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HAL Id: tel-00433513 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00433513 Submitted on 19 Nov 2009 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés. Comparison of nanofiltration and reverse osmosis processes for a selective desalination of brackish water feeds Hanane Dach To cite this version: Hanane Dach. Comparison of nanofiltration and reverse osmosis processes for a selective desalination of brackish water feeds. Engineering Sciences [physics]. Université d’Angers, 2008. English. tel- 00433513 UNIVERSITÉ D’ANGERS Année 2008 N° d’ordre 897 THÈSE DE DOCTORAT Pour obtenir le grade de DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ D’ANGERS Spécialité : SCIENCES POUR L’INGÉNIEUR ET CHIMIE ANALYTIQUE ÉCOLE DOCTORALE D’ANGERS COMPARAISON DES OPÉRATIONS DE NANOFILTRATION ET D’OSMOSE INVERSE POUR LE DESSALEMENT SELECTIF DES EAUX SAUMATRES : DE L’ÉCHELLE DU LABORATOIRE AU PILOTE INDUSTRIEL Présentée et soutenue publiquement le : 6 mai 2008 à : l’Université de Fès par : Hanane DACH Mr. BOURSEAU Patrick Rapporteur Professeur, Université de Nantes, France Mr. ELMIDAOUI Azzedine Rapporteur Professeur, Université de Kénitra, Maroc Mr. BENTAMA Jilali Examinateur Professeur, Université de Fès, Maroc Mr. LEPARC Jérome Examinateur VEOLIA, France Mr. HAFSI Mahmoud Examinateur ONEP, Maroc Mr. IJJAALI Mustapha Président du Jury Professeur, Université de Fès, Maroc Mr. PONTIE Maxime Directeur de thèse Professeur, Université d’Angers, France Mr. LHASSANI Abdelhadi Co-Directeur de thèse Professeur, Université de Fès, Maroc Abstract A competing membrane process to Reverse Osmosis (RO) for brackish water desalination in the near future is Nanofiltration (NF). In this study, we tried to determine when apply of NF instead of RO for brackish water desalination is of a good relevance. In order to predict and compare NF and RO membranes performance, a fundamental study in laboratory scale was performed to a better understanding of the retention mechanisms of salts by several NF and RO membranes. The performance of the tested membranes was measured in terms of fluxes and rejection under different operating conditions (Feed solution composition, ionic strength, Hydrostatic pressure, recovery rate). The results showed that the rejections of salts increased with the feed pressure and decreased with the salt concentration and recovery rate. The Spiegler-Kedem-Katchalsky model (SKK) was used to analyse the experimental data of filtration experiments. The validation of the model applied allowed us to quantify the mass transfer parameters and to determine the mass transfer occurring in NF and RO (Convection and/or hydration diffusion). The membranes were also characterized using Atomic Force Microscopy, Streaming potential and Contact angle measurements with the goal of relating fluxes and salts retention behaviour with the membrane surface properties. The second part includes a technico-economical study comparing RO and NF processes for Tan Tan brackish water (4 g.L-1) desalination on pilot scale in Tan Tan BWRO plant. In this study, the performance of number of NF and RO modules was evaluated in terms of productivity, desalination efficiency and energy requirements. It was found that the RO modules sharply reduced the TDS of Tan Tan water (rejections > 90%). NF was observed to be an effective method to perform partial desalination of Tan Tan brackish water at higher permeates fluxes and lower applied pressures. The degrees of mineral salt removal with the NF90 and NE90 membranes were in the range of 72 and 95%. The results of pilot plant tests were compared with softwer projections. Significant deviations between pilot experiments and the simulations are obtained for some softwares, and pilot studies are required for the elements corresponding. This part also investigated the application of nanofiltration for demineralization of model solution simulating moderately brackish waters (salinity range of 4-10 g.L-1), and defluoridation of Tan Tan brackish water doped with fluoride at high concentrations. The results indicate the effectiveness of NF membranes (NF90 and NE90) in the treatment of brackish water feed of TDS lesser than 6 g.L-1. These membranes were also effective for fluoride removal at a satisfactory value. Key words : Nanofiltration, Reverse Osmosis, Dessalination, Brackish water, Characterization, Defluoridation, Selectivity, Mass transfer, Simulations, technico-economical optimization. Résumé Le dessalement des eaux saumâtres et de l’eau de mer peut faire face à la problématique de pénurie d’eau qui menace certains pays tel que le Maroc. Actuellement, la technique la plus utilisée pour le dessalement des eaux saumâtres est l’Osmose inverse. La nanofiltration peut remplacer, dans les années avenir, l’Osmose inverse, mais la méconnaissance du comportement du matériau membranaire et des phénomènes de transfert limite l’application de la NF. Une meilleure compréhension des mécanismes de transport favoriserait son essor au sein du domaine de dessalement. C’est dans cette optique que nous avons mené ce travail pour contribuer à l’étude du dessalement des eaux saumâtres par NF. L’originalité de ce travail est de comparer les deux techniques de NF et d’OI sur le plan fondamental à l’échelle du laboratoire et de comparer leur performances pour le dessalement d’une eau saumâtre du sud du Maroc à l’échelle pilote. Dans la partie fondamentale une approche systématique pour la caractérisation des membranes commerciales de nanofiltration et d’osmose inverse à basse pression a été établie, pour aider l’utilisateur au choix d’une membrane pour le dessalement des eaux saumâtres. Nous avons développé deux types de caractérisation : (i) physico-chimique, en terme de Hydrophilie/ Hydrophobie, morphologie et topographie, charge de surface et (ii) transfert de mass en terme de perméabilité hydraulique à l’eau ultra pure et à des solutions salines, rétention de sels monovalents et divalents, détermination du seuil de coupure, détermination des paramètres de transfert de masse σ et Ps respectivement le coefficient de reflexion et la perméabilité au soluté des membranes, compréhension des mécanismes de transfert de masse en NF ; la convection pure et la diffusion pure. Nous avons appliqué cette approche pour des membranes commerciales de NF et d’OIBP afin de comparer leurs performances et les classifier pour aider à la sélection d’une membrane de NF pour le dessalement des eaux saumâtres. La deuxième partie est consacrée à une étude pilote du dessalement d’une eau saumâtre du Sud du Maroc, afin de prouver sur le plan technique et économique, l’efficacité de la nanofiltration pour le dessalement cette eau. La NF s’est avérée efficace pour le dessalement partiel et sélectif de l’eau saumâtre étudiée en un seul étage, avec une consommation énergétique plus faible qu’en OI. Les membranes NF90 et NE90 sont les plus adéquates et les plus concurrentes à la BW30 pour le dessalement d’une eau saumâtre avec un taux de salinité de 4 g/L. Elle permettent un dessalement partiel et permettent aussi de préparer une eau destinée à la consommation humaine ( TDS ≤ 1000 ppm) à des pressions 2 fois plus faibles et à des taux de conversions plus élevés (90%). Des essais de dopage de l’eau de TanTan à différents taux de salinité et avec des ions fluorures ont été réalisés. Ces essais ont permis de déterminer la limite d’application des membranes de nanofiltration pour le dessalement des eaux saumâtres (6g.L-1) et confirmer l’efficacité de la NF pour la défluoruration sélective des eaux saumâtres au Maroc. Mots clés : Nanofiltration, Osmose inverse, Dessalement, Eaux saumâtres, Caractérisation, Défluoruration, Sélectivité, Transfert de mass, Simulations, Optimisation technico- économique. Acknowledgements I would like to thank my thesis supervisors, Maxime PONTIE and Abdelhadi LHASSANI. Thank you for your time, scientific input, guidance, and continuous support during this project. Many thanks also go to Jérôme LEPARC for his assistance, his guidance and for working with me in the later stage of this project. Dr Alain Jadas-Hécart is thanked for his help in the modeling part of this work. I gratefully acknowledge financial support from the Middle East Desalination Research Center (MEDRC). I would like to thank Veolia (Anjou Recherche) for supporting the project and for the investment in the application part of this study. I would also like to thank the Office National de l’Eau Potable for giving me the opportunity to develop pilot scale experiments in Tan Tan Brackish Water Treatment Plant. I would like to express my deep gratitude to the technical and the administrative staff in Tan Tan Brackish Water Treatment Plant. Thank you so much for your help. Special thanks go to my friends who have accompanied and supported me in the lab and during course of this research: Anju, Hanane and Mohammed, Frederic, Anita, Eric, Ilhame, Meryame and Hind. Thank you so much for your help, companionship and comfort. To my parents, I have no words to express my sincere love and thanks, to them I dedicate this work. Thank you for your love, encouragement and endless support. My brother and sisters, thank you for your love and for supporting me. v Table of contents Abstract ...................................................................................................................................... 1 Résumé....................................................................................................................................... 3 Acknowledgements .................................................................................................................... 4 Table of contents ........................................................................................................................ v List of figures ............................................................................................................................. x List of tables............................................................................................................................xiii uploads/Litterature/ thesis-h-dach-gap-angers 1 .pdf