L'Equipe Procédés Membranaires (EPM) consacre ses activités à des
recherches appliquées et à leur transfert vers le monde industriel où
interfèrent les exigences scientifiques, économiques et celles de la
confidentialité des sujets traités.
Les activités de l'équipe sont en forte progression et couvrent un large spectre : depuis la conception de nouvelles membranes et modules jusqu'au développement et à l'installation de nouveaux procédés membranaires industriels. L'objectif principal de l'équipe Procédés Membranaires est d'améliorer l'efficacité de ces procédés limitée par le colmatage et le coût de mise en œuvre, tout en apportant des solutions innovantes dans le traitement d’effluents spécifiques et la purification de composés de haute valeur ajoutée.
L’optimisation des procédés membranaires passe par une meilleure compréhension des mécanismes mis en jeu. Les activités de l’EPM se divisent en 6 axes de recherche inter-agissant entre eux :
- Bioréacteur à membranes (Benoit Marrot) - Caractérisation de membranes et Eau potable (Yvan Wyart) - Industrialisation de procédés et CFD (Philippe Moulin) - Propriétés de Transport et Métrologie (Jean Philippe Bonnet) - Traitement des effluents (Emilie Carretier) - Intensification de procédés (Mathias Monnot)
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Toute évolution des procédés ne peut reposer que sur la connaissance approfondie des problématiques qui les génèrent et des choix qui peuvent en découler. Les problématiques scientifiques évoquées sont complexes et multiples. Dans ce cadre, les activités de recherche sont pour la majorité en partenariat avec un industriel dans le cadre d’un contrat de collaboration de recherche. A partir d’une idée développée au laboratoire ou d’une problématique industrielle), il s’agit ici de travailler en partenariat industriels-EPM dans un cadre réaliste de variables opératoires.
Plate forme de 20 pilotes de filtration 1 pilote de perméation gazeuse 2 pilote de pervaporation 1 OI haute pression, NF, 3 pilotes de screening 9 pilotes de MF-UF 1 BRM 1 station de production d'eau potable 20m3.J-1 1 unité de purification d'eau 240m3.J-1 1 BRM industriel 1 pilote multi scales MF-UF
Partenaires industriels et académiques
Dernières Publications de l'équipe
2021
Xueru Yan, Stéphane Anguille, Marc Bendahan, Philippe Moulin. Toluene removal from gas streams by an ionic liquid membrane: Experiment and modeling. Chemical Engineering Journal, Elsevier, 2021, 404, pp.127109. ⟨10.1016/j.cej.2020.127109⟩. ⟨hal-02958176⟩ Plus de détails...
Ionic liquids (ILs) are promising alternative solvents for traditional organic compounds using selective separation. However, some environmental risks of ILs, resulting in a limitation of their applications in industry. In this work, the stability of ILs into multi-channel tubular ceramic membranes (ILM) provides a promising way to realize the use of ILs with environmental damages reducing. This novel process has been investigated for toluene removal from a toluene/air gas mixture based on 1-butyl-3-imidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)amide ([Bmim][NTf2]) as a liquid sorbent. In addition, the effects of operating conditions on toluene separation were studied and discussed by experiment and modeling. The absorption capacity of toluene by the ILM on proposed operating conditions was around 224.74 mg per gram of the ionic liquid. The support ceramic membrane can effectively prevent ILs leakage from causing secondary waste and ensure longtime operation. Regeneration of polluted ILM was available.
Xueru Yan, Stéphane Anguille, Marc Bendahan, Philippe Moulin. Toluene removal from gas streams by an ionic liquid membrane: Experiment and modeling. Chemical Engineering Journal, Elsevier, 2021, 404, pp.127109. ⟨10.1016/j.cej.2020.127109⟩. ⟨hal-02958176⟩
Mathilda Trevisan, Lucas Barthélémy, Remy Ghidossi, Philippe Moulin. Silicon carbide (SiC) membranes in œnology: a laboratory-scale study. OENO One, Institut des Sciences de la Vigne et du Vin (Université de Bordeaux), 2020, 54 (4), pp.719-732. ⟨10.20870/oeno-one.2020.54.4.3856⟩. ⟨hal-03021906⟩ Plus de détails...
Unfiltered wine is a turbid medium that is not generally accepted by the consumer. Therefore, one or several filtration steps are required before bottling. Silicon carbide (SiC) membranes desirable parameters (porosity, tortuosity fluxes) allow filtering several different types of loaded matrices like wine or residue sediment. An in-depth filtration study was carried out on white and red wines to evaluate membrane efficiency and to optimise their cleaning procedure. Retention rates were studied as a function of wine type, filtration mode, and volumetric concentration factor. Compared to ceramic membranes, SiC membrane permeate fluxes are higher, up to a factor of 10 for red wine. For white wines, equivalent permeate fluxes could be obtained with dead-end filtration. Moreover, SiC membranes appear to be effective in obtaining a clear and brilliant wine and do not modify the concentration of the compounds of interest in wine. Finally, an optimised cleaning protocol has been identified and shown to restore a sufficient permeability to the SiC membranes.
Mathilda Trevisan, Lucas Barthélémy, Remy Ghidossi, Philippe Moulin. Silicon carbide (SiC) membranes in œnology: a laboratory-scale study. OENO One, Institut des Sciences de la Vigne et du Vin (Université de Bordeaux), 2020, 54 (4), pp.719-732. ⟨10.20870/oeno-one.2020.54.4.3856⟩. ⟨hal-03021906⟩
Mariam Fadel, Yvan Wyart, Philippe Moulin. An Efficient Method to Determine Membrane Molecular Weight Cut-Off Using Fluorescent Silica Nanoparticles. Membranes, MDPI, 2020, 10 (10), pp.271. ⟨10.3390/membranes10100271⟩. ⟨hal-02963963⟩ Plus de détails...
Membrane processes have revolutionized many industries because they are more energy and environmentally friendly than other separation techniques. This initial selection of the membrane for any application is based on its Molecular Weight Cut-Off (MWCO). However, there is a lack of a quantitative, liable, and rapid method to determine the MWCO of the membrane. In this study, a methodology to determine the MWCO, based on the retention of fluorescent silica nanoparticles (NPs), is presented. Optimized experimental conditions (Transmembrane pressure, filtration duration, suspension concentration, etc.) have been performed on different membranes MWCO. Filtrations with suspension of fluorescent NPs of different diameters 70, 100, 200 and 300 nm have been examined. The NPs sizes were selected to cover a wide range in order to study NPs diameters larger, close to, and smaller than the membrane pore size. A particle tracking analysis with a nanosight allows us to calculate the retention curves at all times. The retention rate curves were shifted over the filtration process at different times due to the fouling. The mechanism of fouling of the retained NPs explains the determined value of the MWCO. The reliability of this methodology, which presents a rapid quantitative way to determine the MWCO, is in good agreement with the value given by the manufacturer. In addition, this methodology gives access to the retention curve and makes it possible to determine the MWCO as a function of the desired retention rate.
Mariam Fadel, Yvan Wyart, Philippe Moulin. An Efficient Method to Determine Membrane Molecular Weight Cut-Off Using Fluorescent Silica Nanoparticles. Membranes, MDPI, 2020, 10 (10), pp.271. ⟨10.3390/membranes10100271⟩. ⟨hal-02963963⟩
Christophe Castel, Eric Favre, Sabine Rode, Emilie Carretier, Carole Arnal-Herault, et al.. Pervaporation : des matériaux membranaires aux procédés et à leurs applications. Techniques de l'Ingénieur, J2820 V2, p1-38, 2020. ⟨hal-03222910⟩ Plus de détails...
Christophe Castel, Eric Favre, Sabine Rode, Emilie Carretier, Carole Arnal-Herault, et al.. Pervaporation : des matériaux membranaires aux procédés et à leurs applications. Techniques de l'Ingénieur, J2820 V2, p1-38, 2020. ⟨hal-03222910⟩
Clémence Cordier, Christophe Stavrakakis, Benjamin Morga, Lionel Degremont, Alexandra Voulgaris, et al.. Removal of pathogens by ultrafiltration from sea water. Environment International, Elsevier, 2020, 142, pp.105809. ⟨10.1016/j.envint.2020.105809⟩. ⟨hal-02891935⟩ Plus de détails...
Among water treatment processes, ultrafiltration is known to be efficient for the elimination of micro-organisms (bacteria and viruses). In this study, two pathogens were targeted, a bacterium, Vibrio aestuarianus and a virus, OsHV-1, with the objective to produce high quality water from seawater, in the case of shellfish productions. The retention of those microorganisms by ultrafiltration was evaluated at labscale. In the case of OsHV-1, the protection of oysters was validated by in vivo experiments using oysters spat and larvae, both stages being highly susceptible to the virus. The oysters raised using contaminated seawater which was then subsequently treated by ultrafiltration, had similar mortality to the negative controls. In the case of V. aestuarianus, ultrafiltration allowed a high retention of the bacteria in seawater with concentrations below the detection limits of the 3 analytical methods (flow cytometry, direct seeding and seeding after filtration to 0.22 µm). Thus, the quantity of V. aestuarianus was at least, 400 times inferior to the threshold known to induce mortalities in oysters. Industrial scale experiment on a several months period confirmed the conclusion obtained at lab scale on the Vibrio bacteria retention. Indeed, no bacteria from this genus, potentially harmful for oysters, was detected in permeate and this, whatever the quality of the seawater treated and the bacteria concentration upstream of the membrane. Moreover, the resistance of the process was confirmed with a stability of hydraulic performances over time for two water qualities and even facing an algal bloom. In terms of retention and resistance, ultrafiltration process was validated for the treatment of seawater towards the targeted pathogenic microorganisms, with the aim of biosecuring shellfish productions.
Clémence Cordier, Christophe Stavrakakis, Benjamin Morga, Lionel Degremont, Alexandra Voulgaris, et al.. Removal of pathogens by ultrafiltration from sea water. Environment International, Elsevier, 2020, 142, pp.105809. ⟨10.1016/j.envint.2020.105809⟩. ⟨hal-02891935⟩
26 November 2021
- Ultrafiltration as urban wastewater tertiary treatment for water reuse at semi-industrial scale / Thesis defense Jiaqi YANG
Doctorant : Jiaqi YANG
Date de soutenance : Vendredi 26 November 2021 à 10h (Grand Amphithéâtre du CEREGE - Site de l'Arbois)
Abstract : Water reuse is a sustainable development strategy that benefits society and future generations. In this study, a semi-industrial ultrafiltration (UF) pilot plant established at the outlet of a wastewater treatment plant was studied to assess its feasibility and sustainability for non-potable water reuse. The optimization of operating conditions made it possible to support reliable and sustainable filtration performance, the operating conditions were optimized through comparative analysis in terms of water quality, permeability variation, irreversible fouling management, and water recovery rate. The best conditions were J80t40BW1/3 (flux of 80 L·h−1·m−2, filtration cycle time of 40 min, 1 air backwash followed by 3 classical backwashes), J60t60BW1/4 and J60t60BW1/3. The long-term study on condition J60t60BW1/3 provides sustainable and adaptable filtration performance regardless of the temperature and feed water quality variation. In addition, the air backwashes enabled excellent reversibility of membrane fouling, which was approximately 1.25 to 2 times higher than of classic backwashes in average. The quality of the UF permeate was good enough to be reused in non-potable purposes as it met reuse guidelines of the World Health Organization, reuse standards of France, and the most recent EU regulation for agricultural irrigation. A specific study of membrane cleaning has shown that the addition of NaClO in backwash water can greatly increase cleaning efficiency of air backwashes. Finally, the calculation of the capital expenditure (CAPEX) and operational expenditure (OPEX) of the UF system under optimized conditions gives a profitable net unit price for water production. Through this thesis, UF is confirmed to be a reliable tertiary treatment for water reuse and the results give operational indications for the industrial scale and provides proposals for the management of membrane fouling by air backwash with chemical assistance.
Jury :
Annabelle COUVERT (Examinateur) / Professeur des Universités, ISCR, ENSC Rennes
Lionel ERCOLEI (Membre invité) /Directeur de l’Innovation, Société des Eaux de Marseille Métropole
Marc HÉRAN (Rapporteur) / Professeur des Universités, IEM, Université de Montpellier
Mathias MONNOT (Co-Directeur de Thèse) / Maître de Conférences, M2P2, Aix-Marseille Université
Philippe MOULIN (Directeur de Thèse) / Professeur des Universités, M2P2, Aix-Marseille Université
Patrick SAUVADE (Membre Invité) / Product manager, Aquasource, Toulouse
17 septembre 2021
- Rétention de virus par ultrafiltration : application à la production d'eau potable / Soutenance de thèse de Nolwenn JACQUET
Doctorante : Nolwenn JACQUET
Date de soutenance : Vendredi 17 septembre 2021 à 9:00 ; Technopôle de l'Arbois-Méditerranée ; CEREGE, Amphithéâtre.
Résumé :
Lors de la production d'eau potable, produire une eau exempte de tout microorganisme pathogène pour l'homme est une priorité afin d'éviter tout risque sanitaire. Le traitement de ces différents pathogènes est assuré en usine par un traitement multi barrières composé de différents procédés de désinfection comme le chlore, les rayonnements UV et/ou l'ozone. Les procédés membranaires peuvent également compléter cette désinfection sans ajout de corps tiers. Lors de cette thèse, le procédé d'ultrafiltration a été étudié vis-à-vis de la rétention de deux virus entériques pathogènes : un adénovirus (AdV 41) et un entérovirus (CV-B5). La rétention de ces virus a pu être comparée à celle d'autres composés comme les bactériophages MS2 ou les nanoparticules fluorescentes, afin d'évaluer leur potentiel comme modèle de rétention virale. Différentes conditions opératoires ont pu être étudiées afin de mettre en évidence les potentielles différences entre les manipulations en laboratoire et la réalité industrielle. La rétention virale apparait fortement impactée par la concentration en amont de la membrane et/ou la concentration d'alimentation. Si les abattements viraux calculés pour de fortes concentrations virales d'alimentation peuvent atteindre, en accord avec les données fabricant, 3 à plus de 5 log selon les membranes et les virus étudiés, des abattements inférieurs à 1 log sont obtenus pour les plus faibles charges virales étudiées, représentatives de la réalité de la contamination des ressources en eau. L'impact de la membrane mais également de son vieillissement sur la rétention virale a également été étudié par rapport à un vieillissement au NaOCl et un vieillissement réel en usine. Si l'exposition au NaOCl entraîne bien des dégradations du matériau membranaire, c'est l'apparition du colmatage après les cycles de filtrations en usine qui influence fortement la rétention virale avec le vieillissement. L'osmose inverse basse pression a également été étudiée et comparée à l'ultrafiltration. Ces membranes denses permettent ainsi d'améliorer la rétention virale, bien qu'elles ne permettent pas une rétention totale.
Jury
Directeur de these M. Philippe MOULIN Aix Marseille Université
