Dans cette étude, nous expérimentons deux méthodes de caractérisation pour déterminer la taille des pores de quatre membranes composites (GE-Osmonics) d’ultra- et de nanofiltration. Ces deux méthodes ...sont le transport de solutés neutres et la porométrie bi-liquide. La méthode de transport de solutés neutres a été employée en utilisant des solutions contenant des mélanges de polyéthylène glycol (PEG) de différentes masses moléculaires. À partir des rétentions des PEG, les modèles log-normal et celui de l’encombrement stérique ont été appliqués pour déterminer la taille des pores des membranes testées. Nous avons également testé la porométrie pour déterminer directement la distribution de la taille des pores ouverts. Nous avons observé que, pour toutes les membranes, le seuil de coupure indiqué par le fournisseur est inférieur à celui déterminé expérimentalement. Pour les membranes HL et GK, le seuil de coupure dépasse deux fois la valeur annoncée par le fournisseur. Les deux modèles mathématiques prédisent le même diamètre de pore moyen d¯p≈1 nm pour la membrane GH. La porométrie bi-liquide montre une distribution de taille des pores et des diamètres de pores plus larges que ceux obtenus par la méthode de transport des PEG. Cette surestimation de la taille des pores par porométrie suggère le gonflement des pores des membranes due à l’utilisation de l’isobutanol.
In this study, four commercial ultra- and nanofiltration membranes (GE-Osmonics) were characterized by determining their mean pore size and their size distribution. To this aim, two characterization methods were used: neutral solutes transport methods and bi-liquid displacement porometry. The neutral solutes transport experiments were conducted using mixtures containing polyethylene glycol PEG with various molecular weights. The log-normal and the Steric Hindrance Pore (SHP) models were applied to the PEG rejection to determine the pore size distribution of the tested membranes. The liquid–liquid displacement porometric technique was used to directly determine the open pore size distribution. The experimental results show that for all membranes, the molecular weight cut off specified by the supplier is lower than that determined experimentally. For HL and GK membranes, the MWCO exceed two times the manufacturer MWCO values. The two mathematical models (SHP and log-normal) predict the same mean pore diameter d¯p≈1 nm for the GH membrane. The pore size distribution obtained by transport of PEG is significantly different from that obtained by bi-liquid porometry. A comparative study of both techniques suggests that the overestimation of the pores size by the porometric technique is due to the membrane pores swelling caused by the use of an organic solvent (isobutanol).
Même si la vigne reste parmi les plantes cultivées une des plus économes en eau, se pose maintenant la question de la disponibilité et de l'accessibilité à la ressource en eau naturelle de qualité: ...eaux souterraines (infiltration, nappes), eaux de surface stagnantes (lacs, retenues de barrages) ou en écoulement (rivières, fleuves), eaux de mer, eaux usées traitées (REUT). Certaines de ces eaux peuvent contenir des composés d'intérêts nutritionnels pour les plantes, mais aussi être riches en sels dissous. L'objet de cette communication est d'étudier les technologies permettant d'affiner la teneur en sel de l'eau d'irrigation pour la vigne, quel que soit son origine et son niveau initial. Les techniques membranaires, osmose inverse, nanofiltration et électrodialyse sont ainsi comparées techniquement et évaluées économiquement. Les unes, nanofiltration et osmose inverse, à partir de membranes poreuses ou denses sous pression, consiste en une séparation de quasi tous les éléments dissous de l'eau (anions, cations, mais y compris les nutriments azotés, et minéraux) et ce quel que soit, pour l'osmose inverse, la salinité de l'eau initiale (e.g. eau de mer). L'autre l'électrodialyse, à partir de membranes denses ne filtre pas l'eau, mais extrait une quantité pilotable en ligne, de sels dissous (Na
+
et Cl
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en particulier sélectionnables) sous l'effet d'un champ électrique, afin de l'adapter aux sols ou plantes concernés
Although vines are among the least water-intensive crops, the availability and accessibility of good- quality natural water resources, comprising groundwater, stagnant surface water (lakes and artificial reservoirs created by dams), flowing surface water (rivers) and sea water, remain an issue. In this context, reuse of treated wastewater (RTW) offers an alternative resource that has substantial advantages: it can mitigate water shortages, help conserve natural resources and play a part in the circular water economy. Some types of RTW may contain valuable nutrients for plants, but they may also contain high concentrations of dissolved salts. Given that, in the event of low rainfall, excess sodium and chloride resulting from irrigation with some types of water from natural sources or RTW are not leached from the soil, it is vital to obviate any increase in soil salinity. This paper looks at the technologies by which salt levels in irrigation water can be reduced. The membrane techniques studied: reverse osmosis, nanofiltration and electrodialysis are subjected to technical and economic comparisons. In the context of water quality management and a circular economy approach to resources motivated by both technical and economic considerations, electrodialysis can substantially reduce electricity consumption and operating costs. In this case it can therefore be seen as an agricultural water treatment technology that stands the test of sustainability and is reliable and fit for purpose.
Nombreuses sont les personnes exposées a une concentration excessive de fluor dans l'eau qu'ils boivent. C'est le cas de la population vivant dans le sud algérien. L'exces de fluor provoque des ...affections invalidantes : la fluorose dentaire, la fluorose osseuse. L'objectif principal de ce travail est d'étudier l'effet de la pression et de la concentration des sels sur leur rétention par nanofiltration. Pour cela, nous avons déterminé les parametres de performance de flux et de rétention vis-a-vis des solutés ioniques NaF, NaBr, NaCl et NaI par la membrane de nanofiltration NF 270. Cette présente étude examine aussi la défluoruration d'eaux saumâtres réelles du sud algérien. Des essais en nanofiltration ont montré que la rétention des anions se fait dans l'ordre suivant : F- > Cl- > Br- > I-. La membrane NF 270 retient mieux les ions a une pression de 10 bar. Au-dela de cette derniere, la rétention des ions monovalents se stabilise aux différents pH étudiés puis diminue. A faible concentration (10-3 M) la rétention limite des solutés étudiés est plus élevée qu'a plus forte concentration (10-2 M). Il a été démontré que les ions fluorures peuvent étre retenus sélectivement d'une eau naturelle saumâtre hyperfluorée a pH naturel a plus de 82 % en présence d'autres ions.
Les siloxanes sont utilisés dans tous les domaines de l'industrie. Depuis quelques années, certains pays ont mis en place des reglements encadrant les rejets aqueux siloxaniques. Dans une perspective ...de développement durable, les industriels sont a la recherche de technologies de traitement pour maîtriser leurs rejets. La nanofiltration paraît particulierement adaptée pour les caractéristiques de séparation qu'elle autorise en regard de la taille des molécules visées. Cet article présente donc une étude de la nanofiltration pour le traitement des effluents siloxaniques. Les filtrations sont réalisées en mode frontal avec des effluents représentatifs des rejets industriels, caractérisés par une salinité élevée. Ľoctaméthylcyclotétrasiloxane (D4), molécule de base de la chimie des silicones, est choisie comme composé cible de l'étude. Des études récentes ont montré une sensibilité importante des performances de la nanofiltration a la présence de sels. Ainsi, cette étude porte une attention particuliere a cette problématique. Les résultats montrent effectivement une variation des performances d'épuration en fonction de la salinité. Une diminution de l'abattement en carbone organique total (COT) et de la rétention en D4 est observée lorsque l'effluent est dilué. Les mėmes résultats ont été constatés lorsque la salinité de solutions diluées est augmentée.
The integration of organic solvent nanofiltration in processes of fine chemistry involving homogeneous metal catalysts has a great potentiel because this eco-friendly process, efficient at molecular ...scale, does not desactivate the catalyst contrary to conventionnal distillation. The aim of this study is to integrate organic solvent nanofiltration in the process of 10-undecenitrile hydroformylation in toluene. A one-step nanofiltration does not permit to fulfill the goals of the separation, which are to extract the product and to recycle the catalytic system (Rh, biphephos). Simulations of membrane cascades based on experimental data of flux and retention according to the concentration (acquired in the first part of the thesis) highlighted that a four stages cascades with recycling is realistic and competitive for an industrial plant.
L'intégration de la nanofiltration organique dans les procédés de chimie fine impliquant des catalyseurs organométalliques solubles a un fort potentiel car ce procédé éco-efficace de séparation à l'échelle moléculaire ne désactive pas les catalyseurs contrairement à la distillation classiquement utilisée. L'objectif de cette thèse est d'intégrer la nanofiltration organique dans le procédé d'hydroformylation du 10-undecenitrile dans le toluène. Un procédé en une étape de nanofiltration ne permet pas de remplir les objectifs de séparation qui sont l'extraction du produit et le recyclage du système catalytique (Rh, biphephos). Des simulations de cascades de membranes basées sur les données expérimentales de flux et de rétentions variables en fonction de la concentration, acquises en première partie de thèse, ont permis d'identifier un design de cascade à 4 étages avec recyclages réaliste et compétitif pour une conception industrielle.
Les industries de production de boissons génèrent quotidiennement des volumes importants d’eaux usées. Du fait des résidus de production et des produits de lavage et de désinfection, ces rejets ...industriels, en plus d’être chargés en matière organique, contiennent des polluants minéraux comme le sodium. L’osmose inverse (OI), l’électrodyalyse (ED) et la nanofiltration (NF) sont des procédés performants pour l’élimination des polluants minéraux dissouts et le bioréacteur réacteur à membrane (BàM) pour la dégradation de la pollution organique. 4 pilotes de BàM, 2 de NF et 1 d’ED ont été utilisées pour étudier le traitement d’effluents d’industrie de production de bières et de boissons gazeuses par des technologies membranaires dans le contexte climatique sahélien. L’évolution de la biomasse dans le réacteur biologique et les performances épuratoires des systèmes ont été suivies. L’influence des conditions opératoires sur le fonctionnement des installations a également été évaluée. Les résultats obtenus montrent que les caractéristiques des eaux usées industrielles étudiées connaissent des variations importantes avec des teneurs moyennes de demande chimique en oxygène (DCO) de 5 gO2/L, de sodium de 0,5 mg/L et de pH de 11. L’évolution des microorganismes dans le réacteur biologique est influencée par les conditions opératoires notamment le pH, la température, la charge organique de l’alimentation, le temps de séjour des boues et les performances mécaniques du système. L’élimination de la pollution organique a été influencée par l’acclimatation de la biomasse et par la charge massique dans le réacteur. Des rendements d’élimination de la DCO compris entre 93 et 96 % ont été obtenus aussi bien en conditions aérobie qu’anaérobie. Le sodium a été très peu retenu par le traitement au BàM avec des rendements d’élimination faibles. Le rendement moyen de production de biogaz avec le BàM anaérobie est estimé à 0,21±0,03 L biogaz/gDCO éliminé pour un débit moyen de 89±40 L/j. L’application de la NF au perméat du BàM a conduit à des effluents de meilleure qualité avec une élimination aussi bien de la matière organique dissoute que des ions. L’ED a conduit à une meilleure élimination de la salinité à la suite du BàM mais moins de la matière organique dissoute. Les concentrations de sodium dans les produits finaux de traitement avec la NF et l’ED sont inférieures à 150 mg/L autorisant ainsi une possible réutilisation des eaux traitées pour l’irrigation et un déversement sans risque dans l’environnement. Tenant compte des différentes activités, le cout d’exploitation de la station de prétraitement actuelle de la Brakina est évaluée à 140 FCFA/m3 d’eau traitée (0,213 euros) dont environ 70% consacré à la neutralisation des eaux usées par l’addition d’acide concentré. L’amélioration du traitement avec un couplage BàM-NF fait ressortir un investissement estimé à 3,8 milliards de FCFA (5,7 millions d’euros). Les charges d’exploitation sont pour leur part évaluées à 322 FCFA/m3 d’eau traitée (0,49 euros/m3 d’eau traitée) pour un BàM aéré contre 227 FCFA/m3 d’eau traitée (0,34 euro/m3 d’eau traitée) pour un BàM anaérobie soit une baisse de 30%. La construction d’un tel système pourrait occasionner la pérennisation de la maraîcheculture en aval de la station de traitement de Kossodo et générer des centaines d’emplois permanents avec des revenus nets supérieurs à 12 millions FCFA/mois (18 675 euros). Aussi, cela pourrait constituer une vitrine pour la politique sociale et environnementale de la Brakina. Toutefois, les investissements importants, la disponibilité spatiale et l’absence de compétence technique pour la maintenance curative du système pourraient être les principales contraintes à la mise en œuvre de ce projet.Mots clés : bioréacteur à membrane, eaux usées industrielles, électrodyalyse, industrie de production de boissons, nanofiltration
The beverage industries generate large volumes of wastewater daily. Due to production residues and washing and disinfecting products, these industrial discharges, in addition to being loaded with organic matter, contain mineral pollutants such as sodium. Reverse osmosis (RO), electrodialysis (ED) and nanofiltration (NF) are efficient processes for the removal of dissolved inorganic pollutants and the membrane bioreactor (MBR) for the degradation of organic pollution. 4 MBR pilots, 2 from NF and 1 from ED were used to study the treatment of effluents from the beer and soft drinks industry using membrane technologies in the Sahelian climate context. The biomass evolution in the biological reactor and the treatment efficiency were followed. The influence of the operating conditions on the facilities running was also evaluated. The results obtained show that the characteristics of the industrial wastewater used vary significantly with average levels of chemical oxygen demand (COD) of 5 gO2 / L, sodium of 0.5 mg / L and pH of 11. The evolution of the microorganisms in the biological reactor is influenced by the operating conditions, in particular the pH, the temperature, the organic load of the feed, the sludge retention time and the mechanical performance of the system. COD removal efficiencies between 93 and 96% were obtained both aerobically and anaerobically. Elimination of organic pollution was influenced by the acclimation of the biomass and by the mass loading in the reactor. Sodium was poorly retained by MBR treatment with low retention rates. The average biogas production yield with anaerobic MBR is estimated at 0.21 ± 0.03 L biogas/gCOD removed for an average flow rate of 89 ± 40 L/d. The application of NF to the MBR permeate has led to higher quality effluents with removal of both dissolved organic matter and ions. ED led to better salinity removal as a result of MBR but less of dissolved organic matter. The sodium concentrations in the final products of treatments obtained with NF and ED are less than 150 mg / L thus allowing a possible reuse of treated water for irrigation and a safe rejection in the environment. Taking into account the different activities, the operating cost of the current Brakina pre-treatment station is estimated at 140 FCFA/m3 of treated wastewater (€ 0.213), of which about 70% for the neutralization of wastewater by the addition of concentrated acid. Improving treatment with MBR-NF coupling shows an investment estimated at 3.8 billion FCFA (5.7 million euros). Operating expenses are estimated at 322 FCFA/m3 of treated wastewater (0.49 euros/m3 of treated wastewater) for an aerated MBR compared to 227 FCFA/m3 of treated wastewater (0.34 euro/m3 of treated wastewater) for anaerobic MBR is a decrease of 30%. The construction of such a system could lead to the sustainability of market gardening downstream of the Kossodo treatment plant and generate hundreds of permanent jobs with net revenues of more than 12 million FCFA/month (18.675 euros). Also, this could be a showcase for the social and environmental policy of Brakina. However, the major investments, the space requirements that the implementation of this proposal requires and the unavailability on site of technical competence for the curative maintenance of the system could be the main constraints to the implementation of this project.Key words: beverage production industry, electrodialysis, industrial wastewater, membrane bioreactor, nanofiltration
L'extraction de biomolécules à partir de ressources renouvelables devient l'un des thèmes clés dans les domaines de la biotechnologie, de la cosmétologie et de la pharmacie. Pour minimiser la ...consommation de solvant organique et augmenter l'efficacité, l'extraction avec des mélanges eau/alcool semble être une approche prometteuse. De plus, des étapes supplémentaires de purification et de concentration sont généralement nécessaires pour enrichir le milieu avec les molécules cibles. La nanofiltration (NF) est une technique de séparation idéale et durable pour de telles opérations car elle est propre, sobre et sûre. Il existe néanmoins peu de littérature concernant la NF dans ces mélanges eau/éthanol. Cette étude vise à mieux comprendre les mécanismes de transfert qui régissent la sélectivité dans ces milieux. Dans un premier temps une étude fondamentale est réalisée sur la NF dans des mélanges eau/ alcool seuls ou en présence de solutés neutres et/ou chargés. Les résultats obtenus montrent que lorsque la teneur en alcool augmente, la membrane gonfle, le rayon des pores augmente mais la résistance intrinsèque reste constante. Les mécanismes de transfert bien connus en milieux aqueux (exclusion stérique, interaction électrostatique, interaction diélectique) et en milieux organiques (interactions hydrophobes, affinité soluté-membrane-solvant) sont tous présents dans des mélanges eau/alcool mais leur intensité relative semble être différente. Différents modèles (Spiegler-Kedem & Film, Hydrodynamique & Film, Solution-Diffusion & Film, Pore-Flow & Film, Steric Electric and Dielectric Exclusion) ont été utilisés pour modéliser les rétentions et estimer les paramètres de transfert.
The extraction of bio-molecules from renewable resources is emerging as one of a key topics in the fields of biotechnology, cosmetology and pharmacy. To minimize the organic solvent consumption, as well as to increase the efficiency, extraction by water/alcohol mixtures appears to be a promising approach. Moreover, additional purification and concentration steps are generally required to enrich the medium with the target molecules. Nanofiltration is a de-facto separation technique for such operations because it is clean, sober and safe. Unfortunately, there is few literature on the transfer of water/ethanol mixtures regarding nanofiltration. This study aims to better understand the transfer mechanisms that govern selectivity in these media. At the first step, a fundamental study is realized on nanofiltration in water/alcohol mixtures alone or with the presence of neutral or charged solutes. The obtained results show that when the alcohol content increases, the membrane is swelling, the pore radius increases but the intrinsic resistance is still constant. The well-known transfer mechanisms in aqueous media (steric exclusion, electric interaction, dielectric interaction) and in organic media (hydrophobic interaction, affinity solute-membrane-solvent) are all present in the water/alcohol mixtures, but relative intensity appears to be different. Different models (Spiegler-Kedem & Film, Hydrodynamics & Film, Solution-Diffusion & Film, Pore-Flow & Film, Electric Steric and Dielectric Exclusion) were used to model the retentions and estimate the transfer parameters.
Différentes études ont mis en évidence que la présence d'électrolyte modifie les performances de la nanofiltration et que l'augmentation du transfert observée est majoritairement gouvernée par la ...modification des propriétés du soluté (interactions soluté / électrolyte). Cependant, de nombreux verrous scientifiques et techniques restent encore à lever pour promouvoir l'intégration de ces opérations à l'échelle industrielle. Dans ce contexte, le travail proposé vise à améliorer la compréhension des mécanismes de transfert en s'appuyant d'une part sur la caractérisation multi-échelle des interactions dans les systèmes soluté neutre / électrolyte et plus particulièrement l'hydratation des espèces, et d'autre part sur la recherche de corrélations entre ces propriétés et les grandeurs de transfert. Plus précisément, il s'agit de comprendre comment les ions agissent sur les propriétés d'hydratation des sucres et leur transfert à travers une membrane de nanofiltration. Dans un premier temps, les propriétés volumiques de sucres (xylose, glucose, saccharose), qui caractérisent l'hydratation des solutés à l'échelle macroscopique, déterminées pour différentes compositions ioniques (LiCl, NaCl, KCl, Na2SO4, K2SO4, CaCl2, MgCl2, MgSO4), montrent que la déshydratation des sucres est principalement gouvernée par les interactions sucre / ions, dépendantes des propriétés des ions (valence, taille). Dans un second temps, la mécanique quantique est utilisée pour décrire les propriétés d'hydratation des ions et des sucres, seuls, puis en mélange à l'échelle microscopique. Il est montré que les sucres et les ions se déshydratent et que les sucres sont d'autant plus déshydratés que le nombre d'interactions sucre / ions augmente, qui lui-même augmente avec le nombre de coordinations des ions dans l'eau. Enfin, des corrélations quantitatives sont obtenues entre les propriétés d'hydratation des espèces (nombre d'hydratation, nombre de coordinations, nombre d'interactions...) obtenues aux différentes échelles et les grandeurs caractérisant le transfert. Ainsi, à partir de ces résultats prometteurs, des travaux complémentaires devraient permettre d'améliorer la prédiction des performances de la nanofiltration pour le traitement de solutions contenant des solutés organiques en présence d'électrolyte.
Different studies have shown that the presence of electrolyte modifies the nanofiltration performances and that the increase of the neutral solute transfer is mainly governed by the modification of the solute properties (neutral solute / electrolyte interactions). However, the development of such membrane processes is still limited since it is hardly possible to predict the process performances, In this context, the aim of this work is to study the neutral solute / electrolyte interactions using a fundamental multi scale approach in order to improve the knowledge of the transfer mechanisms taking place through nanofiltration membranes. More precisely, the objective is to understand how the ions act on the hydration properties of the saccharides and their transfer through a nanofiltration membrane. Firstly, the saccharide volumetric properties (xylose, glucose, sucrose), which characterize the solute hydration at the macroscopic scale, are determined in presence of various electrolytes (LiCl, NaCl, KCl, Na2SO4, K2SO4, CaCl2, MgCl2, MgSO4). The results show that the saccharide dehydration is due to the predominance of the saccharide / ions interactions depending on the ions' properties (valence, size). Secondly, quantum mechanics is used to describe the hydration properties of ions and saccharides, alone and then in a mixture at the microscopic scale. It is shown that both saccharide and ions are dehydrated and that the saccharides are more dehydrated for increasing saccharide / ions interactions number, which in turn increases with the ion's coordination number in water. It is also shown that the species hydration properties, obtained at different scales are consistent. Finally, quantitative correlations between the species hydration properties and the saccharide mass transfer parameters are obtained. Thus, from these promising results, further work will be devoted to improve the prediction of the performance of nanofiltration for the treatment of solutions containing organic solutes in the presence of electrolyte.
Aujourd'hui, la nanofiltration (NF) est perçue comme un procédé de séparation efficace et propre permettant d’extraire ou de concentrer des solutés ioniques ou neutres. Son développement à l’échelle ...industrielle n’est cependant pas encore optimal car les différents mécanismes de séparation sont encore mal compris. Cette thèse a porté d’une part sur l’étude des propriétés charge de surface des membranes de NF/OI et d’autre part sur les mécanismes de transport à travers des membranes de NF. Il a tout d’abord été montré, grâce à des mesures électrocinétiques réalisées sous atmosphère contrôlée, que certaines membranes commerciales subissent un post-traitement afin d’améliorer leurs performances de filtration. La détermination du potentiel zêta, grandeur caractéristique de la charge de surface, s’est révélée être une méthode adaptée pour mettre en évidence la présence d’une couche de post-traitement à la surface d’une membrane. La suite de l’étude a été consacrée à la compréhension des mécanismes de transport lors de la NF de mélanges ternaires contenant deux cations différents (Na+ et Ca2+) et un anion commun (Cl-). L’utilisation du modèle de transport SEDE a permis de montrer que les performances des membranes de NF résultent de la combinaison d’effets stériques, électriques et diélectriques. La dernière partie de ce travail a été consacrée à la NF d’un coproduit de l’industrie agro-alimentaire, le produit fermenté de soja (PFS). Il a été montré que la NF est potentiellement adaptée au dessalement du PFS (réduction de la teneur en cations monovalents) sans perte des sucres d’intérêt.
Today, nanofiltration (NF) is acknowledged as an efficient and environmentally-friendly separation process suited to extract or to concentrate neutral or ionic solutes. However, its development at industrial scale is not yet optimal because separation mechanisms are still poorly understood. This thesis focused on studying surface charge properties of NF/RO membranes and transport mechanisms through NF membranes as well. Firstly it was shown through electrokinetic measurements performed under controlled atmosphere that some commercial membranes undergo a post-treatment to improve their filtration performance. Determining the zeta potential, a physical quantity representative of the membrane surface charge, was shown to be a reliable method to highlight the presence of a post-treatment layer on the membrane surface. The second part of the study dealt with the understanding of transport mechanisms involved in NF of ternary mixtures containing two different cations (Na+ and Ca2+) and a common anion (Cl-). Using the SEDE transport model it was shown that the performance of NF membranes results from the combination of steric, electric and dielectric effects. The last part of this work was concerned with nanofiltration of a food industry co-product, the fermented soy product (PFS). It was shown that NF is potentially suitable for PFS desalination (reduction in the monovalent cation concentration) without loss of the sugars of interest.
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