L’objectif de cette thèse est de présenter les travaux d’une analyse thermo-économique d’un système de dessalement par distillation dans l’optique de revaloriser les pertes thermiques industrielles. Les rejets en question sont ceux d’un moteur Diesel utilisé dans une centrale de production d’électricité. Premièrement, une étude préliminaire est faite en utilisant un modèle boite noire. L’optimisation des fonctions objectives de ce modèle a permis de déterminer les paramètres de conception. Ensuite un nouveau modèle d’éjecteur distinct des deux modèles classiques utilisés en thermodynamique (à pression et à section constante) est développé. Les performances des procédés de détente et de compression dans cet éjecteur sont calculées en appliquant un rendement polytropique comme dans les turbomachines. La méthode développée a permis de déterminer toutes les dimensions de l’éjecteur ainsi que la position de l’onde de choc. Enfin une analyse détaillée du système de dessalement est faite pour déterminer le nombre d’effets ou cellules et les conditions qui permettent de satisfaire les conditions optimales obtenues lors de l’analyse préliminaire. L’analyse thermodynamique se base sur un tout nouveau modèle mathématique qui permet de simuler à la fois les deux configurations les plus utilisées en dessalement. De plus, une analyse thermo-économique basée sur l’exergo-économie a permis de calculer le coût de production et les investissements nécessaires.

L’eau est une ressource qui va manquer dans les prochaines années, pourtant l’eau couvre ¾ de la planète et environ 97% de l’eau sur Terre est de l’eau salée. Du fait de sa nette abondance, dessaler l’eau de mer, ou les eaux saumâtres, est une solution présentant un immense attrait. C’est dans ce contexte global que s’inscrivent ces travaux. Le but de cette thèse est de modéliser des installations de dessalement d’eau de mer, basées sur la distillation multiple-effets (MED), soumises à des régimes transitoires. Ce procédé permet d’assurer à la fois une grande flexibilité aux variations de charge et des performances énergétiques élevées. Dans le cadre de cette étude, un couplage d’une usine MED avec une source d’énergie renouvelable, donc intermittente, est envisagé. Pour étudier le potentiel et la faisabilité d’un tel couplage, un modèle dynamique représentatif des installations MED est présenté. Ce modèle permet le suivi et l’étude de toutes les variables agissant sur les performances globales de l’installation ainsi que l’identification des variables critiques pouvant nuire au fonctionnement de ces installations en régime transitoire. Ce modèle a ensuite été couplé à un modèle d’une centrale solaire à concentration afin de conclure sur le potentiel d’une telle association. Pour pouvoir assurer un fonctionnement optimal de l’installation MED en régime transitoire, une stratégie de régulation est présentée et intégrée / Demand for water will continue to increase over the next decades, leading to more stress on limited resources and ecosystems. However, ¾ of the Earth is water and 97% of it is seawater. Therefore, it is highly interesting to desalinate seawater. It is within this framework that this work was carried out. The goal of this PhD was to model desalination plants, based on the Multiple-Effect Distillation (MED) process, when they are operated under dynamic conditions. The MED plants are mature desalination processes with high energetic performances and are very flexible to load variations. For this study, a coupling between a MED plant and a renewable energy source, therefore transient, was assumed. To study the potential and the feasibility of such an association, a dynamic model representative of the MED plants was developed. With this, it is now possible to study the evolution of all the variables that have a consequence on the plant’s performances as well as to identify which variables are the most critical to the dynamic operation of the MED plant. This model was then combined with a concentrated solar power plant to conclude about the potential of this coupling. To assure an optimal operation of the MED plant under dynamic conditions, a regulation strategy was developed and implemented

Le travail décrit dans cette thèse couvre une étude fondamentale sur des canaux artificiels d'eau et sur des matériaux membranaires incorporant ces canaux. Structuré en quatre chapitres, la thèse commence par une présentation de l'état de l’art sur les systèmes biomimétiques de transport d'eau et des membranes biomimétiques. Au centre de tous ces travaux de recherche sont les protéines biologiques hautement efficaces et sélectives, les Aquaporines. Le deuxième chapitre présente les canaux artificiels d'eau à base d'imidazole-quartet. Les similitudes structurelles et fonctionnelles avec les Aquaporines sont discutées et caractérisées par plusieurs méthodes expérimentales. Les structures à l'état solide obtenues à partir de monocristaux présentent une organisation très similaire des I-quartets avec leurs homologues biologiques. Le biomimétisme fonctionnel du transport de l'eau a été démontré par des expériences cinétiques de transport à travers des systèmes vésiculaires. Le mécanisme de translocation de l'eau et l'organisation confinée dans des environnements lipidiques a été confirmé par des simulations dynamiques moléculaires, tandis que la preuve physique de l'eau orientée dipolaire dans les canaux intégrés aux lipides a été fournie par des expériences de spectroscopie IR polarisée. Le troisième chapitre présente de nouveaux canaux d'eau artificiels en utilisant une stratégie d'auto-assemblage. De nouveaux composés à base de diol, de tétrazacrown et de tryarilamine capables de transporter l'eau sont décrits. Le dernier chapitre décrits le passage du niveau moléculaire aux matériaux membranaires macroscopiques incorporant des canaux d'eau artificiels. Deux configuration membranaires différentes ont été décrites: des membranes en couche mince par l'incorporation de nanoparticules à base d'imidazole dans des polymères de polyamide et des membranes de la cellulose régénérée chimiquement greffée par des monomères de canaux d'eau artificiels. Les membranes ont été caractérisées par diverses méthodes d'imagerie et d'analyse et leurs performances ont été testées dans des expériences d'osmose inverse et de filtration d'osmose directe. La thèse est conclue avec une partie de conclusion générale, comprenant des perspectives pour les développements futurs. / The work described in this thesis covers an in depth fundamental study of artificial water channels and of membrane materials incorporating these channels. Structured in four chapters, the thesis begins with a presentation of the state of the art in the field of biomimetic systems and membranes for water transport. The center of the described research work is the family of highly efficient and selective biological water transporter proteins, the Aquaporins. The second chapter presents the description of imidazole-quartet supramolecular artificial water channels. Structural and functional similarities with Aquaporins are discussed and based on several experimental methods. Single-solid state structures present very similar organization of confined water wires as found in their biological counterparts. Functional mimicry of water transport has been proved through stopped flow experiments in vesicular systems. Further characterization concerning water translocation mechanism and confined organization in lipid environments have been obtained through molecular dynamic simulations, while physical evidence of dipolar oriented water in lipid embedded channels has been provided by sum frequency generation experiments. The third chapter presents novel artificial water channels. New diol, tetrazacrown and tryarilamine based compounds have been described, with a main focus on design, synthesis, self-assembly and water transport properties. The last chapter makes the transition from the molecular systems to macroscopic membrane materials incorporating artificial water channels. Two different approaches have been described: thin film nanocomposite membranes based on the incorporation of imidazole-quartet nanoparticles in polyamide polymers and chemically grafted regenerated cellulose membrane through the use of custom monomers for the obtaining of artificial water channels. The membranes have been characterized through various imaging and analytical methods and their performances have been tested in reverse and forward osmosis experiments. The thesis is concluded with a general conclusion part, including perspectives for future developments.

L’accès à l’eau potable est un des plus importants problèmes que l’on rencontre partout dans le monde même dans les pays riches en eau. Par exemple, les provinces côtières du Delta du Mékong (DM) subissent des périodes alternées d’inondations et de sécheresse. De plus, le changement climatique à l’origine d’une diminution de la pluviométrie et d’intrusion d’eau salée affecte gravement la qualité des eaux de la région. Les principales sources de pollution proviennent des déchets humains et des rejets des élevages de poissons, bétail et volaille. La pollution aux pesticides peut s’avérer un problème sérieux dans certaines zones. La détérioration de la qualité des eaux dans le DM et l’absence d’accès à l’eau potable dans les communes rurales via des systèmes d’approvisionnement sûrs entraine une augmentation des maladies d’origine hydrique liées à la salinité, la présence de microorganismes et de polluants organiques. L’objectif de ce travail a consisté à examiner dans quelle mesure la technologie membranaire peut permettre de produire de l’eau potable de qualité. L’étude a porté sur les eaux saumâtres contenant des pesticides. Deux solutions modèles synthétiques ont été choisies pour représenter les eaux de surface du DM. Le dessalement et l’élimination des pesticides ont été réalisés en utilisant la nanofiltration (NF) couplée à l’électrodialyse. Le logiciel Nanoflux® a été utilisé pour interpréter les performances de deux membranes de NF (NF90 et NF270). Par ailleurs, la consommation d’énergie des deux procédés couplés a été estimée en fonction de la qualité de l’eau d’alimentation. Toutes ces données seront utilisées pour concevoir un démonstrateur pour la production familiale d’eau potable. / Access to clean water is one of the most important problems that is encountered worldwide even in countries as water-rich. For instance, the Mekong Delta (MD)’s coastal provinces have to face up to alternated flooding and drought periods. Moreover, climate changes inducing less rainfall and salt water intrusion water severely affect the water quality of the area. The main sources of pollution come from the human and farming wastes including fish, livestock and poultry. Pesticide pollution can also be a serious problem in some areas. The deterioration of water quality in the MD and the lack of access to clean water via safe supply systems in the rural communes entail an increase of waterborne diseases related to the salinity, the presence of microorganism and organic pollutants. The study is aimed at investigating the membrane technology to treat surface water in the MD region in order to produce good drinking water. The study was focused on brackish waters containing pesticides. Two synthetic model water samples were chosen as representative of surface waters found in the Mekong Delta. Desalination and pollutant removal were performed using nanofiltration (NF) integrated with electrodialysis. The Nanoflux® software was used to explain the experimental performance of two NF membranes (NF90 and 270). On the other hand, energy consumption of the two coupled processes was also estimated depending on the quality of water feed. All the data obtained should be used in the future to design a demonstrator pilot for the family-sized production of drinking water.

Le dessalement d’eau de mer par osmose inverse (OI) constitue l’une des solutions majeures pour pallier le manque d’eau douce dans les zones côtières. Afin de rendre plus fiable et plus durable cette technologie, la réduction du biocolmatage de membranes d’OI reste un enjeu majeur. L’intérêt est d’autant plus important sur de petites unités de dessalement d’eau de mer destinées à l’alimentation en eau des lieux isolés. Dans ce contexte, ces travaux visent à concevoir une filière intensifiée par membrane destinée à de telles installations autonomes et mobiles. Cette filière a été constituée d’une filtration sur charbon actif en grain (CAG) suivie par ultrafiltration (UF) en tant que prétraitements avant OI pour la réduction de son biocolmatage. D’abord à l’échelle laboratoire, la réalisation des cinétiques et isothermes d’adsorption de différents CAG a permis de sélectionner un CAG présentant les meilleures performances d’adsorption du carbone organique dissous (COD) présent dans l’eau de mer afin de réduire la quantité de nutriments pour les microorganismes. La mise en œuvre d’un pilote de lit fixe de CAG avec le CAG choisi a démontré sur le court terme que la concentration en COD d’eaux de mer réelles était grandement réduite et que toutes les fractions du COD étaient adsorbées. L’UF de l’eau après filtre CAG à l’échelle laboratoire a révélé que l’UF était moins sujette au colmatage qu’avec de l’eau brute. Ce couplage de procédés a ensuite été mis en place sur un prototype de dessalement par OI containerisé. La filtration sur CAG a permis l’élimination du COD par adsorption puis biodégradation. L’UF a ensuite éliminé particules et microorganismes. Les performances de l’OI sur le long terme ont été stables en matière de taux de rejet, flux de perméat et pertes de charge. De tels résultats ont été attribués à l’efficacité du prétraitement à réduire le potentiel de biocolmatage de l’eau de mer. Un taux de conversion de plus de 50% a aussi été fixé réduisant considérablement la consommation énergétique de l’installation. / Seawater reverse osmosis (RO) desalination appears to be one of the solutions to fresh water scarcity in coastal regions. In order to make the process more efficient, more reliable and more sustainable, the reduction of RO membrane biofouling remains a major scientific issue. The interest to solve this issue is especially important for small-scale seawater desalination plants powered by photovoltaic energy aimed at supplying water to remote regions. In this context, this work aimed at designing a membrane-based intensified process for these small stand-alone and mobile installations. This process was composed by a granular activated carbon (GAC) filtration followed by ultrafiltration (UF) as a pretreatment to RO for the reduction of its biofouling. First at lab-scale, adsorption kinetics and isotherms of six different GAC enabled to select the GAC with the best marine dissolved organic carbon (DOC) adsorption performance. This reduced the quantity of nutrients available for microorganisms. A semi-industrial fixed-bed GAC filter operated with the selected GAC showed on short-term that DOC concentration in real seawater was highly reduced and that all DOC fractions were adsorbed. The UF of GAC-pretreated seawater at lab-scale revealed that UF was less subject to fouling than with raw seawater. This combination of processes was then set up on a containerized RO desalination prototype. The RO performance obtained over several weeks were stable in terms of rejection rate, permeate flux and pressure drop. Such results were attributed to the efficiency of the pretreatments to reduce the biofouling potential of seawater. In addition, a recovery rate of over 50% has been fixed which significantly reduced the energy consumption of the installation.

L'Électrodialyse (ED) est un procédé en plein essor qui trouve actuellement de nombreuses applications dans plusieurs secteurs de l'agroalimentaire. Cependant, le colmatage des membranes et la consommation énergétique (CE) élevée associée, doivent encore être minimisés pour permettre une intensification des procédés d'ED en termes de taux de déminéralisation (TD) et de dépenses d'opération. Un des problèmes les plus communs des procédés électromembranaires est le colmatage des membranes par des sels minéraux présents dans des solutions physiologiques complexes telles que les effluents laitiers et l'eau de mer. Les tentatives récentes d'induire la formation de colmatage, et ainsi de pouvoir étudier ce problème, ont été centrées sur les traitements d'électrodialyse de solutions modèles ayant des ratios Mg /Ca élevés, sous densités de courant élevées et en utilisant des solutions de concentrât alcalinisées. De plus, une étude récente a montré que l'application de champs électriques puisés (CEPs) de basse fréquence, avec l'utilisation d'une solution de concentrât acidifiée, avait un impact positif sur l'optimisation des procédés et sur la réduction du colmatage des membranes échangeuses de cations (MEC). Néanmoins, la durée excessive du procédé, due à la longue période de pause appliquée, n'a pas permis de réduire la consommation d'énergie et de contrôler complètement le colmatage de la MEC. Cette étude a cependant montré que la fréquence de CEP utilisé peut être optimisée en ajustant les ratios pulse/pause (Ton/Toff) appliqués en cours de traitements d'électrodialyse effectués sous des conditions colmatantes. Par conséquent, les objectifs de ce travail de recherche ont été : 1) d'évaluer deux ratios de courant en CEP (ratio 1 (Ton/Toff = 10 s/10 s) et 0.3 (Ton/Toff = 10 s/33.3 s)) sur la performance du procédé et sur l'évolution du colmatage minéral sur les membranes échangeuses d'ions, au cours de traitements consécutifs d'ED et leur comparaison avec des traitements en courant continu, 2) d'identifier la nature et l'évolution des couches de colmatage sur les MECs et sur les membranes échangeuses d'anions (MEAs) 3) d'étudier et expliquer les mécanismes de précipitation et leurs évolutions au cours de traitements d'ED consécutifs, et 4) d'ajuster les régimes de CEPs appliqués pour optimiser le contrôle du colmatage et pour améliorer Ta performance du procédé. Cet ajustement sera fait en considérant les résultats et les phénomènes observés durant la réalisation du premier objectif. Les résultats obtenus ont montré qu'un régime en courant continu conduit à une formation importante de colmatage sur la MEC alors que les traitements effectués sous CEPs (ratio 1 (Ton/Toff = 10 s/10 s) et 0.3 (Ton/Toff = 10 s/33.3 s)) ont intensifié les taux de déminéralisation (TD) tout en réduisant la formation du colmatage et la consommation énergétique. Le CEP ratio 1 a conduit à l'atteinte de taux de déminéralisation plus rapides de la solution traitée et à une consommation énergétique réduite durant les trois traitements consécutifs; cette efficacité serait liée à la pulsation de courant plus répétitive effectuée sur les interfaces des membranes. De plus, l'inspection des surfaces des membranes par le biais des analyses de diffraction à rayons X et microanalyse X a révélé l'existence de colmatages cristallins multicouches survenant sur les deux cotés de la MEC et son retardement par l'application de CEPs. En parallèle, le colmatage observé sur la MEA a été relié à la performance globale du système; ce dernier était supprimé par l'application d'un régime en courant continu grâce au maintien d'un phénomène de barrières de protons produit par la dissociation de molécules d'eau aux interfaces des membranes. Ainsi, lors de l'application d'une longue période de pause (33.3 secondes) une couche de bruche est apparue sur le coté diluât de la MEA à cause de l'absence à la surface de la membrane d'une barrière de protons constante. Selon les premiers résultats observés et les phénomènes liés, une gamme de ratios de CEP a été appliquée à fin d'optimiser les conditions de CEP. Cela a permis d'observer que les ratios de CEP les plus élevés (Ton/Toff = 10 s/5 s et Ton/Toff = 5 s/5 s) permettaient les plus importantes optimisations en relation avec leurs plus hautes fréquences de puise. Ces traitements ont augmenté considérablement les TDs (58.48 et 59.64 %, respectivement, pour Ton/Toff = 10 s/5 s et pour Ton/Toff = 5 s/5 s) en contrôlant complètement la croissance du colmatage minéral sur le coté diluât de la MEC. Les périodes de pause plus courtes ont ainsi permis de conférer une pulsation de courant plus répétitive à l'interface des MECs. Ces périodes de pauses courtes ont permis une génération de protons plus constante ce qui a facilité la neutralisation du pH sur le coté concentrât de la MEC. Ces résultats ont montré en détail les mécanismes de formation du colmatage minéral sur les membranes échangeuses d'ions au cours d'électrodialyse d'une solution modèle ayant un ratio Mg +/Ca2+ élevé (2/5). Le contrôle du colmatage a été efficace grâce à l'action constante des barrières de protons établies par l'utilisation de ratios de CEP optimisés.

Les tourbières exploitées et occasionnellement inondées par de l'eau de mer présentent un ensemble de facteurs qui compliquent leur restauration ou leurs réhabilitation, incluant la toxicité du sel, le soulèvement gélival, les inondations par les eaux pluviales et, peut être le facteur le plus difficile à gérer, le manque de graines adaptées. Cette étude a eu pour objectif de tester différentes techniques de réhabilitation sur une tourbière exploitée et inondée par l'eau de mer, située sur l'île de Pokesudie au Nouveau-Brunswick. Lors d'une tempête en janvier 2000, une partie de la zone d'exploitation de cette tourbière a été inondée par de l'eau de mer. En dépit des efforts de mitigation, la tourbe est restée trop salée pour pouvoir être utilisée en horticulture. Des recherches ont alors été menées pour trouver des techniques de réhabilitation. Ces techniques de restauration visent à stabiliser le substrat par le biais du développement d'un couvert végétal important. Pour cela des espèces typiques des marais salés ont été utilisées. Deux techniques d'introduction ont été testées : le transfert par carottes de densités différentes et le transfert de foin. L'utilisation de fertilisant a également été testée. Le recouvrement végétal le plus important a été obtenu en utilisant le transfert de foin récolté dans des zones dominées par Juncus bufonius et dans des communautés végétales des marais salés dominées par Spartina pectinata. L'utilisation de fertilisant n'a pas accéléré le développement du recouvrement végétal. Cette étude pourrait être intéressante pour d'autres projets de réhabilitation des tourbières côtieres.

Les compresses, pâtes humides appliquées sur un matériau poreux pour éliminer les sels, sont utilisées pour conserver le patrimoine architectural. Les mécanismes de transport de l'eau et des ions lors du dessalement ont été étudiés pour améliorer son efficacité. La cristallisation de chlorure de sodium dans des échantillons poreux modèles (frittés de billes de verre) a été entreprise pour maîtriser le processus de salage artificiel. Des compresses de kaolin, cellulose, granulat et eau ont été caractérisées pour étudier la relation entre formulation et propriétés. Des expériences de dessalement ont finalement été menées. L'imagerie par résonance magnétique nucléaire a permis d'obtenir la distribution spatiale de l'eau dans les différents éléments de manière non destructive. L'efficacité du dessalement est liée au comportement au séchage des systèmes qui dépend en partie de la microstructure du matériau. Le séchage du matériau avant la compresse semble conduire à la meilleure efficacité.

Une étude expérimentale sur la faisabilité du procédé de dessalement par congélation sur les parois d'un tube cylindrique est présentée. Le procédé se décompose en deux étapes essentielles : la cristallisation suivie par le ressuage. Les cristallisations sont conduites à partir d'une solution stagnante ou agitée par un bullage d'air. Les paramètres opératoires clés sont la rampe de refroidissement et la salinité de l'eau traitée. Leur effet sur la salinité de la glace produite a été quantifié, dans les deux modes de fonctionnement, statique et agité. Le dispositif expérimental permet également de contrôler le gradient thermique à travers la couche de solution pour les cristallisations effectuées en statique. L'absence de gradient thermique et donc de courant de convection mène à des couches de glace très contaminées en sels. Les résultats combinant la cristallisation et le ressuage montrent que dans tous les cas, on peut obtenir de l'eau potable mais avec un rendement plus élevé et une durée réduite si la cristallisation a lieu en mode dynamique. Les conditions opératoires optimales sont proposées. La modélisation des transferts de matière et de chaleur à travers les couches de glace et de solution en régime diffusionnel et convectif a permis d'interpréter l'influence des paramètres opératoires des cristallisations opérées sans agitation. Enfin, l'évaluation économique du procédé complet de dessalement, basées sur des points de fonctionnement expérimentaux, indique que la consommation énergétique d'une petite installation pourrait être très faible en utilisant une machine frigorifique idéale fonctionnant entre l'unité de ressuage et l'unité de congélation.

L'électrodialyse peut être utilisée pour traiter des effluents salins contenant de la matière organique. La compréhension des mécanismes de transfert (eau, ions, espèces organiques) à travers les membranes échangeuses d'ions et particulièrement l'influence de la composition ionique est un point clé vis-à-vis des performances du procédé. L'objectif de cette thèse est l'étude du transfert et la relation avec les performances de dessalement. Les nombres d'hydratation des ions sont tout d'abord calculés à partir des mesures du transfert des ions et de l'eau. Ils sont indépendants du courant et de la composition saline. La comparaison avec des valeurs de la littérature montre que les membranes ont peu d'effet sur l'hydratation des ions. Le transfert d'espèces organiques est ensuite étudié pour différentes compositions salines. Outre la diffusion, une contribution additionnelle est mise en évidence (convection pour les espèces neutres, migration pour les espèces chargées). Pour les espèces neutres, diffusion et convection sont du même ordre de grandeur et fixées par l'effet stérique. Des tendances inverses sont obtenues concernant l'hydratation des ions, la diffusion étant limitée par les modifications des membranes, la convection étant limitée par l'hydratation des espèces organiques en solution. Pour les espèces chargées, la migration domine la diffusion, les deux contributions étant influencées par la présence de sel. Les performances de dessalement sont enfin discutées sur la base d'un modèle phénoménologique à 4 paramètres liés au transfert de l'eau, des ions et des espèces organiques. La robustesse du modèle est validée pour différentes conditions. Ce travail montre que l'électrodialyse est une technologie très prometteuse pour le dessalement d'effluents contenant de la matière organique. / Electrodialysis can be used to treat saline water containing organic solute, separating organic solutes from salt. The understanding of salt, water and organic solute transfer through ion- exchange membranes and especially the influence of salt composition is a key factor regarding the process performances. The aim of the Thesis is to investigate the mass transfer and the relationship with the desalination performance. Firstly, hydration numbers of individual ion transferring through the membranes are computed based on experimental measurements of ion- water flux. They are independent from the salt compositions and current. Comparison with literatures values shows that the membranes have a weak influence on the ion hydration. Secondly, the transfer of different organic solutes is investigated with different salt compositions. Two contributions are pointed out, diffusion and additional one (convection for neutral solute, migration for charged one). For neutral solutes, diffusion and convection are comparable and both fixed by steric effect. Ion hydration leads to reversed trend for diffusion due to membrane swelling and convection due to solute dehydration. For charged solute, migration is more important than diffusion, both being influenced by the presence of salt. Then, desalination performance is discussed based on a phenomenological model, consisting of 4 parameters, related to ion, water and organic solute transfer respectively. The robustness of the model is demonstrated for different conditions. This work shows that electrodialysis can be a very promising process for the desalination of saline water containing organic solutes.