Soutenance de thèse de ROUAE BEN DHIA

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.

Reverse osmosis RO is one of the most important membrane filtration processes that play a leading role in water purification technologies, for example. Nevertheless, RO performances are limited by the concentration polarization. No quantitative studies exist to evaluate how hydrodynamic instabilities interact with the osmotic pressure raised on the membrane surface due to the concentration polarization. This work highlight the coupling between hydrodynamic instabilities and the osmotic pressure related to the build-up of a concentration boundary layer near the membrane. It provides qualitative and quantitative insights on the impact of hydrodynamic instabilities on the filtration flow. The hydrodynamic instabilities considered, are that observed in Taylor-Couette flow known as Taylor vortices. So, the configuration of Taylor-Couette is used as a model of RO systems. To address qualitatively and quantitatively the interactions between the mass transfer, the hydrodynamic instabilities and the osmotic pressure in Taylor-Couette cell, both analytical and numerical approaches are developed. The analytical approach is based on linear and weakly non linear stability analysis. Linear stability analysis is used to predict critical conditions corresponding to the appearance of vortical structures under the effect of the osmotic pressure. It has been shown that the osmotic pressure related to the radial transmembrane flow has a significant effect on the flow stability. By developing the weakly non-linear theory, hydrodynamic instabilities have been identified useful to improve the filtration flow despite the presence of the osmotic pressure. Numerical approach is based on direct numerical simulations (DNS) using spectral collocation method. DNS shows an excellent agreement with analytical predictions for most of the cases. Moreover, DNS allows to quantify the impact of vortical structures on the permeate flux across membranes. Results demonstrate the increase in the permeate flux.