Ecoconception de membranes d'ultrafiltration pour la production d'eau potable : modélisation et approche expérimentale

Ecodesign of ultrafiltration membranes for drinking water production : an experimental and modelling approach

• Auteur / Autrice : Flavie Prézélus
• Direction : Jean-Christophe Remigy, Ligia Tiruta-Barna
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés et de l'Environnement
• Date : Soutenance le 22/10/2019
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie chimique (Toulouse ; 1992-....)
• Jury : Président / Présidente : Denis Roizard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Christophe Remigy, Ligia Tiruta-Barna, Geneviève Gesan-Guiziou, Denis Bouyer, Christelle Guigui, Benoît Teychené
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Geneviève Gesan-Guiziou, Denis Bouyer

Mots clés

Mots clés libres

Inversion de phase

Filtration membranaire

Production d’eau potable

Modélisation de procédés

Analyse de cycle de vie (ACV)

Écoconception

Process modelling Life cycle assessment (LCA)

Drinking water treatment

Ecodesign

Phase inversion

Membrane filtration

Résumé

Les procédés de traitement par ultrafiltration sont certes largement utilisés pour la production d’eau potable mais leurs performances environnementales restent néanmoins mal connues. Cetravail vise à une meilleure compréhension de l’empreinte environnementale des membranes, ainsi qu’à la proposition et mise en oeuvre de solutions innovantes et pertinentes afin de l’atténuer. Une approche multi-étapes d'écoconception est appliquée aux fibres creuses fabriquées par inversion de phase et utilisées en filtration frontale. Deux modèles paramétrés ontété développés pour évaluer les impacts environnementaux lors des étapes de fabrication et d'utilisation en fonction des conditions opératoires. L’analyse de cycle de vie a mis en évidenceque les conditions opératoires liées au glycérol étaient des leviers d’action intéressants pour l’étape de fabrication. La quasi-exclusivité des impacts environnementaux est toutefois liée à l’étape d’utilisation, pour laquelle la production d’électricité et la fabrication d’hypochlorite de sodium sont les deux principaux contributeurs. L'analyse montre également l'influence du flux de filtration. Des opportunités existent concernant l’utilisation de solvants biosourcés, d’où la stratégie d’amélioration qui consiste à remplacer les solvants d’origine pétrochimique lors de la fabrication membranaire. Un cadre méthodologique basé sur des indicateurs a été proposé afin de rationaliser la fabrication de membrane durable. Des membranes planes biosourcées ont ainsi été obtenues en utilisant le lactate de méthyle comme solvant. Les résultats environnementaux mitigés n'excluent pas pour autant le remplacement de solvant en tant que stratégied'amélioration. Les résultats soulignent la faisabilité et la pertinence de cette approche d'écoconception basée sur la modélisation de procédé et le travail expérimental, et posent lesbases des améliorations futures.

Although ultrafiltration treatment processes are widely used for drinking water applications, their environmental performances remain poorly understood. The objectives of this work are to provide understanding of membrane environmental footprint, as well as to suggest and implement relevant innovative solutions for its mitigation. A multiphase ecodesign approach is applied to hollow fibres fabricated by phase inversion and operated in a dead-end mode. The two developed parameterized models evaluate environmental impacts during fabrication and operation as a function of operating conditions. The subsequent Life Cycle Assessment highlights glycerol-related operating conditions as interesting action levers for environmental mitigation of membrane fabrication. However, membrane operation accounts for nearly exclusively all environmental impacts, with electricity production and sodium hypochlorite fabrication as the two main contributors. The analysis also pinpoints the influence of filtration flux. Since opportunities for biosourced solvents exist, substitution of petrochemical solvents during membrane fabrication is chosen as an improvement strategy. A metrics-based methodological framework is suggested to rationalize sustainable membrane fabrication. Biosourced flat membranes using methyl lactate as a solvent have thus been prepared. The mixed environmental scores do not preclude solvent substitution as a relevant improvement strategy. Results highlight the feasibility and relevance of such an ecodesign approach based on process modelling and experimental work, and lay the foundations for further development.