Prof Dr-Ing Andrea Iris Schäfer (membrane material and processes research for water treatment)

Abstract : Micropollutants are typically persistent organic chemicals that are toxicologically active at very low concentrations (nano- and micro grams per litre), posing a risk to both environmental and human health. Steroid hormones are endocrine disrupters and micropollutants that reach the aquatic environment mostly from wastewater discharge. Nanofiltration is known for incomplete removal (breakthrough), requires high operating pressure (thus energy) for effective removal, and retained micropollutants accumulate concentrate streams. ‘Reactive’ membranes, such as photocatalytic membranes; are an alternative that addresses such shortcomings. Photocatalyst materials can be immobilized in micro- and ultrafiltration membrane pores (1-200 nm), where reactions occur, and at the same time water permeability is high. Micropollutants are degraded in situ within the short, order of seconds, residence times.

Mechanisms of nanopores of different mechanisms, namely stericexclusion, adsorption and photocatalytic reaction are provided. Current progress of steroid hormone degradation in a flow-through photocatalytic membrane reactor is presented at one material example. The membranes used were a polyethersulfone–titanium dioxide (PES-TiO₂) membrane produced by collaborators at IOM Leipzig [1, 2]. The TiO₂ nanoparticles (10 nm) were immobilised in the nanopores (220 nm) of the membrane polymers (PES and PVDF). Water quality and operational parameters, including organic matter concentration, were evaluated to determine which processes limit the degradation of steroid hormones. Steroid hormone concentrations ranged from low environmentally relevant concentrations 50 ng/L to near the solubility limit of 1 mg/L. Other examples at IAMT are organic PVDF membrane with a porphyrin photosensitiser [3, 4]. These results are not presented.

It is anticipated that flow-through the photocatalytic membrane increases the ‘contact’, and hence the probability to react, between micropollutants and reactive oxygen species in the pores. The result is high removal (80-95%), despite very short hydraulic residence times.  Indeed, relatively simple materials can achieve a very high removal of micropollutants. Further enhancement can be achieved through potentially smaller pores (nanoconfinement), modified photocatalytic materials and longer residence times. When comparing data, reactive membranes are operated at nanofiltration range fluxes with pressures typical for micro- and ultrafiltration yield significant savings in energy. The ambitious water quality guideline (steroid hormone E2 1 ng/L for drinking water) are reachable.

Relevant publications for data in this presentation

[1] K. Fischer, R. Gläser, A. Schulze, Nanoneedle and nanotubular titanium dioxide–PES mixed matrix membrane for photocatalysis, Applied Catalysis B: Environmental, 160 (2014) 456-464.

[2] S. Lotfi, K. Fischer, A. Schulze, A.I. Schäfer, Photocatalytic degradation of steroid hormone micropollutants by TiO2-coated polyethersulfone membranes in a continuous flow-through process, Nature Nanotechnology, 17 (2022) 417–423.

[3] R. Lyubimenko, O.I.G. Cardenas, A. Turshatov, B.S. Richards, A.I. Schäfer, Photodegradation of steroid-hormone micropollutants in a flow-through membrane reactor coated with Pd (II)-porphyrin, Applied Catalysis B: Environmental, 291 (2021) 120097.

[4] R. Lyubimenko, B.S. Richards, A.I. Schäfer, A. Turshatov, Noble-metal-free photosensitizers for continuous-flow photochemical oxidation of steroid hormone micropollutants under sunlight, Journal of Membrane Science, 642 (2022) 119981.

Orateurs : Jean-Louis Paillaud et Taylan Ors (IS2M, Mulhouse, Université de Strasbourg)

Résumé :

Lorsque la taille des cristaux est trop petite pour la diffraction des rayons X (DRX) sur monocristaux, l’analyse structurale est généralement effectuée par DRX sur poudre ou par diffraction des neutrons suivie d’un affinement par la méthode de Rietveld. Pour les structures complexes, cette analyse peut être problématique en raison d’un fort recouvrement des raies de diffraction même dans le cas d’une bonne résolution instrumentale. La diffraction électronique conventionnelle est bien adaptée pour effectuer la diffraction sur des monocristaux de taille submicrométrique mais la présence des effets dynamiques rend l’interprétation des intensités diffractées difficile pour l’affinement des structures. La diffraction électronique 3D (3D ED) est une technique émergente pour réduire la contribution des effets dynamiques en diffraction électronique par la précession du faisceau ou par la rotation continue de l’échantillon. Par conséquent, les intensités de Bragg observées deviennent traitables par des méthodes standards de la cristallographie. Lors de ce séminaire, différentes études effectuées sur zéolithes en utilisant la technique 3D ED sur microscope électronique en transmission (MET) avec la précession des électrons, d’une part, et en rotation continue de l’échantillon sur un MET de dernière génération dédié à la diffraction électronique, d’autre part, seront présentées. Dans une de ces études, la technique 3D ED a permis de situer les cations Na⁺ sur 3 positions cristallographiques distinctes dans une zéolithe ECR-1 pure de formule chimique Na₁₁[(A1_1lSi₄₉O₁₂₀]. Lors d’un projet collaboratif, l’intensité de la diffusion diffuse obtenue sur la zéolithe ZSM-48, connue pour la présence de désordre dû au polymorphisme, a été analysée par 3D ED. Grâce à ces résultats, les défauts d’empilement se produisant suivant une direction cristalline particulière a été identifiée. De plus, l’un des polymorphes de la ZSM-48 a pu être isolé en tant que nouvelle zéolithe (RUB-58) dont la structure a été confirmée par 3D ED. Grâce à la rotation continue et une caméra à détection directe, des enregistrements rapides, à température ambiante, ont permis l’élucidation de la structure par 3D ED d’un zincophosphate lamellaire synthétisé avec l’hexaméthylènetétramine (C₆H₁₂N₄ = HMT) en tant qu’agent structurant organique.

Contacts: Guillaume ROGEZ rogez@unistra.fr ; Pierre RABU rabu@unistra.fr

Orateur : Eric Le Moal – Institut des Sciences Moléculaires d’Orsay (ISMO)

Résumé : Few-atom-thick (2D) luminescent materials, such as monolayer transition metal dichalcogenides (TMDs), are in the spotlight for their potential applications in optoelectronic nanodevices. Recently, the use of scanning tunneling microscopy (STM) to locally induce light has emerged as a unique nanoprobe of the elementary excitation and emission processes in monolayer TMDs. In this seminar, I will review five years of successful collaboration between IPCMS and ISMO in this area. Using a unique setup combining optical microscopy and tunneling microscopy in ambient air, we have demonstrated the generation of excitons by inelastic tunneling in MoSe2 and WS2 monolayers [1,2]. Moreover, this combination of techniques opens new perspectives for the study of exciton-charge carrier interactions in this class of materials [3].

[1] D. Pommier et al, Phys. Rev. Lett. 123, 027402 (2019)
[2] R. J. Peña Román et al, Phys. Rev. B 106, 085419 (2022)
[3] R. J. Peña Román et al, Nano Lett. 22, 9244 (2022)

Si vous souhaitez rencontrer Eric Le Moal, n’hésitez pas à contacter :

Stéphane BERCIAUD (berciaud@unistra.fr) et Guillaume SCHULL (schull@unistra.fr )

Amir Nahas & Vincent Maioli de l’équipe “Instrumentation et Procédés Photoniques” (IPP) de ICube (Illkirch)

Abstract :

“Nous présenterons les activités de recherche en optique biomédicale que nous menons au sein de l’équipe IPP du laboratoire ICube. En particulier, en élastographie par holographie numérique hors axe, en OCT plein champ, en microscopie à feuillet de lumière oblique et en microscopie 2 photons. “