L'élimination des polluants d'un mélange gazeux ou liquide est un enjeu majeur en termes de réduction de l'impact environnemental de nombreux procédés industriels. Les liquides ioniques sont des solvants de remplacement prometteurs dans la séparation sélective en raison de leur pression de vapeur négligeable et de leurs propriétés chimico-physiques. Dans cette étude, un nouveau procédé hybride, la combinaison des IL et d'une membrane céramique tubulaire (ILM), a été développé dans le but de traiter des gaz ou des liquides. Par rapport aux procédés conventionels, l’ILM offre une grande stabilité et une résistance mécanique élevée pendant une longue période de fonctionnement. De plus, les propriétés spécifiques des ILs assurent la sélectivité et de fortes capacités d'absorption. Dans le cas des traitements de gaz, l'élimination de l'humidité pour protéger le capteur de gaz et le traitement du gaz industriel contenant du toluène sont les deux parties développées dans ce manuscrit. Les effets de plusieurs paramètres de fonctionnement, notamment le débit de gaz, la température, la pression, la concentration d'alimentation, la surface effective de la membrane ont été étudiés à la fois sur l'élimination de l'humidité et du toluène en phase gaz. Un modèle mathématique en deux étapes a été utilisé pour modéliser les résultats expérimentaux et évaluer la performance de séparation des ILM. Enfin des essais avec un ILM de taille industrielle ont confortés les résultats à petite échelle.

M. Stéphane ANGUILLE (Co-Directeur de Thèse), Maître de conférences, IUT Aix-Marseille

M. Marc BENDAHAN (Examinateur), Professeur, IM2NP, Aix-Marseille Université

M. Christophe CASTEL (Rapporteur), Professeur, ENSIC-LRGP

M. Alberto FIGOLI (Rapporteur), Professeur, ITM-CNR at University of Calabria

M. David GROSSO (Examinateur), Professeur, IM2NP, Aix-Marseille Université

M. Philippe MOULIN (Directeur de Thèse), Professeur, M2P2, Aix-Marseille Université

Mme. Audrey SORIC (Examinateur), Maître de conférences, M2P2, École Centrale Marseille

L'osmose inverse RO est par exemple l'un des processus de filtration membranaire les plus importants qui jouent un rôle primordial dans les technologies de purification de l'eau. Néanmoins, les performances du RO sont limitées par la polarisation de la concentration. Aucune étude quantitative n'existe pour évaluer comment les instabilités hydrodynamiques interagissent avec la pression osmotique élevée à la surface de la membrane en raison de la polarisation de la concentration. Ce projet de recherche s'intéresse au couplage entre les instabilités hydrodynamiques et la pression osmotique liée à la formation d'une couche limite de concentration au niveau de la membrane. L'impact des instabilités hydrodynamiques sur le flux de filtration est étudié qualitativement et quantitativement ici. Les instabilités hydrodynamiques considérées sont celles observées dans l'écoulement Taylor-Couette, connues par vortex de Taylor. La configuration de Taylor-Couette est donc utilisée comme un modèle de systèmes RO. Pour aborder qualitativement et quantitativement les interactions entre le transfert de masse, les instabilités hydrodynamiques et la pression osmotique dans la cellule de Taylor-Couette, deux approches analytiques et numériques sont développées. L'approche analytique est basée sur une analyse de stabilité linéaire et faiblement non linéaire. L'analyse de stabilité linéaire est utilisée pour prédire les conditions critiques correspondant à l'apparition de structures tourbillonnaires sous l'effet de la pression osmotique. Il a été démontré que la pression osmotique liée au flux transmembranaire radial a un effet significatif sur la stabilité de l'écoulement. En développant la théorie faiblement non linéaire, des instabilités hydrodynamiques ont été identifiées utiles pour améliorer le débit de filtration malgré la présence de la pression osmotique. L'approche numérique est basée sur des simulations numériques directes (DNS) utilisant la méthode de collocation spectrale. DNS montre un excellent accord avec les prévisions analytiques pour la plupart des cas. De plus, elle permet de quantifier l'impact des instabilités sur le flux de perméat à travers les membranes. Les résultats démontrent l'augmentation du flux de perméat.  

Directeur de these M. Pierre HALDENWANG Aix Marseille Université / M2P2

Directeur de these M. Denis MARTINAND Aix Marseille Université / M2P2

Rapporteur Mme Cécile LEMAITRE LRGP, Université de Lorraine - ENSIC

Rapporteur M. Innocent MUTABAZI Université le Havre Normandie

Examinateur M. Nils TILTON Department of Mechanical Engineering, Colorado School of Mines

Examinateur Mme Caroline GENTRIC Université de Nantes / GEPEA

Les symbioses industrielles permettent de créer de nouvelles collaborations entre différentes entités d’un même territoire afin d’échanger des ressources telles que des matières premières, de l’énergie, de l’information et des déchets, et d’intensifier les mutualisations de services et d’infrastructures. Ces dernières années, de nombreuses mesures ont ainsi été prises, favorisant et encourageant de telles initiatives. Néanmoins, certaines problématiques perdurent encore quant à leur mise en place et à leur démocratisation. Cette thèse se concentre sur une des problématiques principales de la symbiose industrielle : le manque de partage des informations. Les travaux de recherche s’articulent donc autour de la question suivante :

Comment formaliser l’échange d’informations entre partenaires industriels dans le but de faciliter la détection et l’évaluation des symbioses industrielles ?

Le concept de blueprint est développé et proposé comme solution facilitant l’échange de données entre partenaires industriels. Le blueprint est une représentation générique d’un procédé industriel donné. Une méthodologie détaillée, décrivant la construction du blueprint, la définition des flux qu’il contient, ainsi que la visualisation des profils le constituant, est également présentée. Celle-ci est appliquée à un système industriel de grande envergure : une raffinerie, démontrant sa faisabilité. Enfin, plusieurs exemples d’utilisation du blueprint dans un contexte de symbiose industrielle sont développés. Ils permettent de comprendre dans quel cadre plusieurs blueprints peuvent être combinés, et mettent en évidence la pertinence de la méthode ainsi que les limites de son utilisation.    

Prof. François MARECHAL   / École Polytechnique Fédérale de Lausanne -> Président du jury

Prof. Ronny VERHOEVEN   / Ghent University -> Vice président du jury

Prof. Simon HARVEY / Chalmers University of Technolog-> Rapporteur

Prof. Raphaële THERY HETREUX / INP Toulouse     -> Rapporteur

Prof. Lieven VANDEVELDE  /  Ghent University  -> Rapporteur

Prof. Olivier BOUTIN  /  Aix-Marseille Université  -> Examinateur

Dr. Bernard DESCALES / INEOS -> Invité

Dr. Solène LE BOURDIEC / EDF -> Invité

Prof. Jean-Henry FERRASSE / Aix-Marseille Université -> Directeur de thèse

Prof. Greet VAN EETVELDE  /  Ghent University -> Directeur de thèse

Pierre HALDENWANG

Denis ROIZARD                                    DR CNRS, LRGP, Nancy                             Rapporteur

Boris KOSOY                                        Professeur, ONAFT, Odessa                        Rapporteur

Ilham MOKBEL                                    MCF, Univ Lyon 1, Lyon                                 Examinatrice

Isabelle RASPO                                    CR CNRS, M2P2, Marseille                          Examinatrice

Sylvain MARC                                      PhD,  Arcane Industries, Géménos               Examinateur

Pierrette GUICHARDON                     Professeur ECM, Marseille                             Directrice de thèse

Evelyne NEAU                                     Professeur EM, Aix-Marseille Univ, Marseille   Invitée

Olivier BAUDOUIN                             Ingénieur, PROSIM, Labège                               Invité

Jacques JOSE                                      Professeur EM, Univ Lyon 1, Lyon                   Invité

Alfred TESTA                                       Dirigéant, Innovaclean, Géménos                     Invité