Caractérisation multi-échelles d'un système de filtration en présence d'un biofilm

An upscaled study of a membrane filtration process in presence of biofilms

• Auteur / Autrice : Sepideh Habibi
• Direction : Benoît Goyeau, Mohammed Rakib
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance le 08/07/2014
• Etablissement(s) : Châtenay-Malabry, Ecole centrale de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'Ingénieur (Châtenay-Malabry, Hauts de Seine)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie des procédés et matériaux (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Murielle Rabiller-Baudry
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Benoît Goyeau, Mohammed Rakib, Patrice Bacchin, Gérald Debenest, Patrick Di Martino, Fabien Bellet, Estelle Couallier, Filipa Lopes
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Patrice Bacchin, Gérald Debenest

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Biofilms

Filtration

Mots clés libres

Filtration

Biofilms

Modélisations

Membrane filtration

Biofilms

Upscaled modeling

Résumé

Dans un procédé de filtration, un fluide traverse une membrane (barrière sélective). Une force motrice s’applique entre les deux côtés de la membrane qui peut être un gradient de pression, température ou un potentiel électrique/chimique. Dans les procédés de filtration par un gradient de pression, certains composés du milieu fluide, traversent la membrane alors que d’autres sont retenues sur la surface membranaire. Ces procédés sont très utiles dans différents domaines de l’industrie, notamment en ce qui concerne le traitement des eaux et des effluents, biotechnologie, agroalimentaire et pharmacie. En plus les procédés de filtration offrent des installations plus compactes avec une optimisation des coûts opérationnels comparant avec des procédés traditionnels de séparation notamment distillation et cristallisation. Par ailleurs, ces procédés se réalisent en absence des additifs chimique et changement de la phase. Dans cette étude, on se focalise sur les procédés de microfiltration. L’inconvénient principal de ces procédés est l’accumulation continue de particules/molécules sur la surface de la membrane. Ceci affecte la sélectivité de la membrane, modifie la qualité et la quantité de liquide passant à travers la membrane et conduit à une augmentation des coûts et de l’énergie. Le Colmatage (encrassement) membranaire se produit dans tous les types de procédés membranaires et par conséquent est connu le principal obstacle à l’utilisation répandue de ces procédés. Différentes techniques sont utiles pour surmonter les effets de l’encrassement de la performance de la membrane: le traitement physico-chimique des membranes utilisées, la modification des conditions opératoires (flux tangentiel de la solution d’alimentation sur la surface de la membrane est souvent appliqué pour réduire au minimum l’accumulation de particules), l’utilisation de membranes moins sensibles au colmatage, etc. Tout dépendant de la nature des solutions traitées, les particules déposées sont très variables. Les micro-organismes, des matières organiques naturelles notamment les protéines, les polysaccharides, les substances humides, les oxydes inorganiques et les sels contribuent au colmatage des membranes. Dans les dernières années, un grand nombre d’études expérimentales ont été investis pour comprendre les mécanismes de colmatage. Il a été souligné que les propriétés physico-chimiques de la membrane, la chimie des solutions et les conditions opératoires sont les trois principaux facteurs influant sur les mécanismes de colmatage. En parallèle, les modèles théoriques ont été proposés pour confirmer / décrire les observations expérimentales. La modélisation du colmatage membranaire est un outil essentiel pour évaluer les mécanismes qui le causent. Il permet également prédire la performance du système de filtration et par conséquent trouver des stratégies adaptées pour empêcher la modification de la performance membranaire pendant le procédé de filtration. En général, les modèles de classifient en deux grandes catégories: les modèles de transport de masse qui se concentrent sur le transport de solutés dans le procédé de filtration, et les modèles de colmatage basés sur le blocage des particules/molécules sur la surface ou à l’intérieur de la membrane. Dans la plupart des cas, les modèles dépendent fortement des paramètres empiriques ou semi-empiriques et restent phénoménologique. 1. Avoir une meilleure compréhension des mécanismes du colmatage membranaire lors de la filtration d’un milieu liquide contenant les micro-organismes en suspension. Il est important de souligner que des eaux industrielles et des eaux usées dans plusieurs domaines appartiennent à ce type d’effluents. 2. Proposer un modèle macroscopique décrivant les mécanismes de colmatage observés. [...]

During a membrane filtration process, a liquid medium is filtered through a membrane(selective barrier). The applied driving force between two sides of the membrane can be a gradient of pressure, temperature or a chemical/electrical potential.In pressure driven filtration processes (application of a pressure gradient as driving force between two sides of the membrane), certain components of the liquid medium pass through the membrane, while others are retained at the membrane surface. These processes are widely used as separation techniques in different industrial fields like waste water treatment, biotechnology, food and pharmacy. Compared to conventional techniquesof separation (distillation, crystallization, ...), membrane processes offer more compact installations with more optimized operational costs. Moreover, membrane processes are mainly performed in absence of chemical additives and phase change. In this work we focus on the pressure-driven microfiltration membrane processes.The main disadvantage of these processes is the continuous accumulation of particles on the membrane surface. This affects the membrane selectivity, modifies the quality and the quantity of the liquid passing through the membrane and leads to an increase of energy costs. Membrane fouling occurs in all types of membrane processes and therefore is known as the major obstacle for widespread use of these processes. Different techniques are used to overcome the effects of fouling on the membrane performance : physical-chemical treatment of used membranes, modification of the operational conditions (tangential flow of the feed solution to the membrane is often applied for minimizing the particle accumulation to the membrane surface), use of membranes less susceptible to fouling, etc. Depending on the nature of the treated solutions, the deposited particles are highly variable. Microorganisms, natural organic matter such as proteins, polysaccharides, humid substances, inorganic oxides and salts contribute notably to membrane fouling.It should be noted that membrane fouling problem is a multi-physics (hydrodynamics,mass transport, physics, chemistry), multi-scale (different length scales are involved:molecules, pores and membrane surface) and time dependent (evolution of the membrane microstructure and the molecule-surface interactions) phenomena.In the last decades, a huge number of experimental studies have been invested to understand fouling mechanisms. It has been pointed out that membrane physicochemical properties, solution chemistry and operational conditions are the three major factors affecting the fouling mechanisms. In parallel, theoretical models have been proposed to confirm/describe the experimental observations.Modeling of membrane fouling is an essential tool for assessing the fouling mechanisms. It helps predicting the membrane performance and consequently finding adapted strategies to prevent their modification during the filtration process.In general, the models can be classified into two main categories: mass transport models which focus on solute permeation during the filtration process, and fouling models based on particle or solute blocking within the membrane porous structure. In most of the cases, models depend strongly on the empirical or semi-empirical parameters and thus remain phenomenological. Two main objectives have been set for the present work: 1. Get a better understanding of the membrane fouling mechanisms during filtration of a liquid medium containing suspended microorganisms. It should be pointed out that several Industrial streams and wastewaters belong to this kind of effluents.2. Propose a macroscopic model describing the observed fouling mechanisms. [...]