A comparison of fouling in osmotically driven processes with that in pressure driven processes is the main focus of the thesis. Forward osmosis (FO) and reverse osmosis (RO) have received considerable attention for water treatment and seawater desalination. This research compared the nature of fouling in FO mode with that in RO starting with the same initial flux in connection with cleaning effects and then comparing to those in ultrafiltration membranes. In all cases, with cleaning as an integral part, the extent of fouling reversibility, and the question whether a critical flux could be determined were examined. The work during the first phase (undertaken at Oxford) quantified the removal of reversible fouling through rinsing by cold and hot water for a range of concentrations using the foulants dextran and carboxymethyl cellulose. The flux-TMP relationship was conventionally compared to that of the clean water flux. The later phase (at Singapore) compared the fouling in FO and RO by alginate in terms of multiple parameters using cellulose tri acetate (CTA) and thin film composite (TFC) membranes. Silica and alginate were selected as model foulants. Whilst experimental water flux profiles in the present study did not exhibit significant differences in trend between FO and RO fouling, foulant resistance for FO was found to be increasingly greater than for RO with the progression of the fouling tests. This was further corroborated by membrane autopsies post fouling tests; both foulant mass deposition density and specific foulant resistance for FO were greater than for RO. The analysis clearly revealed that FO is essentially more prone to fouling than RO which was presumably due to less flux decline in FO (or greater average flux) as compared to that in RO in result of ICP-self compensation effect which is opposite to the prevailing claim in the literature. Additionally, the present study did not find evidence that hydraulic pressure in RO has a role in foulant layer compaction. FO membrane fouling by real waters was the focus of the final phase of the research at SMTC. Pilot scale FO experiments were conducted on spiral wound CTA membrane with treated waste water obtained from a NEWater factory (Singapore) as the feed. In the second stage, experiments were repeated at bench scale with membrane coupons taken from the spiral wound membranes used earlier. The key finding was that the mass transfer coefficients in the Spiral-Wound module were around 50% lower than the corresponding values in the flat sheet unit and this severely limited the fluxes. The reason could be attributed to strong internal concentration polarisation in the former, where tightly wound spacers act to increase the structural parameter.

Les processus de lavage, et plus particulièrement l'utilisation de solutions chlorées, peuvent engendrer une dégradation prématurée des membranes de filtration d'eau. Alors que le marché des technologies membranaires en PVDF est en pleine expansion, peu de travaux portent sur l'étude de leur dégradation sur le long terme. Dans ce contexte, la thèse a porté sur l'étude du vieillissement de membranes de filtration commercialisées en PVDF. Les échantillons sont immergés dans une solution d'hypochlorite de sodium et l'effet du pH sur leur dégradation est approfondi. Les propriétés mécaniques, d'hydrophilie, les performances hydrauliques ainsi que la porosité sont étudiées. L'évolution des propriétés est mise en relation avec la structure chimique étudiée à différentes échelles : moléculaire, macromoléculaire et supramoléculaire. Cette approche n'a à ce jour jamais été utilisée dans le cas des membranes fibres creuses en PVDF. Les analyses en chromatographie d'exclusion stérique révèlent les modifications les plus importantes. La dégradation du PVDF des membranes se traduit par un phénomène prédominant de coupures de la chaîne principale du PVDF accompagné, dans une moindre mesure, d'un phénomène de réticulation. Les principales modifications sont constatées à des pHs inférieurs à 10 révélant la possible action conjointe des radicaux OH•, ClO• et Cl•. Le vieillissement d'une membrane PVDF additivée montre à la fois une dégradation du PVDF et une élimination des additifs. Alors que la membrane sans additif conserve une stabilité de ses propriétés, l'élimination des additifs entraine une évolution de la porosité et une propension au colmatage plus importante. Cependant, les membranes PVDF conservent des propriétés d'utilisation acceptables au regard des conditions extrêmes de vieillissement étudiées. / The cleaning processes, especially the use of chlorine solutions, may cause the untimely degradation of the water filtration membranes. While the market for PVDF membrane-based treatment technologies is rapidly expending, only few works deal with the study of their ageing on a long-term basis. In this context, this project focuses on the study of the ageing of two PVDF filtration membranes. Samples are immersed in a sodium hypochlorite solution and the effect of the chlorine solution pH is investigated. The properties of the membranes are characterized throughout the study by tensile tests, hydrophilicity, hydraulic performances and porosity analysis. The evolution of properties is related to the chemical structure of the membranes at a molecular, a macromolecular and a supramolecular scale. Until now, this approach has never been used in the case of PVDF membranes under chlorine conditions. The size exclusion chromatography analyses revealed the most important modifications. The degradation occurs mainly by chain scissions of the PVDF and crosslinking phenomenon in lesser extent. The main modifications occurred at pH less than 10 proving the joint action of OH•, ClO• and Cl• radicals. The ageing of the PVDF membrane containing additives showed at the same time the PVDF degradation and the elimination of the additives. Whereas the properties of the additive-free PVDF membrane were preserved, the elimination of additives led to a modification of the porosity and an increased fouling. However, even if the PVDF degradation is proved, the using properties of the PVDF membranes remain acceptable taking into consideration extreme conditions of ageing studied.

La conjugaison de phase ultrasonore à couplage par l'air basée sur une céramique magnétostrictive et une membrane de filtration poreuse pour la microscopie et la vélocimétrie de micro écoulements a été développée. Dans ce but, dans le cadre de l'acoustique géométrique un système d'équations pour décrire mathématiquement le passage par l'interface entre l'élément actif du système de conjugaison de phase confocale - milieu de propagation a été développé.On a développé et réalisé une technique de codage de phase par m-séquence pour l'enregistrement des faibles signaux conjugués en phase. Cette technique a permis de travailler plus efficacement avec fort bruit et des signaux qui se trouvent sous le niveau de bruit. Aussi cette technique a permis d'améliorer une méthode de vélocimétrie des écoulements gazeux.On a développé et réalisé une technique d'adaptation d'impédance acoustique basée sur la membrane de filtration poreuse imprégnée par de l'huile. Cette technique a permis d'optimiser les conditions de transmission de l'onde à l'interface air-ferrite aux fréquences basse dans bande du MHz.Les applications possibles de l'effet de conjugaison de phase paramétrique à la vélocimétrie des écoulements gazeux et à la microscopie à couplage par l'air ont été présentées. L'application de l'effet de conjugaison de phase permet d'améliorer les performances des méthodes de vélocimétrie et de microscopie ultrasonores à couplage par l'air. Les méthodes élaborées a repoussé les limites d'applications pratiques de l'effet de conjugaison de phase et peuvent être utilisées pour le développement des dispositifs en vélocimétrie, microscopie et tomographie ultrasonore des écoulements gazeux

La conjugaison de phase ultrasonore à couplage par l’air basée sur une céramique magnétostrictive et une membrane de filtration poreuse pour la microscopie et la vélocimétrie de micro écoulements a été développée. Dans ce but, dans le cadre de l’acoustique géométrique un système d’équations pour décrire mathématiquement le passage par l’interface entre l’élément actif du système de conjugaison de phase confocale – milieu de propagation a été développé.On a développé et réalisé une technique de codage de phase par m-séquence pour l’enregistrement des faibles signaux conjugués en phase. Cette technique a permis de travailler plus efficacement avec fort bruit et des signaux qui se trouvent sous le niveau de bruit. Aussi cette technique a permis d’améliorer une méthode de vélocimétrie des écoulements gazeux.On a développé et réalisé une technique d’adaptation d’impédance acoustique basée sur la membrane de filtration poreuse imprégnée par de l’huile. Cette technique a permis d’optimiser les conditions de transmission de l’onde à l’interface air–ferrite aux fréquences basse dans bande du MHz.Les applications possibles de l’effet de conjugaison de phase paramétrique à la vélocimétrie des écoulements gazeux et à la microscopie à couplage par l’air ont été présentées. L’application de l’effet de conjugaison de phase permet d’améliorer les performances des méthodes de vélocimétrie et de microscopie ultrasonores à couplage par l’air. Les méthodes élaborées a repoussé les limites d’applications pratiques de l’effet de conjugaison de phase et peuvent être utilisées pour le développement des dispositifs en vélocimétrie, microscopie et tomographie ultrasonore des écoulements gazeux / Air-coupled wave phase conjugation technique, based on magneto-acoustic interaction and porous membrane filters, for microscopy and velocity measurements of gas micro flows is under investigation. For this reason in the frame of ray acoustics the base system of equations for mathematical model of phase conjugate wave passage through the interface active element of con-focal WPC system – medium of propagation is developed. The phase coding technique by pseudonoise M-sequence was used for registration of weak acoustical phase conjugate signals. This method has allowed to work more effectively with strong noisy and being under noise level phase conjugate signals. Also this method has allowed improving a method of gas flow velocimetry.It is developed and realized the technology of acoustical matching on base of thin polycarbonate porous membrane filters impregnated by oil. This technology has allowed optimizing the conditions of wave transmission through the interface air–ferrite in the low megahertz frequency range.Possible applications of phase conjugate waves in air are shown. Results of investigations of air-coupled wave phase conjugation technics can serve for drawing up of new methods ultrasonic velocimetry and microscopy in technical industrial applications. The elaborated methods expand limits of application and can be used for development of devices of ultrasonic microscopy, tomography and velocimetry of gas micro flows

La caractérisation des propriétés électriques et diélectriques des membranes d’UF et de NF constitue une étape essentielle pour la compréhension de leurs performances de filtration. Une nouvelle approche a été développée pour déterminer les propriétés diélectriques d’une membrane de NF par spectroscopie d’impédance. Celle-ci repose sur l’isolement de la couche active du support membranaire et sur l’utilisation de mercure comme matériau conducteur, ce qui nous a permis de prouver que la constante diélectrique de la solution à l’intérieur des nanopores est inférieure à celle de la solution externe. Deux configurations de cellule (fibres immergées dans la solution d’étude ou fibres noyées dans un gel isolant) ont été étudiées pour la réalisation de mesures électrocinétiques tangentielles sur fibres creuses et la solution autour des fibres s’est avérée influencer à la fois le courant d’écoulement et la conductance électrique de la cellule. De plus, la contribution importante du corps poreux des fibres au courant d’écoulement ne permet pas de convertir cette grandeur en potentiel zêta luminal. Les propriétés intéressantes de ces membranes ont finalement été mises à profit pour décontaminer des solutions contenant des ions métalliques. Les performances de dépollution, en termes de rétention des polluants et d’impact écotoxicologique, ont été étudiées sur des solutions synthétiques et un rejet issu de l’industrie du traitement de surface. Bien que les performances de rétention aient été remarquables, la toxicité de l’effluent réel n’a pu être totalement annihilée. Une étude approfondie de la rétention des polluants non métalliques s’avère donc nécessaire. / The characterization of electrical and dielectric properties of UF and NF membranes is an essential step to understand their filtration performance. A new approach has been developed to determine the dielectric properties of a NF membrane by impedance spectroscopy. This is based on the isolation of the membrane active layer and the use of mercury as conductive material, which allowed us to prove that the dielectric constant of the solution inside nanopores is lower than that of the external solution. Two cell configurations (fibers immersed in the solution or fibers embedded in an insulating gel) were investigated for the implementation of tangential electrokinetic measurements with hollow fibers and the solution around the fibers was found to influence both streaming current and cell electrical conductance. Moreover, the important contribution of the fiber porous body to the streaming current does not allow the conversion of the latter to luminal zeta potential. The advantageous properties of these membranes were finally used to decontaminate solutions containing metal ions. Decontamination performances in terms of both pollutant retention and ecotoxicological impact were studied on synthetic solutions and a discharge water from surface treatment industry. Although retention performances were remarkable, the toxicity of the real effluent could not be totally annihilated. A thorough study of the retention of non-metallic contaminants is thus required.