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. / An experimental study on the feasibility of sea water desalination by indirect freezing is presented. The whole process of desalination involves a freezing step, followed by a purification of the ice layer by sweating. Crystallization is led from quiescent solution or from agitated solution by air bubbling. The key operating parameters are the cooling rate, and solution salinity. Their effect on ice purity has been quantified in the static and agitated modes. The experimental setup enables as well the control of temperature gradient through the solution when the freezing step is conducted in the static mode. In the absence of temperature gradient and consequently the absence of convection currents, the ice layers formed are very contaminated in salts. The results combining crystallization and sweating show that in all cases, we can obtain drinking water, but with high yield and reduced process time when the crystallization is led in agitated mode. The optimal operating conditions are presented. The modelling of mass and heat transfers in the two phases in the diffusional and convective regimes has enabled the interpretation of the influence of operating parameters of crystallizations operated without agitation. At last, the economic evaluation of the whole desalination process, based on experimental operating points, indicates that energetic consumption of a small scale unit maybe low when using an ideal refrigerating machine which works between the sweating and the crystallization unities.

Le dessalement des eaux saumâtres et de l'eau de mer peut faire face à la problématique de pénurie d'eau qui menace certains pays tel que le Maroc. Actuellement, la technique la plus utilisée pour le dessalement des eaux saumâtres est l'Osmose inverse. La nanofiltration peut remplacer, dans les années avenir, l'Osmose inverse, mais la méconnaissance du comportement du matériau membranaire et des phénomènes de transfert limite l'application de la NF. Une meilleure compréhension des mécanismes de transport favoriserait son essor au sein du domaine de dessalement. C'est dans cette optique que nous avons mené ce travail pour contribuer à l'étude du dessalement des eaux saumâtres par NF. L'originalité de ce travail est de comparer les deux techniques de NF et d'OI sur le plan fondamental à l'échelle du laboratoire et de comparer leur performances pour le dessalement d'une eau saumâtre du sud du Maroc à l'échelle pilote. Dans la partie fondamentale une approche systématique pour la caractérisation des membranes commerciales de nanofiltration et d'osmose inverse à basse pression a été établie, pour aider l'utilisateur au choix d'une membrane pour le dessalement des eaux saumâtres. Nous avons développé deux types de caractérisation : (i) physico-chimique, en terme de Hydrophilie/ Hydrophobie, morphologie et topographie, charge de surface et (ii) transfert de mass en terme de perméabilité hydraulique à l'eau ultra pure et à des solutions salines, rétention de sels monovalents et divalents, détermination du seuil de coupure, détermination des paramètres de transfert de masse s et Ps respectivement le coefficient de reflexion et la perméabilité au soluté des membranes, compréhension des mécanismes de transfert de masse en NF ; la convection pure et la diffusion pure. Nous avons appliqué cette approche pour des membranes commerciales de NF et d'OIBP afin de comparer leurs performances et les classifier pour aider à la sélection d'une membrane de NF pour le dessalement des eaux saumâtres. La deuxième partie est consacrée à une étude pilote du dessalement d'une eau saumâtre du Sud du Maroc, afin de prouver sur le plan technique et économique, l'efficacité de la nanofiltration pour le dessalement cette eau. La NF s'est avérée efficace pour le dessalement partiel et sélectif de l'eau saumâtre étudiée en un seul étage, avec une consommation énergétique plus faible qu'en OI. Les membranes NF90 et NE90 sont les plus adéquates et les plus concurrentes à la BW30 pour le dessalement d'une eau saumâtre avec un taux de salinité de 4 g/L. Elle permettent un dessalement partiel et permettent aussi de préparer une eau destinée à la consommation humaine ( TDS ≤ 1000 ppm) à des pressions 2 fois plus faibles et à des taux de conversions plus élevés (90%). Des essais de dopage de l'eau de TanTan à différents taux de salinité et avec des ions fluorures ont été réalisés. Ces essais ont permis de déterminer la limite d'application des membranes de nanofiltration pour le dessalement des eaux saumâtres (6g.L-1) et confirmer l'efficacité de la NF pour la défluoruration sélective des eaux saumâtres au Maroc.

Le travail vise à développer un procédé de dessalement de l'eau de mer par congélation sur parois froides. L'étude thermodynamique a permis de quantifier l'effet de la composition et de la salinité de l'eau sur la température de congélation et la température de précipitation de Na2SO4,10 H2O. Les résultats sont bien décrits par le code de calcul de Frezchem, dérivé du modèle de Pitzer. Les essais de dessalement par congélation ont été conduits avec des solutions eau/NaCl de différentes concentrations, ainsi qu'avec de l'eau de mer de Rabat, Nice et Marseille. Le montage expérimental mis au point se compose d'un doigt de gant plongé dans une cuve double enveloppée contenant l'eau à traiter. Le procédé complet de dessalement est conduit en deux étapes: l'étape de congélation produisant un dépôt de glace sur le doigt de gant et l'étape de ressuage, effectuée après vidange de la saumure, qui consiste à purifier en profondeur la glace en opérant une fusion des zones impures. Une caméra filme la couche de glace et fournit la cinétique de croissance de la couche. La congélation a été effectuée dans une solution stagnante ou dans une solution agitée par injection d'air. Elle est conduite en appliquant deux rampes de refroidissement, respectivement dans le doigt de gant et dans la double enveloppe, qui peuvent être ou non identiques. Les essais ont montré la nécessité d'ensemencer la couche de glace sur le tube et d'ajuster finement la température initiale de la rampe de refroidissement. L'étude systématique de l'influence des paramètres opératoires a mis en évidence les rôles importants de la rampe de refroidissement et de la salinité de la solution sur la pureté de la glace produite. En l'absence d'agitation, la température de la double enveloppe a également un effet notoire sur la pureté de la glace à cause des gradients de température, et par suite, des courants de convection qu'elle peut engendrer au sein de la solution. En régime agité, la solution semble être à chaque instant en équilibre avec la glace. Une même salinité finale de la glace peut être obtenue avec des rampes de refroidissement beaucoup plus rapides qu'en statique. Quelles que soient les performances de la congélation, le ressuage est ensuite indispensable pour atteindre la norme de potabilité. La recherche de conditions opératoires optimales a permis de réduire la durée du procédé global à 8h (5h de cristallisation et 3h de ressuage). Les résultats de ce travail montrent la faisabilité de la technique et donnent une bonne idée des conditions de fonctionnement qui peuvent être employées pour produire l'eau potable

La rareté de l'eau douce de bonne qualité pour l'humanité est un problème qui devient de plus aiguë (d'actualité). Les populations humaines croissantes ainsi que l'augmentation des activités industrielles et agricoles jouent un rôle majeur dans l'épuisement et la pollution des ressources en eau douce. Cette situation devient de plus en plus grave dans des pays disposant de ressources limites d'eau comme l'Arabie Saoudite qui est le plus grand pays au monde sans ressources naturelles d'eau douce. En même temps, l'Arabie saoudite est le troisième plus grand consommateur d'eau par habitant dans le monde. Pour remédier à cette pénurie d'eau douce, différentes technologies de dessalement d'eau de mer sont utilisées actuellement. Malgré plus de trente-deux usines de dessalement, le pays fait face à un défi de taille pour alimenter sa population avec eau en quantité suffisante (nécessaire). Dans ce contexte, en premier lieu, nous présentons un procédé pour produire la quantité requise d'eau, avec un impact minimum sur l'environnement, tout en maintenant sa bonne qualité. En outre, les possibilités pour l'utilisation des énergies alternatives pour réduire l'impact environnemental des besoins de dessalement sont examinées, ainsi que la pertinence des différents types d'énergie alternative qui pourraient être utilisés dans le cas particulier de l'Arabie Saoudite. L'analyse du cycle de vie (ACV) étant une méthode holistique de l'évaluation des impacts environnementaux des produits, a été utilisée pour évaluer l'impact environnemental du processus de dessalement et en identifier les principales raisons de cet impact. A cet effet, une collaboration avec une usine de dessalement en Arabie Saoudite a été mise en place, soldée par de multiples visites sur place. Ces dernières nous ont permis de comprendre le processus de dessalement, recueillir des données nécessaires et considère les possibilités d'introduire des sources d'énergie alternatives pour alimenter l'usine de dessalement. Afin d'évaluer l'impact environnemental du processus de dessalement une ACV basée sur le logiciel SimaPro a été réalisée. Les résultats de l'étude ont montré que le choix le plus pertinent concernant la technologie de dessalement dans le contexte de l'Arabie Saoudite est l'Osmose inverse (RO). Le modèle LCA a également montré que l'électricité produite à partir de combustibles fossiles a été responsable de 92,8% des dommages environnementaux causés. En outre, l'étude a montré, que les solutions les plus appropriées pour approvisionner en électricité la technologie RO de dessalement sont l'énergie solaire et l'énergie éolienne au lieu du pétrole brut fossile actuellement utilisé. L'ACV a montré également que l'utilisation de l'énergie alternative comme source d'énergie au dessalement peut réduire considérablement l'impact environnemental. / The scarcity of fresh water with enough (good) quality for human been is a problem which becomes more acute day by day. The increasing human populations along with increasing industrial and agricultural activities are adding more burden towered the depletion and pollution of fresh water resources. This situation becomes more serious in countries with limit water resources as Saudi Arabia which is the largest country in the world without natural fresh water resources. At the same time, Saudi Arabia is the third-largest per capita water consumer worldwide. To overcome the water shortage, sea water desalination technology has been used so far. Despite more than thirty-two desalination plants, the country faces a significant challenge to supply its population with the required amount of water. In this context, in the first place, this thesis presents a method for producing the required amount of water with minimal environmental impact while maintaining the required water quality need to be developed. Further, the possibilities of alternative energy in reducing the environmental impact from desalination needs are investigated, along with the suitability of different types of alternative energy that could be utilized in the particularly case of Saudi Arabia. Life cycle assessment (LCA) being a holistic method of assessing the environmental impacts of products it was used to assess the environmental impact of the desalination process and identifying the main reasons behind this damages. For this purpose, a collaboration with a desalination plant in Saudi Arabia was set up, which included visiting the plant several times. This allowed us to understand the desalination process, collect the required data and consider the possibilities of introducing alternative energy sources to power the desalination plants. In order to assess the environmental impact of the desalination process a LCA based on SimaPro software was performed. The results of the study showed that the most likely choice of desalination technology within the Saudi Arabian context is Reverse Osmosis (RO) desalination. The LCA model showed also that electricity produced from fossil fuel was the responsible of 92.8% of the environmental damages. Further, the most suitable alternatives to produce electricity to RO desalination are solar energy and wind energy instead of fossil crude oil. The LCA showed that using alternative energy as the source to supply electricity to desalination may substantially reduce the environmental impact.

Le travail vise à développer un procédé de dessalement de l’eau de mer par congélation sur parois froides. L’étude thermodynamique a permis de quantifier l’effet de la composition et de la salinité de l’eau sur la température de congélation et la température de précipitation de Na2SO4,10 H2O. Les résultats sont bien décrits par le code de calcul de Frezchem, dérivé du modèle de Pitzer. Les essais de dessalement par congélation ont été conduits avec des solutions eau/NaCl de différentes concentrations, ainsi qu’avec de l’eau de mer de Rabat, Nice et Marseille. Le montage expérimental mis au point se compose d’un doigt de gant plongé dans une cuve double enveloppée contenant l’eau à traiter. Le procédé complet de dessalement est conduit en deux étapes: l’étape de congélation produisant un dépôt de glace sur le doigt de gant et l’étape de ressuage, effectuée après vidange de la saumure, qui consiste à purifier en profondeur la glace en opérant une fusion des zones impures. Une caméra filme la couche de glace et fournit la cinétique de croissance de la couche. La congélation a été effectuée dans une solution stagnante ou dans une solution agitée par injection d’air. Elle est conduite en appliquant deux rampes de refroidissement, respectivement dans le doigt de gant et dans la double enveloppe, qui peuvent être ou non identiques. Les essais ont montré la nécessité d’ensemencer la couche de glace sur le tube et d’ajuster finement la température initiale de la rampe de refroidissement. L’étude systématique de l’influence des paramètres opératoires a mis en évidence les rôles importants de la rampe de refroidissement et de la salinité de la solution sur la pureté de la glace produite. En l’absence d’agitation, la température de la double enveloppe a également un effet notoire sur la pureté de la glace à cause des gradients de température, et par suite, des courants de convection qu’elle peut engendrer au sein de la solution. En régime agité, la solution semble être à chaque instant en équilibre avec la glace. Une même salinité finale de la glace peut être obtenue avec des rampes de refroidissement beaucoup plus rapides qu’en statique. Quelles que soient les performances de la congélation, le ressuage est ensuite indispensable pour atteindre la norme de potabilité. La recherche de conditions opératoires optimales a permis de réduire la durée du procédé global à 8h (5h de cristallisation et 3h de ressuage). Les résultats de ce travail montrent la faisabilité de la technique et donnent une bonne idée des conditions de fonctionnement qui peuvent être employées pour produire l'eau potable / The work aims to develop a process for freezing desalination of seawater on cold walls. The thermodynamic study has quantified the effect of composition and of salinity on the freezing temperature and the precipitation temperature of Na2SO4,10 H2O. The results are well described by the calculation code Frezchem, derived from the model of Pitzer. The experiments were performed with water/NaCl solutions of different concentrations and with samples of sea water from Nice, Rabat and Marseille. The pilot crystallizer consists of a cooled tube immersed in a cylindrical double jacketed tank containing water to be treated. The complete process of desalination is conducted in two steps: the freezing step, leading to the crystallization of the ice layer and the sweating step, which consists of purifying in depth the ice layer by melting the impure zones. A camera films the ice and provides the growth kinetics of the layer. Freezing was performed in a stagnant solution to a stirred solution or by injecting air. It is conducted by applying two cooling ramps, respectively in the tube and the double jacket that may or may not be identical. Tests have shown the need to seed the ice on the tube and fine-tune the initial temperature of the cooling ramp. The systematic study of the influence of operating parameters has highlighted the important role of the cooling ramp and salinity of the solution on the purity of the ice produced. In the absence of stirring, the temperature of the double jacket also has a noticeable effect on the purity of the ice due to temperature gradients, and consequently, convection currents that may result in the solution. Steady stirring, the solution seems to be at all times in equilibrium with ice. Same final salinity of the ice can be obtained with ramps cooling much faster than static. Whatever the performance of the freezing, the sweating is then necessary to meet the standard for drinking water. The search for optimum operating conditions has reduced the duration of the overall process to 8 hours (5 hours the crystallization and 3 hours of sweating). The results of this work show the feasibility of the technique and give a good indication of operating conditions that can be used to produce drinking water

Les eaux blanches issues du rinçage à l’eau des équipements utilisés en industries laitières présentent un potentiel de valorisation en lien avec leur teneur en solides du lait permettant ainsi de diminuer les impacts environnementaux et économiques liés à la gestion des effluents laitiers. Plus spécifiquement, les eaux blanches, utilisées dans le cadre de ce projet ont été générées à la suite du rinçage d’un pasteurisateur, avaient une composition similaire à celle du lait dilué. De ce fait, dans une optique de récupération et de réutilisation de ces eaux blanches, l’osmose inverse (OI) a été choisie comme technologie permettant de produire un concentré de solides du lait réutilisable en production fromagère (rétentat) et de l’eau de procédé (perméat). Ainsi, les différents lots d’eaux blanches provenant de deux usines de transformation du lait(usines A et B) ont été concentrés par OI à 50 °C. Ces eaux blanches ont tout d’abord été caractérisées pour leur composition physico-chimique et microbiologique. Par la suite, l’évolution de la charge et des genres bactériens composant les eaux blanches et les concentrés, a été déterminée par approche méta-taxinomique à la suite des étapes de concentration et de recirculation des eaux blanches par OI à 50 °C pendant 20 h. Finalement, le potentiel de valorisation des eaux blanches a été évalué lors de la production de fromages modèles pour lesquels différentes proportions de concentrés d’eaux blanches intégrées dans le mélange de lait fromager ont été étudiés. De même, l'impact économique de la mise en œuvre d'un système d'OI dans une usine laitière permettant de régénérer des concentrés d’eaux blanches a été estimé. Les résultats ont montré que le profil bactérien des eaux blanches était différent en fonction de l’environnement de l’usine et des séquences de nettoyage en place (CIP) mises en place. Plus spécifiquement, les bactéries psychrotrophes étaient dominantes dans les eaux blanches générées par l’usine A et les thermophiles dans celles générées par l’usine B. La composition microbiologique des eaux blanches limitait leur réutilisation après 10 heures pour l'usine Aet 5 heures pour l'usine B de recirculation par OI à 50 °C, afin d'éviter la croissance de bactéries sporulées thermorésistantes. En parallèle, nous avons démontré que l'utilisation d'eaux blanches concentrées et pasteurisées en production fromagère augmente le rendement et l'humidité des fromages modèles. Cependant, la substitution de plus de 50 % de la quantité de lait de fromagerie par des concentrés d'eaux blanches pasteurisés a ralentie la cinétique de coagulation de caillés. L'humidité excessive des fromages élaborés à partir de concentrés d'eaux blanches, a été corrélée à une modification de l'équilibre soluble-colloïdal des minéraux et des protéines, notamment ceux du calcium et des caséines. Finalement, et selon l’étude économique réalisée, une usine laitière devra générer un minimum de 200 m³ d'eaux blanches par jour contenant 0,5 % de solides totaux pour que l’investissement lié à l’achat et à l’utilisation d’un système d’OI pour la concentration d’eaux blanches destinée à la fabrication fromagère soit rentabilisé au bout de six mois. / White wastewaters (WW) generated after the first hydraulic flush of dairy equipment have the potential to be use in dairy processing for the valorization of their milk solids content which could have environmental and economic benefits for dairy effluent management. More specifically, WWs used in this project were generated after the rinsing of pasteurizers and had a composition similar to that of diluted milk. Therefore, to recover and reuse these WW,reverse osmosis (RO) was chosen as a suitable technology to generate concentrates of milk solids (retentate) for cheese production and process water (permeate).Thus, different batches of WW generated from two dairy processing plants (plants A and B) were concentrated by RO at 50°C. These WW were first characterized for their physicochemical and microbiological compositions. Subsequently, the evolution of the bacterial load and genera in these WW was determined by metabarcoding after the concentration and recirculation steps by RO for 20h. Finally, the potential for the valorization of these WW was evaluated by the production of model cheeses for which different proportions of WW concentrates were added to the cheese milk mixture. The economic impact of implementing a RO system in a dairy plant to regenerate WW concentrates was also estimated. The results showed that the bacterial profile of WW was different depending on the bacterial environment of the plant and the cleaning in place (CIP) applied procedure. More specifically, psychrotrophic bacteria were dominant in WW generated by plant A and thermophilic bacteria in those generated by plant B. The bacterial profile of these WW limited their reuse after 10 hours for the plant A and 5 hours for the plant B of recirculation at 50ᵒC by RO, to avoid the growth of thermoresistant spore-forming bacteria. In parallel, we demonstrated that the use of concentrated and pasteurized WW in the production of model cheese increases their yield and moisture compared to control cheeses. However, the substitution of more than 50% of the quantity of cheese milk with pasteurized WW concentrates decreased the coagulation kinetics of curds. The excessive humidity of the cheeses generated from WW concentrates was correlated with modifying of the soluble colloidal balance of minerals and proteins, especially of calcium and caseins. Finally, and according to the economic study carried out, a dairy plant will have to generate a minimum of 200m³ of white water per day containing 0.5% of total solids so that the investment related to the purchase and use of an RO system for the concentration of white water for cheese production will be profitable within six months.

Les eaux blanches issues du rinçage à l'eau des équipements utilisés en industries laitières présentent un potentiel de valorisation en lien avec leur teneur en solides du lait permettant ainsi de diminuer les impacts environnementaux et économiques liés à la gestion des effluents laitiers. Plus spécifiquement, les eaux blanches, utilisées dans le cadre de ce projet ont été générées à la suite du rinçage d'un pasteurisateur, avaient une composition similaire à celle du lait dilué. De ce fait, dans une optique de récupération et de réutilisation de ces eaux blanches, l'osmose inverse (OI) a été choisie comme technologie permettant de produire un concentré de solides du lait réutilisable en production fromagère (rétentat) et de l'eau de procédé (perméat). Ainsi, les différents lots d'eaux blanches provenant de deux usines de transformation du lait(usines A et B) ont été concentrés par OI à 50 °C. Ces eaux blanches ont tout d'abord été caractérisées pour leur composition physico-chimique et microbiologique. Par la suite, l'évolution de la charge et des genres bactériens composant les eaux blanches et les concentrés, a été déterminée par approche méta-taxinomique à la suite des étapes de concentration et de recirculation des eaux blanches par OI à 50 °C pendant 20 h. Finalement, le potentiel de valorisation des eaux blanches a été évalué lors de la production de fromages modèles pour lesquels différentes proportions de concentrés d'eaux blanches intégrées dans le mélange de lait fromager ont été étudiés. De même, l'impact économique de la mise en œuvre d'un système d'OI dans une usine laitière permettant de régénérer des concentrés d'eaux blanches a été estimé. Les résultats ont montré que le profil bactérien des eaux blanches était différent en fonction de l'environnement de l'usine et des séquences de nettoyage en place (CIP) mises en place. Plus spécifiquement, les bactéries psychrotrophes étaient dominantes dans les eaux blanches générées par l'usine A et les thermophiles dans celles générées par l'usine B. La composition microbiologique des eaux blanches limitait leur réutilisation après 10 heures pour l'usine A et 5 heures pour l'usine B de recirculation par OI à 50 °C, afin d'éviter la croissance de bactéries sporulées thermorésistantes. En parallèle, nous avons démontré que l'utilisation d'eaux blanches concentrées et pasteurisées en production fromagère augmente le rendement et l'humidité des fromages modèles. Cependant, la substitution de plus de 50 % de la quantité de lait de fromagerie par des concentrés d'eaux blanches pasteurisés a ralentie la cinétique de coagulation de caillés. L'humidité excessive des fromages élaborés à partir de concentrés d'eaux blanches, a été corrélée à une modification de l'équilibre soluble-colloïdal des minéraux et des protéines, notamment ceux du calcium et des caséines. Finalement, et selon l'étude économique réalisée, une usine laitière devra générer un minimum de 200 m³ d'eaux blanches par jour contenant 0,5 % de solides totaux pour que l'investissement lié à l'achat et à l'utilisation d'un système d'OI pour la concentration d'eaux blanches destinée à la fabrication fromagère soit rentabilisé au bout de six mois. / White wastewaters (WW) generated after the first hydraulic flush of dairy equipment have the potential to be use in dairy processing for the valorization of their milk solids content which could have environmental and economic benefits for dairy effluent management. More specifically, WWs used in this project were generated after the rinsing of pasteurizers and had a composition similar to that of diluted milk. Therefore, to recover and reuse these WW, reverse osmosis (RO) was chosen as a suitable technology to generate concentrates of milk solids (retentate) for cheese production and process water (permeate). Thus, different batches of WW generated from two dairy processing plants (plants A and B) were concentrated by RO at 50°C. These WW were first characterized for their physicochemical and microbiological compositions. Subsequently, the evolution of the bacterial load and genera in these WW was determined by metabarcoding after the concentration and recirculation steps by RO for 20h. Finally, the potential for the valorization of these WW was evaluated by the production of model cheeses for which different proportions of WW concentrates were added to the cheese milk mixture. The economic impact of implementing a RO system in a dairy plant to regenerate WW concentrates was also estimated. The results showed that the bacterial profile of WW was different depending on the bacterial environment of the plant and the cleaning in place (CIP) applied procedure. More specifically, psychrotrophic bacteria were dominant in WW generated by plant A and thermophilic bacteria in those generated by plant B. The bacterial profile of these WW limited their reuse after 10 hours for the plant A and 5 hours for the plant B of recirculation at 50ᵒC by RO, to avoid the growth of thermoresistant spore-forming bacteria. In parallel, we demonstrated that the use of concentrated and pasteurized WW in the production of model cheese increases their yield and moisture compared to control cheeses. However, the substitution of more than 50% of the quantity of cheese milk with pasteurized WW concentrates decreased the coagulation kinetics of curds. The excessive humidity of the cheeses generated from WW concentrates was correlated with modifying of the soluble colloidal balance of minerals and proteins, especially of calcium and caseins. Finally, and according to the economic study carried out, a dairy plant will have to generate a minimum of 200m³ of white water per day containing 0.5% of total solids so that the investment related to the purchase and use of an RO system for the concentration of white water for cheese production will be profitable within six months.

Les petites unités de dessalement au point d’usage sont une alternative pour l’accès à l'eau potable des communautés isolées de zones côtières ou insulaires. Dans cette thèse, la distillation membranaire (MD) est le procédé de choix pour l’application visée. De plus, les lieux d’implantation ciblés souffrent souvent d’un manque d’accès à l’énergie, mais la plupart d’entre eux sont exposés à des niveaux élevés de radiation solaire. Afin de réduire les pertes de chaleur du système et d'intensifier le procédé, un module intégrant des membranes planes de MD sous vide (VMD) et un collecteur solaire à plaque plane (FPC) apparaît comme une technologie possible. Cette étude a pour objectifs d’étudier la faisabilité de ce concept et de déterminer les paramètres de l’équipement et les conditions opératoires les plus favorables pour l’application visée en cherchant à réduire la consommation d’électricité (par des panneaux photovoltaïques PV) et améliorer simultanément l’efficacité énergétique et la production d’eau dans l’ensemble du module VMD-FPC. Les analyses de sensibilité et les optimisations multi-objectifs sont effectuées à partir de séries de simulations. La productivité quotidienne peut atteindre 96 L pour une surface de module de 3 m2. Un coût énergétique quasi-constant d’une puissance PV de 4,2 à 5,0 W L-1 est observé, permettant d’ajuster la capacité du système. Pour une puissance PV limitée à 130 W (installation mobile), plus de 30 L de distillat peuvent être obtenus avec une surface de 0,83 m2 par une belle journée d'été à Toulouse, en tenant compte des paramètres de fonctionnement optimisés et des matériaux réels. / Small-scale desalination at the point of use offers a potential access to drinking water to communities living in remote coastal areas or isolated islands. In this dissertation, Membrane Distillation (MD) is the applied technology for the aforementioned application scenario. Moreover, the target places are also often in the lack of stable and centralized heat and power supply, while most of them benefit from high solar radiations. In order to further reduce the system heat loss and to intensify the process, the integration in the same module of flat-sheet distillation membranes for Vacuum MD (VMD) and direct solar heating by flat-plate collector (FPC) appears as a possible option. This study aims to explore the feasibility of this concept and to determine the more favorable design and operating conditions for the target application. The main task in this regard is to reduce electricity consumption (provided by photovoltaic PV panels) and simultaneously improve the energy efficiency and water production throughout the VMD-FPC module. The sensitivity analyses and multi-objective optimizations are conducted based on series of simulations. Results show that the potential daily productivity of the system can reach up to 96 L for a module surface area of 3 m2. A quasi-constant power cost of PV of 4.2 - 5.0 W L-1 is observed, permitting a flexible adjustment of the system capacity. Under a limitation of an average PV power of 130 W, more than 30 L of distillate can be obtained with a surface area of 0.83 m2 on a sunny summer-day in Toulouse, taking the optimized operating parameters and real-world material properties into account.

Une thermofrigopompe (TFP) est une machine frigorifique qui produit du froid et de la chaleur utiles. L’objectif de ces travaux est de développer le concept de thermofrigopompe pour la production de froid et le dessalement. Le dessalement est réalisé en utilisant la chaleur rejetée au condenseur de la TFP. La technique de dessalement retenue après étude bibliographique est l’AGMD (air gap membrane distillation) pour ses températures de fonctionnement compatibles avec la température de condensation des machines frigorifiques classiques. Ce procédé de distillation a été caractérisé grâce à une installation pilote pour diverses conditions de températures, de débits, d’épaisseurs d’air gap et de compositions de solutions. Une étude de longue durée associée à une observation au MEB a permis évaluer le niveau colmatage des membranes. Un modèle numérique a ensuite été développé à partir des premiers résultats expérimentaux. Des simulations ont permis de dégager des tendances de comportement d’une machine couplée TFPMD. Enfin, un prototype a été construit à partir d’un petit réfrigérateur et d’une cellule d’AGMD fabriquée par impression 3D. Les mesures expérimentales ont permis de valider le concept de TFPMD et d’obtenir de premiers résultats de performance prometteurs. La valorisation de l’énergie thermique perdue par les équipements frigorifiques pour effectuer du dessalement semble donc une solution intéressante au manque d'eau douce qui peut survenir dans de nombreuses régions de la planète. / A heat pump or a refrigerating device produces simultaneously cooling and heating energies. The objective of this research is to develop the concept of heat pump for simultaneous cooling and desalination. Desalination is carried out by recovering the heat rejected by the condenser of the machine. The desalination technique, chosen thanks to the literature review, is AGMD (air gap membrane distillation) because of the compatibility of operating temperatures with the condensing temperature of standard heat pumps. AGMD was characterized using a pilot for different conditions of temperature, flow rate, air gap thickness and solution compositions. A long term study associated to scanning electron microscope images enabled to evaluate the fouling level of the membrane. A numerical model was then developed using the first experimental results. Simulations have revealed patterns of behaviour for a coupled heat pump and AGMD machine. Finally, a prototype was built with a small refrigerator and an AGMD cell manufactured by 3D printing. Experimental measurements were used to validate the concept of heat pump for simultaneous cooling and desalination and to obtain promising performance results. The valorization of the heat lost by refrigeration equipment for desalination seems therefore an interesting solution to overcome the lack of fresh water that can occur in many regions of the planet.

La première partie de cette thèse constitue une introduction aux différentes méthodes de conversion d'énergie et de dessalement qui seront évoquées dans cet ouvrage. Dans une deuxième partie, nous montrons que la conductance ionique d'un réseau de nanopores est sous-additive avec le nombre de pores. La contribution individuelle de chaque pore à la conductance globale tend vers une valeur nulle, pour un réseau suffisamment grand. On note que seuls des rapports de longueurs interviennent, et que le choix d'une échelle nanométrique n'a pas d'influence dans l'effet observé. Ensuite, dans une troisième partie, nous mesurons la perméabilité d'un réseau de pores à une échelle macroscopique. Là aussi, l'influence du réseau ne dépend pas de l'échelle du système. La perméabilité évolue en sens inverse de la conductance : elle est augmentée par la présence de pores voisins, mais dans une faible proportion. La quatrième partie se sert des résultats des deux parties précédentes, dans le but de déterminer une loi d'échelle pour la puissance électrique produite par courant d'écoulement et diffusio-osmose, deux méthodes de conversion d'énergie osmotique. On montre que les effets d'entrée ont un effet délétère sur cette conversion ; ils nécessitent des études plus approfondies. La dernière partie est un travail numérique sur un nouveau procédé de dessalement par osmose via une phase gaz, piégée dans des nanotubes hydrophobes. Son intérêt principal est l'utilisation de nanotubes plus gros que les pores des matériaux actuellement utilisés, donc moins susceptibles de s'encrasser. Par dynamique moléculaire, nous étudions la perméabilité et la sélectivité du dispositif / The first part of this thesis is an introduction to the different energy conversion and desalination methods that will be invoked in this work. In a second part, we show that the ionic conductance of a nanopore array is sub-additive with the number of pores. Individal contributions of each pore to the global conductance tend to a null value, if the network is big enough. We note that this phenomenon only involves length ratios, and that working at a nanometric scale does not have any influence. Then, in a third part, we measure the permeability of a pore array at a macroscopic scale. There too, the effect of the array does not depend on the scale of the system. Permeability evolves inversely to conductance: permeability is enhanced by the presence of neighboring pores, but in a smaller proportion than the ionic conductance falls under the same cause. The fourth part uses the results of the two preceding ones, to determine a scaling law for the electric power produced by streaming current and diffusio-osmosis, two methods of osmotic energy conversion. We show that entrance effects have a negative impact on such conversion, more efforts are needed to understand them better and circumvent them. The fifth and last part of this thesis is a numerical work on a new desalination device. It relies on osmosis through a gas phase which is trapped within a hydrophobic nanotube. Its main interest is to use nanotubes bigger than the pores of currently used materials, thus less prone to fouling. We use molecular dynamics methods to study the permeability and selectivity of this device