Integrated graphene oxide based nanofiltration and reverse osmosis cascades : a pathway to improved desalination performance from pretreatment to salt removal (Intégration de membranes céramiques à base d’oxyde de graphène et de cascades membranaires en osmose inverse : une voie vers l’amélioration des performances du dessalement) Kouzi, Youness - (2025-12-09) / Université de Rennes, Université Hassan II (Casablanca, Maroc) - Integrated graphene oxide based nanofiltration and reverse osmosis cascades : a pathway to improved desalination performance from pretreatment to salt removal Accéder au document :  https://ged.univ-rennes1.fr/nuxeo/site/esupversion...

Langue : Anglais Directeur(s) de thèse:  Baudry-Rabiller, Murielle; Alami Younssi, Saad Discipline : Chimie : procédés et environnement Laboratoire :  ISCR Ecole Doctorale : S3M Classification : Chimie, minéralogie, cristallographie Mots-clés : Dessalement, membrane céramique, oxyde de graphène, osmose inverse, mécanisme de transfert, cascades membranaires Eau salée -- Dessalement -- Osmose inverse Oxyde de graphène

Résumé : La pénurie d'eau, exacerbée par le changement climatique et la croissance démographique, accélère le déploiement du dessalement de l'eau de mer. Le dessalement par osmose inverse conventionnelle se heurte à deux limites critiques : (i) un prétraitement complexe et coûteux pour contrôler l'encrassement et l'instabilité de la filtration, et (ii) la transmission partielle de micro-polluants à travers une membrane d’osmose inverse, ce qui compromet la qualité de l'eau produite. Cette thèse aborde ces deux défis. Tout d'abord, des membranes céramiques à faible coût à base d’oxyde de graphène (GO) ont été développées pour le prétraitement de l’osmose inverse. La stabilité d'adhérence de la couche GO a été améliorée grâce à l'optimisation du greffage, tandis que le gonflement du GO a été atténué grâce à une réduction partielle du GO, une intercalation de TiO₂ et une réticulation par de la para-phénylènediamine. Les membranes obtenues ont démontré une perméabilité à l'eau élevée, un fort rejet des colorants modèles et des performances stables à long terme en filtration tangentielle, confirmant qu’elles sont des candidates robustes pour le prétraitement. Deuxièmement, l'applicabilité des cascades de membranes RO a été étudiée afin mieux retenir les micropolluants organiques et de renforcer les performances lorsque les membranes vieillissent. Les simulations réalisées à 55 bar avec des mélanges de NaCl (25-34 g.L⁻¹) et des polluants organiques modèles prédisent une amélioration significative de la qualité du perméat, même avec des membranes vieillies, en maintenant une qualité de l'eau conforme aux normes de l'OMS, au prix d'une augmentation de la surface membranaire et de la consommation d'énergie. Leur application pratique nécessitera une analyse multicritères afin de sélectionner le taux de renouvellement des membranes le plus approprié. Abstract : Water scarcity, exacerbated by climate change and population growth, is accelerating the deployment of saltwater desalination. Conventional reverse osmosis desalination faces two critical limitations: (i) complex and costly pretreatment to control fouling and filtration instability, and (ii) partial transmission of micro-pollutants through single-stage RO, which compromises produced water quality. This thesis addresses both of these challenges. First, low-cost Graphene Oxide (GO) ceramic membranes were developed as potential RO pretreatment. Adhesion stability of the GO layer was enhanced through optimization of grafting techniques, while GO swelling was mitigated through a synergistic design involving partial GO reduction, TiO₂ intercalation, and para-phenylenediamine cross-linking. The resulting membranes demonstrated high water permeance, strong rejection of model dyes, and stable long-term performance under crossflow conditions, confirming their suitability as robust pretreatment candidates. Second, the applicability of RO membrane cascades was investigated to suppress micro-pollutants’ breakthrough and reinforce performance under membrane ageing. Simulations carried out at 55 bar with 25-34 g.L⁻¹ NaCl and model organic pollutants predicted a significant improvement in permeate quality, even with aged membranes, maintaining WHO-compliant water quality, at the expense of increased membrane area and energy consumption. Their practical application therefore requires multi-criteria analysis to select the most appropriate membrane turn over.