CLUB FRANCAIS DES MEMBRANES

Club Français des Membranes
(CFM – M2P2)
Europole de l’Arbois,
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13545 AIX en PROVENCE cedex
Tél : 04 42 90 85 01
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l'ultrafiltration de l'eau par fibre creuse une aventure toulousaine

MemPro 5
Thèses    
Thèses 2012

  Thèses soutenues en 2012
 

24 Janvier 2012
Sawsen BEN AMEUR, IEM, Montpellier
CONCEPTION ET ETUDE D’UN REACTEUR ENZYMATIQUE FONCTIONNANT EN MILIEU SUPERCRITIQUE

- Ce travail de thèse vise à développer un procédé de synthèse d’esters dans un réacteur enzymatique membranaire fonctionnant en milieu CO2 supercritique. Un tel procédé représente une alternative intéressante à la synthèse chimique classiquement utilisée en industrie car il permet d’une part d’utiliser le CO2 supercritique comme solvant et de substituer ainsi les solvants organiques généralement utilisés et d’autre part, d’avoir un produit final doté d’un label naturel grâce à l’utilisation d’un catalyseur biologique. Dans cette étude, une membrane enzymatique de taille industrielle a été développée. Un pilote spécifique permettant la conduite de réactions enzymatiques en milieu supercritique a été conçu. Le procédé a été testé à l’aide d’une réaction modèle : la synthèse d’acétate d’anisyle à partir d’alcool anisique et d’acétate de vinyle. L’influence de divers paramètres opératoires tels que la température, la pression, ou le débit sur les performances du procédé a été évaluée. Les performances du procédé ont également été comparées à celles d’un réacteur à lit fixe

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30 Janvier 2012
Olivier MAJOULET, IEM, Montpellier
ELABORATION DE CERAMIQUES POREUSES ORDONNEES A BASE DE CARBURE DE SILICIUM

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02 mars 2012
Han NGUYEN THI, Laboratoire GEPEA UMR-CNRS 6144, Nantes-Saint Nazaire
ETUDE DES MECANISMES DE CONSOLIDATION ET D’ABRASION DU DEPOT A L’INTERFACE MEMBRANE / SUSPENSION DANS LE CAS D’UNE FILTRATION TANGENTIELLE DE MILIEUX COMPLEXES

Le travail porte sur l’étude des performances hydrauliques, énergétiques et de rétention d’unités d’ultrafiltration (UF sur fibres creuses) d’eau de mer reconstituée à partir de sel gris. Au cours de cette étude, l’influence de (i) divers paramètres opératoires (la PTM, les fréquences des rétrolavages, la durée des rétrolavges, les modes d’aération (continu ou intermittent), les débits d’aération), (ii) caractéristiques morphologiques et physico-chimiques des microparticules ajoutées ou non à la charge initiale, sur le colmatage des membranes et les performances globales ont été étudiées lors des ultrafiltrations frontales et tangentielles Lors de l’’UF frontale, l’augmentation de la pression transmembranaire (PTM) induit une augmentation de la consommation énergétique, contrairement à l’UF tangentielle où la consommation énergétique atteint la valeur minimale à la PTM de 0,4 bar. Le colmatage membranaire dans le cas de l’UF frontale sans rétrolavage ni bullage est plus important que celui observé lors de l’UF avec rétrolavage à différentes durées et fréquences. La consommation énergétique la plus faible (16Wh.m-3) a été observée lors de l’UF frontale sans rétrolavage ni bullage. Deux phénomènes pourraient agir sur la rétention de la matière organique et le colmatage lors de l’UF d’eau de mer avec ou sans ajout de particules (bentonite et kieselguhr) : l’abrasion de la surface de la membrane et l’adsorption de la MO. Le taux de rétention de carbone organique dissous (COD) est plus élevé en UF tangentielle et l’ajout de particules entraine une diminution de la rétention du COD. Le taux de rétention en carbone organique total est similaire (80%) en UF frontale ou tangentielle

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7 mars 2012
Virginie BOY, LGC - Toulouse
ROLE DE LA COMPOSITION IONIQUE SUR LE TRANSFERT DE SUCRES A TRAVERS DES MEMBRANES DE NANOFILTRATION

Le traitement de fluides contenant des solutés neutres et des électrolytes constitue un problème d’importance cruciale car la présence d’électrolyte réduit les performances des procédés. Ainsi, des études ont montré que l’addition d’électrolyte modifie le transfert des solutés neutres à travers des membranes de nanofiltration. Des travaux ont mis en évidence que la modification du transfert des solutés neutres varie avec l’hydratation des ions. Nous présentons ici les résultats obtenus pour des solutions contenant des sucres de masses molaires croissantes (xylose, glucose et saccharose) et des électrolytes à différents états d’hydratations (NaCl, Na2SO4, CaCl2 et MgCl2). Le transfert de sucre est étudié selon deux modes, filtration et diffusion. L’objectif est d’approfondir la compréhension des mécanismes qui gouvernent le transfert de sucres à travers des membranes de nanofiltration en se focalisant sur le rôle des ions. Il s’agit de caractériser l’hydratation des sucres à partir de la détermination des volumes molaires apparents et d’étudier le transfert de sucres à travers la membrane. Pour un électrolyte donné à différentes concentrations, une relation quantitative est établie entre la modification du transfert du sucre et son hydratation. Ces résultats sont prometteurs puisqu’ils permettent de valider l’hypothèse selon laquelle la variation du transfert du sucre provient de la modification de son hydratation. Des travaux complémentaires devraient permettre d’améliorer l’aspect prédictif vis-à-vis des performances des procédés de nanofiltration pour le traitement de fluides contenant en proportion variable des solutés organiques et des ions minéraux.
Mots-clés : Sucre, Electrolyte, Hydratation, Transfert de matière, Nanofiltration

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2 Avril 2012
Alina Valentina STOIAN, IEM, Montpellier
MODELISATION ET SIMULATION DE L’ATMOSPHERE D’UNE ENCEINTE MEMBRANAIRE POUR DES TESTS DE TOXICITE

Un problème fondamental pendant l’évaluation in vitro de la toxicité de composés organiques volatils (COV) est le manque de connaissance de l’évolution de la concentration des COV à laquelle les systèmes vivants sont exposés au cours des études expérimentales. Ce travail présente un nouveau dispositif expérimental conçu pour étudier l’exposition des systèmes vivants aux COVs. Le dispositif est formé de deux compartiments séparés par une membrane hydrophobe poreuse et permet des durées relativement longues de manipulations sans restreindre la respiration cellulaire. Une modélisation théorique qui couple la conservation de masse et du moment entre les différentes phases et la respiration des cellules hybridomes (ATCC CRL-1606) au sein du dispositif a été développée. Le modèle permet de prédire l’évolution de la concentration des COVs, de l’oxygène et du dioxyde de carbone dans le dispositif. Les résultats simulés pour le transfert des COVs ont révélé une bonne concordance avec les résultats expérimentaux et ont montré que le type de membrane et son diamètre, le coefficient de partage des COVs et la hauteur de la phase liquide ont une influence significative sur l’évolution de la concentration de ceux-ci dans la phase liquide. Néanmoins la disponibilité de l’oxygène au niveau des cellules dépend principalement de la densité cellulaire initiale, de la vitesse spécifique de consommation de ce gaz et de la hauteur du liquide alors que les paramètres liés à membrane ont une influence sur le contrôle du pH

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17 Juillet 2012
Lei WANG, LRGP Nancy
CYCLIC MEMBRANE GAS SEPARATION PROCESSES

Ce travail traite une investigation systématique des performances du procédé membranaire cyclique par séparation gazeuse. Premièrement, l’état de l’art du procédé membranaire cyclique, les problèmes techniques et la modélisation du transfert à travers la membrane ont été exposés. Deuxièmement, les études théoriques et expérimentales existantes sur le procédé cyclique sont passées en revue. Selon la durée de pression haute et sa fraction dans un cycle, ce genre d’opération est divisé en deux classes : classes courte et longue. D’après cette classification, une analyse systématique de l’intérêt potentiel de la classe courte par rapport aux performances d’une opération en régime permanent a eté accomplie par des simulations et optimisations numériques. Par ailleurs, afin d’améliorer la performance, l’usage du MMM dans un tel procédé a été discuté. En parallèle à l’étude sur la classe courte, une nouvelle conception du procédé cyclique de classe longue a été proposée. Les avantages spectaculaires par rapport aux procédés membranaires classiques ont été mis en évidence à l’aide de nos simulations et optimisations. Finalement, une validation expérimentale a été effectuée afin de fournir un support solide à cette nouvelle conception.

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8 Novembre 2012
Etienne BRAAK, LGC, Toulouse
AERATION POUR LE DECOLMATAGE DANS LES BIOREACTEURS A MEMBRANES IMMERGEES POUR LE TRAITEMENT DES EAUX USEES : IMPACT SUR LE MILIEU BIOLOGIQUE ET LA FILTRATION
- Prix de thèse de l’INP.

Les travaux réalisés concernent la compréhension de l’effet de l’aération sur les performances des Bioréacteurs A Membranes Immergées (BAMI). Le BAMI est un procédé de traitement des eaux usées qui couple traitement biologique et filtration membranaire. Un des principaux verrous à son plus grand développement est le colmatage des membranes. La solution retenue pour le limiter est l’injection d’air proche des membranes, qui représente le principal poste de dépense énergétique du procédé ( 50%). Nos recherches se focalisent sur la compréhension de l’impact de l’aération sur le milieu biologique et la filtration dans le but de réduire cette forte dépense. Le travail se décompose en deux grandes parties : • une étude à l’échelle pilote pour une gamme de paramètres opératoires proche de celles utilisées sur stations réelles, avec suivi des propriétés des boues et des performances de filtration. • une étude à échelle plus locale : caractérisation de l’hydrodynamique, simulations numériques et tests de déstructuration contrôlée des boues. Notre démarche fait le lien entre paramètres opératoires (débit d’aération), hydrodynamique à l’échelle macroscopique (tailles et vitesses de bulles), hydrodynamique à l’échelle locale (contraintes de cisaillement) et propriétés du milieu biologique (taille de flocs et substances polymériques extracellulaires solubles). De moins bonnes performances de filtration à plus forte aération pourraient être expliquées par une plus grande déstructuration des boues sur le court terme. Par ailleurs tout effet d’évolution des boues sur le long terme en fonction des conditions d’aération (mécanisme d’adaptation physiologique) a été écarté

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9 Novembre 2012
Patrick LOULERGUE, LISBP, INSA-Toulouse
CARACTERISATION IN-SITU DE DEPOTS FORMES EN FILTRATION MEMBRANAIRE DE SUSPENSIONS PARTICULAIRES ET DE BIOFLUIDES : INTERACTIONS ENTRE STRUCTURE LOCALE ET PERFORMANCES DU PROCEDE

Ces travaux visent à apporter une contribution à la compréhension de la dynamique de structuration de dépôts complexes formés lors de la filtration frontale de (bio)fluides et son impact sur les performances de filtration. Différents outils permettant la mesure in-situ des propriétés structurelles locales des dépôts pendant la filtration sur membrane ont été adaptés et utilisés de manière à pouvoir relier ces propriétés aux performances globales de filtration. Les propriétés électrocinétiques des dépôts ont également été étudiées. Une méthode optique et une méthode acoustique ont été utilisées pour caractériser les propriétés structurelles locales des dépôts (épaisseur, cinétique de croissance). L’étude met en évidence l’apport complémentaire de ces deux méthodes. Appliquées à des particules modèles, elles fournissent des informations sur la dynamique de formation et sur la répartition spatiale du dépôt et sur l’influence des conditions opératoires sur ces propriétés. L’application au cas de biofluides issues de bioréacteurs à membrane a été évaluée et des résultats originaux sur la compressibilité de biofluides à l’échelle locale ont été générés. De premiers résultats sont disponibles sur l’influence de la présence de particules non déformables dans les dépôts biologiques. Ces travaux ouvrent des perspectives sur la compréhension de la formation et de l’évolution de dépôts biologiques sur des membranes.

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15 Novembre 2012
Aurélien TRIGER, LISBP, INSA-Toulouse
PROCEDE HYBRIDE CRISTALLISATION/SEPARATION MEMBRANAIRE POUR LE TRAITEMENT D’UN FLUIDE COMPLEXE (URINE)

Le traitement séparatif et décentralisé de l’urine peut permettre l’accès à une source renouvelable de phosphore tout en améliorant les conditions sanitaires dans les zones dépourvues de systèmes d’assainissement. L’objectif de ce travail est d’étudier la faisabilité et l’intérêt d’un procédé couplant une étape de précipitation permettant la récupération du phosphore sous forme solide, et une étape de filtration membranaire, dans le but de désinfecter la phase liquide. L’étude a comporté un volet sur la précipitation et sur les conditions de formation de cristaux dans des urines synthétiques et réelles. Afin de déterminer la place de l’ultrafiltration dans une filière complète, des urines fraichement excrétées ou obtenues après différents traitements ont été filtrées en filtration frontale avec des membranes de différentes propriétés. Lors de la filtration, une chute de flux importante apparait, due pour une grande part au dépôt de matières organiques. La présence de particules cristallisées dans le fluide augmente la résistance de filtration mais peut améliorer la réversibilité du colmatage. Cette étude permet d’élaborer des préconisations sur le choix des membranes et des conditions de filtration pour ce type d’application. Sur ces bases des filières de traitement et de valorisation de l’urine peuvent être imaginées. De premiers éléments de réflexion technico-économique d’une telle valorisation du phosphore sont présentés.

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23 Novembre 2012
Prashant TYAGI, IEM, Montpellier
ELABORATION DES MEMBRANES POLYMÈRES AUTO-RÉPARABLES

L’objectif de cette thèse est d’élaborer et de développer un type de membranes polymère qui peuvent se réparer de manière autonome en cas de fissures. Si elles ne sont pas détectées, ces fissures peuvent poser des problèmes notamment pour des applications médicales. Dans une première partie, une membrane polymère dynamique à base de micelles de copolymère tribloc ABA a été préparée. Le bloc "A" est représenté par le poly (styrene-co-acrylonitrile), copolymère bloc mécaniquement robuste, et un bloc "B" relativement mou et souple le poly (oxyde d’éthylène). Lorsqu’une pression est appliquée à la membrane, sa morphologie peut être ajustée grâce à la nature compressible des micelles, ainsi que les ponts dynamiques intermicellaires. Une gamme de porosités accessible peut être régulée par la pression et de manière à contrôler la performance de filtration. La même nature dynamique a également été utilisée pour montrer une réparation autonome entrainée par la pression. L’efficacité du processus de réparation dépend de la taille des fissures, de la valeur de pression et de la durée d’application de la pression. En utilisant la propriété d’auto-réparation de la membrane ci-dessus, le processus « Direct Mode Translocation » de nanoparticules a également été étudié. Quatre classes différentes de nanoparticules ont été utilisées avec diverses propriétés intrinsèques et extrinsèques. Les conclusions de ces travaux prouvent que les caractéristiques de taille, de forme et de surface des nanoparticules ainsi que la force exercée régissent le processus de translocation. Dans une seconde partie, un revêtement 2D et 3D réversible basé sur l’autoassemblage de micelles de copolymère dibloc constitué d’un poly (methyl methacrylate) (PMMA) et du poly (n-octadecyl methacrylate) (PODMA) blocs a été développé. L’assemblage de micelles est réalisé par l’effet "Zipper", grâce aux longues chaînes pendantes du bloc PODMA. Le même effet "Zipper" permet d’enlever facilement le revêtement par lavage dans un solvant sélectif, donnant ainsi la possibilité de modifier la surface d’un substrat plusieurs fois de manière réversible. La cristallisation à température ambiante du bloc PODMA offre la possibilité d’avoir un revêtement auto-réparable thermiquement sans affecter la morphologie globale des micelles. Enfin, une dernière partie a été conceptualisée, dans laquelle l’auto-réparation se fait par « nano-gel » encapsulés et dispersés dans une membrane. Le « nano-gel » est à base d’un copolymère hydrophile en forme d’une étoile partiellement réticulée et qui doit être synthétisée par la technique de "Reversible Addition-Fragmentation Transfer" (RAFT) polymérisation. La synthèse d’un agent RAFT avec 4 bras pour la polymérisation a été accomplie, cependant, des travaux sont encore nécessaires pour valider la voie de synthèse vers la synthèse de « nano-gel » ainsi que son application pour le processus d’auto-réparation

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27 Novembre 2012
Zhé PENG, IEM, Montpellier
ETUDE DES PROPRIÉTÉS DU TRANSPORT D’EAU ET DÉVELOPPEMENT D’UNE NOUVELLE STRUCTURE DE POLYMÈRE POUR L’OPTIMISATION DE LA GESTION DE L’EAU D’UNE PEMFC

Les performances et la durée de vie des piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) dépendent fortement de la répartition de l’eau dans les assemblages membrane électrodes (AME). Une répartition d’eau homogène et suffisante s’avère indispensable pour obtenir de bonnes performances et une grande durabilité. Fondamentalement, la répartition d’eau dans l’AME, et plus particulièrement dans la membrane, est déterminée par deux mécanismes de transport d’eau : le flux d’électroosmose, induit par les protons véhiculant les molécules d’eau de l’anode vers la cathode, et le flux de diffusion d’eau, de la cathode vers l’anode, résultant du gradient de concentration. Or, ces mécanismes sont pour l’heure encore mal connus malgré les intenses recherches menées sur le sujet. Dans ce contexte, la première partie de cette étude s’appuie sur la détermination et la quantification des mécanismes de transport d’eau dans les différents composants, et notamment dans les membranes, ainsi que l’étude de leur couplage. Ces propriétés ont été évaluées en fonction du degré d’hydratation et de la température à l’aide de deux méthodes originales développées dans cette thèse. Afin d’homogénéiser la répartition d’eau, et ainsi d’améliorer les performances des PEMFC, le développement d’une nouvelle structure de membrane à gradient de masse équivalente a fait l’objet de la deuxième partie de l’étude. Cette nouvelle structure membrane a été étudiée par la caractérisation de ses propriétés du transport d’eau, par la détermination de la répartition d’eau ex et in-situ par spectroscopie Raman confocale ainsi que par des tests électrochimiques. Les performances électrochimiques ont été corrélées aux propriétés de transport d’eau, selon l’orientation du gradient de masse équivalente de la membrane par rapport au sens des protons. Nous avons ainsi démontré qu’il est possible de modifier la répartition d’eau et les performances en modifiant le sens de la structure de la membrane par rapport aux réactions électrochimiques

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30 Novembre 2012
Noureddine BOUCIF, LRGP, Nancy
MODELISATION ET SIMULATION DE CONTACTEURS MEMBRANAIRES POUR LES PROCEDES D’ABSORPTION DE GAZ ACIDES PAR SOLVANT CHIMIQUE

_ L’objectif primordial de cette thèse est la recherche de modèles mathématiques qui sont à mieux de décrire le processus d’absorption gaz-liquide dans un contacteur membranaire à fibres creuses poreuses ou denses. La configuration géométrique de ces contacteurs combinée à leur compacité, et de leur faible consommation d’énergie leur permet de se substituer progressivement aux procédés conventionnels tels les colonnes à garnissage et autres tours d’absorption. Notre but est d’étudier la performance de ces processus novateurs par l’élaboration de modèles mathématiques de plus en plus rigoureux. Pour cela, nous avons étudié plusieurs cas de figures où l’hydrodynamique d’écoulement des fluides, la nature du soluté et/ou du solvant ont été changées. Dans un premier temps, il n’a été tenu compte que de l’hydrodynamique du compartiment côté fibre pour deux types de processus d’absorption avec et sans réaction chimique. Par la suite, l’hydrodynamique d’écoulement des fluides dans le côté fibre comme côté calandre a été prise en considération. Des modèles ont été développés pour l’absorption classique de gaz carbonique dans des solutions de monoéthanolamine (liquide d’absorption de référence) où l’écoulement du fluide côté calandre est assimilé à un écoulement piston dans un premier cas, obéissant au modèle dit de surface libre "modèle de Happel" dans un deuxième cas, et enfin caractérisé par des équations de moments de Navier-Stokes dans un troisième cas. La comparaison des résultats numériques de ces modèles a montré que ceux du troisième cas de figure sont les plus proches des résultats d"essais expérimentaux

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Décembre 2012
Farshid PAJOUM SHARIATI, IEM, Montpellier
ETUDE DE LA VIABILITE ET LA REACTIVITE D’UNE BIOMASSE EPURATIVE DE BIOREACTEUR A MEMBRANES

Les règlements plus stricts pour les rejets d’eaux usées présentent de nouveaux défis technologiques pour le traitement d’eaux usées urbaines et industrielles. Le bioréacteur à membranes (BRMs) représente une des approches les plus innovatrices pour éviter la présence d’agents pathogènes dans l’eau en sortie de station. Si l’encrassement membranaire reste un problème déterminant pour le développement des BRMs, le manque d’outils de caractérisation en ligne de la qualité et la quantité de biomasse active dans les réacteurs reste un point important pour favoriser le contrôle et l’optimisation des BRMs. Une méthode originale a été développée pour évaluer la viabilité des boues activées présentes dans un réacteur biologique d’épuration en complémentarité des informations données par la mesure d’activité respirométrique. Cette méthode permet la distinction entre cellule morte et vivante, la respirométrie pouvant alors distinguée la part active de la biomasse vivante. Les résultats ont montré une évolution semblable des deux paramètres en fonction des conditions imposées. Ceci confirme l’intérêt de la mesure de viabilité qui peut être conduite en ligne sur le système, à la différence de la mesure par respirométrie qui nécessite une procédure spécifique plus ou moins complexe. Toutefois, les essais ont montré aussi qu’une concentration en biomasse importante était nécessaire dans le bioréacteur pour que la viabilité soit mesurable. Les performances épuratives mesurées ont confirmé la grande capacité épuratoire d’un BRM, toutefois, travailler à très forte charge engendre une dynamique de colmatage intense qu’il faut savoir maîtriser

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7 Décembre 2012
P. Qu, INRa de Rennes
FILTRATION DES DISPERSIONS DE MICELLES DE CASEINE : PROPRIETES DU DEPOT, INTERACTIONS COLLOÏDALES & MODELISATION

Lors de l’ultra- ou microfiltration d’un lait écrémé, les micelles de caséine, espèces colloïdales poreuses et déformables, viennent s’accumuler à la surface des membranes et former ainsi des couches de matière concentrées. Dans certaines conditions, ces couches de matière peuvent passer de l’état liquide à l’état solide (gel). La présence de ce gel conduit à des altérations notables des performances de la filtration, aussi bien en termes de flux que de sélectivité. Afin de mieux maîtriser les opérations de filtration, il est nécessaire de mieux connaître les conditions qui conduisent à la formation de ces gels et les interactions impliquées. Il est également primordial de développer un modèle de filtration qui puisse aider les acteurs industriels à conduire leurs opérations de manière optimale et dans des conditions d’encrassement minimum. Nos résultats montrent dans un premier temps que la "pression osmotique critique" nécessaire pour former du gel de micelles de caséine pendant la filtration est de l’ordre de 31-35 kPa. La formation de ce gel est conduite par les interactions cohésives localisées à la surface des micelles de caséine. Ces interactions cohésives peuvent être affectées par les conditions de compression (niveau, cinétique, durée) qui conduisent à la formation du gel. Dans un second temps, nous avons élaboré un modèle de filtration à partir de mesures directes et indirectes de pression osmotiques et de perméabilité de nos dispersions de micelles de caséine. Le modèle obtenu semble tout à fait robuste et peut prédire les performances d’une filtration frontale dans n’importe quelles conditions de flux ou de pression transmembranaire. Outre l’aspect appliqué des recherches menées dans ce travail, nous pensons que de nombreuses questions que nous y soulevons dépassent le simple cadre de la filtration d’un lait. Nous estimons en particulier que certaines des approches proposées sont tout à fait généralisables à l’étude de la filtration d’objets colloïdaux poreux et déformables de toutes origines : microgels ou agrégats colloïdaux protéiques par exemple.

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7 Décembre 2012
Yu-Ju SHIH , IEM, Montpellier
MOLECULAR DESIGN OF ANTIFOULING POLYMER INTERFACE FOR MEMBRANE APPLICATIONS AND DRUG DELIVERY SYSTEMS

A well-controlled hemocompatible antifouling interface is significant for biomedical requirements, especially for the improvement of biocompatibility. This research work will introduce the molecular design of antifouling polymeric interface. The first part of the research is the fundamental study about the molecular design of zwitterionic PSBMA antifouling surface. Well-defined zwitterionic PSBMA homopolymer and block copolymer have been prepared using controlled radical polymerization. The zwitterionic structure has then been introduced in the molecular design of antifouling polymer interfaces. The second part of the research is dealing with the potential applications of the block copolymers in blood-contacting applications, gene delivery system and membrane preparation

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07 Décembre 2012
Maud VILLAIN, Laboratoire LM2P2 UMR-CNRS 7340, Aix Marseille Université
BIOREACTEUR A MEMBRANES POUR LE TRAITEMENT D’EAUX USEES DOMESTIQUES : INFLUENCE DES CONDITIONS ENVIRONNEMENTALES ET OPERATOIRES SUR L’ACTIVITE DES BIOMASSES ET LE TRANSFERT DE MATIERE

Si le procédé de traitement des eaux usées urbaines par bioréacteur à membranes est en plein essor depuis quelques années, il ne reste pas moins plusieurs verrous technologiques qui ralentissent l’expansion de sa commercialisation. Ce travail de thèse s’attache à apporter des éléments de réponse sur quelques uns des freins à sa progression. Le premier réside dans la détermination d’un âge de boues adapté permettant une épuration maximale de l’azote et de la matière organique, par une biomasse active où le colmatage est limité et la production de boues faible. Le choix s’est porté sur 50 jours qui rempli l’ensemble de ces critères. Une autre barrière se situe dans le manque de données permettant l’extrapolation des informations obtenues en laboratoire à celles engrangées sur site. Une des étapes clés est de déterminer les conséquences du changement d’effluent (synthétique ou réel) sur les performances et le colmatage du procédé. L’utilisation d’une méthode de fluorescence récente a permis la détermination de l’implication des protéines et substances humiques-like extraits des polymères extracellulaires solubles dans le colmatage.

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12 Décembre 2012
Quentin DEREXK, Laboratoire LGC UMR-CNRS 5503 Université de Toulouse, LM2P2 UMR-CNRS 7340, Aix Marseille Université
DYNAMIQUE DE CAPTURE DE PARTICULES EN MILIEU POREUX

Les procédés membranaires comme la microfiltration ou l’ultrafiltration sont principalement limités par le colmatage. La prévision et l’anticipation de ce phénomène sont alors cruciales. Ces travaux de thèse ont pour but d’analyser la filtration de particules à l’échelle du pore en couplant la simulation numérique avec le logiciel GeoDict, la microfluidique pour étudier expérimentalement la filtration à l’échelle d’un pore et la tomographie à rayons X pour modéliser la géométrie 3D d’une membrane. Les expériences de microfluidique effectuées montrent la formation de différentes structures et/ou de différentes cinétiques de dépôt de particules selon les conditions opératoires (concentration de particules, vitesse de l’écoulement, interactions électrostatiques) mais également selon les paramètres géométriques du media filtrant (tortuosité, interconnexion des pores). La simulation numérique a permis de décrire qualitativement les différentes structures de colmatage (dendrites, arches, gâteau de filtration troué) notamment grâce à la prise en compte des interactions de surface par le biais de la constante de Hamaker. Ces résultats ont été appliqués au cas d’une filtration sur une membrane de microfiltration commerciale. La modélisation de la structure tridimensionnelle de la membrane a été réalisée par tomographie à rayons X puis validée. Une filtration de particules à travers celle-ci a été simulée et comparée aux résultats expérimemtaux. La comparaison des expériences et des simulations met en évidence que, sans prise en compte du réarrangement des particules dans le gâteau, la perméabilité des dépôts simulés est trop importante.

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14 Décembre 2012
Hoang Thien TRUONG, LRGP, Nancy
INTEGRATION DE LA PERVAPORATION DANS UN PROCEDE D’ESTERIFICATION EN VUE DE LA REDUCTION DES COUTS ENERGETIQUES

L’acrylate d’éthyle est synthétisé par l’estérification catalytique de l’acide acrylique et de l’éthanol. La réaction s’écrit : CH2=CH-COOH + C2H5OH D CH2=CH-COOC2H5 + H2O Comme cette réaction est équilibrée, l’élimination de l’eau produit par la réaction permet de déplacer la réaction, donc d’augmenter le taux de conversion de l’acide acrylique et la productivité en acrylate d’éthyle. La pervaporation est une technique de séparation membranaire, qui est potentiellement intéressante pour la déshydratation de mélanges organiques. Dans ce travail, nous avons étudié le procédé industriel de l’estérification de l’acrylate d’éthyle qui est continu. C’est la première fois que la pervaporation d’un mélange complexe contenant des dérivés acryliques polymérisables est étudiée. Tout d’abord le procédé continu d’estérification a été simulé sur Aspen Plus. Une analyse du schéma de procédé a permis d’identifier deux scénarii d’amélioration des performances énergétiques par pervaporation. Dans le scénario le plus favorable, la pervaporation permet de réduire de 25% la consommation d’énergie ou d’augmenter de 25% la production. Dans la deuxième partie de notre étude, des membranes commerciales ont été testées pour déshydrater des mélanges représentatifs du milieu d’estérification. Les membranes testées ont montrées de bonnes performances de séparation (flux et sélectivité élevées) et de bonnes résistances chimiques. La faisabilité de l’intégration de la pervaporation au procédé est donc prouvée

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14 Décembre 2012
Aicha GASMI , IEM, Montpellier
PERFORMANCES D’UN BIOREACTEUR A MEMBRANES EN CONDITIONS NITRIFIANTES

Le surcoût de fonctionnement d’un BRM immergé a pour origine essentielle la dépense d’énergie liée à la maîtrise de la perméabilité membranaire par aération. La littérature montre les liens qui existent entre concentration en biomasse dans le réacteur et présence de produits microbiens solubles liés à l’activité bactérienne. Réduire la demande en énergie signifie réduire l’aération membrane, voire l’aération process liée aux besoins en oxygène des populations épuratrices. Pour ce faire, il est donc déterminant de réduire l’activité biologique au sein du réacteur sans pour autant dégrader la qualité de l’eau traitée. Pour répondre à ce défi, il a été proposé de développer un BRM en association avec un prétraitement physico-chimique dont le rôle est de retenir une grande part de la matière organique (mais aussi probablement les phosphates), le BRM n’a alors pour rôle que de traiter le résiduel de matière organique et d’éliminer les composés azotés peu retenus par précipitation physico-chimiques. Ainsi, la demande en oxygène sera réduite car il reste peu de DCO à dégrader et la croissance cellulaire limitée car les populations seraient essentiellement autotrophes. Ce travail de thèse a donc été centré sur les points suivants : (i) les performances d’un bioréacteur à membrane fonctionnant sous une charge essentiellement azotée, ces performances sont analysées en termes de réactions d’élimination des fractions polluantes et de filtrabilité des suspensions, (ii) suivi et modélisation des cinétiques de réactions, (iii) définition d’outils simples de dimensionnement. Des méthodologies expérimentales originales ont été mises en place, réacteur pilote et méthodes d’analyses spécifiques (suivi en ligne des composés azotés, méthodes respirométriques notammment). Les résultats obtenus ont permis d’évaluer (i) les capacités de nitrification en régime permanent, (ii) les grandeurs cinétiques propres aux populations autotrophes suivant le modèle ASM1 (XBA, YA, KSH, bA), (iii) la filtrabilité des suspensions sur membranes poreuses avec une contribution significative de la résistance hydraulique due à un biofilm qui se développe en surface de membrane (par rapport aux autres processus, notamment les phénomènes d’adsorption ou bouchage de pores). Ces résultats ont permis de définir des nouveaux outils simples d’extrapolation, notamment des grandeurs réactionnelles spécifiques propres aux espèces nitrifiantes comme le ratio rSNHmax/OURendaut exprimant un rapport de vitesse de nitrification par une grandeur proportionnelle à la concentration en biomasse nitrifiante

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14 Décembre 2012
H.T. Truong, LRGP Nancy
ETUDE D’UN PROCEDE HYDRIDE POUR L’AMELIORATION DE LA SYNTHESE DE L’ACRYLATE D’ETHYLE PAR PERVAPORATION

Comme cette réaction est équilibrée, l’élimination de l’eau produit par la réaction permet de déplacer la réaction, donc d’augmenter le taux de conversion de l’acide acrylique et la productivité en acrylate d’éthyle. La pervaporation est une technique de séparation membranaire, qui est potentiellement intéressante pour la déshydratation de mélanges organiques. Dans ce travail, nous avons étudié le procédé industriel de l’estérification de l’acrylate d’éthyle qui est continu. C’est la première fois que la pervaporation d’un mélange complexe contenant des dérivés acryliques polymérisables est étudiée. Tout d’abord le procédé continu d’estérification a été simulé sur Aspen Plus. Une analyse du schéma de procédé a permis d’identifier deux scénarii d’amélioration des performances énergétiques par pervaporation. Dans le scénario le plus favorable, la pervaporation permet de réduire de 25% la consommation d’énergie ou d’augmenter de 25% la production. Dans la deuxième partie de notre étude, des membranes commerciales ont été testées pour déshydrater des mélanges représentatifs du milieu d’estérification. Les membranes testées ont montrées de bonnes performances de séparation (flux et sélectivité élevées) et de bonnes résistances chimiques. La faisabilité de l’intégration de la pervaporation au procédé est donc prouvée.

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14 Décembre 2012
Farid HADJ-ROMDHANE, GEPEA, Saint Nazaire,
RECYCLAGE DES MILIEUX DE CULTURE DE PHYTOPLANCTONS A TRES GRANDE ECHELLE : MISE EN ŒUVRE DES TECHNIQUES MEMBRANAIRES

Ce travail de thèse concerne le recyclage des milieux de culture de microalgues à grande échelle, dans le but de minimiser les consommations en eau et en nutriments qui peuvent représenter jusqu’à 20 % des coûts de production. Dans un premier temps, il a été montré que le recyclage entraînait une accumulation de minéraux dans les surnageants, due à la présence de contre-ions non métabolisés par les microalgues. Un milieu de culture totalement assimilable par Chlorella vulgaris a été développé permettant ainsi le recyclage des milieux de culture en s’affranchissant de l’accumulation de la matière minérale. Parallèlement, il a été observé une accumulation de molécules organiques dissoutes (MOD) dans le surnageant, identifiées comme étant des biopolymères (BP) de taille supérieure à 40 kDa, et des petites molécules azotées dont la taille varie de 1 à 3 kDa. La concentration en BP augmente au fur et à mesure des recyclages, puis diminue, probablement dû à leur consommation par des bactéries. Durant ces essais de recyclage sur de longues périodes (respectivement 56 et 63 jours), aucune baisse de la productivité microalgale n’a été observée. Cependant, dans le but de s’affranchir des risques potentiels liés l’accumulation de MOD dans le surnageant, l’ultrafiltration (25 kDa, polyacrylonitrile) et la nanofiltration (300 Da, polyamide) ont été investiguées et validées pour le traitement des surnageants avant leur réutilisation. Une fois les paramètres opératoires définis (pression transmembranaire, taux de conversion, flux de perméation), ces traitements ont été évalués économiquement afin de valider leur intégration dans un système de production de microalgues à grande échelle.

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17 Décembre 2012
Laëtitia CHAREYRE , IEM, Montpellier
DEVELOPPEMENT DE NOUVELLES MEMBRANES NON-OXYDES POUR LA SEPARATION DE L’HYDROGENE A HAUTE TEMPERATURE

Le développement d’une méthode efficace de séparation/purification d’hydrogène représente une nécessité primordiale pour améliorer les rendements de production des systèmes énergétiques futurs. En effet, le procédé de reformage classique de production d’hydrogène conduit à un mélange complexe de gaz à haute température (au-delà de 250°C) qui limite l’utilisation de H2 dans diverses applications. La réalisation de membranes hautement sélectives à l’hydrogène apparaît alors comme un point essentiel pour augmenter la production d’hydrogène. Les membranes à base de silice ont largement été étudiées en vue de répondre à cette problématique. Malgré leurs excellentes performances, elles ne pourraient être compétitives à l’échelle industrielle qu’après amélioration de leur résistance à la vapeur d’eau en température (lixiviation). Des travaux antérieurs menés à l’IEM ont montré les performances de membranes « SiCN » en termes de perméance et de permsélectivité. Sur la base de ces résultats, nous avons développé des membranes non-oxydes autour du quaternaire « SiZrCN ». L’incorporation de Zr avait pour objectif d’améliorer la tenue en température des membranes et de fait leur sélectivité. Ce projet de thèse a été divisé en trois tâches principales : la première a consisté en la synthèse d’un précurseur moléculaire contenant les éléments Si, Zr, C, N ; la seconde a porté sur la préparation par PECVD de membranes denses non oxydes et la dernière partie a permis d’évaluer les performances de ces membranes en séparation de gaz. Un précurseur moléculaire « single source » a été synthétisé avec succès autour du quaternaire « SiZrCN », de tension de vapeur adéquate pour un dépôt par PECVD. Des films minces ont ainsi été déposés sur des supports variés afin d’obtenir des membranes sans défauts de surface conduisant à une perméance à He de 1,7.10-7 mol.m-2.s-1.Pa-1 et à une sélectivité idéale He/N2 (estimée) de 1300 à T = 423 K et Delta p = 1,105 Pa.

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19 Décembre 2012
Oula EL KORHANI, IEM, Montpellier
SUPPORTS EN ARGILE ET MEMBRANES EN CARBONE BIOSOURCE POUR LE TRAITEMENT DES EAUX DU LIBAN

Tout être vivant a besoin d’eau pour survivre. Cette ressource occupe une place importante parmi les éléments nécessaires à la vie sur le globe terrestre. Ainsi, il est essentiel d’avoir accès à une eau parfaitement sécurisée et pure. Ceci représente un des enjeux économique et sociétal majeurs qui ont poussé les acteurs industriels du domaine de l’eau à innover technologiquement pour développer de nouveaux procédés de traitement. Les membranes et les technologies membranaires s’imposent comme une solution innovante de développement durable pour répondre à cette problématique. C’est dans ce cadre que se place ce travail de thèse dont l’objectif est de produire un dispositif de traitement des eaux en valorisant les ressources naturelles libanaises. Les argiles collectées se sont avérées aptes au frittage et la température de calcination permettant d’obtenir un matériau consolidé se situe dans la gamme 950°C - 1200°C. Ces conditions de traitement thermique permettent de conserver une certaine porosité en vue d’une utilisation comme support membranaire. Avant le dépôt de la couche active en carbone bio-sourcé sur ces supports, une filtration préliminaire d’organismes pathogènes a été réalisée. Afin d’éviter la formation de biofilms à la surface des supports en argile, des diffuseurs d’huiles essentielles ont été développés. Ces derniers, connus depuis la haute antiquité pour leurs effets bactéricides et fongicides ont remplacé l’utilisation des antibiotiques pour diverses maladies. Dans ce contexte, des huiles essentielles issues de la lavande, du romarin et de l’origan ont été extraites et diffusées dans l’eau à travers les supports en argile. Parallèlement, des membranes en carbone bio-sourcé ont été réalisées à partir des sous-produits issus des industries agroalimentaires libanaises. Des nanoparticules de carbone ont été synthétisées par carbonisation hydrothermale à partir de déchets de bière puis déposées par spin-coating et slip-casting sur les supports membranaires à base d’argiles et des supports commerciaux de caractéristiques variées.