On the coupling of membrane transport to hydrodynamics and bulk mass transfer in reverse osmosis : numerical modeling and experimental studies

par Gustavo Henndel Lopes

Thèse de doctorat en Mécanique et physique des fluides

Sous la direction de Pierrette Guichardon et de Nelson Ibaseta.

Soutenue le 10-12-2014

à l'Ecole centrale de Marseille , dans le cadre de Ecole Doctorale Sciences pour l'Ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique (Marseille) , en partenariat avec Laboratoire de mécanique, modélisation et procédés propres (Marseille) (laboratoire) et de Laboratoire de Mécanique- Modélisation et Procédés Propres / M2P2 (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Couplage du Transport Membranaire à l’Hydrodynamique et au Transfert de Matière en Osmose Inverse : Modélisation Numérique et Études Expérimentales


  • Résumé

    La prédiction des performances des séparations membranaires barométriques, fortement affectées par la polarisation de concentration, serait une avancée importante pour le dimensionnement et l’optimisation des procédés. Dans ce contexte, les équations couplées de Navier-Stokes et de conservation du soluté adimensionnées sont résolues numériquement dans le cas d’un écoulement stationnaire laminaire en filtration tangentielle. Le canal plan bidimensionnel comporte des parois perméables soumises à des conditions aux limites du type solubilisation-diffusion. Le flux de perméat, le taux de rétention et le débit, la concentration et la chute de pression du rétentat sont déterminés localement. Les simulations soulignent l’influence des perméabilités membranaires au soluté et au solvant sur la polarisation de concentration et la dépendance non-asymptotique du taux de rétention avec la pression appliquée. Le modèle est validé pour des modules plans et spiralés d’osmose inverse et de nanofiltration dense en comparant les calculs à des résultats expérimentaux tirés de la littérature et de nos propres essais pilotes de dessalement. Aussi, une méthode à l’échelle de la paillasse permettant de déterminer les perméabilités au soluté et au solvant par des expériences d’osmose et diffusion est développée et appliquée à des membranes d’osmose inverse et de nanofiltration. La divergence des mécanismes de transfert engendrés sous l’influence de la pression ou sous l’influence d’un gradient osmotique est mise en évidence. Le modèle numérique et la méthode expérimentale sont des outils prometteurs d’applicabilité immédiate dans le domaine des membranes.


  • Résumé

    The prediction of the performance of pressure-driven membrane separations, deeply affected by concentration polarization, would be an important advance for process design and optimization. In this context, the dimensionless coupled Navier-Stokes and solute conservation equations are solved numerically for a steady laminar cross-flow filtration. The two-dimensional flat channel consists of permeable walls subject to solution-diffusion boundary conditions. The permeate flux, the rejection rate and the retentate’s flow rate, concentration and pressure drop are determined locally. The simulations highlight the influence of the membrane solute and solvent permeabilities on concentration polarization and the non-asymptotic dependence of the rejection rate on the applied pressure. The model is validated for reverse osmosis and tight-nanofiltration plate-and-frame and spiral-wound modules by comparison to experimental results from the literature and from our own pilot desalination tests. Furthermore, a bench-scale method enabling the determination of solute and solvent permeabilities from osmotic-diffusive experiments is developed and applied to reverse osmosis and nanofiltration membranes. The divergence between the transport mechanisms engendered by pressure and by an osmotic gradient is evidenced. The numerical model and the experimental method are new promising tools with immediate applicability in the membrane field.


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