Procédés membranaires pour le traitement de l'eau, étude et modélisation des interctions entre membranes et composés organiques

Membrane processes for water and wastewater treatment : study and modeling of interactions between membrane and organic matter

• Auteur / Autrice : Zhaohuan Mai
• Direction : Mohammed Rakib
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance le 02/10/2013
• 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 : Patrick Bourseau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mohammed Rakib, Geneviève Gesan-Guiziou, Patrice Malfreyt, Claire Gargues, Estelle Couallier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Geneviève Gesan-Guiziou, Patrice Malfreyt

Mots clés

Mots clés contrôlés

Interfaces solide-liquide

Eau -- Épuration

Membranes (technologie)

Mots clés libres

Procédés membranaires

Osmose inverse

Tensioactif

Membrane process

Reverse osmosis

Surfactant

Résumé

L’objectif de cette thèse est de mettre en évidence le comportement à l’échelle microscopique des composés organiques au cours des procédés de traitement de mélanges complexes, en particulier les procédés membranaires. Pour cela des outils expérimentaux et de modélisation ont été mis au point. Les méthodes de caractérisation expérimentale des mélanges complexes et de l’état de surface des solides utilisés sont entre autres la construction d’isothermes d’adsorption et la mesure des tensions interfaciales par la méthode de la goutte posée. Le cas étudié ici est celui de la filtration de solutions modèles de tensioactifs par osmose inverse. Nous avons montré que le comportement des composés organiques (tensioactifs) influence la performance du procédé membranaire et les propriétés de membranes. L’outil de simulation du comportement des composés en phase liquide et à l’interface liquide-solide permettant une description à une échelle plus fine que celle atteignable expérimentalement est la DPD (Dissipative Particle Dynamics). Une première étape a permis de simuler l’agrégation des tensioactifs en solution et de retrouver les valeurs expérimentales des concentrations micellaires critiques et nombres d’agrégation de tensioactifs anioniques. L’étude de l’adsorption des tensioactifs sur une membrane d’osmose inverse a été initiée, avec pour objectif de mettre en évidence l’organisation des composés à l’échelle locale. L’apport des outils développés a été démontré et leur utilisation pourra être approfondie dans des travaux ultérieurs.

The aim of this work is a better understanding of the microscopic behavior of organic matters during the wastewater treatment of complex mixtures, especially during the membrane processes. Both experimental and simulation methods were developed in this work. Experimentally, adsorption isotherms were built to study the adsorption of organic matters on the membrane surface during the filtration. The sessile drop measurement allowed investigating the surface properties (interfacial tensions) of the membrane. After the filtration of surfactants by reverse osmosis (RO), we found that the surfactants played an important role in the performance and the surface properties of the RO membrane. The DPD (Dissipative Particle Dynamics) simulation method was used to model the behavior of anionic surfactants in solution and at the solid/liquid interface from a more detailed aspect than experiments. Firstly, the micellization of three anionic surfactants in aqueous solution was simulated and the model was validated by comparing the equilibrium properties (the critical micelle concentration and aggregation number) of micelle solutions obtained from simulation to the experimental values in literature. Then the model was extended to simulate the adsorption of surfactants on the RO membrane. The construction of a system with a membrane was initiated, and the study on the organizations of surfactants at the membrane surface opens a door to further active research.