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.