in order to respect pipeline specifications. Carbon dioxide, and in some case hydrogen sulfide removal, is the major target of the purification step and can be achieved thanks to gas liquid absorption with chemical solvents or membrane separation. A systematic comparison of the cheap, currently used polymeric membranes and an expensive, high-performance zeolite material is reported on a natural gas upgrading case study (CH₄/CO₂ mixture), thanks to a dedicated process synthesis and optimization code (MIND). The zeolite membrane is shown to offer a simple, cost-effective one-stage process, while polymeric materials require more expensive classical two-stage processes. In a second step the impact of concentration polarization is more specifically investigated, through a process simulation study. The zeolite membrane remains the simplest, best cost-effective and most interesting process (one stage without compression, expander or vacuum pump).

Matériaux inorganiques pour les séparations membranaires : Mécanismes moléculaires et procédés: Dans l’industrie, la séparation des gaz est d'une grande importance pour de nombreuses applications (l'élimination du CO₂ du gaz naturel et du biogaz, la séparation de l'air), ainsi que pour répondre aux enjeux environnementaux (le captage du CO₂). Les procédés membranaires sont considérés comme des procédés propres grâce à leur faible coût énergétique et leur plus faible l’impact sur l’environnement, comparés aux techniques de séparation classiques. Les membranes polymères sont largement employées pour ces applications, tandis qu’aujourd’hui, l’intérêt se porte sur les membranes inorganiques de type zéolite, qui offrent une haute performance en termes de perméabilité et de sélectivité, ainsi qu’une grande stabilité chimique et thermique. Néanmoins, les mécanismes de transport restent peu étudiés en raison de leur complexité. Ce mémoire est consacré à l’étude du potentiel des membranes poreuses de type zéolites (chabazite, CHA) pour la séparation des gaz d'importance industrielle (CO₂, N₂, CH₄, H₂, O₂, He, Ar) à travers une étude multi-échelle couplant mesures expérimentales, modélisation et simulations moléculaires. Dans un premier temps, nous étudions les propriétés d’adsorption et de diffusion des gaz dans la chabazite en silice pure à l’aide de techniques telles que le Monte Carlo dans l'ensemble grand canonique (GCMC), suivi par la dynamique moléculaire à l’équilibre (EMD). Les résultats de simulation sont en accord avec les données de la littérature pour les isothermes d’adsorption et les coefficients de diffusion. Nous observons que la diffusion du méthane est restreinte en raison des effets stériques : l’ouverture des pores de la CHA est équivalente au diamètre cinétique du CH₄ (3,8 Å). Cela met en évidence le tamisage moléculaire. Les données issues de la simulation sont ensuite intégrées dans les équations classiques du modèle « adsorption-diffusion » dans le but de prédire le flux transmembranaire, la perméance et la sélectivité à l’aide d’une approche « ab initio ». Ensuite, la capacité prédictive des simulations hors équilibre (NEMD) est évaluée pour un cas d’étude de la perméation de l’hélium. Dans un deuxième temps, nous effectuons des mesures expérimentales afin de déterminer les propriétés caractéristiques des membranes (flux, perméance, sélectivité) pour les composants purs. La séparation des mélanges est également étudiée en se focalisant sur les mélanges binaires CO₂/CH₄ et CO₂/N₂, ainsi que le mélange ternaire CO₂/CH₄/N₂. Nous détaillons la conception et le développement d’un bac d’essai expérimental construit au sein du laboratoire. Pour cette étude, nous utilisons des membranes de type chabazite commercialement disponibles (Si-CHA, CHA SSZ-13). Ces membranes montrent une haute perméance au CO₂, qui diminue avec l’augmentation de la pression, ce qui indique un mécanisme de diffusion de surface. Les membranes de type CHA offrent un excellent équilibre entre perméabilité et sélectivité, ce qui peut être expliqué par leur adsorption préférentielle et l’effet de tamisage moléculaire. De plus, nous avons utilisé deux modèles pour identifier la polarisation de concentration, un phénomène souvent observé dans les membranes de haute performance. Les données expérimentales montrent un bon accord avec le modèle prenant en compte la polarisation de concentration, confirmant l’existence de ce phénomène et son impact sur la réduction de l’efficacité de séparation. Enfin, les données expérimentales sont comparées avec les simulations moléculaires, mettant en évidence le potentiel prédictif de cette technique. L’analyse montre que les sélectivités peuvent être prédites avec une bonne précision. Néanmoins, pour prédire le flux, les propriétés de la membrane (porosité, tortuosité) doivent être prises en compte. En combinant les mesures macroscopiques et les simulations microscopiques, cette étude fournit une compréhension moléculaire de la séparation des gaz utilisant des membranes en zéolite.