La membrane FilmTec de Cadotte formait sa peau bloquant le sel à la rencontre de deux liquides

L'osmose inverse devint pratique avec une membrane monomatériau : la membrane asymétrique à peau intégrée en acétate de cellulose réalisée par Loeb et Sourirajan à l'UCLA en 1959 et brevetée en 1960. Un seul polymère devait assumer les deux fonctions — rejeter le sel et laisser passer l'eau — si bien que les gains en rejet se faisaient au détriment du flux, et les gains en flux au détriment du rejet. John Cadotte, travaillant au North Star Research & Development Institute, fabriquait des stratifiés de films polymères ultraminces, brevetés en 1970, et déposa ses propres brevets de membranes d'osmose inverse en 1975 et 1977.

En 1972, Cadotte mit au point la première membrane composite à film mince en polyamide polymérisé à l'interface. La recette figure dans la demande déposée le 22 février 1979 et délivrée le 7 juillet 1981 sous le brevet américain 4 277 344, attribué à FilmTec Corporation : enduire un support poreux d'une solution aqueuse d'une polyamine telle que la phénylènediamine, puis mettre le support enduit en contact avec un halogénure de polyacyle tel que le chlorure de trimesoyle. La polymérisation démarre à l'interface, in situ sur le support, et le produit séché est un composite — un polyamide aromatique réticulé stratifié sur ce support.

Les réactifs sont retenus dans des liquides non miscibles, de sorte qu'ils ne se rencontrent que dans un plan. Le film s'y forme puis cesse de croître, car il sépare la diamine aqueuse du chlorure d'acide organique ; la couche sélective reste ultramince tandis que le support en dessous encaisse la pression. L'emploi d'un halogénure d'acyle au moins trifonctionnel réticule le polyamide ; le brevet montre que cela confère un allongement plus faible et une solubilité plus faible que les polymères linéaires — une peau dense qui résiste à l'exploitation et au nettoyage. Le brevet consigne aussi une bonne résistance au chlore, améliorable avec un agent chlorant.

Cette architecture l'emporta. Aujourd'hui, la grande majorité des membranes d'osmose inverse et de nanofiltration sont des composites à film mince en polyamide, et FilmTec, l'entreprise issue de North Star, fait désormais partie de DuPont. Le brevet de 1981 se situe au terme d'une lignée documentée — le stratifié de film ultramince de North Star en 1970, les membranes d'osmose inverse de Cadotte de 1975 et 1977 — et ses revendications décrivent la couche sélective comme un matériau formé là où deux liquides se touchent, plutôt que versé, coulé ou extrudé en feuille.

Faire croître la peau sélective là où deux liquides se rencontrent

Une membrane monomatériau doit arbitrer entre flux d'eau et rejet du sel ; un composite confie chaque fonction à un matériau différent.

La polymérisation interfaciale s'autolimite : le film qu'elle forme sépare les réactifs, si bien que la couche sélective reste ultramince sans s'épaissir et ralentir.

Un halogénure d'acyle tri- ou polyfonctionnel réticule le polyamide, ce qui, selon le brevet, confère un allongement et une solubilité plus faibles que les analogues linéaires.

Le support poreux porte la charge mécanique, si bien que la chimie peut être délicate et coûteuse tandis que le substrat reste bon marché et solide.

La résistance au chlore détermine si une membrane survit aux régimes de nettoyage réels ; le brevet couvre son amélioration au moyen d'un agent chlorant.

Ne demandez pas à un seul matériau d'assumer deux fonctions. Placez la chimie sélective dans une couche trop mince pour résister à l'écoulement, laissez une couche plus épaisse encaisser la pression — et construisez la couche mince in situ.

Les composites à film mince en polyamide obtenus par polymérisation interfaciale sont devenus l'architecture de référence pour l'osmose inverse et la nanofiltration, et FilmTec Corporation fait désormais partie de DuPont. La même réaction — une diamine aqueuse contre un chlorure d'acide organique, polymérisant uniquement à l'interface — reste le moyen standard de former la couche sélective, et a depuis été étendue à la nanofiltration, aux membranes résistantes aux solvants et aux couches construites autour de nanoparticules. Les revues sur les matériaux des membranes de dessalement font remonter la lignée commerciale à ce composite.