Etude expérimentale et modélisation du transfert de matière à travers les membranes de nanofiltration : filtration des pesticides et des nitrates

par Ibrahim Musbah

Thèse de doctorat en Génie des procédés

Sous la direction de Silvia Alexandrova.

Soutenue en 2009

à Caen .

mots clés

• Modélisation
• Procédés membranaires
• Nanofiltration -- Thèses et écrits académiques
• Transfert de masse -- Thèses et écrits académiques
• Eau potable -- Thèses et écrits académiques
• Pesticides -- Thèses et écrits académiques
• Nitrates -- Thèses et écrits académiques

Résumé

La qualité de l’eau potable dans certaines régions en France, particulièrement en Basse Normandie et en Bretagne dégrade progressivement. Les concentrations en nitrates et en pesticides dans les ressources d’eau augmentent graduellement pour dépasser dans certains cas les normes fixées par l’Union Européenne (50 mg/l et 0,1µg/l). Le procédé choisi pour pallier à ces problèmes de pollution est un procédé membranaire : la nanofiltration. La performance de ce procédé est attribuée à une rétention importante des polluants grâce au couplage de deux phénomènes : un effet tamis (les pollutions sont retenues car leur taille est plus importante que celle du diamètre des pores de la membrane) et un effet électrostatique (les solutés chargés sont retenus grâce à des charges fixes sur la surface de la membrane). Cette technique semble être un bon moyen de traitement de la pollution par des nitrates et des pesticides, et ceci n’utilisant qu’un seul procédé. Notre étude concerne l’application de deux membranes de nanofiltration (NF de Dow-Filmtec et OPMN-K de Vladipor) chargées négativement pour l’élimination des pesticides (atrazine, déséthylatrazine, simazine et diuron) et des nitrates (KNO3, NaNO3, Ca(NO3)2) à différentes concentrations (20 ppm, 50 ppm et 300 ppm). L’influence de la concentration de la charge (eau polluée) et de la pression transmembranaire sur la rétention des différents solutés a été étudiée. Des expériences avec des mélanges de solutés ont permis d’étudier l’influence des ions mono et divalent sur la rétention des nitrates. Afin de décrire les mécanismes de transfert, trois modèles ont été utilisés: un modèle purement diffusif, un modèle basé sur l’équation de Nernst-Planck étendue et un modèle basé sur la thermodynamique des processus irréversibles. Il ressort que dans le cas des solutés non chargés, le modèle diffusif est toujours en bonne adéquation avec les résultats expérimentaux alors que pour les autres solutés, le modèle basé sur l’équation de Nernst-Planck étendue est le plus adéquat.

Titre traduit

Experimental study and modeling of mass transfer through membranes of nanofiltration

Résumé

The quality of drinking water in some regions of France, especially in Basse Normandie and Bretagne degrades gradually however, the concentrations of nitrate and pesticides in water resources are increasing gradually, in some cases exceed the limits fixed by the European Union (50 mg / L and 0. 1 g /L ). The process selected to overcome these problems of pollution is a membrane process: nanofiltration. The performance of this method is due to an important retention of pollutants due to the combination of two phenomena: a sieve effect (pollution was chosen because their size is larger than the pores diameter) and an electrostatic effect (the charged solutes are retained by the surface membrane charges). This technology seems to be a good way to treat the problem of nitrates and pesticides pollution in one step process. Our study concerns the application of two negatively charged nanofiltration membranes : NF (Dow-Filmtec) and OPMN-K (Vladipor) for elimination of pesticides (atrazine, desethylatrazine, simazine and diuron) and nitrate (KNO3, NaNO3, Ca(NO3)2 ) at different concentrations. The influence of the alimentation concentration (polluted water) and transmembrane pressure on the retention of various solutes was studied. Set of experiments with mixtures of solutes to study the influence of mono and divalent ions incidence on the retention of nitrates was performed. To describe the transfer mechanisms, three models were used: diffusive model, a model based on the Extended Nernst–Planck equation and a model based on irreversible thermodynamics methods. The results show that in the case of uncharged solutes, the diffusive model is still in good fit with the experimental points while for other solutes, the model based on the equation Extended Nernst–Planck is the most appropriate